CN102466786B - 插电式充电模式期间soc估计装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及插电式充电模式期间SOC估计装置，提供一种估计在插电式充电模式期间可再充电储能系统参数的系统和方法，包括在插电式充电模式期间对可再充电储能系统充电时，从可再充电储能系统中读取第一测量电压和测量电流；中断充电，以停止电流流到可再充电储能系统预定时期；在充电中断期间读取第二测量电压；基于第一测量电压、第二测量电压和所述测量电流，计算电阻；基于所述电阻、第二测量电压、测量电流，计算可再充电储能系统的开路电压；和利用所述开路电压，确定可再充电储能系统的荷电状态。

Description

插电式充电模式期间SOC估计装置

技术领域

本发明大体上涉及一种估计可再充电储能系统（RESS）的荷电状态（SOC）的系统和方法，更具体地，涉及一种在插电式充电模式期间精确地估计电池SOC的系统和方法。

背景技术

纯电动和混合动力车，诸如电池电动车（BEV）、增程式电动车辆（REEV）、混合动力电动车（HEV）、插电式混合动力电动车（PHEV）和燃料电池混合动力电动车（FCHEV），变得越来越普遍。混合动力车通常结合可再充电储能系统（RESS）与诸如内燃机或者燃料电池系统的主电源。在一种情况下，RESS可以为具有多个电池单元的高电压电池。这些电池单元可具有包括锂离子、锂铁、镍金属氢化物、铅酸等不同的化合物。用于BEV、REEV、HEV、PHEV或者FCHEV的典型高电压RESS包括提供大约400伏特的196个电池单元。而且,该RESS可包括独立的模块，其中每个模块由多个互连的电池单元构成或者组成。各电池单元可以是串联电连接，或者一系列电池单元可以是并联电连接，其中模块中的多个电池单元串联连接并且每个模块与其它模块并联电连接。不同的车辆设计包括不同的RESS结构，对于具体应用使用不同的折中方案和优点。

RESS控制和功率管理的高效性对于车辆性能、燃料经济性、RESS使用期限和乘客舒适性是重要的。对于RESS控制和功率管理而言，RESS的两个状态，也就是荷电状态（SOC）和功率，需要实时预测、估计和监控，因为它们在车辆运行期间是不容易测量的。SOC是一个术语，指的是相对于RESS已经完全充满电之后可用的电荷而言，可用于作功的储存的电荷。SOC可视为热力学量，能够用来评估系统的势能。在诸如BEV、REEV、HEV、PHEV或者FCHEV的车辆系统中的RESS的SOC,相对于车辆效率、排放和功率有效性是重要的。例如，车辆操作员或者车载控制器可利用SOC来调节RESS的运行。

估计SOC的一个方式是在插电式充电模式期间，其中通过连接插头到车辆外部的外部电源上，车辆恢复到满电荷状态。然而，估计SOC的现有技术通常采用非适应性IR补偿并且需要信号激励来估计动态阻抗。例如，已知的是仅仅基于电流的SOC估算技术，诸如库仑计数，其取决于开路电压的已知所述起点和待修正的从上次驱动循环开始的初始SOC。该库仑计数方法只有在已经确定无误地知道起点的情况下能被使用，确定无误地知道起点是困难的，因为不能预测车辆已经停止多长时间，驾驶员行为或者在电池单元中已经发生的极化程度。

另一估计方法是采用基于电压的计算，诸如以递归最小二乘算法形式的回归。然而，这些方法需要电压和电流信号中足够的激励。在利用恒定电流的插入充电事件期间，几乎没有激励留给取决于激励的算法来以任何保真度计算SOC。因此,在插电式充电期间，基于电压的SOC在大多数时间不是有效的。

因此，需要一种系统和方法，其被构造成在适应性回归由于缺乏激励而不能提供精确且稳定的SOC时，在插电式充电模式期间提供SOC的精确且稳定的信息，以保持精确的充电控制，避免RESS的充电过度或者充电不足。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种用于估计可再充电储能系统（RESS）的参数的系统和方法。该系统和方法包括：在插电式充电模式期间在给RESS充电的同时从RESS读取第一测量电压和测量电流，中断充电以停止电流流向RESS一段预定时期，在充电中断期间读取第二测量电压，基于第一测量电压、第二测量电压和测量电流计算电阻，基于该电阻、第二测量电压、测量电流计算RESS的开路电压，以及利用开路电压确定RESS的SOC。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种估计在插电式充电模式期间可再充电储能系统的参数的方法，所述方法包括∶

