估計蓄電池極性電壓的方法,估計蓄電池剩餘電量的方法和裝置,電池組系統,以及電動汽車的製作方法
2023-05-02 01:03:01
專利名稱：估計蓄電池極性電壓的方法,估計蓄電池剩餘電量的方法和裝置,電池組系統,以及電動汽車的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種估計蓄電池，如鎳-金屬氫化物(Ni-MH)電池，剩餘電量(SOC電荷狀態)的方法，其中蓄電池作為發動機電源，或者作為如純電動汽車(PEV)，混合動力電力汽車(HEV)，具有燃料電池和蓄電池的混合電力汽車等，電動汽車中多種負載的驅動源。
背景技術：
傳統上，在HEV中，當相對驅動所需功率而言，發動機的輸出較大時，用剩餘動力驅動發電機給蓄電池充電。另一方面，在發動機的輸出較小時，用蓄電池的電能驅動電機，以輸出補充動力。在這種情況下，蓄電池放電。當蓄電池安裝在HEV或類似設備上時，必須通過控制這種充電/放電等，使其保持在適當工作狀態。
為此，檢測蓄電池的電壓，電流，溫度等，並通過計算估計蓄電池的剩餘電量(下面，縮寫為「SOC」)，從而控制SOC，以使汽車的燃耗效率最佳。此外，此時，為了在加速期間根據電機驅動而操縱能量輔助源，並使減速期間所採集的能量(再生剎車(regenerativebraking))達到良好的平衡，如下所述控制SOC值。通常，為了將SOC設置在例如50％到70％範圍內，當SOC減小到例如50％時，進行過度充電控制。另一方面，當SOC增加到例如70％時，進行過度放電控制。因此，試圖使SOC接近控制中心。
為了精確控制SOC，必須精確估計被充電/放電的蓄電池的SOC。這種用於估計SOC的傳統方法包括下述兩類方法。
(1)測量充電/放電電流。電流值(充電時符號為負，放電時符號為正)乘以充電效率。在一定時間周期上將乘積積分，計算積累電量。剩餘電量然後，根據積累電量估計SOC。
(2)測量並存儲多組充電/放電電流和與之相應的蓄電池終端電壓。由該數據組通過最小二乘法得出基本近似曲線(電壓V-電流I近似曲線)，並且計算與電流值0(零)相應的電壓值(V-I近似曲線的V截距)，作為無負載電壓(V0)。之後，根據無負載電壓V0估計SOC。
此外，在蓄電池充電/放電時，產生有關電池電動力的極性電壓。具體而言，充電期間電壓增大，而放電期間電壓減小。這種變化稱作極性電壓。在如上述方法(2)中由電壓估計SOC時，在估計預定時間期間內電壓的增大和減小時，以及在獲得預定時間期間內可以輸入/輸出的電能時，必須精確控制極性電壓。
通常，作為估計極性電壓的方法，由多個電流和電壓數據得出基本回歸曲線，該曲線的斜率定義為極化電阻(部件電阻，反應電阻和擴散電阻)，並且極化電阻乘以電流，得出極性電壓。
不過，上述兩類傳統SOC估計方法具有下述問題。
首先，在以上方法(1)中基於積累電量的SOC估計方法中，積累電流值所需的充電效率取決於SOC值，電流值，溫度等。從而，難以找出適於多種條件的充電效率。此外，在電池擱置不用時，不能計算出該擱置期間的自放電量。由於這些原因，隨著時間的流逝，SOC的真實值與其估計值之間的差異將增大。從而，為了減小這種差異，必須執行完全放電或者完全充電來初始化SOC。
然而，在蓄電池安裝在HEV上的情形中，在進行完全放電時，蓄電池不能提供電能，而變成發動機的負擔。因此，必須在充電站等處停車並且蓄電池完全放電之後，或者在對蓄電池充電一段預定時間，直至其完全充滿之後，再初始化SOC。因而，在用於HEV時，在汽車行駛過程中不可能執行完全充電/放電來初始化SOC。此外，對安裝在HEV上的蓄電池周期性地進行完全充電/放電，對於用戶來說是不方便的，並且也變成用戶的負擔。
其次，在上述方法(2)中基於無負載電壓的SOC估計方法的情形中，首先，大量放電之後V-I近似曲線的V截距變得相對較低，並且大量充電之後V-I近似曲線的V截距變得相對較高。因此，即使在相同SOC時，無負載電壓也會根據充電/放電電流的即往歷史值，而發生改變。這種改變是由極性電壓引起的。從而，由於極性電壓，作為V-I近似曲線V截距的無負載電壓，在充電方向與放電方向之間變化。由此，電壓差導致SOC估計誤差。此外，存儲效應和電池擱置不用引起的電壓下降，電池退化等，也會引起SOC估計誤差。
此外，根據上述用於估計極性電壓的傳統方法，當由極性電阻獲得極性電壓時，不能充分估計極性電阻中所包含的電池活性材料與電解質溶液界面之間的反應引起的反應電阻，和活性材料中、活性材料間以及電解質溶液中的反應引起的擴散電阻。從而，極性電壓的估計精度不能令人滿意。因此，為了獲得用於估計SOC的電池電動力，使用上述方法(2)中的無負載電壓進行校正是不實用的。
