專利名稱：用于估計蓄電池充電率的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及用于估計蓄電池充電率(縮寫為SOC)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
2000年11月24日公開的首次公開號為2000-323183、2000年9月29日公開的首次公開號為2000-268886的日本專利申請和日本電子工程會社(T.IEEE Japan)1992年公開的卷號為112-C，No.4、名稱為“Estimation of Open Voltage and Residual Values for pbBattery by Adaptive Digital Filter”的日本文件預(yù)先舉例說明過所提出的用于蓄電池的SOC估計裝置。那就是說，由于蓄電池的充電率(或稱作充電狀態(tài)，即，SOC)與斷路電路電壓V0(當(dāng)電池的電源供給切斷時的電池端電壓，也稱作電動勢或斷路電壓)相關(guān)，所以當(dāng)獲得斷路電壓V0時能估計出充電率。然而，在切斷電源供給(結(jié)束充電和放電)后直到端電壓穩(wěn)定需要相當(dāng)長的時間。因此，從充電和放電結(jié)束起需要預(yù)定的時間間隔以確定精確的斷路電壓V0。因此，從充電/放電時間期間或充電和放電之后，立即確定出準(zhǔn)確的斷路電壓是不可能的，并且使用上述方法也不可能獲得充電率。不過，為了確定出斷路電壓V0，使用上述首次公開號為2000-323183的日本專利申請中公開的方法可以估計出斷路電壓V0。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述公開號為2000-323183的日本專利申請中所公開的方法中，斷路電壓V0是從非循環(huán)(非衰退類型)電池模型(該模型的輸出值僅根據(jù)輸入值的當(dāng)前值和過去值確定)中計算出的，該電池模型的特性完全不同于使用自適應(yīng)數(shù)字濾波器(順序類型模型參數(shù)鑒別算法)的電池的物理特性。該充電率SOC從該值中被使用。因此，當(dāng)該方法被應(yīng)用到實際的電池特性(輸入電流，輸出電壓)時，根據(jù)該電池特性，估計計算完全收斂到實際值，或者根本不收斂。所以，準(zhǔn)確的估計出充電率SOC是困難的。
因此，本實用新型的目的是提供用于準(zhǔn)確的估計蓄電池的充電率(SOC)和準(zhǔn)確的估計出其它與充電率(SOC)有關(guān)的參數(shù)的裝置和方法。
根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種用于蓄電池的充電率估計裝置，包括能夠測量出流經(jīng)蓄電池的電流的電流檢測部分；能夠測量出蓄電池兩端電壓的端電壓檢測部分；參數(shù)估計部分，使用在公式(1)顯示的時間連續(xù)序列中的電池模型計算自適應(yīng)數(shù)字濾波并同時估計所有的參數(shù)，這些參數(shù)對應(yīng)于是公式(1)中的偏移量的斷路電壓和是瞬時量的系數(shù)A(s)，B(s)和C(s)；以及充電率估計部分，從前面得出的斷路電壓V0和使用斷路電壓V0的充電率SOC之間的關(guān)系中估計充電率，V=B(s)A(s)·I+1C(s)·V0---(1)]]>其中s表示拉普拉斯變換算子，A(s)，B(s)和C(s)表示s的多項式函數(shù)。
根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種用于蓄電池的充電率估計方法，包括測量流過蓄電池的電流；測量蓄電池的端電壓；利用在公式(1)表示的時間連續(xù)序列中存在的電池模型計算適應(yīng)性數(shù)字濾波；同時估計所有的參數(shù)，這些參數(shù)對應(yīng)于是公式(1)的偏移量的斷路電壓和是瞬時量的系數(shù)A(s)，B(s)和C(s)；并且從前面得出的斷路電壓V0和使用斷路電壓V0的充電率SOC之間的關(guān)系中估計充電率，V=B(s)A(s)·I+1C(s)·V0,]]>其中s表示拉普拉斯變換算子，A(s)，B(s)和C(s)表示s的多項式函數(shù)。