在插电式充电模式期间，在对所述可再充电储能系统充电时，从该可再充电储能系统读取第一测量电压和测量电压；

中断充电，以停止电流流到所述可再充电储能系统一预定时期；

在所述充电中断期间，读取第二测量电压；

基于第一测量电压、第二测量电压和所述测量电流，计算电阻；

基于所述电阻、第二测量电压、所述测量电流，计算可再充电储能系统的开路电压；和

利用所述开路电压，确定所述可再充电储能系统的荷电状态。

技术方案2：如技术方案1所述的方法，还包括在中断充电之前，对所述可再充电储能系统充电一最初的预定时期。

技术方案3：如技术方案1所述的方法，其中所述方法使用双RC对等效的可再充电储能系统电路模型来估计所述可再充电储能系统参数。

技术方案4：如技术方案1所述的方法，其中所述方法还包括在充电中断期间读取所述可再充电储能系统的温度。

技术方案5：如技术方案1所述的方法，其中所述中断充电包括打开可再充电储能系统电流接触器来中断充电。

技术方案6：如技术方案1所述的方法，其中所述中断充电包括通过限制可再充电储能系统功率限值，限制到所述可再充电储能系统的电流。

技术方案7：如技术方案1所述的方法，其中所述中断充电包括限制到所述可再充电储能系统的电压和电流限值。

技术方案8：如技术方案1所述的方法，其中所述确定荷电状态包括利用查询表从所述开路电压推断出所述荷电状态。

技术方案9：如技术方案1所述的方法，还包括计算剩余电压，以补偿由于关于所述预定时期的受限停止时期而产生的偏差。

技术方案10：如技术方案1所述的方法，还包括计算所述开路电压直到已经达到预定周期时期或者已经达到所述可再充电储能系统的温度阈值。

技术方案11：如技术方案9所述的方法，还包括基于所述电阻、第二测量电压、所述测量电流和所述剩余电压，计算所述可再充电储能系统的开路电压。

技术方案12：一种其上储存有可执行程序的非暂态计算机可读存储介质，其中所述程序指示控制器通过执行以下步骤来估计在插电式充电模式期间可再充电储能系统的参数：

测量在插电式充电模式期间可再充电储能系统的第一电压和电流；

中断充电一预定时期；

测量在充电中断期间的第二电压；

基于第一测量电压、第二测量电压和所述测量电流，计算电阻；

基于所述电阻和第二电压，计算开路电压；和

利用所述开路电压，确定荷电状态。

技术方案13：如技术方案12所述的存储介质，其中中断充电包括降低可再充电储能系统的功率限值，打开电流接触器或者使用零电流和电压限值。

技术方案14：如技术方案12所述的存储介质，还包括在充电中断期间，读取所述可再充电储能系统的温度。

技术方案15：如技术方案13所述的存储介质，还包括计算所述开路电压直到已经达到预定周期时期或者已经达到温度阈值。

技术方案16：如技术方案11所述的存储介质，还包括计算剩余电压，以补偿由于关于所述预定时期的受限停止时期而产生的偏差。

技术方案17：一种估计在插电式充电模式期间可再充电储能系统的参数的系统，该系统包括控制器，所述控制器被编程为：

开始插电式充电模式，以对所述可再充电储能系统充电第一预定时期；

测量在所述插电式充电模式期间所述可再充电储能系统的第一电压和电流；

中断充电第二预定时期；

测量充电中断期间的第二电压；

基于第一测量电压、第二测量电压和所述测量电流计算电阻；

基于所述电阻和第二电压计算开路电压；和

利用所述开路电压确定荷电状态。

技术方案18：如技术方案17所述的系统，其中所述可再充电储能系统是高电压电池。

技术方案19：如技术方案17所述的系统，其中中断充电包括降低所述可再充电储能系统的功率限值，打开电流接触器或者使用零电流和电压限值。

技术方案20：如技术方案17所述的系统，其中所述控制器还构造成计算剩余电压，以补偿由于与第二预定时期相关的受限停止时期而产生的偏差，且其中计算开路电压包括所述剩余电压。

