專利名稱：用于確定電池內(nèi)阻的方法
用于確定電池內(nèi)阻的方法 發(fā)明背景
1、發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明涉及為能量源確定內(nèi)阻，能量源例如但不限于用于在交通工具中提供直流 (DC)電位的鉛酸電池。
背景技術(shù)：
電池內(nèi)阻是基礎(chǔ)值，其能與測定的電池電壓、電流和溫度一起被各種交通工具系 統(tǒng)和算法使用，以估計電池的狀態(tài)以及提供電池變量，如實際容量、健康狀態(tài)、到達(dá)完全放 電的剩余時間，等等。因此，內(nèi)阻能夠?qū)崿F(xiàn)電池狀態(tài)估計，甚至具有某種程度的預(yù)測，這可以 有助于確保向交通工具的關(guān)鍵功能如電力制動、起_停功能等等供應(yīng)充分的電能(提供這 種能量的電池容量)。
附圖簡述 在隨附的權(quán)利要求中特別指出本發(fā)明。然而，通過結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)描述， 本發(fā)明的其它特征將變得更明顯且本發(fā)明將被最好地理解，其中

圖1闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性方面的具有電池檢測系統(tǒng)(BMS)的交通工 具； 圖2示意地闡述了作為電壓發(fā)生器的電池； 圖3闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性方面的確定電池內(nèi)阻的方法的流程圖；
圖4闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性方面的被取樣的電流的示例性圖表；以及
圖5闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性方面的根據(jù)事件周期(eventperiod)的被 采樣的電流峰值。 優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述 圖1闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性方面的具有電池檢測系統(tǒng)12(BMS)的汽車 10。汽車10包括用來提供能量給一個或多個負(fù)載16的電池14。 BMS 12可以是根據(jù)本發(fā) 明配置的控制器或其它處理元件，用來確定電池14的內(nèi)阻?？刂破?2可以包括計算機(jī)可 讀媒介，該計算機(jī)可讀媒介與處理器(未示出)合作，以執(zhí)行用于確定電池14的內(nèi)阻的方 法。 為了示范的目的，描述主要關(guān)于用于給一個或多個負(fù)載提供直流(DC)電位或DC 電壓的鋁酸機(jī)動交通工具的電池14進(jìn)行闡明。然而，本發(fā)明不意圖被如此限制以及完全預(yù) 期其關(guān)于任何AC或DC電源類型設(shè)備的用途和應(yīng)用，例如但不限于超級電容器或具有能被 模擬為具有串聯(lián)電阻的電壓發(fā)生器的能量系統(tǒng)的其它設(shè)備。 圖2示意地闡述了作為具有串聯(lián)的內(nèi)阻Ri電壓發(fā)生器(或內(nèi)部電池電壓)Vbi的 電池14，其給出輸出電壓Vb。。如果電流I流向負(fù)載R工，則內(nèi)阻Ri遵守下面的公式 <formula>formula see original document page 4</formula> 其中VK和PK分別等于通過內(nèi)阻&的電壓降和功率降(power drop)
并且，如果我們考慮時間上的兩個瞬間
瞬間1 :Vb01 = Vb「I丄 &
瞬間2 :Vb。2 = Vb「I2 & 輸出電池電壓Vb。和電流I能用BMS 12來測量。內(nèi)部電壓Vbi更難以測量，代替 測量，為了本發(fā)明的一個非限制性方面的目的，其被模擬為常量以便內(nèi)阻Ri能根據(jù)下面的
公式被計算 - ",.Ri - VR,=>鳩0 =-A/.R, =>R =一^\=禍o ^ 內(nèi)部電池電壓的確隨著時間變化，但為了本發(fā)明的目的，能被當(dāng)作常量，因為取樣 頻率和它們的處理比電壓變化快得多。電池內(nèi)部的阻抗模型比本發(fā)明使用的簡單的電阻模 型更復(fù)雜，但是，再次地，用適當(dāng)?shù)娜铀俣?，樣值之間的變化能簡化為僅電池的等效內(nèi)阻。 因此，電池的內(nèi)阻Ri直接與在兩個時間瞬間的輸出信號的變化有關(guān)。當(dāng)電池充電時，也就 是，當(dāng)發(fā)生器被連接而不是負(fù)載被連接來引起電流反向流動時，同樣的情況可以應(yīng)用。
