ES2197638T3

ES2197638T3 - Medios para estimar el estado de carga de una bateria y procedimiento para estimar el estado de degradacion de una bateria.

Info

Publication number: ES2197638T3
Application number: ES99921254T
Authority: ES
Inventors: Nobuo Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha WATANABE; Yukio Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha KURODA; Yoshiaki Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha KIKUCHI
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2004-01-01
Anticipated expiration: 2019-05-25
Also published as: CA2333619C; CA2333619A1; EP1081499A4; KR20010043872A; WO1999061929A1; CN1199050C; KR100425352B1; DE69909472T2; CN1311860A; DE69909472D1; JP3873623B2; EP1081499B1; US6285163B1; EP1081499A1

Abstract

Medios para estimar un estado de carga de una batería, que comprende un modelo de batería para determinar un pseudo-SOC (estado de carga) como un valor temporal representativo del SOC de la batería y estimar una tensión de la batería considerando el pseudo-SOC y un cambio en el estado de la batería, con lo que se estima un SOC real corrigiendo el pseudo-SOC de manera que la tensión estimada de la batería es igual a una tensión realmente medida de la batería, en que el modelo de batería incluye: medios de estimación de pseudo-SOC (14) para determinar el pseudo-SOC a partir de la corriente de carga/descarga de la batería, medios de estimación de fuerza electromotriz (16) para estimar la tensión de la batería de acuerdo con la salida de pseudo-SOC desde los medios de estimación de pseudo-SOC, caracterizados porque el modelo de batería incluye además: medios de estimación de cambio de tensión (18) para estimar un cambio en la tensión de la batería producido por resistencia interna, y medios deestimación de cambio dinámico de tensión (20) para estimar un cambio en la tensión de la batería basado en un cambio en la corriente de carga/descarga de la batería, en que la tensión de la batería se estima a partir de la suma de valores de salida de los medios de estimación de fuerza electromotriz, los medios de estimación de cambio de tensión y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión.

Description

Medios para estimar el estado de carga de una batería y procedimiento para estimar el estado de degradación de una batería.

Campo técnico

La presente invención se refiere a medios para estimar el estado de carga de una batería, especialmente utilizando un modelo de batería para reducir al mínimo un error de estimación, y a un método mejorado para estimar el estado degradado de la batería (condición de la batería).

Técnica relacionada

Se ha conocido convencionalmente un método para estimar el estado de carga (SOC) de una batería añadiendo un valor integrado de corriente de carga/descarga a un SOC inicial de la batería. Sin embargo, con este método, resulta difícil estimar con exactitud el SOC de una batería a causa de factores tales como el error inherente en la integración de los valores de corriente de carga/descarga, la acumulación de dicho error, el cambio en el SOC inicial debido a descarga espontánea cuando no se utiliza la batería, etcétera.

A fin de mejorar la exactitud de la estimación, se ha estudiado asimismo un método para estimar el SOC también a partir de una tensión de una batería y corregir el resultado de estimación del SOC obtenido integrando los valores de corriente de carga/descarga. Por ejemplo, la Publicación de Patente Japonesa expuesta a inspección pública Hei 9-96665 describe un método de estimación mejorado de ese tipo.

Sin embargo, incluso utilizando el método para estimar el SOC a partir de la tensión de una batería y corregir el error de integración de los valores de corriente de carga/descarga, sigue siendo difícil asegurar una alta exactitud de estimación a causa de que no hay ningún método sencillo y exacto para estimar el SOC a partir de la tensión de la batería.

La figura 6 muestra una relación entre la corriente y la tensión de una batería que tiene un SOC del 68%. Como se indica en la figura 6, la relación de corriente-tensión de la batería no es lineal y tiene una histéresis grande. Si el SOC se estima a partir de esta relación de corriente-tensión, puede tenerse como resultado un gran error dependiendo del lugar de los cambios en la corriente y tensiones de la batería en que se juzgue el SOC. En la figura 6, aunque el SOC real es del 68%, se juzga que el SOC es del 80% durante un incremento de la corriente de carga, y se considera que el SOC es del 20% durante un aumento de la corriente de descarga.

Como tal, se produce un error de estimación importante si se estima el SOC basándose en la tensión de la batería, a causa de que, aún cuando el SOC sea invariable, la tensión de la batería cambia ampliamente reflejando el estado de carga/descarga de la batería inmediatamente antes de que se mida la tensión. Por tanto, no podrían conseguirse estimaciones exactas del SOC por medio de cualquier método convencional. El error de estimación del SOC es particularmente grande en un vehículo híbrido en el que la batería repita carga y descarga en ciclos cortos.

En el caso de una batería utilizada en un vehículo eléctrico o similar, se estima el nivel degradado de la batería para después determinar el tiempo de sustitución de la batería o para predecir la aparición de problemas.

El estado de decaimiento de una batería puede medirse determinando la resistencia interna de la batería. La resistencia interna puede determinarse, por ejemplo, a partir de la tensión de la batería de descargar una cantidad predeterminada de corriente de descarga durante cierto período de tiempo desde la batería en un estado predeterminado de carga (SOC). En vehículos eléctricos es también posible determinar la resistencia interna R a partir de varios valores de corriente/tensión, mientras el vehículo es conducido, mediante

Vb = -R\cdot Ib + Voc \eqnum{... (1)}

en que Vb es un valor de tensión, Ib es un valor de corriente, y Voc es una tensión abierta.

