CN107176043B

CN107176043B - 用于车辆电池系统的功率容量估计

Info

Publication number: CN107176043B
Application number: CN201710141979.8A
Authority: CN
Inventors: 李泰京
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: US20170259684A1; US10023064B2; CN107176043A; DE102017105070A1

Abstract

本公开涉及用于车辆电池系统的功率容量估计。一种车辆控制器可被配置为：根据通过限定一系列RC电路中的一个的模型参数和比例参数得到的荷电状态，来对电池进行充电和放电，其中，所述一系列RC电路表征电池对输入电流的频率响应，并且每个RC电路均具有与另一时间常数成比例的时间常数，所述比例参数指示时间常数之间的比例关系。所述比例参数可使得所述一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值。

Description

用于车辆电池系统的功率容量估计

技术领域

本公开涉及用于车辆电池系统的功率容量。

背景技术

混合动力电动车辆和纯电动车辆依靠牵引电池来提供用于推进的电力。牵引电池通常包括以各种构造连接的多个电池单元。为了确保车辆的优化操作，可监测牵引电池的各种性能。一种有用的性能是指示储存在电池中的电荷量的电池荷电状态(SOC)。可针对整个牵引电池和针对每个电池单元来计算SOC。牵引电池的SOC提供对剩余电荷的指示。每个单独的电池单元的SOC提供用于平衡电池单元之间的SOC的信息。除了SOC以外，电池允许的充电和放电功率限制可被用于确定电池操作的范围并用于防止电池过度操作。

发明内容

一种车辆可包括控制器，所述控制器被配置为对电池进行充电和放电。所述控制器可根据电池的荷电状态对电池进行充电和放电。可通过模型参数来得到所述荷电状态，其中，所述模型参数限定一系列RC电路中的一个RC电路，所述一系列RC电路表征电池对输入电流的频率响应。所述一系列RC电路中的每个可具有与另一时间常数成比例的时间常数。所述一系列RC电路中的每个RC电路的时间常数可与所述一系列RC电路中的另一RC电路的时间常数成比例。指示时间常数之间的比例关系的比例参数也可支持得到所述荷电状态。所述比例参数可使得所述一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值。所述一系列RC电路包括不多于两个RC电路。

根据本发明，提供一种控制器，所述控制器包括：输入通道，被配置为：接收模型参数和比例参数，其中，所述模型参数限定一系列RC电路中的一个RC电路，所述一系列RC电路表征电池对输入电流的频率响应，并且每个RC电路均具有与另一时间常数成比例的时间常数，所述比例参数指示时间常数之间的比例关系；输出通道，被配置为提供电池的电流限制；控制逻辑单元，被配置为基于所述模型参数和比例参数来产生所述电流限制。

根据本发明的一个实施例，所述比例参数使得所述一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值。

根据本发明的一个实施例，所述一系列RC电路中的另一RC电路的电阻与电池的内电阻和比例参数的乘积成比例。

根据本发明的一个实施例，所述一系列RC电路中的另一RC电路的电容是基于所述比例参数和所述一系列RC电路中的所述一个RC电路的时间常数的乘积与所述一系列RC电路中的所述一个RC电路的电阻的比值的。

根据本发明的一个实施例，所述一系列RC电路包括不多于两个RC电路。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：使用具有雅可比矩阵的扩展卡尔曼滤波器来估计所述模型参数，其中，所述雅可比矩阵包括所述比例参数。

根据本发明，提供一种方法，所述方法包括：由控制器根据通过模型参数得到的功率限制来控制牵引电池，使得一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值，其中，所述模型参数限定所述一系列RC电路中的一个RC电路，所述一系列RC电路表征所述牵引电池对输入电流的频率响应。

根据本发明的一个实施例，所述功率限制还根据指示所述一系列RC电路的时间常数之间的比例关系的比例参数被得到。

根据本发明的一个实施例，所述一系列RC电路中的另一RC电路的电阻与电池的内电阻和所述比例参数的乘积成比例。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：使用具有雅可比矩阵的扩展卡尔曼滤波器来估计所述模型参数，其中，所述雅可比矩阵包括所述比例参数。

附图说明

图1是车辆的示意图；

图2是电池系统的示意图；

图3电池的等效电路的示意图；

图4是表示电池的等效电路的频率响应的曲线图；

图5是具有两个RC电路部分的电池的等效电路的示意图；

图6是用于估计电池的模型参数、电流限制和功率限制的算法；

图7是描绘在不包括通过SOC估计的电池开路电压的情况下的等效电路的电池电流输入和端电压的曲线图；

图8是描绘使用现有的方法以及使用利用扩展卡尔曼滤波器的等效电路模型的R₀估计值的曲线图，其中，所述卡尔曼滤波器用于单RC电路和双RC电路；

图9是描绘使用现有的方法以及利用扩展卡尔曼滤波器的等效电路模型的R₁、R₂、C₁和C₂估计值的曲线图，其中，所述卡尔曼滤波器用于单RC电路和双RC电路；

图10是描绘持续一秒钟的放电操作和充电操作的电流限制的曲线图；

图11是描绘持续一秒钟的放电操作和充电操作的功率限制的曲线图；

图12是描绘持续十秒钟的放电操作和充电操作的电流限制的曲线图；

图13是描绘持续十秒钟的放电操作和充电操作的功率限制的曲线图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征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限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与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，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

