用于電池參數(shù)確定的擾動注入的電池系統(tǒng)、車輛和方法
【技術領域】
[0001] 本公開涉及用于估計形成電池模型的元件的參數(shù)并向相關聯(lián)電池提供控制的技 術。
【背景技術】
[0002] 混合動力電動車輛（HEV)利用內燃機和電機的組合來提供推進車輛所需的動力。 這種布置相對于僅有內燃機的車輛能提供提高的燃料經(jīng)濟性。在HEV中提高燃料經(jīng)濟性的 一個方法包括在發(fā)動機低效運轉以及不另外需要發(fā)動機來推進車輛的時段關閉發(fā)動機。在 這些情況下，與電池系統(tǒng)結合的電機用于提供推進車輛所需的所有動力。當駕駛員動力需 求增加，使得電機不再能夠提供滿足需求的足夠動力時，或者在諸如當電池荷電狀態(tài)（SOC) 下降到特定水平以下時的其它情況下，應以對于駕駛員來說幾乎透明的方式快速且平穩(wěn)地 啟動發(fā)動機。

【發(fā)明內容】

[0003] 一種電池系統(tǒng)，包括：牽引電池和至少一個控制器，其中，當至電池的輸入電流近 似為零且電池的端電壓總體上恒定時，所述至少一個控制器將均具有離散頻率的多個電流 注入到電池。所述至少一個控制器還測量對注入的電流的電壓響應，以指示在離散頻率下 的電池的阻抗，基于所述阻抗輸出表示電池的等效電路模型的參數(shù)，并基于所述參數(shù)，控制 電池。
[0004] 一種車輛，包括：電池組，具有一個或更多個單元；至少一個控制器，被編程為：響 應于至所述一個或更多個單元的輸入電流近似為零且所述一個或更多個單元的端電壓總 體上恒定，將均具有離散頻率的多個電流注入到所述單元，測量對注入的電流的電壓響應， 所述對注入的電流的電壓響應指示在離散頻率下的所述一個或更多個單元的阻抗，基于所 述阻抗輸出表示所述一個或更多個單元的等效電路模型的參數(shù)，基于所述參數(shù)控制所述一 個或更多個單元。
[0005] 一種方法，包括：當至電池的輸入電流近似為零且端電壓總體上恒定時，將均具有 離散頻率的多個電流注入到電池；測量對注入的電流的電壓響應，對注入的電流的電壓響 應指示在離散頻率下的電池的阻抗；基于所述阻抗輸出表示電池的等效電路模型的參數(shù)； 基于所述參數(shù)控制電池。
[0006] 優(yōu)選地，預先確定所述頻率。
[0007] 優(yōu)選地，所述頻率基于電池的響應特性。
[0008] 優(yōu)選地，所述參數(shù)包括內部電阻或電容。
[0009] 優(yōu)選地，控制電池包括：對電池進行充電和放電。
【附圖說明】
[0010] 圖1是示出典型的動力傳動系和能量存儲組件的混合動力電動車輛的示意圖；
[0011] 圖2A是用于鋰離子電池的等效電路的示意圖；
[0012] 圖2B是表示計算的阻抗的頻率響應的奈奎斯特圖；
[0013] 圖3是用于確定一個或更多個電池模型參數(shù)的算法的流程圖；
[0014] 圖4是表示電壓輸出和輸入至電池組的電流的曲線圖；
[0015] 圖5是顯示測量的電池電流樣式和電壓樣式的曲線圖。
【具體實施方式】
[0016] 根據(jù)需要，在此公開本發(fā)明的具體實施例；然而，應當理解，所公開的實施例僅為 本發(fā)明的示例，其可以以多種替代形式實施。附圖無需按比例繪制；可夸大或縮小一些特征 以顯示特定組件的細節(jié)。因此，此處所公開的具體結構和功能細節(jié)不應被解釋為限制，而僅 為教導本領域技術人員以多種形式采用本發(fā)明的代表性基礎。
[0017] HEV電池系統(tǒng)可實現(xiàn)電池管理策略，其中，所述電池管理策略估計描述電池組組和 /或一個或更多個電池單元的當前工作條件的值。電池組和/或一個或更多個電池單元工 作條件包括電池荷電狀態(tài)、電力衰退、容量衰退和瞬時可用電力。電池管理策略可以能夠估 計電池單元年齡（cell age)相對于組的使用壽命的值。對一些參數(shù)的精確估計可提高性 能和穩(wěn)健性，并可最終延長電池組的有用壽命。針對這里描述的電池系統(tǒng)，可如下面論述的 那樣來實現(xiàn)一些電池組和/或電池單元參數(shù)的估計。
