专利名称：电池充电状态估计方法与电池控制单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电池充电状态(SOC)估计装置与其方法。
背景技术：
由于环保意识抬头，电动车愈来愈受消费者的瞩目。广义来说，电动车包括油电混合车(HEV)、插电式油电混合车(PHEV)及全电动车(BEV)。以目前来说，油电混合车多使用镍氢电池，主因其安全性及可靠性较高，但镍氢电池有电容量、体积及记忆效应等缺点。 而锂离子电池的重量较轻，所储能量比却较高，其自我放电小，又没有记忆效应，充放电次数高。故车用镍氢电池未来有机会被锂离子电池取代。锂离子电池能量密度高，因此较不易确保电池的安全性。如果过度充电的话下，电池温度上升后，能量将过剩，于是电解液会分解而产生气体，导致内部气压上升而产生自燃或破裂的危险。因此电池充电状态(SOC，state of charge)的估计相当重要。目前已知的电池充电状态估计方法已有多种，但是，车用电池管理系统至少需要快速计算、高准确性、 技术复杂低。以目前来说，似乎尚无有效方式能满足电池管理系统需求。故而，需要有一种车用电池的电量估计方法与装置，其能符合车用电池管理系统的需求。

发明内容
本发明提供一种电池SOC估计方法与其管理系统，其整合模糊理论、改良式库伦检测法与开路电压法，来提高电池充电状态(State-of-Charge，S0C)与电池健康状态 (State-of-Health, S0H)的估计准确性，且其运算速度快、技术复杂度低、导入商品化泛用性高。根据本发明的一示范例，提出一种可充电电池的电池充电状态(SOC)估计方法， 应用于一电动车的一电池管理系统。该方法包括测量该可充电电池的一电池参数；判断该可充电电池的该电池参数是否稳定；如果该可充电电池的该电池参数未稳定，利用一模糊控制来估计该可充电电池的一电池开路电压，且以该模糊控制将预先建立的该可充电电池的一实验数据展开成一三维函数关系；以及计算出一时域动态方程式，并转换成一 SOC 关系式，将该SOC关系式代入该模糊控制，以估计一 SOC估计值，该时域动态方程式进行一时域动态监测。根据本发明的一示范例，提出一种电池控制单元，用以控制一可充电电池。该电池控制单元应用于一电动车的一电池管理系统。该电池控制单元包括一接口电路，用以接收该可充电电池的一电池电压与一电池温度；一电流测量电路，用以测量该可充电电池的一电池电流；以及一处理器，耦接至该接口电路，用以根据所接收的该可充电电池的该电池电压、该电池电流与该电池温度而估计该可充电电池的一 soc(电池充电状态)估计值，如果该处理器判断该可充电电池的该电池参数未稳定，则该处理器利用一模糊控制来估计该可充电电池的一电池开路电压，且以该模糊控制将预先建立的该可充电电池的一实验数据展开成一三维函数关系，以及该处理器计算出一时域动态方程式并转换成一 SOC关系式，该处理器将该SOC关系式代入该模糊控制以估计一 SOC估计值，该处理器利用该时域动态方程式进行一时域动态监测。为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下


图1显示电池管理系统的示意图。图2显示根据本发明实施例的电池控制单元的示意图。图3显示根据本发明实施例的处理器的软件架构图。图4显示根据本发明实施例的SOC估计流程。图5A显示于电池放电测试中，不同温度对电池电量的关系图。图5B显示于电池放电测试中，不同电流负载对电池电量的关系图。图6A显示于负载放电为IC的情况下的仿真图。图6B显示于不同电池电流负载放电下的仿真与实验图，其显示一条实验数据曲线图1C)与4条仿真曲线图(1C、5C、10C与20C)。图7显示电池的一阶等效电路。图8A 图8C分别显示在温度300° K、275° K与255° K下，在不同电量下(0. 2 2. 2)，电池电压与电池电流的关系图。图9显示根据本发明实施例的SOC估算流程图。主要元件符号说明11:初始状态12 电压、电流与温度监测13:估计电池充电状态14:估算电池健康状态15:电池充放电控制 16:均衡控制17 结束状态200 :BCU10 模拟数字转换器20:串行外围接口 30:多工器40:控制器区域网络 50:串行通信标准60:处理器70:继电器控制