發明內容
鑑於上述問題而得出本發明，並且本發明的目的在於提供一種用於高精度地估計蓄電池極性電壓的方法；一種無需對蓄電池周期性地進行完全充電/放電來初始化SOC，而基於極性電壓的估計來高度精確地估計SOC的方法和裝置；其上安裝有用於執行該方法中處理的計算機系統(用於電池的電子控制單元(電池ECU))的電池組系統；以及其上安裝有電池組系統的電動汽車。
為了實現上述目的，根據本發明的用於估計蓄電池極性電壓的第一種方法，包括測量流過蓄電池的電流；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期內所計算出的積累電量的變化量；以及根據積累電量的變化量得出極性電壓。
為了實現上述目的，根據本發明的用於估計蓄電池極性電壓的第二種方法，包括測量流過在中間充電狀態下用作發動機功率源和負載驅動源的蓄電池的電流；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期內所計算出的積累電量的變化量；以及根據積累電量的變化量得出極性電壓。
根據上述用於估計極性電壓的方法，根據積累電量的變化量得出極性電壓，並非基於包括反應電阻和擴散電阻在內的極性電阻，以不能令人滿意的估計精度來估計極性電壓，從而可以高精度地估計極性電壓。
優選地，該用於估計蓄電池極性電壓的第一和第二種方法還包括，使得出的積累電量的變化量經歷時間延遲處理。
根據上述方法，可以根據積累電量的變化量，實時地估計具有與積累電量變化量相應的延遲時間的極性電壓。
此外，在用於估計蓄電池極性電壓的第一和第二種方法中，積累電量的變化量在經過時間延遲處理之外，還優選地需要通過濾波進行平均處理。
根據上述方法，可以減小計算極性電壓時不需要的積累電量的波動成分。
此外，在用於估計蓄電池極性電壓的第一和第二種方法中，最好預先獲得以溫度為參數的極性電壓對應於積累電量變化量的性質，並且參考保存有該性質的查詢表或者公式得出極性電壓。
根據上述方法，即使電池中溫度改變，也易於高精度地得出極性電壓。
另外，在用於估計蓄電池極性電壓的第一和第二種方法中，該蓄電池為鎳-金屬氫化物蓄電池。
為了實現上述目的，根據本發明的第一電池組系統包括一個計算機系統，其用於執行用於估計蓄電池極性電壓的第一或第二種方法；以及一個蓄電池。
為了實現上述目的，根據本發明，一種包括計算機系統和蓄電池的電池組系統安裝在第一電動汽車上，其中該計算機系統用於執行用於估計蓄電池極性電壓的第二種方法。
根據上述結構，其上例如安裝有電池ECU作為計算機系統的電池組系統，可以高精度地估計極性電壓。
為了實現上述目的，根據本發明的用於估計蓄電池剩餘電量的第一種方法，包括步驟測量流過蓄電池的電流，和與該電流相應的蓄電池終端電壓的數據組，以便獲得多組數據；根據所獲得的多組數據，通過統計處理，計算電流值為零時的電壓值，作為無負載電壓；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期內所計算出的積累電量的變化量；根據積累電量的變化量得出極性電壓；從無負載電壓中減去極性電壓以計算蓄電池的電動力；以及根據計算出的電動力估計蓄電池的剩餘電量。
為了實現上述目的，根據本發明用於估計蓄電池剩餘電量的第二種方法，包括步驟測量流過處於中間充電狀態下的蓄電池的電流，該蓄電池用作發動機功率源和負載驅動源，和與該電流相應的蓄電池終端電壓的數據組，從而獲得多組數據；根據所獲得的多組數據，通過統計處理，得出電流值為零時的電壓值，作為無負載電壓；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期期間所計算出的積累電量的變化量；根據積累電量的變化量得出極性電壓；從無負載電壓中減去極性電壓，從而計算蓄電池的電動力；以及，根據計算出的電動力估計蓄電池的剩餘電量。
根據上述用於估計剩餘電量的方法，由於極性電壓的估計精度令人滿意，增大了通過從無負載電壓中減去極性電壓得到的電池驅動力(平衡電勢(equilibrium potential))的計算精度，使之能高精度地估計SOC。
此外，可以根據平衡電勢估計SOC，從而也可以估計由於電池長時間擱置不用引起的自放電之後的SOC，不必周期性地初始化SOC。
用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法最好還包括，使所獲得的積累電量的變化量經歷時間延遲處理。
根據上述方法，可以根據積累電量的變化量，實時地估計具有與積累電量變化量相應的延遲時間的極性電壓。
