CN103299474B - 用于对向机动车辆的驱动电机供电的电池进行充电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为电池（10）充电的方法，其特征在于，它包括以下步骤：E1）确定一个最终电量状态（SOC_end）和一个最终电池温度（T_end）；以及E2）对在最小量的时间内达到这两个最终量值（SOC_end；T_end）所要求的这个充电功率（P_ch）和/或冷却功率（P_cool）进行计算。

Description

用于对向机动车辆的驱动电机供电的电池进行充电的方法

技术领域

本发明涉及一种对电池充电的方法，特别地适合于对电动汽车电池的充电。本发明还涉及使用这种方法的充电器和电池充电站。

背景技术

某些机动车辆，如电动车辆或混合动力车辆，包括用于供电给电驱动电机的电池。由于它在使用中放电，这种电池经常需要充电。

例如，在US2009/0309546中描述了一种为电池充电的方法。然而，这种方法不是非常有效率。电池充电阶段的总时间对于开发电动汽车的实用性来说是非常重要的参数。此外，因为在充电时电池变热，电池充电阶段要求一个不仅满足充电功能也满足冷却功能的特定安装。冷却使得有可能优化电池的使用寿命并且使得提供给用户的电池是在对于用户在他的旅程中获得电池的最大性能而言足够低的温度上。现有的充电方法的缺点源于它们未被优化的事实：值得注意的是，电池的冷却管理独立于其充电的管理，并且出现了以下的情况，即，其中充电结束了但充电阶段继续仅仅是为了使得电池的冷却完成。在这种情况下，充电时间被延长仅仅是为了管理冷却，这不是最优化的。

发明内容

因此，有必要改进为电池充电的方法，并且本发明的目的是优化为机动车辆的驱动电池充电的阶段。

更具体地，本发明的一个目的是对电池充电时间进行优化，同时达到令人满意的最终电量状态和令人满意的最终温度。

因此，本发明基于一种为电池充电的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(E1)确定一个最终电量状态(SOC_end)和一个最终电池温度(T_end)；

(E2)对在最少时间内达到这两个最终量值(SOC_end；T_end)所必须的这个充电功率(P_Ch)和/或冷却功率(P_cool)进行计算。

步骤(E2)能够确定一个充电时间，从而使之有可能在基本上这同一个时间内达到该最终电量状态(SOC_end)和该最终电池温度(T_end)。

步骤(E1)可包括将一个最终电量状态和一个最终电池温度作为以下参数中的一些参数或所有参数的函数来进行确定：

-使用充电方法的充电站的状态；

-使用充电方法的充电器的状态；

-待充电的电池的状态。

步骤(E2)可以考虑以下方程：

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{bat}}=T_{\mathrm{end}}-T_{\mathrm{ini}}=\frac{(Q_{\mathrm{bat}}-P_{\mathrm{cool}})}{C_p}\×t_{\mathrm{ch}}---\left(1\right)$

$t_{\mathrm{ch}}=\frac{\mathrm{\ΔSOC}\×E_{\mathrm{bat}}}{P_{\mathrm{ch}}}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{cool}}=\frac{(\frac{T_{\mathrm{end}}+T_{\mathrm{ini}}}{2}-5)}{\mathrm{Rth}}---\left(3\right)$

$Q_{\mathrm{bat}}=R_{\mathrm{bat}}{\left(\frac{P_{\mathrm{ch}}}{U_{\mathrm{nom}}}\right)}^2---\left(4\right)$

其中：

T_ini：在每个时帧内电池的温度[℃]

SOC_ini：电池的电量状态SOC

C_p：电池的热容量[Wh/K]

E_bat：电池的能量[Wh]

Rth：在电池和吹风之间的热阻[K/W]

R_bat：电池的电阻[ohm]

U_bat：电池电压[V]

U_nom：电池的额定电压

Q_bat：电池的电量

P_cool：充电过程中的冷却功率[W]

t_ch：剩余的充电时间[h]

