充電電壓滯後估算器的電池狀態的製作方法

2023-05-30 18:58:11

專利名稱：充電電壓滯後估算器的電池狀態的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池系統，更具體地說，涉及用於電池系統的充電跟蹤系統 的狀態。
背景技術：
電池系統可以在範圍廣泛的各種應用中用於提供電力。示範性的運輸應 用包括混合電力機車(HEV)、電力機車、重負載機車(HDV)和具有42伏電 力系統的機車。示範性的固定應用包括用於遠程通信系統的後備電源、不間 斷電源(UPS),以及分布式電源生成應用。
所用的電池類型的實例包括鎳金屬氫化物(NiMH)電池、鉛酸電池和 其他類型的電池。 一個電池系統可以包括多個串聯和/或並耳關的電池子部件。 電池子部件可以包括多個並聯和/或串^:的電池。
由電池、電池子部件和/或電池系統傳送的最大和/或最小功率作為電池溫 度、電池充電狀態(SOC)和/或電池老化的函數隨時間變化。因此，對於確 定最大和/或最小功率，精確估算電池SOC是重要的。
由電池可以提供的或由電池起源的能量是充電狀態的函數。當在運行過 程中電池的充電狀態已知和作為目標時，在充電中允許安培-小時的能力和 放電中提供安培-小時之間可以維持最佳比率。當這一最佳比率可以維持時， 降低了為承擔適當的輔助電力和再生能量對過大電池系統的需求。 舉例來說，在例如HEV或EV的運輸應用中，對於動力機車(powertrain) 控制系統來說，了解電池系統的最大和/或最小功率限值是重要的。電力機車 控制系統通常從加速裝置踏板接受對於功率的輸入請求。電力機車控制系統 判讀對於與電池系統的最大功率限值相關的功率的請求(當電池系統向車輪 提供動力時)。最小功率限值在再充電和/或再生式制動過程中可能是相關的。 超出最大和/或最小功率限值可能損害電池和/或電池系統，和/或降低電池和/ 或電池系統的運行壽命。能夠精確地估算電池SOC已經多少成為問題，特別 是，當電池系統包括NiMH電池時。

發明內容
提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，並包括測量電池電壓的電壓 測量模塊、測量電池電流的電流測量模塊，以及充電狀態(SOC)模塊。SOC 模塊與電流和電壓測量模塊相聯繫，根據電池電流確定復原電壓，將電池電
壓與復原電壓相比較，並根據比較的結果復原電池soc。
在其他特徵中，提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，並包括測量 電池電壓的電壓測量模塊、測量電池電流的電流測量模塊，以及與電流和電 壓測量模塊相聯繫的充電狀態(soc)模塊。soc模塊根據電池電流和電池 電壓估算開路電壓，並根據開路電壓估算soc。
在其他特徵中，提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，並包括測量 電池電壓的電壓測量模塊、測量電池電流的電流測量模塊，以及與電流和電 壓測量模塊相聯繫的充電狀態(soc)模塊。soc模塊確定所述電池的非濾 波soc、所述非濾波soc的特性，以及根據所述非濾波soc和所述特性的 修改的soc。
在其他特徵中，提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，並包括測量 電池電壓的電壓測量模塊、測量電池電流的電流測量模塊，以及充電狀態
(soc)模塊，其確定第一和第二復原電壓，將電池電壓與第一和第二復原
電壓相比較，並根據所述第一和第二復原電壓以及所述電池電壓確定非濾波 的soc。
根據以下提供的詳細的說明，本發明的可應用範圍將變得更明顯。應當 理解，在簡要說明本發明的優選實施例的同時，該詳細說明和具體實例僅意 在描述而非意在限制本發明的範圍。
根據以下提供的詳細的說明，本發明的可應用範圍將變得更明顯。應當 理解，在簡要說明本發明的優選實施例的同時，該詳細說明和具體實例僅意 在描述而非意在限制本發明的範圍。


根據該詳細說明和附圖將更完整地理解本發明，其中
圖l是包括電池子部件、電池控制模塊和主控制模塊的電池系統的功能
性方框圖2是電池控制模塊更詳細的功能性方框圖3是電池的等效電路圖4是作為時間函數的電池電流的曲線圖5A和圖5B是描述用於估算充電狀態的鬆弛(relaxation)電壓的方法 的步驟的流程圖6是作為時間函數的電池電流的曲線圖，顯示充電和放電擺動和充電
和放電事件(event);
圖7是描述估算電池充電狀態的功率比率方法的流程圖8是描述估算電池充電狀態的開路電壓方法的流程圖9A是作為電池電壓函數的SOC的曲線圖9B是作為時間函數的經濾波的SOC電壓的曲線圖10是包括溫度測量模塊的電池控制模塊的更詳細的功能性方框圖llA和ilB是描述復原所估算的電池充電狀態的步驟的流程圖12A和12B是描述確定用於確定高和低復原閾值的極化電壓限值的步