本发明的附加特征将结合附图，从下面描述和附加的权利要求中变得明显。

附图说明

图1是包括电池和主电源的插电式混合动力车的简化平面图；

图2是两个RC对等效电池电路的示意图；和

图3是用于在插电式充电模式期间估计荷电状态的算法的流程示意图。

具体实施方式

下面关于本发明实施例的描述涉及插电模式期间精确估计荷电状态（SOC）的系统和方法，实际上仅仅是示例的，并不意图限值本发明、其应用或者使用。例如,本发明具有用于车内应用的车载算法的特定应用。然而，本领域技术人员应当理解的是，本发明的RESS状态估计器具有除了车辆应用之外的其他应用。而且,应当的理解的是，所建议的系统和方法可适用于电池单元、模块或者整个电池组。

本发明提供了一种在插电式充电模式期间估计SOC的系统和方法。该系统和方法包括在插电式充电模式期间估计总的静态电阻和计算开路电压（Voc）的算法。所提供的算法的优点包括通过防止RESS充电过度，增加了RESS的使用期限并且减少了质保条款。此外，通过避免在RESS内出现充电不足的情况，所提供的算法提高了燃料经济性并且降低了燃料排放。

所提供的算法在测量RESS电压和电流之前，对RESS充电一预定时期。然后，停止充电第二预定时期。再次测量所述电压并用来估计充电停止之前的静态电阻以恢复对电池充电。使用所述估计的电阻，Voc被计算并且用来推断出RESS的SOC。

图1是包括高电压RESS12和主电源14的车辆10的简化平面图。该车辆10包括控制器16，其意图代表正确操作和控制RESS12和电源14提供的功率以驱动车辆10所必需的所有控制模块和装置，通过电源14或者再生制动对RESS12充电并且确定SOC和功率容量，如下所述。在一个实施例中，控制器16可包括车辆集成控制模块，其具有一个或多个附属的控制模块，诸如但不局限于，RESS状态估计环和RESS插电式充电控制环。本领域技术人员应当理解的是，在图1所示的车辆10的具体构造仅仅是为了示例的目的，并且是可用于实施本文所公开的算法的多种构造中的一个。

图2是作为RESS模型提供的简单的双RC对等效电路20的示意图。本领域技术人员应当理解的是，图2示出的等效电路20是为了说明方便，并且其他的RESS模型可采用更复杂的等效电路,其也在下面的描述中用于确定不同的值。电路20包括在节点22处的电势（其是RESS电压）并且包括RESS电流。电源26表示RESS开路电压V_oc，并且电阻28表示电路20的欧姆电阻。第一RC对包括为双层（dl）电容C_dl的电容器32和为电荷转移（ct）电阻R_ct的电阻器30。第二RC对包括为扩散电阻R_df的电阻器34和为扩散电容C_df的电容器36。RESS模型可由下列关系表征：

V=Voc+IxZ(1)

其中V和I是测量的电压和电流,V_oc是开路电压并且Z是电池阻抗。当在插电式充电事件期间RESS动态饱和时，公式（1）简化为

V=V_oc+IxR（2）

其中R是等效RESS电路20的总的静态电阻，并且其中R=R_ohm+R_ct+R_df。当R是已知的时，开路电压V_oc通过对公式（2）求解V_oc而获得。

在已知的系统中，利用RESS状态估器在上一次行驶周期期间估计的储存值来获得R。然而，这种技术需要利用查找表，以根据温度来调整R。此方法的一个问题在于难以修改查找表以考虑RESS的使用期限。此外，查找表对于系统来说是没有提供任何优点或者鲁棒性，因为插电式充电模式和行驶模式仍然彼此依赖。

图3示出了根据本发明的一个实施例，在插电式充电模式期间估计R的示例性算法38。在步骤40处，如果没有电流、电压或者其他处理故障,通过发送充电命令给控制模块来开始插电式充电过程，该控制模块构造来实施系统状态估计算法。在一个非限制实施例中，此控制模块可以是RESS状态估计器环。在步骤42处，充电计时器t设定为0。在步骤44处，该算法允许RESS非限制地充电一段时期Δt。在步骤46，为了噪声和电压特性过滤电压。在一个实施例中，滤波器是基于时间段或者计数，并且是用来平滑输出的基于标定的滤波器。该滤波器可以是带通、低通或者平均滤波器等，取决于诸如充电率和电压感测能力的项。在一个非限制性例子中，该滤波器是用于计算电压的移动平均值的低通滤波器。

