用于估计蓄电池 SOC 的方法和设备 【技术领域】
实施例总体上涉及确定车辆内的蓄电池荷电状态。背景技术 确定蓄电池荷电状态 （SOC） 可以使用采用库仑计数或参数估计技术的各种技术执 行。库仑计数涉及使用一个测量值 （即， 一个开路电压读数） 来估计蓄电池荷电状态。开路 电压的准确性对于确定荷电状态是关键的。如果存在测量误差， 那么荷电状态估计值具有 的误差是基本上测量误差的倍数 （the factor of） 。
此外， 使用充电效率和蓄电池容量来确定荷电状态的库仑计数在蓄电池寿命的整 个估计过程内通常使用用于新蓄电池值的标准制造规格值。随着时间的经过， 蓄电池老化 且充电效率和蓄电池容量也变化， 从而引起荷电状态估计的误差。
当前参数估计技术需要在常规车辆上不一定可用的激励。
发明内容 实施例的优势在于， 通过使用当前和先前开路电压测量值 / 估计值两者和电流消 耗的积分来确定蓄电池荷电状态， 其中， 减少了估计荷电状态的误差。 现有技术的缺陷借助 于不仅仅基于新蓄电池确定蓄电池容量来克服。由于蓄电池特性在蓄电池寿命内变化， 因 而使用当前和过去蓄电池特性测量值 / 估计值两者提供了关于蓄电池在一定时间期限内 如何变化的更全面分析， 这减少了在单个测量值 / 估计值中可能发生的任何异常。
一个实施例设想一种确定蓄电池荷电状态的方法。在点火启动期间， 测量车辆蓄 电池的开路电压。蓄电池的启动荷电状态根据当前点火启动的当前开路电压测量值、 先前 点火启动的至少一个开路电压观测值、 以及在从先前点火启动事件到当前点火启动事件的 时间段内的电流消耗积分来确定。针对点火钥匙接通 （key-on） 操作确定蓄电池的运行荷 电状态变化。 运行荷电状态变化包括当前开路电压测量值和所述至少一个先前开路电压观 测值之间的差， 且响应于在相应时间段内的电流消耗积分来确定。蓄电池荷电状态基于蓄 电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来计算。
一个实施例设想一种确定蓄电池荷电状态的系统。所述系统包括 ： 蓄电池 ； 用于 从蓄电池消耗功率的至少一个部件 ； 电压表， 用于测量点火启动序列时的蓄电池的开路电 压； 电流传感器， 用于感测从蓄电池消耗的电流。所述系统还包括控制模块， 所述控制模块 根据蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来确定蓄电池荷电状态。 启动荷电状态在 点火启动事件时确定。启动荷电状态还根据当前点火启动的当前开路电压测量值、 至少一 个先前开路电压观测值、 以及在从先前点火事件到当前点火事件的时间段内的电流积分而 变。运行荷电状态变化包括在点火接通操作期间的时间。运行荷电状态变化根据当前开路 电压测量值和至少一个先前开路电压观测值之间的差来估计， 所述差响应于在相应时间段 内的电流积分来确定。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种确定蓄电池荷电状态的方法， 所述方法包括以下步骤 ： 在点火启动期间， 测量车辆蓄电池的开路电压 ； 根据当前点火启动的当前开路电压测量值、 先前点火启动的至少一个开路电压观测 值、 以及在从先前点火启动事件到当前点火启动事件的时间段内的电流消耗积分来确定蓄 电池的启动荷电状态 ； 针对点火钥匙接通操作确定蓄电池的运行荷电状态变化， 运行荷电状态变化包括当前 开路电压测量值和所述至少一个先前开路电压观测值之间的差， 且响应于在相应时间段内 的电流消耗积分来确定 ； 以及 基于蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化的函数来计算蓄电池荷电状态。
