在车辆起动时的电池功率容量估计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及在车辆起动时的电池功率容量估计，公开了一种车辆，所述车辆包括电池和控制器。基于通过电池阻抗参数估计模型产生的历史参数值和预定的参数值计算预计的电池阻抗参数。根据与历史阻抗参数值和电池的温度相关的时间数据来对所述值进行加权。最近的历史阻抗参数值可以比较为靠前的历史阻抗参数值对预计的电池阻抗参数值具有更大的影响。在车辆初始化时，使用预计的参数值对模型初始化。在车辆初始化之后的一段时间内，利用预计的参数值计算电池功率容量。在车辆初始化之后的一段时间内，使用通过模型产生的阻抗参数计算电池功率容量。当模型输出已经收敛到稳定解时，在车辆初始化之后的一段时间可结束。
【专利说明】在车辆起动时的电池功率容量估计
【技术领域】
[0001] 本申请涉及一种用于估计牵引电池功率容量的车辆系统。
【背景技术】
[0002] 混合动力电动车辆或纯电动车辆具有牵引电池，用于为车辆推进储存并提供能 量。为了提高性能和电池寿命，必须在特定的极限内操作电池。在极限之外操作电池会降 低电池的性能或寿命。用于控制和操作电池组的重要的量是电池功率容量。电池功率容量 指示电池能够提供（放电）或接收（充电）多少电力，以满足驾驶员和车辆需求。
[0003] 可通过具有阻抗部件配置的等效电路模型（ECM)对电池组进行建模。ECM可取决 于使用的电池的类型和化学组分。可基于模型的电池阻抗部件值计算电池功率容量。电池 阻抗部件值可随着电池的年龄和温度而改变。
[0004] 可以使用递归参数估计方法（诸如扩展卡尔曼滤波器（EKF))来识别电池等效电 路模型阻抗参数。EKF的缺点是：EKF需要一些时间收敛到真正的参数值。所述收敛时间可 以是用于初始化EKF的初始值的函数。EKF的收敛会受到初始参数值的有效选择的影响。 初始EKF参数的较差的选择会导致参数识别过程的发散，在这种情况下，将无法得到真正 的电池阻抗参数值的合理的估计值。此外，在EKF收敛之前，来自模型的电池阻抗参数估计 不能提供用于计算电池功率容量的可接受的结果。
【发明内容】
[0005] -种车辆包括电池和至少一个控制器。所述控制器被配置为：使用初始阻抗参数 值来初始化电池阻抗参数估计模型（所述电池阻抗参数估计模型可以是EKF)，其中，从通 过所述模型产生的历史阻抗参数值和一组预定阻抗参数值导出所述初始阻抗参数值。根据 时间数据对所述预定阻抗参数值和历史阻抗参数值进行加权，所述时间数据与历史阻抗参 数值以及初始化时的温度相关。所述控制器还被配置为：根据模型估计阻抗参数值，基于所 估计的阻抗参数值计算电池功率容量，并且根据所述电池功率容量操作车辆。与较为靠前 的历史阻抗参数值对初始阻抗参数值的影响相比，最近的历史阻抗参数值对初始阻抗参数 值的影响可能更大些。当温度低于阈值时，历史阻抗参数值可对初始阻抗参数值没有影响。 初始化时的温度可以是与电池相关的温度。可以基于在当前进行的点火循环期间获得的阻 抗参数值来选择所述预定阻抗参数值。
[0006] 一种车辆包括电池和至少一个控制器。所述至少一个控制器被配置为：（i)在车 辆初始化后的一段时间内，基于从选择的或一组预定阻抗参数值和历史阻抗参数值导出的 电池阻抗参数计算电池功率容量，并根据时间数据对所述预定阻抗参数值和历史阻抗参数 值进行加权，所述时间数据与历史阻抗参数值以及电池的温度相关。所述至少一个控制器 还被配置为：（ii)根据所述电池功率容量操作车辆。所述至少一个控制器还可被配置为： 响应于在车辆初始化后的一段时间期间电池的温度值小于预定值，基于预定默认数据计算 电池功率容量。当通过电池参数估计模型输出的电池阻抗参数已经收敛到稳定值时，所述 一段时间可结束。所述至少一个控制器还可被配置为：在所述一段时间之后，基于通过电 池阻抗参数估计模型（所述电池阻抗参数估计模型可以是EKF)输出的电池阻抗参数计算 电池功率容量。所述至少一个控制器还可被配置为：将通过所述模型输出的电池阻抗参数 与相关的时间数据储存为其它历史阻抗参数。可以基于在当前进行的点火循环期间获得的 阻抗参数来选择预定的阻抗参数。选择的或一组预定的阻抗参数的值可以基于电池荷电状 态和电池温度。当电池温度值低于阈值时，历史阻抗参数值可对电池阻抗参数值没有影响。 与较为靠前的历史阻抗参数对阻抗参数值的影响相比，最近的历史阻抗参数对阻抗参数值 的影响可能更大些。
