CN112470017A - 电池管理装置、电池管理方法和电池组 - Google Patents

电池管理装置、电池管理方法和电池组 Download PDF

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Abstract

提供了一种电池管理装置、电池管理方法和电池组。电池管理装置包括被配置为检测电池的电流、电压和温度的感测单元和控制单元。控制单元使用安培计数来确定电池的充电状态(SOC)的第一候选值。控制单元使用扩展卡尔曼滤波器来确定SOC的第二候选值和卡尔曼增益。当第一候选值和第二候选值之间的差值大于阈值时，控制单元将第一候选值确定为SOC。控制单元基于卡尔曼增益的第一分量和第二分量来调整扩展卡尔曼滤波器中第二过程噪声与第一过程噪声的比率。

Description

电池管理装置、电池管理方法和电池组
技术领域
本公开涉及电池充电状态(SOC)估计。
本申请要求于2019年2月7日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2019-0014609的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
背景技术
最近，对诸如笔记本计算机、摄像机和移动电话的便携式电子产品的需求已经急剧增加，并且随着电动车辆、储能蓄电池、机器人和卫星的广泛发展，对可重复地再充电的电池进行了许多研究。
目前，市售电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂电池等，并且在它们中，锂电池几乎没有或没有记忆效应，并且因为它们的优点是可以在无论何时方便时进行再充电、自放电率很低并且能量密度高，因此它们比镍基电池受到更多关注。
控制电池的充电/放电所需的重要参数之一是充电状态(SOC)。SOC是指示剩余容量与最大容量的相对比率的参数，该最大容量指示当电池被完全充电时存储在电池中的电能，并且可以被表达为0～1或0％～100％。例如，当电池的最大容量为1000Ah(安培小时)且电池的剩余容量为750Ah时，电池的SOC为0.75(或75％)。
安培计数和等效电路模型通常用于估计电池的SOC。根据安培计数，基于与流过电池的随时间累积的电流相对应的累积电流值，来估计电池的SOC。然而，由于电流传感器的测量误差和/或外部噪声，通过安培计数估计的SOC与实际SOC之间可能存在差异。等效电路模型被设计以模拟电池的电化学特性。然而，电池具有根据操作状态的非线性特征，并且非常难以设计等效电路模型来完美地模拟电池的非线性特征。
为了克服安培计数和等效电路模型中的每个的上述缺点，已经提议了使用扩展卡尔曼滤波器的电池SOC估计。与单独使用安培计数或等效电路模型时相比，结合使用安培计数和等效电路模型的扩展卡尔曼滤波器实现更准确的SOC估计。
为了使用扩展的卡尔曼滤波器来估计电池的SOC，必须设置两个过程噪声，每个过程噪声与至少一个状态变量(例如，SOC、过电势)相关联。
然而，由于将固定值分配给每个过程噪声，因此难以针对电池的操作状态和使用电池的环境适当地调整安培计数和等效电路模型中的每个的可靠性。
发明内容
技术问题
本公开被设计为解决上述问题，并且因此，本公开旨在提供一种电池管理装置、电池管理方法和电池组，其中在每个周期中确定用于电池的充电状态(SOC)的多个候选值，并且基于多个候选值之间的关系来确定电池的SOC。
本发明还旨在提供一种电池管理装置、电池管理方法和电池组，其中，基于在每个周期中确定的扩展卡尔曼滤波器的卡尔曼增益中包括的两个分量中的每个值来调整扩展卡尔曼滤波器中的安培计数和等效电路模型中的每个的可靠性。
本公开的这些和其他目的和优点可以通过以下描述来理解，并且根据本公开的实施例将变得显而易见。另外，将容易理解，本公开的目的和优点可以通过所附权利要求中阐述的装置及其组合来实现。
技术方案
根据本公开的一方面的电池管理装置，包括：感测单元，其被配置为检测电池的电流、电压和温度；以及控制单元，其被配置为生成数据集，该数据集包括指示检测到的电流的电流值、指示检测到的电压的电压值和指示检测到的温度的温度值。控制单元被配置为使用安培计数基于电流值确定电池的充电状态(SOC)的第一候选值。控制单元被配置为使用扩展卡尔曼滤波器基于数据集确定SOC的第二候选值和卡尔曼增益。控制单元被配置为当第一候选值与第二候选值之间的差值大于阈值时，将SOC确定为等于第一候选值。控制单元被配置为当卡尔曼增益的第一分量等于或高于预定第一下限且卡尔曼增益的第二分量等于或高于预定第二下限时，将扩展卡尔曼滤波器中的第二过程噪声与第一过程噪声的比率设置为等于预定参考比率。第一过程噪声与安培计数的可靠性相关联，以及第二过程噪声与电池的等效电路模型的可靠性相关联。
控制单元可以被配置为：当卡尔曼增益的第一分量等于或高于第一下限且卡尔曼增益的第二分量等于或高于第二下限时，将第一过程噪声设置为等于预定第一参考值并且将第二过程噪声设置为等于预定第二参考准值。参考比率可以是通过将第二参考值除以第一参考值而获得的值。
