CN1985183B - 电池充电状态估计器 - Google Patents

Abstract

一种用于电池系统的电池控制模块包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。充电状态模块与电流和电压测量模块通信，并估计充电状态。

Description

电池充电状态估计器

相关申请的交叉引用

本申请要求以下申请的优先权：2004年4月6日递交的美国临时申请No.60/559,921；2005年3月16日递交的美国专利申请No.11/081,979；2005年3月16日递交的美国专利申请No.11/081,980；和2005年3月16日递交的美国专利申请No.11/081,978。以上申请公开文本的全部内容通过引用被结合于此。

技术领域

本发明涉及电池系统，更具体而言，涉及用于电池系统的充电状态跟踪系统。

背景技术

电池系统可在多种应用中用于提供电力。示例性的运输应用包括混合动力电动汽车(HEV)、电动汽车(EV)、重型汽车(HDV)和带有42伏电气系统的汽车。示例性的静止应用包括电信系统的后备电力、不间断电源(UPS)和分布式发电应用。

所使用的电池类型的示例包括镍氢(NiMH)电池、铅酸电池和其他类型的电池。电池系统可以包括多个串联和/或并联连接的电池子包(subpack)。电池子包可以包括多个并联和/或串联连接的电池。

电池、电池子包和/或电池系统可以提供的最大和/或最小电力作为电池的温度、电池充电状态(SOC)和/或电池寿命的函数而随时间变化。因此，对电池SOC的精确估计对于确定最大和最小电力是很重要的。

可以由电池提供或来源于电池的能量是充电状态的函数。当在操作期间电池的充电状态已知并且达标时，在充电时接受安时(amp-hour)的能力和放电时提供安时的能力之间可以维持最优比。由于可以维持该最优比，因此降低了使电池系统尺寸过大来确保足够的电力辅助和再生能量的需要。

例如，在诸如HEV或EV之类的运输应用中，对动力控制系统来说，知道电池系统的最大和/或最小电力界限是很重要的。动力控制系统通常从加速踏板接收输入的电力请求。动力控制系统与电池系统的最大电力界限相关地解释电力请求(当电池系统正在驱动轮胎时)。最小电力界限在再充电和/或再生制动期间可能是相关的。超过最大和/或最小电力界限可能损坏电池和/或电池系统，和/或缩短电池和/或电池系统的工作寿命。能够精确地估计电池SOC是有些成问题的——尤其当电池系统包括NiMH电池时。

发明内容

一种用于电池系统的电池控制模块包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。充电状态(SOC)模块与电流和电压测量模块通信并给予松弛(relaxation)电压估计SOC。

在其他特征中，SOC模块在合格的充电摆动(swing)跟在放电摆动和松弛之后时使能SOC估计。SOC模块累积充电期间的充电摆动，并在累积的充电摆动在充电摆动窗口内时识别合格的充电摆动。SOC模块累积放电期间的放电摆动，并在累积的放电摆动在放电摆动窗口内时识别合格的放电摆动。

在其他特征中，所述SOC模块监视电池既不充电也不放电的休息时段。SOC模块在休息时段大于阈值时使能SOC估计。SOC模块在合格的充电摆动与前一放电摆动和松弛之间的第一时段小于预定允许时间时使能充电期间的SOC估计。SOC模块在合格的放电摆动与前一充电摆动和松弛之间的第二时段小于预定允许时间时使能充电期间的SOC估计。

一种用于电池系统的电池控制模块包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。充电状态(SOC)模块与所述电流和电压测量模块通信并基于电力界限比来估计SOC。

在其他特征中，SOC模块在充电期间累积充电摆动，识别充电摆动期间的最大电流，并存储最大充电电流、充电摆动和充电电力界限。SOC模块在放电期间累积放电摆动，识别放电摆动期间的最大电流，并且存储最大放电电流、放电摆动和放电电力界限。SOC模块判断充电摆动是否大于留存的放电摆动的负值。

在其他特征中，SOC模块判断最大电流是否大致等于留存的放电电流的负值。SOC模块包括查找表。SOC模块在充电摆动大于留存的放电摆动并且最大电流大致等于留存的放电电流的负值时查找作为电力界限比的函数的SOC。

在其他特征中，SOC模块判断最大电流是否大致等于留存的充电电流的负值。SOC模块包括查找表。SOC模块在放电摆动大于留存的充电摆动并且最大电流大致等于留存的充电电流的负值时查找作为电力界限比的函数的SOC。

