CN101635471B - 检测车辆电池运行状态的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测车辆电池运行状态的方法与装置。依据本发明的方法包含以下步骤：将电池从第一荷电状态(1)充电到第二荷电状态(SOC2)，其中第二荷电状态(SOC2)高于第一荷电状态(SOC1)；将电池主动放电到第三荷电状态(SOC3)，其中第三荷电状态(SOC3)低于第二荷电状态(SOC2)；以及在达到第三荷电状态(SOC3)后至少确定一个反映电池的运行状态特征的变量。

Description

检测车辆电池运行状态的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种检测车辆电池运行状态的方法与装置。
背景技术
车辆电池经常以低于最大可能荷电状态的荷电状态(state of charge，简称SOC)运行。这种情况会在无意之中发生(例如，由于充电要求与可能的充电之间存在的错误比率，例如，处于高负荷运行模式中或车辆在相对长的静止时间之后)，或者，如果例如车辆电池吸收电荷的可能性要在微型混合动力传动系统中增加，这种情况也会有意识地发生。
基本上，由于荷电状态与电池容量构成用于控制策略的输入信号，所以尽可能精确地检测到它们非常重要。然而在大量电池技术中，例如铅/铅酸蓄电池中，出现荷电状态与电池容量均不能实现直接测量的问题。另一方面，众所周知，电池容量(由于制造公差、老化过程及电池的更换)与检测荷电状态的算法(包括，例如，对作为电池荷电状态函数的特征平衡电压的检测)受到的波动很大。
欧洲专利1324062B1公开了一种检测车辆电池运行状态的方法，其中对与电池温度相关的温度变量进行测量，并对荷电状态及进一步的状态变量(例如车辆电池的内阻)进行检测。之后，从被检测状态变量与同型号的新车辆电池的相应状态变量之间的关系中形成一参照值，从该参照值及已知的被测量的温度变量与被检测的荷电状态之间的对比参考值确定车辆电池当前老化状态，对应于被检测状态变量的预测状态变量作为运行状态的测量而被确定。
美国专利US 6583599B1公开了一种控制混合动力电动车辆电池充电的方法和装置，其特征在于控制装置有八个电池荷电状态阈值来决定混合动力电动车辆的混合运行模式，相对于阈值的电池荷电状态值是决定混合模式的因素，例如再生制动系统、电池充电、放电或提升扭矩。
欧洲专利EP 0718950A2公开了一种混合动力电动车辆的发电机控制装置，具体说，电池荷电状态(SOC)设定值的控制在设定范围内通过电池主动充放电来实施。
欧洲专利EP 0645278B1公开了一种用于控制混合动力车辆的发电机运行的发电机控制器，其中电池荷电状态被控制在预先确定的设定范围内，如果检测到电池高负载状态被，发电机输出功率将在特定的时间段内用于对电池充电。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测车辆电池运行状态的方法和装置，通过该方法和装置能够以最大可能的精确度与一致性来判断其运行状态。
本目的通过具有独立权利要求1所述特征的方法及具有独立权利要求10所述特征的装置实现。说明书及从属权利要求中有关于本发明进一步的细化。
一种检测车辆电池运行状态的方法，具有下列步骤：
-将电池从第一荷电状态充电到第二荷电状态，其中第二荷电状态高于第一荷电状态；
-将电池主动放电到第三荷电状态，其中第三荷电状态低于第二荷电状态；以及
-在达到第三荷电状态后确定至少一个为电池的运行状态特征的变量。
车辆电池典型地包含在车辆电力供应系统中，车辆电力供应系统具有电池监测系统(BMS)，电池监测系统有多个传感器(例如，电池电压传感器和/或电池电流传感器和/或电池温度传感器)，该电池监测系统被设置成执行计算反映运行状态特征的状态参数、例如荷电状态(SOC)及电池容量的算法。因为根据本发明，在电池主动放电之后反映车辆运行状态特征的变量被确定，所以电池监测系统(BMS)就有了依据放电行为改善内部容量模型的机会，从而可以提高运行状态检测的精确度与一致性。
根据一较佳实施例，在达到第三荷电状态之后，施加电流脉冲，该过程中放电电流等于至少两倍，最好为至少三倍，甚至更好为至少四倍于从第一荷电状态过渡到第二荷电状态的充电电流，从而使检测车辆运行状态的算法能够得到支持。
