CN102859381A - 电池充电状态的监视 - Google Patents

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Abstract

公开了用于监视电池的充电状态的***和方法。可以基于电池的测量的端电压、电池的测量的电流以及基于电池的先前的充电状态从多个值中选择的至少一个电池参数的值来确定电池的更新的充电状态。

Description

电池充电状态的监视
相关申请
本申请要求于2010年4月22日提交的、题目为用于电池充电状态的实时监视的***和方法、备案目录为10216-7的美国临时专利申请61/326,881号的权益，其公开的全部内容通过引用明确地合并于此。
技术领域
本发明涉及监视电池充电状态，尤其涉及用于电池充电状态的实时监视的***和方法。
背景技术
在电池应用中，电池***充电状态（SOC）的准确监视是共同的问题。存在四种用于监视SOC的主要方法。一种方法是通过划分由电池***的满充电容量划分的电池***中的充电余量来确定SOC。然而，直接测量电池***中的充电余量通常是不寻常的，尤其是在动态环境中。该第一种方法的替换形式为在电池***中的充电改变时计算电流在时间上的积分。然而，在这种方法中，电流传感器容差通常受到限制并且误差通常会累积。此外，难以获得充电和放电周期期间的初始SOC、满充电容量和电池效率。另外，在充电和放电随机发生的情况下（如在混合电动车中）或者在没有明显的充电/放电周期的情况下，使用这种方法变得极其困难
第二种方法是使用电池***的电动势（EMF）和SOC的关系。也即是说，由于在许多类型的电池***中EMF和SOC具有单调关系，因此使用EMF来决定SOC。特别地，该方法依靠使用开路电压（OCV）作为EMF。然而，由于电池中的电容，可花费数个小时来放松（relax）（即，零电流引出（draw））以让OCV接近EMF，致使这种方法对于实时监视来说是不适当的。
第三种方法是使用第一种方法来估计SOC并且使用第二种方法来调节对SOC的估计。然而，由于这种方法仍然依靠OCV，通常难以提供用零电流的工作时期以提供对EMF的准确测量，产生对SOC的非准确测量。
第四种方法为扩展的卡尔曼滤波方法。该方法要求在微控制器上的扩展计算，这对于小的微控制器芯片来讲是一个瓶颈。
发明内容
在本公开的示例性实施例中，公开了用于监视电池的充电状态的***和方法。
在本公开的另一示例性实施例中，提供了一种用于监视连接到负载的电池的充电状态（SOC）的方法。该方法包括用电子控制器确定对电池的SOC的估计；测量电池的端电压；测量电池的电流；以及用电子控制器从包括至少一个电池参数的多个值的数据库中确定至少一个电池参数的第一值。至少一个电池参数的第一值基于对电池的SOC的估计。该方法还包括用电子控制器确定电池的计算的端电压；以及用电子控制器至少基于至少一个电池参数的第一值、测量的端电压、计算的端电压确定对电池的SOC的更新的估计。
在本公开的另外的示例性实施例中，提供了一种用于监视连接到负载的电池***的充电状态（SOC）的***。该***包括：至少一个测量元件，其被配置为在采样时间期间测量所述电池***的端电压和电流；以及存储元件，其被配置为至少存储对电池的SOC的估计、电池的测量的端电压、电池的测量的电流以及至少一个电池参数的多个值。所述至少一个电池参数的多个值涉及电池的SOC多个值。该***还包括可操作地耦接至所述测量元件和所述存储元件的处理元件。处理元件被配置为确定电池的计算的端电压；并且至少基于至少一个电池参数的多个值的第一值、测量的端电压以及计算的端电压确定对电池的SOC的更新的估计。该第一值对应于对电池的SOC的估计。
还是在本公开的另一示例性实施例中，提供了一种计算机可读介质，包括涉及监视连接到负载的电池的充电状态（SOC）的多个指令。可由电子控制器执行所述多个指令以执行下列步骤：确定对电池的SOC的估计；从包括至少一个电池参数的多个值的数据库中确定至少一个电池参数的第一值，至少一个电池参数的第一值是基于对电池SOC的估计；确定电池的计算的端电压；以及至少基于至少一个电池参数的第一值、测量的端电压和计算的端电压确定对电池的SOC的更新的估计。
仍在本公开的另一示例性实施例中，提供了用于监视连接到负载的电池的充电状态（SOC）的方法。该方法包括：测量所述电池的端电压和充电/放电（CD）电流；提供与多个SOC值相关的多个预先定义的电池参数；基于存储的极化值、存储的迟滞值、与存储的SOC值相关的所述多个预先定义的参数来运算计算的端电压；以及基于所述测量的端电压、所述计算的端电压值、所述CD电流和与所述存储的SOC值相关的预定义的增益值计算更新的SOC值。
仍在本公开的另一示例性实施例中，提供了一种用于监视连接到负载的电池***的充电状态（SOC）的***。该***包括：至少一个测量元件，被配置为在采样时间期间测量所述电池***的端电压和充电/放电（CD）电流；存储元件，被配置为存储至少先前的SOC值，与多个SOC值相关的多个预先定义的电池参数，以及与所述多个SOC值相关的多个预先定义的增益值；处理元件，通信地耦接至所述测量元件和所述存储元件。该处理元件被配置为基于存储的极化值、存储的迟滞值和与存储的SOC值相关的多个预先定义的参数运算计算的端电压，并且基于所述测量的端电压、所述计算的端电压值、所述CD电流以及与所述存储的SOC值相关的多个预先定义的增益值之一计算更新的SOC值。
仍在本公开的另外的示例性实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，在其上存储有用于监视连接到负载的电池的充电状态（SOC）的计算机程序。计算机程序包括能够由计算机执行的多个指令。该多个指令包括用于执行下列步骤的代码部分：访问多个预先定义的电池参数和用于多个SOC值的多个预先定义的增益值；测量所述电池的端电压和充电/放电（CD）电流；基于所述放电电流、存储的极化值、存储的迟滞值以及与存储的SOC值相关的所述多个参数中的一部分计算所述电池的更新的端电压、极化和迟滞值；基于所述获得的端电压、所述更新的端电压值以及与所述存储的SOC值相关的所述多个增益值之一产生调节的SOC值；以及基于所述调节的SOC值运算更新的SOC值。
