CN102636756A - 基于电压衰减的汽车电池soc估计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于确定车辆电池的电荷状态的方法。当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机不运行时车辆处于非充电状态。在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间段，测量第一电池电压。测量与第一电池电压相对应的第一电池温度。在第二预先确定时间测量第二电池电压。第二预先确定时间大于第一预先确定时间。测量与第二电池电压相对应的第二电池温度。基于第一温度测量值和第二温度测量值计算平均温度。基于平均温度确定固定的时间常数。根据第一电压测量值、第二电压测量值和固定时间常数来估计开路电压。基于估计的开路电压确定电池的电荷状态。

Description

基于电压衰减的汽车电池SOC估计
技术领域
本发明的实施例总体涉及在车辆中的外部设备集成。
背景技术
确定电池的电荷状态（SOC）可使用不同的技术实现，这些技术使用库仑计数或参数估计技术。库仑计数涉及使用一种测量值（即，一种开路电压读数）来估计电池电荷状态。开路电压的精度对确定电荷状态是至关重要的。如果存在测量误差，例如电流传感器不精确，积分误差将快速累积，除非频繁并精确地更新起动SOC。
当车辆运行时，基于参数估计的算法使用开路电压的不断更新。这需要很大的激励，这种激励对于传统车辆不一定可用。
发明内容
实施例的优点是在电池的开路电压平衡之前估计车辆电池的电荷状态。利用开路电压达到平衡状态之前并当车辆处于非充电状态时获得的电压测量值估计电池的开路电压。采用电压衰减模型的开路电压技术使用该电压测量值来估计平衡时的开路电压。开路电压映射到电荷状态值，用于确定车辆电池的电荷状态。
实施例设想确定车辆电池的电荷状态的方法。当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机不运行时车辆处于非充电状态。在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间，测量第一电池电压。测量与第一电池电压相对应的第一电池温度。在车辆处于非充电状态下第一预先确定时间后的第二预先确定时间，测量第二电池电压。第二预先确定时间大于第一预先确定时间。测量与第二电池电压相对应的第二电池温度。基于第一温度测量值和第二温度测量值计算平均温度。基于平均温度确定固定的时间常数。根据第一电压测量值、第二电压测量值和固定时间常数估计开路电压。基于估计的开路电压确定电池的电荷状态。
实施例设想用于确定车辆电池的电荷状态的系统。当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机不运行时车辆处于非充电状态。系统包括电池、电压表，该电压表用于在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间测量第一电池电压。电压表还在电池中断充电后的第二预先确定时间测量第二电池电压。第二预先确定时间大于第一预先确定时间。温度传感器测量与第一电池电压相对应的第一电池温度和与第二电池电压相对应的第二电池温度。控制模块根据第一和第二温度测量值确定固定时间常数。控制模块根据第一电池电压、第二电池电压和固定时间常数估计平衡时的开路电压。控制模块基于估计的开路电压确定电池的电荷状态。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种用于确定车辆电池的电荷状态的方法，当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机未运行时车辆处于非充电状态，所述方法包括以下步骤：
在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间测量第一电池电压；
测量与所述第一电池电压相对应的第一电池温度；
在所述车辆处于非充电状态下的所述第一预先确定时间之后的第二预先确定时间测量第二电池电压，所述第二预先确定时间大于所述第一预先确定时间；
测量与所述第二电池电压相对应的第二电池温度；
基于所述第一温度测量值和所述第二温度测量值计算平均温度；
基于所述平均温度确定固定时间常数；
根据所述第一电压测量值、所述第二电压测量值和所述固定时间常数来估计开路电压；以及
基于所估计的开路电压确定所述电池的电荷状态。
2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述估计的开路电压是基于如下公式确定的：
Figure 562741DEST_PATH_IMAGE001
其中V3是所述第一测量电压，V4是所述第二测量电压，m是所述固定时间常数，t是当所述开路电压平衡时的选定时间。
3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，在所述开路电压达到平衡时的时间确定所述开路电压，其中，在所述开路电压达到平衡时的选定时间是所述车辆处于非充电状态之后的24小时。
4. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，在所述开路电压达到平衡时的时间确定所述开路电压，其中，在所述开路电压达到平衡时的选定时间是所述车辆处于非充电状态之后的至少8小时。
5. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述固定时间常数m是基于如下范围确定的：
Figure 417564DEST_PATH_IMAGE002
。
6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第一预先确定时间是在所述车辆进入非充电状态之后至少三小时。
7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，所述第二预先确定的时间段大于所述第一预先确定的时间段。
8. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，当车辆点火开关转向关闭位置时所述非充电状态开始。
