专利名称：用于确定电池的充电状态的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池系统。
背景技术：
对于电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)应用来说，准确估计电池的充电状态(SOC)是至关重要的。对于EV应用，SOC确定了乘客的行程范围。对于HEV应用，电池的功率限制通常为SOC的功能，因此SOC的准确估计对于安全和有效的电池组操作(batterypack operation)是必要的。现有的确定SOC的技术通常使用电池开路电压(OCV)来估计S0C,使用将OCV与SOC相关联的预定值的表格。诸如电池温度和电池寿命的其它因素也可以包括在SOC的确定中
发明内容
本发明的一个实施方式提供了ー种确定电池的充电状态的方法，所述方法包括检测电池处于休眠状态；响应于检测到电池处于所述休眠状态从电池中提取预处理电流以影响电池的充电状态和电池的开路电压之间的相关性；在提取预处理电流之后测量电池的开路电压；以及基于电池的开路电压确定电池的充电状态。本发明的另ー个实施方式提供了一种用于管理关于电池的操作的电池管理装置，所述电池管理装置包括状态逻辑电路，检测电池是否处于休眠状态；预处理逻辑电路，响应于检测到电池处于休眠状态从电池中提取预处理电流以影响电池的充电状态和电池的开路电压之间的相关性；电压测量逻辑电路，在提取预处理电流之后测量电池的开路电压；以及充电状态确定逻辑电路，基于电池的开路电压确定电池的充电状态。本发明的再一个实施方式提供了一种用于管理关于电池的操作的电池管理装置，所述电池管理装置包括用于检测电池处于休眠状态的装置；用于响应于检测到电池处于休眠状态从电池中提取预处理电流以影响电池的充电状态和电池的开路电压之间的相关性的装置；用于在提取预处理电流之后测量电池的开路电压的装置；以及用于基于电池的开路电压确定电池的充电状态的装置。


在相似的參考标号表示相似的元件的附图中，通过实例示出了本发明，但并不限于此，其中图I示出了表示在电池充电后的0CV/S0C关系和电池放电后的0CV/S0C关系之间的滞后效应的示意图；图2示出确定电池块的SOC的操作的示意性步骤；图3示出表示作为本文描述的多个实施方式的结果的减小的SOC估计误差的示意图；图4示出用于确定电池块的SOC的电池管理系统的ー个实施方式；
图5示出具有用于放电的电路的电池组的一个实施方式；图6示出具有用于放电的电路的电池组的可选实施方式；以及图7示出用于确定电池块的SOC的操作步骤的示例性可选实施方式。
具体实施例方式在本文公开的多个实施方式中，用于确定电池的充电状态(SOC)的方法和装置被描述为通过对电池部分地放电作为SOC确定的一部分来使用电路对电池进行预处理，从而提供了包括但不限于以下的优点a)确定SOC的提高的精确度，b)用来执行确定的減少的处理和功率需求，c)建立允许从电池开路 电压(OCV)确定SOC的电池的计算模型所需的减少的时间、数据收集和处理，以及d)可以表征SOC值的精度可接受的水平的扩展的SOC值范围。尽管通常结合载客车辆、更具体地电动车辆(EV)或混合电动车辆(HEV)(其中，电池经受SOC确定为车辆动力源的主要或偶然来源)进行了描述，但本文所描述的实施方式实际上可以应用于任何电池供电系统(battery-power system)或装置。用于确定SOC的现有技术通常使用开路电压(OCV)来估计S0C，使用将OCV与SOC相关联的预定值的表格。典型地，在电池已从任何外部负载去耦(没有从电池提取有效的电荷)一段时间之后测量0CV。该电压有时也被称为释放电压(relaxed voltage)。以这种方式确定SOC的问题在于某些电池的化学特性可能表现出很大的滞后，其中，电池的先前状态(充电或放电)对处于给定SOC的OCV具有大的影响(下文称为滞后效应或充电/放电依赖OCV滞后)。图I示出了该滞后效应的实例。在该实例中，对应于在电池预先已充电之后测量的OCV的SOC (充电状态相关性(如上方虚线曲线所示))，小于对应于在电池预先已放电之后测量的OCV的SOC(放电状态相关性(如下方实线曲线所示))。