CN102445665A - 蓄电池组容量学习算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑蓄电池容量以便为蓄电池组内蓄电池单元提供单元平衡的方法。该方法包括提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态，以及先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态。该方法还包括从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态并提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态。该方法还包括将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态并将当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量。

Description

蓄电池组容量学习算法

技术领域

本发明总体上涉及用于提供蓄电池单元平衡的系统和方法，更具体地，涉及提供蓄电池单元平衡的系统和方法，其使用蓄电池内每个单元的荷电状态(SOC)变化来确定这些单元的相对容量。

背景技术

电动车辆越来越流行。这些车辆包括混合动力车辆(例如扩展里程电动车辆(EREV)，其结合蓄电池和主动力源，例如内燃机、燃料蓄电池系统等等)以及纯电动车辆(例如蓄电池电动车辆(BEV))。所有这些类型的电动车辆都使用包括多个蓄电池单元的高电压蓄电池。这些蓄电池可以是不同的蓄电池类型，例如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等等。用于电动车辆的典型的高电压蓄电池系统可包括大量的蓄电池单元或模块，所述模块包括多个蓄电池单元以满足车辆动力和能量需求。蓄电池系统可以包括单独的蓄电池模块，其中每个蓄电池模块可以包括一定数量的蓄电池单元，例如12个单元。所述单独的蓄电池模块可以以串联的方式电联接，或者串联的单元可以以并联的方式电联接，其中模块内的多个单元以串联的方式连接并且每个模块以并联的方式与其他模块电联接。不同的车辆设计包括不同的蓄电池设计，其针对特别应用使用各种权衡和优点。

当蓄电池组相对新时，蓄电池组内的每个单元一般以基本上相同水平的性能运行，例如，最大荷电或容量。然而，由于蓄电池组随时间老化，每个单元一般在性能上与其他单元不同地降级，其中蓄电池组的性能由性能最低单元的性能限制。另外，蓄电池组内的蓄电池单元或蓄电池模块可能失效或者因为其他原因在性能上被限制，例如内部短路、容量损失、高电阻、高温等等。如果失效单元或模块可以被识别，有可能更换该特定单元或模块而不更换整个蓄电池组，因为更换单个单元或一组单元比更换整个蓄电池组通常更便宜。然而，新蓄电池单元或模块可能与蓄电池组内的其他蓄电池单元不在相同的性能水平上，并且因此，为了蓄电池正常运行新单元需要在性能上匹配。

电动车辆一般包括单元平衡算法，其控制蓄电池的充电，使得蓄电池单元的荷电状态大约相同。公知的单元平衡算法仅考虑单元荷电状态，而不考虑单元容量，其中所述算法将单元容量视为相同或几乎相同。当新蓄电池单元被增加到蓄电池组时，单元平衡算法不将新单元与老单元任何不同地处理，使得在充电序列过程中，降级单元的荷电状态将更快地增加。这导致单元平衡算法将较高荷电状态的单元更快地放电，其是具有较低容量的单元，其使得他们在车辆运行过程期间放电过多。因此，可以提供单元平衡算法的改进，其将操作延长蓄电池组的使用寿命。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种系统和方法，其考虑蓄电池容量来为蓄电池组中的蓄电池单元提供单元平衡。该方法包括提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态以及先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态。该方法还包括从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态并提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态。该方法还包括将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态并将当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量。每个单元的容量调整荷电状态可以被用在单元平衡算法中，其将蓄电池组内的每个单元的荷电状态平衡为大约相同。另外，该方法可以包括生成容量衰减因数，其基于蓄电池组的理论荷电状态和蓄电池组的测量荷电状态识别蓄电池组的年龄。

解决方案1.一种用于确定蓄电池组内蓄电池单元的容量的方法，所述方法包括：

提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态以及先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态；

从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态；

提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态；

将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态；和

将每个单元的当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量。

解决方案2.根据解决方案1所述的方法，还包括：滤波每个单元的相对德尔塔荷电状态从而减少相对德尔塔荷电状态的大变化的影响。

解决方案3.根据解决方案2所述的方法，其中，滤波相对单元德尔塔荷电状态包括使用指数加权移动平均滤波器。

解决方案4.根据解决方案1所述的方法，还包括：在单元平衡算法中使用每个单元的容量调整荷电状态，所述算法将蓄电池组内每个单元的荷电状态平衡为大约相同。

解决方案5.根据解决方案1所述的方法，还包括：生成容量衰减因数，所述容量衰减因数识别蓄电池组的年龄。

解决方案6.根据解决方案5所述的方法，其中，生成容量衰减因数包括：通过确定流入和流出蓄电池组的电流以确定消耗的蓄电池组容量而确定蓄电池组的容量；将消耗的蓄电池组容量除以蓄电池组的理论或已知容量以获得蓄电池组的荷电状态的变化；以及将蓄电池组的荷电状态的变化除以蓄电池组的荷电状态的测量变化以获得容量衰减因数。

