專利名稱：監(jiān)測電能存儲裝置的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到電能存儲裝置。
技術(shù)背景現(xiàn)代交通工具非常依賴于用于電能產(chǎn)生、存儲和分布的系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 每個車輛上的各種各樣系統(tǒng)的運(yùn)行都需要電能的可靠供給。預(yù)測電能存儲裝置(ESD)，比如電池，的能量容量，以及可靠的識別出電池的潛在故障是必 要的。電池健康狀態(tài)(SOH)包括用ESD總壽命的百分比來表示的ESD的 剩余使用壽命的列表。己知的市場上用于確定電池SOH的設(shè)備需要另外的 更 件并且價格昂貴。 發(fā)明內(nèi)容監(jiān)測電能存儲裝置的方法包括在電能存儲裝置上循環(huán)施加電負(fù)載，以及 在電負(fù)載的循環(huán)施加的瞬變部分期間監(jiān)測從電能存儲裝置輸出的電壓和電 流?；谠陔娯?fù)載的循環(huán)施加的瞬變部分期間監(jiān)測到的電流和電壓來估算電 能存儲裝置的內(nèi)阻。


現(xiàn)在結(jié)合以下附圖，以舉例的方式描述一個或多個的實施例，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例電路的示意圖；并且 圖2、 2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的算法流程圖。
具體實施方式
現(xiàn)在參見附圖，其僅僅是為了說明實施方式的目的，并不意在限制于此。 圖1示出了一個根據(jù)一個實施例的包括表示示例性電能存儲裝置(ESD) 10 的Thevenin等效電路的示意圖。該ESD可以包括用于車輛的電池設(shè)備，比 如，傳統(tǒng)的12V—dc電池設(shè)備?？商鎿Q地，該ESD包括高電壓ESD設(shè)備， 可被操作用于向機(jī)電混合車輛系統(tǒng)供應(yīng)電能。該等效電路包括電壓生成元件 Vq和Vh，以及包括高頻電阻Ro、并聯(lián)電阻Rp和并聯(lián)電容C的內(nèi)阻抗元件。 評估ESD10的參數(shù)包括開路電位(Voc)和端子12、 14兩端可測量的電能輸出，包括電壓Vn^和電流Ime^。該ESD10通過配線和開關(guān)16選擇性地可連接到負(fù)載設(shè)備18上，從而形成電路。該開關(guān)16可以包括多種控電設(shè)備中的任意一種，比如，通過電子控 制模塊15可操作控制的機(jī)電繼電器的固體狀態(tài)。電流傳感裝置13能夠測量 電流I,，并可以與控制模塊信號連接。端子12和14信號連接到控制模i央，允許電壓Vme^的測量?？刂颇K15可操作用于通過控制一個或多個開關(guān)來激活和去激活到ESD的負(fù)載，通過監(jiān)測電流和電壓的輸入來監(jiān)測ESD參數(shù)的狀態(tài)，并且執(zhí)行 存儲在其中的算法以根據(jù)監(jiān)測到的ESD的狀態(tài)來確定ESD的健康狀態(tài)。當(dāng) 控制模塊閉合開關(guān)16時，完成電路，并且電負(fù)載被施加到ESD上，在電壓Vmeas和電流ImeaS方面可測量。監(jiān)測ESD并確定健康狀態(tài)(SOH)以及預(yù)測剩余使用壽命的優(yōu)選過程是 基于對在原處的ESD的高頻電阻Ro的估算，優(yōu)選是在一段逝去時間后的靜 止周期內(nèi)對其的估算，盡管本發(fā)明并不僅限于此。靜止周期例如當(dāng)點(diǎn)火被切 斷時的汽車應(yīng)用中被定義。靜止周期優(yōu)選有足夠的持續(xù)時間以允許ESD穩(wěn)定 化，從而實現(xiàn)SOC的準(zhǔn)確估算?？商鎿Q地，只要由該ESD操作參數(shù)所確定 的該ESD是穩(wěn)定的，負(fù)載就可以在系統(tǒng)操作期間被施加到系統(tǒng)。ESD的該高頻電阻Ro通過例如在靜止周期期間施加電負(fù)載到ESD上并 監(jiān)測輸出而被確定。該電負(fù)載采用施加到該ESD的以方波形式的放電電流信 號形式。施加的放電電流波形包括不同的激勵頻率，或通斷循環(huán)周期。該放 電電流的合適的大小約為20A。