En el anterior método, en que se descarga una cantidad predeterminada de corriente de descarga durante cierto período de tiempo desde la batería que tiene el SOC predeterminado, la medición se realiza fuera de línea. Por consiguiente, si se utiliza la batería, por ejemplo, en un vehículo eléctrico, es imposible estimar la resistencia interna de la batería mientras se está conduciendo el vehículo.

Por otra parte, mediante el método para determinar la resistencia interna de la batería utilizando la anterior ecuación (1), es posible determinar la resistencia interna de la batería mientras se conduce el vehículo eléctrico. Sin embargo, en este método no se considera la influencia de la polarización de la batería, de manera que puede estar presente un error de estimación importante en la resistencia interna obtenida. Más específicamente, la corriente de carga/descarga de la batería está correlacionada con la tensión de la batería como se muestra en la figura 10, en que el estado de descarga es indicado por valores de corriente positivos y el estado de carga es indicado por valores de corriente negativos. Como se muestra en la figura 10, la característica de corriente/tensión de la batería incluye histéresis, de manera que se cambia un gradiente entre tensión y corriente, es decir, la resistencia interna (-R) dependiendo de los tiempos de medición. Esto sucede a causa de que no se considera la polarización como se describe en lo que antecede. Así, este método convencional no puede utilizarse para estimar de manera sencilla y exacta la resistencia interna de la batería.

JP 6150981, A (Kyushu Denki Seizo K. K.) descubre un modelo de batería para determinar el estado de carga de una batería correspondiente al preámbulo de la reivindicación 1.

EP 0711016, A (Mitsubishi Electric Corp.) descubre el uso de una resistencia de polarización y una intensidad de corriente en un cálculo de estado de carga.

En vista de lo anterior, un objeto de la presente invención es, por consiguiente, proporcionar medios para estimar el estado cargado de una batería capaces de estimar con exactitud un SOC aun cuando la batería repita carga/descarga en ciclos cortos.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para estimar un estado degradado de una batería capaz de medir con exactitud variaciones de la resistencia interna de la batería, mientras se usa la batería, y de averiguar el estado degradado de la batería.

Descripción de la invención

Para conseguir los anteriores objetos, se proporcionan en la presente invención medios para estimar el estado cargado de una batería, en que se prevé un modelo de batería para determinar un pseudo-SOC (estado de carga) como valor temporal representativo del SOC de la batería, y se estima la tensión de la batería considerando el pseudo-SOC y un cambio en el estado de la batería, con lo que se estima un SOC real corrigiendo el pseudo-SOC de manera que la tensión estimada de la batería es igual a una tensión realmente medida de la batería.

En los medios para estimar el estado cargado de la batería, el modelo de batería incluye medios de estimación del pseudo-SOC para determinar el pseudo-SOC a partir de la corriente de carga/descarga de la batería; medios de estimación de la fuerza electromotriz para estimar la tensión de la batería basándose en la salida del pseudo-SOC a partir de los medios de estimación de pseudo-SOC; medios de estimación de cambio de tensión para estimar un cambio en la tensión de la batería producido por resistencia interna; y medios de estimación de cambio dinámico de tensión para estimar un cambio en la tensión de la batería basándose en un cambio en la corriente de carga/descarga de la batería, con lo que la tensión de la batería se estima a partir de la suma de valores de salida de los medios de estimación de fuerza electromotriz, los medios de estimación de cambio de tensión y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión.

En los medios para estimar el estado cargado de la batería, la corrección del pseudo-SOC consiste en una componente proporcional a una diferencia entre la tensión estimada de la batería y la tensión realmente medida de la batería, y una componente a un valor integrado de la diferencia.

En los medios para estimar el estado cargado de la batería, los medios de estimación de pseudo-SOC, los medios de estimación de la fuerza electromotriz, los medios de estimación de cambio de tensión y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión llevan a cabo corrección durante operaciones de estimación respectivas de acuerdo con una temperatura de la batería.

En los medios para estimar el estado cargado de la batería, los medios de estimación de pseudo-SOC, los medios de estimación de fuerza electromotriz, los medios de estimación de cambio de tensión y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión realizan corrección durante operaciones de estimación respectivas de acuerdo con el SOC estimado de la batería.

En los medios para estimar el estado cargado de la batería, los medios de estimación de cambio dinámico de tensión están formados por una red neural que tiene una trayectoria de realimentación.

En otro aspecto de la presente invención se proporciona un método para estimar el estado degradado de una batería, que incluye las etapas de medir la corriente de carga/descarga y la tensión de la batería; determinar un pseudo-SOC (estado de carga) de la batería como valor representativo del SOC estimado de la batería a partir de un valor integrado de la corriente de carga/descarga; estimar una tensión abierta Voc de la batería a partir del pseudo-SOC; estimar un cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería basándose en un cambio en la corriente de carga/descarga de la batería; determinar una diferencia Vr entre la suma de la tensión abierta Voc y el cambio dinámico de tensión Vdyn, y la tensión medida Vmes de la batería por

Vr = Vmes - (Voc + Vdyn)

y determinar la resistencia interna de la batería a partir de la diferencia Vr y la corriente de carga/descarga por el método de mínimos cuadrados.

