CN102035050A - 一种用于平衡机动车辆中蓄电池的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平衡机动车辆中蓄电池的系统和方法。电池为包括多个蓄电单元的类型。该系统包括热电装置和控制器。热电装置接收热能并将热能转换为电能。控制器基于各个蓄电单元中的荷电量确定蓄电池中要充电的蓄电单元的子组合。另外，控制器将电能分配至子组合中的各个蓄电单元，以平衡车辆中的蓄电池。

Description

一种用于平衡机动车辆中蓄电池的系统
技术领域
本发明涉及一种用于平衡机动车辆中蓄电池的系统。
背景技术
电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、和燃料电池车辆(FCV)通常包括高压蓄电池。在运转时，蓄电池提供电能以运转车辆中的多个组件，例如用于驱动车辆驱动轮的电动马达。蓄电池通常包括多个可存储电荷的蓄电单元。这些蓄电单元中的每一个均具有荷电状态(state of charge，SOC)。然而，蓄电池中的一些蓄电单元可能比蓄电池中的其它蓄电单元具有更高的SOC。在这种情况下，称蓄电池为失衡。当蓄电池变得失衡时，可能需要或必须平衡或重新平衡蓄电池。
发明内容
本发明提供了一种平衡机动车辆中蓄电池的系统和方法，其中蓄电池为包括多个蓄电单元的类型。该系统包括热电装置和控制器。
热电装置适用于接收热能并将热能转化为电能。热电装置可适用于从电池、车辆发动机、车辆驱动桥或其组合接收热能。另外，热电装置可适用于从电池接收电能并将电能转化为热能以加热至少一部分电池。
控制器被配置为用于确定电池中要充电的蓄电单元子组合。该子组合不包括所有蓄电单元。基于各个蓄电单元中的荷电量确定子组合。例如，控制器可基于哪些蓄电单元的荷电量低于预定荷电量来确定子组合。控制器可接收一个或多个指示各个蓄电单元中荷电量的电信号并处理这些信号以确定子组合。
控制器配置用于将电能分配至子组合中的各个蓄电单元以尽力平衡车辆中的电池。系统可包括开关阵列。控制器可控制开关阵列以将电能从热电装置分配至子组合中的各个蓄电单元。
在至少一个实施例中，控制器基于子组合中各个蓄电单元中的荷电量将电能分配至子组合中的各个蓄电单元。例如，在控制器将电能分配至具有较多荷电量的蓄电单元之前，控制器可将电能分配至具有较少荷电量的蓄电单元。在另一示例中，当电池中至少一个蓄电单元的荷电量超过预定荷电量时，控制器可将电能从电池分配至热电装置。
在至少一个实施例中，控制器确定至少一个蓄电单元的所需荷电状态并将电能从热电装置分配至这一个蓄电单元直至达到这一个蓄电单元的所需荷电状态。这一个蓄电单元可在控制器将电能分配至电池中的另一蓄电单元之前达到所需荷电状态。
在至少一个实施例中，控制器基于各个蓄电单元中的荷电量确定电池的平衡状态并基于平衡状态将电能从热电装置分配至蓄电单元。当平衡状态指示电池中的蓄电单元充电不均衡时，控制器可将电能分配至电池。
控制器可确定电池中至少两个蓄电单元之间的荷电差。另外，控制器可基于荷电差将电能从热电装置分配至电池中的蓄电单元。
将电能分配至子组合中的各个蓄电单元基本上使蓄电单元中的荷电量相等。控制器可在车辆驾驶循环(drive cycle)之后将电能分配至子组合中的各个蓄电单元。另外，当电池基本上均衡时，控制器可以以总体上一致的方式将电能分配至电池中的各个蓄电单元。
根据本发明，还提供了一种平衡具有多个蓄电单元的蓄电池的系统，该系统包含：适用于接收热能并将热能转换为电能的热电装置；以及控制器，配置用于基于各个蓄电单元中的荷电量确定蓄电池中要被充电的蓄电单元的子组合并将电能分配至子组合中的蓄电单元，以便平衡蓄电池。
根据本发明，还提供了一种平衡机动车辆中蓄电池的方法，包括将热能转换为电能、确定电池中要接收电能的蓄电单元的子组合并将电能分配至子组合中的各个蓄电单元，以便平衡车辆中的电池。基于各个蓄电单元中的荷电量来确定该子组合。可从电池、发动机、驱动桥、或其组合接收热能。
附图说明
图1显示了具有蓄电池和用于平衡蓄电池的系统的机动车辆的示意图。
