基于电池单元使用历史和温度来确定电池单元的电压张弛时间的方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及电池，且更具体地，涉及用于确定电动车辆中的车辆电池中的电 池单元的张弛时间（relaxation time)的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 术语"电动车辆"包括具有用于车辆推进的电动马达的车辆，例如电池电动车辆 (BEV)、混合动力电动车辆（HEV)及插电式混合动力电动车辆（PHEV)。BEV包括电动马达， 其中用于该马达的能量来源是可从外部电源（例如电网）再次充电的电池。在BEV中，电 池是用于车辆推进的能量的来源。HEV包括内燃机和电动马达。用于HEV发动机的能量来 源是燃料，且用于马达的能量来源是电池。在HEV中，发动机为用于车辆推进的主要能量来 源，而电池提供了用于车辆推进的补充能量。HEV电池缓冲燃料能量使用且存储例如从再 生制动回收的动能。PHEV类似HEV，但PHEV具有更大容量的电池，该电池可从外部电网再 次充电。在PHEV中，电池是用于车辆推进的主要能量来源，直至电池消耗至低能量水平，此 时PHEV如同HEV那样操作进行车辆推进。电动车辆使用包括电池荷电状态（SOC)的许多 测量和估测监控电池的状态。为了包括恰当的功率管理和向驾驶员报告可靠的剩余驾驶距 离的多个目的，电动车辆中需要SOC的精确估测。
[0003] 公告于2014年4月22日的美国专利8,706,333和公开于2014年2月27日的 美国专利申请公开号2014/0058595的专利申请描述了用于确定电池荷电状态的方法和系 统，且在此将其通过引用并入本文中。
[0004] 锂离子电池开路电压（OCV)是电池 SOC的良好指标。只要能够获得高品质的0CV， 即能够估测SOC。当使用电池端子电压作为电池 OCV用于准确的SOC估测时，电池内部扩散 过程必须完成或接近完成。如果电池端子电压自上次电池使用已张弛了充分的时间段，则 电池端子电压提供了用于准确的SOC估测的基础。与此不同，例如，如果在放电之后立即测 量电池端子电压，则实际上低估了 S0C。类似地，当在充电之后立即测量电池端子电压时，则 尚估了 S0C。
[0005] 在动力开启（即开始新的驱动循环）时，如果电池电压还没有经历充分的时间以 张弛，则基于未张弛的OCV的SOC估测是不准确的，且与在上次驱动段期间所获得的最近期 的SOC估测实质上不同。为了避免产生不准确的SOC估测，目前的方法利用在动力关闭之 后允许动力开启时的SOC-OCV调整之前的固定的等待时间。但是，使用固定等待时间存在 缺陷。例如，电池电压可能需要较少的时间来张弛，且如果在距上次驱动时段的预先设定的 时间经过之前开动车辆，则电池控制器将失去准确更新SOC值的机会。作为另一个实例，对 于电压张弛来说预先设定的时间段可能不充分，特别是在低温和重度电池使用的条件下。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了用于估测电池单元电压张弛时间的方法，利用温度和电池单元使用 历史来实现提高的准确性。
[0007] 在本发明的一个方面，估测电动车辆中的电池单元张弛时间的方法包含：测量电 池温度；在第一时间测量电池的第一电压；在第二时间测量电池的第二电压；基于第一电 压测量和第二电压测量之间的电池电流测量计算电流RMS值；记录电流RMS值；及基于电 流RMS值和温度确定最小张弛时间。
[0008] 在本发明的进一步的方面，具有电池控制器的电动车辆包含用于SOC-OCV调整的 系统，其中，如基于使用历史和温度所计算的张弛时间所确定的，如果电池张弛是充足的， 在动力开启时执行SOC-OCV的性能调整。
[0009] 根据本发明提供一种电池能量控制模块（BECM)，其包含：
[0010] 基于均方根（RMS)电流和温度的电池张弛时间的张弛时间查找表（LUT)，其中所 述LUT提供了对应于RMS电流和温度的一组张弛时间值，
[0011] 其中根据基于开路电压的荷电状态估测，所述BECM监控动力开启和动力关闭事 件，并估测电池容量，BECM进一步配置为，如果经过时间超过在张弛时间LUT中所提供的用 于所测量的RMS和温度的张弛时间，则在动力开启时基于所估测的电池容量产生输出。
[0012] 根据本发明的一个实施例，其中对于实际RMS电流和温度值介于张弛时间LUT中 的RMS电流和温度值中间的情况，将高端值用作张弛时间。
[0013] 根据本发明的一个实施例，其中，对于实际RMS电流和温度值介于张弛时间LUT中 的RMS电流和温度值中间的情况，使用线性插值来估测张弛时间。
[0014] 根据本发明的一个实施例，其中，对于实际RMS电流和温度值介于张弛时间LUT中 的RMS电流和温度值中间的情况，使用非线性插值来估测张弛时间。
[0015] 根据本发明的一个实施例，还包含：
[0016] 非易失性存储器，其中所述存储器存储选自以下的至少一个值：所测量的电池温 度、所测量的电池端子电压、电流RMS值、及在动力关闭时估测的电池单元电池张弛时间； 及
[0017] 温度、S0C、及电池单元电压的SOC-OCV LUT。
[0018] 根据本发明提供一种产生电池张弛时间查找表（LUT)的方法，包括：
