固态浓度模型结合经验等效电路模型的蓄电池状态估计器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及固态浓度模型结合经验等效电路模型的蓄电池状态估计器。将电化学固态浓度模型与经验等效电路模型结合的蓄电池状态估计器。蓄电池状态估计器使用降阶的基于物理的电化学固态浓度模型来计算蓄电池电池单元的开路电压，并且使用等效电路模型中的计算的开路电压来评价扩散压降和其它蓄电池电池单元参数。蓄电池状态估计器使用扩展卡尔曼滤波器在在线估计器框架中被实施，其中测量的端子电压和测量的电流作为输入。蓄电池电池单元的荷电状态可从计算的开路电压被确定，并且荷电状态和来自等效电路模型的其它参数一起用来评价蓄电池组性能并控制蓄电池组的充电和放电。
【专利说明】固态浓度模型结合经验等效电路模型的蓄电池状态估计器
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及用于蓄电池组中的电池单元的蓄电池状态估计器，并且更具体 地涉及将电化学固态浓度模型与经验等效电路模型结合的混合蓄电池状态估计器，其中混 合模型使用扩展卡尔曼滤波器例程来计算，以提供开路电压和其它蓄电池参数的值，这些 值甚至在高电流操作条件下也是准确的。
【背景技术】
[0002] 电动车辆和汽油-电动或柴油-电动混合动力车辆在现今的汽车市场上正迅速得 到普及。电动车辆和混合动力电动车辆提供了多个所需特征，例如减少或消除了在消费者 水平上的排放物和石油基燃料消耗以及潜在地更低的运行成本。电动车辆和混合动力电动 车辆的关键子系统是蓄电池组，其在决定车辆性能方面起很大作用。在这些车辆中的蓄电 池组通常由许多互连的电池单元组成，这些电池单元能够根据需要提供大量功率。使蓄电 池组性能和寿命最大化是在电动车辆和混合动力电动车辆的设计和操作中的重要考量因 素。
[0003] 典型的电动车辆蓄电池组包括两个或更多个蓄电池组部段，其中每个部段根据需 要包含多个单独的蓄电池电池单元，以提供所需的电压和容量。为了优化蓄电池组的性 能和耐久性，重要的是监测蓄电池电池单元的荷电状态和其它参数。通常使用以荷电状 态-开路电压（S0C-0CV)曲线形式定义的关系基于电池单元的开路电压来确定电池单元的 荷电状态。然而，仅当蓄电池电池单元已达到平衡达数小时而没有充电或放电电流时可以 直接测量开路电压，此时，开路电压等于端子电压。在电动车辆蓄电池组的充电或放电期间 以及此后的一些时间内，仅可以基于测量的端子电压来估计开路电压。
[0004] 用于在充电或放电期间从蓄电池电池单元的端子电压估计开路电压的一种现有 技术是使用蓄电池电池单元的等效电路模型。等效电路模型使用诸如电容器和电阻器的经 验导出的电路元件来模拟蓄电池电池单元的表现。然而，在高电流的充电或放电条件下，等 效电路模型通常失去准确性，因为在这些条件下不能准确地建模扩散效应。需要一种蓄电 池状态估计器，其能够准确模拟真实操作条件下的蓄电池电池单元表现，并且在计算上足 够高效以实时运行。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的教导，公开了一种将电化学固态浓度模型与经验等效电路模型结合 的蓄电池状态估计器。蓄电池状态估计器使用降阶的基于物理的电化学固态浓度模型来计 算蓄电池电池单元的开路电压，并且使用等效电路模型中的所计算的开路电压来评价扩散 压降和其它蓄电池电池单元参数。蓄电池状态估计器使用扩展卡尔曼滤波器在在线估计器 框架中被实施，其中测量的端子电压和测量的电流作为输入。蓄电池电池单元的荷电状态 可从计算的开路电压被确定，并且荷电状态和来自等效电路模型的其它参数一起用来评价 蓄电池组性能并控制蓄电池组的充电和放电。
[0006] 本发明还可包括下列方案。