該放電電流通過反復(fù)地激活和去激活負(fù)載設(shè) 備18而得到，例如，當(dāng)該ESD是機(jī)動車輛的一個部件時，該負(fù)載設(shè)備18包 括后窗除霧器。該控制模塊15優(yōu)選是通用數(shù)字計算機(jī)，主要包括微處理器或中央處理單 元、存儲介質(zhì)、高速時鐘、模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換電路、以及輸入 /輸出電路和設(shè)備(I/O)和合適信號調(diào)整和緩沖電路，其中存儲介質(zhì)包括非易 失性存儲設(shè)備，非易失性存儲設(shè)備包括只讀存儲器(ROM)、電可編程只讀 存儲器(EPROM)、隨機(jī)存儲器(RAM)。該控制模塊可以有一套控制算法， 包括存儲在內(nèi)存中且可執(zhí)行來提供計算機(jī)的各種功能的駐留程序指令和校準(zhǔn) 值。現(xiàn)在參見圖2、 2A和2B，流程圖20描述了一種算法，優(yōu)選是在該控制 模塊中執(zhí)行以確定該ESD的健康狀態(tài)(SOH)，該ESD是根據(jù)圖1建造的系 統(tǒng)的一個元件。該系統(tǒng)優(yōu)選是在靜止周期中，其中該系統(tǒng)被停止從而在預(yù)定 的時間段內(nèi)有很小或沒有電流進(jìn)入或流出該ESD，該時間段足夠長以使各種 ESD特性穩(wěn)定下來。當(dāng)在車輛上執(zhí)行時，該靜止周期包括對于使該ESD的內(nèi) 部條件穩(wěn)定化的切斷周期，典型的是一段四到六小時的時間。該ESD的該穩(wěn) 定化使得精確、可重復(fù)地測量表示電池健康狀態(tài)的條件，所述條件包括內(nèi)部 操作ESD溫度T，盡管已知該ESD溫度不必達(dá)到有效操作的環(huán)境溫度。在一 段足夠長的時間段后的靜止周期期間，該控制模塊測量端子12、 14兩端的 ESD的電壓Vmeas和電流Imeas，以及該ESD的溫度T，通過它們來確定ESD 開路電位(Voc)(步驟22)。如上所述，禾U用已知的傳感器和信號處理算法 來測量ESD電壓、電流和溫度狀態(tài)(步驟24)。該ESD溫度狀態(tài)通過使用傳 感器或使用電池溫度估算器直接測量ESD溫度來確定。 一個電池溫度測量器 的例子包括使用發(fā)動機(jī)冷卻劑溫度和環(huán)境溫度作為測量替代或代理溫度以在 靜止周期后在上述的范圍內(nèi)逼近電池溫度。當(dāng)ESD電流大于第一閾值I—thr_l時(步驟26)，通常經(jīng)由儀表燈來通知 操作者(步驟35)，然后算法20的測試中止(步驟37)。該第一閾值I一thr—1 包括來自ESD的最大電流，指明進(jìn)行該測試的能力。利用任何一種用來確定SOC的公知的方法基于ESD開路電位和ESD的 溫度T來確定ESD的荷電狀態(tài)(state-of-charge)(步驟28)。根據(jù)在該ESD 溫度T下的ESD開路電壓Voc，通常采用以表格形式排列且存儲在控制模塊 的非易失性存儲設(shè)備之一中的預(yù)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來估算該ESD SOC。如以上關(guān)于 步驟35、 37所述的，當(dāng)該ESDSOC低于預(yù)定的荷電狀態(tài)閾值(SOC_Low) 時(步驟30)，通知操作者。當(dāng)該ESD SOC低于第二預(yù)定荷電狀態(tài)閾值 (SOC—High)時(步驟32)，算法20的測試中止。步驟22、 24、 26、 28、 30和32中所實施的動作發(fā)生在步驟34的動作之前的靜止周期期間，并且可 以獨(dú)立于它。然后，在這個實施例中，該控制模塊通過激勵負(fù)載設(shè)備18來產(chǎn)生電負(fù)載 和放電電流以施加放電電流波形。該電流和電壓被同時被監(jiān)測(步驟34)。該 放電電流包括由該控制模塊產(chǎn)生的電流波形，該電流波形由控制模塊通過反復(fù)使負(fù)載設(shè)備18接通和關(guān)斷，比如，通過施加開關(guān)信號到開關(guān)16上來產(chǎn)生。該車輛后窗除霧器是一個合適負(fù)載的例子。僅作為舉例而言，在一個實施例 中，施加到開關(guān)16上的開關(guān)信號的總持續(xù)時間大約為120秒。