9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，由开路电压确定电荷状态包括使用历史数据将电荷状态与估计的开路电压相关联。
10. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述电池的电荷状态通过显示设备显示给车辆的用户。
11. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述电池的电荷状态的表示通过显示设备显示给车辆的用户。
12. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述电荷状态被提供给电子控制单元，用于调节车辆的电压。
13. 一种用于确定车辆电池的电荷状态的系统，当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机未运行时车辆处于非充电状态，所述系统包括：
电池；
电压表，用于在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间测量第一电池电压，并且在电池中断充电后的第二预先确定时间测量第二电池电压，所述第二预先确定时间大于所述第一预先确定时间；
温度传感器，用于测量与所述第一电池电压相对应的第一电池温度，并且测量与所述第二电池电压相对应的第二电池温度；以及
控制模块，用于根据所述第一和第二温度测量值确定固定时间常数，所述控制模块根据所述第一电池电压、所述第二电池电压和所述固定时间常数来估计平衡时的开路电压，其中，所述控制模块基于所估计的开路电压确定所述电池的电荷状态。
14. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述控制模块根据所述第一温度测量值和所述第二温度测量值来确定平均温度，并且其中，所述控制模块根据所述平均温度来确定所述固定时间常数。
15. 根据技术方案14所述的系统，其特征在于，所述控制模块基于如下公式估计所述开路电压：
Figure 384252DEST_PATH_IMAGE003
其中V3是所述第一测量电压，V4是所述第二测量电压，m是所述固定时间常数，t是当所述开路电压平衡时的选定时间。
16. 根据技术方案15所述的系统，其特征在于，所述固定时间常数m是基于如下范围确定的：
Figure 717144DEST_PATH_IMAGE004
。
17. 根据技术方案15所述的系统，其特征在于，当所述开路电压平衡时的选定时间为24小时。
18. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，还包括用于向车辆的用户显示所述电荷状态的显示设备。
19. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，还包括用于向车辆的用户显示所述电荷状态的表示的显示设备。
20. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，还包括用于调节车辆的电压的电子控制单元，其中，将所述电荷状态提供给所述电子控制单元，用于基于电池的所述电荷状态来调节车辆的电压。
附图说明
图1是根据一个实施例的带有车辆电池电荷状态估计系统的车辆的一个实施例的示意图。
图2是根据该实施例的用于估计车辆电池的电荷状态的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了包含了电荷状态（SOC）估计系统的车辆10的实施例的框图。车辆10包括用于起动车辆的电池12。电池12是铅酸电池。电池由在硫酸电解质中包含铅（Pb）和氧化铅（PbO2）电极（阴极和阳极）的电池构成。在电池中发生化学反应以储存能量。构思是将形成放电电池板的硫酸铅转化为形成充电电池板的铅和氧化铅。
车辆电池12电联接到使用电池作为功率源的多个设备14。车辆10还可包括电流传感器16、电压表18和控制模块20。
多个设备14包括但不限于适应车辆的外部设备、附件、构件、子系统和系统的功率出口。电流传感器16用于监测流出车辆电池12的电流。电压表18测量电压使得可确定开路电压（OCV）。控制模块20，或相似的模块获得、导出、监测和/或处理一组与车辆电池12相关的参数。这些参数可包括但不限于车辆电池的电流、电压、电荷状态（SOC）、电池容量、电池内电阻、电池内电抗、电池温度和功率输出。控制模块20包括用于执行车辆电荷状态（SOC）估计技术的算法等。
控制模块20使用电池的OCV来确定SOC。为精确确定SOC，OCV可仅在获得OCV平衡之后精确测量，该平衡发生在电池已（即，通过点火关闭操作或其它充电设备）中断充电后的预先确定时间。典型的获得OCV平衡的预先确定时间包括电池中断充电之后的24小时。也就是说，开路电压测量仅当电池电压在平衡状态时是精确的。在电池板表面的电荷导致错误的电压表读数。错误的电压表读数是由于电池板上的表面电荷。当电池充电时，板的表面可具有比板的内部部分更高的电荷。在充电中断后的一段时间之后，由于充电能量更深地进入到板中，在板表面的表面电荷略微放电。因此，表面电荷，如果没有耗散到板的内部，可使较弱的电池显得是好的。因此，为获得能用于确定SOC的精确的OCV测量值，典型的，车辆必须空闲（即，没有电池充电）24小时。本文描述的实施例提供了当电池空闲小于24小时时用于估计精确的OCV测量值的技术。
为估计电池的OCV，从电压衰减模型推导出OCV估计算法，电压衰减模型如下面的等式表示：
                      (1)
其中V是在相应的时间t的电压读数，m是固定的时间常数，α和b是参数。
细化等式（1）表示的电压衰减模型以导出OCV估计算法。为导出OCV估计算法，首先解等式（1）中的电压衰减模型中的参数α和b。因为参数α和b是未知的，按照参数α导出第一电压衰减模型等式，按照参数b导出第二电压衰减模型等式。结果，参数α和b可通过将电压衰减模型中的一个变量和其求解分离来求解。一旦解得第一变量，另一个变量可通过将第一个解得的变量回代到电压衰减算法中并求解第二个变量而求解。在各公式中使用的电压和时间参数可为在大于3小时的瞬时时刻获得的任何电压。例如，在非充电状态时的第三小时获得的第一测量电压可用于求解参数α，而在非充电状态时的第四小时后获得的第二测量电压可用于求解参数b。通过将各解得的参数α和b回代到等式（1）的电压衰减模型，导出如下等式：