根據(jù)本實用新型的另一目的，提供一種用于蓄電池的充電率估計方法，包括測量流經(jīng)蓄電池的電流I(k)；測量蓄電池的端電壓V(k)；當(dāng)電流調(diào)零時將端電壓V(k)存儲作為端電壓的初始值ΔV(k)＝V(k)-V_ini；從公式(19)中確定出瞬時電流值I0(k)、I1(k)和I2(k)以及瞬時端電壓V1(k)、V2(k)和V3(k)，I0=1G1(s)·I.]]>I1=sG1(s)·I.]]>V1=sG1(s)·V.]]>I2=s2G1(s)·I.]]>V2=s2G1(s)·V.]]>I3=s3G1(s)·I.]]>V3=s3G1(s)·V.]]>1G1(s)=1(p1·s+1)3---(19)]]>其中p1表示確定G1(s)響應(yīng)特性的常數(shù)；將瞬時電流值I0(k)、I1(k)和I2(k)以及瞬時端電壓V1(k)、V2(k)和V3(k)代入公式(18)，
γ(k)=λ3(k)1+λ3(k)·ωT(k)·P(k-1)·ω(k)]]>θ(k)＝θ(k-1)-γ(k)·P(k-1)·ω(k)·[ωT(k)·θ(k-1)-y(k)]P(k)=1λ1(k){P(k-1)-λ3(k)·P(k-1)·ω(k)·ωT(k)·P(k-1)1+λ3(k)·ωT(k)·P(k-1)·ω(k)}=P′(k)λ1(k)]]>λ1(k)={trace{P′(k)}γU:λ1≤trace{P′(k)}γU]]>{λ1:trace{P′(k)}γU≤λ1≤trace{P′(k)}γL]]>{trace{P′(k)}γL:trace{P′(k)}γL≤λ1]]>其中θ(k)表示在k(k＝0，1，2，3...)時間點的參數(shù)估計值，λ1，λ3(k)，γu和γL表示初始設(shè)定值，b＜λ1＜1，0＜λ3(k)＜∞，P(0)是一個足夠大的值，θ(0)提供一個非零但非常小的初始值，軌跡{P}表示矩陣P的軌跡，其中y(k)＝V1(k)ωT(k)＝[V3(k)V2(k)I3(k)I2(k)I1(k)I0(k)]θ(k)=-a(k)-b(k)c(k)d(k)e(k)f(k)---(20);]]>將參數(shù)估計值θ(k)中的a、b、c、d、e和f代入公式(22)用來計算V0的可替代值V0`，該V0相應(yīng)于某一時刻起斷路電壓估計值的變量ΔV0(k)，在該時刻執(zhí)行估計的計算開始值；V0′=(T1·s+1)G2(s)·V0=a·V6+b·V5+V4-c·I6-d·I5-e·I4---(22);]]>
以及根據(jù)斷路電壓估計值的變量ΔV0(k)和端電壓初始值V_ini計算斷路電壓估計值V0(k)。
本實用新型的概述不必描述所有必要特征以便本實用新型也可以是所述特征的子集。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本實用新型，在優(yōu)選實施例中用于估計蓄電池充電率(SOC)的裝置功能方框圖。
圖2是根據(jù)本實用新型，在優(yōu)選實施例中用于估計蓄電池充電率的裝置的具體電路方框圖。
圖3是表示蓄電池的等效電路模型的模型視圖。
圖4是表示斷路電壓和充電率(SOC)之間的關(guān)系的關(guān)系圖。
圖5是解釋在圖1所示第一優(yōu)選實施例中的充電率估計裝置的電池控制器的微型計算機的操作流程圖。
圖6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G，6H和6I是表示圖1所示的實施例中的充電率估計裝置中電流，電壓和各種參數(shù)的仿真結(jié)果的特征圖。
發(fā)明詳述為了更好地理解本實用新型，以下將參考標(biāo)記使用在附圖中。
圖1示出了根據(jù)本實用新型第一優(yōu)選實施例中的充電率估計裝置的功能方框圖。在該圖1中，參考標(biāo)記1表示基于將斷路電壓V0(k)作為偏移量的電池模型的參數(shù)估計部分。另外，參考標(biāo)記2表示用于計算斷路電壓V0(k)的斷路電壓計算部分，以及參考標(biāo)記3表示用于從斷路電壓計算充電率的充電率估計部分。另外，參考標(biāo)記4表示用于檢測給電池充電和從電池放電的電流I(k)的電流I測量模塊，以及參考標(biāo)記5表示電池的s端電壓以測量端電壓V(k)。
