用于估计电池单元的容量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于估计车辆的能量储存系统中的电池单元的容量的方法。本发明还涉及计算机程序、计算机可读介质、控制单元、电池管理系统和车辆。

本发明可以应用于任何类型的混合动力车辆或电动车辆，例如部分或完全电动车辆。尽管本发明将针对电动公共汽车进行描述，但是本发明不限于这种特定的车辆，而是也可以用于其他混合动力或电动车辆，例如电动卡车、电气建筑设备和电动汽车。本发明还可以应用于任何其他类型的电动车辆，例如电动建筑设备、电动工作机械，例如轮式装载机、铰接式运输机、自动倾卸卡车、挖掘机和挖掘装载机等。

背景技术

电池正成为为车辆提供推进力的更常见的能源。这种电池通常是可充电电池，并且通常包括多个电池单体，这些电池单体可以串联或并联连接，形成用于车辆的完整电池组。通常，电池组包括多个电池单体。电池组的质量部分取决于每个电池单体的质量，因此对电池单体的生产质量有严格的要求。然而，尽管质量高，电池单体仍可能具有稍微不同的容量，并且还可能由于例如每个电池单体的不同操作温度而不同地老化。

为了确定充电状态(SOC)并提供串联单体电池配置的电池组的容量估计，可以使用关于电池单体电压和电池组电流的平均值的数据。这些估计通常假设所有电池单体的电化学特性大致相同。然而，电池单体的SOC水平将最终漂移开，导致不均匀的充电状态分布，这限制了电池组的操作性能。此外，当由于老化和电池单体不同的电化学特性而在电池单体之中存在差别时，平均电池单体电压的变化可能不能以准确的方式表示每个电池单体的容量。此外，电池组组件的总容量通常受到具有最低容量的单个电池单体的限制。

此外，电池的SOC、SOP(功率状态)和SOE(能量状态)水平通常使用电池组的一个或几个电池单体的模型来估计。普通类型的电池模型包括等效电路模型，通过该等效电路模型可以获得电池模型的电流-电压特性。算法与模型一起使用，并且通常需要与电池相关的输入，例如电池的电池单体的容量和阻抗。然而，这种输入通常随着电池老化而改变，这使得估计更加复杂。此外，重要的是算法的输入是准确的，以避免对例如充电状态的不精确估计。

此外，在混合动力或电动车辆中，通常需要对各种操作条件下的电池特性有足够好的了解。因此，越来越需要在这种车辆中提供车载容量估计。

举例来说，电池单元的容量可以通过基于电压的估计方法来估计，该方法在车辆的空闲或操作时间期间使用开路电压和SOC相关性。Farmann,A.等人的“Critical reviewof on-board capacity estimation techniques for lithium-ion batteries inelectric and hybrid electric vehicles.”Journal of Power Sources 281(2015):114-130中描述了用于电池单体的容量估计的可能方法的一些示例。然而，由于算法复杂，用于估计电池单元的容量的至少一些可用方法需要长的计算时间。此外，一些可用的方法需要大量的信息存储，从而需要大量的车载存储器。此外，一些方法可能在某些电池操作情况下给出良好的估计，但在其它情况下不能给出良好的估计，因此不适合在各种电池操作情况下使用。

一种常用的估计容量的方法是基于库仑计数，其中需要充电或放电期前后的SOC的值。为了获得可靠的估计，必须独立于容量来确定SOC值，例如使用开路电压(OCV)和当电池单元处于松弛状态时的SOC之间的关系，即处于完全平衡而没有连接到任何负载。然而，取决于应用，达到平衡可能需要几个小时，因此这种估计容量的方法相当耗时。

因此，希望提供一种有效估计电池单元的容量的方法。特别地，希望提供一种在各种条件下车辆的操作期间时间高效地确定电池单元的容量的方法。

定义

在下文和整个说明书中，“电池单元”这个措辞应该被解释为包括电池组，电池组本身可以包括一个或多个电池。更进一步，“电池单元”这个措辞应该被理解为也包括可以包括多个电池组的单元。然而，“电池单元”这个措辞也可以包括单个电池单体。因此，“电池单元”这个措辞可以是单个电池单体、可以包括多个电池单体的单个电池、包括多于单个电池的电池组，以及包括多于单个电池组的模块。

