專利名稱：對于電池和電池子組的最大和最小功率極限計算器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明電池和電池系統(tǒng)，更具體地涉及一種對于電池和電池系統(tǒng)的最大 和最小功率極限計算器。
背景技術(shù)：
電池系統(tǒng)可被用于在廣泛變化的應(yīng)用中提供電源。典型的運(yùn)輸應(yīng)用包括混合動力電動汽車(HEV)、電動汽車(EV)、重型車(HDV)和用42伏電 系統(tǒng)的車輛。典型的固定應(yīng)用包括用于通信系統(tǒng)的備用電源、不間斷電源供 應(yīng)(UPS)，和分布式電源產(chǎn)生應(yīng)用。所用的電池種類的舉例包括鎳金屬混合 (NiMH)電池、鉛酸(lead-acid )電池和其他種類的電池。電池系統(tǒng)可包括 以串聯(lián)和/或并聯(lián)的多個電池子組(subpack)。電池子組可包括以并聯(lián)和/或串 聯(lián)地連接的多個電池。電池、電池子組和或電池系統(tǒng)所能供給的最大和/或最小功率作為電池的 溫度、電池荷電狀態(tài)(SOC)和/或電池壽命的函數(shù)而隨時間變化。例如在諸 如HEV或EV的傳輸應(yīng)用中，動力傳動裝置(power train)控制系統(tǒng)得知電 池系統(tǒng)的最大和/或最小功率極限是很重要的。動力傳動裝置控制系統(tǒng)通常從 加速器踏板接收關(guān)于功率的輸入請求。動力傳動裝置控制系統(tǒng)解釋(interpret) 與電池系統(tǒng)的最大功率極限有關(guān)的功率的請求(當(dāng)電池系統(tǒng)給輪子提供功率 時)。在再充電和/或再生剎車(regenerative braking)期間最小功率極限是相 關(guān)的。超過最大和/或最小功率極限可能損壞電池和/或電池系統(tǒng)，和/或減少 電池和/或電池系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。另外，由于電池系統(tǒng)到達(dá)它的最大和/或最小功率極限，不應(yīng)該突然壓制 應(yīng)用的需求。為提供平穩(wěn)的運(yùn)行，電池系統(tǒng)應(yīng)該能夠預(yù)知最大和/或最小功率 極限，并將功率極限通知給應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例， 一種用于確定至少一個電池的運(yùn)行極限的系 統(tǒng)包括電壓模塊，測量至少一個電池上在第一和第二時間段的電壓；電流 傳感器，測量由至少一個電池在第一和第二時間段提供的電流；以及，極限 模塊，基于至少一個電池在第一時間段的電壓和電流以及至少一個電池的歐 姆電阻，估算至少一個電池在第二時間段的極化電壓和開路電壓的總和。在一些實(shí)現(xiàn)中，極限模塊所述極限模塊基于總和、最大電壓極限和/或最 小電壓極限的相應(yīng)的至少之 一 以及至少 一 個電池的歐姆電阻，計算至少 一 個 電池在第二時間段的最大電流極限和/或最小電流極限至少之一。第一時間段 發(fā)生在第二時間段之前。極限模塊基于最大電流極限和/或最小電流極限的相 應(yīng)的所述至少之一和所述最大電壓極限和/或所述最小電壓極限的相應(yīng)的所 述至少之一，計算至少一個電池的最大功率極限和最小功率極限的至少之一。在其他實(shí)現(xiàn)中，電池系統(tǒng)包括權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括至少一個電池。 電池子組包括與至少一個電池串聯(lián)的N-l個附加電池，與至少一個電池子組 并聯(lián)的M-l個附加電池子組。通過以下提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。應(yīng)該 理解，盡管詳細(xì)的描述和具體例子指示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，它們只是為了舉例作用，而不意味著限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細(xì)的描述和附圖，本發(fā)明將被更全面地理解，其中 圖1是包括帶有電池的電池子組、電池控制模塊和主控模塊的示例電池 系統(tǒng)的功能方^f匡圖；圖2是示例電池控制模塊的功能方框圖； 圖3是用于示例電池的等效電路的電示意；圖4是描述用于當(dāng)Vmax已知時產(chǎn)生關(guān)于圖1的電池系統(tǒng)的最大功率極限 的步驟的示例流程圖；圖5是描述用于當(dāng)Vmin已知時產(chǎn)生關(guān)于圖1的電池系統(tǒng)的最小功率極限的步驟的示例流程圖；圖6是描述用于當(dāng)1 ^已知時產(chǎn)生關(guān)于圖1的電池系統(tǒng)的最大功率極限的步驟的示例流程圖；圖7是描述用于當(dāng)Imin已知時產(chǎn)生關(guān)于圖1的電池系統(tǒng)的最小功率極限的步驟的示例流程圖。
具體實(shí)施方式
