CN101176234A - 估计混合电动车的电池的soc的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用以精确估计电池的充电状态的装置与方法，其能够测量温度的变化和开路电压，以在车辆没有驱动的时候的初试时间估计充电状态，并且在车辆驱动的时候根据电池的充电和放电测量电池的电容量的衰减。此方法包括下列步骤：测量初始估计充电状态的温度；测量开路电压；获得参数，这些参数表明根据温度变化的开路电压的改变；以及利用这些参数以及开路电压计算充电状态，其中此开路电压是基于所获得的参数测量的。此方法进一步包括下列步骤：测量电流，以在初始时间之后的充电状态的估计期间积分此电流；根据循环而计算电池的电容量衰减；以及将通过积分此电流所获得的数值除以根据循环的电池的电容量衰减值，而估计充电状态。

Description

估计混合电动车的电池的SOC的方法

技术领域

本发明涉及一种估计电池的充电状态的方法，尤其是关于一种估计混合电动车的电池的充电状态的方法，其能在考虑到车辆行驶中与车辆停止时，对于充电的状态具有影响的参数的变化充电，而更精准地估计电池的充电状态。

背景技术

一般而言，电动车辆使用锂离子电池作为驱动电力来源，该锂离子电池为二次电池，并使用来自电池的电能来驱动动力产生装置。驱动功率经由动力传输系统而传输到驱动轮，从而旋转驱动轮胎，由此使得车辆驱动。

在电池中，当介于正电极与负电极之间的终端电压在放电过程中逐渐降低到特定限制时，此终端电压快速地降低到一放电停止电压，使得电池丧失放电能力。当电池具有低于放电停止电压以下的电话的状况下继续放电时，产生电力的电极板与电解质产生化学反应并且被损坏，使得电池失去其作为电容器的功能。

因此，与电池的充电电容量成正比地驱动电动车辆。在驱动时，电动车辆利用驱动轮的旋转力量产生电力，并重新对电池充电。同时，如果在驱动电动车辆期间将电池完全放电，则难以再次对电池充电。因此，在电动车辆处于行驶中状态时，测量电池的充电的精确状态是非常重要的。然而，难以像传统车辆的油表那样测量电池的充电的精确状态，因为电池的不规律特性(其会随着温度以及放电等等而发生改变)。

检测电池的充电状态的方法包括利用电池的电压来确认电池的充电状态的方法，以及利用放电性能来确认电池的充电状态的方法，此二种方法均已商用化。

在第一个方法的情况下，电压根据电池的放电而下降。尤其是，当车辆快速加速时，无论充电状态如何，电压瞬间下降。因此，对于检查汽车内的电池的充电状态有限制。在第二个方法的情况下，由于电池可获得的充电状态随着负载状态而改变，例如车辆行驶的恒定速度Km/h，或车辆是否在城市中行驶，用以确认电池的充电状态的算法变得相当复杂。

另一方面，在驱动车辆之前，通常参照开路电压(OCV)来估计此电池的充电状态。电池充电状态的这种估计预先假设开路电压并不会随着环境而改变。然而，由于开路电压根据温度而实质地改变，所以无法准确地估计电池的充电状态。

此外，在油电混合车辆中，反复地充电和放电高电流。因此，充电电流与放电电流在期望的时间内被积分，然后积分的数值除以电池的总电容量，因而可以获得电池的改变的充电状态。此时，由于电池的输出与总电容量随着充电和放电循环而降低，因此电池的充电状态也被改变。然而，一种考虑到总电容量的改变以及电池输出，来估计电池的充电状态的方法，迄今仍未被开发出来。

发明内容

因此，本发明是用以解决上述先前技术中的问题，且本发明的目的是在提供一种用以估计电池的准确充电状态的装置与方法，其能够测量温度与开路电压的变化，以在尚未驱动车辆时的初始时间估计充电状态，并在驱动车辆时依据电池的充电和放电而测量电池的电容量的衰减。

为达成本发明的上述目的，根据本发明的方面，提供一种用以估计电池的充电状态的方法，其包括下列步骤：在充电状态时的起始估计中测量温度；测量开路电压；获得代表开路电压随温度变化的的变化的参数；以及利用这些参数以及此开路电压来计算充电状态，其中所述开路电压是根据所获得的参数而测量。

根据本发明，此方法更包括下列步骤：测量电流值，用以在初始时间之后的充电状态的估计期间积分(integrate)此电流；根据循环计算电池的电容量的衰减；以及将通过积分此电流所获得的数值除以根据循环的电池电容的衰减，而估计充电状态。