[0007] 1. -种用于确定蓄电池电池单元在充电或放电期间的状态的方法，所述方法包 括： 提供所述蓄电池电池单元的包括端子电压的等效电路模型，所述端子电压等于扩散效 应压降、双层压降、欧姆电阻压降和开路电压之和； 建立与所述等效电路模型中的所述双层压降和所述欧姆电阻压降相关联的电阻值和 电容值； 提供降阶的电化学模型，以基于在所述蓄电池电池单元的正电极和负电极处的活性材 料的固体浓度的计算来确定开路电压值； 在充电或放电期间获得所述蓄电池电池单元的测量的端子电压数据和测量的电流数 据，其中所述测量的数据使用传感器来获得；以及 基于所述等效电路模型、所述建立的电阻值和电容值、所述降阶的基于物理的模型以 及所述测量的端子电压数据和电流数据，使用微处理器来计算所述蓄电池电池单元的状 态。
[0008] 2.根据方案1所述的方法，其中，所述等效电路模型中的所述双层压降被建模为 第一并联电阻器-电容器对和第二并联电阻器-电容器对，其中所述第一和第二并联电阻 器-电容器对具有不同的时间常数。
[0009] 3.根据方案2所述的方法，其中，建立电阻值和电容值包括：通过经验确定所述第 一和第二并联电阻器-电容器对的电阻值和电容值。
[0010] 4.根据方案1所述的方法，其中，所述降阶的电化学模型包括在所述电极处的活 性材料的所述固体浓度的有限差分逼近，并且将所述电极中的每个固体粒子建模为三个或 更多个分立层。
[0011] 5.根据方案4所述的方法，其中，所述开路电压值从在固体-电解质界面处的活性 材料的所述固体浓度来确定。
[0012] 6.根据方案1所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：在连续运 行的数值预测修正中结合所述等效电路模型和所述降阶的电化学模型；以及基于所述测量 的端子电压数据和电流数据来计算所述蓄电池电池单元的状态。
[0013] 7.根据方案6所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：使用扩展 卡尔曼滤波器。
[0014] 8.根据方案1所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：计算所述 开路电压、在所述电极处的活性材料的所述固体浓度、所述扩散效应压降和所述双层压降。
[0015] 9.根据方案8所述的方法，还包括：基于所述计算的开路电压来计算所述蓄电池 电池单元的荷电状态。
[0016] 10.根据方案9所述的方法，其中，所述蓄电池电池单元的所述荷电状态由蓄电池 控制器使用，以控制所述蓄电池电池单元的充电和放电。
[0017] 11. 一种用于确定电动车辆的蓄电池组中的蓄电池电池单元在充电或放电期间的 状态的方法，所述方法包括： 提供所述蓄电池电池单元的包括端子电压的等效电路模型，所述端子电压等于扩散效 应压降、双层压降、欧姆电阻压降和开路电压之和； 建立与所述等效电路模型中的所述双层压降和所述欧姆电阻压降相关联的电阻值和 电容值，其中所述等效电路模型中的所述双层压降被建模为第一并联电阻器-电容器对和 第二并联电阻器-电容器对，并且所述第一和第二并联电阻器-电容器对具有不同的时间 常数； 提供降阶的电化学模型，以基于在所述蓄电池电池单元的正电极和负电极处的活性材 料的固体浓度的计算来确定开路电压值； 在充电或放电期间获得所述蓄电池电池单元的测量的端子电压数据和测量的电流数 据，其中所述测量的数据使用传感器来获得； 基于所述等效电路模型、所述建立的电阻值和电容值、所述降阶的电化学模型以及所 述测量的端子电压数据和电流数据，使用微处理器来计算所述蓄电池电池单元的状态，其 中所述蓄电池电池单元的状态包括所述开路电压、在所述电极处的活性材料的所述固体浓 度、所述扩散效应压降和所述双层压降；以及 基于所述计算的开路电压来计算所述蓄电池电池单元的荷电状态。
[0018] 12.根据方案11所述的方法，其中，所述降阶的电化学模型包括在固体-电解质界 面处的活性材料的所述固体浓度的有限差分逼近，并且将所述电极中的每个固体粒子建模 为三个或更多个分立层。
