CN105589039A - 电池测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一示例性方面的电池测试方法除了其它方面以外包含：在测试循环过程中控制容纳至少一个电池单元的环境室的温度，以在整个测试循环中保持至少一个电池单元的相对恒定的温度。

Description

电池测试系统及方法

技术领域

本公开涉及一种用于测试电动车辆的电池单元的电池测试系统及方法。电池测试系统包括用于在测试循环过程中通过动态地控制环境测试室的温度来保持几乎恒定的电池温度的必要的硬件和软件。

背景技术

减少汽车燃油消耗和排放的需求是众所周知的。因此，正在开发减少或完全消除对内燃发动机的依赖的车辆。电动车辆是以此为目的开发的一种类型的车辆。通常，电动车辆与传统机动车辆不同是由于它们选择性地由一个或多个电池供电的电机来驱动。与之相比，传统机动车辆仅仅依靠内燃发动机来驱动车辆。

电动车辆电池可以使用电池单元，例如锂离子电池单元。这些电池单元典型地由大量的测试来验证。在这样的测试过程中，电池单元被充电和放电以测量用于确定电池性能和使用寿命的特征。

发明内容

根据本发明的一示例性方面的电池测试方法除了其它方面以外包含：在测试循环过程中控制容纳至少一个电池单元的环境室的温度，以在整个测试循环中保持至少一个电池单元的相对恒定的温度。

在上述方法的进一步非限制性实施例中，方法包括当至少一个电池单元开始通过电流时，启动控制步骤。

在上述任一方法的进一步非限制性实施例中，方法包括测量至少一个电池单元的电流，并将电流的大小传输至计算装置。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括根据与至少一个电池单元相关的电流和电阻值来概略估算由至少一个电池单元产生的热量。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括测量至少一个电池单元的温度，并将至少一个电池单元的温度的测量值传输至计算装置。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括将至少一个电池单元的温度的测量值和至少一个电池单元的所需温度设定点进行比较，以估算误差信号，并随后计算环境室的内部的所需温度。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，计算步骤使用以下方程：

$T_{ch,0}=T_0-K_{p}e-K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\·dt-K_{ff}{Q}_b$

其中T_ch,0是环境室的内部的所需温度，T₀是所需电池温度设定点，K是增益因子，e是误差信号以及Q_b是由至少一个电池单元产生的热量。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括将指令信号从计算装置传输至环境室的控制器，指令信号代表环境室的内部的所需温度。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括将所需温度和内部的实际温度进行比较。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括将环境室的温度调节至所需温度。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括如果实际温度低于所需温度则命令环境室的气候控制单元处于加热模式以加热环境室，或者如果实际温度高于所需温度则命令气候控制单元处于冷却模式。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括识别至少一个电池单元的内电阻值的增加，并根据增加的内电阻值来更新由至少一个电池单元产生的热量的计算。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，方法包括测量至少一个电池单元的初始电压，经过一段时间后，测量至少一个电池单元的电流和第二电压，并根据初始电压、第二电压和电流来计算与至少一个电池单元相关的更新的内电阻值。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，控制步骤包括在测试循环过程中选择性地冷却或加热环境室的内部。

在上述任何方法的进一步非限制性实施例中，控制步骤包括根据测试循环过程中由至少一个电池单元产生的热量来连续调节环境室的温度。

根据本发明的另一个示例性方面，一种电池测试系统除了其它方面以外包括，容纳电池单元的环境室外壳以及控制器，该控制器配置用于根据测试循环过程中由电池单元产生的热量来动态地控制环境室的温度。

在上述系统的进一步非限制性实施例中，电流传感器配置用于测量通过电池单元的电流，以及温度传感器配置用于测量电池单元的温度。

在上述任一系统的进一步非限制性实施例中，计算装置与控制器通信，并配置用于将代表环境室所需温度的指令信号传输至控制器。

在上述任何系统的进一步非限制性实施例中，控制器配置用于调整环境室的气候控制单元以在测试循环过程中改变环境室的温度。

在上述任何系统的进一步非限制性实施例中，控制器配置用于连续调节环境室的温度以使电池单元在整个测试循环中保持相对恒定的温度。

可以单独或以任意组合得到前述段落、权利要求书或具体实施方式及附图的实施例、示例和替代物，包括任何它们的各个方面或各自的特征。结合一个实施例描述的特征可以适用于所有实施例，除非这样的特征是不兼容的。