圖2示出了表示第一實施例中的充電率估計裝置的具體結(jié)構(gòu)的方框圖。在該實施例中，負(fù)載如馬達(dá)由蓄電池驅(qū)動，而充電率估計裝置安裝在用馬達(dá)(負(fù)載)再生功率給蓄電池充電的系統(tǒng)中。在圖2中，參考標(biāo)記10表示蓄電池(簡稱電池)，參考標(biāo)記20表示負(fù)載如DC馬達(dá)，參考標(biāo)記30表示電池控制器(電子控制單元)，用于估計出該電池的充電率(充電狀態(tài))，該電池裝有包括ROM(只讀存儲器)，RAM(隨機存儲器)，CPU(中央處理器)，和輸入/輸出接口以及其它電子電路的微型計算機。參考標(biāo)記40表示電流表，用于檢測給電池充電或從電池放電的電流，參考標(biāo)記50表示電壓表，用于檢測電池的端電壓，參考標(biāo)記60表示溫度計，用于檢測電池的溫度。這些儀表都被連接到電池控制器30。電池控制器30對應(yīng)于參數(shù)估計部分1，斷路電壓V0(k)和充電率估計部分3的一部分。電流表40相應(yīng)于電流I(k)測量部分，以及電壓表50相應(yīng)于端電壓V(k)測量部分5。
首先，在第一實施例中使用的“電池模型”將在下面進(jìn)行描寫。圖3是表示蓄電池的等效電路模型的等效電路。蓄電池的等效電路模型能用下面的公式(7)(＝公式(6))表示。
V=K·(T2·s+1)T1·s+1·I+1T3·s+1V0---(7)]]>在公式(7)中，模型輸入是電流I(A)(正值表示充電而負(fù)值表示放電)，模型輸出是端電壓V[V]，斷路電壓是V0，K表示內(nèi)部阻抗，T1-T3表示時間常數(shù)(T1≠T2≠T3，T1＜＜T3)而s表示拉普拉斯變換算子。
基于公式(7)的模型是衰減模型(一階)，其中正極和負(fù)極沒有專門分開。然而，相對容易的表示出實際電池的充電-放電特性是可能的。公式(7)，在公式(1)V＝B(s)/A(s)·I+1/C(s)·V0中，A(s)＝T1·s+1，B(s)＝k·(T2)·s+1，C(s)＝T3·s+1。
以下，背離基于公式(7)的電池模型的自適應(yīng)數(shù)字濾波器將首先在下面進(jìn)行描述。假如電流I的值乘以變量系數(shù)A是根據(jù)特定初始狀態(tài)積分而來，則斷路電壓V0能用公式(8)描述。
那就是說，V0=As·I---(8)]]>注意到公式(8)中的系數(shù)A能用相應(yīng)于公式(2)中敘述的h替代，即，V0＝h/s·I。
假如公式(8)代入公式(7)，能夠得出公式(9)。
V0=K·(T2·s+1)T1·s+1·I+1T3·s+1·As·I---(9)]]>公式(9)相應(yīng)于公式(3)，(V=(B(s)A(s)+1C(s)·hs)·I=s·B(s)·C(s)+h·A(s)s·A(s)·C(s)·I---(3))]]>對于公式(3)中的A(s)，B(s)，C(s)，下面的公式以與公式(7)同樣的方式代入公式(9)。
A(s)＝T1·s+1，B(s)＝k·(T2·s)+1C(s)＝T3·s+1。換句話說，公式(3)是導(dǎo)出的公式并且這應(yīng)用到一階模型就是公式(9)。假如公式(9)成立，公式(10)就是給定的。
S·(T1·s+1)(T3·s+1)·V＝K·(T2·s+1)(T3·s+1)s·I+A·(T1·s+1)·I{T1·T3·s3+(T1+T3)·s2+s}·V＝{K·T2·T3·s3+K·(T2+T3)·s2+(K+A·T1)·s+A}·I(a·s3+b·s2+s)·V＝(c·s3+d·s2+e·s+f)·I ---...(10)
可以注意到，在公式(10)的最后一個等式中，參數(shù)被重寫如下a＝T1·T3，b＝T1+T3，c＝K·T2·T3，d＝K·(T1+T3)，e＝K+A·T1，and f＝A ---(11)。
假如把穩(wěn)態(tài)低通濾波器G1(s)引入到公式(10)的兩邊并且整理，得到下面的公式(12)。
1G1(s)(a·s3+b·s2+s)·V=1G1(s)(c·s3+d·s2+e·s+f)·I---(12)]]>詳細(xì)的講，公式(10)與公式(7)相反，假如將T1·S+1＝A(s)，K·(T2·S+1)＝B(s)，T3·s+1＝C(s)代入公式(10)，將會得出s·A(s)·C(s)·V＝B(s)·C(s)·s·I+A·A(s)·I。重新排列如下s·A(s)·C(s)·V＝[B(s)·C(s)·s·I+A·A(s)]·I---(12`)。假如把低通濾波器(LPF)G1(s)引入到公式(12`)的兩邊，將得出公式(4)。那就是說，s·A(s)·C(s)G1(s)·V=s·B(s)·C(s)+h·A(s)s·A(s)·C(s)·I---(4)]]>應(yīng)當(dāng)注意到，s表示拉普拉斯變換算子，A(s)，B(s)，和C(s)表示s的多項式函數(shù)，h表示變量，以及1/G1(s)表示具有低通濾波特性的傳輸函數(shù)。那就是說，公式(4)是導(dǎo)出的函數(shù)，公式(12)是公式(4)在一階模型中的應(yīng)用。
