基于开环模型和闭环模型的电池容量估计的制作方法

本申请总体上涉及使用开环方法和闭环方法进行荷电状态估计以确定电池容量估计。

背景技术：

混合动力电动车辆和纯电动车辆依靠牵引电池来提供推进动力，并且还可为一些附件提供电力。牵引电池通常包括以各种构造连接的多个电池单元。为了确保车辆的优化运行，会监测牵引电池的各种性能。一个有用的性能是指示储存在电池中的电荷的量的电池荷电状态(soc)。可计算整个牵引电池的soc和每个电池单元的soc。牵引电池的soc提供剩余电荷的指示。每个单独的电池单元的soc提供用于平衡电池单元之间的soc的信息。除soc之外，电池允许充放电功率极限可用于确定电池操作的范围并防止电池过度操作。

技术实现要素：

一种车辆功率系统可包括：控制器，被配置为基于牵引电池的容量变化输出纯电动可行驶里程指示，其中，从牵引电池的荷电状态变化的开环估计和闭环估计导出所述牵引电池的容量变化。所述容量变化可与开环估计和闭环估计之比成比例。闭环估计可包含指示容量变化的信息。开环估计可包含指示牵引电池的初始容量的信息。容量变化可以是多个容量变化的平均值，所述多个容量变化中的每个容量变化与荷电状态变化事件有关。

根据本发明，提供一种车辆，包括：牵引电池；控制器，被配置为基于牵引电池的容量变化改变牵引电池的最大充放电电流极限，其中，从牵引电池的荷电状态变化的开环估计和闭环估计导出所述牵引电池的容量变化。

根据本发明的一个实施例，所述容量变化与开环估计和闭环估计之比成比例。

根据本发明的一个实施例，闭环估计包含指示容量变化的信息。

根据本发明的一个实施例，开环估计包含指示牵引电池的初始容量的信息。

根据本发明的一个实施例，容量变化是多个容量变化的平均值，所述多个容量变化中的每个容量变化与荷电状态变化事件有关。

根据本发明，提供一种牵引电池管理方法，包括：通过控制器基于牵引电池的容量变化改变牵引电池的最大充放电功率极限，其中，从牵引电池的荷电状态变化的开环估计和闭环估计导出所述牵引电池的容量变化。

根据本发明的一个实施例，所述容量变化与开环估计和闭环估计之比成比例。

根据本发明的一个实施例，闭环估计包含指示容量变化的信息。

根据本发明的一个实施例，开环估计包含指示牵引电池的初始容量的信息。

根据本发明的一个实施例，容量变化是多个容量变化的平均值，所述多个容量变化中的每个容量变化与荷电状态变化事件有关。

附图说明

图1是示出了典型的动力传动系统和能量储存组件的混合动力车辆的示图。

图2是由多个电池单元组成并通过电池能量控制模块监测和控制的可能的电池组布置的示图。

图3是具有一个rc电路的示例性电池单元等效电路的示图。

图4是具有多孔电极的金属离子电池的截面的图示。

图4a是在放电期间由锂离子扩散过程导致的负电极中代表性颗粒内部的锂离子浓度分布的图示。

图4b是在放电期间由锂离子扩散过程导致的正电极中代表性颗粒内部的锂离子浓度分布的图示。

图4c是活性材料固体颗粒和锂离子迁移和扩散过程的图示。

图5是使用开环方法和闭环方法的soc变化的图示和曲线图，用以估计新的电池容量。

图6是使用开环方法和闭环方法的soc变化的图示和曲线图，用以对估计的电池容量求平均值。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。如本领域内的普通技术人员将理解的，参考任一附图说明和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中说明的特征组合以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。

图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(hev)。典型的插电式混合动力电动车辆112可以包括结合到混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114可以有能力作为马达或发电机运转。另外，混合动力传动装置116结合到发动机118。混合动力传动装置116还结合到驱动轴120，驱动轴120结合到车轮122。当发动机118开启或关闭时，电机114可以提供推进和减速能力。电机114还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的状态(发动机转速和负载)运转并允许混合动力电动车辆112在特定状况下以电动模式(发动机118关闭)运转而减少车辆排放。