驟的流程圖13是高和低復原閾值的、電池電壓和電池電流的時序圖。
具體實施例方式
對優選實施例的如下說明其性質僅是示範性的，並非意在限制本發明、 其應用或使用。為了清晰，在各附圖中為識別相同的元件使用相同的標號。 作為這裡使用的術語模塊或器件，是指執行一個或多個軟體或軟體程序的專 用集成電路(ASIC)、電子電路、處理器(共享、專用或成組)和存儲器、 組合邏輯電路，和/或提供所述功能性的其他適合的組件。作為這裡使用的術
語"電流擺動"是指在一持續時間內(在該過程中沿一個方向(極性)充電) 的積分的電流。充電擺動可以用安培_秒或A-S為單位表達。
示出可以用於計算SOC的 一種示範性系統，儘管本領域的技術人員會認 識到也可以使用其他系統。現在參照圖1，所示一種示範性的電池系統10的
示範性的實施例包括M個電池子部件12-1、 12-2.......，和12-M (共
同地示為電池子部件12)。電池子部件12-1， 12-2，......，和12-M包括
N個串聯的電池20- 11, 20- 12,......，和20-NM (共同地示為電池20)。
電池控制模塊30- 1, 30-2,......，和30-M(共同地示為電池控制模塊30)
分別與每個電池子部件12-1、 12-2.......，和12-M相聯繫。在一些實施
例中，M等於2或3，但是可以使用添加的或減少的子部件。在一些實施例 中，N等於12-24，但是可以使用添加的或減少的電池。
電池控制模塊30檢測由電池子部件12提供的跨接電壓和電流。另外， 電池控制模塊30可以監視電池子部件12中的一個或多個單獨的電池，並執 行適當的標定和/或調節。電池控制模塊30利用無線和/或有線連接與主控模 塊40相聯繫。主控模塊40從電池控制模塊30接收功率限值，並生成共同的 功率限值。可以按組或共同地計算對於每個模塊的SOC。在一些實施例中， 電池控制模塊30可以與主控制模塊40集成。
參照圖2,其示出電池控制模塊30的一些元件。電池控制才莫塊30包括 電壓和/或電流測量^^莫塊60，其測量^爭接在電池子部件12上的和/或聘4姿在電 池子部件12中的一個或多個單獨的電池20上的電壓。電池控制模塊30進一 步包括電池充電狀態(SOC)模塊68,其周期性地計算在電池子部件l2中的 電池20的SOC。在一個實施例中，如以下將說明的，SOC模塊68利用功率 比率估算和/或Vo方法。在另一實施方案中，如以下將說明的，SOC模塊 68利用鬆弛電壓SOC估算方法。SOC模塊68可以採用查找表70、公式或其 他方法。
如以下將進一步說明的，功率限值模塊72計算對於電池子部件l2和/
或電池子部件12中的一個或多個電池20的最大電流限值I,im，電壓限值V,
和/或功率限值P|im。該限值可以是最大和/或最小限值。接觸器控制模塊74 控制一個或多個接觸器(未示出)，該接觸器與在電池子部件12中的電池20 的控制和/或連接相關聯。時鐘電路76生成用於電池控制模塊30內部的一個 或多個模塊的 一個或多個時鐘信號。
現在參照圖3，其示出對於電池20的等效電路，其中，R^代表電池的歐 姆電阻，Vp代表極化電壓，V。代表開路電壓或鬆弛電壓，I代表電池電流， V電池電壓。V和I是測量值。RP隨溫度、施加電流的持續時間和SOC而變 化。V。和Ro主要隨SOC變化。Vp等於測量電流I乘以Rp。對於電池20， 利用等效電路和克希霍夫電壓定律，得到V = V。+VP+IRo。
鬆弛電壓對於溫度和電流需要量相對不敏感，並為SOC的良好指示器。 一組專用電流脈衝可以用於調節電池以產生取決於鬆弛電壓的SOC。這裡， 這一方法被稱為鬆弛電壓SOC估算。
現在參照圖4，其示出作為時間函數的電池電流。大於零的電流是充電 電流，例如在100-1、 100-2、 100-3和100-4。小於零的電流是放電電 流，例如在102- 1、 102-2、 102-3。在點106和108以及點110和U2之 間的曲線下方的區域定義為以A-s計的充電擺動。在點108和110之間的電 流曲線下方的區域定義為以A-s計的放電擺動。
現在參照圖5A和5B,其示出用於實施鬆弛電壓SOC估算方法的方法 的步驟。鬆弛電壓估算方法監視功率脈衝對的電池電流，查找在每個之後的 鬆弛電壓，並利用查找表70確定SOC。根據對遍及運行溫度範圍例如-15°C 到45。C的脈衝的電壓響應的觀測得到鬆弛電壓方法。鬆弛電壓受擺動幅度、 脈衝幅度，以及是從充電頂端還是從充電底端引出電池的影響。
在圖5A和5B中，按步驟150開始控制。在步驟152，測量電流和電壓。 在步驟154，控制確定測量的電流是否是充電電流(電流大於零或一預定閾 值)。如果步驟154為是，在步驟156控制累積充電擺動並復原放電擺動。在 步驟158,控制設定剩餘(rest)變量為零。在步驟162,控制確定累積的充 電擺動是否在一預定的窗口內部。該窗口可以包括高和低閾值。在一些實施
