專利名稱：充電復(fù)原的電池狀態(tài)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池系統(tǒng)，更具體地說，涉及用于電池系統(tǒng)的充電跟蹤系統(tǒng) 的狀態(tài)。
背景技術(shù)：
電池系統(tǒng)可以在范圍廣泛的各種應(yīng)用中用于提供電力。示范性的運(yùn)輸應(yīng) 用包括混合電力機(jī)車(HEV)、電力機(jī)車、重負(fù)載機(jī)車(HDV )和具有42伏電 力系統(tǒng)的機(jī)車。示范性的固定應(yīng)用包括用于遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的后備電源、不間 斷電源(UPS),以及分布式電源生成應(yīng)用。
所用的電池類型的實(shí)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(gè)電池系統(tǒng)可以包括多個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)的電池子部件。 電池子部件可以包括多個(gè)并聯(lián)和/或串聯(lián)的電池。
由電池、電池子部件和/或電池系統(tǒng)傳送的最大和/或最小功率作為電池溫 度、電池充電狀態(tài)(SOC)和/或電池老化的函數(shù)隨時(shí)間變化。因此，對(duì)于確 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(tài)的函數(shù)。當(dāng)在運(yùn)行過 程中電池的充電狀態(tài)已知和作為目標(biāo)時(shí)，在充電中允許安培-小時(shí)的能力和 放電中提供安培-小時(shí)之間可以維持最佳比率。當(dāng)這一最佳比率可以維持時(shí)， 降低了為承擔(dān)適當(dāng)?shù)妮o助電力和再生能量對(duì)過大電池系統(tǒng)的需求。 舉例來說，在例如HEV或EV的運(yùn)輸應(yīng)用中，對(duì)于動(dòng)力機(jī)車(powertrain) 控制系統(tǒng)來說，了解電池系統(tǒng)的最大和/或最小功率限值是重要的。電力機(jī)車 控制系統(tǒng)通常從加速裝置踏板接受對(duì)于功率的輸入請(qǐng)求。電力機(jī)車控制系統(tǒng) 判讀對(duì)于與電池系統(tǒng)的最大功率限值相關(guān)的功率的請(qǐng)求(當(dāng)電池系統(tǒng)向車輪 提供動(dòng)力時(shí))。最小功率限值在再充電和/或再生式制動(dòng)過程中可能是相關(guān)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(tǒng)，和/或降低電池和/ 或電池系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。能夠精確地估算電池SOC已經(jīng)多少成為問題，特別 是，當(dāng)電池系統(tǒng)包括NiMH電池時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，并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(tài)(soc)模塊。soc 模塊與電流和電壓測量模塊相聯(lián)系，根據(jù)電池電流確定復(fù)原電壓，將電池電 壓與復(fù)原電壓相比較，并根據(jù)比較的結(jié)果復(fù)原電池soc。
在其他特征中，提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，并包括測量 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(lián)系的充電狀態(tài)(soc)模塊。soc模塊根據(jù)電池電流和電池 電壓估算開路電壓，并根據(jù)開路電壓估算soc。
在其他特征中，提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，并包括測量
電池電壓的電壓測量;f莫塊、測量電池電流的電流測量才莫塊，以及與電流和電 壓測量模塊相聯(lián)系的充電狀態(tài)(SOC)模塊。SOC模塊確定所迷電池的非濾
波soc、所述非濾波soc的特性，以及根據(jù)所述非濾波soc和所述特性的 修改的soc。
在其他特征中，提供一種與電池一起使用的電池控制模塊，并包括測量 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(tài)
(soc)模塊，其確定第一和第二復(fù)原電壓，將電池電壓與第一和第二復(fù)原
電壓相比較，并根據(jù)所述第一和第二復(fù)原電壓以及所述電池電壓確定非濾波 的soc。
根據(jù)以下提供的詳細(xì)的說明，本發(fā)明的可應(yīng)用范圍將變得更明顯。應(yīng)當(dāng) 理解，在簡要說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的同時(shí)，該詳細(xì)說明和具體實(shí)例僅意 在描述而非意在限制本發(fā)明的范圍。
根據(jù)以下提供的詳細(xì)的說明，本發(fā)明的可應(yīng)用范圍將變得更明顯。應(yīng)當(dāng) 理解，在簡要說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的同時(shí)，該詳細(xì)說明和具體實(shí)例僅意 在描述而非意在限制本發(fā)明的范圍。


根據(jù)該詳細(xì)說明和附圖將更完整地理解本發(fā)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(tǒng)的功能 性方框圖2是電池控制模塊更詳細(xì)的功能性方框圖3是電池的等效電路圖4是作為時(shí)間函數(shù)的電池電流的曲線圖5A和圖5B是描述用于估算充電狀態(tài)的弛豫(relaxation)電壓的方法 的步驟的流程圖6是作為時(shí)間函數(shù)的電池電流的曲線圖，顯示充電和放電擺動(dòng)和充電