控制单元可以被配置为：当第一分量低于第一下限且第二分量等于或高于第二下限时，使第二过程噪声与所述第一过程噪声的比率降低到低于参考比率。
控制单元可以被配置为：当第一分量低于第一下限且第二分量等于或高于第二下限时，将第一过程噪声确定为等于比第一参考值大的值，或者将第二过程噪声确定为等于比第二参考噪声小的值。
控制单元可以被配置为：当第一分量等于或高于第一下限且第二分量低于第二下限时，使第二过程噪声与第一过程噪声的比率增大到超过参考比率。
控制单元可以被配置为：当第一分量等于或高于第一下限且第二分量低于第二下限时，将第一过程噪声确定为等于比第一参考值小的值，或者将第二过程噪声确定为等于比第二参考噪声大的值。
控制单元可以被配置为：当第一分量低于第一下限或第二分量低于第二下限时，使用下述等式1和等式2来确定第一过程噪声和第二过程噪声：
<等式1>
W1k＝(M1D1-M2D2)+MW1
<等式2>
W2k＝(M4D2-M3D1)+MW2
其中，D1表示第一分量和第一下限之间的差的绝对值，D2表示第二分量和第二下限之间的差的绝对值，MW1表示第一参考值，MW2表示第二参考值，M1表示第一权重，M2表示第二权重，M3表示第三权重，M4表示第四权重，W1k表示第一过程噪声，且W2k表示第二过程噪声。
控制单元可以被配置为：当差值等于或小于阈值时，将SOC确定为等于第二候选值而不是第一候选值。
控制单元可以被配置为选择性地输出用于控制安装在电池的电流路径上的开关的开关信号。控制单元可以被配置为当第一分量低于第一下限或第二分量低于第二下限时，将开关信号的占空比调节为等于或小于参考占空比。
根据本公开的另一方面的电池组包括电池管理装置。
根据本公开的又一方面的电池管理方法，包括：检测电池的电流、电压和温度；生成数据集，该数据集包括指示检测到的电流的电流值、指示检测到的电压的电压值和指示检测到的温度的温度值；使用安培计数基于电流值确定电池的充电状态(SOC)的第一候选值；使用扩展卡尔曼滤波器基于数据集确定SOC的第二候选值和卡尔曼增益；当第一候选值与第二候选值之间的差值大于阈值时，将SOC确定为等于第一候选值；当卡尔曼增益的第一分量等于或高于预定第一下限且卡尔曼增益的第二分量等于或高于预定第二下限时，将扩展卡尔曼滤波器中的第二过程噪声与第一过程噪声的比率设置为等于预定参考比率。第一过程噪声与安培计数的可靠性相关联。第二过程噪声与电池的等效电路模型的可靠性相关联。
电池管理方法可以进一步包括：当第一分量低于第一下限且第二分量等于或高于第二下限时，使第二过程噪声与第一过程噪声的比率降低到低于参考比率。
电池管理方法可以进一步包括：当第一分量等于或高于第一下限且第二分量低于第二下限时，使第二过程噪声与第一过程噪声的比率增大到超过参考比率。
有益效果
根据本公开的至少一个实施例，可以基于在每个周期中针对电池的充电状态(SOC)确定的多个候选值之间的关系，更准确地确定电池的SOC。
另外，根据本公开的实施例中的至少一个，可以基于在每个周期中确定的扩展卡尔曼滤波器的卡尔曼增益中包括的两个分量的每个值，来调整扩展卡尔曼滤波器中的安培计数和等效电路模型中的每个的可靠性。
本公开的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员将从所附权利要求中清楚地理解这些和其他效果。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的电池组的配置的示例图。
图2是电池的等效电路模型的电路配置的示例图。
图3是电池的开路电压(OCV)-充电状态(SOC)曲线的示例图。
图4和图5是由图1的电池管理装置执行的电池管理方法的示例性流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应理解的是，说明书和所附权利要求书中使用的术语或单词不应被解释为限于一般含义和词典含义，而是在允许发明人适当地限定术语以获得最佳解释的原则的基础上，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。
因此，本文描述的实施例和附图中示出的图示仅是本公开的最优选示例，而不旨在完全地描述本公开的技术方面，因此应当理解，可以在本申请被提交对其做出各种其他等同替换和修改。
包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语可用于区分各种元件当中的一个元件与另一元件，但不旨在通过术语限制元件。
除非上下文另外明确指出，否则应理解，在本说明书中使用时术语“包括”指定存在所述元件，但不排除存在或添加一个或多个其他元件。另外，本文所使用的术语“控制单元”指至少一个功能或操作的处理单元，并且这可以通过硬件或软件或硬件和软件的组合来实现。
另外，在整个说明书中，将进一步理解，当元件被称为“连接到”另一元件时，该元件可以直接连接到另一元件，或者可以存在中间元件。
