用于估计电池等效电路模型的参数的方法、装置和记录介质与流程

本公开涉及一种用于估计电池等效电路模型的参数的方法、装置和记录介质。

本申请要求于2017年11月2日在韩国提交的韩国专利申请no.10-2017-0145440的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术：

最近，对诸如笔记本电脑、摄像机和移动电话的便携式电子产品的需要存在急剧增长，并且随着电动车辆、用于储能的蓄电池、机器人和卫星的广泛发展，正在对能够重复地再充电的高性能电池进行许多研究。

目前，市售的电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂电池等，在它们中，锂电池具有很少记忆效果或没有记忆效果，并且因此由于锂电池的自由充电和放电、非常低的自放电率和高能量密度的优点，锂电池比镍基电池得到更多关注。

为了更安全和有效地控制电池，最重要的是，准确地估计电池的充电状态(soc)是重要的。电池soc估计技术之一是安培计数(也称为电流积分方法)。安培计数根据由电流传感器周期性地测量的电池电流的时间顺序累积结果来估计电池的soc。然而，电流传感器本身的精度或来自外部的噪声使得由电流传感器测量的电池电流与实际电池电流之间产生差异，并且所估计的soc与实际soc之间的差异随时间增加。

用于解决上述问题的另一soc估计方法是扩展卡尔曼滤波器(ekf)。通常，扩展卡尔曼滤波器使用电池等效电路模型连同安培计数来改进所估计的soc的准确度。为此，当运行扩展卡尔曼滤波器时，基于所测量的电池电压、所测量的电池电流和/或所测量的电池温度，从给定的参数映射周期性地更新电池等效电路模型的参数。

通过由对在各种条件下对电池进行的恒定电流放电测试记录的多个脉冲放电曲线中的每一个的数据拟合过程来获得常规参数映射。

每个脉冲放电曲线反映了其中发现电池的线性电压特性的线性改变范围，以及其中发现非线性电压特性的非线性改变范围。然而，电池等效电路模型适合模拟电池的线性电压特性，但不适合模拟非线性电压特性。作为结果，在某些实例中，在其中主要发现非线性特性的情况下，根据扩展卡尔曼滤波器估计的soc的准确度可能比仅根据安培计数估计的soc低得多。

技术实现要素：

技术问题

本公开被设计为解决诸如上述的问题，因此本公开旨在提供一种从脉冲放电曲线提取线性改变范围以排除非线性改变范围，并基于与所提取的线性改变范围相关的数据估计电池等效电路模型的参数的方法和装置。

本公开的这些和其他目的和优点可以从以下详细描述中理解，并且将根据本公开的实施例变得明显。而且，将容易理解的是，本公开的目的和优点可以通过所附权利要求中示出的装置及其组合来实现。

技术方案

用于实现上述目的的本公开的各种实施例如下。

根据本公开的实施例的方法用于估计电池等效电路模型的参数，该电池等效电路模型包括第一电阻器，与第一电阻器串联连接的第二电阻器，以及与第二电阻器并联连接的电容器。该方法包括：设置包括特定温度、特定充电状态(soc)、和特定恒定电流的参数估计条件；从多个预存储的脉冲放电曲线读取与参数估计条件对应的脉冲放电曲线，其中该脉冲放电曲线包括第一数量的端子电压，该第一数量的端子电压是当具有特定soc的电池在特定温度下以特定恒定电流从与特定soc对应的开路电压(ocv)放电到放电电压的下限时以预定周期从该电池顺序地测量的；根据放电电压曲线确定ocv与放电电压的下限之间的阈值电压；从第一数量的端子电压中提取ocv与阈值电压之间的第二数量的端子电压；并基于ocv、特定恒定电流和第二数量的端子电压来估计第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值。

估计第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值可以包括使用最小二乘算法基于ocv、特定恒定电流和第二数量的端子电压来估计第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值。

