CN103257317A - 具有基于过电位的可变电阻器的蓄电池状态评估器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有基于过电位的可变电阻器的蓄电池状态评估器。一种蓄电池模型和等效电路包括欧姆电阻、模仿蓄电池单元电荷转移反应和双层过程的第一RC对以及模仿蓄电池单元扩散的第二RC对。模型中的欧姆电阻、电荷转移反应电阻和扩散电阻中的每个是可变电阻，其中每个电阻响应该电阻上的电压电势的变化而改变。

Description

具有基于过电位的可变电阻器的蓄电池状态评估器
技术领域
本发明总体涉及用于评估车辆上的蓄电池的充电状态（SOC）的电路模型，并且更具体地涉及评估车辆运转时车辆上的蓄电池的充电状态的电路模型，其中该电路模型中的电阻是基于电压可变的。
背景技术
电动车辆正日益流行。这些车辆包括混合动力车辆，例如结合了蓄电池和主动力源（例如内燃发动机、燃料电池系统等）的增程式电动车辆（EREV），以及仅纯电动车辆，例如蓄电池电动车辆（BEV）。所有这些类型的电动车辆均使用包括多个蓄电池单元的高压蓄电池。这些蓄电池能够是不同蓄电池类型，例如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。蓄电池可以包括单独的蓄电池模块，其中每个蓄电池模块可包括特定数量的蓄电池单元，例如十二个电池单元。各个蓄电池单元可以被串联电联接，或者一系列电池单元可以被并联电联接，其中模块内的多个电池单元被串联连接并且每个模块被并联电联接到其他模块。不同车辆设计包括针对具体应用采用各种权衡和优势的不同蓄电池设计。
蓄电池在给电动车辆和混合动力车辆提供动力方面起到重要作用。已经证实对于混合电动车辆而言，锂离子蓄电池是有前途的。蓄电池控制和电力管理的效率对于车辆性能、燃料经济性、蓄电池寿命和乘客舒适度是重要的。对于蓄电池控制和电力管理，需要预测或评估并且实时监控蓄电池的两个状态，即充电状态（SOC）和蓄电池功率容量，这是因为在车辆运转期间它们是几乎不可测的。不过，能够通过求解描述蓄电池的等效电路模型的等式中的参数，由测量的蓄电池电流和电压来评估蓄电池充电状态和蓄电池功率。这些参数包括与电池单元内的电子导体相关联的欧姆电阻、描述电极-电解质界面处的电化学反应和固态与液态中的扩散效应的RC对、以及随反应中涉及的反应物和产物的浓度而变的开路电压（OCV）。OCV可以被直接转换成对充电状态的评估，并且当其他参数的值已知时可以设置电路模型等式和求解功率容量。在本领域中已经使用不同的方法来研发出基于电路模型表征前提的许多蓄电池状态评估算法，并且其中一些已经被实现到车辆中。
公知的是蓄电池动态大体是非线性的并且高度取决于蓄电池工况。不过，对于车载蓄电池参数评估而言，具有少许频率模式的线性模型被用于针对特定应用（例如功率预测或SOC评估）来近似蓄电池的主导动态。其原因主要是由于车载应用可用的有限计算能力和存储。事实上，即使存在无限的计算能力和存储，仍然不能够保证对具有尽可能多的频率模式的复杂模型内的所有蓄电池参数的准确评估，这是因为针对任意给定的观测激励水平，会从测量的端电压和端电流中缺失一些与全程动态行为有关的信息。因此，只要模型不确定性导致的评估误差处于特定应用的可接受范围内，则既不现实也不必要在一个模型中覆盖所有频率模式。
转让给本发明的受让人且作为参考被并入本文的名称为“Dynamically Adaptive Method For Determining The State of Charge of a Battery”的2007年10月4日提交的美国专利申请序列号11/867,497，现在被公开为专利公开号U.S.2009/0091299，其公开了用于使用四个蓄电池参数来确定蓄电池充电状态和蓄电池功率的方法，该四个蓄电池参数即蓄电池OCV、欧姆电阻和RC对的电阻和电容。
通常做法是测量已经停止工作显著时段的蓄电池的电压并且将这个电压测量值转换成对充电状态的评估。在这种情况下，测量的端电压被看作是等于开路电压（OCV），并且可被直接观测，因此不必要求解复杂的电路模型等式。不过，如果蓄电池上存在负载，这通常是车辆运转时的情况，则必须从测量的端电压去除或减去那些负载所导致的电压损失以便评估OVC。对于使用等效电路的蓄电池SOC评估模型而言，模型是复杂的并且必须是准确的，以便能够从端电压准确地去除电路模型的各元件所涉及的电压损失，从而得到对蓄电池SOC的正确评估。上述对蓄电池极化的简化电路模型对于计算蓄电池SOC是大体有效的。不过，在某些工况期间，例如低温、高或低蓄电池SOC等情况期间，实际蓄电池化学的复杂性不允许简化电路模型来准确代表那些情况。