一种用于电池系统的电池控制模块包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。充电状态(SOC)模块与电流和电压测量模块通信，并且当在充电期间的累积的充电摆动大于或等于在前一放电期间的累积的放电摆动并且充电电流的负值处于在前一放电期间的留存的放电电流的负值的预定窗口内时估计SOC。

在其他特征中，SOC模块当在放电期间的累积的放电摆动大于或等于在前一充电期间的累积的充电摆动并且放电电流的负值处于在前一充电期间的留存的充电电流的负值的预定窗口内时估计SOC。

一种用于电池系统的电池控制模块包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。充电状态(SOC)模块与电流和电压测量模块通信，并且当在放电期间的累积的放电摆动大于或等于在前一充电期间的累积的充电摆动并且放电电流的负值处于在前一充电期间的留存的充电电流的负值的预定窗口内时估计SOC。

从下文提供的详细描述中，本发明的其他应用方面将变得明显。应该理解，详细的描述和特定示例虽然指示本发明的优选实施例，但是它们仅出于举例说明的目的，而不希望限制本发明的范围。

附图说明

从以下详细描述和附图中，将更全面理解本发明，在附图中：

图1是包括电池子包、电池控制模块和主控制模块的电池系统的功能框图；

图2是电池控制模块的更详细功能框图；

图3是电池的等效电路；

图4是电池电流作为时间的函数的图；

图5A和图5B是示出用于估计充电状态的松弛电压方法的步骤的流程图；

图6是电池电流作为时间的函数的曲线图，其中示出了充电和放电摆动以及充电和放电事件；以及

图7是示出估计电池充电状态的电力比方法的流程图。

具体实施方式

以下对(一个或多个)优选实施例的描述本质上仅仅是示例性的，并且决不希望限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，将在附图中使用相同的标号来标识相同的元件。这里使用的术语模块或设备指的是提供了所描述的功能的执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路和/或其他合适的组件。这里使用的术语电流摆动(currentswing)指的是在一段持续时间内积分的电流，在该持续时间期间，充电(极性)处在一个方向上。充电摆动可以以安秒或A-s来表示。

可以用来计算SOC的示例性系统将被示出，但是本领域技术人员将意识到可以使用其他系统。现在参考图1，电池系统10的示例性实施例被示为包括M个电池子包12-1、12-2、...和12-M(统称为电池子包12)。电池子包12-1、12-2、...和12-M包括N个串联连接的电池20-11、20-12、...和20-NM(统称为电池20)。电池控制模块30-1、30-2、...和30-M(统称为电池控制模块30)分别与每个电池子包12-1、12-2、...和12-M相关联。在某些实施例中，M等于2或3，但是可以使用更多或更少的子包。在某些实施例中，N等于12-24，但是可以使用更多和/或更少的电池。

电池控制模块30感应电池子包12两端的电压和由电池子包12提供的电流。可替换地，电池控制模块30可以监视电池子包12中的一个或多个单独的电池20，并执行适当的缩放和/或调整。电池控制模块30利用无线和/或有线连接与主控制模块40通信。主控制模块40接收来自电池控制模块30的电力界限并生成总体电力界限。SOC可以针对每个模块计算，分组计算和/或总体计算。在某些实施例中，电池控制模块30可以与主控制模块40相集成。

现在参考图2，电池控制模块30的某些元件被示出。电池控制模块30包括电压和/或电流测量模块60，其测量电池子包12两端的电压和/或电池子包12中的一个或多个单独的电池20两端的电压。电池控制模块30还包括电池充电状态(SOC)模块68，其周期性地计算电池子包12中的电池20的SOC。在一种实现方式中，SOC模块68使用电力比估计和/或V₀方法，随后将描述。在另一实现方式中，SOC模块68使用松弛电压SOC估计方法，随后将描述。SOC模块68可以采用查找表70、公式和/或其他方法。

电力界限模块72计算针对电池子包12和/或电池子包12中的一个或多个电池20的最大电流界限I_lim、电压界限V_lim和/或电力界限P_lim，随后将进一步描述。这些界限可以是最大和/或最小界限。接触器控制模块74控制与电池子包12中的电池20的控制和/或连接相关联的一个或多个接触器(未示出)。时钟电路76生成用于电池控制模块30中的一个或多个模块的一个或多个时钟信号。