为了达成本发明的目的，根据本发明的另外方面，提供了一种用以估计电池的充电状态的装置，包括：温度传感器，用以测量温度；存储器，用以储存参数，这些参数表明根据温度变化的开路电压的变化；电压计，用以测量开路电压；以及控制器，其通过温度传感器与开路电压计，在电池的充电状态的初步估计期间测量温度与开路电压，并从存储器获得表明此开路电压随温度变化的改变的参数，从而利用这些参数以及根据所获得的参数而测量的开路电压，来计算电池的充电状态。

此装置进一步包括电流计，用以测量电流，其中，控制器通过此电流计测量电流，以在初始时间之后的充电状态的估计期间积分此电流、根据循环而计算此电池的电容量的衰减、并通过将由积分此电流所获得的数值除以根据循环的电池容量衰减值，而估计充电状态。

附图说明

图1是充电状态与开路电压的关系的图。

图2是示出S型曲线的图。

图3是示出根据温度变化的充电状态与开路电压的关系的变化的图。

图4至图7是示出根据温度变化的参数特性的图。

图8是示出根据循环的电池电容量的衰减的图。

图9是方块图，其示出根据本发明优选实施例的用以估计充电状态的装置。

图10是流程图，其示出根据本发明的优选实施例，估计充电状态的方法。

图11是示出根据本发明的优选实施例，充电状态的估计。

具体实施方式

以下，将参照附图而描述本发明的优选实施例。

基本上无法准确地检测电池的充电状态，然而仅仅通过检测电压、电流和阻抗等，可间接地估计出电池的充电状态。

典型地，通过开路电压而估计电池的充电状态。然而，即使开路电压随着温度而改变，现有技术并没有考虑到开路电压随着温度而改变来估计充电状态，假设开路电压具有固定值。

此外，在其中电力被重复地充电、放电的油电混合车的情况下，由于电池的总电容量随着充电与放电循环的而降低，因此必须考虑到总电容量的减少来估计充电状态。然而，由于现有技术并未考虑到这些参数而估计充电状态，因此具有未能准确估计充电状态的限制。

为了更精确地估计电池的充电状态，本发明根据温度以及随着温度的变化的开路电压的变化，而估计充电的初始状态，温度和开路电压对于电池的充电状态有影响。接着，本发明根据在车辆驱动中的充电和放电循环，考虑到电池总电容量的降低，而估计充电状态，由此准确地估计充电状态。

首先，测量电池的开路电压与充电状态的关系，以计算出充电初始状态，并且获得如图1所示的图。

在图1中，代表着开路电压与充电状态的关系的曲线与在图2中在上、下区域具有两个渐近线的S型曲线(Sigmoida curve)近似。

因此，图1的曲线可以通过下列方程式(1)来表示：

$y=a{[1+{(b-1)}^{(-c(x-d))}]}^{\frac{1}{1-b}}---\left(1\right)$

其中y代表充电状态、x指示开路电压、a是上渐近线、b是用以间接决定转折点的参数、c是比例系数、以及d是转折点对应至X轴的位置。

因此，根据此过程，可以根据开路电压可以获得用于计算充电状态的方程式。

然而，由于开路电压随着温度而改变，所以当测量开路电压与充电状态随着温度改变的变化时，可以获得如图3所示的图形。

参见图3，在图中示出开路电压与充电状态、上渐近线a、转折点b与d、以及比例系数c的关系随着温度而变化。

因此，测量上渐近线a、转折点b与d、以及比例系数c，它们根据温度变化而改变，以获得如图4与图7所示的图形。

图4示出上渐近线a随着温度改变的变化。图5示出转折点b随着温度改变的变化。图6示出比例系数c随着温度改变的变化。图7示出转折点d随着温度改变的变化。

在图4至图7中所示的根据温度的改变的上渐近线a、转折点b与d、以及比例系数c被储存于存储器中，以分别对应至温度，并用以计算充电状态。

另一方面，根据温度的改变的上渐近线a、转折点b与d、以及比例系数c可以使用图4至7中所示的图，通过方程式来实现。

此外，在驱动中，充电电流与放电电流被积分，使得估计充电状态。从下列方程式(2)表达充电状态的估计：

${\mathrm{SOC}}_k={\mathrm{SOC}}_{k-1}+\frac{E_{\mathrm{cha}}\×I_{\mathrm{cha}}\×t-E_{\mathrm{dch}}\×I_{\mathrm{dch}}\×t}{C_{\mathrm{init}}\×F_{\left(c\right)}\left(\mathrm{cycle}\right)}\×100---\left(2\right)$

其中SOC_k-1是先前的SOC。在通过方程式1计算初始SOC之后，该初始SOC被用作SOC_k-1。此外，在方程式(2)之中，E_cha是充电效率，而E_dch是放电效率。I_cha是充电电流，I_dch是放电电流，且t是时间。C_init是电池的初始电容量，以及F_c(cycle)表示电池根据循环的电容量衰减。