方案中，該高和低閾值在電池容量的10°/。到100%之間，但是可以使用其它 值。如果為否，在步驟163,控制禁止充電後的SOC查找，並返回到步驟152。
如果步驟162為是，按照步驟164控制繼續，並確定是否在放電中發生 了最後的擺動和鬆弛。按照這裡所用的鬆弛是指電池電壓按漸近線接近鬆弛 電壓。如果為否，按照步驟163控制繼續。如果步驟164為是，在步驟166， 控制啟動充電後的SOC查找。
如果在步驟154為否，按照步驟174控制繼續。在步驟174,控制確定 測量的電流是否是放電電流(電流小於零或一預定閾值)。如果在步驟174為
是，在步驟176控制累積放電擺動並復原充電擺動。在步驟178,控制將剩 餘變量設定為零。在步驟182，控制確定累積的放電擺動是否在一預定的窗 口內部。該窗口可以包括與累積充電擺動閾值相類似或與其不同的高和低閾 值。如果為否，在步驟183,控制禁止放電後的SOC查找，並返回到步驟152。
如果步驟182為是，按照步驟184控制繼續並確定是否在充電中發生了 最後的擺動和鬆弛。如果為否，按照步驟183控制繼續。如果步驟184為是， 在步驟186,控制啟動放電後的SOC查找。
如果步驟174為否，按照步驟200在圖5B中的控制繼續並增加剩餘變 量。在步驟202，通過將剩餘時間與一閾值相比較，控制確定剩餘時間是否 足夠。在一些實施方案中，近似地利用120秒作為閾值，但是可以利用其它 數值。如果步驟202為是，在步驟204,控制確定可允許時間是否小於閾值 時間Thtime。在一些實施方案中，可允許時間等於240秒，但是可以利用其它 數值。超過這一數值趨於表明未將脈衝控制足以用於SOC估算。
如果步驟204為是，按照步驟206控制繼續，並確定是否啟動充電後的 SOC查找。如果步驟206為是，在步驟208,控制查找作為鬆弛電壓函數的 SOC，並在步驟210禁止充電後的SOC查找以及控制返回到步驟152。如果 步驟206為否，按照步驟212控制繼續，並確定是否啟動放電後的SOC查找。 如果步驟212為是，在步驟214,控制查找作為鬆弛電壓函數的SOC，並在 步驟216禁止放電後的SOC查找，以及控制返回到步驟152。如果步驟202、 204或212為否,控制返回到步驟152。
功率比率SOC估算方法監^L功率脈衝對。該方法計算當功率脈沖對的擺 動近似相等時在充電和放電中的功率容量的比率。該SOC是功率比率的函數 並利用查找表確定。在試圖利用電流和電壓的輸入求解鬆弛電壓Vo的同時獲 得算法。
當最大或最小功率保持到一電壓限值時，電壓方程為Vlim = V0 +VP+IlimRo。將來自先前的採樣間隔的對於VQ +￥ 的計算代換到對於VlimW 該方程，生成Vnm- ( V - IRo )+IlimRo。在這種情況下，我們假設對於當前電 流採樣間隔的V。 +VP近似等於先前採樣間隔的V。 +VP (換句話說，V0 十Vp^VtHM-ItH-，Ro)。如果採樣間隔充分小，這一近似是有效的，因為電池 和環境條件十分相似。例如，在一些實施方案中，可以採用採樣間隔 10ms<T<500ms,但是可以採用其它採樣間隔。在一個實施例中，T=100ms。
已經成功地採用l秒的採樣間隔。如果確定採樣間隔持續時間過大，則Ro將 按照 一常數或 一取決於溫度的變量增加。 求解I,im,生成如下
Ilim ^—
因此，由於Pnm-Vn丄m,
plim=vlim[n':+/'='-'
在對於一充電或放電擺動和測量的電流建立功率限值時，存儲測量的電 流和電壓值。當電流反向、擺動幅度通過負的保留的擺動、並且電流近似等 於負的保留電流的擺動時，執行功率限值計算。
通過用相鄰周期的放電中的-PlJM去除充電中的PUM計算功率比率。即 使在方程中不再有V。和Vp,它們的影響反映在電流和電壓測量值中，它們
是極化建立和Vo兩者的函數。在充電擺動過程中的極化電壓Vp近似等於在 近似等於負值的放電擺動過程中的極化電壓Vp。利用這一近似式，利用功率 比率SOC估算從該計算中移除Vp。使用功率限值比率具有以下效果在所 述的充電確定中，增加了考慮低SOC的低放電功率和高SOC的低充電允許 度。
在圖6中，其示出電池電流。本發明監視充電和放電擺動，並且在某些 情況下宣布充電和放電事件。當充電擺動大於一充電擺動閾值時，發生充電 擺動事件。當放電擺動大於一放電擺動閾值時，發生放電擺動事件。闊值可 以相關於或基於先前充電或放電事件。例如，可以將充電擺動閾值設定等於 先前放電事件的絕對值。可以將放電擺動閾值設定等於先前充電事件的絕對 值。還可以利用其它的方法來確定充電和放電閾值。作為這裡所使用的術語 "要求，，(claim)是指當充電或放電事件跟隨有相應的放電或充電擺動時和當 如下其它條件滿足時的情況。與放電要求(discharge claim)的發生無關地依 照不同的判據確定放電事件的發生。該算法同時對兩者尋求。例如，該要求 點發生在區域放電擺動等於先前充電擺動的時間點處。當電流對放電電流 MIN的比率粗略等於充電事件處的電流對充電電流MAX的比率時，發生該 事件點。如果在圖7中！^K將是該情況。在一些實施方案中，L和K在1和 2之間，但是可以使用其它值。