通过下面的具体实施方式，对本领域的技术人员来说，本发明的各种特征和优点将变得显而易见。伴随具体实施方式的附图可以简单描述如下。

附图说明

图1示意性地说明了电动车辆的动力传动系统；

图2示意性地说明了电池测试系统；

图3示意性地说明了用于动态地控制电池测试系统的环境室的温度的电池测试方法；

图4示意性地说明了用于识别电池单元内电阻的增加的方法；

图5是电池测试系统的测试循环过程中的电池单元和环境室温度响应的曲线图。

具体实施方式

本公开涉及用于测量电池单元的性能和使用寿命的电池测试系统及方法。该电池测试系统除了其它特征以外还包括：环境室和控制器。电池单元放置在环境室内，并随后在测试循环过程中充电和放电。控制器配置用于动态地控制环境室的温度以使电池单元温度在测试循环过程中保持几乎恒定。可以在整个测试循环中根据由被测电池单元产生的热量来连续调节环境室的温度。在以后的段落中将对这些和其它特征进行更详细的讨论。

图1示意性地说明了用于电动车辆12的动力传动系统10。虽然描绘成混合动力电动车辆(HEV)，但应该了解的是，这里所述的构思不限于HEV，并且可以扩展至其它电动车辆，包含但不限于插电式混合动力电动车辆(PHEV)和纯电动车辆(BEV)。

在一个实施例中，动力传动系统10为动力分配动力传动系统，该系统采用第一驱动系统和第二驱动系统。第一驱动系统包含发动机14和发电机18(即，第一电机)的组合。第二驱动系统至少包含马达22(即，第二电机)、发电机18以及电池总成24。在本示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统10的电驱动系统。第一和第二驱动系统产生扭矩，以驱动一组或多组电动车辆12的车辆驱动轮28。

例如内燃发动机这样的发动机14可以通过动力传输单元30——如行星齿轮组——与发电机18连接。当然，包含其它齿轮组和传动装置在内的其它类型的动力传输单元也可被用于连接发动机14和发电机18。在一个非限制性实施例中，动力传输单元30为包含环形齿轮32、中心齿轮34以及托架总成36在内的行星齿轮组。

发电机18可以通过动力传输单元30由发动机14驱动以将动能转化为电能。作为选择地，发电机18可以起到马达的作用以将电能转化为动能，从而向与动力传输单元3连接的轴38输出扭矩。由于发电机18与发动机14可操作地连接，因此发动机14的转速可以由发电机18控制。

动力传输单元30的环形齿轮32可以与轴40连接，该轴40通过第二动力传输单元44与车辆驱动轮28连接。第二动力传输单元44可以包含拥有多个齿轮46的齿轮组。其它动力传输单元也可以同样适合。齿轮46将扭矩从发动机14传递给差速器48，用于最终为车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可包括多个使扭矩能够传递到车辆驱动轮28的齿轮。在一个实施例中，第二动力传输单元44通过差速器48与轮轴50机械连接，从而将扭矩分配至车辆驱动轮28。

马达22同样可以用于通过向同样与第二动力传输单元44连接的轴52输出扭矩来驱动车辆驱动轮28。在一个实施例中，马达22和发电机18配合作为再生制动系统的一部分，在再生制动系统中马达22和发电机18二者均可以被当作发电机。马达22可以向电池总成24输出电力。

电池总成24为电动车辆电池总成的一种示例类型。电池总成24可以包括高电压电池，该高电压电池包括能够输出电力来运转马达22和发电机18的多个电池单元。其它类型的能量储存装置和/或输出装置同样可以用于为电动车辆12提供电能。电池总成24的电池单元在于电动车辆12内使用之前可以经受验证测试。用于执行验证测试的示例性电池测试系统及方法将在下文中更详细地讨论。

在一个非限制性实施例中，电动车辆12有两个基本的操作模式。电动车辆12可以在使用马达22(通常无需发动机14的辅助)进行车辆推进的电动车辆(EV)模式下操作，因此消耗电池总成24的荷电状态直到其在特定驾驶模式/周期下的最大可允许放电率。EV模式是用于电动车辆12的操作的电荷消耗模式的一示例。在EV模式期间，电池总成24的荷电状态可以在某些情况下增加，例如由于一段时间的再生制动。发动机14在默认的EV模式下通常是关闭的，但是在必要时可以根据车辆系统状态或通过操作者允许而进行操作。

