估算與電池相關的狀態向量的系統和方法

2023-09-13 05:06:00

專利名稱：估算與電池相關的狀態向量的系統和方法
技術領域：
本發明是關於一種估算與電池相關的狀態向量的系統與方法。
技術背景許多電子與電力設備會使用到電池。所以需要能夠估計電池的內部狀態，包括充電狀態(soc) 。 soc指的如下值，其表示電池可用於工作的當前可用容量。電池監控系統會測量輸入至電池的電流與從 電池輸出的電壓的歷史以估計電池狀態。一般來說，當電池會在沒有電負載的某段時間內放電，且電池狀 態會改變。然而，電池監控系統在這段時間會中斷測量和計算的歷史。 此系統的缺點是，當電池從負載電路電解耦一段時間之後，當其與負 載電路電耦合時，不能準確地確定電池的狀態。因此，本發明人認識到，當電池從負載電路電解耦一段時間之後， 當其與負載電路電耦合時，需要有估算與電池相關的狀態向量的系統 與方法。發明內容依據實施例，本發明提供一種估算與電池相關的狀態向量的方法。本方法包括確定電池從負載電路解耦的時間間隔。時間間隔起雲貴 於第一時間。本方法進一步包括從存儲器中獲得與電池相關的第一 狀態向量。第一狀態向量是於第一時間前就已確定。本方法進一步包 括以第一狀態向量與時間間隔為基礎來計算以預測與預測與與電池 相關的第二狀態向量。本方法進一步包括當電池再度與負載電路耦 合時，測量電池的輸出電壓，以在第一時間間隔後獲得第一電池電壓值。本方法進一步包括以預測的第二狀態向量為基礎來估算與電池 相關的第二電池電壓值。本方法進一步包括以第一電池電壓值與第 二電池電壓值為基礎，計算出電壓誤差值。本方法進一步包括以預 測的第二狀態向量與電壓誤差值為基礎來預測與與電池相關的第三狀 態向量。依據另一實施例，本發明提供一種估算與電池相關的狀態向量的系統。本系統包括用以測量電池的輸出電壓的電壓傳感器。本系統進一步包括實際耦合至電壓傳感器的計算機。計算機是被配置以確定電池從負載電路解耦的時間間隔。時間間隔起始於第一時間。更且，計算機是被配置為可從存儲器中獲得與電池相關的第一狀態向量。第一狀態向量是於第一時間前就已確定。更且，計算機是被配置為可以第一狀態向量與時間間隔為基礎做計算，以預測與與電池相關的第二狀態向量。更且，計算機是被配置為其可在當電池再度與負載電路耦合時，在第一時間間隔後讓電壓傳感器測量電池的輸出電壓，以獲得第一電池電壓值。更且，計算機是被配置為其可利用預測的第二狀態向量，估算與與電池相關的第二電池電壓值。更且，計算機是被配置 為其可以第一電池電壓值與第二電池電壓值為基礎來計算電壓誤差值。更且，計算機是被配置為其可以預測的第二狀態向量與電壓誤差 值為基礎做計算，預測與與電池相關的第三狀態向量。依據另一實施例，本發明提供製造產品。產品製造包括計算機 儲存介質，其具有計算機程式，是用以估算與與電池相關的狀態向量。 計算機儲存介質包括確定電池從負載電路解耦時的時間間隔的程序 代碼。時間間隔起始於第一時間。計算機儲存介質進一步包括從存 儲器中獲得與與電池相關的第一狀態向量的程序代碼。第一狀態向量 是於第一時間前就已確定。計算機儲存介質進一步包括以第一狀態 向量與時間間隔為基礎做計算，預測與電池相關的第二狀態向量的程 序代碼。計算機儲存介質進一步包括當電池再度與負載電路電耦合 時，在第一時間間隔後測量電池的輸出電壓，以獲得第一電池電壓值的程序代碼。計算機儲存介質進一步包括以預測的第二狀態向量為 基礎，估算與電池相關的第二電池電壓值的程序代碼。計算機儲存介 質進一步包括以第一電池電壓值與第二電池電壓值為基礎，計算電 壓誤差值的程序代碼。計算機儲存介質進一步包括以預測的第二狀 態向量與電壓誤差值為基礎做計算，預測與電池相關的第三狀態向量 的程序代碼。從下列圖示及說明可更了解其他依據實施例的系統或方法。這些 所有附加的系統與方法均屬於本發明的範疇，並受到權利要求範圍的 保護。


圖1示出了根據示例性實施例的估算與電池相關的狀態向量的系 統示意圖。圖2-3示出了另一示例性實施例的估算與電池相關的狀態向量的 方法流程圖。圖4-5示出了另一示例性實施例的估算與電池相關的狀態向量的 方法流程圖。
具體實施方式