En el método para estimar el estado de decaimiento de la batería, el método de mínimos cuadrados puede ser un método ponderado de mínimos cuadrados.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de una primera realización de medios para estimar el estado de carga de una batería de acuerdo con la presente invención;

La figura 2 es un organigrama que muestra el proceso para estimar el SOC de la batería por los medios para estimar el estado cargado de una batería de la figura 1;

La figura 3 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de una segunda realización de los medios para estimar el estado cargado de una batería de acuerdo con la presente invención;

La figura 4 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de una tercera realización de los medios para estimar el estado cargado de una batería de acuerdo con la presente invención;

La figura 5 muestra una ejecución modificada de los medios de estimación de cambio dinámico de tensión utilizados en una cuarta realización de los medios para estimar el estado cargado de una batería de acuerdo con la presente invención;

La figura 6 es un gráfico que muestra cambios de la tensión y la corriente de una batería;

La figura 7 es un diagrama de bloques que muestra la configuración para ejecutar un método para estimar el estado degradado de una batería de acuerdo con la presente invención;

La figura 8 es un organigrama que muestra las etapas del método para estimar el estado degradado de una batería de acuerdo con la presente invención;

La figura 9 es un diagrama de bloques que muestra la configuración para estimar el SOC de la batería utilizando la resistencia interna estimada por el método para estimar el estado de decaimiento de la batería de acuerdo con la presente invención; y

La figura 10 es un gráfico que muestra una relación de tensión a corriente de una batería.

Mejor modo de poner en practica la invención

A continuación se describirán realizaciones preferidas (simplemente llamadas ``realizaciones'' en lo que sigue) de la presente invención con referencia a los dibujos que se acompañan.

Realización 1.

La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de una primera realización de medios para estimar el estado cargado de una batería de acuerdo con la presente invención. En la figura 1, medios sensores de corriente 10 detectan la corriente de carga/descarga de la batería. Al mismo tiempo, medios sensores de tensión 12 detectan la tensión de la batería.

El valor de la corriente de carga/descarga detectado por los medios sensores de corriente 10 es integrado en unos medios de estimación de pseudo-SOC 14 y sumados a un valor predeterminado inicial de SOC de la batería para estimar un pseudo-SOC como valor de SOC temporal. El valor inicial del SOC es del 100% si la batería está totalmente cargada, o se da como un valor estimado del SOC al final del uso anterior de la batería. Basándose en el pseudo-SOC, unos medios de estimación de fuerza electromotriz 16 estiman la tensión de la batería correspondiente al pseudo-SOC. La tensión de la batería estimada por los medios de estimación de fuerza electromotriz 16 es una tensión abierta estimada Voc de la batería. La tensión abierta Voc es estimada, por ejemplo, utilizando un mapa predeterminado de SOC y la tensión abierta para cada batería, y determinando la tensión abierta Voc correspondiente al pseudo-SOC suministrado desde los medios de estimación de pseudo-SOC 14.

Unos medios de estimación de cambio de tensión 18 estiman un cambio de tensión producido por la resistencia interna de la batería a partir del valor de la corriente de carga/descarga de la batería detectado por los medios sensores de corriente 10. Los medios de estimación de cambio de tensión 18 estiman el cambio de tensión de la batería producido por la resistencia interna, por

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Vr =
-r \cdot Ib\cr}

en que r es una resistencia interna e Ib es un valor de corriente (valores positivos para corriente de descarga).

Vr representa el cambio de tensión producido por la resistencia interna estimada por los medios de estimación de cambio de tensión 18. Se determina previamente la resistencia interna r de la batería para cada batería. El valor de corriente Ib es un valor de la corriente de carga/descarga detectado por los medios sensores de corriente 10.

Además, unos medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 estiman un cambio de tensión de la batería producido por un cambio de la corriente de carga/descarga de la batería. En los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20, se estima un cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería por

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Vdyn = C \cdot x  \quad dx/dt = A \cdot x + B \cdot 
Ib\cr}

en que A, B y C son matrices de coeficiente, y x es una cantidad de estado.

Los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 estiman un cambio de tensión transitorio Vdyn de la batería basándose en la anterior ecuación de estado. En este caso, se determinan las matrices de coeficiente A, B y C para cada batería a partir de mediciones de las características de cada batería.

A continuación, un sumador 22 suma los valores de salida de los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio de tensión 18, y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 para producir una tensión estimada Vest como tensión estimada de la batería, es decir,

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Vest = Voc + Vr +
Vdyn\cr}

Deberá apreciarse que los medios de estimación de pseudo-SOC 14, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio de tensión 18, los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 y el sumador 22, que se describen en lo que antecede, forman un modelo de batería de acuerdo con la presente invención.

Un comparador 24 compara la tensión estimada Vest de la batería estimada en el modelo de batería con una tensión realmente medida Vmes de la batería detectada por los medios detectores de tensión 12, y suministra una diferencia entre los dos valores a unos medios de cálculo de corrección de SOC 26 que calculan entonces un valor de SOC estimado de la batería por

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 SOC = SOCp + Kp(Vmes - Vest) + Ki \cdot\int (Vmes -
Vest)
dt\cr}

en que SOCp es un pseudo-SOC, y Kp y Ki son coeficientes.