假如p1表示用來確定G1(s)的響應(yīng)特性的常數(shù)并且能根據(jù)設(shè)計者的意愿來確定，那么實際測量的電流I和端電壓V可通過低通濾波器(LPF)和帶通濾波器(BPF)來處理，這些濾波器通過下面的公式(13)可以定義。
I0=1G1(s)·I]]>I1=sG1(s)·I,]]>V1=sG1(s)·V,]]>I2=s2G1(s)·I,]]>V2=s2G1(s)·V,]]>I3=s3G1(s)·I,]]>V3=s3G1(s)·V,]]>1G1(s)=1(P1·s+1)3---(13)]]>假如公式(12)用公式(13)所示的變量重寫，并且進(jìn)行變形公式(14)能被表示為下面的公式(15)。
a·V3+b·V2+V1＝c·I3+d·I2+e·I1+f·I0V1＝-a·V3-b·V2+c·I3+d·I2+e·I1+f·I0---(14)。
V1=V3V2I3I2I1I0=-a-bcdef---(15).]]>公式(15)是測量值和未知參數(shù)的積-和等式。因此，自適應(yīng)濾波器的標(biāo)準(zhǔn)(一般)類型(公式(16))與公式(15)是一致的。可以注意到ωT表示轉(zhuǎn)置向量，其中向量ω的行和列可以相互交換。
y＝ωT·θ---(16)?？勺⒁獾缴鲜龉?16)中的y，ωT，和θ可用下面的公式(17)表示。
Y=V1,ωT=V3V2I3I2I1I0,θ=-a-bcdef---(17)]]>因此，假如對電流I和端電壓V處理的信號濾波器使用在數(shù)字濾波器處理計算中，能估計出未知參數(shù)向量θ。
在該實例中，使用“雙極限軌道增益法”改善了簡單“自適應(yīng)數(shù)字濾波器通過最小二乘法”產(chǎn)生的邏輯缺陷。這樣的話，一旦估計值被收斂，即便改變參數(shù)，也不能再進(jìn)行精確估計。用公式(16)估計未知參數(shù)向量θ的參數(shù)估計運算法則作為先決條件在公式(18)中示出?？勺⒁獾皆趉時間點的參數(shù)估計值是θ(k)。
γ(k)=λ3(k)1+λ3(k)·ωT(k)·P(k-1)·ω(k)]]>θ(k)＝θ(k-1)-γ(k)·P(k-1)·ω(k)·[ωT(k)·θ(k-1)-y(k)]P(k)=1λ1(k){P(k-1)-λ3(k)·P(k-1)·ω(k)·ωT(k)·P(k-1)1+λ3(k)·ωT(k)·P(k-1)·ω(k)}=P′(k)λ1(k)]]>λ1(k)={trace{P′(k)}γU′:λ1≤trace{P′(k)}γU]]>{λ1:trace{P′(k)}γU≤λ1≤trace{P′(k)}γL]]>{trace{P′(k)}γL:trace{P′(k)}γL≤λ1---(18).]]>在公式(18)中，λ1，λ3(k)，γu和γL表示初始設(shè)定值，b＜λ1＜1，0＜λ3(k)＜∞。P(0)是一個足夠大的值，θ(0)提供了非零但非常小的初始值。另外，軌跡{P}表示矩陣P的軌跡。如上所述，自適應(yīng)數(shù)字濾波器來自電池模型。
圖5顯示了執(zhí)行電池控制器30的微型計算機的操作流程圖。圖5所示的例行程序是對于每個時間T0的恒定周期進(jìn)行的。例如，I(k)是當(dāng)前值，I(k-1)表示I(k)的前一個值。在步驟S10，電池控制器30測量電流I(k)并且以I(k-1)表示I(k)的前一個值。在步驟S20，電池控制器30執(zhí)行蓄電池的斷開中繼的通-斷決定。那就是說，電池控制器30執(zhí)行蓄電池的斷開中繼的轉(zhuǎn)換通斷控制。當(dāng)中繼關(guān)閉時(電流I＝0)，例行程序轉(zhuǎn)到步驟S30。在中繼接合期間，例行程序轉(zhuǎn)到步驟S40。在步驟S30，當(dāng)中繼被占用時，例行程序轉(zhuǎn)到步驟S540。在步驟S530，電池控制器30存儲端電壓V(k)作為端電壓的初始值V_ini。在步驟S40，電池控制器30計算端電壓的差分值ΔV(k)。ΔV(k)＝V(k)-V_ini。這是因為在自適應(yīng)數(shù)字濾波器中的估計參數(shù)初始值是0，使得在估計計算啟動期間估計參數(shù)不收斂。從而，所有的輸入都為零。在輸入都為零期間，在中繼斷開期間，步驟S30已經(jīng)通過，并且由于I為零所以估計參數(shù)都保持初始狀態(tài)同時估計參數(shù)還保持活躍。