这里使用的“充电状态(SOC)”这个术语是指在电池单元的当前状态下的可用容量。SOC还可以包括或表示电池单体、单个电池单元、单个电池组、电能储存系统或其组合的电荷水平。SOC通常以新电池单元的可用容量和最大额定容量或电池单元的当前最大可用容量之间的百分比(％)来确定。

电池单元的容量应理解为电池单元的充电容量和/或放电容量。“容量”这个术语是指通常以由电池单元储存的电荷的安培小时(Ah)为单位的度量。电池容量代表在特定条件下可以从电池单元提取的最大电荷量或能量。

电池单元的空载条件应理解为没有能量供应到电池单元或从电池单元提取能量的条件，即，电池单元没有被充电或被任何外部负载放电。换句话说，在空载连接中，没有外部负载连接到电池单元。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种至少在某些方面改进的方法，用于估计被包括在电气操作的车辆的能量储存系统中的电池单元的容量。特别地，目的是提供一种更时间高效的方法，用于在车辆的各种条件下估计容量。另一个目的是提供一种计算高效的方法，用于估计具有低存储器需求的容量。

至少主要目的是通过根据权利要求1的方法至少部分实现的。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于估计车辆的能量储存系统中的电池单元的容量的方法。该方法包括：

-在电池单元的至少第一空载条件期间，在多个时间点测量电池单元的端电压以确定电池单元的瞬态电压响应，

-根据至少在第一空载条件期间电池单元的瞬态电压响应，借助于电池模型来估计电池单元的开路电压的至少第一值，

-至少基于开路电压的估计的至少第一值来估计电池单元的容量。

通过至少部分地基于从断开负载后的电池单元的瞬态电压响应确定的开路电压来估计容量，有可能在移除负载后无需等待电池单元达到完全平衡或完全稳态就可以估计容量。因此，可以在断开负载后更快地估计容量，例如比等待达到完全平衡快5至10倍。与依赖于在电池单元的松弛稳态期间测量的开路电压值的现有技术方法相比，这使得可以以更时间高效的方式确定车载容量。

可选地，该方法还可以包括：

-在电池单元的充电过程或放电过程期间测量电池单元的电池电流，其中所述充电过程或放电过程在所述第一空载条件之前或之后，

其中电池单元的容量的估计进一步基于在所述充电过程或所述放电过程期间测量的电池电流。充电过程或放电过程在这里可以是紧接在所述第一空载条件之后或之前的充电过程或放电过程。如果充电过程或放电过程是紧接在所述第一空载条件之前的充电过程或放电过程，则在容量估计中使用的开路电压的第一值是根据紧接在断开负载之后的瞬态电压响应估计的。如果充电过程或放电过程是紧接在所述第一空载条件之后的充电过程或放电过程，则根据紧接在前的充电过程或放电过程之后的瞬态电压响应来估计用于容量估计的开路电压的第一值。测量的电流可以例如用于使用库仑计数来估计容量，其中库仑计数估计所需的开路电压值之一根据第一空载条件下的瞬态电压响应来确定。

可选地，该方法还可以包括：

-在电池单元的第二空载条件期间，确定电池单元的开路电压的第二值，其中所述充电过程或放电过程发生在第一空载条件和第二空载条件之间，

其中对电池单元的容量的估计进一步基于所确定的电池单元的开路电压的第二值。开路电压的第二值可以是使用所述方法根据瞬态电压响应估计的值，但是它也可以是在电池单元的松弛空载条件期间，即当电池单元处于完全平衡时确定的值。在这种情况下，第二空载条件是松弛的空载条件。库仑计数可用于基于充电或放电过程期间的两个开路电压值和测量的电流来估计容量。