[0007] -种控制电池的方法包括：计算从选择的或一组预定阻抗参数值和历史阻抗参数 值导出的预计的电池阻抗参数，其中，根据时间数据对所述预定阻抗参数值和历史阻抗参 数值进行加权，所述时间数据与历史阻抗参数值以及电池的温度相关。所述方法还包括：在 车辆初始化时，利用预计的电池阻抗参数值初始化电池参数估计模型并基于所述模型产生 阻抗参数值。所述方法还包括：在车辆初始化后的一段时间期间，基于预计的电池阻抗参数 值输出电池功率容量，并且在车辆初始化后的一段时间后，基于由所述模型产生的阻抗参 数值输出电池功率容量。所述方法还包括：根据电池功率容量控制电池。与较为靠前的历 史阻抗参数值对预计的电池阻抗参数值的影响相比，最近的历史阻抗参数值对预计的电池 阻抗参数值的影响可能更大些。当电池的温度低于阈值时，历史阻抗参数值可对预计的阻 抗参数值没有影响。当通过所述模型输出的电池阻抗参数已经收敛到稳定值时，所述一段 时间可结束。当基于所估计的阻抗参数的一系列距离值减小并且所述系列的最终距离值小 于阈值时，可检测到收敛。通过所述模型输出的阻抗参数值与相关的时间数据可储存为其 它历史阻抗参数值。所述方法还可包括：在初始化后的一段时间期间，当电池的温度小于预 定值时，基于预定的默认值输出电池功率容量。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是示出典型的动力传动系和能量储存组件的插电式混合动力电动车辆的示 意图。
[0009] 图2是包括多个电池单元并由电池控制模块（BCM)监视和控制的可能的电池组设 置的示意图。
[0010] 图3是示例的电池单元等效电路的示意图。
[0011] 图4是示出典型的电池单元的可能的开路电压（V。。）与电池荷电状态（SOC)的关 系的曲线图。
[0012] 图5是不出基于循环寿命测试的一系列表格的可能的布置的不意图。
[0013] 图6是计算电池功率容量的可能的序列的流程图。
【具体实施方式】
[0014] 在此描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅为示例，并且其 它实施例可以以多种和替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以示 出特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为用于 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。如本领域的普通技术人员将理 解的是，参照任一附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征相 组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实 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。
[0015] 图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆。典型的插电式混合动力电动车辆2 可包括机械地连接至混合动力传动装置6的一个或更多个电动机4。此外,混合动力传动装 置6机械地连接至发动机8。混合动力传动装置6还可被机械地连接至驱动轴10,驱动轴 10机械地连接至车轮12。当发动机8开启或关闭时，电动机4能够提供推进和减速能力。 电动机4还可以用作发电机，并且可通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热量损失掉的 能量而提供燃料经济性效益。由于混合动力电动车辆2可以在特定状况下按照电动模式运 转，因此电动机4还可减少污染物排放。
[0016] 电池组（battery pack) 14储存可以由电动机4使用的能量。车辆电池组14通常提 供高压直流（DC)输出。电池组14电连接到电力电子模块（power electronics module) 16。 电力电子模块16还电连接至电动机4,并且提供在电池组14和电动机4之间双向传输能量 的能力。例如，典型的电池组14可以提供DC电压，而电动机4可能需要三相交流（AC)电 流来运转。电力电子模块16可以将DC电压转换为电动机4所需要的三相AC电流。在再 生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电动机4的三相AC电流转换为电池组14 所需要的DC电压。在此描述的方法同样可应用到纯电动车辆或者使用电池组的任何其它 装直。
[0017] 电池组14除了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。典型的系统可包括将电池组14的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC 输出的DC/DC转换器模块18。其它高压负载（诸如压缩机和电加热器）可直接连接到从电 池组14引出的高压总线。在典型的车辆中，低压系统电连接至12V电池20。全电动车辆可 具有相似的结构，只是不具有发动机8。