80:电源测量单元 90:电流测量单元210:模块管理单元 100:电压测量单元110:温度测量单元 120:旁通电路130 电源电路220 电池模块221:电池单元31 模糊化32 实验数据与模糊规则库33 解模糊化34 时域动态方程式35:电池管理系统 36:S0C估计410 460、910 950 步骤
具体实施例方式图1显示电池管理系统(Battery Management System, BMS)的示意图。BMS比如但不受限于应用于电动车上。在本发明实施例中，BMS比如以软件方式实施之，但本发明并不受限于此。请参考图1，由车辆启动前的初始状态11，进行电池电压(V)、电流⑴与温度(T) 的监测12，以估计电池充电状态(State-of-Charge，S0C) 13。接着，根据SOC 13来估算电池健康状态6tate-of-Health，S0H) 14。依据S0C13与S0H14，BMS决定电池充放电控制15 与均衡控制16。如此，能使得每个电池组内的各单一电池在允许工作条件下，能充分且安全的被使用，达到电池管理系统的目的。之后，如果使用者将电动车熄火的话，则BMS会进入结束状态17。在BMS系统架构中，SOC估计与SOH估计是关键技术，而SOC又是SOH重要参考依据。为了减少SOC估计复杂度，并能快速计算，本发明实施例利用模糊理论结合本发明实施例所公开的库伦检测修正方法，更与开路电压法(OCV，Open Circuit Voltage)整合，来提高SOC估计准确性。现请参考图2，其显示根据本发明实施例的电池控制单元(BatteryControl Unit, B⑶)的示意图。图2的硬件架构可用于实施图1的BMS。如图2所示，B⑶200包括模拟数字转换器(Analog Digital Converter，ADC) 10、串行外围接口 Gerial Peripheral hterface，SPI)20、多工器(MUX) 30、控制器区域网络(Controller Area Network，CAN) 40、 串行通信标准(RS232)50、处理器60、继电器控制(relay control) 70、电源测量单元 (power measurement unit) 80与电流测量单元90。BCU 200对电池模块测量其内部各电池的电池电压、电池温度、电池电压、电池组电压，电池组电流；并作电量计算及均衡电压等保护功能，和1/0输出入控制。模块管理单元(Module Management Unit，MMU) 210包括电压测量单元100、温度测量单元110、旁通电路120与电源电路(power circuit) 130。在图2 中，电池模块220包括6个电池单元221，但当知本发明并不受限于此。以实作上，B⑶200 可能必须同时管理8个模块(共48个电池单元)的信号，但当知本发明并不受限于此。电压测量单元100与温度测量单元110分别用于测量众多电池单元221的电池电压与电池温度。电流测量单元90则测量整个电池模块220的输出电池电流，因为这些电池单元221彼此串联。旁通电路120受控于多工器30。如果处理器60检测出某个/某些电池单元的电压异常的话，则处理器60会输出控制信号给多工器30，多工器30会控制旁通电路120，使得异常电池单元被放电，以维持所有电池单元的电压能一致。当电池模块220异常时，电源电路130会受控于电源测量单元80而将电池模块 220的电源关闭，以保护电池模块220。ADC 10用以将由MMU 210所传来的电池电压转换成数字信号，以传送给处理器60 进行SOC估计。ADC 10可转换电池模块220内的电池电压。