图1是根据本公开的实施例的电池组的配置的示例图，图2是电池的等效电路模型的电路配置的示例图，并且图3是电池的开路电压(OCV)-充电状态(SOC)曲线的示例图。
参照图1，电池组10被配置为供应诸如电动车辆1的电动设备所需的电能，并且包括电池20、开关30和电池管理装置100。
电池20包括至少一个电池单体。每个电池单体可以是例如锂离子单体。当然，电池单体的类型不限于锂离子单体，并且可以包括但不限于可以重复地再充电的任何类型。电池20中包括的每个电池单体串联或并联电连接至其他电池单体。
开关30被安装在用于对电池20进行充电和放电的电流路径上。开关30的控制端子被设置为电连接至控制单元120。响应于开关信号SS被施加到控制端子，根据控制单元120输出的开关信号SS的占空比来将开关30控制为接通和关断。当开关信号SS为高电平时，开关30可以被接通，而当开关信号SS为低电平时，开关30可以被关断。
电池管理装置100被设置为电连接至电池20以周期性地确定电池20的SOC。电池管理装置100包括感测单元110、控制单元120、存储器单元130、通信单元140。
感测单元110被配置为检测电池20的电压、电流和温度。感测单元110包括电流传感器111、电压传感器112和温度传感器113。
电流传感器111被设置为电连接到电池20的充电/放电路径。电流传感器111被配置为检测流过电池20的电流，并且将指示检测到的电流的信号SI输出至控制单元120。
电压传感器112被设置为电连接到电池20的正极和负极。电压传感器112被配置为检测跨电池20的正极和负极的电压，并将指示检测到的电压的信号SV输出至控制单元120。
温度传感器113被配置为检测距电池20预定距离内的区域的温度，并将指示检测到的温度的信号ST输出至控制单元120。
控制单元120可操作地耦合到感测单元110、存储器单元130、通信单元140和开关30。控制单元120可以使用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器和用于执行其他功能的电气单元中的至少一个在硬件中实现。
控制单元120被配置为周期性地接收由感测单元110输出的信号SI、信号SV和信号ST。控制单元120被配置为分别使用控制单元120中包括的模数转换器(ADC)根据信号SI、信号SV和信号ST确定电流值、电压值和温度值，并将包括电流值、电压值和温度值的数据集存储在存储器单元130。
存储器单元130可操作地耦合到控制单元120。存储器单元130可以存储执行以下描述的步骤所需的程序和数据。存储器单元130可以包括例如闪存类型、硬盘类型、固态磁盘(SSD)类型、硅磁盘驱动器(SDD)类型、多媒体卡微型类型、随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)和可编程只读存储器(PROM)中的至少一种类型的储存介质。
通信单元140可以被耦合以与诸如电动车辆1的电子控制单元(ECU)的外部设备2通信。通信单元140可以从外部设备2接收命令消息，并将接收到的命令消息提供给控制单元120。命令消息可以是请求激活电池管理装置100的特定功能(例如，SOC估计、开关30的接通/关断的控制)的消息。通信单元140可以从控制单元120向外部设备2发送通知消息。通知消息可以是用于将控制单元120执行的功能的结果(例如，估计的SOC)通知给外部设备2的消息。例如，通信单元140可以经由诸如局域网(LAN)、控制器局域网(CAN)和菊花链的有线网络和/或例如蓝牙、Zigbee和WiFi的短距离无线网络来与外部设备2通信。
控制单元120被配置为确定电池20的健康状态(SOH)或最大容量。最大容量指示电池20中当前可以存储的最大充电量，并且可以被称为“完全充电容量”。即，最大容量等于在SOC为1(＝100％)的电池20放电直到SOC为0(＝0％)期间流动的电流的累积值。在示例中，控制单元120可以计算电池20的内阻，并且基于所计算的内阻和参考电阻之间的差来确定电池20的SOH或最大容量。在另一示例中，控制单元120可以使用下面的等式1，基于电池20被充电和放电的不同时间点中的每个处的SOC以及两个时间点之间的时间段内的累积电流值，来确定电池20的SOH或最大容量。假设两个时间点中的较早时间点为t1，且较晚时间点为t2。
<等式1>
Figure BDA0002909136620000091
在等式1中，Qref表示参考容量，SOC1表示在时间点t1估计的SOC，SOC2表示在时间点t2估计的SOC，ΔSOC表示SOC1和SOC2之间的差，it表示指示在时间点t1和时间点t2之间的时间点t检测到的电流的电流值，ΔC表示从时间点t1到时间点t2的时间段内的累积电流值，Qest表示在时间点t2的最大容量的估计，且SOHnew表示在时间点t2的SOH的估计，Qref是指示当电池20的SOH为1时的最大容量的预设值，并且可以被预先存储在存储器单元130中。
