CN117301947A - 模型预测电池电力限值估计系统及方法 - Google Patents

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Abstract

用于改善汽车电池系统的运行的系统及方法，所述汽车电池系统包括汽车电气系统，该汽车电气系统包含电池系统，该电池系统使用运行参数、在预测范围内预期的电池的预测内部电阻以及电池的实时内部电阻来提高性能和可靠性。电池系统包括电池、传感器和电池控制系统，电池电耦接到汽车系统中的电气装置，传感器耦接到电池并确定电池的端子电压，电池控制系统通信地耦接到传感器。当电池的测量的端子电压不大于电压阈值下限时基于预测的内部电阻，并且当电池的测量的端子电压大于电压阈值下限时基于电池的实时内部电阻，电池控制系统确定充电电力限值，所述充电电力限值用于在对电池充电时控制对电池的电力供应。

Description

模型预测电池电力限值估计系统及方法
本申请为国际申请日为2017年10月31日、国际申请号为PCT/US2017/059380、国家申请号为201780066095.9、发明名称为“模型预测电池电力限值估计系统及方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请是非临时申请，要求于2016年10月31日提交的名称为“具有用于实时电力限值估计的锂离子电池模型的集成反馈控制算法(INTEGRATING FEEDBACK CONTROLALGORITHMS WITH ALITHIUM-ION BATTERY MODEL FOR REAL TIME POWER LIMITESTIMATION)”的美国临时申请第62/415,280号的优先权，该申请出于所有目的其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本公开总体上涉及电池系统，并且更具体地，涉及电池系统中使用的电池控制系统。
该部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本技术的各个方面有关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当由此角度来阅读，而非作为对现有技术的承认。
电气系统通常包括电池系统以捕获(例如存储)所产生的电能和/或供应电力。实际上，电池系统可以包括在用于各种应用的电气系统中。例如，固定式电力系统可包括电池系统，该电池系统接收由发电机输出的电力并将电力存储为电能。以这种方式，电池系统可以使用存储的电能向电气负载供应电力。
另外，机动车辆中的电气系统可以包括电池系统，该电池系统供应电力，例如，以提供和/或补充机动车辆的动力(例如功率)。出于本公开的目的，此类机动车辆被称为xEV并且可以包括以下类型的机动车辆中的任何一种、任何变型和/或任何组合。例如，电动车辆(EV)可以利用电池供电的电力推进系统(例如一个或多个电动机)作为车辆动力的主要来源。由此，电动车辆中的电池系统可以被实现为向电池供电的电力推进系统供应电力。另外，混合动力电动车辆(HEV)可以利用电池供电的电力推进系统和内燃机推进系统的组合来产生车辆动力。由此，可以实现电池系统，以便于通过向电池供电的电力推进系统供应电力来直接提供至少一部分车辆动力。
微混合动力电动车辆(mHEV)可使用内燃机推进系统作为车辆动力的主要来源，但是可以利用电池系统来实现“停止-启动”技术。特别地，当随后需要推进时，mHEV可以在内燃机怠速运转和曲柄起动(例如重新启动)的同时停用其内燃机。为了便于实施这些技术，电池系统可以在内燃机被停用时继续供应电力，并且供应电力以曲柄起动内燃机。以这种方式，电池系统可以间接地补充提供车辆动力。
为了便于控制电池系统的运行，电池系统通常包括电池控制系统，例如，该电池控制系统确定电池状态，诸如功能状态(SoF)、健康状态(SoH)和/或充电状态(SoC)。在一些情况下，可以至少部分地基于由电池控制系统确定的相应电池状态来控制电池(例如电池模块、电池组或电池单元)的充电和/或放电。例如，可以至少部分地基于由其相应的功能状态所指示的充电电力限值来控制为电池充电所供应的电流和/或电压的大小。因此，至少在某些情况下，由电池控制系统作出的电池状态确定的准确性可能影响其相应电池系统的运行稳定性和/或运行效率。
发明内容
本文公开的某些实施例的概述如下。应当理解，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可涵盖可能未在下面阐述的各个方面。
在一个实施例中，汽车电气系统包括电池系统，该电池系统包括电池、一个或多个传感器和电池控制系统，电池被配置为电耦接到汽车电气系统中的一个或多个电气装置，传感器电耦接到电池的端子，电池控制系统通信地耦接到测量电池的端子电压的所述一个或多个传感器。电池控制系统被编程为确定电池的预测内部电阻，其中预测内部电阻基于预计的运行状况(充电状态、温度、电力使用等)。当电池的测量端子电压不大于电压阈值下限时，电池控制系统还基于预测内部电阻确定用于控制向电池供应电力的充电电力限值。当电池的测量端子电压大于电压阈值下限时，电池控制系统基于电池的测量端子电压和电池模型来确定电池的实时内部电阻，该电池模型描述测量的电池参数与电池的内部电阻之间的关系，并基于实时内部电阻确定充电电力限值，以便于提高电池的运行可靠性。