ADC 10比如使用仪器测量级精密放大器，以使得电压测量误差在20mV以内。比如，假设电池模块220有6个电池单元 221的话，则电压测量单元100与ADC 10之间便有6条信号线，以分别传送这6个电池单元的电池电压。通过SPI 20，将B⑶200的众多数字1/0以同步时钟进行控制，能大幅缩减B⑶200的PCB电路。由温度测量单元110所输出的电池温度会通过SPI 20而传送至处理器 60。其方式比如为，在第1个取样时间点，温度测量单元110会取样第一个电池单元的温度并传送给SPI 20 ；于第2个取样时间点，温度测量单元110会取样第二个电池单元的温度并传送给SPI20;依此类推。多工器30用以控制旁通电路120。由于B⑶200要处理的测量信号数目众多，所以，ADC 10搭配多工器30的切换，能以较少的测量线路对众多信号来做即时的处理。通过CAN 40及RS23250这两种通信接口，处理器60能提供B⑶200与外界沟通诊断功能。处理器60会根据电池电压、电池电流、电池温度等信号来估计SOC与SOH值。处理器60估计SOC值的详细做法将于底下描述之。根据SOC值、电池电压、电池电流、电池温度等信号，处理器60判断是否启动警示，比如，警示内容可指出目前电池的电量不足、或是过电压、过电池等。继电器控制70会依据处理器60所判断的电池状态来启动或关闭电池模块的安全机制装置。电源测量单元80控制电源电路130。如果处理器60判断出电池模块220整个异常的话，则处理器60会送出控制信号给电源测量单元80。电源测量单元80会送出控制信号给电源电路130，电源电路130使得整个电池模块220的电源被关闭，以防止危险。电流测量单元90用以测量电池单元的电流，其数据更新速率比如可达10次/秒。由于电池模块220采用模块化设计，具有未来可增减电池数目的设计弹性并且同时保有维护的简易性和方便的制造性能。现请参考图3，其显示根据本发明实施例的处理器的软件架构图。如图3所示，处理器60接收电流测量信号(比如由电流测量单元90所测量)、电压测量信号(比如由电压测量单元100所测量)与温度测量信号(比如由温度测量单元110所测量)，以计算出电池开路电压关系式。处理器60内的SOC估计36 (其比如但不受限于以软件方式实施)根据归属函数(Membership Function)而对所接收的电流信号、电压信号与温度信号进行模糊化 31 (Fuzzification)，以进行前置处理。此外，在本发明实施例中，通过预先测量的电池实验数据建立基本规则，在不需要完整实验数据之下，建构模糊规则库(Rule Base)。本发明实施例中，根据模糊规则库32与归属函数(其隐含实验数据的加权值)，解模糊化33(DefUZZifiCati0n)对经模糊化后的测量信号进行处理。在此，模糊化31、模糊规则库32与解模糊化33可合称为模糊控制。之后，根据电池一阶电路特性来计算出时域动态方程式34，并将之转换成SOC关系式。时域动态方程式34可进行时域动态监测。如将电池开路电压值代入至SOC关系式的话，则可估算当下电池电容值，即可估计出SOC值，其细节将于下文描述。所估计出的SOC 值更可以回馈到电池管理系统(BMS)35，以作为更进一步的应用。图4显示根据本发明实施例的SOC估计流程。图5A显示于电池放电测试中，不同温度对电池电量的关系图；图5B显示于电池放电测试中，不同电流负载对电池电量的关系图。图6A显示于负载放电为IC的情况下的仿真图。图6B显示于不同电池电流负载放电下的仿真与实验图，其显示一条实验数据曲线图(IC)与4条仿真曲线图(1C、5C、10C与20C)。