图2显示了包括热电装置、DC/DC转换器和控制器的用于平衡蓄电池的系统的示意图。
图3显示了平衡蓄电池的方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例总体上提供了一种用于平衡机动车辆中蓄电池的系统和方法。本说明书以综合方式描述了该系统及其运转方法，从而有助于理解本发明的各个方面。
参考图1，系统10总体上设置用于平衡机动车辆14(下文中称为车辆)的蓄电池12(下文中称为电池)。图1的系统10显示为与并行/串行混合动力电动车辆(PSHEV)的动力系相结合。然而，系统10可与车辆14相分离、处于车辆14外部、或与适合包含电池12的其它类型机动车辆(例如串联混合动力电动车辆(SHEV)、并联混合动力电动车辆(PHEV)、电动车辆(EV)、插电式混合动力电动车辆、燃料电池电动车辆(FCEV)及混合动力燃料电池电动车辆)相结合。
如图1所示，车辆14包括发动机16、驱动桥18和驱动轮20。发动机16和电池12选择性地向驱动轮20提供动力从而能够驱动车辆14。在运转期间，电池12、发动机16和驱动桥18发热或产生热能，系统10可将热能转换为电能以平衡电池12。
继续参考图1，驱动桥18包括行星齿轮组22、发电机24、电动马达26、以及齿轮组28。驱动桥18连接在驱动轮20和发动机16及电池12之间以控制如何以及何时将动力传递至驱动轮20。电动马达26和发电机24为构成电机装置的两个电机。这样，电动马达26和发电机24每个均代表了电机装置的一部分。然而，车辆14可具有不同的电机装置，例如多于或少于两个电机。图1的电动马达26和发电机24均可用作马达以输出扭矩。可替代地，每个电机也均可用作输出电能的发电机。
如图1所示，驱动桥18的行星齿轮组22机械连接发动机16和发电机24。行星齿轮组22可具有环形齿圈、齿轮架、行星齿轮和中心齿轮。可替代地，行星齿轮组22可包括用于将发动机16连接至发电机24的其它类型的齿轮和变速装置。
如图1所示，发动机16向连接至行星齿轮组22的轴30输出扭矩。行星齿轮组22通过轴30从发动机16接收动力，并将动力通过齿轮组28传递至驱动轮20或将动力传递至发电机24。除了接收来自发动机16的动力之外，行星齿轮组22还可接收来自发电机24的动力。
如图1所示，发电机24可用作电动马达、将机械能转换为电能的装置或其二者。作为电动马达运转时，发电机24向连接至行星齿轮组22的轴32输出扭矩，行星齿轮组22将扭矩传递至发动机16。作为将机械能转换为电能的装置运转时，发电机24可向高压电分配系统36(下文称为EDS)输出电能。EDS36从发电机24接收电能，并取决于车辆14的驱动模式在电池12和电动马达26之间分配电能。EDS36还可从电池12和/或电动马达26接收电能并将电能分配至电池12、电动马达26、发电机24或其组合。
如图1所示，电动马达26向连接至齿轮组28的轴38输出扭矩。齿轮组28通过轴38从电动马达26接收动力并向驱动轮20传递动力以驱动车辆14。
发电机24和电动马达26均可用作马达以输出扭矩。可替代地，其均可用作发电机向EDS36和电池12输出电能。在这些运转的任一种期间，电动马达26、发电机24或其二者可产生热能，系统10可将该热能转换为电能以平衡电池12。
继续参考图1，车辆14包括车辆控制器40或一些其它类型的可编程逻辑装置以控制车辆14动力系的各个组件。图1的车辆控制器40显示为车辆系统控制器(vehicle system controller，VSC)和动力系控制模块(powertrain control module，PCM)的组合。VSC和PCM的组合在下文中被称为“VSC/PCM”，附图标记为40。尽管VSC/PCM40显示为单个硬件装置，VSC/PCM40可包括多个硬件装置形式的多个控制器、或者处于一个或多个硬件装置中的多个软件控制器。