在第二实施例中，一种用于控制机动车辆中的电池单元的充电的方法包括使用控制系统基于传感器数据、电池单元的预测内部电阻和充电电力限值来确定电池单元的测量端子电压。预测内部电阻基于预计的运行状况(充电状态、温度、电力使用等)。当电池单元的测量端子电压不大于电压阈值下限时，充电电力限值基于电池单元的预测内部电阻。当电池单元的测量端子电压大于电压阈值下限时，充电电力限值基于电池单元的实时内部电阻，其中电池单元的实时内部电阻是基于电池模型确定的，该电池模型将测量的运行参数与包含内部电阻的模型参数相关联。当目标充电电力大于充电电力限值时，控制系统基于充电电力限值指示电力源调整被供应给电池单元的充电电力。
在第三实施例中，有形的非暂时性计算机可读介质存储可由汽车控制系统的一个或多个处理器执行的指令。指令包括使用一个或多个处理器基于传感器数据、预期在预测范围内发生的汽车电池模块的预测内部电阻、充电电流限值来确定汽车电池模块的测量端子电压，并指示汽车电池基于放电电流限值向机动车辆中的电气装置供应电力。当汽车电池模块的测量端子电压不大于电压阈值下限时，放电充电电流限值基于汽车电池模块的预测内部电阻。当汽车电池模块的测量端子电压大于电压阈值下限时，放电限值基于汽车电池模块的实时内部电阻。汽车电池模块的实时内部电阻由电池模型确定，该电池模型将测量的电池参数与包含内部电阻的模型参数相关联。
附图说明
通过阅读以下详细描述并参考附图，可以更好地理解本公开的各个方面，其中：
图1是根据实施例的包括电池系统的机动车辆的立体图；
图2是根据实施例的图1的电池系统的框图；
图3是根据实施例的由图1的电池系统使用的电池模型的电路图；
图4是根据实施例的用于运行图1的电池系统的过程的流程图；
图5是根据实施例的用于确定图1的电池系统中的电池的运行参数的过程的流程图；
图6是根据实施例的用于确定图1的电池系统中的电池的状态的过程的流程图；以及
图7是根据实施例的用于控制图1的电池系统中的电池充电的过程的流程图。
具体实施方式
下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。这些描述的实施例仅是本公开的技术的实例。此外，为了提供这些实施例的简明描述，说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的部署中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多专门针对实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守与系统相关的和与业务相关的约束条件，这些约束条件可能因实施而异。此外，应当理解，此类部署工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本发明的普通技术人员来说仍然可以是设计、制备和制造的常规任务。
当介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一种”、“一个”和“该”旨在表示存在一个或多个这样的要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是含括性的，并且意味着可能存在除所列要素之外的其他要素。另外，应当理解，对本公开中的“一个实施例”或“一实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的另外的实施例。
通常，电池系统可以被实现为捕获(例如存储)由一个或多个发电机产生的电能和/或使用存储的电能向一个或多个电气负载供应电能。利用这些益处，电气系统中通常包括一个或多个电池系统。实际上，电池系统可以用在为各种目标应用而实现的电气系统中，例如，从固定式电力系统到车辆(例如汽车)电气系统。
在任何情况下，为了便于控制电池系统的运行(例如充电和/或放电)，电池系统通常包括电池控制系统。在一些情况下，可以至少部分地基于相应的电池状态例如通过更高级别的(例如车辆)控制系统与电池控制系统协调来控制电池系统中的电池(例如电池模块、电池组或电池单元)的充电和/或放电。因此，为了便于控制电池系统的运行，其电池控制系统可以通过至少部分地基于电池的运行参数(例如电压、电流和/或温度)执行控制应用来确定电池状态。
例如，至少部分地基于通过电池的电流，电池控制系统可以执行充电状态(SoC)应用以确定(例如预测或估计)电池的开路电压(OCV)。另外地或可替代地，至少部分地基于电池的电流和/或电压，电池控制系统可以执行健康状态(SoH)应用以确定电池的内部电阻。另外地或可替代地，至少部分地基于电池的温度和/或内部电阻，电池控制系统可以执行功能状态(SoF)应用以确定用于对电池充电和/或放电的电力(例如电压和/或电流)限值。
至少部分地基于电池状态，在一些情况下，电池控制系统可以通过输出指示电池系统执行一个或多个控制动作的控制命令(例如信号)来直接控制相应电池系统的运行。例如，电池控制系统可以输出控制命令，该控制命令指示电耦接在电池系统中的电池与发电机(例如交流发电机)之间的开关装置在电池的充电状态超过充电状态阈值时从闭合(例如电连接)位置切换到断开(例如电气断开连接)位置。另外地或可替代地，电池控制系统可以通过将电池状态数据传送到更高级控制系统来便于控制相应电池系统的运行，该更高级控制系统被实现为控制来自电池系统外部的一个或多个装置(例如设备或机器)的运行。例如，至少部分地基于指示电池功能状态的数据，车辆控制单元可以输出控制命令，该控制命令指示交流发电机调整输出到电池系统的电力的电流和/或电压。
为了便于改善电池系统的运行，在一些情况下，其电池控制系统可以至少部分地基于通过电池(例如电池组或电池单元)模型确定的运行参数来预测(例如估计)电池状态，例如，以便于在候选控制策略(例如动作)之间进行选择。换言之，电池控制系统可以至少部分地基于电池模型来确定电池系统的模型化的(例如预测的)运行参数。另外地或可替代地，电池控制系统可以至少部分地基于从一个或多个传感器接收的传感器数据来确定电池系统的测量的(例如实时)运行参数。