[0019] 13.根据方案11所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：在扩展 卡尔曼滤波器例程中结合所述等效电路模型和所述降阶的电化学模型；以及基于所述测量 的端子电压数据和电流数据来计算所述蓄电池电池单元的状态。
[0020] 14.根据方案11所述的方法，还包括：由蓄电池控制器使用所述蓄电池电池单元 的所述荷电状态，以控制所述电动车辆蓄电池组的充电和放电。
[0021] 15. -种用于确定蓄电池电池单元在充电或放电期间的状态的系统，所述系统包 括： 电压表，其用于测量所述蓄电池电池单元的电压数据； 电流表，其用于测量所述蓄电池电池单元的电流数据；以及 控制器，其与所述电压表和所述电流表通信，所述控制器包括处理器和存储器，所述控 制器被构造成使用所述测量的电压数据和电流数据作为混合蓄电池状态估计器的输入来 计算所述蓄电池电池单元的状态，其中所述混合蓄电池状态估计器包括在连续运行的数值 预测修正中结合的等效电路模型和降阶的电化学模型。
[0022] 16.根据方案15所述的系统，其中，所述等效电路模型包括端子电压，所述端子电 压等于扩散效应压降、双层压降、欧姆电阻压降和开路电压之和，并且所述双层压降被建模 为第一并联电阻器-电容器对和第二并联电阻器-电容器对，其中所述第一和第二并联电 阻器-电容器对具有不同的时间常数。
[0023] 17.根据方案15所述的系统，其中，所述降阶的电化学模型包括在所述蓄电池电 池单元的正电极和负电极的固体-电解质界面处的活性材料的固体浓度的有限差分逼近， 将所述电极中的每个固体粒子建模为三个或更多个分立层，并且从在所述固体-电解质界 面处的活性材料的所述固体浓度来确定开路电压。
[0024] 18.根据方案15所述的系统，其中，所述混合蓄电池状态估计器包括扩展卡尔曼 滤波器例程，所述扩展卡尔曼滤波器例程在预测/修正循环中运行，以同时地估计所述等 效电路模型和所述降阶的电化学模型。
[0025] 19.根据方案15所述的系统，其中，所述混合蓄电池状态估计器还被构造成基于 开路电压来计算荷电状态。
[0026] 20.根据方案19所述的系统，其中，所述荷电状态用来控制包含所述蓄电池电池 单元的电动车辆蓄电池组的充电和放电。
[0027] 根据结合附图的以下描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是可以用作蓄电池状态估计器的传统等效电路模型的示意图； 图2是用于确定在电动车辆中使用的蓄电池组中的电池单元的荷电状态和其它参数 的系统的框图； 图3是混合蓄电池状态估计器的示意图，所述混合蓄电池状态估计器使用降阶的基于 物理的模型来确定开路电压，并且从计算的开路电压和测量的端子电压来计算扩散效应和 其它参数； 图4是使用图3的混合蓄电池状态估计器来确定蓄电池电池单元的荷电状态和其它参 数的高层次方法的流程图；以及 图5是使用图3的混合蓄电池状态估计器来确定蓄电池电池单元的荷电状态和其它参 数的详细方法的流程图。
【具体实施方式】
[0029] 涉及结合电化学固态浓度模型与经验等效电路模型的蓄电池状态估计器的本发 明的实施例的下面的讨论本质上仅仅是示例性的，而绝不意图限制本发明或其应用或用 途。例如，下面的讨论涉及在电动车辆蓄电池组中使用的蓄电池电池单元，但混合蓄电池状 态估计器同样适用于其它车辆和非车辆应用中的蓄电池电池单元。
[0030] 电动车辆和汽油-电动或柴油-电动混合动力车辆（以下简单地统称为"电动车 辆"）中的蓄电池组通常由数百个单独的电池单元组成。在一种流行的锂离子可再充电蓄 电池化学组成中，每个电池单元标称地产生大约3. 7伏电压，精确值取决于荷电状态和其 它因素。在模块中串联地连接的许多电池单元提供驱动电动车辆马达所需的高电压，同时 多个电池单元可并联地布置在电池单元组中以增加能量容量。