在這個說明中， 如在該實施例中所述的，來自控制模塊的開關(guān)信號有三部分不同的頻率。每 一部分持續(xù)40秒，有50%的占空比。第一部分具有兩個循環(huán)；每一個具有 20秒的周期(10秒接通10秒關(guān)斷)。第二部分有四個循環(huán)；每一個具有10 秒的周期(5秒接通5秒關(guān)斷)。第三部分有10個循環(huán)；每一個具有4秒的周期(2秒接通2秒關(guān)斷)。分析包括ESD電壓Vm^和電流In^的數(shù)據(jù)，以確定該ESD的高頻電阻。兩個單獨(dú)的計算被執(zhí)行以估算被稱為Roe—1和Roe_2 的高頻內(nèi)阻(步驟36， 38)。第一估算值Roe—1是通過使用遞歸的最小二乘法基于監(jiān)測到的數(shù)據(jù)估算 電阻而得到的。這種方法例如在共同待決且共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請系列號 11/561907 (代理人案號GP—307669)中有所描述。該方法包括監(jiān)測來自在參照歩驟34所述的負(fù)載條件下的系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，即，Vmeas和I,，然后遞歸執(zhí)行多個方程來利用最小二乘法得到高頻電阻的估算值，Ro。第二估算值Roe一2是使用一個方法得到的，該方法在端子12、 14兩端測量的輸出信號的上升邊緣、下降邊緣或在上升和下降邊緣的多個點(diǎn)執(zhí)行對 ESD電壓變化和電流變化比值的過濾分析(步驟38)。參考圖2A進(jìn)一步詳細(xì)描述在循環(huán)施加的電負(fù)載的靜止部分期間的這個確定過程。現(xiàn)在參見圖2A，該第二估算算法計算在輸出信號的上升和下降邊緣的多個點(diǎn)處的電壓變化與電流變化的比值(即，AVmeJAIm^)。該估算中應(yīng)用了在輸出信號的每個上升和下降邊緣處的三個點(diǎn)以得到高頻電阻值的指示。當(dāng)電流穿過預(yù)定電流值時，比如5A、 10A禾ni5A，，該計算被觸發(fā)。對應(yīng)于穿 過電流電平5A、 10A和15A的電流的電阻Ro1、 Ro2禾卩Ro3的值在每個"i" 點(diǎn)(i=l， 2， 3)處利用方程l確定其中V(i)和I(l)分別包括觸發(fā)點(diǎn)的Vmeas， Imeas。電壓和電流電平V(i-l),和I(i-l)分別是在前一個取樣點(diǎn)的電壓和電流。使用的取樣時間為20毫秒(ms)。對 于每個觸發(fā)電流電平，通過方程2計算每個所計算的Roi (Filtered—RoO的平均值<formula>formula see original document page 8</formula>其中"t"是、 {言號的總消逝時間。在測試結(jié)束時，使用這個方法的高頻電阻的平均值利用方程3來確定， 得出Roe—2:0e_ 一 ^ 該估算的高頻電阻，Roe—1和Roe—2，通過平均測試期間的所有值而被過濾。如圖2B所示，從這兩個方法得到的高頻電阻值被輸入一個算法，以確定 高頻電阻的平均值和置信水平，并且下文將進(jìn)行描述。置信水平基于Roe—1 和Roe—2之間的標(biāo)準(zhǔn)化殘差而被計算。然后該兩個輸出被用于后續(xù)的過濾塊 (步驟40)。基于置信水平來調(diào)整過濾值上的新電阻值的加權(quán)系數(shù)。該ESD 高頻電阻相關(guān)于溫度而被連續(xù)估算并儲存。在相同溫度下高頻電阻相距其極 限值(即，在ESD壽命終止時的電阻值)的標(biāo)準(zhǔn)化距離是該ESD剩余壽命 百分水平的指示符。分析Roe—1和Roe—2和值以確定Ro的估算值，以及相應(yīng)的置信水平(步 驟39)。 Roe一l和Roe—2的值期望是合理地相似。如圖2B所示的分析Roe—1 和Roe—2的值，并且將Ro作為Roe_l和Roe—2的平均值來計算和標(biāo)準(zhǔn)化， 如方程4:<formula>formula see original document page 8</formula>如方程5所示計算標(biāo)準(zhǔn)化殘差，Delta:壓/似=(細(xì)-b紐-2) [5]置信水平基于標(biāo)準(zhǔn)化殘差Delta來計算。