因此，至少在一些情况下，可以响应于不同的电池状态和/或不同的运行参数以不同的方式控制电池系统的运行。由此，当基于由其电池控制系统确定的预测电池状态来控制电池系统的运行时，预测电池状态相对于相应的实时电池状态的准确性和/或模型化的运行参数相对于相应的测量的运行参数的准确性可能影响电池系统的运行可靠性和/或运行效率。例如，当大于实际充电电力限值时，根据确定的充电电力限值向电池供应电力可减少后续寿命，从而降低电池的可靠性。另外地或可替代地，当小于实际充电状态时，基于确定的充电状态断开用于对电池充电的电力可减少捕获的电能的量，从而降低电池系统的运行效率。
在一些情况下，电池系统的模型化的运行参数可能与测量的运行参数不同，例如，由于电池模型的不准确性。因此，基于模型化的运行参数确定的预测的(例如模型化的)电池状态也可以不同于基于测量的运行参数确定的实时(例如测量的)电池状态。此外，在一些情况下，由于相应控制应用中的不准确性，模型化的电池状态和测量的电池状态可能不同。至少在某些情况下，当发生此类差异时，控制运行可能影响电池系统的运行可靠性和/或运行效率，例如，通过导致电池模块在被充电至充电状态阈值之前电气断开连接，从而限制由电池系统提供的能量存储和/或电池系统随后曲柄起动内燃机的能力。
因此，本公开提供了便于改善电池系统的运行的技术，例如，通过提高在线(例如实时或接近实时)电池状态确定的准确性。为了便于在线电池状态确定，电池控制系统可以接收传感器数据，该传感器数据指示在电池系统中实现的电池(例如电池模块或电池单元)的运行参数。例如，在电池系统的运行期间，电池控制系统可以接收传感器数据，该传感器数据指示电池模块的温度、流过电池模块的电流、电池模块的端子电压和/或电池模块中一个或多个电池单元两侧的电压。
在一些实施例中，可以通过将电池的端子电压保持在电压阈值上限(例如最大电压阈值)以下来延长电池的寿命。为了降低传感器(例如测量)误差导致端子电压超过电压阈值上限的的可能性，在一些实施例中，电池控制系统可以在电池的端子电压达到电压阈值上限之前开始下调电池系统的额定值。例如，电池控制系统可以至少部分地基于端子电压与电压阈值下限之间的关系(例如差异)来限制电流并因此限制供应给电池的充电电力。
在一些实施例中，电池控制系统可以至少部分地基于电池的内部电阻来确定用于对电池充电和/或放电的电力限值。通常，电池的内部电阻在运行期间和其寿命期间是动态的。例如，随着电池老化，锂离子电池的内部电阻可能增加。另外，锂离子电池的内部电阻可与其温度成反比。此外，锂离子电池的内部电阻可在运行期间形成波动(例如尖峰)，例如，当锂离子电池在再生制动期间被充电或在启动-停止运行期间被放电时。
为了便于考虑动态性质，在一些实施例中，电池控制系统可基于预计的运行状况(充电状态、温度、电力使用等)在预测范围(例如时间段)内预测电池的内部电阻。通常，根据至少部分地基于其预测的内部电阻确定的电力限值来控制电池的充电和/或放电可足以将电池的电压维持在电压阈值上限以下。然而，在某些情况下(例如在极端情况下)，例如，由于电池的预测内部电阻与实际内部电阻之间的差异会导致电池电压快速振荡(如果没有正确设计控制算法)，以这种方式控制电池的运行可能影响电池系统的运行效率。事实上，当在机动车辆中实现时，此类电池电压振荡可能影响驾驶能力，例如，通过导致机动车辆在运动中倾斜。
为了便于降低产生快速电池电压振荡的可能性，在一些实施例中，电池控制系统可以至少部分地基于当前确定的(例如测量的)运行参数来确定实时的(例如瞬时的)内部电阻。例如，使用电池模型，电池控制系统可以至少部分地基于当前确定的电池的电流和端子电压来确定电池的实时内部电阻。由于实时内部电阻是基于当前确定的运行参数来确定的，因此至少在某些情况下，实时内部电阻可以更准确地表示特定时间点的实际内部电池电阻，例如，与在较长时间段中求平均的预测内部电阻相比。
然而，为了便于改善处理延时，电池控制系统通常可以基于预测的内部电阻确定电力限值，但是当基于预测的内部电阻进行充电和/或放电预期会导致电池电压快速振荡时，基于实时内部电阻确定电力限值。在一些实施例中，电池控制系统可以至少部分地基于电池的端子电压来确定产生快速电池电压振荡的可能性。例如，当端子电压大于电压阈值下限时，电池控制系统可以确定使用基于预测的内部电阻确定的充电电力限值来控制充电预期会导致电池电压快速振荡，并因此基于实时内部电阻确定充电电力限值。
通过以这种方式确定充电和/或放电电力限值，电池控制系统可以提高其功能状态确定的准确度。以类似的方式，电池控制系统可以另外地或可替代地提高其他电池状态确定的准确度。如上所述，至少在某些情况下，提高由电池控制系统确定并用于控制相应电池系统的运行的电池状态的准确性有助于提高电池系统的运行可靠性和/或运行效率，并因此提高在其中实现电池系统的电气系统的运行可靠性和/或运行效率。
为了帮助说明，图1中示出了具有电气系统的机动车辆10，其包括电池系统12。关于机动车辆10的讨论仅旨在帮助说明本公开的技术而非对技术范围构成限制。机动车辆10可包括电池系统12和车辆电气系统，该车辆电气系统控制车辆控制台、电动机和/或发电机。在一些情况下，电池系统12可包括汽车电气系统中的一些或全部。为了便于讨论，电池系统12电耦接到所讨论的汽车电气系统中的部件。在一些实施例中，机动车辆10可以是xEV，其利用电池系统12来提供和/或补充车辆动力，例如，用于使机动车辆10加速和/或减速。在其他实施例中，汽车车辆10可以是例如使用内燃机产生车辆动力以进行加速和/或使用摩擦制动器以进行减速的机动车辆10。