仍在本公开的另外的示例性实施例中，提供了电池组件。所述电池***包括：包括有至少一个电池单元的电池***；以及用于监视电池***的充电状态（SOC）的监视***。监视***包括：至少一个测量元件，被配置为在采样时间期间测量所述电池***的端电压和充电/放电（CD）电流；存储元件，被配置为至少存储先前的SOC值、与多个SOC值相关的多个预先定义的电池参数以及与所述多个SOC值相关的多个预先定义的增益值；以及处理元件，被配置为基于存储的极化值、存储的迟滞值和与存储的SOC值相关的多个预先定义的参数运算计算的端电压，并基于所述测量的端电压、所述计算的端电压值、所述CD电流以及与所述存储的SOC值相关的多个预先定义的增益值之一计算更新的SOC值。
仍在本公开的另外的示例性实施例中，提供了一种***。该***包括：包括至少一个电池单元的电池***；电耦接至所述电池***的负载；以及用于监视电池***的充电状态（SOC）的监视***。该监视***包括至少一个测量元件，被配置为在采样时间期间测量所述电池***的端电压和充电/放电（CD）电流；存储元件，其被配置为至少存储先前的SOC值、与多个SOC值相关的多个预先定义的电池参数以及与所述多个SOC值相关的多个预先定义的增益值；以及处理元件，被配置为基于存储的极化值、存储的迟滞值以及与存储的SOC值相关的所述多个预先定义的参数运算计算的端电压，并基于所述测量的端电压、所述计算的端电压值、所述CD电流和与所述存储的SOC值相关的所述多个预先定义的增益值之一计算更新的SOC值。
附图说明
通过参照结合附图对本发明实施例进行的下列描述，本公开的上述提及的以及其它的特征和优点、以及保持这些特征和优点的方式将变得明显，并且本发明本身将会更容易理解，其中：
图1通过示例性的SOC监视器例示包括电池的SOC监视的电池操作***的典型视图；
图2例示存储在图1的SOC监视器的示例性存储器上的示例性数据的典型视图；
图3例示示例性车辆；
图4例示图1的SOC监视器的示例性处理过程；
图5例示图1的SOC监视器的示例性处理过程；以及
图6例示用于执行指令集的示例性计算机***的示意图，当执行所述指令时，能够使得计算机***实施此处所述的***的一个或更多个方法和过程。
在整个几幅图中，对应附图标记表示对应的部分。此处列举的示例例示了本发明的示例性实施例，并且这种示例不会以任何方式构成对本发明的范围的限制。
具体实施方式
此处公开的实施例不旨在排它地或者将本发明限制为在下面详细的描述中所公开的具体的形式。相反，选择和描述实施例以使得本领域的技术人员能够使用其教导。尽管本发明主要包含对用于车辆或能量栅格存储***的电池的充电状态的监视，但是应当理解的是：本发明可以应用于向其它装置提供电力的电池。
本发明不受所例示的行为或事件的顺序的限制，因为一些行为可以以不同的顺序发生和/或与其它的行为或事件同时地发生。而且，并非需要所有所例示的行为或事件实施根据本发明的方法。
用于***的控制和监视的基于卡尔曼滤波的方法是基于反馈控制的形式。首先，滤波器第一次估计***的状态并且之后获得某些测量类型的形式的反馈。因此，卡尔曼滤波方法依靠***电流状态估计并且使用当时实际的测量调节预测的估计。为了提供对预测的估计的调节，卡尔曼滤波方法需要若干矩阵计算（工作），包括预测状态（向量）、预测估计协方差（矩阵）、更新测量余数（矩阵）、更新协方差（矩阵），计算增益矩阵、更新状态估计（向量）、更新估计协方差（矩阵）、迭代法计算。一般来讲，这些运算包括确定逆矩阵。结果，由于矩阵中的病态和/或各个迭代期间的发散，传统的卡尔曼滤波方法通常耗费计算机资源并且往往容易失败。
如此处所述的，提供了一个或更多个参考表格（见图2中的数据库140-148），以减少涉及确定电池***的SOC的运算要求，但是仍然实现了卡尔曼滤波原理。例如，用查询步骤代替增益矩阵计算步骤，减少了使用基于卡尔曼滤波方法监视SOC的运算需要。因此，可以在大量装置上准确监视SOC，包括运算能力受限的装置，诸如便携装置。然而，此处公开的处理过程的这种SOC监视不局限于在单独的便携装置上使用。相反，任意类型的电池供电的装置可适于执行这种SOC监视。例如，此处公开的处理过程可以用于任意动态环境，诸如便携和非便携电子装置，电动车辆（混合和非混合），非电动车辆、发电装置、配电装置以及其它适当的装置。图1中图示了这种装置的示意图。
图1为被配置为SOC监视的示例性***100的框图。尽管图1示出了包括SOC监视的***的示例性结构，但是可以使用其它的构造和结构。例如，***可以设置有比图1所示的更多或更少的部件。此外，可以结合图1所示的一个或更多个部件。另外，图1中的一个或更多个部件可以相对于***100中的电池本地或远程地定位。
如图1所示，***100包括电池102和从电池102引出电力的负载104。替换地，***100也可以包括用于为电池102充电的电源104。如此处所使用的，术语“电池”或“电池***”指的是被配置为将存储的化学能转换为电能的一个或更多个电化学电池的任意组合。在一个实施例中，***100还可以包括向负载104提供电流和/或为电池102再充电的供电或电源105。例如，电源105可以包括交流发电机、发电机或者用于产生电流的任意其它装置。在一些情况下，电源105可以被配置为向电池102提供充电电流以减小在充电期间对电池102损坏的量。这种构造对本领域普通技术人员来讲是公知的并且在此不再描述。
