用于電池參數(shù)估計的車輛、方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及一種電池管理方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)能夠估計形成電池的元件 的參數(shù)以提供對電池的控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 混合電動車輛（HEV)使用內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)的組合來提供驅(qū)使車輛所需的動力。該 配置提供了超過只具有內(nèi)燃機(jī)的車輛的提高的燃料經(jīng)濟(jì)性。在HEV中提高燃料經(jīng)濟(jì)性的 一種方法在于在發(fā)動機(jī)工作效率低下且不被另外需要來驅(qū)使車輛的時間期間關(guān)閉發(fā)動機(jī)。 在這些情況下，與電池系統(tǒng)連接的電動機(jī)用于提供驅(qū)使車輛所需的全部動力。當(dāng)駕駛員動 力需求增加使得電動機(jī)不能夠再提供滿足需求的足夠動力時，或者在諸如電池充電狀態(tài) (SOC)低于特定水平時的其他情況下，發(fā)動機(jī)應(yīng)當(dāng)以對駕駛員幾乎透明的方式快速且平穩(wěn) 地起動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 一種車輛包括電池組和至少一個控制器，所述至少一個控制器被編程為實施電池 組的模型。所述模型包括表示電池組的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和內(nèi)阻的參數(shù)。所述參數(shù)由具有增廣 狀態(tài)矢量的擴(kuò)展卡爾曼濾波器識別，其中，所述增廣狀態(tài)矢量與引入的用于提高所述參數(shù) 的可觀察性的因數(shù)相關(guān)。所述因數(shù)包括與電荷轉(zhuǎn)移阻抗相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)和表示電荷轉(zhuǎn)移 阻抗的電阻項與內(nèi)阻之間的比例的變量。所述至少一個控制器還被編程為根據(jù)所述參數(shù)操 作電池組。
[0004] 一種方法包括：基于表示電池組的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和內(nèi)阻的參數(shù)對電池組進(jìn)行充電 和放電。所述參數(shù)由具有增廣狀態(tài)矢量的擴(kuò)展卡爾曼濾波器識別，其中，所述增廣狀態(tài)矢量 部分地由與電荷轉(zhuǎn)移阻抗相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)和表示電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項與內(nèi)阻之間的 比例的變量定義，以減小所述參數(shù)的觀察到的可變性。
[0005] 所述變量是電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項和內(nèi)阻的商。
[0006] 電荷轉(zhuǎn)移阻抗與電池組的至少一個R-C電路表示法相關(guān)聯(lián)。
[0007] 將所述增廣狀態(tài)矢量應(yīng)用于雅克比矩陣，其中，雅克比矩陣描述動態(tài)模型的電池 參數(shù)值的變化。
[0008] 所述增廣狀態(tài)矢量還包括表示電池動態(tài)響應(yīng)的其他狀態(tài)變量或表征電池動態(tài)的 模型參數(shù)。
[0009] 一種牽引電池系統(tǒng)包括具有一個或多個電池單元的電池組和被編程為實施所述 一個或多個電池單元的模型的至少一個控制器。所述模型具有由濾波器識別的參數(shù)，其中， 所述濾波器至少部分地由表示所述一個或多個電池單元的電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項與所述 一個或多個電池單元的內(nèi)阻之間的比例的變量定義，以減小所述參數(shù)的觀察到的可變性。 所述至少一個控制器還被編程為根據(jù)所述參數(shù)控制所述一個或多個電池單元。
[0010] 所述濾波器還由與電荷轉(zhuǎn)移阻抗相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)定義。
[0011] 所述變量是電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項和內(nèi)阻的商。
[0012] 電荷轉(zhuǎn)移阻抗與電池組的至少一個R-C電路表示法相關(guān)聯(lián)。
【附圖說明】
[0013] 圖1是示出典型的動力傳動系統(tǒng)和能量存儲組件的混合電動車輛的示圖；
[0014] 圖2是用于對鋰離子電池建模的簡單等效電路的示意圖；
[0015] 圖3是用于識別在電池管理方法中使用的一個或多個電池模型參數(shù)的算法的流 程圖；
[0016] 圖4是示出在車輛中測量的或通過電池測試測量的電池電流輸入分布和電壓輸 出分布的曲線圖；
