CN105378497A - 用于评估混合动力车辆电池健康状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计混合动力车辆的电池健康状态的(SOH)特性的方法，包括：在充电状态(SOC)窗口的上部区域充电和放电电池至少一次，其中该电池；在SOC窗口的下部区域充电和放电电池至少一次；利用达到的SOC窗以外的水平校准混合动力车辆的电池管理单元；和使用电池管理单元估计电池充电和放电期间的SOH的特性。

Description

用于评估混合动力车辆电池健康状态的方法

技术领域

本发明涉及用于估计混合动力车辆电池健康状态SOH的方法。进一步，本发明涉及一种功率变化大且快速的混合动力汽车用的高功率元件(100kW)。本发明在用于重型车辆，如卡车、公共汽车、施工车辆或类似物的电存储系统领域中特别有利。

背景技术

知晓电池剩余能量与电池充满状态能量的比值，向用户提供了一个在电池需要充电之前它可以持续运行多久的指示。这一比值被表示为电池充电状态或SOC。SOC表示为电池的可用容量与它的额定容量的百分比。混合动力汽车的电池具有的电压对比充电状态的特性，如图1的电压对SOC的曲线所示。电池SOC窗口表示的有用的范围，主要在特征曲线的“平台”区域。

SOC窗口显示可用的操作范围，其随着老化而缩小。老化的电池逐渐改变其特性以至于变得充电越来越困难。所述特性会随着老化轻微地改变，如图1所示，这种改变可用一个参数来表征，称作电池的健康状态或SOH。SOH是一种测量值，其反映了电池的一般状况和与新电池相比提供特定性能的能力。所述SOH参数考虑如充电接受，内阻/阻抗/电导率，容量，电能，自放电，接受电荷的能力和充放电循环周期数的因素。试图对一个越来越老化的电池充电的结果是，电压在较低的SOC水平上增加。这会导致触发高压监视器和故障代码而引起任务停止和/或损害混合动力车辆的部件。因此，估计电池的状态SOH并从而能够逐步降低电池的SOC窗口是非常重要的。

不同于SOC可以通过测量电池的实际电荷来确定，SOH没有绝对的定义。SOH是一个主观测量值，因为不同的用户从各种可测量的电池性能参数导出了SOH。SOH是一个蓄电池(或发电电池，或电池组)状态与理想状态相比的指标数值。SOH的单位是百分点，其中100％对应于电池状态匹配于电池的规格。通常，电池的SOH在制造时为100％，并会随时间和使用逐渐降低。

在正常操作期间，很难估计SOH。如果估计过高，可能会引起触发不必要的监视器故障和任务停止，如果估计过低，可能引起不必要的电池性能损失和过早的报废。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法，用于混合动力车辆中电池的健康状态SOH的估计和校准，是一种至少部分地避免上述问题的方法。这个目的是通过任何独立权利要求的特征来实现。

一种用于估计混合动力车辆电池的健康状态SOH的方法，该车辆包括电池管理单元，该方法包括以下步骤：

-通过确定电池的当前充电状态(SOC)的窗口来校准电池管理单元，其包括以下步骤：

-电池充电，同时连续测量开路电压(OCV)相对于所述充电状态的微商dOCV/dSOC；

-当dOCV/dSOC高于最小dOCV/dSOC的两倍时，确定第一SOC水平；

-在预定时段期间，以第一高充电电流脉冲充电电池；

-放电电池，同时连续测量微商dOCV/dSOC；

-当微商dOCV/dSOC增加时，确一第二SOC水平；

-在预定的时段期间，以第二高电流脉冲放电电池；

-通过使用所确定的第一和第二SOC水平确定所述电池的当前SOC窗口；以及

-通过所确定的当前SOC窗口与标准的SOC窗口相比较，估计电池的SOH的特性。

在这种情况下，当微商dOCV/dSOC大于dOCV/dSOC的最小值的两倍时，确定第一SOC水平，所述最小值发生在图1中的电压对比SOC曲线的中央平台。同样，当微商dOCV/dSOC增大，即变得大于dOCV/dSOC的最小值时，第二SOC水平被确定。