[0018] 圖1描繪典型的混合動力電動車輛。典型的混合動力電動車輛2可包括機械連接 到混合動力變速器6的一個或更多個電機4。此外，混合動力變速器6機械連接到發(fā)動機8。 混合動力變速器6還機械連接到驅動軸10,其中，驅動軸10機械連接到車輪12。在示圖中 未描繪的另一實施例中，混合動力變速器可以是可包括至少一個電機的非可選擇的齒輪變 速器。當發(fā)動機8開啟或關閉時，電機4可提供推進力和減速能力。電機4還用作發(fā)電機 并可通過回收在摩擦制動系統(tǒng)中通常會被作為熱量而損失的能量來提供燃料經(jīng)濟性效益。 由于在特定條件下混合動力電動車輛2可在電動模式下運轉，因此電機4還可提供減少的 污染物排放。
[0019] 電池組14可包括但不限于具有一個或更多個電池單元的牽引電池，所述一個或 更多個電池單元存儲可被電機4使用的能量。車輛電池組14通常提供高電壓DC輸出并電 連接到電力電子模塊16。電力電子模塊16可與組成車輛計算系統(tǒng)22的一個或更多個控制 模塊通信。車輛計算系統(tǒng)22可控制若干車輛特征、系統(tǒng)和/或子系統(tǒng)。所述一個或更多個 模塊16可包括但不限于電池管理系統(tǒng)。電力電子模塊16還電連接到電機4并提供在電池 組14和電機4之間雙向傳輸能量的能力。例如，典型的電池組14可提供DC電壓，而電機 4可需要三相AC電流來運轉。電力電子模塊16可將DC電壓轉換為電機4所需的三相AC 電流。在再生模式下，電力電子模塊16將來自用作發(fā)電機的電機4的三相AC電流轉換為 電池組14所需的DC電壓。
[0020] 除了提供用于推進的能量之外，電池組14可提供用于其它車輛電子系統(tǒng)的能量。 典型的系統(tǒng)可包括DC/DC轉換器模塊18,其中，DC/DC轉換器模塊18將電池組14的高電壓 DC輸出轉換為與其它車輛負載兼容的低電壓DC供電。其它高電壓負載可不使用DC/DC轉 換器模塊18而被直接連接。在典型的車輛中，低電壓系統(tǒng)電連接到12V電池20。
[0021 ] 電池組14可由電力電子模塊16控制，其中，電力電子模塊16可從具有一個或更 多個控制模塊的車輛計算系統(tǒng)22接收命令。所述一個或更多個控制模塊可包括但不限于 電池控制模塊。所述一個或更多個控制模塊可被校正為使用電池模型參數(shù)估計方法來控制 電池組14,其中，所述電池模型參數(shù)估計方法在用于確定電池供電能力的操作期間估計有 效電池內部電阻的平均值（average sense)。供電能力預測使電池組14能夠防止過充電和 過放電，過充電和過放電可導致電池壽命的減少、車輛動力傳動系的性能問題等。
[0022] 電池參數(shù)預測方法和/或策略可幫助確定代表性的電池電流限制和供電能力。許 多電池參數(shù)估計處理受電池操作期間的電池模型的保真度和不可預測的環(huán)境條件或不期 望的噪聲影響。例如，如果電池處于電量消耗模式下，則簡單的電池模型可能無法捕捉與電 池模型試圖測量的電壓輸出和電流輸入相關聯(lián)的復雜系統(tǒng)動力學。系統(tǒng)可使用簡化等效電 路模型來在頻域中實現(xiàn)選擇性注入信號處理技術以確定用于電池動力學預測的模型參數(shù)。 車輛電池測量方法/策略可在若干構造中使用利用一個或更多個電阻-電容器（R-C)電路 的等效電路模型來測量車輛中的電池組以獲得操作期間的電化學阻抗。
[0023] 圖2A是用于模擬鋰離子電池的簡化等效電路的示意圖。簡化等效電路模型200 包括但不限于蘭德爾斯電路模型（Randles Circuit Model)和/或至少一個R-C電路。蘭 德爾斯電路（和/或R-C電路）由有源電解質電阻&202與并聯(lián)的電容Q204和有源電荷 轉移電阻RjOe串聯(lián)組成。蘭德爾斯電路可在HEV電池管理系統(tǒng)中實現(xiàn)以提供對電池參數(shù) 的預測計算。
