CN102687088B - 监测hvac系统中的电池健康 - Google Patents

Abstract

监测HVAC系统中的电池健康的系统和方法。监测可再充电电池的电荷状态以及提供给可再充电电池或来自于可再充电电池的安培小时的数量。记录所提供的安培小时的数量，并且基于在充电或放电周期期间提供的安培小时的数量检测寿命终点状态。在一些构造中，通过将在充电或放电周期期间提供的安培小时的数量与阈值进行比较来检测寿命终点状态。在一些构造中，通过计算在充电或放电周期期间提供的安培小时的数量的变化率与阈值进行比较来检测寿命终点状态。

Description

监测HVAC系统中的电池健康

相关申请

本专利申请要求2009年7月31日提交的美国临时专利申请No.61/230,377的权益，该专利申请的全部内容通过参引的方式被并入本文。

技术领域

本发明涉及用于监测电池健康的系统和方法。特别地，该系统监测并追踪路上牵引车或越野牵引车的运动系统(例如，加热、通风和空调(HVAC)系统)中的电池特性。

背景技术

当今，市场上的一些6、7或8型路上牵引车或越野牵引车包括用于对车辆进行冷却或加热的主要或辅助HVAC系统。这些系统通常接收来自一个或多个源的电力，这些源包括外部岸电电源或辅助电源单元、车辆交流发电机、以及一个或多个可再充电电池。

发明内容

可再充电电池携载电荷的能力随着电池的可用寿命流逝而减小。因此，可以从完全充电电池获得的安培小时的量将随着走向电池寿命的终点而减小。

在一个实施例中，本发明提供一种用于HVAC系统的控制系统。该控制系统包括处理器和存储指令的计算机可读存储器。该控制系统监测电池的电荷状态以及分别在充电周期期间提供给电池或在放电周期期间来自于电池的安培小时的数量。控制系统检测电池何时处于第一电荷状态和第二电荷状态，并且记录在充电周期期间或放电周期期间提供的安培小时的数量。放电周期包括在没有电池的任何干涉充电的情况下将电池从第一电荷状态消耗到第二电荷状态。充电周期包括在没有电池的任何干涉使用的情况下将电池从第二电荷状态充电到第一电荷状态。控制系统然后基于在充电周期期间或放电周期期间提供的安培小时的数量检测电池的寿命终点状态。

在一些实施例中，电池在完全充电时处于第一电荷状态，而在完全放电时处于第二电荷状态。在一些实施例中，通过将在充电周期期间或放电周期期间提供的安培小时的数量与阈值进行比较来监测寿命终点状态。在一些实施例中，通过确定在充电周期期间或放电周期期间提供的安培小时的数量的变化率并将该变化率与阈值进行比较来检测寿命终点状态。

在另一个实施例中，本发明提供包括HVAC系统、交流发电机、可再充电电池和上述控制系统的车辆。

在又一个实施例中，本发明提供一种监测HVAC系统中的电池健康的方法。检测电池的电荷状态以及分别在充电周期期间提供给电池或在放电周期期间来自于电池的安培小时的数量。所述方法包括检测电池何时处于第一电荷状态和第二电荷状态，并且记录分别在充电周期期间提供给电池或在放电周期期间来自于电池的安培小时的数量。放电周期包括在没有电池的任何干涉充电的情况下将电池从第一电荷状态消耗到第二电荷状态。充电周期包括在没有电池的任何干涉使用的情况下将电池从第二电荷状态充电到第一电荷状态。所述方法然后包括基于在充电周期期间或放电周期期间提供的安培小时的数量检测电池的寿命终点状态。

在又一个实施例中，本发明提供一种用于HVAC系统的控制系统。所述控制系统监测电池的电荷状态以及由电池提供给HVAC系统的安培小时的数量。该控制系统还检测电池何时处于完全充电状态和完全放电状态，并且记录在整个放电周期期间由电池提供的安培小时的数量。该控制系统基于在整个放电周期期间由电池提供的安培小时的数量检测电池的寿命终点状态。

通过考虑详细的说明和附图，本发明的其他方面将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的包括HVAC系统、电源管理控制系统以及电池的车辆的方框图。

图2A是示出每个充电周期之后电池上的总可用安培小时随时间变化的图。

图2B是示出在整个放电周期期间由电池提供的总可用安培小时随时间变化的图。

图3是示出监测电池健康的方法的流程图。

图4是示出电池容量随时间的减小并示出指示电池何时已经到达其可用寿命的终点的阈值的图。

图5是示出电池容量随时间的变化率的图。

具体实施方式

在对本发明的任何实施例进行详细论述之前，应当理解，本发明在其应用方面不局限于在下面的描述中阐释或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并能够以多种方式来实施或执行。