***100还包括用于监视电池102的SOC的SOC监视器106。如图1所示，SOC监视器106可以包括电流用于确定电池102的充电或放电期间的电流（I）的电流测量装置或电流表110。尽管图1所示为利用线圈111用电感确定电流，但是也可以使用其它适当的装置来监视电流。在一个实施例中，可以使用感测电阻器配置来确定电流。在一个实施例中，电流测量装置110向SOC监视器106的控制器108提供电流的指示。SOC监视器106还可包括用于确定电池的端电压（Vt）的电压测量装置或电压表112。在一个实施例中，电压测量装置112向SOC监视器106的控制器108提供电压的指示。之后可以将电流测量装置110和电压测量装置112的输出提供给控制器108。控制器108被配置为基于这些测量的值和存储在SOC监视器106的存储器元件114中的值计算SOC。这在下面相对于图4和图5进行了更详细地描述。然后可以将指示当前SOC的一个或更多个信号输出到另一部件122。例如，可以将信号输出到显示器上（或者其它用户接口）或用于存储、传输或显示SOC的指示的任意其它部件上。在一个实施例中，也由一个或更多个温度传感器120监视与电池102相关的温度，温度传感器120提供对电池102的温度的指示。温度传感器120可以监视电池102的温度，电池102附近区域的温度或者其结合。
如上所述，存储器114被配置为存储各个值。参照图2，存储器114存储一个或更多电池参数130。电池参数130可以包括常数、计算的值和确定电池102的SOC所需的其它适当的值。示例性恒定值包括电池（Q）的满充电容量、极化衰变常数（K）、充电/放电效率（γ）以及迟滞衰变常数（μ）。根据电池的类型，可以为放电效率和充电效率指定单独的值。
另外，存储器114存储各种测量值132。示例性测量值包括：电池的充电或放电电流（I），电池的端电压（Vt）以及与电池相关的温度（T）。存储器114还包括一个或更多个数据库，所述数据库基于与电池相关的电流SOC（Sk）值或者基于与电池相关的电流SOC（Sk）值和与电池相关的温度（T）提供另外的电池参数。示例性数据库布置包括值的数组、查询表格以及用于组织数据的其它适当布置。
在示例性实施例中，存储器114包括SOC_T_EMF数据库140、SOC_T_POLARIZATION（SOC_T_极化）数据库142、SOC_T_HYSTERESIS（SOC_T_迟滞）数据库144、SOC_T_RESISTANCE（SOC_T_电阻）数据库146以及SOC_T_GAIN（SOC_T_增益）数据库148。如此处关于图4和图5的处理过程所述的，由SOC监视器106的SOC软件136查询或以其它方式访问数据库140-148。SOC_T_EMF数据库140包括电池的EMF（Ef）的多个值，分别对应于SOC值（Sk）和温度值（T）。SOC软件136利用（Sk）的给定值和给定的温度值（T）查询SOC_T_EMF数据库140并且返回电池的EMF（Ef）的对应值。SOC_T_POLARIZATION数据库142包括电池的极化系数（ep）的多个值，分别对应于SOC值（Sk）和温度值（T）。SOC软件136利用（Sk）的给定值和给定温度值（T）查询SOC_T_POLARIZATION数据库142并且返回电池的极化系数（ep）的对应值。SOC_T_HYSTERESIS数据库144包括电池的迟滞系数（eh）的多个值，分别对应于SOC值（Sk）和温度值（T）。SOC软件136利用（Sk）的给定值和给定温度值（T）查询SOC_T_HYSTERESIS数据库144并且返回电池的迟滞系数（eh）的对应值。SOC_T_RESISTANCE数据库146包括电池的内部电池电阻（R）的多个值，分别对应于SOC值（Sk）和温度值（T）。SOC软件136利用（Sk）的给定值的和给定温度值（T）查询SOC_T_RESISTANCE数据库146并且返回电池的内部电池电阻（R）的对应值。SOC_T_GAIN数据库148包括电池的SOC增益系数（g）的多个值，分别对应于SOC值（Sk）和温度值（T）。SOC软件136利用（Sk）的给定值和给定温度值（T）查询SOC_T_GAIN数据库148并且返回电池的SOC增益系数（g）的对应值。数据库140-148中的值可以实验性地和/或分析性地导出。存储器114可以用作***的工作存储器。也就是说，可以在存储器114中存储SOC、I、Vt或其它感兴趣的值的过去、当前和未来的值，包括中间值或结果。相对于图4和图5详细描述存储器114中的值的使用。一个或更多个数据库140-148可以基于独立于温度的（Sk）的给定值返回相应的值。
参照图3，示出了示例性车辆150。车辆150包括多个地面接合构件152，示例了车轮和和相关的车胎。车辆150的框架154通过地面接合构件152被支撑在地面156以上。车辆推进***160也由地面接合构件152支撑并且可操作地耦接至地面接合构件152中的至少之一，以提供使车辆150相对于地面156运动的动力。车辆推进***160可以由框架154支撑。
在一个实施例中，车辆推进***160包括电动机，电动机在车辆推进总线上从电池***164中接收电能。电动机通过电源变换***可操作地耦接至一个或更多个地面接合构件152。示例性电力变换***包括传动轴和驱动轴。电池***164包括多个电池，诸如用图1中的电池102表示。示例性电池102包括锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、熔盐电池以及其它适合的电池化学物。示例性熔盐电池为可从位于瑞士ViaLaveggio，156855Stabio的FZ SoNick获得的ZEBRA品牌电池。在一个实施例中，以一个或更多个电池组或者组件提供多个电池102。在下述美国专利公开申请中提供了示例性电池和电池组件：于2008年4月16日提交的、题目为具有温度控制装置的电池组件的美国公开专利申请US20080193830A1号；于2008年3月13日提交的、题目为具有集成加热器的电池组组件的美国公开专利申请US20080226969A1号；于2007年11月2日提交的、题目为具有温度控制装置的电池单元的美国公开专利申请US20080299448A1号；以及于2008年3月13日提交的、题目为具有温度控制装置的电池组件的美国公开专利申请US20100273042A1号，上述公开以其全部内容通过引用明确地合并于此。
