CN104779421A - 用于电池参数确定的扰动注入的电池系统、车辆和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于电池参数确定的扰动注入的电池系统、车辆和方法。一种电池系统，包括：牵引电池和实现牵引电池的模型的至少一个控制器。所述系统可监视牵引电池的电流输入和电压输出。当所述至少一个控制器检测到输入电流近似为零且对应端电压总体上恒定时，所述至少一个控制器可将多个电流信号注入到电池。注入的电流信号中的每个电流信号具有离散频率。所述至少一个控制器可测量对注入的电流的电压响应，所述对注入的电流的电压响应指示在离散频率下的牵引电池的阻抗。所述控制器可基于所述阻抗输出表示牵引电池的等效电路模型的参数，并基于所述参数，操作电池。

Description

用于电池参数确定的扰动注入的电池系统、车辆和方法

技术领域

本公开涉及用于估计形成电池模型的元件的参数并向相关联电池提供控制的技术。

背景技术

混合动力电动车辆(HEV)利用内燃机和电机的组合来提供推进车辆所需的动力。这种布置相对于仅有内燃机的车辆能提供提高的燃料经济性。在HEV中提高燃料经济性的一个方法包括在发动机低效运转以及不另外需要发动机来推进车辆的时段关闭发动机。在这些情况下，与电池系统结合的电机用于提供推进车辆所需的所有动力。当驾驶员动力需求增加，使得电机不再能够提供满足需求的足够动力时，或者在诸如当电池荷电状态(SOC)下降到特定水平以下时的其它情况下，应以对于驾驶员来说几乎透明的方式快速且平稳地启动发动机。

发明内容

一种电池系统，包括：牵引电池和至少一个控制器，其中，当至电池的输入电流近似为零且电池的端电压总体上恒定时，所述至少一个控制器将均具有离散频率的多个电流注入到电池。所述至少一个控制器还测量对注入的电流的电压响应，以指示在离散频率下的电池的阻抗，基于所述阻抗输出表示电池的等效电路模型的参数，并基于所述参数，控制电池。

一种车辆，包括：电池组，具有一个或更多个单元；至少一个控制器，被编程为：响应于至所述一个或更多个单元的输入电流近似为零且所述一个或更多个单元的端电压总体上恒定，将均具有离散频率的多个电流注入到所述单元，测量对注入的电流的电压响应，所述对注入的电流的电压响应指示在离散频率下的所述一个或更多个单元的阻抗，基于所述阻抗输出表示所述一个或更多个单元的等效电路模型的参数，基于所述参数控制所述一个或更多个单元。

一种方法，包括：当至电池的输入电流近似为零且端电压总体上恒定时，将均具有离散频率的多个电流注入到电池；测量对注入的电流的电压响应，对注入的电流的电压响应指示在离散频率下的电池的阻抗；基于所述阻抗输出表示电池的等效电路模型的参数；基于所述参数控制电池。

优选地，预先确定所述频率。

优选地，所述频率基于电池的响应特性。

优选地，所述参数包括内部电阻或电容。

优选地，控制电池包括：对电池进行充电和放电。

附图说明

图1是示出典型的动力传动系和能量存储组件的混合动力电动车辆的示意图；

图2A是用于锂离子电池的等效电路的示意图；

图2B是表示计算的阻抗的频率响应的奈奎斯特图；

图3是用于确定一个或更多个电池模型参数的算法的流程图；

图4是表示电压输出和输入至电池组的电流的曲线图；

图5是显示测量的电池电流样式和电压样式的曲线图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以多种形式采用本发明的代表性基础。

HEV电池系统可实现电池管理策略，其中，所述电池管理策略估计描述电池组组和/或一个或更多个电池单元的当前工作条件的值。电池组和/或一个或更多个电池单元工作条件包括电池荷电状态、电力衰退、容量衰退和瞬时可用电力。电池管理策略可以能够估计电池单元年龄(cell age)相对于组的使用寿命的值。对一些参数的精确估计可提高性能和稳健性，并可最终延长电池组的有用寿命。针对这里描述的电池系统，可如下面论述的那样来实现一些电池组和/或电池单元参数的估计。