牵引电池或电池组124储存可被电机114使用的能量。车辆电池组124通常提供高电压dc输出。牵引电池124电连接到一个或更多个电力电子模块。一个或更多个接触器142在断开时可使牵引电池124与其它组件隔离，并在闭合时可使牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接到电机114，并且提供在牵引电池124和电机114之间双向传输能量的能力。例如，典型的牵引电池124可以提供dc电压，而电机114可使用三相ac电流来运转。电力电子模块126可以将dc电压转换为电机114使用的三相ac电流。在再生模式下，电力电子模块126可以将来自用作发电机的电机114的三相ac电流转换为牵引电池124使用的dc电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置116可以是连接到电机114的齿轮箱，并且发动机118可以不存在。

牵引电池124除提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气系统的能量。车辆可以包括dc/dc转换器模块128，dc/dc转换器模块128将牵引电池124的高电压dc输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压dc供应。其它高电压电负载(诸如压缩机和电加热器)146可以直接连接到高电压而不使用dc/dc转换器模块128。电负载146可具有在合适的时候运转电负载146的相关控制器。低电压系统可电连接到辅助电池130(例如，12v电池)。

车辆112可以是电动车辆或插电式混合动力车辆，其中，牵引电池124可以通过外部电源136被再充电。外部电源136可以连接到电插座。外部电源136可以电连接到电动车辆供电设备(evse)138。evse138可以提供电路和控制，以调节并管理在电源136和车辆112之间的能量的传输。外部电源136可以向evse138提供dc电力或ac电力。evse138可以具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被构造为将电力从evse138传输到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可以电连接到充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可以调节从evse138供应的电力，以向牵引电池124提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块132可与evse138进行接口连接，以协调向车辆112的电力传输。evse连接器140可具有与充电端口134的相应凹槽匹配的插脚。可选地，被描述为电连接的各种组件可使用无线电感耦合来传输电力。

可以提供一个或更多个车轮制动器144，以使车辆112减速以及防止车辆112运动。车轮制动器144可以被液压致动、电致动或者以它们的某些组合被致动。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可以包括协同工作以操作车轮制动器144的其它组件。为简要起见，附图描绘了制动系统150和其中一个车轮制动器144之间的一个连接。暗含了制动系统150和其它车轮制动器144之间的连接。制动系统150可以包括控制器以监控并协调制动系统150。制动系统150可以监控制动组件并控制车轮制动器144以使车辆减速或控制车辆。制动系统150可以对驾驶员命令作出响应，也可以自动地操作以实现诸如稳定性控制的功能。制动系统150的控制器可以在被其它控制器或子功能请求时实施施加请求的制动力的方法。

所讨论的各种组件可具有一个或更多个相关联的控制器，以控制并监测所述组件的操作。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(can))或经由分立的导体进行通信。此外，可存在系统控制器148以协调各个组件的操作。牵引电池124可以由各种化学配方构成。典型的电池组化学成分可以是铅酸、镍-金属氢化物(nimh)或锂离子。

图2示出了具有简单的串联构造的n个电池单元202的典型的牵引电池组200。电池组200可以由串联或并联或者它们的一些组合连接而成的任意数量的单独的电池单元组成。典型的系统可以具有一个或更多个控制器，诸如监测并控制牵引电池200的性能的电池能量控制模块(becm)204。becm204可以监测若干个电池组水平特性，诸如可通过电池组电流测量模块208监测的具有相应的充放电极限的电池组充放电电流206、可通过电池组电压测量模块212监测的电池组电压210以及可通过电池组温度测量模块214监测的电池组温度。becm204可以具有非易失性存储器，使得当becm204处于关断状态时数据可以被保留。保留的数据可以在下一个点火循环时被使用。电池管理系统可以包括除了电池单元以外的其他组件，并可包括becm204、测量传感器和模块(208，212，214)和传感器模块216。电池管理系统的功能可以是以安全有效的方式操作牵引电池。

除电池组的水平特性之外，还可测量并监测电池单元220的水平特性。例如，可以测量每个电池单元220的电压、电流和温度。系统可以使用传感器模块216测量单个电池单元220的特性。根据能力，传感器模块216可以测量一个或多个电池单元220的特性。电池组200可以利用多达nc个传感器模块216来测量每个电池单元220的特性。每个传感器模块216可以将测量值传输到becm204以进行进一步的处理和协调。传感器模块216可以将信号以模拟形式或数字形式传输到becm204。在一些实施例中，传感器模块216的功能可以被合并到becm204的内部。即，传感器模块216的硬件可以被集成为becm204中的电路的一部分，其中，becm204可以进行原始信号的处理。

