在线车辆电池容量诊断系统与方法与流程

本申请总体涉及一种用于估计车辆牵引电池的电池容量的系统。

背景技术：

混合动力和电动车辆包括为推进和其他车辆功能提供存储电能的高压牵引电池。牵引电池的性能可能随时间而变化。例如，牵引电池能够存储的最大能量大小通常随着时间的推移而减小。

技术实现要素：

一种车辆动力系统包括控制器，该控制器被编程为在第一荷电状态范围内操作牵引电池，并且响应于在充电周期期间提供给牵引电池的能量的大小小于估计的在充电周期期间存储在牵引电池中的能量的大小，在比第一荷电状态窄的第二荷电状态范围内操作牵引电池。

一种车辆包括牵引电池和控制器，该控制器被编程为在由上限和下限限定的荷电状态操作范围内操作牵引电池，并且响应于在充电周期期间提供给牵引电池的能量的大小小于估计的在充电周期期间存储在牵引电池中的能量的大小，从而减小上限。

一种车辆包括牵引电池和控制器，该控制器被编程为在由上限和下限限定的荷电状态操作范围内操作牵引电池，并且响应于在充电周期期间提供给牵引电池的能量的大小小于估计的在充电周期期间存储在牵引电池中的能量的大小，从而减小上限。

附图说明

图1是示出典型的传动系和能量存储部件的混合动力车辆的示意图；

图2是由多个电池单元组成并由电池能量控制模块监视和控制的可能的电池组装置的示意图；

图3是描绘电池开路电压与电池荷电状态之间可能的关系的曲线图。

图4是描绘荷电状态操作窗口的示意图；

图5是描绘可由电池控制器执行的可能的操作顺序的流程图。

具体实施方式

在本文中描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代形式。图形不一定按比例绘制；一些功能可能被夸大或最小化，以显示特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员来各种应用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他图中所示的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。

图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(phev)。典型的插电式混合电动车辆112可以包括机械地耦合到混合动力传动装置116的一个或多个电机114。电机114可以作为马达或发电机工作。此外，混合动力传动装置116机械地联接到发动机118。混合动力传动装置116也机械地联接到驱动轴120，驱动轴120机械地联接到车轮122。电机114可以在发动机打开或关闭时提供推进和减速能力118。电机114还用作发电机，并且通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量而损失的能量来提供燃料经济性优点。电机114还可以通过允许发动机118以更有效的速度运行并且允许混合动力电动车辆112在特定条件下关闭发动机118的情况下以电动模式操作来减少车辆排放。

牵引电池或电池组124存储可由电机114使用的能量。车辆电池组124通常提供高压直流(dc)输出。牵引电池124可以电耦合到一个或多个电力电子模块。当一个或多个接触器142打开时，一个或多个接触器142可以将牵引电池124与其它部件隔离，并且在关闭时将牵引电池124连接到其它部件。电力电子模块126还可以电耦合到电机114并且提供在牵引电池124和电机114之间双向传递能量的能力。例如，牵引电池124可以提供直流电压，同时电机114可以以三相交流电(ac)工作。电力电子模块126可以将dc电压转换为三相ac电流以操作电机114。在再生模式中，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电流转换为与牵引电池124兼容的dc电压。这里的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合变速器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。

除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124可以为其他车辆电气系统提供能量。车辆112可以包括将牵引电池124的高压dc输出转换成与低压车辆负载兼容的低压dc供电的dc/dc转换器模块128。dc/dc转换器模块128的输出可以电耦合到辅助电池130(例如，12v电池)。低压系统可以电耦合到辅助电池。诸如压缩机和电加热器的其它高压负载146可以耦合到牵引电池124的高压输出。电负载146可以具有在适当时操作和控制电负载146的相关联的控制器。

车辆112可以是电动车辆或插电式混合动力电动车辆，其中牵引电池124可以由外部电源136再充电。外部电源136可以是到电源插座的连接。外部电源136可以电耦合到充电器或电动车辆供电设备(evse)138。外部电源136可以是由电力公司提供的配电网络或电网。evse138可以提供电路和控制以调节和管理在电源136和车辆112之间的能量传递。外部电源136可以向evse138提供dc或ac电力。evse138可以具有用于插入车辆112的充电端口134的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为将电力从evse138传送到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可以电耦合到充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可以调节来自evse138的电力供应以向牵引电池124提供适当的电压和电流水平。电力转换模块132可以与evse138交互以协调向车辆112的电力输送。evse连接器140可以具有与充电端口134相应的凹部配合的销。或者，被描述为电耦合或连接的各种组件可以使用无线电感耦合来传输电力。

