電池的功率和電流估計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種確定儲(chǔ)能電池單元的充電電流或放電電流的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)車和混合動(dòng)力車近來在全世界的道路上變得越來越常見。它們有個(gè)共同點(diǎn)， 即，它們都需要巨大的和強(qiáng)勁的可再充電能量?jī)?chǔ)備，例如，可再充電電池。這種可再充電電 池每次再充電后具有有限的運(yùn)行時(shí)間，并且使用者通常有監(jiān)測(cè)估計(jì)的電池當(dāng)前可用能量的 方法(例如，使用當(dāng)前可用能量能夠到達(dá)的估計(jì)范圍的形式）。
[0003] 可用功率，或者"功率狀態(tài)"（SoP)，是車輛運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)的重要特性。車輛的電池 管理系統(tǒng)通常持續(xù)監(jiān)測(cè)（"在線"）當(dāng)前可用功率。此外，該電池管理系統(tǒng)嘗試在電池充電或 放電期間預(yù)測(cè)電池的將來行為。要監(jiān)測(cè)的最重要的變量是在不違背電池的某些已知的功率 限制時(shí)能應(yīng)用的最大充電電流和最大放電電流。
[0004] -種在線監(jiān)測(cè)電池功率狀態(tài)的常規(guī)方法是利用電池的等效電路模型。功率狀態(tài)經(jīng) 常與等效電路參數(shù)(例如，電阻和電容）、充電狀態(tài)(SoC)、開路電壓(0CV)等同時(shí)評(píng)估。這些 電路參數(shù)、SoC、及0CV相互取決，并且SoP取決于這些電路參數(shù)。但是，由于它們動(dòng)態(tài)的時(shí)間 尺度，同時(shí)進(jìn)行評(píng)估的可信度可能存疑。因此，使用例如SoC或0CV來評(píng)估電池短期行為取決 于對(duì)SoC或0CV相對(duì)高精度的估計(jì)。例如，電流傳感器中的差模型化、或者滯后或者偏置導(dǎo)致 的開路電壓誤差可能會(huì)導(dǎo)致估計(jì)比如電池功率狀態(tài)方面的誤差。
[0005] 專利US 8466684公開了一種確定電池預(yù)測(cè)功率限制的方法的例子。在US 8466684 中，基于將來時(shí)間段之前的時(shí)間段的電池電流和電壓可以預(yù)測(cè)所述將來時(shí)間段的最大功率 限制。但是，US 8466684公開的方法在功率需求變化時(shí)不能很好地適應(yīng)，并且尤其是在電池 功率需求快速變化時(shí)。
[0006] 因此，這就需要一種更可靠地、魯棒的確定電池功率狀態(tài)的途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的基本目的是提供一種用于在不違背儲(chǔ)能電池單元 (energy storage cell)的電壓或功率限制的情況下更精確地估計(jì)儲(chǔ)能電池單元可用電功 率的方法和系統(tǒng)。
[0008] 根據(jù)第一方面，它因此提供了一種用于確定儲(chǔ)能電池單元的最大充電電流（imax) 或者最大放電電流(kin)的方法，該方法包含步驟：
[0009] (a)提供儲(chǔ)能電池單元的預(yù)定上限電壓值(Vmax)或下限電壓值(Vmin);
[0010] (b)提供作為從當(dāng)前時(shí)間⑴到將來時(shí)間（t+At)的時(shí)間差的時(shí)間范圍（At);
[0011] 其中，具有重復(fù)下列步驟的不同于所述時(shí)間范圍的重復(fù)時(shí)間段（ΔΤ):
[0012] (c)測(cè)量所述儲(chǔ)能電池單元的當(dāng)前電壓水平值(V);
[0013] ⑷計(jì)算所述當(dāng)前電壓水平值和所述上限電壓值(Vmax)或所述下限電壓值(V_)之 間的電壓差（A V);
[0014] (e)基于電壓差、時(shí)間范圍、和將充電電流或放電電流與儲(chǔ)能電池單元的各自的估 計(jì)電壓值相關(guān)聯(lián)的模型，確定儲(chǔ)能電池單元的與電壓差相對(duì)應(yīng)的最大充電電流（i max)或最 大放電電流(imin)，
[0015] 其中，所述儲(chǔ)能電池單元的相應(yīng)估計(jì)電壓值在充電電流的情況下在所述時(shí)間范圍 期間小于或等于所述上限電壓值，在放電電流的情況下在所述時(shí)間范圍期間大于或等于所 述下限電壓值。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，上限電壓值可以是為了不使儲(chǔ)能設(shè)備過充電而設(shè)置的電壓限值，過 充電會(huì)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能電池單元有害。類似地，下限電壓值被設(shè)置以便避免儲(chǔ)能電池單 元過放電。上限電壓值和下限電壓值在儲(chǔ)能電池單元整個(gè)生命周期過程中可能會(huì)改變。電 壓限值可例如根據(jù)儲(chǔ)能電池單元的溫度而改變。
