專利名稱：在混合機車應(yīng)用中的無ir的電壓確定的制作方法
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。示范性的運輸應(yīng) 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(tǒng)的機車。示范性的固定應(yīng)用包括用于遠程通信系統(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(tǒng)可以包括多個串聯(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)隨時間變化。因此，對于確 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)在運行過 程中電池的充電狀態(tài)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(dāng)這一最佳比率可以維持時， 降低了為承擔(dān)適當(dāng)?shù)妮o助電力和再生能量對過大電池系統(tǒng)的需求。
舉例來說，在例如HEV或EV的運輸應(yīng)用中，對于動力機車(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。電力機車 控制系統(tǒng)通常從加速裝置踏板接受對于功率的輸入請求。電力機車控制系統(tǒng) 判讀對于與電池系統(tǒng)的最大功率限值相關(guān)的功率的請求(當(dāng)電池系統(tǒng)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(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。

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模塊確定所述電池的非濾 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4莫塊、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(fā)明的范圍。
根據(jù)以下提供的詳細的說明，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(fā)明的范圍。


根據(jù)該詳細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(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)的松弛(relaxation)電壓的方法 的步驟的流程圖6是作為時間函數(shù)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(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是作為時間函數(shù)的經(jīng)濾波的SOC電壓的曲線圖IO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序圖。
具體實施例方式
對優(yōu)選實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，在各附圖中為識別相同的元件使用相同的標號。 作為這里使用的術(shù)語^^莫塊或器件，是指執(zhí)行一個或多個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)和存儲器、 組合邏輯電^^，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"是指在一持續(xù)時間內(nèi)(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。
示出可以用于計算SOC的一種示范性系統(tǒng)，盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認 識到也可以-使用其他系統(tǒng)?，F(xiàn)在參照圖1，所示一種示范性的電池系統(tǒng)10的
示范性的實施例包括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(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)
分別與每個電池子部件12-1、 12-2.......，和12-M相聯(lián)系。在一些實施
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中的一個或多個單獨的電池，并執(zhí) 行適當(dāng)?shù)臉硕ê?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。可以按組或共同地計算對于每個模塊的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(tài)(SOC)模塊68，其周期性地計算在電池子部件12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利用松弛電壓SOC估算方法。SOC模塊68可以采用查找表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計算對于電池子部件12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Ium，電壓限值V^ 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(guān)聯(lián)。時鐘電路76生成用于電池控制模塊30內(nèi)部的一個 或多個模塊的一個或多個時鐘信號。 現(xiàn)在參照圖3，其示出對于電池20的等效電路，其中，Ro代表電池的歐 姆電阻，Vp代表極化電壓，Vo代表開路電壓或松弛電壓，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(xù)時間和SOC而變 化。V。和Ro主要隨SOC變化。Vp等于測量電流I乘以Rp。對于電池20， 利用等效電路和克?；舴螂妷憾?，得到V = VQ+VP+IRo。
松弛電壓對于溫度和電流需要量相對不敏感，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)生取決于松弛電壓的SOC。這里， 這一方法被稱為松弛電壓SOC估算。 -
