專利名稱：基于電池電壓變化模式估計電池健康狀態(tài)的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于估計電池健康狀態(tài)(State of Health, S0H)的裝置及方法， 并且更具體而言，涉及用于基于充電狀態(tài)(State Of Charge, S0C)來估計電池健康狀態(tài)的 裝置及方法，其中，健康狀態(tài)是代表電池的容量衰退的參數(shù)，充電狀態(tài)是代表電池的剩余容 量的參數(shù)。
背景技術：
一般來說，電動車輛或混合動力車輛(下文中均稱為電力驅動車輛)使用存儲在 電池中的電能、以電力驅動模式來驅動。使用化石燃料的車輛利用液態(tài)燃料來操作發(fā)動機，因此測量燃料的剩余量并不 難。但對于電力驅動車輛來說，電池的剩余能量并不容易精確地測量出來。電力驅動車輛使用充電于電池中的能量來移動，所以檢查電池的剩余容量是非常 重要的。因此，由檢查電池的SOC來告知駕駛人例如可能的行駛距離等信息的技術已經(jīng)蓬 勃地發(fā)展。舉例來說，有一種方法是當電池充電/放電時，對其電壓進行測量；在未負載的狀 態(tài)下，由測量到的電壓來估計電池的開路電壓，然后參考對每個開路電壓均定義SOC的SOC 表格，對應于所估計的開路電壓來映射S0C。然而，當電池充電/放電時，由于壓降效應aR drop effect)，所估計出的電池電壓與實際的電壓有顯著地差異，因此，除非校正該誤差， 否則無法獲得精確的S0C。其中，壓降效應是指當電池連接至負載來開始放電、或由外部電力源開始充電時， 其電壓快速變化的現(xiàn)象。即，當電池開始放電時，其電壓會快速降低，而當電池開始充電時， 其電壓會快速增加。另一示例是一種由對電池的充電、放電電流進行積分來對其電池的SOC進行估計 的方法。使用該方法時，由于電流測量過程中所產(chǎn)生的測量誤差持續(xù)地累積，因該SOC的精 確度會隨時間而下降。同時，除了前述的SOC，SOH是代表電池的狀態(tài)的另一參數(shù)。SOH是量化地表示因老 化效應而造成的電池容量變化的參數(shù)，以及其允許用于檢查電池的容量衰退了多少。因此， 如果檢查S0H，即可以在適當?shù)臅r間點處更換電池，且還可根據(jù)電池的使用期限控制電池的 充電/放電容量，以避免電池被過度充電或過度放電。電池容量特征的變化反映在電池內(nèi)部電阻的變化上，因此一般皆知可由電池的內(nèi) 部電阻及溫度來估計S0H。換言之，通過充電/放電實驗，由電池的每個內(nèi)部電阻及其溫度 來測量出電池的容量。接著，基于電池的初始容量將所測量出的容量估計為相對的數(shù)值，以 得出用于SOH映射的查找表。然后，在實際的電池使用環(huán)境下，電池的內(nèi)部電阻及溫度均被 測量，然后由前述的查找表映射出對應于內(nèi)部電阻及溫度的SOH以估計電池的S0H。在前述的SOH估計方法中，最重要的是如何精確獲得電池內(nèi)部電阻。然而，當電池 充電/放電時，事實上不可能直接測量出電池內(nèi)部電阻。因此，通常是測量電池電壓及充電/放電電流，以間接地根據(jù)歐姆定律計算出電池內(nèi)部電阻。然而，由于壓降效應造成電池電 壓與實際電壓不一致，且電池電流還有測量誤差，根據(jù)歐姆定律簡單計算出的內(nèi)部電阻、以 及由內(nèi)部電阻估計出的SOH并不確保足夠的可信度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明被設計成解決現(xiàn)有技術的問題，并因此本發(fā)明的目的是提供具有高精確性 的估計SOH的裝置及方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種估計SOH的裝置及方法，其是當SOH為由數(shù)學模型 所估計時，由使用從電池電壓變化模式所估計的SOC來提高SOH估計的精確度。本發(fā)明的又一目的是提供一種估計SOH的裝置及方法，其是當SOH由數(shù)學模型所 估計時，通過一起考慮以不同方式所估計出的S0C，可以提高SOH估計的精確度。為了達成上述目的，本發(fā)明提供一種用于基于電池電壓變化模式估計電池的SOH 的裝置。該裝置包括數(shù)據(jù)存儲單元，其用于在估計SOH時，獲得并存儲來自電壓感測單元、 電流感測單元以及溫度感測單元的電池電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)，且該電壓感測單元、該電 流感測單元以及該溫度感測單元耦合至該電池；第一 SOC(充電狀態(tài))估計單元，其用于通 過使用存儲的電池電流數(shù)據(jù)的安培計算方式來估計出第一 SOC ；第二 SOC估計單元，其用 于由存儲的電池電壓變化模式估計開路電壓，以及使用開路電壓與SOC之間的相關性、以 及電池溫度與SOC之間的相關性來計算并存儲對應于該開路電壓以及該電池溫度的第二 SOC ；加權平均值收斂計算單元，其用于計算并存儲第二 SOC的變化與第一 SOC的變化的比 率(或SOC變化比率)的加權平均值的收斂值；SOH估計單元，其通過用于使用SOC變化比 率的加權平均收斂值與電池容量之間的相關性來估計對應于存儲的SOC變化比率的加權 平均收斂值的電池容量，估計所估計出的電池容量與初始電池容量的相對比率，以及存儲 該相對比率作為S0H。