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化殘差值在預(yù)定的區(qū)間 [-a,+a]內(nèi)時，該高頻電阻的值是這兩個電阻的平均值，且置信水平為100%。 當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化殘差在區(qū)間h+a]外但在區(qū)間[-b,+b]內(nèi)時，該高頻電阻值是這兩個電 阻的平均值，置信水平在100%到0%的范圍。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化殘差在區(qū)間[-b,+b]以 外時，置信水平為0%。在區(qū)間[-b,-a]之間置信水平從0到100%線性增加， 并且在區(qū)間[+4+b]之間從100%到0線性減小。高頻電阻值Ro和置信水平都被輸入到過濾塊，以降低隨機(jī)因素的影響(步驟40)。例如，在這個應(yīng)用中使用一個加權(quán)的移動平均值濾波器。在濾波 器中新電阻值的權(quán)重取決于置信水平。例如，當(dāng)置信水平為0%時，就丟棄新的值，并且不用它來確定SOH。該高頻電阻的值可以在ESD單元之間變化，并且因此，當(dāng)該ESD包括 新投入服務(wù)的單元時，優(yōu)選地基于溫度和SOC來生成Ro的基線值。對于新 電池(比如，在本實施例中在幾周內(nèi)測量的、使用期限低于預(yù)定的循環(huán)次數(shù) 或服務(wù)時間的新電池)，基于溫度和SOC估算的Ro值以表格形式存儲在控制 模塊15的存儲設(shè)備中，并且100%的剩余壽命指示被發(fā)送給操作者，然后繼 續(xù)運(yùn)行(步驟42、 48、 50、 52)。當(dāng)因不停循環(huán)使該ESD老化時，該高頻電阻由于若干原因而增加，比如 格柵腐蝕和硫酸化。為預(yù)測該ESD的剩余使用壽命，將同一溫度和SOC下 的Ro估算值和Ro極限值(S卩，當(dāng)該ESD不能再產(chǎn)生足以啟動車輛的能量時) 之間的標(biāo)準(zhǔn)化差值被計算(步驟44)。該Ro的極限值作為溫度和SOC的函 數(shù)能夠在系統(tǒng)的試生產(chǎn)期間被確定。該ESD的剩余使用壽命，即SOH，能夠 根據(jù)方程6計算<formula>formula see original document page 9</formula>其中Ro輛t是Ro的極限值，Ro，是ESD是新的時的Ro。對于剛投入服務(wù)的 ESD， SOH是100%。當(dāng)ESD老化并且電阻增加時，SOH降低到0。 ESD SOH 通過計量器被指示給操作者，例如，通過和車輛操作者或修理技師通信的車 載設(shè)備(步驟46)，該系統(tǒng)的操作在此后繼續(xù)(步驟52)。該ESD健康狀態(tài)(SOH)基于高頻電阻Ro與基線高頻電阻相比的變化 來確定。在ESD服務(wù)壽命內(nèi)SOH的變化使操作者能夠估計該ESD的老化， 即，預(yù)測該ESD的剩余使用壽命。該SOH通過估算該ESD在特定操作條件 下的內(nèi)阻來確定。在持續(xù)的操作期間該ESD高頻電阻被重復(fù)地估算，并和相 關(guān)的環(huán)境溫度一起被存儲在控制模塊的存儲設(shè)備中。在相似溫度和SOC下確 定的高頻電阻參數(shù)和極限值之間的標(biāo)準(zhǔn)化差值表示ESD的剩余使用壽命。示 例性的SOH的極限值包括ESD不再能夠產(chǎn)生足以啟動和操作車輛的能量時的電阻f直Ro,Unut。以上描述了特定優(yōu)選的實施例及其改進(jìn)。在閱讀和理解本說明書的的基礎(chǔ)上，還可以做出進(jìn)一步的改進(jìn)和變化。因此，本發(fā)明不局限于這些被認(rèn)為 是實現(xiàn)本發(fā)明最好方式的特定實施例，但本發(fā)明包括所有落入所附帶的權(quán)利 要求的范圍內(nèi)的實施方式。
權(quán)利要求