和放電事件(event);
圖7是描述估算電池充電狀態(tài)的功率比率方法的流程圖8是描述估算電池充電狀態(tài)的開路電壓方法的流程圖9A是作為電池電壓函數(shù)的SOC的曲線圖9B是作為時(shí)間函數(shù)的經(jīng)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(xì)的功能性方框圖IIA和IIB是描述復(fù)原所估算的電池充電狀態(tài)的步驟的流程圖12A和12B是描述確定用于確定高和低復(fù)原閾值的極化電壓限值的步
驟的流程圖13是高和低復(fù)原閾值的、電池電壓和電池電流的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的如下說明其性質(zhì)僅是示范性的，并非意在限制本發(fā)明、 其應(yīng)用或使用。為了清晰，在各附圖中為識(shí)別相同的元件使用相同的標(biāo)號(hào)。 作為這里使用的術(shù)語模塊或器件，是指執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)軟件或軟件程序的專 用集成電路(ASIC)、電子電路、處理器(共享、專用或成組)和存儲(chǔ)器、 組合邏輯電路，和/或提供所述功能性的其他適合的組件。作為這里使用的術(shù)語"電流擺動(dòng)"是指在一持續(xù)時(shí)間內(nèi)(在該過程中沿一個(gè)方向(極性)充電)
的積分的電流。充電擺動(dòng)可以用安培-秒或A-s為單位表達(dá)。
示出可以用于計(jì)算SOC的 一種示范性系統(tǒng)，盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn) 識(shí)到也可以使用其他系統(tǒng)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，所示一種示范性的電池系統(tǒng)10的
示范性的實(shí)施例包括M個(gè)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(gè)串聯(lián)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(gè)電池子部件12-1、 12-2.......,和12-M相^^系。在一些實(shí)施
例中，M等于2或3,但是可以使用添加的或減少的子部件。在一些實(shí)施例 中，N等于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(jiān)視電池子部件12中的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的電池，并執(zhí) 行適當(dāng)?shù)臉?biāo)定和/或調(diào)節(jié)。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(lián)系。主控模塊40從電池控制模塊30接收功率限值，并生成共同的 功率限值?？梢园唇M或共同地計(jì)算對(duì)于每個(gè)模塊的SOC。在一些實(shí)施例中， 電池控制模塊30可以與主控制模塊40集成。
參照?qǐng)D2，其示出電池控制模塊30的一些元件。電池控制模塊30包括 電壓和/或電流測量模塊60,其測量跨接在電池子部件12上的和/或跨接在電 池子部件12中的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的電池20上的電壓。電池控制模塊30進(jìn)一 步包括電池充電狀態(tài)(SOC)模塊68，其周期性地計(jì)算在電池子部件12中的 電池20的SOC。在一個(gè)實(shí)施例中，如以下將說明的，SOC模塊68利用功率 比率估算和/或V。方法。在另一實(shí)施方案中，如以下將說明的，SOC模塊 68利用弛豫電壓SOC估算方法。SOC模塊68可以采用查找表70、公式或其 〈也方法。
如以下將進(jìn)一步說明的，功率限值模塊72計(jì)算對(duì)于電池子部件12和/ 或電池子部件12中的一個(gè)或多個(gè)電池20的最大電流限值Inm，電壓限值Vk 和/或功率限值Plim。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(gè)或多個(gè)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(guān)聯(lián)。時(shí)鐘電路76生成用于電池控制模塊30內(nèi)部的一個(gè) 或多個(gè)模塊的一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其示出對(duì)于電池20的等效電5^，其中，Ro代表電池的歐 姆電阻，Vp代表極化電壓，Vo代表開路電壓或弛豫電壓，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(xù)時(shí)間和SOC而變 化。V。和Ro主要隨SOC變化。Vp等于測量電流I乘以Rp。對(duì)于電池20, 利用等效電路和克希霍夫電壓定律，得到V = Vo+VP+IRo。
