CN102790407A - 双蓄电池汽车供电系统中的充放电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车电子技术，特别涉及一种在利用多块蓄电池作为储能设备的汽车供电系统中对用于启动的蓄电池的充放电过程进行控制的方法。双蓄电池汽车供电系统包括发电机、与所述发电机并联耦合以形成供电回路的第一蓄电池、与起动机并联耦合以形成启动回路的第二蓄电池以及可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间并提供直流-直流变换的控制单元，其中，所述控制单元利用所述发电机或所述第一蓄电池将所述第二蓄电池的荷电状态控制在所需的水平。按照本发明的方法，可以高效、灵活的方式将启动型蓄电池的荷电水平控制在所需的水平。

Description

双蓄电池汽车供电系统中的充放电控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电子技术，特别涉及一种在利用多块蓄电池作为储能设备的汽车供电系统中对用于启动的蓄电池的充放电过程进行控制的方法。

背景技术

传统的汽车依赖于诸如石油之类的化石燃料作为能量来源，随着汽车的广泛使用，作为不可再生能源的石油正变得日益稀缺，如果这样的局面延续下去，最终将导致汽车变成一堆堆废铁。面对如此严峻的前景，工业界正在加紧开发新能源汽车(例如纯电动汽车和混合动力汽车)以摆脱上述困境。但是受制于制造成本和使用经济性等各方面的因素，新能源汽车的大规模推广商用还有很漫长的路要走，期间还将遇到许多技术上的难题。基于上述局面，通过提高现有汽车中的电能利用效率来减少能源的消耗成为一种现实的选择。

汽车供电系统主要由储能装置(例如蓄电池或超级电容器)、能量转换装置(例如将机械能转换为电能的发电机)、起动机和控制单元组成。在汽车供电系统中，控制单元是整个系统的核心，它负责根据用电负荷、蓄电池状态和发电机状态等工况确定和实施合适的电能管理策略。起动机利用蓄电池的能量将汽车发动机启动，使发动机在所需的工作状态下运转。发动机运转时将带动发电机发电，并按汽车电气系统的电压要求向汽车的用电负载供电和向蓄电池充电。例如，在控制单元的控制下，如果汽车电气系统的用电电流大于发电机的供电电流，则蓄电池就会放电，以弥补不足的电流，反之，如果汽车电气系统的用电电流小于发电机的供电电流，则电流差的一部分作为蓄电池的充电电流而流入蓄电池。

汽车的用电负载在电气特性上往往具有较大的差异，例如起动机工作时需要提供大安倍的瞬间电流，而照明、音响等设备需要提供较长时间的小电流。为了同时满足上述两类负载的用电需求，业界一般采用一个大容量和大极板面积的蓄电池。但是这种方法的缺点是导致蓄电池寿命的缩短，这是因为可能出现下列情况：在经过一段时间的使用之后，蓄电池作为启动用的储能器是可用的，但是却无法长时间供电，或者虽然可以长时间供电，但是却无法提供大电流，面对这些情况，更换蓄电池将是不可避免的。

公开号为CN201317281Y的中国专利申请公开了一种汽车电气系统，该系统包括启动机、蓄电池、发电机、电气系统控制器以及汽车内的各种用电器件，蓄电池包括启动型蓄电池和供电型蓄电池，前者与启动机并联组成启动回路，后者与用电器件并联组成供电回路，而电气系统控制器连接在启动回路和供电回路之间。上述中国专利申请公开的汽车电气系统采用双蓄电池配置使得蓄电池工作寿命的延长成为可能，但是要真正延长工作寿命期并且同时提高电能的利用效率，还有赖于完善的电能管理策略。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在双蓄电池汽车供电系统中执行的充放电控制方法，其可以高效、灵活的方式将启动型蓄电池的荷电水平控制在所需的水平。

本发明的上述目的通过下列技术方案实现：

一种在双蓄电池汽车供电系统中执行的充放电控制方法，所述双蓄电池汽车供电系统包括发电机、与所述发电机并联耦合以形成供电回路的第一蓄电池、与起动机并联耦合以形成启动回路的第二蓄电池以及可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间并提供直流-直流变换的控制单元，其中，所述控制单元利用所述发电机或所述第一蓄电池将所述第二蓄电池的荷电状态控制在所需的水平。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述控制单元按照下列步骤，利用所述发电机或所述第一蓄电池将所述第二蓄电池的荷电状态控制在所需的水平：