在另一有利的实施例中，达到第三荷电状态之后，施加电流脉冲，该过程中充电电流等于至少两小时的放电电流，特别地为一小时的放电电流。在本说明书中，两小时充电电流被定义为当电池容量以两小时时间段来划分时出现的计算放电电流。例如，假如电池容量为80安培小时(ah)，则两小时放电电流为40安培(A)。以类似的方式计算，在这种情况下一小时放电电流应为80安培。这些相对高的放电电流确保检测电池运行状态的算法得到支持。
根据一较佳实施例，从第一荷电状态到第二荷电状态的充电的起始与/或终止作为温度的函数发生。这能够确保按照本发明发生的荷电状态的刷新，例如，仅当电池温度高于特定的阈值时。
根据一较佳实施例，当电池充电达到第二荷电状态与/或达到第三荷电状态之后，所述电池在预先确定的时间段内会保持各自的荷电状态。这样，电池监测系统(BMS)就可以有重新校准其内部SOC模型的机会，直到例如，能够以可靠的方式确定电池开路电压。
附图说明
下面用较佳实施例及附图来更详细地说明本发明：
图1示出一图表，其中，荷电状态(SOC)和电池充电电流表示为根据本发明的方法的不同阶段的时间函数。
图2示出一流程图，表示根据本发明一较佳实施例的方法的顺序。
图3示出了作为时间函数的电池电压与充电电流的轮廓图，用以说明本发明的一较佳实施例。
图4示出一图表，说明了在根据本发明的方法中执行的刷新周期过程中随温度变化的各个时间段的权重。
具体实施方式
根据本发明的方法应用到车辆电池上，该车辆电池包含于车辆电力供应系统中，该电力供应系统具有以下组件：
-电池监测系统(BMS)，其具有多个传感器(例如，电池电压传感器与/或电池电流传感器与/或电池温度传感器)，该系统被设置成执行一种算法，计算出反映运行状态特征的状态参数，例如荷电状态(SOC)及电池容量。
-受调整发电机的发电机，例如直流发电机或启动发电机，其电压设定值能够通过电子控制单元(ECU)来调整。
-以及(可选地)配电管理(power distribution management，PDM)系统，通过该系统可以控制各个负载的电力供应(例如使混合动力车辆或微型混合动力车辆的停止/启动功能失效)。
本发明提供了一种改善状态参数精确度和一致性的方法，如荷电状态(SOC)及电池容量，这些参数由电池监测系统(BMS)提供并反映运行状态的特征。
以下参照图1和图2详细阐述根据本发明的方法的各个阶段，其中，图1表示荷电状态(SOC，左手纵轴与图中的连续曲线)和电池充电电流(右手纵轴与图中的虚线)的时间依赖性，图2表示流程图。
在图1中以“I”标记的阶段中，电池处于起始状态，荷电状态(SOC值)对应于低于100％的SOC设定值，并且电池充电电流被调整为零(也可参见图2中的步骤S10)。
在接下来的步骤中(图1中的阶段“II”与图2中的步骤S20)，电力供应系统以高优先权通过施加尽可能高的电压对电池充电，并同时考虑电池寿命及负载对电压质量的要求。电池电流为正(根据图1中右手的刻度及虚线)。据图1的阶段“II”因此由刷新周期定义，期间电池被正电池充电电流完全充电(例子中为20安培)。
相当高的充电电压被应用达数小时，此种情况也随着中断而发生，这取决于车辆的运行状况比如点火失效。这确保电池在各种给定条件下达到最大的可能荷电状态(SOC)。由于车辆上充电电压与充电时间受限的缘故，最大荷电状态(SOC)可能低于标准容量的100％。充电电压及具有高的优先权的充电周期持续时间最好由电池监测系统(BMS)调整。这可以通过电压设定值与“刷新充电请求”标志来实现。
通过配电管理系统(PDM)可有选择地采取优化电池充电的措施。尤其，比如，如果发电机被充分利用，则可以在高电压充电周期内降低负载功率。此外，可以贡献于电池放电的功能，例如停止/启动功能及类似功能可以被停用。
从图1可以明显看出，电池在阶段“II”可以保持在最大荷电状态(SOC)，直到电池的开路电压能够可靠地被确定。图2中S30表示了相应的可选步骤。这点将典型地要求在特定的最短时间段内熄火(车辆停放)。这样，电池监测系统(BMS)就有重新校准内部SOC模型的机会，比如一旦以最好的精度检测到荷电状态就通过SOC曲线设定一个平衡。这在实际中可以通过将设置“刷新充电请求”标志为“高”、直到内部SOC模型重新校准完成为止来实施。
图1中的阶段“III”由识别周期定义，此阶段内通过设定负的电池充电电流，例子中为-20安培(图2中步骤S40)，使电池放电到低SOC水平(例子中约为75％)。