圖3闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性方面的一種確定電池內(nèi)阻&的方法的流 程圖20。該方法可以根據(jù)被嵌入到BMS 12的計算機(jī)可讀媒介中的指令或以其他方式被編 程在控制器中的指令、以足以幫助執(zhí)行本發(fā)明預(yù)期的操作的方式來執(zhí)行，以計算內(nèi)部電池 電阻Ri。 在階段l，在電池上的電壓U(t)(代表圖2中所示的Vb。)和流入或流出電池的電 流I(t)(代表圖2中所示的I)被以重復(fù)速率取樣來生成一系列數(shù)字化電壓和電流取樣值 U(n)和I(n)。取樣值U(n)和I (n)可以由控制器12存儲或臨時緩存。每個被存儲的值可 以被定義為"樣值"，因為它代表了在特定的時間瞬間的電池電壓U(n)或電流I(n)?？蛇x 地，在時間上接近于樣值的記錄發(fā)生的汽車運(yùn)行工況可以被存儲來幫助評估伴隨樣值的工 況。圖4闡述了在一段時間T中感測到的"n"個被取樣的電流值I(t)的示例性圖表30。
在階段2，當(dāng)可以使用硬件時，電壓U(n)和電流I(n)可以被高-通濾波。被取樣 的U(n)和I(n)的值可以被數(shù)字地處理來評價電壓變化，該電壓變化足以被考慮為由轉(zhuǎn)換 事件(switching event)引起的峰值電流變化，轉(zhuǎn)換事件例如在發(fā)動機(jī)加速(cranking)、 空調(diào)開動、加熱器操作和在其它的更高的提取電流的負(fù)載中?？梢赃M(jìn)行這個選擇性的判別 步驟，以便過濾出噪音，以及其它的較不明顯的變化，例如由開動內(nèi)部光源或其它較低的提 取電流類型設(shè)備引起的那些變化也丟失了。 在峰值可被確定之前，峰值檢測可能需要在電流的門限水平之上的一定量連續(xù)的 電流增加。正如所闡述的，需要四個在電流的門限水平32之上的連續(xù)的電流增加來確定峰 值P。圖5根據(jù)轉(zhuǎn)換事件周期"E"闡述了被取樣的電流值，其中有不同轉(zhuǎn)換事件，例如發(fā)動 機(jī)加速后面是空調(diào)系統(tǒng)的開動。隨著時間的推移，可以出現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換事件周期E。每一個轉(zhuǎn) 換事件的持續(xù)時間E可以定義為從產(chǎn)生峰值P的電流增加前面的樣值34到減小的電流樣 值中最后一個之后的樣值。 可選地，用于估計電流峰值P的連續(xù)增加的數(shù)量和/或閾值32可以根據(jù)有效負(fù)載 被調(diào)節(jié)。例如，如果已知較高提取電流的負(fù)載將是有效的，則與有效的較低提取負(fù)載相比， 可能需要較少數(shù)量的連續(xù)的增加。依靠于電流提取和/或提取電流的負(fù)載的識別，調(diào)節(jié)電 流峰值周期P的濾波的能力，可有助于限制傳感器或測量容忍減少的精度的可能性。
在每一個峰值周期P的末端，BMS12可以基于從峰值P的開始到結(jié)束出現(xiàn)的電壓 和電流的變化計算最終的電壓Uf(p)和電流If(p)。 Uf(p)值和If(p)值代表在轉(zhuǎn)換事件 E的每一個峰值周期P期間的電壓和電流變化。在一些情況下，如果檢測到多個峰值P，則 單個的轉(zhuǎn)換事件甚至可以包括多個Uf (p)值和If (p)值。Uf (p)值和If (p)值被描述為將 被高-通濾波、階段2的判別的閾值的輸出，以及表示在相應(yīng)數(shù)量的樣值被記錄的周期時間 期間的電池輸出電壓和電流變化。 在階段3， Uf(p)值和If(p)值可以乘以電流If(p)值來進(jìn)入到功率域(power domain)，提供UI(p) =Uf(p)x If(p)以及二次方電流II(p) = If (p) xlf (p)?？刂破?2 可以包括能被用于完成這個操作的軟件或硬件。本發(fā)明的一個非限制性方面預(yù)期按優(yōu)先順 序排列來自高能量峰值的樣值，因為這些提供了最好的數(shù)據(jù)來計算Ri，也就是，這些樣值具 有來自其它重疊的信號的較小的影響。在功率域中轉(zhuǎn)變被取樣的電壓值和電流值的過程是 進(jìn)行此操作的一種方法。 