确定所述第二蓄电池的荷电状态；

如果所述第二蓄电池的荷电状态低于第一阈值，则使所述第一蓄电池向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到第二阈值，其中，当荷电状态位于所述第二阈值时，所述第二蓄电池具有所希望的充放电效率；以及

如果所述第二蓄电池的荷电状态大于或等于所述第二阈值，则使所述发电机向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到第三阈值，以使所述第二蓄电池的活性物质被激活的比例达到所希望的水平。

优选地，在上述充放电控制方法中，在所述控制单元使所述第一蓄电池向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到第二阈值的过程中，充电电压是随荷电状态增大而逐渐减小或跃变式减小的。

优选地，在上述充放电控制方法中，还包含下列步骤：

确定所述第一蓄电池的荷电状态；以及

如果所述第二蓄电池的荷电状态大于或等于所述第三阈值并且所述第一蓄电池的荷电状态小于第四阈值，则使所述第二蓄电池向所述第一蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到所述第二阈值。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述控制单元包含直流-直流变换装置，用于在所述第一与第二蓄电池之间进行直流-直流充电操作。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述第一和第二阈值随环境温度的升高而减小，并随所述环境温度的降低而增大。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述第一、第二和第三阈值分别为80％、90％和98％。

优选地，在上述充放电控制方法中，在所述直流-直流变换装置与所述第一蓄电池之间和所述直流-直流变换装置与所述第二蓄电池之间分别设置有第一和第二开关装置，并且由所述控制单元对所述第一和第二开关装置的闭合和断开状态进行控制。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述控制单元按照下列方式确定所述第一或第二蓄电池的荷电状态：

输入所述蓄电池的工作电压、工作电流和工作温度；

计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值；

利用各自的隶属函数确定所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值；

利用模糊推理规则，根据所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值确定所述蓄电池的荷电状态的模糊值；以及

利用反模糊算法，根据所述蓄电池的荷电状态的模糊值计算所述蓄电池的荷电状态。

优选地，在上述充放电控制方法中，按照下式计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值U_I，m：

U_I，m＝U_I+(I-I₀)×λ(I)

其中，U_I为所述工作电流I下的所述工作电压，U_I，m为所述工作电压U_I的修正值，I为所述工作电流，I₀为所述标准工作电流，λ(I)为随所述工作电流变化的数值。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述标准工作电流为下列中的一种：

所述蓄电池的各种工作状况下的工作电流的算术平均值；

所述蓄电池的各种工作状态下的工作电流按照其对应的工作状态出现概率的加权平均值；

所述蓄电池的工作电流在一段时间内的平均值。

优选地，在上述充放电控制方法中，所述λ(I)通过蓄电池在相同温度下不同工作电流的放电曲线获得。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

由于针对启动型蓄电池的初始荷电状态水平，采用相应的策略来控制其充放电，因此能够更好地适合应用环境。此外，在一个实施例中，通过在荷电状态SOC估算时引入模糊逻辑，可以充分利用实验曲线和经验数据，从而提高结果的准确性。在另外一个实施例中，由于第一和第二阈值随环境温度而变化，因此能够以简单而有效的方式提高汽车在低温下成功启动的能力。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的双蓄电池汽车供电系统的示意图。

图2为图1所示双蓄电池汽车供电系统中的控制单元的结构示意图。

图3为图1所示双蓄电池汽车供电系统中执行的按照本发明一个实施例的充放电控制方法的工作流程图。

图4A-4C为图3中的例程A-C的工作流程图。

图5为蓄电池的一个物理模型的示意图。

图6为按照本发明一个实施例的SOC计算方法的流程图。

图7、8和9分别为图6所示实施例中的蓄电池工作电压修正值、工作温度和SOC状态的隶属函数示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述本发明的具体实施方式来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具体实施方式仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。

在本说明书中，“耦合”一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元或数值之用。

另外，这里所述的蓄电池指的是能将化学能转变化电能并产生直流电的装置，其包括但不限于铅酸蓄电池和锂电池等。

双蓄电池汽车供电系统

图1为按照本发明一个实施例的双蓄电池汽车供电系统的示意图。参见图1，本实施例的双蓄电池汽车供电系统10包括控制单元110、发电机120、第一和第二蓄电池130A和130B和第一-第四开关装置K1-K4。在图1中，粗实线表示功率或能量流，而细实线表示控制信号和测量信号流。值得指出的是，虽然在这里控制单元110与第一-第四开关装置K1-K4以及发电机120以总线方式相连，但是这并不意味着控制单元与被控制单元之间必须局限于这种连接方式，实际上它们之间也可以采用点对点的连接方式。