En la anterior ecuación, el pseudo-SOC (SOCp) es un valor de salida de los medios de estimación de pseudo-SOC 14. Los medios calculadores de corrección de SOC 26 calculan los términos segundo y tercero de la anterior ecuación, es decir, una componente proporcional a la diferencia entre la tensión estimada Vest y la tensión medida Vmes (Vmes - Vest) determinada por el comparador 24, y una componente proporcional al valor integrado de dicha diferencia. Se determinan previamente los coeficientes Kp, Ki a partir de las características de la batería. Como se indica en la ecuación, cada componente calculada por los medios de cálculo de corrección de SOC 26 es sumada por el sumador 28 al valor de salida SOCp de los medios estimadores de pseudo-SOC 14, con lo que se proporciona el valor de estimación del SOC de la batería.

Como se describe en lo que antecede, en esta realización, la presente invención utiliza el modelo de batería para estimar la tensión de la batería estimando la fuerza electromotriz de la batería a partir del pseudo-SOC determinado por el método similar al método convencional, al tiempo que se estima el cambio de tensión producido por la resistencia interna de la tensión de la batería y el cambio dinámico de tensión producido por el cambio en la corriente de carga/descarga, y sumando estos valores estimados. Más particularmente, el modelo de batería estima la tensión de la batería Vest considerando el pseudo-SOC y el cambio en el estado de la batería. A continuación, se corrige el pseudo-SOC de manera que la tensión estimada Vest es igual a la tensión realmente medida de la batería Vmes, con lo que se estima el SOC de la batería. Por tanto, la corrección del SOC es realizada considerando no sólo la corriente integrada de carga/descarga sino también los cambios en la resistencia interna y el estado de la batería, de manera que puede mejorarse en grado importante la exactitud de la estimación del SOC de la batería.

En esta realización, a causa de que se corrige el pseudo-SOC de manera que la tensión estimada Vest es igual a la tensión realmente medida de la batería Vmes, es posible proporcionar el valor correcto del SOC de manera rápida incluso si existe un error grande en el valor inicial del SOC.

La figura 2 es un organigrama que muestra la operación de estimación del SOC realizada por los medios para estimar el estado cargado de la batería de la figura 1. En la figura 2, cuando se conecta un interruptor de encendido (S1), los medios de estimación de pseudo-SOC ajustan un valor de pseudo-SOC como un valor temporal representativo del estado de carga de la batería, que es determinado dependiendo de si la batería está o no en plena carga, o se determina de otro modo a partir del valor estimado del SOC al final del último uso de la batería (S2).

Luego, los medios sensores de corriente 10 y los medios sensores de tensión 12 miden un valor de corriente de carga/descarga Ib y una tensión real Vmes de la batería, respectivamente (S3).

Integrando el valor de corriente de carga/descarga Ib detectado por los medios sensores de corriente 10, los medios de estimación de pseudo-SOC 14 calculan el pseudo-SOC (S4). A partir del pseudo-SOC estimado por los medios de estimación de pseudo-SOC 14, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16 estiman la tensión abierta Voc de la batería. A partir del valor de la corriente de carga/descarga Ib de la batería detectado por los medios sensores de corriente 10, los medios de estimación de cambio de tensión 18 estiman el cambio de tensión Vr producido por la resistencia interna. Los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 estiman el cambio de tensión Vdyn producido por el cambio en la corriente de carga/descarga de la batería. A continuación, se calcula la tensión estimada Vest de la batería sumando la tensión abierta Voc, el cambio de tensión Vr producido por la resistencia interna y el cambio de tensión Vdyn producido por el cambio en la corriente de carga/descarga de la batería (S5).

Luego, el comparador 24 compara la tensión estimada Vest calculada como anteriormente con la tensión medida Vmes de la batería realmente medida por los medios sensores de tensión 12 (S6). Basándose en la diferencia entre Vmes y Vest derivada de la comparación en el comparador 24, los medios calculadores de corrección de SOC 26 calculan la corrección del pseudo-SOC estimado por los medios de estimación de pseudo-SOC 14 (S7).

El sumador 28 suma la corrección de SOC calculada por los medios calculadores de corrección de SOC 26 al pseudo-SOC para corregir el pseudo-SOC, a fin de calcular el valor estimado del SOC (S8).

A continuación, se determina si está o no desconectado el interruptor de encendido y, si no lo estuviera, se repetirían las etapas anteriores S3 - S8 hasta que se desconectara el interruptor de encendido (S9).

Cuando se desconecta el interruptor de encendido en S9, el valor estimado de SOC de la batería en ese punto de tiempo se almacena en una memoria no volátil y se utilizará como el siguiente valor inicial de pseudo-SOC (S10).

Por tanto, se termina la operación de estimación de SOC de la batería utilizando los medios para estimar el estado cargado de la batería de acuerdo con esta realización.

Realización 2.

La figura 3 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de una segunda realización de los medios para estimar el estado de carga de una batería de acuerdo con la presente invención. En la descripción que sigue, elementos correspondientes a los ya descritos para la figura 1 están denotados con números de referencia correspondientes y no se repetirá su descripción. La configuración de la figura 3 se caracteriza porque cuando los medios de estimación de pseudo-SOC 14, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio de tensión 18 y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 realizan operaciones de estimación respectivas, se efectúa corrección en consideración de la temperatura Tb de una batería. Más particularmente, esta realización incluye medios sensores de temperatura 30 para percibir la temperatura de una batería, y su valor de salida es suministrado a los medios de estimación de pseudo-SOC 14, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio de tensión 18 y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20, respectivamente.