在這種情況下，最好通過將經歷時間延遲處理的積累電量的變化量乘以預定係數，來得出極性電壓。
根據上述方法，易於計算出極性電壓。
此外，在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法中，最好積累電量的變化量在經歷時間延遲處理之外，還要經受通過濾波進行的平均處理。
根據上述方法，可以減小計算極性電壓時不需要的積累電量的波動成分。
此外，最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法還包括，使極性電壓經歷時間延遲處理。
根據上述方法，可以根據極性電壓，實時估計具有與極性電壓相應的延遲時間的剩餘電量。
在這種情況下，在時間延遲處理之外，最好通過濾波進行平均化處理。
根據上述方法，可以減小估計剩餘電量時不需要的極性電壓的波動成分。
此外，最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法還包括使積累電量變化量和極性電壓都經歷時間延遲處理。
另外，在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法中，最好預先獲得以溫度為參數的，極性電壓相對積累電量變化量的性質，並且參考保存有該性質的查詢表或者公式得出極性電壓。
根據上述方法，即使電池中溫度改變，也易於高精度地獲得極性電壓。
此外，在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法中，最好預先獲得以溫度為參數的，剩餘電量相對電動力的性質，並且參考保存有該性質的查詢表或者公式估計出剩餘電量。
根據上述方法，即使電池中溫度改變，也易於高精度地估計剩餘電量。
最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法還包括，根據預定選擇條件選擇所獲得的多組數據，並且作為該預定選擇條件，在充電側和放電側電流值應處於預定範圍內，並且在充電側和放電側數據組的數量為預定數量或者更多，並且在獲得多組數據時積累電量的變化量處於預定範圍內時，選擇多組數據。
根據上述方法，可以不受積累電量變化量的影響，在放電側和充電側均勻地獲得多組數據。
最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法還包括根據預先確定的判斷條件判斷所計算出的無負載電壓是否有效，並且作為預先確定的判斷條件，當多組數據的變化量處於預定範圍內時，其中該多組數據的變化量與通過使用最小二乘法的統計處理而得到的近似曲線有關，或者近似曲線與多組數據之間的相關係數等於或者大於預定值時，判定所計算出的無負載電壓是有效的。
根據上述方法，可以提高無負載電壓的計算精度。
在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二種方法中，該蓄電池為鎳-金屬氫化物蓄電池。
為了實現上述目的，根據本發明的蓄電池組系統包括用於執行用以估計蓄電池剩餘電量的第一或第二種方法的計算機系統，和蓄電池。
為了實現上述目的，根據本發明，一種包括用於執行用以估計蓄電池剩餘電量的方法的計算機系統的電池組系統，和蓄電池安裝在第二電動汽車上。
根據上述結構，其上安裝有作為微機的例如電池ECU的電池組系統，可根據高精度估計出的SOC控制SOC，並且在將其在安裝到電動汽車如HEV等上時，能獲得優良的燃耗效率。
為了實現上述目的，根據本發明的用於估計蓄電池剩餘電量的第一裝置包括一個電流測量部件，用於測量流過蓄電池的電流作為電流數據；一個電壓測量部件，用於測量與該電流相應的蓄電池終端電壓作為電壓數據；一個無負載電壓計算部件，用於根據來自電流測量部件的電流數據和來自電壓測量部件的電壓數據的多組數據，通過統計處理計算電流數據為零時的電壓數據作為無負載電壓；一個積累電量計算部件，用於根據來自電流測量部件的電流數據計算積累電量；一個電量變化計算部件，用於獲得預定時間周期期間來自積累電量計算部件的積累電量變化量；一個極性電壓計算部件，用於根據來自電量變化計算部件的積累電量變化量得出極性電壓；一個電動力計算部件，用於從無負載電壓計算部件計算出的無負載電壓中減去極性電壓計算部件中得到的極性電壓，以計算蓄電池的電動力；以及一個剩餘電量估計部件，用於根據來自電動力計算部件的電動力，估計蓄電池的剩餘電量。
