CN102077105A - 用于电池容量估计的方法 - Google Patents

Abstract

一个实施例设想了用于估计电池容量的方法。在第一时刻和第二时刻确定充电状态。确定第一时刻和第二时刻的充电状态之间的差。计算第一时刻和第二时刻之间的净库仑流量。以充电状态的变化和净库仑流量为函数来确定电池容量。

Description

用于电池容量估计的方法

技术领域

本发明总体上涉及确定运输车辆中可再充电电池的健康状态（SOH）。

背景技术

车辆的电功率供应系统必须支持靠电能进行操作的多种车辆功能。这样的功能包括正常的车辆操作装置和诸如后窗除雾器、防抱死制动/稳定性系统、照明系统等等之类的安全相关装置。除了这些装置外，车辆的电功率供应系统还支持舒适性、便利性和娱乐装置。一些示例包括空调、加热座椅、视频/音频系统、以及附件输出端的便利性装置。随着新的线控技术的出现（例如，线控转向、线控制动等），车辆的电功率系统将会需要提供更多的电功率。

如上所述的电装置的日益增加的使用直接影响车辆电池上的消耗，并因此影响电池的使用寿命。电池老化的加速与这样的装置的使用频率直接相关，这些装置将车辆电池用作其功率源。

而且，混合动力电动车辆应用既使用电驱动系统，也使用内燃发动机。这种系统比通常的内燃发动机系统需要更多来自车辆电池的能量。混合动力车辆的操作模式通常被描述为关于电池组的电量消耗或电量保持。一些混合动力车辆是从电网充电，而大多数操作在电量保持模式中的混合动力车辆都接收来自交流发电机的充电，其中该交流发电机由内燃发动机驱动。因此，混合动力系统使用高功率的可再充电电池以满足功率需求。随着电池的高功率输出和更频繁的使用，需要用于电池SOH监测的准确且鲁棒的容量估计，以便确保混合动力系统的可靠且安全的操作。另外，准确的容量估计能够被进一步用来增强充电状态估计和电功率管理。

用于确定电池容量测量结果的已知方法是在实验室环境中使用耗时的完全充电和放电过程，其并不适于车载的车辆应用。

发明内容

本发明的一个优点是在车载的车辆系统中（这与实验室环境相反）对电池容量进行估计的能力。使用在时间间隔测量的电压和电流信号在电子控制模块中估计基于电压的电池充电状态（SOC），以便确定电池容量，其有助于监测电池健康状态，以及有助于电池充电控制和车辆功率管理的增强。

一个实施例设想了一种用于估计电池容量的方法。在第一时刻和第二时刻确定充电状态。确定第一时刻和第二时刻的充电状态之间的差。计算第一时刻和第二时刻之间的净库仑流量。以充电状态的变化和净库仑流量为函数来确定电池容量。

一个实施例设想了一种用于确定电池容量的设备。该设备包括用于监测电池特性的至少一个传感器和电子控制模块。电子控制模块联接到至少一个传感器，用于接收所检测的输入信号。电子控制模块包括用于确定在第一时刻和第二时刻的充电状态之间的差的处理单元。处理单元确定第一时刻和第二时刻之间的净库仑流量。处理单元进一步以充电状态的差以及净库仑流量为函数来确定电池容量。

附图说明

图1是具有根据实施例的电池健康状态估计系统的车辆的实施例的图示。

图2是根据实施例的用于估计车辆的电池容量的方法的流程图。

具体实施方式

图1是车辆10的实施例的图示，车辆10中结合有电池容量估计系统。应当理解，所述车辆可以是混合动力车辆、内燃式车辆、或者电动车辆。车辆10包括具有单个电池或多个单独电池模块的电池组12。例如，一个实施例可以包括以串联方式连接的多个电池，以便产生用于电动车辆或混合动力车辆的高电压的标称电压（例如，336 V），但是任何实际应用的电压也可以是允许的。在又一个实施例中，车辆可以包括单个12 V的电池，以便产生用于内燃式车辆的14 V标称电压。本文所描述的健康状态估计技术可以应用于各种电池类型，包括但不限于镍金属氢化物（NiMH）电池、铅酸电池、或者锂离子电池。

车辆电池12联接到利用电池作为功率源的多个装置14。这样的装置可以包括与内燃式车辆、混合动力车辆或者电动车辆相关联的适配于装置中外部插头的功率输出端、附件、部件、子系统和系统。车辆10还可以包括控制模块16或类似模块，其获取、推导、监测、和/或处理与车辆电池12相关联的一组参数。这些参数可以包括但不限于：电流、电压、充电状态（SOC）、健康状态（SOH）、电池内部电阻、电池内部电抗、电池温度、以及车辆电池的功率输出。控制模块包括算法或类似物，用于执行车辆电池容量估计技术。电流传感器18还可以用于监测离开车辆电池12的供应电流。在混合动力车辆或者电动车辆中，电流传感器18通常集成到控制模块16。系统还可以包括用于测量电压的电压表（未示出），使得可以确定开路电压。