图1示出了HVAC系统在根据本发明的一个实施例的路上牵引车辆100中的布置。示例性车辆100在题为“双向电池电压转换器”的专利申请—美国临时申请No.61/230,296(2009年7月31日提交)—中进行了描述，该美国临时申请的主题同样包括在美国临时申请No.61/230,377中(2009年7月31日提交)，这两个美国临时申请通过参引的方式并入本文。

HVAC系统101连接于电池103，电池103提供用来操作HVAC系统101的电力。电池103还连接于电源管理控制系统105，电源管理控制系统105监测充电和放电期间电池103的状态。在多种构造中，电源管理控制系统105能够以不同的方式执行，并且能够起到不同的功能。在图1所示的示例中，电源管理控制系统105是包括处理器和计算机可读存储器的单独部件，该处理器能够执行计算机指令，该计算机可读存储器存储计算机指令和处理器收集和计算的其他信息。然而，在其他构造中，电源管理控制系统105包括设计成提供将在下面描述的功能性的ASIC或其他电路。另外，在本示例中，电源管理控制系统105控制电池103的充电并调节提供给车辆100内的其他电气部件的电力。然而，在其他实施方式中，电源管理控制系统105被并入作为HVAC系统101的一部分，或者是专门控制仅仅用于HVAC系统101的电源的单独控制系统。类似地，在所示的示例中，电池103仅仅向HVAC系统101提供电力。然而，在其他实施方式中，电池103向包括HVAC系统101以及车辆100的其他电气部件在内的电气部件的子集供电。

所示示例中的电源管理控制系统105还监测和控制电池103的充电过程。从车辆100的源(例如，交流发电机107)或从外部源109(例如，岸电电源，外部辅助电源单元，等等)供电以对电池进行充电。在本示例中，电源管理控制系统105向电池103提供三阶段受控充电。所述三阶段包括膨胀(bulk)、吸收(absorption)和浮动(float)。在膨胀阶段，电源管理控制系统105以恒定的电压或恒定的电流从交流发电机107或外部源109提供电力给电池103。在吸收阶段期间，电源管理控制系统105向电池103提供电力，同时还减少了电池103产生的热。在浮动阶段，电源管理控制系统105维持电池103上的电荷而不会发生过度充电。尽管图1所示且在下面描述的示例包括三阶段受控充电算法，但本文描述的方法和内容能够被修改成包括其他控制算法(例如，四阶段控制算法)。另外，本发明的其他实施例可以不包括充电算法。在这种实施例中，交流发电机107或外部电源109直接连接于电池103并且继续一直提供相同的电荷。在这种实施方式中，电源管理控制系统105监测充电和放电过程而不管理或控制任一个过程。

除了如上所述地控制电池103的充电过程之外，电源管理控制系统105还在充电和放电期间确定和监测各种电池参数。这些参数包括但不限于电池电压、电池电荷和放电电流强度、电池类型、电池温度、湿度、充电阶段(例如，膨胀、吸收、或浮动)、以及系统处在每个充电阶段的时间量。在一些构造中，电源管理控制系统105随时间存储这些参数中的一个或多个，以监测变化率或提供历史电池数据，用于其他目的。

电源管理控制系统105还监测从电池放电的能量的量。电源管理控制系统105确定在充电之间由电池提供给HVAC系统101的安培小时的数量。电源管理控制系统105存储这些值，使得如下所述，电源管理控制系统105能够监测可由电池提供的能量的总量以及该总量如何随着电池的寿命变化。

在本发明的一个实施例中，当车辆10的发动机(未示出)在运行时，电源管理控制系统105直接从车辆交流发电机107向HVAC系统101供电。相似地，当车辆连接于外部电源109时，电源管理控制系统105从这种外部源109向HVAC系统101供电。另外，当车辆的发动机在运行时或者当车辆100连接于外部电源109时，电源管理控制系统105根据三阶段充电算法对电池103充电。

当发动机不运行并且车辆100未连接于外部电源时，HVAC系统101由电池103供电。在其他构造中，HVAC系统101由电池103直接供电，而不管发动机是否在运行或者外部电源109是否被连接。