图2中示出了示例性汽车电气系统的更详细视图，该汽车电气系统包括电池系统12。在所描绘的实例中，电池系统12包括电池控制系统14以及一个或多个电池模块16。另外，汽车电气系统可包括车辆控制台18和暖气、通风及空调(HVAC)系统20。在一些实施例中，汽车电气系统可以另外地或可替代地包括以电机模式运行的机械能来源22(例如电动机)。
另外，在所描绘的机动车辆10中，汽车电气系统可包括电源。在所示的实例中，汽车电气系统中的电源是交流发电机24。交流发电机24可以将机械能来源22(例如内燃机和/或旋转的车轮)产生的机械能转换成电能。在一些实施例中，电源可以另外地或可替代地包括以发电机模式运行的机械能来源22(例如电动机)。
如图所示，机动车辆10包括车辆控制系统26。在一些实施例中，车辆控制系统26可以总体上控制包括电气系统的机动车辆10的运行。因此，在所描绘的机动车辆10中，车辆控制系统26可以监管电池控制系统14、电池模块16、HVAC 20、交流发电机24、车辆控制台18和/或机械能来源22，从而使得车辆控制系统26类似于监管控制系统。然而，车辆控制系统26可以另外控制除电气系统的部件之外的其他部件的运行，诸如内燃机推进系统。
在一些实施例中，电池控制系统14可以另外地或可替代地控制电池系统12的运行。例如，电池控制系统14可以确定电池模块16的运行参数、协调多个电池模块16的运行、传送控制命令(例如信号)，从而指示电池系统12执行控制动作、和/或与车辆控制系统26通信。
为了便于控制电池系统12的运行，电池控制系统14可以包括处理器28和存储器30。在一些实施例中，存储器30可以包括存储数据的有形的非暂时性计算机可读介质，该数据例如是可由处理器28执行的指令、由处理器28确定的结果(例如电池状态)、和/或将由处理器28分析/处理的信息(例如运行参数)。因此，在此类实施例中，存储器30可包括：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可重写非易失性存储器(例如闪存)、硬盘驱动器、光盘等。另外，处理器28可以包括一个或多个通用处理单元、处理电路和/或逻辑电路。例如，处理器28可以包括一个或多个微处理器、一个或多个专用集成电路(ASIC)、和/或一个或多个现场可编程逻辑阵列(FPGA)。
另外，为了便于存储和供应电力，电池系统12可以包括一个或多个电池模块16。在一些实施例中，电池系统12的存储容量可以至少部分地基于电池模块16的数量。另外，在一些实施例中，电池系统12与汽车电气系统的运行兼容性可以至少部分地基于电池模块16的配置(例如，串联和/或并联)以在目标电压域中运行。因此，在一些实施例中，电池模块16以及因此电池系统12的实施方式(例如数量和/或配置)可以至少部分地基于汽车电气系统的配置和/或目标应用而变化。
如上所述，电池系统12的电池模块16的数量和/或配置可以至少部分地基于目标应用而变化。例如，在所描绘的机动车辆10中，电池系统12包括电池模块16。在一些实施例中，电池模块16可包括与电池模块16的端子串联和/或并联连接的一个或多个电池单元32。
另外，在一些实施例中，电池系统12可包括多个电池模块16，以便于提高应用灵活性和/或应用容易性。例如，电池系统12可包括第一电池模块16和第二电池模块16，第一电池模块16和第二电池模块16中的每一个包括串联和/或并联连接的一个或多个电池单元32。注意，电池系统12可包括多个电池模块16，以便于与多个电压域具有运行兼容性。例如，第一电池模块16可以使用第一(例如高的或48伏)电压域中的电力来运行(例如接收和/或供应电力)，而第二电池模块16使用第二(例如低的或12伏)电压域中的电力来运行。
在任何情况下，电池控制系统14可以通信地耦接到一个或多个传感器34，以便于整体监测电池模块16或电池系统12的运行。特别地，传感器34可以将传感器数据传输到电池控制系统14，所述传感器数据指示电池模块16的实时(例如测量的)运行参数。因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以通信地耦接到一个或多个电压传感器34、一个或多个温度传感器34、和/或各种另外的或可替代的传感器34。例如，在所示实施例中，电池控制系统14可以从传感器34接收传感器数据，该传感器数据指示电池模块16的电压(例如端子电压)和/或流过电池模块16的电流。
在一些实施例中，电池控制系统14可以基于存储在存储器30中的指令来处理传感器数据。例如，电池控制系统14可以将电池模型42和控制应用44作为指令存储在存储器30中。如上所述，电池控制系统14可以执行控制应用44以确定电池系统12中的电池(例如电池模块16和/或电池单元32)的状态。例如，电池控制系统14可以执行功能状态控制应用44以至少部分地基于电池的端子电压来确定放电电流限值和/或充电电流限值。另外，至少部分地基于电池状态，电池控制系统14可以指示电池系统12执行一个或多个控制动作和/或以不同的方式运行。例如，当流过开关装置的放电电流超过存储在存储器30中的放电电流限值时，电池控制系统14可以指示开关装置从闭合(例如连接)位置切换到断开(例如断开连接)位置。
另外，在一些实施例中，电池控制系统14可以使用电池模型42来预测电池和/或电池系统12的运行。换言之，电池模型42可以将电池系统12的行为、一个或多个电池单元32的行为和/或一个或多个电池模块16的行为模型化。因此，在一些实施例中，存储器30可以存储一个或多个不同的电池模型42，例如，以将不同抽象级别的运行模型化和/或将使用不同电池化学成分的电池的运行模型化。在任何情况下，为了便于提供实时控制，电池模型42通常可以计算简单，同时具有高预测精度。