为了增强电池充电控制和车辆功率管理，电池容量估计系统使用了与电池状态相关联的指标SOC来确定电池容量。在第一实施例中，开路电压V_oc被用来估计SOC。当电池处于停用并持续至少预定时间段时，可以确定开路电压V_oc。开路电压V_oc还可以在车辆运行时被估计。各种技术均可以被用来使用开路电压V_oc确定SOC。用来基于直接测量和/或由电池参数间接估计的开路电压V_oc而确定SOC的这些技术的示例包括但不限于在Verbrugge的美国专利6639385以及Verbrugge的公开出版物2004/0162683中描述的那些技术，这些文献描述了用于估计开路电压V_oc并使其与SOC相关的技术。2007年10月4日提交的序列号为11/867497的待决申请描述了对端电压数据和电流数据进行采样以便计算随后可以用来生成SOC值的开路电压V_oc的技术。通过引用将这些专利文献和待决申请的相关内容并入本文。在替代性实施例中，可以使用不需要开路电压V_oc的其它已知技术来推导出SOC。

在一个实施例中，在第一时刻T ₁ 确定第一充电状态（SOC ₁ ），在第二时刻T ₂ 确定第二充电状态（SOC ₂ ）。确定SOC ₁ 和SOC ₂ 的时刻可以是固定的时刻。可替代地，这些时刻可以是可变的，这取决于SOC的有效性。也就是说，当SOC ₁ 和SOC ₂ 可以在各个时刻处被采样时，根据充电状态的变化（ΔSOC）是否具有与基于电流的SOC的变化相同的符号并且与基于电流的SOC的变化相比处于相应的范围内，从而实现SOC ₁ 和SOC ₂ 的有效性。例如，在混合动力车辆中，离基于电流的SOC变化预定百分比偏差（例如5%）内的变化被认为是有效的。如果该变化具有不同的符号或者与基于电流的SOC变化相比处于相应范围外，那么在相应时刻确定的SOC ₁ 和SOC ₂ 被认为是无效的。可以在新的时刻进行SOC ₁ 和SOC ₂ 的新值的采样。另外，基于电压的SOC估计方法的性能指标也可以被用来确定SOC ₁ 和SOC ₂ 的有效性（例如，信号的丰富度、参数估计方法的估计误差）。一旦确定了充电状态的变化（ΔSOC）有效，那么使用差ΔSOC来估计电池容量。

充电状态中的差（ΔSOC）由下述公式来表示：

ΔSOC＝SOC ₁－SOC ₂

因为SOC ₁ 和SOC ₂ 是基于电压的，所以不必使用车辆电池容量就能够计算出充电状态的差（ΔSOC）。结果是，ΔSOC可以被用作比较基准，以便推导出电池容量。应当注意，SOC ₁ 和SOC ₂ 可以作为基于电压的SOC导出，或者作为非基于电压的SOC而导出。而且，用于确定SOC ₁ 和SOC ₂ 的方法可以是独立于电池容量的方法。

电子控制单元14进一步确定用于电池容量估计的净库仑流量ΔQ。净库仑流量ΔQ是第一时刻T ₁ 和第二时刻T ₂ 之间所计算的库仑流量的函数。净库仑流量ΔQ由下述公式表示：

其中，T ₁ 是第一时刻，T ₂ 是第二时刻，η表示了充电和放电效率，I是电流。

在混合动力车辆中，净库仑流量在电池控制模块处被计算。混合动力车辆中的电池控制模块执行电池充电控制以及增强车辆功率管理。在具有内燃发动机的车辆中，电流传感器被用于监测来自车辆电池的电流流量，并且将其提供给主体控制模块，用于确定净库仑流量ΔQ。

然后，作为ΔSOC的函数来确定电池容量，正如通过SOC ₁ 和SOC ₂ 之间的差以及净库仑流量ΔQ所确定的那样。指示电池健康状态（SOH）的电池容量可以由下述公式表示：

。

图2示出了用于估计车辆电池的电池容量（C _n ）的方法。在步骤20中，测量电池电压和电流。在步骤21中，使用测得的电池电压和电流来确定开路电压V _oc 。可以使用基于等效电路电池模型的参数识别方法来确定开路电压V _oc 。在混合动力车辆中，开路电压V _oc 优选在车辆运行时确定。在内燃发动机中，开路电压V _oc 优选在电池停用时确定；更优选地，在停用预定时间段之后确定。开路电压V _oc 在第一时刻T ₁ 和第二时刻T ₂ 时被确定。

在步骤22中，SOC ₁ 在T ₁ 时被确定。在步骤23中，SOC ₂ 在T ₂ 时被确定。SOC ₁ 和SOC ₂ 作为开路电压V _oc 的函数而确定。T ₁ 和T ₂ 可以是固定的或可变的时刻。