系统10包括计算机可读存储介质42(下文称为“存储器”)，以存储关于车辆14中各种组件的数据或信息以及用于控制车辆14的动力系的各种计算机程序或算法。如图1所示，存储器42可为VSC/PCM40的一部分。然而，存储器42可位于车辆14中可访问VSC/PCM40的任意合适的部分。
如图1所示，VSC/PCM40通过通信总线44控制驱动桥18、发动机16和电池12。通信总线44与车辆14的多个组件(包括驱动桥18、发动机16和电池12的一个或多个控制器)通信。通信总线44可采用控制器局域网(CAN)、局部互联网(LAN)、或能够在VSC/PCM40和车辆14种其它装置之间传递数据的任意合适的这种数据通信连接。
VSC/PCM40可直接或通过在VSC/PCM40的管理控制下控制驱动桥18、发动机16和电池12的分立控制器来控制驱动桥18、发动机16和电池12。例如，VSC/PCM40可与电池控制模块(BCM)46通信以控制电池12。BCM46向VSC/PCM40传递信号并从其接收信号。
如图1-2所示，电池12包括多个蓄电单元50。图1的电池12显示为能够输出电能以运转电动马达26和发电机24的高压电池。例如，电池12可为具有多个锂离子蓄电单元的锂离子电池。电池12中的各个蓄电单元50均可存储电荷。这样，各个蓄电单元50均具有荷电状态(SOC)。SOC可表示为蓄电单元额定容量的百分比。例如，SOC为0％的蓄电单元可不具有电荷，而SOC为100％的蓄电单元可充满电荷。另外，各个蓄电单元50可具有3.5V至4V之间的标称蓄电单元电压。电池12中的蓄电单元50可串联连接以提供电池12的总电能输出。例如，电池12的总电能输出可设置为300V。例如，当电池12向电动马达26提供电能以驱动车辆14时，蓄电单元50的SOC可能变得不均衡。电池12中的一些蓄电单元50可能具有高于电池12中其它蓄电单元50的SOC。当这种情况发生时，电池12被称为失衡。因此，系统10可对电池12执行均衡化或“平衡”以使电池12总体上均衡。
继续参考图1-2，电池12可包括一个或多个模块52。各个模块52均包括用于存储电能的一个或多个蓄电单元50。各个模块52可包括单个(即仅一个)蓄电单元50，这样模块52的数目等于蓄电单元50的数目。然而，电池12可包括任意合适数目的模块52，且每个模块52均可进一步包括任意合适数目的蓄电单元50。
如图1-2所示，用于平衡电池12的系统10包括至少一个热电装置60和控制器。系统10的控制器可为任意适合的控制器，以控制或导致电能从热电装置60分配至电池12。例如，系统10的控制器可为BCM46、VSC/PCM 40或其组合。在系统10的控制器将电能分配至电池12中的一个或多个蓄电单元50时或当系统10的控制器控制对蓄电池12中的一个或多个蓄电单元50的电能分配时，系统10的控制器可被描述为正在分配电能。系统10的控制器在下文中被称为“BCM”，附图标记为46。
在运转时，热电装置60接收热能并将热能转换为电能。图1的热电装置60接收来自电池12、发动机16和驱动桥18的热能。然而，热电装置60可接收来自任意合适的热源或热源组合的热能。因此，热电装置60可接收来自电池12、发动机16和驱动桥18中的仅仅一个或者来自不同的热源组合(例如发动机16和电动马达26)的热能。
热源可为车辆14内部的热源(例如发动机16)，或车辆14外部的热源(例如道路或车道)。另外，热电装置60可既从车辆14内部又从外部接收热能。例如，热电装置60可从车辆14所处的道路或车道以及从驱动桥18接收热能。
热电装置60可在车辆14运转之前、期间或之后接收热能。在一个示例中，热电装置60可在电池12与车辆14未连接时接收热能。在另一示例中，热电装置60可在发动机16、电池12或二者共同向驱动轮20提供动力以驱动车辆14时接收热能。在再一示例中，热电装置可在车辆14的驾驶循环已经完成之后接收热能。在这种示例中，即使在车辆14已经停机之后，发动机16也可向热电装置60提供足够的热能。