現在參照圖7,其更詳細地示出根據本發明的功率比率SOC估算方法。
按照步驟250，控制開始。在步驟254，控制測量電流和電壓。在步驟258, 控制確定是否有一充電電流。利用在零或預定正閾值之上的正電流定義充電 電流。如果步驟258為是，按照步驟262控制繼續，並累計充電擺動。在步 驟264，控制確定該在充電擺動過程中的電流是否通過最大值並大於 Currentmax/K。當步驟264為是時，在步驟266，控制存儲電流、充電擺動和 功率限值的數值。如果為否，控制繼續繞過步驟266到步驟270。在步驟270， 控制確定該擺動是否大於先前放電擺動。如果為否，在步驟272控制不產生 SOC要求，並且按照步驟254控制繼續。
如果步驟270為是，在步驟274，控制確定是否電流近似等於保留的放 電電流-IDR(換句話說，在其高和低閾值之內)。如果步驟274為是，在步驟 280，控制按照功率限值對保留的功率限值查找比率SOC。如果步驟274為否， 則控制限值到步驟276，並禁止對當前擺動的其餘部分產生SOC要求。然後 控制從步驟276進行到步驟254。
如果步驟258為否，按照步驟278,控制繼續並確定是否出現放電電流。 當放電電流小於零或一預定負閾值時出現放電電流。如果步驟278為否，控 制返回到步驟254。如果步驟278為是，按照步驟282控制繼續，並累積放 電擺動。在步驟284,控制確定在放電擺動的過程的電流是否通過一最小值 及是否小於Currentmin/L。當步驟284為是時，在步驟286,控制存儲電流、 放電擺動和功率限值的值。如果為否，控制繼續繞過步驟286到步驟290。 在步驟290,控制確定放電擺動是否大於先前充電擺動。如果為否，在步驟 254,控制不產生SOC要求，並且按照步驟254控制繼續。
如果步驟290為是，在步驟294,控制確定電流是否近似等於一保留的 充電電流-Ic"換句話說，在其高和低閾值之內)。如果步驟294為是，在步 驟300，控制按照功率限值與保留的功率限值的比率查找SOC。如果步驟294 為否，則控制繼續到步驟296，並禁止對於當前擺動的其餘部分產生SOC要 求。然後，控制從步驟296進行到步驟254。
現在參照圖8，其示出開^"電壓SOC估算方法350。該方法350才是供對 圖7中的功率比率SOC估算方法的一種替換。方法350除去步驟280和300 外，執行與功率比率SOC估算方法相同的步驟。在方法350中，圖7中的步 驟280和300由步驟280 '和300 '替換。方法350還包括添加的步驟352、 354和356。步驟352和354對於電池的滯後特性補償估算的SOC。步驟356
對來自步驟280 '和300 '的SOC補償由於逐個要求(from claim to claim )
的soc值的瞬變的影響。下面更詳細地討論滯後補償和soc瞬變補償算法。
在步驟28(T ，控制已確定電池正在充電，並#4居如下方程確定該充電 開路電壓Vo
Vo:V+vDschEvent-(I+iDschEventHeld"Ro) /2
其中，V和I是來自步驟254的測量值，vDschEvent是在先前;^丈電事件 過程中的電壓，iDschEventHeld在先前放電事件過程中的電流。控制利用充 電開路電壓V。，以進入查找表70和確定SOC。
在步驟300 '，控制已經確定電池正在放電並根據如下方程確定放電開 路電壓V0
V0=V+vChgEvent-(I+iChgEventHeld)*Ro) /2
其中，vChgEvent是在先前充電事件的過程中的電壓，iChgEventHeld是 在先前充電事件的過程中的電流。控制利用放電開路電壓V0，以進入查找表 70和確定SOC。
當控制已經完成步驟280 '和300 '中之一時，按照步驟352控制繼續， 並確定對於大於預定量的時間電流是否已經在預定幅度之上和極性中。如果 步驟352的結果為否，控制返回到步驟254。如果步驟352的結果為是，控 制繼續到步驟354，並在返回步驟254之前對所確定的SOC補償滯後效應。 下面討論#卜償滯後效應的方法。
現在參照圖9A,該曲線示出對於NiMH電池的作為電池電壓V的函數 的SOC的實例。該曲線可以存儲在查找表70中。縱軸代表電池電壓V,橫 軸代表以百分率計的SOC。上曲線360代表作為用於確定SOC的電壓的函數 的socLow,其中，socLow代表相對開路電壓V的SOC的下限值。socLow 的值與電池充電相關聯，下面將更詳細地說明。下曲線362代表作為也用於 確定SOC的電壓的函數的socHigh,其中，socHigh代表相對開路電壓Vo的 SOC的上限值。socHigh的值與電池放電相關聯，下面將更詳細地說明。在 上曲線360和下曲線362中的大部分之間的間隔關係指示一些類型電池，例 如NiMH的滯後特性。
