电荷状态估计器及制造和使用电荷状态估计器的方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般涉及的领域包括电池估计器以及制造和使用所述电池估计器的方法。
【背景技术】
[0002] 具有电池的车辆可以使用电池状态估计器。
【发明内容】
[0003] 若干变体包括一种方法，所述方法可以包括使用基于电压的电池状态估计数据的 至少一段并且使用实时线性回归，所述实时线性回归可以是一种基于当前和先前数据点来 估计系统的未来行为以提供稳健并且快速适应的阻抗响应逼近器的方法。线性回归可以通 过形成与电化学阻抗频谱数据"等效"的RC电路并且使用任何数量的已知实时线性回归算 法来处理那个RC电路的运行时间值来执行，已知实时线性回归算法包括但不限于加权递 归最小平方(WRLS)、卡尔曼滤波器或其他方式。
[0004] 若干变体可以包括一种方法，所述方法包括使用包括基于来自能量储存设备(诸 如电池、超级电容器或其他电化学设备）的电化学阻抗频谱数据建模的RC电路的电荷状态 估计器并且使用任何数量的已知实时线性回归算法来处理那个RC电路的运行时间值，已 知实时线性回归算法包括但不限于加权递归最小平方(WRLS)、卡尔曼滤波器或其他方式。 所述方法还可以包括控制器，所述控制器被构造和布置成接收来自电荷状态估计器的数 据、将来自估计器的所述输入与预定值相比较并且在来自估计器的输入在预定值的预定范 围内时采取诸如发送代表电荷状态的信号的动作或者采取其他动作。在若干变体中，控制 器可以被构造和布置成防止包括能量储存设备的车辆的燃烧燃料的发动机在来自估计的 输入在预定值之内的情况下被关闭。
[0005] 本发明包括以下方案： 1. 一种方法，包括： 使用基于电压的电池状态估计数据的至少一段估计电池的电荷状态，并且形成以逼近 电化学阻抗频谱数据的方式操作的RC电路，并且使用实时线性回归算法来处理所述RC电 路的运行时间值。
[0006] 2.如方案1所述的方法，其中所述RC电路包括与N个电阻器-电容器对串联的 电阻器。
[0007] 3.如方案2所述的方法，其中N大于2。
[0008] 4.如方案1所述的方法，其中所述算法使用加权递归最小平方（WRLS)过滤器。
[0009] 5.如方案1所述的方法，其中所述算法使用卡尔曼过滤器。
[0010] 6?-种方法，包括： 使用包括基于电化学阻抗频谱数据建模的RC电路的电荷状态估计器来估计能量储存 设备的电荷状态，并且使用实时线性回归来处理所述RC电路的运行时间值。
[0011] 7.如方案6所述的方法，其中所述RC电路包括与N个电阻器-电容器对串联的 电阻器。
[0012] 8.如方案7所述的方法，其中N大于2。
[0013] 9.如方案6所述的方法，其中所述算法使用加权递归最小平方（WRLS)过滤器。
[0014] 10.如方案6所述的方法，其中所述算法使用卡尔曼过滤器。
[0015] 11.如方案6所述的方法，其进一步包括控制器，所述控制器被构造和布置用于 接收来自电荷状态估计器的输入，所述控制器将来自估计器的输入与预定值相比较，并且 当来自估计器的输入在预定值的预定范围内时采取动作。
[0016] 12.如方案11所述的方法，其中采取动作包括防止包括能量储存设备的车辆的 燃烧燃料的发动机在来自估计的输入在预定值的预定范围之内的情况下被关闭。
[0017] 13.如方案11所述的方法，其中采取动作包括发送代表能量储存设备的电荷状 态的信号。
[0018] 14.如方案11所述的方法，其中所述能量储存设备是电池。
[0019] 15.如方案11所述的方法，其中所述能量储存设备是超级电容器。
[0020] 本发明的范围内的其他说明性变体将从下文提供的详细描述变得显而易见。应理 解，在披露本发明的范围内的变体时的详细描述和特定实例意欲仅用于说明目的而并不意 欲限制本发明的范围。
【附图说明】
[0021] 本发明的范围内的变体的选定实例将从详细描述和附图变得更完整理解，其中： 图1A示出根据若干变体的包括与N个R| |C对串联的电阻器的电路。
[0022] 图1B示出可以用来逼近传输线的电路的示意图。