P_ch：充电功率[W]

P_ch,max：最大充电功率[W]

这些方程可以是在开始对该电池充电之前和/或在该电池充电的过程中的一个预定时间段上解析。

冷却装置的热阻(Rth)可以是固定的，并且步骤(E2)可以将充电功率(P_ch)作为这个热阻(Rth)的函数来计算。

该充电功率可以由下列公式来计算：

$P_{\mathrm{ch}}=\left(\frac{-B+V\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}}}{2A}\right)$

其中：

Δ＝B²-4AC

这种为电池充电的方法也可以根据充电站和有待充电的电池来计算一个最大充电功率(P_max)。

该冷却装置的热阻(Rth)可以是可变的，并且步骤(E2)可以将该热阻(Rth)作为该充电功率(P_ch)的函数来计算。

该热阻(Rth)可以由以下公式来计算：

$\mathrm{Rth}=\frac{\frac{T_{\mathrm{end}}+T_{\mathrm{ini}}}{2}-5}{R_{\mathrm{bat}}{\left(\frac{P_{\mathrm{ch}}}{U_{\mathrm{avg}}}\right)}^2-\frac{(T_{\mathrm{end}}-T\left(t\right))\×C_p\×P_{\mathrm{ch}}}{\mathrm{\ΔSOC}\×E_{\mathrm{bat}}}}$

这种为电池充电的方法也可以包括读取温度、电量状态和表征该电池的状态的潜在其他参数，并且将结果通讯给充电装置的步骤。

本发明还涉及一种电池充电器，该电池充电器包括一个提供充电功率(P_ch)的充电装置，其特征在于，该电池充电器包括一个提供冷却功率(P_cool)的冷却装置、用于接收一个最终电量状态(SOC_end)和一个最终电池温度(T_end)的一个输入件、以及一个控制单元，该控制单元对在最少的时间内达到这两个最终量值(SOC_end；T_end)所必须的这个充电功率(P_ch)和/或冷却功率(P_cool)进行计算。

该冷却装置可以包括一种可变的冷却剂流速和/或一种可变的冷却剂温度，以便将该冷却功率作为该充电功率的函数来进行修改。

最后，本发明还涉及一种用于管理为机动车辆的驱动电机供电的电池的机站，其特征在于，该机站包括至少一个控制单元，该控制单元使用了如以上所述的充电方法。

具体实施方式

在以下对于一个以非限制性的方式做出的特定实施例进行的描述，组合示意性地代表本发明的一个实施例的电池充电器的附图，将详细解释本发明的这些主题，特征和优点。

本发明的概念是基于一种充电方法，在这种方法中计算了充电功率和/或冷却功率以便达到最佳时间内的预期值。

图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的一种充电器1，该充电器包括提供充电功率P_ch的一个充电装置2，以及为电池10提供冷却功率P_cool的一个冷却装置3。该装置还包括一个控制单元4，该控制单元使用了根据本发明的充电方法，以下将描述这种充电方法。这种控制单元包括特别是用于确定最优化功率值P_ch和P_cool的软件和/或硬件器件，其可以包括一个计算机。为此，充电器1将所希望的电池最终温度T_end和所希望的最终电量状态SOC_end作为一个输入5来接收。该装置还包括用于读取电池电量SOC_bat和读取温度T_bat的器件(未示出)，这些电量和温度的量值由一个通信器件6传送给控制单元4。在开始充电阶段之前，可最初地采取这些测量，并且然后在充电过程中可选择地采取以确定结束充电。根据一个有利的实施例，这些测量可被周期性地重复并用作充电阶段调整的基础，正如将在下面进行详细解释的。通信器件6也可以允许电池10向控制单元4传输说明电池状态的额外数据，例如像，电池的电阻(直接得到或者通过电压和电流而得到)、最大容许充电功率以及其可用能量。读取这些数据使得有可能在计算中用实时读取的量值来取代以前存储在元件4内的参考数据。