2. 根据技术方案 1 所述的方法， 其中， 蓄电池荷电状态由以下公式表示 ：其中，
是启动荷电状态且根据开路电压和温度而变，是运行荷电状态变化且根据蓄电池参数和相应时间段内的电流消耗积分而变。 3. 根据技术方案 2 所述的方法， 其中， 启动荷电状态基于以下公式从开路电压估 计值导出 ：其中，是在第 k 个点火启动时的当前开路电压测量值，是先前开路电压观测值， 是蓄电池参数， I 是从蓄电池消耗的电流， 是调节因子。
4. 根据技术方案 3 所述的方法， 其中， 调节因子由以下公式表示 ：其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间， 是在第 k 个点火间隔时点火钥匙接通的时间， 是时间常数。
5. 根据技术方案 3 所述的方法， 其中， 蓄电池参数 6. 根据技术方案 5 所述的方法， 其中， 蓄电池参数根据先前蓄电池参数观测值 由以下公式表示 ：和当前估计蓄电池参数而变。
其 中，是 蓄 电 池 参 数 的 调 节 因 子，是 先 前 蓄 电 池 参 数 观 测 值，是当前蓄电池参数观测值。7. 根据技术方案 6 所述的方法， 其中， 蓄电池参数的调节因子根据点火钥匙关闭 的时间而变， 其中， 调节因子由以下公式表示 ：
。 8. 根据技术方案 6 所述的方法， 其中， 当前开路电压测量值、 先前开路电压观测 值和蓄电池参数在相应温度下标准化。
9. 根据技术方案 8 所述的方法， 其中， 用于启动荷电状态和运行荷电状态变化的 开路电压在相应温度下标准化。
10. 根据技术方案 9 所述的方法， 其中， 用于蓄电池荷电状态的标准化开路电压 根据在相应温度下针对启动荷电状态确定的开路电压且根据在相应温度下用于运行荷电 状态变化的蓄电池参数和电流积分来确定。
11. 根据技术方案 10 所述的方法， 其中， 用于蓄电池荷电状态的标准化开路电压 转换回到当前温度下的开路电压。
12. 根据技术方案 11 所述的方法， 其中， 蓄电池荷电状态根据当前温度下的开路 电压来确定。
13. 根据技术方案 1 所述的方法， 其中， 蓄电池荷电状态经由显示装置向车辆使 用者显示。
14. 根据技术方案 1 所述的方法， 其中， 蓄电池荷电状态的表征经由显示装置向 车辆使用者显示。
15. 一种用于确定蓄电池荷电状态的系统， 包括 ： 蓄电池 ； 用于从蓄电池消耗功率的至少一个部件 ； 电压表， 用于测量点火启动序列时的蓄电池的开路电压 ； 电流传感器， 用于感测从蓄电池消耗的电流 ； 以及 控制模块， 所述控制模块根据蓄电池的启动荷电状态和运行荷电状态变化来确定蓄电 池荷电状态， 启动荷电状态在点火启动事件时确定， 启动荷电状态根据当前点火启动的当 前开路电压测量值、 至少一个先前开路电压观测值、 以及在从先前点火事件到当前点火事 件的时间段内的电流积分而变， 运行荷电状态变化包括在点火接通操作期间的时间， 运行 荷电状态变化根据当前开路电压测量值和至少一个先前开路电压观测值之间的差来估计， 并响应于在相应时间段内的电流积分来确定。
16. 根据技术方案 15 所述的系统， 其中， 控制模块基于以下公式从估计开路电压 确定启动荷电状态 ：
