基于電池單元使用歷史和溫度來確定電池單元的電壓張弛時間的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及電池，且更具體地，涉及用于確定電動車輛中的車輛電池中的電 池單元的張弛時間（relaxation time)的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 術(shù)語"電動車輛"包括具有用于車輛推進(jìn)的電動馬達(dá)的車輛，例如電池電動車輛 (BEV)、混合動力電動車輛（HEV)及插電式混合動力電動車輛（PHEV)。BEV包括電動馬達(dá)， 其中用于該馬達(dá)的能量來源是可從外部電源（例如電網(wǎng)）再次充電的電池。在BEV中，電 池是用于車輛推進(jìn)的能量的來源。HEV包括內(nèi)燃機(jī)和電動馬達(dá)。用于HEV發(fā)動機(jī)的能量來 源是燃料，且用于馬達(dá)的能量來源是電池。在HEV中，發(fā)動機(jī)為用于車輛推進(jìn)的主要能量來 源，而電池提供了用于車輛推進(jìn)的補(bǔ)充能量。HEV電池緩沖燃料能量使用且存儲例如從再 生制動回收的動能。PHEV類似HEV，但PHEV具有更大容量的電池，該電池可從外部電網(wǎng)再 次充電。在PHEV中，電池是用于車輛推進(jìn)的主要能量來源，直至電池消耗至低能量水平，此 時PHEV如同HEV那樣操作進(jìn)行車輛推進(jìn)。電動車輛使用包括電池荷電狀態(tài)（SOC)的許多 測量和估測監(jiān)控電池的狀態(tài)。為了包括恰當(dāng)?shù)墓β使芾砗拖蝰{駛員報告可靠的剩余駕駛距 離的多個目的，電動車輛中需要SOC的精確估測。
[0003] 公告于2014年4月22日的美國專利8,706,333和公開于2014年2月27日的 美國專利申請公開號2014/0058595的專利申請描述了用于確定電池荷電狀態(tài)的方法和系 統(tǒng)，且在此將其通過引用并入本文中。
[0004] 鋰離子電池開路電壓（OCV)是電池 SOC的良好指標(biāo)。只要能夠獲得高品質(zhì)的0CV， 即能夠估測SOC。當(dāng)使用電池端子電壓作為電池 OCV用于準(zhǔn)確的SOC估測時，電池內(nèi)部擴(kuò)散 過程必須完成或接近完成。如果電池端子電壓自上次電池使用已張弛了充分的時間段，則 電池端子電壓提供了用于準(zhǔn)確的SOC估測的基礎(chǔ)。與此不同，例如，如果在放電之后立即測 量電池端子電壓，則實際上低估了 S0C。類似地，當(dāng)在充電之后立即測量電池端子電壓時，則 尚估了 S0C。
[0005] 在動力開啟（即開始新的驅(qū)動循環(huán)）時，如果電池電壓還沒有經(jīng)歷充分的時間以 張弛，則基于未張弛的OCV的SOC估測是不準(zhǔn)確的，且與在上次驅(qū)動段期間所獲得的最近期 的SOC估測實質(zhì)上不同。為了避免產(chǎn)生不準(zhǔn)確的SOC估測，目前的方法利用在動力關(guān)閉之 后允許動力開啟時的SOC-OCV調(diào)整之前的固定的等待時間。但是，使用固定等待時間存在 缺陷。例如，電池電壓可能需要較少的時間來張弛，且如果在距上次驅(qū)動時段的預(yù)先設(shè)定的 時間經(jīng)過之前開動車輛，則電池控制器將失去準(zhǔn)確更新SOC值的機(jī)會。作為另一個實例，對 于電壓張弛來說預(yù)先設(shè)定的時間段可能不充分，特別是在低溫和重度電池使用的條件下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了用于估測電池單元電壓張弛時間的方法，利用溫度和電池單元使用 歷史來實現(xiàn)提高的準(zhǔn)確性。
[0007] 在本發(fā)明的一個方面，估測電動車輛中的電池單元張弛時間的方法包含：測量電 池溫度；在第一時間測量電池的第一電壓；在第二時間測量電池的第二電壓；基于第一電 壓測量和第二電壓測量之間的電池電流測量計算電流RMS值；記錄電流RMS值；及基于電 流RMS值和溫度確定最小張弛時間。
[0008] 在本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，具有電池控制器的電動車輛包含用于SOC-OCV調(diào)整的 系統(tǒng)，其中，如基于使用歷史和溫度所計算的張弛時間所確定的，如果電池張弛是充足的， 在動力開啟時執(zhí)行SOC-OCV的性能調(diào)整。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明提供一種電池能量控制模塊（BECM)，其包含：
