CN103597706B - 电池充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆的电池充电系统（1）。该系统包括适于将充电电压输送到至少一个电池（3）的电源（2），其中一个或多个引起电阻的单元（R、RL）连接到系统。系统（1）还包括调节器（4），其适于连续接收表示当时期望的充电电压（Vd）的值和表示至少一个电池（3）在当时的电池电压（Vbat）的值，并使用这些值作为对连续计算从电源（2）输送且实现所述期望的充电电压（Vd）所需的充电电压（Vcalc）的基础，所述调节器（4）适于产生控制信号（S），该控制信号（S）包含用于电源（2）来输送所计算的充电电压（Vcalc）的控制命令。本发明还涉及在所述电池充电系统（1）中的方法和计算机程序产品。

Description

电池充电系统
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的车辆的电池充电系统、用于在所述电池充电系统中控制至少一个电池的充电的方法以及计算机程序产品。
背景技术
本发明特别可应用于长车辆，例如公共汽车。通常发动机位于公共汽车的后部，且电池位于前部，以便优化车辆的重量分布。这些分开的位置意味着长电缆必须在电源和电池之间延伸。在这些长电缆中的电阻结合公共汽车中的大能量消耗单元（例如风扇和空调单元）引起在横越电缆和接地平面的电压降。负载可连接在接地平面中的不同点处。当大负载出现时，例如当空调被开启时，高达一伏或几伏的电压降可出现在公共汽车的发电机和电池之间。这意味着电池系统的充电电压变得低于所需要的，从而导致电池无法如它们可以被有效充电的一样来充电。低的电池充电电压电平还导致电池的使用寿命的缩短。
能量消耗单元可连接在包括电源和电池的充电电路中的各个点处。电路还常常以不同的方式配置在不同的公共汽车中，因为这些单元连接在电路中的例如从空间要求方面来说最合适的任何点处。取决于在特定的情况下它们如何被连接和接地平面如何被配置，由电路中的一个或多个能量消耗单元而导致的电阻将会发生改变。出现的电压降将因此根据在特定的情况下（例如在特定的车辆中）哪些单元被连接和电路的配置来改变。
在该方面中的问题是计算电路中的电阻，并且在电源和电池之间发生的电压降是耗时的操作。电路的初步测量和基于所测量的值的电压的调节是非常耗时的，这是因为电路中的电阻根据电路的配置并根据哪些单元当时被连接而在车辆之间发生变化。
存在适于公共汽车和卡车并具有自适应电池充电功能的当前已知的系统，该自适应电池充电功能使用所估计的电池温度来决定在充电期间从电源要求的电压是多高。然而该功能依赖于温度传感器。这个已知的自适应电池充电功能无法处理由电路中变化的电阻或由车辆中电池和电源所分开的位置而带来的结果。
本发明人因此识别出对于能够满足并适于在充电电路中不同的公共汽车之间发生改变的电阻的自适应电池充电功能的需要，而不必针对不同的情况进行电路电阻的初步测量。
下面公开的专利和专利申请描述了在该领域内的各种解决方案。
US2009051325描述了用于给车辆中的电池充电的调节系统，由此，在期望充电电压的基础上结合取决于输送到电池的实际电流的偏移电压来校正来自电源的输出电压。该系统包括用于监测电源中的温度的温度传感器。在电缆具有固定长度的情况下，系统也可关于其电阻被校准。
JP2307338描述了用于通过计算由于电缆长度而导致的预期电压降并随后测量电流和电压、并接着校正来自发电机的电压来进行电压降补偿的系统。
WO2005060066描述了用于给车辆中串联连接的多个电池充电的充电设备。该设备经由第一线路连接到具有内置充电调节器的发电机，并经由第二线路连接到发电机输出端。第一线路用于到充电调节器的反馈，以使得从发电机得到期望的输出电压。
US6404163描述了用于控制车辆中的电池的充电电压的方法。电池的最佳充电电压被计算并用作对发电机的输入，以确保它将正确的充电电压输送到电池。
US5182510描述了使用整流调节器以发电机来给电池充电的系统。经调节的电压补偿在整流器和电池之间的电缆中出现的电压降。
US2008100269描述了车辆中的发电机的调节系统，由此，来自发电机的输出电压和电池电压被测量并与目标值相比较，以决定在电路中是否存在故障。
US2010127668描述了用于补偿在电池和充电器之间的电缆中出现的电压降的方法。该方法包括最初计算电缆中的电压降并随后使用所保存的值来校正充电电压。
WO9210019描述了给车辆中的电池充电的发电机的电压调节器。通过基于发电机电流和电缆电阻计算电压降来补偿在电池和发电机之间的电压降。
本发明的目的是通过补偿出现在从电源到电池的路径上的电压降来将充电电压保持在最佳电平。
另一目的是提出不依赖于另外的传感器的自适应电池充电功能。
另一目的是提出独立于电路中的准确电阻的自适应电池充电功能，所述电阻根据负载的幅值及其相对于充电电路的连接而变化，从而导致不需要对电路进行校准。
