使用雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器的電池狀態(tài)估計(jì)方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2014年6月30日提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)No. 10-2014-0081076和2015 年4月1日提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)No. 10-2015-0045886的優(yōu)先權(quán)，這兩個(gè)韓國(guó)專利申請(qǐng)的公 開內(nèi)容通過整體引用的形式被并入在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及使用雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器的電池狀態(tài)估計(jì)方法和系統(tǒng)以及執(zhí)行該方 法的記錄介質(zhì)，更具體地，涉及可以將滯后和擴(kuò)散現(xiàn)象考慮在內(nèi)來計(jì)算電池狀態(tài)的使用雙 擴(kuò)展卡爾曼濾波器的電池狀態(tài)估計(jì)方法和系統(tǒng)以及執(zhí)行該方法的記錄介質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0004] 隨著對(duì)諸如筆記本電腦、攝像機(jī)和手機(jī)的便攜式電子產(chǎn)品的需求的迅速增加以及 用于存儲(chǔ)能量的電容器、機(jī)器人和衛(wèi)星的全面發(fā)展，正在進(jìn)行關(guān)于能夠重復(fù)進(jìn)行充電和放 電的高性能二次電池的研究。
[0005] 市售二次電池包括鎳-鎘電池、鎳-金屬氫化物電池、鎳-鋅電池、鋰二次電池。其 中，鋰二次電池正越來越收到關(guān)注，因?yàn)殇嚩坞姵貛缀鯖]有記憶效應(yīng)，因此鋰二次電池提 供很多優(yōu)勢(shì)，例如充電/放電具有更少的記憶效應(yīng)、低的自放電率和高的能量密度。
[0006] 特別地，近來，由于碳能源正日益枯竭以及對(duì)自然環(huán)境的公共利益的增加，對(duì)混合 動(dòng)力車輛和電動(dòng)車輛的需求已經(jīng)在包括美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)的全球范圍內(nèi)逐漸增加。由 于混合動(dòng)力或電動(dòng)車輛提供有來自通過對(duì)其能量進(jìn)行充電/放電的電池組的驅(qū)動(dòng)力，這樣 的混合動(dòng)力或電動(dòng)車輛已收到來自市場(chǎng)的良好反響?；旌蟿?dòng)力或電動(dòng)車輛更加節(jié)能并減少 污染排放。因此，由于車輛用電池被認(rèn)為是混合動(dòng)力或電動(dòng)車輛的主要部件，時(shí)下車輛用電 池已經(jīng)受到關(guān)注。
[0007] 由于電池用于諸如筆記本電腦或車輛的各種類型的移動(dòng)設(shè)備對(duì)于適當(dāng)?shù)墓δ芫?有有限的使用壽命，因此測(cè)量關(guān)于電池的充電狀態(tài)（SOC)的準(zhǔn)確信息是重要的。SOC是關(guān) 于電池能夠持續(xù)多久的參數(shù)中的一個(gè)，因此當(dāng)用戶使用從電池接收電力的設(shè)備時(shí)SOC是非 常重要的信息。諸如筆記本電腦、手機(jī)和車輛的常規(guī)的配備有電池的設(shè)備可以估計(jì)電池的 S0C，然后可以基于所估計(jì)的SOC向用戶提供包括電池的可用時(shí)間或充電量在內(nèi)的信息。
[0008] 電池的SOC通常以相對(duì)于電池的滿充電容量（FCC)的剩余量的百分比的形式進(jìn)行 顯示?？梢允褂枚喾N方法來估計(jì)電池的S0C，并且其中一種常規(guī)方法是使用庫侖計(jì)數(shù)法來估 計(jì)SOC的方法。庫侖計(jì)數(shù)法是通過積累電池的輸入/輸出電流以及將所積累的電流加入初 始容量/從初始容量減去而找到SOC的方案。然而，當(dāng)SOC的初始值中存在誤差或者當(dāng)所 測(cè)量的電流的誤差隨著時(shí)間經(jīng)過而累積時(shí)，庫倫計(jì)數(shù)法可能提供有限的準(zhǔn)確度。使用卡爾 曼濾波器來估計(jì)SOC和健康狀態(tài)（SOH)的方法可以被用來克服這種局限。為了提高估計(jì)的 準(zhǔn)確度，電池模塊及其參數(shù)應(yīng)當(dāng)是準(zhǔn)確的。應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確考慮參數(shù)的變化的信息。然而，由于其 需要較多的時(shí)間和設(shè)備，獲得這種準(zhǔn)確信息是不容易的。此外，如果電池的類型或容量不相 同，應(yīng)當(dāng)再次進(jìn)行新測(cè)試，這增加了更多麻煩。另外，對(duì)于電池的參數(shù)，隨著電池的老化，卡 爾曼濾波器的SOC/SOH的估計(jì)準(zhǔn)確度將降低，這是因?yàn)槠鋮?shù)值將隨著時(shí)間經(jīng)過而改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本公開針對(duì)一種使用雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器的電池狀態(tài)估計(jì)方法和系統(tǒng)以及用于 執(zhí)行該方法的記錄介質(zhì)，其中，使用ARX模型來估計(jì)電池參數(shù)，并且通過應(yīng)用滯后參數(shù)和擴(kuò) 散參數(shù)來估計(jì)電池狀態(tài)。
