CN101958563B - Hv蓄电池均衡电荷的控制方案 - Google Patents

Hv蓄电池均衡电荷的控制方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及HV蓄电池均衡电荷的控制方案。一种在车辆驾驶时均衡电动车辆中的蓄电池单元的电荷状态的系统和方法。所述方法包括监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态和测量蓄电池的实际电流。所述方法还包括确定蓄电池的最大充电电流极限值且将实际蓄电池电流和充电电流极限值进行比较。所述方法还包括基于实际蓄电池电流和充电电流极限值之间的比较来修正充电电流极限值。所述方法然后将修正的充电电流极限值转换为充电功率极限值，且然后使用小量电流和充电功率极限值来给蓄电池过量充电，使得蓄电池中的所有单元都完全充电。

Description

HV蓄电池均衡电荷的控制方案
技术领域
本发明总体上涉及用于提供蓄电池单元电荷均衡的系统和方法，且更具体地涉及在车辆操作期间对车辆上的燃料电池系统蓄电池充电的系统和方法以提供蓄电池单元电荷均衡状态。
背景技术
大多数燃料电池车辆是除了燃料电池堆之外还采用可再充电补充高压功率源(例如DC蓄电池或超电容器)的混合动力车辆。功率源提供补充功率，用于各种车辆辅助负载，用于系统启动以及在高功率需求期间当燃料电池堆不能提供所需功率时。更具体地，燃料电池堆将功率通过DC电压总线提供给牵引马达和其它车辆系统，用于车辆操作。在需要超出燃料电池堆能够提供的附加功率时的时间期间(例如在急加速期间)，蓄电池提供补充功率给电压总线。例如，燃料电池堆可提供70kW的功率。然而，车辆加速可能需要100kW或更多的功率。在燃料电池堆能够满足系统功率需求时的时间，燃料电池堆用于给蓄电池再充电。牵引马达可用的发电机功率可以提供再生制动，也可以通过DC总线用于给蓄电池再充电。
如本领域熟知的那样，用于该目的的高压蓄电池通常包括串联地电联接的多个蓄电池单元。由于许多因素，例如内部电阻、电连接、蓄电池老化等，随着时间的经过，蓄电池中的每个单元的电荷状态(SOC)可能在蓄电池操作期间偏离。蓄电池管理系统可联接到高压蓄电池以监测每个蓄电池单元的电荷状态和蓄电池的温度，且基于最大电荷单元和最小电荷单元的电荷状态来控制蓄电池可以被充电和放电多少。具体地，如果具有最低电荷状态的单元将下降低于某最小电荷状态，由于该单元可能被损坏，因而蓄电池不能用于提供功率，且蓄电池不能过量充电超出具有最高电荷状态的单元的某最大电荷状态，因为该单元可能过热和损坏。因而，具有低电荷状态的单元可防止蓄电池被使用，甚至在其它单元可具有合适或显著的电荷状态时也是如此。
当前，均衡蓄电池单元的电荷状态的唯一补救措施是将车辆带到维护中心且用具体充电装置给蓄电池充电，所述充电装置提供单元过量充电且同时紧密地监测蓄电池的温度，使得所有单元都完全充电且均衡。显然，这种方案具有明显的缺陷，因为车辆在这种维护期间不能驾驶且包括必须将车辆带到维护中心的明显不便。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种在车辆驾驶时均衡电动车辆中的蓄电池单元的电荷状态的系统和方法。所述方法包括监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态和测量蓄电池的实际电流。所述方法还包括确定蓄电池的最大充电电流极限值且将实际蓄电池电流和充电电流极限值进行比较。所述方法还包括基于实际蓄电池电流和充电电流极限值之间的比较来修正充电电流极限值。所述方法然后将修正的充电电流极限值转换为充电功率极限值，且然后使用小量电流和充电功率极限值来给蓄电池过量充电，使得蓄电池中的所有单元都完全充电。
方案1.一种用于均衡电动车辆中的蓄电池的蓄电池单元的电荷的方法，所述方法包括：
监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态；
测量蓄电池的实际电流；
确定蓄电池的最大充电电流极限值；
将实际蓄电池电流和最大充电电流极限值进行比较；
基于实际蓄电池电流和最大充电电流极限值之间的比较来修正最大充电电流极限值；
将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值；以及
使用充电功率极限值来给蓄电池过量充电，使得蓄电池中的所有单元都完全充电。
方案2.根据方案1所述的方法，其中，给蓄电池过量充电包括用大约2amp的电流给蓄电池过量充电。
方案3.根据方案1所述的方法，其中，电动车辆中的燃料电池堆提供功率，以向蓄电池单元充电。
方案4.根据方案1所述的方法，其中，将修正的充电电流极限值转换为充电功率极限值包括使用蓄电池模型。