转让给本申请的受让人并且作为参考并入本文的2010年1月12日授予Koch等人的名称为“Method and Apparatus for Modeling Diffusion in an Electrochemical System”的美国专利号7,646,166公开了用于模仿车辆蓄电池电路来确定蓄电池SOC的技术，该车辆蓄电池电路包括具有可变电阻的扩散电路元件以便更加准确地限定模型电路的扩散部分。基于该电路元件中RC对中的电容器的电容来控制扩散电路元件中的可变电阻。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种蓄电池模型和等效电路，其包括欧姆电阻、模仿蓄电池单元电荷转移反应和双层过程的第一RC对、以及模仿蓄电池单元扩散的第二RC对。模型中的欧姆电阻、电荷转移反应电阻和扩散电阻是可变电阻，其中每个电阻响应该电阻上的电压电势的变化而改变。
本发明还提供了以下技术方案。
方案1. 一种用于蓄电池的电路模型，包括：
电压源；
与电压源串联电联接的欧姆可变电阻器；
与欧姆电阻器和电压源串联电联接的第一RC对，所述第一RC对包括并联电联接的第一电容器和第一可变电阻器；以及
与第一RC对、欧姆电阻器和电压源串联电联接的第二RC对，所述第二RC对包括并联电联接的第二电容器和第二可变电阻器；
其中可变欧姆电阻器、第一可变电阻器和第二可变电阻器具有响应电阻器上的电压变化而改变的可变电阻。
方案2. 根据方案1所述的电路模型，其中第一RC对模仿蓄电池内的蓄电池单元中的电荷转移反应和双层过程。
方案3. 根据方案1所述的电路模型，其中第二RC对模仿蓄电池内的蓄电池单元扩散。
方案4. 根据方案1所述的电路模型，其中蓄电池是车辆蓄电池。
方案5. 根据方案4所述的电路模型，其中蓄电池是锂离子蓄电池。
方案6. 根据方案1所述的电路模型，其中欧姆可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 718014DEST_PATH_IMAGE001
其中R是欧姆可变电阻器的电阻，V是欧姆可变电阻器上的电池单元电压，并且r0和r1是预定恒定电阻。
方案7. 根据方案1所述的电路模型，其中第一可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 635154DEST_PATH_IMAGE002
其中R1是第一可变电阻器的电阻，V1是第一可变电阻器上的电压，F是法拉第常数，T是蓄电池的温度，Rg是理想气体常数，并且r10是预定恒定电阻。
方案8. 根据方案1所述的电路模型，其中第二可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 414892DEST_PATH_IMAGE003
其中R2是第二可变电阻器的电阻，V2是第二可变电阻器上的电压，并且r20和r21是预定恒定电阻。
方案9. 根据方案1所述的电路模型，其中该电路模型是蓄电池状态评估器的一部分。
方案10. 一种用于蓄电池的电路模型，包括：
电压源；
与电压源串联电联接的欧姆可变电阻器；和
与欧姆电阻器和电压源串联电联接的至少一个RC对，所述至少一个RC对包括并联电联接的电容器和RC对可变电阻器，其中可变欧姆电阻器和RC对可变电阻器具有响应电阻器上的电压变化而改变的可变电阻。
方案11. 根据方案10所述的电路模型，其中欧姆可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 872418DEST_PATH_IMAGE001
其中R是欧姆可变电阻器的电阻，V是欧姆可变电阻器上的电池单元电压，并且r0和r1是预定恒定电阻。
方案12. 根据方案10所述的电路模型，其中所述至少一个RC对是模仿蓄电池单元电荷转移反应和双层过程的第一RC对和模仿蓄电池单元扩散的第二RC对。
方案13. 根据方案12所述的电路模型，其中第一RC对包括基于如下等式可变的可变电阻器：
Figure 686790DEST_PATH_IMAGE002
