存在电池组感测故障时对单元电压偏移的估计

摘要

公开了一种用于在存在感测故障的情况下估计电池组中的单元电压偏移的方法和系统，在感测故障中，电池单元块中的第一和第二电池单元的实际单元电压变得未知或缺失。检测感测故障，并且确定块中的除第一和第二单元以外的每个单元的单元电压。该方法还包括测量块电压、计算块中的平均单元电压，以及估计第一单元等于所计算的平均单元电压。所测量的块电压与单元电压和第一单元的估计单元电压之和的所有偏移或偏差被分配给第二单元。利用估计的单元电压执行控制措施，包括选择性地启用或禁用电池组的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及在电池组中存在感测故障时对单元电压偏移的估计。

背景技术

使用来自多单元电池组的电能为各种系统中的电动机供给能量。例如，在具有电气传动系的车辆中，电动机的定子绕组可以由电池组供给能量以产生输出转矩。所产生的输出转矩可以传送到一个或多个驱动轴以推动车辆，例如公路用车、火车或船。在其他系统中，例如发电厂、建筑设备、机器人、某些电器和其他类型的车辆，如飞机，电机转矩可用于执行大量有用的工作任务。

特定类型的电池组使用位于阳极与阴极之间的电解质溶液内的增强分离器，所有这些都包含在聚合物涂覆的铝袋内。阳极和阴极的板状延伸部被超声焊接或以其他方式导电地接合到导电互连构件，以构造电池组的模块。相同或不同数量的电池单元(batterycell)的多个模块可以电互连以构建电池组，其中这些模块的实际数量随特定应用的功率需求而变化。

各个电池单元趋于随时间而缓慢降解。因此，诸如开路电压、单元电阻和充电状态的电参数可能相对于校准/新值随时间而变化。为了确保对电池组的健康状况和可用电量的准确持续监控，通常测量各个单元电压并将其报告给电池控制器。所测量的单元电压此后用于执行各种不同的电池电路诊断和电气范围计算。因此，其中单元电压变得不可用的感测故障可能导致控制器暂时没觉察到电池组的真实状态。

发明内容

公开了一种用于在具有多单元电池组的车辆或其他带电系统内存在单元感测故障的情况下估计单元电压偏差或偏移的方法。本文所解决的特定控制问题是由于在这种电池单元的预定块中的两个电池单元不能读取单元电压的某些单元感测故障，对于对应于例如过充电或欠充电状态的电压偏移或偏差，控制器不能精确地监控块中的单元电压。具有不可用或缺失电压数据的单元在本文中简称为“缺失单元”，其中具有已知单元电压数据的单元称为“已知单元”。这种缺失单元状况可能由电传感器与一个或多个电池单元之间的断开或未连接的电引线引起。这些引线可以是分开的或共享的，本文描述和针对两种硬件配置。

通常在对这样的缺失单元的响应中执行默认控制措施。这样的控制措施包括为了预期目的而禁止使用电池组，例如启动和/或推进车辆。然而，根据使用电池组的特定系统，这对系统的操作者来说可能是不方便的。通过使用本方法来估计单元电压偏移，可以选择性地启用电池组的有限功能，例如通过使用缺失单元的估计单元电压以在有限数量的离散事件(例如，车密钥周期)中启用电池组，这进而可以提供必要的时间来维修电池组。

由于在某些电气系统的感测电路中使用的硬件的性质，共享电线的单个电路故障会导致单元电压读数对于两个相邻电池单元的无效。即使电引线不被相邻单元共享，两个这样的故障可能发生在被评估的电池单元块内的任何地方。然而，在有两个未知的情况下，缺失单元电压的数学推导是不可能的。然而，本文认识到，不一定需要对给定单元块中的每个电池单元的单元电压的详细知识。例如，控制器可能只需要知道给定的电池单元相对于阈值是过充电还是欠充电。本方法旨在使控制器在面向给定块中的两个未知单元电压时能够提供对于缺失单元电压的估计值，以便选择性地提供电池组的有限功能，如下所述。

在特定实施例中，公开了一种用于在感测故障期间估计或处理电池组中的单元电压偏移的方法。本文考虑的感测故障是电池组的指定电池单元块(例如八个或十个这样的单元构成的块)中的第一和第二电池单元的实际单元电压变得未知或缺失的任何故障。该方法可以包括检测感测故障，然后确定电池单元(即除了缺少的第一和第二电池单元之外的所有单元)块中的每个已知电池单元的相应单元电压。该方法还包括测量块电压作为电池单元块上的电压电平，然后计算块中的已知电池单元的平均单元电压。