图1描绘典型的混合动力电动车辆。典型的混合动力电动车辆2可包括机械连接到混合动力变速器6的一个或更多个电机4。此外，混合动力变速器6机械连接到发动机8。混合动力变速器6还机械连接到驱动轴10，其中，驱动轴10机械连接到车轮12。在示图中未描绘的另一实施例中，混合动力变速器可以是可包括至少一个电机的非可选择的齿轮变速器。当发动机8开启或关闭时，电机4可提供推进力和减速能力。电机4还用作发电机并可通过回收在摩擦制动系统中通常会被作为热量而损失的能量来提供燃料经济性效益。由于在特定条件下混合动力电动车辆2可在电动模式下运转，因此电机4还可提供减少的污染物排放。

电池组14可包括但不限于具有一个或更多个电池单元的牵引电池，所述一个或更多个电池单元存储可被电机4使用的能量。车辆电池组14通常提供高电压DC输出并电连接到电力电子模块16。电力电子模块16可与组成车辆计算系统22的一个或更多个控制模块通信。车辆计算系统22可控制若干车辆特征、系统和/或子系统。所述一个或更多个模块16可包括但不限于电池管理系统。电力电子模块16还电连接到电机4并提供在电池组14和电机4之间双向传输能量的能力。例如，典型的电池组14可提供DC电压，而电机4可需要三相AC电流来运转。电力电子模块16可将DC电压转换为电机4所需的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电机4的三相AC电流转换为电池组14所需的DC电压。

除了提供用于推进的能量之外，电池组14可提供用于其它车辆电子系统的能量。典型的系统可包括DC/DC转换器模块18，其中，DC/DC转换器模块18将电池组14的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供电。其它高电压负载可不使用DC/DC转换器模块18而被直接连接。在典型的车辆中，低电压系统电连接到12V电池20。

电池组14可由电力电子模块16控制，其中，电力电子模块16可从具有一个或更多个控制模块的车辆计算系统22接收命令。所述一个或更多个控制模块可包括但不限于电池控制模块。所述一个或更多个控制模块可被校正为使用电池模型参数估计方法来控制电池组14，其中，所述电池模型参数估计方法在用于确定电池供电能力的操作期间估计有效电池内部电阻的平均值(average sense)。供电能力预测使电池组14能够防止过充电和过放电，过充电和过放电可导致电池寿命的减少、车辆动力传动系的性能问题等。

电池参数预测方法和/或策略可帮助确定代表性的电池电流限制和供电能力。许多电池参数估计处理受电池操作期间的电池模型的保真度和不可预测的环境条件或不期望的噪声影响。例如，如果电池处于电量消耗模式下，则简单的电池模型可能无法捕捉与电池模型试图测量的电压输出和电流输入相关联的复杂系统动力学。系统可使用简化等效电路模型来在频域中实现选择性注入信号处理技术以确定用于电池动力学预测的模型参数。车辆电池测量方法/策略可在若干构造中使用利用一个或更多个电阻-电容器(R-C)电路的等效电路模型来测量车辆中的电池组以获得操作期间的电化学阻抗。

图2A是用于模拟锂离子电池的简化等效电路的示意图。简化等效电路模型200包括但不限于兰德尔斯电路模型(Randles Circuit Model)和/或至少一个R-C电路。兰德尔斯电路(和/或R-C电路)由有源电解质电阻R₀202与并联的电容C₁204和有源电荷转移电阻R₁206串联组成。兰德尔斯电路可在HEV电池管理系统中实现以提供对电池参数的预测计算。

HEV电池管理系统可使用注入信号处理技术来实现兰德尔斯电路模型以估计电池参数。估计的电池参数可包括波动轨迹，所述波动轨迹可在车辆处于包括充电模式、保持模式或消耗模式的特定系统模式下时增加。当使用兰德尔斯电路来估计这些参数时，这些电池参数趋向于对内部和外部噪声以及环境条件敏感。

