电池管理装置及其方法与流程
本申请要求于2016年12月5日在韩国提交的韩国专利申请no.10-2016-0164606的优先权，其公开内容通过引用被合并在此。
本公开涉及一种电池管理装置和方法，并且更具体地，涉及如下一种装置和方法，当电池的电压进入电压下降范围或电压上升范围时，预测从当前时间电池的电压达到对应于过充电的电压上限或者对应于过放电的电压下限所需的时间，并且调节输出参数。
背景技术：
电池能够重复充电和放电，并且因此它们被用作各种领域的电源。例如，锂离子电池被使用在诸如移动电话、膝上型计算机、数码相机、摄像机、平板电脑和电动工具的手持式装置以及包括电动自行车、电动摩托车、电动车辆、混合动力电动汽车、电动船和电动飞机的各种类型的电力系统中。
电池通过诸如逆变器的电力转换装置连接到负载装置。负载装置指的是使用存储在上述电池中的电力的任何设备。负载装置包括控制系统。控制系统经由通信从电池管理系统(bms)接收电池的输出参数。
输出参数是电池的放电性能或充电性能的指示，并且基于电池的充电状态和温度来更新。输出参数包括与当电池放电或充电时可允许流过电池的最大电流值或由此计算的允许输出值(功率)相关联的信息。
当控制系统从bms系统接收输出参数时，控制系统在输出参数的范围内控制电池的充电和放电。也就是说，控制系统通过控制电力转换装置来调节电池的输出低于允许的输出值或者调节充电或放电电流的大小低于最大电流值。
同时，当电池电压接近通过实验预设的放电电压的下限或充电电压的上限时，电池的电压迅速变化。这里，放电电压的下限用于防止过放电，并且充电电压的上限用于防止过充电。
图1是示出当具有容量为360ah的锂电池的充电状态为20％时在以360a的恒定电流放电期间出现的电压变化的曲线图。
如通过图1所示的曲线图能够看出，当电池的电压达到由a指示的高于放电电压的下限(vmin)的电压时，电压以高速率快速下降。
在电池被充电的情况下也发生电压的急剧变化。也就是说，随着电池的电压更接近充电电压的上限，电压以高速率快速上升。电池电压急剧变化的原因之一是取决于电池的充电状态的内部电阻的急剧变化。
电池电压的急剧变化指示电池将很快过充电或过放电的风险。因此，bms需要预测从当前时间直到电池实际达到放电电压的下限或充电电压的上限所剩余的时间。可选地，bms可以基于预测的时间适当地降低提供给控制系统的输出参数，以防止电池的电压低于放电电压的下限或高于充电电压的上限的情况。
技术实现要素：
技术问题
在如上所述的相关技术的背景下设计本公开，并且因此，本公开旨在提供一种装置及其方法，当电池的电压达到预设电压变化范围时，该装置预测电池的电压达到放电电压的下限或充电电压的上限所需的时间或剩余时间，并且基于预测的剩余时间维持或调节电池的输出参数。
技术解决方案
为了实现上述目的，根据本公开的一个方面的电池管理装置包括：电压测量单元，该电压测量单元被配置成测量电池的电压；电流测量单元，该电流测量单元被配置成测量电池的电流；以及控制单元，该控制单元被配置成在电池的放电期间基于测量的电压和电流中的至少一个来确定充电状态。控制单元被配置成，确定电池的电压是否达到预设的放电阈值电压，当确定电池的电压已达到放电阈值电压时，记录电池的电压达到放电阈值电压的到达时间，并且基于充电状态确定放电曲线，其中通过先前的实验使用预定水平的恒定电流记录定义放电曲线的数据，确定为放电曲线预设的电阻变化率的最大值，基于放电阈值电压、被预设低于放电阈值电压的放电电压的下限、在比到达时间晚的当前时间测量的电池的电流、以及电阻变化率的最大值，预测从当前时间直到电池的电压达到放电电压的下限的剩余时间，并且输出通知预测的剩余时间的消息。
另外，控制单元被配置成使用下述等式1来预测剩余时间：
[等式1]
其中，在等式1中，i0是在到达时间时测量的电池的电流，vmin是放电电压的下限，vthreshold是放电阈值电压，(dr/dt)max是电阻变化率的最大值，并且tr是剩余时间。
可选地，控制单元被配置成基于到达时间计算在过去的预定时间内测量的预定数量或更多的电池的电流的绝对值的平均值，基于平均值和恒定电流确定用于校正剩余时间的权重，并使用下述等式2来预测剩余时间：
[等式2]
其中，在等式2中，i0是在到达时间时测量的电池的电流，vmin是放电电压的下限，vthreshold是放电阈值电压，(dr/dt)max是电阻变化率的最大值，k是权重，并且tr是剩余时间。优选地，控制单元可以被配置成当平均值比恒定电流大第一参考值或更多时，将小于1且大于0的值分配给权重，当平均值比恒定电流小第二参考值或更多时，将大于1的值分配给权重，并且当平均值小于通过将第一参考值添加到恒定电流所获得的值并且大于通过从恒定电流减去第二参考值所获得的值时，将1分配给权重。
与此一起或单独地，电池管理装置还可包括温度测量单元，该温度测量单元被配置成测量电池的温度。在这种情况下，控制单元可以被配置成进一步基于在电池放电期间的测量的温度来确定充电状态。
另外，控制单元可以被配置成确定预测的剩余时间是否等于或大于输出维持时间，并且当确定预测的剩余时间小于输出维持时间时，确定降额模式下的目标降额电流值。在这种情况下，可以从可通信地连接到电池管理装置的负载装置请求输出维持时间。