在階段4，在交通工具電網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)的正常的轉(zhuǎn)換事件可以是多于一個的電流峰值 的組合(一個較大峰值后面跟隨著一些較小峰值)。如此，轉(zhuǎn)換事件可以包括多個Uf(p)值 和If (P)值(或者多個集合/組的P個被取樣的U(t)值和I (t)值)來識別在每個轉(zhuǎn)換事 件E期間出現(xiàn)的每個峰值。為了這個原因，在轉(zhuǎn)換事件E中所有相關(guān)的值被加在一起以便 獲得的UI(p)值和II(p)值在可編程的"(m+l)"范圍(事件的長度)中被總和，從而獲得 累計的值 UIs (j) = UI (n) +UI (n_l) + . . +UI (n_m)
IIs(j) = II(n)+II(n-l)+.+II(n_m) 可選地，在階段4的末端，根據(jù)下面的公式，對于任何一個轉(zhuǎn)換事件能夠確定內(nèi)阻 Ri: & = UIs(j)/IIs(j) 其中j是轉(zhuǎn)換事件E中的一個轉(zhuǎn)換事件。所得到的值代表基于遍及事件E出現(xiàn)的 電壓變化和電流變化的總和的對于j轉(zhuǎn)換事件E的電池內(nèi)阻。 因為本發(fā)明的一個非限制性方面依靠交通工具運(yùn)行期間出現(xiàn)的峰值，因此在任何 給定的時間，當(dāng)期望估算內(nèi)阻時，轉(zhuǎn)換事件可以是小的或者甚至是不存在的。因為在階段5， 可能需要電流內(nèi)阻&的某種估算，因此該估算可以基于先前的測量來計算。
這些先前的測量可以是有幫助的，因為電池內(nèi)阻隨著時間的流逝逐漸地改變。在 給定時間的內(nèi)阻(樣值"n")，可以與"片刻之前"(樣值"n-l")十分相近。然而，在先的 值可以從小的轉(zhuǎn)換事件得出，其意味著這個值比假設(shè)從"大_功率"轉(zhuǎn)換事件得出的值具有 較小的可靠性。此外，來自"一段時間之前"的在先的值(樣值"n-j")盡管是好的，可是其 可能比"更近的"值(考慮到Ri已經(jīng)進(jìn)化(evolve) 了 )具有較小的可靠性。本發(fā)明設(shè)想了 這些特性之間的某種比例配合(proportioning)來確定內(nèi)阻Ri。 本發(fā)明的一個非限制性方面預(yù)期將一系列"q"個的在先得出的UIs(j)和IIs(j) (有效數(shù)據(jù))在一起求和，每個值被一個數(shù)(ki)加權(quán)，數(shù)(ki)取決于這樣的值的"強(qiáng)度"(功 率)禾P"時新性"(時間間隔)。這些數(shù)值然后可以在可編程的"q"范圍內(nèi)(其根據(jù)實驗的 經(jīng)驗來定義)被累加。
Og公式如下("i"是所述的"q"樣值中的一個，編號從較近的"l"到較早的
6<formula>formula see original document page 7</formula>
這樣，從f的大的值被計算出的UIs(j)的值和IIs(j)的值是升高的，而從12的
小的值被計算出的UIs(j)值和IIs(j)值是降低的。同樣，取決于自測量經(jīng)過的時間，最近
的UIs(j)值和IIs(j)值是升高的，而較早的UIs(j)值和IIs(j)值是降低的。 在階段6， Ri的最后的值通過將所得到的被加權(quán)過的UIs (j)值和lis (j)值相除
得到，把其當(dāng)作UIm(j)除以IIm(j)，以便內(nèi)阻由下面公式得出。 & = Ulm(j)/IIm(j) 內(nèi)阻可以通過不同方法獲得，通常與V/1的商有關(guān)并且使用一些專有的處理算 法。例如，通過施加特定的和時間-重復(fù)的電流脈沖且檢測相應(yīng)的電輸出電壓變化。其它 的方法基于僅僅檢測由于交通工具_(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓和電流。這個第二種選擇的例子 是使用用于處理的比例-積分-微分(PDI)類型控制器，所述處理依賴于閉環(huán)反饋(在先 處理過的數(shù)據(jù)反饋到輸入數(shù)據(jù)中)。本發(fā)明的方法是基于檢測汽車中的電壓和電流，但是考 慮在先測量值來獲得被處理的目前的輸出。此外，本發(fā)明根據(jù)包含在其中的能源的量和到 目前值的時間間隔衡量在先的值的作用。 