在步驟S50，在公式(13)的基礎(chǔ)上，低通濾波或帶通濾波實現(xiàn)電流I(k)和端電壓差值ΔV(k)。從公式(19)中計算出I0(k)至I3(k)和V1(k)至V3(k)。在這種情況下，為了提高公式(18)的參數(shù)估計算法的估計精度，低通濾波器的響應(yīng)特性G1(s)設(shè)置得很緩慢以便減少觀察噪音。然而，假如該特性比蓄電池的響應(yīng)特性快(時間常數(shù)T1的大概值是已知的)，就不能準(zhǔn)確的估計出電池模型的每個參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意到在公式(19)中引用的P1表示由G1(s)的響應(yīng)特性確定的常數(shù)。
I0=1G1(s)·I,]]>I1=sG1(s)·I,]]>V1=sG1(s)·V.]]>I2=s2G1(s)·I,]]>V2=s2G1(s)·V,]]>I3=s3G1(s)·I,]]>V3=s3G1(s)·V,and]]>1G1(s)=1(p1·s+1)3---(19).]]>在步驟S60，在步驟S(50)計算出的I0(k)至I3(k)和V(k)至V3(k)代入到公式(18)。那么，在自適應(yīng)數(shù)字濾波器中的參數(shù)估計算法，即，公式(18)被執(zhí)行以計算參數(shù)估計值θ(k)。在公式(20)中示出y(k)，ωT(k)，和θ(k)。
y(k)＝V1(k)ωT(k)＝[V3(k)V2(k)I3(k)I2(k)I1(k)I0(k)}θ(k)=-a(k)-b(k)c(k)d(k)e(k)f(k)---(20).]]>在步驟S70，將步驟S60計算出的參數(shù)估計值θ(k)的a到e代入下面的公式(22)中，其中對上述的電池模型公式(7)變形來計算V0′，該V0′是斷路電壓V0的可選擇值。由于斷路電壓V0變量是平穩(wěn)的，V0′可被替代的使用。應(yīng)當(dāng)注意，從估計計算開始時間中導(dǎo)出斷路電壓的變量ΔV0(k)。
應(yīng)當(dāng)注意到公式(21)中的等式[1/C1(s)]I用相應(yīng)公式(22)的公式(24)代替。也應(yīng)當(dāng)注意到，在公式(22)的推導(dǎo)中，公式(21)中的k嚴(yán)格的不同于公式(21)中的e。然而，原則上，k＞＞A.T1，e約等于k(e≌k)。那么，公式(22)中的每個系數(shù)a到e是在公式(23)中顯示的內(nèi)容。
1T3·s+1·V0=V-K·(T3+s+1)T1·s+1·I]]>(T1·s+1)·V0＝(T1·s+1)(T3·s+1)V-K·(T2·s+1)(T3·s+1)·I(T1·s+1)·V0＝{T1·T3·s2+(T1+T3)·s+1}·V-{K·T2·T3·s2+K·(T2+T3)·s+K}·I(T1·s+1)G2·V0=1G2(s)(a·s2+b·s+K)·I---(21).]]>V′0=(T1·s+1)G2(s)·V0=a·V6+b·V5+V4-c·I6-d·I5-e·I4----(22).]]>應(yīng)當(dāng)注意a＝T1·T3，b＝T1+T3，c＝K·(T2+T3}，d＝K·{T2+T3}，e＝K+λ·T1＝K---(23)。
I4=1G2(s)·I,]]>V4=1G2(s)·V,]]>I5=sG2(s)·I,]]>V5=sG2(s)·V,]]>1G2(s)=1p2·s+1·1T1′·s+1,]]>I6=s2G2(s)·I,]]>andV6=s2G2(s)·V---(24)]]>公式(24)中的p2表示用來確定G2(s)的響應(yīng)特性的常數(shù)。電池參數(shù)的T1為幾秒是公知的。因此，公式(24)的T′1被設(shè)置的約等于T1。因此，由于保持在公式(22)中的分子(T1·s+1)能被補償，斷路電壓V0的估計準(zhǔn)確性能被提高。應(yīng)當(dāng)注意到公式(21)相應(yīng)于公式(5)。那就是說，公式(21)能從(T1·S+1)＝(T1·S+1)(T3·S+1)·V-K·(T2·S+1)(T3·S+1)·(T3·S+1)·I得出。假如下面的三個公式被代入上面描寫的公式(21)的變形中，T1·S+1＝A(s)，K·(T2·S+1)＝B(s)，和T3·S+1＝C(s)。那就是說A(s)·V0＝A(s)·C(s)·V-B(s)·C(s)·I。假如重新安排，該結(jié)果在V0＝C(s)·V-B(s)·C(s)·I/A(s)，V0＝C(s)·[V-B(s)·I/A(s)]中。假如低通濾波器G2(s)被引入該公式的兩邊，結(jié)果會在公式(5)中。詳細(xì)的說，公式(5)是歸納的公式，并且公式(5)應(yīng)用該一階模型是公式(2)。