另外，控制单元被配置成使用下述等式3来确定目标降额电流值：
[等式3]
其中，在等式3中，i0是在到达时间测量的电池的电流，vmin是放电电压的下限，vthreshold是放电阈值电压，r0是电池的预设内阻，tm是输出维持时间，(dr/dt)max是电阻变化率的最大值，并且iderate是目标降额电流值。
优选地，控制单元可以被配置成周期性地更新剩余时间，直到电池的电压从到达时间开始高于放电阈值电压。
根据情况，控制单元可以被配置成，当在电池的电压从到达时间开始高于放电阈值电压之前电池再次开始充电时，停止预测剩余时间，并且将最新预测剩余时间存储在存储器中。
根据本公开的另一方面的电池管理方法包括：测量电池的电压和电流；在电池放电期间基于测量的电压和电流中的至少一个来确定充电状态；确定电池的电压是否达到预设的放电阈值电压，当确定电池的电压已达到放电阈值电压时，记录电池电压达到放电阈值电压的到达时间，并且基于充电状态确定放电曲线，其中通过先前的实验使用预定水平的恒定电流记录定义放电曲线的数据，确定为放电曲线预设的电阻变化率的最大值，基于放电阈值电压、被预设低于放电阈值电压的放电电压的下限、在比到达时间晚的当前时间测量的电池的电流、以及电阻变化率的最大值，预测从当前时间直到电池的电压达到放电电压的下限的剩余时间；以及输出通知预测的剩余时间的消息。
有益效果
根据本公开的至少一个实施例，当电池的电压达到预设的电压变化范围时，可以预测对于电池的电压达到放电电压的下限或者充电电压的上限所需的时间或剩余时间，并且可以基于预测的剩余时间来维持或调节电池的输出参数。
本公开的效果不限于上述效果，并且本领域的技术人员将从所附权利要求中清楚地理解本文未提及的其他效果。
附图说明
附图图示本公开的实施例并且与以下详细描述一起用作提供对本公开的技术方面的进一步理解，并且因此，本公开不应被解释为限于这些附图中的陈述。
图1是示出当具有容量为36ah的锂电池的充电状态为20％时在以360a的恒定电流放电期间的电压变化建模的放电曲线。
图2是根据本公开的实施例的电池的输出参数调整系统的框图。
图3是示出测量具有相同的容量36ah和不同的充电状态10％、15％、20％、30％、40％和50％的六个锂电池的放电曲线的结果的曲线图。
图4是示出在图3中所示的每个放电曲线与水平虚线a和b相遇的两个点之间的计算的时间差的曲线图。
图5是图示在本公开的实施例中当确定目标降额电流值时使用的等式的参数的图。
图6和7是按时间顺序示出根据本公开的实施例的电池的输出参数调整方法的流程图。
图8是示出当具有36ah的容量和20％的充电状态的锂电池以360a放电时根据本公开的实施例的输出降额与没有输出降额之间的电压变化建模的比较的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。在描述之前，应理解，说明书和所附权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于一般和词典含义，而是基于允许发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则基于对应于本公开的技术方面的含义和概念来解释。因此，这里描述的实施例和附图中示出的图示仅仅是本公开的实施例，但是并不旨在完全描述本公开的技术方面，并且因此应理解，可以在做出本发明之时对其进行其它等效和修改。
在下面描述的实施例中，电池指的是锂电池。这里，锂电池笼统地指其中锂离子在充电和放电期间充当工作离子，在正电极和负电极处引起电化学反应的电池。
同时，应解释为尽管电池的名称取决于锂电池中使用的电解质或隔膜的类型、被用于封装电池的封装类型和锂电池的内部或外部结构而改变，锂电池涵盖使用锂离子作为工作离子的任何电池。
本公开还可以应用于锂电池以外的电池。因此，应将其解释为本公开涵盖可以应用本公开的技术方面的任何电池，不管其类型如何，尽管工作离子不是锂离子。
另外，电池不限于组成其的元件的数量。因此，应解释电池包括单元单体，该单元单体包括正电极/隔膜/负电极和封装中的电解质的组件，以及包括串联和/或并联连接的单元单体的组件、包括串联和/或并联连接的组件的模块、包括串联和/或并联连接的模块的电池组、以及包括串联和/或并联连接的电池组的电池系统。
图2是示出根据本公开的实施例的电池管理装置100的框图。
参考图2，根据本公开的实施例的装置100包括电压测量单元110、电流测量单元120和控制单元140，并且可选地，还可以包括温度测量单元130。装置100可以在其中被放电的电池b的电压等于预设放电阈值电压的时间点之后降低输出参数。
电池b通过高电位端子(pack+)和低电位端子(pack-)电连接到负载装置200。负载装置200指的是利用从电池b输出的电力操作的装置。
负载装置200包括控制系统210、电力转换单元220和负载230。可选地，负载装置200还可包括充电器240。充电器240可以通过电力转换单元220将用于充电电池b的充电电流供应给电池b。充电器240本身可以产生充电电流，并且可以通过从商用电源接收电力来产生充电电流。
