[发明专利]具有基于过电位的可变电阻器的蓄电池状态评估器

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于评估车辆上的蓄电池的充电状态（SOC）的电路模型，并且更具体地涉及评估车辆运转时车辆上的蓄电池的充电状态的电路模型，其中该电路模型中的电阻是基于电压可变的。

背景技术

电动车辆正日益流行。这些车辆包括混合动力车辆，例如结合了蓄电池和主动力源（例如内燃发动机、燃料电池系统等）的增程式电动车辆（EREV），以及仅纯电动车辆，例如蓄电池电动车辆（BEV）。所有这些类型的电动车辆均使用包括多个蓄电池单元的高压蓄电池。这些蓄电池能够是不同蓄电池类型，例如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。蓄电池可以包括单独的蓄电池模块，其中每个蓄电池模块可包括特定数量的蓄电池单元，例如十二个电池单元。各个蓄电池单元可以被串联电联接，或者一系列电池单元可以被并联电联接，其中模块内的多个电池单元被串联连接并且每个模块被并联电联接到其他模块。不同车辆设计包括针对具体应用采用各种权衡和优势的不同蓄电池设计。

蓄电池在给电动车辆和混合动力车辆提供动力方面起到重要作用。已经证实对于混合电动车辆而言，锂离子蓄电池是有前途的。蓄电池控制和电力管理的效率对于车辆性能、燃料经济性、蓄电池寿命和乘客舒适度是重要的。对于蓄电池控制和电力管理，需要预测或评估并且实时监控蓄电池的两个状态，即充电状态（SOC）和蓄电池功率容量，这是因为在车辆运转期间它们是几乎不可测的。不过，能够通过求解描述蓄电池的等效电路模型的等式中的参数，由测量的蓄电池电流和电压来评估蓄电池充电状态和蓄电池功率。这些参数包括与电池单元内的电子导体相关联的欧姆电阻、描述电极-电解质界面处的电化学反应和固态与液态中的扩散效应的RC对、以及随反应中涉及的反应物和产物的浓度而变的开路电压（OCV）。OCV可以被直接转换成对充电状态的评估，并且当其他参数的值已知时可以设置电路模型等式和求解功率容量。在本领域中已经使用不同的方法来研发出基于电路模型表征前提的许多蓄电池状态评估算法，并且其中一些已经被实现到车辆中。

公知的是蓄电池动态大体是非线性的并且高度取决于蓄电池工况。不过，对于车载蓄电池参数评估而言，具有少许频率模式的线性模型被用于针对特定应用（例如功率预测或SOC评估）来近似蓄电池的主导动态。其原因主要是由于车载应用可用的有限计算能力和存储。事实上，即使存在无限的计算能力和存储，仍然不能够保证对具有尽可能多的频率模式的复杂模型内的所有蓄电池参数的准确评估，这是因为针对任意给定的观测激励水平，会从测量的端电压和端电流中缺失一些与全程动态行为有关的信息。因此，只要模型不确定性导致的评估误差处于特定应用的可接受范围内，则既不现实也不必要在一个模型中覆盖所有频率模式。

转让给本发明的受让人且作为参考被并入本文的名称为“Dynamically Adaptive Method For Determining The State of Charge of a Battery”的2007年10月4日提交的美国专利申请序列号11/867,497，现在被公开为专利公开号U.S.2009/0091299，其公开了用于使用四个蓄电池参数来确定蓄电池充电状态和蓄电池功率的方法，该四个蓄电池参数即蓄电池OCV、欧姆电阻和RC对的电阻和电容。

通常做法是测量已经停止工作显著时段的蓄电池的电压并且将这个电压测量值转换成对充电状态的评估。在这种情况下，测量的端电压被看作是等于开路电压（OCV），并且可被直接观测，因此不必要求解复杂的电路模型等式。不过，如果蓄电池上存在负载，这通常是车辆运转时的情况，则必须从测量的端电压去除或减去那些负载所导致的电压损失以便评估OVC。对于使用等效电路的蓄电池SOC评估模型而言，模型是复杂的并且必须是准确的，以便能够从端电压准确地去除电路模型的各元件所涉及的电压损失，从而得到对蓄电池SOC的正确评估。上述对蓄电池极化的简化电路模型对于计算蓄电池SOC是大体有效的。不过，在某些工况期间，例如低温、高或低蓄电池SOC等情况期间，实际蓄电池化学的复杂性不允许简化电路模型来准确代表那些情况。

转让给本申请的受让人并且作为参考并入本文的2010年1月12日授予Koch等人的名称为“Method and Apparatus for Modeling Diffusion in an Electrochemical System”的美国专利号7,646,166公开了用于模仿车辆蓄电池电路来确定蓄电池SOC的技术，该车辆蓄电池电路包括具有可变电阻的扩散电路元件以便更加准确地限定模型电路的扩散部分。基于该电路元件中RC对中的电容器的电容来控制扩散电路元件中的可变电阻。

发明内容