[0010] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，一種電池狀態(tài)估計(jì)方法包括以下步驟：根據(jù)帶有外部輸 入的自回歸（ARX)模型估計(jì)電池的至少一個(gè)參數(shù)，其中，所述ARX限定輸出序列y(t)、輸入 序列u(t)和移位算子q之間的相關(guān)；以及通過將所述電池的所述至少一個(gè)參數(shù)應(yīng)用到雙擴(kuò) 展卡爾曼濾波器來估計(jì)電池狀態(tài)，其中，所述雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器包括用于計(jì)算所述電池 的充電狀態(tài)（SOC)的估計(jì)的狀態(tài)濾波器和用于計(jì)算所述電池的健康狀態(tài)（SOH)的估計(jì)的加 權(quán)濾波器。
[0011] 根據(jù)ARX模型估計(jì)電池的至少一個(gè)參數(shù)的步驟還包括：根據(jù)下面的算式估計(jì)所述 電池的所述至少一個(gè)參數(shù)：
[0013]y⑴表示輸出序列，u(t)表示輸入序列，A(q)和B(q)表示相對(duì)于移位算子q的 多項(xiàng)式，并且e(t)表示白噪聲。
[0014] 所述電池具有等效電路，其中，所述電池的所述等效電路包括第一電阻器、第二電 阻器以及電容器，其中，所述第一電阻器是內(nèi)部電阻器，并且其中，所述第二電阻器和所述 電容器并聯(lián)連接。
[0015] 通過將所述電池的所述至少一個(gè)參數(shù)應(yīng)用到雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器來估計(jì)所述電 池狀態(tài)的步驟還包括：由以下中的一項(xiàng)來同時(shí)估計(jì)所述充電狀態(tài)（SOC)和所述健康狀態(tài) (SOH):所述狀態(tài)濾波器，其中，所述狀態(tài)濾波器使用所述加權(quán)濾波器的先驗(yàn)值；所述加權(quán) 濾波器，其中，所述加權(quán)濾波器使用所述狀態(tài)濾波器的先驗(yàn)值；或者所述狀態(tài)濾波器和所述 加權(quán)濾波器之間的相互作用。
[0016] 根據(jù)所述ARX模型估計(jì)所述電池的所述至少一個(gè)參數(shù)的步驟還包括：在所述ARX 模型的應(yīng)用中，計(jì)算并施加反映了擴(kuò)散系數(shù)和滯后系數(shù)的開路電壓（OCV)。
[0017] 計(jì)算和應(yīng)用所述OCV的步驟還包括：使用下面的算式計(jì)算所述OCV:
[0018] OCV(SOC,a, (6) =a[ (I-^ )OCVc3h (SOC) + ^OCVc3ni(SOC)]
[0019] +(l-a)[(l-^)OCVd3h (SOC) + ^OCVd3n (SOC)]
[0020] 其中，G表示在張弛時(shí)間期間通過一階指數(shù)函數(shù)計(jì)算的擴(kuò)散系數(shù)，并且a表示 通過對(duì)電荷吞吐量的歸一化積分而確定的滯后系數(shù)，并且其中OCl3h(SOC)表示具有3小時(shí) 張弛的充電的開路電壓（OCV)，OCt3ni(SOC)表示具有3分鐘張弛的充電的開路電壓（OCV)， OCVd3h(SOC)表示具有3小時(shí)張弛的放電的開路電壓（OCV)，OCVd3ni(SOC)表示具有3分鐘張 弛的放電的開路電壓（OCV)。
[0021] 根據(jù)本公開的另一實(shí)施方式，提供有一種電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的控制方法。所述控 制方法包括以下步驟：通過將初始值輸入到電池中并測(cè)量輸入到該電池的電流和電壓來執(zhí) 行初始化；通過將滯后系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)輸入到開路電壓（OCV)算式中并使用帶有外部輸入 的自回歸（ARX)模型來計(jì)算所述電池中的包括第一電阻器、第二電阻器以及電容器在內(nèi)的 參數(shù)中的至少一個(gè)參數(shù)，該ARX模型限定了輸出序列y(t)、輸入序列u(t)和移位算子q之 間的相關(guān)，其中，所述第一電阻器是內(nèi)部電阻器；以及應(yīng)用包括狀態(tài)濾波器和加權(quán)濾波器在 內(nèi)的雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器來執(zhí)行時(shí)間更新和測(cè)量結(jié)果更新，以估計(jì)充電狀態(tài)（SOC)和健康 狀態(tài)（SOH)。