在图1中，控制单元110是整个供电系统10的核心，其一方面负责根据用电状况(例如用电负载30和40的用电需求)、蓄电池状态(这里例如是第一和第二蓄电池130A和130B的工作电流、工作电压、温度、老化程度和荷电状态(SOC)中的一种或多种)和发电机状态(例如发电机当前所能提供的工作电流)等确定合适的电能管理策略，另一方面，控制单元110还具有直流-直流转换能力，以通过升压和降压操作向第一和第二蓄电池130A和130B提供合适的充电电压。在下面将会进一步描述控制单元110的上述功能。

如图1所示，第一蓄电池130A、发电机120和用电负载30并联连接以形成供电回路。控制单元110经第一开关装置K1接入该供电回路。与此同时，第一蓄电池130A还经第二开关装置K4与第二蓄电池130B相连。另一方面，第二蓄电池130B、起动机20和用电负载40并联连接以形成启动回路。控制单元110经第二开关装置K2接入该启动回路。由此，在本实施例中，第一与第二蓄电池130A、130B之间包含两条相连的通道，其中一条经过控制单元110，而另一条则旁路控制单元110。值得指出的是，虽然这里的用电负载30和40是以两个方框示出的，但是它们实际上指的是两组用电负载，其中，用电负载30指的是汽车在与启动无关的汽车电器，包括但不限于车灯、鼓风机、空调和音响等，而用电负载40指的是与汽车启动相关的电子设备，包括但不限于各种用于测量启动时状态的传感器和电子控制单元(ECU)等。在本实施例中，用电负载40主要由第二蓄电池130B供电，并且在第二蓄电池130B供电能力不足时，由第一和第二蓄电池130A和130B联合向用电负载40供电。

在图1所示的实施例中，控制单元110利用第一-第四开关装置K1-K4来控制电路的接通和关断以实现相应的电能管理策略，其中，供电回路与控制单元110之间的通道的接通和关断由第一开关装置K1控制，启动回路与控制单元110之间的通道的接通和关断由第二开关装置K2控制，第二蓄电池130B与用电负载40之间的通道的接通和关断由第三开关装置K3控制，第一与第二蓄电池130A、130B之间直接相连的通道的接通和关断由第四开关装置K4控制。上述第一-第四开关装置K1-K4的启闭和断开都由控制单元110控制，它们例如可以由继电器实现。

在本实施例中，汽车启动阶段的供电(也即起动机20和用电负载40的供电)主要由第二蓄电池130B负责提供。由于启动阶段需要大的瞬间电流，因此可以将第二蓄电池130B设计为与第一蓄电池130A相比，具有较大的极板面积以利于提高输出的电流强度。另外，用电负载30主要由第一蓄电池130A和发电机120供电。由于用电负载的供电特点是需要提供长时间的小电流，因此第一蓄电池130A可以设计为与第二蓄电池130B相比，在极板上形成更厚的活性物质。

控制单元

图2为图1所示双蓄电池汽车供电系统中的控制单元的结构示意图。如图2所示，控制单元110包含电源管理控制装置1101、直流-直流变换装置1102和蓄电池状态监测装置1103。在图2中，粗实线表示功率或能量流，而细实线表示控制信号和测量信号流。在本实施例中，电源管理控制装置1101、直流-直流变换装置1102和蓄电池状态监测装置1103之间通过单元内部的LINK总线通信，并且电源管理控制装置1101和蓄电池状态监测装置1103通过单元外部的CAN总线与外部设备(例如第一-第三开关装置K1-K4、用电负载30、发电机120等)通信。

电源管理控制装置1101根据用电状况、蓄电池状态和发电机状态等确定合适的电能管理策略并生成相应的控制命令。这些控制命令被提供至位于控制单元110内部的直流-直流变换装置1102和蓄电池状态监测装置1103以及位于控制单元110外部的第一-第四开关装置K1-K4。有关电能管理策略的确定方式将在下面作详细描述。