En general, las características de la batería varían con la temperatura de la batería. Por consiguiente, suministrando la información de temperatura Tb de la batería a medios de estimación individuales del modelo de batería, es posible estimar el SOC de la batería con más exactitud. Deberá apreciarse que la naturaleza de la corrección realizada por medios de estimación individuales utilizando la temperatura de batería Tb percibida por los medios sensores de temperatura 30 se determina previamente según las características de la batería.

Realización 3.

La figura 4 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de una tercera realización de los medios para estimar el estado cargado de una batería de acuerdo con la presente invención. En la descripción que sigue, elementos correspondientes a los ya descritos para las figuras 1 ó 3 están denotados con números de referencia correspondientes, y no se repetirá su descripción. La configuración de la figura 4 se caracteriza porque, cuando en el modelo de batería son realizadas operaciones de estimación respectivas, se realiza la corrección correspondiente al valor estimado del SOC obtenido corrigiendo el pseudo-SOC. Más particularmente, el SOC de la batería se estima sumando la corrección de SOC calculada por los medios calculadores de corrección de SOC 26 al pseudo-SOC por el sumador 28, y el valor estimado del SOC se suministra a los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio de tensión 18 y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20, respectivamente, para corregir las operaciones de estimación de estos medios. De este modo, puede considerarse el cambio en las características de una batería producido por el cambio del SOC de tal manera que se realiza con más exactitud la estimación del SOC. Deberá apreciarse que la naturaleza de la corrección realizada por los medios de estimación individuales se determina previamente según las características de la batería, como en la segunda realización.

Realización 4.

La figura 5 muestra una ejecución modificada de los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 utilizados en una cuarta realización de los medios para estimar el estado cargado de una batería de acuerdo con la presente invención. Deberá apreciarse que los elementos que no se ilustran en la figura 5 son iguales que los de las realizaciones primera, segunda y tercera ilustradas en las figuras 1, 3 y 4, respectivamente.

En la figura 5, los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 están configurados como una red neural. La red neural consta de una capa de entrada 32, una capa intermedia 34 y una capa de salida 36. Cada unidad de la capa de entrada 32 que está acoplada con todas o parte de las unidades de la capa intermedia 34 y todas o parte de las unidades de la capa intermedia 34 están acopladas entonces con cada unidad de la capa de salida 36.

La red neural mostrada en la figura 5 se caracteriza porque ésta es una red de tipo recurrente que incluye una trayectoria de realimentación 38 desde la capa de salida 36 a la capa de entrada 32.

El cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería estimado por los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 se escribe en forma discreta como

Vdyn [k+1] = f(Ib [k],SOC[k],Tb[k],Vdyn[k])

en que f es una función. Como se indica en esta ecuación, el cambio dinámico de tensión Vdyn se expresa en función de dos etapas de tiempo [k] y [k+1]. Cuando se aplica a la red neural, es, por consiguiente, necesario utilizar la mencionada red neural de tipo recurrente.

En la ecuación anterior, el cambio dinámico de tensión Vdyn [k+1] se expresa como la función f, siendo Ib[k], SOC[k], Tb[k] y Vdyn[k] variables. El tipo de la función f se determina preparando la red neural.

La capa de entrada 32 de la red neural recibe un término de realimentación Vdyn[k] en una etapa de tiempo dada k, el valor de corriente de carga/descarga Ib[k] detectado por los medios sensores de corriente 10, el SOC[k] estimado obtenido sumando la corrección de SOC calculada por los medios calculadores de corrección de SOC 26 al pseudo-SOC en el sumador 28, y la temperatura de batería Tb[k] percibida por los medios sensores de temperatura 30. En respuesta a la entrada de los datos, la capa de salida 36 produce como salida el cambio de tensión Vdyn[k+1] en una etapa de tiempo [k+1] a través de la capa intermedia predeterminada 34. Si se incorpora la red neural de esta realización en los medios para estimar el estado cargado de una batería ilustrado en las figuras 1 y 3, respectivamente, solamente el valor de corriente de carga/descarga Ib[k] es introducido en la figura 1, y el valor de corriente de carga/descarga Ib[k] y la temperatura Tb[k] son introducidos en la figura 3.

Con esta configuración, se prepara la red neural suministrando datos de instrucción que tienen una característica no lineal basada en las reacciones químicas dentro de la batería a la capa de entrada 32. Cuando se prepara la red, se cambia el tamaño de los acoplamientos entre unidades individuales, de manera que la red neural tiene acoplamientos capaces de responder a la característica no lineal de la batería. Más particularmente, el cambio dinámico de tensión Vdyn[k+1] es determinado, como se ha mencionado anteriormente, mediante la función f utilizando los datos de entrada individuales a la red neural como variables y, como ésta no es una función lineal simple, puede expresarse más fielmente la característica no lineal de la batería.

Los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 de esta realización que tienen una característica no lineal particularmente fuerte en la batería no están formados así por la red neural de tipo recurrente capaz de responder suficientemente a la característica no lineal de la batería, de tal manera que puede proporcionarse un modelo de batería más exacto y puede estimarse con exactitud el estado cargado de una batería.

Realización 5.

La figura 7 es un diagrama de bloques que muestra la configuración para ejecutar un método para estimar el estado degradado de una batería de acuerdo con la presente invención. Como se ha descrito anteriormente, el estado de decaimiento de la batería aparece como un cambio en la resistencia interna, de manera que es posible estimar el estado de decaimiento de la batería vigilando la resistencia interna.