現(xiàn)在參照圖4,其示出作為時間函數(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106和108以及點110和112之 間的曲線下方的區(qū)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(qū)域定義為以A - s計的放電擺動。
現(xiàn)在參照圖5A和5B,其示出用于實施松弛電壓SOC估算方法的方法 的步驟。松弛電壓估算方法監(jiān)視功率脈沖對的電池電流，查找在每個之后的 松弛電壓，并利用查找表70確定SOC。根據(jù)對遍及運行溫度范圍例如-15°C 到45"C的脈沖的電壓響應(yīng)的觀測得到松弛電壓方法。松弛電壓受擺動幅度、 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控制累積充電擺動并復(fù)原放電擺動。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。在一些實施 方案中，該高和低闊值在電池容量的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 了最后的擺動和松弛。按照這里所用的松弛是指電池電壓按漸近線接近松弛 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控制累積放電擺動并復(fù)原充電擺動。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 最后的擺動和松弛。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,通過將剩余時間與一閾值相比較，控制確定剩余時間是否 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(shù)值。如果步驟202為是，在步驟204，控制確定可允許時間是否小于閾值 時間Thtime。在一些實施方案中，可允許時間等于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)，并確定是否啟動充電后的 SOC查找。如果步驟206為是，在步驟208，控制查找作為松弛電壓函數(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)，并確定是否啟動放電后的SOC查找。 如果步驟212為是，在步驟214,控制查找作為松弛電壓函數(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)-見功率脈沖對。該方法計算當(dāng)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(shù) 并利用查找表確定。在試圖利用電流和電壓的輸入求解松弛電壓VQ的同時獲 得算法。
當(dāng)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。將來自先前的采樣間隔的對于VQ十Vp的計算代換到對于Vnm的 該方程，生成V,im- (V - IRo)+IlimRo。在這種情況下，我們假設(shè)對于當(dāng)前電 流采樣間隔的Vo +VP近似等于先前采樣間隔的V。 +VP (換句話說，V0 十Vp^Vh-廣IphRo)。如果采樣間隔充分小，這一近似是有效的，因為電池 和環(huán)境條件十分相似。例如，在一些實施方案中，可以釆用采樣間隔 10ms<T<500ms,但是可以采用其它采樣間隔。在一個實施例中，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,im,生成如下
<formula>formula see original document page 11</formula>
. 在對于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(dāng)電流反向、擺動幅度通過負的保留的擺動、并且電流近似等 于負的保留電流的擺動時，執(zhí)行功率限值計算。
通過用相鄰周期的放電中的-PUM去除充電中的PuM計算功率比率。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V。兩者的函數(shù)。在充電擺動過程中的極化電壓Vp近似等于在 近似等于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(fā)明監(jiān)視充電和放電擺動，并且在某些 情況下宣布充電和放電事件。當(dāng)充電擺動大于一充電擺動閾值時，發(fā)生充電 擺動事件。當(dāng)放電擺動大于一放電擺動闞值時，發(fā)生放電擺動事件。閾值可 以相關(guān)于或基于先前充電或放電事件。.例如，可以將充電擺動閾值設(shè)定等于 先前放電事件的絕對值?？梢詫⒎烹姅[動閾值設(shè)定等于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)的放電或充電擺動時和當(dāng) 如下其它條件滿足時的情況。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。該算法同時對兩者尋求。例如，該要求 點發(fā)生在區(qū)域放電擺動等于先前充電擺動的時間點處。當(dāng)電流對放電電流 MIN的比率粗略等于充電事件處的電流對充電電流MAX的比率時，發(fā)生該 事件點。如果在圖7中1^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z使用其它值。