在步驟354,(圖8)使用一種電壓滯後補償算法確定對SOC的補償。該 補償算法形式可為
r=(Vavg-hLowAvg)/(hHighAvg-hLowAvg)
其中，r是比率，Vavg是來自步驟254的電壓V的運行平均值，hLowAvg 和hHighAvg是相應低和高復原電壓的運行平均值，hLow和hHigh按照方法 450計算。
步驟354根據如下方程重新計算SOC SOC=socLow+r* [socHigh-socLow]
其中，socHigh和socLow為來自圖9A的曲線的數值。例如，socLow與 在點370的SOC相關，socHigh與在點372的SOC相對應，重新計算的SOC 與在點374的SOC相對應。
現在參照圖9B， 一曲線表示作為時間函數的SOC 380。在一些實施例 中，SOC 380可以用電池電流對時間的積分來替換。按第一速率對SOC380 濾波，以生成經第一濾波的SOC382，按第二速率對SOC 380濾波，以生成 經第二濾波的SOC 384。可以將經第一濾波的SOC 382和經第二濾波的SOC 384相比較，例如在386，以確定SOC 380瞬變的幅度和方向。可替換地，可 以將SOC 380與經第一濾波的SOC 382和/或經第二濾波的SOC 384相比較， 以確定SOC 380瞬變的幅度和方向。
在方框356 (圖8)，利用SOC 380瞬變的幅度和方向以進入查找表70 和檢索對應的量度。例如通過乘法將該量度施加於在方框280 z 、 30(K和354 中所確定的SOC,以增加SOC精確度。對於每個對應的SOC瞬變的幅度和 方向的量度可以通過實驗確定，以減緩開路電壓Vo誇大在SOC瞬變過程中 的SOC變化的趨勢。
現在參照圖10,其示出包括溫度測量模塊400的電池控制模塊3.0。溫度 測量模塊400測量相聯繫的電池子部件12的溫度。可以在每個電池子部件 12中的單個點取得測量值，或者由在每個電池子部件12中的多個點取得的 測量值中派生。電池溫度測量值用於根據下述方法確定高和低復原電壓。
現在參照圖IIA和IIB，其示出用於確定何時復原SOC的方法450。方 法450包括確定低復原電壓hLow和高復原電壓hHigh,將它們選擇性地與電 池電壓V相比4支，以確定何時復原SOC。方法450包括當電池電流幅度在預 定範圍內及電池電壓低於或高於相應的低復原電壓hLow和高復原電壓hHigh 時復原SOC。
周期性地4丸行方法450，並通過方框452進入方法450。在一些實施方案 中，執行周期等於採樣間隔T。從方框452到方框454控制繼續，並根據如
下方程確定低復原電壓
hLow=I*roLow+V0JLOW+vpLow ， 及根據如下方程確定高復原電壓 hHigh=I*roHigh+VO—HIGH+vpHigh。
變量roLow和roHigh代表電池20的歐姆電阻，並可以作為電池溫度的 函數從查找表70得到，V0一LOW和V0一HIGH是常數，並分別代表電池20 的鬆弛電壓VG的相應的低和高限值。變量vpLow和vpHigh代表才及化電壓 Vp相應的低和高限值。根據在圖12A和12B中所示的方法確定低極化電壓限 值vpLow和高極化電壓限值vpHigh。
在確定低復原電壓hLow和高復原電壓hHigh後，控制進行到判定方框 456，並確定電池電壓是否大於高復原電壓hHigh和電池電流是否大於 一 電流 閾值。如果為是，控制進行到判定方框458,並確定當前充電事件是否超過 一預定的A-s閾值，以預防不適當地復原SOC。如果判定方框458的結果為 否，則控制進行到方框460,並繼續累積充電擺動。然後，在方框460控制 退出。
如果在判定方框458中，控制確定充電事件是足夠的，則控制分支到方 框464，並設定一復原-高(reset-high)信號標。可以由其它模塊例如主控 制模塊40利用該復原-高信號標。然後控制分支到判定方框466,並確定當 前SOC是否小於一高限值(H—LIM)。該高限值可以是一百分比常H例如 90%。如果當前SOC大於高限值，則在方框462控制退出。然而，如果SOC 小於高限值，控制分支到方框468，並根據當前高復原電壓hHigh復原SOC(圖 9A)。然後控制分支到方框470並復原累積的充電擺動。
