CN105391107B - 用于电池荷电状态估计的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于电池荷电状态估计的方法。一种电池管理系统包括：至少一个控制器，被配置为：响应于电池电流变为近似于零，基于在时间间隔期间测量的一系列电池端电压来输出开路电压，其中，在所述时间间隔内，所述电池电流保持近似于零并且电荷极化电压正在下降。所述开路电压还可以基于所述一系列电池端电压的非线性回归。所述非线性回归可使得所述电池端电压和对应的电池端电压估计值之间的均方误差最小化。所述至少一个控制器可命令所述电池电流在所述时间间隔内为零。所述电池管理系统可被包含在具有牵引电池的车辆中。

Description

用于电池荷电状态估计的方法

技术领域

本申请总体上涉及用于车辆电池的荷电状态估计。

背景技术

混合动力车辆和电动车辆包括由若干电池单元组成的牵引电池。牵引电池储存能量，并将电力提供给用于推进和其它功能的电机。电池控制系统可监控牵引电池的操作，并可基于各种输入来控制牵引电池。对于电池控制系统有用的值是电池荷电状态(SOC)。电池SOC是牵引电池中的剩余能量的估计量。SOC可以从电池电流的积分推导出。因为即使很小的测量误差也会随着很长一段时间进行积分，所以电池电流的积分需要使用高精度电流传感器。这对于以可选的方式确定电池SOC可能是有益的。

发明内容

一种电池管理系统包括：至少一个控制器，被配置为：响应于电池电流变为近似于零，基于在时间间隔期间测量的一系列的电池端电压来输出开路电压，其中，在所述时间间隔内，所述电池电流保持近似于零并且电荷极化电压正在下降。所述开路电压还可以基于所述一系列的电池端电压的非线性回归。所述非线性回归可使得所述电池端电压和对应的电池端电压估计值之间的均方误差最小化。所述开路电压可由最小电压和最大电压来限制。所述至少一个控制器还可被配置为：基于所述开路电压来输出电池的荷电状态。所述至少一个控制器还可被配置为：根据所述开路电压来操作所述电池。所述至少一个控制器还可被配置为：在所述时间间隔内命令所述电池电流为零。

一种车辆包括：牵引电池和至少一个控制器。所述至少一个控制器被配置为：响应于在时间间隔内电池电流变为近似于零并且保持近似于零，基于在所述时间间隔期间测量的一系列的电池端电压来输出开路电压，并且根据所述开路电压来操作所述牵引电池，其中，所述时间间隔至少持续到所述电池端电压的梯度的幅值小于预定值时为止。所述至少一个控制器还可被配置为：在所述时间间隔内命令所述电池电流为零。所述开路电压还可以基于所述一系列的电池端电压的非线性回归。所述非线性回归可使得所述电池端电压和对应的电池端电压估计值之间的均方误差最小化。所述至少一个控制器还可被配置为：基于所述开路电压来输出荷电状态。所述至少一个控制器还可被配置为：输出与所述电池电流变为近似于零的时间相关联的电荷极化电压估计值。所述开路电压可被限制在最大电压和最小电压之间。

一种用于操作牵引电池的方法包括：通过控制器基于在时间间隔期间测量的一系列的电池端电压来输出开路电压，其中，在所述时间间隔内电池电流变为近似于零并且保持近似于零。所述方法还包括：通过所述控制器根据所述开路电压来操作所述牵引电池。所述开路电压还可基于所述一系列的电池端电压的非线性回归。所述非线性回归可使得所述电池端电压和对应的电池端电压估计值之间的均方误差最小化。所述方法还可包括：通过控制器命令所述电池电流在所述时间间隔内近似于零。所述方法还包括：通过所述控制器基于所述开路电压来输出所述电池的荷电状态，并且根据所述荷电状态来操作所述电池。所述时间间隔可以为在所述电池电流变为近似于零时和电池端电压梯度变为小于预定阈值时之间的时间量。

