牵引电池组状态估计的制作方法

1.本公开涉及汽车电力系统及其控制。


背景技术：

2.电化学阻抗谱是通过向系统施加相对较小的正弦扰动而进行的频域测量，所述系统被假设为具有线性响应。给定频率下的阻抗与在逆频率的时间尺度上发生的过程有关。因此，可以通过以单个扰动振幅扫描宽范围的频率来执行电化学阻抗谱。


技术实现要素：

3.一种汽车电力系统具有：牵引电池，所述牵引电池包括电池单元串和汇流条；线圈，所述线圈缠绕在所述汇流条中的一个上；以及控制器。所述控制器经由所述线圈将扫描频率范围内的ac电流驱动到所述汇流条中的所述一个中，并且从所述电池单元中的至少一个接收由所述ac电流产生的电压数据。
4.一种方法包括：经由缠绕在车辆的牵引电池的汇流条上的线圈将扫描频率范围内的ac电流驱动到所述汇流条中；从所述牵引电池的至少一个电池单元接收由所述ac电流产生的电压数据；以及根据所述ac电流的相位对所述电压数据进行采样。
5.一种车辆包括：牵引电池和电机；接触器，所述接触器电气地位于所述牵引电池与所述电机之间；线圈，所述线圈缠绕在所述牵引电池的汇流条上；以及控制器。所述控制器经由所述线圈将扫描频率范围内的ac电流驱动到所述汇流条中，将电流驱动到所述接触器的线圈中，并且根据所述ac电流的相位对来自所述牵引电池的至少一个电池单元的由所述ac电流产生的电压数据进行采样。
附图说明
6.图1是包括牵引电池电力系统的车辆的示意图。
7.图2是在频率范围内的电池单元复阻抗对实阻抗的曲线图。
8.图3是在温度和频率范围内的电池单元复阻抗对实阻抗的曲线图。
9.图4是在图3的温度中的一个温度下在频率范围内的电池单元复阻抗对实阻抗的曲线图。
10.图5是与图4的曲线图相关联的电池单元等效模型的示意图。
具体实施方式
11.本文公开了详细实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是可以以各种和替代形式体现的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅解释为教导本领域技术人员的代表性基础。
12.通常，使用昂贵的实验室设备来执行电化学阻抗谱。这些实验室机器使用非常高
的电流来获得电压读数。在没有这种设备的情况下尝试运行这种测试方法存在两个主要问题。第一个问题是难以通过电池单元注入足够大的电流。常见的电池控制器可能无法承受获得有用的电压读数所需的电流量。第二个问题是，即使可以通过电池组推送足够大的电流，电阻的量值也非常小，因此太难读取读数。
13.本文的策略允许用成本低得多的设备完成此类测试，但仍然通过使用磁耦合来维持准确读数。从广义上讲，这些策略可以产生可变频率正弦电流，所述可变频率正弦电流被驱动通过牵引电池组中的所有电池单元，这是确定电池单元的阻抗的更精细方式。该注入电流的量值使得响应电压将出现在每个单独的锂电池单元上。可以使用电池监测集成电路来测量该电压，所述电池监测集成电路可以是常见电池控制系统的一部分。根据某些实施例，电池单元对所注入正弦电流的响应电压的量值足够大，使得可以使用标准电池监测集成电路来测量所述量值。通过测量电池单元对所注入电流的特定频率和相位的电压响应，可以更准确地确定每个电池单元的复阻抗。因此，还可以更有效地确定电池的健康状态。
14.图1示出了用于执行电化学阻抗谱的电池系统级电路10。该电路有两个主要部分：控制器模块部分12和高压总线14。在控制器模块部分12内，存在控制器16、第一电阻器18、第二电阻器20、底座22、开关24(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管)和电容器26。控制器16、第一电阻器18、开关24和电容器26彼此串联地起作用。第二电阻器20用作连接到接地22的分压器。在高压总线14中，存在缠绕在汇流条29上的线圈28、至少三个电池单元30、32、34、三个接触器36、38、40、预充电电阻器42和高压负载44(例如，电机)。线圈28可以缠绕在与电池单元相关联的任何汇流条(包括两个电池单元之间的汇流条)上。电池单元30、32、34彼此串联地以及与第三接触器40和高压负载44串联地起作用。第一接触器36与预充电电阻器42串联，并且这两者与第二接触器38并联。