弛豫電壓對(duì)于溫度和電流需要量相對(duì)不敏感，并為SOC的良好指示器。 一組專用電流脈沖可以用于調(diào)節(jié)電池以產(chǎn)生取決于弛豫電壓的SOC。這里， 這一方法被稱為弛豫電壓SOC估算。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4,其示出作為時(shí)間函數(shù)的電池電流。大于零的電流是充電 電流，例如在100-1、 100-2、 100-3和100-4。小于零的電流是放電電 流，例如在102-1、 102 - 2、 102 - 3。在點(diǎn)106和108以及點(diǎn)110和112之 間的曲線下方的區(qū)域定義為以A-s計(jì)的充電擺動(dòng)。在點(diǎn)108和110之間的電 流曲線下方的區(qū)域定義為以A - s計(jì)的放電擺動(dòng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5A和5B，其示出用于實(shí)施弛豫電壓SOC估算方法的方法 的步驟。弛豫電壓估算方法監(jiān)視功率脈沖對(duì)的電池電流，查找在每個(gè)之后的 弛豫電壓，并利用查找表70確定SOC。根據(jù)對(duì)遍及運(yùn)行溫度范圍例如_ 15°C 到45。C的脈沖的電壓響應(yīng)的觀測得到弛豫電壓方法。弛豫電壓受擺動(dòng)幅度、 脈沖幅度，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(電流大于零或一預(yù)定閾 值)。如果步驟154為是，在步驟156控制累積充電擺動(dòng)并復(fù)原放電擺動(dòng)。在 步驟158,控制設(shè)定剩余(rest)變量為零。在步驟162,控制確定累積的充 電擺動(dòng)是否在一預(yù)定的窗口內(nèi)部。該窗口可以包括高和低閾值。在一些實(shí)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，控制禁止充電后的SOC查找，并返回到步驟152。
如果步驟162為是，按照步驟164控制繼續(xù)，并確定是否在放電中發(fā)生 了最后的擺動(dòng)和弛豫。按照這里所用的弛豫是指電池電壓按漸近線接近弛豫 電壓。如果為否，按照步驟163控制繼續(xù)。如果步驟164為是，在步驟166, 控制啟動(dòng)充電后的SOC查找。
如果在步驟154為否，按照步驟174控制繼續(xù)。在步驟174,控制確定 測量的電流是否是放電電流(電流小于零或一預(yù)定閾值)。如果在步驟174為
是，在步驟176控制累積放電擺動(dòng)并復(fù)原充電擺動(dòng)。在步驟178,控制將剩 余變量設(shè)定為零。在步驟182，控制確定累積的放電擺動(dòng)是否在一預(yù)定的窗 口內(nèi)部。該窗口可以包括與累積充電擺動(dòng)閾值相類似或與其不同的高和低閾 值。如果為否，在步驟183,控制禁止放電后的SOC查找，并返回到步-驟152。
如果步驟182為是，按照步驟184控制繼續(xù)并確定是否在充電中發(fā)生了 最后的擺動(dòng)和弛豫。如果為否，按照步驟183控制繼續(xù)。如果步驟184為是， 在步驟186,控制啟動(dòng)放電后的SOC查找。
如果步驟174為否，按照步驟200在圖5B中的控制繼續(xù)并增加剩余變 量。在步驟202,通過將剩余時(shí)間與一閾值相比較，控制確定剩余時(shí)間是否 足夠。在一些實(shí)施方案中，近似地利用120秒作為閾值，但是可以利用其它 數(shù)值。如果步驟202為是，在步驟204,控制確定可允許時(shí)間是否小于閾值 時(shí)間Thtoe。在一些實(shí)施方案中，可允許時(shí)間等于240秒，但是可以利用其它 數(shù)值。超過這一數(shù)值趨于表明未將脈沖控制足以用于SOC估算。
如果步驟204為是，按照步驟206控制繼續(xù)，并確定是否啟動(dòng)充電后的 SOC查找。如果步驟206為是，在步驟208,控制查找作為弛豫電壓函數(shù)的 SOC,并在步驟210禁止充電后的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(xù)，并確定是否啟動(dòng)放電后的SOC查找。 如果步驟212為是，在步驟214，控制查找作為弛豫電壓函數(shù)的SOC，并在 步驟216禁止放電后的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(jiān)視功率脈沖對(duì)。該方法計(jì)算當(dāng)功率脈沖對(duì)的擺 動(dòng)近似相等時(shí)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(shù) 并利用查找表確定。在試圖利用電流和電壓的輸入求解弛豫電壓Vo的同時(shí)獲 得算法。
當(dāng)最大或最小功率保持到一電壓限值時(shí)，電壓方程為Vlim = V0 +VP+IlimRo。將來自先前的采樣間隔的對(duì)于V。十Vp的計(jì)算代換到對(duì)于V^的 該方程，生成Vun^ ( V - IRq )+IlimRo。在這種情況下，我們假設(shè)對(duì)于當(dāng)前電 流采樣間隔的Vo +VP近似等于先前采樣間隔的Vo +VP (換句話i兌，V0 +VP^Vt=i-1-I一-!Ro)。如果采樣間隔充分小，這一近似是有效的，因?yàn)殡姵?和環(huán)境條件十分相似。例如，在一些實(shí)施方案中，可以采用采樣間隔 10ms<T<500ms， 4旦是可以采用其它采樣間隔。在一個(gè)實(shí)施例中，T=100ms。
已經(jīng)成功地采用l秒的采樣間隔。如果確定采樣間隔持續(xù)時(shí)間過大，則Ro將
按照一常數(shù)或一取決于溫度的變量增加。
求解I,皿，生成如下
<formula>formula see original document page 11</formula>在對(duì)于一充電或放電擺動(dòng)和測量的電流建立功率限值時(shí)，存儲(chǔ)測量的電 流和電壓值。當(dāng)電流反向、擺動(dòng)幅度通過負(fù)的保留的擺動(dòng)、并且電流近似等 于負(fù)的保留電流的擺動(dòng)時(shí)，執(zhí)行功率限值計(jì)算。
通過用相鄰周期的放電中的-PUM去除充電中的PuM計(jì)算功率比率。即
使在方程中不再有Vo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(shù)。在充電擺動(dòng)過程中的極化電壓Vp近似等于在
