專利名稱：用于估算二次電池剩余容量的方法和裝置、電池組系統(tǒng)以及電動車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于估算二次電池例如鎳-金屬氫化物(Ni-MH)電池的剩余容量(SOC充電狀態(tài))的方法，所述二次電池作為電動機用電源和各種負載的驅(qū)動源被安裝在電動機驅(qū)動車輛如純電動車輛(PEV)、混合電動車輛(HEV)、帶有燃料電池和電池的混合車輛等中。
背景技術(shù)：
常規(guī)而言，在HEV中，當(dāng)發(fā)動機的輸出功率比驅(qū)動所需要的動力大時，利用剩余的動力驅(qū)動發(fā)電機以對二次電池充電。另一方面，當(dāng)發(fā)動機的輸出功率小時，利用來自二次電池的電功率驅(qū)動電動機以輸出補充動力。在這種情況下，二次電池放電。當(dāng)二次電池安裝在HEV等上時，必須通過控制這種充電/放電等來保持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。
為了這一目的，檢測二次電池的電壓、電流、溫度等，通過計算估算出二次電池的剩余容量(以下簡稱為“SOC”)，從而控制SOC以使車輛的燃料消耗效率最佳化。并且在此時，為了讓以電動機驅(qū)動為基礎(chǔ)的動力輔助在加速過程中的工作，并且在減速過程中收集(再生制動)的能量具有良好平衡，按下述方法控制SOC值。一般來說，為了把SOC設(shè)定在例如50％-70％的范圍內(nèi)，當(dāng)SOC下降至例如50％的時候，執(zhí)行用于過充電(excess charge)的控制。另一方面，當(dāng)SOC提高至例如70％時，進行用于過放電的控制。因此，努力使SOC接近控制中心。
為了精確控制SOC，需要精確估算正在被充電/放電的二次電池SOC。這種用于估算SOC的常規(guī)方法的例子包括以下兩種。
(1)測量充電/放電電流。以充電效率乘以該電流值(在充電情況下具有減號，在放電情況下具有加號)。在特定時間段累積該乘積以計算累積容量。然后，根據(jù)累積容量估算SOC。
(2)測量并存儲充電/放電電流和與其對應(yīng)的二次電池的終端電壓的多個數(shù)據(jù)組。用最小二乘法由該數(shù)據(jù)組獲得初步近似線(電壓V-電流I近似線)，計算對應(yīng)于電流值0(零)的電壓值(V-I近似線的V軸截距)以作為無負載電壓(V0)。然后，根據(jù)無負載電壓V0估算SOC。
此外，當(dāng)對二次電池進行充電/放電時，根據(jù)電池電動勢產(chǎn)生極化電壓。具體而言，在充電過程中電壓增加，而在放電過程中電壓降低。這種變化被稱作極化電壓(polarization voltage)。在如同上述方法(2)那樣由電壓估算SOC的情況下，在預(yù)定時間內(nèi)估算電壓的升高和降低時、以及獲得在預(yù)定時間內(nèi)能夠輸入/輸出的電功率的情況下，必須精確地掌握極化電壓。
一般而言，作為估算極化電壓的方法，由多個電流和電壓數(shù)據(jù)獲得一次回歸線(primary regression line)，將該回歸線的斜率設(shè)定為極化電阻(組分電阻(component resistance)、反應(yīng)電阻和擴散電阻)，由電流乘以極化電阻以獲得極化電壓。
然后，上述兩種常規(guī)SOC估算方法存在以下問題。
首先，在以上述方法(1)中的累積容量為基礎(chǔ)的SOC估算方法中，對于累積電流值所需的充電效率取決于SOC值、電流值、溫度等。因此，難以找到適于這些各種條件的充電效率。此外，在電池擱置的情況下，不能計算在那段時間內(nèi)的自放電量。由于這些原因等，在SOC的真實值和其估算值之間的誤差隨著時間而增大。因此，為了估算該值，必須進行完全放電或完全充電以初始化SOC。
然而，在二次電池安裝在HEV上的情況下，當(dāng)進行完全放電時，二次電池不能提供電能，成為了發(fā)動機的負擔(dān)。因此，必須在將車輛停止在充電位置或類似位置并被完全放電后，在預(yù)定時間段內(nèi)對二次電池充電直至其被完全充電。因此，在應(yīng)用于HEV的情況下，不可能在車輛驅(qū)動過程中進行完全的充電/放電以初始化SOC。此外，對于使用者而言，定期對安裝在HEV上的二次電池進行完全的充電/放電是不方便的，并且變成使用者的負擔(dān)。
接下來，在以上述方法(2)中的無負載電壓為基礎(chǔ)的SOC估算方法的情況下，首先，在大量放電后的V-I近似線的V截距變得比較低，在大量充電之后的V-I近似線的V截距變得比較高。因此，即使對相同的SOC，無負載電壓也會根據(jù)充電/放電電的歷史而變化。這種變化由極化電壓引起。因此，由于極化電壓的因素，作為V-I近似線的V截距的無負載電壓在充電方向和放電方向之間變化。因此，電壓的差異轉(zhuǎn)化為SOC的估算誤差。此外，由于電池的記憶效應(yīng)和擱置、電池惡化等原因造成的電壓降低也會導(dǎo)致SOC的估算誤差。
并且，根據(jù)用于估算極化電壓的上述常規(guī)方法，當(dāng)由極化電阻獲得極化電壓時，不能有效地估算包含在極化電阻中的、由于在電池的活性材料和電解液的界面之間的反應(yīng)引起的反應(yīng)電阻，和由于在活性材料之間的活性材料中和電解液中的反應(yīng)引起的擴散電阻。所以，估算極化電壓的精確度不能令人滿意。因此，為了獲得用于估算SOC的電池電動勢，實際上不能利用上述方法(2)中的無負載電壓進行修正。