為了實現上述目的，根據本發明用於估計蓄電池剩餘電量的第二裝置包括一個電流測量部件，用於測量流過處於中間充電狀態下的蓄電池的電流作為電流數據，其中該蓄電池用作發動機功率源和負載驅動源；一個電壓測量部件，用於測量與該電流相應的蓄電池終端電壓，作為電壓數據；一個無負載電壓計算部件，用於根據來自電流測量部件的電流數據和來自電壓測量部件的電壓數據的多組數據，通過統計處理計算電流數據為零時的電壓數據，作為無負載電壓；一個積累電量計算部件，用於根據來自電流測量部件的電流數據計算積累電量；一個電量變化計算部件，用於獲得預定時間周期期間，由積累電量計算部件得出的積累電量的變化量；一個極性電壓計算部件，根據從電量變化計算部件得到的積累電量的變化量，得出極性電壓的；一個電動力計算部件，用於從無負載電壓計算部件計算出的無負載電壓中減去極性電壓計算部件中得到的極性電壓，以計算蓄電池的電動力；以及一個剩餘電量估計部件，用於根據來自電動力計算部件的電動力，估計蓄電池的剩餘電量。
根據上述結構，由於極性電壓的估計精度是令人滿意的，提高了通過從無負載電壓中減去極性電壓而得到的電池電動力(平衡電勢)的精度，從而能高精度地估計SOC。
此外，可以根據平衡電勢估計SOC，從而也可以估計出，在電池長時間擱置不用導致的自放電或類似情況之後的電池的SOC，而不必周期性地初始化SOC。
優選地，用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置還包括第一計算部件，對來自電量變化計算部件的積累電量的變化量進行時間延遲處理。
根據上述結構，可以根據積累電量的變化量，可實時地估計具有與積累電量變化量有關的時間延遲的極性電壓。
在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置中，最好極性電壓計算部件將在第一計算部件中經歷時間延遲處理的積累電量的變化量乘以一個預定係數，從而得出極性電壓。
根據上述結構，易於計算極性電壓。
此外，在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置中，最好第一計算部件在對積累電量的變化量進行時間延遲處理之外，還要通過濾波對積累電量的變化量進行平均處理。
根據上述結構，可以減小計算極性電壓時不需要的積累電量的波動成分。
最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置還包括用於使極性電壓經歷時間延遲處理的第二計算部件。
根據上述結構，可以根據極性電壓，實時地估計具有與極性電壓有關的延遲時間的剩餘電量。
在這種情形中，最好第二計算部件執行通過濾波的平均處理以及時間延遲處理。
根據上述結構，可以減小估計剩餘電量不需要的極性電壓的波動成分。
最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置還包括第一計算部件和第二計算部件。
最好用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置還包括用於測量蓄電池溫度的溫度測量部件，並且極性電壓計算部件，根據溫度測量部件中測得的溫度，和以前得到的保存有以溫度作為參數的、與積累電量變化量有關的極性電壓的性質的查詢表或者公式，得出極性電壓。
根據上述結構，即使電池中溫度改變，也易於高精度地得到極性電壓。
並且，用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置最好還包括用於測量電池溫度的溫度測量部件，並且剩餘電量估計部件，根據溫度測量部件中測得的溫度，和以前得到的保存有以溫度作為參數的、與電動力有關的剩餘電量的性質的查詢表或者公式，估計剩餘電量。
根據上述結構，即使電池中溫度改變，也易於高精度地估計剩餘電量。
而且，用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置最好還包括數據組選擇部件，用於根據預定選擇條件選擇多個數據組，並將其輸出給無負載電壓計算部件，並且作為預定選擇條件，在充電側和放電測電流值處於預定範圍內，在充電側和放電測，多組數據的數量是預定數量或者更大，並且在獲得多組數據時，積累電量的變化量處於預定範圍內時，該數據組選擇部件選擇多組數據。
根據上述結構，可以不受積累電量變化量的影響，在放電側和充電側均勻地得到多組數據。
另外，用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置最好還包括無負載電壓判斷部件，用於根據預定判斷條件，判斷無負載電壓計算部件中計算出的無負載電壓是否有效，並且作為預定判斷條件，在與通過使用最小二乘法的統計處理獲得的近似曲線有關的多組數據的變化量處於預定範圍內時，或者近似曲線與多組數據之間的相關係數等於或者大於預定值時，判定所計算出的無負載電壓有效。