在本發(fā)明的一方面中，SOC變化比率的加權平均收斂值與電池容量之間的相關性 是查找表，其中對SOC變化比率的每個加權平均收斂值均定義電池容量。在這種情況下， SOH估計單元是根據(jù)該查找表通過映射進行對應于存儲的SOC變化比率的加權平均收斂值 的電池容量的估計。在本發(fā)明的另一方面，SOC變化比率的加權平均收斂值與電池容量之間的相關性 為函數(shù)，該函數(shù)分別使用SOC變化比率的加權平均收斂值以及電池容量作為輸入?yún)?shù)以及 輸出參數(shù)。在這種情況下，該SOH估計單元通過將存儲的SOC變化比率的加權平均收斂值 作為輸入?yún)?shù)代入該函數(shù)以估計電池容量。選擇性地，當計算出當前電池容量與初始電池容量的相對比率時，該SOH估計單 元基于最低允許電池容量計算出相對比率。優(yōu)選地，第二 SOC估計單元包括開路電壓變化計算單元，其用于通過應用數(shù)學模 型以由現(xiàn)在及以往所測量的存儲電池電壓的變化模式來計算開路電壓變化，當中該數(shù)學模 型定義電池電壓的變化模式與開路電壓變化之間的相關性，以及把對應于電池溫度的校正 因子反映到所計算出的開路電壓變化以估計現(xiàn)階段的開路電壓變化；開路電壓計算單元， 其用于把已估計的開路電壓變化反映到前一階段所估計出的電池開路電壓以估計現(xiàn)階段 的電池開路電壓；以及SOC估計單元，其用于使用開路電壓與SOC之間的相關性、以及溫度與SOC之間的相關性，以估計并存儲對應于所估計的開路電壓及測量溫度的S0C。優(yōu)選地，開路電壓計算單元通過增加差值至現(xiàn)階段的開路電壓以校正開路電壓 值，該差值是當前及先前電池電壓的加權平均值(較早測量得的電池電壓被賦予較大的權 數(shù))和前一階段的開路電壓之間的差值。此時，先前電池電壓是前一階段所測量出的電池 電壓。優(yōu)選地，該估計開路電壓變化通過將所計算出的開路電壓變化乘以根據(jù)溫度的校 正因子來計算。優(yōu)選地，構造變化模式的電池電壓至少包括現(xiàn)階段所測量出的電壓Vn、前一階段 所測量出的電壓Vlri、以及前一階段的前一階段所測量出的電壓\_2。在本發(fā)明中，該數(shù)學模型是利用數(shù)學運算來定義，數(shù)學運算在現(xiàn)在階段及前一階 段之間的電池電壓變化和由電池電壓變化模式中的每一電壓所定義的模式函數(shù)之間的數(shù)
學運算。在本發(fā)明中，校正因子是將電池溫度作為輸入?yún)?shù)代入數(shù)學模型以計算得之，該 數(shù)學模型使用電池溫度(T)作為輸入?yún)?shù)且使用電池開路電壓變化的校正因子作為輸出參數(shù)。為達成上述目的，本發(fā)明還提供一種基于電池電壓變化模式估計電池的SOH的方 法，包括(a)每當估計S0H，都可獲得并存儲來自電壓感測單元、電流感測單元及溫度感測 單元的電池電壓、電流及溫度數(shù)據(jù)，當中電壓感測單元、電流感測單元及溫度感測單元耦合 至電池；(b)由使用存儲的電池電流數(shù)據(jù)的安培計算方式來估計第一 SOC; (c)由存儲的電 池電壓變化模式估計開路電壓，并使用開路電壓與SOC之間的相關性、以及電池溫度與SOC 之間的相關性以計算并存儲對應于所估計的開路電壓及電池溫度的第二 SOC ； (d)計算并 存儲比率(或SOC變化比率)的加權平均值的收斂值，該比率通過將該第二 SOC的變化除 以該第一 SOC的變化而得的；以及(e)通過使用SOC變化比率的加權平均收斂值與電池容 量之間的相關性以估計對應于存儲的SOC變化比率的加權平均收斂值的電池容量，估計已 估計的電池容量與初始電池容量的相對比率，并將該相對比率存儲為S0H。


從參考附圖對實施例進行的說明，本發(fā)明的其他目的和方面變得明顯，其中圖1是本發(fā)明實施例的基于電池電壓變化模式來估計電池的SOH的裝置的示意 圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的SOH估計程序的框圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的基于電池電壓變化模式估計SOH的第二 SOC估計單元的框圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于電池電壓變化模式估計SOH的方法的流程圖。圖5是本發(fā)明實施例的基于電池電壓變化模式的SOC估計過程的流程圖。圖6是電池在初始電池使用階段處在相同充電/放電情形下，以安培計算方式以 及電池電壓變化模式所估計的SOC的變化模式的示意圖。圖7是電池在容量衰退至一定程度后在相同充電/放電情形下，以安培計算方式、 及電池電壓變化模式所估計的SOC的變化模式的示意圖。