發(fā)明概述在考慮了上述問題的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供在不用定期對二次電池進行完全充電/放電以初始化SOC的條件下高精確度地估算SOC的方法和裝置；具有計算機系統(tǒng)(用于電池的電子控制(電池ECU))的電池組系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)用于在其上安裝的方法中進行處理；和安裝有電池組系統(tǒng)的電動機驅(qū)動車輛。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明估算二次電池的剩余容量的第一種方法包括以下步驟測量流過二次電池的電流和對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓的數(shù)據(jù)組，并獲得多個數(shù)據(jù)組；根據(jù)所獲得的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢；根據(jù)計算出的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量；根據(jù)修正量和充電效率計算電流累積系數(shù)；和用測量電流乘以算出的電流累積系數(shù)，并由電流累積估算二次電池的剩余容量。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明估算二次電池的剩余容量的第二種方法包括以下步驟測量流過電池組的電流和對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓的數(shù)據(jù)組，并獲得多個數(shù)據(jù)組，所述電池組包括作為二次電池的并用在中間充電狀態(tài)的多個電池的組合；根據(jù)所獲得的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢；根據(jù)計算出的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量；根據(jù)修正量和充電效率計算電流累積系數(shù)；和用測量電流乘以算出的電流累積系數(shù)，并由電流累積估算二次電池的剩余容量。
根據(jù)上述方法，按照電池電動勢來修正電流累積系數(shù)，由電流累積估算SOC。因此，在SOC中間區(qū)域中由于電流累積引起的誤差沒有被累積，并且能夠以高精度估算SOC。
此外，還可以更容易地估算由于長時間擱置等原因引起自放電后的SOC，不需要通過定期進行完整的放電和完整的充電來初始化SOC。
用于估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法優(yōu)選地還包括以下步驟測量二次電池的溫度，根據(jù)測出的溫度、電流和估算的剩余容量計算在充電過程中的充電效率。
根據(jù)上述方法，電池的溫度變化、電流變化和剩余容量估算值被反饋，由此能夠提高累積容量的計算精度。
在用于估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，用于確定修正量的步驟優(yōu)選地包括以下步驟預(yù)先取得相對于剩余容量的電動勢特性，根據(jù)存儲該特性查詢表或公式由估算出的剩余容量計算估算電動勢；根據(jù)在計算電動勢的步驟中獲得的電動勢和估算電動勢之間的差值確定修正量。
根據(jù)上述方法，剩余容量估算值作為估算電動勢被反饋，將計算出的電動勢和估算電動勢之間的差值控制為零，由此可進一步提高累積容量的計算精度。
此外，在估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，計算電動勢的步驟優(yōu)選地包括獲得對應(yīng)于電流值0的一條近似線的電壓截距的無負載電壓，該近似線是通過對多個數(shù)據(jù)組進行最小二乘的統(tǒng)計處理而獲得的；計算作為電動勢的無負載電壓。
根據(jù)上述方法，使用簡單結(jié)構(gòu)根據(jù)電動勢能夠修正電流累積系數(shù)。
作為選擇，在用于估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，計算電動勢的步驟優(yōu)選包括以下步驟根據(jù)測量電流計算在過去的預(yù)定階段內(nèi)累積容量的變化；根據(jù)累積容量的變化計算極化電壓；計算無負載電壓，該無負載電壓為用最小二乘法通過對多個數(shù)據(jù)組進行統(tǒng)計處理獲得的近似線中對應(yīng)于電流值0的電壓截距；以及從無負載電壓中減去極化電壓以算出電動勢。
根據(jù)上述方法，根據(jù)累積容量的變化計算極化電壓。因此，極化電壓的計算精度令人滿意，通過從無負載電壓中減去極化電壓而獲得的電池電動勢(平衡電位)的計算精度是令人滿意的。這可以高精度地估算SOC。
在估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，計算電動勢的步驟優(yōu)選包括對累積容量的變化進行時間延遲處理的步驟。
根據(jù)上述方法，可計算相對于累積容量變化具有延遲時間的極化電壓，從而可以實時跟蹤累積容量的變化。
此外，在估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，優(yōu)選進行關(guān)于累積容量的變化的通濾波的平均化處理以及時間延遲處理。
根據(jù)上述方法，可減少計算極化電壓所不需要的累積容量的波動分量。
此外，在用于估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，計算電動勢的步驟優(yōu)選包括對極化電壓進行時間延遲處理的步驟。
根據(jù)上述方法，能夠調(diào)節(jié)在無負載電壓和極化電壓之間的時間安排，能夠計算正確的電動勢。
在這種情況下，優(yōu)選對極化電壓進行通濾波的平均處理以及時間延遲處理。
根據(jù)上述方法，可減少計算電動勢所不需要的極化電壓的波動分量。
估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法優(yōu)選進一步包括根據(jù)預(yù)定的選擇條件選擇多個所獲得的數(shù)據(jù)組的步驟，其中在下述情況下選擇多個數(shù)據(jù)組作為預(yù)定選擇條件，在充電側(cè)和放電側(cè)的電流值處于預(yù)定范圍內(nèi)，在充電側(cè)和放電側(cè)具有預(yù)定數(shù)量或更多個數(shù)據(jù)組，在獲得多個數(shù)據(jù)組的同時累積容量的變化處于預(yù)定范圍內(nèi)。
根據(jù)上述方法，在沒有受到累積容量變化的影響的情況下，能夠在充電側(cè)和放電側(cè)均勻地獲得多個數(shù)據(jù)組。
估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法優(yōu)選進一步包括根據(jù)預(yù)定確定條件確定所算出的無負載電壓是否有效的步驟，其中在下述情況中所算出的無負載電壓被確定為有效作為預(yù)定確定條件，使用最小二乘法通過統(tǒng)計處理獲得的多個數(shù)據(jù)組相對于近似線的方差在預(yù)定范圍內(nèi)，或者近似線和多個數(shù)據(jù)組之間的相關(guān)系數(shù)為預(yù)定值或更高。