根據(jù)需要，本發(fā)明的具體的實施方式在此公開；然而，應(yīng)理解，所公開的實施方式 僅僅是本發(fā)明的示范，其能以各種和可選的形式被體現(xiàn)。圖形并非一定是按比例繪制的，一 些特征可能被放大或最小化來顯示特定部件的細(xì)節(jié)。因此，這里公開的明確的結(jié)構(gòu)和功能 細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋成限制，而僅僅作為權(quán)利要求的代表性基礎(chǔ)和/或作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人 員來不同地使用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。 雖然已經(jīng)闡述和描述了本發(fā)明的實施方式時，但并不意圖使這些實施方式闡述和 描述了本發(fā)明的所有可能的形式。而是，說明中使用的詞語是描述性的詞語而不是限制性 的詞語，應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以做出各種變化。
權(quán)利要求
一種確定交通工具電池的內(nèi)阻的方法，所述交通工具電池用于給一個或多個交通工具負(fù)載供電，所述方法包括周期地取樣從所述電池輸出的電流和電壓，來確定被取樣的電流值和電壓值；對進(jìn)入轉(zhuǎn)換事件中的所述被取樣的電流值和電壓值進(jìn)行濾波，每個轉(zhuǎn)換事件包括被定義為峰值電流值的至少一個被取樣的電流值，所述峰值電流值比電流閾值大；通過將所述電壓值被所述電流值除的結(jié)果求平均，來為每個所述轉(zhuǎn)換事件確定內(nèi)阻值，其中所述電流值在與每個電壓值相同的時刻被取樣，并且電流值與所述峰值電流值中的每一個相對應(yīng)；對“q”個數(shù)量的所述內(nèi)阻值進(jìn)行加權(quán)；以及確定所述內(nèi)阻為被加權(quán)的所述內(nèi)阻值的平均。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，較近的內(nèi)阻值比較早的內(nèi)阻值被加權(quán)的多。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，從較大的電流峰值得到的內(nèi)阻值比從較小的電流 峰值得到的內(nèi)阻值被加權(quán)的多。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，較近的內(nèi)阻值比較早的內(nèi)阻值被加權(quán)的多，且從較 大的電流峰值得到的內(nèi)阻值比從較小的電流峰值得到的內(nèi)阻值被加權(quán)的多。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述內(nèi)阻值通過下面的公式被加權(quán)""H-1))其中k。是常量，I是被取樣的電流值，以及"i"是所述"q"個數(shù)量的所述內(nèi)阻值中的一 個，所述'V個數(shù)量的所述內(nèi)阻值從較近的"1"被編號到較早的'V。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括確定所述峰值為對應(yīng)于在所述電流閾值之上 的被取樣的電流中的至少兩個連續(xù)增加。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括如果所述被取樣的電流值和電壓值在為每個 轉(zhuǎn)換事件定義的開始和結(jié)束之間出現(xiàn)，則將所述被取樣的電流值和電壓值布置到相同的轉(zhuǎn) 換事件中，所述開始對應(yīng)于在所述電流閾值之上的第一個被取樣的電流值，并且所述結(jié)束 對應(yīng)于在所述電流閾值之下的第一個連續(xù)的被取樣的電流值。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在將所述峰值電流值和電壓值轉(zhuǎn)變到功率域 之后，用被取樣的所述峰值電流值除電壓值。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過將所述電壓值乘所述峰值電流值以及然后除 以所述峰值電流值的二次方，來將所述峰值電流值和電壓值轉(zhuǎn)變到功率域中。