在方程式(2)中，根据积分充电电流和放电电流的通常方式的循环，SOC除以电池电容量的衰减。SOC应当根据基于循环的电池电容量的衰减而减小。

本发明根据重复的充电和放电循环，补偿电池电容量的衰减，以进一步增加充电状态的估计的准确度。

依据电池的累积放电电量以及电容量衰减的实验数据，可以用图来表示根据循环的电池F_c(cycle)的电容量衰减，如图8所示。可以使用如图8所示的图，由下面的方程式(3)来表达根据循环的电池的电容量衰减。

F_c(cycle)＝D₅×d⁵+D₄×d⁴+D₃×d³+D₂×d²+D₁×d+D₀  (3)

其中d是累积的充电电容量，并介于[0，33330]的范围之内。在输入累积的充电电容量作为该方程的输入值的情况下，d被转换成介于[-1，1]的范围内的数值，且被输入至此方程中。

方程式(3)可被进步详细表达为如下列方程式(4)：

F_c(cycle)＝-0.82345d⁵+0.4097d⁴+0.82345d³-0.082476d²-0.80103d+6.2177(4)

以下，将参照图9描述使用上述方程式计算充电状态的电池管理装置的结构。

根据本发明的优选实施例，控制器100通常控制电池，并计算初始充电状态以及在车辆行驶驱动中的充电状态。

存储器102储存多种信息，包括控制器100的处理程序。详细地说，存储器102储存根据本发明优选实施例而计算所得的充电状态、基于温度的参数a，、b，、c，和d、累积放电电容量d、充电效率E_cha、放电效率E_dch、充电电流I_cha、放电电流I_dch，时间t以及此电池的初始电容量C_init。

电流计104测量电流，以便在车辆驱动时计算充电状态，并将该值提供给控制器100。

温度传感器106检测温度，以计算初始充电状态，并将结果提供给控制器100。

用以测量开路电压的单元108测量开路电压，以计算初始充电状态，并将结果提供给控制器100。

在此以下，根据可用于电池管理装置的本发明的优选实施例，将参照图10说明用于估计充电状态的方法。

在需要估计充电状态来管理外部设备或电池时(步骤200)，控制器100检查车辆是否驱动(步骤202)。在此，控制器200从此车辆的控制装置接收有关于车辆驱动状态的资讯，或基于电池的使用而检查该驱动状态。

如果车辆没有驱动，控制器100确定车辆处于初始状态，并开始估计初始充电状态的过程。

控制器100通过温度传感器106而测量温度，以估计初始充电状态，接着从存储器102中读取对应于所测量温度的参数(步骤204)。这些参数包括上渐近线a、转折点b与d、以及比例系数c，其用于通过使用方程式(1)而估计充电状态。

当控制器100完成了对应于所测量温度而参数的读取时，控制器100利用用于测量开路电压的单元108而测量开路电压(步骤206)。

当开路电压的测量完成之后，控制器100根据方程式(1)，使用对应于温度的参数、以及所测量的开路电压，计算初始充电状态(步骤208)。

当已经计算出初始充电状态时，控制器100将所计算的初始充电状态储存于存储器102之中(步骤210)。

如果在步骤202确定车辆没有驱动，控制器100则利用电流计104测量电流(步骤212)。

当测量完电流时，控制器100从存储器102中读取累积放电电量d，并通过使用方程式(3)，根据循环计算电池的电容量衰减(步骤214)。

控制器100根据循环而完成计算电池的电容量衰减，并接着根据方程式(2)，使用初始充电状态或先前充电状态、测量的电流和根据循环的电池的电容量衰减而计算驱动车辆的充电状态。最后，控制器100将所计算的充电状态储存于存储器102中(步骤216)。

为了确认根据本发明的估计电池充电状态的方法的准确性，进行测试而获得如图11所示的结果。

图11是示出在温度25℃之下，利用估计充电状态的方法所获得的与开路电压相关的充电状态实例，其中，充电状态估计的最大误差是3.6％。在实际的电池的充电状态的估计时，该最大误差处于可允许的范围内。因此，应注意的是，与实际充电状态基本相同的电池充电状态可以被准确地估计。

产业利用性

由于本发明是在车辆未被驱动时的初始状态下利用开路电压而估计充电状态，并补偿温度变化，因此可以估计在某温度下的充电状态。在车辆被驱动的情况下，本发明补偿电池的电容量的衰减，其中电池的电容量根据根据充电和放电循环而减小，以及温度补偿，由此更准确地估计充电状态。

尽管为了说明的目的描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员将理解，可以有各种改进、增加和替换，而不背离由所附的权利要求所公开的本发明的范围和精神。