根據(jù)上述方法，能夠提高無負載電壓的計算精度。
在估算二次電池剩余容量的第一和第二種方法中，二次電池是鎳-金屬氫化物二次電池。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一電池組系統(tǒng)包括用于進行第二種方法以估算二次電池的剩余容量的計算機系統(tǒng)和電池組。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一電動機驅(qū)動車輛具有安裝在其上的第一電池組系統(tǒng)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在作為微型計算機系統(tǒng)，例如具有安裝其上的電池ECU的電池組系統(tǒng)安裝在例如HEV等之上的情況下，根據(jù)以高精確度估算出的SOC能夠精確地控制SOC。具體而言，在由計算估算出的SOC(SOC估算值)被確定為高于真實SOC(SOC真實值)的情況下，將充電效率減小，減小的量為電流累積系數(shù)的修正量。結(jié)果，和在先的累積相比，在隨后的累積中降低了SOC估算值，這樣SOC估算值就接近于SOC真實值。另一方面，在SOC估算值被確定為低于SOC真實值的情況下，將充電效率增加，增加的量為電流累積系數(shù)的修正量。結(jié)果，與在先的累積相比，在隨后的累積中增加了SOC估算值，這樣SOC估算值就接近于SOC真實值。因此，通過持續(xù)進行這種控制，設(shè)置SOC估算值和SOC真實值使它們總是相互匹配，減小了SOC估算值對于SOC真實值的偏差。這能夠顯著提高整個系統(tǒng)的能量管理的精度。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明估算二次電池剩余容量的第一裝置包括用于測量流過二次電池電流作為電流數(shù)據(jù)的電流測量部分；用于測量對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓作為電壓數(shù)據(jù)的電壓測量部分；根據(jù)來自電流測量部分的電流數(shù)據(jù)和來自電壓測量部分的電壓數(shù)據(jù)的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢的電動勢計算部分；根據(jù)來自電動勢計算部分的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量的電流累積系數(shù)修正部分；根據(jù)來自電流累積系數(shù)修正部分的修正量和充電效率輸出電流累積系數(shù)的加法器；和用于將電流數(shù)據(jù)乘以來自加法器的電流累積系數(shù)、并通過電流累積估算二次電池剩余容量的剩余容量估算部分。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明用于估算二次電池剩余容量的第二裝置包括用于測量流過電池組的電流作為電流數(shù)據(jù)的電流測量部分，所述電池組具有多個二次電池的組合并用在中間充電狀態(tài)；用于測量對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓作為電壓數(shù)據(jù)的電壓測量部分；根據(jù)來自電流測量部分的電流數(shù)據(jù)和來自電壓測量部分的電壓數(shù)據(jù)的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢的電動勢計算部分；根據(jù)來自電動勢計算部分的電動勢確定電流累積系數(shù)的修正量的電流累積系數(shù)修正部分；根據(jù)來自電流累積系數(shù)修正部分的修正量和充電效率輸出電流累積系數(shù)的加法器；和用于將電流數(shù)據(jù)乘以來自加法器的電流累積系數(shù)、并通過電流累積估算二次電池剩余容量的剩余容量估算部分。
按照上述結(jié)構(gòu)，根據(jù)電池電動勢來修正電流累積系數(shù)，通過電流累積估算SOC。因此，由于電流累積引起的誤差沒有累積在SOC中間區(qū)域(intermediate region)，能夠高精度地估算SOC。
此外，還可以容易地估算由于長時間擱置等原因引起自放電后的SOC，不需要通過定期的完全放電和完全充電來初始化SOC。
用于估算二次電池剩余容量的第一和第二裝置優(yōu)選進一步包括用于測量二次電池溫度作為溫度數(shù)據(jù)的溫度測量部分；和在充電過程中、根據(jù)來自溫度測量部分的溫度、來自電流測量部分的電流和來自剩余容量估算部分的剩余容量估算值計算充電效率的充電效率計算部分。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，電池的溫度變化和剩余容量估算值反饋到充電效率，由此能夠提高累積容量的計算精度。
此外，用于估算二次電池剩余容量的第一和第二裝置優(yōu)選進一步包括估算電動勢計算部分，用于根據(jù)預(yù)先取得的、存儲剩余容量的電動勢特性的查詢表或公式由剩余容量估算值計算估算電動勢；該電流累積系數(shù)修正部分根據(jù)來自計算電動勢計算部分的電動勢和估算電動勢之間的差值確定修正量。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，剩余容量估算值無作為估算電動勢被反饋，將計算出的電動勢和估算電動勢之間的差值控制為零，由此可進一步提高累積容量的計算精度。
在用于估算二次電池剩余容量的第一和第二裝置中，優(yōu)選電動勢計算部分獲得無負載電壓，并計算作為電動勢的無負載電壓，該無負載電壓是用最小二乘法通過對多個數(shù)據(jù)組進行統(tǒng)計處理獲得的近似線中對應(yīng)于電流值0的電壓截距。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，使用簡單結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)電動勢來修正電流累積系數(shù)。