在充电和放电步骤，以高电流脉冲对电池进行充电/放电。相对于该电池的容量，所述电流是高的。在电池充电领域，某些电池充电结构向电池提供一个相对小量级的电流，例如，C/10的值，其中符号C被定义为电池的一小时容量。其他电池充电的结构向电池提供一个显著较高的电流，如，例如，一个C值(C＝1)。在此背景下，C≥1的电流脉冲将通常被认为是高的。当执行电池的放电时，使用车辆的内燃机以获得足够高的电流脉冲是有利的。

如上所述，所确定的当前SOC窗口与一个标准的SOC窗口相比较。标准的SOC窗口例如可以是一个检测到的初始SOC窗口或由电池制造商提供一个已知原始的SOC窗口。

本发明还涉及一种替代的用于估计混合动力汽车电池健康状态(SOH)特性的方法，其包括以下步骤：

-在充电状态(SOC)窗口的上部区域充电和放电电池至少一次，其中所述电池：

i)在第一时段期间，被充电到在SOC窗口的上部区域的第一预定水平；

ii)在第二时段期间，以第一充电电流脉冲充电，以把电池的SOC水平推向高于第一预定水平；

iii)由一电机放电到SOC窗口内的第二预定水平；

-在SOC窗口的下部区域放电和充电电池至少一次，其中所述电池：

i)在第三时间v)期间，被充电到SOC窗口的第三预定水平；

ii)由一电机放电到SOC窗口内的第四预定水平；

iii)在第四时段期间，以第二电流脉冲放电，把电池的SOC水平推向低于第四预定水平；

-使用达到的SOC窗之外的水平，校准混合动力车辆中包含的的电池管理单元；

-使用所述电池管理单元，估计电池在充电和放电周期内的SOH特性；

其中：第一和第三时段分别比第二和第四时段更长；第一预定水平表示比第二预定水平更高的电压，第三预定水平表示比第四预定水平更高的电压。

根据本发明，所确定的当前SOC窗口与一个标准的SOC窗口相比较。标准的SOC窗口例如可以是一个检测到的初始SOC窗口或由电池制造商提供一个已知原始的SOC窗口。然后，电池的SOH特性可以通过所确定的当前SOC窗口和标准的SOC窗口之间的比较结果来估计。

由于SOH不对应特定的物理性质，关于SOH应如何确定不存在一个行业共识。本领域中已知的是，电池管理单元可以使用任何以下参数(单独或组合)与本发明的参数组合来导出SOH的估计值：

-内阻/阻抗/电导率

-容量

-电能

-自放电

-接受电荷的能力

-充放电循环次数

此外，电池管理单元可以被用于根据每个参数对SOH值的贡献，定义任意权重。通过比较一个或多个这样的测量(以及可能加权)参数和所确定的SOC窗口与存储的参数和已知的原有的SOC窗口，电池的SOH特性可以被估计。包含一种或多种额外的，已知的参数可以提供一个对电池的健康状态的更准确的估计。

本发明的一些实施方式提供了一种用于估计电池健康状态的改进的方法。

附图说明

本发明的进一步的目的，特点和优点将会在下面发明的详细描述中体现，其中本发明的实施例参照附图进行更详细的说明，其中：

图1示出典型的混合动力车辆电池的输出开路电压作为充电状态函数的曲线图；

图2示出执行本发明方法的充电和放电充电步骤的示例性图；

图3示出执行本发明方法的放电步骤的示例性流程图；

图4示出执行本发明方法的充电步骤的示例性流程图。

具体实施方式

参考附图，本发明的各个方面将在下文中更详细描述，其中描述了本发明的实施例。

但是，本发明可以体现为多种不同形式，且不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本发明将是彻底的和完整的，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。相同的参考符号始终表示相同的元件。

在电池的寿命期间，其条件和性能，健康，由于伴随电池使用和老化发生不可逆物理化学变化，往往会逐渐恶化，直到最后电池不可用或失效。SOH表示相对于新的电池在当前条件测量的在电池的生命周期已达到的点。其目的是提供一种可以根据电池当前状态预期性能的指示，或提供已消耗多少使用寿命和必须更换电池之前还剩余多少使用寿命的指示。由于混合动力汽车的电池是相当昂贵的，尽可能正确的做一个电池的SOH估计是重要的。根据本发明的方法提高了SOH估计的精确度。