本公开的实施例总体上提供了多个电路或其它电子装置。当提及所述电路和其它电子装置以及由它们中的每个提供的功能时，都不意在限于仅涵盖在此示出和描述的内容。虽然特定标号可被分配给公开的各种电路或其它电子装置，但是这样的标号不意在限制所述电路和其它电子装置的操作范围。可基于所期望的特定类型的电实现方式，按照任何方式将所述电路和其它电子装置彼此组合和/或分离。应该认识到，在此公开的任何电路或其它电子装置可包括任意数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或上述项的其它适当变型)和软件，它们彼此协作以执行在此公开的操作。此外，任意一个或更多个电子装置可被配置为执行在非暂时性计算机可读介质中实现的计算机程序，其中，计算机程序被编写为用于执行公开的任意数量的功能。

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112可包括连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机来运转。此外，混合动力传动装置116连接至发动机118。混合动力传动装置116还连接至驱动轴120，驱动轴120连接至车轮122。当发动机118开启或关闭时，电机114能提供推进和减速能力。电机114还用作发电机并且能通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量而提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118在更高效的条件(发动机转速和负荷)下操作和允许混合动力电动车辆112在特定条件下以发动机118关闭的电动模式运转，来降低车辆排放。

牵引电池或电池组124储存电机114可以使用的能量。车辆电池组124通常提供高电压DC输出。牵引电池124电连接至一个或更多个电力电子模块。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且可在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接至电机114，并且在牵引电池124和电机114之间提供双向传输能量的能力。例如，典型的牵引电池124可提供DC电压，而电机114可使用三相AC电流来运转。电力电子模块126可将DC电压转换成电机114所使用的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相AC电流转换为牵引电池124所使用的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116可以是连接至电机114的齿轮箱，并且发动机118可以不存在。

牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可提供用于其它车辆电力系统的能量。车辆可以包括DC/DC转换器模块128，DC/DC转换器模块128将牵引电池124的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应。其它高电压电负载146(诸如压缩机和电热器)可在不使用DC/DC转换器模块128的情况下直接连接至高电压。电负载146可具有适时地运转电负载146的关联的控制器。低电压系统可电连接至辅助电池130(例如，12V电池)。

车辆112可以是电动车辆或插电式混合动力车辆，其中，牵引电池124可通过外部电源136进行再充电。外部电源136可连接至电插座。外部电源136可电连接至电动车辆供电设备(EVSE)138。EVSE 138可提供电路和控制以调节和管理电源136和车辆112之间的能量的传输。外部电源136可向EVSE 138提供DC或AC电力。EVSE 138可具有充电连接器140，充电连接器140用于插入到车辆112的充电端口134中。充电端口134可以是被配置为从EVSE 138向车辆112传输电力的任何类型的端口。充电端口134可电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可调节从EVSE138供应的电力，以向牵引电池124提供适合的电压和电流水平。电力转换模块132可与EVSE 138接口连接，以协调至车辆112的电力传输。EVSE连接器140可具有与充电端口134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144可被提供用于使车辆112减速并防止车辆112运动。车轮制动器144可以以液压方式、电的方式或其某种组合的方式被致动。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括协同工作以运转车轮制动器144的其它组件。为了简洁，附图描绘了制动系统150和车轮制动器144中的一个之间的一个连接。隐含了制动系统150和其它车轮制动器144之间的连接。制动系统150可包括用于监测并协调制动系统150的控制器。制动系统150可监测制动组件并控制车轮制动器144以使车辆减速或控制车辆。制动系统150可对驾驶员命令做出响应并且还可自主运转以实现诸如稳定性控制的功能。制动系统150的控制器可实现在被另一控制器或子功能请求时施加所请求的制动力的方法。

