CN110651194B - 用于估计电池的soc的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于估计电池的充电状态(SOC)的装置，包括：感测单元，其被配置为测量电池的电压、电流和温度；处理器，其可操作地耦合到感测单元，并且处理器执行：基于根据电池的电压的第一SOC来设置第一参考电压，该第一SOC是使用在电池的每个充电/放电周期测量的电池的电流来预先计算的；使用与电池对应的等效电路模型，计算根据电池的电压的第二SOC；基于第一参考电压将电池的电压区域设置为第一电压区域和第二电压区域；以及，将第一电压区域和第二电压区域中的每一个中的电池的SOC估计为第一SOC和第二SOC中的任何一个。

Description

用于估计电池的SOC的装置和方法
技术领域
本申请要求于2017年10月20日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2017-0136781的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
本公开涉及一种用于估计电池的充电状态(SOC)的装置和方法，更具体地，涉及一种通过使用针对电池的每个充电/放电周期计算的第一SOC和使用等效电路模型计算的第二SOC来估计电池的SOC的装置和方法。
背景技术
近来，对诸如笔记本电脑、摄像机和便携式电话的便携式电子产品的需求急剧增加，并且已经热切地开发了电动车辆、能量存储电池，机器人、卫星等。因此，正在积极研究允许重复充电和放电的电池。
目前市售的电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂电池等。其中，锂电池因其与镍基电池相比几乎没有记忆效果并且还具有非常低的自放电率和高能量密度而备受关注。
使用和管理电池中的一个重要参数是充电状态(SOC)。SOC是表示当前容量与表示当电池完全充电时存储在电池中的电能的最大容量的相对比率的参数。SOC可以被表达为0至1或0％至100％。
等效电路模型代表性地被用于估计电池的SOC。
等效电路模型被设计为模拟电池的电气操作特性。然而，电池具有取决于操作条件的非线性特性，并且很难设计等效电路模型以完美地模拟电池的非线性特性。
因此，当使用等效电路模型估计电池的SOC时，根据要估计的电池的操作状态在特定电压区域中估计具有非线性的SOC。因此，降低了电池的估计SOC的精度。
发明内容
技术问题
本公开被设计为解决相关技术的问题，因此本公开旨在提供一种用于估计电池的SOC的装置和方法，其将具有针对电池的每个充电/放电周期计算的第一SOC的最小SOC偏差的电池电压设置为第一参考电压，将等于或低于第一参考电压的电池电压区域中的电池的SOC估计为第一SOC，并将高于第一参考电压的电池电压区域中的电池的SOC估计为使用等效电路模型计算的第二SOC。
本公开的这些和其他目的和优点可以从以下详细描述中理解，并且根据本公开的示例性实施例将变得更加明显。而且，将容易理解的是，本公开的目的和优点可以通过所附权利要求中示出的装置及其组合来实现。
技术解决方案
在本公开的一个方面，提供了一种用于估计电池的充电状态(SOC)的装置，包括：感测单元，其被配置为测量电池的电压、电流和温度；处理器，其可操作地耦合到感测单元。
优选地，处理器可以被配置为执行：基于根据电池的电压的第一SOC来设置第一参考电压，该第一SOC是使用在电池的每个充电/放电周期测量的电池的电流来预先计算的；使用与电池对应的等效电路模型计算根据电池的电压的第二SOC；基于第一参考电压将电池的电压区域设置为第一电压区域和第二电压区域；以及，将第一电压区域和第二电压区域中的每一个中的电池的SOC估计为第一SOC和第二SOC中的任何一个。
优选地，处理器可以执行：在电池的每个电压下计算每个充电/放电周期的第一SOC的SOC偏差；并使用SOC偏差设置第一参考电压。