该方法还可以包括基于所估计的第二电阻器的电阻值和时间常数来确定电容器的电容。

该方法还可以包括将所估计的第一电阻器的电阻值和所估计的第二电阻器的电阻值与特定温度、特定soc和特定恒定电流相关联，并将其记录在参数映射中。

一种根据本公开的另一实施例的记录介质具有记录在其上的用于在计算机中执行上述方法的程序。

一种根据本公开的又一实施例的装置用于估计电池等效电路模型的参数，该电池等效电路模型包括第一电阻器、与第一电阻器串联连接的第二电阻器、和与第二电阻器并联连接的电容器。该装置包括：存储器，其被配置为存储多个脉冲放电曲线；以及控制单元，其可操作地耦合到存储器。控制单元被配置为设置包括特定温度、特定soc和特定恒定电流的参数估计条件。控制单元被配置为从多个脉冲放电曲线读取与参数估计条件对应的脉冲放电曲线，其中该脉冲放电曲线包括第一数量的端子电压，该第一数量的端子电压是当具有特定soc的电池在特定温度下以特定恒定电流从与特定soc对应的ocv放电到放电电压的下限时以预定周期从该电池顺序地测量的。控制单元被配置为根据脉冲放电曲线确定ocv与放电电压的下限之间的阈值电压。控制单元被配置为从第一数量的端子电压中提取ocv和阈值电压之间的第二数量的端子电压，并基于ocv、特定恒定电流、和第二数量的端子电压来估计第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值。

控制单元还可以被配置为使用最小二乘算法基于ocv、特定恒定电流和第二数量的端子电压来估计第一电阻器的电阻值和第二电阻器的电阻值。

有益效果

根据本公开的至少一个实施例，可以从脉冲放电曲线中提取线性改变范围以排除非线性改变范围，并且基于与提取的线性改变范围相关的数据来估计电池等效电路模型的参数。

本公开的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员将从所附权利要求中清楚地理解这些和其他效果。

附图说明

附图说明了本公开的优选实施例，并且与下面描述的本公开的详细描述一起用于提供对本公开的技术方面的进一步理解，因此本公开不应该被解释为限于附图。

图1是示出根据本公开的实施例的用于估计电池等效电路模型的参数的装置的配置的示意性框图。

图2是示出电池的电池等效电路模型的示例性视图。

图3是示出说明电池的非线性电压特性的示例性脉冲放电曲线的曲线图。

图4是根据本公开的实施例的用于估计电池等效电路模型的参数的方法的流程图。

图5是示出使用通过图4的方法估计的电池等效电路模型参数生成的电池等效电路模型电压曲线的曲线图。

图6的(a)是示出通过五个电池的脉冲放电测试获得的脉冲放电曲线的图，其中该五个电池在将温度保持在25℃时具有相同的36ah的最大容量和10％、20％、30％、40％和50％的不同的soc，并且图6的(b)是示出从图6的(a)中所示的脉冲放电曲线获得的电阻变化曲线的图。

图7是示出基于在各种温度条件下获得的脉冲放电曲线和电阻变化曲线确定的候选电压值的曲线图。

图8是示出随温度条件的改变的阈值电压的改变的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应当理解，说明书和所附权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于一般和词典含义，而是在允许发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则的基础上，基于与本公开的技术方面对应的含义和概念来解释。

因此，这里描述的实施例和附图中示出的图示仅仅是本公开的最优选实施例，但是并不旨在完全描述本公开的技术方面，因此应该理解的是，在提交申请时可以对其进行各种其他的等同和修改。

另外，在描述本公开时，当认为相关已知元件或功能的某些详细描述使得本公开的关键主题模糊时，在此省略详细描述。

包括诸如“第一”、“第二”的序数的术语可用于区分各种元件当中的一个元件与另一元件，但不旨在通过术语限制元件。

除非上下文另有明确指示，否则将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”或“包含”指定所述元件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他元件。另外，这里使用的术语<控制单元>意指至少一个功能或操作的处理单元，并且这可以通过硬件或软件单独或组合实现。

