專利名稱：用于估算電池剩余電量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于估算電池剩余電量的方法。更具體地，本發(fā) 明涉及一種用于估算高壓電池(主電池)剩余電量的方法，該高壓電 池是用于驅(qū)動例如混合動力車輛和燃料電池車輛的電動車輛中的驅(qū)動 電機的能量源。
背景技術(shù)：
一般地，混合動力車輛由至少兩種不同類型的動力源來驅(qū)動。例 如，其由通過燃燒燃料(例如汽油的化石燃料)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的發(fā)動機 和利用電池電能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的電動機來驅(qū)動。
典型地，以電動車輛(EV)模式、混合動力電動車輛(HEV) 模式或再生制動(RB)模式來驅(qū)動混合動力車輛，其中電動車輛模式 是指僅使用電動機(驅(qū)動電機)的動力的純電動車輛模式，混合動力 電動車輛模式將驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)力用作輔助動力源，同時將發(fā)動機的 旋轉(zhuǎn)力用作主動力源的輔助模式，而在再生制動模式中，由制動或在 行駛過程中由慣性產(chǎn)生的車輛制動能或慣性能，通過驅(qū)動電機的發(fā)電 進行回收并被充入電池中。由于混合動力車輛在發(fā)動機和驅(qū)動電機的 最佳運行范圍內(nèi)同時使用發(fā)動機的機械能和電池的電能，并且由驅(qū)動 電機回收制動能，所以其提供了改善的燃料效率和有效的能源利用。
在將電池用作能量緩沖的混合動力車輛和燃料電池車輛中以及在 只將電池用作能量源的純電動車輛中，電池是決定車輛質(zhì)量的最重要 的部件之一。特別地，由于(供應(yīng)用于驅(qū)動驅(qū)動電機的電力的)電池 用作在行駛過程中輔助發(fā)動機的輸出并存儲所產(chǎn)生能量的輔助能量 源，其控制技術(shù)是非常重要的。
因此，采用高壓電池的例如混合動力車輛或燃料電池車輛的電動 車輛包括大體上控制電池的總體狀態(tài)的電池管理系統(tǒng)(BMS)。 BMS 防止電池的壽命被縮短，并向執(zhí)行車輛總體控制的車輛控制器提供關(guān)于電池的充電狀態(tài)(soc)的信息，從而支持發(fā)電控制和驅(qū)動控制。 另夕卜，BMS執(zhí)行各種其他功能，例如電池SOC (剩余電量)的估算、 完全充電的檢測、各電池模塊之間電壓的平衡保持、根據(jù)電池SOC的 最大充放電電壓的控制、安全管理和診斷、冷卻控制等。在這些功能 當(dāng)中，用于車輛的驅(qū)動策略的最重要技術(shù)是計算電池的剩余電量。
當(dāng)電池的剩余電量被準(zhǔn)確估算時，有可能實現(xiàn)這樣的混合系統(tǒng)， 其可通過向電池充入剩余電能并在要求高功率時放電來提供所要求的 功率，從而最大化車輛的能耗降低和運行效率。
另一方面，如果剩余電量的計算不準(zhǔn)確，則車輛的運行效率被降 低，并可能造成危險情況。例如，盡管實際容量是80%，如果計算容 量是30%，則車輛控制器確定電池需要充電，從而導(dǎo)致對電池過度充 電。反之，盡管實際容量是30%，如果計算容量是80%,則車輛控制 器確定電池需要放電，從而導(dǎo)致對電池過度放電。這樣的過度充電和 過度放電可引起例如電池著火或爆炸的危險情況。
用于計算剩余電量的傳統(tǒng)方法被分為兩種類型第一種類型簡單 地積分充電/放電電流量并將積分值乘以充電/放電效率以計算剩余電 量；而第二種類型使用測量的電壓值計算剩余電量。
盡管第一種電流積分方法被廣泛使用，但該方法的缺點在于電 流傳感器的誤差被連續(xù)累積從而破壞剩余電量計算的準(zhǔn)確性，并且該 方法不能估算長時間不工作之后的自放電電量損耗。另外，難以計算 準(zhǔn)確的充電/放電效率，并且如果錯誤估算了成為計算剩余電量的基準(zhǔn) 的電池的初始SOC，則可能出現(xiàn)嚴重的累積誤差。此外，由于使用初 始SOC值對車輛行駛過程中的電流量進行連續(xù)積分，所以因充電/放電 效率、溫度、使用周期(電池的退化狀態(tài))等因素，誤差逐漸發(fā)散或 收斂于0。實際上，在充電和放電的重復(fù)過程中，電池的充電/放電效 率會有變化，并且如果在行駛過程中頻繁地重復(fù)充電和放電，則通過 由啟動后的初始SOC進行的積分而更新的SOC值和實際值之間的差 值隨著重復(fù)充電和放電而逐漸增大。