所讨论的各种组件可具有用于控制并监测所述组件的操作的一个或更多个关联的控制器。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。此外，系统控制器148可存在以协调各种组件的操作。牵引电池124可由各种化学配方(chemical formulation)构造而成。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202处于简单串联形态的典型的牵引电池组200。电池组200可包含以串联方式或并联方式或者其某种组合的方式连接的任意数量的单个电池单元。典型的系统可具有监测并控制牵引电池200的性能的一个或更多个控制器，诸如，电池能量控制模块(BECM)204。BECM 204可监测多个电池组水平特性，诸如可由电池组电流测量模块208监测的电池组电流206、可由电池组电压测量模块212监测的电池组电压210以及可由电池组温度测量模块214监测的电池组温度。BECM 204可具有非易失性存储器，使得在BECM 204处于关闭状态时数据可被保存。保存的数据可在下一点火循环时被利用。电池管理系统可包括电池单元之外的其它组件，并且可包括BECM 204、测量传感器和模块(208、212、214)以及传感器模块216。电池管理系统的功能可用于以安全且高效的方式运转牵引电池。

除了测量和监测电池组水平特性之外，还可测量和监测电池单元220的水平特性。例如，可测量每个电池单元220的电压、电流和温度。系统可利用传感器模块216来测量单个电池单元220的特性。取决于容量，传感器模块216可测量一个或多个电池单元220的特性。电池组200可利用多达N_c个传感器模块216来测量每个电池单元220的特性。每个传感器模块216可将测量值传输至BECM 204以进行进一步的处理和协调。传感器模块216可将模拟或数字形式的信号传输至BECM 204。在一些实施例中，传感器模块216的功能可被合并到BECM204的内部。也就是说，传感器模块216的硬件可被集成为BECM 204中的电路的一部分，其中，BECM 204可进行原始信号的处理。

可使用电池组电压测量模块212中的电路测量电池单元220的电压和电池组电压210。传感器模块216中的电压传感器电路和电池组电压测量电路212可包含用于衡量电压信号和对电压信号进行采样的各种电子元件。测量信号可被传送到传感器模块216、传感器模块216和BECM 204中的模数(A/D)转换器的输入，以转换成数字值。这些组件可能会短路或开路，从而导致电压测量不准确。另外，这些问题会随着时间的推移而间歇地发生并表现在测量的电压数据中。传感器模块216、电池组电压传感器212和BECM 204可包含用于确定电压测量组件的状态的电路。另外，BECM 204或传感器模块216中的控制器可基于预期的信号操作水平来执行信号边界检查。

电池单元可以以各种方式被建模。例如，电池单元可被建模为等效电路。图3示出了一种可行的电池单元等效电路模型(ECM)300(被称为简化的兰德尔斯(Randles)电路模型)。电池单元可被建模为具有开路电压(V_oc)304并具有关联的阻抗的电压源302。所述阻抗可包括一个或更多个电阻(306和308)以及电容310。V_oc 304表示电池的开路电压(OCV)，其中，所述OCV被表示为电池荷电状态(SOC)和温度的函数。所述模型可包括内电阻R₀ 306、电荷转移电阻R₁ 308和双电层电容C₁ 310。电压V₀ 312是由于电流314从电压源302流出而产生的内电阻306两端的电压降。电压V₁ 316是由于电流314流过R₁ 308和C₁ 310的并联组合而产生的所述并联组合两端的电压降。电压V_t 320是电池端子之间的电压(端电压)。参数值R₀、R₁和C₁可以是已知的或未知的。所述参数值可取决于电池单元设计和电池化学成分。

由于电池单元的阻抗，使得端电压V_t 320可能与开路电压V_oc 304不同。通常，只有电池单元的端电压320可易于测量，开路电压V_oc 304可能不易于测量。当在足够长的时间段内没有电流314流动时，端电压320可能与开路电压304相等，然而，通常可能需要足够长的时间段来使得电池的内部动态特性达到稳定状态。通常，电流314是流动的，在这种情况下，V_oc 304可能不易于测量，并且由于不能捕捉电池的快速动态性能和慢速动态性能两者而使得基于等效电路模型300推断的值可能存在误差。所述动态性能或动态特性通过频率响应来表征，其中，所述频率响应是系统或装置(电池、电池单元、电极或子组件)响应于激励(电流、电流分布或关于电池电流的其它历史数据的变化)的输出频谱的定量测量。所述频率响应可被分解为频率分量，诸如，对给定输入的快速响应和对给定输入的慢速响应。相对术语“快速响应”和“慢速响应”可被用于描述：响应时间小于预定时间(快)或者响应时间大于预定时间(慢)。为了提高电池性能，需要一种捕捉快速电池单元动态特性和慢速电池单元动态特性两者的模型。目前的电池单元模型是复杂的并且对于现代电子控制系统而言不实用。降阶电池单元模型降低了复杂性以使得其可在微控制器、微处理器、ASIC或其它控制系统中被执行，并且对电池单元的快速动态特性和慢速动态特性两者进行捕捉以提高电池系统的性能。