15.线圈28与汇流条29磁耦合，并且在该示例中由12伏电池供电。线圈28用于将ac电流驱动到高压总线14中。控制器16被编程为将扫描频率范围内的ac电流驱动到汇流条29中并接收电压数据。扫描频率范围通常将保持在1赫兹至10千赫兹范围之间。这可以利用在附图中未示出的电池监测集成电路或集中式电池能量控制模块来完成。然而，明显的是，控制器16从与电池单元30、32、34相关联的电压传感器接收电池单元电压数据。某些实施例还展示了正弦电流与电池监测集成电路的电压读数的同步能力，这允许用户进行数千次测试循环并制定平均读数以获得更准确读数。
16.控制器16还可以根据电池组传感器电流测量电池组电流，这是重复使用现有的电池组电流传感器的成本有效方式。电池组电流传感器可以用于闭环电流控制，或者电流可以用于确定每个电池单元的电化学阻抗谱。即，电池组电流传感器用于测量被驱动的正弦电流。
17.控制器16用于表示电池能量控制模块中的中央微控制器。控制器16产生脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号通过第一电阻器18和第二电阻器20，并接通或断开开关24。脉冲宽度调制生成信号和开关24驱动电容器26和线圈28用于电化学阻抗谱电路。控制器16还可以基于指定频率和电池组电流来控制开关24，以调节耦合到高压总线14的电流。
18.使用控制器16来驱动开关24是电池能量控制模块空间中的标准程序，因此重新利用该硬件有助于降低整个过程的成本。在控制器模块部分12中利用该特定电路也是有用的，因为阻抗类似于位于高压总线14中的接触器36、38和40的阻抗。这简化了整个电路。另
外，控制器16可以与用于测量各个电池单元30、32、34的电池监测集成电路呈菊花链连接。利用这种能力，控制器16可以确定在正弦波中的哪个点触发反应并拾取电池单元电压数据。理想地，控制器16将利用正弦波中的最佳点，例如正峰值或负峰值。换句话说，控制器16被配置为根据ac电流的相位对电压数据进行采样，并且将获取数量符合预定数量的样本。
19.在分析高压总线14时，可以注意到，预充电电阻器42与第一接触器36串联。第一接触器36和第三接触器40将闭合连同高压负载44以在整个高压总线14中形成闭合回路。在不闭合第一接触器36和第三接触器40的情况下，电流将不能流过高压总线14。电流将流过第一接触器36以及流过预充电电阻器42。预充电电阻器42有助于减慢电流，以便均衡任一侧的电位，使得不会通过接触器36、38、40发生接触焊接。然后，第二接触器38将闭合并且第一接触器36将断开。控制器16被布置成具有已知的电路，以使电流被驱动通过第一接触器38、第二接触器40和第三接触器42的线圈以使它们闭合。该电流的源可以与线圈29的电流的源相同。
20.通过这种方法，还有机会估计荷电状态。通常，该过程需要断开接触器，然后使电池在一段时间内不受干扰。通过这种方法，开路电压可以实况获取，这在电路无法断开以进行这些测量的情况下效果更好。
21.参考图2，该二维阻抗图形46示出了在实部48与虚部50之间划分的阻抗。在该图形中，通过变化的频率将新电池单元52、54和56与老化的电池单元58进行比较。仅具有轻微变化的新电池单元52、54和56都紧密相关，而老化的电池单元58具有不同的阻抗。当测试未知的电池单元时，这种技术可能是有用的。通过使用该方法，可以从未知电池单元中提取数据并将其与阻抗图形进行比较以确定其在频谱上的位置。
22.用于测试电池单元的健康状态的附加检查是确定不同温度下的阻抗。在图3中，示出了三维图形60，其展示了阻抗的实部62、阻抗的虚部64和变化的温度66。如图所示，温度越低，等效串联电阻的阻抗就变得越大。
23.一旦使用电池系统级电路10收集了所有数据，就需要识别一个等效电路中的所有关键参数。图4展示了用于识别关键电池单元参数的图形68，并且图5展示了用于电化学阻抗谱测量的电池单元等效电路模型70。在电池单元等效电路模型70中，可以包括多个部件。具体地，在图5中，存在欧姆电阻(rs)72、确定电池的充电速率的等效电阻(rct)74、扩散速率(zw)76和双电层电容(cdl)78。当离子接近电极表面时，双电层电容78被迫作为来自溶液的离子。双电层电容78的值根据电极电位、温度、离子浓度、离子类型、氧化物层、电极粗糙度和杂质吸收而变化。该电池单元等效电路模型70允许在一个简单图中捕获每个关键概念。