另一目的是根据当前常常用在公共汽车中的前述已知的自适应电池充电系统将电池电压保持在被计算为最佳的电平处。
发明内容
利用独立权利要求所限定的本发明来实现上述目的。
优选实施例由从属权利要求来限定。
本发明涉及基于当时的电压降来调节电池电压电平的电池充电系统。
本发明的优点在于，不需要通过借助于较大和/或较多电导体（这将是昂贵的、增加重量且将不利地影响环境）来减小充电电路电阻，从而减小充电电压降。
因为本发明涉及具有反馈的电池充电系统，因此不需要电缆变化以实现期望的电池充电电压。该反馈对电压降进行补偿，所以不需要延长更大的电缆以降低电路中的电压降，且不需要在电路中的其它点处连接能量消耗设备以便防止电压降。
根据实施例，电池充电系统包括适于将充电电压输送到至少一个电池的电源，其中一个或多个引起电阻（resistance-causing）的单元R1-R11和RL1-RL3连接到该系统。引起电阻的单元包括在电源、电池、能量消耗单元之间的具有线路电阻R1-R11的导体以及具有电阻RL1-RL3的能量消耗单元。导体可例如是电缆和/或框架结构。能量消耗单元可例如包括空调、额外的加热器、通风设备、230V AC转换器，但还可包括在车辆上的消耗能量的所有其它系统。该系统还包括调节器，其适于连续接收表示当时期望的充电电压Vd的值和表示电池系统在当时的电池电压Vbat的值，并适于使用这些值作为连续计算从电源输送的、实现所述期望充电电压Vd所需的充电电压Vcalc的基础，所述调节器适于产生控制信号S，该控制信号S包含用于电源来输送所计算的充电电压Vcalc的控制命令。
根据本发明的另一方面，本发明涉及用于控制所述电池充电系统中的至少一个电池的充电的方法。
用于例如根据本发明来控制电池充电系统中的至少一个电池的充电的方法的优点在于，它可被实现为车辆的现有控制单元中的软件。
根据本发明的实施例，调节器是PID调节器。
根据本发明的另一方面，本发明还涉及包括用于应用该方法的程序步骤的计算机程序产品。
附图说明
图1示出根据本发明的车辆的电池充电系统。
图2是根据本发明的实施例的连接有多个引起电阻的单元的电池充电系统的示意图。
图3示意性示出系统中的电源如何根据实施例被控制。
图4示出根据本发明的实施例的电池充电系统的运行。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明。
图1示出根据本发明的电池充电系统。系统1包括适于将充电电压输送到至少一个电池3的电源2，其中一个或多个引起电阻的单元连接到该系统。系统还包括调节器4，其适于连续接收表示当时期望的充电电压Vd的值和表示所述至少一个电池3在当时的电池电压Vbat的值，并适于使用这些值作为对连续计算从电源2输送并实现所述期望的充电电压Vd所需的充电电压Vcalc的基础，所述调节器4适于产生控制信号S，该控制信号S包含用于电源2来输送所计算的充电电压Vcalc的控制命令。
图2是具有多个引起电阻的单元R1-R11、RL1-RL3的电池充电系统1的示意图，该多个引起电阻的单元连接在电源2、所述至少一个电池3和调节器4之间，并以各种方式引起电阻。以导体形式的引起电阻的单元在这里被称为R1-R11。导体可以是线路和/或车辆的接地平面（也被称为底盘接地）。根据特定的配置，导体的电阻在数量上当然可以多于或小于十一，且每个导体的相应电阻R可根据其电阻率、长度和横截面积而变化。引起电阻的单元不仅包括导体电阻R，而且在这种情况下还包括三个连接的电流消耗单元RL1-RL3，例如空调单元。所连接的电流消耗单元RL的数量当然可根据特定的配置而变化。它们消耗的能量越多，经过引起电阻的单元R1的电流就越大，且所产生的电压降就越大。
在图2中，调节器4位于控制单元5中。根据实施例，表示当时电池电压Vbat的值被计算。控制单元5的电压随后用作表示至少一个电池3在当时的电池电压Vbat的值。得到当时电池电压Vbat的可替换方法是在至少一个电池的极上直接测量它，但这需要额外的电缆和导致更昂贵的系统。
图3示意性示出系统中的电源2如何根据实施例来控制。电源的充电电压在控制单元5中被计算出并转换成百分比值。该百分比值被发送到发动机控制单元6，其中脉冲宽度调制（PWM）信号基于所接收的值而产生。
信号经由车辆的通信网络（CAN）在控制单元5与发动机控制单元6之间传递。PWM信号被发送到电源2，其随后产生充电电压。
根据实施例，调制器4是PID调节器，但也可使用其它类型的合适调节器。PID调节器由与车辆有关的多个预定的固定参数来控制，即，固定参数被预先确定，以使得使用这些参数的PID调节器可通常用于例如公共汽车，而无需必须针对特定公共汽车中所连接的单元进行调节的参数。PID调节器包括三个参数，即，比例元素、积分元素和微分元素。使PID调节器适于针对某种类型的车辆实现在其三个元素之间的最佳平衡，以便带来其期望的行为。存在迭代地精调参数，以实现期望的结果的各种系统化方法。内部模型控制（IMC）方法是调节并识别调节器的参数的可适用方法。PID调节器可被串联实现或并联连接。并联连接的优点是，P、I和D元素可被单独地实现并随后被求和。这使得能够更易于测试各种参数的不同值，而不影响调节器的除了当时相关的参数以外的其它参数。