在优选示例中，负载230可以是包括在电动车辆或混合动力电动车辆中的电动机，并且电力转换单元220可以是能够进行双向电力转换的逆变器。
控制系统210是控制负载装置200的整体操作的计算系统。具体地，控制系统210使用由控制单元140提供的电池b的输出参数来控制电池b的放电。也就是说，控制系统210通过基于与输出参数对应的放电条件控制电力转换单元220来控制电池b的放电。
电力转换单元220将电池b的放电输出发送到负载230。在这种情况下，电力转换单元220可以在控制系统210的控制下调整电力转换的程度，使得电池b可以在输出参数的范围内放电。
相反，电力转换单元220可以将从充电器240供应的充电输出发送到电池b。在这种情况下，电力转换单元220可以在控制系统210的控制下调整电力转换的程度，使得电池b可以在输出参数的范围内被充电。
根据本公开的装置100还可以包括存储器单元150。当存储器单元150能够记录和删除信息时，其不限于特定类型的存储介质。
例如，存储器单元150可以包括ram、rom、寄存器、硬盘、光学记录介质或磁记录介质。
存储器单元150可以通过例如数据总线被电连接到控制单元140，以允许控制单元140对其进行访问。
另外，存储器单元150存储和/或更新和/或删除和/或发送包括由控制单元140执行的各种类型的控制逻辑的程序和/或当执行控制逻辑时创建的数据。
存储器单元150能够在逻辑上被划分成两个或更多个，并且可以在没有限制的情况下包括在控制单元140中。
电压测量单元110与控制单元140电耦合以发送和接收电信号。电压测量单元110在控制单元140的控制下以时间间隔测量施加在电池b的正电极和负电极之间的电压，并将指示测量电压的大小的信号输出到控制单元140。控制单元140根据从电压测量单元110输出的信号确定电池b的电压，并将确定的电压的值存储在存储器单元150中。例如，电压测量单元110可以包括本领域中常用的电压测量电路。
电流测量单元120与控制单元140电耦合以发送和接收电信号。电流测量单元120在控制单元140的控制下以时间间隔重复测量流过电池b的电流的大小，并将指示测量的电流的大小的信号输出到控制单元140。控制单元140根据从电流测量单元120输出的信号确定电流的大小，并将确定的电流值存储在存储器单元150中。例如，电流测量单元120可以包括本领域常用的霍尔传感器或检测电阻器。
温度测量单元130与控制单元140电耦合以发送和接收电信号。温度测量单元130以时间间隔重复测量电池b的温度，并将指示测量的温度的大小的信号输出到控制单元140。控制单元140根据从温度测量单元130输出的信号确定电池b的温度并且将所确定的温度的值存储在存储器单元150中。例如，温度测量单元130可以包括本领域中常用的热电偶。
根据本公开的装置100还可以包括通信接口160。通信接口160是用于控制单元140与包括在负载装置200中的控制系统210通信的基本组件。
通信接口160包括支持两个不同系统之间的通信的任何已知通信接口。通信接口可以支持有线或无线通信。优选地，通信接口可以支持控制器局域网(can)通信或菊花链通信。
控制单元140可以通过选择性地使用由电压测量单元110测量的电池b的电压和由电流测量单元120测量的电池b的电流以及温度测量单元130测量的电池b的温度中的至少一个来确定电池b的充电状态。
例如，可以通过累积通过电流测量单元120周期性测量的电流值来确定电池b的充电状态。此方法也称为安培小时计数方法，并且在此省略其详细描述。作为另一示例，可以通过基于通过电压测量单元110周期性地测量的电压值来确定开路电压并参考预先存储在存储器中的ocv-soc表来确定电池b的充电状态。作为又一示例，可以使用诸如基于电池b的电路建模的扩展卡尔曼滤波器的自适应算法来确定充电状态。对于使用扩展卡尔曼滤波器的充电状态估计，例如，可以参考gregoryl.plett撰写的论文“extendedkalmanfilteringforbatterymanagementsystemsoflipb-basedhevbatterypacks(基于lipb的hev电池组的电池管理系统的扩展卡尔曼滤波)第1、2和3部分”(journalofpowersource(电源杂志)134,2004,252-261)，通过引用其公开至少可以在此被合并。
当然，除了上述的安培小时计数方法或扩展卡尔曼滤波器之外，可以通过用于使用电池b的电压、温度和电流来选择性地估计充电状态的其他已知方法来确定充电状态。
控制单元140监视在电池b放电期间由电压测量单元110测量的电池b的电压水平。
控制单元140取决于电池b的电压水平不同地确定电池b的输出参数。具体地，当正在放电的电池b的电压处于平稳电压范围时，控制单元140可以确定正常模式下的输出参数。相反，当电池b的电压进入超出平稳电压范围的电压下降范围或电压上升范围时，控制单元140可以确定降额模式下的输出参数。在这种情况下，可以基于预设的放电阈值电压来识别平稳电压范围和电压下降范围。另外，可以基于高于放电阈值电压的预设充电阈值电压来识别平稳电压范围和电压上升范围。也就是说，电压下降范围是对应于低于放电阈值电压的电压范围的范围，电压上升范围是对应于等于或大于充电阈值电压的电压范围的范围，并且平稳电压范围是对应于大于放电阈值电压并且小于充电阈值电压的电压范围的范围。