直流-直流变换装置1102将来自发电机120、第一和第二蓄电池130A和130B的输出电压变换为所需的直流电压。例如，直流-直流变换装置1102可对发电机120的输出作直流-直流转换操作以使发电机120向第二蓄电池130B充电，或者可对第一蓄电池130A的输出作直流-直流转换操作以使第一蓄电池130A向第二蓄电池130B充电。又如，直流-直流变换装置1102可对第二蓄电池130B的输出作直流-直流转换操作以使第二蓄电池130B向第一蓄电池130A充电。

蓄电池状态监测装置1103通过CAN总线与传感器相连以监测第一和第二蓄电池130A和130B的状态参数(例如蓄电池的工作电压、工作电流和温度等)。测得的状态参数被经控制单元110内部的LINK总线被送至电源管理控制装置1101。蓄电池状态监测装置1103被配置为具有传感器故障诊断功能。具体而言，可为第一和第二蓄电池130A和130B配备两组性能一致或基本一致的传感器组，并且将两块蓄电池的使用率控制得相似或相近(例如通过使第一和第二蓄电池130A和130B的SOC的差异始终保持在一个较小的范围内)。蓄电池状态监测装置1103可以定期或不定期地监测第一和第二蓄电池130A和130B的老化程度(例如通过测量两块蓄电池的内阻)，并且如果它们的老化程度或内阻相差较大(例如绝对差值超过一个预设的阈值)，则蓄电池状态检测装置1103即可判断传感器组出现故障。

充放电控制过程

以下借助图3和4A-4C描述按照本发明的用于双蓄电池汽车供电系统中充放电控制的过程。为阐述方便，这里以图1和2所示的双蓄电池汽车供电系统为例进行描述。但是应该理解的是，上述工作流程也可应用于按本发明的其它实施例的双蓄电池汽车供电系统。

参见图3，在步骤310，控制单元110的蓄电池状态监测装置1103测量第二蓄电池130B的状态参数(例如蓄电池的电压、电流和温度)并且经LINK总线发送至电源管理控制装置1101。

随后在步骤320，电源管理控制装置1101根据蓄电池状态监测装置1103获取的状态参数计算第二蓄电池130B的荷电状态SOC。有关SOC的计算方式将在下面作进一步的描述。

接着进入步骤330，电源管理控制装置1101判断第二蓄电池130B是否处于重度亏电状态，也即，第二蓄电池130B的荷电状态是否小于一个预设的阈值Th1。如果判断结果为真，则进入例程A，否则进入步骤340。

在优选方式下，该阈值Th1被设置为这样的临界值，第二蓄电池130B在该荷电状态水平下，如果电能进一步减少，则汽车下次启动失败的风险明显增大。该阈值例如可以是80％。值得指出的是，蓄电池的供电能力与环境温度密切相关，在温度较低(例如摄氏零下25度)时，汽车启动要求蓄电池具有更大的荷电状态，而在温度较高时，汽车启动要求的荷电状态可以小一些，有鉴于此，在优选实施方式下，上述阈值Th1可根据环境温度或地理区域的变化而动态调整。例如在冬季或在高纬度地区，可以将阈值Th1设定得大于例如80％以确保启动成功，而在夏季或在低纬度地区，将阈值Th1设定得小于例如80％也可确保启动成功。

在步骤340，电源管理控制装置1101判断第二蓄电池130B是否处于轻度亏电状态，也即，第二蓄电池130B的荷电状态是否小于一个预设的阈值Th2。如果判断结果为真，则进入例程B，否则进入例程C。

值得指出的是，图3所示的充放电控制过程可以周期性地执行(例如每隔8小时或24小时)，也可以由用户主动激活。

图4A所示的工作流程图对应于图3中的例程A。参见图4A，在步骤410A，电源管理控制装置1101根据第二蓄电池130B的荷电状态和第一蓄电池130A的供电电流设置直流-直流变换装置1102的变换电压(也即施加在第二蓄电池130B上的充电电压)。在一种优选的实施方式下，该充电电压可以按照下列表1所示的方式设置。

表1

在上表中，阈值Th_tr例如可以设置为88％，第二蓄电池130B的荷电状态在该阈值之上时的充电电压低于在该阈值之下时的充电电压，这主要是考虑通过快速充电使第二蓄电池130B的荷电状态迅速升高。另外，在荷电状态位于阈值Th_tr之下时，充电电压的设置还考虑到了第一蓄电池A的充电电流的因素。