優(yōu)選實(shí)施例的以下描述僅是自然地舉例，而沒有任何意圖限制本發(fā)明、 它的應(yīng)用，或使用。為了清楚的目的，將用在附圖中的相同的標(biāo)記號表示相同的元件。如在此所用的，術(shù)語模塊指的是應(yīng)用具體集成電路(ASIC)、電 子電路、處理器(公用的、專用的，或群組的)和執(zhí)行一個或多個軟件或硬 件程序的存儲器、組合邏輯電路、和/或提供所描述功能性的其他適當(dāng)?shù)慕M件。 現(xiàn)在參考圖1，顯示了電池系統(tǒng)10的示例實(shí)施例，包括M個電池子組 12-1、 12-2...，和12-M(統(tǒng)稱電池子組12)。電池子組12-1、 12-2...，和12-M 包括N個串聯(lián)的電池20-11, 20-12，…，20-NM (統(tǒng)稱電池20)。電池控制 模塊30-1、 30-2…，30-M (統(tǒng)稱電池控制模塊30)分別關(guān)聯(lián)于每個電池子組 12-1、 12-2,…，和12-M。在某些實(shí)施例中，M等于2或3，雖然可以使用 附加或更少的子組。在某些實(shí)施例中，N等于12-24，雖然可以使用附加和/ 或更少的電池。電池控制模塊30感應(yīng)由電池子組12提供的流經(jīng)的電壓和電流?？商鎿Q 地，電池控制^t塊30可以監(jiān)控在電池子組12中的一個或多個單獨(dú)的電池20， 進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳炜s和/或調(diào)整。電池控制4莫塊30用無線和/或有線連接與主控才莫 塊40通信。主控模塊40從電池控制模塊30接收功率極限并產(chǎn)生總體功率極 限。在某些實(shí)施例中，電池控制模塊30可以與主控模塊40集成?，F(xiàn)在參考圖2，顯示了電池控制模塊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，其測量流經(jīng)電池子組12和/或流經(jīng)電池子組 12中的一個或多個單獨(dú)的電池20的電壓。電池控制模塊30還包括電池荷電 狀態(tài)(SOC)模塊68,其時間段地計算電池子組12中的電池20的SOC。如 下面將進(jìn)一步描述的，功率極限模塊72為電池子組12和/或電池子組12中的一個或多個電池20計算最大電流極限I!im、電壓極限Viim，和/或功率極限Plim。極限可以是最大和/或最小極限。接觸器控制模塊74控制與電池子組12 中的電池20的控制和/或連接相關(guān)聯(lián)的一個或多個接觸器(未顯示)。時鐘電 路76為電池控制才莫塊30內(nèi)的一個或多個模塊產(chǎn)生一個或多個時鐘信號?，F(xiàn)在參考圖3，顯示了關(guān)于電池20的等效電路，其中Ro表示電池的歐姆 電阻、Vp表示極化電壓、V。表示開路電壓、I表示電池電流、V表示電池電 壓。V和I是測量的值。Rp隨溫度、施加的電流的持續(xù)時間和SOC而改變Vo和Ro主要隨SOC而改變。Vp等于測量的電流I乘以Rp。對電池20使用等效電路和基爾霍夫(Kirchoff )電壓規(guī)則，V= Vo+Vp+I Ro。 通過變換該公式，對開路電壓Vo和極化電壓Vp的公式為Vo+ Vp = V -1 Ro。 由系統(tǒng)測量V和I的值，且估算Ro。可替換地，系統(tǒng)可以進(jìn)行Ro的連續(xù)計算。 具體地，當(dāng)電流轉(zhuǎn)向時進(jìn)行i 。 = (K — K-1)。在一個實(shí)施例中，已知系統(tǒng)的最大電壓V醒，且Vma^Vo+Vp+I鵬Ro。，從在前采樣間隔替換計算V0+ Vp至V匪的公式中，生成Vmax= ( V-IR0) + I證Ro。在這種情況下，我們假設(shè)對電流采樣間隔的V。+Vp近似等于在前采樣間 隔的V0+ Vp (換句話說，r。 + ^ s,-U。)。由于電池和周圍條件很類似，如果采樣間隔足夠小，則該近似是有效的。例如在某些實(shí)施例中，可以使用 采樣間隔10ms<T<500ms,雖然可以使用其他采樣間隔。在一個實(shí)施例中， T=100ms。如果確定采樣間隔在持續(xù)時間上過多，則Ro將增加成為常量或成 為基于溫度的變量。對Imax的解決方案如下<formula>formula see original document page 8</formula>由于Pmax-V匪I應(yīng)，因此，<formula>formula see original document page 8</formula>,現(xiàn)在參考圖4，顯示了用于計算Pm^的方法100。在步驟102中，i被設(shè) 為等于O。在步驟106中，重置計時器。在步驟108中，增加i。在步驟IIO 中，測量一個或多個電池20和/或電池子組12的電流I和電壓V。在步驟114， I和Ro相乘并被存儲為第i個采樣。在步驟118中，存儲V作為第i個采樣。 在步驟122,控制確定計時器是否到時。如果步驟122為否，則控制返回到 步驟106。如果步驟122為是，控制繼續(xù)步驟124，并確定是否1=1。如果步 驟124為是，控制返回到步驟106。如果步驟124為否，控制繼續(xù)步驟128, 并計算I薩?？刂评^續(xù)步驟130并計算Praax,然后返回到步驟106?？苫谂渲眠M(jìn)行附加處理。例如，如果對每個電池感應(yīng)V和I，且有N個電池串聯(lián)，則可伸縮Pmax計算和其他計算。如果N個電池以其他形式連接，則將發(fā)生其他計算。根據(jù)需要，當(dāng)隨機(jī)發(fā)生事件時，和/或用任何其他標(biāo)準(zhǔn)，也可以其他間隔進(jìn)行Pmax計算和其他計算。