根據上述結構，可以提高無負載電壓的計算精度。
在用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置中，該蓄電池為鎳-金屬氫化物蓄電池。
為了實現上述目的，根據本發明的第三電池組系統包括用於估計蓄電池剩餘電量的第一或第二裝置；和蓄電池。在這種情形中，最好將用於估計蓄電池剩餘電量的第一和第二裝置為計算機系統。
為了實現上述目的，根據本發明，包括用於估計蓄電池剩餘電量的第二裝置和蓄電池的電池組，安裝在第三電動汽車上。在此情形中，最好用於估計蓄電池剩餘電量的第二裝置為計算機系統。
根據上述結構，其上安裝有作為微機系統的，例如ECU的，電池組系統，可以根據高精度估計出的SOC精確控制SOC，並且當其安裝在電動車輛如HEV等上時，可以實現極好的燃耗效率。
附圖簡述
圖1示出根據本發明一個實施例的電池組系統的一種示例結構的方塊圖；圖2表示積累電量的變化量ΔQ和極性電壓Vpol隨時間的變化；圖3表示在本實施例中，以溫度作為參數，極性電壓Vpol與濾波之後的積累電量的變化量LPF(ΔQ)的特性曲線；圖4表示本實施例中，電壓數據V(n)和電流數據I(n)的數據組，以及通過統計處理由數據組得出的無負載電壓V0；圖5表示在本實施例中，以溫度作為參數，電動力Veq與剩餘電量SOC的特性曲線；圖6的流程圖表示根據本實施例，用於估計蓄電池剩餘電量的方法的處理過程；圖7表示本實施例中估計出的剩餘電量SOCp(在沒有對積累電量的變化量ΔQ進行濾波的情況下)，傳統示例中從無負載電壓V0估計出的剩餘電量SOCc，以及真實剩餘電量SOCt隨時間的變化；圖8表示在本實施例中，估計出的剩餘電量SOCp(LPF)(在對積累電量的變化量ΔQ進行濾波的情形中)，和真實剩餘電量SOCt隨時間的變化；圖9表示真實Veq-SOC曲線(P0)，和在本實施例中，估計剩餘電量的情形中(P1在沒有對積累電量變化量ΔQ進行濾波的情況下)，以及在傳統示例中由無負載電壓V0估計剩餘電量的情形中(P2)的電動力-SOC標繪數據；圖10表示真實Veq-SOC曲線(P0)，和在本實施例中估計剩餘電量的情形中(P1(LPF)在對積累電量的變化ΔQ進行濾波的情況下)，以及在傳統示例中由無負載電壓V0估計剩餘電量的情形中(P2)的電動力-SOC標繪數據。
具體實施例方式
下面，將參照附圖通過最佳實施例描述本發明。
圖1的方塊圖表示根據本發明一個實施例的電池組系統的示例結構。在圖1中，電池組系統1由其中結合有多個電池的蓄電池100，和包括根據本發明的用於估計剩餘電量的裝置，作為微機系統的電池ECU 101組成。
在電池ECU 101中，附圖標記102表示電壓測量部件，其用於測量通過電壓傳感器(未示出)以預定採樣周期檢測到的蓄電池終端電壓，以作為電壓數據V(n)，標號103表示電流檢測部件，其用於測量通過電流傳感器(未示出)以預定採樣周期檢測到的蓄電池100的充電/放電電流，以作為電流數據I(n)(其符號表示充電方向或者放電方向)，標號104表示溫度測量部件，其用於測量通過溫度傳感器(未示出)檢測到的蓄電池100的溫度，以作為溫度數據T(n)。
將來自電流測量部件103的電流數據I(n)輸入給積累電量計算部件105，計算預定時間周期期間的積累電量Q。將積累電量計算部件105中計算出的積累電量Q輸入給電量變化計算部件106，並且得出在預定時間周期期間(例如1分鐘)積累電量Q的變化量ΔQ。將積累電量的變化量ΔQ輸入給起低通濾波器(LPF)作用的第一計算部件107。在第一計算部件107中，執行用於調節積累電量變化量ΔQ與隨後的極性電壓計算部件108中得出的極性電壓之間定時的時間延遲處理，和用於去除與不必要的高頻成分相應的波動成分的平均處理，並且以LPF(ΔQ)的形式輸出結果。此處，作為一個實例，圖2以實線表示過去一分鐘內積累電量的變化量ΔQ，用虛線表示極性電壓Vpol。從圖2可以看出，在過去一分鐘內，在積累電量的變化量ΔQ出現數十秒之後，極性電壓Vpol發生改變。與該時間延遲相應，確定構成第一計算部件107的LPF(在本實施例中，LPF由基本延遲元件組成)的時間常數τ。