利用測量的電壓值的第二種方法使用關(guān)于電量的電壓值(電動 勢)計算剩余電量，并且如果能夠計算一定時刻的準(zhǔn)確電動勢值，則 該值可被用作絕對SOC值。然而，由于用于在混合電池系統(tǒng)的動態(tài)環(huán)境下計算絕對電動勢的方法非常復(fù)雜，計算結(jié)果存在誤差，因此難以 提供剩余電量的準(zhǔn)確計算結(jié)果。
近來提出的方法結(jié)合了以上兩種方法，其中主要進行電流積分并 且使用計算的電動勢修正積分電流。在這種情況下，計算的電動勢被 用作積分效率，并且使用先前的電動勢和當(dāng)前計算的電動勢之間的差 值進行修正。
在以上述方式進行修正的情況下，由于當(dāng)前電動勢和先前電動勢 都是計算的電動勢，不可能消除由計算引起的誤差。因此，計算引起 的誤差被連續(xù)累積從而降低剩余電量的準(zhǔn)確性。因此有必要提供一種 通過消除在計算剩余電量的過程中可能出現(xiàn)的誤差來準(zhǔn)確計算剩余電 量的方法。
在此背景技術(shù)部分中公開的以上信息只是用于增進對本發(fā)明背 景的理解，因此其可能包含不形成本國內(nèi)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已公知 的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提出力圖于解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問題。
一方面，本發(fā)明提供了一種用于估算電池剩余電量的方法，該方 法包括測量電池的電流值、電壓值和溫度；基于電壓值修正電流值； 通過對修正的電流值進行積分來計算電流積分值，并通過反映充電/放 電效率從計算的電流積分值計算電流積分電量；從測量的電流值、電 壓值和溫度確定電池正向電壓電量，并基于正向電壓電量確定是否有 必要修正電流積分電量；如果確定不必要進行修正，則將電流積分電 量轉(zhuǎn)換為剩余電量；以及如果確定有必要進行修正，則對電流積分電 量進行修正并將修正的電流積分電量轉(zhuǎn)換為剩余電量。
在一個優(yōu)選實施例中，基于電壓值對電流值的修正包括，從已被 進行數(shù)據(jù)處理的電池特性表中獲得由電壓變化引起的電流變化，以及 使用從電流變化所確定的修正量來修正電流值。
在另一個優(yōu)選實施例中，確定是否有必要修正電流積分電量包括 基于測量的電流值、電壓值和溫度計算電池正向電壓；基于計算的正 向電壓，從正向電壓-電量映射表中確定正向電壓電量；將計算的電流積分電量和正向電壓電量之間的偏差與預(yù)定的基準(zhǔn)值進行比較；以及 如果該偏差超過基準(zhǔn)值，則確定有必要修正電流積分電量。
在又一個優(yōu)選實施例中，使用正向電壓計算的誤差率、與計算的 電流積分電量和正向電壓電量之間的偏差對應(yīng)的電流積分值誤差率、 以及預(yù)定的基準(zhǔn)誤差率來修正電流積分電量。優(yōu)選地，可從定義為根 據(jù)由實際車輛測試所獲得的電池溫度/正向電壓誤差率而得到的值的表 中獲得正向電壓計算的誤差率。
應(yīng)該理解，文中所采用的術(shù)語"車輛"或"車用"或者其他類似 術(shù)語包括一般的機動車輛，例如包括運動型多功能車(SUV)、公共汽 車、卡車、各種商用車輛等的客運車輛，包括各種船只的水運工具， 航空器等等。
通過結(jié)合在本說明書中并成為其一部分的附圖和以下具體實施方 式，本發(fā)明的上述特性和優(yōu)點將會顯而易見或得以更詳細地說明，且 附圖和具體實施方式
一起用來通過舉例的方式說明本發(fā)明的原理。


現(xiàn)在將參照附圖中所示的一些示例性實施例詳細說明本發(fā)明的上 述和其他特性，以下僅以例示的方式給出附圖，因此其不限制本發(fā)明， 其中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的計算電池剩余電量的處理的框圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的計算電池剩余電量的處理的流程圖3是示出根據(jù)本發(fā)明在計算電池剩余電量的處理中修正電流積
分電量的處理的框圖；并且
圖4是示出用于計算電池正向電壓的等效電路模型的示意圖。 應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖不一定是按照比例的，而是呈現(xiàn)了說明本發(fā)