參考圖1，其說明用以估算與電池12相關的狀態向量的系統10。 電池12包括至少電池單元14。當然，電池12可以包括多個其他電池 單元。系統10包括一個或多個電壓傳感器20、負載電路26、計算單 元，如計算機28，也可包括一個或多個溫度傳感器22，以及電流傳感 器24。電壓傳感器20被配置為產生第一輸出信號，其表示電池12的一 個或多個電池單元產生的電壓。電壓傳感器20電耦合在計算機28的 輸入/輸出接口 46與電池12之間。電壓傳感器20將第一輸出信號傳輸 至計算機28。為使說明簡明，在此將描述一個電壓傳感器。然而，要注意的是，在系統10的可選實施例中，系統10採用了多個電壓傳感 器(如每個電池單元一個電壓傳感器)。溫度傳感器22被配置為產生第二輸出信號，其表示電池12的一 個或多個溫度。溫度傳感器22被設置為靠近電池12，並以與計算機 28的輸入/輸出接口 46電性耦合。溫度傳感器22將第二輸出信號傳輸 至計算機28。為了使說明簡明，在此將描述一個溫度傳感器。然而， 要注意的是，在系統10的可選實施例中，系統IO採用多個溫度傳感 器(如每個電池單元一個溫度傳感器)。電流傳感器24被配置為產生第三輸出信號，其表示電池12的電 池單元提供或吸取的電流。電流傳感器24電性耦合在電池12與負載 電路26之間。電流傳感器24進一步與計算機28的輸入/輸出接口 46 電性耦合。電流傳感器24將第三輸出信號傳輸至計算機28。負載電路26是與電流傳感器24電性耦合，且從電池12吸取或提 供電流。負載電路26包括任何能夠與電池12電性耦合的電子裝置。計算機28被配置為確定與電池12相關的狀態向量，下面將做更 詳細的說明。計算機28包括中央處理器(CPU)40、只讀存儲器(ROM) 44、易失性存儲器，如隨機存取存儲器(RAM) 45、以及輸入/輸出接 口 46。中央處理器40可操作地與ROM 44、 RAM 45、及輸入/輸出接 口46通信。中央處理器40包括時鐘42。包括ROM 44及RAM 45的 計算機可讀取介質可以被實現為是任何個數的已知的存儲器裝置，如 PROM、 EPROM、 EEPROM、快閃記憶體或其他可儲存數據的電、磁、 光或組合的存儲器裝置；其中的一些代表了中央處理器40可使用的可 執行指令。在詳細討論如何確定與電池12相關的狀態向量的方法之前，先描 述概要。狀態向量包括至少與電池12相關的充電狀態(SOC)值。SOC值是從0%至100%，其表示的是電池12可工作的目前可用容量。估算 的狀態向量是在負載電路26被供給能量時利用下述參數確定的(i) 已測量的電池電壓；(ii)之前儲存的估算的狀態向量(包括SOC值)； 以及(iii)負載電路未被供給能量或從電池12電解耦的時間間隔。這 些參數被用在電池單元行為的數學模型中，以計算出改善估算的電池 12狀態向量，其可以包括磁滯現象、電壓極化現象及自放電的補償。 裝置未被供給能量時的時間段可使用計算機28的時鐘42測量。下述假設電池單元動態的數學模型是已知，且可用包括狀態方程 及輸出方程的離散時間狀態空間模型來表示。下述為所採用的狀態方程，用於確定與電池12相關的狀態向量formula see original document page 8其中Xk是時間指標k時與電池12相關的狀態向量； Uk是表示電池12的已知/確定性的輸入的變數；Wk是方法噪聲或幹擾，其對某些未測量但卻會影響系統狀態的輸入進行建模；以及/fe—i ，n 》-1 ，&)是狀態轉移函數。在此，狀態向量Xk包括SOC值。進一步，已知/確定性的輸入Uk 包括下列至少其中一項(i)當前電池12提供或吸取的電流，以及(ii) 電池12的溫度。採用下面的方程可確定與電池12相關的輸出向量其中，A(H外,/C)是測量函數；以及Vk是傳感器噪聲，其在無存儲器模式下會影響電池12的輸出的測量，但是不會影響電池12的狀態向量。已知所有觀察結果Yk={y。， yP…，yk}，下述系統採用概率推論 以確定狀態向量Xk的估算狀態向量^。經常使用的估計量為以下的條 件均值其中，Rxk是Xk的範圍，且E[]是統計期望計算子。前述方程會遞 歸地計算後驗概率密度p(XklYk)。由於要求解前述方程是很困難的，因 此需採用數值方法來近似該方程以計算估計的狀態向量^，此方法將 於之後詳述。為了能更容易了解，將說明下述方法的方程所採用的標記。彎折符號表示是估算量(如義指的是實際量X的估算)。