[0017]盡管依據(jù)本發(fā)明的方法被實(shí)施在儲(chǔ)能電池單元上，應(yīng)注意到，在通常的情形中，該 方法可以被實(shí)施在包含了多個(gè)儲(chǔ)能電池單元的儲(chǔ)能設(shè)備上，例如，2-200個(gè)這樣的儲(chǔ)能電池 單元，或甚至2-10000個(gè)這樣的儲(chǔ)能電池單元。于是該方法可以在多于一個(gè)的儲(chǔ)能電池單元 上被執(zhí)行，最通常在儲(chǔ)能設(shè)備的所有儲(chǔ)能電池單元上被執(zhí)行，并且可以利用儲(chǔ)能電池單元 的最大充電電流中所估計(jì)的最大充電電流的最小值去限制所施加的充電電流。類似地，該 方法可以利用儲(chǔ)能電池單元的最大放電電流中所估計(jì)的最大放電電流的最小值去限制排 出的(w i thdrawn)放電電流。
[0018] 該模型可以是包含電容和電阻的儲(chǔ)能電池單元等效電路模型。因此，該模型可以 是，但不限于，RC電路模型。
[0019] 時(shí)間范圍（time horizon)的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)時(shí)間段(repetition time period) 的持續(xù)時(shí)間可以交疊 （over lap)。因此，時(shí)間范圍和重復(fù)時(shí)間段可能同時(shí)流逝。此外，術(shù)語 "重復(fù)下列步驟"應(yīng)當(dāng)被解釋為"下列步驟"重復(fù)至少兩次，或直到使用者或系統(tǒng)終止該方 法，例如，通過關(guān)掉正在運(yùn)行該方法的系統(tǒng)。更進(jìn)一步，在每次重復(fù)中，時(shí)間范圍隨著重復(fù)而 移動(dòng)。因此，時(shí)間范圍是在每次重復(fù)中在當(dāng)前時(shí)間上加上重復(fù)時(shí)間A T的時(shí)間值。例如，如果 在該方法中重復(fù)步驟的第一個(gè)重復(fù)的當(dāng)前時(shí)間為V，那么時(shí)間范圍的結(jié)束點(diǎn)為t' + At，這 里At為時(shí)間范圍。在下一個(gè)重復(fù)中，當(dāng)前時(shí)間為?〃 = ν + ΔΤ，因此時(shí)間范圍的結(jié)束點(diǎn)為t〃 + At = t' + AT+At，依次類推。重復(fù)時(shí)間段與時(shí)間范圍不同不應(yīng)被理解為重復(fù)時(shí)間段的值與 時(shí)間范圍的值不同，而是指它們互相獨(dú)立。重復(fù)時(shí)間段例如可以在〇.2s到Is范圍內(nèi)，比如 0.05s或0.5s〇
[0020] 本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí)，即，通過預(yù)測(cè)由充電電流的變化或放電電流的變化造 成的電壓變化可自動(dòng)完成對(duì)儲(chǔ)能電池單元的電流狀態(tài)的適應(yīng)。利用本發(fā)明，最大充電電流 或最大放電電流對(duì)于時(shí)間范圍的每次采樣(具有重復(fù)時(shí)間段)重新計(jì)算，使得在時(shí)間范圍的 結(jié)束點(diǎn)處的預(yù)測(cè)電壓低于電壓限值。但是，因?yàn)樽畲蟪潆婋娏骰蜃畲蠓烹婋娏髟诿總€(gè)采樣 被重新計(jì)算，儲(chǔ)能電池單元的實(shí)際電壓被有效地保持低于電壓限值。此外，如果所需求功率 大于可用功率，最大充電電流或最大放電電流會(huì)向限值收斂。
[0021] 利用本發(fā)明，可以預(yù)測(cè)在即將到來的時(shí)間（因而在該時(shí)間范圍期間）期間可獲得的 電流供應(yīng)。例如對(duì)于車輛而言，為了確認(rèn)比如是否需要從備份儲(chǔ)能設(shè)備(例如電池或燃料） 中獲得附加的能量(或附加的功率)以便超過其它車輛，這是重要的。
[0022] 注意，根據(jù)來自儲(chǔ)能電池單元或至儲(chǔ)能電池單元的電流的方向，放電電流符號(hào)為 負(fù)，充電電流為正。因?yàn)榉烹婋娏麟x開儲(chǔ)能電池單元，所以放電電流為負(fù)。由此，當(dāng)需要確定 "最大"放電電流時(shí)意味著放電電流達(dá)到最大負(fù)值。例如，-10A的放電電流大于-9A的放電電 流。