图4是示出电池阻抗相对于频率的EIS奈奎斯特图的曲线图400。EIS奈奎斯特图400示出了使用等效电路的电池系统的直接物理解释。EIS奈奎斯特图400具有表示实阻抗404的x轴和表示虚阻抗402的y轴。曲线406示出了在频率响应范围中的电池的测量的阻抗。系统的频率响应的范围可揭示电池的能量储存和耗散性能。

EIS奈奎斯特图400可揭示与电池的电化学处理的反应机制有关的信息，所述反应机制包括在特定频率处占主导的不同的反应步骤，并且频率响应可有助于识别速率限制步骤。曲线406可表示由电极活性材料的固体颗粒处的扩散过程以及跨电池单元厚度的极化过程引起的慢速电池动态响应。通过电池的等效电路模型的内电阻项R₀ 410来确定瞬时响应。由中到高频率部分408表示的电池动态特性主要在考虑电池动态特性的情况下确定功率容量。由低频率部分412(例如，瓦尔堡(Warburg)阻抗项)表示的慢速动态特性和由R₀表示的瞬时动态特性部分410在等效电路模型中被建模为实时调整的内电阻。曲线图400捕捉可被用于估计电池系统的瞬时电池功率容量的电池动态响应。

图5是根据实施例的使用两个RC电路来对电池进行建模的简单等效电路模型500的示意图。两个RC电路可通过向模型引入附加动态特性来改进对电池组和/或一个或更多个电池单元的建模500。例如，可使用附加RC电路对慢速动态特性项412进行建模。RC电路模型可包括附加RC电路，所述附加RC电路具有并联的电阻器R₂ 522和电容器C₂ 524，并联的电阻器R₂ 522和电容器C₂ 524与图3中示出的等效电路模型300中的RC电路串联。等效电路模型可具有其它配置，而不限于一个或两个RC电路。等效电路模型可包括但不限于用于对电池进行建模的两个或更多个RC电路。

例如，由从RC电路(即，R₁和C₁)产生的部分408来表示中速到快速动态特性，内电阻与R₀ 306相关。通过具有附加RC电路(即，R₂和C₂)的等效电路模型来捕捉慢速动态特性(被称作瓦尔堡项412)。因此，在使用两个或更多个RC电路的等效电路模型中展现慢速动态特性(在此被称作瓦尔堡项412)。

车辆电池测量方法可实现使用两个RC电路的简单等效电路模型500来独立地捕捉快速动态特性和慢速动态特性。两个RC电路可改善对于低温度和/或长时间连续充电状况的预测能力。图3所示的兰德尔斯电路模型300不可捕捉与瓦尔堡阻抗项有关的慢速电池动态特性。在电池模型中并入瓦尔堡阻抗项i可能由于所需的附加项和参数(即，R₂、C₂、τ₂)而需要额外的计算能力或输入容量。

两个RC电路可通过使用以下等式捕捉慢速频率响应和中速到高速频率响应来改进对电池动态特性的建模：

其中，v₁ 316是由电阻器R₁和电容器C₁组成的RC电路两端的电压，电阻R₁ 308是有效电荷转移电阻，i 314是电路中激励出的电流。由电阻器R₁和电容器C₁组成的RC电路表示在车辆操作期间变化的电池动态特性。由电阻器R₂和电容器C₂组成的RC电路使用以下等式来表示车辆操作期间的电池慢速动态特性(即，低频)：

其中，v₂ 526是由R₂ 522和C₂ 524组成的RC电路两端的电压，i 314是电路中激励出的电流。具有电阻器R₂ 522和电容器C₂ 524的附加RC电路表示车辆操作期间的低频。具有两个RC电路的等效电路可允许使用以下等式来计算电池端电压：

v_t＝v_OC-v₁-v₂-R₀i (3)

其中，v_t 320是端电压，v_OC 302是通过SOC确定的电池开路电压，v₁ 316是由电阻器R₁和电容器C₁组成的RC电路两端的电压，v₂ 526是由R₂ 522和C₂ 524组成的RC电路两端的电压，R₀ 306是电池内电阻。可使用以下等式来计算RC电路两端的电压：

利用多个RC等效电路模型的电池端电压估计被推导为以下等式：

其中，t是时间。

系统可将当前时间t_o(例如，t等于0)的电池端电压响应线性化，以获得用于根据以下等式估计电池电流限制的通用状态反馈结构：

其中，等式(7)如下：

其中，等式(8)表示电压变化率，并且等式(8)是通过在以下等式中设置t＝0而得到的：

对等式(7)中描绘的两个RC电路系统的

的确定需要计算七个参数(例如，v₁、v₂、R₀、R₁、R₂、C₁、C₂)。当与单个RC电路比较时，七个参数的计算需要控制器的额外的计算能力来确定端电压v_t。可以通过以下等式中示出的中间参数将七个参数减少到五个：

k₁＝R₁/R₀ (10)

τ₁＝R₁C₁＝k₁R₀C₁ (11)