如图1中所示，电池12可包括多个热电装置60’。电池12中的热电装置60’可从蓄电单元50中的一个或多个接收热能并将热能转换为电能，该电能可用于给蓄电单元50中的至少一个的充电。另外，热电装置60’可从蓄电单元50中的一个或多个接收电能并将电能转换为热能，该热能可用于加热电池12中的至少一个蓄电单元50。BCM46控制电池12中的热电装置60’。
如图1中所示，系统10可包括热电控制器62。热电控制器62单独或与VSC/PCM40结合来控制热电装置60。在运转时，热电控制器62可控制热电装置60的运转模式(例如启动或关闭模式)以及热电装置60如何在系统10中运转。例如，热电控制器62可控制热电装置60向车辆14中的另一装置传递多少电能。
如图1所示，系统10可包括DC/DC转换器64。在运转时，DC/DC转换器64可通过电连通路径66从热电装置60接收电能并将电能转换为更适合电池12的电能形式。例如，DC/DC转换器64可从热电装置60接收1V或1V左右的电能，并将电能提高至可能更适合电池12的不同电压(例如3.5V至4V之间的电压)。在这种示例中，DC/DC转换器64可将电能从1V提高至3.8V。
参考图2，DC/DC转换器64可包括DC-AC转换器70、变压器72和AC-DC转换器74，以将来自热电装置60的电能转换为更适合电池12的电能形式。另外，DC/DC转换器64可为双向DC/DC转换器。在运转时，双向DC/DC转换器可将来自电池12的电能转换为更适合热电装置60的电能形式以供其接收并转换为热能。因此，热电装置60可适用于从电池12接收电能并将该电能转换为热能以加热电池12的至少一部分。例如，热电装置60可加热电池12中的一个或多个蓄电单元50。另外，当电池12中至少一个蓄电单元50的荷电状态超过预定荷电状态(例如100％)时，BCM46可将电能从电池12分配至热电装置60。
继续参考图2，DC/DC转换器64的DC-AC转换器70可为双向可控整流器/逆变器，变压器72可为高频隔离变压器，而AC-DC转换器74可为双向可控整流器/逆变器。
参考图1，取决于系统10的具体应用或配置，系统10可包括开关阵列68、68’或其组合。BCM46可控制开关阵列68、68’以将电能从热电装置60分配至子组合中的各个蓄电单元50。开关阵列68、68’可为任意合适类型的继电器系统或机电装置组以允许BCM46选择性地控制流至电池12中的各个蓄电单元50以及从电池12中的各个蓄电单元50流出的电流。取决于系统10的具体应用或配置，系统10可包括作为BCM46的一部分的开关阵列68、或包括作为与BCM46分离的组件的开关阵列68’或包括开关阵列68和开关阵列68’两者。图1中示出了系统10同时包括开关阵列68和开关阵列68，两者的情形，然而本领域技术人员根据上述描述能够简单地确定仅具有开关阵列68或仅具有开关阵列68’时的机电车辆的示意图。
取决于系统10的具体应用或配置，电池12可沿电连通路径80或电连通路径80’从DC/DC转换器64接收电能。电池12沿路径80还是80’接收电能可取决于系统在具体配置或设置中包括开关阵列68还是68’。如果开关阵列68’与BCM64相分离，则电池12沿路径80’从DC/DC转换器64接收电能。类似地，如果开关阵列68为BCM64的一部分，则电池12沿路径80从DC/DC转换器64接收电能。路径82提供了BCM46和开关阵列68’之间的电通信。例如，BCM46可通过路径82控制开关阵列68’从而通过路径82向BCM46提供各个蓄电单元50中的荷电量。
在运转时，BCM46确定要充电的蓄电单元50或模块52的子组合。子组合不包括电池12中的所有蓄电单元50。例如，子组合可仅包括蓄电单元50中的一个，例如电池12中SOC最低的蓄电单元。在另一示例中，子组合可包括电池12中一个或多个模块52中的蓄电单元50。
