CN105259505A - 基于电池单元使用历史和温度来确定电池单元的电压张弛时间的方法 - Google Patents

Abstract

锂离子电池荷电状态(SOC)是开路电压的(OCV)的函数。需要使电池内部扩散过程接近完成以能够测量电池开路电压。该最小静置时间的长度取决于电池种类、使用和温度。描述了基于电池温度和使用历史来确定电动车辆电池电压张弛时间的方法。

Description

基于电池单元使用历史和温度来确定电池单元的电压张弛时间的方法

技术领域

本发明主要涉及电池，且更具体地，涉及用于确定电动车辆中的车辆电池中的电池单元的张弛时间(relaxationtime)的方法和系统。

背景技术

术语“电动车辆”包括具有用于车辆推进的电动马达的车辆，例如电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)及插电式混合动力电动车辆(PHEV)。BEV包括电动马达，其中用于该马达的能量来源是可从外部电源(例如电网)再次充电的电池。在BEV中，电池是用于车辆推进的能量的来源。HEV包括内燃机和电动马达。用于HEV发动机的能量来源是燃料，且用于马达的能量来源是电池。在HEV中，发动机为用于车辆推进的主要能量来源，而电池提供了用于车辆推进的补充能量。HEV电池缓冲燃料能量使用且存储例如从再生制动回收的动能。PHEV类似HEV，但PHEV具有更大容量的电池，该电池可从外部电网再次充电。在PHEV中，电池是用于车辆推进的主要能量来源，直至电池消耗至低能量水平，此时PHEV如同HEV那样操作进行车辆推进。电动车辆使用包括电池荷电状态(SOC)的许多测量和估测监控电池的状态。为了包括恰当的功率管理和向驾驶员报告可靠的剩余驾驶距离的多个目的，电动车辆中需要SOC的精确估测。

公告于2014年4月22日的美国专利8,706,333和公开于2014年2月27日的美国专利申请公开号2014/0058595的专利申请描述了用于确定电池荷电状态的方法和系统，且在此将其通过引用并入本文中。

锂离子电池开路电压(OCV)是电池SOC的良好指标。只要能够获得高品质的OCV，即能够估测SOC。当使用电池端子电压作为电池OCV用于准确的SOC估测时，电池内部扩散过程必须完成或接近完成。如果电池端子电压自上次电池使用已张弛了充分的时间段，则电池端子电压提供了用于准确的SOC估测的基础。与此不同，例如，如果在放电之后立即测量电池端子电压，则实际上低估了SOC。类似地，当在充电之后立即测量电池端子电压时，则高估了SOC。

在动力开启(即开始新的驱动循环)时，如果电池电压还没有经历充分的时间以张弛，则基于未张弛的OCV的SOC估测是不准确的，且与在上次驱动段期间所获得的最近期的SOC估测实质上不同。为了避免产生不准确的SOC估测，目前的方法利用在动力关闭之后允许动力开启时的SOC-OCV调整之前的固定的等待时间。但是，使用固定等待时间存在缺陷。例如，电池电压可能需要较少的时间来张弛，且如果在距上次驱动时段的预先设定的时间经过之前开动车辆，则电池控制器将失去准确更新SOC值的机会。作为另一个实例，对于电压张弛来说预先设定的时间段可能不充分，特别是在低温和重度电池使用的条件下。

发明内容

本发明提供了用于估测电池单元电压张弛时间的方法，利用温度和电池单元使用历史来实现提高的准确性。

在本发明的一个方面，估测电动车辆中的电池单元张弛时间的方法包含：测量电池温度；在第一时间测量电池的第一电压；在第二时间测量电池的第二电压；基于第一电压测量和第二电压测量之间的电池电流测量计算电流RMS值；记录电流RMS值；及基于电流RMS值和温度确定最小张弛时间。

在本发明的进一步的方面，具有电池控制器的电动车辆包含用于SOC-OCV调整的系统，其中，如基于使用历史和温度所计算的张弛时间所确定的，如果电池张弛是充足的，在动力开启时执行SOC-OCV的性能调整。