可使用电池组电压测量模块212中的电路来测量电池组200的电压210。传感器模块216内的电压传感器电路和电池组电压测量电路212可包含各种电子元件以对电压信号进行测量和取样。测量信号可被路由到电池组电压测量模块212、传感器模块216和becm204内的模数(a/d)转换器的输入，以用于转换成数字值。这些元件可能会短路或开路，导致电压被错误地测量。另外，这些问题会随着时间而间歇地发生并出现在测量的电压数据中。传感器模块216、电池组电压传感器212和becm204可包含用于确定电压测量元件的状态的电路。另外，传感器模块216或becm204内的控制器可基于预期的信号操作水平执行信号边界检查。

闭环soc估计

可以按照各种方式将电池单元模型化。例如，可将电池单元模型化成等效电路。图3示出了一个可行的电池单元等效电路模型(ecm)300，其被称为简化的兰德尔斯(randles)电路模型。电池单元可被模型化为电压源302，电压源302具有开路电压(voc)和等效电路(300和308)。阻抗可由一个或更多个电阻(306和308)和电容310构成。voc304表示电池的开路电压(ocv)，所述ocv被表示成电池荷电状态(soc)和温度的函数。所述模型可包括内电阻r1306、电荷迁移电阻r2308和双层电容c310。电压v1312是由于电流314从电压源302流出而在内电阻306两端产生的电压降。电压v2316是由于电流314流过r2308和c310的并联组合而在该并联组合两端产生的电压降。电压vt320是电池端子两端的电压(端电压)。参数值r1、r2和c可以是已知的或未知的。参数值可取决于电池单元设计和电池化学成分。

由于电池单元的阻抗，使得端电压vt320会与开路电压voc304不同。通常，仅有电池单元的端电压320是可测量的，在电池运行时，开路电压voc304会不容易测量。当在足够长的时间段内没有电流314流动时，端电压320会与开路电压304相同，然而，通常会需要足够长的时间段来使电池的内部动态达到稳定状态。动态特性或动态可以以频率响应来表征，其中，频率响应是系统或装置(电池、电池单元、电极或子组件)响应于激励(电流、电流分布或关于电池电流的其它历史数据的变化)的输出频谱的定量测量。频率响应可被分解成频率分量，诸如对给定输入的快速响应和对给定输入的慢速响应。为了更有效地利用电池硬件，需要一种捕获快速电池单元动态和慢速电池单元动态二者的模型。为了设计闭环电池soc估计器，使用紧凑得足以在微控制器、微处理器、asic或其它控制系统中被执行的电池单元模型，并且所述电池单元模型捕获快速电池单元动态和慢速电池单元动态二者。等效电路提供捕获电池特性的一种方法，而降阶电化学电池模型可以是替代方案。随着更多的rc元件被加入到ecm，需要更多的模型参数和状态变量。例如，具有三个rc元件的ecm需要七个模型参数。

作为对金属离子电池进行模型化的另一种方式，公开了示例性电化学电池模型。图4是金属离子电池单元400或电池的层状结构的截面的图示。这种金属离子电池单元400可以是锂离子电池单元。层状结构可针对各种封装方法被构造为棱柱形电池单元、圆柱形电池单元或其它电池单元结构。电池单元的几何形状或物理结构可以不同(例如，圆柱形、矩形等)，但电池单元的基本结构相同。通常，金属离子电池单元400(例如，锂离子电池)包括：正极集流体402，通常为铝，但可以是另外合适的材料或合金；负极集流体404，通常为铜，但可以是另外合适的材料或合金；负电极406，通常为碳、石墨或石墨烯，但可以是另外合适的材料；隔膜408；正电极410，通常为金属氧化物(例如，锂钴氧化物(licoo2)、磷酸铁锂(lifepo4)、锂锰氧化物(limno2)、镍锰钴氧化物(nmc))，但可以是另外合适的材料。每个电极(406，410)可具有增大每个电极的表面面积的多孔结构，其中，金属离子(例如，锂离子)通过电解质行进穿过电极并扩散到电极固体颗粒(412，414)中/从电极固体颗粒(412，414)中扩散出来。

在金属离子电池400的电化学动态响应中，存在多个时间尺度范围。例如，对于锂离子电池，影响动态的因素包括但不限于电极中的活性固体颗粒412中的电化学反应以及锂离子穿过电极416的质量传输。当考虑这些方面时，电极中的基本反应可被表示为