任何参数，如电池阻抗或电导率，其随着电池老化显著改变，因此可能被用来作为基础，以提供所述电池SOH的指示。由于SOH指示是相对于一个新电池的状态，电池管理单元BMU被配置成保存初始条件的记录，并提供当前/实际SOH的估计值。所述BMU可以被放置在混合动力车的内部或作为外部测量装置，如外部电荷桩或充电站。

为了能够提供一个尽可能精确的估计，在BMU做出估计之前必须进行校准。因为SOC窗口相当容易测量且表示电池的老化，在开始SOH估计程序之前，通过确定当前SOC窗口校准BMU。

图1示出一个典型电池的输出开路电压OCV作为充电状态SOC的函数的曲线图，该图也通常被称为电压放电曲线。对SOC的一个大间隔，提供尽可能恒定的输出开路电压OCV，是电池设计的一个规定目标。出于这个原因，图1中放电曲线10a，10b，10c的主要部分几乎是平的，即微商dOCV/dSOC(斜率)是非常小的。第一SOC水平11和第二SOC水平12之间的中间间隔15被称为SOC窗口13。在SOC窗口13，SOC水平的变化对应于电池OCV的一个非常小，有时几乎无法测量的变化。SOC如此低的测量分辨率使得难以准确评估电池SOH。电压放电曲线的形状受到老化的影响，因此在不同的测量条件下，对应于所述第一SOC水平11和第二SOC水平12之间的SOC水平可能在一定程度上发生变化。

SOC通常以百分比表示(％)，其中，0％对应于电池完全不含电荷，100％对应于一个电池完全充满电。

现有几种评估电池SOC的方法。有些对应于特定的电池化学，而有些依赖于测量一些方便的随SOC改变的参数。

一种常用的确定电池SOC的方法是测量电池的开路电压。电池的开路电压是当电池与任何外部负载断开并且没有外部电流流过电池时，通过测量电池的输出开路电压而确定的。OCV与电池的SOC直接相关。然而，电池的OCV受到充电和放电时段的干扰，如在城市驱动混合电动卡车。

根据本发明的SOH估计过程，有利地，可以是在电池已经首先休息一定的时间段后且该电池的OCV已被记录之后启动。充电和放电期间，电池SOC可使用库仑计数来估计。

在能够做出SOH估计之前，必须确定当前运行区域SOC窗口。电池管理单元BMU必须用正确的SOC的窗口进行校准。这通过强化(stressing)电池使得在运行区域SOC窗口的边缘，在明确定义的操作条件下而被执行，以找出SOC窗口的正确的上部和下部边缘。因而找出微商dOCV/dSOC相当高的区域，这意味着即使电池SOC一个小的差异也在输出开路电压产生了可测量的差异。

电池是通过给予充电和放电电流脉冲形式的刺激来实现强化的。这个过程在静止并脱离传动系相当于空档的状态下进行。充电脉冲由柴油发动机产生，该柴油发动机在发电运行中对电动机供电。放电脉冲由电动机产生，电动机在驾驶运行中驱动柴油机，驱动柴油机通过其摩擦充当制动器和/或发动机减速器。这些脉冲用于略微在SOC窗口的外面对电池充电/放电，并且通过电池管理单元BMU收集和研究响应以判断电池的SOH。

强化电池的方法包括如下步骤：

第一，如图2和3所示，放电21电池到SOC窗口的下边界。

第二，施加放电脉冲22，这将推动电池进一步沿输出开路电压/SOC特性向下，从而降低电池SOC落入位于第一SOC水平11之下的估计间隔内，但不允许电池达到低于第四SOC水平14(图1)的SOC水平，因为这可能会导致电池被永久弱化和损坏。

第三，如图2和4所示，充电23电池使得到达或甚至以某种程度超出SOC窗口的上边界之外，从而提高电池SOC以使得落入位于所述第二SOC水平12(图1)之上的估计间隔。