接着进入步骤412A，在电源管理控制装置1101的控制下，第一和第二开关装置K1和K2闭合并且第三和第四开关装置K3和K4断开，由此使第一蓄电池130A经直流-直流变换装置1102向第二蓄电池130B充电。

随后在步骤414A中，判断第二蓄电池130B的荷电状态是否超出阈值Th_tr，如果判断结果为真，则进入步骤416A，否则保持第一蓄电池130A经直流-直流变换装置1102以设定的充电电压向第二蓄电池130B充电的状态。对于第二蓄电池130B荷电状态的监测例如可以采用下列方式：蓄电池状态监测装置1103周期性地检测第二蓄电池130B的状态参数并提供给电源管理控制装置1101，由后者计算出相应的荷电状态并且据此作出是否结束快速充电过程的判断。

在步骤416A中，电源管理控制装置1101按照表1将充电电压降低至14.5伏，此时第一蓄电池130A经直流-直流变换装置1102以新设定的充电电压向第二蓄电池130B充电。

接着进入步骤418A，电源管理控制装置1101判断第二蓄电池130B的荷电状态是否超出阈值Th2，如果判断结果为真，则进入例程B，否则保持第一蓄电池130A经直流-直流变换装置1102以设定的充电电压向第二蓄电池130B充电的状态。在优选的实施方式下，可以将第二蓄电池130B具有较好的充放电效率时的荷电状态值(例如90％)设定为上述阈值Th2。同样，该阈值也可根据环境温度或地理区域的变化而动态调整。

值得指出的是，在上述例程A中，充电电压随第二蓄电池130B荷电状态的增大而跃变的，但是也可以考虑使充电电压随荷电状态的增大而逐渐减小。

图4B所示的工作流程图对应于图3中的例程B。参见图4B，在步骤410B，在电源管理控制装置1101的控制下，第一、第二和第三开关装置K1-K3断开并且第四开关装置K4闭合，由此使发电机120向第二蓄电池130B充电。

随后进入步骤412B，电源管理控制装置1101判断第二蓄电池130B的荷电状态是否超出阈值Th3，如果判断结果为真，则进入步骤414B，否则保持发电机120向第二蓄电池130B充电的状态。在优选的实施方式下，可以将第二蓄电池130B的活性物质基本被激活一遍时的荷电状态值(例如98％)设定为上述阈值Th3。

在步骤414B中，电源管理控制装置1101使第四开关装置K4断开，随后并进入例程C，此时发电机120停止向第二蓄电池130B充电。

图4C所示的工作流程图对应于图3中的例程C。参见图4C，在步骤410C，蓄电池状态监测装置1103获取第一蓄电池130A的状态参数(例如工作电压、工作电流和温度)并提供给电源管理控制装置1101。

接着进入步骤412C，电源管理控制装置1101根据获取的状态参数计算第一蓄电池130A的SOC。有关SOC的计算方法将在下面作进一步的描述。

随后进入步骤414C，电源管理控制装置1101判断第一蓄电池130A的SOC是否小于等于一个阈值Th4(例如80％)。如果第一蓄电池130A的SOC小于等于阈值Th4，则电源管理控制装置1101判定第一蓄电池130A需要补充电能，因此进入步骤416C，否则，结束本例程。

在步骤416C，在电源管理控制装置1101的控制下，第一和第二开关装置K1和K2闭合而第三和第四开关装置K3和K4断开，由此使得第二蓄电池130B可经直流-直流变换装置1102向第一蓄电池130A充电。

接着进入步骤418C，电源管理控制装置1101判断第二蓄电池130B的荷电状态是否小于或等于阈值Th2，如果结果为真，则表明第二蓄电池130B的荷电状态已经处于较佳的充放电效率点，因此进入步骤420C，停止充电，否则保持第二蓄电池130B经直流-直流变换装置1102向第一蓄电池130A充电的状态。

在步骤420C，在电源管理控制装置1101的控制下，第一和第二开关装置K1和K2断开，随后退出本例程，此时第二蓄电池130B停止向第一蓄电池130A充电。

SOC计算

以下描述第一和第二蓄电池荷电状态SOC的计算方法。

常用的SOC计算方法主要有开路电压法和电流积分法(也称为安时法)。

开路电压法的基本思想是首先建立一个反映电池工作时端电压、电流和电动势的关系模型，然后根据测量得到的电压和电流得到相应的电动势以利用电动势与SOC之间的关系曲线确定SOC。该方法的优点是简单易行，但是由于电池存在自恢复效应和“平台”现象而使得估算出来的SOC与实际值有时相差较大。