在示例的实施例中，电池***164为车辆150提供了至少一部分动力。在一个实施例中，车辆推进***160将由电池102提供的电力转换成AC以驱动AC电动机。在一个示例中，电池***164向车辆推进***160至少提供大约200V。在一个示例中，电池***164向车辆推进***160提供多达大约400V。在一个示例中，电池***164向车辆推进***160提供范围为大约240V至大约400V。
车辆150还包括电池管理***168，电池管理***168监视电池***164并且控制电池***164的工作。在一个实施例中，SOC监视器106为电池管理***168的一部分。在一个实施例中，SOC监视器106与电池管理***168分开并且与电池管理***168通信。
车辆150还包括充电***180，充电***180向电池***164提供充电电流。示例性充电***包括用于充电电池***164的发电机，插件连接以及其它适当的装置。
如结合图1所提及的，SOC监视器106可以向远程部件122传输电池的SOC的指示。在图示的图3的示例中，远程部件为车辆150的用户接口190。用户接口190包括一个或更多个输入装置194和一个或更多个输出装置192。示例性输出装置包括用于向车辆150的操作者传输SOC的指示的计量器、显示器、灯光以及其它适当的装置。示例性输入装置194包括用于从车辆150的操作者接收输入的按钮、拨号盘、开关、触摸屏以及其它适当的装置。在一个实施例中，由一个或更多个输出装置192自动地提供SOC的指示。在一个实施例中，响应于由输入装置194中的至少一个接收到的输入由一个或更多个输出装置192提供SOC的指示。
参照图4，示出了SOC监视器106的示例性处理过程200。处理过程200如由框图202表示地开始。在一个实施例中，处理过程200在负载104开始从电池102引出能量时开始。在车辆的情况中，处理过程200可以在车辆点火（key on）时开始。如由框图204所表示的，检索为SOC（Sk）、极化（pk）和迟滞（hk）存储的值或者确定这些值。这些存储的值可以是某些之前为这些参数确定的值。例如，可以从值的数据库中检索这些值。可以为电流SOC（Sk）、极化（pk），和迟滞（hk）选择初始值或默认值。例如，值的适当集合可以指定初始SOC值（Sk）大约等于0.7，初始极化值（pk）大约等于0，并且初始迟滞值（hk）大约等于0。在一个实施例中，初始SOC值（Sk）等于最后存储的SOC值。在车辆150的情况下，最后存储的SOC值为熄火（key off）处的SOC值。
如框206所表示的，测量电池102的端电压（Vt）和放电电流（I）。在图1的图示的实施例中，当电池102向负载104放电（或者由源105充电），分别由部件112和110获得对Vt和I的测量。
在确定了（Sk、pk和hk的）初始值和Vt和I的值以后，可以确定另外的参数，如由框208所表示的。在一个实施例中，确定计算的端电压（Vtc）。然后可以使用计算的端电压（Vtc）和测量的端电压（Vt）之间的差值来调节如此处所讨论的SOC的值。在图5中图示了用于确定计算的端电压（Vtc）的示例性处理过程并在此进行讨论。
参照图5，例示了示例性处理过程300。处理过程300基于Sk的值确定电动势或EMF（Ef）、极化系数（ep）、迟滞系数（eh）、电池（R）的内部电阻和SOC增益系数（g）中的每一个的值。如由框304所表示的和图2所图示的，由控制器108检索用于存储的SOC（Sk）的EMF值（Ef）。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC和电池温度的函数的Ef的值的表格（例如SOC_T_EMF），并且检索对应于SOC值等于Sk且温度值等于T的Ef的值。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC的函数的Ef的值的表格并且检索对应于等于Sk的SOC值的Ef的值。
如由框306所表示的和如图2所例示的，由控制器108检索用于存储的SOC（Sk）的极化系数值（ep）。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC和电池温度的函数的ep的值的表格（例如SOC_T_POLARIZATION），并且检索对应于等于Sk的SOC值和等于T的温度值的ep的值。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC的函数的ep的值的表格，并检索对应于等于Sk的SOC值的ep的值。
如由框308所表示的和如图2所图示的，由控制器108检索存储的SOC（Sk）的迟滞系数值（eh）。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC和电池温度的函数的eh的值的表格（例如SOC_T_HYSTERESIS），并且检索对应于等于Sk的SOC值和等于T的温度值的eh的值。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC的函数的eh的值的表格，并且检索对应于等于Sk的SOC值的eh的值。
如由框310所表示的和图2中所图示的，由控制器108检索存储的SOC（Sk）的内部电阻值（R）。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC和电池温度的函数的R的值的表格（例如SOC_T_RESISTANCE），并且检索对应于等于Sk的SOC值和等于T的温度值的R的值。在一个实施例中，控制器108可以访问存储器114中的包括作为SOC的函数的R的值的表格，并且检索对应于等于Sk的SOC值和温度的R的值。
如由框304-310所表示的，可以分析地或实验地生成由控制器108访问的数据库的值。此外，数据库可以由控制器108本地或远程地存储并且由控制器108通过网络访问。