10. —種用于確定內(nèi)阻的方法，包括 周期地取樣從能量源輸出的電流和電壓；通過將所述被取樣的電壓值中的選擇的一個或多個除以在相同時刻被取樣的所述電 流值，來確定內(nèi)阻值；通過下面的公式加權(quán)"q"個數(shù)量的所述內(nèi)阻值^v"如-(卜i))其中k。是常量，I是被取樣的電流值，且"i"是"q"個數(shù)量的所述內(nèi)阻值中的一個，所 述"q"個數(shù)量的所述內(nèi)阻值從較近的"1"被編號到較早的"q";以及 對被加權(quán)的所述內(nèi)阻值求平均來確定所述內(nèi)阻。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其還包括在除被選擇的值來確定所述內(nèi)阻值之前，將 被選擇的峰值電流值和電壓值轉(zhuǎn)變到功率域中。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過將所述電壓值乘所述峰值電流值以及然后 除以所述峰值電流值的二次方，將所述峰值電流值和電壓值轉(zhuǎn)變到功率域中。
13. —種確定交通工具電池的內(nèi)阻的方法，所述交通工具電池用于給一個或多個交通工具負(fù)載供電，所述方法包括周期地取樣從所述電池輸出的電流和電壓，來確定被取樣的電流值和電壓值；通過將所述電壓值乘以對應(yīng)的電流值并且將所述電流值二次方，將所述被取樣的電流 和電壓轉(zhuǎn)變到功率域中；將被轉(zhuǎn)變的電流值和電壓值布置到轉(zhuǎn)換事件中，每個轉(zhuǎn)換事件包括至少一個峰值，所 述峰值由比電流閾值大的被取樣的電流值定義；通過將被轉(zhuǎn)變的電流值的每一個除被轉(zhuǎn)變的電壓值的每一個的結(jié)果求平均，來確定每 個所述轉(zhuǎn)換事件的內(nèi)阻值，所述被轉(zhuǎn)變的電流值和電壓值對應(yīng)于所述轉(zhuǎn)換事件中的每個峰 值；以及將所述內(nèi)阻確定為所述內(nèi)阻值的平均。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其還包括加權(quán)所述內(nèi)阻值并且將所述內(nèi)阻確定為被 加權(quán)的內(nèi)阻值的平均。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其還包括較近的內(nèi)阻值比較早的內(nèi)阻值被加權(quán)的多。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，從較大的峰值得到的內(nèi)阻值比從較小的峰值得 到的內(nèi)阻值被加權(quán)的多。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，較近的內(nèi)阻值比較早的內(nèi)阻值被加權(quán)的多，以及 從較大的峰值得到的內(nèi)阻值比從較小的峰值得到的內(nèi)阻值被加權(quán)的多。
18. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述內(nèi)阻值通過下面的公式被加權(quán)1))其中k。是常量，I是所述被取樣的電流值，以及"i"是"q"個數(shù)量的所述內(nèi)阻值中的一 個，所述'V個數(shù)量的所述內(nèi)阻值從較近的"1"被編號到較早的'V。
19. 如權(quán)利要求14所述的方法，其還包括在確定相應(yīng)于至少兩個連續(xù)電流增加中的 最后一個的所述被取樣的電流值和電壓值為相應(yīng)于所述峰值的電流值和電壓值之前，要求 出現(xiàn)被取樣的電流值中的至少兩個連續(xù)增加。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括要求電流中所述至少兩個連續(xù)增加中的第 一個大于電流閾值。
全文摘要
一種確定能量源的內(nèi)阻的方法，所述能量源能被模擬為具有串聯(lián)電阻的電壓發(fā)生器，例如但不限于電池或超級電容器。所述內(nèi)阻可以通過平均一個或多個被加權(quán)的內(nèi)阻值而確定，所述內(nèi)阻值根據(jù)從所述能量源得到的多個被取樣的電流和/或電壓測量而被計算。
文檔編號G01R27/08GK101750587SQ200910258139
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者大衛(wèi)·加梅斯, 安東尼·費(fèi)雷, 斯坦尼斯拉夫·琳科爾 申請人:李爾公司