可以设置一个或多个车轮制动器144用于减速车辆112并防止车辆112的运动。车轮制动器144可以是液压致动的、电动的或其一些组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可以包括用于操作车轮制动器144的其它部件。为了简单起见，该图示出了制动系统150和其中一个车轮制动器144之间的单个连接。暗含了制动系统150与其它车轮制动器144之间的连接。制动系统连接可以是液压和/或电气的。制动系统150可以包括用于监测和协调车轮制动器144的操作的控制器。制动系统150可以监视制动部件并控制车轮制动器144以使车辆减速。制动系统150可以响应于驾驶员命令，并且还可以自主地操作以实现诸如稳定性控制的功能。制动系统150的控制器可以实现当另一控制器或子功能请求时施加所请求的制动力的方法。

车辆112中的电子模块可以经由一个或多个车辆网络进行通信。车辆网络可以包括用于通信的多个通道。车辆网络的一个通道可以是串行总线，例如控制器局域网(can)。车辆网络的一个通道可以包括由电气和电子工程师协会(ieee)802系列标准定义的以太网。车辆网络的附加通道可以包括模块之间的离散连接，并且可以包括来自辅助电池130的电力信号。可以在车辆网络的不同通道上传送不同的信号。例如，视频信号可以通过高速信道(例如，以太网)传送，而控制信号可以通过can或离散信号传送。车辆网络可以包括有助于在模块之间传送信号和数据的任何硬件和软件组件。车辆网络在图1中未示出，但是这可以暗含车辆网络可以连接到存在于车辆112中的任何电子模块。可以存在车辆系统控制器(vsc)148以协调各种部件的操作。

牵引电池124可以由各种化学配方构成。典型的电池组化学物质可以是铅酸、镍-金属氢化物(nimh)或锂离子。图2示出了n个电池单元202的简单串联配置的典型的牵引电池组124。然而，其他电池组124可以由串联或并联或其组合连接的任何数量的单个电池单元组成。电池管理系统可以具有一个或多个控制器，例如电池能量控制模块(becm)206，其监控和控制牵引电池124的性能。电池组124可以包括用于测量各种组件电平特性的传感器。电池组124可以包括一个或多个组件电流测量传感器208、组件电压测量传感器210和组件温度测量传感器212。becm206可以包括与组件电流传感器208、组件电压传感器210和组件温度传感器212交互的电路。becm206可以具有非易失性存储器，使得当becm206处于关闭状态时可以保留数据。保留的数据可能在下一个钥匙循环可用。

除了组件电平特性之外，可以存在被测量和监测的电池单元202电平特性。例如，可以测量每个单元202的端电压、电流和温度。系统可以使用一个或多个传感器模块204来测量电池单元202的特性。根据能力，传感器模块204可以测量一个或多个电池单元202的特性。电池组124可以利用多达nc个传感器模块204来测量所有电池单元202的特性。每个传感器模块204可以将测量值传送到becm206以进一步处理和协调。传感器模块204可以将模拟或数字形式的信号传送到becm206。在一些配置中，传感器模块204的功能可以内部结合到becm206。也就是说，传感器模块204的硬件可以被集成作为becm206中的部分电路，并且becm206可以处理原始信号的处理。becm206还可以包括与一个或多个接触器142交互以打开和关闭接触器142的电路。

计算电池组的各种特性可能是有用的。诸如电池功率容量、电池容量和电池荷电状态的量值对于控制牵引电池124以及从牵引电池124接收电力的任何电负载的操作可能是有用的。电池功率容量是牵引电池124可以提供的功率的最大值或牵引电池124可以接收的功率的最大值的测量。了解电池功率容量可以管理电负载，使得所请求的电力处在牵引电池124可以处理的限度内。

电池容量是可以存储在牵引电池124中的能量的总量。电池容量可以以安培小时为单位表示。与电池容量相关的值可以称为安培小时值。牵引电池124的电池容量可以在牵引电池124的整个寿命内减小。

荷电状态(soc)给出牵引电池124中剩余多少电荷的指示。soc可以表示为相对于剩余在牵引电池124中的电池容量的总电荷的百分比。soc值可以被输出以通知驾驶员牵引电池124中剩余多少电量，类似于燃料计。soc还可以用于控制电动或混合动力电动车辆的操作。soc的计算可以通过各种方法实现。计算soc的一种可能的方法是执行牵引电池电流随时间的积分。作为安培小时积分这在本领域中是众所周知的。