τ₂＝r²τ₁＝r²R₁C₁＝rR₁rC₁＝R₂C₂ (12)

R₂＝rR₁ (13)

C₂＝rC₁ (14)

使用模型参数r，可在R₁与R₂之间形成比例关系。相同的参数r可在C₁与C₂之间形成比例关系。电阻的比值r可与电容的比值r相等。相同的比例关系可将每个RC电路的时间常数彼此相关。R₁C₁的时间常数τ₁与R₂C₂的时间常数τ₂相关。τ₂与τ₁具有二次关系。参数k₁是内电阻R₀与电荷转移阻抗R₁的电阻项的商。参数τ₁是与电荷转移阻抗关联的时间常数，用于减小观察到的参数的可变性。

使用假设来形成这些关系。通过关联R₂的瓦尔堡项来形成所述假设。取决于电池状态或状况，当R₀增大时，R₂也增大。在特定操作状况下，诸如当R₂增大时，假设R₁由于其中的固有关系而相对地增大。这种假设可降低电压等式的复杂度，并且可降低用r和τ₁代替τ₂和R₂所需要的计算能力。

其中，等式(15)表示电路R₁C₁两端的电压的变化率，等式(16)表示电路R₂C₂两端的电压的变化率。如等式(17)所示，限定一系列RC电路中的一个RC电路(R₁C₁)的模型参数可具有与另一时间常数(R₂C₂)成比例的时间常数。意味着，模型参数可表征电池对于输入电流的频率响应。

此外，v₁和v₂是作为时间索引k处的时间的函数的电路中的元件两端的电压降，所述电压降表示电路的动态响应。

可被用于通过使用电流积分方法或其它估计方法来估计v_OC。因此，以下变量可在时间索引k处被设置并且在k+1处被估计，给出以下等式：

y_k＝v_OC,k-v_t,k＝v_1,k+v_2,k+R_0,ki_k (21)

其中，y_k是RC电路两端的估计的电压。模型参数R₀和引入的模型参数k₁和τ₁增广状态变量v₁和v₂。因此，在以下转置矩阵中示出增广状态向量：

X＝[v₁ v₂R₀ k₁τ₁] (22)

增广状态向量不限于是电池动态响应的参数v₁和v₂以及在等式(8)中公开的表征电池动态性能的其它模型参数R₀、k₁、v₁和τ₁。例如，如果等效电路模型包括附加RC电路和/或电池模型具有其它形式的电池动态表示，则一个或更多个增广状态向量参数可变化。

利用增广状态向量X的等式(8)的新表达式在下面的雅可比矩阵等式中被示出，所述雅可比矩阵等式是表示状态等式的几乎线性化的矩阵：

其中，F_k是用于描述系统动态特性和模型参数变化的系统矩阵。

其中，H_k是用于计算系统响应的输出矩阵。例如，该输出矩阵可将电池端电压v_t计算为实时估计的系统响应。在以下等式中表示系统矩阵F_k(雅可比矩阵)和输出矩阵H_k：

H_k＝[1 1 i_k0 0] (26)

当在时间(t)期间施加恒定电流(i)时，模型参数被用于预测电压响应，如以下等式所示：

可通过以下等式来计算电池电流限制：

其中，i＝i_min|_Vlim＝Vmax，i＝i_max|_Vlim＝Vmin,t_d是图10至图13中示出的估计的持续时间。

可通过以下等式或其它等式来计算电池充电和放电功率容量P_cap：

P_{cap_ch}(t_d)＝|i_min|{v_max} (31)

P_{cap_dis}(t_d)＝|i_max|{v_min} (32)

其中，等式(30)中的v_lim是放电时的电池端电压的下限电压，等式(31)中的v_max是充电时的电池端电压的上限电压。例如，在电池放电事件期间，通过等式(30)来计算时间段Δt_d期间的电池放电电流限制。使用来自等式(30)的计算的电池放电电流限制，通过用于放电事件的等式(31)来计算电池可用功率。

电池模型参数可被离线校准或实时估计。如果使用实时模型参数估计，则可使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)。通过在以下等式中表示的以下过程来用公式表示用于估计模型参数和状态变量的EKF：

其中，

是增广状态向量，u_k-1是输入电流。

在特定操作点处将输入电流u_k传输到算法，以允许系统预测该时间变量处的电池参数。模型参数被用于预测在时间段期间施加恒定电流时的电压响应。基于以上的等式，EKF获知变量，更新的滤波器等式现在可使用如下的预测协方差等式来预测电池功率容量的下一个状态：

使用以下等式来计算新的测量值y_k与预测值

之间的差：

以下等式是用于确定如在下面的等式中表示的卡尔曼增益K_k的中间等式：

在以下等式中表示用于确定卡尔曼增益K_k的等式：

其中，如在以下等式中表示的，卡尔曼增益通过

来确定更新状态向量

以下等式中是状态估计误差的协方差：

P_k|k＝(I-K_kH_k)P_k|k-1 (43)