现请一并参考图4、图5A 图5B与图6A 图6B。在本发明实施例中，在估算SOC 前，会事先针对电池单元进行充放电测试，以建立在不同温度下的SOC曲线以定义SOC与 OCV转换关系，如图5A与图5B。如步骤410所示，在系统开启后，进行电池电压(V)、电池电流⑴与电池温度(T) 的测量，其比如由图2的电压测量单元、电流测量单元与温度测量单元测量。接着，在步骤420中，如果在既定时间t内，电流变化与电压变化为很小的话(IrtatGO I < 0.01且 Vbat(k) —Vbat(k-l))，则执行开路电压估计方法，以修正soc起始值，如步骤460所示。 Ibat (k)与Vbat (k)分别代表于时刻k的电池电流与电池电压。如果电池电流与电池电压稳定时间没超过t秒，则进入步骤430。在实务经验上，t比如为但不受限于600秒。在本发明实施例中，在电池电流与电池电压稳定时间没超过t秒的情况下，利用本实施例所提出的模糊控制与时域动态方程式(即改良式库伦积分)，能较正确地估计SOC值。因为，在此时的Vbat将不等于Voc (Voc乃是电池开路电压)，且此时的Voc无法测量到，只能用估算出ο在步骤430中，利用模糊控制来估计电池开路电压Voc ；且对于事先建立好的电流、电压与温度的实验数据(如图5A与图5B所示)，以模糊控制来展开成三维函数关系， 来求得估计值(电池开路电压)与输入变数(电流、电压与温度)关系。接着，在步骤440 中，利用本发明所公开的改良式库伦检测法，结合一阶电池等效电路来计算出时域动态方程式，并将之转换成SOC关系式，以建立SOC估算式，SOC的仿真与实验结果如图6A与图6B 所示。如此，将所建立的SOC估算式代入模糊控制的结果，以得到SOC估算值。所估出的SOC估算值可以提供给BMSdtS SOH或安全机制的判断依据，如步骤 450所示。在步骤460中，如果电池电流与电池电压稳定时间超过t秒的话，则本发明实施例可利用开路电压检测法来估计soc。比如，针对电池单元进行充放电测试，以建立在不同温度下的SOC曲线以定义SOC与OCV转换关系，如图5A与图5B。在电池电流与电池电压稳定时间超过t秒的情况下，则可利用事先建好的SOC曲线(或是查表)来估算S0C。现将说明本发明如何估出S0C。图7显示电池的一阶等效电路。假设用一阶RC电路来计算，则电池电压Vbat可表示如下Vbat = Vc,bat+Vs,bat(1)Vbat为电池电压；Vabat为电容两端电压；Vs,bat为电阻两端电压。重新整理(1)式， 加入实验数据(如底下图8A至图8C)，转换成Rs,bat与Cbat非线性函数关系，如下表示Vc, bat = Vbat (SOEbat) -IbatRs, bat(2)SOEbat为电池能量状态；Ibat为电池电流；Rs,bat为电池的等效串联阻抗。于等式O)中，将Vc,bat以时域方程式表示如下-J- \i(t)dt + VCMt(0) = Vbat(SOEbat)-i(t)Rsbat (3)
_ ^bat_Cbat为电池等效电容；Vc,bat(0)为电池初始电压。电池等效电容Cbat的非线性关系可以表示如下式
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权利要求
1.一种可充电电池的电池充电状态SOC估计方法，应用于一电动车的一电池管理系统，该方法包括测量该可充电电池的一电池参数； 判断该可充电电池的该电池参数是否稳定；如果该可充电电池的该电池参数未稳定，利用一模糊控制来估计该可充电电池的一电池开路电压，且以该模糊控制将预先建立的该可充电电池的一实验数据展开成一三维函数关系；以及计算出一时域动态方程式，并转换成一 SOC关系式，将该SOC关系式代入该模糊控制， 以估计一 SOC估计值，该时域动态方程式进行一时域动态监测。
2.如权利要求1所述的方法，还包括如果该可充电电池的该电池参数已稳定，利用一开路电压法来评估该S0C。
3.如权利要求1所述的方法，其中，测量该可充电电池的该电池参数的该步骤包括 测量该可充电电池的一电池电压、一电池电流与一电池温度。
4.如权利要求3所述的方法，其中，判断该可充电电池的该电池参数是否稳定的该步骤包括在一既定时间内，判断该可充电电池的该电池电流是否小于一既定值，且判断该可充电电池的该电池电压是否已达稳定，以判断该可充电电池的该电池参数是否稳定。