方案5.根据方案1所述的方法，其中，将实际蓄电池电流和充电电流极限值进行比较包括在比例积分控制器中将实际蓄电池电流和充电电流极限值进行比较。
方案6.根据方案1所述的方法，其中，测量蓄电池的实际电流包括使用蓄电池管理系统来测量蓄电池电流。
方案7.根据方案1所述的方法，其中，修正充电电流极限值包括将某一值增加到最大充电电流极限值。
方案8.根据方案1所述的方法，还包括关闭功率分离计算模块，所述功率分离计算模块在蓄电池和燃料电池堆之间分离功率分配。
方案9.根据方案1所述的方法，还包括如果蓄电池中的最小单元电荷和最大单元电荷的电荷状态超过预定阈值则启动电荷均衡过程。
方案10.一种用于均衡燃料电池混合动力车辆中的蓄电池的蓄电池单元的电荷的方法，所述燃料电池混合动力车辆包括燃料电池堆，所述方法包括：
监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态；
测量蓄电池的实际电流；
确定蓄电池的最大充电电流极限值；
在比例积分控制器中将实际蓄电池电流和最大充电电流极限值进行比较；
基于实际蓄电池电流和最大充电电流极限值之间的比较通过将某一值增加到最大充电电流极限值来修正最大充电电流极限值；
使用蓄电池模型将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值；以及
使用充电功率极限值和来自于燃料电池堆的功率来给蓄电池过量充电，使得蓄电池中的所有单元都完全充电。
方案11.根据方案10所述的方法，其中，给蓄电池过量充电包括用大约2amp的电流给蓄电池过量充电。
方案12.根据方案10所述的方法，其中，测量蓄电池的实际电流包括使用蓄电池管理系统来测量蓄电池电流。
方案13.根据方案10所述的方法，还包括关闭功率分离计算模块，所述功率分离计算模块在蓄电池和燃料电池堆之间分离功率分配。
方案14.根据方案10所述的方法，还包括如果蓄电池中的最小单元电荷和最大单元电荷的电荷状态超过预定阈值则启动电荷均衡过程。
方案15.一种用于均衡电动车辆中的蓄电池的蓄电池单元的电荷的系统，所述系统包括：
监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态的装置；
测量蓄电池的实际电流的装置；
确定蓄电池的最大充电电流极限值的装置；
将实际蓄电池电流和最大充电电流极限值进行比较的装置；
基于实际蓄电池电流和最大充电电流极限值之间的比较来修正最大充电电流极限值的装置；
将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值的装置；以及
使用充电功率极限值来给蓄电池过量充电以使得蓄电池中的所有单元都完全充电的装置。
方案16.根据方案15所述的系统，其中，转换修正的充电电流极限值的装置使用蓄电池模型。
方案17.根据方案15所述的系统，其中，将实际蓄电池电流和充电电流极限值进行比较的装置使用比例积分控制器。
方案18.根据方案15所述的系统，其中，测量蓄电池的实际电流的装置是蓄电池管理系统。
方案19.根据方案15所述的系统，其中，给蓄电池过量充电的装置用大约2amp的电流给蓄电池过量充电。
方案20.根据方案15所述的系统，还包括关闭功率分离计算模块的装置，所述功率分离计算模块在电荷均衡期间在蓄电池和燃料电池堆之间分离功率分配。
本发明的附加优势和特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是燃料电池车辆的电气系统的示意性框图；
图2是燃料电池车辆的功率控制系统的示意性框图；和
图3是燃料电池车辆的功率控制系统的示意性框图，包括用于提供蓄电池单元电荷均衡的控制部件。
具体实施方式
涉及提供蓄电池单元电荷均衡的系统和方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。
图1是燃料电池混合动力车辆的电气系统10的示意性框图。系统10包括分别通过触头18和20电联接到高压总线14和16的分立燃料电池堆12。高压蓄电池22也被电联接到高压总线14和16，其中，蓄电池22包括串联地电联接的蓄电池单元24。在总线14和16中设置双向DC/DC转换器(BDC)26，以给蓄电池22充电和放电，蓄电池22以与燃料电池堆12不同的电压电平操作。电气系统10包括被电联接到总线14和16的功率管理和分配(PMD)装置28，将附加系统负载(例如空气压缩机30)连接到总线14和16。
电气系统10还包括被电联接到总线14和16的功率逆变器模块(PIM)32、和AC牵引马达34，AC牵引马达34是电牵引系统(ETS)的一部分。PIM 32将总线14和16上的DC电压转换为适合于牵引马达34的AC电压。牵引马达34提供牵引功率以操作车辆。