电池管理系统和方法可在不增加系统复杂性的情况下基于兰德尔斯电路模型来提供电池系统的改善的模型参数确定和随之而来的电池动力学预测稳健性。等效电路模型200可允许对预测的电池系统参数进行计算。兰德尔斯电路模型由下面的等式表示：

${\stackrel{\·}{v}}_1=\frac{1}{R_1{C}_1}{v}_1+\frac{1}{C_1}i---\left(1a\right)$

其中，v₁210为作为时间和其它变量的函数的由R₁206和C₁204组成的R-C电路两端的电压，i 208为电路输出的电流，R₁206和C₁204以车辆运行期间电池动力学改变作为特征。等效电路模型可允许使用下面的等式对电池端电压进行计算：

y＝v_OC-v_t＝v₁+R₀i  (1b)

其中，ν_t 212为端电压，v_OC 214为开路电压，R₀202为内部电池电阻。通过等效电路模型确定的电池系统动力学可用于计算/预测/估计可从电池的电化学属性确定的电池参数。

将拉普拉斯变换应用于等式(1a)和(1b)以允许系统通过使用下面的等式在频域中计算等效电路的阻抗：

${\mathrm{sV}}_1\left(s\right)=-\frac{1}{R_1{C}_1}{V}_1\left(s\right)+\frac{1}{C_1}I\left(s\right)---\left(2a\right)$

Y(s)＝V₁(s)+R₀I(s)  (2b)

其中，sV₁(s)为电压的微分，V₁(s)为在离散频率下测量的电压，I(s)为在离散频率下测量的电流，Y(s)为测量的电压响应。拉普拉斯变换允许系统测量等效电路的输入/输出关系以确定基于输入电流频率的阻抗。当输入电流近似为零并且输出电压总体上恒定时，拉普拉斯变换提供经常简化基于在离散频率下注入的电流分析电池管理系统的行为的处理的函数描述。

通过使用下面的等式，基于测量的电压响应和电流输入来计算阻抗：

$Z\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{I\left(s\right)}=R_0+\frac{R_1}{R_1{C}_{1}s+1}---\left(3\right)$

其中，Z(s)为在从注入的电流I(s)和电压响应Y(s)计算的兰德尔斯电路模型200的在离散频率下的测量的阻抗。在等效电路模型中，等式(3)中测量的阻抗由参数R₀、R₁和C₁表示。

阻抗为注入到电池组的激励输入的频率的函数。内部阻抗可表示为输入电流的频率的函数。通过使用下面的等式来计算在由角速度ω表示的频率下的阻抗的频率响应：

$Z\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{j\ω}\right)}{I\left(\mathrm{j\ω}\right)}=R_0+\frac{R_1}{j{R}_1{C}_1\mathrm{\ω}+1}---\left(4a\right)$

其中，Z(jω)为在频率ω下的电池的阻抗，I(jω)为在频率ω下的至电池的输入电流，j为由j ²＝-1定义的虚数单位，Y(jω)为在频率ω下的电池的电压响应。

等式(4a)可被重新整理为下面的等式：

$R_0+\frac{R_1}{j{R}_1{C}_1\mathrm{\ω}+1}=(R_0+\frac{R_1}{1+{R_1}^2{C_1}^2{\mathrm{\ω}}^2})-j\left(\frac{{R_1}^2{C}_1\mathrm{\ω}}{1+{R_1}^2{C_1}^2{\mathrm{\ω}}^2}\right)---\left(4b\right)$

图2B是表示在不同频率ω₁、ω₂、……、ω_n下计算的阻抗的频率响应的奈奎斯特图。奈奎斯特图250由被描绘在x轴252上的传递函数的实部和被描绘在y轴254上的虚部表示。传递函数的实部通过下面的等式来计算：

$\mathrm{Re}\left(Z\right)=R_0+\frac{R_1}{1+{R_1}^2{C_1}^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(5a\right)$

传递函数的虚部通过下面的等式来计算：

$\mathrm{Im}\left(\right|Z\left|\right)=\frac{{R_1}^2{C}_1\mathrm{\ω}}{1+{R_1}^2{C_1}^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(5b\right)$