此外，电动车辆12可以在同时使用发动机14和马达22进行车辆推进的混合动力(HEV)模式下进行操作。HEV模式是用于电动车辆12的操作的电荷维持模式的一示例。在HEV模式期间，电动车辆12可以减少或增加马达22的推进使用，以便使电池总成24的荷电状态保持在恒定或近似恒定。在本公开范围内，除了EV和HEV模式，电动车辆12可以在其它操作模式下操作。

图2说明了用于测试和/或评估一个或更多电池单元62的电池测试系统60。例如，电池测试系统60可以被用于评估电池单元62的性能和使用寿命。在一个非限制性实施例中，如下面详细讨论的那样，电池测试系统60适于在测试循环过程中动态地控制环境测试室的温度，以更精确地预测电池单元62的性能和使用寿命。动态地控制环境室的温度在测试循环过程中保持几乎恒定的电池单元温度。

在所说明的实施例中，单个电池单元62通过电池测试系统60来测试。然而，电池测试系统60可以被用于同时测试多个电池单元。电池单元62可以是高电压电池总成的一部分，例如图1的电动车辆12的电池总成24。在一个非限制性实施例中，电池单元62是锂离子电池单元。然而，电池单元62可以是任何类型的单元，包括但不限于，金属氢化物镍电池、铅酸电池等。换句话说，电池测试系统60可以被用于评估本公开范围内的任何种类的电池单元的性能特征。

电池测试系统60包括必要的硬件和用于评估和测试电池单元62的软件(例如，算法等)。在一个实施例中，电池测试系统60包括环境室64、控制器66、电流传感器68、温度传感器70、71、以及计算装置72。

环境室64包括围绕内部65的外壳76。在测试循环过程中，一个或更多电池单元62可以被放置于内部65中。电流传感器68在充电和放电操作过程中测量流向和来自于电池单元62的电流，并且可以安装在电池单元62附近(但在环境室64的外部)。温度传感器70感测电池单元62的温度，并可以安装在电池单元62上。由温度传感器70监测到的温度T_b和由电流传感器68监测到的电流I_b可以定期地传输至计算装置72用于进一步处理。

此外，环境室64可以包括用于在测试循环过程中将环境室64的内部65的温度调节至命令值的气候控制单元74。在一个非限制性实施例中，气候控制单元74包括带有用于选择性地冷却内部65的冷却旋管的压缩机67，以及用于选择性地加热内部65的电加热器69。气候控制单元74可以包含本公开范围内的其它配置。

温度传感器71可以监测环境室64的内部65的实际温度T_ch。温度传感器71——其可以是热电偶——可以安装在内部65内或环境室64的任何其它部分。温度传感器71可以将实际温度T_ch传输至控制器66，以用于与由计算装置72计算出的所需温度T_ch,0进行比较。

控制器66与环境室64通信，包括气候控制单元74，或者可以是气候控制单元74的一部分。在一个实施例中，控制器66可以命令气候控制单元74加热或冷却环境室64的内部65，以便在测试循环过程中动态地控制内部65的温度。气候控制单元74的控制可以基于实际温度T_ch和所需温度T_ch,0的比较。例如，如果实际温度T_ch低于所需温度T_ch,0，则控制器66可以命令气候控制单元74处于加热模式以加热内部65，反之如果实际温度T_ch高于所需温度T_ch,0，则控制器66可以命令气候控制单元74处于冷却模式以冷却内部65。

计算装置72可以包括数据采集系统78，该数据采集系统78能够接收来自电流传感器68和温度传感器70的信号。在一个非限制性实施例中，计算装置72为个人计算机，并且数据采集系统78包括虚拟仪器(LabVIEW)软件。合适的数据采集系统的附加非限制性示例包括开源硬件(Arduino)、树莓派(RaspberryPI)、或者微控制器(BasicStamp)。数据采集系统78能够执行低水平编码语言命令，以估算所需输出信号。在另一实施例中，计算装置72可以充当数据采集系统78和控制器66。

在一个实施例中，计算装置72可以包括根据从电流传感器68和温度传感器70接收到的输入信号来执行数学操作(使用编程算法等)以计算环境室64的内部65的所需温度T_ch,0的中央处理单元80和非暂时性存储器82。计算装置72还适于将代表所需温度T_ch,0的指令信号84传输至环境室64的控制器66。控制器66随后可以响应于接收的指令信号84而命令气候控制单元74进入加热模式或冷却模式。