优选地，处理器可以将SOC偏差最小的电池的电压设置为第一参考电压。
优选地，处理器可以执行：将等于或低于第一参考电压的电池的电压区域设置为第一电压区域；并且，将高于第一参考电压的电池的电压区域设置为第二电压区域。
优选地，处理器可以将第一电压区域中的电池的SOC估计为第一SOC当中的在初始充电/放电周期计算的第一SOC。
优选地，处理器可以将第二电压区域中的电池的SOC估计为第二SOC。
优选地，处理器可以执行：计算根据第二SOC的电池的电压改变率；并基于电压改变率的增加和减小来设置第二参考电压。
优选地，处理器可以将电压改变率在其处增加然后减小或减小然后增加的电池的电压设置为第二参考电压。
优选地，处理器可以执行：将等于或低于第一参考电压的电池的电压区域设置为第一电压区域；将高于第二参考电压的电压区域设置为第二电压区域；并且，进一步将高于第一参考电压并且等于或低于第二参考电压的电压区域设置为第一电压区域。
根据本公开的电池组可以包括用于估计电池的SOC的装置。
有益效果
根据本公开，可以通过将在使用等效电路模型计算的第二SOC被线性计算的电压区域中的电池的SOC估计为第二SOC，并且通过将在第二SOC被非线性地计算的电压区域中的电池的SOC估计为通过充电/放电实验计算的第一SOC，来精确地估计电池的SOC。
附图说明
以下附图说明了本公开的优选实施例，并且与前述公开一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，因此，本公开不应被解释为限于附图。
图1是示出根据本公开的实施例的用于估计电池的SOC的装置(在下文中，也被称为电池SOC估计装置)的图。
图2是示出用于图1所描绘的电池SOC估计装置以设置第一参考电压的“每个充电/放电周期的开路电压(OCV)和第一SOC的查找表”的示例的图。
图3是示出用于图1中所描绘的电池SOC估计装置以计算第二SOC的“每个温度的OVC和第一SOC的查找表”的示例的图。
图4是示出图2中所描绘的“每个充电/放电周期的OCV和第一SOC的查找表”的曲线图。
图5是示出根据电压的由图1中所描绘的电池SOC估计装置计算的第二SOC的曲线图。
图6和图7是与图1中所描绘的电池SOC估计装置设置第一参考电压、第二参考电压、第一电压区域、和第二电压区域，并估计第一SOC和第二SOC作为电池的SOC的过程相关的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应当理解，说明书和所附权利要求中使用的术语不应被解释为限于一般和词典含义，而是基于发明人为了最佳解释而被允许以合适地限定术语的原则，基于对应于本公开的技术方面的含义和概念来解释。
因此，本文提出的描述仅是用于说明目的的优选示例，并非旨在限制本公开的范围，因此应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下可以对其进行其他等同和修改。
另外，在描述本公开时，当认为相关已知元件或功能的详细描述使得本公开的关键主题模糊时，在本文省略详细描述。
包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语可用于区分各种元件当中的一个元件与另一元件，但不旨在通过术语限制元件。
在整个说明书中，当一部分被称为“包括”或“包含”任何元件时，这意味着除非另外特别说明，该部分在不排除其他元件的情况下可以进一步包括其他元件。此外，说明书中描述的术语“控制单元”意指处理至少一个功能或操作的单元，并且可以通过硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。
另外，在整个说明书中，当一部分被称为“连接”到另一部分时，它不限于它们“直接连接”的情况，而是还包括它们与插在它们之间的另一元件“间接连接”的情况。
图1是示出根据本公开的实施例的用于估计电池的SOC的装置(在下文中，也被称为电池SOC估计装置)的图。
