CN102407784B - 用于估计蓄电池soc的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种确定蓄电池荷电状态的方法。蓄电池的启动荷电状态根据当前点火启动的当前开路电压测量值、先前点火启动的至少一个开路电压观测值、以及在从先前点火启动事件到当前点火启动事件的时间段内的电流消耗积分来确定。针对点火钥匙接通操作确定蓄电池的运行荷电状态变化。运行荷电状态变化包括当前开路电压测量值和所述至少一个先前开路电压观测值之间的差，且响应于在相应时间段内的电流消耗积分来确定。蓄电池荷电状态基于蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来计算。

Description

用于估计蓄电池SOC的方法和设备
技术领域
实施例总体上涉及确定车辆内的蓄电池荷电状态。 
背景技术
确定蓄电池荷电状态（SOC）可以使用采用库仑计数或参数估计技术的各种技术执行。库仑计数涉及使用一个测量值（即，一个开路电压读数）来估计蓄电池荷电状态。开路电压的准确性对于确定荷电状态是关键的。如果存在测量误差，那么荷电状态估计值具有的误差是基本上测量误差的倍数（the factor of）。 
此外，使用充电效率和蓄电池容量来确定荷电状态的库仑计数在蓄电池寿命的整个估计过程内通常使用用于新蓄电池值的标准制造规格值。随着时间的经过，蓄电池老化且充电效率和蓄电池容量也变化，从而引起荷电状态估计的误差。 
当前参数估计技术需要在常规车辆上不一定可用的激励。 
发明内容
实施例的优势在于，通过使用当前和先前开路电压测量值/估计值两者和电流消耗的积分来确定蓄电池荷电状态，其中，减少了估计荷电状态的误差。现有技术的缺陷借助于不仅仅基于新蓄电池确定蓄电池容量来克服。由于蓄电池特性在蓄电池寿命内变化，因而使用当前和过去蓄电池特性测量值/估计值两者提供了关于蓄电池在一定时间期限内如何变化的更全面分析，这减少了在单个测量值/估计值中可能发生的任何异常。 
一个实施例设想一种确定蓄电池荷电状态的方法。在点火启动期间，测量车辆蓄电池的开路电压。蓄电池的启动荷电状态根据当前点火启动的当前开路电压测量值、先前点火启动的至少一个开路电压观测值、以及在从先前点火启动事件到当前点火启动事件的时间段内的电流消耗积分来确定。针对点火钥匙接通（key-on）操作确定蓄电池的运行荷电状态变化。运行荷电状态变化包括当前开路电压测量值和所述至少一个先前开路电压观测值之间的差，且响应于在相应时间段内的电流消耗积分来确定。蓄电池荷电状态基于蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来计算。 
一个实施例设想一种确定蓄电池荷电状态的系统。所述系统包括：蓄电池；用于从蓄电池消耗功率的至少一个部件；电压表，用于测量点火启动序列时的蓄电池的开路电压；电流传感器，用于感测从蓄电池消耗的电流。所述系统还包括控制模块，所述控制模块根据蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来确定蓄电池荷电状态。启动荷电状态在点火启动事件时确定。启动荷电状态还根据当前点火启动的当前开路电压测量值、至少一个先前开路电压观测值、以及在从先前点火事件到当前点火事件的时间段内的电流积分而变。运行荷电状态变化包括在点火接通操作期间的时间。运行荷电状态变化根据当前开路电压测量值和至少一个先前开路电压观测值之间的差来估计，所述差响应于在相应时间段内的电流积分来确定。 
本发明涉及下述技术方案。 
1. 一种确定蓄电池荷电状态的方法，所述方法包括以下步骤： 
在点火启动期间，测量车辆蓄电池的开路电压；
根据当前点火启动的当前开路电压测量值、先前点火启动的至少一个开路电压观测值、以及在从先前点火启动事件到当前点火启动事件的时间段内的电流消耗积分来确定蓄电池的启动荷电状态；
针对点火钥匙接通操作确定蓄电池的运行荷电状态变化，运行荷电状态变化包括当前开路电压测量值和所述至少一个先前开路电压观测值之间的差，且响应于在相应时间段内的电流消耗积分来确定；以及
基于蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化的函数来计算蓄电池荷电状态。
2. 根据技术方案1所述的方法，其中，蓄电池荷电状态由以下公式表示： 
其中，是启动荷电状态且根据开路电压和温度而变，是运行荷电状态变化且根据蓄电池参数和相应时间段内的电流消耗积分而变。
3. 根据技术方案2所述的方法，其中，启动荷电状态基于以下公式从开路电压估计值导出： 
其中，是在第k个点火启动时的当前开路电压测量值，是先前开路电压观测值，是当前开路电压观测值，是蓄电池参数，I是从蓄电池消耗的电流，是调节因子。