解决方案7.根据解决方案1所述的方法，其中，蓄电池组是用于电动车辆的高电压蓄电池组。

解决方案8.根据解决方案7所述的方法，其中，高电压蓄电池组是锂离子蓄电池组。

解决方案9.一种用于确定电动车辆中的蓄电池组内蓄电池单元的容量的方法，所述方法包括：

提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态以及先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态；

从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态；

提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态；

将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态；

将每个单元的当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量；

生成容量衰减因数，所述容量衰减因数识别蓄电池组的年龄；和

在单元平衡算法中使用每个单元的容量调整荷电状态和容量衰减因数，所述算法将蓄电池组内每个单元的荷电状态平衡为大约相同。

解决方案10.根据解决方案9所述的方法，还包括：滤波每个单元的相对德尔塔荷电状态，从而减少相对德尔塔荷电状态的大变化的影响。

解决方案11.根据解决方案10所述的方法，其中，滤波相对单元德尔塔荷电状态包括使用指数权重移动平均滤波器。

解决方案12.根据解决方案9所述的方法，其中，生成容量衰减因数包括：通过确定流入和流出蓄电池组的电流以确定消耗的蓄电池组容量而确定蓄电池组的容量；将消耗的蓄电池组容量除以蓄电池组的理论或已知容量以获得蓄电池组的荷电状态的变化；以及将蓄电池组的荷电状态的变化除以蓄电池组的荷电状态的测量变化以获得容量衰减因数。

解决方案13.一种用于确定蓄电池组内蓄电池单元的容量的系统，所述系统包括：

用于提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态的装置以及用于提供先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态的装置；

用于从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态的装置，以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态；

用于提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态的装置；

用于将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态的装置，以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态；和

用于将每个单元的当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态的装置，以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量。

解决方案14.根据解决方案13所述的系统，还包括：用于滤波每个单元的相对德尔塔荷电状态的装置，以减少相对德尔塔荷电状态的大变化的影响。

解决方案15.根据解决方案14所述的系统，其中，用于滤波相对单元德尔塔荷电状态的装置包括使用指数加权移动平均滤波器。

解决方案16.根据解决方案13所述的系统，还包括：用于在单元平衡算法中使用每个单元的容量调整荷电状态的装置，所述算法将蓄电池组内每个单元的荷电状态平衡为大约相同。

解决方案17.根据解决方案13所述的系统，还包括：生成容量衰减因数的装置，所述容量衰减因数识别蓄电池组的年龄。

解决方案18.根据解决方案17所述的系统，其中，用于生成容量衰减因数的装置：通过确定流入和流出蓄电池组的电流以确定消耗的蓄电池组容量而确定蓄电池组的容量；将消耗的蓄电池组容量除以蓄电池组的理论或已知容量以获得蓄电池组的荷电状态的变化；以及将蓄电池组的荷电状态的变化除以蓄电池组的荷电状态的测量变化以获得容量衰减因数。

解决方案19.根据解决方案13所述的系统，其中，蓄电池组是用于电动车辆的高电压蓄电池组。

解决方案20.根据解决方案19所述的系统，其中，高电压蓄电池组是锂离子蓄电池组。

由下面的描述和附属的权利要求并结合附图，本发明的附加特征将变得显而易见。

附图说明

图1是包括车辆蓄电池的车辆的顶视图；和

图2是用于提供考虑单元容量的蓄电池单元平衡的系统和方法的方框图。

具体实施方式

涉及用于调整蓄电池组内单元的单元容量以用于单元平衡算法的系统和方法的本发明实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，绝不旨在限制本发明或者其应用或使用。例如，下面描述的系统和方法用于高电压车辆蓄电池。然而，如本领域的技术人员所理解的，本发明的单元平衡算法可以用于需要单元平衡的其他蓄电池。