現(xiàn)在參照圖7，其更詳細地示出根據(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并大于 Currentmax/K。當(dāng)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(shù)值。如果為否，控制繼續(xù)繞過步驟266到步驟270。在步驟270, 控制確定該擺動是否大于先前放電擺動。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，并禁止對當(dāng)前擺動的其余部分產(chǎn)生SOC要求。然后 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(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)定負閾值時出現(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。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 及是否小于Currentmin/L。當(dāng)步驟284為是時，在步吝聚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(xù)繞過步驟286到步驟290。 在步驟2卯，控制確定放電擺動是否大于先前充電擺動。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-IcR(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，并禁止對于當(dāng)前擺動的其余部分產(chǎn)生SOC要 求。然后，控制從步驟296進行到步驟254。
現(xiàn)在參照圖8，其示出開路電壓SOC估算方法350。該方法350提供對 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(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300 '替換。方法350還包括添加的步驟352、 354和356。步驟352和354對于電池的滯后特性補償估算的SOC。步驟356 對來自步驟280 '和300 '的SOC補償由于逐個要求(from claim to claim ) 的SOC值的瞬變的影響。下面更詳細地討論滯后補償和SOC瞬變補償算法。
在步驟280 '，控制已確定電池正在充電，并根據(jù)如下方程確定該充電 開3各電壓V。
V0=V+vDschEvent-(I+iDschEventHeld)*Ro ) /2
其中，V和I是來自步驟254的測量值，vDschEvent是在先前放電事件 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Vo，以進入查找表70和確定SOC。
在步驟30(T ,控制已經(jīng)確定電池正在放電并^4居如下方程確定^:電開 路電壓VQ
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?？刂评梅烹婇_路電壓VQ,以進入查找表 70和確定SOC。
當(dāng)控制已經(jīng)完成步驟280 '和300 '中之一時，按照步驟352控制繼續(xù)， 并確定對于大于預(yù)定量的時間電流是否已經(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之前對所確定的SOC補償滯后效應(yīng)。 下面討論補償滯后效應(yīng)的方法。
現(xiàn)在參照圖9A,該曲線示出對于NiMH電池的作為電池電壓V的函數(shù) 的SOC的實例。該曲線可以存儲在查找表70中?？v軸代表電池電壓V,橫 軸代表以百分率計的SOC。上曲線360代表作為用于確定SOC的電壓的函數(shù) 的socLow，其中，socLow代表相對開路電壓Vo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代表相對開路電壓V0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(yīng)低和高復(fù)原電壓的運行平均值，hLow和hHigh按照方法 450計算。
步驟354才艮據(jù)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(shù)值。例如，socLow與 在點370的SOC相關(guān)，socHigh與在點372的SOC相對應(yīng),重新計算的SOC 與在點374的SOC相對應(yīng)。
現(xiàn)在參照圖9B， 一曲線表示作為時間函數(shù)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(jīng)第一濾波的SOC 382,按第二速率對SOC 380濾波，以生成 經(jīng)第二濾波的SOC 384?？梢詫⒔?jīng)第一濾波的SOC 382和經(jīng)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?？商鎿Q地，可 以將SOC 380與經(jīng)第一濾波的SOC 382和/或經(jīng)第二濾波的SOC 384相比專交， 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4企索對應(yīng)的量度。例如通過乘法將該量度施加于在方框280 ' 、 300 '和354 中所確定的SOC,以增加SOC精確度。對于每個對應(yīng)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夸大在SOC瞬變過程中 的SOC變化的趨勢。
現(xiàn)在參照圖10,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€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。電池溫度測量值用于根據(jù)下述方法確定高和低復(fù)原電壓。
現(xiàn)在參照圖IIA和IIB，其示出用于確定何時復(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 時復(fù)原SOC。
周期性地4丸行方法450,并通過方4匡452進入方法450。在一些實ife方案 中，#1行周期等于采樣間隔T。從方框452到方框454控制繼續(xù)，并根據(jù)如
下方程確定低復(fù)原電壓
hLow=I*roLow+V0—LOW+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，并可以作為電池溫度的 函凄t從查找表70得到，V0—LOW和VO—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代表極化電壓 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化電壓限 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，則控制進行到方框460,并繼續(xù)累積充電擺動。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)信號標。可以由其它模塊例如主控 制模塊40利用該復(fù)原_高信號標。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，并才艮據(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)原累積的充電擺動。