在该阶段“III”中，依据能量管理系统的调整过程，电池高速放电到车辆上的电气负载。电池电流为负(依据图1中右手刻度及虚线)。放电直到能确保车辆在给定条件下可靠运行的最低SOC值(例如SOC＝75％)。这将提供给电池监测系统(BMS)改善内部容量模型的机会，其可以基于电池在中速或高速放电过程中的放电行为。在实际中可以通过将“刷新放电请求”标志设置为“高”、直到降为最低的SOC值来实施放电。电力供应管理系统(PSM)随即将发电机电压调整为低值来驱动电池放电，以此取代正常的充电策略。配电管理系统(PDM)可选择地以放电电流最大或稳定的方式驱动负载。
从图1中可以明显看出，电池能保持在最低可能的SOC值直到可以可靠地确定电池的开路电压。图2中S50表示了相应的可选步骤。这典型地要求在特定的最短时间段内熄火(停车过程)。因此，电池监测系统就有重新校准内部SOC模型的机会，例如根据SOC曲线(参见步骤1a)重新设定平衡值。这在实际中通过将“刷新放电请求”标志设置为“高”、直到内部SOC模型重新校准完成为止来实施。在此情况下，通过PSM与PDM策略会避免电池进一步的放电，在本文中通过电池监测系统(BMS)获得SOC值。
在阶段“IV”中，电池处于相对低的SOC水平，需要一高电流脉冲来维持用于确定电池运行状态的算法。根据图1中出示的示例性实施例，在阶段“V”应用-100安培(A)的高负电流脉冲之前，阶段“IV”先将电流调整为零(参见图2中的S50步)。但是，在阶段“V”施加高负电流脉冲之前的阶段“IV ”是可选的。
最后，相对于正常设置，比如，相对于(例如)较高的荷电状态(SOC)的设定值，出现了颠倒。根据图1的阶段“VI”中，电池被再次充电到SOC的设定值，为此在例子中设置了+20安培的正充电电流(参见图2的步骤S70)。根据图1的阶段“VII”进而对应于一设定的新起始状态，其SOC设定值低于100％。
以上所描述的步骤由一个或多个下列事件(“触发”事件)启动：
a1)一定的时间间隔或日程间隔届满(以时间为单位的电池运行周期)；
a2)达到了一定的千米读数(以千米为单位的电池运行周期)；
a3)一定的电池充电间隔或能量吞吐间隔届满(以安培小时(ah)或瓦特小时(wh)为单位的电池运行周期)；
a4)某些事件，例如电池深度放电以致低于预先确定的SOC阈值；
a5)电池的断开，例如更换电池时抗中断的BMS(电池监测系统)电力供应；或
a6)电池监测系统中荷电状态显示值和/或电池容量与其他观察到的变量之间缺乏对应。
此外，一个或多个触发事件出现后，如果遇到一种或更多下列延期条件，本发明提供的步骤也能被推迟或延迟：
b1)过低的电池温度(不利于进行充电)；此情况下，例如可以等待直到在最短的时间段内超过特定的温度阈值。
b2)车辆当前运行状态不允许为充电设置高优先权(例如停止/启动功能当前无效，正处于完全节流状态等)
b3)因来自其他车辆系统的请求而等待更为合适的条件，例如内燃机微粒过滤器清洗期间；或
b4)因预测算法而等待更为合适的条件，例如被编入导航系统的高速公路旅程。
根据本发明的一优选细化方案，刷新周期(其间电池被完全充电，为了增加电池、例如铅/铅酸蓄电池的寿命，会周期性启动)作为温度的函数发生。具体说，刷新周期的启动与持续都依赖于温度。
就刷新周期的启动而言，最好仅当下列三个条件之一满足时它才较好地执行，
i)Tbat＞T1；或者
ii)T2＜Tbat＜T1且G＞G1＞0；或者t
这里，Tbat代表电池温度，G代表电池温度梯度，T1，T2，G1和t1分别代表着电池温度、电池温度梯度及刷新周期持续时间的预先确定的阈值。
换句话说，为了启动刷新周期，电池温度必须要么高于特定的第一阈值，要么高于特定的第二低阈值，同时温度梯度必须大于特定的正阈值(G1)。如果上述两个条件a)与b)都没有被满足，则刷新周期直到特定的时间段t1届满或特定的时间窗口已退出才会被触发。
基本上，刷新周期也以电池寿命和/或其电荷吞吐量为基础基于电池监测系统(BMS)启动，但是如果预先定义的时间窗口的相应积分限已达到，就要测量电池温度及电池梯度，以使得刷新周期直到满足条件a)、b)、或c)之一才会实际执行。
就刷新周期的结束而言，其也最好作为温度的函数发生。在此情况下，刷新时间限定为温度的函数。要注意到，本文中刷新时间仅在充电电流与电池电压在内的阶段或时间段中计算，如图3中所示。图3示出了作为时间函数的电池电压及充电电流的轮廓，垂直线表示刷新时间计算起始点，即仅从电池电压高于特定的阈值并且充电电流低于特定的阈值开始计算刷新时间。具体说，电池电压必须大于发电机电压减去给定的偏移，电池电流必须要低于对应于电池额定容量的限定值并高于零。