返回到判定方片醫456,當電池20的電壓和電流小與它們的相應的閾值時 控制分支到判定方框480。在判定方框480，控制確定電池電壓是否小於低復 原電壓hLow及電池電流是否小於電流閾值。如果為否，則控制分支到方框 462並退出。否則，控制分支到判定方框482。在判定方框482，控制確定放 電事件是否超過一預定A-s閾值，以預防不適當地復原SOC。如果判定方框 482的結杲為否，則控制分支到方框484,並在方框462退出之前，累計放電 擺動。在判定方框482，如果控制確定放電事件是足夠的，則控制分支到方 框486並設定一復原-低(reset-low)信號標。可以由其它模塊例如主控制 模塊40利用該復原-低信號標。然後，控制分支到判定方框488，並確定該
SOC是否大於一低限值(L—LIM)。該低限值可以是一百分比常數，例如10 %。如果SOC小於低限值，則在方框462控制退出。然而，如果^t空制確定 SOC大於低限值，控制分支到方框490,並根據低復原電壓hLow更新SOC(圖 9A)。然後控制分支到方框492並復原累積的放電擺動。
現在引入一種用於確定低極化電壓限值vpLow和高;f及化電壓vpHigh的 方法。簡略地參照圖3，並將克希霍夫電壓定律應用於電池20,可以4安照下 式表達瞬間電池電壓V:
V=V0+Iro+Vp
通過包含對於Rp和C並聯組合的轉移函數，該方程變為
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其中，t (tau)代表極化電壓的時間常數。將tau的數值用於將極化電壓 模型化並根據如下方法確定。
現在參照圖12A和12B，其示出用於確定低極化電壓限值vpLow和高極 化電壓限值vpHigh的方法500。控制通過方框502進入並進行到判定方框 504。在判定方框504,控制確定電池電流是否大於第一閾值。如果為否，則 控制分支到判定方框506，並確定電池電流是否小於第二閾值。可以將第一 閾值和第二閾值設定彼此相等。如果該電流大於第二閾值，則控制分支到方 框506，並將一鬆弛值賦值到tau。根據電池20的熱和老化特性4交正校準該 鬆弛值和正如下面討論的控制將其賦值到tau的其他值。
在將鬆弛值賦值到tau以後，控制分支到方框510，並根據如下方程更新 低極化電壓限值vpLow:
vpLow=vpLow* (1 -Pt)
並根據如下方程更新高極化電壓限值vpHigh: vpHigh=vpHigh* ( 1 - f*r),
其中，f代表方法500的執行頻率。在一些實施例中，執行頻率f是採樣 周期T的倒數。然後，在方框514控制退出。
返回到判定方框504，如果控制確定電池電流大於第一閾值，則控制分 支到判定方框520。在判定方框520,控制確定當前低極化第一限值vpLow 是否小於零。如果為是，則控制分支到方框522，並將反向充電值賦值到tau。 然而，如果在判定方框520,控制確定低極化電壓限值vpLow大於或等於零，
則控制分支到判定方框524。在判定方框524,控制確定電池電流的幅度是否 下降。如果為是，則控制分支到方框526，並將鬆弛充電值賦值到tau。然而， 如果在判定方框524，控制確定電池電流的幅度正增加，則控制分支到方框 528,並將充電值賦值到tau。
現在參照判定方框506，如果控制確定電池電流小於第二閾值，則控制 分支到判定方框550並確定當前低極化電壓限值vpLow是否大於零。如果為 是，則控制分支到方框552，並將反向放電值賦值到tau。然而，如果控制確 定低極化電壓限值vpLow小於零，則控制從判定方框550分支到判定方框 554。在判定方框554，控制確定電池電流的幅度是否正降低。如果為是，則 控制分值到方框556，並將+>弛力史電值幅值到tau。如果控制確定電池電流的 幅度正增加，則控制從判定方框554分支到方框558，並將放電值賦值到tau。
一旦方法500在552、 556、 558、 528、 526和522的其中一個方框將一 值賦值到tau，控制分支到方框570,並根據如下方程更新低極化電壓限值 vpLow,
vpLow^vpLow(t-!) +(I*rpLow-vpLow(t-1))*|I|*fKT (5)
其中，下標(t-l)指來自先前執行方法500的相關的極化電壓限值的數值，
及rpLow是Rp的低限值(圖3 )。然後，控制分支到方框572,並#4居如下
方程更新高極化電壓限值vpHigh:
vpHigh，High(t-D十(I承rpHigh-vpHigh(t—D"II，T; (6)
其中，rpHigh是Rp的上限值。可以作為電池溫度的函數從查找表70得
到變量rpLow和rpHigh。然後，控制進行到方框514並退出。
現在參照圖13,其示出在實例高和低SOC復原的過程中的電池電壓600
和電池電流602的曲線。電池電壓600是相對於高復原電壓hHigh和j氐復原
電壓hLow繪製的。所示電池電流602按照隨時間沿正方向(充電)和負方向
向(放電)流動。