继续参考图1和图2，图3示意性地说明了使用电池测试系统60来测试和评估一个或更多电池单元62的电池测试策略100。电池测试策略100可以在电池测试循环过程中执行以通过在整个测试循环中动态地调节环境室的温度来保持几乎恒定的电池单元62的温度。在一个实施例中，电池测试系统60的计算装置72可以使用一个或更多适于执行电池测试策略100的算法来编程。电池测试策略100可以被作为可执行指令储存在计算装置72的非暂时性存储器82中。

如图3所示，当经历测试的电池单元62开始通过电流时，电池测试策略100在框102开始。电池单元62可以以已知的方式经受充电和放电操作，以便使电池单元62通过电流。

在步骤框104，电流I_b由电流传感器68记录并传输至计算装置72。然后，在步骤框106，计算装置72可以概略估算由电池单元62产生的热量Q_b。在一个实施例中，电池单元62产生的热量Q_b是电池单元62的电流I_b和电阻值R的乘积。热量Q_b可以使用下列方程(1)来计算：

Q_b＝(I_b)²xR(1)

其中：

Q_b是由电池单元产生的热量；

I_b是电池单元的电流大小；以及

R是电池单元电阻值(其可以随电池单元温度、荷电状态、健康状态(stateofhealth)等而变化)。

随着电流的流动，电池单元62产生热量，并且它的温度T_b可以开始上升。这个温度变化在步骤框108由温度传感器70记录并传输至计算装置72。计算装置72将测量的电池温度T_b和可以储存于非暂时性存储器82中的所需温度设定点T₀进行比较，以在步骤框110估算误差信号。这个计算用方程(2)来表示：

e＝T_b-T₀(2)

在步骤框112计算环境室64的内部65的所需温度T_ch,0。这个计算用如下所示的方程(3)来表示：

$T_{ch,0}=T_0-K_{p}e-K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\·dt-K_{ff}{Q}_b---\left(3\right)$

其中：

T_ch,0是环境室的内部的所需温度；

T₀是所需电池温度设定点；

K是增益因子；

e是误差信号；以及

Q_b是由电池单元产生的热量。

从方程(3)中明显看出的，计算装置72可以相对于时间对误差信号e求积分，并随后将增益因子K应用于产生的热量Q_b、误差信号e、以及时间积分的误差信号e。计算这些增益修正信号的总和以计算三个信号的线性组合。用所需温度设定值T₀减去这个线性组合来计算环境室64的内部65的所需温度T_ch,0。

然后，在步骤框114，代表所需温度T_ch,0的指令信号84从计算装置72传输至环境室64的控制器66。在步骤框116，控制器66将所需温度T_ch,0和实际温度T_ch(由温度传感器71监测)进行比较。

最后，在步骤框118，控制器66将环境室64的温度调节至所需温度T_ch,0。这个步骤可以包括调整环境室64的气候控制单元74至加热模式或冷却模式。例如，如果实际温度T_ch低于所需温度T_ch,0则控制器66可以命令气候控制单元74处于加热模式以加热内部65，或者如果实际温度T_ch高于所需温度T_ch,0则控制器66可以命令气候控制单元74处于冷却模式。

上述的步骤框102至118以及方程(1)、(2)和(3)代表可以由电池测试系统60来执行的一种类型的控制策略。应当理解的是，可选地或附加地，可以在计算装置72和/或控制器99中嵌入其它类型的算法，包括比例项、比例-积分(PI)、或对误差信号e和电池热量产生Q_b执行的其它数学操作。通过非限制性示例，这可以包括电流I_b的积分，以计算瞬时电池荷电状态、基于随荷电状态变化的加热参数的查找表、一些温度传感器的平均值的计算、或使用外部温度传感器的内部电池温度的计算，并使用这些信号得出环境室64的所需温度T_ch,0。

随着时间的过去以及作为通过电流的结果，电池单元62的电阻R可以增加，使由电池单元62产生的热量Q_b也增加。因此，计算装置72可以包括自适应算法，以识别电池内电阻的增加并相应地修正它的控制参数以保持恒定的电池设定点温度，而不管电池单元62的增加的热量。以此为目的的示例性电池测试策略200的流程图在图4中进行说明。在一个实施例中，电池测试策略200连同图3的电池测试策略100一起执行。

在测试循环过程中的预先指定的点，电阻捕获信号可以在框202被发送至计算装置72以开始电阻捕获过程。电阻捕获信号可以以各种方法产生。在一个非限制性实施例中，可以命令电子测试系统60的数字输入/输出端口来捕获测试循环过程中的电阻值R。