明基本原理的各種優(yōu)選特性的略加簡化的表示。文中所公開的包括例
如具體尺寸、方向、位置和形狀的本發(fā)明的具體設(shè)計特征將部分地由
具體期望的應(yīng)用和使用環(huán)境來決定。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其實例在下文的附圖中示出，其中相同的附圖標(biāo)記始終代表相同的元件。下面對實施例進行說 明，以便通過參照附圖來說明本發(fā)明。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的計算電池剩余電量的處理的框圖，圖2 是示出根據(jù)本發(fā)明的計算電池剩余電量的處理的流程圖，且圖3是示 出根據(jù)本發(fā)明在計算電池剩余電量的處理中修正電流積分電量的處理 的框圖。
如圖中所示，用于計算電池剩余電量的方法包括獲得關(guān)于電池10 狀態(tài)的信息的處理(Sll)，在該處理中，電池的電流值、電壓值和溫 度由各種傳感器實時地測量，并輸入到計算電池充電狀態(tài)(SOC)的 BMS的電池信息獲得單元21中。
當(dāng)從電池10測量并獲得例如電池電流、電壓和溫度的電池信息時， 電流修正單元22從電池信息獲得單元21接收測量的電壓值和電流值， 以基于電壓值修正電流值，從而消除電流傳感器的誤差(S12)。
如果將測量的電流值，即電流傳感器的值直接積分以計算電流積 分值，則電流傳感器的誤差被直接反映于其中。因此，可通過利用同 時測量的電壓值修正測量的電流值來減少和/或消除電流傳感器的誤 差。在向電池施加一定電流時所感應(yīng)的電壓是相應(yīng)電池的本質(zhì)特性， 而關(guān)于輸入電流的電壓變化的問題可對于各個電量進行測量并得以解 決。例如，通過向相應(yīng)的電池施加一定的電流以測量電壓的實驗，將 其中已對由于電流變化引起的電壓變化進行數(shù)據(jù)處理的電池特性表用 作用于電流修正的表。
如果在電池中流動的電流值為A而由電流傳感器測量的值(即測 量的電流值)為A'，則存在為A和A'之間的差值的測量誤差。因此， 有必要基于測量的電壓值修正測量的電流值以便消除電流傳感器的誤 差。此時，為了修正用于積分的測量電流值，從已通過實驗進行數(shù)據(jù) 處理的電池特性表中提取由于電壓變化引起的電流變化，以根據(jù)所提 取的電流變化確定修正量，并將該修正量應(yīng)用于將被修正的測量電流 值。這樣，將從中消除了傳感器誤差的修正電流值用于計算電量。
另外，電流積分單元23執(zhí)行如下處理，其中對由電流修正單元22 修正的電流值進行積分以計算電流積分值，并且將根據(jù)電池溫度的充 電/放電效率反映在電流積分值上，從而計算電流積分電量(S13)。在這種情況下，將通過對修正電流值積分而計算的電流積分值乘以根據(jù) 電池溫度的充電/放電效率，從而計算電流積分電量。因此，當(dāng)從中消 除了傳感器誤差的電流值被積分并且在該電流積分值上反映了根據(jù)電 池溫度的充電/放電效率時，能夠準(zhǔn)確地計算各種溫度條件下的實際電 池電量。
隨后，根據(jù)所獲得的電池信息確定電池正向電壓電量(S14和S15)。 然后，執(zhí)行基于這樣確定的正向電壓電量確定是否執(zhí)行電流積分電量 修正的處理(S16)。如果確定該修正是必要的，則執(zhí)行通過計算消除 電流積分電量的誤差的處理(S17和S18)。
具體地，修正確定單元24從電池信息計算電池正向電壓(S14)， 從計算的電池正向電壓確定根據(jù)正向電壓的電量(在下文中稱為正向 電壓電量)(S15)，并通過比較計算的電流積分電量與正向電壓電量來 確定是否執(zhí)行積分電量的修正(S16)。只有當(dāng)修正確定單元24確定需 要修正時，積分修正單元25計算修正系數(shù)(K) (S17)以修正電流積 分電量(S18)。
優(yōu)選地，在確定是否執(zhí)行修正的處理中(S16)，基于由電池信息 獲得單元21獲得的例如電池電流、電壓和溫度的電池信息來計算電池 正向電壓，然后基于計算的正向電壓確定正向電壓電量。隨后，計算 由電流積分單元23計算的電流積分電量和正向電壓電量之間的偏差， 然后通過將電流積分電量和正向電壓電量之間的偏差與基準(zhǔn)值進行比 較來確定是否執(zhí)行修正。在這種情況下，通過使用電池電流、電壓和 溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算獲得正向電壓，并且根據(jù)正向電壓-電量映射表將 這樣獲得的正向電壓轉(zhuǎn)換為正向電壓電量，并用于計算電流積分電量 和這樣轉(zhuǎn)換的正向電壓電量之間的偏差。