[0031] 为了管理电动车辆蓄电池组的充电和放电，重要的是一直知晓蓄电池电池单元的 荷电状态。荷电状态是用百分比表示的数，其表明相对于电池单元的容量来说多少电能被 储存在蓄电池电池单元中。即，充满电的蓄电池电池单元具有100%的荷电状态，而完全放 电的电池单元具有0%的荷电状态。
[0032] 通常使用以荷电状态-开路电压（S0C-0CV)曲线形式定义的已知关系基于电池单 元的开路电压来确定电池单元的荷电状态。利用这种关系，电动车辆中的蓄电池监管控制 器可以一直监测蓄电池组中的电池单元的荷电状态和因此监测整个蓄电池组的荷电状态。 然而，仅当蓄电池电池单元已达到平衡达数小时而没有充电或放电电流时可以直接测量开 路电压，此时，开路电压等于端子电压。在电动车辆蓄电池组的充电或放电期间以及此后的 一些时间内，开路电压不等于测量的端子电压。需要某种类型的建模工具，以在蓄电池组充 电和放电期间以及之后从端子电压来估计开路电压。
[0033] 图1是可以用作蓄电池状态估计器的传统等效电路模型10的示意图。在等效电 路模型10中，各种电路元件被用来模拟蓄电池电池单元的表现。等效电路模型10通常是 经验导出的，其中电阻和电容性质被建立，以使得等效电路模型10的表现匹配主题蓄电池 电池单元的测量表现。
[0034] 等效电路模型10包括端子电压) 12,其可以通过获得横跨蓄电池电池单元的两 个端子的电压读数来容易地测量。开路电压) 14通常是在等效电路模型10中基于测量 的端子电压12和模型10的其它输入性质来求解的参数。欧姆电阻（i?D ) 16是蓄电池电池 单元中的电导体的表观电阻，并且表现为端子电压对电流的变化的瞬时响应。双层压降（? )18表示在蓄电池电池单元的电极界面处发生的电荷积累或耗散的可能，该电极界面通常由 一个或多个并联电阻器/电容器对来建模。虽然仅使用单个R/C对（具有值和)来模 拟模型10中的压降（Fdl ) 18,但可以使用两个或更多个对，其中每一对具有不同的时间常数。
[0035] 扩散效应压降（F*// ) 20表示蓄电池电池单元的扩散效应，其与通过蓄电池电 池单元中的多孔电极的粒子内运动有关，并且产生比双层电压慢的电压瞬变。在等效电路 模型10中，扩散效应压降) 20用电阻器和电容器（具有值Λ慮)来建 模。滞后电压（? ) 22也可包括在等效电路模型10中，并且说明/计入充电和放电性能 之间的任何差异。滞后电压) 22也可并入开路电压) 14的计算中，并且在一 些蓄电池化学组成中，可以忽略滞后电压（1? ) 22,因为这些类型的蓄电池电池单元表现 出可忽略不计的滞后。
[0036] 如上文所讨论的，等效电路模型10被调整以模拟其设计用来建模的蓄电池电池 单元的已知表现，其中电池单元表现是在充电和放电条件下通过实验测量的。电阻、 和1·// )和电容（1?和％// )的值通过经验导出，以匹配测量的蓄电池电池单元 性能。一旦确定电阻和电容的值，等效电路模型10可用作蓄电池组中的蓄电池电池单元的 蓄电池状态估计器，从而基于测量的端子电压数据提供估计的开路电压。然而，如此前所指 出的，^||//的简单R/C建模在高电流消耗条件下丧失准确性。为此，在图3中随后描述的 蓄电池状态估计器中采用不同的方法来找到hi//。
[0037] 使用图1中示出的等效电路模型10的蓄电池状态估计器和图3中随后示出的创 新性混合蓄电池状态估计器可以在电动车辆中被实施如下。图2是车辆30的框图，所述车 辆包括用于估计蓄电池组34中的电池单元的荷电状态和其它参数的系统32。蓄电池组34 经由高压母线36向一个或多个电动马达（未示出）提供功率，这些电动马达驱动车辆30的 车轮。接触器38将蓄电池组34电连接到高压母线36。车辆30可以是电动或混合动力电 动车辆，其允许经由电源线40对蓄电池组34进行插入式充电，电源线40通常连接到市政 电网。车辆30也可包括内燃发动机和发电机（未示出）以作为充电能量的附加来源。内 部电缆42将充电电流引导至控制器44,控制器44控制充电和放电并监测蓄电池组状态(例 如电压、电流和温度)。在所示构型中，控制器44也被构造成使用以下描述的混合蓄电池状 态估计器来估计蓄电池组34中的电池单元的状态。在另一个构型中，蓄电池状态估计器计 算可由除控制器44之外的第二控制模块（未示出）来执行。