控制单元4使用了一种计算，这种计算将最优功率P_ch和P_cool作为所希望的最终量值(代表了设定点量值)的、电池初始状态的、电池固有参数的、以及冷却装置特征的函数。因此，控制单元4存储了与电池热阻Rth(潜在地是作为站内可供使用的流速范围的函数的一种映射)相关的信息和与电池热容量相关的信息。

例如，对于等于100％的最终电设定点SOC_end和具有恒定冷却剂流速的冷却系统而言，其特征例如为，在5℃的吹风与电池(在这种情况下单独考虑)之间的恒定热阻，控制单元4可以解析以下方程：

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{bat}}=T_{\mathrm{end}}-T_{\mathrm{ini}}=\frac{(Q_{\mathrm{bat}}-P_{\mathrm{cool}})}{C_p}\×t_{\mathrm{ch}}---\left(1\right)$

$t_{\mathrm{ch}}=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{\text{'}}\mathrm{SOC}\×E_{\mathrm{bat}}}{P_{\mathrm{ch}}}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{cool}}=\frac{(\frac{T_{\mathrm{end}}+T_{\mathrm{ini}}}{2}-5)}{\mathrm{Rth}}---\left(3\right)$

$Q_{\mathrm{bat}}=R_{\mathrm{bat}}{\left(\frac{P_{\mathrm{ch}}}{U_{\mathrm{nom}}}\right)}^2---\left(4\right)$

ATba，×C_p×P_ch＝Δ，SOC×E_bat×(Q_bat-P_cool)(5)

$(T_{\mathrm{end}}-T_{\mathrm{ini}})\×C_p\×P_{\mathrm{ch}}=\mathrm{\ΔSOC}\×E_{\mathrm{bat}}\×(R_{\mathrm{bat}}{\left(\frac{P_{\mathrm{ch}}}{U_{\mathrm{nom}}}\right)}^2-\frac{(\frac{T_{\mathrm{end}}+T_{\mathrm{ini}}}{2}-5)}{\mathrm{Rth}})---\left(6\right)$

前一的方程也可以用以下形式写为二阶多项式，其中未知数为充电功率P_ch：

此方程是通过以下定义来解析的：

Δ＝B²-4AC

最后，如果通过解析前面的方程系统所给出的量值低于电池和充电器所允许的充电功率的最大值的话，则这个量值就是为充电功率所采用的最终量值，或者在其他情况下，该最大值是为充电功率所采用的最终量值。

$P_{\mathrm{ch}}=\min (P_{\mathrm{ch},\max },\frac{-B+\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{2A})$

其中：

T_ini：在每个时帧内电池的温度[℃]

SOC_ini：电池的电量状态SOC

C_p：电池的热容量[Wh/K]

E_bat：电池的能量[Wh]

Rth：在电池与吹风之间的热阻[K/W]

R_bat：电池的电阻[ohm]

U_bat：电池电压[V]

U_nom：电池的额定电压

Q_bat：电池的电量

P_cool：充电过程中的冷却功率[W]

t_ch：剩余的充电时间[h]

P_ch：充电功率[W]

P_ch,max：最大充电功率[W]

充电装置2所使用的方程(1)、(3)和(4)表征电池的冷却装置3使用的热交换量，并且方程(2)表征电池的电量。

方程(5)是通过组合方程(1)和(2)而获得的，而方程(6)是通过组合方程(5)、(3)以及(4)而获得的。

于是，基于如上所述的充电功率的量值，就很容易计算出冷却功率P_cool和充电时间t_ch。

需要说明的是，上述方程是在充电阶段开始之前解析的。然而，它们也可以在充电过程中、在一个预定的时间段上、以给定的时帧来解析，从而将对于电池的温度和电量状态所采取的实际测量考虑在内，以便在充电过程中重新调整充电功率和冷却功率，并且不会依赖于临时测量误差。在充电过程中的这种方程解析中，方程(4)的额定功率U_nom将会用一个平均电压U_avg来代替，该平均电压例如是从一种映射来获取的，这种映射是电量状态SOC、剩余有待充电的电量和当前充电功率的函数。此外，温度和电量状态的初始量值将会用测量的量值来替换，或者作为一种变型，这些初始量值是在时刻t估计的。当在充电过程中如此使用了这些方程时，该方法就使用了一种对于充电功率和冷却功率的调节来达到所寻求的最终量值，这些所寻求的最终量值就是调节设定点量值。