关于等式1，当ΔSOC太小时，Qest可能与实际值大不相同。因此，控制单元120可以被配置为仅当ΔSOC等于或大于预定值(例如0.5)时才使用等式1来确定电池20的SOH或最大容量。
在下文中，将更详细地描述由控制单元120执行的用于估计电池20的SOC的操作。
控制单元120使用安培计数基于电流值确定第一候选值。第一候选值指示当前周期中电池20的SOC的估计。以下等式2可以用于确定第一候选值。
<等式2>
Figure BDA0002909136620000101
以下是等式2中使用的符号的描述。Δt表示每个周期的时间长度。K是时间索引，其每当Δt流逝时就增大1，并且指示从发生预定事件的时间点到当前时间点的周期数。该事件可以是例如其电压稳定的电池20的充电和放电的开始事件。其电压稳定的电池20可以是空载状态下的电池20，在空载状态下电流不流过电池20并且电池20的电压被均匀地保持。在这种情况下，可以使用事件发生的时间点的电池20的OCV作为索引来从OCV-SOC曲线确定SOCe[0]，该OCV-SOC曲线定义电池20的OCV与SOC之间的对应关系。OCV-SOC曲线被存储在存储器单元130中。
在等式2中，i[k+1]表示在当前周期中检测到的电流，且SOCe[k]表示在前一周期中通过安培计数或扩展卡尔曼滤波器确定的SOC。SOC[k+1]是第一候选值。在等式2中，可以用i[k]代替i[k+1]。
控制单元120使用扩展卡尔曼滤波器来确定第二候选值。第二候选值指示当前周期中电池20的SOC的估计。在下文中，将描述扩展卡尔曼滤波器。
扩展卡尔曼滤波器是用于通过附加地使用电池20的等效电路模型200连同等式2表示的安培计数一起来周期性地更新电池20的SOC的算法。
参照图2，等效电路模型200包括OCV源210、欧姆电阻器R1和电阻器-电容器(RC)对220。
OCV源210模拟OCV，该OCV是长期电化学稳定的电池20的正极和负极之间的电压。由OCV源210输出的OCV与电池20的SOC是非线性函数关系。即，OCV＝f1(SOC)，SOC＝f2(OCV)，并且f1和f2彼此为反函数。例如，参考图3，3.3V＝f1(0.5)，且0.7＝f2(3.47V)。
由OCV源210输出的OCV可以通过实验由SOC和温度来预设。
欧姆电阻器R1与电池20的IR压降V1相关联。IR压降指当电池20从空载状态切换到充电/放电状态时或者从充电/放电状态切换到空载状态时跨电池20的电压的瞬时改变。在示例中，在空载状态下的电池20开始充电的时间点测量的电池20的电压高于OCV。在另一示例中，在空载状态下的电池20开始放电的时间点测量的电池20的电压低于OCV。欧姆电阻器R1的电阻值也可以通过实验由SOC和温度来预设。
RC对220输出由电池20的双电层感应的过电势(也称为“极化电压”)V2，并且包括并联连接的电阻器R2和电容器C2。过电势V2可以被称为“极化电压”。RC对220的时间常数是电阻器R2的电阻值与电容器C2的电容的乘积，并且可以通过实验由SOC和温度来预设。
Vecm是等效电路模型200的输出电压，并且等于来自OCV源210的OCV、跨欧姆电阻器R1的IR压降V1和跨RC对220的过电势V2之和。
在等效电路模型200中，可以将当前周期中的过电势定义为以下等式3。
<等式3>
Figure BDA0002909136620000121
在等式3中，R2[k+1]表示当前周期中电阻器R2的电阻值，τ[k+1]表示当前周期中RC对220的时间常数，V2[k]表示前一周期的过电势，且V2[k+1]表示当前周期的过电势。在等式3中，可以将i[k+1]替换为i[k]。事件发生时的时间点的过电位V2[0]可以为0V(伏)。
以下等式4是与扩展卡尔曼滤波器的时间更新过程相关联的第一状态等式，且是从等式2和等式3的组合得出的。
<等式4>
Figure BDA0002909136620000131
Figure BDA0002909136620000132
Figure BDA0002909136620000133
Figure BDA0002909136620000134
在等式4和以下等式5至8中，上标符号^指示通过时间更新估计的值。另外，上标符号-指示通过下述测量更新进行校正之前的值。
以下等式5是与扩展卡尔曼滤波器的时间更新过程相关联的第二状态等式。
<等式5>
Figure BDA0002909136620000135
Figure BDA0002909136620000136
在等式5中，Pk表示在前一周期中校正的误差协方差矩阵，Qk表示在前一周期中的过程噪声协方差矩阵，T表示转置算子，而P- k+1表示在当前周期中的误差协方差矩阵。在k＝0时，P0可以等于[1 0；0 1]。W1k是在前一周期中设置的第一过程噪声，并且与安培计数的可靠性相关联。即，W1k是指示使用安培计数计算出的累计电流值的不准确性的正数。W2k是在前一周期中设置的第二过程噪声，并且与等效电路模型200的可靠性相关联。即，W2k是指示与等效电路模型200相关联的参数的不准确性的正数。因此，随着安培计数的不准确性增大，控制单元120可以增大第一过程噪声。随着等效电路模型200的不准确性增大，控制单元120可以增大第二过程噪声。