在本文中，根据图4，刷新周期内各个时间段作为温度的函数被加权。例子中刷新周期内在温度为5℃时充电1小时、在温度为20℃时充电1小时、在温度为50℃时充电1小时。这将产生相对于温度加权后的下列时间段：
-在5℃充电1h：加权后的时间段＝1h*15h/15h＝1h
-在20℃充电1h：加权后的时间段＝1h*15h/9h＝1.67h
-在50℃充电1h：加权后的时间段＝1h*15h/3h＝5h
因此，加权后的时间之和为7.67h。一旦上述加权后的时间段之和大于t(T)曲线中最大时间段(即，在例子中大于15h)，刷新周期将终止。

Claims (12)

1.一种检测车辆电池运行状态的方法，其特征在于，该方法有以下步骤：
-将电池从第一荷电状态(SOC1)充电到第二荷电状态(SOC2)，其中第二荷电状态(SOC2)高于第一荷电状态(SOC1)；
-将电池主动放电到第三荷电状态(SOC3)，其中第三荷电状态(SOC3)低于第二荷电状态(SOC2)；以及
-在达到第三荷电状态(SOC3)后至少确定一个反映电池的运行状态特征的变量；
-其中，在达到第三荷电状态(SOC3)之后，施加电流脉冲，其放电电流的大小等于至少两倍于从第一荷电状态(SOC1)过渡到第二荷电状态(SOC2)过程中的充电电流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，荷电状态与/或电池容量被确定作为反映电池运行状态特征的变量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在给定条件下第二荷电状态对应于车辆电池最大荷电状态。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在给定条件下第二荷电状态对应于车辆电池最大荷电状态。
5.如权利要求1至4任何一项所述的方法，其特征在于，在达到第三荷电状态(SOC3)之后，施加电流脉冲，其放电电流的大小等于至少三倍于从第一荷电状态(SOC1)过渡到第二荷电状态(SOC2)过程中的充电电流。
6.如权利要求1至4任何一项所述的方法，其特征在于，在达到第三荷电状态(SOC3)之后，施加电流脉冲，其放电电流的大小等于至少四倍于从第一荷电状态(SOC1)过渡到第二荷电状态(SOC2)过程中的充电申流。
7.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，由第一荷电状态(SOC1)到第二荷电状态(SOC2)的启动与/或终止作为温度的函数发生。
8.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，当电池充电达到第二荷电状态(SOC2)之后，所述电池在预先确定的时间段内保持在第二荷电状态。
9.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，当电池充电达到第三荷电状态(SOC3)之后，所述电池在预先确定的时间段内保持在第三荷电状态。
10.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，由下列事件中的至少一个来启动从第一荷电状态(SOC1)到第二荷电状态(SOC2)的电池充电：
-达到预先确定的电池运行周期；
-达到预先确定的电池能量吞吐量；
-电池放电到低于预先确定的荷电状态阈值；
-电池被断开；或
-获知以前获取的荷电状态与电池容量值之间不一致的证据。
11.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，如果以下条件中的至少一个适用时从第一荷电状态(SOC1)到第二荷电状态(SOC2)的电池充电会被延迟：
-电池温度降到低于预先确定的阈值
-出现预先确定的车辆运行状况，具体说是停止/启动功能失效或清洁内燃机微粒过滤器。
12.检测车辆电池运行状态的装置，其特征在于，该装置具有多个传感器，该装置被设置成执行计算反映运行状态特征的状态参数，并设计成用来实施上述权利要求中任一项所述的方法。
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