[0017] 圖5是示出識別的電池內(nèi)阻的比較的曲線圖；
[0018] 圖6是示出R-C電路中的識別的電池模型參數(shù)的比較的曲線圖。
【具體實施方式】
[0019] 如需要的，在此公開本發(fā)明的具體實施例；然而，應(yīng)理解的是，所公開的實施例僅 是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種替代形式實現(xiàn)。附圖不必按比例繪制；一些特征可被夸 大或最小化以示出特定組件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開的特定的結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)不應(yīng)被解 釋為限制，而僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員不同地采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0020] HEV電池系統(tǒng)可執(zhí)行估計描述電池組和/或一個或多個電池單元的當(dāng)前操作條件 的值的電池管理策略。電池組和/或一個或多個電池單元操作條件包括：電池充電狀態(tài)、電 力衰減（power fade)、容量衰減（capacity fade)和瞬時可用電力。電池管理策略能夠估 計電池單元隨著電池組的壽命老化時的值。對一些參數(shù)的精確估計可提高性能和穩(wěn)健性， 并可最終延長電池組的使用壽命。對于這里描述的電池系統(tǒng)，可如下所述實現(xiàn)對一些電池 組和/或電池單元參數(shù)的估計。
[0021] 圖1描繪典型的混合電動車輛。典型的混合電動車輛2可包括機(jī)械地連接到混合 傳動裝置6的一個或多個電動機(jī)4。另外，混合傳動裝置6機(jī)械地連接到發(fā)動機(jī)8?；旌蟼?動裝置6還機(jī)械地連接到傳動軸10,傳動軸10機(jī)械地連接到車輪12。在示圖中未描繪的 另一實施例中，混合傳動裝置可以是可包括至少一個電機(jī)的非可選的齒輪傳動裝置。電動 機(jī)4可在發(fā)動機(jī)8開啟或關(guān)閉時提供推進(jìn)和減速能力。電動機(jī)4還充當(dāng)發(fā)電機(jī)，并可通過 回收在摩擦制動系統(tǒng)中通常將會作為熱量損失的能量來提供燃料經(jīng)濟(jì)性利益。由于混合電 動車輛2可在特定條件下在電動模式下運轉(zhuǎn)，因此電動機(jī)4還可提供減少的污染物排放。
[0022] 電池組14可包括存儲可被電動機(jī)4使用的能量的一個或多個電池單元。車輛電 池組14通常提供高電壓DC輸出。電池組14電連接到電力電子模塊16。電力電子模塊可 包括組成車輛計算系統(tǒng)的一個或多個控制模塊。車輛計算系統(tǒng)可控制若干車輛功能、系統(tǒng) 和/或子系統(tǒng)。所述一個或多個控制模塊可包括（但不限于）電池管理系統(tǒng)。電力電子模 塊16還電連接到電動機(jī)4,并提供在電池組14和電動機(jī)4之間雙向傳輸能量的能力。例 如，典型的電池組14可提供DC電壓，而電動機(jī)4可能需要三相AC電流來運行。電力電子 模塊16可將DC電壓轉(zhuǎn)換成電動機(jī)4需要的三相AC電流。在再生模式下，電力電子模塊16 將把來自充當(dāng)發(fā)電機(jī)的電動機(jī)4的三相AC電流轉(zhuǎn)換成電池組14需要的DC電壓。
[0023] 除了提供用于推進(jìn)的能量之外，電池組14還可提供用于其他車輛電系統(tǒng)的能量。 典型的系統(tǒng)可包括DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊18，DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊18將電池組14的高電壓DC輸 出轉(zhuǎn)換成與其他車輛負(fù)載兼容的低電壓DC供應(yīng)?？刹皇褂肈C/DC轉(zhuǎn)換器模塊18而直接連 接其他高電壓負(fù)載。在典型的車輛中，低電壓系統(tǒng)電連接到12V電池20。
[0024] 電池組14可由車輛計算系統(tǒng)使用一個或多個控制模塊控制。所述一個或多個控 制模塊可包括（但不限于）電池控制模塊。所述一個或多個控制模塊可被校準(zhǔn)以使用電池 模型參數(shù)估計方法控制電池組14,所述電池模型參數(shù)估計方法包括（但不限于）：在操作 期間對有效電池內(nèi)阻的平均感測以確定電池電力容量。電力容量預(yù)測使電池組14能夠防 止可導(dǎo)致減少電池壽命的過充電和過放電、與車輛動力系統(tǒng)有關(guān)的性能問題和/或電池劣 化。
[0025] 車輛電池測量方法/算法可被實現(xiàn)為消除廣泛的離線測試的需要。車輛電池測量 方法可使用用于在車輛中測量電池組的一個或多個簡單等效電路來獲得操作期間的電化 學(xué)阻抗。
[0026] 圖2是鋰離子電池的簡單等效電路的示意圖。在此示例中，簡單等效電路模型200 包括Randles電路模型和/或至少一個R-C電路。Randles電路（和/或R-C電路）包括 與并聯(lián)的電容Q204和有源電荷轉(zhuǎn)移電阻札206串聯(lián)的活性電解質(zhì)電阻R Q202。Randles電 路可實現(xiàn)在HEV電池管理系統(tǒng)中以提供對于電池參數(shù)的預(yù)測計算。