近似等于負(fù)值的放電擺動(dòng)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(jì)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(fā)明監(jiān)視充電和放電擺動(dòng)，并且在某些 情況下宣布充電和放電事件。當(dāng)充電擺動(dòng)大于一充電擺動(dòng)閾值時(shí)，發(fā)生充電 擺動(dòng)事件。當(dāng)放電擺動(dòng)大于一放電擺動(dòng)閾值時(shí)，發(fā)生放電擺動(dòng)事件。閾值可 以相關(guān)于或基于先前充電或放電事件。例如，可以將充電擺動(dòng)閾值設(shè)定等于 先前放電事件的絕對(duì)值?？梢詫⒎烹姅[動(dòng)閾值設(shè)定等于先前充電事件的絕對(duì) 值。還可以利用其它的方法來確定充電和放電闊值。作為這里所使用的術(shù)語 "要求，，(claim)是指當(dāng)充電或放電事件跟隨有相應(yīng)的放電或充電擺動(dòng)時(shí)和當(dāng) 如下其它條件滿足時(shí)的情況。與放電要求(discharge claim)的發(fā)生無關(guān)地依 照不同的判據(jù)確定放電事件的發(fā)生。該算法同時(shí)對(duì)兩者尋求。例如，該要求 點(diǎn)發(fā)生在區(qū)域放電擺動(dòng)等于先前充電擺動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)處。當(dāng)電流對(duì)放電電流 MIN的比率粗略等于充電事件處的電流對(duì)充電電流MAX的比率時(shí)，發(fā)生該 事件點(diǎn)。如果在圖7中L^K將是該情況。在一些實(shí)施方案中，L和K在1和 2之間，但是可以使用其它值。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7,其更詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)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(yù)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(xù)，并累計(jì)充電擺動(dòng)。在步 驟264，控制確定該在充電擺動(dòng)過程中的電流是否通過最大值并大于 Currentmax/K。當(dāng)步驟264為是時(shí)，在步驟266，控制存儲(chǔ)電流、充電擺動(dòng)和 功率限值的數(shù)值。如果為否，控制繼續(xù)繞過步驟266到步驟270。在步驟270， 控制確定該擺動(dòng)是否大于先前放電擺動(dòng)。如果為否，在步驟272控制不產(chǎn)生 SOC要求，并且按照步驟254控制繼續(xù)。
如果步驟270為是，在步驟274,控制確定是否電流近似等于保留的放 電電流-IDR(換句話說，在其高和低閾值之內(nèi))。如果步驟274為是，在步驟 280，控制按照功率限值對(duì)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,并禁止對(duì)當(dāng)前擺動(dòng)的其余部分產(chǎn)生SOC要求。然后 控制從步驟276進(jìn)行到步驟254。
如果步驟258為否，按照步驟278,控制繼續(xù)并確定是否出現(xiàn)放電電流。 當(dāng)放電電流小于零或一預(yù)定負(fù)閾值時(shí)出現(xiàn)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(xù)，并累積放 電擺動(dòng)。在步驟284，控制確定在放電擺動(dòng)的過程的電流是否通過一最小值 及是否小于Currentmin/L。當(dāng)步驟284為是時(shí)，在步驟286，控制存儲(chǔ)電流、 放電擺動(dòng)和功率限值的值。如果為否，控制繼續(xù)繞過步驟286到步驟290。 在步驟290，控制確定放電擺動(dòng)是否大于先前充電擺動(dòng)。如果為否，在步驟 254，控制不產(chǎn)生SOC要求，并且按照步驟254控制繼續(xù)。
如果步驟290為是，在步驟294,控制確定電流是否近似等于一保留的 充電電流-Ic"換句話說，在其高和低閾值之內(nèi))。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(xù)到步驟296，并禁止對(duì)于當(dāng)前擺動(dòng)的其余部分產(chǎn)生SOC要 求。然后，控制從步驟296進(jìn)行到步驟254。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8,其示出開路電壓SOC估算方法350。該方法350提供對(duì) 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(zhí)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30(T替換。方法350還包括添加的步驟352、 354和356。步驟352和354對(duì)于電池的滯后特性補(bǔ)償估算的SOC。步驟356
對(duì)來自步驟280 '和300 '的SOC補(bǔ)償由于逐個(gè)要求(from claim to claim ) 的SOC值的瞬變的影響。下面更詳細(xì)地討論滯后補(bǔ)償和SOC瞬變補(bǔ)償算法。
在步驟280 '，控制已確定電池正在充電，并才艮據(jù)如下方程確定該充電 開路電壓Vo
V0=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?？刂评贸?電開路電壓Vo，以進(jìn)入查找表70和確定SOC。