在步骤框204，计算装置72接受电阻捕获信号并测量电池单元62的初始电压V₁和初始电流I₁。经过一段时间之后，在步骤框206，计算装置72测量电池单元62的电流I₂和电压V₂。在一个非限制性实施例中，经过的一段时间为一秒。I₂的值是来自I₁的理想的阶跃变化。然后，在步骤框208，计算装置72计算更新的电池单元电阻值R_new。这个计算用如下所示的方程(4)来表示：

R_new(k)＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)(4)

最后，电池单元电阻更新值在步骤210被低通过滤，并用于连续地更新由计算装置72执行的热计算。这个计算用如下所示的方程(5)来表示：

R(k)＝αR_new(k)+(1–α)R(k-1)(5)

图5示意性地说明了如上所述的使用电池单元测试系统60的电池单元62在测试循环过程中电池单元温度对时间的曲线图。曲线A说明了测试循环过程中电池单元62的温度，而曲线B说明了测试循环过程中环境室64的温度。从这些曲线可以明显得出，通过在整个测试循环中动态地控制(即，增加或减少)环境室64的温度，电池单元62的温度保持相对恒定(即，±0.5℃)。

尽管将不同的非限制性实施例描述为具有特定的部件或步骤，但本发明的实施例并不限于那些特定的组合。结合来自任一非限制性实施例的一些部件或特征使用来自任一其它非限制性实施例的特征或部件是可行的。

应该理解的是，相同的附图标记标识多个附图中的对应的或相似的元件。应该理解的是，尽管在这些示例性实施例中公开并描述了特定部件布置，但其它布置也可以从本发明的教导中得到益处。

前述说明书应该被理解为说明性的而没有任何限制性意义。所属领域的技术人员将要理解，在本发明的范围内可以发生特定修改。由于这些理由，应当通过研究下面的权利要求书来确定本发明的真实范围和主题。

Claims (15)

1.一种电池测试方法，包含：

在测试循环过程中控制容纳至少一个电池单元的环境室的温度，以在整个所述测试循环中保持所述至少一个电池单元的相对恒定的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，包含：

当所述至少一个电池单元开始通过电流时，启动所述控制步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，包含：

测量所述至少一个电池单元的电流；以及

将所述电流的大小传输至计算装置。

4.根据权利要求3所述的方法，包含：

根据与所述至少一个电池单元相关的所述电流和电阻值来概略估算由所述至少一个电池单元产生的热量。

5.根据权利要求4所述的方法，包含：

测量所述至少一个电池单元的温度；以及

将所述至少一个电池单元的所述温度的测量值传输至所述计算装置。

6.根据权利要求5所述的方法，包含：

将所述至少一个电池单元的所述温度的所述测量值与所述至少一个电池单元的所需温度设定点进行比较，以估算误差信号；以及随后

计算所述环境室的内部的所需温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述计算步骤使用以下方程：

$T_{ch,0}=T_0-K_{p}e-K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\·dt-K_{ff}{Q}_b$

其中：

T_ch,0是所述环境室的所述内部的所述所需温度；

T₀是所述所需电池温度设定点；

K是增益因子；

e是所述误差信号；以及

Q_b是由所述至少一个电池单元产生的热量。

8.根据权利要求6所述的方法，包含将指令信号从所述计算装置传输至所述环境室的控制器，所述指令信号代表所述环境室的所述内部的所述所需温度。

9.根据权利要求8所述的方法，包含将所述所需温度和所述内部的实际温度进行比较。

10.根据权利要求9所述的方法，包含将所述环境室的所述温度调节至所述所需温度。

11.根据权利要求8所述的方法，包含：

如果所述实际温度低于所述所需温度，则命令所述环境室的气候控制单元处于加热模式以加热所述环境室；或者

如果所述实际温度高于所述所需温度，则命令所述气候控制单元处于冷却模式。

12.根据权利要求1所述的方法，包含：

识别所述至少一个电池单元的内电阻值的增加；以及

根据增加的所述内电阻值来更新由所述至少一个电池单元产生的热量的计算。

13.根据权利要求1所述的方法，包含：

测量所述至少一个电池单元的初始电压；

经过一段时间后，测量所述至少一个电池单元的电流和第二电压；以及

根据所述初始电压、所述第二电压和所述电流来计算与所述至少一个电池单元相关的更新的内电阻值。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤包括在所述测试循环过程中选择性地冷却或加热所述环境室的内部。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制步骤包括根据所述测试循环过程中由所述至少一个电池单元产生的热量来连续调节所述环境室的所述温度。