附图说明

图1是示出典型的动力传动系统和储能组件的混合动力车辆的示图。

图2是由多个电池单元组成并且由电池能量控制模块监测和控制的可能的电池组布置的示图。

图3是示例性电池单元的等效电路的示图。

图4是示出了针对典型的电池单元的可能的开路电压(V_oc)相对于电池荷电状态(SOC)的关系的曲线图。

图5A是示出了随着时间的可能的电池电压分布的曲线图。

图5B是示出了选择的图5A的时间间隔内的曲线图，在所述时间间隔内电池电流近似于零。

图6是描述用于计算电池的开路电压的可能的一组操作的流程图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其它实施例可以采用各种替代形式。附图无需按比例绘制；一些特征可被夸大或缩小以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。如本领域技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，可期望将与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型用于特定的应用或实施方式。

图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)。典型的插电式混合动力电动车辆12可以包括机械地连接到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14可以能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置16机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14可以提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常作为热损失掉的能量来提供燃料经济效益。通过允许发动机18以更为有效的速度运转并允许混合动力电动车辆12在特定状况下以发动机18关闭的电动模式运转，电机14还可以减少车辆排放。

牵引电池或电池组24存储可以被电机14使用的能量。车辆电池组24通常提供高电压DC输出。牵引电池24电连接到一个或更多个电力电子模块26。一个或更多个接触器42可在断开时使牵引电池24与其它组件隔离，并在闭合时使牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间提供双向传输能量的能力。例如，典型的牵引电池24可提供DC电压，而电机14可使用三相AC电来运转。电力电子模块26可以将DC电压转换为用于电机14使用的三相AC电。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电转换为与牵引电池24兼容的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且发动机18可以不存在。

牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电力系统的能量。典型的系统可包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆负载相兼容的低电压DC供应。其它高电压负载46(比如，压缩机和电热器)可以在不使用DC/DC转换器模块28的情况下直接连接到高电压。低电压系统可以电连接到辅助电池30(例如，12V电池)。

车辆12可以是可由外部电源36对牵引电池24再充电的电动车辆或插电式混合动力车辆。外部电源36可连接到接收公用电力的电插座。外部电源36可电连接到电动车辆供电设备(electric vehicle supply equipment，EVSE)38。EVSE 38可提供电路和控制，以调节并管理电源36和车辆12之间的能量传输。外部电源36可向EVSE 38提供DC或AC电力。EVSE38可具有用于插入到车辆12的充电端口34的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可对从EVSE 38供应的电力进行调节，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38进行接口连接，以协调对车辆12的电力传输。EVSE连接器40可具有与充电端口34的相应凹入匹配的插脚。可选地，被描述为被电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。

一个或更多个车轮制动器44可被提供用于使车辆12减速并阻止车辆12运动。车轮制动器44可以以液压方式、电的方式或它们的某种组合方式被致动。车轮制动器44可以是制动系统50的一部分。制动系统50可以包括用于操作车轮制动器44的其它组件。为了简洁，附图描绘了制动系统50和一个车轮制动器44之间的单个连接。隐含了制动系统50和其它车轮制动器44之间的连接。制动系统50可包括用于监控并协调制动系统50的控制器。制动系统50可监控制动组件，并控制车轮制动器44使车辆减速。制动系统50可以对驾驶员命令做出响应，并还可以自动运转以实现诸如稳定性控制的功能。制动系统50的控制器可以实现在被另一控制器或子功能请求时施加请求的制动力的方法。

一个或更多个电负载46可连接到高电压总线。电负载46可具有关联的控制器，所述关联的控制器适时地运行并控制电负载46。电负载46的示例可以是加热模块或空调模块。

所讨论的各种组件可具有一个或更多个关联的控制器，以控制并监测所述组件的操作。所述控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散导体进行通信。系统控制器48可存在以协调各种组件的操作。

牵引电池24可由各种化学配方构成。典型的电池组化学成分可以是铅酸、镍-金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了N个电池单元72的串联结构的典型的牵引电池组24。然而，其它的电池组24可以由按照串联或并联或它们的某种组合方式连接的任意数量的单个电池单元组成。电池系统可具有一个或更多个控制器(比如，监测并控制牵引电池24的性能的电池能量控制模块(BECM)76)。BECM 76可包括用于监测若干个电池组水平特性(比如，电池组电流78、电池组电压80和电池组温度82)的传感器和电路。BECM76可具有非易失性存储器，使得当BECM 76处于断电状况时数据可以被保留。保留的数据可以在下一钥匙循环时被使用。