当使用等式4和等式5的时间更新过程完成时，控制单元120执行测量更新过程。
以下等式6是与扩展卡尔曼滤波器的测量更新过程相关联的第一观测等式。
<等式6>
Figure BDA0002909136620000141
Figure BDA0002909136620000142
在等式6中，Kk+1表示当前周期中的卡尔曼增益。K(1,1)k+1是卡尔曼增益的第一分量，而K(2,1)k+1是卡尔曼增益的第二分量。另外，R是测量噪声协方差矩阵，并且具有预设分量。Hk+1是系统矩阵，并且用于在估计电池20的SOC时根据OCV-SOC曲线反映电池20的OCV的改变。n是预设的正整数(例如1)。
下面等式7是与扩展卡尔曼滤波器的测量更新过程相关联的第二观测等式。
<等式7>
Figure BDA0002909136620000143
在等式7中，zk+1表示在当前周期中测量的电池20的电压，而Vecm[k+1]表示在当前周期中的等效电路模型200的输出电压。f1(SOC[k+1])表示当前周期中的OCV(参见图2的描述)。V1[k+1]表示当前周期中跨欧姆电阻器R1的电压，并且可以等于i[k+1]和i[k]中任何一个与R1[k+1]的乘积。R1[k+1]是当前周期中欧姆电阻器R1的电阻值。控制单元120可以基于温度值确定R1[k+1]。为此，存储器单元130记录第一查找表，该第一查找表定义了欧姆电阻器R1的电阻值和温度值之间的对应关系。控制单元120可以使用特定温度值作为索引，从第一查找表获得映射到特定温度值(例如，数据集的温度值)的电阻值。从等式4获得的SOC[k+1]和V2[k+1]中的每一个由等式7校正。
参考等式6和7，在校正从等式4获得的SOC[k+1]时，随着K(1,1)k+1的值更接近于0，zk+1和Vecm[k+1]之间的差的影响减小。K(1,1)k+1的减小的原因之一是安培计数不完整(参见等式2)。K(1,1)k+1的减小导致基于zk+1和Vecm[k+1]之差的扩展卡尔曼滤波器的学习能力降低。
另外，参考等式6和7，在校正从等式4获得的V2[k+1]时，随着K(2,1)k+1的值更接近于0，zk+1和Vecm[k+1]之间的差的影响减小。K(2,1)k+1的减小的原因之一是等效电路模型200的不稳定性。K(2,1)k+1的减小导致基于zk+1和Vecm[k+1]之差的扩展卡尔曼滤波器的学习能力降低。
控制单元120可以调节第一过程噪声和第二过程噪声之间的比率，以防止在使用扩展卡尔曼滤波器来估计电池20的SOC中由于K(1,1)k+1和K(2,1)k+1中的至少一个的显著减小导致估计准确性降低。
下面的等式8是与扩展卡尔曼滤波器的测量更新过程相关联的第三观测等式。
<等式8>
Figure BDA0002909136620000151
在等式8中，E表示单位矩阵。从等式5获得的P- k+1由等式8校正为Pk+1。
控制单元120通过每次时间索引k增大1时至少执行一次等式4至8的每个计算步骤，来周期性地更新电池20的SOC。
在下文中，将参考扩展卡尔曼滤波器的以上描述来描述确定第二候选值的操作。
控制单元120基于数据集确定第二候选值。如前所述，数据集包括电流值、电压值和温度值。控制单元120基于在前一周期中确定的SOC和温度值来确定等式4的R2[k+1]和τ[k+1]。为此，存储器单元130可以记录第二查找表，该第二查找表定义了电阻器R2的电阻值、SOC和温度值之间的对应关系。控制单元120可以使用数据集的温度值和在前一周期中确定的SOC作为索引，从第二查找表获得映射到数据集的温度值和在前一周期中确定的SOC的电阻值，作为等式4的R2[k+1]。另外，存储器单元130可以记录第三查找表，该第三查找表定义了SOC、温度值和时间常数之间的对应关系。控制单元120可以使用数据集的温度值和在前一周期中确定的SOC作为索引，从第三查找表获得映射到数据集的温度值和在前一周期中确定的SOC的时间常数，作为等式4的τ[k+1]。
控制单元120可以将等式4的i[k+1](或i[k])设置为等于数据集的电流值，并且可以将等式7的zk+1设置为等于数据集的电压值。因此，控制单元120可以将第二候选值确定为等于由等式7校正的SOC[k+1]。
当在当前周期中完成对电池20的SOC的第一候选值和第二候选值的确定时，控制单元120被配置为通过以下描述的过程将第一候选值和第二候选值中的一个确定为在当前周期中的电池20的SOC。
控制单元120确定差值，该差值是第一候选值和第二候选值之间的差的绝对值。在示例中，当第一候选值是0.51并且第二候选值是0.52时，差值是0.01。在另一示例中，当第一候选值是0.77并且第二候选值是0.75时，差值是0.02。
控制单元120可以将第一差值与预定阈值进行比较。阈值被存储在存储器单元130中，并且可以是例如0.03。
当差值大于阈值时，控制单元120可以将电池20的SOC确定为等于第一候选值。