此外，该方法包括将第一电池单元的单元电压记录为电压电平(其等于块中的已知单元的计算平均单元电压)，然后记录第二电池单元的单元电压作为所测量的块电压与已知单元的单元电压和第一电池单元的记录/估计单元电压之和的总偏差或偏移。此后，该方法包括在检测到的感测故障期间使用第二电池单元的记录单元电压来执行关于电池组的控制措施，包括选择性地启用或禁用电池组的功能。

检测感测故障可以包括测量块内的电阻并确定是否存在开路状况。

该方法可以包括使用第二电池单元的记录单元电压来预测第二电池单元的过电压或欠电压状态，然后响应于过电压或欠电压状态经由控制器来选择性地禁用电池组的功能。控制措施可以包括：当不存在过电压或欠电压状态时，使用第二电池单元的记录单元电压来选择性地启用电池组的有限功能。

电池组可以是车辆的一部分。在这种配置中，选择性地启用电池组的功能有限可以包括允许发生车辆的预定数量的密钥周期，然后例如通过命令打开接触器或其他开关来禁用电池组。该方法的一些实施例可以包括经由显示屏显示在发生电池组的禁用之前剩余的多个密钥周期。

还公开了一种系统，其包括控制器、电池组、可操作用于测量每个电池单元的单元电压的第一传感器、可操作用于测量块电压作为指定电池单元块上的电压电平的第二传感器，以及可操作用于检测指定电池单元块中的第一和第二电池单元的实际单元电压变得未知或缺失的感测故障的第三传感器。控制器被编程为执行上述方法。

以上概述不旨在表示本发明的每个实施例或每个方面。相反，前面的概述仅仅提供了本文所阐述的一些新颖的方面和特征的例证。本发明的以上特征和优点以及其他特征和优点将从以下结合附图和所附权利要求所描述的用于实施本发明的代表性实施例和模式的详细描述中显而易见。

附图说明

图1是具有多单元电池组和控制器的示例车辆的示意图，控制器被编程为在存在电池感测故障的情况下估计单元电压偏移并对车辆提供有限的操作。

图2A是描述其中相邻单元共享电引线的示例电池单元块的示意电路图。

图2B是描述具有各个引线的示例电池单元块的示意电路图。

图3是描述在图1所示的车辆上存在电池感测故障的情况下估计单元电压偏移的示例方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记在几个视图中指代相同的部件，图1中示出了具有高电压直流(DC)电池组12的示例系统10。电池组12包括多个电池单元20，为了简单地说明，图1中示出仅示出了其中两个。每个电池单元20包括电极32，其中各个电极32超声焊接或经由导电互连构件(未示出)以其它方式导电地接合在一起，以形成电池组12，如本领域公知的。

在典型的非限制性示例性实施例中，电池组12可配置为可充电锂离子电池组。电池组12包括壳体13，例如如图所示的T形壳体。电池组12的一种可能的配置包括共同输出至少18kWh电力的至少192个电池单元20，但是电池组12不限于这样的实施例。电池组12的其他实施例可以具有不同的形状、功率额定和/或除了基于锂离子的化学物质之外的活性材料，因此图1的T形构造是示例性和非限制性的。在可能的非限制性实施例中，电池组12可以被划分为具有预定数量的电池单元20的组或块18，例如每个块18中具有8-10个电池单元20。

系统10可以配置为可以受益于使用存储在各个电池单元20中的电能的任何类型的移动或固定系统。系统10的示例可以包括如图所示的车辆，例如，扩展范围的电动车、插电式混合动力电动车、电池电动车，或者其他移动平台、机器人、或诸如发电厂的固定/非车辆系统。

系统10可以进一步包括以牵引电机和/或电机/发电机单元的形式的电动机(M)19，其由来自电池组12的电能供电以产生输出转矩(箭头T_O)。另外，系统10可以包括在一些实施例中经由高压电缆15电连接到充电模块16的电力逆变器模块14。当充电模块16插入可用的AC充电插座(未示出)中时，电力逆变器模块14可以从充电模块16接收交流(AC)电力。电力逆变器模块14可以利用脉冲宽度调制或其他电力转换技术将来自充电模块16的AC电压变换成适于对各个电池单元20充电的DC电压，如本领域中公知的。