圖8及圖9是當對容量已知的兩電池進行充電/放電測試時，將其初始加權平均 值隨意設為不同數(shù)值來周期性計算出的SOC變化比率的加權平均值的示意圖。圖10是經(jīng)由實驗所計算出的每個電池的實際容量、每個電池的當前容量與初始 容量的百分比、SOC變化比率的加權平均收斂值、每個電池的估計容量與初始容量的百分 比、以及基于實際容量的估計容量的誤差值的表格。
具體實施例方式以下，將參考附圖來詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在說明之前，應該理解的是， 說明書及權利要求中的術語不應限制于一般以及字典上的意義，而應根據(jù)本發(fā)明的技術方 面的意義及構思進行解釋，以適當?shù)靥峁┻@些術語的最佳解釋。因此，以下所提出的敘述僅 為說明所需的優(yōu)選示例，并非用于限制本發(fā)明的范圍。也就是說，在未脫離本發(fā)明的精神的 情況下，本發(fā)明可具有任何同等物或任何調(diào)整。圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于電池電壓變化模式來估計電池的SOH (健康狀態(tài)) 的裝置的示意圖。請參閱圖1，根據(jù)本發(fā)明的基于電池電壓變化模式來估計電池100的SOH的裝置被 連接在電池100與負載107之間，且其包括電壓感測單元101、溫度感測單元102、電流感測 單元103、存儲器104、以及微控制器105。每次SOH估計處，電壓感測單元101在微控制器105的控制下測量電池電壓，并將 測量所得的電池電壓輸出至微控制器105。每次SOH估計處，溫度感測單元102在微控制器105的控制下測量電池溫度，并將 測量所得的電池溫度輸出至微控制器105。每次SOH估計處，電流感測單元103在微控制器105的控制下測量流經(jīng)電流感測 電阻108的電池電流，并將測量所得的電池電流輸出至微控制器105。存儲器104存儲估計電池的容量衰退所需的程序、預先估計電池容量衰退所需的 各種數(shù)據(jù)、由電壓感測單元101、溫度感測單元102及電流感測單元103測量所得的電池電 壓、溫度及電流數(shù)據(jù)、以及在用于估計電池容量衰退的各種計算過程處所得的各種計算數(shù) 值。電池100的每次SOH估計時，微控制器105從電壓感測單元101、溫度感測單元102 及電流感測單元103接收電池電壓、溫度及電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在存儲器104中。而且， 微控制器105自存儲器104中讀取并執(zhí)行電池容量衰退估計程序，估計電池的SOH并將該 SOH存儲在存儲器104中，并于需要時經(jīng)由顯示單元106輸出估計所得的S0H。而電池容量 衰退估計程序的結構及操作方式，將詳細敘述于后。電池100的種類并未特別限定，以及其可以采用鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳鎘 電池、鎳氫電池、鎳鋅電池等，皆為可充電且其SOC應被考慮。負載107的種類并未特別限定，以及其可為例如攝影機、移動電話、便攜式PC、 PMP、及MP3播放器等的便攜式電子裝置、電動車輛或混合動力車輛的馬達、直流-直流轉換器等。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的SOH估計程序的框圖。請參閱圖2，根據(jù)本發(fā)明的電池容量衰退估計程序200由微控制器105來執(zhí)行，其包括數(shù)據(jù)存儲單元201、第一 SOC估計單元202、第二 SOC估計單元203、加權平均值收斂計 算單元204、以及SOH估計單元205。數(shù)據(jù)存儲單元201在每次SOH估計中接收來自電壓感測單元101、溫度感測單元 102及電流感測單元103的電池電壓、溫度及電流數(shù)據(jù)，如圖1所示，并將這些數(shù)據(jù)存儲在存 儲器104中。第一 SOC估計單元202在每次SOH估計中，通過使用累積存儲在存儲器104中的 電池電流數(shù)據(jù)的安培計算方式來估計SOCA并將所估計的SOC111存儲在存儲器104中。此 處η代表所估計的SOC111是第η個S0C，下文中的η均代表相同的意義。作為參考，前述的安培計算方式是基于初始電池容量來累積電池的充電/放電電 流，以得出當前電池的剩余容量、以及基于初始容量來計算當前容量的相對比率以估計SOC 的方法。由于安培計算方式已廣為業(yè)界所知，此處并不再詳細敘述。