指定Vmax的系統(tǒng)也一般指定Vmin,用類似方法的下列關(guān)系式 穴o由于Pmir^Vminlmin，因此，<formula>formula see original document page 9</formula>現(xiàn)在參考圖5，顯示了用于計算V函的方法140。如果步驟124為否，控制繼續(xù)步驟144并計算Un,繼續(xù)步驟146并計算Pmin。能理解，步驟144和 146能被添加到圖4中的方法100，以便能計算I讓和P謹(jǐn)和/或1*和Pmin。 可替換地對于具有已知Ilim的系統(tǒng)使用類似方法。<formula>formula see original document page 9</formula>由于P腿fV醒I,,因此，現(xiàn)在參考圖6，顯示了用于計算Im欲的方法150。如果步驟124為否，控 制繼續(xù)步驟154并計算I醒，繼續(xù)步驟156并計算P臓。指定Imax的系統(tǒng)也一般指定Imin,用類似方法的下列關(guān)系式由于Pmin-V曲Imin，因此，現(xiàn)在參考圖7，顯示了用于計算I咖的方法160。如果步驟124為否，控制繼續(xù)步驟164并計算Imin，繼續(xù)步驟166并計算Pmin。能理解，步驟164和 166能被添加到圖6中的方法150，以便能計算I匿和P,和/或Imin和Pmin?，F(xiàn)在本領(lǐng)域技術(shù)人員能從前述描述中理解，本發(fā)明的廣泛示教能以各種 形式實(shí)現(xiàn)。因此，雖然已經(jīng)聯(lián)系其具體實(shí)例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明的實(shí) 際范圍不應(yīng)該如此限制，因?yàn)榛诟綀D、說明書和下列權(quán)利要求的學(xué)習(xí)，技 術(shù)實(shí)施者將明了其他修改。
權(quán)利要求
1. 一種用于確定至少一個電池的運(yùn)行極限的系統(tǒng)，包括 電壓模塊，在第一和第二時間段期間測量至少一個電池上的電壓V;電流傳感器，在所述第一和第二時間段期間測量由所述至少一個電池所 提供的電流I;以及極限模塊，基于所述至少一個電池在所述第一時間段的所述電壓V和電 流I以及所述至少一個電池的歐姆電阻Ro，估算所述至少一個電池在所述第 二時間段的極化電壓Vp和開路電壓Vo的總和。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述極限模塊基于所述總和、最大電壓極限Vmax和/或最小電壓極限Vmin的相應(yīng)的至少之一以及所述至少一 個電池的所述歐姆電阻Ro，計算所述至少一個電池在所述第二時間段的最大 電流極限Imax和/或最小電流極限Imin至少之一。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一時間革殳發(fā)生在所述第二時間^殳之前。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述極限模塊基于所述最大電流極限Imax和/或所述最小電流極限Imin的相應(yīng)的所述至少之一和所述最大電壓極 限Vmax和/或所述最小電壓極限Vmin的相應(yīng)的所述至少之一，計算所述至少一 個電池的最大功率極限和最小功率極限的至少之一。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，還包括所述至少一個電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池系統(tǒng)，還包括電池子組，其包括與所述至少一個電池串聯(lián)的N-l個附加電池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池系統(tǒng)，還包括與所述電池子組并聯(lián)的M-l 個附加電池子組。
8. —種用于確定電池的運(yùn)行極限的系統(tǒng)，包括電壓模塊，測量至少一個電池上在第一和第二時間段的電壓V; 電流傳感器，測量由所述至少一個電池在所述第 一和第二時間段提供的 電;危I;以及極限模塊，基于所述至少一個電池在所述第一時間段的所述電壓V和電 流I以及所述至少一個電池的歐姆電阻RQ,估算所述至少一個電池在所述第 二時間段的極化電壓Vp和開路電壓Vo的總和。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述極限模塊基于所述總和、最大電流極限I謹(jǐn)和/或最小電流極限I她相應(yīng)的至少之一以及所述至少一個電 池的歐姆電阻Ro,計算所述至少一個電池在所述第二時間段的最大電壓極限 V匪和/或最小電壓極限Vmin的至少之一。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一時間段發(fā)生在所述第二時間段之前。