在步骤24中，通过从SOC ₁ 中减去SOC ₂ 来确定充电状态的差ΔSOC。如果T ₁ 和T ₂ 是可变的（即，在采样期间取得），那么要进行有效性检查以确定ΔSOC是否有效。该确定可以通过将ΔSOC与基于电流的SOC的变化进行比较并且确定ΔSOC是否在预期范围内来实现。如果确定ΔSOC是无效的，那么在不同的时刻进行新的开路电压V _oc 的采样，以获取新的充电状态值SOC ₁ 和SOC ₂ 。另外，可以关于多个采样次数来记录开路电压V _oc ，以便推导出多个ΔSOC，并进而又推导出多个电池容量估计C _n ，其可以被滤波以生成平均电池容量从而改善鲁棒性和准确性。

在步骤25中，确定第一时刻T ₁ 和第二时刻T ₂ 之间的净库仑流量ΔQ。净库仑流量ΔQ是第一时刻T ₁ 和第二时刻T ₂ 之间的安培小时变化。通常通过在采样时间间隔上对所采样的电流进行累加来计算库仑流量。

在步骤26中，作为充电状态的差ΔSOC和净库仑流量ΔQ的函数来推导出电池容量。然后，电池容量和其它参数（例如电池电阻）组合起来以便提供车载的车辆健康状态（SOH）。SOH值可以被用来更加合适地对功率使用进行管理和/或将SOH报告给车辆驾驶员。

尽管上述实施例描述了车载的车辆SOH监测的方法，但是上述方法和技术可以应用于检测车辆以外的电池。

尽管已经对本发明的某些实施例详细地进行了描述，但是熟悉本发明所涉及领域的技术人员在所附权利要求限定的范围内将会认识到用于实践本发明的各种替代性设计和实施例。

Claims (20)

1.一种对电池的电池容量进行估计的方法，所述方法包括下述步骤：

a) 在第一时刻和第二时刻确定充电状态；

b) 确定所述第一时刻和所述第二时刻的充电状态之间的差；

c) 计算所述第一时刻和所述第二时刻之间的净库仑流量；以及

d) 作为所述充电状态和所述净库仑流量的变化的函数来确定所述电池容量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤d)中确定所述电池容量是从下述公式中导出：

其中，ΔQ是所述第一时刻和所述第二时刻之间的净库仑流量，且ΔSOC是所述第一时刻和所述第二时刻的充电状态之间的差。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)中计算所述净库仑流量是从下述公式中导出：

其中，ΔQ是所述净库仑流量，T ₁ 是所述第一时刻，T ₂ 是所述第二时刻，η是表示充电和放电效率的常量，且I是电流。

4.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一时刻和所述第二时刻确定的充电状态是基于电压的充电状态。

5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述第一时刻和所述第二时刻确定的充电状态是作为所述第一时刻和所述第二时刻的开路电压的函数来确定的。

6.如权利要求5所述的方法，其中，用于确定所述第一和第二时刻的所述开路电压的电压测量结果是在所述车辆正在被驱动时确定的。

7.如权利要求5所述的方法，其中，用于确定所述第一和第二时刻的所述开路电压而测量电压是在所述车辆停用时进行的。

8.如权利要求7所述的方法，其中，用于确定所述第一和第二时刻的所述开路电压而测量电压是在所述车辆停用至少一定持续时间时进行的。

9.如权利要求5所述的方法，其中，使用基于等效电路电池模型的参数识别过程来确定所述开路电压。

10.如权利要求1所述的方法，其中，步骤a)-d)被重复，以便确定多个时间间隔上的多个电池容量，所述多个电池容量被滤波以便提供因数化的电池容量值。

11.如权利要求1所述的方法，其中，使用查找表来确定通过所述开路电压确定的充电状态。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一时刻和所述第二时刻是固定的时刻。

13.如权利要求1所述的方法，其中，基于相应的测量的充电状态是否有效来确定所述第一时刻和所述第二时刻。

14.如权利要求1所述的方法，其中，用于确定所述第一时刻和所述第二时刻的充电状态的方法独立于电池容量。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述充电状态是基于电压的充电状态。

16.一种用于确定电池的电池容量的设备，所述设备包括：

用于监测所述车辆电池的特性的至少一个传感器；以及

电子控制模块，所述电子控制模块联接到所述至少一个传感器，用于接收所检测的输入信号，所述电子控制模块包括用于确定第一时刻和第二时刻的充电状态之间的差的处理单元，所述处理单元确定所述第一时刻和所述第二时刻之间的净库仑流量，所述处理单元进一步以所述充电状态的差和所述净库仑流量为函数来确定所述电池容量。

17.如权利要求16所述的设备，其中，所述电子控制模块是电池控制模块。

18.如权利要求16所述的设备，其中，所述电子控制模块是主体控制模块。

19.如权利要求18所述的设备，其中，所述至少一个传感器是与所述主体控制模块通信以便将所检测的电流信号提供给所述主体控制模块用于确定所述净库仑流量的电流传感器。

20.如权利要求16所述的设备，其中，所述处理单元以所述开路电压为函数来确定充电状态的净差。

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