由于当车辆发动机停止以及当车辆与外部电源109断开时，电池充电过程停止，所以在充电过程期间，电池103并不总是受到完全充电。类似地，当车辆发动机启动或者当车辆连接于外部电源109时，电池开始充电。因此，当充电过程开始时，电池103并不总是完全放电。这样的示例示出在了图2A中。图2A以可用安培小时随时间(或随充电周期)变化的形式示出了电池103上的总电荷。圆形符号表示当充电过程结束时(例如，当车辆发动机停止时或者当外部电源109断开时)电池103上的以可用安培小时的形式的电荷。

在本文的一个实施方式中描述的电池健康监测过程至少部分地依赖于由完全充电的电池103提供给HVAC系统101的安培小时的总数。因此，电源管理控制系统105对获取到的数据应用过滤，以在完全充电的电池与部分充电的电池之间进行区分。在图2A中，电池103完全充电的周期以及完全充电的电池上的可用的电荷的量(以安培小时的形式)由图中的正方形符号表示。图2B示出了在部分充电周期已经被过滤掉之后的完全充电周期。

一种用于在完全充电的电池与部分充电的电池之间进行区分的机制是通过监测充电阶段。当系统进入浮动阶段时，电池103被完全充电，并且电源管理系统105维持其电荷而不发生过度充电。由于电池的放电深度通常不随着电池的可用寿命流逝而变化，所以电源管理控制系统105能够通过监测电池的电压并检测该电压何时落到阈值之下而对部分放电的电池与完全放电的电池进行区分。在一些实施方式中，其他算法或过滤技术被用来对完全放电的电池与部分放电的电池进行区分。类似地，其他的算法或过滤技术在一些系统中被用来对完全充电的电池与部分充电的电池进行区分。

尽管本文描述的示例指的是“完全放电”的电池，但通常优选的是，可再充电电池不被完全地放电。因此，在一些实施例中，当电池上的当前电荷处于或位于限定阈值之下时，电池将被认为是完全放电的。例如，在一些实施例中，当剩余电荷处于电池的原始全部电荷容量的20％之下时，电池是“完全放电”的。

如图2B所示，由完全充电的电池提供的可用安培小时随着时间并随着充电周期而减小。最终，电池不再能够保持有用的电荷并需要更换。图3示出了用于监测电池健康并用于指示电池103何时需要更换的方法。

电源管理控制系统105通过根据三阶段算法向电池施加电荷而开始(步骤301)。在充电周期完成后(例如，当车辆发动机关闭时或者当车辆100与外部电源109断开时)，电源管理控制系统判断电池103是否是完全充电的(步骤303)。如果电池103是完全充电的，那么电源管理控制系统开始利用来自电池103的电力来操作HVAC系统101(步骤305)。当操作HVAC系统101时，电源管理控制系统105监测电池参数并将一个或多个参数存储在其存储器中(步骤307)。当放电周期完成时(例如，当车辆发动机启动时或者当车辆100连接于外部电源109时)，电源管理控制系统105判断电池103是否是完全放电的(步骤309)。如果是这样，电源管理控制系统105则确定在放电系统期间由完全充电的电池提供的总安培小时并将该值存储在存储器中(步骤311)。

然而，如果电源管理控制系统105确定在电池完全充电之前充电周期已经终止(步骤303)，那么当前的放电周期被标记为部分充电(步骤319)。电源管理控制系统105继续由电池电力操作HVAC系统(步骤321)，并继续监测电池参数(步骤323)。然而，当放电周期结束时，电源管理控制系统不将总安培小时记录在与步骤311中存储的那些总安培小时相同的位置。在一些实施方式中，电源管理控制系统105监测并记录由部分充电电池提供的总安培小时；然而，这些值被过滤掉并且不被包括在本文描述的相同的电池健康监测分析中。类似地，如果电源管理控制系统105确定在电池完全放电之前放电周期已经终止(步骤309)，那么电源管理控制系统105从电池健康监测分析中过滤掉在该放电周期期间放电的安培小时。

当电源管理控制系统105监测在接连的充电/放电周期期间由完全充电的电池提供的安培小时的总数时，电源管理控制系统105基于所记录的信息提供对电池健康的一个或多个检查。首先，将由完全充电的电池提供的安培小时的总数与第一阈值(“阈值”A)进行比较(步骤313)。如图4所示和如上所述，完全充电的电池的总安培小时容量随着时间而从其原始容量减小。最终，安培小时的总数降到消耗容量阈值之下。电源管理控制系统105检测到这种状态并发起警报，通知车辆操作人员电池已经达到或正在接近其可用寿命的终点并需要更换(步骤315)。该警报可以在车辆100的仪表板上被显示给用户，或者可以被报告到另一个远程位置，如服务中心或车辆总部。