根据本发明提供一种电池能量控制模块(BECM)，其包含：

基于均方根(RMS)电流和温度的电池张弛时间的张弛时间查找表(LUT)，其中所述LUT提供了对应于RMS电流和温度的一组张弛时间值，

其中根据基于开路电压的荷电状态估测，所述BECM监控动力开启和动力关闭事件，并估测电池容量，BECM进一步配置为，如果经过时间超过在张弛时间LUT中所提供的用于所测量的RMS和温度的张弛时间，则在动力开启时基于所估测的电池容量产生输出。

根据本发明的一个实施例，其中对于实际RMS电流和温度值介于张弛时间LUT中的RMS电流和温度值中间的情况，将高端值用作张弛时间。

根据本发明的一个实施例，其中，对于实际RMS电流和温度值介于张弛时间LUT中的RMS电流和温度值中间的情况，使用线性插值来估测张弛时间。

根据本发明的一个实施例，其中，对于实际RMS电流和温度值介于张弛时间LUT中的RMS电流和温度值中间的情况，使用非线性插值来估测张弛时间。

根据本发明的一个实施例，还包含：

非易失性存储器，其中所述存储器存储选自以下的至少一个值：所测量的电池温度、所测量的电池端子电压、电流RMS值、及在动力关闭时估测的电池单元电池张弛时间；及

温度、SOC、及电池单元电压的SOC-OCVLUT。

根据本发明提供一种产生电池张弛时间查找表(LUT)的方法，包括：

a)冷放电池至目标温度；

b)对电池施加充电/放电电流；及

c)当电池张弛至稳定状态值的预先确定的量内时，向LUT记录特定温度和电流的张弛时间。

根据本发明的一个实施例，其中所述预先确定的量为3mV。

根据本发明的一个实施例，包括重复用于额外的目标温度和电流的步骤a-c的步骤。

根据本发明的一种电池能量控制模块(BECM)，其包含：

作为均方根(RMS)电流和温度的函数的电池张弛时间模型，其中电池张弛时间模型提供了对应于RMS电流和温度的张弛时间值，及

其中所述BECM监控动力开启和动力关闭事件，并根据基于开路电压的荷电状态的估测而估测电池容量，将所述BECM进一步设置为，如果经过时间超过在张弛时间LUT中所提供的用于所测量的RMS和温度的张弛时间，则在动力开启时基于所估测的电池容量产生输出。