因此，如果确定SOC而没有补偿该滞后，所确定的值可能是不正确的并且偏差很大，特别是，如果OCV的值对应于具有平缓斜率的0CV/S0C曲线的中心部分，如对应于OCV电压等于V的虚线所示。同样，OCV/SOC曲线的中心部分的平坦性使得对于对应于该中心部分的OCV的SOC估计误差与对于对应于曲线的其他部分(斜率更陡)的OCV值的SOC估计误差相比更大。因此，为了确保足够的精确度，可以确定的是，当根据曲线的具有平缓斜率的部分进行确定时，SOC估计误差太大而使得SOC的估计值不能使用。因此，如果OCV的值对应于0CV/S0C曲线的平缓部分，则并不尝试进行SOC估计。在一个实施方式中，通过电池管理系统来保持和/或估计数学或经验模型以补偿上述滞后效应。例如，电池管理系统可跟踪或确定最近的电池充电/放电历史并将表示该历史的数据输入至数学/经验模型中以确定S0C，有效地，根据充电/放电历史从两个以上SOC-OCV相关表格中进行选择(或在封闭的数学表达式中将历史数据用作系数或变量)。然而，由于在车辆驱动时间中电池系统可以在电池充电和放电操作之间转换(例如，在提供动カ的过程中放电,在HEV或EV的再生制动的过程中充电，以及在HEV的驱动时间内从内燃机动カ的交流发电机或发电机充电)，所以跟踪电池的充电/放电状态并不像检测车库时间(garage-time)电池再充电一祥简单。因此，需要大量的时间、数据收集和处理来跟踪和模拟电池充电/放电状态，并且由此产生的相关性会局限于ー组有限的电池化学特性。此外，当在包含所述电池的操作系统(诸如EV或HEV)中执行时，模型的复杂性可能需要大量的计算(关于处理所需的相应的动力和/或时间)。图2示出了提高电池的SOC确定的一系列操作的一个实施方式。开始于210，确定电池是否处于开始SOC确定的适当的状态。这包括但不限干，确定电池是否耦接至外部负载并且没有从电池提取有效电荷，因此电池已达到或趋向于松弛状态(a state ofrelaxation)。此时,基于最近的电池充电/放电历史，如上所述，可以保持不同的SOC-OCV关系(或相关性)。然而，除根据充电/放电历史试图近似SOC-OCV关系之外，执行放电操作以对电池进行预处理，有效地，操作电池的状态以实现SOC和OCV之间的相关性(其较少地依赖于电池最近是否已接收电荷或提供电荷(即，充电或放电))，从而减小可能由充电/放电OCV滞后引起的SOC估计误差。在220处示出了“预处理放电”，其中，电池被部分地放电。之后，在230处，通过测量OCV并根据SOC和OCV之间的预处理放电状态相关性查找(和/或计算)充电状态来确定电池的充电状态。图3示出了用于通过和不通过图2的220处示出的预处理放电操作对电池进行充电和放电的示例性0CV/S0C曲线。充电之后伴随有预处理放电的电池的0CV/S0C曲线(曲 线330)现在比没有进行预处理放电(即，由曲线310和320所示)的更靠近放电之后伴随有预处理放电的同一电池的0CV/S0C曲线(曲线340)。因此，通过预处理放电降低了滞后引起的OCV不确定性，从而基本上降低了由基于OCV的SOC确定(S卩，图2的操作230)引起的误差，特别是在所示的OCV电压点(V)处。与不进行预处理放电的OCV和SOC之间的相关性相比，现在容易精确地模拟OCV和SOC之间的相关性。预处理放电的另ー个优点在于减小了图I中的0CV/S0C曲线的平坦中心部分的尺寸(即，曲线的中心部分更陡峭)。这允许对较大范围的OCV值以可接受的精确度根据OCV进行SOC估计。图4描述了可用于实施图2所示的操作的电池管理系统420的一个实施方式。电池管理系统420包括电池管理电路430、存储器440和电池组450。电池管理电路430包括放电控制器431，该放电控制器能够进行图2所示的(以及下文图7所描述的)操作以对电 池组进行部分地放电。电池管理电路经由互连线(interconnect) 460与电池组耦接，该互连线用于将多个控制和数据信号发送至电池组并且从电池组接收多个控制和数据信号。电池管理电路还耦接至存储器440，该存储器用于存储信息，包括但不限干与执行图2和图7中的操作步骤相关的软件代码和数据。用户接ロ 410耦接至电池管理系统内的电池管理电路。所述用户接ロ用于将信息呈现给系统的操作者和从系统的操作者收集信息，所呈现的信息包括但不限于，电池组S0C、电池组充电或放电状态、电池组温度和EV范围。