放电阈值电压和充电阈值电压中的每一个的水平可以是考虑两个时间因素而预设的值。一个时间因素是在输出参数从控制单元140发送到控制系统210之后输出参数实际反映电池b的控制上所耗费的延迟时间。另一个时间因素是输出维持时间，在此期间应至少保持基于输出参数的电池b的输出。
延迟时间取决于控制单元140和控制系统210的操作速度以及其间的通信速率而改变。延迟时间因子可以是数秒钟内的时间值，例如，2秒。
从可通信地连接到装置100的负载装置200或其中包括的负载230请求输出维持时间，并且可以取决于对于负载230的操作所必需的输出特性来改变。输出维持时间可以是比延迟时间长的数秒钟内的时间值，例如，6秒。
考虑到延迟时间和输出维持时间来设置放电阈值电压的方法如下面参考图3所述，并且也可以以类似的方式设置充电阈值电压。
首先，对于电池b的每个充电状态，可以在室温(25度)下进行恒流放电实验，以获得多个放电曲线。
图3是示出测量具有相同的最大容量36ah和不同的充电状态10％、15％、20％、30％、40％和50％的六个锂电池的放电曲线的结果的曲线图。随其从左到右，测量的放电曲线上的电池b的充电状态更大。
施加到每个恒定电流放电实验的放电电流的大小是对应于电池b的充电状态和温度的最大放电电流值。对应于特定充电状态和温度的最大放电电流值是如下放电电流值，当通过混合脉冲功率表征(hppc)方法对电池b进行脉冲放电时，其允许电池b的电压达到放电电压的下限(vmin)。
优选地，当通过hppc方法确定的最大放电电流值大于为电池b的安全性设置的放电电流值的上限时，可以将最大放电电流值替换成放电电流值的上限。
在用于获得图3中所示的放电曲线的恒定电流放电实验中，放电电流值的上限被设置为360a。
在图3中，当获得每个放电曲线时施加的最大放电电流值在曲线图的右侧上被指示。也就是说，对应于20％、30％、40％和50％的充电状态的最大放电电流值等于360a。因为由hppc方法确定的最大放电电流值超过被设置为放电电流值的上限的360a，所以最大放电电流值被替换成放电电流值的上限。相反，当电池b的状态为10％和15％时，因为hppc方法确定的最大放电电流值小于360a的放电电流值的上限，所以由hppc方法确定的最大放电电流值被按原样应用。
在图3中，水平线a表示考虑到延迟时间和输出维持时间而预设的放电阈值电压(vthreshold)的水平，并且水平线b表示放电电压的下限(vmin)的水平。
优选地，可以设置放电阈值电压vthreshold的水平，使得每个放电曲线与水平线a和b相遇的两个点之间的时间差大于延迟时间并且小于输出维持时间。
当如上设置放电阈值电压vthreshold的水平时，尽管其中在降额模式下确定的输出参数被应用的时间点被延迟了延迟时间，也可以防止其中电池b的电压突然下降到低于放电电压的下限的现象。另外，当直到电池b的电压达到放电电压的下限(vmin)所耗费的时间小于输出维持时间时，能够通过降低电池b的输出来确保最小的输出维持时间。
图4示出在图3中所示的每个放电曲线与水平线a和b相遇的两个点之间的计算的时间差(参见标记▲)。时间为2秒，输出维持时间被设置为6秒，并且放电阈值电压的水平被设置为2.87v。参考图4，能够看出由图3中的水平线a指示的放电阈值电压(vthreshold)的水平很好地满足上述条件。因此，当电池b的电压达到2.87v时，如果在降额模式下确定输出参数并且将确定的输出参数提供给负载装置200的控制系统210，则电池b的输出可以保持至少6秒。另外，尽管在输出参数被反映在负载装置200上之前存在2秒的延迟时间，也能够防止电池b的电压突然下降到低于放电电压的下限(vmin)。
在本公开中，在室温条件下获得图3中所示的放电曲线。然而，对于通过另外获得包括在电池b的操作温度范围中的每个温度条件的放电曲线而针对每个温度获得的所有多个放电曲线，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，优选地确定放电阈值电压的水平使得它们满足上述条件。另外，定义通过先前实验导出的每个放电曲线的数据可以记录在存储器中。也就是说，定义每个放电曲线的数据可以通过先前的实验使用预定水平的恒定电流导出并记录在存储器中。
也就是说，优选地设置放电阈值电压(vthreshold)的水平，使得针对每个充电状态和每个温度测量的每个放电曲线与水平线a和b相遇的两个点之间的时间差大于延迟时间且小于输出维持时间。
当通过电压测量单元110测量的电池b的当前电压大于预设放电阈值电压vthreshold时，控制单元140确定正常模式下的输出参数。在放电期间确定的输出参数包括电池b的最大放电电流值和允许输出值中的至少一个。控制单元140可以使用存储在存储器单元150中的功率曲线分布图(powermap)确定最大放电电流值。该功率曲线分布图具有作为对基于电池b的温度和充电状态的最大放电电流值的参考的数据结构。
允许的输出值可以通过以下等式1确定。在等式1中，最大放电电流值是电流因子imax。
<等式1>
允许的输出p＝vminimax