在步驟300 ',控制已經(jīng)確定電池正在放電并才艮據(jù)如下方程確定》文電開 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(jìn)入查找表 70和確定SOC。
當(dāng)控制已經(jīng)完成步驟28(T和300 '中之一時(shí)，按照步驟352控制繼續(xù)， 并確定對(duì)于大于預(yù)定量的時(shí)間電流是否已經(jīng)在預(yù)定幅度之上和極性中。如果 步驟352的結(jié)果為否，控制返回到步驟254。如果步驟352的結(jié)果為是，控 制繼續(xù)到步驟354，并在返回步驟254之前對(duì)所確定的SOC補(bǔ)償滯后效應(yīng)。 下面討-論4卜償滯后效應(yīng)的方法。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9A,該曲線示出對(duì)于NiMH電池的作為電池電壓V的函數(shù) 的SOC的實(shí)例。該曲線可以存儲(chǔ)在查找表70中?？v軸代表電池電壓V,橫 軸代表以百分率計(jì)的SOC。上曲線360代表作為用于確定SOC的電壓的函數(shù) 的socLow,其中，socLow代表相對(duì)開路電壓V()的SOC的下限值。socLow 的值與電池充電相關(guān)聯(lián)，下面將更詳細(xì)地說明。下曲線362代表作為也用于 確定SOC的電壓的函數(shù)的socHigh,其中，socHigh代表相對(duì)開路電壓Vo的 SOC的上限值。socHigh的值與電池放電相關(guān)聯(lián)，下面將更詳細(xì)地說明。在 上曲線360和下曲線362中的大部分之間的間隔關(guān)系指示一些類型電池，例 如NiMH的滯后特性。
在步驟354,(圖8 )使用一種電壓滯后補(bǔ)償算法確定對(duì)SOC的補(bǔ)償。該 補(bǔ)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(yùn)行平均值，hLowAvg 和hHighAvg是相應(yīng)低和高復(fù)原電壓的運(yùn)行平均值，hLow和hHigh按照方法 450計(jì)算。
步驟354根據(jù)如下方程重新計(jì)算SOC
SOOsocLow+r* [socHigh-socLow]
其中，socHigh和socLow為來自圖9A的曲線的數(shù)值。例如，socLow與 在點(diǎn)370的SOC相關(guān)，socHigh與在點(diǎn)372的SOC相對(duì)應(yīng)，重新計(jì)算的SOC 與在點(diǎn)374的SOC相對(duì)應(yīng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9B, —曲線表示作為時(shí)間函數(shù)的SOC 380。在一些實(shí)施例 中，SOC 380可以用電池電流對(duì)時(shí)間的積分來替換。按第一速率對(duì)SOC380 濾波，以生成經(jīng)第一濾波的SOC 382,按第二速率對(duì)SOC 380濾波，以生成 經(jīng)第二濾波的SOC 384。可以將經(jīng)第一濾波的SOC382和經(jīng)第二濾波的SOC 384相比較，例如在386，以確定SOC380瞬變的幅度和方向。可替4灸地，可 以將SOC380與經(jīng)第一濾波的SOC 382和/或經(jīng)第二濾波的SOC384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(jìn)入查找表"70 和檢索對(duì)應(yīng)的量度。例如通過乘法將該量度施加于在方框280 ' 、 :30(T和354 中所確定的SOC,以增加SOC精確度。對(duì)于每個(gè)對(duì)應(yīng)的SOC瞬變的幅度和 方向的量度可以通過實(shí)驗(yàn)確定，以減緩開路電壓Vq夸大在SOC瞬變過程中 的SOC變化的趨勢。
現(xiàn)在參照?qǐng)D10，其示出包括溫度測量模塊400的電池控制模塊30。溫度 測量模塊400測量相聯(lián)系的電池子部件12的溫度?？梢栽诿總€(gè)電池子部件 12中的單個(gè)點(diǎn)取得測量值，或者由在每個(gè)電池子部件12中的多個(gè)點(diǎn)取得的 測量值中派生。電池溫度測量值用于根據(jù)下述方法確定高和低復(fù)原電壓。
現(xiàn)在參照?qǐng)DIIA和IIB，其示出用于確定何時(shí)復(fù)原SOC的方法450。方 法450包括確定低復(fù)原電壓hLow和高復(fù)原電壓hHigh，將它們選擇性地與電 池電壓V相比4交，以確定何時(shí)復(fù)原SOC。方法450包括當(dāng)電池電流幅度在預(yù) 定范圍內(nèi)及電池電壓低于或高于相應(yīng)的低復(fù)原電壓hLow和高復(fù)原電壓hHigh 時(shí)復(fù)原SOC。
周期性地執(zhí)行方法450，并通過方框452進(jìn)入方法450。在一些實(shí)施方案 中，執(zhí)行周期等于采樣間隔T。從方框452到方框"4控制繼續(xù)，并根據(jù)如
下方程確定低復(fù)原電壓
hLow=I*roLow+V0LO W+vpLow, 及根據(jù)如下方程確定高復(fù)原電壓 hHigh=I*roHigh+VO—HIGH+vpHigh 。
變量roLow和roHigh代表電池20的歐姆電阻，并可以作為電〉也溫度的 函數(shù)從查找表70得到，V0—LOW和V0—HIGH是常數(shù)，并分別代表電池20 的松弛電壓V。的相應(yīng)的低和高限值。變量vpLow和vpHigh代表^f及化電壓 Vp相應(yīng)的低和高限值。根據(jù)在圖12A和12B中所示的方法確定低極4b電壓限 值vpLow和高極化電壓限值vpHigh。