5.如权利要求3所述的方法，其中，该模糊控制包括根据一归属函数，将该电池电压、该电池电流与该电池温度进行一模糊化前置处理； 对预先建立的该可充电电池的该实验数据建立一模糊规则库；以及根据该模糊规则库与该归属函数，进行一解模糊化。
6.如权利要求1所述的方法，其中，计算出该时域动态方程式的该步骤包括 计算该可充电电池的一阶等效电路；以预先建立的该可充电电池的该实验数据，建立该可充电电池的一电容端电压与一电池能量状态的一非线性函数关系；以及根据该非线性函数关系，将该可充电电池的该一阶等效电路转换为该时域动态方程式。
7.如权利要求6所述的方法，其中，估计该SOC值的该步骤包括 重新整理该可充电电池的该一阶等效电容与该时域动态方程式；以及计算出该可充电电池的一等效电容，以决定该可充电电池的一电池开路电压，其中，该 SOC估计值为该可充电电池的一目前能量状态与一电池额定能量的比值。
8.一种电池控制单元，用以控制一可充电电池，该电池控制单元应用于一电动车的一电池管理系统，该电池控制单元包括一接口电路，用以接收该可充电电池的一电池电压与一电池温度； 一电流测量电路，用以测量该可充电电池的一电池电流；以及一处理器，耦接至该接口电路，用以根据所接收的该可充电电池的该电池电压、该电池电流与该电池温度而估计该可充电电池的一电池充电状态SOC估计值，如果该处理器判断该可充电电池的该电池参数未稳定，则该处理器利用一模糊控制来估计该可充电电池的一电池开路电压，且以该模糊控制将预先建立的该可充电电池的一实验数据展开成一三维函数关系，以及该处理器计算出一时域动态方程式并转换成一 SOC关系式，该处理器将该SOC 关系式代入该模糊控制以估计一 SOC估计值，该处理器利用该时域动态方程式进行一时域动态监测。
9.如权利要求8所述的电池控制单元，其中，如果该处理器判断该可充电电池的该电池参数已稳定，则该处理器利用一开路电压法来评估该S0C。
10.如权利要求8所述的电池控制单元，其中，在一既定时间内，该处理器判断该可充电电池的该电池电流是否小于一既定值，且判断该可充电电池的该电池电压是否已达稳定，以判断该可充电电池的该电池参数是否稳定。
11.如权利要求8所述的电池控制单元，其中，该处理器根据一归属函数，将该电池电压、该电池电流与该电池温度进行一模糊前置处理；该处理器对预先建立的该可充电电池的该实验数据建立一模糊规则库；以及根据该模糊规则库与该归属函数，该处理器进行一解模糊化。
12.如权利要求8所述的电池控制单元，其中， 该处理器计算该可充电电池的一阶等效电路；对于预先建立的该可充电电池的该实验数据，该处理器建立该可充电电池的一电容端电压与一电池能量状态的一非线性函数关系；以及根据该非线性函数关系，该处理器将该可充电电池的该一阶等效电路转换为该时域动态方程式。
13.如权利要求12所述的电池控制单元，其中，该处理器重新整理该可充电电池的该一阶等效电容与该时域动态方程式；以及该处理器计算出该可充电电池的一等效电容，以决定该可充电电池的一电池开路电压，其中，该SOC估计值为该可充电电池的一目前能量状态与一电池额定能量的比值。
全文摘要
一种电池充电状态估计方法与电池控制单元，该电池充电状态(SOC)估计方法包括测量该可充电电池的一电池参数；判断该可充电电池的该电池参数是否稳定；如果该可充电电池的该电池参数未稳定，利用一模糊控制来估计该可充电电池的一电池开路电压，且以该模糊控制将预先建立的该可充电电池的一实验数据展开成一三维函数关系；以及计算出一时域动态方程式，并转换成一SOC关系式，将该SOC关系式代入该模糊控制，以估计一SOC估计值，该时域动态方程式进行一时域动态监测。
文档编号G01R31/36GK102487209SQ20101058760
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月2日
发明者吴建勋 申请人:财团法人工业技术研究院