其中R1是可变电阻器的电阻，V1是第一可变电阻器上的电压，F是法拉第常数，T是蓄电池的温度，Rg是理想气体常数，并且r10是预定恒定电阻。
方案14. 根据方案12所述的电路模型，其中第二RC对包括基于如下等式可变的可变电阻器：
Figure 509252DEST_PATH_IMAGE003
其中R2是可变电阻器的电阻，V2是可变电阻器上的电压，并且r20和r21是预定恒定电阻。
方案15. 根据方案10所述的电路模型，其中蓄电池是车辆蓄电池。
方案16. 根据方案15所述的电路模型，其中蓄电池是锂离子蓄电池。
方案17. 根据方案10所述的电路模型，其中该电路模型是蓄电池状态评估器的一部分。
方案18. 一种用于车辆蓄电池的电路模型，包括：
电压源；
与电压源串联电联接的欧姆可变电阻器，其中欧姆可变电阻是基于如下等式可变的：
Figure 838603DEST_PATH_IMAGE001
其中R是欧姆可变电阻器的电阻，V是欧姆可变电阻器上的电池单元电压，并且r0和r1是预定恒定电阻；
与欧姆电阻器和电压源串联电联接的第一RC对，所述第一RC对包括并联电联接的第一电容器和第一可变电阻器，其中第一可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 37503DEST_PATH_IMAGE002
其中R1是第一可变电阻器的电阻，V1是第一可变电阻器上的电压，F是法拉第常数，T是蓄电池的温度，Rg是理想气体常数，并且r10是预定恒定电阻；以及
与第一RC对、欧姆电阻器和电压源串联电联接的第二RC对，所述第二RC对包括并联电联接的第二电容器和第二可变电阻器，其中第二可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 768698DEST_PATH_IMAGE003
其中R2是第二可变电阻器的电阻，V2是第二可变电阻器上的电压，并且r20和r21是预定恒定电阻。
方案19. 根据方案18所述的电路模型，其中蓄电池是锂离子蓄电池。
方案20. 根据方案18所述的电路模型，其中电路模型是蓄电池状态评估器的一部分。
结合附图，从下述描述和所附权利要求中将显而易见到本发明的其他特征。
附图说明
图1是包括蓄电池和主动力源的混合动力车辆的简化平面图；以及
图2是包括可变电阻的蓄电池电路模型的原理图。
具体实施方式
对本发明的涉及包括基于电压的可变电阻的蓄电池电路模型的实施例的下述讨论实际上仅是示例性的，并且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。例如，蓄电池电路模型具有用于车辆蓄电池的具体应用。不过，如本领域技术人员所意识到的，蓄电池模型可以具有用于其他蓄电池类型的应用。
图1是车辆10的简化平面图，该车辆10包括高压蓄电池12和主动力源14，其中车辆10旨在代表任意混合动力车辆，例如混合动力内燃发动机车辆、燃料电池系统车辆等等。车辆10还旨在代表任意纯电动车辆，其仅使用蓄电池作为唯一动力源。车辆10包括控制器16，该控制器16旨在代表对蓄电池12和动力源14所提供的动力进行适当操作和控制所必须的所有控制模块和装置以便驱动车辆10、通过动力源14再充电蓄电池12或提供再生制动，并且确定蓄电池SOC和功率容量。温度传感器18提供对蓄电池12的温度测量，其原因将如下讨论所揭示。
图2是被提供作为蓄电池模型的两个RC对等效电路20的原理图。电路20包括在节点22处作为蓄电池电压的电势并且包括蓄电池电流。电源26代表蓄电池开路电压Voc并且电阻器28代表电路20的欧姆电阻R。第一RC对30模仿蓄电池12内的蓄电池单元电荷转移反应和双层过程，这是本领域技术人员公知的。RC对30包括作为双层（dl）电容Cdl的电容器34以及作为电荷转移（ct）反应电阻Rct的可变电阻器32。第二RC对36模仿蓄电池12的蓄电池单元固态扩散电荷，这也是本领域技术人员公知的。RC对36包括作为扩散电阻Rdf的可变电阻器38以及作为扩散电容Cdf的电容器40。
电路20所示的基本等效电路模型是本领域技术人员所公知的蓄电池模型的等效电路，其中电阻器28、32和38是不可变的，而是固定电阻器。如上所述，不可能准确模仿某些情况下蓄电池12操作期间的蓄电池充电状态，这是因为这种模型所需的复杂性以及监测该模型所需的计算能力所导致的。因此，对于某些工况，已知的蓄电池电路模型不能提供最准确的蓄电池SOC。