[0038] 如由控制器44控制的，正引线和负引线46向蓄电池组34传送电流以及从蓄电池 组34传送电流。与控制器44连通的电压表48测量蓄电池组34中的电池单元的端子电压。 同样与控制器44连通的电流传感器或电流表50测量充电期间的充电电流和在车辆30的 行驶期间的放电电流。为清楚起见，对于其理解非必要的系统32的其它细节被省略。
[0039] 应当理解，控制器44包括存储器模块和微处理器或计算装置，微处理器或计算装 置被构造成执行下文详细讨论的计算。也就是说，方法将使用具体编程的处理器执行，而不 是在一张纸上或在人脑中执行。
[0040] 如上所述，由于在对扩散效应建模中的困难，等效电路模型10不能始终准确地预 测蓄电池电池单元的开路电压，尤其是在高电流消耗条件下。图3是混合蓄电池状态估计 器60的示意图，所述混合蓄电池状态估计器使用降阶的基于电化学固态浓度物理的模型 来确定开路电压，并且从测量的电压和电流来计算扩散效应和其它参数。
[0041] 蓄电池状态估计器60包括端子电压) 62,其可以通过获得横跨蓄电池电池 单元的端子的电压读数来测量。不是通过等效电路模型直接求解开路电压（匕64,而 是使用下文将讨论的降阶的电化学固态浓度模型来计算开路电压) 64。欧姆电阻 (ΛΒ ) 66用于基于电流来计算i_J?压降。等效电路模型10中描述的双层压降在蓄电池 状态估计器60中被建模为两个压降：? (68)，其具有带有值Λι和Cs的R/C对；以及 (70)，其具有带有值i?2和{：2的R/C对。
[0042] 扩散效应压降（Aif/ ) 72不像在等效电路模型10中那样利用电阻器和电容器 来建模。更确切地说，扩散效应压降（^i// ) 72可作为蓄电池状态估计器60的输出被求 解。滞后电压（〖& ) 74也可被明确地包括在蓄电池状态估计器60中，或者它可以被隐含 地包括在开路电压计算中，或者不予考虑。
[0043] 电阻（ΛΒ、i^和i?2 )和电容和<：2 )的值为经验导出的，以匹配测量的蓄 电池电池单元性能，如此前在等效电路模型10中描述的那样。然而，除此之外，蓄电池状态 估计器60与等效电路模型10有很大不同。尽管等效电路模型10从端子电压和已知的电 阻、电容及电流来执行开路电压的直接计算，但蓄电池状态估计器60使用降阶的基于物理 的模型来估计开路电压) 64,并且整个估计器60以迭代的数值预测修正（例如，扩 展卡尔曼滤波器）来建模。因此，蓄电池状态估计器60不仅提供准确计算的开路电SF e<;， 而且还提供扩散电压^|//和双层电压^及，9的值，所有这些都用于与蓄电池组34有关 3. & 的功率容量计算。
[0044] 下面是对使用降阶的基于物理的模型的开路电压计算的讨论。当从第一原理化简 时，整个蓄电池电池单元的开路电压可表达为：
【权利要求】
1. 一种用于确定蓄电池电池单元在充电或放电期间的状态的方法，所述方法包括： 提供所述蓄电池电池单元的包括端子电压的等效电路模型，所述端子电压等于扩散效 应压降、双层压降、欧姆电阻压降和开路电压之和； 建立与所述等效电路模型中的所述双层压降和所述欧姆电阻压降相关联的电阻值和 电容值； 提供降阶的电化学模型，以基于在所述蓄电池电池单元的正电极和负电极处的活性材 料的固体浓度的计算来确定开路电压值； 在充电或放电期间获得所述蓄电池电池单元的测量的端子电压数据和测量的电流数 据，其中所述测量的数据使用传感器来获得；以及 基于所述等效电路模型、所述建立的电阻值和电容值、所述降阶的基于物理的模型以 及所述测量的端子电压数据和电流数据，使用微处理器来计算所述蓄电池电池单元的状 态。