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 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并i殳定一復(fù)原-低(reset-low)信號標?？梢杂善渌拍獕K例如主控制 模塊40利用該復(fù)原-低信號標。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。
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。簡略地參照圖3,并將克希霍夫電壓定律應(yīng)用于電池20,可以按照下 式表達瞬間電池電壓V:
V=Vo+IRo+VP
通過包含對于Rp和C并聯(lián)組合的轉(zhuǎn)移函數(shù)，該方程變?yōu)?br> H，
V=V0+IR0+IRC
其中，t (tau)代表極化電壓的時間常數(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)在參照圖12A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?？刂仆ㄟ^方框502進入并進行到判定方框 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?？梢詫⒌谝?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的熱和老化特性校正校準該 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#^居如下方程更新 j氐才及化電壓限值vpLow:
vpLow=vpLow*( 1 -Pt)
并根據(jù)如下方程更新高極化電壓限值vpHigh: vpHigh=vpHigh* ( 1 - ，t)，
其中，f代表方法500的執(zhí)行頻率。在一些實施例中，執(zhí)行頻率f是采樣 周期T的倒數(shù)。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) +(I*rpLow-vpLow(t-1))*|I|*f1:T (5)
其中，下標(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,并根據(jù)如下
方程更新高;f及化電壓限值vpHigh:
vpHigh，High(t—D十(I承rpHigh-vpHigV")承II，T (6)
其中，rpHigh是Rp的上限值?？梢宰鳛殡姵販囟鹊暮瘮?shù)從查找表70得
到變量rpLow和rpHigh。然后，控制進行到方框514并退出。
現(xiàn)在參照圖13，其示出在實例高和低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是相對于高復(fù)原電壓hHigh和低復(fù)原
電壓hLow繪制的。所示電池電流602按照隨時間沿正方向(充電)和負方
向(》丈電》危動。
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 復(fù)原SOC。示出在時間604和606處的實例復(fù)原狀況。在時間604，當(dāng)放電 事件足夠時，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，在時間606,當(dāng)充電事件足夠時 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。
對于NiMH電池，在根據(jù)方法500得到滿意的性能的同時，tau的數(shù)值 量通常可以減少到4或更小。在方框508對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，方法500將不達到方框508, 并可以忽略對于tau的第一數(shù)值。在方框528和558,對于tau使用第二數(shù)值， 其中，Vp的極性(其可以由vpLow(t力、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,對于tau使 用第四數(shù)值，其中Vp和I的極性不同。對于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，也可以改進方法450 和500的性能。通過填充這樣一種查找表和/或生成對于tau的數(shù)值族，可以 實現(xiàn)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(yīng)于一特定的電池溫度。
在其它實施例中，可以一次性執(zhí)行方法500，僅確定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 )。 在這樣一個實施例中，在方框552、 556、 558、 528、 526和522，方法502 的每次執(zhí)行4吏用對于tau的相關(guān)的一組數(shù)值。當(dāng)退出方框552、 556、 558、 528、 526和522時選擇的tau的數(shù)值被稱為當(dāng)方法502正在確定vpLow時的 tauLow。當(dāng)退出方框552、 556、 558、 528、 526和522時選擇的tau的數(shù)值 4皮稱為當(dāng)方法502正在確定vpHigh時的tauHigh。以這樣一種方式執(zhí)行方法 5 00兩次，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)在可以認識到對本發(fā)明的主要論述可 以各種形式實現(xiàn)。因此，雖然已聯(lián)系其特定實例說明本發(fā)明，本發(fā)明的實際 范圍不受其限制，因為通過研究附圖、說明書和權(quán)利要求，對于本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說，其它改進會變得很明顯。
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，其中所述SOC模塊根據(jù)所述電池電流和電池電壓估算開路電壓；及其中，所述SOC模塊根據(jù)所述開路電壓估算SOC。