参见图1，根据本公开的实施例的电池SOC估计装置100被包括在具有电池B的电池组1中，并且可以连接到电池B以估计电池B的SOC。
为此，电池SOC估计装置100可以包括感测单元110、存储器单元120和处理器130。
电池B是从其估计SOC的最小单元电池，并且包括串联和/或并联电气连接的多个单元单体。电池B仅包括一个单元单体的情况也包括在本公开的范围内。
单元单体没有特别限制，只要其能够被重复充电和放电即可。例如，单元单体可以是袋型锂聚合物电池。
电池B可以通过外部端子电气耦合到各种外部设备。外部设备可以是例如电动车辆、混合动力电动车辆、诸如无人机的无人驾驶车辆、包括在电网中的大容量电力存储***(ESS)、或移动设备。在这种情况下，电池B可以包括安装到外部设备的模块化电池组中包括的一些或全部单元单体。
电池B的外部端子可以选择性地耦合到充电设备。充电设备可以通过电池B安装到的外部设备的控制选择性地耦合到电池B。
感测单元110可操作地耦合到处理器130。即，感测单元110可以连接到处理器130以将电气信号发送到处理器130或者从处理器130接收电气信号。
感测单元110可以以预设周期重复测量施加在电池B的正电极和负电极之间的电压以及流入或流出电池B的电流，并向处理器130提供指示测量的电压和电流的测量信号。
感测单元110包括被配置为测量电池B的电流的电流传感器。另外，感测单元110还可以包括被配置为测量电池B的电压的电压传感器。此外，感测单元110还可以包括被配置为测量电池B的温度的温度传感器。
如果从感测单元110接收到测量信号，则处理器130可以通过信号处理分别确定电池B的电压、温度和电流的数字值，并且然后将数字值存储在存储器单元120中。
存储器单元120是记录、擦除和更新由处理器130产生的数据的半导体存储设备，并且存储用于估计电池B的SOC的多个程序代码。另外，存储器单元120可以存储用于实现本公开的各种预定参数的预设值。
图2是示出用于图1所描绘的电池SOC估计装置以设置第一参考电压的“每个充电/放电周期的开路电压(OCV)和第一SOC的查找表”的示例的图，并且图3是示出用于图1中所描绘的电池SOC估计装置以计算第二SOC的“每个温度的OVC和第一SOC的查找表”的示例的图。
进一步参见图2和图3，存储器单元120可以根据电池B的电压存储第一SOC，其使用针对电池B的每个充电/放电周期测量的电池B的电流预先计算。更具体地，如图2中所示，存储器单元120可以存储使用通过电池B的充电/放电实验在每个充电/放电周期测量的电池B的充电/放电电流和充电/放电时间以及电池B的最大容量来预先计算的第一SOC。此时，存储器单元120可以存储“每个充电/放电周期的OCV和第一SOC的查找表”，其中对应于第一SOC的电池B的电压与其映射。
另外，如图3所示，存储器单元120可以存储由稍后说明的处理器130使用的“每个温度的OCV-SOC查找表”，以计算电池B的第二SOC。在“每个温度的OCV-SOC查找表”中，可以在电池B的每个温度下映射与电池B的SOC对应的电池B的电压。
存储器单元120可以不受特别限制，只要它是本领域中已知的能够记录、擦除和更新数据的半导体存储器元件即可。例如，存储器单元120可以是DRAM、SDRAM、闪存、ROM、EEPROM、寄存器等。另外，存储器单元120还可以包括存储介质，其存储定义处理器130的控制逻辑的程序代码。存储介质包括诸如闪存或硬盘的非易失性存储元件。存储器单元120可以在物理上与处理器130分离，或者可以与处理器130集成。
再次参见图1，处理器130可以可操作地耦合到感测单元110。处理器130可以基于使用在电池B的每个充电/放电周期测量的电池B的电流预先计算的、根据电池B的电压的第一SOC来设置第一参考电压。另外，处理器130可以使用与电池B对应的等效电路模型计算根据电池B的电压的第二SOC。此外，处理器130可以基于第一参考电压将电池B的电压区域设置为第一电压区域和第二电压区域，并且在第一电压区域和第二电压区域中的每一个处将电池B的SOC估计为第一SOC和第二SOC中的任何一个。