[0024] HEV電池管理系統(tǒng)可使用注入信號處理技術來實現(xiàn)蘭德爾斯電路模型以估計電池 參數(shù)。估計的電池參數(shù)可包括波動軌跡，所述波動軌跡可在車輛處于包括充電模式、保持模 式或消耗模式的特定系統(tǒng)模式下時增加。當使用蘭德爾斯電路來估計這些參數(shù)時，這些電 池參數(shù)趨向于對內部和外部噪聲以及環(huán)境條件敏感。
[0025] 電池管理系統(tǒng)和方法可在不增加系統(tǒng)復雜性的情況下基于蘭德爾斯電路模型來 提供電池系統(tǒng)的改善的模型參數(shù)確定和隨之而來的電池動力學預測穩(wěn)健性。等效電路模型 200可允許對預測的電池系統(tǒng)參數(shù)進行計算。蘭德爾斯電路模型由下面的等式表示：
【主權項】
1. 一種電池系統(tǒng)，包括： 牽引電池； 至少一個控制器，被編程為， 當至電池的輸入電流近似為零且電池的端電壓總體上恒定時，將均具有離散頻率的多 個電流注入到電池， 測量對所注入的電流的電壓響應，對所注入的電流的電壓響應指示在離散頻率下的電 池的阻抗， 基于所述阻抗輸出表示電池的等效電路模型的參數(shù)， 基于所述參數(shù)控制電池。
2. 如權利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中，預先確定所述頻率。
3. 如權利要求2所述的電池系統(tǒng)，其中，所述頻率基于電池的響應特性。
4. 如權利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)包括內部電阻或電容。
5. 如權利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中，控制電池包括：對電池進行充電和放電。
6. -種車輛，包括： 電池組，具有一個或更多個單元； 至少一個控制器，被編程為， 響應于至所述一個或更多個單元的輸入電流近似為零且所述一個或更多個單元的端 電壓總體上恒定，將均具有離散頻率的多個電流注入到所述一個或更多個單元， 測量對注入的電流的電壓響應，所述對注入的電流的電壓響應指示在離散頻率下的所 述一個或更多個單元的阻抗， 基于所述阻抗輸出表示所述一個或更多個單元的等效電路模型的參數(shù)， 基于所述參數(shù)控制所述一個或更多個單元。
7. 如權利要求6所述的車輛，其中，預先確定所述頻率。
8. 如權利要求7所述的車輛，其中，所述頻率基于電池的響應特性。
9. 如權利要求6所述的車輛，其中，所述參數(shù)包括內部電阻或電容。
10. 如權利要求6所述的車輛，其中，控制電池包括：對電池進行充電和放電。
【專利摘要】提供一種用于電池參數(shù)確定的擾動注入的電池系統(tǒng)、車輛和方法。一種電池系統(tǒng)，包括：牽引電池和實現(xiàn)牽引電池的模型的至少一個控制器。所述系統(tǒng)可監(jiān)視牽引電池的電流輸入和電壓輸出。當所述至少一個控制器檢測到輸入電流近似為零且對應端電壓總體上恒定時，所述至少一個控制器可將多個電流信號注入到電池。注入的電流信號中的每個電流信號具有離散頻率。所述至少一個控制器可測量對注入的電流的電壓響應，所述對注入的電流的電壓響應指示在離散頻率下的牽引電池的阻抗。所述控制器可基于所述阻抗輸出表示牽引電池的等效電路模型的參數(shù)，并基于所述參數(shù)，操作電池。
【IPC分類】H02J7-00, H01M10-48
【公開號】CN104779421
【申請?zhí)枴緾N201510017576
【發(fā)明人】李泰京
【申請人】福特全球技術公司
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年1月14日
【公告號】DE102015100283A1, US9067504, US20150197158