其中，θ是可用的嵌入位置，li⁺是锂离子，e^-是电子，θ-li是固溶体中嵌入的锂。

通过式(1)表示的这种基本反应受多个时间尺度过程支配。这在图4c中示出，其中，所述过程的类别包括电荷迁移416、扩散418和极化420。这些术语与电化学学会使用的定义不同以便于降阶电化学电池模型的推导。这里，电荷迁移过程416表示在每个活性固体颗粒(412，414)处穿过固体-电解质界面(sei)422的金属离子交换行为。电荷迁移过程在大多数情况下都是快速的(例如，小于(但不限于)110毫秒)，并直接受到每个电极(406&410)处的反应速率的影响。对于电荷迁移存在多个频率分量，电荷迁移由快速动态和慢速动态二者构成，或者换言之，电荷迁移具有小于预定频率的频率分量和大于预定频率的频率分量。扩散过程418表示从固体颗粒的表面到中心或者从固体颗粒的中心到表面的金属离子迁移。扩散过程是慢速的(例如，大于(但不限于)1秒)，并由活性固体颗粒(412，414)的大小和材料以及金属离子嵌入水平决定。对于扩散过程存在多个频率分量，扩散过程由快速动态和慢速动态二者构成，或者换言之，扩散过程具有小于预定频率的频率分量和大于预定频率的频率分量。极化420过程包括使电解质或电极中的金属离子浓度在空间中不均匀的所有其它情况。由电荷迁移416和扩散418引起的极化420不包括在该分类中。对于极化存在多个频率分量，极化由快速动态和慢速动态二者构成，或者换言之，极化具有小于预定频率的频率分量和大于预定频率的频率分量。

阳极406和阴极410可被模型化为球形材料(即，球形电极材料模型)，如由阳极球形材料430和阴极球形材料432所示出的。然而，可使用其它模型结构。阳极球形材料430具有金属离子浓度434，其中，金属离子浓度434被示出为与球体的半径436相关。金属离子的浓度438根据半径436与表面-电解质界面处的金属离子浓度(440)的函数而变化。类似地，阴极球形材料432具有金属离子浓度442，其中，金属离子浓度442被示出为与球体的半径444相关。金属离子的浓度446根据半径444与表面-电解质界面处的金属离子浓度(448)的函数而变化。

电化学电池模型可被表示为状态空间形式：

其中，是考虑了慢速-中速动态项的有效锂离子浓度n×1向量，a是表征电池的慢速-中速动态的n×n系统矩阵，b是使输入与状态变量的变化率直接相关的n×1输入矩阵，u是系统的输入，即，电池电流。a也是与电池容量和动态有关的参数的函数。

系统的输出y可以是端电压，并可表示为：

闭环估计可通过以式(2)和(3)(但不限于此)表示的电池模型来确定电池的soccl估计。除非预先说明，否则闭环估计可反映电池容量的变化，这是因为闭环估计是基于电池电流输入以及受电池容量直接影响的电池电压响应的。因此，如果系统中有其它soc测量值可用，则soccl估计可用于提取电池容量信息。

开环soc估计

可使用簿记(库仑计数，即，电流积分法)来估计电池荷电状态。也可使用其它开环(或前馈)soc估计方法来确定socol(t)。关于时间t的比率socol(t)可等于电流i(t)除以电池容量qbatt。soc(tf)可通过初始soc与比率socol(t)的积分之和来计算，如下所示：

开环soc估计可表示与电池的初始容量qbatt相关的在tf时的soc。socol可能不能检测出与电流指示或电池容量改变相关的传感器误差或漂移。

可使用socol和soccl来估计电池容量

使角标k表示时间，则在系统输入u(k)(电池系统中的电流i(k))与系统响应(包括电池端电压、soc和其它可测量值)之间会存在一定关系。可围绕参考点以状态空间形式使系统模型化。为了简洁，使系统具有一个输入和一个输出，即，siso(单输入单输出)系统。

x(k+1)＝ax(k)+bu(k)(5)

y(k)＝cx(k)+du(k)(6)

其中，a是n×n系统矩阵，b是n×1输入矩阵，c是1×n输出矩阵，d是1×1矩阵。式(2)和(3)可以以式(5)和(6)的形式来表示。

如果系统正在随时间而改变，并且式(5)和(6)中的状态空间模型与改变后的系统不匹配，则会需要闭环估计器来补偿模型失配，其中，所述模型失配是实物与系统模型之间的差异。因此，闭环估计器会产生与开环估计器不同的系统响应。闭环估计器和开环估计器之间的估计差异包含系统变化信息，并且可从估计差异中提取系统变化信息。