在確定低復(fù)原電壓hLow和高復(fù)原電壓hHigh后，控制進(jìn)行到判定方框 456,并確定電池電壓是否大于高復(fù)原電壓hHigh和電池電流是否大于一 電流 閾值。如果為是，控制進(jìn)行到判定方框458,并確定當(dāng)前充電事件是否超過 一預(yù)定的A-s閾值，以預(yù)防不適當(dāng)?shù)貜?fù)原SOC。如果判定方框458的結(jié)果為 否，則控制進(jìn)行到方框460，并繼續(xù)累積充電擺動(dòng)。然后，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,并設(shè)定一復(fù)原-高(reset-high)信號(hào)標(biāo)?？梢杂善渌K例如主控 制模塊40利用該復(fù)原-高信號(hào)標(biāo)。然后控制分支到判定方框466,并確定當(dāng) 前SOC是否小于一高限值(H—LIM)。該高限值可以是一百分比常數(shù)，例如 90%。如果當(dāng)前SOC大于高限值，則在方框462控制退出。然而，如果SOC 小于高限值，控制分支到方框468,并根據(jù)當(dāng)前高復(fù)原電壓hHigh復(fù)原SOC(圖 9A)。然后控制分支到方框470并復(fù)原累積的充電4罷動(dòng)。
返回到判定方框456,當(dāng)電池20的電壓和電流小與它們的相應(yīng)的閾值時(shí) 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于低復(fù) 原電壓hLow及電池電流是否小于電流閾值。如果為否，則控制分支到方框 462并退出。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(yù)定A-s閾值，以預(yù)防不適當(dāng)?shù)貜?fù)原SOC。如果判定方框 482的結(jié)果為否，則控制分支到方框484,并在方框462退出之前，累計(jì)放電 擺動(dòng)。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并設(shè)定一復(fù)原-低(reset-low)信號(hào)標(biāo)。可以由其它模塊例如主控制 模塊40利用該復(fù)原-低信號(hào)標(biāo)。然后，控制分支到判定方框488,并確定該SOC是否大于一低限值(L一LIM)。該低限值可以是一百分比常數(shù)，例如10 %。如果SOC小于低限值，則在方框462控制退出。然而，如果控制確定 SOC大于低限值，控制分支到方框490，并根據(jù)低復(fù)原電壓hLow更新SOC(圖 9A)。然后控制分支到方框492并復(fù)原累積的放電擺動(dòng)。
現(xiàn)在引入一種用于確定低極化電壓限值vpLow和高極化電壓vpHigh的 方法。簡略地參照?qǐng)D3，并將克希霍夫電壓定律應(yīng)用于電池20，可以4安照下 式表達(dá)瞬間電池電壓V:
V=V0+IR0+VP
通過包含對(duì)于Rp和C并聯(lián)組合的轉(zhuǎn)移函數(shù)，該方程變?yōu)?br> V=V0+IR0+IRr
其中，t (tau)代表極化電壓的時(shí)間常數(shù)。將tau的數(shù)值用于將極化電壓 模型化并根據(jù)如下方法確定。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12A和12B，其示出用于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(jìn)入并進(jìn)行到判定方框 504。在判定方框504,控制確定電池電流是否大于第一閾值。如果為否，則 控制分支到判定方框506,并確定電池電流是否小于第二閾值。可以將第一 閾值和第二閾值設(shè)定彼此相等。如果該電流大于第二閾值，則控制分支到方 框506，并將一松弛值賦值到tau。根據(jù)電池20的熱和老化特性4交正才交準(zhǔn)該 松弛值和正如下面討論的控制將其賦值到tau的其他值。
在將松弛值賦值到tau以后，控制分支到方框510，并根據(jù)如下方程更新 低極化電壓限值vpLow:
vpLow=vpLow*( 1
并根據(jù)如下方程更新高極化電壓限值vpHigh: vpHigh=vpHigh* ( 1 - Pt)，
其中，f代表方法500的執(zhí)行頻率。在一些實(shí)施例中，執(zhí)行頻率f是采樣 周期T的倒凄史。然后，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于第一閾值，則控制分 支到判定方框520。在判定方框520,控制確定當(dāng)前低極化第一限值vpLow 是否小于零。如果為是，則控制分支到方框522,并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大于或等于零，
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，并將松弛充電值賦值到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，并將充電值賦值到tau。
現(xiàn)在參照判定方框506,如果控制確定電池電流小于第二閾值，則控制 分支到判定方框550并確定當(dāng)前低極化電壓限值vpLow是否大于零。如果為 是，則控制分支到方框552，并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小于零，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，并將松弛放電值幅值到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，并將放電值賦值到tau。
一旦方法500在552、 556、 558、 528、 526和522的其中一個(gè)方框?qū)⒁?值賦值到tau,控制分支到方框570,并根據(jù)如下方程更新低極化電壓限值 vpLow,
vpLow=vpLow(t.)+(I*rpLow-vpLow(t—1))*|I|*f|!T; (5)
其中，下標(biāo)(t-l)指來自先前執(zhí)行方法500的相關(guān)的極化電壓限值的數(shù)值，