除了电池组的水平特性之外，还可测量和监控电池单元72的水平特性。例如，可以测量每个电池单元72的端电压、电流和温度。系统可使用传感器模块74来测量电池单元72的特性。根据容量，传感器模块74可包括用于测量一个或多个电池单元72的特性的传感器和电路。电池组24可利用多达N_c个传感器模块74来测量所有电池单元72的特性。每个传感器模块74可将测量值传输到BECM 76以作进一步的处理和协调。传感器模块74可将信号以模拟形式或数字形式传输到BECM 76。在某些实施例中，传感器模块74的功能可以被合并到BECM 76内部。也就是说，传感器模块74的硬件可以被集成为BECM 76中的电路的一部分，并且BECM 76可以操控原始信号的处理。

电池组荷电状态(SOC)给出在电池组中剩余多少电荷的指示。与燃料量表类似，电池组SOC可以被输出以通知驾驶员在电池组中剩余多少电荷。电池组SOC还可被用于控制电动车辆或混合动力车辆的操作。电池组SOC的计算可通过各种方法来实现。计算电池SOC的一种可行的方法是随着时间对电池组电流进行积分。此方法在本领域中公知为安培小时积分。

电池单元可被建模为电路。图3示出了一种可能的电池单元等效电路模型(ECM)。电池单元可被建模为具有相关联的电阻(102和104)和电容106的电压源(V_oc)100。V_oc 100表示电池的开路电压。该模型包括内电阻r₁ 102、电荷转移电阻r₂ 104和双层电容C 106。电压V₁ 112是内电阻102两端的电压降，其中，电压V₁ 112是因电流114流经该电路而产生的。电压V₂ 110是r₂ 104和C 106的并联组合两端的电压降，其中，电压V₂ 110是因电流114流经该组合而产生的。电压V_t 108是电池的端子之间的电压(端电压)。电压V₂ 110可模拟电池的电荷极化电压。

由于电池单元的阻抗，使得端电压V_t 108可能与开路电压V_oc 100不同。仅电池单元的端电压108可易于被测量，而开路电压V_oc 100可能不容易被测量。当在足够长的时间段内没有电流114流动时，端电压108可能与开路电压100相同。当中断电流114时，如同通过电容元件所模拟的那样，端电压108会在一段时间内松弛或衰减为开路电压100。在电流114恒定的稳态状况下，所述阻抗可被建模为电阻元件r₁ 102和r₂ 104的总和。当有电流114流动时，V_oc 100可能不容易被测量，并且其值可能需要基于所述电路模型来推断。参数值r₁102、r₂ 104、C 106可以是已知或未知的。参数的值可取决于电池的化学组成。其它电池模型是可能的，并且所描述的方法不依赖于所选择的模型。

在充电期间，充电电压可被施加到电池端子。电流114可基于电阻102、r₂ 104和C106的并联组合以及开路电压100来流经电池。在充电期间，端电压108可能大于开路电压100。在放电期间，端电压108可能小于开路电压100。

基于ECM，电池可通过以下等式来建模：

V_t＝V_oc-V₂-r₁i (2)

关于电池的当前操作点，可求解微分等式。以下为关于当前操作点的求解结果：

其中，V_2,0是并联的电阻器r₂和电容器C两端的当前电压。

为了估计开路电压100，电池电流114可被设置为零。电池端电压108可随后被测量。随着时间的推移，端电压108将收敛至开路电压100。根据以上等式，当电池电流114为零时，等式变为：

通过使得τ＝r₂C，方程变为：

指数项随着时间而减小并且趋近于零。指数项可表示当电池电流114为零时随着时间而下降的电荷极化电压(例如，V₂ 110)。当电池电流114为零时，一系列的端电压数据可被测量。从时间零处开始，一系列的n个点可被获得。该系列可包括如下n个时间和端电压对：

(t₁,V_t,1),(t₂,V_t,2),...,(t_i,V_t,i),...,(t_n,V_t,n) (7)

电压测量值之间的时间量可以是预定采样时间。端电压还可以以变化的速率被采样，使得样本之间的时间为可变时间。

等式(6)中的未知参数是V_oc、V_2,0和τ。基于该系列的端电压，未知参数可使用非线性回归方法来辨识。该参数可以使用下面的表达式来求解：

遵循：

V_oc∈[V_oc,min V_oc,max] (10)