如圖4中所示，可通過從電池的端電壓中消除由內(nèi)阻引起的壓降 分量以及第一和第二瞬態(tài)電壓分量而獲得電池正向電壓。當(dāng)電流施加 到電池上時產(chǎn)生瞬態(tài)電壓，而當(dāng)去掉電流時瞬態(tài)電壓終止。根據(jù)終止 時間，將瞬態(tài)電壓分為兩個分量，其中終止較短時間段的電壓分量被 稱為第一瞬態(tài)電壓，而終止較長時間段的電壓分量被稱為第二瞬態(tài)電 壓。
因此，瞬態(tài)電壓可被表示為關(guān)于時間的函數(shù)，并且預(yù)定時間段(t)的最大和最小值可由實驗獲得。當(dāng)通過獲得預(yù)定時間段(t)內(nèi)端電壓 的平均值(可通過各種數(shù)學(xué)方法，即，通過例如最小二乘法的統(tǒng)計公 式獲得該平均值)來消除內(nèi)阻引起的壓降分量，并且消除計算的瞬態(tài) 電壓分量時，可獲得電池正向電壓。
然而，在以平均值使用了電池預(yù)定時間段(t)的情況下，這樣計 算的正向電壓可能相對于實際正向電壓有誤差?？赏ㄟ^預(yù)先的實際車 輛測試獲得作為關(guān)于電池溫度/電量的值的正向電壓的誤差率(P )?？?將正向電壓的誤差率形成為映射表以獲得關(guān)于先前正向電壓或電量和 溫度的誤差率，并且這樣獲得的值可被用于消除計算誤差并修正電量。 優(yōu)選地，在下面將說明的電量修正過程中，可從表中獲得正向電壓的 誤差率(e)，該表被定義為根據(jù)由實際車輛測試所獲得的電池溫度/ 正向電壓的誤差率而得到的值。
如果由修正確定單元24確定電流積分電量和正向電壓電量之間的 偏差超過了預(yù)定基準(zhǔn)值，則積分修正單元25修正電流積分電量(即， 在其上反映了根據(jù)電池溫度的充電/放電效率的電流積分值)。
更具體地，修正確定單元24獲得與計算的電流積分電量和計算的 正向電壓電量之間的偏差對應(yīng)的電流積分值誤差率(e)，并將該電流 積分值誤差率與基準(zhǔn)誤差率(ct )比較，后者為預(yù)定基準(zhǔn)值。如果電 流積分值誤差率(e)超過基準(zhǔn)誤差率(a )， g卩，如果出現(xiàn)超出基準(zhǔn) 值的偏差，則計算修正系數(shù)(K) (S17)，并利用該修正系數(shù)執(zhí)行對于 電流積分電量的修正(S18)。如圖3中所示，以下面的方式執(zhí)行對于 電流積分電量的修正。獲得電流積分值誤差率(e)和基準(zhǔn)誤差率(a ) 之間的差值(le-ct |)，然后通過對該差值加上由正向電壓計算產(chǎn)生的誤 差率(e)來獲得電量修正系數(shù)(K)。隨后，將這樣獲得的修正系數(shù)
(K)乘以電流積分電量以完成電量修正。然后，如果修正的電流積分 電量被傳送到SOC (剩余電量)計算單元26，則SOC計算單元26將 修正的電流積分電量轉(zhuǎn)換為SOC (剩余電量)，從而完成SOC計算
(S19)。
如果由修正確定單元24確定電流積分電量和正向電壓電量之間的 偏差不超過基準(zhǔn)值，即電流積分電量處在關(guān)于正向電壓電量的誤差范 圍內(nèi)，則由電流積分單元23計算的電流積分電量，即通過電壓從中消除了電流傳感器誤差的電流積分電量被SOC計算單元26直接轉(zhuǎn)換為 最終SOC而不進行任何修正，從而完成SOC計算(S19)。
如上，在根據(jù)本發(fā)明的最終SOC的計算過程中，SOC計算單元基 于修正確定單元的確定結(jié)果，選擇通過電壓從中消除了電流傳感器誤 差的電流積分電量和通過正向電壓計算從中消除了誤差率的修正電量
(由積分修正單元修正的電流積分電量)中的任意一個，以計算最終 SOC值。也就是說，在基于修正確定結(jié)果有選擇地執(zhí)行修正的情況下， 計算邏輯得以簡化，并且由電流積分得到的電量和根據(jù)電池正向電壓 得到的電量之間的偏差可保持在預(yù)定范圍內(nèi)，從而保持高準(zhǔn)確性，因 而不同于每預(yù)定時間執(zhí)行電量修正的計算剩余電量的傳統(tǒng)方法。
如上所述，本發(fā)明的目的在于通過以下方法提供電池剩余電量
(SOC)的更精確的計算測量例如電流、電壓和溫度的電池信息， 基于測量的電壓值修正測量的電流值以消除電流測量誤差，基于測量 的電池信息計算電池正向電壓，以及使用預(yù)定的計算的正向電壓誤差 率和電流積分值誤差率來消除由計算導(dǎo)致的誤差。