所寻求的最终温度可取决于充电站的某些特定条件，例如取决于可用电池的库存。最终温度值的映射可被预定义。

作为一种变型，电池的冷却装置3可以通过对冷却吹风的流速和/或温度进行调整来提供一种可变的热阻。在这种情况下，上述方程使之有可能根据以下公式来作为电池充电功率的函数而确定每个时刻上的最佳热阻：

$\mathrm{Rth}=\frac{\frac{T_{\mathrm{end}}+T_{\mathrm{ini}}}{2}-5}{R_{\mathrm{bat}}{\left(\frac{P_{\mathrm{ch}}}{U_{\mathrm{avg}}}\right)}^2-\frac{(T_{\mathrm{end}}-T\left(t\right))\×C_p\×P_{\mathrm{ch}}}{\mathrm{\ΔSOC}\×E_{\mathrm{bat}}}}$

为了获得所希望的的热阻量值，修改了制冷源的温度或流速。

充电功率于是可以是一个固定的功率，这个固定的功率取决于充电站和电池的限制。冷却装置然后例如改变冷却空气的流速以便达到所计算的热阻Rth量值，例如，基于一种将Rth作为空气流速的函数的映射。

最后，根据本发明的该充电方法使之有可能对电池充电功率和冷却功率进行计算以便在最短时间内获得电量量值和温度量值的预定最终状态。值得注意的是，该方法保证了在达到所希望的电量之前或与其同时达到所希望的最终温度。这些最终量值为系统的参数，并且可以根据电池的状态，充电站状态等来选定多种不同的量值。可以将一种最终温度的映射纳入到充电器内，以便将该充电器的活跃度(活跃度的峰值、非高峰时段)作为一个输入数据来考虑在内。

因此，根据本发明的这种为电池充电的方法包括以下的两个重要步骤E1，E2：

E1—确定最终电量状态SOC_end和电池的最终温度T_end；

E2—对最佳的充电功率P_ch和/或冷却功率P_cool进行计算，以用于在最佳时间内达到这两个最终量值SOC_end和T_end。

本发明还涉及使用了如上所述的一个或多个充电器的一种电池充电站。作为一种变体，多个不同电池充电器可共享同一个控制单元4。

已经就为机动车辆的电池进行充电而言阐述了本发明。作为注释，本发明可被用于可拆卸的电池，从而使之有可能例如用一个已充电的电池来替换一个已放电的电池，此后该已放电的电池被独立地再充电。在这种情况下，充电站必须管理一个具有已充电的电池和已放电的电池的库存，并能根据其库存的状态来适配充电参数，以便例如如果其已充电的电池的库存降低的话，就通过降低与最终电量状态和/或最终温度有关的要求来加快充电。作为一种变型，该充电方法可用在机动车辆内所放置的电池上。作为注释，本发明适用于对电池的任何充电，并且不局限于机动车辆领域。

此外，本发明的充电方法是可以与任何冷却装置兼容的，而不论使用了何种冷却原理，并且对于任何充电装置也同样如此。最后，已经通过示例的方式给出了方程(1)到(4)；本发明的原理同样适用于对电池的充电和冷却进行表征的任何其他方程系统。

Claims (13)

1.一种为电池(10)充电的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(E1)—确定一个最终电量状态SOC_end和一个最终电池温度T_end；