方法450周期性地確定高復原電壓hHigh、低復原電壓hLow，以及何時 復原SOC。示出在時間604和606處的實例復原狀況。在時間604,當放電 事件足夠時，控制確定電池電壓600小於低復原電壓hLow。然後，控制確定 當前SOC是否大於對應於低復原電壓hLow的SOC(圖9A)，以及，如果為是， 根據低復原電壓hLow復原SOC。相似地，在時間606,當充電事件足夠時 控制確定電池電壓600大於高復原電壓hHigh。然後，控制確定當前SOC是
否小於對應於高復原電壓hHigh的SOC (圖9A)，以及，如果為是，根據高 復原電壓hHigh復原SOC。
對於NiMH電池，在根據方法500得到滿意的性能的同時，tau的數值 量通常可以減少到4或更小。在方框508對tau使用第一數值，其中I在第一 和第二閾值之間。當第一和第二閾值相等時，方法500將不達到方框508, 並可以忽略對於tau的第一凝:值。在方框528和558，對於tau使用第二^t值， 其中，Vp的極性(其可以由vpLow(t^、 vpHigh(w)和/或其它變量指示)與I 和dl/dt的極性相同。在方框526和528，對於taiH吏用第三數值，其中Vp和 I的極性彼此相同，以及與dl/dt的極性不同。在方框522和552，對於tau使 用第四數值，其中Vp和I的極性不同。對於NiMH電池通過填充查找表70， 以便極化電壓限值vpLow和vpHigh隨電池溫度增加，也可以改進方法450 和500的性能。通過填充這樣一種查找表和/或生成對於tau的數值族，可以 實現這一點，該查找表具有隨電池溫度增加的rpLow和rpHigh，而其中每個 族對應於一特定的電池溫度。
在其它實施例中，可以一次性執行方法500, Y又確定vpLow (即省略步 驟572 )。然後，可以再次執行方法500，僅確定vpHigh (即省略步驟570)。 在這樣一個實施例中，在方框552、 556、 558、 528、 526和522，方法502 的每次執行使用對於tau的相關的一組數值。當退出方框552、 556、 558、 528、 526和522時選擇的tau的數值被稱為當方法502正在確定vpLow時的 tauLow。當退出方框552、 556、 558、 528、 526和522時選擇的tau的數值 被稱為當方法502正在確定vpHigh時的tauHigh。以這樣一種方式執行方法 500兩次，可以增加vpLow和vpHigh的精確度。
本領域的技術人員根據所述說明現在可以認識到對本發明的主要論述可 以各種形式實現。因此，雖然已聯繫其特定實例說明本發明，本發明的實際 範圍不受其限制，因為通過研究附圖、說明書和權利要求，對於本領域技術 人員來說，其它改進會變得很明顯。
權利要求
1.一種與電池一起使用的電池控制模塊，包含測量電池電壓的電壓測量模塊；測量電池電流的電流測量模塊；及充電狀態SOC模塊，其與所述電流和電壓測量模塊相聯繫，並且確定所述電池的非濾波的SOC、所述非濾波的SOC的特性、以及基於所述非濾波的SOC以及所述特性的修改的SOC。
2. 如權利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述特性包括變化速率。
3. 如權利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述特性包括方向。
4. 如權利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊還根據所述 非濾波的SOC確定第一濾波的SOC，並且#^居所述第一濾波的SOC確定 所述特性。
5. 如權利要求4所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊還根據所述 非濾波的SOC確定第二濾波的SOC，並且才艮據所述第一濾波的SOC與所 述第二濾波的SOC確定所述特性。
6. —種與電池一起使用的電池控制模塊，包括 測量電池電壓的電壓測量模塊； 測量電池電流的電流測量模塊；以及充電狀態SOC模塊，其確定第一和第二復原電壓，將電池電壓與第一和 第二復原電壓相比較，並根據所述第一和第二復原電壓以及所述電池電壓確 定非濾波的SOC。
7. 如權利要求6所述的電池控制模塊，其中所述SOC模塊保持所述第一和第二復原電壓以及所述電池電壓的運行平均值；並且其中所述soc模塊根 據所述運行平均值確定所述非濾波的soc。
8. 如權利要求7所述的電池控制模塊，其中所述SOC模塊根據如下方程 確定所述非濾波的SOCSOC=socLow+ [socHigh-socLow] * (Vavg-hLowAvg)/(hHighAvg-hLowAvg) 其中，socLow為對應於第一復原電壓的最近值的SOC值，socHigh為對 應於第二復原電壓的最近值的SOC值，Vavg為電池電壓的運行平均值，並 且hHighAvg與hLowAvg為相應第 一和第二復原電壓的運行平均值。