通过等式(23)来估计模型参数。改进的电池参数计算方法在使得能够减小电池使用的安全裕度的同时允许电池功率容量的增强的估计，从而可在动力传动系统中更激进地应用电池硬件。基于改进的方法，HEV控制变得更灵活，从而产生改善的动力传动系统性能和效率。

图6是用于识别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。可使用包括在车辆控制模块中的软件代码来实现所述方法。在其它实施例中，方法600可在其它车辆控制器中被实现，或者可被分布在多个车辆控制器中。

再次参照图6，图1和图2中示出的车辆及其组件在整个方法的讨论中被引用，以有助于理解本公开的各个方面。可通过被编程于合适的车辆的可编程逻辑装置(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者它们的组合)中的计算机算法、机器可执行代码或软件指令来实现控制混合动力电动车辆中的电池参数预测的方法。尽管流程图600中示出的各个步骤呈现为按照时间顺序发生，但是所述步骤中的至少一些可按照不同的顺序发生，并且一些步骤可同时执行或者根本不执行。

在步骤602，在允许车辆通电的点火开关接通事件期间，车辆计算系统可开始对一个或更多个模块上电。在步骤604，一个或更多个模块的上电可使得与电池管理系统有关的变量在启用用于控制电池的一个或更多个算法之前进行初始化。

初始化的参数可以是预定值或上一点火开关断开事件时的存储的值。在点火开关接通事件时启用算法之前，应该对参数进行初始化。例如，电池管理方法可初始化多个变量(包括但不限于电池端电压、电流限制和/或其它与电池有关的参数)。

在606，系统可使用多种类型的传感器实时地测量电池电压输出和电流输入。一旦系统接收到电池电压响应和电流测量值，则系统可对接收到的信号进行处理以计算电池状态变量，其中，所述电池状态变量由基于电池的快速和慢速动态特性的电压响应来表示。

在步骤608，可使用等效电路模式中的两个或更多个RC电路来测量快速动态电压响应和慢速动态电压响应的模型参数估计值。EKF可被用于模型参数估计。使用等式(34)至等式(43)来实现基于EKF的模型参数估计。如果可实时地识别模型参数，则可使用其它在线参数估计方法。如果在电池管理系统中未使用在线参数估计方法，则可使用离线校准模型参数映射。

在步骤610，系统可估计状态变量。状态变量包括电池开路电压v_OC 302，由快速动态特性电压响应组成的RC电路两端的电压v₁ 316以及由慢速动态特性电压响应组成的第二RC电路两端的电压v₂ 526。可基于电池荷电状态来估计开路电压v_OC 302，可通过电流积分或其它算法来计算所述电池荷电状态。

在另一实施例中，步骤608和步骤610可被组合成由系统完成的单个步骤。例如，估计处理可将电池模型参数和状态变量包括在一个估计结构中，因此被称为“参数状态共同估计”。在该实施例中，参数变化和状态变化的不同的时间尺度可能导致估计性能的某种劣化，但是估计结构可以是通过系统计算的更简单的模型。然而，将状态变量估计过程与模型参数的估计相分离可允许系统提高每个状态变量和模型参数的估计准确度。

在步骤612，如在等式(30)中表示的，系统可使用针对快速动态特性、慢速动态特性和电池开路电压的状态反馈结构来计算电流限制。

在步骤614，系统可使用等式(31)来计算功率限制。计算的功率限制可被用于确定从电池控制器到电池组的电池电流命令。

在步骤616，如果系统检测到点火开关断开事件，则系统可结束用于管理电池组和/或一个或更多个电池单元的一个或更多个算法。在步骤618，车辆计算系统可具有车辆点火开关断开模式，以允许系统在非易失性存储器中存储一个或更多个参数，从而使得这些参数可被系统用于下一个点火开关接通事件。

图7是显示在车辆中测量的或者通过电池测试测量的电池电流输入分布和电压输出分布的曲线图700。电池电流输入曲线图702具有表示时间706的x轴和表示电流704的y轴。电池组的电流输入708基于车辆驾驶模式718而波动，其中，所述车辆驾驶模式718包括系统的电荷消耗(CD)驾驶模式与电荷维持(CS)驾驶模式之间的转换。

通过具有表示时间714的x轴和表示电压712的y轴的端电压曲线图710来描绘电压输出分布。端电压是电池组的内部电池电压716，并且基于车辆驾驶模式718而波动，其中，所述车辆驾驶模式718包括系统的电荷消耗(CD)驾驶模式与电荷维持(CS)驾驶模式之间的转换。