电池组经由正负端子451和452耦接到外部负载480 (例如，EV的电动机)和电源490 (例如，驱动时间充电电源，诸如在EV或HEV制动过程中传送充电功率的可再生制动系统，或在HEV中的电动交流发电机或发电机)。电池管理系统可包括除所示功能块之外或在所示功能块中的多个其它功能块，包括编程和调试接ロ、维护和系统级数据收集。电池管理系统、电池管理电路和/或放电控制器还可包括各种功能逻辑模块，诸如用于确定电池是否处于休眠状态的状态逻辑电路，从电池提取预处理电流(例如，响应于检测到电池处于休眠状态)的预处理逻辑电路，測量OCV的电压测量逻辑电路，基于OCV确定电池的充电状态的充电状态确定逻辑电路，平衡多个电池块上的电荷水平的电荷平衡逻辑模块。这些逻辑模块中的任一个或全部可以通过ー个以上可编程处理器(包括专用处理器、微控制器、通用处理器等)来 实现，这些可编程处理器执行指令的可编程步骤以执行由逻辑模块执行的各种功能。
图5示出了电池组450的一个实施方式，其中，由放电控制器(例如，图4的元件431)控制的电路在确定SOC之前使包含在电池组中的电池块510放电。每个电池块510包括ー个以上电池单元(battery cell) 540，并且分别具有电压和电流测量装置550和560。应注意的是，电池组的其它实施方式可以具有更多或更少的具有不同于所示的电气连接的电压和电流测量装置。例如，一个实施方式可以仅具有一个耦接在正端子(451)和负端子(452)之间的电压测量装置。另ー个实施方式可以仅具有一个与电池组中的所有电池块510在正端子或负端子串联耦接的电流测量装置。所有电压和电流测量装置经由互连线460耦接至电池管理电路，尽管可选地可以使用単独的互连线。在所示的实施方式中，各个开关元件520 (例如，晶体管、中继器或任何其它信号控制开关机构)和平衡电阻器530串联耦接在每个电池块的端子之间。通过这种结构，每个平衡电阻器530可以通过响应于经由互连线460从放电控制器431发送的命令或信号闭 合相应的开关元件520而电气耦接至各个电池块510(即，从而将平衡电阻器“可切换地耦接至”电池块)。在开关元件520闭合之后，相应的电池块510将开始至少部分地通过平衡电阻器530的电阻以确定的速率放电。电カ负载(electrical load) 580和开关元件570串联耦接在电池组的正负端子之间。在开关元件570响应于经由互连线460从放电控制器431发送的命令而闭合之后，电池组中的所有电池块将至少部分地通过电カ负载的电阻以确定的速率放电。也可以使用所述实施方式中的平衡电阻器来平衡每个电池块中的S0C，使得在一段时间之后所有电池块都具有相似的SOC以提高各种电池特性，包括但不限于，最大的电池充电能力和电池寿命。如果以加热元件的形式，则电カ负载也可以用来调节电池组的温度从而使得电池组处于其可以更有效地操作的温度。平衡电阻和电カ负载因此可以具有多种功能。为了进ー步阐明，通过选择性地将平衡电阻器仅可切换地耦接至SOC水平大于所有电池块的最小值的电池块，可以实现电池块平衡功能。具有高SOC水平的电池块将通过平衡电阻器开始放电，与将不会放电(这是因为平衡电阻器将不会耦接至各个电池块)的处于最小SOC水平的电池块形成对比。可选地，用于所有电池块的平衡电阻器可以可切换地耦接至各个电池块以引起所有电池块同时放电(不考虑现有SOC水平)。在这种情况下，还可以通过将电力负载可切换地耦接至电池块端子来提高所有电池块的放电率。该负载将与平衡电阻器并联，因此将减小电阻并相应地提高放电率。这至少是可以实现预处理放电功能的ー种方式。图6示出了电池组450的另ー个实施方式，其中，由放电控制器43 I控制的电路在确定SOC之前使包含在电池组中的电池块510放电。在该实施方式中，图5中的固定电阻平衡电阻器530由放电电阻器61 O代替，所述放电电阻器的电阻至少部分地基于经由互连线460从放电控制器发送的命令而变化。与图5所示的实施方式相比，进行预处理放电时的特定放电率可以通过放电控制器响应于以下因素而变化，所述因素包括但不限干电池寿命、电池温度、电池电压和电池SOC水平变化。应注意的是，电池管理系统的其它实施方式可具有物理地设置在多个位置并且不必在电池组内的电阻元件(平衡电阻器530、放电电阻器610和电カ负载580)。