Claims (12)

1.一种估计电池的充电状态的方法，包括下列步骤：

测量充电状态的初始估计中的温度；

测量开路电压；

获得参数，该参数表明根据温度变化的开路电压的变化；以及

利用该参数以及该开路电压来计算充电状态，该开路电压是基于所获得的参数而测量的。

2.如权利要求1所述的方法，其中从一表中获得表明根据温度变化的开路电压的变化的参数，在该表中映射对应于各个温度的参数。

3.如权利要求1所述的方法，其中通过表达根据温度变化的开路电压的变化的方程式来计算充电状态。

4.如权利要求1所述的方法，其中充电状态是通过下列方程式(5)所计算得到：

$y=a{[1+{(b-1)}^{(-c(x-d))}]}^{\frac{1}{1-b}}---\left(5\right)$

其中，y是充电状态，x是开路电压，且a、b、c和d是对应于各温度的参数，其中a指示上渐进线、b是间接指定转折点的参数、c是比例系数、以及d是转折点相对于x轴的位置。

5.一种估计电池的充电状态的方法，包括下列步骤：

测量电流，用以在估计充电状态期间积分该电流；

根据循环而计算该电池的电容量衰减；以及

将通过积分该电流所获得的数值，除以根据循环的电池的电容量衰减，而估计充电状态。

6.如权利要求5所述的方法，其中根据循环的电池的电容量衰减，是通过下列方程式(6)计算的：

F_c(cycle)＝D₅×d⁵+D₄×d⁴+D₃×d³+D₂×d²+D₁×d+D₀  (6)

其中，D₀，D₁，D₂，D₃，D₄以及D₅是常数，而d是积分的放电电量。

7.如权利要求5所述的方法，其中该充电状态(SOC)是通过下列方程式(7)所计算的：

${\mathrm{SOC}}_k={\mathrm{SOC}}_{k-1}+\frac{E_{\mathrm{cha}}\×I_{\mathrm{cha}}\×t-E_{\mathrm{dch}}\×I_{\mathrm{dch}}\×t}{C_{\mathrm{init}}\×F_{\left(c\right)}\left(\mathrm{cycle}\right)}\×100---\left(7\right)$

其中，SOC_k-1是先前的SOC，E_cha是充电效率，E_dch是放电效率，I_cha是充电电流，I_dch是放电电流，t是时间，C_init是电池的初始电容量，以及F_c(cycle)是根据循环的电池的电容量衰减。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括下列步骤：

测量电流，以在初始时间之后的充电状态的估计期间积分该电流；

根据循环而计算电池的电容量衰减；以及

将通过积分电流所获得的数值，除以根据循环的电池的电容量衰减，而估计充电状态。

9.如权利要求8所述的方法，其中根据循环的电池的电容量衰减是由下列方程式(8)计算的：

F_c(cycle)＝D₅×d⁵+D₄×d⁴+D₃×d³+D₂×d²+D₁×d+D₀  (8)

其中，D₀，D₁，D₂，D₃，D₄与D₅是常数，而d是积分的放电电量。

10.如权利要求8所述的方法，其中充电状态(SOC)是通过下列方程式(9)所计算的：

${\mathrm{SOC}}_k={\mathrm{SOC}}_{k-1}+\frac{E_{\mathrm{cha}}\×I_{\mathrm{cha}}\×t-E_{\mathrm{dch}}\×I_{\mathrm{dch}}\×t}{C_{\mathrm{init}}\×F_{\left(c\right)}\left(\mathrm{cycle}\right)}\×100---\left(9\right)$

其中，SOC_k-1是先前的充电状态，E_cha是充电效率，E_dch是放电效率，I_cha是充电电流，I_dch是放电电流，t是时间，C_init是为电池的初始电容量，以及F_c(cycle)是根据循环的电池的电容量衰减。

11.一种用以估计电池的充电状态的装置，包括：

温度传感器，用以测量温度；

存储器，用以储存参数，该参数表明根据温度变化的开路电压的变化；

电压计，用以测量开路电压；以及

控制器，其在电池的充电状态的初始估计期间，通过该温度传感器与该开路电压计而测量温度与开路电压，并从存储器获得表示根据温度变化的开路电压的变化的参数，从而利用该参数以及根据所获得的参数而测量的开路电压来计算电池的充电状态。

12.如权利要求11所述的装置，进一步包括用以测量电流的电流计，其中该控制器通过该电流计来测量电流，以在初始时间之后的充电状态的估计期间积分该电流，根据循环而计算电池的电容量衰减，并将通过积分该电流所获得的数值除以根据循环的电池的电容量衰减，而估计充电状态。

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