当差值等于或小于阈值时，控制单元120可以将电池20的SOC确定为等于第二候选值而不是第一候选值。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1等于或高于预定第一下限(例如0.01)且卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1等于或高于预定第二下限(例如，0.001)时，控制单元120可以将第二过程噪声与第一过程噪声的比率设置为等于预定参考比率(例如0.1)。例如，可以将第一过程噪声设置为等于预定第一参考值(例如，0.1)，并且可以将第二过程噪声设置为等于预定第二参考值(例如，0.01)。即，参考比率可以等于通过将第二参考值除以第一参考值而获得的值。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1低于第一下限且卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1等于或高于第二下限时，控制单元120可以将第二过程噪声与第一过程噪声的比率降低到低于参考比率。在示例中，可以将第一过程噪声设置为等于第一参考值，并且可以将第二过程噪声设置为小于第二参考值的值。在另一示例中，可以将第一过程噪声设置为大于第一参考值的值，并且可以将第二过程噪声设置为等于第二参考值。在又一示例中，可以将第一过程噪声设置为大于第一参考值的值，并且可以将第二过程噪声设置为小于第二参考值的值。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1低于第一下限且卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1等于或高于第二下限时，控制单元120可以确定第二过程噪声与第一过程噪声的比率，使得第二过程噪声与第一过程噪声的比率与参考比率之间的差与第一分量K(1,1)k+1和第一下限之间的差成比例。例如，当第一分量K(1,1)k+1与第一下限之间的差为0.002时，第二过程噪声与第一过程噪声的比率可以被确定为0.09，并且当第一分量K(1,1)k+1和第一下限之间的差为0.003时，第二过程噪声与第一过程噪声的比率可以被确定为0.085。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1等于或高于第一下限且卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1低于第二下限时，控制单元120可以将第二过程噪声与第一过程噪声的比率增大到超过参考比率。在示例中，可以将第一过程噪声设置为等于第一参考值，并且可以将第二过程噪声设置为大于第二参考值的值。在另一示例中，可以将第一过程噪声设置为小于第一参考值的值，并且可以将第二过程噪声设置为等于第二参考值。在又一示例中，可以将第一过程噪声设置为小于第一参考值的值，并且可以将第二过程噪声设置为大于第二参考值的值。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1等于或高于第一下限且卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1低于第二下限时，控制单元120可以确定第二过程噪声与第一过程噪声的比率，使得第二过程噪声与第一过程噪声的比率与参考比率之间的差与第二分量K(2,1)k+1和第二下限之间的差成比例。例如，第二分量K(2,1)k+1与第二下限之间的差为0.002，第二过程噪声与第一过程噪声的比率可以被确定为0.115，并且当第二分量K(2,1)k+1和第二下限之间的差为0.003时，第二过程噪声与第一过程噪声的比率可以被确定为0.121。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1低于第一下限时，控制单元120可以使用以下等式9确定第一过程噪声。当卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1低于第二下限时，控制单元120可以使用以下等式10确定第二过程噪声。
<等式9>
W1k＝(M1D1-M2D2)+MW1
<等式10>
W2k＝(M4D2-M3D1)+MW2
在等式9和10中，D1表示第一分量K(1，1)k+1和第一下限之间的差的绝对值，D2表示第二分量K(2，1)k+1和第二下限之间的差的绝对值，MW1表示第一参考值，MW2表示第二参考值，M1表示第一权重，M2表示第二权重，M3表示第三权重，M4表示第四权重，W1k表示第一过程噪声，且W2k表示第二过程噪声。M1、M2、M3和M4可以是被预设为彼此相同或不同的正数。
当卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1，1)k+1低于第一下限且卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2，1)k+1低于第二下限时，控制单元120可以通过等式9和通过等式10分别将第一过程噪声和第二过程噪声设置为等于W1k和W2k。