现在参考图3，电池20的等效电路被示出，其中R₀代表电池的欧姆电阻，V_p代表极化电压，V₀代表开路或松弛电压，I代表电池电流并且V代表电池电压。V和I是被测值。R_p随温度、供应电流持续时间以及SOC而变化。V₀和R₀主要随SOC变化。V_p等于被测电流I乘以R_p。对电池20使用等效电路和Kirchoff电压规则，得到V＝V₀+V_p+IR₀。

松弛电压对温度和电流要求较不敏感，并且是SOC的良好指示器。一组专门的电流脉冲可被用来调节电池条件以产生取决于SOC的松弛电压。该方法在这里被称为松弛电压SOC估计。

现在参考图4，电池电流被示为时间的函数。大于零的电流(例如在100-1、100-2、100-3和100-4处的电流)是充电电流。小于零的电流(例如在102-1、102-2和102-3处的电流)是放电电流。点106和108之间以及点110和112之间曲线下面的区域被定义为以A-s为单位的充电摆动。点108和110之间电流曲线下面的区域被定义为以A-s为单位的放电摆动。

现在参考图5A和图5B，其示出了用于实现松弛电压SOC估计方法的方法步骤。松弛电压估计方法监视针对一对电力脉冲的电池电流，检查每个脉冲之后的松弛电压，并使用查找表70来确定SOC。松弛电压方法是基于对整个工作温度范围(例如-15℃到45℃)中对脉冲的电压响应的观察而得到的。松弛电压受摆动幅度、脉冲幅度以及电池是从充电顶部还是充电底部带入所影响。

在图5A和图5B中，控制开始于步骤150。在步骤152中，电流和电压被测量。在步骤154中，控制判断被测电流是否是充电电流(电流＞零或某个预定阈值)。如果在步骤154中为真，控制则在步骤156中累积充电摆动并重置放电摆动。在步骤158中，控制将休息(Rest)变量设置为零。在步骤162中，控制判断累积的充电摆动是否在预定窗口内。该窗口可以包括上阈值和下阈值。在某些实现方式中，上阈值和下阈值在电池容量的10％和100％之间，但是可以使用其他值。如果不是，控制则在步骤163中禁止充电后的SOC查找，并返回步骤152。

如果步骤162为真，控制则继续到步骤164，并判断上次摆动和松弛是否发生在放电中。这里使用的松弛指的是电池电压渐近地逼近松弛电压。如果不是，控制则继续到步骤163。如果步骤164为真，控制则在步骤166中使能充电后的SOC查找。

如果步骤154为假，控制则继续到步骤174。在步骤174中，控制判断被测电流是否是放电电流(电流＜零或某个预定阈值)。如果步骤174为真，控制则在步骤176中累积放电摆动并重置充电摆动。在步骤178中，控制将变量Rest设置为零。在步骤182中，控制判断累积的放电摆动是否在预定窗口内。该窗口可以包括上阈值和下阈值，该上阈值和下阈值可能与累积的充电摆动的上阈值和下阈值类似，也可能与它们不同。如果不是，控制则在步骤183中禁止放电后的SOC查找并返回步骤152。

如果步骤182为真，控制则继续到步骤184并判断上次摆动和松弛是否发生在充电中。如果不是，控制则继续到步骤183。如果步骤184为真，控制则在步骤186中使能放电后的SOC查找。

如果步骤174为假，控制则继续到图5B中步骤200，并使变量Rest递增。在步骤202中，控制通过将休息时间(rest time)与阈值相比较来判断休息时间是否足够。在某些实现方式中，大约120秒被用作阈值，但是可以使用其他值。如果步骤202为真，控制则在步骤204中判断可允许的时间是否小于阈值时间Th_time。在某些实现方式中，可允许的时间等于240秒，但是可以使用其他值。超过该值将指示对脉冲的控制不足以进行SOC估计。

如果步骤204为真，控制则继续到步骤206，并且判断是否使能了充电后的SOC查找。如果步骤206为真，控制则在步骤208中查找作为松弛电压的函数的SOC，并在步骤210中禁止充电后的SOC查找，并且控制返回步骤152。如果步骤206为假，控制则继续到步骤212，并且判断是否使能了放电后的SOC查找。如果步骤212为真，控制则在步骤214中查找作为松弛电压的函数的SOC，并在步骤216中禁止放电后的SOC查找，并且控制返回步骤152。如果步骤202、204或212为假，控制则返回步骤152。

