CN102270866A - 交通工具电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及交通工具电源管理系统(VPMS)，其控制交通工具中电池的充电电压，其中VPMS控制器评估充电状态(SOC)、电池温度和电池充电电流，以确定充电模式。当SOC小于第一阈值时，使用快速充电模式，其中VPMS控制器选择目标快速充电电压，关于电池温度补偿该目标快速充电电压，并传输该补偿的快速充电电压到充电电源。当SOC大于第一阈值并小于第二阈值时，使用正常充电模式，其中，比目标快速充电电压小的目标正常充电电压被选定和补偿。当SOC大于第二阈值时，使用涓流充电模式，其中，目标涓流充电电压比目标正常充电电压小。如果未能从电池监测器接收SOC、电池温度或电池充电电流，则VPMS控制器也进入涓流充电模式。

Description

交通工具电源管理系统
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦赞助研究的声明
不适用。
发明背景
本发明一般涉及交通工具电源管理系统，更具体地涉及控制从交通工具中的充电电源被施加到电池的再充电电压。
已经并将继续开发用于管理机动交通工具中的电力的复杂控制。在这样的系统中的电池再充电的方式影响交通工具性能的若干重要方面，包括电池寿命和容量、燃料经济性和电器配件的正确操作。交通工具制造商已经投入很大精力来最优化一个或多个性能方面，导致在交通工具操作的过程中基于大量检测到的情况动态地控制电池充电的复杂系统。开发这些复杂系统的工作费时又费钱。同样，所产生的系统需要处理大量数据的能力。大量数据收集和处理硬件对于生产和安装是相当昂贵的。
复杂系统的另一个缺点是，不经大量修改，不容易在不同的交通工具型号上重复使用它们。由于任何特定的交通工具型号包括电器部件和系统的独特组合，所以需要单独的工作来设计和验证用于各个交通工具的交通工具电源管理系统。基于有限数量的输入情况，简单、有效的再充电方法将是可期望的，以便提供容易适于并被验证用于任何特定的交通工具型号的现货供应的系统。
发明概述
在本发明的一个方面，交通工具电源管理系统(VPMS)被提供来控制交通工具中电池的充电电压，其中交通工具包括提供选定电压给电池的充电电源。电池监测器耦合到电池，用于确定电池的充电状态(SOC)、电池温度和电池充电电流。VPMS控制器接收来自电池监测器的周期性的消息，该周期性的消息包括来自电池监测器的SOC、电池温度和电池充电电流的测量结果，其中VPMS控制器评估来自电池监测器的消息以确定充电模式。
当SOC小于第一阈值时，VPMS控制器进入快速充电模式。在快速充电模式中，VPMS控制器选择目标快速充电电压，关于电池温度补偿目标快速充电电压，并传输经补偿的快速充电电压到充电电源。在快速充电模式中，同样，VPMS控制器使电池充电电流与过电流阈值相比较，并且如果电池充电电流超过过电流阈值，则VPMS控制器传输降低的充电电压到充电电源。
当SOC大于第一阈值并小于第二阈值时，VPMS控制器进入正常充电模式。在正常充电模式中，VPMS控制器选择比目标快速充电电压小的目标正常充电电压，关于电池温度补偿目标正常充电电压，并传输经补偿的正常充电电压到充电电源。
当SOC大于第二阈值时，VPMS控制器进入涓流充电模式。在涓流充电模式中，VPMS控制器选择比目标正常充电电压小的目标涓流充电电压，关于电池温度补偿目标涓流充电电压，并传输经补偿的涓流充电电压到充电电源。在未能从电池监测器接收SOC、电池温度或电池充电电流的情况下，VPMS控制器也进入涓流充电模式。
附图简述
图1是示出采用本发明的交通工具电力系统的一个实施方式的框图。
图2是VPMS控制器的一个实施方式的输入/输出图。
图3是示出本发明的一个实施方式中的充电模式的状态图。
图4是示出本发明的可选增强的流程图。
图5是示出减载增强(load shedding enhancement)中负载的优先级的图。
优选实施方式的详述
本发明的主要目标是确定目标充电电压，然后目标充电电压被传达到用于输送充电电压和充电电流到电池的充电电源。用于管理交通工具电源的许多现有技术的算法已设法以最大化电池寿命和性能的方式给电池充电。本发明可以优选地以代替最大化燃料效率的方式设置目标充电电压。因此，目标充电电压被选择的范围可允许在交通工具操作的某些情况的过程中对电池充电不足或过度充电。为了确保准确的充电控制，根据三个再充电模式将电池状态分类，每个充电模式具有不同的预定目标充电电压。关于电池温度和已知的导线电阻补偿选定的目标电压。除了目标充电电压的选择，本发明可以提供可选增强特性，包括电池的健康状态通知、电压范围监测和低电池充电状态时的减载。