另外，在整体说明书中，将进一步理解，当元件被称为“连接”到另一元件时，它能够直接连接到其他元件或者可以存在介入元件。

图1是示出根据本公开的实施例的用于估计电池等效电路模型的参数的装置100的配置的示意性框图。

参照图1，装置100包括存储器110、控制单元120、和接口单元130，并估计电池的电池等效电路模型的参数。

存储器110不限于特定类型，并且包括能够记录和擦除信息的任何存储介质。在示例中，存储器110可以是ram、rom、寄存器、硬盘、光学记录介质或磁记录介质。

存储器110可以例如通过数据总线连接到控制单元120，以允许控制单元120访问存储器110。存储器110存储和/或更新和/或擦除和/或发送包括由控制单元120执行的各种类型的控制逻辑的程序和/或在执行控制逻辑时创建的数据。存储器110可以在逻辑上分成两个或更多个，并且可以被包括在控制单元120中，但是不限于此。

控制单元120可以选择性地包括处理器、专用集成电路(asic)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器和本领域已知的数据处理设备，以执行上述各种控制逻辑。另外，当控制逻辑以软件实现时，控制单元120可以实现为一组程序模块。下面将参照图3描述控制单元120的操作。

接口单元130被配置为通过通信信道与外部设备(例如，电动车辆的ecu、操作员终端等)通信。通信信道支持有线或无线通信。有线通信可以是例如控制器区域网络(can)通信，并且无线通信可以是例如zigbee或蓝牙通信。接口单元130可以从外部设备向存储器110提供输入数据(例如，如下所述的脉冲放电曲线)，并向外部设备提供表示由控制单元120执行的控制逻辑的结果的输出数据。

图2是示出电池的电池等效电路模型200的示例性视图，并且图3是示出说明电池的非线性电压特性的示例性脉冲放电曲线的曲线图。

参照图2，电池等效电路模型200可包括电压源205、第一电阻器210、第二电阻器220和电容器230。电池等效电路模型200的参数可包括第一电阻器210的电阻值、第二电阻器220的电阻值和电容器230的电容。

电压源205指示根据电池的充电状态(soc)和温度确定的电池的开路电压vocv。也就是说，当设定soc和温度时，ocvvocv是唯一设定的，并且可以表示为vocv＝f(soc，t)，其中t表示电池的温度，f()表示当输入soc和t时输出vocv的函数。

可以针对电池的每个soc和每个温度预定义由电压源205形成的ocv。也就是说，可以在各种soc和各种温度中的每一个测量电池的ocv，可以根据测量结果生成定义soc、温度和ocv之间的相关性的ocv-soc映射，并且生成的ocv-soc映射可以存储在存储器110中。

第一电阻器210模拟由电池的内阻引起的压降。由于内阻，在电池充电期间测量的端子电压高于ocv。相反，在电池放电期间测量的端子电压低于ocv。

第二电阻器220和电容器230并联连接。如图所示，第二电阻器220可以串联连接到第一电阻器210。第二电阻器220和电容器230的并联连接电路可以称为“rc对”。第二电阻器220和电容器230可以模拟在电池的充电和放电期间由正电极和负电极的极化引起的压降。

在时间步长k中，当在第一电阻器210中流动的电流是ir1[k]，在第二电阻器220中流动的电流是ir2[k]，第一电阻器210的电阻值是r1并且第二电阻器220的电阻值是r2时，电池等效电路模型200的电压vmodel[k]可以表示如下。

vmode1[k]＝vocv-(vr1[k]+vr2[k]＝vocv-(ir1[k]r1+ir2[k]r2)＝vocv-vmod_d[k]