根据本发明的一个实施例，其中使用神经网络以描述张弛时间和RMS电流及温度值之间的关系，其中神经网络由RMS电流和温度值确定了张弛时间。

根据本发明的一个实施例，还包括：

非易失性存储器，其中所述存储器存储选自以下的至少一个值：所测量的电池温度、所测量的电池端子电压、电流RMS值、及在动力关闭时估测的电池单元张弛时间；及

温度、SOC及电池单元电压的SOC-OCVLUT；及

温度、RMS电流和张弛时间的神经网络。

根据本发明，提供一种用于通过温度和使用为电池张弛时间的基于学习数据的模型产生数据的方法，包含

a)将电池冷放至目标温度；

b)对电池施加充电/放电电流；

c)测量张弛时间，其中所述电池张弛至其稳定值的3mV内；

d)记录用于特定温度和电流的张弛时间；及

e)对于额外的目标温度和电流重复步骤a-c。

附图说明

图1为在稳定的温度下锂离子电池SOC-OCV曲线的实例；

图2为显示在0℃时测试的驱动循环组的图表，显示了电流随时间的变化；

图3为显示在0℃时测试的驱动循环组的图表，显示了电池单元电压随时间的变化；

图4为显示在-15℃时测试的驱动循环组的图表，显示了电流随时间的变化；

图5为显示在-15℃时测试的驱动循环组的图表，显示了电池单元电压随时间的变化；

图6为显示在-15℃时驱动循环组测试期间的电流曲线的图表；

图7为显示在0℃时驱动循环组测试期间的电流曲线的图表；

图8为显示在-15℃时驱动循环组测试期间的电池单元电压的图表；

图9为显示在0℃时驱动循环组测试期间的电池单元电压的图表；

图10为在SOC确定中执行本发明的方法的流程图；

图11为采用本发明的实施例的电动车辆系统的图表。

具体实施方式

图1显示了在稳定的温度下的锂离子电池SOC-OCV曲线的实例。由于在OCV和SOC之间的一对一映射，因此如果能够获得高品质OCV，则能够估测SOC。在电池能量控制模块(BECM)中，可将电池单元SOC-OCV曲线作为温度、SOC和电池单元电压的查找图表(LUT)来存储。例如，在典型的PHEV电池SOC操作范围(例如PHEV100％SOC至10％SOC)内，约3mV电池单元电压对应于1％SOC。用于充分的电池单元电压张弛的优选的标准为当电池单元电压张弛至其稳定状态值的3mV以内时。在一些实施例中，当电池单元电压张弛至其稳定状态值的0-3mV内时、其稳定状态值的0-5mV内时、或其稳定状态值的0-10mV内时，可获得有效的OCV测量。

为了表征影响张弛时间的因子，在多种温度和使用条件下测试电池单元。图2和图3显示了分别在0℃和-15℃时测试的PHEVUS06驱动循环组的组电流和一个电池单元电压。在该曲线图中，短语“具有终端脉冲的组电流”表明存在电池的重使用(heavyusage)，例如在断开电池接触器之前的大的放电或充电组电流。

在相同的温度下采用和不采用电池的重终端使用进行测试，比较电池单元电压测量。动力关闭紧前的重电池使用导致需要更长的时间段用于电池单元电压张弛。

例如，由图2和图3所显示的在0℃时的测试数据，电池单元电压的稳定状态值在重电池终端使用(heavybatteryendusage)时为约3.251V，且在非重电池终端使用时为3.593V。从断开接触器开始，花费约2477秒或超过40分钟用于电池单元电压在重电池终端使用情况下张弛至3.248V。与此不同，仅需电池单元约388秒，或刚刚超过6分钟，用于电池单元电压在不存在重电池终端使用时张弛至3.590V。

类似地，由图4和图5所显示的在-15℃时的测试数据，电池单元电压的稳定状态值在重电池终端使用时为约3.474V，且在非重电池终端使用时为3.610V。自断开接触器开始，花费约1761秒或近30分钟，用于在重电池终端使用下电池单元电压张弛至3.471V。而在无重电池终端使用时，对于电池单元电压张弛至3.607V仅需要电池单元约930秒或约15分钟。

图6和7对应于在不同的温度下在实质上相同的驱动循环期间的电流消耗。更具体地，图6显示了在不存在重终端使用时在0℃下的放大的电池测试，且图7显示了在-15℃下相同的使用。两电流曲线几乎相同，这表明电池在不同的温度下具有相同的使用。由图8中的放大的电池单元电压，在-15℃下电池单元电压需要约930秒来张弛。与此不同，显示于图9中的在0℃下的电池单元电压张弛时间短得多，在此实例中约388秒。该数据显示在较低的电池温度下需要更长的电池单元电压张弛时间。

在某些实施例中，在低温的条件下和/或在重电池使用的条件下——包括充电和放电事件，充足的张弛时间可能为15-60分钟、20-50分钟、30-50分钟、40-60分钟、或45-60分钟。在某些实施例中，在高温和/或轻电池使用(lightbatteryusage)条件下，充足的张弛时间可能为0-15分钟、0-10分钟、5-15分钟、5-10分钟、0-5分钟、0-3分钟、少于1分钟、或约30秒。

在本发明中使用基于电池温度和使用历史的电池单元电压张弛时间确定方法来描绘用于测量OCV数据点的恰当的等待段，该OCV数据点将用于计算SOC。本发明的实施例提供了使用固定的、恒定的时间段来确定何时测量OCV的备选项。

电池组电流均方根(RMS)值为电池使用的优选的指标。可选择地使用其他种类的平均或集合，例如移动平均值或平均数，来表征使用。在优选的实施例中，使用电池组电流RMS值来呈现电池使用，用于确定RMS电流的时间窗口宽度可为1或2秒，或可由离线测试确定的另一个标定值。例如，使用在2ms或10ms速率下所抽样的组电流，可使用以下近似方法来计算电池RMS电流：