其中，ω为输入电流的频率。如果ω>>1，则Re(Z)＝R₀。因此，可通过注入在满足ω>>1的高频率下的输入电流(s)来确定R₀。

可通过将不同频率的输入电流(例如，ω＝ω₁、ω＝ω₂、……、ω＝ω_k、……、ω＝ω_n)分配给电池来确定参数R₁和C₁。被表示为点256、258、260、262、264中的一个的在离散频率下计算的阻抗可位于奈奎斯特图250中的半圆上。

可使用等效电路模型来估计电池参数。可使用下面的等式(6)、(7)、(8)、(9a)和(9b)计算在ω频率下的电池的阻抗。可基于下面的等式在离散频率下准备电池输入信号：

I＝I₀e^jωt  (6)

其中，I₀为注入的电流的幅值，ω为与频率对应的角频率。可基于下面的等式来计算在频率ω下的相对于电流输入的电池电压输出：

V＝V₀e^j(ωt+φ)  (7)

其中，V₀为等效电路模型的输出电压，φ为电压响应相对于电流输入的相移角度。基于下面的等式计算在角频率ω下的电池的阻抗：

$Z\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{V\left(\mathrm{j\ω}\right)}{I\left(\mathrm{j\ω}\right)}---\left(8\right)$

其中，Z(jω)为在频率ω下的阻抗。等式(8)中的阻抗点基于在一定角频率下的输入电流和输出电压。

可使用广义线性回归分析来确定电池模型参数。广义线性回归分析使用包括解释变量(或自变量)和响应变量(或因变量)的一组数据来确定最适合于数据的回归方程。

从在如下给定的角频率ω下计算的阻抗的实部和虚部定义解释变量和响应变量：

$y_{1,k}=\mathrm{Re}\left(Z\left(j{\mathrm{\ω}}_k\right)\right)-R_0=\frac{R_1}{1+{R_1}^2{C_1}^2{{\mathrm{\ω}}_k}^2}=R_1{x}_{1,k}---\left(9a\right)$

$y_{2,k}=\mathrm{Im}\left(\right|Z\left|\right)=\frac{{R_1}^2{C}_1{\mathrm{\ω}}_k}{1+{R_1}^2{C_1}^2{{\mathrm{\ω}}_k}^2}=R_1{C}_1{\mathrm{\ω}}_k{y}_{1,k}={\mathrm{ax}}_{2,k}---\left(9b\right)$

其中

$x_{1,k}=\frac{1}{1+a^2{{\mathrm{\ω}}_k}^2}---\left(10a\right)$

x_2,k＝ω_ky_1,k  (10b)

a＝R₁C₁  (11b)

解释变量的数据可被重新整理为

x₁＝[x_1,1 x_1,2Lx_1,n]^T  (12a)

x₂＝[x_2,1 x_2,2Lx_2,n]^T  (12b)

其中，n为与注入的电流的离散频率的数量相等的数据的数量。

响应变量的数据可被重新整理为

y₁＝[y_1,1 y_1,2Ly_1,n]^T  (13a)

y₂＝[y_2,1 y_2,2Ly_2,n]^T  (13b)

随后基于下面的等式计算电池模型参数：

R₁＝(x₁ ^Tx₁)^-1x₁ ^Ty₁  (14a)

a＝R₁C₁＝(x₂ ^Tx₂)^-1x₂ ^Ty₂  (14b)

其中，等式(14a)和等式(14b)是在广义线性回归分析中用于发现回归系数的标准公式。因此基于等式(14b)形式，形成下面的等式：

C₁＝a/R₁  (15)

根据描述的步骤确定电池模型参数R₀、R₁和C₁。

图3是用于确定在电池管理方法中使用的一个或更多个电池模型参数的算法的流程图。使用包含在车辆控制模块内的软件代码实现所述方法。在其它实施例中，可在其它车辆控制器中实现所述方法300，或者所述方法300可分布在多个车辆控制器之中。