第二 SOC估計單元203在每次SOH估計中，使用存儲在存儲器104的電池電壓變 化模式來計算開路電壓，估計對應于所計算出的開路電壓的SOC1111，并將估計所得的SOC1111 存儲在存儲器中。更進一步地，第二 SOC估計單元203是使用電池電壓變化模式來計算出電池的開 路電壓變化AOCVn,應用根據(jù)溫度的校正因子來校正所計算出的電池開路電壓變化，把校 正后的電池開路電壓變化模式反映到先前所算出的電池開路電壓OCVlri來計算現(xiàn)階段的電 池開路電壓AOCVn,以及使用預先定義的電池開路電壓與SOC之間的相關性、以及溫度與 SOC之間的相關性，而估計對應于所計算出的電池開路電壓及所測量的電池溫度的S0Cnn。 另外，第二 SOC估計單元203將估計而得的SOC1111存儲在存儲器104中。加權平均值收斂計算單元204基于安培計算方式而計算出估計的SOC的變化、以 及依據(jù)下列的數(shù)學式1及數(shù)學式2，使用電池電壓變化模式而計算出估計的SOC的變化。數(shù)學式1Δ SOC1" = SOCjn-SOC1n^其中，Δ SOC111為第η個SOC的變化，以安培計算方式所估計；SOC111為在當前的SOC估計中所計算出的SOC ；SOC11"1為在前一次soc估計中所計算出的S0C。數(shù)學式2Δ S0Cnn = SOCnn-SOCnlri其中，Δ S0C n為第η個SOC的變化，以電池電壓變化模式所估計；S0Cnn為在當前的SOC估計中所計算出的SOC ；SOC/—1為在前一次SOC估計中所計算出的S0C。接著，加權平均值收斂計算單元204使用下列的數(shù)學式3計算出Δ S0Cnn相對于 Δ SOC111的絕對比率Rati0_S0Cn。下文中，該絕對比率被稱作SOC變化比率。數(shù)學式3Ratio socn = | Δ SOC11111 / | Δ SOC1"然后，加權平均值收斂計算單元204使用下列的數(shù)學式4而計算出SOC變化比率 Ratio.soc11的加權平均值。數(shù)學式4
WMVn = (Ratio socn_1Xweight+Ratio socn) / (weight+1)加權平均值WMVn會隨著η逐漸增加而收斂至特定值，其將詳述于后。圖6是電池于初始電池使用階段在相同充電/放電情形下所估計的Δ SOC111和 ASOCii"的變化模式的示意圖。參考圖6，在初始電池使用階段，以安培計算方式所估計出 的SOC與以電池電壓變化模式所估計出的SOC之間并無太大差異。圖7是在電池使用特定時間之后，即電池的容量衰退至一定程度后在相同充電/ 放電情形下所估計的ASOC111* ASOCnn的變化模式的示意圖。參考圖7，在電池容量衰退 至一定程度后，以安培計算方式所估計出的SOC與以電池電壓變化模式所估計出的SOC之 間的差異增加。如圖6及圖7所示，在電池以相同的模式被充電/放電的情況下，以安培計算方式 所估計出的SOC的曲線并非由電池容量衰退而決定，而且沒有劇烈的變化。這代表如果電 池的充電/放電模式維持不變，則不論電池容量的衰退如何，以安培計算方式所估計出的 SOC仍具有相同的變化模式。同時，以電池電壓變化模式所估計出的S0C，其曲線的變化與電池容量衰退呈比例 關系。換言之，當電池容量衰退，即使充電電流小，電池電壓仍迅速增加，并且即使放電電流 小，電池電壓仍迅速降低。因此，基于電池電壓變化模式所估計出的SOC是依電池容量衰退 的程度而有很大的變化。由此可知，盡管電池以相同的模式充電/放電，如果電池容量衰 退，則基于開路電壓變化模式所估計出的SOC變化依電池容量衰退的程度而增加。圖8及圖9是當對容量已知的兩電池進行充電/放電測試時，將其初始加權平均 值隨意設為不同數(shù)值而周期性計算出的SOC變化比率的加權平均值的示意圖。圖8中，曲線Α、B、C及D是分別在將初始加權平均值WMV1設定為1. 0,0. 8,0. 66 及0. 3的狀態(tài)下所計算出的加權平均值，其中該電池的容量為5. 72Ah。此處，0. 66是實際 的加權平均收斂值。在圖9中，曲線A、B、C及D是分別在將初始加權平均值WMV1設定為1.4、1. 1,0. 95 及0. 6的狀態(tài)下所計算出的加權平均值，其中該電池的容量為4. 3Ah。此處，0. 9是實際的 加權平均收斂值。由圖8及圖9可知，不論初始加權平均值如何，SOC變化比率的加權平均值都會收 斂至同一個實際收斂值，且如果電池容量降低，則加權平均收斂值便增加。如此可知，加權 平均收斂值在數(shù)量上可為代表電池容量衰退的參數(shù)。同時，經(jīng)由長時間地充電/放電測試的方式可得出SOC變化比率的加權平均收斂 值。但在實際的電池應用環(huán)境下，當?shù)贸鎏囟ǖ臅r間點的SOC變化比率的加權平均值，數(shù)學 模型將用于估計SOC變化比率的加權平均值會在將來收斂的數(shù)值。因此，加權平均值收斂計算單元204通過重復計算SOC變化比率的加權平均值ρ 次而得出加權平均收斂值WMVn，當中ρ為足夠大的數(shù)字，是使用下列的數(shù)學式5，其是以SOC 變化比率的加權平均值作為初始條件的加權平均計算級數(shù)，然后加權平均值收斂計算單元 204將收斂值存儲在存儲器104中。此處，WMVn代表加權平均值被收斂至的數(shù)值。數(shù)學式5加權平均算數(shù)級數(shù)WMV1V1= (WMVVi X weight+WMVnk) / (weight+1)