通常，电池控制系统14可以使用电池模型42来预测电池的运行参数，作为由传感器34测量的运行参数的附加或替代。特别地，电池控制系统14可以输入一个或多个运行参数到电池模型42，并且至少部分地基于运行参数相互关系，电池模型42可以输出一个或多个预测的运行参数。例如，电池控制系统14可以由传感器34确定电池的端子电压，使用电池模型42中的端子电压，电池控制系统14可以确定电池的开路电压60。以这种方式，电池控制系统14可以利用电池模型42来确定(例如预测)电池的行为，这至少在一些情况下可以便于降低电池系统12的与实现相关的成本，例如，通过使传感器34的数量得以减少。
图3中示出了电池模型42的实例，电池控制系统14可以使用该电池模型42来将电池的运行模型化。如图所示，电池模型42使用RC等效电路模型。以这种方式，电池模型42可以表示一个或多个单独的电池单元32和/或一个或多个电池模块16。电池模型42使模型参数(例如电阻56、电阻58和电容62)与由一个或多个传感器34测量的运行参数(例如端子电压54、端子电流和电池温度)相关。另外，电池模型42可以提供一种机制，用以在机动车辆10的运行期间实时地估计电池模型42的参数(例如开路电压60)。
在电池模型42中，电阻58(例如R0)可以表示电池模块16的电流路径的欧姆电阻，电阻56(例如R1)可以表示电池模块16的电荷转移电阻，并且电容62(例如C1)可以表示电池模块16的双层电容。在电池模型42中，电阻56和58以及电容62通常可以是电池模块16的非时变参数。另外，用于确定电池模块16的状态的开路电压60通常可以是时变参数。也就是说，当电池模块16随时间充电和放电，开路电压60可以随时间增加和减少。以这种方式，由于参数值对模型参数的依赖性，电池模型42的准确度以及随后开路电压60参数的准确度可以通过验证模型参数而提高。在任何情况下，如上所述，电池控制系统14可以至少部分地基于电池模型42和/或一个或多个控制应用44来便于控制相应电池系统12的运行。
为了帮助说明，图4中示出了用于控制电池系统12的运行的过程70的示例。通常，过程70包括确定电池的运行参数(过程框72)、基于运行参数确定电池状态(过程框74)、以及基于电池状态控制电池的充电和/或放电(过程框76)。在一些实施例中，过程70可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现。
因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以确定电池的运行参数(过程框72)。图5中描述了用于确定电池的运行参数的过程86的实例。通常，过程86包括确定流过电池的电流(过程框88)、确定电池的端子电压(过程框90)、以及确定电池的温度(过程框92)。在一些实施例中，过程86可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现。
因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以至少部分地基于从一个或多个传感器34接收的传感器数据(例如信号)来确定电池的运行参数。例如，电池控制系统14可以至少部分地基于从第一(例如电压)传感器34接收的传感器数据来确定电池的端子电压54(过程框88)。另外，电池控制系统14可以至少部分地基于从第二(例如电流)传感器34接收的传感器数据来确定流过电池的电流(过程框90)。此外，电池控制系统14可以至少部分地基于从第三(例如温度)传感器34接收的传感器数据来确定电池的温度(过程框92)。
以这种方式，电池控制系统14可以确定运行参数，该运行参数包括电池的端子电压、电流和/或温度。如上所述，可以使用不同的电池模型42来将不同电池的运行模型化。至少在某些情况下，不同电池模型42中使用的运行参数可以变化。例如，一个电池模型42可以使用第一组运行参数，而不同的电池模型42可以使用第二组运行参数。
因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以至少部分地基于预期在电池模型42中使用的运行参数和/或预期在控制应用44中使用的运行参数来改变确定的运行参数。例如，当电池控制系统14使用图3中描述的电池模型42时，确定端子电压和电流可能已足够。然而，在一些实施例中，电池控制系统14仍然可以确定电池的温度，因为控制应用44的执行可能取决于电池温度。
返回到图4的过程70，至少部分地基于电池的运行参数，电池控制系统14可以确定电池状态(过程框74)。图6中描述了用于确定一种或多种电池状态的过程94的实例。通常，过程94包括确定电池的开路电压(过程框96)、确定电池的预测内部电阻(过程框98)、确定电池的端子电压是否大于电压阈值(判定框100)、以及当端子电压不大于电压阈值时基于预测的内部电阻确定充电电力限值(过程框102)。当端子电压大于电压阈值时，过程94包括确定电池的实时内部电阻(过程框104)以及基于电池的实时内部电阻确定充电电力限值(过程框106)。在一些实施例中，过程94可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现。