(E2)—对在最少时间内达到这两个最终量值SOC_end和T_end所必须的这个充电功率P_ch和/或冷却功率P_cool进行计算，这种计算考虑了以下方程：

${\mathrm{\ΔT}}_{bat}=T_{end}-T_{ini}=\frac{(Q_{bat}-P_{cool})}{C_p}\×t_{ch}---\left(1\right)$

$t_{ch}=\frac{\mathrm{\Δ}SOC\×E_{bat}}{P_{ch}}---\left(2\right)$

$P_{cool}=\frac{\left(\frac{T_{end}+T_{ini}}{2}-5\right)}{Rth}---\left(3\right)$

其中：

T_ini：在每个时帧内电池的温度[℃]

SOC_ini：电池的电量状态SOC

C_p：电池的热容量[Wh/K]

E_bat：电池的能量[Wh]

Rth：在电池和吹风之间的热阻[K/W]

R_bat：电池的电阻[ohm]

U_nom：电池的额定电压

Q_bat：电池的电量

P_cool：充电过程中的冷却功率[W]

t_ch：剩余的充电时间[h]

P_ch：充电功率[W]

ΔSOC＝SOC_end–SOC_ini。

2.根据权利要求1所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，步骤(E2)确定了一个充电时间，从而使之在这同一个时间内达到该最终电量状态SOC_end和该最终电池温度T_end。

3.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，该步骤(E1)包括将一个最终电量状态和一个最终电池温度作为以下参数中的一些参数或所有参数的函数来进行确定：

-使用该充电方法的充电站的状态；

-使用该充电方法的充电器的状态；

-待充电的电池的状态。

4.根据权利要求1所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，这些方程是在开始对该电池充电之前和/或在该电池充电的过程中的一个预定时间段上解析的。

5.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，冷却装置(3)的热阻Rth是固定的，并且在于，该步骤(E2)将该充电功率P_ch作为这个热阻Rth的函数来计算。

6.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，该充电功率是通过下列公式来计算的：

$P_{ch}=\left(\frac{-B+\sqrt{\mathrm{\Δ}}}{2A}\right)$

其中：

Δ＝B²-4AC

7.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，该方法根据充电站和有待充电的电池来计算一个最大充电功率P_ch,max。

8.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，冷却装置(3)的热阻Rth是可变的，并且步骤(E2)将该热阻Rth作为该充电功率P_ch的函数来计算。

9.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，该热阻Rth是由以下公式来计算的：

$Rth=\frac{\frac{T_{end}+T_{ini}}{2}-5}{R_{bat}{\left(\frac{P_{ch}}{U_{avg}}\right)}^2-\frac{\left(T_{end}-T\left(t\right)\right)\×C_p\×P_{ch}}{\mathrm{\Δ}SOC\×E_{bat}}}$

其中：

U_avg：平均电压

T(t)：时间[h]。

10.根据权利要求1或2所述的为电池(10)充电的方法，其特征在于，该方法包括读取温度和电量状态，并且将结果通讯给充电装置的步骤。

11.一种电池充电器，包括一个提供充电功率P_ch的充电装置(2)，其特征在于，该电池充电器包括一个提供冷却功率P_cool的冷却装置、用于接收一个最终电量状态SOC_end和一个最终电池温度T_end的一个输入件(5)、以及一个控制单元(4)，该控制单元实施根据权利要求1的充电的方法以用于对在最少的时间内达到这两个最终量值SOC_end和T_end所必须的这个充电功率P_ch和/或冷却功率P_cool进行计算。

12.根据权利要求11所述的电池充电器，其特征在于，该冷却装置(3)包括一种可变的冷却剂流速和/或一种可变的冷却剂温度，以便将该冷却功率作为该充电功率的函数来进行修改。

13.一种用于管理为机动车的驱动电机供电的电池的机站，其特征在于，该机站包括至少一个控制单元(4)，该控制单元使用了根据权利要求1到10中的任一项所述的这种充电方法。