例如但不限于，放电电阻可物理地设置在电池组的外部和/或暴露于冷却气流以防止由放电产生的任何热量对电池组进行加热并影响电池组的操作。图7示出了在放电控制器中执行以在确定SOC之前对包含在电池组中的电池块510进行预处理放电的示例性操作步骤。该步骤在705开始，其中，测量电池块已处干“休眠状态”(表明，排除了由于在715将预处理负载耦接到电池块而提取的电荷，没有电荷或可以忽略的电荷从电池块中提取)的时间周期，即“休眠状态周期”。其它实施方式可以使用其它技术来确定电池块是否处于休眠状态。例如，如果包含电池的系统在“停靠站”是“停靠的”(例如，将手机放置在充电站或将EV或HEV停放在特定/预定停车位置)，停靠开关(docking switch)会关闭以表明系统目前处于休眠状态并因此准备开始预处理放电。如果电池块已处于休眠状态的时间周期小于预定阈值，tMst，则执行循环操作直至休眠状态周期达到阈值(例如，在循环回到705之前在710处等待)。休眠状态周期的阈值t_t可以是在电池组的操作之前计算(例如，作为电池组设计的一部分或根据安装了电池组的车辆)的静态值，或可以在电池组的操作过程中动态地计算。在任何情况下，在休眠状态周期达到trest阈值之后(即，在705处为肯定)，在715处将预处理负载耦接至电池块，电池块开始放电。该预处理负载的具体电阻可以与电池组中的每个电池块相同或不同。预处理负载也可以随着时间变化并且具有各种操作条件，包括但不限于，温度、电池放电周数、电池使用统计和电池块电压。某些实施方式可以使用设置在电池块外部的电カ负载用于对负载进行预处理，包括但并不限于，在EV或HEV中的电气和/或电子装置，诸如娱乐和导航系统、舱内加热器，或可以使用物理地设置在邻近外部电池充电系统的电カ负载，诸如夜间车库充电系统。步骤前进至720处，其中，测量电池块放电率以确保电池块仍处于休眠状态。可以使用耦接到电池块的电流测量装置或通过ー些用于检测电池放电的其它机构来进行该測量。如果电池块没有处于休眠状态(即，在720处为否定)，则SOC确定步骤中断并从705重新开始，循环直至达到休眠状态阈值。否则，在725，測量由于在715耦接了预处理负载而导致的电池块中的总的电荷的減少。如果电池块中总的电荷的減少等于或大于预定值Cy，则出现了充足的总电荷減少以降低滞后效应(因而降低了 OCV-SOC确定误差)，步骤前进至操作735，其中，将在操作715中耦接的预处理负载从电池块去耦。如果总电荷減少小于Cy，则执行循环操作直至总电荷减少达到阈值(例如，在循环回到720之前在730处等待)。总电荷减少阈值Cy可以是在电池组的操作之前计算出的静态值，或可以在电池组的操作过程中动态地计算。在操作735之后，在740处，再次測量电池组放电率以确保电池块处于休眠状态。如果电池块没有处于休眠状态(即，在740处为否定)，则SOC确定步骤中断并在705处重新开始，循环直至达到休眠状态阈值。步骤进行至745处，其中，測量在735处对预处理负载去耦之后电池块处于休眠状态的时间周期，“释放”周期。如果释放周期小于预定阈值，tMlax，则执行循环操作直至释放周期达到阈值(例如，在循环回到740之前在750处等待)。释放周期阈值，tMlax可以是在电池组的操作之前计算出的静态值，或可以在电池组的操作过程中动态地计算。此外，一些实施方式可以使用为零的ん-值(即，745的结果通常是肯定的)。在操作755中，使用电压测量装置測量电池块电压。该电压为在对电池块进行预处理之后的0CV。在下ー个操作760中，使用涉及OCV-SOC的计算模型将在755中测量的电压转换为SOC值。该模型可以是ー个以上具有相应的SOC值的OCV值的表格，或可以由结合了来自电池管理系统的多个參数的数学公式组成，或是ー个以上表格和ー个以上公式的组合。在上述描述和附图中，使用了特定的术语和附图标记以提供对本发明的全面理解。在一些情况中，术语和附图标记可以表示实践本发明所不必须的特定细节。例如，本文使用术语“耦接”来表示直接连接以及通过ー个以上中间电路或结构的连接。装置或系统、“编程”例如可包括但并不限于，将控制值加载至寄存器，一次性可编程电路(例如，在装置生产过程中在结构电路中的熔断保险丝)或在主机系统(或主机装置)的集成电路装置中的其它存储电路，从而控制主机系统的操作方案或建立主机系统结构。术语“示例性”和“实施方式”用于表示实例，并不是优选或必须的。作为单个导体出现的信号路径可包括多个导体，反之亦然，并且，表示为包括在其它元件内或形成为其它元件的一部分的元件可替代地与这种其它元件分开布置。关于流程图等，操作的顺序可以与所示的不同，可以省略实际的描述的操作和/或添加进ー步的操作。