因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以至少部分地基于电池的运行参数来确定(例如预测或估计)电池的开路电压60(过程框96)。通常，电池的开路电压60可随其充电状态而变化。因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以执行充电状态控制应用44以便于确定开路电压60。例如，通过执行充电状态控制应用44，电池控制系统14可以至少部分地基于先前流过电池的电流来确定充电状态(例如，使用库仑计数技术)。利用它们的相互关系，电池控制系统14然后可以至少部分地基于其充电状态来确定电池的开路电压60。
另外，电池控制系统14可以确定电池的预测的内部电阻(过程框98)。在一些实施例中，电池控制系统14基于预计的运行状况(充电状态、温度、电力使用等)预测预期发生的内部电阻。例如，电池控制系统14可以至少部分地基于预测的驾驶模式、流过电池的电流、以及电池的端子电压54来确定预测的内部电阻。在此类实施例中，可以使用以下关系(例如模型)确定预测的内部电阻：
其中R是预测的内部电阻，ΔV是当前的(例如实时)端子电压与估计的开路电压之间的差，并且I是当前电池电流的值。以这种方式，电池控制系统14可以在适当考虑随时间充电和/或放电的情况下确定电池的预测的电池内部电阻。
当电池的端子电压54大于电压阈值时，电池控制系统14可以确定电池的实时内部电阻(过程框104)。在一些实施例中，电压阈值可以是预先确定的并且被存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中。因此，在此类实施例中，电池控制系统14可以从有形的非暂时性介质中检索电压阈值，用于与端子电压54进行比较。
另外，如上所述，当电池的端子电压增加到高于电压阈值上限时，电池寿命可能降低。为了降低导致实际端子电压超过电压阈值上限的传感器误差或测量误差的可能性，在一些实施例中，电池可在其测量的端子电压54达到电压阈值上限之前例如通过限制电池的充电和/或放电而开始降低其额定值。例如，电池控制系统14可以至少部分地基于其测量的端子电压54与电压阈值下限之间的比较来降低电池的额定值。
因此，当测量的端子电压大于电压阈值下限时，电池控制系统14可以至少部分地基于电池模型42确定电池的实时内部电阻。例如，使用图4中所示的电池模型42，电池控制系统14可以至少部分地基于其开路电压60、测量的(例如当前的或实时的)端子电压54、以及测量的(例如当前的或实时的)电池电流来确定电池的实时内部电阻(例如电阻58、电阻56和/或电容62的组合电阻)。特别地，实时内部电阻可以等于测量的端子电压54与开路电压60之间的差除以测量的电池电流。
至少部分地基于实时内部电阻或预测的内部电阻，电池控制系统14可以确定充电电力限值。通常，供应给电池的不同充电电力可能存在不同的权衡。例如，增加充电电力可增加存储在电池中的电能，但也会增加电池的温度，这可导致电池寿命减少。另一方面，降低充电电力(例如降低额定值)可便于降低电池的温度，但是也可减少存储在电池中的电能。因此，为了便于平衡各种权衡，电池控制系统14可以执行(例如功能状态)控制应用44以确定充电电力限值。
具体地，当测量的端子电压54大于电压阈值下限时，电池控制系统14可以使用实时内部电阻来执行控制应用44，以确定电池的充电电力限值(过程框106)。如上所述，由于内部电阻通常是动态的(例如随时间变化)，因此实时内部电阻可以例如比预测的内部电阻更准确地表示特定时刻的实际内部电阻。换言之，至少在一些情况下，以这种方式确定充电电力限值可以便于实现各种权衡之间的目标平衡，例如，通过减小快速端子电压振荡的可能性。
另一方面，当电池的端子电压54不大于电压阈值下限时，电池控制系统14可以使用预测的内部电阻来执行控制应用44，以确定电池的充电电力限值(过程框102)。如上所述，预测的内部电阻可以在预测范围内被预测，并且因此可以适用于多于一个特定时刻。实际上，虽然实时内部电阻可以更准确地表示特定时刻的内部电阻，但是预测的内部电阻的准确度通常足以在其预测范围期间确定充电电力限值。因此，通过利用端子电压作为在这些时刻之间的分割指示器，以这种方式确定充电电力限值可以便于提高电池控制系统14的处理效率，例如，通过减少确定实时内部电阻的次数。
返回到图4的过程70，至少部分地基于电池的状态，电池控制系统14便于控制电池的充电和/或放电，例如，在更高级别的(例如车辆)控制系统的协作下(过程框76)。为了帮助说明，图7中描述了用于控制电池充电的过程108的实例。通常，过程108包括确定目标充电电力(过程框110)、确定目标充电电力是否小于充电电力限值(判定框112)、当目标充电电力小于充电电力限值时供应目标充电电力下的电力(过程框114)、以及当目标充电电力不小于充电电力限值时供应充电电力限值下的电力(过程框116)。在一些实施例中，过程108可以至少部分地通过使用处理电路(诸如处理器28)执行存储在有形的非暂时性计算机可读介质(诸如存储器30)中的指令来实现。
因此，在一些实施例中，控制系统(例如电池控制系统14和车辆控制系统26)可以确定目标充电电力(过程框110)。如上所述，不同的充电电力可影响存储在电池中的电能的量，从而影响电池向电气装置供应电力的后续能力。因此，在一些实施例中，电池控制系统14可以至少部分地基于通过充电操作获得的目标充电状态来确定目标充电电力。另外地或可替代地，电池控制系统14可以至少部分地基于电气装置(预期电池随后向该电气装置供应电力)来确定目标充电电力。
基于目标充电电力和充电电力限值之间的比较，控制系统可以指示电力源(例如交流发电机或发电机)调整供应给电池的电力。具体地，当目标充电电力小于充电电力限值时，控制系统可以指示电力源根据目标充电电力向电池供应电力。另一方面，当目标充电电力不小于充电电力限值时，控制系统可以指示电力源根据充电电力限值向电池供应电力，以便于提高电池的运行可靠性。例如，通过降低充电操作显著影响(例如缩短)电池后续寿命的可能性。