可选地，用于确定瞬态电压响应的端电压是在电池单元的前一充电过程或放电过程结束后的预定时间段内测量的。例如，可以在断开负载后的预定时间段内开始测量。

可选地，至少基于开路电压的估计的至少第一值的电池单元的容量的估计包括使用库仑计数。对于库仑计数，需要电池单元的充电状态(SOC)的至少两个值，这两个值可以使用查找表根据充电或放电过程之前和之后的开路电压值来确定。如上所述，可以获得这两个开路电压值，即在充电或放电过程之前和之后，但是也可以在松弛的空载条件下，当电池单元处于完全平衡时，获得其中一个值。还可以根据如上所述的开路电压的第一值来确定SOC值之一，并且以某种其他方式来获得另一个SOC值。

可选地，该方法还可以包括：

-确定开路电压的估计的至少第一值的不确定性水平。

可选地，该方法还可以包括：

-基于开路电压的估计的至少第一值的确定的不确定性水平，确定开路电压的估计的至少第一值是否可以用于电池单元的容量的估计。

因此，当估计的开路电压的不确定性水平被认为高得不可接受时，可以阻止容量的估计。以这种方式，确保了仅当可以预期可靠的结果时才估计容量。

可选地，该方法还可以包括：

-基于开路电压的估计的至少第一值的确定的不确定性水平，确定电池单元的估计容量的不确定性水平。

知道不确定性水平是有利的，因为它允许根据不确定性水平来调整电池的使用。例如，如果存在相对较大的不确定性，则可以禁止电池单元的某些使用。仅作为示例，如果容量估计不确定，则可以禁止在非常低的充电状态下操作，以避免损坏电池单元。

可选地，该方法还可以包括：

-将开路电压的估计的至少第一值与至少一个预定收敛标准进行比较，

其中基于开路电压的估计的至少第一值的电池单元的容量的估计仅在满足至少一个预定收敛标准的情况下执行。一个或多个收敛标准确保已经确定了开路电压的可靠的第一值。这节省了计算能力，因为一旦满足收敛标准，就只需要估计容量。此外，在该实施例中，一旦满足一个或多个收敛标准，就可以估计开路电压的至少第一值，从而可以避免在开始估计之前不必要的长等待时间。这尤其适用于电池单元充电后。

可选地，在开路电压的至少第一值的估计中使用的电池模型是等效电路模型。这种等效电路模型也称为戴维宁电池模型，至少包括一个电阻-电容(RC)支路。在替代实施例中，电池模型可以是黑盒模型或电化学模型。

可选地，等效电路模型是包括至少两个电阻器-电容器支路的二阶等效电路模型。与使用例如包括单个RC支路的一阶等效电路模型相比，这可以给出开路电压的更精确的估计。

可选地，在开路电压的至少第一值的估计中使用递归估计方法或批量估计方法。特别地，递归估计方法对于减少车载信息存储需求是有利的，因为这种方法比批量估计方法需要更少的存储器。

可选地，在开路电压的至少第一值的估计中使用递归最小二乘估计方法。这是一种存储器高效的方法，可提供准确的结果。此外，在适用的情况下，它能够对收敛标准进行连续评估。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，该程序代码装置用于执行第一方面的任何一个实施例的方法。本发明的第二方面的效果和特征很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些。

根据本发明的第三方面，提供了一种承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括程序装置，当所述程序装置在计算机上运行时，用于执行第一方面的任何实施例的方法。本发明的第三方面的效果和特征很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些。

根据本发明的第四方面，提供了一种控制单元，其被配置为执行根据第一方面的实施例中的任一个的方法。本发明的第四方面的效果和特征很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于能量储存系统的电池管理系统，包括根据第四方面的控制单元。本发明的第五方面的效果和特征很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些。

根据本发明的第六方面，提供了一种车辆，例如混合动力车辆或全电动车辆，包括能量储存系统和根据第四方面的控制单元。本发明的第六方面的效果和特征很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些。