处理器130可以经由通信端子COM将指示所估计的SOC的消息发送到外部设备。
处理器130可以选择性地包括专用集成电路(ASIC)、另一芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器和数据处理设备。可以组合处理器130可执行的各种控制逻辑中的至少一个，并且将组合的控制逻辑写入计算机可读代码***中并记录在计算机可读记录介质上。记录介质没有限制，只要它能够被包括在计算机中的处理器130访问即可。作为一个示例，记录介质包括从由ROM、RAM、寄存器、CD-ROM、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备组成的组中选择的至少一个。另外，代码***可以被调制成载波信号并在特定时刻存储在通信载波中，并且可以以分布式方式在通过网络连接的计算机上存储和执行。此外，用于实现组合的控制逻辑的功能程序、代码和段可以由本公开所属的技术领域中的程序员容易地推断。
在下文中，将描述其中处理器130基于电池B的第一SOC设置第一参考电压并基于设置的第一参考电压设置第一电压区域和第二电压区域的处理。
图4是示出图2中所描绘的“每个充电/放电周期的OCV和第一SOC的查找表”的曲线图。
进一步参见图4，处理器130可以基于电池B的第一SOC设置第一参考电压。
这里，可以使用通过电池B的充电/放电实验在每个充电/放电周期测量的电池B的充电/放电电流和充电/放电时间以及电池B的最大容量来预先计算电池B的第一SOC，并且将电池B的第一SOC存储在存储器单元120中。另外，如上所述，电池B的第一SOC可以映射到电池B的对应电压并被存储在存储器单元120中作为“每个充电/放电周期的OCV和第一SOC的查找表”。
如图4所示，“每个充电/放电周期的OCV和第一SOC的查找表”的数据可以被表达为用于每个充电/放电周期的OCV-SOC，其中X轴表示第一SOC，Y轴表示OCV。
此时，处理器130可以在电池B的每个电压下计算每个充电/放电周期的第一SOC的SOC偏差，并且使用SOC偏差设置第一参考电压。
例如，如果相对于电压“3V”针对每个充电/放电周期计算第一SOC的SOC偏差，则处理器130可以从存储器单元120读取分别在第一至第n充电/放电周期的每一个对应于电池B的电压“3V”的电池B的第一SOC。
之后，处理器130可以基于在第一充电/放电周期对应于电池B的电压“3V”的电池B的第一SOC来计算在其他第二至第n充电/放电周期对应于电池B的电压“3V”的电池B的第一SOC的偏差作为SOC偏差。
此时，处理器130可以使用下面的等式1来计算SOC偏差。
<等式1>
Figure GDA0002271194610000101
这里，Dv表示相对于电池B的电压“V”的SOC偏差，SOC1nV表示在第n充电/放电周期对应于电池B的电压“V”的电池B的第一SOC，并且n表示总充电/放电周期次数。
如上所述，处理器130可以相对于电池B的所有电压区域在电池B的每个电压下计算每个充电/放电周期的第一SOC之间的SOC偏差。
之后，处理器130可以将作为针对电池B的每个电压计算的SOC偏差当中最小的电池B的电压设置为第一参考电压。
同时，处理器130可以基于设置的第一参考电压将电池B的电压区域设置为第一电压区域和第二电压区域。更具体地，处理器130可以将等于或低于第一参考电压的电池B的电压区域设置为第一电压区域，并且将高于第一参考电压的电压区域设置为第二电压区域。
例如，如图4中所示，如果在电池B的每个电压下计算的SOC偏差当中的最小值是在电池B的电压“3.6V”下计算的，则处理器130可以将电池B的电压“3.6V”设置为第一参考电压。
之后，处理器130可以将等于或低于第一参考电压“3.6V”的电池B的电压区域设置为第一电压区域，并且将高于第一参考电压“3.6V”的电压区域设置为第二电压区域。