再次参照图3，对所述方法的论述始终参照图1、图2A和图2B中示出的车辆及其组件以更容易地理解本公开的各个方面。可通过被编程为车辆的合适的可编程逻辑器件(诸如，车辆控制模块、混合动力控制模块、与车辆计算系统通信的其它控制器或它们的组合)的计算机算法、机器可执行代码或软件指令来实现在混合动力电动车辆中控制电池参数预测的方法。虽然流程图300中示出的各个步骤看起来按照时间顺序发生，但是所述步骤中的至少一些步骤可按不同顺序发生，一些步骤可同时或完全不同时执行。

在步骤302，在允许车辆通电的接通事件期间，车辆计算系统可开始将一个或更多个模块上电。在步骤304，一个或更多个模块的上电可在使一个或更多个算法在车辆计算系统内执行之前对与电池管理系统相关的变量进行初始化。

例如，因具有自放电/电量消耗状态的处于休眠的电池单元的动力学，所以可能需要在接通事件期间对电池参数进行初始化。当电池组经历电量(charge)保持操作或电量消耗操作时，电池管理方法可在传输电流注入和预测电池端电压、电流限制和/或以电池动力学为特征的其它与电池相关的参数之前对系统进行初始化。电池动力学可基于包括车辆掉电而未充电的时长、电池的寿命、电池工作模式和/或环境条件的若干因素变化。

在步骤306，如果系统检测到输入电流近似为零且输出电压总体上恒定，则系统可将电流的注入传输到电池组。当输入电流在包括但不限于空转、停车或空挡的若干模式下近似为零时，电池可具有处于恒定值的输出电压。当只有内燃机用于产生所需的推进力使得电池处于恒定荷电状态(并且不被充电或放电)时，电池也可具有处于恒定值的输出电压。

例如，在接通事件期间，输入电流近似为零，并且电池输出电压可处于恒定值。因此，系统可需要至电池组的至少三次电流注入以允许系统计算阻抗。所述至少三次电流注入可包括具有离散角频率的电流信号。

在步骤308，系统可基于通过在离散频率下的经拉普拉斯变换的注入的电流输入而划分的经拉普拉斯变换的电池输出电压计算电化学阻抗。

在步骤310，系统可确定是否需要附加的电流的注入来确定在离散频率下的以电池组和/或一个或更多个单元的动力学为特征的电池模型参数。如果阻抗测量的次数少于确定模型参数所需的次数，则在电池输出电压可处于恒定值且电流输入近似为零时的时间段期间执行附加的电流的注入。如果阻抗测量的次数足够用来确定模型参数，则接下来进行下一步骤，即，广义线性回归分析。

在步骤312，系统可使用广义线性回归分析确定电池模型参数。广义线性回归分析使用包括解释变量(或自变量)和响应变量(或因变量)的一组数据来确定最适合于数据的回归方程。通过处理在离散频率下采集的电池阻抗的实部和虚部来准备数据组。电池参数可包括但不限于等效电路200中的内部电池电阻和R-C电路中的参数。电池参数可基于在电池管理方法中使用的等效电路模型的结构而不同。

在步骤314，系统可预测可包括但不限于电池功率容量的电池响应。预测的电池响应可允许系统确定在操作期间如何管理电池电力和能量。使用准确的预测算法提高电池的寿命、动力传动系统的性能和在纯电池电动车辆和/或混合动力电动车辆中通过电池组供电的其它系统/子系统的性能。在车辆操作期间使用注入的电流策略计算电池参数的电池管理系统使系统能够提高电池响应的预测，从而带来电池组的有效且安全的操作。

在步骤316，系统可确定电池参数是否需要被更新。当使用确定的参数预测的电池响应与测量的电池响应显著不同时，可需要参数更新。可基于车辆操作模式(诸如电量保持或电量消耗)和电池动力学特征来确定特定标准。例如，当电池响应预测误差被计算为高于校正的阈值(例如，10％)时，需要对电池参数的确定。

在步骤318，如果输出电压不处于恒定值且输入电流不是近似为零，则系统可使延迟计时器等待执行参数确定步骤的条件。所述条件可包括输入电流近似为零且输出电压处于恒定。延迟计时器可以是允许系统在确定是否需要多个电流注入之前对参数进行再次初始化的可校正的值或硬件编码。