尽管已參考具体实施方式
对本发明进行了描述，但显而易见的是，可以对本发明作出各种变形和修改而不会脱离宽的精神和范围。例如，至少在实际应用中，任何实施方式的特征和方面可以与其它实施方式的特征和方面结合应用或代替其对应的特征或方面。因此，说明书和附图应视为示例性的而非限制性的。
权利要求
1.一种确定电池的充电状态的方法，所述方法包括 检测所述电池处于休眠状态； 响应于检测到所述电池处于所述休眠状态从所述电池中提取预处理电流以影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性； 在提取所述预处理电流之后测量所述电池的所述开路电压；以及 基于所述电池的所述开路电压确定所述电池的充电状态。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，检测所述电池处于休眠状态包括检测流经所述电池的电流在预定阈值以下。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，检测流经所述电池的电流在预定阈值以下包括测量流经所述电池的电流，并将测量的电流与存储在可编程寄存器中的阈值电流值进行比 较。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，检测所述电池处于休眠状态包括检测停靠开关的激活，所述停靠开关的激活表示包含所述电池的系统已经停靠在预定位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，包含所述电池的所述系统包括载客车辆，在所述载客车辆中，推进动力至少有时由所述电池供给。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，从所述电池提取预处理电流包括同时从所述电池的每个电池块提取电流。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，同时从所述电池的每个电池块提取电流包括将电力负载可切换地耦接在所述电池的正负输出端之间以提取所述预处理电流的至少一部分。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，所述电池包括多个电池块，进一步包括同时从所述电池的每个电池块提取电流的所述方法包括将相应的电力负载可切换地耦接在所述电池的每个电池块的两端。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括确定所述电池块中的第一个两端的第一电压高于所述电池块中的第二个两端的第二电压，并且将相应的电力负载可切换地耦接在所述电池块中的第一个的两端并使相应的电力负载从所述电池块中的另一个去耦以减小所述第一电压和所述第二电压之差。
10.根据权利要求I所述的方法，其中，从所述电池中提取预处理电流以影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性包括，提取足够减小充电状态相关性和放电状态相关性之间的差异的电流量，所述充电状态相关性为充电状态和所述电池充电之后的开路电压之间的相关性，而所述放电状态相关性是充电状态和所述电池放电之后的开路电压之间的相关性。
11.根据权利要求I所述的方法，其中，所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性表现出对所述电池最近是否已接收电荷或提供电荷的依赖性，并且其中，从所述电池中提取预处理电流以影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性包括降低所述依赖性。
12.根据权利要求I所述的方法，其中，基于所述电池的开路电压确定所述充电状态包括基于所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性来确定所述充电状态。