在用于估算二次電池剩余容量的第一和第二裝置中，優(yōu)選電動勢計算部分包括變化容量計算部分，用于由電流數(shù)據(jù)計算在過去的預(yù)定時間段內(nèi)的累積容量的變化；極化電壓計算部分，用于根據(jù)來自變化容量計算部分的累積容量的變化計算極化電壓；無負載電壓計算部分，用于計算無負載電壓，該無負載電壓是是在用最小二乘法通過對多個數(shù)據(jù)組的統(tǒng)計處理獲得的近似線中對應(yīng)于電流值0的電壓截距；以及減法器，用于從無負載電壓中減去極化電壓以輸出電動勢。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，根據(jù)累積容量的變化計算極化電壓。因此，極化電壓的計算精度是令人滿意的，從無負載電壓減去極化電壓而獲得的電池電動勢(平衡電位)的計算精度是令人滿意的。這使得可以高精度地估算SOC。
估算二次電池剩余容量的第一或第二裝置優(yōu)選地進一步包括第一計算部分，用于對來自變化容量計算部分的累積容量變化進行時間延遲處理。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠計算具有相對于累積容量變化的延遲時間的極化電壓，從而可以實時跟蹤累積容量的變化。
此外，在用于估算二次電池剩余容量的第一或第二裝置中，第一計算部分優(yōu)選為通濾波以及時間延遲處理對累積容量的變化進行平均處理。
根據(jù)上述構(gòu)造，可降低計算極化電壓所不需要的累積容量的波動分量。
估算二次電池剩余容量的第一或第二裝置優(yōu)選包括第二計算部分，用于對極化電壓進行時間延遲處理。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)在無負載電壓和極化電壓之間的時間設(shè)置，可計算合適的電動勢。
在這種情況下，作為優(yōu)選，第二計算部分通濾波進行平均處理，以及時間延遲處理。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以減少計算電動勢所不需要的極化電壓的波動分量。
此外，用于估算二次電池剩余容量的第一或第二裝置優(yōu)選地還包括數(shù)據(jù)組選擇部分，用于根據(jù)預(yù)定選擇條件選擇多個數(shù)據(jù)組并向無負載電壓計算部分輸出所述數(shù)據(jù)組，其中，該數(shù)據(jù)組選擇部分在下述情況下選擇多個數(shù)據(jù)組作為預(yù)定選擇條件，在充電側(cè)和放電側(cè)的電流值處于預(yù)定范圍內(nèi)，在充電側(cè)和放電側(cè)具有預(yù)定數(shù)量或更多的數(shù)據(jù)組，在獲得多個數(shù)據(jù)組的同時累積容量的變化處于預(yù)定范圍內(nèi)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在充電側(cè)和放電側(cè)可均勻地獲得多個數(shù)據(jù)組而不受累積容量變化的影響。
此外，用于估算二次電池剩余容量的第一或第二裝置優(yōu)選地還包括無負載電壓確定部分，用于根據(jù)預(yù)先確定的條件確定在無負載電壓計算部分中算出的無負載電壓是否有效，其中，無負載電壓確定部分在下述情況下確定所算出的無負載電壓有效作為預(yù)定的決定條件，由使用最小二乘法的統(tǒng)計處理獲得的多個數(shù)據(jù)組相對于近似線的方差在預(yù)定范圍內(nèi)，或近似線和多個數(shù)據(jù)組之間的相關(guān)系數(shù)為預(yù)定值或更高。
根據(jù)上述方法，能夠提高無負載電壓的計算精度。
在用于估算二次電池剩余容量的第一和第二裝置中，二次電池是鎳-金屬氫化物二次電池。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二電池組系統(tǒng)包括用于估算二次電池和電池組的剩余容量的第二裝置。在這種情況下，優(yōu)選用于估算二次電池剩余容量的第二裝置配置為計算機系統(tǒng)。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二電動機驅(qū)動車輛具有安裝在其上的第二電池組系統(tǒng)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在例如其上安裝有電池ECU的作為微型計算機系統(tǒng)的電池組系統(tǒng)安裝在例如HEV等之上的情況下，根據(jù)以高精確度估算出的SOC能夠精確地控制SOC。具體而言，在由計算估算出的SOC(SOC估算值)被確定為高于真實SOC(SOC真實值)的情況下，充電效率被降低，降低的量為電流累積系數(shù)的修正量。結(jié)果，和在先的累積相比，在隨后的累積中降低了SOC估算值，這樣SOC估算值就接近于SOC真實值。另一方面，在SOC估算值被確定為低于SOC真實值的情況下，充電效率被增加，增加的量為電流累積系數(shù)的修正量。結(jié)果，與在先的累積相比，在隨后的累積中增加了SOC估算值，這樣SOC估算值就接近于SOC真實值。因此，通過持續(xù)進行這種控制，控制SOC估算值和SOC真實值使它們總是相互匹配，減小了SOC估算值對于SOC真實值的偏差。這能夠顯著提高整個系統(tǒng)的能量管理的精度。
附圖的簡要說明

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例1的電池組系統(tǒng)的示例結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是表示電壓數(shù)據(jù)V(n)和電流數(shù)據(jù)I(n)的數(shù)據(jù)組以及通過統(tǒng)計處理由該數(shù)據(jù)組得到的近似線，該近似線用于獲得無負載電壓V0。
圖3是表示在根據(jù)本發(fā)明實施例1估算二次電池剩余容量的方法中的處理步驟的流程圖。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明實施例2的電池組系統(tǒng)的示例結(jié)構(gòu)的框圖。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明實施例2用于估算二次電池剩余容量的方法中的處理步驟的流程圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明實施例3的電池組系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的框圖。