在步骤48处，算法确定充电计时器的时间t是否等于第一预定时间。在一个例子中，此第一预定时期是在2分钟和5分钟充电时间之间。此时期取决于诸如充电率、电流变化率、温度、和电池单元化学性质等等因素。在此时期期间，电压稳定上升并且电流接近稳态充电值。以更高的电流充电通常需要更多的建立时间。如果充电计时器t不等于第一预定时期，算法返回到步骤44并且充电继续。如果充电计时器t等于第一预定时期，算法在步骤50处计算预中断电压V₁，其表示在中间充电停止点之前或者在车辆正充电时的电压。基于多种方法，包括但不限于，稳态电压、移动平均值、或者发现中点的任何其它的平均法或者手段，在时间t1处计算电压V₁。还在步骤50计算电流I₁，利用多种方法来计算该电流，这些方法基于标定的时期或者计数来确定I的稳态或者平均点，并且是基于标定的滤波器。电流I₁表示在中间充电停止点之前或者在车辆充电的同时的恒定平均电流。

在步骤52，暂停RESS的充电以停止到RESS的电流。例如，可通过降低RESS功率限值，通过打开电流接触器、或者通过使用为零的电流和电压限值，来暂停充电。在步骤54，算法等待第二时期t2，直到建立电压，其通常是2到5分钟，可能更少。此第二时期取决于多种因素，包括当不限于，电池化学性质、温度等，并且还可基于关联温度与建立时间的标定表来确定此第二时期。在步骤56，算法确定充电计时器的时间t是否等于第二预定时期t2。如果充电计时器t不等于第二预定时期，算法返回到步骤54并且继续暂停充电。如果充电计时器t等于第二预定时期，算法在步骤58计算后中断电压V2，其表示RESS的零电流电压。在步骤60，测量和记录第一温度T₁。在步骤62，算法根据下面公式计算R

R=(V₁-V₂)/I(3)。

在步骤64，计算剩余的扩散电压V_res，以补偿由于停止的有限时期（也就是第二时期t₂）引起的偏差。根据公式（3），停止时间（t2-t1)可能不足够长来获得稳定的V₂，特定是在低温下。这是由于在RESS中离子的扩散效应产生的。由于等待较长时间来获得稳定的V₂是不合理的，改为采用简单的查询表（V_res-温度）来获得V_res的近似值以减少误差。

在步骤66，算法根据下面的公式计算开路电压V_oc

V_oc=V₂-IxR-V_res（4）

其中V₂是测量的中断后电池端电压。在步骤68处从开路电压V_oc推断出SOC。SOC和V_oc共享利用电化学知识通过表可以被映射或者通过多种算法可以被计算的关系。因此，在一个例子中，通过利用SOC-V_oc的查找表来获得SOC。

在步骤70，读取电池的第二温度T₂。在步骤72，算法确定SOC是否达到预定的最大值。如果没有达到SOC最大值（算法继续使用公式（4）来计算V_oc），在步骤74算法确定充电计时器是否等于周期时间T₃，或者如通过从第二温度T₂中减去第一温度T₁所确定的电池温度是否等于或者超过温度阈值T_thres。该周期时间T₃确保算法周期性地重复。如果达到周期时期T₃或者已经达到温度阈值T_thres，算法返回到步骤44以重复该循环。如果在步骤74处没有一个条件得到满足，算法返回到步骤66。如果在步骤72处SOC已经达到最大值，在步骤76处终止充电过程。

这里描述的系统可以在一个或多个适当的计算装置上实施，其通常包括可以是软件应用程序的应用程序，其可明白地体现为在计算装置内的计算可读介质上的一组计算机可执行指令。该计算装置可为多个计算装置中的任一个，诸如个人电脑、处理器、手持式的计算装置等。

每个计算装置通常都包括可由诸如上述的一个或多个装置执行的指令。计算机可执行指令可以由利用多种编程语言和/或技术生成的计算机程序编译或者翻译，包括但不限于，Java^TM，C、C++、VisualBasic、JavaScript、或Perl等或其组合。通常，处理器（例如微处理器）接收例如来自存储器、计算机可读介质等的指令，并且执行这些指令，从而完成一个或多个过程，包括这里描述的一个或多个过程。这些指令和其他数据可采用多种已知的计算机可读介质来储存和传送。