[0018] 电池组14可以通过外部电源26进行再充电。外部电源26可以通过经由充电端 口 24进行电连接而向车辆2提供AC或DC电力。充电端口 24可以是被配置为从外部电源 26向车辆2传输电力的任何类型的端口。充电端口 24可以电连接至电力转换模块22。电 力转换模块22可以调节来自外部电源26的电力，以向电池组14提供适合的电压和电流水 平。在一些应用中，外部电源26可被配置为向电池组14提供适合的电压和电流水平，并且 电力转换模块22可以不是必需的。在一些应用中，电力转换模块22的功能可以存在于外 部电源26中。
[0019] 可以通过多种化学配方构建电池组。典型的电池组的化学成分是铅酸、镍金属氢 化物（NIMH)或锂离子。图2示出了 N个电池单元32简单串联配置的典型的电池组30。然 而，其它电池组可由任何数量的单独的电池单元按照串联或并联或者它们的特定组合连接 而组成。典型的系统可以具有一个或更多个控制器（诸如用于监视并控制电池组30的性 能的电池控制模块（BCM) 36)。BCM36还可被称为电池能量控制模块（BECM)。BCM36可以监 视多个电池组水平特性（诸如电池组电流38、电池组电压40以及电池组温度42)。BCM36 可具有非易失性存储器，使得当BCM36处于关闭状态时，数据可被保留。所保留的数据可以 在下一个钥匙循环时使用。
[0020] 除了测量和监视电池组水平特性外，还可以测量和监视电池单元水平特性。例如， 可以测量每个电池单元的端电压、电流和温度。系统可使用传感器模块34来测量电池单元 的特性。根据能力，传感器模块34可以测量一个或更多个电池单元32的特性。电池组30 可利用多达Nc个传感器模块34来测量所有电池单元32的特性。每个传感器模块34可将 测量值传输至BCM36,以进行进一步处理和协调。传感器模块34可将模拟形式或数字形式 的信号传输至BCM36。在一些实施例中，传感器模块34的功能可被一体地结合到BCM36。 艮P，传感器模块34的硬件可被集成为BCM36中的电路的一部分，并且BCM36可进行原始信 号的处理。
[0021] 图3示出了一个可能的电池单元等效电路模型（ECM)。电池单元可被模拟为电压 源（V。。) 50,电压源（V。。) 50具有与其相关联的电阻器（52和54)和电容56。由于电池单元 阻抗，导致端电压Vt58通常不与开路电压\。50相同。开路电压L50不容易测量，而只有 电池单元的端电压58易于测量。因为开路电压入。50不容易测量，因此可以使用基于模型 的方法来估计入。50的值。模型可需要已知的或估计的阻抗和电容的值。电池单元模型可 取决于电池化学特性。对于所描述的方法来说，针对电池单元选择的精确模型未必是关键 的。
[0022] 对于典型的锂离子电池单元来说，荷电状态（SOC)与开路电压（V。。）存在使得V。。 =f (SOC)的关系。图4示出了典型的曲线96,曲线96示出了作为SOC的函数的开路电压 V。。。可从电池特性的分析或者从电池单元的测试来确定SOC与V。。之间的关系。所述函数 可以使得SOC可被计算为f1 (V。。）。可以通过查找表或等效方程式实现所述函数或反函数。 曲线96的精确形状可基于锂离子电池的精确的配方而变化。开路电压V。。可随着电池充电 和放电的结果而变化。
[0023] 等效电路模型的控制方程可如下书写：
【权利要求】
1. 一种车辆，包括： 电池； 至少一个控制器，被配置为：（i)使用初始阻抗参数值初始化电池阻抗参数估计模型， 其中，从根据时间数据进行加权的通过所述模型产生的历史阻抗参数值和选择的预定阻抗 参数值导出所述初始阻抗参数值，所述时间数据与历史阻抗参数值以及初始化时的温度相 关；（ii)根据所述模型估计阻抗参数值；（iii)基于所估计的阻抗参数值计算电池功率容 量；（iv)根据所述电池功率容量操作车辆。
2. 如权利要求1所述的车辆，其中，与较为靠前的历史阻抗参数值对初始阻抗参数值 的影响相比，最近的历史阻抗参数值对初始阻抗参数值的影响更大。
3. 如权利要求1所述的车辆，其中，当温度低于阈值时，历史阻抗参数值对初始阻抗参 数值没有影响。
4. 如权利要求1所述的车辆，其中，初始化时的温度是与电池相关的温度。
5. 如权利要求1所述的车辆，其中，基于在当前进行的点火循环期间获得的阻抗参数 值来选择所述预定阻抗参数值。
【文档编号】G01R31/36GK104417386SQ201410424300
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】王旭, 李勇华, 理查德·迪克·安德森, 凯文·范德·莱昂, 常晓光 申请人:福特全球技术公司