根据本发明，已知电路模型中的每个固定电阻器被可变电阻器28、32和38所代替，其电阻在每个计算时步基于具体电阻器上的电压而变化。具体地，欧姆电阻器28的电阻响应电源22的测量电压而变化，电阻器32的电阻响应节点42和44处RC对30上的电压电势而变化，并且电阻器38的电阻响应节点44和46处RC对36上的电压电势而变化。下面的讨论表明了这些电阻中的每个如何响应电压而变化，其中R是电阻器28的电阻，R1是电阻器32的电阻，并且R2是电阻器38的电阻。
基于下述电压和电流平衡等式（1）-（5）针对电路20中的电压V和电流I来确定电阻R、R1和R2，其中用于电荷转移的电阻R1是基于理论而定的，并且电阻R和R2是基于实验数据的。  
Figure 762062DEST_PATH_IMAGE004
                      （1）
Figure 516392DEST_PATH_IMAGE005
                                       （2）
Figure 315720DEST_PATH_IMAGE006
                                             （3）
Figure 839106DEST_PATH_IMAGE007
                                           （4）
Figure 268950DEST_PATH_IMAGE008
                             （5）
其中V0是开路电压，n是考虑中的RC对（30或36）的标号，
Figure 572892DEST_PATH_IMAGE009
是通过电容器34或40的电流，
Figure 848016DEST_PATH_IMAGE010
是通过电阻器32或38的电流，并且Q是电荷，其中在每个时步确定RC对30和RC对36上的电压。
能够基于蓄电池电极处的电荷转移反应来确定具体时间点处的电阻R1，如下所述：
Figure 491487DEST_PATH_IMAGE011
               （6）
Figure 888970DEST_PATH_IMAGE012
                                                  （7）
其中i是由于电荷转移反应而生成的电流，i0是交换电流密度，F是法拉第常数，V1是节点42和44之间的电压，T是例如通过温度传感器80所提供的蓄电池12的温度，并且Rg是理想气体常数，并且r10是实验确定的固定且可校准电阻。
等式（1）-（5）能够如下所述在电路20的状态空间架构中被计算：
Figure 617892DEST_PATH_IMAGE013
       （8）
Figure 696706DEST_PATH_IMAGE014
                                                             （9）
其中V2是节点44和46之间的电压，C1是电容器34的电容，并且C2是电容器40的电容。
为了求解等式（8）和（9），以如下形式提出电阻R和R2。  
Figure 257000DEST_PATH_IMAGE015
                                  （10）
Figure 28647DEST_PATH_IMAGE016
                                        （11）
其中r20、r21、r0和r1是实验确定的固定且可校准电阻。
等式（7）-（11）中的电容和电阻根据大量因素而变化，所述因素包括温度、蓄电池单元化学、蓄电池电容、蓄电池尺寸等。在下述表I和II中提供了这些参数的非限制性示例值。
表I
参数 值
r10 0.00022062
C1 8009.3
r20 0.002211
r21 1.0029
C2 13825
r0 0.0038741
r1 1.5406
表II
参数 值
r10 6.9156e-005
C1 1167
r20 7.7218e-005
r21 2.0432
C2 17399
r0 0.0035992
r1 2.0483
应该注意到模仿蓄电池12的等效电路20在本领域中可具有各种应用，包括但不限于用于车辆10运转期间蓄电池12的SOC的蓄电池状态评估器。