车辆可以是包括电动机的电动、混合动力或插电式混合动力车辆，其中能量储存系统向电动机提供动力，用于为车辆提供推进力。要注意的是，车辆因此可以是部分或完全电动的车辆。

当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。技术人员认识到，可以组合本发明的不同特征来创建除了下面描述的实施例之外的实施例，而不脱离本发明的范围。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。

在附图中：

图1示出了可以实施根据本发明的方法的车辆，

图2示意性地示出了描述电池单元的电池模型的部分；

图3是示出在负载从电池单元断开之后作为时间的函数的电流和电压的图，

图4是示出根据本发明实施例的方法的流程图，

图5是示出根据本发明另一实施例的方法的流程图，以及

图6是示出根据本发明又一实施例的方法步骤的流程图。

附图是示意性的，不一定按比例绘制。

具体实施方式

在本详细描述中，根据本发明的方法的各种实施例主要参考全电动公共汽车来描述，该全电动公共汽车包括电池供电的电动机形式的推进系统。然而，应当注意，所描述的发明的各种实施例同样适用于各种各样的混合动力和电动车辆。

图1示出了公共汽车201形式的全电动车辆的简化透视图，根据实施例，该全电动车辆配备有用于操作公共汽车的至少一个电机(未示出)。

公共汽车201承载电能存储系统(ESS)200，其包括电池组形式的电池单元202，该电池组包括多个电池单体。电池单体串联连接以提供具有期望电压电平的输出直流(DC)电压。合适地，电池单体是锂离子型的，但是也可以使用其他类型的电池单体。每个电池组的电池单体数量可以在50到500个单体电池的范围内。应当注意，ESS 200可以包括多个电池组。该至少一个电机形成负载，当被连接到ESS 200时，该负载使用从电池组202提供的电流。车载充电器(未示出)也形成负载，其可以被连接到外部电源并用电能给电池组充电。

传感器单元(未示出)可被布置用于收集与ESS 200的操作条件相关的测量数据，即测量相关电池组202的温度、电压和电流水平。来自每个传感器单元的测量数据被传输到相关电池管理单元(BMU)204，该电池管理单元204被配置用于在公共汽车201的操作期间管理单独的电池组202。BMU 204还可以被配置用于确定指示和控制电池组202的条件或容量的参数，例如电池组202的充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功率状态(SOP)和能量状态(SOE)。

BMU 204被连接到控制ESS 200的ESS控制单元208，并被配置成与ESS控制单元208通信。ESS控制单元208可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备。因此，ESS控制单元208包括电子电路和连接(未示出)以及处理电路(未示出)，使得ESS控制单元208可以与公共汽车201的不同部分或公共汽车201的不同控制单元通信。ESS控制单元208可包括硬件或软件模块，或部分硬件或软件模块，并使用已知的传输总线如CAN总线和/或无线通信能力进行通信。处理电路可以是通用处理器或专用处理器。ESS控制单元208包括用于存储计算机程序代码和数据的非暂时性存储器。因此，技术人员认识到ESS控制单元208可以通过许多不同的结构来具体实施。这也适用于BMU 204。

现在转向图2，描绘了包括电池单元202的等效电路的电池模型，也称为戴维宁电池模型。示例性等效电路模型包括两个RC电路以为电池单元建模，尽管取决于电池动态和应用，可以在模型中使用不同数量的RC电路，例如一个RC电路或三个RC电路。示例性等效电路模型用于估计电池单元202的充电状态和容量，并且通常由上述控制单元208实现。图2所示的示例性等效电路模型可用于基于直接电池测量来估计电池单元202的开路电压V