其中，是在第 k 个点火启动时的当前开路电压测量值，是先前开路电压观测值， 是蓄电池参数， I 是从蓄电池消耗的电流， 是调节因子。
17. 根据技术方案 16 所述的系统， 其中， 控制模块基于以下公式确定调节因子 ：其中，是在点火钥匙接通操作和点火钥匙关闭操作之间的时间， 是在第 k 个点火间隔时点火钥匙接通的时间， 是时间常数。
18. 根据技术方案 17 所述的系统， 其中， 控制模块基于以下公式确定蓄电池参数：其 中，是 蓄 电 池 参 数 的 调 节 因 子，是 先 前 蓄 电 池 参 数 观 测 值，是当前蓄电池参数观测值。
19. 根据技术方案 15 所述的系统， 其中， 控制模块基于以下公式来确定蓄电池参 数的调节因子 ： 。
20. 根据技术方案 15 所述的系统， 还包括显示器， 用于向车辆使用者识别蓄电池 荷电状态。附图说明
图 1 是用于估计蓄电池荷电状态 （SOC） 和蓄电池容量的系统的框图。
图 2 是图示了用于确定开路电压的时间实例的时间线示意图。
图 3 是用于确定蓄电池荷电状态 （SOC） 和蓄电池容量的方法的流程图。 具体实施方式
图 1 图示了包含荷电状态 （SOC） 和蓄电池容量估计系统的车辆 10 的实施例的框 图。 应当理解的是， 车辆可包括但不限于混合动力车辆、 内燃机车辆和电动车辆或使用蓄电 池的任何机器。车辆 10 包括具有单个蓄电池或多个独立蓄电池模块的蓄电池组 12。例如， 一个实施例可包括串联连接的多个蓄电池以产生高电压标称电压， 或者车辆可包括单个 12 伏蓄电池， 产生用于内燃机车辆的 14 伏标称电压。本文所述的荷电状态和蓄电池容量估计 技术可应用于各种蓄电池类型， 包括但不限于镍金属氢化物 （NiMH） 蓄电池、 铅酸蓄电池或 锂离子蓄电池。车辆蓄电池 12 电联接到使用蓄电池作为功率源的多个装置 14。 车辆 10 还可包括 电流传感器 16、 和电压表 18 以及控制模块 20。
所述多个装置 14 包括但不限于适配到外部插电装置的功率出口、 车辆的附件、 部 件、 子系统和系统。电流传感器 16 用于监测离开车辆蓄电池 12 的电流。电压表 18 测量电 压， 从而可确定开路电压。控制模块 20 或类似模块获得、 导出、 监测和 / 或处理与车辆蓄电 池 12 有关的一组参数。 这些参数可包括但不限于电流、 电压、 荷电状态 （SOC） 、 蓄电池容量、 蓄电池内部阻抗、 蓄电池内部电抗、 蓄电池温度、 以及车辆蓄电池的功率输出。控制模块 20 包括用于执行车辆荷电状态和蓄电池容量估计技术的算法或类似物。 在混合动力车辆或电 动车辆中， 电流传感器通常集成到控制模块中。
为了增强蓄电池充电控制和车辆功率管理， 开路电压 VOC 用于估计 SOC。蓄电池的 SOC 使用启动 SOC 和运行 SOC 变化来估计。蓄电池 SOC 的公式表示如下 ： (1) 其中， 是根据开路电压和温度而变的启动 SOC， (= 是根据蓄电池参数 ) 根据蓄电池充电效率和先前电流数据积分而变的运行 SOC 变化。蓄电池参数 c 和蓄电池容量
而变。开路电压 VOC 是确定 SOC 的关键要素。因而， 以下实施例将集中于 VOC 如何导出且 和 。 的多个开路电压的时间线， 其考虑历史数据。历用于确定