加權平均算數(shù)級數(shù)的初始條件WMVn1 = (Ratio socn_1 Xweight+Ratio socn) / (weight+1)數(shù)學式5中，k是不小于1的整數(shù)。當k = 1，WMVn0被設為WMVlri,其是在前一階 段所得出的SOC變化比率的加權平均收斂值。加權平均算數(shù)級數(shù)被計算的次數(shù)被設定為大 于數(shù)千次。在制造電池時，初始加權平均收斂值WMV1被在前地設定，且被存儲在存儲器104 中以供參考。SOH估計單元205從存儲器104中讀取SOC變化比率的加權平均收斂值，然后估 計電池容量Capacity11。換言之，SOH估計單元205使用電池容量與SOC變化比率的加權平 均收斂值之間的相關性計算出對應于SOC變化比率的加權平均收斂值的估計的電池容量 C&p&cityn。例如，前述的相關性是查找表，當中，對每一 SOC變化比率的加權平均收斂值均定 義電池容量。另一示例，前述的相關性為函數(shù)，其是將SOC變化比率的加權平均收斂值、以 及電池容量分別作為輸入?yún)?shù)、以及輸出參數(shù)。前述的相關性可藉以下的步驟而得出當對足夠大數(shù)量的電池，其實際容量已廣 泛地被得知，以相同的情況進行長時間的充電/放電實驗時，即可得出SOC變化比率的加權 平均收斂值。然后，將經(jīng)由實驗所得的對應于SOC變化比率的加權平均收斂值的電池容量 填入查找表。其他情況下，SOC變化比率的加權平均收斂值與電池容量之間的函數(shù)關系可 經(jīng)由使用SOC變化比率的加權平均收斂值的數(shù)值分析而得出，且與已知電池容量是分別作 為輸入?yún)?shù)及輸出參數(shù)。SOH估計單元205計算對應于SOC變化比率的加權平均收斂值的電池容量 Capacity11，接著根據(jù)下列數(shù)學式6及數(shù)學式7計算已算出的電池容量Capacity"與初始電 池容量Capacityinitial的相對比率。然后SOH估計單元205將所計算出的結果估計為S0Hn， 其是代表電池容量衰退的參數(shù)。數(shù)學式6SOHn = (Capacityn+Capacityinitial) X 100數(shù)學式7SOHn = [ (Capacityn-Capacitylimit) + (Capacityinitial-Capacitylimit) ] X 100在數(shù)學式6及數(shù)學7中SOHn是當前估計所得的電池容量衰退；Capacity"是當前估計所得的電池容量；Capacityinitial是初始的電池容量；以及Capacity""1"是使用電池所允許的最小容量。SOHn是代表當前電池容量相對于初始的電池容量的比率，因此SOHn是成為依據(jù)初 始的電池容量而決定電池剩余壽命的參數(shù)。而且SOHn可用于控制電池的充電/放電容量。 舉例來說，如果SOHn下降，電池的充電容量及放電容量依SOHn的變化量而降低。在這種情 況下，通過對電池其容量進行適當?shù)某潆娀蚍烹姡梢杂行У乇苊怆姵乇贿^度充電或過 度放電。SOH估計單元205可以將估計所得的50記輸出至顯示單元106。在這種情況下，顯 示單元106經(jīng)由接口被耦合至微控制器105。而且SOH估計單元205經(jīng)由該接口而將估計所得的SOHn輸出至顯示單元106。然后顯示單元106以可視地顯示SOHn以供使用者辨識。圖3是根據(jù)本發(fā)明的基于電池電壓變化模式估計SOH的第二 SOC估計單元的框 圖。如圖3所示，第二 SOC估計單元203包括開路電壓變化計算單元2031、開路電壓計 算單元2032以及SOC估計單元2033。開路電壓變化計算單元2031使用電池電壓變化模式、基于前一階段的開路電壓 來計算開路電壓變化，以便計算現(xiàn)階段的電池開路電壓。換言之，開路電壓變化計算單元 2031計算現(xiàn)階段的開路電壓相對于前一階段的開路電壓的變化。詳細地說，開路電壓變化計算單元2031從存儲器104中讀取當前SOC估計所測量 出的電池電壓r、前一次soc估計所測量出的電池電壓Vlri以及當前soc估計所測量出的電 池溫度τη。然后開路電壓變化計算單元2031依據(jù)下列數(shù)學式8計算開路電壓變化A0CVn。