在估计下一周期的SOC的过程中，可以将如上所述设置的第一过程噪声和第二过程噪声分别分配给等式5的W1k和W2k。
控制单元120可以选择性地输出开关信号SS以控制开关30。当第一分量K(1，1)k+1低于第一下限或第二分量K(2，1)k+1低于第二下限时，控制单元120可以将开关信号SS的占空比调节为等于或小于预定参考占空比(例如0.2)。当开关信号SS的占空比被调节为低于参考占空比时，可以降低流过电池20的最大电流量，从而避免了电池20的电压和温度的快速改变。
图4和图5是由图1的电池管理装置执行的电池管理方法的示例性流程图。可以从事件发生的时间点周期性地执行图4和图5的方法。当电池20的充电/放电停止时，图4和图5的方法可以结束。
参考参照图1至图5，在步骤S400中，控制单元120确定电池20的最大容量(或SOH)(参见等式1)。
在步骤S405中，控制单元120使用感测单元110检测电池20的电流、电压和温度。感测单元110将指示检测到的电流的信号SI、指示检测到的电压的信号SV和指示检测到的温度的信号ST输出给控制单元120。
在步骤S410中，控制单元120接收信号SI、信号SV和信号ST，并生成包括指示电池20的电流的电流值、指示电池20的电压的电压值和指示电池20的温度的温度值的数据集。
在步骤S420中，控制单元120使用安培计数基于电流值确定电池20的SOC的第一候选值(参见等式2)。
在步骤S430中，控制单元120使用扩展卡尔曼滤波器基于数据集确定电池20的SOC的第二候选值和卡尔曼增益Kk+1(参见等式3至8)。
与图4的相反，步骤S420和S430可以同时执行，或者步骤S430可以在步骤S420之前。
在步骤S440中，控制单元120确定第一候选值和第二候选值之间的差值。
在步骤S500中，控制单元120确定差值是否大于阈值。当步骤S500的值为“是”时，执行步骤S510。当步骤S500的值为“否”时，执行步骤S520。
在步骤S510中，控制单元120将电池20的SOC确定为等于第一候选值。
在步骤S520中，控制单元120将电池20的SOC确定为等于第二候选值。
在步骤S530中，控制单元120确定卡尔曼增益Kk+1的第一分量K(1,1)k+1是否低于第一下限或者卡尔曼增益Kk+1的第二分量K(2,1)k+1是否低于第二下限。步骤S530的值为“否”表示第一分量K(1,1)k+1等于或高于第一下限，且第二分量K(2,1)k+1等于或高于第二下限。当步骤S530的值为“否”时，执行步骤S540。当步骤S530的值为“是”时，执行步骤S550和S560中的至少一个。
在步骤S540中，控制单元120将第二过程噪声与第一过程噪声的比率设置为等于参考比率。例如，可以将第一过程噪声设置为等于第一参考值，并且可以将第二过程噪声设置为等于第二参考值。参考比率是通过将第二参考值除以第一参考值而获得的值。
在步骤S550中，控制单元120相对于参考比率减小或增大第二过程噪声与第一过程噪声的比率(参见等式9和10)。
在步骤S560中，控制单元120将输出到开关30的开关信号SS的占空比调节为等于或小于参考占空比。调节的占空比与参考占空比之间的差可以与第一分量K(1,1)k+1和第一下限之间的差的绝对值以及第二分量K(2,1)k+1和第二下限之间的差的绝对值中的任何一个(例如，较大的一个)成比例。与图5的相反，可以同时执行步骤S550和S560，或者步骤S560可以在步骤S550之前，或者可以仅执行步骤S550和步骤S560中的一个。
以上描述的本公开的实施例不仅仅通过装置和方法来实现，并且可以通过执行与本公开的实施例的配置相对应的功能的程序或在其上记录有程序的记录介质来实现，并且本领域技术人员可以从上述实施例的公开中容易地实现这种实施方式。
虽然以上已经针对有限数量的实施例和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本公开的技术方面和所附权利要求的等同范围内对其进行各种修改和改变。
另外，由于本领域技术人员可以在不脱离本公开的技术方面的情况下对上述本公开做出许多替换、修改和改变，因此本公开不限于上述实施例和附图，并且一些或全部实施例可以被选择性地组合以允许各种修改。

Claims (13)

1.一种电池管理装置，包括：
感测单元，所述感测单元被配置为检测电池的电流、电压和温度；以及
控制单元，所述控制单元被配置为生成数据集，所述数据集包括指示检测到的电流的电流值、指示检测到的电压的电压值和指示检测到的温度的温度值，
其中，所述控制单元被配置为：
使用安培计数基于所述电流值确定所述电池的充电状态(SOC)的第一候选值，
使用扩展卡尔曼滤波器基于所述数据集确定所述SOC的第二候选值和卡尔曼增益，
当所述第一候选值与所述第二候选值之间的差值大于阈值时，将所述SOC确定为等于所述第一候选值，以及