4. 根据技术方案3所述的方法，其中，调节因子由以下公式表示： 
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
5. 根据技术方案3所述的方法，其中，蓄电池参数根据先前蓄电池参数观测值和当前估计蓄电池参数而变。 
6. 根据技术方案5所述的方法，其中，蓄电池参数由以下公式表示： 
其中，是蓄电池参数的调节因子，是先前蓄电池参数观测值，是当前蓄电池参数观测值。
7. 根据技术方案6所述的方法，其中，蓄电池参数的调节因子根据点火钥匙关闭的时间而变，其中，调节因子由以下公式表示： 
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
8. 根据技术方案6所述的方法，其中，当前开路电压测量值、先前开路电压观测值和蓄电池参数在相应温度下标准化。 
9. 根据技术方案8所述的方法，其中，用于启动荷电状态和运行荷电状态变化的开路电压在相应温度下标准化。 
10. 根据技术方案9所述的方法，其中，用于蓄电池荷电状态的标准化开路电压根据在相应温度下针对启动荷电状态确定的开路电压且根据在相应温度下用于运行荷电状态变化的蓄电池参数和电流积分来确定。 
11. 根据技术方案10所述的方法，其中，用于蓄电池荷电状态的标准化开路电压转换回到当前温度下的开路电压。 
12. 根据技术方案11所述的方法，其中，蓄电池荷电状态根据当前温度下的开路电压来确定。 
13. 根据技术方案1所述的方法，其中，蓄电池荷电状态经由显示装置向车辆使用者显示。 
14. 根据技术方案1所述的方法，其中，蓄电池荷电状态的表征经由显示装置向车辆使用者显示。 
15. 一种用于确定蓄电池荷电状态的系统，包括： 
蓄电池；
用于从蓄电池消耗功率的至少一个部件；
电压表，用于测量点火启动序列时的蓄电池的开路电压；
电流传感器，用于感测从蓄电池消耗的电流；以及
控制模块，所述控制模块根据蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来确定蓄电池荷电状态，启动荷电状态在点火启动事件时确定，启动荷电状态根据当前点火启动的当前开路电压测量值、至少一个先前开路电压观测值、以及在从先前点火事件到当前点火事件的时间段内的电流积分而变，运行荷电状态变化包括在点火接通操作期间的时间，运行荷电状态变化根据当前开路电压测量值和至少一个先前开路电压观测值之间的差来估计，并响应于在相应时间段内的电流积分来确定。
16. 根据技术方案15所述的系统，其中，控制模块基于以下公式从估计开路电压确定启动荷电状态： 
其中，是在第k个点火启动时的当前开路电压测量值，是先前开路电压观测值，是当前开路电压观测值，是蓄电池参数，I是从蓄电池消耗的电流，是调节因子。
17. 根据技术方案16所述的系统，其中，控制模块基于以下公式确定调节因子： 
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
18. 根据技术方案17所述的系统，其中，控制模块基于以下公式确定蓄电池参数： 
其中，是蓄电池参数的调节因子，是先前蓄电池参数观测值，是当前蓄电池参数观测值。
19. 根据技术方案15所述的系统，其中，控制模块基于以下公式来确定蓄电池参数的调节因子： 
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
20. 根据技术方案15所述的系统，还包括显示器，用于向车辆使用者识别蓄电池荷电状态。 
附图说明
图1是用于估计蓄电池荷电状态（SOC）和蓄电池容量的系统的框图。 
图2是图示了用于确定开路电压的时间实例的时间线示意图。 
图3是用于确定蓄电池荷电状态（SOC）和蓄电池容量的方法的流程图。 
具体实施方式
图1图示了包含荷电状态（SOC）和蓄电池容量估计系统的车辆10的实施例的框图。应当理解的是，车辆可包括但不限于混合动力车辆、内燃机车辆和电动车辆或使用蓄电池的任何机器。车辆10包括具有单个蓄电池或多个独立蓄电池模块的蓄电池组12。例如，一个实施例可包括串联连接的多个蓄电池以产生高电压标称电压，或者车辆可包括单个12伏蓄电池，产生用于内燃机车辆的14伏标称电压。本文所述的荷电状态和蓄电池容量估计技术可应用于各种蓄电池类型，包括但不限于镍金属氢化物（NiMH）蓄电池、铅酸蓄电池或锂离子蓄电池。 
车辆蓄电池12电联接到使用蓄电池作为功率源的多个装置14。车辆10还可包括电流传感器16、和电压表18以及控制模块20。 