及rpLow是Rp的低限值(圖3 )。然后，控制分支到方框572,并才艮據(jù)如下
方程更新高極化電壓限值vpHigh:
vpHigh-vpHigh(t.D+(PrpHigh-vpHigVD"III承Pi: (6)
其中，rpHigh是Rp的上限值。可以作為電池溫度的函數(shù)從查找表70得
到變量rpLow和rpHigh。然后，控制進(jìn)行到方框514并退出。
現(xiàn)在參照?qǐng)D13，其示出在實(shí)例高和低SOC復(fù)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(duì)于高復(fù)原電壓hHigh和〗氐復(fù)原
電壓hLow繪制的。所示電池電流602按照隨時(shí)間沿正方向(充電)和負(fù)方
向(力文電》危動(dòng)。
方法450周期性地確定高復(fù)原電壓hHigh、低復(fù)原電壓hLow，以及何時(shí) 復(fù)原SOC。示出在時(shí)間604和606處的實(shí)例復(fù)原一犬況。在時(shí)間604，當(dāng)放電 事件足夠時(shí)，控制確定電池電壓600小于低復(fù)原電壓hLow。然后，控制確定 當(dāng)前SOC是否大于對(duì)應(yīng)于低復(fù)原電壓hLow的SOC(圖9A)，以及，如果為是， 根據(jù)低復(fù)原電壓hLow復(fù)原SOC。相似地，在時(shí)間606，當(dāng)充電事件足夠時(shí) 控制確定電池電壓600大于高復(fù)原電壓hHigh。然后，控制確定當(dāng)前SOC是
否小于對(duì)應(yīng)于高復(fù)原電壓hHigh的SOC (圖9A)，以及，如果為是，根據(jù)高 復(fù)原電壓hHigh復(fù)原SOC。
對(duì)于NiMH電池，在根據(jù)方法500得到滿意的性能的同時(shí)，tau的數(shù)值 量通?？梢詼p少到4或更小。在方框508對(duì)tau使用第一數(shù)值，其中I在第一 和第二閾值之間。當(dāng)?shù)谝缓偷诙撝迪嗟葧r(shí)，方法500將不達(dá)到方才匡508， 并可以忽略對(duì)于tau的第一數(shù)值。在方框528和558，對(duì)于tau使用第二#史值， 其中，Vp的極性(其可以由vpLow(t-,)、 vpHigh(t+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(duì)于tau使用第三數(shù)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(duì)于tau使 用第四數(shù)值，其中Vp和I的極性不同。對(duì)于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(jìn)方法450 和500的性能。通過填充這樣一種查找表和/或生成對(duì)于tau的數(shù)值族，可以 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該查找表具有隨電池溫度增加的rpLow和rpHigh,而其中每個(gè)
族對(duì)應(yīng)于一特定的電池溫度。
在其它實(shí)施例中，可以一次性纟丸行方法500, ^l確定vpLow (即省略步 驟572 )。然后，可以再次執(zhí)行方法500，僅確定vpHigh (即省略步-驟570 )。 在這樣一個(gè)實(shí)施例中，在方框552、 556、 558、 528、 526和522，方法502 的每次執(zhí)行使用對(duì)于tau的相關(guān)的一組數(shù)值。當(dāng)退出方框552、 556、 558、 528、 526和522時(shí)選擇的tau的數(shù)值被稱為當(dāng)方法502正在確定vpLow時(shí)的 tauLow。當(dāng)退出方框552、 556、 558、 528、 526和522時(shí)選擇的tau的數(shù)值 被稱為當(dāng)方法502正在確定vpHigh時(shí)的tauHigh。以這樣一種方式扭"行方法 500兩次，可以增加vpLow和vpHigh的精確度。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所述說明現(xiàn)在可以認(rèn)識(shí)到對(duì)本發(fā)明的主要論述可 以各種形式實(shí)現(xiàn)。因此，雖然已聯(lián)系其特定實(shí)例說明本發(fā)明，本發(fā)明的實(shí)際 范圍不受其限制，因?yàn)橥ㄟ^研究附圖、說明書和權(quán)利要求，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說，其它改進(jìn)會(huì)變得很明顯。
權(quán)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(tài)SOC模塊，其與所述電流和電壓測量模塊相聯(lián)系，并且根據(jù)所述電池電流確定復(fù)原電壓，比較所述電池電壓和所述復(fù)原電壓，并且根據(jù)所述比較的結(jié)果復(fù)原電池SOC。
2. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述復(fù)原電壓包括低復(fù)原電壓與高復(fù)原電壓；并且其中所述比較包括在所述電池電壓和所述低復(fù)原電壓之間的第一比 較，以及在所述電池電壓和所述高復(fù)原電壓之間的第二比較。
3. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊在對(duì)所述電 池充電的同時(shí)累積充電擺動(dòng)，根據(jù)所述充電擺動(dòng)識(shí)別充電事件，并且根據(jù)所 述比較以及對(duì)所述充電事件的識(shí)別復(fù)原所述電池S0C。
4. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述S0C模塊在對(duì)所述電 池放電的同時(shí)累積放電擺動(dòng)，根據(jù)所述放電擺動(dòng)識(shí)別放電事件，并且根據(jù)所 述比較以及對(duì)所述放電事件的識(shí)別復(fù)原所述電池S0C。
5. 如權(quán)利要求2所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊將所述電池 S0C復(fù)原為基于所述電池電壓和所述高復(fù)原電壓中的至少一個(gè)的電池S0C。
6. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述復(fù)原電壓基于所述電 池的極化電壓。
7. 如權(quán)利要求6所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊基于時(shí)間常 數(shù)確定所述極化電壓。
8. 如權(quán)利要求7所述的電池控制模塊，其中，所述時(shí)間常數(shù)基于所述電 ^>電;克的幅度。
9. 如權(quán)利要求7所述的電池控制模塊，其中，所述時(shí)間常數(shù)基于所述電 池電流的才及性。
10. 如權(quán)利要求7所述的電池控制模塊，其中，所述時(shí)間常數(shù)基于所述 極化電壓的先前值。
11. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊還根據(jù)所述電池電流的幅度是否超過預(yù)定閾值閥值復(fù)原所述電池s 0 c 。
12.一種復(fù)原估算電池S0C的方法，包括測量電〉也電壓；測量電池電流；根據(jù)所述電池電流確定復(fù)原電壓； 比較所述電池電壓和所述復(fù)原電壓；以及 根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果復(fù)原電池S 0 C 。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述復(fù)原電壓包括低復(fù)原電壓與 高復(fù)原電壓；并且其中所述比較步驟包括以下中的至少一個(gè)在所述電池電壓和所述低 復(fù)原電壓之間的第一比較，以及在所述電池電壓和所述高復(fù)原電壓之間的 第二比較。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括 在對(duì)所述電池充電的同時(shí)累積充電擺動(dòng)； 根據(jù)所述充電擺動(dòng)識(shí)別充電事件；以及根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果以及所述識(shí)別步驟的結(jié)果復(fù)原所述電池SOC。
15. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括 在對(duì)所述電池放電的同時(shí)累積放電擺動(dòng)； 根據(jù)所述放電擺動(dòng)識(shí)別放電事件；以及根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果以及所述識(shí)別步驟的結(jié)果復(fù)原所述電池S0C。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括將所述電池S0C復(fù)原為基于所 述電池電壓和所述高復(fù)原電壓中的至少一個(gè)的電池S0C。
17. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述復(fù)原電壓基于所述電池的極 化電壓。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述SOC模塊基于時(shí)間常數(shù)確定 所述極化電壓。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，，其中，所述時(shí)間常數(shù)基于所述電池電 流的幅度。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述時(shí)間常數(shù)基于所述電池電流 的極性。
21. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述時(shí)間常數(shù)基于所述極化電壓 的先前值。
22. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述復(fù)原步驟還基于所述電池電 流的幅度是否超過預(yù)定閾值閥值。
23. —種在確定相關(guān)電池的電池充電狀態(tài)SOC的電池控制模塊中用來復(fù) 原電池SOC的方法，包括測量電;也電壓； 測量電;也電 流; 測量電池溫度；根據(jù)所述電池溫度選擇時(shí)間常數(shù)；確定基于所述時(shí)間常數(shù)以及所述電池溫度的低復(fù)原電壓與高復(fù)原電壓中 的至少一個(gè)；將所述電池電壓與所述低復(fù)原電壓與高復(fù)原電壓中的至少一個(gè)相比 較；以及根據(jù)所述比較步驟的結(jié)果復(fù)原所述電池soc。
全文摘要
提供一種與電池一起使用的電池控制模塊并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(tài)(SOC)模塊。SOC模塊與電流和電壓測量模塊相聯(lián)系，根據(jù)電池電流確定復(fù)原電壓，比較電池電壓和復(fù)原電壓，并且根據(jù)比較結(jié)果復(fù)原電池SOC。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101371154SQ200680051111
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者羅伯特·J·梅利查 申請(qǐng)人:科巴西斯有限責(zé)任公司