上標符號"-"表示的是先前的估計(a priori estimate)(也即依據過去數據而對目前 數量的值所做的預測)。上標符號"+ "表示的是後驗估計(如《是 根據直到包括時間k所獲得的所有測量的時間指標k處的實際量x的 估計)。彎曲符號(加在西班牙語n字上的發音符號)表示的是估算 量的誤差(如:《=&一^及。符號2砂-殿^/l表示的 是下標中變量的相關性或交互相關性(此處所描述的量是零平均 (zero-mean)，因此相關性與協方差相同)。符號L表示的量與L^ 相同。上標"T"是矩陣/向量轉置算子。參考圖2-3，其說明的是採用通用序貫概率推論方法來計算估算的 狀態向量^的方法。在步驟60，計算機28確定電池12從負載電路26電解耦的時間 間隔。時間間隔起始於第一時間。在步驟62，計算機28從存儲器46中獲得與電池12相關的第一狀態向量Xk.,。第一狀態向量Xk.,是第一時間前確定的。在步驟64,計算機28根據第一狀態向量Xk-t與時間間隔，利用方 程《-4/^屮"w，w,&-l)lYwI來計算與電池12相關的第二預測的 狀態向量& 。在步驟66，計算機28利用方程S"-4(《)(《)"1計算與第二預測狀態向量^相關的第一協方差值2"。在步驟68，在當電池12與負載電路26電耦合時，在第一時間間 隔後，計算機28使電壓傳感器20測量從電池12輸出的電池電壓，以獲得第一電池電壓值。在步驟70，計算機28以第二預測的狀態向量《為基礎並採用方 程^ =五0"，^』)1^1來估算與電池12相關的第二電池電壓值。在步驟72，計算機28以第一電池電壓值與第二電池電壓值為基 礎計算電壓誤差值。在步驟74，計算機28以第二預測的狀態向量^-與電壓誤差值 義為基礎並採用方程《A]來計算與電池12相關 的第三預測狀態向量《，其中，U是由方程 4 = ￡bDrM(W(3Ur]T確定的。第三預測狀態向量《是由前述方法所產生的電池12實際狀態的 最準確估計。在步驟76，計算機28採用方程S" —"^2^《來計算與第三預測狀態向量《相關的第二協方差值2^,1在步驟76之後，該方 法便結束了。要注意的是，有許多方法可大致近似上述的第三預測狀態向量《。舉例來說， 一種方法是採用線性Kalman濾波器；另一種方法採用非線 性的擴展型Kalman濾波器；另一種方法採用的是非線性sigma點 Kalman濾波器。這些方法利用了不同程度的計算量且在獲得狀態向量 方面產生了不同精確度。舉例來說，參考圖4-5，其描述採用非線性的擴展型Kalman濾波 器來估算狀態向量^的方法。下述定義是本方法所釆用的方程formula see original document page 11在步驟80，計算機28確定電池12從負載電路26電解耦的時間 間隔。該時間間隔起始於第一時間。在步驟82，計算機28從存儲器46中獲得與電池12相關的第一 狀態向量《—,。該第一狀態向量《_,是於第一時間前就已確定。在步驟84，計算機28以第一狀態向量《_,與時間間隔為基礎並採 用方程《i，W*-iJ —L幻來計算與電池12相關的第二預 測狀態向量《。在步驟86，計算機28利用方程2^ -^w^w^-i+A-P^A:i來計算與第二預測狀態向量^相關的第一協方差值。在步驟88，當電池12與負載電路26電耦合時，在第一時間間隔 後，計算機28使電壓傳感器20測量從電池12輸出的電池電壓，以獲得第一電池電壓值。在步驟90，計算機28以第二預測狀態向量《為基礎並採用方程 A -/<^，""&，^估算與電池12相關的第二電池電壓值。在步驟92，計算機28以第一電池電壓值與第二電池電壓值為基 礎計算電壓誤差值。在步驟94，計算機28以第二預測狀態向量《與電壓誤差值為基礎並採用方程《-《+A[A—iU來計算，tl池、2相，的，三預測狀態向量《，其中，Lk是由方程A-S,^HASLAr+A2V^廣確定的。在步驟96，計算機28採用方程2^-" —A^)^,4十算與第三預 測狀態向量《相關的第二相關值2^。此方法於步驟96之後便結束了 。需注意的是，在可選實施例中，可採用線性Kalman濾波器、非線 性sigma點Kalman濾波器、平方根線性Kalman濾波器、平方根擴展 型Kalman濾波器、平方根sigma點Kalman濾波器、粒子濾波器等， 來計算電池12的估算狀態向量^。