[0023]最大充電電流或最大放電電流可以是這樣的，即，在時(shí)間范圍終點(diǎn)的估計(jì)電壓值 分別等于上限電壓值或下限電壓值。因此，從該模型，最大充電電流或最大放電電流是基于 如下假設(shè)得出，即，假設(shè)估計(jì)電壓值在時(shí)間范圍終點(diǎn)等于各自的電壓限值。這就意味著，如 果充電電流或放電電流以各自最大充電電流或最大放電電流的幅值被供應(yīng)/排出，在時(shí)間 范圍外會(huì)違背電壓限值。但是，因?yàn)樽畲蟪潆婋娏骰蜃畲蠓烹婋娏髟诿總€(gè)采樣(具有重復(fù)時(shí) 間段)中被重新計(jì)算，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)電流狀態(tài)的適應(yīng)，從而防止這種違背。
[0024] 此外，重復(fù)時(shí)間段可比時(shí)間范圍短。那么，最大充電電流或最大放電電流在時(shí)間范 圍消逝前被重新計(jì)算。這改進(jìn)了此方法的適應(yīng)能力。重復(fù)時(shí)間段和時(shí)間范圍可以交疊。
[0025] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了評(píng)估由儲(chǔ)能電池單元的模型預(yù)測(cè)的估計(jì)電壓值，可假 設(shè)最大充電電流或最大放電電流供應(yīng)給儲(chǔ)能電池單元用于整個(gè)時(shí)間范圍充電，或者用于在 整個(gè)時(shí)間范圍從儲(chǔ)能電池單元排出。因此，當(dāng)由儲(chǔ)能電池單元的模型評(píng)估電壓值時(shí)，假設(shè) (作為模型的輸入)最大充電電流或最大放電電流在整個(gè)時(shí)間范圍被供應(yīng)。應(yīng)注意到，最大 充電電流或最大放電電流在具有優(yōu)選短于時(shí)間范圍的重復(fù)時(shí)間的每個(gè)采樣中被重新計(jì)算。
[0026] 此外，可假定最大充電電流或最大放電電流的幅值在整個(gè)時(shí)間范圍為恒定的。因 此，為了由該模型預(yù)測(cè)估計(jì)電壓值，可以假設(shè)最大充電電流或最大放電電流在整個(gè)時(shí)間范 圍期間為恒定的。應(yīng)注意到，最大充電電流或最大放電電流在具有優(yōu)選短于時(shí)間范圍的重 復(fù)時(shí)間的每個(gè)采樣中被重新計(jì)算，因此最大充電電流或最大放電電流在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)實(shí) 際是恒定的是幾乎不可能的，僅僅作為假設(shè)被用于本發(fā)明實(shí)施例的模型預(yù)測(cè)中。
[0027] 依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，最大充電電流或最大放電電流（imax;imin)可以如下表 示：
[0028]
[0029] 此處，第一級(jí)RC等效電路的電阻、電容，^是第一級(jí)RC等效電路兩端的估計(jì) 電壓值。
[0030] 其中，用于最大充電電流（imax)的Δν是上限電壓值和測(cè)量電壓值之間的差，用于 最大放電電流(i_)的Αν是下限電壓值和測(cè)量電壓值之間的差。
[0031] 在本發(fā)明另一實(shí)施例中，最大充電電流或最大放電電流(imax imin)可以如下表示：
[0032]
[0033] 此處，心心為第一級(jí)RC等效電路的電阻、電容，^是第一級(jí)RC等效電路兩端的估計(jì) 電壓值;R2、C 2為第二級(jí)RC等效電路的電阻、電容，色是儲(chǔ)能電池單元的兩階RC電路模型的第 二級(jí)RC等效電路兩端的估計(jì)電壓值，并且
[0034] 其中，用于最大充電電流（imax)的Δν是上限電壓值和測(cè)量電壓值之間的差，用于 最大放電電流(i_)的Αν是下限電壓值和測(cè)量電壓值之間的差。
[0035] 此外，本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于更高階的RC電路，比如，三、四、五階電路等。對(duì)于本 領(lǐng)域技術(shù)人員而言將本發(fā)明應(yīng)用到更高階的RC電路是簡(jiǎn)單明了的。在兩階電路模型中，或 者在更高階的模型中，RC電路可以是串聯(lián)結(jié)構(gòu)或者被配置為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0036] 依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，最大充電電流或最大放電電流可以進(jìn)一步基于包含了收 斂因子(convergence factor)的進(jìn)一步的模型，其中最大充電電流或最