·在10ms速率下持续预先确定的时段(例如持续1-5秒)来测量组电流。

·如下在每一次时间步k更新RMS值：

RMS电流值与电池的使用成比例。

作为一个实例，在许多车辆电池中表明重使用的大的RMS电流值可包括约90amps、85-95amps、70-100amps、超过约80amps，或超过约70amps(取决于电池或牵引马达的尺寸)的值。例如，承载四位乘客向上行驶于陡峭的车道上的电动车辆在所测量的时间段期间可产生约120A的组电流，该120A可能呈现为约110A的RMS电流值。小的RMS电流值会包括约5amps、0-10amps、0-15amps、1-7amps、或小于3amps的值。例如，承载很小重量且在平坦道路或缓和的下坡路上驾驶之后即将停止的电动车辆在所测量的时间段期间可产生约78A的组电流，该78A可呈现为约50A的RMS电流值。在通过断开电池接触器开关关闭电驱动之前刚刚出现的所探测到的使用为在张弛时间的类似持续的表明。

可在不同的温度和电池使用下，从特定的电池种类的离线测试获得LUT中的所需张弛时间。可以以下述步骤中描述的方式来设计测试：1)冷放电池至目标温度，例如-40℃；2)将特定水平的充电/放电电流(例如20A)施加至电池，持续特定时间窗口宽度(例如2秒)；3)通过使用电池单元电压在其稳定值的3mV内张弛的标准来估测电池单元电压张弛时间；4)就关于温度、电流水平及时间窗口宽度的一组不同条件，重复步骤1)-3)；5)对于特定温度和电流水平，将来自不同的时间窗口宽度的最大充电电流张弛时间和放电张弛时间用作LUT中所需的张弛时间。

可将关于电池RMS电流和电池温度的查找表(LUT)用于电池单元电压张弛时间确定。在开始动力关闭或刚刚要动力关闭之前计算或测量RMS电流和电池温度。下表提供了实例。

表1PHEV电池单元电压张弛时间实例(以分钟计)

可在动力关闭时使用此LUT，且可将来自读取LUT的结果存储，用于在非易失性存储器中，例如在电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中的启动期间使用。在某些实施例中，然后可将所存储的读数在下一个动力开启时使用来决定动力关闭时间对于获得良好SOCOCV估测是否充分。

通过在之前的动力关闭期间，在EEPROM中记录电池温度和RMS电流值用作LUT输入，在动力开启时，可选择地执行从LUT查找恰当的等待时间的行动。由该LUT输出，可判定动力关闭时间对于良好的电池单元电压张弛来说是否足够。

可使用线性插值方法执行LUT读取方法。例如，在-30℃下，对于4A的RMS电流，通过由表1的线性插值，所需的张弛时间为约4.67分钟(4.67分钟≈3分钟+(8分钟-3分钟)×(4A-3A)/(4A-3A))。在某些实施例中，可使用非线性插值方法，例如多项式插值、样条插值，来执行LUT读取方法。

还可使用最终值法来执行LUT读取方法。此方法并不内插或外插。而是，发现最接近并高于输入RMS电流的RMS电流中的要素，且发现最接近且低于输入温度的温度中的要素。然后将张弛时间中的对应要素用作输出。例如，在-29℃下，对于4A的RMS电流，通过使用来自表1的6A的RMS下的RMS电流的高端值和在-30℃的温度下的低端值，所需的张弛时间为8分钟。

除了LUT的方法以外，还可使用数据拟合方法来呈现张弛时间、电池温度和电池使用RMS电流之间的关系。由离线测试的原始数据，数据拟合可构造张弛时间相对于电池温度和RMS电流的数学函数：

张弛时间＝f(温度，RMS电流)