图2是用于电气系统10的控制系统40的示意性框图。系统40包括蓄电池管理系统(BMS)42，BMS 42控制蓄电池22且知晓每个蓄电池单元22的电荷状态和蓄电池22的温度。BMS 42提供线44上的放电电流极限值信号I_BMSDchrLim和线46上的充电电流极限值信号I_BMSChrLim，放电电流极限值信号I_BMSDchrLim识别蓄电池22的最大放电电流极限值，充电电流极限值信号I_BMSChrLim识别避免蓄电池损坏所需的蓄电池22的最大充电电流极限值。放电和充电电流极限值信号被传送给燃料电池系统控制器38中的蓄电池模型块48，蓄电池模型块48分别将电流极限值信号转换为线50和52上的功率极限值信号P_DchrLim和P_ChrLim。由于BDC 26通过功率指令信号控制，该转换是必要的。功率极限值信号应用于功率极限值块54，功率极限值块54设定上限和下限功率值。在正常车辆驾驶期间，使用上限和下限功率值以限制线60上至BDC 66(代表BDC 26)的原始功率指令信号P_BDCCmdRaw。
功率分离计算块56基于系统请求信号P_SysReq来确定由燃料电池堆12和蓄电池22提供的功率分离，以确定燃料电池堆功率和蓄电池功率中的多少将分配给总线14和16以操作系统负载。功率分离计算限定分离总系统功率请求P_SysReq的混合动力方案并决定两个功率源如何用于以最有效的方式满足在实际驾驶情况下的车辆功率需求。输出信号P_FCSReq来自于块56，确定功率请求中的多少将由燃料电池堆12提供的指令。原始功率指令信号P_BDCCmdRaw在框54处受到功率极限值P_DchrLim和P_ChrLim的限制以提供实际蓄电池功率指令P_BDCCmd。蓄电池22的功率指令然后传送给BDC 66，BDC 66将线68上的蓄电池功率输出信号P_BDC提供给蓄电池22。
根据本发明，提供均衡电荷以用非常小的充电电流(通常是2amp的量级)给蓄电池22过量充电。该非常小的电流需要由BDC 26控制。BDC 26设计成传输高达35kW的功率。因而，如果需要调节非常小的功率/电流，BDC 26具有欠佳的精度。此外，蓄电池模型精度影响从电流转换为功率极限值，从而可干扰均衡电荷。
图3是蓄电池控制系统70的框图，蓄电池控制系统70提供蓄电池电荷单元均衡且克服上述模型不准确性，其中，与系统40类似的元件由相同的附图标记表示。如上所述，BMS 42包括关于独立单元24和蓄电池22的电荷状态的信息。如果独立单元24之间的电荷状态分配超过均衡所需的预定阈值，那么BMS 42将设定线72上的均衡电荷请求比特值EqualChrReq，均衡电荷请求比特值EqualChrReq指示蓄电池22需要电荷均衡。线72上的信号传送给比例积分(PI)控制器74，PI控制器74启动蓄电池电荷均衡序列。
PI控制器74还接收线76上的测量蓄电池电流和线78上的电荷极限值信号I_BMSChrLim。蓄电池电流由BMS 42测量。取决于测量蓄电池电流和充电电流极限值之间的差，控制器74在加法器82处修正充电电流极限值以确保实际充电电流匹配电荷极限值以校正模型不准确性。新计算的充电电流极限值在块48处以与上文所述相同的方式由蓄电池模型转换为功率，其中，燃料电池堆功率此时用于给蓄电池22充电。新计算的充电电流极限值转换为充电功率极限值，用作线64上的BDC功率指令P_ChrLim。
在均衡电荷序列期间，功率分离计算模块56中的混合动力方案将由线86上的EqualChrReq比特值关闭。功率分离计算模块58接收线84上的充电功率极限值信号P_ChrLim，且然后将该信号返回至线60上的块54，而不是原始指令信号P_BDCCmdRaw。蓄电池22将用最大可能充电功率极限值P_ChrLim充电，且总系统功率请求P_SysReq需要通过燃料电池系统满足，其中，P_FCSReq＝P_SysReq+P_ChrLim。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种用于均衡电动车辆中的蓄电池的蓄电池单元的电荷的方法，所述方法包括：
监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态；
测量蓄电池实际电流；
确定蓄电池的最大充电电流极限值；
将蓄电池实际电流和最大充电电流极限值进行比较；
基于蓄电池实际电流和最大充电电流极限值之间的比较通过将某一值增加到最大充电电流极限值来修正最大充电电流极限值；
将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值；以及