[0022] 根據(jù)本公開的另一實(shí)施方式，提供有一種存儲(chǔ)用于執(zhí)行電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的控制 方法的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)。所述控制方法包括以下步驟：通過將初始值輸 入到電池中并測(cè)量輸入到該電池的電流和電壓來執(zhí)行初始化；通過將滯后系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù) 輸入到開路電壓（OCV)算式中并使用帶有外部輸入的自回歸（ARX)模型來計(jì)算包括所述電 池中的第一電阻器、第二電阻器以及電容器在內(nèi)的參數(shù)中的至少一個(gè)參數(shù)，該ARX模型限 定了輸出序列y(t)、輸入序列u(t)和移位算子q之間的相關(guān)，其中，所述第一電阻器是內(nèi)部 電阻器；以及應(yīng)用包括狀態(tài)濾波器和加權(quán)濾波器在內(nèi)的雙擴(kuò)展卡爾曼濾波器來執(zhí)行時(shí)間更 新和測(cè)量結(jié)果更新，以估計(jì)充電狀態(tài)（SOC)和健康狀態(tài)（SOH)。
【附圖說明】
[0023] 通過參照附圖詳細(xì)描述本公開的示例性實(shí)施方式，本公開的上述及其它目標(biāo)、特 征和優(yōu)勢(shì)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得更加明顯，在所述附圖中：
[0024] 圖1是例示了根據(jù)本公開的實(shí)施方式的電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的框圖。
[0025] 圖2是電池的等效電路的框圖，其中通過根據(jù)本公開的實(shí)施方式的電池狀態(tài)估計(jì) 方法來計(jì)算電池的SOC。
[0026] 圖3是根據(jù)本公開的實(shí)施方式的電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 在下面的詳細(xì)描述中參照附圖，附圖通過例示的方式示出了可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具 體實(shí)施方式。這些實(shí)施方式被足夠詳細(xì)地進(jìn)行描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā) 明。要理解的是，本公開的各種實(shí)施方式雖然不同，但是不一定相互排斥。例如，在不背離 本公開的精神和范圍的情況下，本文中所描述的與一個(gè)實(shí)施方式相關(guān)的特定特征、結(jié)構(gòu)或 特性可以在其它實(shí)施方式內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。另外，要理解的是，在不背離本本發(fā)明的精神和范圍的 情況下，可以修改在各個(gè)公開的實(shí)施方式內(nèi)部的各個(gè)元件的位置或布置。因此，下面的詳細(xì) 描述不應(yīng)該從限制的意義來看，并且本公開的范圍只受恰當(dāng)闡釋的所附權(quán)利要求以及這些 權(quán)利要求的全面的等同物的限制。在附圖中，在整個(gè)附圖中，相同的標(biāo)號(hào)指代相同或相似的 元件。
[0028] 下面，將參考附圖更加詳細(xì)地描述本公開的某些實(shí)施方式。
[0029] 圖1是例示了根據(jù)本公開的實(shí)施方式的電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)100的框圖。圖2是電 池的等效電路的框圖，其中電池的SOC通過根據(jù)本公開的實(shí)施方式的電池狀態(tài)估計(jì)方法進(jìn) 行計(jì)算。圖3是根據(jù)本公開的實(shí)施方式的電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)100的流程圖。
[0030] 參照?qǐng)D1，電池狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)100可以包括OCV-SOC模型化單元10、ARX應(yīng)用單元 20、SOC估計(jì)單元30以及SOH估計(jì)單元40。
[0031] 參照?qǐng)D2,電池的等效電路包括內(nèi)部電阻器R1、電阻器1^和電容器Cdl，并且電阻器 IU5P電容器Cdl并聯(lián)連接。并聯(lián)連接的電阻器R。,和電容器Cdl可以包括諸如擴(kuò)散阻抗、電 荷轉(zhuǎn)移電阻和雙層電容器的電子元件，并且可以被設(shè)置為時(shí)變參數(shù)。施加到彼此并聯(lián)連接 的