图 2 图示了用于估计史数据涉及检测点火关闭和点火接通事件且观测蓄电池特性的先前时间实例。 本文使用的 措辞 “观测” 指的是基于测量值的测量和 / 或估计值。总体上以 20 示出了连续点火接通 In 和点火关闭 If 事件的时间序列。时间线 22 图示了在点火钥匙从点火关闭过渡到点火接通 （例如， ） 时的每个时间实例。基于不同时间实例， 可以针对每个时间实例确定开路电压， 不仅考虑当前开路电压测量值， 而且考虑先前开路电压测量值， 以便估计第 k 个 点火事件的更精确开路电压值。图 2 所示的时间实例 的公式由以下公式表示 ： (2) (3)(4) 当考虑过去观测值时， 使用调节因子 获得加权平均值。调节因子 基于钥匙关闭时间或钥匙接通时间的持续时间来加权开路电压估计值。应当理解的是， 本文所述的用于确 定调节因子的技术仅仅是可以如何确定调节因子的一个实施例， 且用于确定调节因子的其它技术可以应用于本文， 而不偏离本发明的范围。使用调节因子来确定开路电压的公式由 以下公式表示 ： . (5)其中， 当前观测值
表示基于先前观测值 。的估计值，表示因而， 如果钥匙关闭时间过短， 那么将更看重该估计值， 其中， 调节因子将优选接 近 1。如果钥匙关闭时间大于预定时间值， 那么将更看重当前观测值， 且调节因子将优选接 近 0。因而， 以下公式用于确定调节因子 ， 其根据关闭时间而变。开路电压的调节因子由以下公式表示 ： (6) 其中， 是在点火钥匙关闭时到点火钥匙接通时的时间， 是在第 k 个点火间隔时点火钥匙接通的时间， 是时间常数。
蓄电池参数 通常由充电效率和蓄电池容量的比率确定。充电效率和蓄电池容量值通常是基于新蓄电池的标称值。 然而， 这种参数随着蓄电池老化而变化， 因而是用于确定 蓄电池参数 的不鲁棒因素。由于这些参数随年限变化， 因而蓄电池参数 应当被定期地 估计。为了定期 （例如， 一个月至少一次） 估计蓄电池参数 ， 使用开路电压公式来求解蓄电 池参数 ， 表示如下 ： . 通过修正开路电压 以求解 (7) ， 得到的蓄电池参数 表示如下 ：(8)为了补偿短点火钥匙关闭时间， 调节因子引入蓄电池参数估计公式。用于蓄电池参数 的调节因子 由以下公式表示 ： (9) 得到的蓄电池参数的公式如下 ：(10)其中，是先前蓄电池参数估计值，是当前蓄电池参数估计值。由于在获得当前和先前开路电压的测量值时的温度差， 本文产生的估计技术需要 开路电压测量值之间的标准化。即， 每个开路电压 （即， 当前和先前两者） 必须在标准温度下 标准化， 从而当前观测值和过去观测值可以协作地使用。 因而， 相应点火事件的每个开路电 压基于标准化温度转换为开路电压。该转换可以使用算法、 查询表等执行。例如， 使用标准 温度 （例如， 25 度） 的标准化公式表示如下 ：
. (11) 使用标准化温度的蓄电池参数如下 ：.(12)因而， 用于车辆蓄电池的 SOC 的开路电压可以由以下公式表示 ： . 一旦确定用于蓄电池的 SOC 的标准化开路电压 到当前温度下的开路电压， 且由
(13) ， 标准化开路电压就转换回表示。使用来确定蓄电池的 SOC 荷电， 其包含当前测量值和先前测量值两者的估计值。确定 SOC 的其它因素可以基本上归总为线性映射常数。因而， 在当前时间实例的车 辆蓄电池的 SOC 可以由以下公式表示 ： (14) 其中， 相应温度。