图1是旨在表示电动车辆或者电动混合动力车辆的车辆10的顶视图。车辆10包括安装到车辆10内的合适支撑件上的高电压蓄电池12，其中蓄电池12包括多个蓄电池单元14。蓄电池12可以是适用于电动车辆的任何蓄电池，例如铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、金属氢化物蓄电池等等。车辆10还可以包括单独的动力源16，例如内燃机、燃料蓄电池系统等等。

图2是描述容量变化算法的方法和系统20的方框图，所述容量变化算法识别蓄电池组(例如蓄电池12)内每个单元的单元容量。在方框22中提供每个蓄电池单元14在当前时帧的当前荷电状态(SOC)，在方框24中提供每个蓄电池单元14在先前时帧的先前SOC。在一个实施例中，在算法的初始化中提供单元SOC测量值，其中先前SOC来自先前初始化。对于每一个单元14，当前和先前SOC值在求差结点26相减以获得在单元14的最后一次充电和放电序列过程内的每个单元14的SOC的差，称为单元德尔塔SOC。在方框28中对在最后一次充电和放电序列过程内的所有单元14的单元德尔塔SOC求平均以生成平均单元德尔塔SOC，其与来自于结点26的所有单独单元德尔塔SOC一起发送到方框30，其中，所有单元德尔塔SOC除以平均单元德尔塔SOC以获得每个单元14的相对单元德尔塔SOC。因此，对于处于均单元德尔塔SOC的每个单元德尔塔SOC，相对单元德尔塔SOC将是1，并且依赖于单元德尔塔SOC是高于还是低于平均单元德尔塔SOC将确定相对单元德尔塔SOC是小于还是大于1。换句话说，较高的SOC单元将具有小于1的相对单元德尔塔SOC，较低的SOC单元将具有大于1的相对单元德尔塔SOC。

来自方框22的每个单元14的当前SOC还被发送给方框32作为观察单元SOC，其中，每个单元14的观察单元SOC除以来自方框30的单元的相对单元德尔塔SOC。相对德尔塔SOC通过滤波器34被发送，例如，本领域的技术人员所公知的指数加权移动平均滤波器，以减小明显在正常运行之外的任何相对德尔塔SOC的影响，以便该类型的数据不会明显影响单元平衡算法。因此，依赖于特定单元14是性能较高单元还是性能较低单元(其决定其相对单元德尔塔SOC是大于还是小于1)，单元SOC将向上或向下调整使得性能较高单元的容量将增加并且性能较低单元的容量将降低。来自方框32的每个单元的单元容量调整SOC然后被发送到方框36，其表示在蓄电池控制器内运行的单元平衡算法。

应当注意的是，这里讨论的容量调整SOC算法应用于蓄电池12的充电和放电两者。因此，算法适用于达到最大和最小荷电状态的蓄电池12。

上面所描述的单元容量调整可以由三种情况来表示，包括针对高容量单元的情况1，针对低容量单元的情况2，针对平均容量单元的情况3。对于情况1，单元德尔塔SOC小于平均单元德尔塔SOC，使得来自方框30的相对单元德尔塔SOC小于1。因此，在方框32中，观察单元SOC除以相对单元德尔塔SOC将大于观察单元SOC。对于情况2，单元德尔塔SOC大于平均单元德尔塔SOC，使得来自方框30的相对单元德尔塔SOC大于1。因此，在方框32中，观察单元SOC除以相对单元德尔塔SOC小于观察单元SOC。对于情况3，单元德尔塔SOC除以平均单元德尔塔SOC等于1，使得观察单元SOC除以相对单元德尔塔SOC就是观察单元SOC。

如上面所讨论的，当前单元平衡算法假设固定的蓄电池组容量或者随着时间的线性蓄电池组容量降级。因此，随着蓄电池组老化，蓄电池组的实际容量不具体已知。如上面所讨论的，如果蓄电池组荷电状态由于老化小于预测荷电状态，那么蓄电池组将比其容量更多地充电，这将进一步降低其寿命。除了蓄电池组内每个单元的容量调整外，本发明还计算蓄电池组容量衰减因数作为方框36内的单元平衡算法的输入，其识别蓄电池容量随其老化的减少。

为了确定蓄电池组容量衰减因数，蓄电池组消耗的容量在方框38内基于流入和流出蓄电池组的电流确定为：

${\∫}_{t_{\mathrm{on}}}^{t_{\mathrm{off}}}{I}_{\mathrm{pack}}\mathrm{dt}={\mathrm{Capacity}}_{\mathrm{consumed}}\left(\mathrm{Ahr}\right)---\left(1\right)$