所述多个装置14包括但不限于适配到外部插电装置的功率出口、车辆的附件、部件、子系统和系统。电流传感器16用于监测离开车辆蓄电池12的电流。电压表18测量电压，从而可确定开路电压。控制模块20或类似模块获得、导出、监测和/或处理与车辆蓄电池12有关的一组参数。这些参数可包括但不限于电流、电压、荷电状态（SOC）、蓄电池容量、蓄电池内部阻抗、蓄电池内部电抗、蓄电池温度、以及车辆蓄电池的功率输出。控制模块20包括用于执行车辆荷电状态和蓄电池容量估计技术的算法或类似物。在混合动力车辆或电动车辆中，电流传感器通常集成到控制模块中。 
为了增强蓄电池充电控制和车辆功率管理，开路电压VOC用于估计SOC。蓄电池的SOC使用启动SOC和运行SOC变化来估计。蓄电池SOC的公式表示如下： 
    (1)
其中，是根据开路电压和温度而变的启动SOC，是根据蓄电池参数和先前电流数据积分而变的运行SOC变化。蓄电池参数(=)根据蓄电池充电效率c和蓄电池容量而变。
开路电压VOC是确定SOC的关键要素。因而，以下实施例将集中于VOC如何导出且用于确定和。 
图2图示了用于估计的多个开路电压的时间线，其考虑历史数据。历史数据涉及检测点火关闭和点火接通事件且观测蓄电池特性的先前时间实例。本文使用的措辞“观测”指的是基于测量值的测量和/或估计值。总体上以20示出了连续点火接通In和点火关闭If事件的时间序列。时间线22图示了在点火钥匙从点火关闭过渡到点火接通（例如，）时的每个时间实例。基于不同时间实例，可以针对每个时间实例确定开路电压，不仅考虑当前开路电压测量值，而且考虑先前开路电压测量值，以便估计第k个点火事件的更精确开路电压值。图2所示的时间实例的公式由以下公式表示： 
                                        (2)
                          (3)
               (4)
当考虑过去观测值时，使用调节因子获得加权平均值。调节因子基于钥匙关闭时间或钥匙接通时间的持续时间来加权开路电压估计值。应当理解的是，本文所述的用于确定调节因子的技术仅仅是可以如何确定调节因子的一个实施例，且用于确定调节因子的其它技术可以应用于本文，而不偏离本发明的范围。使用调节因子来确定开路电压的公式由以下公式表示：
.             (5)
其中，表示基于先前观测值的估计值，表示当前观测值。
因而，如果钥匙关闭时间过短，那么将更看重该估计值，其中，调节因子将优选接近1。如果钥匙关闭时间大于预定时间值，那么将更看重当前观测值，且调节因子将优选接近0。因而，以下公式用于确定调节因子，其根据关闭时间而变。开路电压的调节因子由以下公式表示： 
                                                 (6)
其中，是在点火钥匙关闭时到点火钥匙接通时的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
蓄电池参数通常由充电效率和蓄电池容量的比率确定。充电效率和蓄电池容量值通常是基于新蓄电池的标称值。然而，这种参数随着蓄电池老化而变化，因而是用于确定蓄电池参数的不鲁棒因素。由于这些参数随年限变化，因而蓄电池参数应当被定期地估计。为了定期（例如，一个月至少一次）估计蓄电池参数，使用开路电压公式来求解蓄电池参数，表示如下： 
.                       (7)
通过修正开路电压以求解，得到的蓄电池参数表示如下：
                                 (8)
为了补偿短点火钥匙关闭时间，调节因子引入蓄电池参数估计公式。用于蓄电池参数的调节因子由以下公式表示：
                                       (9)
得到的蓄电池参数的公式如下：
                 (10)
其中，是先前蓄电池参数估计值，是当前蓄电池参数估计值。
由于在获得当前和先前开路电压的测量值时的温度差，本文产生的估计技术需要开路电压测量值之间的标准化。即，每个开路电压（即，当前和先前两者）必须在标准温度下标准化，从而当前观测值和过去观测值可以协作地使用。因而，相应点火事件的每个开路电压基于标准化温度转换为开路电压。该转换可以使用算法、查询表等执行。例如，使用标准温度（例如，25度）的标准化公式表示如下： 
.                      (11)
使用标准化温度的蓄电池参数如下：
.                  (12)
因而，用于车辆蓄电池的SOC的开路电压可以由以下公式表示：
.                         (13)
一旦确定用于蓄电池的SOC的标准化开路电压，标准化开路电压就转换回到当前温度下的开路电压，且由表示。
使用来确定蓄电池的SOC荷电，其包含当前测量值和先前测量值两者的估计值。确定SOC的其它因素可以基本上归总为线性映射常数。因而，在当前时间实例的车辆蓄电池的SOC可以由以下公式表示： 
                                          (14)