现参考图1，交通工具电力系统10包括电池11，其可以是常规的低电压电池(例如，14伏)、常规的高电压电池(例如，32伏)或任何其它期望的电压。电力系统可随常规内燃机或混合(气-电)推进系统并入交通工具中。
充电器/发电机系统12耦合到电池11，其中，机械能(例如，来自内燃机)被转换为期望施加到电池11的电压，作为再充电电压。电池11的输出也耦合到保险丝盒11，用于供应电能到交通工具中的各种负载。监测器14连接到电池输出并连接到位于电池11附近的电池温度传感器15。
交通工具电源管理系统(VPMS)控制器16通过交通工具通信总线17(如CAN总线)耦合到监测器14，以从监测器14接收周期性的消息，其包括由监测器14确定的电池11的充电状态(SOC)、电池温度和电池充电电流。VPMS控制器16也通过总线17耦合到充电器/发电机12，以传输目标充电电压到充电器/发电机12。充电器/发电机12可优选是包括DC/DC转换器的调节系统，用于提供任何选定电压给电池11。
耦合到总线17的其它模块包括动力系控制模块(PCM)20、气候控制模块21、远程无钥匙进入(RKE)模块22和主体控制器模块23。VPMS控制器16可发送命令到模块20-23和/或从模块20-23接收数据消息，以实施本发明的可选功能，如下所述。
图2是关于VPMS控制器模块24的输入/输出图。如下是在VPMS控制器中使用的变量，其或者可以在来自于另一个模块的消息中被接收，或者可以在VPMS控制器中被预先存储或计算。VSC_KeyStat具有两个可能的值，其指示交通工具点火在断开位置或运行位置。VSC_KeyStat变量可以从交通工具系统控制器或其它模块得到。名为PMS_StateOfCharge的变量对应电池的实际充电状态。充电状态(SOC)可由电池监测器模块或由VPMS控制器基于从电池监测器模块接收的不同电池测量结果来确定。充电状态可确定为例如共同受让的美国专利6,876,174中所示的。
名为PMS_ChargeCurrent的变量对应例如由电池监测器所测量的测量充电电流，其从充电电源输送到电池。BMS_Btemp是由连接到电池监测器的整体温度传感器测量的电池温度。
PMS_SOH_Input对应电池的健康状态(SOH)，其也可使用美国专利6,876,174中所示的技术确定。
名为PMS_CommLostStatus的变量识别VMPS控制器和电池监测器或被用来供应有关数据给VPMS控制器的其它模块之间的总线通信是否中断。
名为CFG_ChrgCurrent_THR的变量是可配置的充电电流阈值，其用来检测充电电源上可干扰燃料效率的超载。变量CFG_PMS_SOC_MIN_THR是由VPMS控制器使用的可配置的最小充电状态阈值，其与是最高阈值的变量CFG_PMS_SOC_MAX_THR一起来确定当前电池的SOC落入三个范围中的哪个，以激活由本发明使用的三个充电模式之一。
变量CFG_TCV_NormalCharge是正常充电模式中使用的目标充电电压。CFG_TCV_RapidCharge是快速充电模式中使用的目标充电电压。CFG_TCV_TrickleCharge是涓流充电模式中使用的目标充电电压。基于电力系统和期望性能的详细说明，每个目标充电电压被预先配置成用于每个特定的交通工具型号。
名为CFG_VTargetOffset的变量是为特定的交通工具型号配置的电压目标偏移，以识别和补偿充电电源和电池之间的导线中的电阻，使得准确的充电电压可被输送到电池。
图2示出来自VPMS控制器模块24的两个输出。第一输出被称为PMS_SOH_output，其是来自交通工具电源管理系统的、指示电池的健康状态是否超过临界值的健康状态标志。低于临界值时，应向交通工具的驾驶员发出电池警告。第二输出是PMS_TCVout，其是以下述方式计算的补偿目标充电电压。
本发明的VPMS控制器优选根据图3所示的状态图操作。初始状态25对应处于断开状况的交通工具的点火，如VSC_KeyStat信号所指示的。当点火接通时(如VSC_KeyStat转移到点火接通状况所指示的)，VPMS控制器转移到状态26，其中各种输入通过来自诸如电池监测器模块或PCM模块的其它模块的消息收集。如果在状态26中通信中断并且没有在交通工具总线上得到期望的输入信号或消息，则转移到涓流充电模式34，其中只得到少量电池充电，如将在下面描述的。
如果在状态26中得到所有输入值，则转移到用于评估电池的健康状态(SOH)的状态27。如果检测到低SOH，那么转移到状态28，其中向驾驶员发出警告信号，如指示灯的照明或警告消息在交通工具仪表板上的显示。