第四，施加充电脉冲24的刺激，这将推动电池进一步沿输出开路电压/SOC特性上升。

根据本发明，所确定的当前SOC窗口与一个标准的SOC窗口做比较。标准的SOC窗口例如可以是一个检测的初始SOC窗口或由电池制造商提供一个已知原始的SOC窗口。然后，电池的SOH特征可以通过将所确定的当前SOC窗口和标准的SOC窗口之间的比较的结果来估计。

通过研究响应，并将其与一个“已知”的如来自部件寿命测试的特性响应比较，它可以判定该电池的SOH。如在图2所示，上述放电和充电步骤可以被执行一次以上，优选三次。

这产生了更好的SOC测量分辨率，且在不同测量场合之间的SOC水平更容易比较。

在本发明的一个实施例中，充电电流脉冲由车辆中内燃机产生，内燃机在发电运行(generativeoperation)中向电机供电。

在本发明的一个实施例中，放电电流脉冲由电机产生，电机在驾驶运行(motoringoperation)中驱动车辆的内燃机。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：将车辆的电池连接到一个充电桩(chargepole)，其中，所述充电电流脉冲和放电电流脉冲是由充电桩产生。

在本发明一个实施例，内燃机通过其摩擦充当制动器。

在本发明一个实施例，内燃机作为一个发动机减速器。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：通过使用所述估计的SOH特性校准SOC窗口。

本文所用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并非意在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”，“一个”和“该”也包括复数含义，除非上下文另外明确指出。将进一步理解，术语“包括”，“包含”，“含有”和/或“具有”当用于本文时，指定所陈述的特征，整数，步骤，操作，元件，和/或部件的存在，但这样做不排除存在或附加一个或多个其它特征，整数，步骤，操作，元件，组件和/或它们的组。

除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)与由普通技术人员对本发明所属领域中通常理解的具有相同的含义。应当进一步理解，这里所使用的术语应被解释为具有以下含义是与它们的含义在本说明书和相关领域的上下文中一致的，并且不会在理想化或过于正式的意义来解释，除非这里明确地如此定义。

前面已经描述了原理，优选实施方案和本发明的操作模式。然而，本发明应被视为说明性的而非限制性的，并且不为局限于上述讨论的特定实施例。本发明的各种实施例的不同特征可以以其它组合除明确描述相结合。因此，应当理解的是，变体可以由在那些实施方案由本领域技术人员在不脱离本发明的范围由以下权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种用于估计混合动力车辆中的电池的健康状态(SOH)特性的方法，包括以下步骤：

-在充电状态(SOC)窗口的上部区域内充电和放电所述电池至少一次，其中所述电池：

i)在第一时段期间，被充电到所述SOC窗口的上部区域中的第一预定水平；

ii)在第二时段期间，以第一充电电流脉冲充电，以把所述电池的SOC水平推向高于所述第一预定水平的水平；

iii)由电机放电到所述SOC窗口内的第二预定水平；

-在所述SOC窗口的下部区域放电和充电所述电池至少一次，其中所述电池：

i)在第三时段期间，被充电到所述SOC窗口的第三预定水平；

ii)通过电机放电到所述SOC窗口内的第四预定水平；

iii)在第四时段期间，以第二电流脉冲放电，用于把所述电池的SOC水平推向低于所述第四预定水平的水平；

-使用达到的所述SOC窗之外的水平，校准混合动力车辆包括的电池管理单元；

-使用所述电池管理单元，估计所述电池在充电和放电时段期间的SOH特性；

其中：所述第一时段和所述第三时段分别比所述第二时段和所述第四时段更长；并且

所述第一预定水平表示比所述第二预定水平更高的电压，所述第三预定水平表示比所述第四预定水平更高的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述充电电流脉冲由所述车辆中内燃机产生，该内燃机在发电运行中向所述电机供电。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述放电电流脉冲由所述电机产生，该电机在驾驶运行中驱动所述车辆的内燃机。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

a.把所述车辆的电池连接到一个充电桩，其中，所述充电电流脉冲和放电电流脉冲由所述充电桩产生。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述内燃机通过其摩擦充当制动器。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述内燃机作为发动机减速器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：

a.通过使用所估计的SOH特性校准SOC窗口。