当所述卡尔曼增益的第一分量等于或高于预定第一下限且所述卡尔曼增益的第二分量等于或高于预定第二下限时，将所述扩展卡尔曼滤波器中的第二过程噪声与第一过程噪声的比率设置为等于预定参考比率，
其中，所述第一过程噪声与所述安培计数的可靠性相关联，以及
所述第二过程噪声与所述电池的等效电路模型的可靠性相关联。
2.根据权利要求1所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述卡尔曼增益的所述第一分量等于或高于所述第一下限且所述卡尔曼增益的所述第二分量等于或高于所述第二下限时，将所述第一过程噪声设置为等于预定第一参考值并且将所述第二过程噪声设置为等于预定第二参考准值，以及
所述参考比率是通过将所述第二参考值除以所述第一参考值而获得的值。
3.根据权利要求2所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述第一分量低于所述第一下限且所述第二分量等于或高于所述第二下限时，使所述第二过程噪声与所述第一过程噪声的比率降低到低于所述参考比率。
4.根据权利要求3所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述第一分量低于所述第一下限且所述第二分量等于或高于所述第二下限时，将所述第一过程噪声确定为等于比所述第一参考值大的值，或者将所述第二过程噪声确定为等于比所述第二参考噪声小的值。
5.根据权利要求2所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述第一分量等于或高于所述第一下限且所述第二分量低于所述第二下限时，使所述第二过程噪声与所述第一过程噪声的比率增大到超过所述参考比率。
6.根据权利要求5所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述第一分量等于或高于所述第一下限且所述第二分量低于所述第二下限时，将所述第一过程噪声确定为等于比所述第一参考值小的值，或者将所述第二过程噪声确定为等于比所述第二参考噪声大的值。
7.根据权利要求2所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述第一分量低于所述第一下限或所述第二分量低于所述第二下限时，使用下述等式1和等式2来确定所述第一过程噪声和所述第二过程噪声：
<等式1>
W1k＝(M1D1-M2D2)+MW1
<等式2>
W2k＝(M4D2-M3D1)+MW2
其中，D1表示所述第一分量和所述第一下限之间的差的绝对值，D2表示所述第二分量和所述第二下限之间的差的绝对值，MW1表示所述第一参考值，MW2表示所述第二参考值，M1表示第一权重，M2表示第二权重，M3表示第三权重，M4表示第四权重，W1k表示所述第一过程噪声，且W2k表示所述第二过程噪声。
8.根据权利要求1所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：当所述差值等于或小于所述阈值时，将所述SOC确定为等于所述第二候选值而不是所述第一候选值。
9.根据权利要求1所述的电池管理装置，其中，所述控制单元被配置为：
选择性地输出用于控制安装在所述电池的电流路径上的开关的开关信号，以及
当所述第一分量低于所述第一下限或所述第二分量低于所述第二下限时，将所述开关信号的占空比调节为等于或小于参考占空比。
10.一种包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电池管理装置的电池组。
11.一种电池管理方法，包括：
检测电池的电流、电压和温度；
生成数据集，所述数据集包括指示检测到的电流的电流值、指示检测到的电压的电压值和指示检测到的温度的温度值；
使用安培计数基于所述电流值确定所述电池的充电状态(SOC)的第一候选值；
使用扩展卡尔曼滤波器基于所述数据集确定所述SOC的第二候选值和卡尔曼增益；
当所述第一候选值与所述第二候选值之间的差值大于阈值时，将所述SOC确定为等于所述第一候选值；以及
当所述卡尔曼增益的第一分量等于或高于预定第一下限且所述卡尔曼增益的第二分量等于或高于预定第二下限时，将所述扩展卡尔曼滤波器中的第二过程噪声与第一过程噪声的比率设置为等于预定参考比率，
其中，所述第一过程噪声与所述安培计数的可靠性相关联，以及
所述第二过程噪声与所述电池的等效电路模型的可靠性相关联。
12.根据权利要求11所述的电池管理方法，进一步包括：
当所述第一分量低于所述第一下限且所述第二分量等于或高于所述第二下限时，使所述第二过程噪声与所述第一过程噪声的比率降低到低于所述参考比率。
13.根据权利要求11所述的电池管理方法，进一步包括：
当所述第一分量等于或高于所述第一下限且所述第二分量低于所述第二下限时，使所述第二过程噪声与所述第一过程噪声的比率增大到超过所述参考比率。
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