关于图2描述的等效电路模型包括与两个RC支路串联的活性电解质电阻和电极的导电电阻(或内部欧姆电阻)R

图3示出了在从由图2中的等效电路模型建模的电池单元断开负载之后的时间段Δt

在图4的流程图中示意性地示出了用于估计能量储存系统中的电池单元(例如图1所示的ESS 200中的电池单元202)的容量Q的方法。该方法包括以下步骤：

S11)在电池单元202的至少第一空载条件期间，在多个时间点测量电池单元202的端电压V

S12)根据至少在第一空载条件期间电池单元202的瞬态电压响应，借助于电池模型来估计电池单元202的开路电压V

S13)至少基于开路电压V

该方法还可以包括用虚线标记的可选步骤：

S9)在电池单元202的第二空载条件期间，确定电池单元的开路电压V

S10)在电池单元的充电过程或放电过程期间测量电池单元202的电池电流I

其中z(t

如图5的流程图所示，该方法还可以包括可选步骤：

S14)将开路电压V

如图6的流程图所示，该方法还可以包括可选步骤：

S15)确定在步骤S12中估计的开路电压V

S16)基于开路电压V

S17)基于开路电压V

尽管在三个不同的流程图中示出，步骤S9至S17当然可以以不同的方式加以组合。例如，步骤S9至S10也可以被包括在图5和图6所示的实施例中。

在步骤S12中，电池单元202的开路电压V

V

V

SoC(k+1)＝SoC(k)+b

V

其中V

在空载条件下，当I

V

V

V

其中V

取决于电池单元的类型，适用两种不同的情况，可以分别加以处理。

在第一种情况下，假设电池单元202的激活极化快速衰减，对应于负载移除时等效电路模型的第一RC支路两端的快速电压降ΔV

V

V

其可以被重写为提前一步的预测器形式

V

其中

y＝V

基于上述模型，估计参数向量θ，例如使用批量估计方法或递归估计方法，诸如递归最小二乘法。此后，开路电压V

在第二种更一般的情况下，不能假设电池单元202的激活极化快速衰减。在这种情况下，随着负载的移除，等效电路模型的第一RC支路两端的电压下降得更慢。因此，第一RC支路两端的电压V

y＝(a

其中

可以使用递归或批量优化方法求解参数向量θ的等式。此后，开路电压V

下面给出了一种基于递归最小二乘法来寻找参数向量θ和开路电压V

其中λ和P的初始化是调谐参数，分别表示遗忘因子和协方差矩阵，其中k表示时间样本。当参数已经收敛时，开路电压可以如上面定义的那样被估计。

要注意的是，使用各种递归和批量估计以及滤波技术可以找到相同的解。例如，可以使用批量最小二乘(RLS)技术，但是这需要更多的存储器。

可以使用的收敛标准是

其中e(k)如上定义，k

尽管附图可能示出了顺序，但是步骤的顺序可能与所描述的不同。两个或更多步骤也可以同时或部分同时执行。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样，软件实现方式可以用标准编程技术来完成，该技术具有基于规则的逻辑和其他逻辑来完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。此外，尽管已经参照本发明的具体示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，许多不同的变更、修改等将变得显而易见。

电池单元的估计容量可以例如被传送到车辆的电子控制单元，例如发动机控制单元(ECU)。可以以例如取决于ESS 200的操作条件的时间间隔或实时地传送估计的操作参数。

示例实施例的控制功能可以使用现有的计算机处理器来实现，或者通过为了这个或另一个目的而结合的用于适当系统的专用计算机处理器来实现，或者通过硬连线系统来实现。本公开范围内的实施例包括程序产品，该程序产品包括用于承载或其上存储有机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或其他具有处理器的机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备，或者可以用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储期望的程序代码并且可以由通用或专用计算机或其他具有处理器的机器访问的任何其他介质。当信息通过网络或另一通信连接(硬连线、无线或硬连线或无线的组合)传输或提供给机器时，机器将该连接视为机器可读介质。因此，任何这样的连接都被恰当地称为机器可读介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机执行特定功能或一组功能的指令和数据。

应当理解，本发明不限于上述和附图中所示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内可以进行许多改变和修改。例如，尽管本发明主要描述了电动公共汽车，但是本发明应该被理解为同样适用于任何类型的电动车辆，特别是电动卡车等。