在一些例子中，Sk的SOC值可以不对应于一个或更多个数据库140-148中的SOC值。在这种情况下，在一个实施例中，控制器108基于在相应的数据库中提供的一个或更多个SOC的值选择待返回的参数值。例如，可以基于Sk和表格中的SOC值以及它们的用于待返回参数的对应值通过插值选择值。可替换地，可以通过使Sk向下一个列表值取整并检索对应值来选择值。还是在另一方法中，可以使用近似方法。也就是说，可以使用与最接近Sk的SOC值相关的值。可以使用其它的示例性方法基于Sk的值确定值。相同的插值和其它的示例性方法还可应用于存储的温度值。
如由框312所表示的，由控制器108确定更新的迟滞值（hk+1）。在一个实施例中，依照等式1确定更新的迟滞值（hk+1）：
hk+1＝ehsign(I)(1-e-|μIδt|)+hke-|μIδt|    （1）
其中hk+1为第k＋1次迭代的迟滞值，eh为迟滞系数，I为电流（充电时为正，放电时为负），μ为迟滞衰变常数，δt为采样时间，hk为第k次迭代的迟滞值，并且sign()为符号函数，当I的值大于零时为1，当I的值小于零时为-1，当I为零时为0。
如由框314所表示的，由控制器108确定更新的极化值（pk+1）。在一个实施例中，根据等式2或等式3依据测量的电流（I）的值确定更新的极化值（pk+1）。
pk+1＝epsign(I)(1-e-Kδt)+pke-Kδt对于|I|＞current limit 1    （2）
pk+1＝pke-Kδt对于|I|≤current limit 1    （3）
其中pk+1为第k＋1次迭代的极化值，ep为极化系数，I为电流（充电时为正，放电时为负），K为极化衰变常数，δt为采样时间，pk为第k次迭代的极化值，并且sign()为符号函数，当I的值大于零时为1，当I的值小于零时为-1，当I为零时为0。电流限制1为电池的C-rate（充电率）电流的分数。在一个示例中，电流限制1的值为大约1C的百分之二至大约1C的百分之三。例如，1C对于某些电池为15A并且电流限制1可以选择为0.4A。在这种电流限制下，充电/放电非常小并且可以忽略。
如由框314所表示的，由控制器108确定计算的端电压（Vtc）。在一个实施例中，依照等式4确定计算的端电压（Vtc）：
Vtc＝Ef+RI+hk+pk    （4）
其中Vtc为计算的端电压，Ef为电动势值，R为内部电阻值，I为电流（充电时为正，放电时为负），hk为第k次迭代的迟滞值，并且pk为第k次迭代的极化值。
返回到图4，可以基于计算的端电压（Vtc）和测量的端电压（Vt）确定SOC的更新的值。由控制器108检索SOC增益系数值（g），如由框图210所表示的。在一个实施例中，由控制器108从SOC_T_GAIN数据库148检索SOC增益系数值（g）。可以确定调节的SOC值（Ska），如由框212表示的。在一个实施例中，依据等式5确定调节的SOC值（Ska）：
Ska＝Sk+g(Vt-Vtc)    （5）
其中Ska为第k次迭代的调节的SOC值，Sk为第k次迭代的SOC值，g为SOC增益系数值，Vt为测量的端电压值并且Vtc为计算的端电压值。
可以确定更新的SOC值（Sk+1），如由框214所表示的。在一个实施例中，根据等式6确定更新的SOC值（Sk+1）：
S k + 1 = S ka + γ Iδt Q - - - ( 6
其中Sk+1为对应于第k＋1次迭代的更新的SOC值，Ska为的k次迭代的调节的SOC值，γ为充电和放电的效率值（充电和放电期间可以不同），I为电流值（充电时为正，放电时为负），Q为电池***的满充容量值，并且δt为采样时间间隔。
可以由控制器108将Sk+1或Ska记录为SOC值。控制器108然后可以将k+1迭代的值存储为新的k迭代值并确定k+1迭代的下一值。
图6为用于执行指令集的计算机***400的示意图，在执行指令时，可以使得计算机***执行一个或更多个上述方法、处理过程以及程序。在一个实施例中，计算机***400作为独立的装置工作。在一个实施例中，计算机***400可以（例如使用网络）连接到其它的计算装置。在网络开发中，计算机***400可以在服务器－客户的网络环境中以服务器或客户机的能力工作，或者在对等（或分配）网络环境中作为对等机工作。
机器可以包括各种类型的计算***和装置，包括服务器计算机、客户用户计算机、个人计算机（PC）、平板计算机、膝上型计算机、台式计算机、控制***、网络路由器、开关或电桥，或者能够执行指定由该装置采取的行为的指令集（顺序的或者以其它方式）的任意其它装置。应该理解的是：本公开的装置还包括提供声音、视频或数据通信的任意电子装置。此外，尽管图示了单个计算机，但是短语“计算机***”应该理解为包括独立地或结合地执行一组（或多组）指令以实施此处所述的一个或更多个的方法的计算装置的任意集合。
计算机***400可以包括处理器402（诸如中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）或二者）、主存储器404和静态存储器406，它们经由总线408彼此通信。计算机***400可进一步包括显示单元410，诸如视频显示器（例如，液晶显示器或LCD）、平板显示器、固态显示器或者阴极射线管（CRT））。计算机***400可以包括字母输入装置412（例如，键盘），光标控制装置414（例如，鼠标）、磁盘驱动单元416、信号发生装置418（例如，扬声器或远程控制）以及网络接口装置420。
磁盘驱动单元416可以包括存储有一个或更多个的指令集424（例如，软件代码）的计算机可读介质422，其被配置为实施此处所述的一个或更多个的方法、程序或函数。在由计算机***400执行指令期间，指令424可以完全或至少部分地驻留在主存储器40、静态存储器406和/或在处理器402中。主存储器404和处理器402也可以由机器可读的介质构成。
专门的硬件实施例包括但不限于应用程序特定的集成电路，程序逻辑数组和其它硬件装置，可以同样地构成为实施此处所述的方法或处理过程。可包括此处所述的各个实施例的设备和***的应用程序广泛地包括多种电子和计算机***。一些实施例以两种以上的特定的相互连接的硬件模块或装置实施功能，在所述模块之间或通过模块通信相关的控制和数据信号，或者作为应用程序特定的集成电路的部分。因此，示例性***可应用于软件、固件和硬件实施。