对于锂离子电池单元，可以在电池单元耦合到负载之前基于开路电压(ocv)测量来估计驾驶周期的初始soc值。放置期(restperiod)后，电池单元的端电压和开路电压在空载条件下相等。存在soc与电池单元的开路电压之间的关系。图3中描绘了一种作为将soc与开路电压(voc或ocv)相关联的特性曲线300的可能的关系。特性曲线300可以在电池单元测试期间获取，并且可以转换为用于存储在becm206的非易失性存储器中的表格。可以通过测量电池单元的端电压并将初始soc设置为与测定的电压值对应的特性曲线300的soc值来确定初始soc。

所描述的部件可以是被配置为管理和控制来自牵引电池124或向牵引电池124输入的电力的车辆动力系统的一部分。车辆动力系统可以包括被编程为操作牵引电池124并管理牵引电池124的荷电状态的控制器。与目前的荷电状态相比，牵引电池124可以根据目标荷电状态进行充电或放电。例如，当目前的荷电状态大于目标荷电状态时，牵引电池124可以放电。牵引电池124的操作可以通过命令电机114的扭矩来从牵引电池124汲取电流或提供电流来实现牵引电池124的操作。牵引电池124的操作可进一步涉及命令发动机118的操作以向电机114提供动力从而对牵引电池124充电

牵引电池124的容量可随时间和车辆使用而减小。这可以被称为牵引电池124的老化。电池衰减或老化的特征在于电池容量和充电/放电功率容量的降低。如果控制策略未更新以解决电池老化，电池衰减可能会影响混合动力车辆的性能和燃料经济性。为了适当地控制车辆112，当牵引电池124老化时知道容量是有用的。

各种自学习算法可用于估计电池容量。becm206可以被编程为在车辆112的操作期间估计牵引电池容量。电池容量学习策略可以是现有技术中已知的任何算法或策略。例如，可以将电池充电容量估计为电池电流产生量除以荷电状态(soc)值的差值。这种方法是知道独立于电池容量获得的两个独立的soc值。电池容量可以计算为：

其中soci和socf分别是时间ti和tf的荷电状态值，i是流向或来自电池的电流。电池电流产生量(throughput)可以被定义为电池电流在一段时间内的积分。当在控制器206中实现时，积分可以由当前电流值乘以采样时间的总和代替。

荷电状态值soci和socf可以基于在两个接通/切断周期上采样的测量电压。对于锂离子电池，众所周知，在电池静置足够的时间之后，端电压近似等于电池的开路电压(即vt＝voc)。端电压可以在系统上电时测量，并且可以从开路电压导出荷电状态。可以通过测试数据或制造商数据获得荷电状态和开路电压之间的关系(参见图3)。产生量值可以在每个点火周期期间累积并存储在非易失性存储器中，以用于下一个点火周期。在紧随其后的点火周期内上电时，可以对端电压进行采样并计算电池容量。电池容量的其它方法可以同样适用于本文所述的方法和系统。

为了获得最佳效果，当电池完全松弛(relaxed)时，应进行电压测量。然而，对于插电式混合动力电动车(phev)或电池电动车(bev)来说，完全松弛的条件可能会较少发生。使用插电式车辆时，操作员可能会停下车辆，并立即插入充电器以开始充电。此外，操作员可以拔掉充电器并立即开始驾驶。在这些条件下，牵引电池可能无法实现完全松弛的条件以实现最佳电压测量。使用在点火周期开始时的电压可能导致电池容量的估计不正确。随着时间的推移，估计的电池容量可能会偏离依照该模式的车辆的真实值。可以使用确定当前电池容量估计的精度的方法来改善电池容量估计。

通过重新排列等式(1)，可以如下计算最终的soc值：

可以观察到，如果当前估计的电池容量(cbat)不准确，则基于安培小时积分的soc值将不准确。任何不准确可能会影响电动行驶里程的确定、充电时间估计和功率限制确定。因此，改进对电池容量的估计会带来依赖于电池容量估计的那些估计的改进。

所学习的电池容量可能由于诸如传感器测量噪声和车辆操作条件之类的因素而偏离真实容量值。当周期性地了解电池容量值时，期望确定估计容量值的质量的方法。评估为高质量的电池容量估计可以用于计算相关的依赖参数。被评估为低质量的电池容量估计可以触发更新电池容量的计算。