计算机可读介质包括参与提供数据（例如指令）的任何介质，其可通过诸如计算机的计算装置读取。这种介质可采取多种形式，包括但不限于，非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括，例如光盘或者磁盘及其他永久存储器。易失性介质包括动态随机存取存储器（DRAM），其通常构成主存储器。计算机可读介质的普通形式包括计算机能够从其读取的任何介质。应该理解的是，上述描述意图是示例性的而并不进行限制。除了所提供的例子之外，许多替换方法或者应用对于阅读上述描述的本领域技术人员是显而易见的。本发明的范围不应参考上述描述确定，而应根据附加的权利要求来确定，与所述这些权利要求的等同物的全部范围一起。可预期和计划在这里论述的现有技术中将有进一步的发展，因此所公开的系统和方法将结合入这种进一步的例子中。总之，应该清楚了解的是，本发明能够进行修改和改变，并且不仅仅限于下面的权利要求。

当前实施例已经被具体示出和描述，其仅仅用于说明最佳模式。本领域技术人员应当理解的是，可以采用本为所述实施例的多种替换方式来来实践权利要求，而不脱离本发明的精神和范围以及在这些权利要求和被覆盖的它们等同物范围内的方法和系统。此描述应当理解为包括在此描述的元件的所有新的非显见的结合，并且在本申请或以后的申请中可要求保护这些元件的任何新的非显见的结合。而且，前述实施例是示例性的，并且没有单个特征或者元件对于在本申请或以后申请中要求保护的所有可能的组合而言是必不可少的。

权利要求中使用的所有术语意图给予它们最宽泛的合理结构，以及本领域技术人员所理解的它们普通的含义，除非这里给出了相反的指示。特别地,单数冠词诸如"一"、"该"、"所述"等的使用应当被认为是引用一个或多个所示元件，除非权利要求记载了此相反的明确限制。

Claims (12)

1.一种估计在插电式充电模式期间可再充电储能系统的参数的方法，所述方法包括∶

在插电式充电模式期间，在对所述可再充电储能系统充电时，从该可再充电储能系统读取第一测量电压和测量电流；

中断充电，以停止电流流到所述可再充电储能系统一预定时期；

在所述充电中断期间，读取第二测量电压；

基于第一测量电压、第二测量电压和所述测量电流，计算电阻；

计算剩余电压，以补偿由于关于所述预定时期的受限停止时期而产生的偏差；

基于所述电阻、第二测量电压、所述测量电流和所述剩余电压，计算所述可再充电储能系统的开路电压；和

利用所述开路电压，确定所述可再充电储能系统的荷电状态。

2.如权利要求1所述的方法，还包括在中断充电之前，对所述可再充电储能系统充电一最初的预定时期。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述方法使用双RC对等效的可再充电储能系统电路模型来估计所述可再充电储能系统参数。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在充电中断期间读取所述可再充电储能系统的温度。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述中断充电包括打开可再充电储能系统电流接触器来中断充电。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述中断充电包括通过限制可再充电储能系统功率限值，限制到所述可再充电储能系统的电流。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述中断充电包括限制到所述可再充电储能系统的电压和电流限值。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述确定荷电状态包括利用查询表从所述开路电压推断出所述荷电状态。

9.如权利要求1所述的方法，还包括计算所述开路电压直到已经达到预定周期时期或者已经达到所述可再充电储能系统的温度阈值。

10.一种估计在插电式充电模式期间可再充电储能系统的参数的系统，该系统包括控制器，所述控制器包括：

用于开始插电式充电模式以对所述可再充电储能系统充电第一预定时期的模块；

用于测量在所述插电式充电模式期间所述可再充电储能系统的第一电压和电流的模块；

用于中断充电第二预定时期的模块；

用于测量充电中断期间的第二电压的模块；

用于基于第一测量电压、第二测量电压和所述测量电流计算电阻的模块；

用于计算剩余电压以补偿由于与第二预定时期相关的受限停止时期而产生的偏差的模块，

用于基于所述电阻、第二电压和所述剩余电压计算开路电压的模块；

用于利用所述开路电压确定荷电状态的模块。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述可再充电储能系统是高电压电池。

12.如权利要求10所述的系统，其中中断充电包括降低所述可再充电储能系统的功率限值，打开电流接触器或者使用零电流和电压限值。