[0010] 基于均方根（RMS)電流和溫度的電池張弛時間的張弛時間查找表（LUT)，其中所 述LUT提供了對應(yīng)于RMS電流和溫度的一組張弛時間值，
[0011] 其中根據(jù)基于開路電壓的荷電狀態(tài)估測，所述BECM監(jiān)控動力開啟和動力關(guān)閉事 件，并估測電池容量，BECM進(jìn)一步配置為，如果經(jīng)過時間超過在張弛時間LUT中所提供的用 于所測量的RMS和溫度的張弛時間，則在動力開啟時基于所估測的電池容量產(chǎn)生輸出。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中對于實際RMS電流和溫度值介于張弛時間LUT中 的RMS電流和溫度值中間的情況，將高端值用作張弛時間。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，對于實際RMS電流和溫度值介于張弛時間LUT中 的RMS電流和溫度值中間的情況，使用線性插值來估測張弛時間。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，對于實際RMS電流和溫度值介于張弛時間LUT中 的RMS電流和溫度值中間的情況，使用非線性插值來估測張弛時間。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還包含：
[0016] 非易失性存儲器，其中所述存儲器存儲選自以下的至少一個值：所測量的電池溫 度、所測量的電池端子電壓、電流RMS值、及在動力關(guān)閉時估測的電池單元電池張弛時間； 及
[0017] 溫度、S0C、及電池單元電壓的SOC-OCV LUT。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明提供一種產(chǎn)生電池張弛時間查找表（LUT)的方法，包括：
[0019] a)冷放電池至目標(biāo)溫度；
[0020] b)對電池施加充電/放電電流；及
[0021] c)當(dāng)電池張弛至穩(wěn)定狀態(tài)值的預(yù)先確定的量內(nèi)時，向LUT記錄特定溫度和電流的 張弛時間。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中所述預(yù)先確定的量為3mV。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，包括重復(fù)用于額外的目標(biāo)溫度和電流的步驟a-c的步 驟。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一種電池能量控制模塊（BECM)，其包含：
[0025] 作為均方根（RMS)電流和溫度的函數(shù)的電池張弛時間模型，其中電池張弛時間模 型提供了對應(yīng)于RMS電流和溫度的張弛時間值，及
[0026] 其中所述BECM監(jiān)控動力開啟和動力關(guān)閉事件，并根據(jù)基于開路電壓的荷電狀態(tài) 的估測而估測電池容量，將所述BECM進(jìn)一步設(shè)置為，如果經(jīng)過時間超過在張弛時間LUT中 所提供的用于所測量的RMS和溫度的張弛時間，則在動力開啟時基于所估測的電池容量產(chǎn) 生輸出。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以描述張弛時間和RMS電流及溫度 值之間的關(guān)系，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由RMS電流和溫度值確定了張弛時間。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還包括：
[0029] 非易失性存儲器，其中所述存儲器存儲選自以下的至少一個值：所測量的電池溫 度、所測量的電池端子電壓、電流RMS值、及在動力關(guān)閉時估測的電池單元張弛時間；及
[0030] 溫度、SOC及電池單元電壓的SOC-OCV LUT ;及