在状态28中发出警告后或者如果SOH在状态27中不低，则转移到用于评估交通工具电力系统的电压范围的状态30。因此，电池监测器可提供系统电压测量给VPMS控制器，其使系统电压与高电压阈值和低电压阈值比较，以检测什么时候系统电压不期望地高或低。当这样的高或低系统电压被检测到时，转移到状态31，其中电力系统的某些行为被修改，如关于图4将在下面解释的。
从状态30或31，转移到用于与最低和最高SOC阈值相比来评估电池的SOC的状态32。可选地，当SOC值低于相应的阈值时，状态32也可转移到减载状态33。状态32基于SOC确定应使用哪个充电模式并计算选定充电模式的目标充电电压。更具体地，当SOC低于最低阈值时，VPMS控制器进入快速充电模式。当SOC大于最低阈值并小于最高阈值时，VPMS控制器进入正常充电模式。当SOC大于最高阈值时，VPMS控制器进入涓流充电模式。在每个模式中，VPMS控制器选择相应的目标充电电压，关于电池温度和导线电阻补偿目标充电电压，并传输经补偿的目标充电电压到充电电源。在进入任何特定的充电模式后，VPMS控制器等待预定的时间(例如，约20毫秒)，并然后返回到状态26以得到下一组输入，并然后以同样的方式评估它们。
而在快速充电模式36中，VPMS控制器还检查电池的过大充电电流(即，大于CFG_ChrgCurrent_THR)，并在高电流被检测到时，转移到正常充电状态37，其使用CFG_TCV_NormalCharge设置目标充电电压(关于电池温度和导线电阻被补偿)。VPMS控制器停留在正常充电状态37中，直至点火被关闭，使得燃料效率不被快速充电目标电压处的过度充电负面影响。
现将更详细考虑涓流充电模式。当状态32评估充电状态并发现PMS_StateOfCharge大于或等于CFG_PMS_SOC_MAX_THR时，则它转移到用于涓流充电模式的状态34。根据下列公式计算目标充电电压PMS_TCVout：
Figure BSA00000513347700061
其中，TCV是目标充电电压(其在涓流充电模式中被指定为CFG_TCV_TrickleCharge的预定值)，Temp被指定为BMS_Btemp的值，而VOffset被指定为CFG_VtargetOffset的值。
当状态32确定PMS_StateOfCharge落在CFG_PMS_SOC_MIN_THR和CFG_PMS_SOC_MAX_THR之间时，则它进入正常充电模式的状态35。使用相同的电池温度补偿和用于补偿导线电阻的可配置偏移来计算目标电压PMS_TCVout，但指定CFG_TCV_NormalCharge的预定值为上面公式中的TCV。正常充电模式中的目标充电电压比涓流充电模式中的目标电压大。
当状态32确定PMS_StateOfCharge比CVG_PMS_SOC_MIN_THR小时，则转移到快速充电模式的状态36，其提供大很多的目标充电电压，以便使电池快速充电。PMS_TCVout的计算使用CFG_TCV_RapidCharge的预定值为上述公式中的TCV。在连续评估输入的过程中，快速充电模式可维持与PMS_StateOfCharge保持低于最低阈值而充电电流不超过充电电流阈值一样长的时间。否则，在交通工具的特定驱动周期的剩余部分的过程中，在正常目标电压处执行充电。
将关于图4更详细讨论电压范围监测的可选功能。在步骤40中，由电池监测器和或充电器/发电机系统确定的系统电压VS与低电压阈值VL相比较。如果系统电压低于阈值，则在步骤41中实施低电压行为。优选地，系统电压可在预定间隔如约20毫秒被采样。为了实现低电压行为，系统电压必须优选低于阈值至少500毫秒(即，25个连续样值)。当以这种方式检测到低系统电压时，VPMS控制器设置故障状况并通知电力系统中的其它模块。它可以控制其它模块，以减少或消除预定负载消耗的功率。低电压行为可进一步包括若干可能行动的任一，包括：1)禁止在其它模块中设置故障，2)禁止对特定系统输出执行诊断，3)设置气候控制系统忽略远程舱调节请求，4)防止氙气前灯的运行，5)以减少的光输出操作其它外部灯，6)抑制需要继电器控制的电器部件如风挡刮水器(尽管已经在电压等级变低之前打开的继电器可仍然保持接通)，7)风挡刮水器可以以降低的速度运行，以及8)RKE的功能性可能受到抑制。
如果在步骤40中没有检测到低系统电压，则在步骤42中进行检查以确定系统电压VS是否大于高电压阈值VH。如果是的话，则可以在步骤43中实施高电压行为。高电压行为可包括：1)将不在其它模块中设置故障，2)不对电力输出执行诊断，3)忽略远程舱调节请求，4)氙气前灯不运行，5)其他外部灯以增加的光输出运行，6)风挡刮水器以增加的速度运行，以及7)RKE的功能性将不发生。