數(shù)學式8Δ OCVn = OCVn-OCVlri = G(V) XF(T)在上述數(shù)學式8中，G(V)為開路電壓變化操作函數(shù)，將電池電壓變化"Vn-Vlri"映 射至開路電壓變化AOCVn5F(T)是開路電壓校正函數(shù)，用于通過反映根據(jù)溫度變化的開路 電壓變化來校正開路電壓變化A0CVn。G(V)為函數(shù)，其并非直接將電池電壓變化轉換為開路電壓變化，而在校正因子壓 降(IR drop)產(chǎn)生的誤差(即，測量電壓與實際電壓之間的差距)時才進行轉換。換言之， 如果電池電壓的變化逐漸地增加，G (V)降低電池電壓變化并且將降低的電池電壓變化以電 池開路電壓變化的形式輸出。并且，電池電壓變化傾向維持其原來的數(shù)值，G(V)以電池開 路電壓變化的形式輸出的電池電壓變化也傾向維持其原來的數(shù)值。另外，如果電池電壓傾 向降低，G(V)便將電池電壓變化稍微放大，接著將該稍微放大的電池電壓變化以電池開路 電壓變化的形式輸出。G(V)可經(jīng)由以數(shù)學模型表現(xiàn)在特定溫度條件下，電池電壓變化模式與開路電壓變 化之間的相關性而得出。例如，數(shù)學模型函數(shù)可通過，在允許測量電池電壓及電池開路電壓 的實驗環(huán)境下，分析電池電壓vn、Vn-1及Vn_2之間的變化模式、與開路電壓變化八00^之間 的相關性而得出。電池電壓變化模式中所包括的電池電壓數(shù)目可延伸至4或以上。G(V)可總結為如下列的數(shù)學式9。數(shù)學式9G (V) = (Vn-Vlri) Xg (Vn, Vlri，T—2，...)此處，g(Vn，Vn-1, Ψ'2,…)是定義電池電壓變化模式的模式函數(shù)。其中符號“…” 表示該模式函數(shù)可由至少三個電池電壓所定義，其是包括現(xiàn)階段所測量出的電池電壓。模 式函數(shù)通過分析實驗所得的多個電池電壓變化與電池開路電壓變化之間的相關性而被定 義。例如函數(shù)g可被定義為前一階段的電壓變化與現(xiàn)階段的電壓變化的比率。但本發(fā)明并 未將模式函數(shù)g定義為任何特定的數(shù)學式。同時，電池內(nèi)部電阻隨著溫度而變化。如果電池內(nèi)部電阻發(fā)生變化，則即使在相同 的充電或放電情況下，電池電壓變化模式及電池開路電壓變化也會隨之變化。F(T)是依據(jù) 溫度條件校正由G(V)所計算出的開路電壓變化。換句話說，F(xiàn)(T)是當電池溫度與以G(V) 的計算條件所設定的溫度不同時用于校正由G(V)所計算出的開路電壓變化的函數(shù)。F(T)可由分析溫度以一定間隔變化的電池電壓變化模式與電池開路電壓變化之間的變化相關 性而得出。換言之，在實驗條件被設定為每次測量溫度以例如rc的規(guī)律間隔而變化的情況 下所測出的電池電壓變化模式相同，則F(T)可通過測量電池開路電壓變化AOCVn相對于 在標準溫度下測量所得的電池開路電壓變化△ OCVn的變化量而得出，然后以溫度T、及電池 開路電壓變化AOCV的變化量分別作為輸入?yún)?shù)、及輸出參數(shù)而應用于溫度及電池開路電 壓變化AOCVn的數(shù)學模式。而所得的F(T)即成為以電池溫度T作為輸入?yún)?shù)而輸出電池 開路電壓變化的校正因子的函數(shù)。為簡化計算，可建立對應每個T值的校正因子的查找表， 然后參考存儲在查找表中的每一溫度的校正因子以計算電池開路電壓變化。開路電壓計算單元2032從存儲器104中讀取前一 SOC估計所估計出的開路電壓 OCVn-1,接著將由開路電壓變化計算單元2031所計算出的電池開路電壓變化AOCVn加入至 該開路電壓Δ OCVn-1,以計算出在前一 SOC估計的開路電壓0CVn。優(yōu)選地，開路電壓計算單元2032經(jīng)由下列的數(shù)學式10計算電池電壓Vn及前一階 段所測量到的電池電壓的加權平均值Vnfcanvalud。數(shù)學式10
權利要求
1.一種基于電池電壓變化模式而估計健康狀態(tài)的裝置，包括數(shù)據(jù)存儲單元，所述數(shù)據(jù)存儲單元用于在每當估計所述健康狀態(tài)時，都獲得并存儲來 自電壓感測單元、電流感測單元以及溫度感測單元的電池電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)，所述電 壓感測單元、所述電流感測單元以及所述溫度感測單元被耦合至所述電池；第一充電狀態(tài)估計單元，所述第一充電狀態(tài)估計單元用于通過安培計算方式、使用存 儲的電池電流數(shù)據(jù)來估計出第一充電狀態(tài)；第二充電狀態(tài)估計單元，所述第二充電狀態(tài)估計單元用于根據(jù)存儲的電池電壓變化 模式來估計開路電壓，以及使用開路電壓與充電狀態(tài)之間的相關性以及電池溫度與充電狀 態(tài)之間的相關性來計算并存儲對應于所述估計的開路電壓及所述電池溫度的第二充電狀 態(tài)；加權平均值收斂計算單元，所述加權平均值收斂計算單元用于計算并存儲所述第二充 電狀態(tài)的變化與所述第一充電狀態(tài)的變化的比率(或充電狀態(tài)變化比率)的加權平均值的 收斂值；以及健康狀態(tài)估計單元，所述健康狀態(tài)估計單元用于通過使用充電狀態(tài)變化比率的加權平 均收斂值與電池容量之間的相關性來估計出對應于存儲的充電狀態(tài)變化比率的加權平均 收斂值的電池容量，估計出所估計的電池容量相對于初始電池容量的相對比率，并存儲所 述相對比率作為健康狀態(tài)。