En la figura 7, los medios sensores de corriente 10 miden el valor de corriente de carga/descarga Ib de la batería, y los medios sensores de tensión 12 miden la tensión de la batería (Vmes). Los medios de estimación de pseudo-SOC 14 integran el valor de corriente de carga/descarga Ib detectado por los medios sensores de corriente 10 y lo suman al valor inicial predeterminado de SOC de la batería para obtener el valor estimado del SOC o el pseudo-SOC. El valor inicial del SOC puede determinarse, por ejemplo, suponiendo que el estado de carga plena de la batería es del 100%. Basándose en el pseudo-SOC determinado como tal, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16 estiman la tensión de la batería correspondiente al pseudo-SOC. La tensión de la batería estimada por los medios de estimación de fuerza electromotriz 16 es la tensión abierta estimada Voc de la batería. Dicha tensión abierta Voc es estimada, por ejemplo, utilizando un mapa predeterminado de SOC y tensión abierta para cada batería y determinando la tensión abierta Voc correspondiente al pseudo-SOC suministrado desde los medios de estimación de pseudo-SOC 14.

La tensión de la batería se cambia dinámicamente de acuerdo con los cambios de la corriente de carga/descarga de la batería. Los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 estiman dicho cambio dinámico de tensión de la batería. En los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20, el cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería es estimado por

Vdyn = C\cdot x dx/dt = A\cdot x + B\cdot Ib \eqnum{... (2)}

0 en que A, B y C son matrices de coeficiente y x es una cantidad de estado.

Los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 estiman el cambio transitorio de tensión Vdyn de la batería de acuerdo con la anterior ecuación de estado. Cada matriz de coeficiente A, B y C se determina previamente para cada batería midiendo sus características. Por tanto, esta realización utiliza el modelo de batería consistente en los medios de estimación de pseudo-SOC 14, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16 y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 para estimar la tensión abierta Voc y el cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería basándose en el valor de corriente de carga/descarga Ib de la batería detectado por los medios sensores de corriente 10.

El sumador 40 suma la tensión abierta Voc y el cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería estimados anteriormente por el modelo de batería, y un substractor 42 calcula una diferencia Vr entre la suma y la tensión realmente medida de la batería Vmes medida por los medios sensores de tensión 12. Es decir,

Vr = Vmes - (Voc + Vdyn) \eqnum{... (3)}

Vr se determina así sustrayendo, de la tensión medida Vmes de la batería, la fuerza electromotriz o la tensión abierta Voc de la batería correspondientes al SOC en el momento de la medición, y el cambio dinámico de tensión Vdyn basado en el cambio en la corriente de carga/descarga, de manera que Vr representa el cambio de tensión producido por la resistencia interna de la batería. Determinando la relación entre Vr y el valor de corriente de carga/descarga Ib detectado por los medios sensores de corriente 10 con ayuda del método de mínimos cuadrados, puede obtenerse la resistencia interna de la batería como un gradiente de la relación. De este modo, un estado de la batería de la sección de estimación de decaimiento 44 estima la resistencia interna de la batería.

En vez de señalar simplemente la relación entre la tensión medida de la batería Vmes y el valor de corriente de carga/descarga Ib y determinar la resistencia interna a partir del gradiente de la relación, esta realización estima la resistencia interna eliminando el cambio de tensión de la batería producido por el cambio en el SOC y el cambio en la corriente de carga/descarga de la batería para extraer solamente el cambio de tensión producido por la resistencia interna, de manera que puede realizarse con alta exactitud la estimación de la resistencia interna de la batería. Como resultado, puede conocerse correctamente el estado de decaimiento de la batería. Estimando los cambios en la resistencia interna de la batería es también posible detectar otras condiciones anormales, tales como cortocircuitos de la batería o rotura de conductores.

Un método típico de mínimos cuadrados requiere una gran memoria durante el cálculo a causa de que todos los valores más allá de la corriente han de ser resumidos y almacenados. Por consiguiente, es preferible adoptar el método ponderado de mínimos cuadrados que incorpora ponderaciones exponenciales (factor de olvido \rho:0<\rho<1). En una forma discreta,

R_n = \frac{\displaystyle\rho\sum_{j=0}^{n-1}\rho^{n- 1}I_i^2}{\displaystyle\rho\sum_{j=0}^{n-1}\rho^{n-1}I_i^2 + I_{n-1}^2} + \frac{I_{n-1}Vr_n}{\displaystyle\rho\sum_{j=0}^{n-1}\rho^{n-1}I^2 + I_{n- 1}^2}\eqnum{...(4)}

en que R es la resistencia interna de la batería, I es la corriente medida, Vr es la corriente medida-la tensión de circuito abierto-el cambio dinámico de tensión, n es la enésima muestra, y \rho es una ponderación exponencial (0<\rho<1, factor de olvido).

Deberá apreciarse que la corriente de carga/descarga detectada por los medios sensores de corriente 10 está indicada como I en lugar de Ib en la anterior ecuación.

La figura 8 es un organigrama que muestra las etapas de un método para estimar el estado de decaimiento de una batería de acuerdo con la presente invención. En la figura 8, se verifica si está o no conectado el interruptor de encendido (S1) y, tras la conexión del interruptor, se fija el valor inicial del SOC en los medios de estimación de pseudo-SOC 14 (S2).