[0019] a)冷放电池至目标温度；
[0020] b)对电池施加充电/放电电流；及
[0021] c)当电池张弛至稳定状态值的预先确定的量内时，向LUT记录特定温度和电流的 张弛时间。
[0022] 根据本发明的一个实施例，其中所述预先确定的量为3mV。
[0023] 根据本发明的一个实施例，包括重复用于额外的目标温度和电流的步骤a-c的步 骤。
[0024] 根据本发明的一种电池能量控制模块（BECM)，其包含：
[0025] 作为均方根（RMS)电流和温度的函数的电池张弛时间模型，其中电池张弛时间模 型提供了对应于RMS电流和温度的张弛时间值，及
[0026] 其中所述BECM监控动力开启和动力关闭事件，并根据基于开路电压的荷电状态 的估测而估测电池容量，将所述BECM进一步设置为，如果经过时间超过在张弛时间LUT中 所提供的用于所测量的RMS和温度的张弛时间，则在动力开启时基于所估测的电池容量产 生输出。
[0027] 根据本发明的一个实施例，其中使用神经网络以描述张弛时间和RMS电流及温度 值之间的关系，其中神经网络由RMS电流和温度值确定了张弛时间。
[0028] 根据本发明的一个实施例，还包括：
[0029] 非易失性存储器，其中所述存储器存储选自以下的至少一个值：所测量的电池温 度、所测量的电池端子电压、电流RMS值、及在动力关闭时估测的电池单元张弛时间；及
[0030] 温度、SOC及电池单元电压的SOC-OCV LUT ;及
[0031] 温度、RMS电流和张弛时间的神经网络。
[0032] 根据本发明，提供一种用于通过温度和使用为电池张弛时间的基于学习数据的模 型产生数据的方法，包含
[0033] a)将电池冷放至目标温度；
[0034] b)对电池施加充电/放电电流；
[0035] c)测量张弛时间，其中所述电池张弛至其稳定值的3mV内；
[0036] d)记录用于特定温度和电流的张弛时间；及
[0037] e)对于额外的目标温度和电流重复步骤a-c。
【附图说明】
[0038] 图1为在稳定的温度下锂离子电池 SOC-OCV曲线的实例；
[0039] 图2为显示在0°C时测试的驱动循环组的图表，显示了电流随时间的变化；
[0040] 图3为显示在0°C时测试的驱动循环组的图表，显示了电池单元电压随时间的变 化；
[0041] 图4为显示在-15°C时测试的驱动循环组的图表，显示了电流随时间的变化；
[0042] 图5为显示在-15°C时测试的驱动循环组的图表，显示了电池单元电压随时间的 变化；
[0043] 图6为显示在-15°C时驱动循环组测试期间的电流曲线的图表；
[0044] 图7为显示在0°C时驱动循环组测试期间的电流曲线的图表；
[0045] 图8为显示在-15°C时驱动循环组测试期间的电池单元电压的图表；
[0046] 图9为显示在0°C时驱动循环组测试期间的电池单元电压的图表；
[0047] 图10为在SOC确定中执行本发明的方法的流程图；
[0048] 图11为采用本发明的实施例的电动车辆系统的图表。
【具体实施方式】
[0049] 图1显示了在稳定的温度下的锂离子电池 SOC-OCV曲线的实例。由于在OCV和 SOC之间的一对一映射，因此如果能够获得高品质0CV，则能够估测S0C。在电池能量控制模 块（BECM)中，可将电池单元SOC-OCV曲线作为温度、SOC和电池单元电压的查找图表（LUT) 来存储。例如，在典型的PHEV电池 SOC操作范围（例如PHEV100% SOC至10% S0C)内，约 3mV电池单元电压对应于1% S0C。用于充分的电池单元电压张弛的优选的标准为当电池单 元电压张弛至其稳定状态值的3mV以内时。在一些实施例中，当电池单元电压张弛至其稳 定状态值的〇_3mV内时、其稳定状态值的0-5mV内时、或其稳定状态值的O-IOmV内时，可获 得有效的OCV测量。
[0050] 为了表征影响张弛时间的因子，在多种温度和使用条件下测试电池单元。图2和 图3显示了分别在0°C和-15°C时测试的PHEV US06驱动循环组的组电流和一个电池单元电 压。在该曲线图中，短语"具有终端脉冲的组电流"表明存在电池的重使用（heavy usage)， 例如在断开电池接触器之前的大的放电或充电组电流。
[0051] 在相同的温度下采用和不采用电池的重终端使用进行测试，比较电池单元电压测 量。动力关闭紧前的重电池使用导致需要更长的时间段用于电池单元电压张弛。
[0052] 例如，由图2和图3所显示的在0°C时的测试数据，电池单元电压的稳定状态值在 重电池终端使用（heavy battery end usage)时为约3. 251V，且在非重电池终端使用时为 3. 593V。从断开接触器开始，花费约2477秒或超过40分钟用于电池单元电压在重电池终 端使用情况下张弛至3. 248V。与此不同，仅需电池单元约388秒，或刚刚超过6分钟，用于 电池单元电压在不存在重电池终端使用时张弛至3. 590V。
[0053] 类似地，由图4和图5所显示的在-15°C时的测试数据，电池单元电压的稳定状态 值在重电池终端使用时为约3. 474V，且在非重电池终端使用时为3. 610V。自断开接触器开 始，花费约1761秒或近30分钟，用于在重电池终端使用下电池单元电压张弛至3. 471V。而 在无