当可获得电池温度和RMS电流时，可由此函数计算所需的电池张弛时间。数据拟合的一个实例是神经网络。

图10显示了在SOC确定中执行本发明的方法的流程图。用户在步骤100中启动动力关闭。在步骤101中测量温度读数。在步骤102中计算RMS电流。使用LUT确定张弛时间，并在步骤103中将其记录于EEPROM或其他存储器中。在步骤104中用户启动动力启动。在步骤105中确定动力关闭时间。在步骤106中将动力关闭时间与之前所确定的电池单元张弛时间进行比较。如果张弛时间小于或等于实际动力关闭时间，则在步骤107中使用OCV来确定SOC。然后可将SOC向用户展示并将其在随后的电池监控和控制中使用。如果来自LUT的张弛时间大于实际动力关闭时间，则使用备用SOC估测，或者在步骤108中延迟OCV的读数和SOC的确定。

图11显示了具有使用了所述方法的系统的电动车辆的图表。通过例示，图11将车辆110描述为在没有来自内燃机的辅助下通过电动马达111来推进的电池电动车辆(BEV)。马达111接收电力，并为车辆驱动提供驱动扭矩。马达111还充当发电机，用于通过再生制动，将机械能转化为电力。马达111为动力传动系统112的一部分，其中变速器113将马达111与从动轮114耦接。

车辆110包括电池系统115，该系统115包括主电池组116和电池能量控制器模块(BECM)117。将电池组116的输出连接至逆变器118，该逆变器118将由电池提供的直流电(DC)能转化为交流电(AC)能，以根据来自牵引控制模块(TCM)120的指令来操作马达111。TCM120除了其他之外，还监控马达11的位置、速度、及功率消耗，并将对应于此信息的输出信号向包括主车辆控制器121(可为例如动力传动系统控制模块或PCM)的其他车辆系统提供。

提供AC充电器122用于由外部能量供应(未显示)——例如AC电网——来将主电池116充电。尽管将车辆110显示为BEV，本发明适于于包括HEV和PHEV的使用多电池单元电池组的任何电动车辆。在所显示的实施例中，BECM117包括至少一个用于存储器123的部件，该存储器123存储一个或多个LUT、温度、时间、及使用历史数据。驾驶员控制器124，向车辆控制器121提供输入，包括开动或关闭车辆。车辆控制器121向驾驶员显示器125提供包括电池充电信息的车辆状态信息。

所述的适应性电池单元电压张弛时间确定方法基于电池温度和使用，确保基于OCV的SOC由充分张弛的电池单元电压来计算。这通过分辨用于获得有效OCV测量的最小等待时间改善了在广泛的驾驶条件——包括在动力关闭之前的极端温度和重电池载荷——下的SOC准确性。

已使用的术语和表述是用作描述而非限制的术语。不论何时在说明书中给出的范围、所有的中间范围和子范围，以及包括于所给出的范围中的单独的值，意在包括于本公开中。应理解，尽管通过特定的实施例和实例具体公开了本发明，但本领域技术人员可使用本文中所公开的概念的任选的特征、修改和变化，且认为这样的修改和变化在由所附权利要求书所限定的发明范围内。

Claims (5)

1.一种用于估测电动车辆中的电池荷电状态(SOC)的方法，其包含：

测量电池温度；

测量第一和第二时间之间的电池电流；

基于所述测量的第一和第二时间之间的电池电流，计算RMS电流；

基于所述RMS电流和所述温度确定估测的电池张弛时间；及

在所述张弛时间之后，测量用于计算SOC的电池开路电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中以大于最小的预先确定的标定值的间隔来确定所述RMS电流，其中所述最小的预先确定的标定值为1秒。

3.根据权利要求2所述的方法，其中以小于最大的预先确定的标定值的间隔来确定所述RMS电流，其中所述最大的预先确定的标定值为5秒。

4.根据权利要求1所述的方法，还包含：

在动力关闭时记录所估测的电池张弛时间的值；

启动动力开启；

比较所记录的估测的电池张弛时间与动力关闭和动力开启之间的实际经过时间；及

如果所述经过时间等于或大于所记录的值，立即测量用于更新的SOC估测的开路电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池为锂离子电池。