在本示例中由电源管理控制系统105执行的另一个测试是基于完全充电电池的容量的变化率。如图5所示，很多电池的容量随着时间进程而逐渐减小，并且平均容量通常维持相当恒定的变化率。然而，随着走向电池的可用寿命的终点，变化率增大。因此，电源管理控制系统105记录随时间变化的电池总容量并监测平均容量和变化率。当变化率超过阈值(“阈值B”)时(步骤317)，电源管理控制系统105发起警报(步骤315)。

第二警报可以与图3所示的第一警报相同，或者它可以是不同的警报。例如，在一些电池中，电池容量的变化率在电池仍然剩余有显著量的可用寿命的同时开始变化。在一些构造中，“变化率”警报提供电池接近其可用寿命的终点的初步报警，而“容量阈值”警报指示电池已经达到其可用寿命的终点。另外，如前面指出的，电源管理控制系统105确定连接于系统的电池的类型。因此，在一些实施方式中，电源管理控制系统105基于已经连接于系统的电池的类型选择阈值和警报类型以及健康监测算法。

应当注意，尽管上面的描述中指到“增大”的变化率，但实际上，图5中的变化率的斜率正在变得越来越为负值(more negative)。因此，用语“增大的变化率”指的是变化率的绝对值的增大。另外，尽管上面的示例监测并追踪在放电阶段期间提供的总安培小时，但在一些构造中，电源管理控制系统105监测在充电阶段期间提供给电池的安培小时。类似地，在一些构造中，电源管理控制系统105监测在充电阶段提供给电池的总安培小时和在放电阶段由电池提供的总安培小时两者。

尽管在路上牵引车辆中的电驱动HVAC系统的背景下论述了上面描述的示例，但同样的电池健康监测系统和方法也可以应用于诸如越野牵引车或乘用车辆之类的其他类型的车辆中的电池。另外，所述电池监测系统和方法也可以应用于用来向其他设备供电的电池。

因此，本发明尤其提供一种新颖的可用系统，其通过过滤掉在当电池不是完全充电或完全放电时的周期中获取的电池数据来监测车辆中的电池的健康。所述系统还包括指示电池何时正在接近或已经达到其可用寿命的终点的警报。本发明的各种特征和优点在所附权利要求中进行了阐述。

Claims (19)

1.一种用于HVAC系统的控制系统，所述控制系统包括处理器和存储指令的计算机可读存储器，所述指令在被所述处理器执行时使所述控制系统：

监测电池的电荷状态；

监测在使用期间由所述电池提供的安培小时的数量和在充电期间提供给所述电池的安培小时的数量两者中的至少一个；

检测所述电池何时处于第一电荷状态；

检测所述电池何时处于第二电荷状态；

记录在放电周期和充电周期中的至少一个周期的期间提供的安培小时的数量，所述放电周期包括在没有所述电池的任何干涉充电的情况下将所述电池从所述第一电荷状态消耗到所述第二电荷状态，并且所述充电周期包括在没有所述电池的任何干涉使用的情况下将所述电池从所述第二电荷状态充电到所述第一电荷状态；以及

基于在所述放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量和在所述充电周期期间提供给所述电池的安培小时的数量两者中的至少一个检测所述电池的寿命终点状态。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述指令在被所述处理器执行时使所述控制系统通过将在所述放电周期和所述充电周期中的至少一个周期的期间由所述电池提供的安培小时的数量与阈值进行比较来检测所述寿命终点状态。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述指令在被所述处理器执行时进一步使所述控制系统记录在多个放电周期中的每一个放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量，并使所述控制系统通过如下方式来检测所述寿命终点状态：

计算在放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量的变化率；以及

将所述变化率与阈值进行比较。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述指令在被所述处理器执行时进一步使所述控制系统记录在多个充电周期中的每一个充电周期期间提供给所述电池的安培小时的数量，并使所述控制系统通过如下方式来检测所述寿命终点状态：

计算在充电周期期间提供给所述电池的安培小时的数量的变化率；以及

将所述变化率与阈值进行比较。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述指令在被所述处理器执行时进一步使所述控制系统：