电力比SOC估计方法监视电力脉冲对。该方法计算当脉冲对的摆动大致相等时，充电和放电中的电力能力之比。SOC是电力比的函数并且由查找表确定。该算法是在尝试使用电流和电压输入求解松弛电压V₀时推导出的。

当最大或最小电力被保持在电压界限时的电压等式为V_lim＝V₀+V_p+I_limR₀。将来自前一采样间隔的对V₀+V_p的计算带入V_lim的等式，得到V_lim＝(V-IR₀)+I_limR₀。在此情况下，我们假设当前采样间隔的V₀+V_p大致等于前一采样间隔的V₀+V_p(换言之，V₀+V_p≈V_t＝i-1-I_t＝i-1R₀)。如果采样间隔足够小，该近似则是有效的，因为电池和环境状况非常类似。例如，在某些实现方式中，可以使用采样间隔10ms＜T＜500ms，但是可以使用其他采样间隔。在一个实施例中，T＝100ms。1秒的采样间隔已被成功使用。如果采样间隔在持续时间上被确定地过大，R₀则可能作为常数或依赖于温度的变量增大。

对I_lim的求解得到：

$I_{\lim }=\frac{V_{\lim }-V_{t=i-1}+I_{t=i-1}{R}_0}{R_0}$

因此，由于P_lim＝V_limI_lim，因此

$P_{\lim }=V_{\lim }\left(\frac{V_{\lim }-V_{t=i-1}+I_{t=i-1}{R}_0}{R_0}\right)$

在针对充电或放电摆动和被测电流建立电力界限时，被测电流和电压值被存储。当电流反向时，摆动幅度穿过留存的摆动的负值，并且电流大致等于留存的电流的幅度，电力界限计算被执行。

电力比是通过针对相邻周期，用充电中的P_lim除以放电中的-P_lim而计算出的。即使V₀和V_p不再处于等式中，它们在贡献也可以在电流和电压测量中反映出，它们是极化建立和V₀两者的函数。在充电摆动期间的极化电压V_p大致等于具有大致相等幅度的放电摆动期间的极化电压V_p。利用该近似，电力比SOC估计被用来从计算中除去V_p。电力界限比的使用具有在所述的充电判断中添加了对低SOC时的低放电电力和高SOC时的低充电接受性的考虑的效果。

在图6中，电池电流被示出。本发明在某些环境下监视充电和放电摆动，并宣布充电和放电事件。在充电摆动大于充电摆动阈值时，充电摆动事件发生。当放电摆动大于放电摆动阈值时，放电摆动发生。阈值可以基于前一充电或放电事件或与之相关。例如，充电摆动阈值可以被设置为等于前一放电事件的绝对值。放电摆动阈值可以被设置为等于前一充电事件的绝对值。还有其他方法也可被用来确定充电和放电阈值。这里使用的术语宣告(claim)指的是当一个充电或放电事件后面跟着一个放电或充电宣告时以及当满足下述其他条件时的状况。对于不同的标准，放电事件的发生是独立于放电宣告的发生来确定的。算法同时寻找其两者。例如，宣告点发生在放电摆动面积等于前一充电摆动时。事件点发生在电流与放电电流MIN之比粗略等于充电事件时的电流与充电电流MAX之比时。在图7中如果L＝K，就是这种情况。在某些实现方式中，L和K在1和2之间，但是可以使用其他值。

现在参考图7，根据本发明的电力比SOC估计方法被更详细地示出。控制开始于步骤250。在步骤254中，控制测量电流和电压。在步骤258中，控制判断是否存在充电电流。充电电流由大于零或某个预定正阈值的正电流定义。如果步骤258为真，控制则继续到步骤262并累积充电摆动。在步骤264中，控制判断充电摆动期间的电流是否超过最大值并大于Current_max/K。当步骤264为真时，控制在步骤266中存储电流、充电摆动和电力界限的值。如果不是，控制则跳过步骤266继续到步骤270。在步骤270中，控制判断摆动是否大于前一放电摆动。如果不是，控制则在步骤272中不执行SOC宣告，并且控制继续到步骤254。

如果步骤270为真，控制则在步骤274中判断电流是否大致等于留存的放电电流-I_DR(换言之，是否在其上阈值和下阈值内)。如果步骤274为假，控制则在步骤276中不执行SOC宣告，并且控制继续到步骤254。如果步骤274为真，控制则在步骤280中查找作为电力界限与留存的电力界限比的SOC。