如图1所示，BCM46可接收一个或多个指示每个蓄电单元50中荷电量的信号或电信号。取决于系统10的具体配置，BCM46可沿路径80或路径82接收信号。BCM46处理通过路径80接收的信号以基于各个蓄电单元50中的荷电量确定子组合。基于各个蓄电单元50中的荷电量，BCM46将电能从DC/DC转换器64分配至子组合中的各个蓄电单元50以平衡电池12。BCM46可基于电池12中哪些蓄电单元50的荷电低于预定荷电量来确定子组合。例如，预定荷电量可表示为标准运转荷电状态(standard operating state of charge，例如50％)。蓄电单元50的电压可用于指示蓄电单元50的荷电。这样，BCM46可确定子组合仅为电池12中那些电压低于预定电压(例如3.5V)的蓄电单元。
当BCM46将电能分配至子组合中的各个蓄电单元50时，系统10可对电池12执行均衡化或“平衡”以使电池12中的荷电量基本上均衡。例如，当任意两个蓄电单元50中的荷电状态相差不超过5％时，电池12可为基本上电均衡。
BCM46可基于子组合中的各个蓄电单元50中的荷电量将电能从DC/DC转换器64分配至子组合中的各个蓄电单元50。例如，BCM46可在将电能分配至电池12中的其它蓄电单元50之前将电能分配至子组合中电量最少的蓄电单元50。这样，BCM46可在将电能分配至荷电较多或SOC较高的蓄电单元之前将电能分配至荷电较少或SOC较低的蓄电单元。
BCM46可确定子组合中至少一个蓄电单元50的所需荷电状态。例如，所需荷电状态可表示为目标荷电状态(例如80％)。另外，BCM46可将电能从热电装置60分配至一个蓄电单元50直至这一个蓄电单元50达到所需荷电状态(例如80％)。在这种示例中，这一蓄电单元50可在BCM46将电能分配至电池12中另一蓄电单元50之前达到所需荷电状态(80％)。BCM46可使用非阶跃函数(例如通过使用斜坡函数或对数函数)将电能逐渐分配至这一个蓄电单元50。可替代地，BCM46可使用阶跃函数或以一连串周期脉冲以相对稳定的水平将电能分配至这一个蓄电单元50。
BCM46可基于各个蓄电单元50中的荷电量确定电池12的平衡状态。平衡状态可指示电池12中至少两个蓄电单元50之间的荷电差。例如，平衡状态可指示电池12中荷电最多或SOC最高(例如60％)的蓄电单元50与电池12中荷电最少或SOC最低(例如30％)的蓄电单元50之间的荷电差或SOC差。在此示例中，SOC差为30％。然而，可使用任意合适的算法或方法来确定平衡状态以确定电池12是否基本上均衡。另外，BCM46可基于平衡状态将电能从热电装置60分配至蓄电单元50。例如，当平衡状态指示荷电差高于预定阈值时，BCM46可将电能从热电装置60分配至蓄电单元50。这样，BCM46可基于荷电差将电能从热电装置60分配至电池12中的蓄电单元50。在另一示例中，当平衡状态指示电池12中的蓄电单元50总体上充电不均衡时，BCM46可将电能从热电装置60分配至蓄电单元50。
BCM46可在车辆14运转之前、期间或之后将电能分配至子组合中的各个蓄电单元50。另外，BCM46可确定电池12何时基本上均衡或“平衡”。当电池12平衡时，BCM46可将电能以总体上一致的方式从热电装置60分配至电池12中的各个蓄电单元50以将电池12从第一SOC充电至高于第一SOC的第二SOC。
参考图3，总体上提供了流程图90，其说明了平衡机动车辆蓄电池的方法的步骤。蓄电池为包括多个蓄电单元的类型。除图3中所示步骤之外，可编程逻辑装置(例如BCM46)可编程有其它步骤以提供额外的功能。
再次参考图3，在对该方法的讨论中参考了图1中说明的机动车辆及其组件以有助于理解本发明的各个方面。平衡车辆14中电池12的方法可通过将计算机算法、机器可执行代码或软件程序编程到车辆14中合适的可编程逻辑装置(例如VSC/PCM40、BCM46、车辆14中的其它控制器、或其组合)中来实施。尽管流程图90中的多个步骤显示为按时间顺序发生，然而至少一些步骤可以以不同的顺序发生，且可同时执行一些步骤或完全不同时执行。
在流程图90的步骤92处，将热能转换为电能。例如，电池12、发动机16、驱动桥18、其它合适的热源或其组合可提供热能。另外，热电装置60可将热能转换为电能。
在步骤94处，获得电池12中各个蓄电单元50中的荷电量。BCM46、VSC/PCM40或二者均可确定各个蓄电单元50中的荷电量。