为了检测回到正常电压范围的变化，系统电压必须优选保持在低阈值和高阈值之间至少500毫秒(25个连续样值)。
现将更详细讨论在电池的充电状态被耗尽到再充电和所有负载的操作都不能被支持时进行减载的可选功能。当PMS_StateOfCharge小于CFG_SOC_LoadShedMin指定的可配置阈值时，则VPMS控制器启动减载策略。当充电状态上升高于CFG_SOC_LoadShedRtn指定的更高阈值时，终止减载策略。这些阈值的值为每个特定交通工具专门设计。一旦任何负载被减少，它就不返回到接通，直到它由人工用户交互控制回到接通。只有非关键轻便负载可在减载操作期间停用。图5示出根据被停用的优选优先级可被停用的选定负载。因此，前加热座可具有最低优先级而首先被停用。充电状态保持低于减载返回阈值的时间越长，越多的负载将被减少。因此，如果减载状况继续，则后加热座、后除雾器和电源插座可以被陆续停用。
本发明还可以使用电池节约特性，以自动在交通工具点火关闭后的预定时间段后关闭某些输出。例如，可在点火关闭后，可使停车灯、头灯和后雾灯停用二十分钟。迎宾灯(courtesy light)、环境灯(ambient light)、需求灯(demand light)以及显示背景灯(backlighting)也可以在同一时间关闭，如果它们仍然接通的话。优选地，警示灯将不受电池保护功能的控制或影响。一旦电池节约功能关闭特定功能部件，它们将保持关闭，直到由人工用户交互控制回到接通。VPMS控制器可具有运送模式，其中电池节约时间缩短至一分钟。运送模式将在工厂被激活，然后在交通工具被交付给最终客户之前，在代理商处被停用。

Claims (16)

1.一种交通工具电源管理系统(VPMS)，用于控制交通工具中电池的充电电压，其中，所述交通工具包括提供选定电压给所述电池的充电电源，所述系统包括：
电池监测器，其耦合到所述电池，用于确定所述电池的充电状态(SOC)、电池温度和电池充电电流；以及
VPMS控制器，其从所述电池监测器接收周期性消息，所述周期性消息包括来自所述电池监测器的所述SOC、电池温度和电池充电电流的测量结果，其中，所述VPMS控制器评估来自所述电池监测器的所述消息以确定充电模式；
其中，当所述SOC小于第一阈值时，所述VPMS控制器进入快速充电模式，其中，所述VPMS控制器选择目标快速充电电压，关于所述电池温度补偿所述目标快速充电电压，并传输经补偿的快速充电电压到所述充电电源，并且其中，所述VPMS控制器将所述电池充电电流与过电流阈值相比较，且如果所述电池充电电流超过所述过电流阈值，则所述VPMS控制器传输降低的充电电压到所述充电电源；
其中，当所述SOC大于所述第一阈值并小于第二阈值时，所述VPMS控制器进入正常充电模式，其中，所述VPMS控制器选择比所述目标快速充电电压小的目标正常充电电压，关于所述电池温度补偿所述目标正常充电电压，并传输经补偿的正常充电电压到所述充电电源；
其中，当所述SOC大于所述第二阈值时，所述VPMS控制器进入涓流充电模式，其中，所述VPMS控制器选择比所述目标正常充电电压小的目标涓流充电电压，关于所述电池温度补偿所述目标涓流充电电压，并传输经补偿的涓流充电电压到所述充电电源；
其中，如果未能从所述电池监测器接收所述SOC、电池温度或电池充电电流，则所述VPMS控制器进入所述涓流充电模式。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述VPMS控制器根据下式确定经补偿的电压：
Figure FSA00000513347600021
其中，TCV分别是所述目标快速充电电压、目标正常充电电压或目标涓流充电电压，而VOffset具有补偿所述电池和充电电源之间的电阻的预定值，所述电阻为所述交通工具的特征。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述降低的充电电压等于所述经补偿的正常充电电压，并且其中，所述降低的充电电压被维持交通工具点火不被关闭的时间那么久。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述电池监测器确定所述电池的健康状态(SOH)，并且其中，所述VPMS控制器将所述SOH与SOH阈值相比较，并且如果所述SOH小于所述SOH阈值，则所述VPMS控制器生成驾驶员警告。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述电池监测器确定所述交通工具内的电力负载可用的系统电压，其中，所述VPMS控制器响应于预定阈值而将所述系统电压分级为低、正常或高，并且其中，所述VPMS控制器响应于低或高等级而将命令传输到至少一些电力负载，以便修改相应的电力负载的行为。