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述等效电路模型中的所述双层压降被建模为 第一并联电阻器-电容器对和第二并联电阻器-电容器对，其中所述第一和第二并联电阻 器-电容器对具有不同的时间常数。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，建立电阻值和电容值包括：通过经验确定所述第 一和第二并联电阻器-电容器对的电阻值和电容值。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述降阶的电化学模型包括在所述电极处的活 性材料的所述固体浓度的有限差分逼近，并且将所述电极中的每个固体粒子建模为三个或 更多个分立层。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述开路电压值从在固体-电解质界面处的活性 材料的所述固体浓度来确定。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：在连续运 行的数值预测修正中结合所述等效电路模型和所述降阶的电化学模型；以及基于所述测量 的端子电压数据和电流数据来计算所述蓄电池电池单元的状态。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：使用扩展 卡尔曼滤波器。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述蓄电池电池单元的状态包括：计算所述 开路电压、在所述电极处的活性材料的所述固体浓度、所述扩散效应压降和所述双层压降。
9. 一种用于确定电动车辆的蓄电池组中的蓄电池电池单元在充电或放电期间的状态 的方法，所述方法包括： 提供所述蓄电池电池单元的包括端子电压的等效电路模型，所述端子电压等于扩散效 应压降、双层压降、欧姆电阻压降和开路电压之和； 建立与所述等效电路模型中的所述双层压降和所述欧姆电阻压降相关联的电阻值和 电容值，其中所述等效电路模型中的所述双层压降被建模为第一并联电阻器-电容器对和 第二并联电阻器-电容器对，并且所述第一和第二并联电阻器-电容器对具有不同的时间 常数； 提供降阶的电化学模型，以基于在所述蓄电池电池单元的正电极和负电极处的活性材 料的固体浓度的计算来确定开路电压值； 在充电或放电期间获得所述蓄电池电池单元的测量的端子电压数据和测量的电流数 据，其中所述测量的数据使用传感器来获得； 基于所述等效电路模型、所述建立的电阻值和电容值、所述降阶的电化学模型以及所 述测量的端子电压数据和电流数据，使用微处理器来计算所述蓄电池电池单元的状态，其 中所述蓄电池电池单元的状态包括所述开路电压、在所述电极处的活性材料的所述固体浓 度、所述扩散效应压降和所述双层压降；以及 基于所述计算的开路电压来计算所述蓄电池电池单元的荷电状态。
10. -种用于确定蓄电池电池单元在充电或放电期间的状态的系统，所述系统包括： 电压表，其用于测量所述蓄电池电池单元的电压数据； 电流表，其用于测量所述蓄电池电池单元的电流数据；以及 控制器，其与所述电压表和所述电流表通信，所述控制器包括处理器和存储器，所述控 制器被构造成使用所述测量的电压数据和电流数据作为混合蓄电池状态估计器的输入来 计算所述蓄电池电池单元的状态，其中所述混合蓄电池状态估计器包括在连续运行的数值 预测修正中结合的等效电路模型和降阶的电化学模型。
【文档编号】G01R31/36GK104142477SQ201410194245
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】P.弗罗斯特, P.M.拉斯科夫斯基, B.J.科赫 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司