这里，第一电阻器210和第二电阻器220的压降由vmod_d[k]表示。

同时，当由电池的极化引起的压降的量超过预定水平时，电池等效电路模型200不再能够有效地模拟电池的实际电压行为，并且将参考图3提供其详细描述。

当电池具有特定温度(例如，25℃)和特定soc(例如，soc20％)时，图3中所示的脉冲放电曲线cpro可以由第一数量的端子电压v[1]～v[m]来定义，该第一数量的端子电压v[1]～v[m]是在电池以特定恒定电流(例如，360a)从与特定温度和特定soc对应的ocv到放电电压的下限vmin的放电期间，以预定周期从电池顺序地测量的。也就是说，脉冲放电曲线cpro包括第一数量的端子电压v[1]～v[m]。

基于脉冲放电曲线cpro上的特定点处的端子电压(下文中称为“阈值电压”)vth，脉冲放电曲线cpro被分成两个不同的范围，即，其中发现线性电压特性的范围(称为“线性改变范围”)和其中发现非线性电压特性的范围(称为“非线性改变范围”)。也就是说，在第一数量的端子电压v[1]～v[m]当中，等于或高于阈值电压vth的端子电压的电压范围可以被认为是时变线性的，而小于阈值电压vth的端子电压的电压范围可以被认为是时变非线性的。在脉冲放电曲线cpro中发现的电池的非线性电压特性从由在连续恒定电流放电期间的电池的极化引起的非线性增加的压降导致。

可以使用基于脉冲放电曲线cpro中包括的第一数量的端子电压v[1]～v[m]估计的电池等效电路模型200的参数来生成图3中所示的电池等效电路模型电压曲线cmodel_1。图3示出了电池等效电路模型电压曲线cmodel_1在除了与脉冲放电曲线cpro的交叉点之外的大部分剩余范围中与脉冲放电曲线cpro具有较大的差异的事实。这是因为即使在具有电池等效电路模型200不能准确模拟的非线性电压特性的范围内的端子电压v[n+1]～v[m]也用于估计电池等效电路模型200的参数。

装置100可以基于与特定温度、特定soc和特定恒定电流相关联的阈值电压vth来提取属于具有线性电压特性的范围的第二数量的端子电压v[1]～v[n]，并基于第二数量的端子电压v[1]～v[n]来估计电池等效电路模型200的参数，且将参考图4和图5提供详细描述。

图4是根据本公开的实施例的用于估计电池等效电路模型的参数的方法的流程图，且图5是示出使用通过图4的方法估计的电池等效电路模型参数生成的电池等效电路模型电压曲线的曲线图。

参照图1至图3连同图4，在步骤s400中，控制单元120设置包括特定温度、特定soc和特定恒定电流的参数估计条件。特定温度、特定soc和特定恒定电流可以是从多个给定温度、多个给定soc和多个给定恒定电流中的每一个的所选择的温度、soc和恒定电流的组合。

在步骤s410中，控制单元120从存储器110读取与参数估计条件对应的脉冲放电曲线cpro。与多个温度、多个soc和多个恒定电流一对一相关联的多个脉冲放电曲线可以被预记录在存储器110中。读取的脉冲放电曲线cpro包括第一数量的端子电压v[1]～v[m]，该第一数量的端子电压v[1]～v[m]是当具有特定soc的电池在特定温度下以恒定电流从与特定soc对应的ocvvocv放电到放电电压的下限vmin时以预定周期从该电池顺序地测量的。

在步骤s420中，控制单元120根据在步骤s410中读取的脉冲放电曲线确定阈值电压vth。如上所述，阈值电压vth在ocvvocv和放电电压的下限vmin之间。将参照图6到图8更详细地描述确定阈值电压vth的方法。

在步骤s430中，控制单元120从第一数量的端子电压v[1]～v[m]中提取ocv和阈值电压之间的第二数量的端子电压v[1]～v[n]。也就是说，控制单元120可以从包括在脉冲放电曲线cpro中的所有端子电压v[1]～v[m]中去除属于具有非线性电压特性的范围的端子电压v[n+1]～v[m]，且仅提取属于具有线性电压特性的范围的端子电压v[1]～v[n]。在该实例中，本领域技术人员将容易理解，第二数量n小于第一数量m。