因此，所公开的一个或多个实施例，单独或组合地，可以提供一种或多种技术效果，包括改善电池系统的性能。特别地，所公开的实施例可以通过执行控制应用例如基于电压、电流、温度、充电状态、电池单元和运行参数来确定用于对电池充电和/或放电的电力限值。例如，通过使用至少部分地基于由电池模型确定的运行参数预测的电池状态，电池控制系统可以估计在输出控制命令(例如将发电机从闭合位置切换到断开位置)时使用的电力限值。另外地或可替代地，电池控制系统可以至少部分地基于从一个或多个传感器接收的传感器数据来确定电池系统的实时(例如测量的或实际的)运行参数。以这种方式，本文描述的技术使得能够提高在线(例如实时或接近实时)电池状态确定的准确性。说明书中的技术效果和技术问题是示例性的而非限制性的。应当注意，说明书中描述的实施例可以具有其他技术效果并且可以解决其他技术问题。
已经通过实例示出了上述具体实施例，并且应当理解，这些实施例可以容许各种修改和替代形式。还应当理解，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

Claims (20)

1.一种包含电池系统的汽车电气系统，其中所述电池系统包含：
包含端子的电池，所述端子被配置为电耦接到所述汽车电气系统中的一个或多个电气装置；
一个或多个传感器，其电耦接到所述电池的所述端子，其中所述一个或多个传感器被配置为确定传感器数据，所述传感器数据指示所述电池的测量的端子电压；和
电池控制系统，其通信地耦接到所述一个或多个传感器，其中所述电池控制系统被编程为：
确定所述电池的预测的内部电阻，其中所述预测的内部电阻是基于在一预测范围内计划的运行条件确定的；
当所述电池的所述测量的端子电压不大于电压阈值下限时，至少部分地基于所述预测的内部电阻来确定充电电力限值，所述充电电力限值用于控制向所述电池供应电力；和
当所述电池的所述测量的端子电压大于所述电压阈值下限时：
至少部分地基于所述电池的所述测量的端子电压和电池模型来确定所述电池的实时内部电阻，所述电池模型描述测量的电池参数与所述电池的内部电阻之间的关系；和
至少部分地基于所述实时内部电阻来确定所述充电电力限值，以便于提高所述电池的运行可靠性。
2.根据权利要求1所述的汽车电气系统，包含：
电力源，其电耦接到所述电池的所述端子；和
车辆控制系统，其通信地耦接到所述电池控制系统和所述电力源，其中所述车辆控制系统被编程为：
从所述电池控制系统接收所述充电电力限值的指示；和
指示所述电力源根据所述充电电力限值向所述电池供应电力。
3.根据权利要求1所述的汽车电气系统，其中所述电池控制系统被编程为：
确定与预测范围期间的一时刻对应的所述实时内部电阻；
当所述电池的所述测量的端子电压不大于电压阈值下限时，使用至少部分地基于所述预测的内部电阻确定的所述充电电力限值来控制在所述时刻的所述电池的充电；和
当所述电池的所述测量的端子电压大于电压阈值下限时，使用至少部分地基于所述实时内部电阻确定的所述充电电力限值来控制在所述时刻的所述电池的充电。
4.根据权利要求1所述的汽车电气系统，其中：
所述电池模型包含RC电路，所述RC电路被配置为描述所述电池的所述内部电阻与所述电池的所述端子电压、流过所述电池的电流以及所述电池的开路电压之间的关系；并且
所述RC电路中的所述内部电阻包含：
第一电阻器，其串联电耦接在所述电池的所述开路电压与所述端子电压之间；和
第二电阻器和电容器，其并联电耦接在所述电池的所述开路电压与所述端子电压之间。
5.根据权利要求1所述的汽车电气系统，其中：
所述一个或多个传感器被配置为确定传感器数据，所述传感器数据指示流过所述电池的测量的电流；并且
为了确定所述实时内部电阻，所述电池控制系统被编程为：
确定所述电池的开路电压；以及
至少部分地基于所述电池的所述测量的端子电压与所述电池的所述开路电压之间的差除以流过所述电池的所述测量的电流来确定所述电池的所述实时内部电阻。
6.根据权利要求5所述的汽车电气系统，其中，为了确定所述电池的所述开路电压，所述电池控制系统被编程为：
确定所述电池的初始充电状态；
至少部分地基于在所述初始充电状态与当前充电状态之间流过所述电池的电流来确定所述电池的所述当前充电状态；以及
至少部分地基于所述电池的所述当前充电状态来确定所述电池的所述开路电压。
7.根据权利要求5所述的汽车电气系统，其中，为了确定所述电池的所述开路电压，所述电池控制系统被编程为：
指示所述电池系统将所述电池与所述一个或多个电气装置电气断开；并且
在所述电池保持与所述一个或多个电气装置电气断开的持续时间大于一休眠持续时间阈值之后，至少部分地基于所述测量的端子电压来确定所述电池的所述开路电压。
8.根据权利要求1所述的汽车电气系统，其中：
所述一个或多个传感器被配置为确定传感器数据，所述传感器数据指示流过所述电池的测量的电流；和
为了确定所述预测的内部电阻，所述电池控制系统被编程为：
确定预测的驾驶模式，其中所述预测的驾驶模式包含在所述预测范围内计划的电池状态；
确定所述测量的端子电压相对于所述电池的先前端子电压之间的电压变化；和
至少部分地基于将所述电压变化乘以流过所述电池的所述测量的电流并除以所述预测的驾驶模式来确定所述预测的内部电阻。
9.根据权利要求1所述的汽车电气系统，包含温度传感器，所述温度传感器被配置为确定传感器数据，所述传感器数据指示所述电池的温度，其中所述电池控制系统被编程为至少部分地基于所述电池的所述温度来调整所述电池模型的模型参数。