6.如权利要求5所述的系统，其中，在低等级期间的经修改的行为包括禁止设置故障、中止诊断程序和减少或消除由预定负载消耗的功率。
7.如权利要求5所述的系统，其中，在高等级期间的经修改的行为包括禁止设置故障、中止诊断程序和停用预定负载。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述VPMS控制器将所述SOC与减载阈值相比较，并且如果所述SOC小于所述减载阈值，则所述VPMS控制器进入减载模式，其中，所述减载模式包括：
停用具有第一优先级的至少一个负载，其中，停用的负载只响应于人工行动而被重新激活；
将所述SOC与负载返回阈值相比较；以及
如果所述SOC大于所述负载返回阈值，则退出所述减载模式，否则停用具有比所述第一优先级高的第二优先级的至少一个负载。
9.一种控制交通工具中的电池的充电电压的方法，其中，所述交通工具包括提供选定电压给所述电池的充电电源，所述方法包括以下步骤：
周期性地确定所述电池的充电状态(SOC)、电池温度和电池充电电流；
将所述SOC与第一阈值和第二阈值相比较，其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；
当所述SOC小于所述第一阈值时，进入快速充电模式，其中，所述快速充电模式包括选择目标快速充电电压、关于所述电池温度补偿所述目标快速充电电压以及传输经补偿的快速充电电压到所述充电电源，并且其中，所述快速充电模式包括将所述电池充电电流与过电流阈值相比较，并且如果所述电池充电电流超过所述过电流阈值，则传输降低的充电电压到所述充电电源；
当所述SOC大于所述第一阈值并小于所述第二阈值时，进入正常充电模式，其中，所述正常充电模式包括选择比所述目标快速充电电压小的目标正常充电电压、关于所述电池温度补偿所述目标正常充电电压以及传输经补偿的正常充电电压到所述充电电源；
当所述SOC大于所述第二阈值时，进入涓流充电模式，其中，所述涓流充电模式包括选择比所述目标正常充电电压小的目标涓流充电电压、关于所述电池温度补偿所述目标涓流充电电压以及传输经补偿的涓流充电电压到所述充电电源；以及
如果未能确定所述SOC、电池温度或电池充电电流，则进入所述涓流充电模式。
10.如权利要求9所述的方法，其中，根据下式确定经补偿的电压：
Figure FSA00000513347600031
其中，TCV分别是所述目标快速充电电压、目标正常充电电压或目标涓流充电电压，而VOffset具有补偿所述电池和充电电源之间的电阻的预定值，所述电阻为交通工具的特征。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述降低的充电电压等于所述经补偿的正常充电电压，并且其中，所述降低的充电电压被维持交通工具点火不被关闭的时间那么久。
12.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
确定所述电池的健康状态(SOH)；
将所述SOH与SOH阈值相比较；以及
如果所述SOH小于所述SOH阈值，则生成驾驶员警告。
13.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
确定所述交通工具内的电力负载可用的系统电压；
响应于所述第一阈值和所述第二阈值而将所述系统电压分级为低、正常或高；以及
响应于低或高等级而将命令传输到至少一些电力负载，以便修改相应的电力负载的行为。
14.如权利要求13所述的方法，其中，在低等级期间的经修改的行为包括禁止设置故障、中止诊断程序和减少或消除由预定负载消耗的功率。
15.如权利要求13所述的方法，其中，在高等级期间的经修改的行为包括禁止设置故障、中止诊断程序和停用预定负载。
16.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
将所述SOC与减载阈值相比较；以及
如果所述SOC小于所述减载阈值，则进入减载模式，其中，所述减载模式包括：
停用具有第一优先级的至少一个负载，其中，停用的负载只响应
于人工行动而被重新激活；
将所述SOC与负载返回阈值相比较；以及
如果所述SOC大于所述负载返回阈值，则退出所述减载模式，否
则停用具有比所述第一优先级高的第二优先级的至少一个负载。
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