13.一种用于管理关于电池的操作的电池管理装置，所述电池管理装置包括状态逻辑电路，检测所述电池是否处于休眠状态； 预处理逻辑电路，响应于检测到所述电池处于休眠状态从所述电池中提取预处理电流以影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性； 电压测量逻辑电路，在提取所述预处理电流之后测量所述电池的开路电压；以及 充电状态确定逻辑电路，基于所述电池的开路电压确定所述电池的充电状态。
14.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述状态逻辑电路、所述预处理逻辑电路、所述电压测量逻辑电路和所述充电状态确定逻辑电路中的一种以上至少部分地由可编程处理器实现。
15.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述状态逻辑电路包括检测流经所述电池的电流是否在预定阈值以下的电路。
16.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述状态逻辑电路包括检测停靠开关的激活的电路，所述停靠开关的激活表示包含所述电池的系统已经停靠在预定位置。
17.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述预处理逻辑电路包括同时从所述电池的每个电池块提取电流的电路。
18.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述预处理逻辑电路包括将电力负载可切换地耦接在所述电池的正负输出端之间以提取所述预处理电流的至少一部分的电路。
19.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述电池包括多个电池块，并且其中所述预处理逻辑电路包括将相应的电力负载可切换地耦接在所述电池的每个电池块的两端的电路。
20.根据权利要求19所述的电池管理装置，进一步包括电荷平衡逻辑电路，确定所述电池块中的第一个两端的第一电压是否高于所述电池块中的第二个两端的第二电压，并且将相应的电力负载可切换地耦接在所述电池块中的所述第一个的两端而使相应的电力负载从所述电池块中的另一个去耦以减小所述第一电压和所述第二电压之差。
21.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性的预处理逻辑包括提取足够减小充电状态相关性和放电状态相关性之间的差异的电流量的电路，所述充电状态相关性为充电状态和所述电池充电之后的开路电压之间的相关性，而所述放电状态相关性为充电状态和所述电池放电之后的开路电压之间的相关性。
22.根据权利要求13所述的电池管理装置，其中，所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性表现出对所述电池最近是否已接收电荷或提供电荷的依赖性，并且其中影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性的预处理逻辑包括从所述电池中提取充足的电流以减小所述依赖性的电路。
23.一种用于管理关于电池的操作的电池管理装置，所述电池管理装置包括 用于检测所述电池处于休眠状态的装置； 用于响应于检测到所述电池处于休眠状态从所述电池中提取预处理电流以影响所述电池的充电状态和所述电池的开路电压之间的相关性的装置； 用于在提取所述预处理电流之后测量所述电池的开路电压的装置；以及 用于基于所述电池的开路电压确定所述电池的充电状态的装置。
全文摘要
本公开涉及用于确定电池的充电状态的方法和装置。相应于检测到电池处于休眠状态，从电池中提取预处理电流以影响电池的充电状态和电池的开路电压之间的相关性。之后，测量电池的开路电压，并将其用于确定充电状态。
文档编号G01R31/36GK102736031SQ20121009405
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月31日 优先权日2011年4月1日
发明者刘士仰, 史蒂文·戴蒙德, 温世铭 申请人:美商源捷有限公司