图1的系统10还可以包括控制器(C)50，其被编程为在存在下述类型的感测故障的情况下经由方法100估计各个电池单元20的单元电压。控制器50可以被实现为一个或多个微控制器或中央处理单元(P)和存储器(M)，例如只读存储器、随机存取存储器和电可擦除可编程只读存储器。控制器50可以包括显示屏(D)52、高速时钟、输入/输出电路和/或可能需要执行本文描述的功能的任何其他电路。

作为方法100的一部分，控制器50接收每个电池单元20的各个测量单元电压(箭头V_C)。例如，可以使用一个或多个第一传感器(S1)来确定每个电池单元20的相应的单元电压(箭头V_C)，例如电压传感器或电流传感器，后者需要利用单元电阻值(例如建模或校准的值)来计算单元电压(箭头V_C)。可以使用等于单元20的数量的多个第一传感器(S1)，使得可以使用相应的第一传感器(S1)来测量相应的一个单元20的电压或电流。可替代地，单个第一传感器(S1)可以被多路复用到各个单元20，以便测量块18中的各个单元20的所有的单元电压或电流。

系统10可以包括第二传感器(S2)，其可操作用于测量块电压(V_B)作为整个块18上的电压电平，并且用于将所测量的块电压(V_B)输出到控制器50，如图1中箭头V_B所示。另外如图1所示，控制器50被编程为向电池组12或利用电池组12向传动系输出控制信号(箭头CC₁₂)，以选择性地执行关于电池组12或传动系的控制措施，根据方法100这样进行，现在将参照图3描述该方法的实施例。可以使用第三传感器(S3)来测量单元电阻(R_C)或其他合适的值以检测感测故障，例如通过测量块18内的电阻，如本领域已知的，然后确定是否存在表示图2A-B的断开或未连接电引线25或26的开路状况。

参考图2A，电池单元20的块18示意性地示出为包括多个(n个)电池单元20，具有取决于实施例的整数值(n)。例如，块18可以包括八个或十个单元20，使得n＝8或n＝10。为了简单起见，单元20依次编号为1，2，3，4，...，n。另外，在所示实施例中，第一传感器(S1)布置成使得每个单元20具有对应的第一传感器(S1)。单个第二传感器(S2)用于测量块电压(V_B)。

在图2A的实施例中，块18中的相邻单元20共享电引线25。在这样的实施例中，控制器50可以采取差分读数来确定相邻单元20的相应单元电压V_C。然而，其中共享电引线25断开或变为未连接的感测故障将导致两个相邻单元20的单元电压(V_C)缺失。例如，如果由图2A中的编号为2和3的单元20共享的电引线25变为未连接，则控制器50将不能够确定这两个单元20的单元电压V_C。在两个未知电压的情况下，控制器50不能计算缺失的电压，并且因此采用方法100的执行来估计单元电压，以便使用并确定是否存在单元电压偏移。

类似地，可以设想图2B的块180，其中，图2A的电引线25不在相邻单元20之间共享。相反，电引线25和26保持独立，即每个传感器(S1)具有其自己的这种引线。因此，在这种特定情况下，任何一个引线25或26的故障将不会导致两个未知，因此控制器50可以简单地根据块电压VB和另一测量的单元电压V_C来计算缺失电压。然而，在两个这样的电引线25和26应该变为未连接的情况下，控制器50可以使用方法100来估计块18中的两个未知电压并且启用系统10的有限功能。

参考图3，在示例性实施例中，方法100开始于步骤S102，其中图1的控制器50检测电池单元20的给定块18中的单元感测故障。块18中的单元20的数量可以在控制器50的存储器(M)中指定，并且可以或可以不对应于在给定的电池模块中使用的单元20的数量。例如，控制器50可将多个块18或者八个或十个单元20视为一个块18。

如本领域已知的，控制器50可以测量或以其他方式确定块18内的各个单元20的电阻，然后寻找相对于校准阈值的高电阻值，其中高电阻值表示存在开路状况，即断开或未连接的电引线25或26。当检测到单元感测故障时，方法100进行到步骤S104。

在步骤S104，控制器50确定由第一传感器(S1)测量的块18中的每个已知电池单元20的相应单元电压(箭头V_C)。步骤S104可能需要例如经由控制器局域网(CAN)总线或低压布线将第一传感器(S1)的单元电压(箭头V_C)传送给控制器50。然后，方法100进行到步骤S106。