其中t_on是蓄电池组的通电时间，t_off是蓄电池组的断开时间，I_pack是流入和流出蓄电池的电流，以及Capacity_consumed是由蓄电池组所消耗的电流量，其中如果蓄电池组被充电以增加其容量，则该值是负的。

由Capacity_consumed标识的蓄电池组的容量然后在方框40中除以蓄电池组的理论或已知容量Capacity_theoretical以获得蓄电池组SOC的理论变化ΔSOC_theoretical，如：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{theoretical}}=\frac{{\mathrm{Capacity}}_{\mathrm{consumded}}}{{\mathrm{Capacity}}_{\mathrm{theoretical}}}---\left(2\right)$

蓄电池组的已知容量Capacity_theoretical可以以任何合适的方式确定，例如由蓄电池制造商提供的参数。

然后在方框42中容量衰减因数计算为蓄电池组的SOC的变化除以蓄电池组内SOC的测量变化ΔSOC_meas，如：

$\mathrm{Capacity}\_\mathrm{Fade}\_\mathrm{factor}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{theoretical}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{meas}}}---\left(3\right)$

容量衰减因数然后在方框36中提供给单元平衡算法以通过当其随时间衰减时知道蓄电池组的实际容量来改进单元平衡。换句话说，容量衰减因数允许单元平衡算法来改变蓄电池组充电的量，以便蓄电池组被完全充电而没有超过最大荷电状态。

虽然上面的讨论确定了整个蓄电池组的容量衰减因数，但可以基于流入和流出具体蓄电池单元的电流来执行相同的分析从而以相同的方式确定该单元的容量衰减因数。应当注意的是，上面讨论的容量衰减因数可以被用于蓄电池生产目的以确保当蓄电池生产时蓄电池针对其应用具有可接受的容量。另外，容量衰减因数可以被用于检修目的以便识别蓄电池何时达到寿命终止(EOL)。

前面的讨论仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。根据这些讨论和根据附图及权利要求，本领域的技术人员将很容易认识到，在不脱离所附权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种变化、修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于确定蓄电池组内蓄电池单元的容量的方法，所述方法包括：

提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态以及先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态；

从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态；

提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态；

将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态；和

将每个单元的当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：滤波每个单元的相对德尔塔荷电状态从而减少相对德尔塔荷电状态的大变化的影响。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，滤波相对单元德尔塔荷电状态包括使用指数加权移动平均滤波器。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在单元平衡算法中使用每个单元的容量调整荷电状态，所述算法将蓄电池组内每个单元的荷电状态平衡为大约相同。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：生成容量衰减因数，所述容量衰减因数识别蓄电池组的年龄。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，生成容量衰减因数包括：通过确定流入和流出蓄电池组的电流以确定消耗的蓄电池组容量而确定蓄电池组的容量；将消耗的蓄电池组容量除以蓄电池组的理论或已知容量以获得蓄电池组的荷电状态的变化；以及将蓄电池组的荷电状态的变化除以蓄电池组的荷电状态的测量变化以获得容量衰减因数。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，蓄电池组是用于电动车辆的高电压蓄电池组。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，高电压蓄电池组是锂离子蓄电池组。

9.一种用于确定电动车辆中的蓄电池组内蓄电池单元的容量的方法，所述方法包括：

提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态以及先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态；

从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态；

提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态；

将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态；

将每个单元的当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量；

生成容量衰减因数，所述容量衰减因数识别蓄电池组的年龄；和

在单元平衡算法中使用每个单元的容量调整荷电状态和容量衰减因数，所述算法将蓄电池组内每个单元的荷电状态平衡为大约相同。

10.一种用于确定蓄电池组内蓄电池单元的容量的系统，所述系统包括：

用于提供当前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的当前荷电状态的装置以及用于提供先前时帧的蓄电池组内每个蓄电池单元的先前荷电状态的装置；

用于从每个蓄电池单元的先前荷电状态减去当前荷电状态的装置，以生成每个单元的单元德尔塔荷电状态；

用于提供所有单元的单元德尔塔荷电状态的平均单元德尔塔荷电状态的装置；

用于将每个单元德尔塔荷电状态除以平均单元德尔塔荷电状态的装置，以提供每个单元的相对单元德尔塔荷电状态；和

用于将每个单元的当前荷电状态除以该单元的相对单元德尔塔荷电状态的装置，以生成容量调整荷电状态，其识别单元的容量。

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