此外，本發(fā)明具有的代表性特征在于將通過電壓從中消除電流 傳感器誤差的電流積分電量和根據(jù)計算的電池正向電壓得到的電量進 行比較以確定是否執(zhí)行修正，并且基于確定結(jié)果有選擇地執(zhí)行電流積
分電量的修正，從而計算具有高準(zhǔn)確性的最終soc值。
另外，本發(fā)明利用誤差率確定由積分得到的剩余電量的計算準(zhǔn)確 性并確定是否執(zhí)行修正，從而增加了剩余電量的計算準(zhǔn)確性。
特別地，由于根據(jù)修正確定結(jié)果有選擇地執(zhí)行修正，所以計算邏 輯得以簡化，并且由電流積分得到的電量和根據(jù)電池正向電壓得到的 電量之間的偏差可保持在預(yù)定范圍內(nèi)，從而保持高準(zhǔn)確性，因而不同 于每預(yù)定時間執(zhí)行電量修正的計算剩余電量的傳統(tǒng)方法。
已參考其優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了詳細說明。然而，本領(lǐng)域技 術(shù)人員將會理解的是，可在不偏離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的情況下對這 些實施例進行改變，本發(fā)明的范圍限定在所附權(quán)利要求及其等效物中。
權(quán)利要求
1.一種用于估算電池剩余電量的方法，該方法包括測量電池的電流值、電壓值和溫度；基于電壓值修正電流值；通過對修正的電流值積分來計算電流積分值，并通過反映充電/放電效率從計算的電流積分值計算電流積分電量；根據(jù)測量的電流值、電壓值和溫度確定電池正向電壓電量，并基于正向電壓電量確定是否有必要修正電流積分電量；如果確定不必要修正，則將電流積分電量轉(zhuǎn)換為剩余電量；以及如果確定有必要修正，則對電流積分電量進行修正，并將修正的電流積分電量轉(zhuǎn)換為剩余電量。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中基于電壓值對電流值的修正包 括從已被進行數(shù)據(jù)處理的電池特性表中獲得由電壓變化引起的電流 變化，以及使用從電流變化所確定的修正量對電流值進行修正。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中確定是否有必要修正電流積分 電量包括基于測量的電流值、電壓值和溫度計算電池正向電壓； 基于計算的正向電壓，從正向電壓-電量映射表中確定正向電壓電將計算的電流積分電量和正向電壓電量之間的偏差與預(yù)定的基準(zhǔn) 值進行比較；以及如果該偏差超過基準(zhǔn)值，則確定有必要修正電流積分電量。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中使用正向電壓計算的誤差率、 與計算的電流積分電量和正向電壓電量之間的偏差對應(yīng)的電流積分值 誤差率、以及預(yù)定的基準(zhǔn)誤差率來修正電流積分電量。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中正向電壓計算的誤差率從一表 中獲得，該表被定義為根據(jù)由實際車輛測試所獲得的電池溫度/正向電壓誤差率而得到的值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于估算電池剩余電量的方法。該方法包括測量電池的電流值、電壓值和溫度；基于電壓值修正電流值；通過對修正的電流值進行積分來計算電流積分值，并通過反映充電/放電效率從計算的電流積分值計算電流積分電量；從測量的電流值、電壓值和溫度確定電池正向電壓電量，并基于正向電壓電量確定是否有必要修正電流積分電量；如果確定不必要進行修正，則將電流積分電量轉(zhuǎn)換為剩余電量；以及如果確定有必要進行修正，則對電流積分電量進行修正并將修正的電流積分電量轉(zhuǎn)換為剩余電量。通過這種方法，可更準(zhǔn)確地計算電池的SOC。
文檔編號G01R31/36GK101551444SQ20081017027
公開日2009年10月7日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者一 趙, 金宇成, 黃道性 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社;起亞自動車株式會社