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述極限模塊基于所述最大電流極限Imax和/或所述最小電流極限Imin相應(yīng)的所述至少之一和所述最大電壓極 限v匪和/或所述最小電壓極限Vmin的相應(yīng)的所述至少之一，計算所述至少一 個電池的最大功率極限和最小功率極限的至少之一。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池系統(tǒng)，還包括所述至少一個電池。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)，還包括電池子組，其包括與所述 至少一個電池串聯(lián)的N-l個附加電池。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池系統(tǒng)，還包括與所述電池子組并聯(lián)的 M-l個附加電池子組。
15. —種用于確定電池的運(yùn)行極限的方法，包括 采樣至少一個電池上在第 一和第二時間段的電壓V;采樣由至少一個電池在所述第一和第二時間段提供的電流I;以及 基于所述至少一個電池在所述第一時間段的所述電壓V和電流I，估算 所述至少一個電池在所述第二時間段的極化電壓Vp和開路電壓Vo的總和。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括基于所述總和、最大電流極限Imax和/或所述最小電流極限Imin相應(yīng)的至少之一以及所述至少一個電池的 歐姆電阻Ro，計算所述至少一個電池在所述第二時間段的最大電壓極限Vn^ 和/或最小電壓極限Vmin的至少之一。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一時間段發(fā)生在所述第二時間段之前。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括基于所述最大電流極限Imax 和/或所述最小電流極限Un相應(yīng)的所述至少之一和所述最大電壓極限V腿和 /或所述最小電壓極限Vmh的相應(yīng)的所述至少之一，計算所述至少一個電池的 最大功率極限和最小功率極限的至少之一。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括串聯(lián)N-1個附加電池到所述至少一個電池以形成電池子組。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括使M-1個附加電池子組和 所述電池子組并聯(lián)。
21. —種用于確定電池的運(yùn)行極限的方法，包括 采樣至少一個電池上在第一和第二時間段的電壓V;采樣由所述至少一個電池在所述第 一和第二時間段提供的電流I;以及 基于所述至少一個電池在所述第一時間段的所述電壓V和電流I，估算 所述至少一個電池在所述第二時間段的極化電壓Vp和開路電壓VQ的總和。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括基于所述總和、最大電壓極限Vmax和/或最小電壓極限Vmin的相應(yīng)的至少之一以及所述至少一個電池的歐姆電阻R。，計算所述至少一個電池在所述第二時間段的最大電流極限Imax和/或最小電流極限Imin至少之一。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第一時間段發(fā)生在所述第二 時間段之前。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括基于所述最大電流極限I讓和/或所述最小電流極限Imin的相應(yīng)的所述至少之一和所述最大電壓極限Vmax 和/或所述最小電壓極限Vmin的相應(yīng)的所述至少之一，計算所述至少一個電池 的最大功率極限和最小功率極限的至少之一 。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括串聯(lián)N-1個附加電池到所述 至少一個電池以形成電池子組。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括使M-1個附加電池子組和 所述電池子組并聯(lián)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的一種用于確定至少一個電池的運(yùn)行極限的系統(tǒng)，包括在第一和第二時間段測量至少一個電池上的電壓V的電壓模塊；在第一和第二時間段測量由至少一個電池所提供的電流I的電流傳感器；以及，基于在第一時間段的至少一個電池的電壓V和電流I以及至少一個電池的歐姆電阻R₀，在第二時間段估算至少一個電池的極化電壓V_p和開路電壓V₀的總和的極限模塊。
文檔編號G01R31/36GK101147078SQ200580043021
公開日2008年3月19日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15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