[0023] 图1C示出根据若干变体的R| |N(R+C)电路。
[0024] 图2是根据若干变体的频率响应分析器（FRA)、周期计与用来获得数据的电化学 电池之间的电气连接的示意性图示。
[0025] 图3是具有图1A的电路的奈奎斯特图（40摄氏度)，其中N=3。
[0026] 图4是具有图1A的电路的奈奎斯特图（25摄氏度)，其中N=3。
[0027] 图5是具有图1A的电路的奈奎斯特图（10摄氏度)，其中N=3。
[0028] 图6A是具有图1A的电路的奈奎斯特图（0摄氏度)，其中N=3。
[0029] 图6B是具有图1A的电路的奈奎斯特图（0摄氏度)，其中N=3,2和1。
[0030] 图7是具有图1A的电路的奈奎斯特图（-10摄氏度)，其中N=3。
【具体实施方式】
[0031] 变体的以下描述实质上仅是说明性的，而绝不意欲限制本发明的范围、其应用或 使用。
[0032] 若干变体可以包括一种方法，所述方法包括获取用于将在所关注的S0C(电荷状 态）和温度范围内使用的电池的电化学阻抗频谱数据、将所述电化学阻抗频谱数据与所述 温度和S0C范围内的等效电路进行拟合。在若干变体中，等效电路可以具有最少数量的电 阻器、电容器和电感器。在若干变体中，所述方法可以包括使用实时线性回归，所述实时线 性回归可以是基于当前和先前数据点来估计系统的未来行为以提供稳健且快速适应的阻 抗响应逼近器/估计器的方法。线性回归可以通过形成与电化学阻抗频谱数据"等效"的RC电路并且使用任何数量的已知实时线性回归算法来处理那个RC电路的运行时间值来执 行，已知实时线性回归算法包括但不限于加权递归最小平方（WRLS)、卡尔曼滤波器或其他 方式。
[0033] 作为一个示例性应用，我们使用关于在广泛的温度、S0C和频率范围内的牵引电池 用的电池的实验阻抗数据来确定哪种类型的等效电路非常有效代表电池阻抗。我们发现 图1A中所示的电路对于当前的锂离子电池非常有效。一般形式的等效电路是与串联电阻 器-电容器组合并联的电阻器。给定用于任意数量的并联电阻器-电容器组合的等效电路 的阻抗的一般公式。我们将这些电路称为R+N(R| |C)电路，其中N是并联电阻器-电容器 组合的数量。这类电路提供用于锂离子电池中的小幅度瞬变的精确模拟的容易开始点。此 外，由以任意方式连接的电阻器和电容器构成的任何电路具有与适当选择的R+N(R| |C)电 路相同的阻抗。这意味着，除了电感效应的可能性之外，其足以将我们的注意力限制于这种 类型的电路以将线性电路元件与电池数据相匹配。R+N(R| |C)电路具有模拟的R+N(R| |C) 电路（图lc中示出)，其中所有串联和并联连接被互换。电路la的导纳具有与电路lc的阻 抗类似的形式，且反之亦然。
[0034] 最后，我们得出用于R+N(R| |C)电路的分析功率表达。另外在此，所描述的方法适 用于含有任意数量的电阻器、电容器和电感器的更一般的电路。这些电路的阻抗可以始终 被表达为两个频率多项式的商，并且这些多项式的根用来得出分析功率表达。
[0035] 即使R+N(R| |C)电路足以用于将模型与数据相匹配，有时也需要考虑其他类别的 电路，因为它们提供用于已知电池效应的方便的物理解释。将描述基于基尔霍夫定律以分 析地表达用于包括线性电路元件(例如，任何数量和配置的电阻器、电容器和电感器）的任 何这样的等效电路的阻抗的方法。
[0036] 实验的 议器廣硷潘。使用具有3. 6V的标称电压和20Ah的标称电容的LGPL5A(雪佛兰伏 特，通用汽车零件号22836139)锂离子牵引电池用电池产生示例应用中使用的实验阻抗数 据。正电极由NixMnyCoz0 2 (70%重量百分比，x+y+z= 1)和LiMn204 (30%重量百分比） 构成；负电极由表面改进的石墨和软质碳构成。用来执行测量的主要设备是输力强1280C 频率响应分析器（FRA)，该分析器被嵌入在用于控制电流和电压的稳压器中。此设备能够测 量-14. 5伏与14. 5伏之间的电压，供应-2A与2A之间的电流，并且产生正弦波形以执行 1mHz至20kHz的单频阻抗扫描。FRA与