來自第一計算部件107的LPF(ΔQ)輸入至極性電壓計算部件108。在極性電壓計算部件108中，根據溫度測量部件104中測得的溫度數據T(n)，由預先保存在查詢表(LUT)1081中以溫度作為參數的極性電壓Vpol與LPF(ΔQ)的特性曲線或公式，可計算出極性電壓Vpol。此處，圖3表示溫度為25℃時極性電壓Vpol與LPF(ΔQ)的特性曲線。圖3僅表示25℃時的特性曲線。不過實際上，在用於例如HEV時，覆蓋-30℃到+60℃的特性曲線保存在LUT1081中，作為查詢數據。
極性電壓計算部件108中得到的極性電壓Vpol，輸入至起低通濾波器(LPF)作用的第二計算部件109中。在第二計算部件109中，執行用於調節極性電壓Vpol與隨後的電動力計算部件113中得到的電動力Veq之間定時的時間延遲處理，以及用於去除與不必要的高頻成分相應的波動成分的平均處理，並以LPF(Vpol)的形式輸出結果。
此外，來自電壓測量部件102的電壓數據V(n)和來自電流測量部件103的電流數據I(n)，以數據組的形式輸入數據組選擇部件110。在數據組選擇部分110中，作為選擇條件，在充電方向(-)和放電方向(+)的電流數據I(n)的數值處於預定範圍內(例如±50A)，在充電方向和放電方向存在預定數量或者更多(例如60個取樣中每個有10個)的電流數據I(n)，並且在獲得數據組時積累電量的變化量ΔQ處於預定範圍內(例如0.3Ah)時，則判定電壓數據V(n)和電流數據I(n)的數據組有效，並且以有效數據組S(V(n)，I(n))的形式將其選擇、輸出。
來自數據組選擇部件110的有效數據組S(V(n)，I(n))輸入無負載電壓計算部件111。在無負載電壓計算部件111中，如圖4中所示，使用最小二乘法，通過統計處理由有效數據組S(V(n)，I(n))得出基本的電壓-電流曲線(近似曲線)，並且計算出與0電流相應的電壓值(電壓(V)截距)作為無負載電壓V0。
來自無負載電壓計算部件111的無負載電壓V0，輸入無負載電壓判斷部件112。在無負載電壓判斷部件112中，在獲得有關近似曲線的數據組S((Vn)，I(n))的變化量，並且該變化量處於預定範圍內，或者獲得近似曲線與數據組S(V(n)，I(n))之間的相關係數，並且該相關係數為預定值或者更大，將其作為判斷條件，在該判斷條件下，判定所計算出的無負載電壓V0是有效的，並且將其作為有效無負載電壓V0OK輸出。
然後如上所述，電動力計算部件113從來自無負載電壓判斷部件112的有效無負載電壓V0OK中，減去來自第二計算部件109的經過濾波之後的極性電壓LPF(Vpol)，從而計算電動力Veq(平衡電勢)。所計算出的電動力Veq輸入至剩餘電量估計部件114。在剩餘電量估計部件114中，根據溫度測量部件104中測得的溫度數據T(n)，由預先保存在查詢表(LUT)1141中，以溫度作為參數的電動力Veq相對剩餘電量SOC的特性曲線或者公式，估計剩餘電量SOC。此處，圖5示出25℃時電動力Veq相對剩餘電量SOC的特性曲線。圖5僅顯示了25℃時的特性曲線。不過實際上，在用於例如HEV的情形中，將覆蓋-30℃到+60℃範圍的特性曲線保存在LUT 1141中，作為查詢數據。
下面，將參照圖6描述在如上所述構成的電池組系統中估計剩餘電量的處理過程。
圖6的流程圖表示在根據本發明一個實施例的用於估計蓄電池剩餘電量的方法的處理過程。在圖6中，測量出的電壓數據V(n)和電流數據I(n)作為數據組(S601)。然後，根據電流數據I(n)，通過積分電流，計算出積累電量Q(S602)。之後，計算預定時間周期期間(例如1分鐘)積累電量Q的變化量ΔQ(S603)。此後，對積累電量的變化量ΔQ進行濾波(時間延遲和平均處理)，以計算LPF(ΔQ)(S604)。然後，參考預先保存有以溫度數據T(n)作為參數的極性電壓Vpol-LPF(ΔQ)特性數據的查詢表，由計算出的LPF(ΔQ)計算極性電壓Vpol(S605)。上述步驟S601到S605是本發明用於估計極性電壓的方法的處理步驟。之後，對計算出的極性電壓Vpol進行濾波(時間延遲和平均處理)，從而計算LPF(Vpol)(S606)。
此外，為了檢查步驟S601中測得的電壓數據V(n)和電流數據I(n)的數據組是否有效，判斷這些數據組是否滿足上面所述的選擇條件(S607)。在步驟S607的判斷結果為數據組不滿足選擇條件的情況下(否)，流程返回步驟S601，並且重新測量電壓數據V(n)和電流數據I(n)的數據組。另一方面，在步驟S607的判斷結果為數據組滿足選擇條件的情況下(是)，流程前進到步驟S608，並且得到多個有效數據組S(V(n)，I(n))(例如在60個採樣中，充電和放電方向各為10個)。