A continuación, los medios sensores de corriente 10 y los medios sensores de tensión 12 miden el valor de corriente de carga/descarga Ib y la tensión Vmes, respectivamente (S3).

Los medios de estimación de pseudo-SOC 14 integran el valor de corriente de carga/descarga Ib y suman el valor integrado al valor inicial del SOC fijado en S2 a fin de calcular el pseudo-SOC (S4). Los medios de estimación de fuerza electromotriz 16 calculan la tensión abierta Voc de la batería utilizando el pseudo-SOC. Al mismo tiempo, los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 calculan el cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería basado en el cambio en la corriente de carga/descarga (S5).

A partir de Voc y la Vdyn determinados en S5 y la tensión medida de la batería Vmes medida por los medios sensores de tensión 12, se calcula Vr de acuerdo con la anterior ecuación (3) (S6). A partir de Vr y el valor de corriente de carga/descarga Ib detectado por los medios sensores de corriente 10, se calcula la resistencia interna R de la batería de acuerdo con la anterior ecuación (4) (S7).

A continuación, se verifica (S8) si la resistencia interna R determinada en S7 excede o no un valor predeterminado Rref. Si la resistencia interna R de la batería es mayor que el Rref, se predice si empeora el estado de decaimiento de la batería o si puede haberse producido cualquier otra condición anormal, de manera que la batería entra en el modo anormal y es hecho sonar una alarma por un medio predeterminado (S9).

Si se determina que la resistencia interna R de la batería es menor que el Rref en S8, o después de que la batería ha entrado en el modo anormal en S9, se verifica (S10) si el interruptor de encendido está o no desconectado. Si el interruptor de encendido no está desconectado en S10, se repiten las etapas S3- S9. Cuando el interruptor de encendido está desconectado, termina la operación de estimación del estado de decaimiento de la batería.

La figura 9 es un diagrama de bloques que muestra la configuración de un medio para estimar el SOC de la batería utilizando la resistencia interna R, la tensión abierta Voc y el cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería estimado anteriormente. En la descripción que sigue, elementos correspondientes a los ya descritos para la figura 7 están denotados con números de referencia correspondientes y no se repetirá su descripción.

En la figura 9, la resistencia interna de una batería que fue medida previamente, tal como en el momento de la producción, por ejemplo, es corregida de acuerdo con la resistencia interna estimada R de la batería estimada por la sección 44 de estimación del estado de decaimiento de la batería. Esto es útil para mantener constantemente la resistencia interna de la batería a un valor correcto en el modelo de batería. De dicha resistencia interna R y el valor de corriente de carga/descarga Ib de la batería detectado por los medios sensores de corriente 10, los medios de estimación de cambio de tensión 18 estiman el cambio de tensión producido por la resistencia interna de la batería. En los medios de estimación de cambio de tensión 18, el cambio de tensión de la batería producido por la resistencia interna R es estimado por

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 VR =
-R \cdot Ib\cr}

en que R es la resistencia interna e Ib es el valor de corriente (valores positivos para corriente de descarga).

En la anterior expresión, VR representa el cambio de tensión producido por la resistencia interna R estimada por los medios de estimación de tensión 18. El valor de corriente Ib es el valor de corriente de carga/descarga detectado por los medios sensores de corriente 10.

A continuación, el sumador 22 suma los valores de salida de los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20 y los medios de estimación de cambio de tensión 18 para determinar la tensión estimada Vest representativa de la tensión estimada de la batería,

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Vest = Voc + Vdyn +
VR\cr}

Deberá apreciarse que el modelo de batería se modela después de la batería real por los medios de estimación de pseudo-SOC 14, los medios de estimación de fuerza electromotriz 16, los medios de estimación de cambio dinámico de tensión 20, los medios de estimación de cambio de tensión 18 y el sumador 22.

El comparador 24 compara la tensión estimada de la batería Vest con la tensión realmente medida Vmes detectada por los medios sensores de tensión 12, y suministra la diferencia obtenida entre las dos tensiones a los medios calculadores de corrección de SOC 26 que, a su vez, calculan la corrección del SOC de manera que la tensión estimada Vest sea igual a la tensión medida Vmes. Por tanto, el valor estimado del SOC de la batería viene dado por

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 SOC = SOCp + Kp(Vmes - Vest) + Ki \cdot\int (Vmes -
Vest)
dt\cr}

en que SOCp es pseudo-SOC, y Kp y Ki son coeficientes.

En la anterior expresión, el pseudo-SOC (SOCp) es el valor de salida de los medios de estimación de pseudo-SOC 14. Los medios de estimación de corrección de SOC 26 calculan los términos segundo y tercero de la anterior expresión, es decir, una componente proporcional a la diferencia (Vmes - Vest) entre la tensión estimada Vest y la tensión medida Vmes determinada por el comparador 24, y una componente proporcional al valor integrado de la diferencia. Los coeficientes Kp, Ki se determinan previamente a partir de las características de la batería. El sumador 28 suma las respectivas componentes calculadas por los medios calculadores de corrección de SOC 26 al valor de salida SOCp de los medios de estimación de pseudo-SOC 14 para proporcionar con ello el valor estimado del SOC de la batería.