在下文中，将描述处理器130计算电池B的第二SOC并设置第二参考电压的处理。
图5是示出根据电压的由图1中所描绘的电池SOC估计装置计算的第二SOC的曲线图。
进一步参见图5，处理器130可以使用等效电路模型计算根据电池B的电压的第二SOC。更具体地，处理器130可以将电池B的电压行为建模为OCV、内部电阻和电阻器-电容器并联电路串联连接的等效电路，并使用线性或非线性函数和其中等效电路模型的因子被用作变量的电流积分方法来计算第二SOC。
还可以使用除电流积分方法之外的方法来计算电池B的第二SOC。例如，处理器130可以基于卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器使用从感测单元110接收的电池B的电压、电流和温度的测量信号来计算电池B的第二SOC。作为另一示例，处理器130可使用状态反馈滤波器和观察反馈滤波器来计算电池B的第二SOC。
这里，电池B的第一SOC是通过充电/放电实验计算的数据并且被预先存储在存储器单元120中。同时，电池B的第二SOC可以是使用电气模拟电池B的等效电路模型的当前电池B的测量信号来计算的数据。
同时，处理器130可以针对电池B的整个电压区域计算第二SOC。如图5中所示，电池B的SOC可以被表达为贯穿电池B的整个电压区域的OCV-SOC曲线图，其中X轴表示第二SOC，Y轴表示OCV。
在下文中，将描述处理器130在第一电压区域和第二电压区域的每一个中估计电池B的SOC的过程。
图6和图7是与图1中所描绘的电池SOC估计装置设置第一参考电压、第二参考电压、第一电压区域、和第二电压区域，并估计第一SOC和第二SOC作为电池的SOC的处理相关的曲线图。
进一步参见图6和7，处理器130可以将第一电压区域中的电池B的SOC估计为电池B的第一SOC，并且将第二电压区域中的电池B的SOC估计为电池B的第二SOC。
换句话说，如图6中所示，处理器130可以将第一电压区域中的电池B的SOC估计为通过充电/放电实验针对每个充电/放电周期计算的电池B的第一SOC当中的电池B的初始SOC，即在第一充电/放电周期中计算的电池B的第一SOC。
另外，处理器130可以将第二电压区域中的电池B的SOC估计为使用等效电路模型实时计算的电池B的第二SOC。
同时，处理器130可以计算对应于电池B的第二SOC而改变的电池B的电压改变率，并且基于计算的电压改变率的增加和减小来设置第二参考电压。
更具体地，处理器130可以计算对应于电池B的第二SOC而改变的电池B的电压改变率，并且将在其处所计算的电压改变率从正值改变为负值或从负值改变为正值的电池B的电压设置为第二参考电压。
例如，如图5所示，处理器130可以将在其处电池B的电压改变率从负值改变为正值的电池B的电压“3.8V”设置为第二参考电压。
如果设置了第二参考电压，则处理器130可以使用第一参考电压和第二参考电压来设置第一电压区域和第二电压区域。更具体地，处理器130可以将等于或低于第一参考电压的电池B的电压区域设置为第一电压区域，将高于第二参考电压的电压区域设置为第二电压区域，然后进一步将等于或低于第二参考电压并且高于第一参考电压的电压区域设置为第一电压区域。
例如，如图7所示，如果电池B的电压“3.6V”和“3.8V”分别被设置为第一参考电压和第二参考电压，则处理器130可以将等于或低于第一参考电压“3.6V”的电池B的电压区域设置为第一电压区域，将高于第二参考电压“3.8V”的电池B的电压区域设置为第二电压区域，然后进一步将等于或低于第二参考电压“3.8V”并且高于第一参考电压“3.6V”的电压区域设置为第一电压区域。
之后，处理器130可以将第一电压区域(0V至3.8V)中的电池B的SOC估计为通过充电/放电实验针对每个充电/放电周期测量的电池B的第一SOC当中的初始SOC，即在第一充电/放电周期中计算的电池B的第一SOC。
另外，处理器130可以将第二电压区域(高于3.8V)中的电池B的SOC估计为使用等效电路模型实时计算的电池B的第二SOC。