依照本公开的各种实施例，此处公开的方法可以作为软件程序存储在计算机可读介质中，并且可以被配置为在计算机处理器上运行。而且，软件实施可以包括但不限于分布式处理、部件/对象分布式处理、并行处理、虚拟机处理，其可以构成为实施例此处所述的方法。
本公开考虑计算机可读介质包含指令424或者其接收并执行来自传播的信号的指令424，从而连接到网络环境426的装置可以发送或接收数据并且可以通过网络426利用指令424通信。可以通过网络426经由网络接口装置420进一步传输或接收指令424。
尽管在示例性实施例中示出了计算机可读介质422为单个的存储介质，但是通常应当使得术语“计算机可读介质”包括存储一个或更多个的指令集的单个介质或多个介质（例如，集中式或分布式数据库，和/或相关缓存和服务器）。应当使得术语“计算机可读介质”包括能够存储、编码或携带由机器执行并且使得机器实施本公开的任意一个或更多个的方法的指令集的任意介质。
因此，应当使得术语“计算机可读介质”包括但不限于：固态存储器，诸如存储器卡或者容纳一个或更多个的可读（永久）存储器、随机存取存储器、或者其它可重写（可变）存储器的其它组件；诸如磁盘或磁带的磁光或光介质；以及包括用于携带诸如包含计算机指令的信号的载波信号的有形传输介质的装置；和/或附到邮件或其它自包含信息的文档或文档组（被认为是等同于有形存储介质的分布式介质）的数字化文件附件。因此，本公开被认为包括任意一个或更多个的计算机可读介质或分布式介质，如此处所列出的，并且包括公认的等价物和后续介质，此处的软件实施存储于其中。
将所公开的处理过程与电池***的观测的SOC值对比。可使用来自位于印第安纳波利斯的EnerDel的A306电池单元，用混合脉冲功率特性测试（“HPPC”）过程和其它测试周期测试印第安纳。
HPPC测试包括在每10%放电深度（DOD）增量处实施的放电序列和重生（regen）脉冲，在每个增量处具有以开路一小时休息以确保电池电化学平衡。在小时休息后确定开路电压。此外，在整个测试中，在整个测试中监视电池电流（I）和端电压（Vt）被以提供所公开的处理过程的输入。
参照表格I-III，所公开的处理过程与观测的SOC值对比。在表格I-III中的每个的列（A），提供A306电池单元的观测的SOC。基于A306电池单元的测量的开路电压（OCV）确定观测的SOC。在列（B）-（D）中，提供由所公开的处理过程确定的SOC值。列（B）提供在相应的放电间隔之后一小时期间确定的最大SOC值。列（C）提供在相应的放电间隔之后一小时期间确定的最小SOC值。列（D）提供在放电间隔之后的一小时处确定的SOC值。
表格I
HPPC测试，腔室温度-20C（A306单元）
表格II
HPPC测试，腔室温度15C（A306单元）
Figure BDA00002289050400152
Figure BDA00002289050400161
表格III
HPPC周期，腔室温度40C（A306单元）
Figure BDA00002289050400162
Figure BDA00002289050400171
在一个实施例中，所公开的处理过程具有大约观测数据的百分之三的绝对误差。在一个实施例中，所公开的处理过程具有观测数据的最多大约百分之三的绝对误差。
尽管本发明已经描述为具有示例性的设计，但是本发明可以在本公开的精神和范围内进一步做出修改。因此，本申请旨在利用其通用的原理覆盖本发明的任意变化、使用或适应性改变。此外，本申请旨在覆盖在本发明所属的领域中公知或惯例内发生的与本公开的这些偏离并且其将落入所附的权利要求的限制内。

Claims (41)

1.一种用于监视连接到负载的电池的充电状态（SOC）的方法，所述方法包括：
用电子控制器确定对所述电池的SOC的估计；
测量所述电池的端电压；
测量所述电池的电流；
用电子控制器从包括至少一个电池参数的多个值的数据库中确定所述至少一个电池参数的第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的所述SOC的所述估计；
用所述电子控制器确定所述电池的计算的端电压；以及
用所述电子控制器至少基于所述至少一个电池参数的所述第一值、所述测量的端电压以及所述计算的端电压确定对所述电池的所述SOC的更新的估计。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括测量与所述电池相关的温度的步骤，其中所述至少一个电池参数的所述第一值还基于与所述电池相关的所述温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述电池的所述计算的端电压的步骤包括步骤：
确定所述电池的更新的极化值；
确定所述电池的更新的迟滞值；
确定所述电池的电动势值；
确定所述电池的内部电阻值；以及
至少基于所述电池的所述确定的更新的极化值、所述电池的所述确定的更新的迟滞值、所述电池的所述确定的电动势值以及所述电池的所述确定的内部电阻值来确定所述电池的所述计算的端电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述计算的端电压是基于关系Vtc＝Ef+RI+hk+pk确定的，其中Vtc为计算的端电压，Ef为所述电池的确定的电动势值，R为所述电池的确定的内部电阻值，I为所述电池的测量的电流，hk为所述电池的确定的迟滞值，以及pk为所述电池的确定的极化值。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述电池的确定的更新的迟滞值是基于关系hk+1＝ehsign(I)(1-e-|μIδt|)+hke-|μIδt|确定的，其中hk+1为确定的更新的迟滞值，eh为迟滞系数，μ为迟滞衰变常数，δt为采样时间，以及hk为所述电池的先前的迟滞值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述迟滞系数为所述至少一个电池参数，并且所述迟滞系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述电池的确定的更新的极化值是基于关系pk+1＝epsign(I)(1-e-Kδt)+pke-Kδt确定的，其中pk+1为所述电池的所述更新的极化值，ep为极化系数，K为极化衰变常数，δt为采样时间，以及pk为先前的极化值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述极化系数为所述至少一个电池参数，并且所述极化系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