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值與電池容量之間的相關性是查找表， 在所述查找表中，對充電狀態(tài)變化比率的每一加權平均收斂值均定義電池容量；以及其中，所述健康狀態(tài)估計單元根據(jù)所述查找表通過映射來估計出對應于存儲的所述充 電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值的電池容量。
3.如權利要求1所述的裝置，其中，所述充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值與電池容量之間的相關性是函數(shù)，該 函數(shù)使用充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值和電池容量分別作為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)； 以及其中，所述健康狀態(tài)估計單元通過將所存儲的充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值作 為輸入?yún)?shù)代入所述函數(shù)，來估計出所述電池容量。
4.如權利要求1所述的裝置，其中，當計算出當前電池容量相對于初始電池容量的相對比率時，所述健康狀態(tài)估計 單元基于最低允許電池容量來計算出相對比率。
5.如權利要求1所述的裝置，其中所述第二充電狀態(tài)估計單元包括開路電壓變化計算單元，所述開路電壓變化計算單元通過應用數(shù)學模型而從過去及現(xiàn) 在測量所得的存儲電池電壓變化模式中計算出開路電壓變化，所述數(shù)學模型定義電池電壓 變化模式與開路電壓變化之間的相關性，以及通過把對應于電池溫度的校正因子反映到計 算出的開路電壓變化來估計出現(xiàn)在階段的開路電壓變化；開路電壓計算單元，所述開路電壓計算單元用于通過把估計開路電壓變化模式反映到 前一階段所估計出的電池開路電壓，來估計出現(xiàn)在階段的電池開路電壓；以及充電狀態(tài)估計單元，所述充電狀態(tài)估計單元用于通過使用開路電壓與充電狀態(tài)之間的相關性以及溫度與充電狀態(tài)之間的相關性，來估計并存儲對應于所述估計開路電壓以及所 述測量溫度的充電狀態(tài)。
6.如權利要求5所述的裝置，其中，所述開路電壓計算單元通過把在用于當前與先前電池電壓的加權平均值(較早 測量得的電池電壓會被賦予較大的權數(shù))與前一階段的開路電壓之間的差異增加到現(xiàn)在 階段處的所述估計的開路電壓，來校正開路電壓。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，所述先前電池電壓是前一階段測量所得的電池電壓。
8.如權利要求5所述的裝置，其中，所述估計開路電壓變化通過將計算所得的開路電壓變化乘以依據(jù)溫度的校正因 子來計算。
9.如權利要求5所述的裝置，其中，構造變化模式的所述電池電壓至少包括現(xiàn)在階段測量所得的電壓Vn、前一階段 測量所得的電壓Vlri以及前一階段的前一階段測量所得的電壓\_2。
10.如權利要求5所述的裝置，其中，所述數(shù)學模型通過在現(xiàn)在階段與前一階段之間的電池電壓變化和由電池電壓變 化模式的每一電壓所定義的模式函數(shù)之間的數(shù)學運算來定義。
11.如權利要求5所述的裝置，其中，所述校正因子通過將電池溫度作為輸入?yún)?shù)代入使用電池溫度作為輸入?yún)?shù)并 且使用所述電池開路電壓變化的校正因子作為輸出參數(shù)的數(shù)學模型來計算。
12.一種基于電池電壓變化模式而估計健康狀態(tài)的方法，包括(a)每當估計所述健康狀態(tài)時，獲得并存儲來自電壓感測單元、電流感測單元以及溫度 感測單元的電池電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)，所述電壓感測單元、所述電流感測單元以及所述 溫度感測單元被耦合至所述電池；(b)通過安培計算方式、使用存儲的電池電流數(shù)據(jù)來估計第一充電狀態(tài)；(c)根據(jù)存儲的電池電壓變化模式來估計開路電壓，以及使用開路電壓與充電狀態(tài)之 間的相關性以及電池溫度與充電狀態(tài)之間的相關性來計算并存儲對應于所述開路電壓及 所述電池溫度的第二充電狀態(tài)；(d)計算并存儲所述第二充電狀態(tài)的變化與所述第一充電狀態(tài)的變化的比率(或充電 狀態(tài)變化比率)的加權平均值的收斂值；以及(e)通過使用充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值與電池容量之間的相關性來估計出 對應于存儲的充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值的電池容量，估計出所估計的電池容量 相對于初始電池容量的相對比率，并存儲所述相對比率作為健康狀態(tài)。