闭环状态估计器可被表示为：

其中，l是观测器增益矩阵。

式(7)可被处理为：

该表达式示出了调节对观测器的控制输入，以使模型与实物之间的测量误差最小化，即，

在该系统中，u(k)＝i(k)，因此

i′(k)＝a(k)i(k)(10)

其中，a(k)是由模型失配确定的校正因子。

对电池的电流输入的调整量iadj可表示为：

通过比较式(10)和式(11)，

调整的电流输入i′adj(t)等于控制输入i(t)与初始电池容量qinit和新的电池容量qnew之间的比的乘积。式(12)在时间足够长时从平均意义上来说将是有效的，且反馈算法有效地排除了包括模型参数失配的外部干扰。

来自于闭环估计器的soc估计可与来自于开环估计器的soc估计相关。可通过闭环估计器的soc估计和开环估计器的soc估计之间的关系来估计电池容量变化。

通过式(11)，式(13)可被转化为：

通过式(4)，

通过式(14)和式(15)，由下式计算所述改变的电池容量：

电池容量变化的估计可与开环估计δsocol和闭环估计δsoccl之比成比例。δsocol与δsoccl之间的比可表示电池容量相对于初始电池容量的变化率。

例如，soc的开环估计可指示在ti时为80％soc，在tf时为70％soc，这未考虑电池容量的变化。soc的闭环估计可指示在ti时为70％soc，在tf时为55％soc，这是使用变化的电池容量来评估的。δsocol为10％，δsoccl为15％使得

为了减少噪声因素，诸如测量噪声和处理噪声，控制器可被配置为识别诸如初始充放电的事件，并将对时间求平均值，如式(17)所示：

在诸如初始充放电的事件期间更新会因测量信号的暂时波动而使估计的电池容量错误地偏离。

现在参照图5，曲线图1000描绘了电池电流随时间的使用。y轴1003表示电流随时间(由x轴1001表示)的消耗。电池充电或放电曲线示出了可用电池功率随时间的自然消耗。充电/放电线1002指示适用的电池使用状态。

曲线图1010描绘了电池荷电状态随时间的变化。如式(16)所表示的，可通过开环荷电状态的变化和闭环荷电状态的变化之间的比来确定估计的电池容量随时间的变化。曲线图1010的y轴1013表示随时间(由x轴1011表示)的soc。曲线1012表示socol。曲线1012可基于初始确定的电池容量soc(t0)1016。可在时间间隔t11004与t21006之间、或在时间间隔t0与t11004之间、或在时间间隔t0与t21006之间确定δsocol。曲线1014表示soccl。曲线1014可基于如上所讨论的锂离子浓度或基于其它模型的soc估计方法。可在时间间隔t11004与t21006之间、或在时间间隔t0与t11004之间、或在时间间隔t0与t21006之间确定δsoccl。式(16)可用于估计新的电池容量现在参照图6，曲线图1100描绘了电池电流随时间的使用。y轴1103表示电流随时间(由x轴1101表示)的消耗。电池充电或放电曲线示出了可用电池功率随时间的自然消耗。充电/放电线1102指示适用的电池使用状态。

曲线图1110描绘了电池荷电状态随时间的变化。如式(17)所表示的，可在特定时间对具有有限的估计漂移或误差的估计的电池容量随时间的变化求平均值。曲线图1110的y轴1113表示随时间(由x轴1111表示)的soc。曲线1112表示socol。曲线1112可基于初始确定的电池容量soc(t0)1116。可在时间间隔t11104与tk1106之间确定δsocol。曲线1114表示soccl。曲线1114可基于如上所讨论的锂离子浓度。可在时间间隔t11104与tk1106之间确定δsoccl。式(16)可用于估计在时间t11104、tk1106和tn1108时新的电池容量可对估计的求平均值以去除噪声或其它信号误差，如式(17)所示。

说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应当理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种改变。如前所述，可以组合各个实施例的特征以形成本发明的可能没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管已经将多个实施例描述成就一个或更多个期望特性来说提供了优点或相较于其它实施例或现有技术的实施方式更为优选，但是本领域普通技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施，为了达到期望的整体系统属性，可以对一个或更多个特点或特性进行折衷。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易装配性等。因此，被描述为在一个或更多个特性上相对于其它实施例或现有技术实施方式不那么令人满意的实施例也在本公开的范围之内，并且这些实施例对于特定应用能够令人满意。