在步驟S80，電池控制器30將斷路電壓初始值，即端電壓初始值V_ini添加到斷路電壓V0的變量ΔV0(k)，以從下面的公式(25)得到斷路電壓估計值V0(k)。
V0(k)＝ΔV0(k)+V_ini---(25)。
在步驟90，電池控制器30使用圖4所示的斷路電壓比充電率的關(guān)系圖，根據(jù)在步驟S80中計算出的斷路電壓V0(k)計算出充電率SOC(k)。可注意到，在圖4中，VL表示相應(yīng)于SOC＝0％的斷路電壓和VH表示相應(yīng)于SOC＝100％的斷路電壓。在步驟S100，電池控制器30存儲在后續(xù)計算中需要的必要數(shù)值，并且該程序結(jié)束。所上所述，已經(jīng)描寫了用于估計蓄電池充電率的裝置的操作。
(1)如上描述，在蓄電池電流I和端電壓V中的關(guān)系，和斷路電壓V0在作為一般公式(1)的轉(zhuǎn)移函數(shù)中被構(gòu)造，在優(yōu)選實施例中，公式(7)等于公式(6)。因此，應(yīng)用自適應(yīng)數(shù)字濾波器，如最小平方(眾所周知的估計算法)是可能的。所以，估計以批處理形式存在的公式(即，是偏移量的斷路電壓V0和多詞學(xué)名公式A(s)，B(s)和C(s))中的參數(shù)是有可能的。這些參數(shù)被充電率，周圍溫度、惡化和瞬時變化大大的影響。順序的估計出具有好的準(zhǔn)確度的自適應(yīng)數(shù)字濾波器是可能的。那么，假如圖4所示的斷路電壓V0和充電率被存儲，所估計的斷路電壓能轉(zhuǎn)換成充電率。因此，以相同的方式連續(xù)的估計出充電率作為上述參數(shù)是可能的。
(2)在公式(1)約等于公式(4)的情況下，其中公式(1)反映的是蓄電池的電流I和端電壓V的關(guān)系等式，在該公式中沒有包括偏移量(即，斷路電壓V0)，可以得到被濾波器處理的測量電流I和被濾波器處理的端電壓V之間的乘積-和-相加公式和未知參數(shù)(多詞學(xué)名公式A(s)，B(s)，和C(s)的系數(shù)參數(shù)和h)。正常應(yīng)用的自適應(yīng)數(shù)字濾波器(最小平均平方和眾所周知的參數(shù)估計算法)能直接應(yīng)用在連續(xù)的時間序列中。
作為該結(jié)果，未知參數(shù)能以批處理方式被估計并且估計的參數(shù)h被代入公式(2)，斷路電壓V0的估計值能很容易的被計算出。所有的這些參數(shù)是瞬間變化的，自適應(yīng)數(shù)字濾波器可以高準(zhǔn)確地估計出任何時刻的充電率。由于在斷路電壓V0和充電率SOC之間建立的常數(shù)關(guān)系顯示在圖4中，假如該關(guān)系被提前存儲，充電率SOC能從斷路電壓V0的估計值中被估計出。
圖6A到6I整體上示出了信號時刻表，當(dāng)每個參數(shù)被估計時，電流I和端電壓V輸入到自適應(yīng)濾波器并且表示出仿真圖的結(jié)果。就公式(6)中的一階延遲的時間常數(shù)而言，T1＜T0。由于所有的參數(shù)a到f(指公式(11))被順利的估計，可以認(rèn)為斷路電壓V0的估計值與真實值相當(dāng)一致。
應(yīng)當(dāng)注意到，在預(yù)示出斷路電壓的圖6C中，公式(6)的右邊的秒項被描寫的原因是為了預(yù)示出斷路電壓估計值與真實值是幾乎沒有延遲的一致，盡管時間常數(shù)T3的最新量在輸入到自適應(yīng)濾波器的端電壓上被測量。詳細(xì)的說，由于在公式(6)中，電池模型的參數(shù)估計格式化了自適應(yīng)數(shù)字濾波器，所有的參數(shù)a到f能順利的被估計，并且斷路電壓V0的估計值能與真實值相當(dāng)一致。
(3)另外，如(2)項所述，在該結(jié)構(gòu)中，其中斷路電壓V0從公式(2)中被計算出，在估計值h收斂到真實值之前會發(fā)生積分，它的錯誤不能消除。然而，在公式(5)的結(jié)構(gòu)中，其中沒包括積分，在參數(shù)估計值收斂到真實值之前的差錯在收斂之后不會受影響。
可以理解，在圖6I的部分①中，在估計值f收斂到真實值之前，僅即刻執(zhí)行錯誤估計。在公式(2)中，該值也被積分使得錯誤沒被消除。然而，即便該值被積分錯誤也不會消除。但是在公式(5)的結(jié)構(gòu)中，斷路電壓V0從不包括積分的公式中計算出。因此，在參數(shù)估計值收斂到實際時刻，該錯誤的估計部分能被消除。