是使用当前测量值和先前测量值的蓄电池估计开路电压， T 是测量时的蓄电池容量也使用当前测量值和蓄电池参数来确定。蓄电池容量使用以下公10式导出 ：102407784 A CN 102407787说明书(15)8/9 页其中， 容量，是蓄电池的标准化估计蓄电池容量，是新蓄电池的标准化蓄电池是新蓄电池的标准化蓄电池参数，是根据调节因子而变的标准化估计参数。应当理解的是， 在导出蓄电池容量时， 估计值必须使用标准温度 （例如， 25 度） 导出。用于确 定在第 k 个点火启动时的蓄电池参数的公式由以下公式表示 ：(16)图 3 图示了使用 VOC 数据来估计 SOC 和蓄电池容量的技术的流程图。在步骤 30， 启动 第一钥匙接通事件。第一钥匙接通表示在车辆点火钥匙第一次启动且收集数据时的时间。 第一钥匙接通事件还可以表示紧接在车辆蓄电池更换之后启动车辆点火且针对新蓄电池 获得数据的时间。由此， 由于新蓄电池将具有不同的充电和效率特性 （例如， 充电效率值和 蓄电池容量值） ， 因而与过去蓄电池操作状况和参数有关的先前数据将不再有效。
在步骤 31， 初始化可测量参数和估计参数。即， 在开始新车辆启动时或者当更换 ,蓄电池时， 上述每个公式的所有变量被重置为其初始状况。例如， ,
，。 和蓄电池温度 T。 。 转换可以使在步骤 32， 测量当前开路电压 在步骤 33， 开路电压转换为标准温度下的开路电压用算法或查询表执行。
在步骤 34， 启动电压使用方程 （11） 中所述的公式更新。 在步骤 35， 蓄电池参数使用方程 （12） 中所述的公式更新。 在步骤 36， 蓄电池容量使用方程 （15） 中所述的公式更新。 在步骤 37， 电流积分 重置为零。在步骤 38， 确定点火钥匙是否处于钥匙关闭位置。如果点火钥匙处于钥匙关闭位 置， 那么例程前进到步骤 39 ； 否则， 例程前进到步骤 47。
在步骤 39， 钥匙关闭时间重置为零 （） 。这初始化用于确定点火钥匙处于钥匙关闭位置多长时间的计数器。 在步骤 40， 确定点火钥匙是否处于钥匙接通位置。如果点火钥匙不处于钥匙接通 位置， 那么例程前进到步骤 41。
在步骤 41， 例程在更新钥匙关闭时间之前等待一定时间段。
在步骤 42， 更新钥匙关闭时间。钥匙关闭时间由以下公式表示 ：
其中，是自重置钥匙关闭时间以来的钥匙关闭时间总和，是在步骤 41 中经过的附加时间段。
在步骤 43， 测量蓄电池的电流测量值。在步骤 44， 更新电流积分， 其将当前电流测量值与过去电流测量值结合。 例程返回 到步骤 40。
在步骤 40， 如果确定点火钥匙接通， 那么例程前进到步骤 45， 否则例程前进到步 骤 41。
在步骤 45， 更新钥匙接通循环计数。 钥匙接通循环计数是自步骤 31 中系统初始化 以来点火钥匙已经接通的次数。点火钥匙每接通一次， 计数增加 1。
在步骤 46， 确定开路电压的调节因子， 如方程 （6） 所述， 且确定蓄电池参数的调节 因子， 如方程 （8） 所述。之后， 返回步骤 32 以执行上述步骤 32-38。
在步骤 38， 如果确定点火钥匙不处于钥匙关闭位置， 那么例程前进到步骤 47。
在步骤 47， 测量离开蓄电池的电流和温度 （T） 。在步骤 48， 电流积分基于过去至当前测量值更新。 在步骤 49， 标准温度下的运行开路电压 在步骤 50， 运行开路电压 。 使用方程 （13） 所述的公式更新。使用算法或查询表转换回到当前温度下的运行开路电压
在步骤 51， 使用方程 （14） 所述的公式确定当前温度下的蓄电池的 SOC。
在步骤 52， 在返回步骤 38 之前， 经过预定时间段。
步骤 36 中导出的蓄电池容量和步骤 51 导出的 SOC 显示给车辆驾驶员以识别蓄电 池状况或者可以表征在表示 SOC 和蓄电池容量的一些其它容量中。
虽然已经详细描述本发明的某些实施例， 但是本发明所属领域技术人员将认识到 用于实施本发明的由所附权利要求限定的各种替代设计和实施例。