步骤S106包括例如经由第二传感器(S2)测量或以其他方式确定块电压(箭头V_B)作为电池单元20的块18上的电压电平。然后，方法100进行到步骤S108。

在步骤S108，控制器50计算块18中的已知电池单元20的平均单元电压(V_AVG)，即各个单元电压(V_C)被测量且因此是已知的那些单元20。例如，如果块18包括八个电池单元20，其中两个缺少或未知，则控制器50计算六(6)个已知电池单元20的平均电压(V_AVG)，即V1，V2，...V6。然后，方法100进行到步骤S110。

在步骤S110，控制器50记录两个缺失电池单元20中的第一个的估计单元电压。为此，控制器50在存储器(M)中记录与从步骤S108计算出的已知电池单元20的平均单元电压(V_AVG)相等的估计单元电压，即除了其值缺失或未知的两个单元20之外的单元20。控制器50还通过分配所测量的块电压(箭头V_B)与测量(已知)单元电压(箭头V_C)和第一缺失单元20的记录估计电压之和的任何偏移或偏差来记录第二缺失单元20的估计单元电压，所测量的块电压是从步骤S106已知的值。例如，在简化图中，六个已知的各个电池单元20中的每一个可以具有1VDC的测量值。因此，这些已知单元20的平均值，即V_AVG，为6VDC/6＝1VDC。图1的控制器50假定第一个缺失单元20也具有1VDC的单元电压，作为方法100的一部分。

对于第二缺失单元20，控制器50分配所测量的块电压V_B与已知单元电压(箭头V_C)和所分配的第一电压之和的所有偏移或偏差。由于在该简化示例中总和为7VDC，并且为了示例的目的，假定块电压(V_B)为8.5VDC，所以控制器50采取8.5VDC-7VDC＝1.5VDC的偏差，并将该值分配给第二缺失单元20。因此，在本示例中，标记为1-6的电池单元20是已知的，为1VDC，第一缺失单元20被估计为这些值的平均值，即1VDC，而第二缺失单元20被估计为偏移值，即1.5VDC。控制器50将这两个估计值和测量值记录在其存储器(M)中，并进行到步骤S112。

步骤S112包括：利用第二缺失单元20的估计单元电压，即利用估计的电压偏移，关于图1的电池组12执行控制措施。例如，控制器50可以执行算法(未示出)，以利用测量和估计值来确定单元20的过电压或欠电压状态，例如通过将单元电压与指示相应的过电压和欠电压状态的校准的上阈值和下阈值进行比较，如本领域已知的。

控制器50可以利用所记录的第一和第二缺失电池单元20的单元电压的估计来选择性地启用或禁用电池组12的功能。例如，控制器50可以启动定时器或计数器以启动电池组12的有限功能。这样做允许足够的时间来维护导致感测故障的任何未连接或断开的电引线25或26，而不是以典型方式立即禁用电池组12。控制措施可以包括：当不存在过电压或欠电压状态时，利用所估计的单元电压来选择性地启用电池组12的有限功能。

在一些实施例中，控制器50可以在电池组12和系统10被禁用之前在图1的显示屏52上显示警告系统10的操作者剩余数量的密钥周期的消息。在示例性配置中，可以以预定数量的密钥周期(例如10个密钥周期)对控制器50进行编程，并且可以向系统10的操作者显示已经检测到需要维修的故障和在预定次数的密钥周期之后系统10将被禁用的警告。密钥周期的数量可以随着每个依次的密钥周期而倒计时，以使操作者知道即将来临的维修需求。如果这样的维修没有完成，这将最终导致控制器50自动禁用电池组12的功能，例如通过命令打开高压接触器(未示出)以将电池组12与高压DC总线断开。

利用上面公开的方法100，控制器50能够将平均值的所有偏差(即电压偏移)分配给指定的缺失单元20。这要求控制器50假定用于该特定单元20的单元电压(V_C)比实际更高或更低，这可能影响充电功能或驱动操作。然而，将操作限制于有限数量的密钥周期或其他离散事件(例如10个密钥周期)或特定的时间窗口的控制措施旨在在这种效果与立即禁用系统10引起的不便之间进行折衷。提供了推进状态的连续操作，而不是默认为无启动或其他禁用状态，向操作者提供可选的视觉反馈以促使操作者维修系统10。

另外，本领域普通技术人员将理解，本方法还可以用于块18，其中感测故障包括作为终端单元的单元20。在这种情况下，块电压(V_B)将不可用。因此，控制器50可以考虑相邻的电池单元20的组，并将组合的单元20视为一个块18，执行方法100用于更多数量的电池单元20。

虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内实践本发明的各种替代设计和实施例。