电流积分法将电池视为与外部进行能量交换的“黑箱”，通过对进出电池的电流在时间上的积分来记录电池电量的累计变化量。该方法由于不必考虑电池内部结构以及状态的变化，因此较开路电压法的适应性更强。但是不足之处是SOC初始值常常难以确定而且随着时间推移累计误差将不断增大，从而导致SOC值的计算结果误差变大。此外，在电流积分法计算SOC时需要对充放电系数有一个准确的估算，当电池工作环境变化较大时，充放电系数难以准确、及时地确定，这也会导致最终计算得到SOC结果存在较大的误差。

本发明的发明人提出一种SOC计算方法，其引入模糊逻辑以使计算结果更为准确，以下作详细描述。

就电量的角度而言，蓄电池的荷电状态SOC可以定义如下：

$\mathrm{SOC}=\frac{Q}{Q_N-Q_a}=\frac{Q}{\mathrm{\ϵ}{Q}_N}---\left(1\right)$

其中，Q为电池当前的剩余容量，Q_N为蓄电池出厂时的额定容量，Q_a为电池衰减容量，ε为衰减因子，是一个小于1的变量，εQ_N表示表示蓄电池实际最多能放出的电量。由上可见SOC是一个取值范围在0-1范围内的变量。

研究表明，影响电池剩余容量的因素包括充放电倍率(即充放电电流)、自放电和温度等因素，其中，电流越大则能放出的电量越少。电池的自放电指的是是电池在存储过程中剩余容量下降的现象，导致自放电的因素有电极的腐蚀、活性物质的溶解、电极的歧化等。温度对电池剩余容量产生的影响则是因为电极材料的活性和电解液的电迁移率与温度密切相关，一般情况下，电池高温放电明显大于低温放电时的放电容量。

本发明的发明人经过深入研究之后发现，衰减因子ε随时间和/或充放电次数而发生的变化将在蓄电池的外特性方面充分体现出来，因此可以将SOC简化为由一个蓄电池的工作电压、工作电流和温度决定的状态量。

另外，本发明的发明人认识到难以在蓄电池的SOC与工作电压、工作电流和温度之间建立精确的数学模型，而且虽然衰减因子ε随时间的变化非常复杂并且变化量可能较大，但是这种变化却是一个大滞后的过程。基于上述认识，本发明的发明人引入模糊逻辑来刻画SOC与工作电压、工作电流和温度之间的关系。

在基于模糊逻辑的模型中，模糊推理建立在表示为模糊规则的知识库上，模糊规则的多少取决于输入和输出物理量的个数以及所需的控制精度。例如对于常用的二输入、一输出的模型，若每个输入量划分为5个等级，则需要25条规则覆盖全部情况。随着输入和输出变量的个数的增加，推理规则将非线性地增加，这将耗费大量的计算资源，降低计算速度。本发明的发明人提出通过利用工作电流对工作电压进行修正，将SOC的数学模型简化为电压和温度两个变量，由此减少了计算复杂性。以下对此作进一步的描述。

一般情况下，对于车载蓄电池来说存在一个平均负载电流，它可以视为蓄电池的典型的工作电流或标准的工作电流。该标准的工作电流例如可以是：1)各种工作状况下的工作电流的算术平均值；或2)工作电流按照其对应的工作状态出现概率进行加权的平均值；或3)实际测量得到的一段时间内的工作电流的平均值。在本发明的一个实施例中，依据测量得到的工作电流，将测量得到的工作电压换算为标准工作电量下的工作电压(以下也称为工作电压的修正值)。

图5为蓄电池的一个物理模型的示意图。根据图5可以得到下列方程(2)：

U_I＝E-I×(R+R₁)       (2)

其中，E为蓄电池的电动势，I为测量得到的工作电流，U_I为工作电流I下测量得到的工作电压，R和R₁分别为蓄电池以工作电流I放电时的欧姆内阻和极化内阻。

上述工作电压U_I的修正值根据下列公式(3)计算得到：

U_I，m＝U_I+(I-I₀)×λ(I)    (3)

其中，U_I为工作电流I下测量得到的工作电压，U_I，m为工作电压U_I的修正值，I为测量得到的工作电流，I₀为标准工作电流，λ(I)为随工作电流变化的数值，其可以通过实验确定。