Como tal, esta realización utiliza el modelo de batería para estimar la tensión de la batería estimando la fuerza electromotriz de la batería a partir del pseudo-SOC, el cambio de tensión producido por la resistencia interna de la batería y el cambio dinámico de tensión producido por el cambio en la corriente de carga/descarga, y sumando estos valores de entrada. Más particularmente, se utiliza el modelo de batería se utiliza para estimar la tensión de la batería Vest considerando el pseudo-SOC y el cambio en el estado de la batería. A continuación, se corrige el pseudo-SOC de manera que la tensión estimada Vest sea igual a la tensión de la batería Vmes realmente medida para estimar con ello el SOC de la batería. Por tanto, se corrige el SOC considerando los cambios en la resistencia interna y el estado de la batería además de la corriente integrada de carga/descarga. Como resultado, se mejora en grado importante la exactitud de la estimación del SOC de la batería. A causa de que la resistencia interna R de la batería utilizada aquí es un valor corregido por la sección de estimación del estado de decaimiento de la batería, se mejora aún más la exactitud de la estimación del SOC.

Aplicabilidad industrial

Como se describe en lo que antecede, la presente invención estima el SOC de una batería considerando el cambio de estado dinámico de la batería, tal como el cambio en la corriente de carga/descarga de la batería, con lo que es posible estimar el SOC con una alta exactitud incluso para la batería de un vehículo híbrido o similar en que la carga/descarga se cambie y repita en ciclos cortos.

Utilizando una red neural de tipo recurrente como medios de estimación de cambio dinámico de tensión que tienen una característica no lineal particularmente fuerte, puede mejorarse aún más la exactitud de la estimación del estado de carga de la batería.

Además, puede mejorarse la exactitud de la estimación de la resistencia interna eliminando el cambio en la fuerza electromotriz producido por el cambio en el SOC y el cambio dinámico de tensión producido por el cambio en la corriente de carga/descarga desde la tensión medida de la batería, y determinando el cambio de tensión sólo producido por la resistencia interna de la batería. Por consiguiente, es posible estimar con exactitud la resistencia interna. Como resultado, puede conocerse el estado real de decaimiento de la batería.

Claims

1. Medios para estimar un estado de carga de una batería, que comprende un modelo de batería para determinar un pseudo-SOC (estado de carga) como un valor temporal representativo del SOC de la batería y estimar una tensión de la batería considerando el pseudo-SOC y un cambio en el estado de la batería, con lo que se estima un SOC real corrigiendo el pseudo-SOC de manera que la tensión estimada de la batería es igual a una tensión realmente medida de la batería, en que el modelo de batería incluye: medios de estimación de pseudo-SOC (14) para determinar el pseudo-SOC a partir de la corriente de carga/descarga de la batería, medios de estimación de fuerza electromotriz (16) para estimar la tensión de la batería de acuerdo con la salida de pseudo-SOC desde los medios de estimación de pseudo-SOC, caracterizados porque el modelo de batería incluye además: medios de estimación de cambio de tensión (18) para estimar un cambio en la tensión de la batería producido por resistencia interna, y medios de estimación de cambio dinámico de tensión (20) para estimar un cambio en la tensión de la batería basado en un cambio en la corriente de carga/descarga de la batería, en que la tensión de la batería se estima a partir de la suma de valores de salida de los medios de estimación de fuerza electromotriz, los medios de estimación de cambio de tensión y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión.

2. Medios para estimar un estado de carga de una batería según la reivindicación 1, en que la corrección del pseudo-SOC consta de una componente proporcional a una diferencia entre la tensión estimada de la batería y la tensión realmente medida de la batería, y una componente proporcional a un valor integrado de la diferencia.

3. Medios para estimar un estado de carga de una batería según la reivindicación 1, en que los medios de estimación de pseudo-SOC (14), los medios de estimación de fuerza electromotriz (16) y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión (20) realizan corrección durante las respectivas operaciones de estimación de acuerdo con una temperatura de la batería.

4. Medios para estimar un estado de carga de una batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en que los medios de estimación de pseudo-SOC (14), los medios de estimación de fuerza electromotriz (16) y los medios de estimación de cambio dinámico de tensión (20) realizan correcciones durante las respectivas operaciones de estimación de acuerdo con el SOC estimado de la batería.

5. Medios para estimar un estado de carga de una batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en que los medios de estimación de cambio dinámico de tensión (20) están formados por una red neural que tiene una trayectoria de realimentación.

6. Un método para estimar el estado degradado de una batería, que comprende las etapas de medir la corriente de carga/descarga y una tensión de una batería; determinar un pseudo-SOC (estado de carga) de la batería como valor representativo del SOC estimado de la batería a partir de un valor integrado de la corriente de carga/descarga; estimar una tensión abierta Voc de la batería a partir del pseudo-SOC; caracterizado por comprender además las etapas de estimar un cambio dinámico de tensión Vdyn de la batería basado en un cambio en la corriente de carga/descarga de la batería; determinar una diferencia Vr entre la suma de la tensión abierta Voc y el cambio dinámico de tensión Vdyn, y la tensión medida Vmes de la batería de acuerdo con la expresión Vr = Vmes - (Voc + Vdyn) y determinar la resistencia interna de la batería a partir de la diferencia Vr y la corriente de carga/descarga por el método de mínimos cuadrados.

7. Un método para estimar el estado degradado de una batería según la reivindicación 6, en el que el método de mínimos cuadrados es un método ponderado de mínimos cuadrados.