圖7是表示在實施例3中隨著時間推移累積容量的變化ΔQ和極化電壓Vpol變化的例子的示圖。
圖8是表示在根據(jù)本發(fā)明實施例3用于估算二次電池剩余容量的方法中的工序的流程圖。
圖9是表示在實施例3中隨著時間的推移無負載電壓V0、電動勢Veq、電流累積系數(shù)k、SOC真實值(SOCt)和SOC估算值(SOCes)的變化的示圖。
圖10表示在實施例3中在SOC估算時的初始值被改變的情況下SOC估算值的收斂。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明實施例4的電池組系統(tǒng)的示例結(jié)構(gòu)的框圖。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明實施例4的用于估算二次電池剩余容量的方法中的工序的流程圖。
本發(fā)明最佳實施方式下面，參考附圖、借助優(yōu)選實施例描述本發(fā)明。
實施例1圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例1的電池組系統(tǒng)1A的典型結(jié)構(gòu)的框圖。在圖1中，電池組系統(tǒng)1A由電池組100和電池ECU 101A構(gòu)成，電池ECU 101A包括作為微機系統(tǒng)一部分的、用于根據(jù)本發(fā)明估算剩余容量的裝置。
電池組100具有這樣一個結(jié)構(gòu)，其中多個電池組件(電池)以串聯(lián)方式電連接的結(jié)構(gòu)，各電池組件具有多個串聯(lián)的電池(例如，鎳-金屬氫化物電池)，從而在通常安裝在HEV等上時獲得預(yù)定輸出。
在電池ECU101A中，參考標(biāo)記102表示電壓測量部分，用于測量在預(yù)定采樣階段由電壓傳感器(未示出)檢測出的二次電池100的端子電壓，此終端電壓作為電壓數(shù)據(jù)V(n)，103表示電流測量部分，用于測量在預(yù)定采樣階段由電流傳感器(未示出)檢測出的二次電池100的充電/放電電流，此電流作為電流數(shù)據(jù)I(n)(它的符號表示充電方向或放電方向)，104表示溫度測量部分，用于測量由溫度傳感器(未示出)檢測的二次電池100的溫度作為溫度數(shù)據(jù)T(n)。
參考標(biāo)記105表示電動勢計算部分，此部分由數(shù)據(jù)組選擇部分106、無負載電壓計算部分107和無負載電壓確定部分108構(gòu)成。
把來自電壓測量部分102的電壓數(shù)據(jù)V(n)和來自電流測量部分103的電流數(shù)據(jù)I(n)作為數(shù)據(jù)組輸入數(shù)據(jù)組選擇部分106。在數(shù)據(jù)組選擇部分106中，在這樣的選擇條件，即在充電方向(-)和放電方向(+)中的電流數(shù)據(jù)I(n)的數(shù)值在預(yù)定范圍(例如，±50A)內(nèi)的情況下，在充電方向和放電方向上存在預(yù)定數(shù)量或更多個(例如，在60個樣品中的每10個)電流數(shù)據(jù)I(n)，在得到數(shù)據(jù)組的同時累積容量的變化ΔQ在預(yù)定范圍內(nèi)(例如0.3Ah)，電壓數(shù)據(jù)V(n)和電流數(shù)據(jù)I(n)的數(shù)據(jù)組被確定為有效，并作為有效數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))被選擇和輸出。
將來自數(shù)據(jù)組選擇部分106的有效數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))輸入到無負載電壓計算部分107。在無負載電壓計算部分107，如圖2所示，通過利用最小二乘的統(tǒng)計處理、由有效數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))獲得一級電壓-電流線(近似線)，計算作為無負載電壓V0的對應(yīng)于0電流的電壓值(電壓(V)截距)。
將來自無負載電壓計算部分107的無負載電壓V0輸入到無負載電壓確定部分108。在無負載電壓確定部分108，作為確定條件，獲得數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))相對于近似線的方差，此方差在預(yù)定范圍內(nèi)，或者獲得近似線和數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))之間的相關(guān)系數(shù)，并且該相關(guān)系數(shù)是預(yù)定值或更高，在這種情況下，算出的無負載電壓V0被確定為有效并作為電池的電動勢Veq輸出。
將來自電動勢計算部分105的電動勢Veq輸入到電流累積系數(shù)修正部分109。在電流累積系數(shù)修正部分109中，根據(jù)電動勢Veq確定相對于電流累積系數(shù)k的修正量α。由基本表達式(primaryexpression)表示相對于電動勢Veq的修正量α，該值是考慮到系統(tǒng)的收斂而確定的。通過加法器111將從充電效率計算部分110輸出的充電效率η加上或減去在電流累積系數(shù)修正部分109中獲得的修正量α，以獲得電流累積系數(shù)k。
將來自加法器111的電流累積系數(shù)k輸入到剩余容量估算部分112。在剩余容量估算部分中，將來自電流測量部分103的電流數(shù)據(jù)I(n)乘以電流累積系數(shù)k，通過在預(yù)定時間段內(nèi)電流累積估算剩余容量SOC。
此外，將SOC估算值輸入到充電效率計算部分110。在充電效率計算部分110中，根據(jù)在溫度測量部分104中測量的溫度數(shù)據(jù)T(n)，由預(yù)先存儲的以溫度為參數(shù)的關(guān)于SOC估算值的充電效率η的特性曲線計算充電效率η。在電池組100處于放電狀態(tài)的情況下，充電效率η固定為1。在電池組100處于充電狀態(tài)的情況下，采用由充電效率計算部分110算出的充電效率η。