9. 一種確定電池的充電狀態SOC的方法，包含 測量電池電壓；測量電池電流；及 確定所述電池的非濾波的SOC; 確定所述非濾波的SOC的特性；以及 確定基於所述非濾波的SOC以及所述特性的修改的SOC。
10. 如權利要求9所述的方法，其中，所述特性包括變化速率。
11. 如權利要求9所述的方法，其中，所述特性包括方向。
12. 如權利要求9所述的方法，還包括 根據所述非濾波的SOC確定第一濾波的SOC;以及 根據所述第一濾波的SOC確定所述特性。
13. 如權利要求12所述的方法，還包括 根據所述非濾波的SOC確定第二濾波的SOC;以及 根據所述第一濾波的SOC與所述第二濾波的SOC確定所述特性。
14. 一種確定電池的充電狀態SOC的方法，包含 測量電池電壓；測量電池電流；確定第一和第二復原電壓； 將電池電壓與第一和第二復原電壓相比較；以及 根據所述第一和第二復原電壓以及所述電池電壓確定非濾波的SOC。
15. 如權利要求14所述的方法，還包括 保持所述第一復原電壓的運行平均值； 保持所述第二復原電壓的運行平均值； 保持所述電池電壓的運行平均值；以及根據所述第一復原電壓、所述第二復原電壓以及所述電池電壓的所述運 行平均值確定所述非濾波的SOC。
16. 如權利要求15所述的方法，其中所述確定步驟包括如下方程 SOOsocLow十[socHigh-socLow] * (Vavg-hLowAvg)/(hHighAvg-hLowAvg)其中，socLow為對應於第一復原電壓的最近值的SOC值，socHigh為對 應於第二復原電壓的最近值的SOC值，Vavg為電池電壓的運行平均值，並 且hHighAvg與hLowAvg為相應第 一和第二復原電壓的運行平均值。
17. —種與電池一起使用的電池控制模塊，包含 測量電池電壓的電壓測量模塊； 測量電池電流的電流測量模塊；及充電狀態SOC確定部件，其與所述電流和電壓測量模塊相聯繫，並且確 定所述電池的非濾波的SOC、確定所述非濾波的SOC的特性、並且確定 基於所述非濾波的SOC以及所述特性的修改的SOC。
18. 如權利要求15所述的電池控制模塊，其中，所述特性包括變化速率。
19. 如權利要求15所述的電池控制模塊，其中，所述特性包括方向。
20. 如權利要求15所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定部件還根 據所述非濾波的SOC確定第一濾波的SOC,並且根據所述第一濾波的SOC 確定所述特性。
21. 如權利要求18所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定部件還根 據所述非濾波的SOC確定第二濾波的SOC，並且根據所述第一濾波的SOC 與所述第二濾波的SOC確定所述特性。
22. 如權利要求15所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定部件還確 定第一與第二復原電壓，將電池電壓與第一和第二復原電壓相比較，根據 電池電壓與第一和第二復原電壓的比較復原SOC,並且根據所述第一和第 二復原電壓以及所述電池電壓確定非濾波的SOC
23. 如權利要求20所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定部件保持 所述第一和第二復原電壓以及所述電池電壓的運行平均值；並且其中所述SOC確定部件根據所述運行平均值確定所述非濾波的SOC。
24. 如權利要求23所述的電池控制模塊，其中所述SOC確定部件根據如 下方程確定所述非濾波的SOCSOC=socLow+ [socHigh-socLow] * (Vavg-hLowAvg)/(hHighAvg-hLowAvg) 其中，socLow為對應於第一復原電壓的最近值的SOC值，socHigh為對 應於第二復原電壓的最近值的SOC值，Vavg為電池電壓的運行平均值，並 且hHighAvg與hLowAvg為相應第一和第二復原電壓的運行平均值。
全文摘要
提供一種與電池一起使用的電池控制模塊並包含測量電池電壓的電壓測量模塊；測量電池電流的電流測量模塊；及充電狀態(SOC)模塊，其與所述電流和電壓測量模塊相聯繫。在某些特徵中，該SOC模塊確定所述電池的非濾波的SOC、所述非濾波的SOC的特性、以及基於所述非濾波的SOC以及所述特性的修改的SOC。在其他特徵中，該SOC模塊確定第一與第二復原電壓，比較電池電壓與第一和第二復原電壓，並且根據所述第一和第二復原電壓與所述電池電壓，確定非濾波的SOC。
文檔編號H02J7/00GK101371155SQ200680051136
公開日2009年2月18日 申請日期2006年12月8日 優先權日2005年12月13日
發明者羅伯特·J·梅利查 申請人:科巴西斯有限責任公司