例如可以通过恒流放电实验测得的蓄电池在相同温度下不同工作电流的放电曲线(也即蓄电池工作电压与SOC的变化曲线或恒流放电曲线)，由下列公式(4)得到各种工作电流下相应的λ(I)：

$\mathrm{\λ}\left(I\right)=\frac{U_{I0}^{\mathrm{SOC}}-U_I^{\mathrm{SOC}}}{I-I_0}---\left(4\right)$

其中，I₀为标准工作电流，I为取其它值的工作电流，U^SOC _I为SOC取某一值时的工作电流I下的工作电压，U^SOC _I0为SOC取同一值时的标准工作电流I₀下的工作电压。

值得指出的是，发明人发现，对于恒流放电曲线中的任意两条曲线，在0-100％的SOC范围内，它们的垂直距离(也即不同工作电流下的同一SOC时的工作电压之差)基本保持不变，可以认为λ(I)与SOC不相关，因此在上式(4)中，可以选择任一个SOC下的U^SOC _I和U^SOC _I0来计算λ(I)。此外，由于λ(I)对于温度的变化不敏感，因此在上面计算工作电压的修正值时未考虑温度因素。

各种工作电流下的λ(I)可以以表格的方式存储在存储器内，以在计算工作电压的修正值时被调用。另一方面，也可以利用拟合算法，从多条恒流放电曲线获得λ(I)与工作电流之间的经验公式，这样，在计算修正值时可以利用经验公式得到λ(I)。

图6为按照本发明一个实施例的SOC计算方法的流程图。

参见图6，在步骤611中，输入蓄电池的工作电流I和在该工作电流下的工作电压U_I以及工作温度T。工作电流I和工作电压U_I可以由测量电路获得，工作温度T可以由安装在蓄电池附近或之上的温度传感器获得。测量电路和传感器可以连接入CAN总线，这样用于计算SOC的装置可以经总线获取上述工作状态的测量值。

接着进入步骤612，判断工作电流是否等于标准的工作电流，或者判断与标准的工作电流的差值是否在一个预设的范围内，如果判断结果为真，则进入步骤613，否则，进入步骤614。

在步骤614中，例如通过查表的方式获得当前工作电路I下的λ(I)。

接着进入步骤615中，例如利用上式(4)计算工作电压U_I在标准工作电流下的工作电压修正值U_I，m。在完成步骤615之后进入步骤613。

在步骤613中，判断工作电压修正值U_I，m和工作温度T是否超出各自的预先确定的取值范围，如果它们都位于各自的预先确定的取值范围内，则进入步骤617，否则，则表明有异常情况出现，并因此进入步骤616。

在步骤616中，将生成警告消息，向用户提示蓄电池可能出现异常工作状况或者测量电路和传感器可能出现故障。

在步骤617中，利用工作电压修正值U_I，m和工作温度T各自的隶属函数确定它们的模糊值。

图7、8和9分别为本实施例中的工作电压修正值U_I，m、工作温度T和蓄电池SOC状态的隶属函数示意图。如图7-9所示，工作电压修正值、工作温度和SOC分别被划分为3个、3个和3个模糊子集，并且隶属函数都采用三角形隶属函数的形式。但是应该理解的是，所示的情形仅仅是示意性质的，实际上还可以采用更多或更少数量的模糊子集，并且隶属函数也可以采用其它的形式，例如包括但不限于梯形隶属函数和高斯型隶属函数。