24.本文所公开的过程、方法或算法可能够输送到处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实施，所述处理装置、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述过程、方法或算法可以作为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令来存储，所述形式包括但不限于：永久存储在不可写存储介质(诸如只读存储器装置)上的信息以及可变更地存储在可写存储介质(诸如光盘、随机存取存储器装置以及其他磁性和光学介质)上的信息。所述过程、方法或算法也可以以软件可执行对象来实施。替代地，可使用合适的硬件部件或者硬件、软件和固件部件的组合全部或部分地实施所述过程、方法或算法，所述硬件部件诸如专用集成电路、现场可编程门阵
列、状态机、控制器或其他硬件部件或装置。
25.尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。
26.如前所描述的，各种实施例的特征可以被组合以形成可能未被明确描述或说明的其他实施例。尽管各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但是本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式期望的实施例不在本公开的范围外，并且对于特定应用可为期望的。
27.根据本发明，提供了一种汽车电力系统，所述汽车电力系统具有：牵引电池，所述牵引电池包括电池单元串和汇流条；线圈，所述线圈缠绕在所述汇流条中的一个上；以及控制器，所述控制器被编程为经由所述线圈将扫描频率范围内的ac电流驱动到所述汇流条中的所述一个中，并且从所述电池单元中的至少一个接收由所述ac电流产生的电压数据。
28.根据实施例，所述控制器还被配置为根据所述ac电流的相位对所述电压数据进行采样。
29.根据实施例，所述控制器还被配置为在所述相位指示所述ac电流的峰值的同时对所述电压数据进行采样达预定数量的样本。
30.根据实施例，所述控制器还被配置为将所述样本求平均。
31.根据实施例，本发明的特征还在于与所述线圈电连接的辅助电池。
32.根据实施例，本发明的特征还在于与所述线圈电连接的开关，其中所述控制器还被编程为调制所述开关以经由所述线圈将所述扫描频率范围内的所述ac电流驱动到所述汇流条中的所述一个中。
33.根据实施例，本发明的特征还在于电气地位于所述开关与所述线圈之间的电容器。
34.根据实施例，本发明的特征还在于与所述串电连接的接触器，其中所述控制器还被编程为驱动电流通过所述接触器的线圈。
35.根据实施例，所述扫描频率范围包括1hz和10khz。
36.根据本发明，一种方法包括：经由缠绕在车辆的牵引电池的汇流条上的线圈将扫描频率范围内的ac电流驱动到所述汇流条中；从所述牵引电池的至少一个电池单元接收由所述ac电流产生的电压数据；以及根据所述ac电流的相位对所述电压数据进行采样。
37.在本发明的一个方面中，所述采样包括在所述相位指示所述ac电流的峰值的同时对所述电压数据进行采样达预定数量的样本。
38.在本发明的一个方面中，所述方法包括对所述样本求平均。
39.在本发明的一个方面中，所述驱动包括调制与所述线圈电连接的开关。
40.根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：牵引电池和电机；接触器，所述接触器电气地位于所述牵引电池与所述电机之间；线圈，所述线圈缠绕在所述牵引电池的汇流条上；以及控制器，所述控制器被编程为经由所述线圈将扫描频率范围内的ac电流驱动到
所述汇流条中，将电流驱动到所述接触器的线圈中，并且根据所述ac电流的相位对来自所述牵引电池的至少一个电池单元的由所述ac电流产生的电压数据进行采样。
41.根据实施例，所述控制器还被配置为在所述相位指示所述ac电流的峰值的同时对所述电压数据进行采样达预定数量的样本。
42.根据实施例，所述控制器还被配置为将所述样本求平均。
43.根据实施例，本发明的特征还在于与所述线圈电连接的辅助电池。
44.根据实施例，本发明的特征还在于与所述线圈电连接的开关，其中所述控制器还被编程为调制所述开关以经由所述线圈将所述扫描频率范围内的所述ac电流驱动到所述汇流条中。