如本领域技术人员将充分理解的，这里讨论的描述本发明的多个和各种步骤和过程可以涉及由计算机、处理器或使用电气现象来控制和/或变换数据的其他电子计算装置所执行的操作。这些计算机和电子装置可以使用各种易失和/或非易失存储器，包括非瞬时计算机可读介质，其具有存储在其上的包括各种代码或可执行指令的可执行程序以便能够被计算机或处理器执行，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其他计算机可读介质。
上述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这样的讨论以及附图和权利要求中容易地意识到在不背离所附权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下能够做出各种修改、改进和变化。

Claims (10)

1.一种用于蓄电池的电路模型，包括：
电压源；
与电压源串联电联接的欧姆可变电阻器；
与欧姆电阻器和电压源串联电联接的第一RC对，所述第一RC对包括并联电联接的第一电容器和第一可变电阻器；以及
与第一RC对、欧姆电阻器和电压源串联电联接的第二RC对，所述第二RC对包括并联电联接的第二电容器和第二可变电阻器；
其中可变欧姆电阻器、第一可变电阻器和第二可变电阻器具有响应电阻器上的电压变化而改变的可变电阻。
2.根据权利要求1所述的电路模型，其中第一RC对模仿蓄电池内的蓄电池单元中的电荷转移反应和双层过程。
3.根据权利要求1所述的电路模型，其中第二RC对模仿蓄电池内的蓄电池单元扩散。
4.根据权利要求1所述的电路模型，其中蓄电池是车辆蓄电池。
5.根据权利要求4所述的电路模型，其中蓄电池是锂离子蓄电池。
6.根据权利要求1所述的电路模型，其中欧姆可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 2013100501655100001DEST_PATH_IMAGE001
其中R是欧姆可变电阻器的电阻，V是欧姆可变电阻器上的电池单元电压，并且r0和r1是预定恒定电阻。
7.根据权利要求1所述的电路模型，其中第一可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 293678DEST_PATH_IMAGE002
其中R1是第一可变电阻器的电阻，V1是第一可变电阻器上的电压，F是法拉第常数，T是蓄电池的温度，Rg是理想气体常数，并且r10是预定恒定电阻。
8.根据权利要求1所述的电路模型，其中第二可变电阻器是基于如下等式可变的：
其中R2是第二可变电阻器的电阻，V2是第二可变电阻器上的电压，并且r20和r21是预定恒定电阻。
9.一种用于蓄电池的电路模型，包括：
电压源；
与电压源串联电联接的欧姆可变电阻器；和
与欧姆电阻器和电压源串联电联接的至少一个RC对，所述至少一个RC对包括并联电联接的电容器和RC对可变电阻器，其中可变欧姆电阻器和RC对可变电阻器具有响应电阻器上的电压变化而改变的可变电阻。
10.一种用于车辆蓄电池的电路模型，包括：
电压源；
与电压源串联电联接的欧姆可变电阻器，其中欧姆可变电阻是基于如下等式可变的：
Figure 972921DEST_PATH_IMAGE001
其中R是欧姆可变电阻器的电阻，V是欧姆可变电阻器上的电池单元电压，并且r0和r1是预定恒定电阻；
与欧姆电阻器和电压源串联电联接的第一RC对，所述第一RC对包括并联电联接的第一电容器和第一可变电阻器，其中第一可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 325405DEST_PATH_IMAGE002
其中R1是第一可变电阻器的电阻，V1是第一可变电阻器上的电压，F是法拉第常数，T是蓄电池的温度，Rg是理想气体常数，并且r10是预定恒定电阻；以及
与第一RC对、欧姆电阻器和电压源串联电联接的第二RC对，所述第二RC对包括并联电联接的第二电容器和第二可变电阻器，其中第二可变电阻器是基于如下等式可变的：
Figure 267953DEST_PATH_IMAGE003
其中R2是第二可变电阻器的电阻，V2是第二可变电阻器上的电压，并且r20和r21是预定恒定电阻。
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