電荷狀態(tài)估計器及制造和使用電荷狀態(tài)估計器的方法
【技術領域】
[0001] 本公開一般涉及的領域包括電池估計器以及制造和使用所述電池估計器的方法。
【背景技術】
[0002] 具有電池的車輛可以使用電池狀態(tài)估計器。

【發(fā)明內容】

[0003] 若干變體包括一種方法，所述方法可以包括使用基于電壓的電池狀態(tài)估計數據的 至少一段并且使用實時線性回歸，所述實時線性回歸可以是一種基于當前和先前數據點來 估計系統(tǒng)的未來行為以提供穩(wěn)健并且快速適應的阻抗響應逼近器的方法。線性回歸可以通 過形成與電化學阻抗頻譜數據"等效"的RC電路并且使用任何數量的已知實時線性回歸算 法來處理那個RC電路的運行時間值來執(zhí)行，已知實時線性回歸算法包括但不限于加權遞 歸最小平方(WRLS)、卡爾曼濾波器或其他方式。
[0004] 若干變體可以包括一種方法，所述方法包括使用包括基于來自能量儲存設備(諸 如電池、超級電容器或其他電化學設備）的電化學阻抗頻譜數據建模的RC電路的電荷狀態(tài) 估計器并且使用任何數量的已知實時線性回歸算法來處理那個RC電路的運行時間值，已 知實時線性回歸算法包括但不限于加權遞歸最小平方(WRLS)、卡爾曼濾波器或其他方式。 所述方法還可以包括控制器，所述控制器被構造和布置成接收來自電荷狀態(tài)估計器的數 據、將來自估計器的所述輸入與預定值相比較并且在來自估計器的輸入在預定值的預定范 圍內時采取諸如發(fā)送代表電荷狀態(tài)的信號的動作或者采取其他動作。在若干變體中，控制 器可以被構造和布置成防止包括能量儲存設備的車輛的燃燒燃料的發(fā)動機在來自估計的 輸入在預定值之內的情況下被關閉。
[0005] 本發(fā)明包括以下方案： 1. 一種方法，包括： 使用基于電壓的電池狀態(tài)估計數據的至少一段估計電池的電荷狀態(tài)，并且形成以逼近 電化學阻抗頻譜數據的方式操作的RC電路，并且使用實時線性回歸算法來處理所述RC電 路的運行時間值。
[0006] 2.如方案1所述的方法，其中所述RC電路包括與N個電阻器-電容器對串聯(lián)的 電阻器。
[0007] 3.如方案2所述的方法，其中N大于2。
[0008] 4.如方案1所述的方法，其中所述算法使用加權遞歸最小平方（WRLS)過濾器。
[0009] 5.如方案1所述的方法，其中所述算法使用卡爾曼過濾器。
[0010] 6?-種方法，包括： 使用包括基于電化學阻抗頻譜數據建模的RC電路的電荷狀態(tài)估計器來估計能量儲存 設備的電荷狀態(tài)，并且使用實時線性回歸來處理所述RC電路的運行時間值。
[0011] 7.如方案6所述的方法，其中所述RC電路包括與N個電阻器-電容器對串聯(lián)的 電阻器。
[0012] 8.如方案7所述的方法，其中N大于2。
[0013] 9.如方案6所述的方法，其中所述算法使用加權遞歸最小平方（WRLS)過濾器。
[0014] 10.如方案6所述的方法，其中所述算法使用卡爾曼過濾器。
[0015] 11.如方案6所述的方法，其進一步包括控制器，所述控制器被構造和布置用于 接收來自電荷狀態(tài)估計器的輸入，所述控制器將來自估計器的輸入與預定值相比較，并且 當來自估計器的輸入在預定值的預定范圍內時采取動作。
[0016] 12.如方案11所述的方法，其中采取動作包括防止包括能量儲存設備的車輛的 燃燒燃料的發(fā)動機在來自估計的輸入在預定值的預定范圍之內的情況下被關閉。
[0017] 13.如方案11所述的方法，其中采取動作包括發(fā)送代表能量儲存設備的電荷狀 態(tài)的信號。
[0018] 14.如方案11所述的方法，其中所述能量儲存設備是電池。
[0019] 15.如方案11所述的方法，其中所述能量儲存設備是超級電容器。
[0020] 本發(fā)明的范圍內的其他說明性變體將從下文提供的詳細描述變得顯而易見。應理 解，在披露本發(fā)明的范圍內的變體時的詳細描述和特定實例意欲僅用于說明目的而并不意 欲限制本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0021] 本發(fā)明的范圍內的變體的選定實例將從詳細描述和附圖變得更完整理解，其中： 圖1A示出根據若干變體的包括與N個R| |C對串聯(lián)的電阻器的電路。