在等式1中，vmin表示电池b的放电电压的下限并且是预设电压因子。imax是取决于电池b的温度和充电状态而改变的电流因子，并且对应于在特定充电状态和温度条件下电池b的最大放电电流值。imax是能够使用电池b的温度和充电状态从存储在存储器单元150中的功率曲线分布图映射的值。
同时，当通过电压测量单元110测量的电池b的电压下降到低于放电阈值电压(vthreshold)(即，属于电压下降范围)时，控制单元140将正常模式切换到降额模式并确定在降额模式下的输出参数。在这种情况下，在确定输出参数的操作之前或与其同时，控制单元140可以预测直到电池b的电压达到放电电压的下限(vmin)剩余多少时间。在下文中，从当前时间直到被放电的电池b的电压到达放电电压的下限(vmin)所剩余的时间被称为“剩余时间”。
控制单元140可以使用以下等式2来预测剩余时间tr。
<等式2>
在等式2中，k可以固定为1。可替选地，在等式2中，k是一种权重，并且可以是由控制单元140根据预设规则改变的值。控制单元140可以输出通知预测的剩余时间tr的剩余时间指导消息。剩余时间指导消息可以通过通信接口160发送到在负载装置200或外部设备(例如，车辆)中提供的信息指导设备(未示出)。信息指导设备可以基于剩余时间指导消息向用户输出视觉和/或可听信号。
另外，控制单元140确定的在降额模式下的输出参数包括电池b的目标降额电流值和目标降额输出值中的至少一个。控制单元140可以通过以下等式3确定目标降额电流值iderate。
<等式3>
图5是图示等式2和等式3中包括的参数的图。
图5的曲线图(a)中所示的放电曲线是当具有36ah的容量的电池b的充电状态为20％时通过在25度条件下以360a(imax)执行恒定电流放电实验而获得的放电曲线。imax是当电池b的充电状态为20％时允许的最大放电电流值。
图5的曲线图(b)示出当具有充电状态为20％的电池b以360a放电时随时间变化的电阻变化率(dr/dt)。根据欧姆定律，v＝ir并且i是常数imax。当v＝ir的两侧被对时间求微分时，dv/dt＝imaxdr/dt，并且dr/dt与(dv/dt)/imax实质相同。即，可以使用放电曲线的电压变化率(dv/dt)来确定dr/dt。
参考图5，在等式2和等式3中，vmin是预设的放电电压的下限，并且vthreshold是预设的放电阈值电压。r0是电池b的内阻值，并且是通过实验预设的常数值。vmin、vthreshold和r0可以预先存储在存储器单元150中。
i0是电流测量单元120在其中被放电的电池b的电压达到放电阈值电压(vthreshold)或其后的时间点测量的电流值。
(dr/dt)max是出现在电压下降范围内的(dr/dt)的最大值，并且如曲线图(b)中所示，对应于通过将在其中电池b的电压达到vmin的时间点处的一次微分值(切线的斜率)的绝对值除以放电电流imax的大小而获得的值。与(dr/dt)max相关联的数据可以使用针对电池b的每个温度和每个充电状态测量的放电曲线被预先确定，并且针对每个充电状态和每个温度定义的(dr/dt)max相关联的数据可以预先存储在存储器单元150中。
(t1-t0)是对于每个放电曲线的从其中电池b的电压达到放电阈值电压的时间点t0到其中电池b的电压达到放电电压的下限的时间点t1的总时间段，并且可以取决于与电池b的放电曲线相对应的温度和充电状态而不同地设置。控制单元140可以将输出维持时间tm分配给(t1-t0)以在实际到达t1之前确定等式3的iderate。
可以如下推导等式2和3。电池b的电压可以通过其中取决于电池b的充电状态和温度而改变的开路电压分量、内部电阻(r0)和rc电路串联连接的电路等效地建模。
根据电路建模，电池b的电压v可以如下面的等式4中由三个电压分量的总和表示。也就是说，三个电压分量可以由基于充电状态唯一确定的开路电压分量ocv、当电流i流过时施加到内阻r0两端的电压分量ir0、以及当电流irc在rc电路中的电阻r中流动时施加到rc电路两端的电压分量ircr的总和被表示。
<等式4>
v＝ocv+ir0+ircr
当上述等式3的两侧被对时间t求微分时，可以获得以下等式5。
<等式5>
dv/dt＝docv/dt+(di/dt)r0+(dirc/dt)r+irc(dr/dt)
当假设电池b的充电状态和流入rc电路的电阻的电流irc在非常短的时间内恒定时，docv/dt和dirc/dt为0，并且等式5可以近似为如下面的等式6所示。
<等式6>
dv/dt＝(di/dt)r0+irc(dr/dt)
同时，假设在t0处测量的电池b的电流是i0。另外，假设在t1处要测量的电池b的电流是i1。另外，假设在从t0到t1的持续时间内，irc等于i1并且(dr/dt)是恒定的。在此定义下，当等式6的两侧在从t0到t1的范围被积分内时，获得以下等式7。
<等式7>
vmin-vthreshold＝(i1-i0)r0+i1(dr/dt)(t1-t0)
同时，因为在其中电池b的电压达到vmin的时间点t1之前不可能实际测量等式7的i1值，所以假设电池b的放电电流从t0到t1始终保持在i0处，并且当关于(t1-t0)写出等式7时，获得等式8。
<等式8>