其中，是使用当前测量值和先前测量值的蓄电池估计开路电压，T是测量时的相应温度。
蓄电池容量也使用当前测量值和蓄电池参数来确定。蓄电池容量使用以下公式导出： 
                             (15)
其中，是蓄电池的标准化估计蓄电池容量，是新蓄电池的标准化蓄电池容量，是新蓄电池的标准化蓄电池参数，是根据调节因子而变的标准化估计参数。应当理解的是，在导出蓄电池容量时，估计值必须使用标准温度（例如，25度）导出。用于确定在第k个点火启动时的蓄电池参数的公式由以下公式表示：
                             (16)
图3图示了使用VOC数据来估计SOC和蓄电池容量的技术的流程图。在步骤30，启动第一钥匙接通事件。第一钥匙接通表示在车辆点火钥匙第一次启动且收集数据时的时间。第一钥匙接通事件还可以表示紧接在车辆蓄电池更换之后启动车辆点火且针对新蓄电池获得数据的时间。由此，由于新蓄电池将具有不同的充电和效率特性（例如，充电效率值和蓄电池容量值），因而与过去蓄电池操作状况和参数有关的先前数据将不再有效。
在步骤31，初始化可测量参数和估计参数。即，在开始新车辆启动时或者当更换蓄电池时，上述每个公式的所有变量被重置为其初始状况。例如， ,  , ，。 
在步骤32，测量当前开路电压和蓄电池温度T。 
在步骤33，开路电压转换为标准温度下的开路电压。转换可以使用算法或查询表执行。 
在步骤34，启动电压使用方程（11）中所述的公式更新。 
在步骤35，蓄电池参数使用方程（12）中所述的公式更新。 
在步骤36，蓄电池容量使用方程（15）中所述的公式更新。 
在步骤37，电流积分重置为零。 
在步骤38，确定点火钥匙是否处于钥匙关闭位置。如果点火钥匙处于钥匙关闭位置，那么例程前进到步骤39；否则，例程前进到步骤47。 
在步骤39，钥匙关闭时间重置为零（）。这初始化用于确定点火钥匙处于钥匙关闭位置多长时间的计数器。 
在步骤40，确定点火钥匙是否处于钥匙接通位置。如果点火钥匙不处于钥匙接通位置，那么例程前进到步骤41。 
在步骤41，例程在更新钥匙关闭时间之前等待一定时间段。 
在步骤42，更新钥匙关闭时间。钥匙关闭时间由以下公式表示： 
其中，是自重置钥匙关闭时间以来的钥匙关闭时间总和，是在步骤41中经过的附加时间段。
在步骤43，测量蓄电池的电流测量值。 
在步骤44，更新电流积分，其将当前电流测量值与过去电流测量值结合。例程返回到步骤40。 
在步骤40，如果确定点火钥匙接通，那么例程前进到步骤45，否则例程前进到步骤41。 
在步骤45，更新钥匙接通循环计数。钥匙接通循环计数是自步骤31中系统初始化以来点火钥匙已经接通的次数。点火钥匙每接通一次，计数增加1。 
在步骤46，确定开路电压的调节因子，如方程（6）所述，且确定蓄电池参数的调节因子，如方程（8）所述。之后，返回步骤32以执行上述步骤32-38。 
在步骤38，如果确定点火钥匙不处于钥匙关闭位置，那么例程前进到步骤47。 
在步骤47，测量离开蓄电池的电流和温度（T）。 
在步骤48，电流积分基于过去至当前测量值更新。 
在步骤49，标准温度下的运行开路电压使用方程（13）所述的公式更新。 
在步骤50，运行开路电压使用算法或查询表转换回到当前温度下的运行开路电压。 
在步骤51，使用方程（14）所述的公式确定当前温度下的蓄电池的SOC。 
在步骤52，在返回步骤38之前，经过预定时间段。 
步骤36中导出的蓄电池容量和步骤51导出的SOC显示给车辆驾驶员以识别蓄电池状况或者可以表征在表示SOC和蓄电池容量的一些其它容量中。 
虽然已经详细描述本发明的某些实施例，但是本发明所属领域技术人员将认识到用于实施本发明的由所附权利要求限定的各种替代设计和实施例。 

Claims (20)

1.一种确定蓄电池荷电状态的方法，所述方法包括以下步骤：
在点火启动期间，测量车辆蓄电池的开路电压；
根据当前点火启动的当前开路电压测量值、先前点火启动的至少一个先前开路电压观测值、以及在从先前点火启动事件到当前点火启动事件的时间段内的电流积分来确定蓄电池的启动荷电状态；
针对点火钥匙接通操作确定蓄电池的运行荷电状态变化，运行荷电状态变化包括当前开路电压测量值和所述至少一个先前开路电压观测值之间的差，且响应于在相应时间段内的电流积分来确定；以及
基于蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化的函数来计算蓄电池荷电状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，蓄电池荷电状态由以下公式表示：