如果步骤258为假，控制则继续到步骤278并判断是否出现放电电流。放电电流在放电电流小于零或某个预定负阈值时出现。如果步骤278为假，控制则返回步骤254。如果步骤278为真，控制则继续到步骤282并累积放电摆动。在步骤284中，控制判断放电摆动期间的电流是否经过最小值并且小于Current_min/L。当步骤284为真时，控制在步骤286中存储电流、放电摆动和电力界限的值。如果不是，控制则跳过步骤286继续到步骤290。在步骤290中，控制判断放电摆动是否大于前一充电摆动。如果不是，控制则在步骤292中不执行SOC宣告并且控制继续到步骤254。

如果步骤290为真，控制则在步骤294中判断电流是否大致等于留存的充电电流-I_CR(换言之，是否在上阈值和下阈值内)。如果步骤294为假，控制则在步骤296中不执行SOC宣告并且控制继续到步骤294。如果步骤294为真，控制则在步骤300中查找作为电力界限与留存的电力界限比的SOC。

本领域技术人员现在可以从上面的描述中意识到，本发明的宽广的教导可以以各种形式来实现。因此，虽然本发明已经结合其具体示例进行了描述，但是本发明的真实范围不应局限于此，因为在阅读了附图、说明书和所附权利要求书之后，本领域技术人员将清楚其他修改。

Claims (18)

1.一种用于电池系统的电池控制模块，包括：

测量电池电压的电压测量模块；

测量电池电流的电流测量模块；以及

与所述电流和电压测量模块通信并基于松弛电压估计充电状态的充电状态模块，其中，所述充电状态模块基于跟随在放电摆动和松弛之后的合格的充电摆动或跟随在充电摆动和松弛之后的合格的放电摆动，使能所述充电状态的估计。

2.如权利要求1所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块当所述合格的充电摆动跟随在所述放电摆动和松弛之后时，使能所述充电状态的估计。

3.如权利要求1所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块当所述合格的放电摆动跟随在所述充电摆动和松弛之后时，使能所述充电状态的估计。

4.如权利要求2所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块累积充电期间的充电摆动，并在所述累积的充电摆动在充电摆动窗口内时，识别所述合格的充电摆动。

5.如权利要求3所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块累积放电期间的放电摆动，并在所述累积的放电摆动在放电摆动窗口内时，识别所述合格的放电摆动。

6.如权利要求1所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块监视所述电池既不充电也不放电的休息时段。

7.如权利要求6所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块在所述休息时段大于阈值时，使能所述充电状态的估计。

8.如权利要求2所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块在所述合格的充电摆动与所述前一放电摆动和松弛之间的第一时段小于预定允许时间时，使能充电期间的充电状态估计。

9.如权利要求3所述的电池控制模块，其中所述充电状态模块在所述合格的放电摆动与所述前一充电摆动和松弛之间的第二时段小于预定允许时间时，使能充电期间的充电状态估计。

10.一种用于电池系统的操作电池控制模块的方法，包括：

测量电池电压；

测量电池电流；

基于松弛电压、所述电池电压和所述电池电流来估计充电状态；以及

当合格的充电摆动跟随在放电摆动和松弛之后时或合格的放电摆动跟随在充电摆动和松弛之后时，使能所述充电状态估计。

11.如权利要求10所述的方法，还包括当所述合格的充电摆动跟随在所述放电摆动和松弛之后时，使能所述充电状态估计。

12.如权利要求10所述的方法，还包括当所述合格的放电摆动跟随在所述充电摆动和松弛之后时，使能所述充电状态估计。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：

在充电期间累积充电摆动；以及

当所述累积的充电摆动在充电摆动窗口内时，识别所述合格的充电摆动。

14.如权利要求12所述的方法，还包括：

在放电期间累积放电摆动；以及

当所述累积的放电摆动在放电摆动窗口内时，识别所述合格的放电摆动。

15.如权利要求10所述的方法，还包括监视所述电池既不充电也不放电的休息时段。

16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述休息时段大于阈值时，使能所述充电状态估计。

17.如权利要求11所述的方法，还包括在所述合格的充电摆动与所述放电摆动和松弛之间的第一时段小于预定允许时间时，使能充电期间的充电状态估计。

18.如权利要求12所述的方法，还包括在所述合格的放电摆动与所述前一充电摆动和松弛之间的第二时段小于预定允许时间时，使能充电期间的充电状态估计。

Images