在步骤320，如果系统检测到可禁用至车辆计算系统的电力的切断事件，则系统可结束用于管理电池组和/或所述一个或更多个电池单元的一个或更多个算法。车辆计算系统可具有车辆切断模式以允许系统将一个或更多个参数存储在非易失性存储器中，从而这些参数可被系统用于下一接通事件。

图4是表示电压输出和至电池组的当前输入电流的曲线图。测量的电池响应图400由被描绘在x轴402上的传递函数的实部和被描绘在y轴404上的虚部表示。基于频率406大于1，从在不同频率ω₁、ω₂、…、ω_n下的输入电流和电压响应测量一组电池阻抗408。测量的阻抗被描绘在奈奎斯特图中，如图4中所示，测量的阻抗可位于半圆上。

由被描绘在x轴402上的传递函数的实部和被描绘在y轴404上的虚部表示估计的电池模型图401的响应。阻抗的位置可随着输入电流频率增加而从右边(表示低频率410)向左边(表示高频率412)改变。

可通过从在不同频率ω₁,ω₂,…,ω_n下的输入电流和电压响应测量的一组电池阻抗确定电池模型参数。等式(1)至(15)中描述的广义线性回归分析用于确定模型参数。一旦确定出模型参数，就可计算在任何频率下的电池阻抗。从确定出的电池模型计算的不同频率下的阻抗点在图4中被描绘。

图5是显示在车辆中或通过电池测试测量的电池电流样式和电压样式的曲线图。电流样式曲线500通过具有x轴上的时间502和y轴上的电流504来表示。电压样式曲线501通过具有x轴上的时间502和y轴上的电压510来表示。

时间窗506示出将扰动输入电流注入到电池的合适时间段。来自电池控制器的输入电流508在该时间段506期间近似为零，端电压响应512在该时间段506期间近似为恒定。在该时间段506期间，系统可控制将要被注入到电池的在不同频率ω₁、ω₂、…、ω_n下的扰动输入电流。系统可测量与频率对应的输出电压响应。一组输入电力和输出电压响应被存储在电池控制器中。当数据点的数量大到足以确定模型参数时，执行基于广义线性回归分析的参数确定算法。

尽管上面描述了示例性实施例，但是这些实施例不意图描述本发明的所有可行形式。相反，在说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，可组合各种实现实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (10)

1.一种电池系统，包括：

牵引电池；

至少一个控制器，被编程为，

当至电池的输入电流近似为零且电池的端电压总体上恒定时，将均具有离散频率的多个电流注入到电池，

测量对所注入的电流的电压响应，对所注入的电流的电压响应指示在离散频率下的电池的阻抗，

基于所述阻抗输出表示电池的等效电路模型的参数，

基于所述参数控制电池。

2.如权利要求1所述的电池系统，其中，预先确定所述频率。

3.如权利要求2所述的电池系统，其中，所述频率基于电池的响应特性。

4.如权利要求1所述的电池系统，其中，所述参数包括内部电阻或电容。

5.如权利要求1所述的电池系统，其中，控制电池包括：对电池进行充电和放电。

6.一种车辆，包括：

电池组，具有一个或更多个单元；

至少一个控制器，被编程为，

响应于至所述一个或更多个单元的输入电流近似为零且所述一个或更多个单元的端电压总体上恒定，将均具有离散频率的多个电流注入到所述一个或更多个单元，

测量对注入的电流的电压响应，所述对注入的电流的电压响应指示在离散频率下的所述一个或更多个单元的阻抗，

基于所述阻抗输出表示所述一个或更多个单元的等效电路模型的参数，

基于所述参数控制所述一个或更多个单元。

7.如权利要求6所述的车辆，其中，预先确定所述频率。

8.如权利要求7所述的车辆，其中，所述频率基于电池的响应特性。

9.如权利要求6所述的车辆，其中，所述参数包括内部电阻或电容。

10.如权利要求6所述的车辆，其中，控制电池包括：对电池进行充电和放电。