接着进入步骤618中，利用模糊推理规则，根据上面步骤617中得到的工作电压修正值U_I，m和工作温度T的模糊值确定SOC的模糊值。

模糊推理的规则可以根据不同工作电流下SOC与电压的关系以及温度对放电曲线的影响制定，并且可以通过仿真实验反复进行修改。例如可以采用下列推理规则：

(1)如果工作电压的修正值的模糊值为L，则SOC的模糊值为L；

(2)如果工作电压的修正值的模糊值为M并且工作温度的模糊值为Cold，则SOC的模糊值为L；

(3)如果工作电压的修正值的模糊值为M并且工作温度的模糊值为Warm，则SOC的模糊值为M；

(4)如果工作电压的修正值的模糊值为M并且工作温度的模糊值为Hot，则SOC的模糊值为M；

(5)如果工作电压的修正值的模糊值为H并且工作温度的模糊值为Cold，则SOC的模糊值为M；

(6)如果工作电压的修正值的模糊值为H并且工作温度的模糊值为Warm，则SOC的模糊值为H；

(7)如果工作电压的修正值的模糊值为H并且工作温度的模糊值为Hot，则SOC的模糊值为H。

值得指出的是，上述推理规则仅仅是示意性质的，为了获得较好的SOC估算结果，需要根据仿真实验或实际实验进行优化。

随后进入步骤619，利用反模糊算法，根据上述步骤618中获得的SOC的模糊值计算蓄电池的SOC的精确数值。

接着进入步骤620，输出利用反模糊化算法计算得到的SOC值。

反模糊化算法有多种，包括但不限于最小最大法、最大最大法、重心法、二等分法和中间最大值法等。可以根据计算资源的可用程度以及要求的计算精度选择合适的反模糊算法。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims (12)

1.一种在双蓄电池汽车供电系统中执行的充放电控制方法，所述双蓄电池汽车供电系统包括发电机、与所述发电机并联耦合以形成供电回路的第一蓄电池、与起动机并联耦合以形成启动回路的第二蓄电池以及可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间并提供直流-直流变换的控制单元，其中，所述控制单元利用所述发电机或所述第一蓄电池将所述第二蓄电池的荷电状态控制在所需的水平。

2.如权利要求1所述的充放电控制方法，其中，所述控制单元按照下列步骤，利用所述发电机或所述第一蓄电池将所述第二蓄电池的荷电状态控制在所需的水平：

确定所述第二蓄电池的荷电状态；

如果所述第二蓄电池的荷电状态低于第一阈值，则使所述第一蓄电池向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到第二阈值，其中，当荷电状态位于所述第二阈值时，所述第二蓄电池具有所希望的充放电效率；以及

如果所述第二蓄电池的荷电状态大于或等于所述第二阈值，则使所述发电机向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到第三阈值，以使所述第二蓄电池的活性物质被激活的比例达到所希望的水平。

3.如权利要求2所述的充放电控制方法，其中，在所述控制单元使所述第一蓄电池向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到第二阈值的过程中，充电电压是随荷电状态增大而逐渐减小或跃变式减小的。

4.如权利要求2所述的充放电控制方法，其中，还包含下列步骤：

确定所述第一蓄电池的荷电状态；以及

如果所述第二蓄电池的荷电状态大于或等于所述第三阈值并且所述第一蓄电池的荷电状态小于第四阈值，则使所述第二蓄电池向所述第一蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到所述第二阈值。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的充放电控制方法，其中，所述控制单元包含直流-直流变换装置，用于在所述第一与第二蓄电池之间进行直流-直流充电操作。

6.如权利要求2或3所述的充放电控制方法，其中，所述第一和第二阈值随环境温度的升高而减小，并随所述环境温度的降低而增大。

7.如权利要求2所述的充放电控制方法，其中，所述第一、第二和第三阈值分别为80％、90％和98％。

8.如权利要求5所述的充放电控制方法，其中，在所述直流-直流变换装置与所述第一蓄电池之间和所述直流-直流变换装置与所述第二蓄电池之间分别设置有第一和第二开关装置，并且由所述控制单元对所述第一和第二开关装置的闭合和断开状态进行控制。

9.如权利要求1所述的充放电控制方法，其中，所述控制单元按照下列方式确定所述第一或第二蓄电池的荷电状态：

输入所述蓄电池的工作电压、工作电流和工作温度；

计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值；

利用各自的隶属函数确定所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值；

利用模糊推理规则，根据所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值确定所述蓄电池的荷电状态的模糊值；以及

利用反模糊算法，根据所述蓄电池的荷电状态的模糊值计算所述蓄电池的荷电状态。

10.如权利要求9所述的充放电控制方法，其中，按照下式计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值U_I，m：

U_I，m＝U_I+(I-I₀)×λ(I)

其中，U_I为所述工作电流I下的所述工作电压，U_I，m为所述工作电压U_I的修正值，I为所述工作电流，I₀为所述标准工作电流，λ(I)为随所述工作电流变化的数值。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述标准工作电流为下列中的一种：

所述蓄电池的各种工作状况下的工作电流的算术平均值；

所述蓄电池的各种工作状态下的工作电流按照其对应的工作状态出现概率的加权平均值；

所述蓄电池的工作电流在一段时间内的平均值。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述λ(I)通过蓄电池在相同温度下不同工作电流的放电曲线获得。

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