其中，是启动荷电状态且根据开路电压和温度而变，是运行荷电状态变化且根据蓄电池参数和相应时间段内的电流积分而变。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，启动荷电状态基于以下公式从开路电压估计值导出：
其中，是在第k个点火启动时的当前开路电压测量值，是先前开路电压观测值，是当前开路电压观测值，是蓄电池参数，I是从蓄电池消耗的电流，是调节因子。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，调节因子由以下公式表示：
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，蓄电池参数根据先前蓄电池参数观测值和当前估计蓄电池参数而变。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，蓄电池参数由以下公式表示：
其中，是蓄电池参数的调节因子，是先前蓄电池参数观测值，是当前蓄电池参数观测值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，蓄电池参数的调节因子根据点火钥匙关闭的时间而变，其中，调节因子由以下公式表示：
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，当前开路电压测量值、先前开路电压观测值和蓄电池参数在相应温度下标准化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于启动荷电状态和运行荷电状态变化的开路电压在相应温度下标准化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，用于蓄电池荷电状态的标准化开路电压根据在相应温度下针对启动荷电状态确定的开路电压且根据在相应温度下用于运行荷电状态变化的蓄电池参数和电流积分来确定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，用于蓄电池荷电状态的标准化开路电压转换回到当前温度下的开路电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，蓄电池荷电状态根据当前温度下的开路电压来确定。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，蓄电池荷电状态经由显示装置向车辆使用者显示。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，蓄电池荷电状态的表征经由显示装置向车辆使用者显示。
15.一种用于确定蓄电池荷电状态的系统，包括：
蓄电池；
用于从蓄电池消耗功率的至少一个部件；
电压表，用于测量点火启动序列时的蓄电池的开路电压；
电流传感器，用于感测从蓄电池消耗的电流；以及
控制模块，所述控制模块根据蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来确定蓄电池荷电状态，启动荷电状态在点火启动事件时确定，启动荷电状态根据当前点火启动的当前开路电压测量值、至少一个先前开路电压观测值、以及在从先前点火事件到当前点火事件的时间段内的电流积分而变，运行荷电状态变化包括在点火接通操作期间的时间，运行荷电状态变化根据当前开路电压测量值和至少一个先前开路电压观测值之间的差来估计，并响应于在相应时间段内的电流积分来确定。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，控制模块基于以下公式从估计开路电压确定启动荷电状态：
其中，是在第k个点火启动时的当前开路电压测量值，是先前开路电压观测值，是当前开路电压观测值，是蓄电池参数，I是从蓄电池消耗的电流，是调节因子。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，控制模块基于以下公式确定调节因子：
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，控制模块基于以下公式确定蓄电池参数：
其中，是蓄电池参数的调节因子，是先前蓄电池参数观测值，是当前蓄电池参数观测值。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，控制模块基于以下公式来确定蓄电池参数的调节因子：
其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间，是在第k个点火间隔时点火钥匙接通的时间，是时间常数。
20.根据权利要求15所述的系统，还包括显示器，用于向车辆使用者识别蓄电池荷电状态。
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