通过这样做，根据本公开的电池SOC估计装置100可以通过使用在特定电压区域中每个充电/放电周期的第一SOC之间具有小差异的第一SOC的特性和在特定电压区域中非线性地计算的第二SOC的特性来估计具有最小化误差的SOC。
换句话说，电池SOC估计装置100可以通过将其中每个充电/放电周期的第一SOC当中的在第一充电/放电周期中计算的第一SOC与在另一充电/放电周期中计算的第一SOC之间的差异不显著的电压区域设置为第一电压区域，来将第一电压区域中的电池B的SOC估计为电池B的第一SOC。另外，电池SOC估计装置100可以通过将除了第二SOC被非线性计算的电压区域之外的电压区域设置为第二电压区域，来将第二电压区域中的电池B的SOC估计为被线性计算的第二SOC。
以上描述的本公开的实施例不一定通过装置和方法来实现，而是还可以通过用于实现与本公开的配置相对应的功能的程序或者在其上记录有程序的记录介质来实现。本领域技术人员从以上对实施例的描述中可以容易地执行这种实施方式。
已经详细描述了本公开。然而，应该理解的是，详细描述和具体实施例虽然指示了本公开的优选实施方案，但仅以说明的方式给出，因为根据该详细描述，在本公开的范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
另外，在不脱离本公开的技术方面的情况下，本领域技术人员可以对本文所述的本公开进行许多替换、修改和改变，并且本公开不限于上述实施例和附图，并且每个实施例可以部分地或全部地选择性地组合以允许各种修改。

Claims (5)

1.一种用于估计电池的充电状态的装置，包括：
感测单元，所述感测单元被配置为测量电池的电压、电流和温度；以及
处理器，所述处理器可操作地耦合到所述感测单元，
其中，所述处理器执行：
基于根据所述电池的电压的多个第一充电状态来设置第一参考电压，所述多个第一充电状态是使用在所述电池的多个充电/放电周期中的每一个测量的所述电池的电流来在所述多个充电/放电周期中预先计算的，并且被映射到相对应的所述电池的电压，其中所述设置包括：
在所述电池的每个电压下计算所述多个充电/放电周期中的所述多个第一充电状态之间的充电状态偏差，所述充电状态偏差被计算为基于在第一充电/放电周期对应于所述电池的电压的所述电池的第一充电状态与在其他充电/放电周期对应于所述电池的电压的所述电池的第一充电状态的偏差；以及
将所述充电状态偏差最小的所述电池的电压设置为所述第一参考电压；
其中，所述处理器进一步执行：
将等于或低于所述第一参考电压的所述电池的电压区域设置为第一电压区域，并且将高于所述第一参考电压的所述电池的电压区域设置为第二电压区域；以及
在所述第一电压区域中将所述电池的充电状态估计为第一充电状态当中的在初始充电/放电周期计算的第一充电状态，并且在所述第二电压区域中将所述电池的充电状态估计为使用与所述电池对应的等效电路模型计算的根据所述电池的电压的第二充电状态。
2.根据权利要求1所述的用于估计电池的充电状态的装置，
其中，所述处理器执行：
计算根据所述第二充电状态的所述电池的电压改变率；以及
基于所述电压改变率的增加和减小来设置第二参考电压。
3.根据权利要求2所述的用于估计电池的充电状态的装置，
其中，所述处理器将所述电压改变率在其处增加然后减小或减小然后增加的所述电池的电压设置为所述第二参考电压。
4.根据权利要求2所述的用于估计电池的充电状态的装置，
其中，所述处理器执行：
将等于或低于所述第一参考电压的所述电池的电压区域设置为所述第一电压区域；
将高于所述第二参考电压的电压区域设置为所述第二电压区域；并且
进一步将高于所述第一参考电压并且等于或低于所述第二参考电压的电压区域设置为所述第一电压区域。
5.一种电池组，包括根据权利要求1至4中任一项所述的用于估计电池的充电状态的装置。
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