第二数量的端子电压v[1]～v[n]可以各自被表示为v[k]＝vocv-vd[k]{k＝1～n}，由此可以看出vd[k]＝vocv-v[k]{k＝1～n}。

这里，vd[k]是通过从ocvvocv减去第k周期(即，时间步长k)的端子电压v[k]而获得的值，并且是电池的实际压降。vmod_d[k]和vd[k]之间的差异可以由第一电阻器210的电阻值和第二电阻器220的电阻值确定。

在步骤s440中，控制单元120基于ocvvocv、特定恒定电流和第二数量的端子电压v[1]～v[n]来估计第一电阻器210的电阻值和第二电阻器220的电阻值。控制单元120可以使用最小二乘算法来估计第一电阻器210的电阻值和第二电阻器220的电阻值。

当k＝1～n时，vmod_d[k]和vd[k]之间的差异的平方和s可以表示如下。

可以使用以下等式1来估计最小化平方和s的第一电阻器210的电阻值和第二电阻器220的电阻值。

<等式1>

在等式1中，

i＝[ir1ir2]

且ir2[0]＝0

另外，vd[k]是通过从ocvvocv减去第k周期(即，时间步长k)中的端子电压v[k]获得的值，ir1[k]是在第k周期中在第一电阻器210中流动的电流，iconst是特定恒定电流，ir2[k]是在第k周期中在第二电阻器220中流动的电流，τ是第二电阻器220和电容器230的给定时间常数，δt是在该周期的时间间隔，r1是所估计的第一电阻器210的电阻值，r2是所估计的第二电阻器220的电阻值，i^t是i的转置矩阵。

图5是其中将电池等效电路模型电压曲线cmodel_2添加到图3的曲线图的曲线图。基于所估计的第一电阻器210的电阻值r1和所估计的第二电阻器220的电阻值r2，生成电池等效电路模型电压曲线cmodel_2。能够看出，当与电池等效电路模型电压曲线cmodel_1相比时，电池等效电路模型电压曲线cmodel_2在具有线性电压特性的范围中比电池等效电路模型电压曲线cmodel_1更好地模拟脉冲放电曲线cpro。

在步骤s450中，控制单元120基于时间常数τ和所估计的第二电阻器220的电阻值r2来估计电容器230的电容。所估计的电容可以等于通过将时间常数τ除以所估计的第二电阻器220的电阻值r2而获得的值。

在步骤s460中，控制单元120将在步骤s440中估计的第一电阻器210的电阻值和第二电阻器220的电阻值与参数估计条件相关联，并将其记录在存储器110中存储的参数映射中。当然，在步骤s460中，控制单元120可以将在步骤s450中估计的电容与特定温度、特定soc和特定恒定电流相关联，并将其记录在参数映射中。

图6的(a)是示出通过五个电池的脉冲放电测试获得的脉冲放电曲线的图，其中该五个电池在将温度保持在25℃时具有相同的36ah的最大容量和10％、20％、30％、40％和50％的不同的soc，并且图6的(b)是示出从图6的(a)中所示的脉冲放电曲线获得的电阻变化曲线的图，图7是示出基于在各种温度条件下获得的脉冲放电曲线和电阻变化曲线确定的候选电压值的曲线图，且图8是示出随温度条件的改变的阈值电压的改变的曲线图。

在多个预设温度条件的每一个中，可以通过在每个soc进行脉冲放电测试来获得多个脉冲放电曲线，并且在图6的(a)示出了在25℃的温度条件下获得的五个脉冲放电曲线。

在每个脉冲放电测试中施加的恒定电流是与电池的soc和温度对应的阈值电流。与特定soc和特定温度对应的阈值电流可以通过混合脉冲功率表征(hppc)方法等方法确定，并且可以是不损坏电池的放电电流的最大值。

优选地，当通过hppc方法确定的在特定soc和特定温度下的放电电流的最大值大于用于电池安全的放电电流的给定上限时，与特定soc和特定温度对应的阈值电流可以被设置为等于放电电流的上限。