在车辆中测量的或通过电池测试测量的电池电流输入曲线图和电压输出曲线图展现了电池系统参数的波动。波动的参数可导致与电池性能、混合动力传动系统功能和/或由电池供电的其它系统有关的不准确的计算。

图8是显示基于识别的电池模型参数的计算的电池电阻的比较的曲线图800。使用EKF来测量电池电压和/或电流的先前的方法在电池管理系统中被实现；然而，预测的电池参数趋向于示出轻微波动的轨迹。例如，在混合动力电动车辆中，当车辆驾驶模式在电荷消耗模式和电荷维持模式之间变化(808)时，电池参数趋向于示出波动的轨迹。

使用EKF来估计电池管理系统中的电池参数的先前的方法趋向于对由兰德尔斯电路参数的弱可观察性引起的内部噪声和外部噪声敏感。使用先前的EKF方法的兰德尔斯电路参数在每个参数之间具有弱的电化学关系。

例如，可通过车辆系统或电池测试微弱地观察到的对电池组和/或电池单元的内电阻R₀的先前的估计801在图8中的曲线图800上被示出。通过具有表示时间806的x轴和表示欧姆804的y轴的曲线图来表示电池组/电池单元的内电阻801的估计值。该曲线图展现了当车辆驾驶模式在电池电荷消耗模式与电池电荷维持模式之间转换(808)时对测量值的敏感度。示出了一个RC电路802与两个RC电路803之间的差异。

在图8中的曲线图上示出了通过使用EKF的所提出的算法估计的R₀ 802，其中，所述EKF具有基于一个RC电路的具有电池组和/或电池单元的引入的变量的基本方程组。与先前的用于估计内电阻801、802的方法相比，所提出的对内电阻的估计803示出了对系统可观察性和估计的改进。所提出的对内电阻R₀的估计803通过高效地追踪取决于从CD到CS的驾驶模式变化808的变化的时间常数来消除噪声。通过具有表示时间811的x轴和表示时间常数810的y轴的曲线图来表示电池组/电池单元的时间常数的估计值。如上所述，通过将模型电阻参数关联在一起以及将系统时间常数812、814、816和818设置为用于系统识别的独立变量，参数可对噪声较不敏感。

图9包括显示电池等效电路模型的RC电路中的估计的电池模型参数的比较的曲线图。曲线图900表示电荷转移阻抗的电阻项906和电容项910，其中，所述电荷转移阻抗由电池管理系统的RC电路来表示。如在曲线图中所描绘的，先前的估计值901和912与所提出的估计值进行比较，以示出使用调整的EKF方法的电池参数902、903、904、913、914和915的可观察性的提高。示出了中到高频电池动态特性。

在具有表示时间908的x轴和表示欧姆906的y轴的曲线图中，描绘了由RC电路表示的电荷转移阻抗的电阻项的先前的估计。电池管理系统中的电荷转移阻抗的电阻项R₁的先前的估计901基于对兰德尔斯电路的内部噪声和外部噪声的敏感度而波动。使用具有RC电路的EKF的电荷转移阻抗的电阻项R₁的估计902通过将模型电阻参数关联在一起以及将系统时间常数设置为用于系统识别的独立变量来消除噪声。电荷转移阻抗的电阻项R₁的所提出的估计903和电荷转移阻抗的电阻项R₂的所提出的估计904捕捉较大范围的电池频率响应。

例如，在电荷转移阻抗的电阻项的先前的估计901中，系统将具有当车辆驾驶模式在CD与CS之间转换(907)时的波动轨迹。具有中间参数和边界条件的两个RC电路能够充分地抑制波动，并且提供改进的估计。使用两个RC电路配置的估计还提高了超过一个RC电路估计902的准确度。在基于调整的EKF方法的电荷转移阻抗的电阻项的所提出的估计903和904中，所述估计得到改进并且显著地消除了对系统中的噪声的敏感度。

电荷转移阻抗的电容项C₁确定在车辆操作期间变化的电池动态特性。通过波动的轨迹示出了车辆操作期间的电池动态特性的先前的估计912，其中，x轴是时间911，y轴是法拉910。如以上针对电阻所描述的，电池动态特性的所提出的估计914和915被示出为电池系统动态特性的显著改进的测量计算。

图10、11、12和13描绘了根据先前方法估计、单个RC电路估计和双RC电路估计的功率限制估计和电流限制估计。现在参照图10，曲线图1000表示当电池被充电或放电持续一秒钟时的估计的电流限制。每个曲线图具有指示随着x轴上的时间1010而变化的电流1008的y轴。先前的方法1002被指示为：不论系统的驾驶模式是系统的电荷消耗(CD)驾驶模式还是系统的电荷维持(CS)驾驶模式(1003)，先前的方法1002均具有波动的电流限制估计。单个RC电路1004使用利用EKF的中到高频的电池频率响应来估计电流限制。双RC电路1006使用利用具有中间参数的EKF的更宽范围的电池频率响应来估计电流限制。双RC电路1006的估计中对低频、中频和高频的包括可改善电流限制估计。