9.根据权利要求3所述的方法，其中所述确定的电动势为所述至少一个电池参数，并且所述确定的电动势的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
10.根据权利要求3所述的方法，其中所述确定的内部电阻为所述至少一个电池参数，并且所述确定的内部电阻的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
11.根据权利要求1所述的方法，其中对所述电池的SOC的所述更新的估计是基于关系Ska＝Sk+g(Vt-Vtc)确定的，其中Ska为对所述电池的SOC的所述更新的估计，Sk为对所述电池的SOC的所述估计，g为SOC增益系数值，Vt为所述测量的端电压值，并且Vtc为所述计算的端电压值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述SOC增益系数为所述至少一个电池参数并且所述SOC增益系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
13.根据权利要求1所述的方法，其中对所述电池的SOC的更新的估计是基于关系
Figure FDA00002289050300031
确定的，其中Sk+1为对所述电池的SOC的更新的估计，Sk为对所述电池的SOC的估计，g为SOC增益系数值，Vt为测量的端电压值，Vtc为计算的端电压值，γ为所述电池的效率值，I为测量的电流值，Q为所述电池的满充容量值，并且δt为采样时间间隔。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述SOC增益系数为所述至少一个电池参数并且所述SOC增益系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
15.一种用于监视连接到负载的电池***的充电状态（SOC）的***，所述***包括：
至少一个测量元件，被配置为在采样时间期间测量所述电池***的端电压和电流；
存储元件，被配置为至少存储对所述电池的SOC的估计、所述电池的测量的端电压、所述电池的测量的电流以及至少一个电池参数的多个值，所述至少一个电池参数的所述多个值涉及所述电池的SOC的多个值；以及
处理元件，可操作地耦接至所述测量元件和所述存储元件，所述处理元件被配置为：
确定所述电池的计算的端电压；以及
至少基于所述至少一个电池参数的所述多个值的第一值、所述测量的端电压以及所述计算的端电压确定对所述电池的SOC的更新的估计，所述第一值对应于对所述电池的SOC的所述估计。
16.根据权利要求15所述的***，其中所述至少一个测量元件进一步被配置为测量与所述电池相关的温度，并且所述至少一个电池参数的所述第一值进一步基于与所述电池相关的所述温度。
17.根据权利要求15所述的***，其中所述处理元件通过包括下面的步骤的处理过程确定所述电池的所述计算的端电压：
确定所述电池的更新的极化值；
确定所述电池的更新的迟滞值；
确定所述电池的电动势值；
确定所述电池的内部电阻值；以及
至少基于所述电池的确定的更新的极化值、所述电池的确定的更新的迟滞值、所述电池的确定的电动势以及所述电池的所述确定的内部电阻值来确定所述电池的计算的端电压。
18.根据权利要求17所述的***，其中所述处理元件基于关系Vtc＝Ef+RI+hk+pk确定所述电池的计算的端电压，其中Vtc为计算的端电压，Ef为所述电池的所述确定的电动势值，R为所述电池的所述确定的内部电阻值，I为所述电池的测量的电流，hk为所述电池的所述确定的迟滞值，并且pk为所述电池的所述确定的极化值。
19.根据权利要求17所述的***，其中所述处理元件确定所述电池的确定的更新的迟滞值是基于关系hk+1＝ehsign(I)(1-e|μIδt|)+hke-|μIδt|确定的，其中hk+1为确定的更新的迟滞值，eh为迟滞系数，μ为迟滞衰变常数，δt为采样时间，并且hk为所述电池的先前的迟滞值。
20.根据权利要求19所述的***，其中所述迟滞系数为所述至少一个电池参数，并且所述迟滞系数的值为所述至少一个电池参数的所述多个值的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
21.根据权利要求17所述的***，其中所述处理元件基于关系pk+1＝epsign(I)(1-e-Kδt)+pke-Kδt确定所述电池的确定的更新的极化值，其中pk+1为所述电池的更新的极化值，ep为极化系数，K为极化衰变常数，δt为采样时间，并且pk为先前的极化值。
22.根据权利要求21所述的***，其中所述极化系数为所述至少一个电池参数，并且所述极化系数的值为所述至少一个电池参数的所多个值的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
23.根据权利要求17所述的***，其中所述确定的电动势为所述至少一个电池参数，并且所述确定的电动势的值为所述至少一个电池参数的多个值的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
24.根据权利要求17所述的***，其中所述确定的内部电阻为所述至少一个电池参数，并且所述确定的内部电阻的值为所述至少一个电池参数的多个值的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