使用充电功率极限值来给蓄电池过量充电，使得蓄电池中的所有蓄电池单元都完全充电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，给蓄电池过量充电包括用大约2amp的电流给蓄电池过量充电。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，电动车辆中的燃料电池堆提供功率，以向蓄电池单元充电。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值包括使用蓄电池模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将蓄电池实际电流和最大充电电流极限值进行比较包括在比例积分控制器中将蓄电池实际电流和最大充电电流极限值进行比较。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，测量蓄电池实际电流包括使用蓄电池管理系统来测量蓄电池电流。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括关闭功率分离计算模块，所述功率分离计算模块在蓄电池和燃料电池堆之间分离功率分配。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括如果蓄电池中的最小单元电荷和最大单元电荷的电荷状态超过预定阈值则启动电荷均衡过程。
9.一种用于均衡燃料电池混合动力车辆中的蓄电池的蓄电池单元的电荷的方法，所述燃料电池混合动力车辆包括燃料电池堆，所述方法包括：
监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态；
测量蓄电池实际电流；
确定蓄电池的最大充电电流极限值；
在比例积分控制器中将蓄电池实际电流和最大充电电流极限值进行比较；
基于蓄电池实际电流和最大充电电流极限值之间的比较通过将某一值增加到最大充电电流极限值来修正最大充电电流极限值；
使用蓄电池模型将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值；以及
使用充电功率极限值和来自于燃料电池堆的功率来给蓄电池过量充电，使得蓄电池中的所有蓄电池单元都完全充电。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，给蓄电池过量充电包括用大约2amp的电流给蓄电池过量充电。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，测量蓄电池实际电流包括使用蓄电池管理系统来测量蓄电池电流。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括关闭功率分离计算模块，所述功率分离计算模块在蓄电池和燃料电池堆之间分离功率分配。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括如果蓄电池中的最小单元电荷和最大单元电荷的电荷状态超过预定阈值则启动电荷均衡过程。
14.一种用于均衡电动车辆中的蓄电池的蓄电池单元的电荷的系统，所述系统包括：
监测蓄电池中的蓄电池单元的电荷状态的装置；
测量蓄电池实际电流的装置；
确定蓄电池的最大充电电流极限值的装置；
将蓄电池实际电流和最大充电电流极限值进行比较的装置；
基于蓄电池实际电流和最大充电电流极限值之间的比较通过将某一值增加到最大充电电流极限值来修正最大充电电流极限值的装置；
将修正的最大充电电流极限值转换为充电功率极限值的装置；以及
使用充电功率极限值来给蓄电池过量充电以使得蓄电池中的所有蓄电池单元都完全充电的装置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，转换修正的最大充电电流极限值的装置使用蓄电池模型。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，将蓄电池实际电流和最大充电电流极限值进行比较的装置使用比例积分控制器。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，测量蓄电池实际电流的装置是蓄电池管理系统。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，给蓄电池过量充电的装置用大约2amp的电流给蓄电池过量充电。
19.根据权利要求14所述的系统，还包括关闭功率分离计算模块的装置，所述功率分离计算模块在电荷均衡期间在蓄电池和燃料电池堆之间分离功率分配。
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