與其他系統及方法相比，用以估算與電池相關的狀態向量的本系 統及本方法提供了實質性的優點。具體來說，當電池從負載電路電解 耦某一時間間隔後，當電池和負載電路電耦合時，本系統及方法提供 了一種能準確估算與電池相關的狀態向量的技術效果。上述方法是以電腦程式代碼的方式實現的，所述電腦程式代 碼包括實際介質中實現的指令，所述實際介質例如是軟盤、CDROM、 硬碟或其他任何計算機可讀取的儲存介質，其中，當計算機載入計算 機程序代碼並執行時，該計算機成為執行本發明的裝置。上述方法也 可以電腦程式代碼的方式實現，舉例來說，無論儲存在儲存介質中， 由計算機載入和/或執行，或通過某些傳輸介質來傳送，如通過電線或電纜，通過光纖或經由電磁輻射，其中，當計算機載入並執行該計算 機程序代碼時，該計算機成為實現本方法的裝置。當在通用的微處理器上執行時，電腦程式代 碼段配置該微處理器以產生特定邏輯電路。儘管參考了示例性實施例描述了本發明，然而應當理解對於本領 域技術人員來說，在不背離本發明的保護範圍的情況下可以對其部件 進行替換和做出多種等效改變。此外，在不背離本發明的保護範圍的 情況下可以對本發明的教導做出多種改型，以適應特定情況。因此， 其意圖是本發明並不限於為了實現本發明所公開的實施例，而是本發 明包括落入本發明希望的範圍內的所有實施例。此外，所使用的術語， 如第一、第二、…等，並非重要性的順序，而這些術語第一、第二 等只是用來區分不同的元件而已。
權利要求
1.一種估算與電池相關的狀態向量的方法，該方法包括如下步驟確定該電池從負載電路電解耦的時間間隔，該時間間隔起始於第一時間；從存儲器獲得與該電池相關的第一狀態向量，在該第一時間之前確定該第一狀態向量；以該第一狀態向量與該時間間隔為基礎來計算與該電池相關的第二預測狀態向量；在該第一時間間隔後，當該電池再次與負載電路電耦合時，測量從該電池輸出的電池電壓以獲得第一電池電壓值；以該第二預測狀態向量為基礎來估算與該電池相關的第二電池電壓值；以該第一電池電壓值與該第二電池電壓值為基礎來計算電壓誤差值；以及以該第二預測狀態向量與該電壓誤差值來計算與該電池相關的第三估算狀態向量。
2. 如權利要求l所述的方法，進一步包括計算與該第三估算狀態 向量相關的協方差值。
3. 如權利要求l所述的方法，其中計算該第二預測狀態向量的步 驟包括以該第一狀態向量與該時間間隔為基礎，使用以下至少其中之 一來計算與該電池相關的該第二預測狀態向量Kalman濾波器、擴展型Kalman濾波器、sigma點Kalman濾波器、平方根sigma點Kalman濾波器以及粒子濾波器。
4. 如權利要求l所述的方法，其中計算該第三估算狀態向量的步 驟包括以該第二預測狀態向量與該電壓誤差值間隔為基礎，使用以下至少其中之一來計算與該電池相關的該第三估算狀態向量Kalman濾 波器、擴展型Kalman濾波器、sigma點Kalman濾波器、平方根sigma 點Kalman濾波器以及粒子濾波器。
5. 如權利要求l所述的方法，其中該第二預測狀態向量至少表示 該電池的預測充電狀態。
6. 如權利要求l所述的方法，其中該第三預測狀態向量至少表示 該電池的預測充電狀態。
7. —種估算與電池相關的狀態向量的系統，該系統包括 電壓傳感器，被配置為測量從該電池輸出的電壓；以及 計算機，可操作地耦合至該電壓傳感器，該計算機被配置為執行根據權利要求1至6中任意一項所述的步驟。
8. —種其中具有編碼的電腦程式的計算機儲存介質，用於估算 與電池相關的狀態向量，該計算機儲存介質包括執行根據權利要求1 至6中任意一項的方法的程序。
全文摘要
本發明是有關於提供一種估算電池相關的狀態向量的系統與方法。本方法包括確定電池從負載電路電性解耦的時間間隔。時間間隔起始於第一時間。本方法進一步包括從存儲器中獲得電池相關的第一狀態向量。第一狀態向量是於第一時間前就已確定。本方法進一步包括以第一狀態向量與時間間隔為基礎來計算與電池相關的第二預測狀態向量。
文檔編號G01R31/36GK101248365SQ200680030881
公開日2008年8月20日 申請日期2006年8月23日 優先權日2005年8月23日
發明者圭葛裡·L·普力特 申請人:Lg化學株式會社