然後使用最小二乘法，通過統計處理，由有效數據組S(V(n)，I(n))中得出基本近似曲線(V-I線)。計算出近似曲線的V截距，作為無負載電壓V0(S609)。然後，為了檢查步驟S609中計算出的無負載電壓V0是否有效，判斷無負載電壓V0是否滿足上述判斷條件。在步驟S610的判斷結果為無負載電壓V0不滿足判斷條件的情況下(否)，流程返回步驟S608。然後，獲得又一個多組(例如在60個採樣中不同的10個)有效數據S(V(n)，I(n))，並重複步驟S609和S610。另一方面，在步驟S610的判斷結果為所計算出的無負載電壓V0滿足判斷條件的情況下，將所計算出的無負載電壓V0設定為有效的無負載電壓V0OK。
因此，從濾波之後得到的極性電壓LPF(Vpol)和所得到的有效無負載電壓V0OK中，得出電池的電動力Veq。通過從有效無負載電壓V0OK中減去濾波之後的極性電壓LPF(Vpol)，計算出電動力Veq。之後，參考預先存儲有以溫度數據T(n)為參數的電動力Veq-剩餘電量SOC特性數據的查詢表，從計算出的電動力Veq(S612)中估計出剩餘電量SOC。
以下，將對於圖1中所示第一計算部件107和第二計算部件109以及圖2中步驟S604和步驟S606中不執行濾波的情形，以及在第一計算部件107和步驟S604中執行濾波的情形，參照圖7和8描述上述估計出的剩餘電量SOC的精度。
圖7表示本實施例中估計出的剩餘電量SOCp，傳統示例中由無負載電壓V0估計出的剩餘電量SOCc，以及真實剩餘電量SOCt隨時間的變化。如圖7中所示，按照傳統估計方法，相對真實剩餘電量SOCt存在最多10％或者更大的偏差；然而，本實施例中估計出的剩餘電量SOCp具有4％或者更小的偏差。因此，剩餘電量SOC的估計精度可以提高2.5倍或者更大。具體來說，在剩餘電量SOC隨時間(例如，在圖7中為1800秒到2750秒)變化較大時，按照傳統示例，相對真實剩餘電量SOCt存在-10％到+12％的偏差(偏差範圍為22％)；不過，根據本發明，可以將偏差抑制到-2％到-4％的範圍(偏差範圍為4％)。因此，可以進一步提高剩餘電量SOC的估計精度。
圖8表示本實施例中估計出的剩餘電量SOCP(LPF)和真實剩餘電量SOCt隨時間的變化。如圖8中所示，對積累電量的變化量ΔQ進行濾波，從而可以將剩餘電量SOCp相對真實剩餘電量SOCt的偏差抑制到2％或者更小，並且與傳統示例相比，剩餘電量SOC的估計精度可以提高5倍。
圖9和10分別表示在本實施例中估計剩餘電量(P1和P1(LPF))的情形中，和在傳統示例中由無負載電壓V0估計剩餘電量(P2)的情形中，真正電動力Veq-剩餘電量SOC曲線(P0)，和電動力Veq-剩餘電量SOC的標繪數據。
如圖9中所示，在用於HEV時，所使用的中間剩餘電量範圍(大約45％到大約75％)內，與傳統示例相比，本實施例中標繪數據相對真實電動力Veq-剩餘電量SOC曲線P0的變化更小。此外，如圖10中所示，在對積累電量的變化量ΔQ進行濾波的情形中，精度進一步提高。
在本實施例中，將用於計算積累電量變化量ΔQ的預定時間周期設定為例如1分鐘。不過，在電池組系統安裝在HEV等上時，預定時間周期可以根據車輛的驅動狀態而變化。具體而言，在蓄電池頻繁充電/放電時，該預定時間周期設定得較短，當蓄電池不頻繁充電/放電時，該預定時間周期設定得較長。因此，可以根據實際驅動狀態最理想地估計極性電壓。
此外，在本實施例中，計算部件分成第一計算部件107和第二計算部件109，以便執行濾波。如果需要，它們也可以結合成一個。這可以減少處理步驟，並提高處理速度。
在本實施例中，在沒有部件電阻的無負載下計算極性電壓。不過，可以預先將易於測量的部件電阻列表，並加以考慮，從而，即使在無負載周期以外的時間周期內，也可以通過同樣的方法精確計算極性電壓和SOC。
如上所述，根據本發明，由積累電量的變化得出極性電壓，從而增大極性電壓的估計精度，並且提高通過從無負載電壓中減去極性電壓獲得的電池電動力(平衡電勢)的計算精度。從而，可以高精度地估計SOC。
此外，可以根據平衡電勢估計SOC。從而，易於估計長時間擱置不用或類似情況下自放電之後的SOC，不必周期性地初始化SOC。
權利要求
1.一種用於估計蓄電池極性電壓的方法，包括步驟測量流過蓄電池的電流；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期內所計算出的積累電量的變化量；以及根據積累電量的變化量得出極性電壓。
2.一種用於估計蓄電池極性電壓的方法，包括步驟測量流過在中間充電狀態下用作發動機功率源和負載驅動源的蓄電池的電流；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期期間所計算出的積累電量的變化量；以及根據積累電量的變化量得出極性電壓。