在步骤96处，确定蓄电单元50的子组合。子组合指示电池12中要接收电能的蓄电单元50。子组合不包括电池12中的所有蓄电单元50。BCM46、VSC/PCM40、或二者均可基于各个蓄电单元50中的荷电量确定子组合。
在图3的步骤98，将电能分配至子组合中的各个蓄电单元50以平衡车辆14中的电池12。例如，BCM46和/或开关阵列68、68’可用于将电能分配至步骤96中确定的子组合中的各个蓄电单元50。
尽管已经说明并描述了本发明实施例，其并非意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。应当理解为，本说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制，且应理解，可进行多种改变而不脱离本发明的实质和范围。

Claims (12)

1.一种用于平衡机动车辆中蓄电池的系统，所述蓄电池为包括多个蓄电单元的类型，所述系统包含：
适用于接收热能并将所述热能转换为电能的热电装置；以及
控制器，被配置为用于基于各个所述蓄电单元中的荷电量确定所述蓄电池中要充电的所述蓄电单元的子组合、并将所述电能分配至所述子组合中的各个蓄电单元，以平衡所述机动车辆中的所述蓄电池，其中，所述子组合不包括所述蓄电池中的所有所述蓄电单元。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，分配至所述子组合中各个蓄电单元的所述电能使所述蓄电单元中的荷电量基本上相等。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器基于所述子组合中各个蓄电单元中的荷电量将所述电能分配至所述子组合中各个蓄电单元。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在所述控制器将所述电能分配至荷电量较多的蓄电单元之前，所述控制器将所述电能分配至荷电量较少的蓄电单元。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为用于基于哪些所述蓄电单元的荷电量少于预定荷电量来确定所述子组合。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为用于接收一个或多个指示各个所述蓄电单元中荷电量的电信号，并处理所述信号以确定所述子组合。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为用于确定所述蓄电单元中至少一个的所需荷电状态，并将所述电能从所述热电装置分配至所述一个蓄电单元直至所述一个蓄电单元达到所述所需荷电状态。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述一个蓄电单元在所述控制器将所述电能分配至所述蓄电池中另一蓄电单元之前达到所述所需荷电状态。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为用于基于各个所述蓄电单元中的荷电量确定所述蓄电池的平衡状态，并基于所述平衡状态将所述电能从所述热电装置分配至所述蓄电单元。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当所述平衡状态指示所述蓄电池中的所述蓄电单元充电不均衡时，所述控制器分配所述电能。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器配置用于确定所述蓄电池中至少两个所述蓄电单元之间的荷电差，并基于所述荷电差将所述电能从所述热电装置分配至所述蓄电单元。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器配置用于在所述机动车辆的驾驶循环之后将所述电能分配至所述子组合中的各个蓄电单元。
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