(4)而且，在公式(6)代替公式(1)使用的情況下，計算時間和程序容量能被壓縮到最小而具有上述的優(yōu)點。
日本專利申請?zhí)?002-340803(在日本于2002年10月25日申請)的全部內(nèi)容在此被引作參考。本實用新型范圍參照下面的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求1.一種用于蓄電池的充電率估計裝置，包括測量流過蓄電池的電流(I)的電流檢測部分；測量蓄電池的端電壓(V)的端電壓檢測部分，其特征在于所述充電率估計裝置還包括利用公式(1)中所示的連續(xù)時間序列的電池模型計算自適應(yīng)數(shù)字濾波并同時估計所有的參數(shù)的參數(shù)估計部分，所述參數(shù)對應(yīng)于作為公式(1)的偏移項的斷路電壓(V0)和作為瞬時項的系數(shù)A(s)、B(s)和C(s)；以及利用斷路電壓(V0)根據(jù)先前得出的斷路電壓(V0)和充電率(SOC)之間的關(guān)系來估計充電率的充電率估計部分，V=B(s)A(s)·I+1C(s)·V0---(1)]]>其中s表示拉普拉斯變換算子，A(s)、B(s)和C(s)表示s的多項式函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中在公式(1)所示的連續(xù)時間序列中的電池模型的斷路電壓(V0)通過公式(2)被估計以提供公式(3)，并且數(shù)字濾波計算使用公式(3)和等同的公式(4)來執(zhí)行，至少在公式(4)中估計h，該估計的h代入公式(2)得出斷路電壓(V0)，并且從先前得出的斷路電壓(V0)和充電率(SOC)之間的關(guān)系估計充電率，v0=hs·I---(2)]]>V=(B(s)A(s)+1C(s)·hs)·I=s·B(s)·C(s)+h·A(s)s·A(s)·C(s)·I---(3)]]>s·A(s)·C(s)G1(s)·V=s·B(s)·C(s)+h·A(s)G1(s)·I---(4).]]>其中s表示拉普拉斯變換算子，A(s)、B(s)和C(s)表示s的多項式函數(shù)，h表示變量，以及1/G1(s)表示具有低通濾波器特性的傳輸函數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中在公式(2)中估計在連續(xù)時間序列中的電池模型的斷路電壓(V0)以計算公式(3)，自適應(yīng)濾波計算通過等同于公式(3)的公式(4)來執(zhí)行，A(s)、B(s)和C(s)可從公式(4)中估計出，該估計出的A(s)、B(s)和C(s)代入公式(5)能夠確定出V0/G2(s)，并且根據(jù)先前得出的斷路電壓(V0)和充電率(SOC)之間的關(guān)系估計充電率，該充電率(SOC)使用獲得的V0/G2(s)代替斷路電壓V0，V0=hs·I---(2)]]>V=(B(s)A(s)+1C(s)·hs)·I=s·B(s)·C(s)+h·A(s)s·A(s)·C(s)·I---(3)]]>s·A(s)·C(s)G1(s)·V=s·B(s)·C(s)+h·A(s)G1(s)·I---(4),]]>V0G2(s)=C(s)G2(s)·(V-B(s)A(s)·I)---(5).]]>其中s表示拉普拉斯變換算子，A(s)、B(s)和C(s)表示s的多項式(公式)的函數(shù)，h表示變量，1/G1(s)和1/G2(s)表示具有低通濾波器特性的傳輸函數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中根據(jù)公式(6)中計算該電池模型，V=K·(T2·s+1)T1·s+1·I+1T3·s+1V0,]]>其中k表示蓄電池的內(nèi)部阻抗，T1、T2和T3表示時間常數(shù)，1/G1(s)表示具有三階或更多階的低通濾波器，以及1/G2(s)表示另一個具有二階或更多階的低通濾波器。
5.如權(quán)利要求4所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中A(s)＝T1.s+1，B(s)＝k.(T2).s+1，C(s)＝T3.s+1。
6.如權(quán)利要求5所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中V=K·(T2·s+1)T1·s+1·I+1T3·s+1·As·I---(9)]]>(a·s3+b·s2+s)·V＝(c·s3+d·s2+e·s+f)·I---(10).