在等式8中，当(dr/dt)max被分配给(dr/dt)并且(t1-t0)＝tr时，给出与等式2相同的形式。
同时，当关于i1写出等式7时，获得等式9。
<等式9>
在等式9中，当(dr/dt)max被分配给(dr/dt)并且tm被分配给(t1-t0)时，等式7最终以等式3的形式被写出。
如上，将(dr/dt)max分配给等式8和等式9的(dr/dt)的原因是，保守地计算剩余时间tr和目标降额电流值iderate，以使得防止过充电状态。
在等式8中，当(dr/dt)max值被分配给(dr/dt)值时，等式8的分母值在允许范围内是最大的，并且因此，当等式2的k是恒定值时，tr是最小的。在这种情况下，等式2中的k是用于在计算tr时反映在t0或者至少一个随后时间点处的电流的水平的因子。也就是说，k可以是取决于流过电池b的电流的方向和大小中的至少一个而改变的值。尽管图5的曲线图示出恒定电流下的放电曲线，在电池b放电期间在电池b中流动的电流可能不恒定。因此，为了更准确地预测和计算剩余时间tr，在计算tr时优选至少使用在当前时间测量的电流。
例如，当属于电压下降范围的特定时间点开始的过去的预定时间内测量预定数量或更多的电流的绝对值的平均值比被用于获得放电曲线的恒定电流大第一参考值或更多时，控制单元140可以基于平均值逐渐地或连续地将k的值从1朝着0减少。作为另一示例，当属于电压下降范围的特定时间点开始的过去的预定时间内测量预定数量或更多的电流的绝对值的平均值比被用于获得放电曲线的恒定电流小第二参考值或更多时，控制单元140可以基于平均值逐渐地或连续地从1增加k的值。
当平均值和恒定电流之间的关系不对应于上述两种情况时，控制单元140可以将1分配给k。即，当平均值小于通过将第一参考值添加到恒定电流而获得的值并且大于通过从恒定电流减去第二参考值而获得的值时，控制单元140可以将1分配给k。
另外，在等式9中，当(dr/dt)max被分配给(dr/dt)值时，等式9中的分母值在允许范围内是最大的，并且因此等式3中的iderate是最小的。因此，在t0和t1之间，流过电池b的电流的水平充分小于从功率曲线分布图映射的最大放电电流值，并且尽管电池b的电压下降到低于放电阈值电压，也可以在比延迟时间更短的时间内或在输出维持时间到期之前防止下降低于放电电压的下限(vmin)。
当正在放电的电池b的电压下降到低于放电阈值电压时，控制单元140可以基于由等式2计算的tr来确定是否计算目标降额电流值。例如，当通过等式2计算的tr小于tm时，则控制单元140可以将正常模式切换到降额模式并且使用等式3开始计算目标降额电流值的操作，并且在其他情况下，控制单元140可以保持正常模式。
如果tr<tm，则控制单元140可以通过等式3计算目标降额电流值，并且根据计算的目标降额电流值确定目标降额输出值pderate。pderate的计算等式与等式10相同。
<等式10>
pderate＝vminiderate
控制单元140可以在降额模式下通过通信接口160将包括目标降额电流值和目标降额输出值中的至少一个的输出参数发送到负载装置200的控制系统210。
控制系统210在延迟时间流逝之后使用从控制单元140发送的输出参数通过控制电力转换单元220来降低电池b的放电电流或输出。也就是说，控制系统210可以使用包括在输出参数中的目标降额电流值或目标降额输出值来控制电力转换单元220，使得从电池b输出的放电电流的大小小于目标降额电流值或者电池b的输出小于目标降额输出值。
优选地，控制系统210控制电力转换单元220以规则的时间间隔逐渐减小二次电池b的放电电流，使得放电电流的大小可以等于目标降额电流值。类似地，控制系统210控制电力转换单元220以规则的时间间隔逐渐减小电池b的输出，使得电池b的输出可以等于目标降额输出值。
控制单元140可以可选地包括本领域已知的处理器、专用集成电路(asic)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器和数据处理设备，以执行上述各种控制逻辑。另外，当控制逻辑以软件实现时，控制单元140可以实现为程序模块的集合。在这种情况下，程序模块可以存储在存储器中，并由处理器执行。存储器可以在处理器的内部或外部，并且可以利用各种公知的计算机组件连接到处理器。另外，存储器可以包括在本公开的存储器单元150中。另外，存储器笼统地指其中存储信息的设备，不管设备的类型如何，并且不指特定的存储器设备。
可以组合控制单元140的各种控制逻辑中的至少一个，并且可以将组合控制逻辑写入计算机可读代码系统中并记录在计算机可读记录介质中。当记录介质能够被包括在计算机中的处理器访问时，记录介质不限于特定类型。例如，记录介质包括从由rom、ram、寄存器、cd-rom、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备组成的组中选择的至少一个。另外，代码系统可以以分布式方式在经由网络连接的计算机中存储和执行。此外，用于实现组合的控制逻辑的功能程序、代码和代码段可以由本公开所属的技术领域中的程序员容易地推断。
在下文中，将参考图6和图7详细地描述根据本公开的实施例的用于通过控制单元140调整电池的输出参数的方法。