             (2)
其中V3和V4分别是在非充电状态时的第三小时和第四小时后测量的电压，t是开路电压达到平衡的时间。等式（2）中表示的时间被转换为秒。优选地，电池达到平衡的时间t为24小时。或者，可使用大于8小时的任何时间。另外，电压测量值V3和V4应在非充电状态的大于至少3小时的时间获取。固定时间常数m基于电池温度T，其以如下温度范围表示：
Figure 117884DEST_PATH_IMAGE004
           (3)
结果，选择t=24小时作为OCV达到平衡的时间，OCV估计算法如下：
             (4)
一旦估计了OCV，OCV可用转换表或类似的转换技术映射到SOC值。如果电池的SOC在预先确定的水平以下，将报警提供给车辆驾驶员，或将确定提供给车辆的电子控制单元以命令充电设备（例如发电机）给电池充电。
图2是用于估计车辆SOC的流程图。在步骤20中，车辆点火钥匙转向关闭位置（例如，发动机关闭）。
在步骤21中，在车辆点火关闭3小时后，采集第一电压（V3）和与第一电压（V3）相对应的电池温度（T3）。
在步骤22中，在车辆点火关闭4小时后，采集第二电压（V4）和与第二电压（V4）相对应的电池温度（T4）。
在步骤23中，使用如下公式所表示的电池平衡电压估计确定电池平衡电压：
Figure 877341DEST_PATH_IMAGE008
             (5)
其中V3和V4基于在3和4小时之后测量温度的平均来估计。应该理解，可使用大于3小时的任何电压；然而，使用第三和第四小时结束处的电压提供了一旦车辆点火关闭可精确确定的最早估计。另外，OCV的平衡可在8小时之后的任何时间估计；然而，使用24小时作为通常导致表面电荷在电池板中耗散的时间。在确定固定时间常数m中，使用了平均温度T。平均温度T是在相应的时间间隔获得的两个温度（例如，在上文例子中的T3和T4）的平均。确定温度T的公式如下：
Figure 792076DEST_PATH_IMAGE009
                               (6)
在步骤24中，使用SOC-OCV映射确定电池SOC。映射通过OCV-SOC相关表或类似的映射技术导出。OCV-SOC值通过历史电池测量值和相关性导出，使得对于在相应的温度上估计的OCV，SOC值可基于历史数据提供。
虽然已经详细描述了本发明的一些实施例，但本发明所属领域的技术人员将意识到由权利要求限定的用于实施本发明的各种替代性设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于确定车辆电池的电荷状态的方法，当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机未运行时车辆处于非充电状态，所述方法包括以下步骤：
在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间测量第一电池电压；
测量与所述第一电池电压相对应的第一电池温度；
在所述车辆处于非充电状态下的所述第一预先确定时间之后的第二预先确定时间测量第二电池电压，所述第二预先确定时间大于所述第一预先确定时间；
测量与所述第二电池电压相对应的第二电池温度；
基于所述第一温度测量值和所述第二温度测量值计算平均温度；
基于所述平均温度确定固定时间常数；
根据所述第一电压测量值、所述第二电压测量值和所述固定时间常数来估计开路电压；以及
基于所估计的开路电压确定所述电池的电荷状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计的开路电压是基于如下公式确定的：
Figure 2012100283637100001DEST_PATH_IMAGE001
其中V3是所述第一测量电压，V4是所述第二测量电压，m是所述固定时间常数，t是当所述开路电压平衡时的选定时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述开路电压达到平衡时的时间确定所述开路电压，其中，在所述开路电压达到平衡时的选定时间是所述车辆处于非充电状态之后的24小时。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述开路电压达到平衡时的时间确定所述开路电压，其中，在所述开路电压达到平衡时的选定时间是所述车辆处于非充电状态之后的至少8小时。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述固定时间常数m是基于如下范围确定的：
Figure 296490DEST_PATH_IMAGE002
。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预先确定时间是在所述车辆进入非充电状态之后至少三小时。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二预先确定的时间段大于所述第一预先确定的时间段。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当车辆点火开关转向关闭位置时所述非充电状态开始。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由开路电压确定电荷状态包括使用历史数据将电荷状态与估计的开路电压相关联。
10.一种用于确定车辆电池的电荷状态的系统，当发动机运行时车辆处于充电状态，当发动机未运行时车辆处于非充电状态，所述系统包括：
电池；
电压表，用于在非充电状态下电池中断充电后的第一预先确定时间测量第一电池电压，并且在电池中断充电后的第二预先确定时间测量第二电池电压，所述第二预先确定时间大于所述第一预先确定时间；
温度传感器，用于测量与所述第一电池电压相对应的第一电池温度，并且测量与所述第二电池电压相对应的第二电池温度；以及
控制模块，用于根据所述第一和第二温度测量值确定固定时间常数，所述控制模块根据所述第一电池电压、所述第二电池电压和所述固定时间常数来估计平衡时的开路电压，其中，所述控制模块基于所估计的开路电压确定所述电池的电荷状态。
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