下面，參照圖3描述估算如上述結(jié)構(gòu)的電池組系統(tǒng)中剩余容量的處理步驟。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例1的用于估算二次電池剩余容量的方法中的處理步驟的流程圖。在圖3中，測量作為數(shù)據(jù)組(S301)的電壓數(shù)據(jù)V(n)和電流數(shù)據(jù)I(n)。然后，為了檢查在步驟S301中測量的電壓數(shù)據(jù)V(n)和電流數(shù)據(jù)I(n)的數(shù)據(jù)組是否有效，確定這些數(shù)據(jù)組是否滿足上述選擇條件(S302)。在數(shù)據(jù)組不滿足在步驟S302的確定中的選擇條件時(否)，該程序返回步驟S301，重新測量電壓數(shù)據(jù)V(n)和電流數(shù)據(jù)I(n)的數(shù)據(jù)組。另一方面，在數(shù)據(jù)組滿足在步驟S302的確定中的選擇條件時(是)，該程序進行至步驟S303，這樣獲得多個(例如，在60個樣品中在充電和放電方向每10個樣品)有效數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))。
下面，通過利用最小二乘的統(tǒng)計處理，由有效數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))獲得一級近似線(V-I線)。計算近似線的V截距以作為無負載電壓V0(S304)。然后，為了檢查在步驟S304中算出的無負載電壓V0是否有效，確定無負載電壓V0是否滿足上述確定條件(S305)。在無負載電壓V0不滿足步驟S305的確定中的確定條件時(否)，程序返回至步驟S303。然后，獲得另外多個(例如，在60個樣品中不同的每10個樣品)有效數(shù)據(jù)組S(V(n)，I(n))，重復(fù)步驟S304和S305。另一方面，在算出的無負載電壓V0滿足步驟S305的確定中的確定條件時(是)，算出的無負載電壓V0設(shè)定為電動勢Veq。
然后，根據(jù)電動勢Veq計算關(guān)于電流累積系數(shù)k的修正量α(S306)。此外，根據(jù)測出的溫度數(shù)據(jù)T(n)，由當(dāng)前估算的剩余容量SOC(SOC估算值)算出充電效率η(S307)。然后，用在步驟S306中獲得的修正量α與在步驟S307中獲得的充電效率η相加以算出電流累積系數(shù)k(S308)。最后，在預(yù)定階段中，電流數(shù)據(jù)I(n)乘以電流累積系數(shù)k，由電流累積估算剩余容量SOC(S309)。
如上所述，根據(jù)本實施例，根據(jù)電池電動勢Veq修正電流累積系數(shù)k，由電流累積估算SOC，因而由于電流累積引起的誤差沒有累積在SOC中間區(qū)域中，則能夠高精確度地估算SOC。
實施例2圖4是表示根據(jù)本發(fā)明實施例2的電池組系統(tǒng)的示例結(jié)構(gòu)的框圖。在圖4中，與圖1中表示實施例1結(jié)構(gòu)的部分相同的部分用相同的參考標(biāo)記表示，在此省略了對它們的描述。
在本實施例中，將估算電動勢計算部分113和減法器114添加到實施例1中以構(gòu)成電池ECU 101B。
估算電動勢計算部分113從當(dāng)前估算的SOC獲得估算電動勢Ves。減法器114從在電動勢計算部分105算出的電動勢Veq中減去在估算電動勢計算部分113中算出的估算電動勢Ves，并向電流累積系數(shù)修正部分109輸出電動勢偏差Vd。
接下來，參考圖5描述如上設(shè)置的電池組系統(tǒng)中估算剩余容量的處理步驟。
圖5是表示在根據(jù)本發(fā)明實施例2用于估算二次電池剩余容量的方法中的處理程序的流程圖。圖5中，與圖3中表示實施例1處理程序的相同的步驟用相同的參考標(biāo)記表示，在此省略了對它們的描述。
在圖5中，一直到無負載電壓V0確定步驟(S305)的步驟都與實施例1中的相同，因而省略了對其的描述。在算出的無負載電壓V0滿足在步驟S305的確定中的確定條件時(是)，根據(jù)預(yù)先獲得的、存儲了關(guān)于剩余容量的電動勢的特性的查詢表或公式，由SOC估算值計算估算電動勢Ves(S501)。然后，從在步驟S305中確定的電動勢Veq中減去估算電動勢Ves以算出電動勢偏差Vd(S502)。然后，根據(jù)電動勢偏差Vd計算關(guān)于電流累積系數(shù)k的修正量α(S503)。
后續(xù)步驟與實施例1中的相同，因而在此省略了對它們的描述。
如上所述，根據(jù)本實施例，SOC估算值作為估算電動勢Ves被反饋，將算出電動勢Veq和估算電動勢Ves之間的差值控制為零，由此可進一步提高累積容量的計算精度。
實施例3圖6是表示根據(jù)本發(fā)明實施例3的電池組系統(tǒng)1C的示例結(jié)構(gòu)的框圖。在圖6中，與圖4中表示實施例2的結(jié)構(gòu)的部分相同的部分用相同的參考標(biāo)記表示，在此省略了對它們的描述。
在本實施例中，變化容量計算部分115、第一計算部分116、極化電壓計算部分117和減法器118添加到實施例2的電動勢計算部分105以獲得電動勢計算部分105’，由此構(gòu)成電池ECU 101C。
變化容量計算部分115由電流數(shù)據(jù)I(n)獲得在過去的預(yù)定時間段內(nèi)(例如，1分鐘)累積容量的變化ΔQ。
第一計算部分116用作低通濾波器(LPF)。第一計算部分116進行時間延遲處理，用于調(diào)節(jié)在來自變化容量計算部分115的累積容量的變化ΔQ和在后續(xù)極化電壓計算部分117中獲得的極化電壓Vpol之間的時間安排，并進行平均化處理以去除對應(yīng)于在累積容量的變化ΔQ中的不需要的高頻分量的波動分量，并輸出結(jié)果LPF(ΔQ)。這里，作為例子，圖7將在過去一分鐘內(nèi)累積容量的變化ΔQ表示為實線，極化電壓Vpol表示為虛線。從圖7中看出，在過去一分鐘內(nèi)，極化電壓Vpol在累積容量的變化ΔQ數(shù)十秒之后發(fā)生了變化。對應(yīng)于這種時間延遲，確定構(gòu)成第一計算部分116的LPF(在本發(fā)明中，LPF由基本(primary)延遲元件構(gòu)成)的時間常數(shù)τ。確定時間常數(shù)τ，所以就計算了關(guān)于ΔQ基本延遲元件，并使在LPF(ΔQ)和極化電壓Vpol之間的相關(guān)系數(shù)最大。