10.根据权利要求1所述的汽车电气系统，其中所述电池控制系统被编程为当所述电池的所述测量的端子电压超过电压阈值上限时，所述电压阈值上限大于所述电压阈值下限，指示所述电池系统将所述电池与所述一个或多个电气装置电气断开，以便于延长所述电池的使用寿命。
11.根据权利要求1所述的汽车电气系统，其中所述电池包含：
锂离子电池单元，其电耦接在所述端子之间；或者
锂离子电池模块，其包含电耦接在所述端子之间的多个电池单元。
12.一种用于控制机动车辆中的电池单元的充电的方法，包含：
使用控制系统至少部分地基于从第一传感器接收的传感器数据来确定所述电池单元的测量的端子电压；
使用所述控制系统确定所述电池单元的预测的内部电阻，其中所述预测的内部电阻包含基于在预测范围内计划的运行条件；
使用所述控制系统通过以下步骤确定充电电力限值：
当所述电池单元的所述测量的端子电压不大于电压阈值下限时，至少部分地基于所述电池单元的所述预测的内部电阻来确定所述充电电力限值；和
当所述电池单元的所述测量的端子电压大于所述电压阈值下限时，至少部分地基于所述电池单元的实时内部电阻来确定所述充电电力限值，其中至少部分地基于电池模型来确定所述电池单元的所述实时内部电阻，所述电池模型将测量的运行参数与包含内部电阻的模型参数相关联；和
当目标充电电力大于所述充电电力限值时，使用所述控制系统指示电力源至少部分地基于所述充电电力限值来调整供应给所述电池单元的充电电力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述预测的内部电阻包含：
确定所述机动车辆的预测驾驶模式，其中所述预测驾驶模式包含在所述预测范围内计划的电池状态；
确定所述测量的端子电压相对于所述电池单元的先前端子电压的电压变化；和
至少部分地基于将所述电压变化乘以流过所述锂离子电池模块的所述测量的电流并除以所述预测驾驶模式来确定所述预测的内部电阻。
14.根据权利要求12所述的方法，包含：
使用所述控制系统至少部分地基于从第二传感器接收的传感器数据来确定流过所述电池单元的测量的电流；和
当所述电池单元的所述测量的端子电压大于所述电压阈值下限时，使用所述控制系统通过下列步骤来确定所述电池单元的所述实时内部电阻：
确定所述电池单元的开路电压；和
至少部分地基于所述电池单元的所述测量的端子电压与所述电池单元的所述开路电压之间的差除以流过所述电池单元的所述测量的电流来确定所述电池单元的所述实时内部电阻。
15.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述电池单元的所述开路电压包含：
至少部分地基于流过所述电池单元的所述测量的电流来确定所述电池单元的充电状态；和
至少部分地基于所述电池单元的所述充电状态来确定所述电池单元的所述开路电压。
16.根据权利要求12所述的方法，包含：当所述电池单元的所述测量的端子电压超过电压阈值上限时，所述电压阈值上限大于所述电压阈值下限，使用所述控制系统指示电耦接在所述电池单元与所述电力源之间的开关装置切换到断开位置。
17.一种有形的非暂时性计算机可读介质，其存储可由汽车控制系统的一个或多个处理器执行的指令，其中所述指令包含用于执行以下行为的指令：
使用所述一个或多个处理器，至少部分地基于从第一传感器接收的传感器数据来确定汽车电池模块的测量的端子电压；
使用所述一个或多个处理器确定在预测范围内预期发生的所述汽车电池模块的预测的内部电阻；
使用所述一个或多个处理器通过以下步骤确定充电电流限值：
当所述汽车电池模块的所述测量的端子电压不大于电压阈值时，至少部分地基于所述汽车电池模块的所述预测的内部电阻来确定所述充电电流限值；和
当所述汽车电池模块的所述测量的端子电压大于所述电压阈值时，至少部分地基于所述汽车电池模块的实时内部电阻来确定所述充电电流限值，其中至少部分地基于电池模型来确定所述汽车电池模块的所述实时内部电阻，所述电池模型将测量的电池参数与包含内部电阻的模型参数相关联；和
使用所述一个或多个处理器指示所述汽车电池模块至少部分地基于所述放电电力限值向机动车辆中的电气装置供应电力。
18.根据权利要求17所述的有形的非暂时性计算机可读介质，包含用于执行以下行为的指令：
使用所述一个或多个处理器，至少部分地基于从第二传感器接收的传感器数据来确定流过所述汽车电池模块的测量的电流；和
当所述汽车电池模块的所述测量的端子电压大于所述电压阈值时，使用所述一个或多个处理器通过以下步骤确定所述锂离子电池的所述实时内部电阻：
确定所述汽车电池模块的开路电压；和
至少部分地基于所述电池单元的所述测量的端子电压与所述电池单元的所述开路电压之间的差除以流过所述电池单元的所述测量的电流来确定所述汽车电池模块的所述实时内部电阻。
19.根据权利要求18所述的有形的非暂时性计算机可读介质，其中确定所述汽车电池模块的所述开路电压的指令包含用于执行以下行为的指令：
至少部分地基于流过所述汽车电池模块的所述测量的电流确定所述汽车电池模块的充电状态；和
至少部分地基于所述汽车电池模块的所述充电状态来确定所述汽车电池模块的所述开路电压。
20.根据权利要求17所述的有形的非暂时性计算机可读介质，其中确定所述预测的内部电阻的指令包含用于执行以下行为的指令：
确定所述机动车辆的预测驾驶模式，其中所述预测驾驶模式包含在所述预测范围内计划的电池状态；
确定所述测量的端子电压相对于所述汽车电池模块的先前端子电压的电压变化；和
至少部分地基于将所述电压变化乘以流过所述汽车电池模块的所述测量的电流并除以所述预测驾驶模式来确定所述预测的内部电阻。
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