1.監(jiān)測電能存儲裝置的方法，包括向該電能存儲裝置循環(huán)施加電負(fù)載，并監(jiān)測其電流和電壓；并且，基于在循環(huán)施加電負(fù)載期間監(jiān)測到的電流和電壓狀態(tài)來估算該電能存儲裝置的內(nèi)阻和相關(guān)的置信水平。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中估算電能存儲裝置的內(nèi)阻包括基于在循 環(huán)施加電負(fù)載期間監(jiān)觀倒的電流和電壓的狀態(tài)來估算該電能存儲裝置的第一和 第二內(nèi)阻狀態(tài)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中估算第一內(nèi)阻狀態(tài)包括基于監(jiān)須倒的電 流和電壓^3I歸地執(zhí)行最小二乘計算。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中估算第二內(nèi)阻狀態(tài)包括在循環(huán)施加電負(fù) 載的瞬變部分期間確定電壓變化和電流變化的比值。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中估算電能剤線置的相關(guān)的置信7KTO括基于第一和第二內(nèi)阻估算值之間的差值計算殘差；以及 基于該殘差確定該置信水平。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中向該電能存^f線置循環(huán)施加電負(fù)載包括 循環(huán)地激活和去激「活分立的電負(fù)載設(shè)備。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其還包括選擇性^>激活和去歡活該分立 的電負(fù)載設(shè)備的循環(huán)周期。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在靜止周期向該電能存儲裝置循環(huán)施力口 電負(fù)載和監(jiān)測其電流和電壓。
9. 監(jiān)測電能存儲體的方法，包括 向該電能剤il^g循環(huán)施加電負(fù)載并監(jiān)測其電流和電壓； 基于在循環(huán)施加電負(fù)載期間監(jiān)測到的電流和電壓狀態(tài)來估算該電能存儲裝置的內(nèi)阻和相關(guān)的置信水平；以及基于該估算的內(nèi)阻來確定該電能存儲裝置的健康狀態(tài)。
10. 如權(quán)禾腰求9所述的方法，其中估算該電能存儲裝置的內(nèi)阻和相關(guān)的 置信7jC平包括基于在循環(huán)施加電負(fù)載期間監(jiān)測到的電流和電壓)^態(tài)來估算該電育游M^g的第一和第二內(nèi)阻狀態(tài)。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其中估算第一內(nèi)阻狀態(tài)包括基于監(jiān)觀倒的電流和電壓 歸地執(zhí)行最小二乘計算。
12. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中估算第二內(nèi)阻狀紘?yán)ㄔ谘h(huán)施加電 負(fù)載的瞬變部分期間確定電壓變化和電流變化的比值。
13. 監(jiān)測電能存^^置的方法，包括 向該電能存儲體循環(huán)施加電負(fù)載；在循環(huán)施加電負(fù)載的瞬變部分期間監(jiān)澳縱該電能存儲裝置輸出的電壓和電流；以及基于在循環(huán)施加電負(fù)載的瞬變部分期間監(jiān)測到的電流和電壓來估算該電能 存儲設(shè)備的內(nèi)阻。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中在循環(huán)施加電負(fù)載的瞬變部分期間監(jiān) 測從該電能存儲^S輸出的電壓和電流包括在循環(huán)施加電負(fù)載的瞬變部分期間 監(jiān)測預(yù)定電流下的電壓。
全文摘要
監(jiān)測電能存儲裝置的方法和系統(tǒng)。通過向其循環(huán)施加電負(fù)載和在循環(huán)施加的電負(fù)載的瞬變部分期間監(jiān)測電壓和電流來監(jiān)測電能存儲裝置。
文檔編號G01R31/36GK101221224SQ200710307198
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者M·A·薩爾曼, 姚振輝 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司