2. 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 電池是充電還是放電估算所述開路電壓。
3. 如權(quán)利要求2所述的電池控制模塊，其中，當(dāng)所述電池充電時，所述 SOC模塊根據(jù)如下方程確定所述開路電壓V0=V+vDschEvent-(I+iDschEventHeld)*Ro) /2其中，Ro是電池的內(nèi)阻抗，V是電池電壓，I是電池電流，vDschEvent 是當(dāng)所述電池正在放電時在先前確定開路電壓的過程中的電池電壓，及 iDschEventHeld是在先前確定開^各電壓的過程中的電池電流。
4. 如權(quán)利要求2所述的電池控制模塊，其中，當(dāng)所述電池正在放電時， 所述SOC模塊根據(jù)如下方程確定所述開路電壓V0=V+vChgEvent-(I+iChgEventHdd)*Ro) /2其中，Ro是電池的內(nèi)阻抗，V是電池電壓，I是電池電流，vChgEvent 是當(dāng)所述電池正在充電時在先前確定開路電壓的過程中的電池電壓，及 iChgEventHeld是在先前確定開^^電壓的過程中的電池電流。
5. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊在充電的過 程中累積充電擺動和在放電過程中累積放電擺動；及其中，所述SOC模塊確定所述充電擺動是否大于一負的保留放電擺動和 確定所述放電擺動是否大于一負的保留充電擺動。
6. 如權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中，所述SOC模塊包括一查找 表，及其中所述SOC模塊根據(jù)所述開路電壓查找所述SOC。
7. —種估算電池的充電狀態(tài)SOC的方法，包含 測量電;也電壓；測量電〉也電流；及 根據(jù)所述電池電流和電池電壓估算電池的開路電壓；及根據(jù)所述開路電壓估算soc。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包含根據(jù)所述電池是充電還是或放電， 估算所述開路電壓。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，還包含當(dāng)所述電池正充電時根據(jù)如下方程 確定所述開路電壓V0=V+vDschEvent-(I+iDschEventHeld)*Ro) /2其中，Ro是電池的內(nèi)阻抗，V是電池電壓，I是電池電流，vDschEvent 是當(dāng)所述電池正在放電時在先前確定開路電壓的過程中的電池電壓，及 iDschEventHeld是在先前確定開^各電壓的過程中的電池電流。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，還包含當(dāng)所述電池正在放電時，根據(jù)如下 方程確定所述開路電壓V0=V+vChgEvent-(I+iChgEventHeld)*Ro ) /2其中，Ro是電池的內(nèi)阻抗，V是電池電壓，I是電池電流，vChgEvent 是當(dāng)所述電池正在充電時在先前確定開路電壓的過程中電池電壓，及 iChgEventHeld是在先前確定開路電壓的過程中的電池電流。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包含 在充電的過程中累積充電擺動；在放電過程中累積放電擺動；確定所述充電擺動是否大于一負的保留放電擺動；和 確定所述放電擺動是否大于一負的保留充電擺動。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，還包括根據(jù)所述開路電壓在一查找表中 查找所述SOC。
13. —種與電池一起使用的電池控制模塊，包含 測量電;也電壓的電壓測量才莫塊；測量電池電流的電流測量才莫塊；及充電狀態(tài)SOC確定裝置，用于與所述電流和電壓測量^f莫塊相聯(lián)系，其中 所述SOC確定裝置根據(jù)所述電池電流和所述電池電壓估算開路電壓；及 其中，所述SOC確定裝置根據(jù)所述開路電壓估算SOC。
14. 如權(quán)利要求13所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定裝置還根 據(jù)所述電池是充電還是放電估算所述開路電壓。
15. 如權(quán)利要求14所述的電池控制模塊，其中，當(dāng)所述電池充電時，所 述SOC模塊根據(jù)如下方程確定所述開路電壓V0=V+vDschEvent-(I+iDschEventHeld)*Ro ) /2其中，Ro是電池的內(nèi)阻抗，V是電池電壓，I是電池電流，vDschEvent 是當(dāng)所述電池正在放電時在先前確定開路電壓的過程中的電池電壓，及 iDschEventHeld在先前確定開路電壓的過程中的電池電流。
16. 如權(quán)利要求14所述的電池控制模塊，其中，當(dāng)所述電池正在放電時， 所述SOC確定裝置根據(jù)如下方程確定所述開路電壓V0=V+vChgEvent-(I+iChgEventHeld)*Ro ) /2其中，Ro是電池的內(nèi)阻抗，V是電池電壓，I是電池電流，vChgEvent 是當(dāng)所述電池正在充電時在先前確定開路電壓的過程中電池電壓，及 iChgEventHeld是在先前確定開路電壓的過程中的電池電流。
17. 如權(quán)利要求13所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定裝置在充 電的過程中累積充電擺動和在放電過程中累積放電擺動；及其中，所述SOC確定裝置確定所述充電擺動是否大于一 負的保留放電擺 動和確定所述放電擺動是否大于一 負的保留充電擺動。
18. 如權(quán)利要求13所述的電池控制模塊，其中，所述SOC確定裝置包括 一查找表裝置，用于將所述開路電壓的數(shù)值與所述SOC的數(shù)值相關(guān)聯(lián)。
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，其與所述電流和電壓測量模塊相聯(lián)系。該SOC模塊根據(jù)電池電流和電池電壓估算開路電壓，及根據(jù)所述開路電壓估算SOC。
文檔編號H02J7/00GK101371156SQ200680051206
公開日2009年2月18日 申請日期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 申請人:科巴西斯有限責(zé)任公司