现在参照图11，曲线图1100表示当电池被充电或放电持续一秒钟时的估计的功率限制。每个曲线图具有指示随着x轴上的时间1110而变化的功率1108的y轴。先前的方法1102被指示为：不论系统的驾驶模式是系统的电荷消耗(CD)驾驶模式还是系统的电荷维持(CS)驾驶模式(1103)，先前的方法1102均具有波动的功率限制估计。单个RC电路1104使用利用EKF的中到高频的电池频率响应来估计功率限制。双RC电路1106使用利用具有中间参数的EKF的更宽范围的电池频率响应来估计功率限制。双RC电路1106的估计中对低频、中频和高频的包括可改善功率限制估计。

现在参照图12，曲线图1200表示当电池被充电或放电持续十秒钟时的估计的电流限制。每个曲线图具有指示随着x轴上的时间1210而变化的电流1208的y轴。先前的方法1202被指示为：不论系统的驾驶模式是系统的电荷消耗(CD)驾驶模式还是系统的电荷维持(CS)驾驶模式(1203)，先前的方法1202均具有波动的电流限制估计。单个RC电路1204使用利用EKF的中到高频的电池频率响应来估计电流限制。双RC电路1206使用利用具有中间参数的EKF的更宽范围的电池频率响应来估计电流限制。双RC电路1206的估计中对低频、中频和高频的包括可改善电流限制估计。

现在参照图13，曲线图1300表示当电池被充电或放电持续十秒钟时的估计的功率限制。每个曲线图具有指示随着x轴上的时间1310而变化的功率1308的y轴。先前的方法1302被指示为：不论系统的驾驶模式是系统的电荷消耗(CD)驾驶模式还是系统的电荷维持(CS)驾驶模式(1303)，先前的方法1302均具有波动的功率限制估计。单个RC电路1304使用利用EKF的中到高频的电池频率响应来估计功率限制。双RC电路1306使用利用具有中间参数的EKF的更宽范围的电池频率响应来估计功率限制。双RC电路1306的估计中对低频、中频和高频的包括可改善功率限制估计。

用于电池管理系统的准确的电池参数估计方法提供电池组/电池单元的设计中的性能、可靠性和密度，和/或通过具有较小电池系统来提供经济性。准确的电池参数估计方法可在EKF方法中包括调整的状态向量，所述EKF方法改善与操作状况(包括但不限于，荷电状态、功率衰减、容量衰减和瞬时可用功率)有关的电池控制。电池参数的估计方法可最终延长电池系统的使用寿命。

说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，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，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，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的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims

1.一种车辆，包括：

控制器，被配置为：根据通过模型参数和比例参数得到的荷电状态来对电池进行充电和放电，其中，所述模型参数限定一系列RC电路中的一个RC电路，所述一系列RC电路表征电池对输入电流的频率响应，并且每个RC电路均具有与另一时间常数成比例的时间常数，所述比例参数指示时间常数之间的比例关系；使用具有雅可比矩阵的扩展卡尔曼滤波器来估计所述模型参数，其中，所述雅可比矩阵包括所述比例参数。

2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述比例参数使得所述一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值。

3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述一系列RC电路中的另一RC电路的电阻与电池的内电阻和所述比例参数的乘积成比例。

4.如权利要求2所述的车辆，其中，所述一系列RC电路中的另一RC电路的电容是基于所述比例参数和所述一系列RC电路中的所述一个RC电路的时间常数的乘积与所述一系列RC电路中的所述一个RC电路的电阻的比值的。

5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述一系列RC电路包括不多于两个RC电路。

6.一种控制器，包括：

输入通道，被配置为：接收模型参数和比例参数，其中，所述模型参数限定一系列RC电路中的一个RC电路，所述一系列RC电路表征电池对输入电流的频率响应，并且每个RC电路均具有与另一时间常数成比例的时间常数，所述比例参数指示时间常数之间的比例关系；

输出通道，被配置为提供电池的电流限制；

控制逻辑单元，被配置为基于所述模型参数和比例参数来产生所述电流限制。

7.如权利要求6所述的控制器，其中，所述比例参数使得所述一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值。

8.一种用于控制牵引电池的方法，包括：

由控制器根据通过模型参数和比例参数得到的功率限制来控制牵引电池，使得一系列RC电路的电阻的比值等于所述一系列RC电路的电容的比值，其中，所述模型参数限定所述一系列RC电路中的一个RC电路，所述一系列RC电路表征所述牵引电池对输入电流的频率响应，所述比例参数指示所述一系列RC电路的时间常数之间的比例关系。