3.一種電池組系統，包括一個計算機系統，用於執行權利要求1或2所述的用以估計蓄電池極性電壓的方法；和蓄電池。
4.一種電動汽車，其上安裝有包括計算機系統和蓄電池的電池組系統，其中該計算機系統用於執行權利要求2所述的用以估計蓄電池極性電壓的方法。
5.一種用於估計蓄電池剩餘電量的方法，包括步驟測量流過蓄電池的電流和與該電流相應的蓄電池終端電壓的數據組，並獲得多組數據；根據所獲得的多組數據，通過統計處理計算出電流值為零時的電壓值，作為無負載電壓；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期內所計算出的積累電量的變化量；根據積累電量的變化量得出極性電壓；從無負載電壓中減去極性電壓，以計算出蓄電池的電動力；以及根據計算出的電動力估計蓄電池的剩餘電量。
6.一種用於估計蓄電池剩餘電量的方法，包括步驟測量流過在中間充電狀態下用作發動機功率源和負載驅動源的蓄電池的電流，和與該電流相應的蓄電池終端電壓的數據組，獲得多組數據；根據所獲得的多組數據通過統計處理得出電流值為零時的電壓值，作為無負載電壓；根據測得的電流計算積累電量；得出預定時間周期內所計算出的積累電量的變化量；根據積累電量的變化量得出極性電壓；從無負載電壓中減去極性電壓，以計算出蓄電池的電動力；以及根據所計算出的電動力估計蓄電池的剩餘電量。
7.一種電池組系統，包括用於執行權利要求5或6所述的用於估計蓄電池剩餘電量的方法的計算機系統；和蓄電池。
8.一種電動車輛，其上安裝有包括計算機系統和蓄電池的電池組系統，該計算機系統用於執行權利要求6所述的用於估計蓄電池剩餘電量的方法。
9.一種用於估計蓄電池剩餘電量的裝置，包括一個電流測量部件，用於測量流過蓄電池的電流，作為電流數據；一個電壓測量部件，用於測量與該電流相應的蓄電池終端電壓，作為電壓數據；一個無負載電壓計算部件，用於根據來自該電流測量部件的電流數據和來自該電壓測量部件的電壓數據的多組數據，通過統計處理計算電流數據為零時的電壓數據；一個積累電量計算部件，用於根據來自該電流測量部件的電流數據計算積累電量；一個電量變化計算部件，用於得出預定時間周期內來自該積累電量計算部件的積累電量的變化量；一個極性電壓計算部件，用於根據從該電量變化計算部件得出的積累電量的變化量，得出極性電壓；一個電動力計算部件，用於從無負載電壓計算部件計算出的無負載電壓中減去極性電壓計算部件中得到的極性電壓，以計算出蓄電池的電動力；以及一個剩餘電量估計部件，用於根據來自電動力計算部件的電動力估計蓄電池的剩餘電量。
10.一種用於估計蓄電池剩餘電量的裝置，包括一個電流測量部件，用於測量流過在中間充電狀態下用作發動機功率源和負載驅動源的蓄電池的電流，作為電流數據；一個電壓測量部件，用於測量與該電流相應的蓄電池終端電壓，作為電壓數據；一個無負載電壓計算部件，用於根據來自該電流測量部件的電流數據和來自該電壓測量部件的電壓數據的數據組，通過統計處理計算電流數據為零時的電壓數據作為無負載電壓；一個積累電量計算部件，用於根據來自該電流測量部件的電流數據計算積累電量；一個電量變化計算部件，用於得出預定時間周期內來自該積累電量計算部件的積累電量的變化量；一個極性電壓計算部件，用於根據從該電量變化計算部件得出的積累電量的變化量，得出極性電壓；一個電動力計算部件，用於從無負載電壓計算部件中計算出的無負載電壓中減去極性電壓計算部件中得到的極性電壓，以計算蓄電池的電動力；以及一個剩餘電量估計部件，用於根據來自電動力計算部件的電動力，估計蓄電池的剩餘電量。
11.一種電池組系統，包括權利要求9或10所述的用於估計蓄電池剩餘電量的裝置；和蓄電池。
12.如權利要求11所述的蓄電池系統，其中該用於估計蓄電池剩餘電量的裝置為計算機系統。
13.一種電動汽車，其上安裝有電池組系統，該電池組系統包括權利要求10所述的用於估計蓄電池剩餘電量的裝置和蓄電池。
14.如權利要求13所述的電動汽車，其中該用於估計蓄電池剩餘電量的裝置為計算機系統。
全文摘要
提供一種電池組系統，其蓄電池的極性電壓和剩餘電量的估計精度增大。極性電壓計算部件108根據經過濾波的積累電量的變化LPF(ΔQ)，通過參照查詢表(LUT)1081，計算極性電壓Vpol。電動計算部件113從有效的無負載電壓V0
文檔編號B60L11/02GK1565067SQ02819859
公開日2005年1月12日 申請日期2002年12月2日 優先權日2001年12月27日
發明者村上雄扌 申請人:松下電動車輛能源股份有限公司