图6和7是按时间顺序示出根据本公开的实施例的用于预测直到电池的电压达到放电电压的下限的剩余时间的方法的步骤的流程图。
首先，在s10中，当用于预测剩余时间的处理开始时，控制单元140初始化时间索引k。
随后，在s20中，控制单元140使用电压测量单元110、电流测量单元120和温度测量单元130测量电池b的电压、电流和温度，并且将测量的电压值、电流值和温度值存储在存储器单元150中。
随后，在s30中，控制单元140选择性地使用存储在存储器单元150中的电压值、电流值和温度值来确定电池b的充电状态。可以使用安培小时计数方法或扩展卡尔曼滤波器来确定充电状态。
随后，在s40中，控制单元140确定电池b的电压是否高于预定放电阈值电压(vthreshold)。
如果在s40中确定为是，则控制单元140将处理移动到s50以确定正常模式下的输出参数，并且通过通信接口160将确定的参数发送到负载装置200的控制系统210。
具体地，在s50中，控制单元140通过从预先存储在存储器单元150中的功率分布曲线图映射对应于当前充电状态和当前温度的最大放电电流值来确定最大放电电流值(imax)。
随后，在s60中，控制单元140使用最大放电电流值(imax)和预定的放电电压的下限(vmin)通过等式1来确定电池b的允许输出值。
随后，在s70中，控制单元140构建包括最大放电电流值和允许输出值中的至少一个的输出参数，并且通过通信接口160将输出参数发送到负载装置200的控制系统210。随后，控制系统210通过参考在发送的输出参数中包括的允许输出值或最大放电电流值来控制电力转换单元220，以在允许的输出值或最大放电电流值范围内自适应地控制电池b的放电。也就是说，控制系统210将电池b的放电输出调节到低于允许输出值或者将电池b的放电电流调节到低于最大放电电流值。
随后，在s80中，控制单元140确定预设的设定时间是否流逝。这里，设定时间对应于其中更新电池b的输出参数的周期。
如果在s80中确定为是，则控制单元140将处理移动到s90，并且相反，如果在s80中确定为否，则控制单元140将处理移动到s100以更新时间索引k。
在s90中，控制单元140确定电池b的操作条件是否是切断(key-off)条件。这里，切断条件是指电池b停止充电或放电的情况。可以基于控制电池b和负载装置200之间的连接的开关组件的连接状况来确定该切断状态。
如果在s90中确定为是，则控制单元140终止处理，因为不需要调整电池b的输出参数。相反，如果在s90中确定为否，则控制单元140将处理移动到s100以更新时间索引k，并且将处理返回到s20以再次重复先前描述的步骤。
同时，如果在s40中确定为否，则控制单元140记录等于或晚于电池b的电压达到放电阈值电压(vthreshold)的时间的当前时间，并且将处理移动到s110。
在s110中，控制单元140预测从当前时间直到电池的电压达到放电电压的下限(vmin)的剩余时间tr。具体地，控制单元140根据预先存储在存储器单元150中的放电曲线数据来确定与当前充电状态和当前温度对应的放电曲线，并获得针对所确定的放电曲线而预设的(dr/dt)max。可选地，控制单元140可以基于等于或晚于到达时间的当前时间来计算过去在预定时间内测量的预定数量的电流的绝对值的平均值，并确定对应于计算的平均值的权重k。每个平均值的权重k的值可以以查找表的形式预先存储在存储器单元150中。控制单元140可以通过将vmin、vthreshold、(dr/dt)max、k和i0分配给等式2来计算剩余时间tr。在这种情况下，i0可以是通过s20测量的电流值，并且vmin和vthreshold是预先存储在存储器单元150中的数据。
随后，在s120中，控制单元140可以确定通过s110预测的tr是否等于或大于输出维持时间tm。与此一起或单独地，控制单元140可以输出通知通过s110预测的剩余时间的消息。
如果在s120中确定为是，则控制单元140将处理移动到s50，并且相反，如果在s120中确定为否，则控制单元140将处理移动到s130。
在s130中，控制单元140确定在降额模式下的目标降额电流值(iderate)。也就是说，控制单元140通过参考针对与存储在存储器中的多个放电曲线相关联的数据当中的与当前充电状态和当前温度相对应的放电曲线预设的(dr/dt)max值，使用等式3来确定目标降额电流值(iderate)。在s130中参考的(dr/dt)max值可以等于在s110中获得的(dr/dt)max值。
随后，在s140中，控制单元140使用目标降额电流值(iderate)和放电电压的下限(vmin)来确定电池b的目标降额输出值(pderate)。
随后，在s150中，控制单元140构建包括目标降额电流值(iderate)和目标降额输出值(pderate)中的至少一个的输出参数，并通过通信接口160将输出参数发送到负载装置200的控制系统210。随后，控制系统210通过参考被包括在发送的输出参数中的目标降额电流值或目标降额输出值，通过控制电力转换单元220，在目标降额电流值或者目标降额输出值的范围中控制电池b的放电。也就是说，控制系统210将电池b的放电输出调节到低于目标降额输出值或调节电池b的放电电流低于目标降额电流值。优选地，控制系统210可以将电池b的放电电流大小朝着目标降额电流值逐渐地降低，或者朝着目标降额输出值逐渐地减少电池b的输出。