记录由所述电池提供的安培小时的总数；

记录由所述电池提供的完全放电周期和部分放电周期的数量；以及

监测电池电压。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，当在所述第一电荷状态下时，所述电池是完全充电的，并且在所述第二电荷状态下，所述电池存储少于20%的全部电荷。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述指令在被所述处理器执行时进一步使所述控制系统：

检测所述控制系统是否连接于外部电源；以及

当所述控制系统连接于外部电源时，由所述外部电源对所述电池充电并向所述HVAC系统供电。

8.一种车辆，包括根据权利要求1所述的控制系统、HVAC系统、交流发电机、以及可再充电电池，所述HVAC系统、交流发电机、以及可再充电电池都耦合于所述控制系统。

9.根据权利要求8所述的车辆，其中，所述指令在被所述处理器执行时进一步使所述控制系统判断所述车辆是否在运行，并且当所述车辆在运行时，由车辆交流发电机对所述电池充电并向所述HVAC系统供电。

10.一种监测HVAC系统中的电池健康的方法，包括：

监测电池的电荷状态；

监测在使用期间由所述电池提供的安培小时的数量和在充电期间提供给所述电池的安培小时的数量两者中的至少一个；

检测所述电池何时处于第一电荷状态；

检测所述电池何时处于第二电荷状态；

记录在放电周期和充电周期中的至少一个的期间提供的安培小时的数量，所述放电周期包括在没有所述电池的任何干涉充电的情况下将所述电池从所述第一电荷状态消耗到所述第二电荷状态，并且所述充电周期包括在没有所述电池的任何干涉使用的情况下将所述电池从所述第二电荷状态充电到所述第一电荷状态；以及

基于在所述放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量和在所述充电期间提供给所述电池的安培小时的数量两者中的至少一个检测所述电池的寿命终点状态。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，检测所述电池的寿命终点状态的动作包括将在所述放电周期和所述充电周期中的至少一个的期间由所述电池提供的安培小时的数量与阈值进行比较。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括记录在多个放电周期中的每一个放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量，并且其中检测所述电池的寿命终点状态的动作包括：

计算在放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量的变化率；以及

将所述变化率与阈值进行比较。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括记录在多个充电周期中的每一个充电周期期间提供给所述电池的安培小时的数量，并且其中检测所述电池的寿命终点状态的动作包括：

计算在充电周期期间提供给所述电池的安培小时的数量的变化率；以及

将所述变化率与阈值进行比较。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，当在所述第一电荷状态下时，所述电池是完全充电的，并且在所述第二电荷状态下，所述电池保持少于20%的全部电荷。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述HVAC系统安装在车辆中并被耦合到控制系统，并且所述方法还包括：

检测所述控制系统是否连接于外部电源； 

当所述控制系统连接于外部电源时，由所述外部电源对所述电池充电；以及

当所述车辆连接于所述外部电源时，由所述外部电源向所述HVAC系统供电。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述HVAC系统安装在车辆中，并且所述方法还包括：

判断所述车辆是否在运行；

当所述车辆在运行时，由车辆交流发电机对所述电池充电；以及

当所述车辆在运行时，由所述车辆交流发电机向所述HVAC系统供电。

17.一种用于HVAC系统的控制系统，所述控制系统包括处理器和存储指令的计算机可读存储器，所述指令在被所述处理器执行时使所述控制系统：

监测电池的电荷状态；

监测由所述电池提供给所述HVAC系统的安培小时的数量；

检测所述电池何时处于完全充电状态；

检测所述电池何时处于完全放电状态；

记录在整个放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量，其中所述整个放电周期包括在没有所述电池的任何干涉充电的情况下将所述电池从完全充电状态消耗到完全放电状态；以及

基于在所述整个放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量检测所述电池的寿命终点状态。

18.根据权利要求17所述的控制系统，其中，当剩余电荷少于全部电荷的20%时，所述电池处于完全放电状态。

19.一种车辆，包括：

HVAC系统；

交流发电机；

可再充电电池；以及

根据权利要求17所述的控制系统，其中所述指令在被所述处理器执行时进一步使所述控制系统：

     检测所述车辆何时在运行；

当所述车辆在运行时，由所述交流发电机提供的电力对所述电池充电；

当所述车辆不在运行时，由所述可再充电电池提供的电力向所述HVAC系统供电；以及

通过如下方式来检测所述电池的寿命终点状态：

         将在整个放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量与第一阈值进行比较；

         计算在所述整个放电周期期间由所述电池提供的安培小时的数量的变化率；以及

         将所述变化率与第二阈值进行比较。