[0027] HEV電池管理系統(tǒng)可使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器實現(xiàn)Randles電路模型以估計電池參 數(shù)。電池參數(shù)可包括（但不限于）電池模型的電池電阻、電容和/或其他狀態(tài)。估計的電 池參數(shù)可包括當(dāng)車輛處于包括電池充電、電池維持電荷或電池消耗電荷的特定系統(tǒng)模式下 時增加的波動軌跡。當(dāng)使用Randles電路估計這些電池參數(shù)時，這些電池參數(shù)往往對內(nèi)部 和外部噪聲以及環(huán)境條件是敏感的。
[0028] 系統(tǒng)可使用動態(tài)模型消除一個或多個電池參數(shù)的波動軌跡，其中，所述動態(tài)模型 將模型電阻參數(shù)關(guān)聯(lián)在一起并將系統(tǒng)時間常數(shù)設(shè)置為用于系統(tǒng)識別的獨立變量。系統(tǒng)可觀 察性是可通過僅使用外部系統(tǒng)輸出來推斷內(nèi)部狀態(tài)如何的量度。然而，在使用動態(tài)模型的 情況下，可觀察性可提高，并且估計的參數(shù)可以對噪聲較不敏感。
[0029] 電池管理系統(tǒng)和方法可以基于Randles電路模型以提供系統(tǒng)的提高的可觀察性 和電池參數(shù)估計方法中的后續(xù)穩(wěn)健性，而不增加系統(tǒng)復(fù)雜性。等效電路模型200可允許計 算預(yù)測性的電池系統(tǒng)參數(shù)。Randles電路模型通過下面的
[0030]
【主權(quán)項】
1. 一種車輛，包括： 電池組； 至少一個控制器，被編程為： 實施具有以下參數(shù)的電池組的模型：（i)所述參數(shù)表示電池組的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和內(nèi) 阻，（ii)所述參數(shù)從具有增廣狀態(tài)矢量的擴(kuò)展卡爾曼濾波器被識別，其中，所述增廣狀態(tài)矢 量至少部分地由與電荷轉(zhuǎn)移阻抗相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)和表示電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項與內(nèi)阻 之間的比例的變量定義，以減小所述參數(shù)的觀察到的可變性； 根據(jù)所述參數(shù)控制電池組。
2. 如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，所述變量是電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項和內(nèi)阻的商。
3. 如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗與電池組的至少一個R-C電路表示法 相關(guān)聯(lián)。
4. 如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，所述至少一個控制器還被編程為：將所述增廣狀態(tài) 矢量應(yīng)用于雅克比矩陣，其中，雅克比矩陣描述所述模型的電池參數(shù)值的變化。
5. 如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，所述增廣狀態(tài)矢量還包括表示電池動態(tài)響應(yīng)的其 他狀態(tài)變量或表征電池動態(tài)的模型參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，所述至少一個控制器還被編程為：基于所述參數(shù)在 給定時間段內(nèi)輸出電力容量。
【專利摘要】提供一種用于電池參數(shù)估計的車輛、方法和系統(tǒng)。一種車輛包括電池組和至少一個控制器，所述至少一個控制器被編程為實施電池組的模型。所述模型包括表示電池組的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和內(nèi)阻的參數(shù)，并且所述參數(shù)從具有增廣狀態(tài)矢量的擴(kuò)展卡爾曼濾波器被識別。所述增廣狀態(tài)矢量至少部分地由與電荷轉(zhuǎn)移阻抗相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)和表示電荷轉(zhuǎn)移阻抗的電阻項與內(nèi)阻之間的比例的變量定義，以減小所述參數(shù)的觀察到的可變性。
【IPC分類】B60K6-28, B60L11-18
【公開號】CN104723894
【申請?zhí)枴緾N201410787828
【發(fā)明人】李泰京
【申請人】福特全球技術(shù)公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2014年12月17日
【公告號】DE102014117946A1, US20150171640