可以在驾驶周期期间基于根据端电压的初始soc、驾驶周期期间的电流产生量以及如等式(2)中所述的估计的电池容量来估计soc。初始soc(socinit)可以在所述的点火周期开始时进行评估。在驾驶周期期间，可以测量和积分电池电流以获得电流产生量。可以使用电池容量的当前估计来确定在驾驶周期上的soc的变化。驾驶周期可以包括从点火周期开始到点火周期结束的时间段。在点火周期结束时的soc值(socfinal)可以存储在非易失性存储器中，用于随后的点火周期。

在下一个点火周期的开始时，可以如所述导出初始soc。可以从非易失性存储器检索来自先前点火周期的结束soc。可以对初始soc和从紧接着的先前点火周期的结束soc之间进行比较。如果当前点火周期的初始soc大于先前点火周期的结束soc，则这可以指示电池容量估计值小于真实值。如果当前点火周期的初始soc小于先前点火周期的结束soc，则这可以指示电池容量估计值大于真实值。

电池容量值的精度也可以基于在充电周期之后流入电池的能量和存储在牵引电池中的能量来确定。

充电后存储在牵引电池中的能量可以估计为：

其中cbat是当前电池容量估计，并且积分项从在充电周期期间的soc1至soc2的soc范围内从ocvv.(对)soc曲线(参见图3)下方的区域导出。在充电周期期间存储在牵引电池中的能量的估计量可以表示为，容量估计与表示在对应充电周期的荷电状态间隔中随荷电状态变化的开路电压的曲线下面积的乘积。从外部电源流入电池的总电荷能量可以估计为电池充电功率(例如，电池端电压和电池充电电流的乘积)的积分如下：

echg＝∫vt|i|dt(4)

存储在牵引电池中的能量和提供给牵引电池的能量如下所述：

echg＝echgbat+h(5)

其中h是充电期间的散热。由于充电期间的散热，预计提供给牵引电池的能量(echg)大于存储在牵引电池(echgbat)中的能量。那么预计应该满足以下条件：

echg＞echgbat(6)

当电池容量(cbat)的估计是正确的时，应该满足以下等式：

如果关系不满足，则电池容量的估计可能被认为是不准确的。当关系不满足时，表示对于当前电池容量估计，牵引电池存储的能量比所提供的电能多。这样的结果是不大可能的。因此，当不满足关系时，电池容量估计可能是错误的。作为响应，可以调度或启动电池容量更新。此外，直到电池容量被估计为止，可以改变利用电池容量估计的控制策略的操作。

控制策略修改可以包括利用电池容量估计的那些策略。例如，soc可以被计算为单独导出的soc估计的加权平均值。第一soc估计可以基于如上所述的上电时的开路电压。在一些配置中，第一soc估计可以基于开路电压的估计。开路电压的估计可以从电池端电压得出。例如，可以将开路电压(voc)估计为电池端电压(vt)与在电池等效内阻两端的电压降(表示为电池电流和电阻值的积(i*r))的和。第二soc估计可以基于安培小时积分(amp-hourintegration)。这样的soc计算可以被描述为：

socfinal＝wvolt-basedsocvolt-based+wamp-basedsocamp-based(8)

其中socvolt-based是基于在上电时测量的或从负载条件下的电池端电压估计的开路电压得出的soc估计，socamp-based是基于安培小时积分的soc估计，wvolt-based的/wamp-based是加权因子。加权因子可以是分数量，使得加权因子的总和为1。如上所述，基于安培小时积分的soc估计取决于电池容量值。当确定电池容量估计不再准确时，可以调整加权因子从而将更小的权重放在基于安培小时积分的soc值上。

becm206可以实现用于调整soc窗口限制的控制策略。becm206可以在最大soc极限和最小soc极限之间的soc值的范围内操作牵引电池124。soc范围可以配置为将电池寿命与尽可能大的工作行驶里程进行平衡。随着电池容量的变化，可以相应地调整窗口限制。例如，如果电池容量降低，则窗口限制可能不再满足预期的操作要求。

图4描绘了随着时间的推移，可以在牵引电池的操作期间使用的各种soc操作窗口。例如，牵引电池可以在由第一最大soc402(socmax1)和第一最小soc404(socmin1)限定的第一窗口400(w1)限定的soc范围内开始运行。在运行期间，电池容量预期会下降。电池容量估计可能会随着时间的推移变得大于实际值。在这种情况下，从等式(2)计算的soc的估计变化可能低于soc的实际变化。结果是估计的soc变化实际上小于实际的soc变化。在这种情况下，估计为第一最大soc402的soc实际上可能大于第一最大soc402。类似地，估计为第一最小soc404的soc实际上可能小于第一最小soc404。相对于估计的电池容量的实际电池容量的下降可能导致在第一soc窗口400之外的操作。