[0031] 溫度、RMS電流和張弛時間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于通過溫度和使用為電池張弛時間的基于學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的模 型產(chǎn)生數(shù)據(jù)的方法，包含
[0033] a)將電池冷放至目標(biāo)溫度；
[0034] b)對電池施加充電/放電電流；
[0035] c)測量張弛時間，其中所述電池張弛至其穩(wěn)定值的3mV內(nèi)；
[0036] d)記錄用于特定溫度和電流的張弛時間；及
[0037] e)對于額外的目標(biāo)溫度和電流重復(fù)步驟a-c。
【附圖說明】
[0038] 圖1為在穩(wěn)定的溫度下鋰離子電池 SOC-OCV曲線的實例；
[0039] 圖2為顯示在0°C時測試的驅(qū)動循環(huán)組的圖表，顯示了電流隨時間的變化；
[0040] 圖3為顯示在0°C時測試的驅(qū)動循環(huán)組的圖表，顯示了電池單元電壓隨時間的變 化；
[0041] 圖4為顯示在-15°C時測試的驅(qū)動循環(huán)組的圖表，顯示了電流隨時間的變化；
[0042] 圖5為顯示在-15°C時測試的驅(qū)動循環(huán)組的圖表，顯示了電池單元電壓隨時間的 變化；
[0043] 圖6為顯示在-15°C時驅(qū)動循環(huán)組測試期間的電流曲線的圖表；
[0044] 圖7為顯示在0°C時驅(qū)動循環(huán)組測試期間的電流曲線的圖表；
[0045] 圖8為顯示在-15°C時驅(qū)動循環(huán)組測試期間的電池單元電壓的圖表；
[0046] 圖9為顯示在0°C時驅(qū)動循環(huán)組測試期間的電池單元電壓的圖表；
[0047] 圖10為在SOC確定中執(zhí)行本發(fā)明的方法的流程圖；
[0048] 圖11為采用本發(fā)明的實施例的電動車輛系統(tǒng)的圖表。
【具體實施方式】
[0049] 圖1顯示了在穩(wěn)定的溫度下的鋰離子電池 SOC-OCV曲線的實例。由于在OCV和 SOC之間的一對一映射，因此如果能夠獲得高品質(zhì)0CV，則能夠估測S0C。在電池能量控制模 塊（BECM)中，可將電池單元SOC-OCV曲線作為溫度、SOC和電池單元電壓的查找圖表（LUT) 來存儲。例如，在典型的PHEV電池 SOC操作范圍（例如PHEV100% SOC至10% S0C)內(nèi)，約 3mV電池單元電壓對應(yīng)于1% S0C。用于充分的電池單元電壓張弛的優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)電池單 元電壓張弛至其穩(wěn)定狀態(tài)值的3mV以內(nèi)時。在一些實施例中，當(dāng)電池單元電壓張弛至其穩(wěn) 定狀態(tài)值的〇_3mV內(nèi)時、其穩(wěn)定狀態(tài)值的0-5mV內(nèi)時、或其穩(wěn)定狀態(tài)值的O-IOmV內(nèi)時，可獲 得有效的OCV測量。
[0050] 為了表征影響張弛時間的因子，在多種溫度和使用條件下測試電池單元。圖2和 圖3顯示了分別在0°C和-15°C時測試的PHEV US06驅(qū)動循環(huán)組的組電流和一個電池單元電 壓。在該曲線圖中，短語"具有終端脈沖的組電流"表明存在電池的重使用（heavy usage)， 例如在斷開電池接觸器之前的大的放電或充電組電流。
[0051] 在相同的溫度下采用和不采用電池的重終端使用進(jìn)行測試，比較電池單元電壓測 量。動力關(guān)閉緊前的重電池使用導(dǎo)致需要更長的時間段用于電池單元電壓張弛。
[0052] 例如，由圖2和圖3所顯示的在0°C時的測試數(shù)據(jù)，電池單元電壓的穩(wěn)定狀態(tài)值在 重電池終端使用（heavy battery end usage)時為約3. 251V，且在非重電池終端使用時為 3. 593V。從斷開接觸器開始，花費約2477秒或超過40分鐘用于電池單元電壓在重電池終 端使用情況下張弛至3. 248V。與此不同，僅需電池單元約388秒，或剛剛超過6分鐘，用于 電池單元電壓在不存在重電池終端使用時張弛至3. 590V。
[0053] 類似地，由圖4和圖5所顯示的在-15°C時的測試數(shù)據(jù)，電池單元電壓的穩(wěn)定狀態(tài) 值在重電池終端使用時為約3. 474V，且在非重電池終端使用時為3. 610V。自斷開接觸器開 始，花費約1761秒或近30分鐘，用于在重電池終端使用下電池單元電壓張弛至3. 471V。而 在無