25.根据权利要求15所述的***，其中对所述电池的SOC的所述更新的估计是由所述处理元件基于关系Ska＝Sk+g(Vt-Vtc)确定的，其中Ska为对所述电池的SOC的所述更新的估计，Sk为对所述电池的SOC的所述估计，g为SOC增益系数值，Vt为所述测量的端电压值，并且Vtc为所述计算的端电压值。
26.根据权利要求25所述的***，其中所述SOC增益系数为所述至少一个电池参数，并且所述SOC增益系数的值为所述至少一个电池参数的多个值的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
27.根据权利要求15所述的***，其中对所述电池的SOC的所述更新的估计是由所述处理元件基于关系
Figure FDA00002289050300051
确定的，其中Sk+1为对所述电池的SOC的所述更新的估计，Sk为对所述电池的SOC的所述估计，g为SOC增益系数值，Vt为所述测量的端电压值，Vtc为所述计算的端电压值，γ为所述电池的效率值，I为所述测量的电流值，Q为所述电池的满充容量值，并且δt为采样时间。
28.根据权利要求27所述的***，其中所述SOC增益系数为所述至少一个电池参数，并且所述SOC增益系数的值为所述至少一个电池参数的多个值的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
29.一种计算机可读介质，包括涉及监视连接到负载的电池的充电状态（SOC）的多个指令，所述多个指令能够由电子控制器执行以执行步骤：
确定对所述电池的SOC的估计；
从包括至少一个电池参数的多个值的数据库中确定所述至少一个电池参数的第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计；
确定所述电池的计算的端电压；以及
至少基于所述至少一个电池参数的所述第一值、测量的端电压和所述计算的端电压确定对所述电池的SOC的更新的估计。
30.根据权利要求29所述的计算机可读介质，其中确定所述电池的所述计算的端电压的步骤包括步骤：
确定所述电池的更新的极化值；
确定所述电池的更新的迟滞值；
确定所述电池的电动势值；
确定所述电池的内部电阻值；以及
至少基于所述电池的确定的更新的极化值、所述电池的确定的更新的迟滞值、所述电池的确定的电动势以及所述电池的确定的内部电阻值来确定所述电池的所述计算的端电压。
31.根据权利要求30所述的计算机可读介质，其中所述计算的端电压是基于关系Vtc＝Ef+RI+hk+pk确定的，其中Vtc为所述计算的端电压，Ef为所述电池的确定的电动势值，R为所述电池的确定的内部电阻值，I为所述电池的测量的电流，hk为所述电池的确定的迟滞值，并且pk为所述电池的确定的极化值。
32.根据权利要求30所述的计算机可读介质，其中所述电池的所述确定的更新的迟滞值是基于关系hk+1＝ehsign(I)(1-e|μIδt|)+hke-|μIδt|确定的，其中hk+1为所述确定的更新的迟滞值，eh为迟滞系数，μ为迟滞衰变常数，δt为采样时间，并且hk为所述电池的先前的迟滞值。
33.根据权利要求32所述的计算机可读介质，其中所述迟滞系数为所述至少一个电池参数，并且所述迟滞系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
34.根据权利要求30所述的计算机可读介质，其中所述电池的所述确定的更新的极化值是基于关系pk+1＝epsign(I)(1-e-Kδt)+pke-Kδt确定的，其中pk+1为所述电池的更新的极化值，ep为极化系数，K为极化衰变常数，δt为采样时间，并且pk为先前的极化值。
35.根据权利要求34所述的计算机可读介质，其中所述极化系数为所述至少一个电池参数，并且所述极化系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
36.根据权利要求30所述的计算机可读介质，其中所述确定的电动势为所述至少一个电池参数，并且所述确定的电动势的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
37.根据权利要求30所述的计算机可读介质，其中所述确定的内部电阻为所述至少一个电池参数，并且所述确定的内部电阻的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
38.根据权利要求29所述的计算机可读介质，其中对所述电池的SOC的所述更新的估计是基于关系Ska＝Sk+g(Vt-Vtc)确定的，其中Ska为对所述电池的SOC的所述更新的估计，Sk为对所述电池的SOC的所述估计，g为SOC增益系数值，Vt为测量的端电压值，以及Vtc为计算的端电压值。
39.根据权利要求38所述的计算机可读介质，其中所述SOC增益系数为所述至少一个电池参数，并且所述SOC增益系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
40.根据权利要求29所述的计算机可读介质，其中对所述电池的SOC的所述更新的估计是基于关系
Figure FDA00002289050300071
确定的，其中Sk+1为对所述电池的SOC的所述更新的估计，Sk为对所述电池的SOC的所述估计，g为SOC增益系数值，Vt为测量的端电压值，Vtc为计算的端电压值，γ为所述电池的效率值，I为测量的电流值，Q为所述电池的满充容量值，以及δt为采样时间间隔。
41.根据权利要求40所述的计算机可读介质，其中所述SOC增益系数为所述至少一个电池参数，并且所述SOC增益系数的值为来自包括所述至少一个电池参数的多个值的所述数据库中的所述第一值，所述至少一个电池参数的所述第一值基于对所述电池的SOC的所述估计。
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