7.如權(quán)利要求6所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中a＝T1·T3.b＝T1+T3，c＝K·T2·T3，d＝K·(T2+T3)，e＝K+A·T1，f＝A---(11).
8.如權(quán)利要求7所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中穩(wěn)定的低通濾波器G1(s)引入公式(10)的兩邊，得出下面的公式1G1(s)(a·s3+b·s2+s)·V=1G1(s)(c·s3+d·s2+c·s+f)·I---(12).]]>
9.如權(quán)利要求8所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中通過低通濾波器處理的實際測量的電流I和端電壓V表示如下I0=1G1(s)·I.]]>I1=sG1(s)·I,V1=sG1(s)·V.]]>I2=s2G1(s)·I,V2=s2G2(s)·V.]]>I3=s3G1(s)·I,V3=s2G1(s)·V,and]]>1G1(s)=1(P1·s+1)3---(13).]]>
10.如權(quán)利要求9所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中利用公式(13)，公式(12)被重寫和重新安排如下V1=V3V2I3I2I1I0=-a-bcdef---(15)]]>并且公式(15)對應(yīng)于一般公式，該一般公式與公式(16)y＝ωT·θ的普通自適應(yīng)數(shù)字濾波器的標(biāo)準(zhǔn)形式一致，其中y＝V1、ωT＝[V3V2I3I2I1I0]并且θ=-a-bcdef---(17).]]>
11.如權(quán)利要求10所述的蓄電池的充電率估計裝置，其中將公式(16)作為先決條件的參數(shù)估計算法定義如下γ(k)=λ3(k)I+λ3(k)·ωT(k)·P(k-1)·ω(k)]]>θ(k)＝θ(k-1)-γ(k)·P(k-1)·ω(k)·[ωT(k)·θ(k-1-y(k)]P(k)=1λ1(k){P(k-1)-λ3(k)·P(k-1)·ω(k)·ωT(k)·P(k-1)1+λ3(k)·ωT(k)·P(k-1)·ω(k)}·P′(k)λ3(k)]]>λ1(k)={trace{P′k}γu:λ1≤trace{P′(k)}γu]]>{λ2:trace{P′k}γu≤λ1≤trace{P′(k)}γL]]>{trace{P′k}γL:trace{P′(k)}γL≤λ1···(18),]]>其中θ(k)表示在時間點k(k＝0，1，2，3...)的參數(shù)估計值，λ1，λ3(k)，γu和γL表示初始設(shè)定值，b＜λ1＜1，0＜λ3(k)＜∞，P(0)是一個足夠大的值，θ(0)提供一個非零但非常小的初始值，以及軌跡{P}是矩陣P的軌跡。
專利摘要在蓄電池的充電率估計裝置和方法中，測量流過蓄電池的電流，測量蓄電池的端電壓，使用以公式(1)所示的連續(xù)時間序列中的電池模型來執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)字濾波，同時估計所有的參數(shù)，相應(yīng)于斷路電壓的參數(shù)是公式(1)中的偏移項和是瞬時項的系數(shù)A(s)，B(s)和C(s)，并且，從提前得出的斷路電壓V
文檔編號H02J7/00GK2724218SQ200320116788
公開日2005年9月7日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者湯本大次郎, 中村英夫 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社