为了补偿这一点，可以将soc操作窗口改变为由第二最大soc412(socmax2)和第二最小soc414(socmin2)限定的第二soc窗口410(w2)。第二最大soc412可以小于第一最大soc402，并且第二最小soc414可以大于第一最小soc404，使得当与第一soc窗口相比时，牵引电池在soc值的减小范围内操作。对第二soc窗口410的改变可以响应于确定电池容量不再准确而进行。效果是可以使操作soc窗口变窄，直到电池容量被再次估计。

在电池容量被估计并再次确定为准确之后，可以扩大soc操作窗口。在一些配置中，牵引电池可以返回到第一soc窗口400内的操作。在一些配置中，soc操作窗口可以被改变为由第三soc最大值422(socmax3)和第三soc最小424(socmin3)限定的第三soc窗口420(w3)。第三soc最大值422可以大于第一soc最大值402，并且第三soc最小值424可以小于第一soc最小值404以限定较宽的操作范围。可以限定第三soc最大值422和第三soc最小值424以保持与初始soc窗口相同的来自牵引电池的能量消耗量。注意，最大窗口值可以被限制为最大值450(max)，并且最小窗口值可以被限制到最小值452(min)，以保护牵引电池防止在推荐的操作范围之外操作。

图5示出了描述可以在控制器(例如，becm206)中实现的可能的操作序列的流程图。在操作500，进行检查以确定是否启动了充电周期。例如，当充电器插入充电端口并且电力被引导到牵引电池124时，可以启动充电周期。如果不启动充电周期，则可以以预定间隔重复操作500。如果检测到充电周期，则可以执行操作502。在操作502，可以如本文所述计算进入电池的能量。在操作504，可以如本文所述计算存储在牵引电池中的能量。在操作506，可以执行检查以确定充电周期是否完成。例如，充电器可能与车辆断开，或者牵引电池可能被充满电。如果充电周期不完整，则可以在充电周期期间重复操作502和504。如果充电周期完成，则可以执行操作508。

在操作508，比较在充电期间对牵引电池的能量输入和在充电周期期间存储的能量的大小。如果能量输入大于或等于存储的能量，执行可能会完成，无需额外的操作。如果能量输入小于存储的能量，则可以执行操作510。在操作510，可以改变牵引电池的操作参数。例如，可以修改soc窗口限制和/或可以修改soc计算以改变加权值。在操作512，可以触发电池容量估计功能。

本文所述的系统和方法可以通过提供估计的电池容量的质量的指示来改善牵引电池的操作。响应于在充电周期期间检测到提供给牵引电池的能量的大小小于在充电周期期间存储在牵引电池中的估计能量的大小，系统检测到牵引电池的容量已经改变。也就是说，先前估计的容量值不再适用于牵引电池的当前状态。然后，控制器可以改变牵引电池的操作策略，直到容量估计被更新。通过估计电池容量估计的质量，改善了牵引电池的操作。此外，当电池容量估计不准确时，通过修改牵引电池的操作参数，提高了电池寿命和性能。

本文公开的过程、方法或算法可以由可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的处理设备、控制器或计算机递送/实现。类似地，过程、方法或算法可以存储作为可由许多形式的控制器或计算机执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在不可写存储介质(例如只读存储器(rom)设备)上的信息和可变化地存储在可写存储介质(例如软盘、磁带、光盘(cd)、随机存取存储器(ram)设备和其他磁和光介质)上的信息。过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。或者，可以使用合适的硬件组件(例如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其他硬件部件或者设备)或硬件、软件和固件组件的组合来全部或部分地实现该过程、方法或算法。

虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在说明权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词是描述性的而不是限制性的，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，可以组合各种实施例的特征以形成本发明的未被明确描述或示出的其它实施例。虽然可以将各种实施例描述为相对于一个或多个期望特点具有优点或优于其他实施例或现有技术实施方案，但是本领域普通技术人员认识到一个或多个特征或特点可能进行折中以达到期望的整体系统属性，这具体取决于具体的应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易组装性等。因此，所描述的在一个或多个特征上不如其他实施例或现有技术实施方案的实施例也在本公开的范围之内，并且对于特定应用来说可能正是所期望的。