所述非线性回归可基于该系列电池端电压数据来估计针对V_oc、V_2,0和τ的值。在等式(8)中使用的最小化定义了最小均方误差函数。所述非线性回归还可以使用其它可选择的最小化函数来运算。控制器76可输出V_oc、V_2,0和τ的值。V_2,0的值可表示在电池电流114变为近似于零时的电荷极化电压。τ的值可表示电池的时间常量，并且可描述电池对电流变化的动态响应。

最小化函数是平方后的误差项的总和。该误差项基于该系列的每个电压数据点和相关联的电压估计值之间的差。最后的总和除以数据点的数量得出平均值。

一旦V_oc被估计出，则电池SOC可被估计。对于典型的锂离子电池单元，在SOC和开路电压(V_oc)之间存在使得V_oc＝f(SOC)的关系。图4示出了示例性曲线124，示例性曲线124示出了作为SOC的函数的开路电压V_oc。SOC和V_oc之间的关系可以通过分析电池特性或测试电池单元来确定。所述函数可使得SOC可作为为f^-1(V_oc)来被计算。所述函数或所述反函数可被实现为查找表或等效方程。曲线124的准确形状可基于锂离子电池确切配方而变化。电压V_oc由于电池的充电和放电而变化。应注意，该曲线可基于电池的化学组成而变化。例如，与100％的SOC相关联的电压可针对不同的电池化学组成而变化。OCV(开路电压)/SOC特性可取决于电池温度，并且可被描述为一系列的针对不同温度的曲线。

如在图4中所看到的，随着SOC增加，开路电压总体上也增加。当电池被充电时，SOC增加，开路电压上升。电压增加的速率可取决于荷电状态。例如，在该曲线上的不同点(例如，120和122)处的斜率可以是不同的。

在此所描述的估计方案可通过电池电流为零来触发。可在特定状况下主动命令电池电流为零以便启动估计。一种状况可以是自上一估计被执行以后已经经过了预定时间量。还可在正常操作期间，当电池电流为零时适时地触发估计。

在此描述的SOC估计的优点是该模型考虑了电池电压的动态特性。估计工作在任意操作点处，并且估计值是基于当前操作点。也就是说，电流可在任意操作点处被设置为零，并且估计方案可提供准确的结果。估计不依赖于电池电流的测量；因此，估计是与电流传感器的准确度无关的。通过周期性地调节SOC以适应估计值，所述估计可结合电流积分估计来被使用。

此外，所描述的估计不需要任何校准。当电流被设置为零时，所述参数基于端电压响应来被估计。这样可使得减少建模工作。

图5A描述了随着时间的可能的电池端电压分布的曲线图200。在第一时间间隔202期间，电池电流在非零值下操作。电池端电压的值可基于电流而变化。在第二时间间隔204期间，电池电流为零。在第三时间间隔206期间，电池电流再一次为非零。在电池电流为零的第二时间间隔204期间，端电压将朝着开路电压上升或减小。非零的电池电流包括充电电池电流和放电电池电流。

图5B描绘了来自图5A的电池电流近似于零的时间间隔。所描述的情形是端电压朝着开路电压上升的情形。在电池电流为零出现之前、电池正在供应电流(放电)的状况下，端电压可朝着开路电压上升。未描述的另一情形是端电压朝着开路电压减小的情形。在电池电流为零出现之前、电流被供应给电池(充电)的情况下，端电压可减小。

在电池电流为零期间，端电压可由控制器76来测量。控制器76还可测量电池电流。当检测到电池电流近似于零时，计时器可被重置为零。当电池电流保持近似于零时，计时器可能递增。虽然电池电流保持为零，但是控制器76可测量各个时间的端电压。例如，在时间t₁ 216，电池端电压可被测量为V_t,1 208。时间t₁ 216可通过对计时器采样来获得，其中，在进行测量的时间间隔期间所述计时器正在递增。在稍后的时间t₂ 218，电池端电压可再次被采样以产生电压V_t,2 210。