[0022] 圖1B示出可以用來逼近傳輸線的電路的示意圖。
[0023] 圖1C示出根據若干變體的R| |N(R+C)電路。
[0024] 圖2是根據若干變體的頻率響應分析器（FRA)、周期計與用來獲得數據的電化學 電池之間的電氣連接的示意性圖示。
[0025] 圖3是具有圖1A的電路的奈奎斯特圖（40攝氏度)，其中N=3。
[0026] 圖4是具有圖1A的電路的奈奎斯特圖（25攝氏度)，其中N=3。
[0027] 圖5是具有圖1A的電路的奈奎斯特圖（10攝氏度)，其中N=3。
[0028] 圖6A是具有圖1A的電路的奈奎斯特圖（0攝氏度)，其中N=3。
[0029] 圖6B是具有圖1A的電路的奈奎斯特圖（0攝氏度)，其中N=3,2和1。
[0030] 圖7是具有圖1A的電路的奈奎斯特圖（-10攝氏度)，其中N=3。
【具體實施方式】
[0031] 變體的以下描述實質上僅是說明性的，而絕不意欲限制本發(fā)明的范圍、其應用或 使用。
[0032] 若干變體可以包括一種方法，所述方法包括獲取用于將在所關注的S0C(電荷狀 態(tài)）和溫度范圍內使用的電池的電化學阻抗頻譜數據、將所述電化學阻抗頻譜數據與所述 溫度和S0C范圍內的等效電路進行擬合。在若干變體中，等效電路可以具有最少數量的電 阻器、電容器和電感器。在若干變體中，所述方法可以包括使用實時線性回歸，所述實時線 性回歸可以是基于當前和先前數據點來估計系統(tǒng)的未來行為以提供穩(wěn)健且快速適應的阻 抗響應逼近器/估計器的方法。線性回歸可以通過形成與電化學阻抗頻譜數據"等效"的RC電路并且使用任何數量的已知實時線性回歸算法來處理那個RC電路的運行時間值來執(zhí) 行，已知實時線性回歸算法包括但不限于加權遞歸最小平方（WRLS)、卡爾曼濾波器或其他 方式。
[0033] 作為一個示例性應用，我們使用關于在廣泛的溫度、S0C和頻率范圍內的牽引電池 用的電池的實驗阻抗數據來確定哪種類型的等效電路非常有效代表電池阻抗。我們發(fā)現 圖1A中所示的電路對于當前的鋰離子電池非常有效。一般形式的等效電路是與串聯(lián)電阻 器-電容器組合并聯(lián)的電阻器。給定用于任意數量的并聯(lián)電阻器-電容器組合的等效電路 的阻抗的一般公式。我們將這些電路稱為R+N(R| |C)電路，其中N是并聯(lián)電阻器-電容器 組合的數量。這類電路提供用于鋰離子電池中的小幅度瞬變的精確模擬的容易開始點。此 外，由以任意方式連接的電阻器和電容器構成的任何電路具有與適當選擇的R+N(R| |C)電 路相同的阻抗。這意味著，除了電感效應的可能性之外，其足以將我們的注意力限制于這種 類型的電路以將線性電路元件與電池數據相匹配。R+N(R| |C)電路具有模擬的R+N(R| |C) 電路（圖lc中示出)，其中所有串聯(lián)和并聯(lián)連接被互換。電路la的導納具有與電路lc的阻 抗類似的形式，且反之亦然。
[0034] 最后，我們得出用于R+N(R| |C)電路的分析功率表達。另外在此，所描述的方法適 用于含有任意數量的電阻器、電容器和電感器的更一般的電路。這些電路的阻抗可以始終 被表達為兩個頻率多項式的商，并且這些多項式的根用來得出分析功率表達。
[0035] 即使R+N(R| |C)電路足以用于將模型與數據相匹配，有時也需要考慮其他類別的 電路，因為它們提供用于已知電池效應的方便的物理解釋。將描述基于基爾霍夫定律以分 析地表達用于包括線性電路元件(例如，任何數量和配置的電阻器、電容器和電感器）的任 何這樣的等效電路的阻抗的方法。
[0036] 實驗的 議器廣鹼潘。使用具有3. 6V的標稱電壓和20Ah的標稱電容的LGPL5A(雪佛蘭伏 特，通用汽車零件號22836139)鋰離子牽引電池用電池產生示例應用中使用的實驗阻抗數 據。正電極由NixMnyCoz0 2 (70%重量百分比，x+y+z= 1)和LiMn204 (30%重量百分比） 構成；負電極由表面改進的石墨和軟質碳構成。用來執(zhí)行測量的主要設備是輸力強1280C 頻率響應分析器（FRA)，該分析器被嵌入在用于控制電流和電壓的穩(wěn)壓器中。此設備能夠測 量-14. 5伏與14. 5伏之間的電壓，供應-2A與2A之間的電流，并且產生正弦波形以執(zhí)行 1mHz至20kHz的單頻阻抗掃描。FRA與