在極化電壓計算部分117中，根據(jù)在溫度測量部分104中測出的溫度數(shù)據(jù)T(n)，由預(yù)先存儲在查詢表(LUT)1171中的、以溫度為參數(shù)的關(guān)于LPF(ΔQ)的極化電壓Vpol的特性曲線或公式，算出極化電壓Vpol。
減法器118從有效電動勢V0OK中減去極化電壓Vpol以輸出電動勢Veq。
接下來，參考圖8描述估算在如上構(gòu)成的電池組系統(tǒng)中的剩余容量的處理程序。
圖8是表示在用于根據(jù)本發(fā)明實施例3估算二次電池的剩余容量的方法中的處理程序的流程圖。在圖8中，與圖5中表示實施例2的結(jié)構(gòu)的部分相同的部分用相同的參考標(biāo)記表示，在此省略了對它們的描述。
在圖8中，一直到無負載電壓V0的確定步驟(S305)都與實施例1中的相同，這樣省略了對其的描述。在本發(fā)明中，由在步驟S301中測量的電流數(shù)據(jù)I(n)獲得在過去了預(yù)定時間段內(nèi)(例如，1分鐘)累積容量的變化ΔQ(S1001)。然后，對累積容量的變化ΔQ進行濾波(時間延遲和平均處理)，以算出LPF(ΔQ)(S1002)。然后，根據(jù)存儲以前的極化電壓Vpol-LPF(ΔQ)特性數(shù)據(jù)的、以溫度數(shù)據(jù)T(n)作為參數(shù)的查詢表和公式，由算出的LPF(ΔQ)計算極化電壓Vpol(S1003)。
接下來，從在步驟S305中確定的有效無負載電壓V0ok中減去在步驟S1003中算出的極化電壓Vpol，以算出電動勢Veq(S1004)。
后續(xù)步驟與實施例2中的相同，因而在此省略了對其的描述。
圖9是表示無負載電壓V0、電動勢Veq、電流累積系數(shù)k、SOC真實值(SOCt)和SOC估算值(SOCes)隨時間的變化的示圖。在圖9中，從無負載電壓V0中減去極化電壓Vpol以獲得電動勢Veq，利用根據(jù)電動勢Veq修正的電流累積系數(shù)k估算SOC，由此可知SOC估算值SOCes接近SOC真實值SOCt。
圖10表示在估算SOC時的初始值變化的情況下SOC估算值的收斂。圖10示出了代表SOC估算值隨時間的變化的繪制數(shù)據(jù)P0時初始值為3.9Ah(SOC真實值)的情況；P1是初始值為6.5Ah的情況；P2是初始值為5.2Ah的情況；P3為初始值為2.6Ah的情況；P4是初始值為1.3Ah的情況。從圖10中可以看出，即使初始值與真實值(3.9Ah)相差±2.6Ah(約±67％的誤差)，在約1小時(3600秒)之后，SOC估算值也會收斂到與真實值(1.3Ah)相差±0.2Ah(約±15％的誤差)。
如上所述，根據(jù)本實施例，根據(jù)累積容量的變化ΔQ計算極化電壓Vpol。因此，極化電壓Vpol的計算精確度令人滿意，由無負載電壓V0減去極化電壓Vpol得到的電池電動勢Veq的計算精確度令人滿意，因此可高精確度地預(yù)算SOC。
此外，對累積容量的變化ΔQ進行濾波(時間延遲和收斂處理)。因此，能夠計算相對于累積容量的變化ΔQ具有時間延遲的極化電壓Vpol，從而實時跟蹤累積容量的變化ΔQ。此外，可以降低對于計算極化電壓Vpol所不需要的累積容量的波動分量。
實施例4圖11是表示根據(jù)本發(fā)明實施例4的電池組系統(tǒng)1D的示例結(jié)構(gòu)的框圖。在圖11中，用相同的參考標(biāo)記表示與在表示實施例3的結(jié)構(gòu)的圖6中示出元件相同的元件，在此省略了對它們的描述。
在本實施例中，從實施例3的電動勢計算部分105’中省略了第一計算部分115，取而代之，設(shè)置了第二計算部分119，以獲得電動勢計算部分105”，由此構(gòu)成電池ECU 101D。
第二計算部分119用作低通濾波器(LPF)。第二計算部分119進行時間延遲處理，用于調(diào)節(jié)在來自極化電壓計算部分117的極化電壓Vpol和來自無負載電壓確定部分108的有效無負載電壓V0ok之間的時間設(shè)置，并進行平均化處理以去除對應(yīng)于極化電壓Vpol中的不需要的高頻分量的波動分量，并輸出結(jié)果LPF(ΔQ)。
接下來，參考圖12描述在如上構(gòu)成的估算電池組中剩余容量的處理程序。
圖12是表示用于根據(jù)本發(fā)明的實施例4估算二次電池剩余容量的方法中的工序的流程圖。在圖12中，與圖8中表示實施例3的處理程序相同的步驟用相同的參考標(biāo)記表示，在此省略了對它們的描述。
在圖12中，直到無負載電壓V0的確定步驟(S305)和直到累積容量的變化計算步驟(S1001)的步驟都與實施例3中的相同，這樣省略了對其的描述。
根據(jù)存儲了在先的極化電壓Vpol-ΔQ特性數(shù)據(jù)的、以溫度數(shù)據(jù)T(n)為參數(shù)的查詢表或公式，由在步驟S1001中獲得的累積容量的變化ΔQ計算極化電壓Vpol(S1201)。然后，對算出的極化電壓Vpol進行濾波(時間延遲和平均處理)，以算出LPF(Vpol)(S1202)。然后，從在步驟S305中確定的有效無負載電壓V0ok中減去在步驟S1202中計算出的、在濾波后的極化電壓LPF(Vpol)，以計算出電動勢Veq。
后續(xù)步驟與實施例3相同，因而在此省略了對其的描述。
如上所述，根據(jù)本實施例，對極化電壓Vpol進行濾波(時間延遲和平均化處理)，由此在無負載電壓V0和極化電壓Vpol之間進行時間調(diào)節(jié)，可以計算出正確的電動勢Veq。此外，可以降低對于計算電動勢Veq所不需要的極化電壓Vpol的波動分量。
在上述實施例2至4中，將用于計算累積容量的變化ΔQ的預(yù)定時間段設(shè)定為例如1分鐘。然而，在將電池組系統(tǒng)安裝在HEV等上的情況下，該預(yù)定時間段可隨車輛的運行狀態(tài)進行變化。具體而言，在二次電池頻繁充電/放電的情況下，上述預(yù)定時間段設(shè)定得更短。在二次電池不頻繁充電/放電的情況下，上述預(yù)定時間段設(shè)定得更長。因此，根據(jù)實際運行狀態(tài)可以估算最佳極化電壓。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)電池電動勢修正電流累積系數(shù)，由電流累積估算SOC。因此，由于電流累積引起的誤差不累計在SOC中間區(qū)域中，可高精確度地估算SOC。