一般来说，在电池电流为零的间隔204期间，端电压可被测量。在时间t_j 220，电压可被测量为V_t,j 212。在时间t_n 220，最终的电池端电压可提供值为V_t,n 214的电压。在电池电流为零的间隔期间测量值的数量n可改变。应注意，在t₂和t_j之间以及在t_j和t_n之间可能存在更多的电池端电压测量值。电池端电压测量值可以在时间上被等间隔或不等间隔地隔开，第一端电压测量值可与电池电流变为零的时间相对应。

用于测量端电压的时间间隔可以是预定的固定间隔。时间间隔还可以基于端电压响应的特性而改变。当电池端电压梯度小于预定值时，时间间隔可能是足够的。当电荷极化电压停止下降或已经达到稳定状况时，时间间隔可能是足够的。

控制器可随后确定端电压样本是否足够可用于执行非线性回归。在短的时间间隔期间，不可能获得足够数量的测量值以从非线性回归获取准确的结果。主动将电流设置为零的系统能够控制时间间隔来确保有足够数量的样本是可用的。控制器还可监控端电压的梯度。当梯度的幅值小于预定阈值时，非线性回归可被执行。这样可以确保端电压的动态响应被捕获在测量的数据中。

当足够数量的电池端电压和时间对是可用的时候，非线性回归可被执行。参数可被计算出来。开路电压估计可用于确定电池的SOC。

图6描绘了一种可行的包括可在控制器76中被实施的指令的流程图。在启动300之后，操作302可被执行以测量电池电流。判断操作304可被实现为确定电流幅值是否小于阈值K。阈值K可以是接近于零的值，这样使得在阈值以下的值可被认为近似于零。如果判断操作304的结果是否定的，则操作306至308可被执行。操作306将计时器重置为零。判断操作308检查控制器76是否应该命令电池电流为零。如果判断操作308的结果是肯定的，则操作310可被执行以将电池电流设置为零。如果判断操作308的结果是否定的，则执行可循环回到操作302。

如果判断操作304的结果是肯定的，则操作312至316可被执行。操作312可被实现为在合适的采样时间测量电池端电压。操作314可被实现为递增计时器的值。判断操作316可被实现为确定是否在电池电流接近于零时已经采集到足够的样本n。如果判断操作316的结果是否定的，则执行可循环回到操作302以继续测量。

如果判断操作316的结果是肯定的，则操作318至322可被执行。操作318可被实现为执行非线性回归以计算包括V_oc的参数。操作320可被实现为按照V_oc和温度T的函数来计算SOC。操作322可被实现为根据估计值来操作牵引电池。执行可循环回到操作302以重复所述操作。

在此公开的处理、方法或算法可被传递到处理装置、控制器或计算机，或者可由处理装置、控制器或计算机来实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用的电子控制单元。类似地，处理、方法或算法可被存储为可由控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令，其中，所述多种形式包括但不限于：被永久存储在非可写存储介质(例如，ROM装置)上的信息和可改变地被存储在可写存储介质(例如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光介质)上的信息。所述处理、方法或算法还可以以软件可执行对象的方式来实现。可选地，所述处理、方法或算法可以利用合适的硬件组件(比如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或硬件、软件和固件组件的组合来被整体或部分地实现。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例已经被描述为提供在其它实施例或现有技术实施方式之上的优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。如此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式满足期望的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (7)

1.一种车辆，包括：

电池；

控制器，连接到对电池的端电压和电流进行周期性测量的传感器，并且被配置为：响应于操作期间的电池的电流下降到预定阈值以下，基于由所述传感器在持续到电池的端电压的梯度幅值下降到预定值以下的持续时间期间测量的一系列的端电压来估计电池的开路电压。

2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：命令电池的电流在所述持续时间内小于预定阈值。

3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述开路电压还基于所述一系列的端电压的非线性回归。

4.如权利要求3所述的车辆，其中，所述非线性回归使得电池的端电压和对应的端电压估计值之间的均方误差最小化。

5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：基于所述开路电压将电池的荷电状态输出到显示器。

6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：将与电池的电流下降到预定阈值以下的时间相关联的电荷极化电压估计值输出到所述控制器的存储器。

7.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：将所述开路电压限制在基于预定阈值的最大电压和最小电压之间。

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