随后，控制单元140进入s80。
图6和图7中所示的一系列步骤被周期性地执行。因此，控制单元140可以周期性地更新剩余时间，直到电池b的电压从到达时间高于放电阈值电压。另外，当在其中电池b的电压达到放电阈值电压的时间点所预测的剩余时间tr小于输出维持时间tm时，反映目标降额电流值的输出参数被提供给负载装置200的控制系统，使得电池b的放电电流或放电输出被降低，直到电池b的电压高于放电阈值电压或电池b再次开始充电。当然，当电池b的电压不超过放电阈值电压时，目标降额电流值和目标降额输出值逐渐减小。
同时，在电池b的电压从到达时间开始超过放电阈值电压之前，当充电器240再次开始对电池b充电时，控制单元140可以停止预测剩余时间并将最新预测的剩余时间存储在存储器中。
上述实施例可以应用于其中电池被放电的情况。然而，类似地，本公开还可以应用于其中电池被充电的情况。
当电池被充电时，充电阈值电压被设置为比充电电压的上限低了预定水平，并且一起考虑延迟时间因素和输出维持时间的确定与确定放电阈值电压相同。
另外，当电池b的电压增加到高于充电阈值电压时，可以在降额模式下确定输出参数以降低充电电流或充电输出。在这种情况下，在用于确定目标降额电流值的等式3中，vmin可以被充电电压的上限vmax替换。
此外，使用充电曲线而不是放电曲线来确定充电阈值电压的水平。
可以通过对电池b的每个充电状态和每个温度执行恒定电流充电实验来获得充电曲线。
在每个恒定电流充电实验中使用的充电电流的大小设置由hppc方法设置的最大充电电流值。充电最大电流值可以取决于电池b的充电状态和温度而改变。
同时，当通过hppc方法设置的最大充电电流值高于电池b能够承受的充电电流值的上限时，可以将最大充电电流值替换成充电电流值的上限。
另外，当在降额模式下确定输出参数时，可以基于被确定为目标降额电流值的电流值来确定当电池b被充电时的输出。
在电池b的充电期间，可以通过通信接口160将确定的输出参数提供给负载装置200的控制系统210。
当提供输出参数时，控制系统210控制电力转换单元220以在包括在输出参数中的电流值范围中调节电池b的充电电流或在输出参数中包括的输出值的范围中调节电池b的充电输出。另外，优选地，控制系统210可以执行控制以朝着被包括在输出参数中的电流值或者输出值逐渐地降低电池b的充电电流或充电输出。
在电池b的充电期间，当电池b的电压未超过充电阈值电压时，可以使用功率曲线分布图来确定电池b的最大充电电流值，并且从确定的最大充电电流值确定电池b的充电输出。为此，功率曲线分布图还可以包括与针对电池b的每个充电状态和每个温度预定义的最大充电电流值相关联的参考数据。
<实验示例>
在下文中，描述根据本公开的实验示例。提供本文描述的实验示例以描述本公开的效果，并且本公开的技术方面不限于实验示例中公开的内容。
首先，制备具有总容量为36ah且充电状态为20％的锂电池。锂电池包括锂金属氧化物作为正极材料和石墨作为负极材料。随后，锂电池被连接到能够调整充电/放电功率的充电/放电模拟器。随后，当在25度条件下以具有360a大小的放电电流放电时测量放电曲线。
基于其降额正在放电的电池b的输出的放电阈值电压被设置为2.87v。在确定放电阈值电压时，延迟时间因子被设置为2秒，并且输出维持时间被设置为6秒。
从以360a的恒定电流放电电池b期间电池b的电压降低到2.87v的时间开始，根据本公开的实施例的电池b的放电输出被降低。即，使用等式3确定目标降额电流值，并且通过控制充电/放电模拟器逐渐接近目标降额电流值，电池b的放电电流大小逐渐减小了30a。在此过程中，测量电池b的电压变化。
作为等式3的参数值，vmin被设定为2.5v，vthreshold被设定为2.87v，(dr/dt)max被设定为0.4305759mω，r0被设定为0.0010618mω，(t1-t0)被设定为6秒，并且i0被设定为360a。
图8示出在实验中测量的电压测量结果。在图8中，虚线曲线图示出当锂电池的输出没有降额时的电压变化建模。相反，实线曲线图示出当锂电池的输出从2.87v开始降额时的电压变化建模。
在比较两个电压变化建模时，能够看出，当根据本公开的实施例降额锂电池的输出时，锂电池的电压在达到放电阈值电压之后不会急剧减小并且电压降低的程度被减缓。
另外，当锂电池的输出没有被降额时，锂电池的电压在4.5秒内达到放电电压的下限。然而，能够看出，当输出降额从锂电池的电压达到放电阈值电压的时间开始工作时，在6秒钟或者更长的充分时间内，锂电池的电压水平保持高于放电电压的下限。这些实验结果支持本公开是稳定可靠的输出调整技术。
在描述本公开的各种实施例时，应理解，由
尽管已经关于有限数量的实施例和附图在上文中描述本公开，但是本公开不限于此，并且应理解，本领域的技术人员可以在本发明的技术方面和所附权利要求的等同范围内进行各种修改和变化。
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