此外，還可以容易地估算在長時間擱置等原因造成了自放電之后的SOC，并且不需要通過定期進行完整地放電和完整地充電來初始化SOC。
此外，在電池組系統(tǒng)安裝在例如HEV等上的情況下，根據(jù)以高精確度估算的SOC可以精確控制SOC。具體而言，在SOC估算值確定為高于SOC真實值的情況下，降低充電效率，降低的量為電流累積系數(shù)的修正量。結(jié)果，和以前的累積相比，在隨后的累積中SOC估算值也降低了，因此SOC估算值接近于SOC真實值。另一方面，在SOC估算值確定為低于SOC真實值的情況下，增加充電效率，增加值為電流累積系數(shù)的修正量。結(jié)果，和以前的累積相比，在隨后的累積中SOC估算值也提高了，因此SOC估算值接近于SOC真實值。因此，通過持續(xù)進行這種控制，就控制了SOC估算值和SOC真實值使它們總是相互匹配，減小了SOC估算值相對于SOC真實值的偏差。這可以明顯增加整個系統(tǒng)的能量控制的精確度。
權(quán)利要求
1.一種用于估算二次電池的剩余容量的方法，包括以下步驟測量流過二次電池的電流和對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓的數(shù)據(jù)組，并獲得多個該數(shù)據(jù)組；根據(jù)所獲得的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢；根據(jù)計算出的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量；由修正量和充電效率計算電流累積系數(shù)；以及用測出的電流乘以算出的電流累積系數(shù)，并由電流累積估算二次電池的剩余容量。
2.一種用于估算二次電池的剩余容量的方法，包括以下步驟測量流過電池組的電流和對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓的數(shù)據(jù)組，并獲得多個數(shù)據(jù)組，其中所述電池組包括作為二次電池的多個電池的組合并用在中間充電狀態(tài)；根據(jù)所獲得的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢；根據(jù)計算出的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量；由修正量和充電效率計算電流累積系數(shù)；以及用測出的電流乘以算出的電流累積系數(shù)，并由電流累積估算二次電池的剩余容量。
3.一種電池組系統(tǒng)，包括計算機系統(tǒng)和電池組，該計算機系統(tǒng)用于執(zhí)行權(quán)利要求2的用于估算二次電池剩余容量的方法。
4.一種用電動機驅(qū)動的車輛，在這種車輛上安裝了電池組系統(tǒng)，該電池組系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)和電池組，該計算機系統(tǒng)用于執(zhí)行權(quán)利要求2的用于估算二次電池剩余容量的方法。
5.一種用于估算二次電池剩余容量的裝置，包括電流測量部分，用于測量流過二次電池的電流作為電流數(shù)據(jù)；電壓測量部分，用于測量對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓作為電壓數(shù)據(jù)；電動勢計算部分，用于根據(jù)來自電流測量部分的電流數(shù)據(jù)和來自電壓測量部分的電壓數(shù)據(jù)的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢；電流累積系數(shù)修正部分，用于根據(jù)來自電動勢計算部分的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量；加法器，用于由來自電流累積系數(shù)修正部分的修正量和充電效率輸出電流累積系數(shù)；以及剩余容量估算部分，用于將電流數(shù)據(jù)乘以來自加法器的電流累積系數(shù)，并通過電流累積估算二次電池剩余容量。
6.一種用于估算二次電池剩余容量的裝置，包括電流測量部分，用于測量流過電池組的電流作為電流數(shù)據(jù)，所述電池組具有作為二次電池的多個電池的組合并用在中間充電狀態(tài)中；電壓測量部分，用于測量對應(yīng)于該電流的二次電池端子電壓作為電壓數(shù)據(jù)；電動勢計算部分，用于根據(jù)來自電流測量部分的電流數(shù)據(jù)和來自電壓測量部分的電壓數(shù)據(jù)的多個數(shù)據(jù)組計算二次電池的電動勢；電流累積系數(shù)修正部分，用于根據(jù)來自電動勢計算部分的電動勢確定對于電流累積系數(shù)的修正量；加法器，用于根據(jù)來自電流累積系數(shù)修正部分的修正量和充電效率輸出電流累積系數(shù)；以及剩余容量估算部分，用于將電流數(shù)據(jù)乘以來自加法器的電流累積系數(shù)，并通過電流累積估算二次電池剩余容量。
7.一種電池組系統(tǒng)，包括權(quán)利要求6的用于估算二次電池剩余容量的裝置和電池組。
8.一種電動機驅(qū)動的車輛，在這種車輛上安裝了電池組系統(tǒng)，該電池組系統(tǒng)包括權(quán)利要求6的用于估算二次電池剩余容量的裝置和電池組。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有提高的二次電池剩余容量估算精確度的電池組系統(tǒng)。電流累積系數(shù)修正部分109根據(jù)來自電動勢計算部分105的電池電動勢Veq計算對于電流累積系數(shù)k的修正量α。剩余容量計算部分112根據(jù)由修正量α算出的電流累積系數(shù)k、通過電流累積估算剩余容量SOC，并且根據(jù)由充電效率計算部分110算出的當(dāng)前估算的剩余容量估算充電效率η。
文檔編號B60L11/02GK1610986SQ0282630
公開日2005年4月27日 申請日期2002年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月27日
發(fā)明者村上雄ォ, 高田雅弘, 江越輝善, 山邊律人 申請人:松下電動車輛能源股份有限公司