在进行以获得图6的(a)中所示的脉冲放电曲线的脉冲放电测试中，放电电流的上限被设置为360a。在图6的(a)中，在获得每个脉冲放电曲线时施加的阈值电流在曲线图的右上部分指示。也就是说，与20％、30％、40％和50％soc对应的阈值电流同等地为360a。这是因为针对在25℃的温度条件下的20％、30％、40％和50％soc的电池通过hppc方法确定的放电电流的最大值超过放电电流的上限360a。相反，由于针对在25℃的温度条件下的10％soc的电池通过hppc方法确定的放电电流的最大值200a低于放电电流的上限360a，200a被施加作为阈值电流。

可以使用以下等式2从每个脉冲放电曲线来获得每个电阻变化曲线。

<等式2>

在等式2中，t可以是时间，ith可以是与特定soc和特定温度对应的阈值电流，v(t)可以是在t处电池的端子电压，并且vocv可以是与特定soc和特定温度对应的电池的ocv。ith和vocv是与特定soc和特定温度对应的给定值，并且v(t)是可以从针对特定soc和特定温度的脉冲放电曲线中提取的值。

在确定在其处每个电阻变化曲线达到预设阈值变化rth的时间点之后，将所确定的时间点处的每个脉冲放电曲线的电压值记录为候选电压值。因此，可以在每个温度条件中记录多个候选电压值。

参照图6的(a)和(b)，可以记录与在25℃的温度条件在五个soc中的每一个处获得的每个脉冲放电曲线相关的五个候选电压值。详细地，参照图6的(b)，五个电阻变化曲线按顺序在五个时间点t1、t2、t3、t4和t5达到阈值变化rth。也就是说，当给定阈值变化rth时，可以确定在其处每个电阻变化曲线达到阈值变化rth的时间点。随后，可以确定在五个所确定的时间点t1、t2、t3、t4和t5处的图6的(a)中示出的每个脉冲放电曲线的端子电压。

参照图7，示出了在45℃、25℃、10℃、0℃和-10℃的各种温度条件下记录的候选电压值。为了帮助理解，在相同温度条件下记录的候选电压值通过顺序地利用直线将它们连接来分组。一起参照图6的(a)和(b)，在25℃的温度条件下确定的五个候选电压值当中，时间点t3处的候选电压值最高。因此，在25℃的温度条件下，可以将时间点t3处的候选电压值设置为阈值电压。

以相同的方式，针对图7中所示的剩余温度条件45℃、10℃、0℃和-10℃中的每个的阈值电压可以被设置，并且这能够通过图8看出。如图8所示，阈值电压可能随着温度增加而趋于增加。可以使用插值等来设置针对除了脉冲放电测试中使用的温度之外的温度的阈值电压。

上面参照图6至图8描述的基于soc和温度条件设置电池的阈值电压的操作可以通过控制单元120来执行。也就是说，当从存储器110等提供针对特定温度条件的至少一个脉冲放电曲线时，控制单元120可以确定在其处与每个脉冲放电曲线对应的电阻变化曲线达到阈值变化rth的时间点，将所确定的时间点的每个脉冲放电曲线的电压记录为候选电压值，并将在相同温度条件下记录的候选电压值中的任何一个设置为阈值电压。当然，针对每个温度条件的阈值电压可以以查找表的形式被预存储在存储器110中。

以上描述的本公开的实施例不是仅通过装置和方法实现的，并且可以通过执行与本公开的实施例的配置对应的功能的程序或者具有记录在其上的程序的记录介质来实现，本领域技术人员从先前描述的实施例的公开中可以容易地实现这种实施方式。

尽管已经关于有限数量的实施例和附图在上文中描述了本公开，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本公开的技术方面和所附权利要求的等同范围内对其进行各种修改和改变。

另外，在不脱离本公开的技术方面的情况下，本领域技术人员可以对本文所述的本公开进行许多替换、修改和改变，并且本公开不限于上述实施例和附图，并且每个实施例可以部分地或整体地选择性地组合以允许各种修改。