13.如權利要求12所述的方法，其中，在步驟(e)中，所述電池容量通過參考查找表來映射與存儲的充電狀態(tài)變化比 率的加權平均收斂值相對應的電池容量來估計，在所述查找表中，對每一充電狀態(tài)變化比 率的加權平均收斂值均定義電池容量。
14.如權利要求12所述的方法，其中，在步驟(e)中，所述電池容量通過將存儲的充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值作為輸入?yún)?shù)代入使用充電狀態(tài)變化比率的加權平均收斂值作為輸入?yún)?shù)并且使用電 池容量作為輸出參數(shù)的函數(shù)來估計。
15.如權利要求12所述的方法，其中，在步驟(e)中，當計算出當前電池容量相對于初始電池容量的相對比率時，基于 最低允許電池容量來計算相對比率。
16.如權利要求12所述的的方法，其中所述步驟(c)包括通過應用數(shù)學模型而從過去及現(xiàn)在測量所得的存儲電池電壓變化模式中計算開路電 壓變化，所述數(shù)學模型定義電池電壓變化模式與開路電壓變化之間的相關性；通過把對應于電池溫度的校正因子反映到計算出的開路電壓變化來估計現(xiàn)在階段的 開路電壓變化；通過把所述估計的開路電壓變化反映到前一階段所估計出的電池開路電壓，來估計現(xiàn) 在階段的電池開路電壓；以及通過使用開路電壓與充電狀態(tài)之間的相關性以及溫度與充電狀態(tài)之間的相關性，來估 計并存儲對應于所述估計的開路電壓以及所述測量的溫度的充電狀態(tài)。
17.如權利要求16所述的方法，還包括通過把在用于當前與先前電池電壓的加權平均值(當中較早測量得的電池電壓會被 賦予較大的權數(shù))與前一階段的開路電壓之間的差異增加到所述估計的現(xiàn)在階段處的開 路電壓，來校正開路電壓。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述先前電池電壓是前一階段測量所得的電池電壓。
19.如權利要求16所述的方法，其中，所述估計開路電壓變化通過將計算所得的開路電壓變化乘以依據(jù)溫度的校正因 子來計算。
20.如權利要求16所述的方法，其中，構成所述變化模式的所述電池電壓至少包括現(xiàn)在階段處測量所得的電壓Vn、前 一階段測量所得的電壓Vlri以及前一階段的前一階段測量所得的電壓\-2。
21.如權利要求16所述的方法，其中，所述數(shù)學模型通過在現(xiàn)在階段與前一階段之間的電池電壓變化以及由電池電壓 變化模式的每一電壓定義的模式函數(shù)之間的數(shù)學運算來定義，其中，所述數(shù)學模型通過現(xiàn)在階段與前一階段之間的電池電壓變化以及所述電池電壓 變化模式的每一電壓定義的模式函數(shù)的數(shù)學運算來定義。
22.如權利要求16所述的方法，其中，所述校正因子通過將電池溫度作為輸入?yún)?shù)代入使用電池溫度(T)作為輸入?yún)?數(shù)并且使用所述電池開路電壓變化的校正因子作為輸出參數(shù)的數(shù)學模型來計算。
全文摘要
一種基于電池電壓變化模式而估計SOH的裝置。數(shù)據(jù)存儲單元，在每次SOH的估計，從感測器獲得并存儲電池電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)。第一SOC估計單元通過使用電池電流數(shù)據(jù)的電流積分來估計第一SOC。第二SOC估計單元根據(jù)電壓變化模式來估計開路電壓，并使用開路電壓與SOC之間以及溫度與SOC之間的相關性來計算及存儲對應于開路電壓及溫度的第二SOC。加權平均值收斂計算單元計算并存儲第二SOC的變化與第一SOC的變化的比率的加權平均值的收斂值。SOH估計單元使用加權平均收斂值與電池容量之間的相關性來估計出對應于加權平均收斂值的電池容量，估計出所估計的電池容量相對于初始容量的相對比率并將該相對比率存儲為SOH。
文檔編號G01R31/36GK102119338SQ200980130989
公開日2011年7月6日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權日2008年8月8日
發(fā)明者康楨洙, 鄭彰棋, 金智浩, 金珠英 申請人:株式會社Lg化學