调节器可由下列公式来描述：
其中K是比例元素，K/Ti是积分元素，Tds/(μTds+1)是微分元素，且μ是下面讨论的常数。
通过检查系统的阶跃响应来选择PID调节器的参数。根据阶跃响应，能够构建描述系统的三参数模型。PID调节器的参数可因此通过下列形式的三参数模型被系统化地确定：
根据示例，参数的值在系统的阶跃响应中被读取，而没有其中的反馈，
L=0.15s表示从输入信号中的阶跃到输出信号中的反应的延迟。
Kp=27.95V表示对阶跃响应达到的最终值。
T=0.22s表示系统的时间常数，其被计算为从L到系统达到其最终值的0.63%的时刻的时间。
来自阶跃响应的参数导致三参数模型：
通过应用IMC方法根据三参数模型来计算PID调节器的参数。IMC方法只使用所测量的信号中的新信息作为反馈信号。IMC方法选择如下所述的参数，其中Tc是唯一的设计参数，而其它三个参数从三参数模型得到。Tc是针对具有反馈的系统的期望时间常数，而T是针对没有反馈的系统的期望时间参数。是系统的相对时间延迟。
对于以并行形式的PID调节器所计算的值的结果是调节器
实现调节器4包括进行特定调节，值μ被选择为0.2，但为可调节的参数。为了实现调节器，使用数字实现。
因为系统1中的电阻随着时间而变化，由于变化的所连接的电流消耗设备RL以及还有期望的充电电压的变化，采样常常相对具有优点，所以电池充电系统的采样率在1.4和3.4Hz之间，且优选地为大约2Hz，但根据系统的配置其它采样率可能是相关的。
所连接的引起电阻的单元R1-R11、RL1-RL3采取在线路R1-R11和/或所连接的电流消耗设备RL1-RL3（例如空调或风扇）中的电阻的形式。这些引起电阻的单元随着时间而变化。
图4包括电池充电系统如何运行的三个视图。顶部视图示出从电源要求的电压，中间视图示出对电源的控制信号，例如脉宽调制（PWM）信号，而底部视图示出充电电压。当大负载与系统断开连接时，正峰值出现在电池电压电平中。在视图中出现负峰值的情况下，大负载被连接。系统通过要求来自电源的较高电压而补偿电压降，这导致电池电压上升。可在图中从时间150s到大约200s看到该示例。
电池系统3优选适于用在公共汽车中，该公共汽车具有位于其后部的电源2和位于其前部的至少一个电池3。
本发明还涉及用于控制车辆的电池充电系统中的至少一个电池的充电的方法，该系统包括适于将充电电压输送到至少一个电池3的电源2，其中一个或多个引起电阻的单元R1-R11、RL1-RL3连接到该系统。该方法包括下列步骤：
-在调节器4中连续接收表示当时期望的充电电压Vd的值，
-在所述调节器4中连续接收表示至少一个电池3在当时的电池电压Vbat的值，
-基于当时期望的充电电压Vd和电池系统3在当时的电池电压Vbat连续计算从电源2输送和实现所述期望的充电电压Vd所需的充电电压Vcalc，以及
-产生包含用于电源2来输送所计算的充电电压Vcalc的控制命令的控制信号S。
根据该方法的实施例，调节器4是PID调节器。
根据该方法的实施例，调节器4由与车辆相关的多个预定的固定参数来控制。
根据该方法的另一实施例，计算表示至少一个电池3在当时的电池电压Vbat的值。
根据本发明的实施例，电池充电系统1的采样率为大约2Hz。
本发明还涉及包括用于应用上述方法的程序步骤的计算机程序产品。
本发明不限于上述优选实施例。可使用各种可替换体、修改体和等价体。上述实施例因此不应被视为限制由所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种车辆的电池充电系统(1)，包括：
电源(2)，其适于将充电电压输送到至少一个电池(3)，其中，一个或多个引起电阻的单元(R1-R11、RL1-RL3)连接到所述系统(1)，以及
调节器(4)，其适于连续接收表示当时期望的充电电压(Vd)的值和表示所述至少一个电池(3)在当时的电池电压(Vbat)的值，并适于使用这些值作为连续计算从所述电源(2)输送的、实现所述期望的充电电压(Vd)所需的充电电压(Vcalc)的基础，所述调节器(4)适于产生控制信号(S)并位于控制单元(5)中，所述控制信号(S)包含用于所述电源(2)来输送所计算的充电电压(Vcalc)的控制命令，
其特征在于，
表示所述至少一个电池(3)在当时的电池电压(Vbat)的值是基于所述控制单元(5)的电压来计算的。
2.根据权利要求1所述的电池充电系统，其中所述调节器(4)是PID调节器。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的电池充电系统，其中所述调节器(4)由与所述车辆有关的多个预定的固定参数来控制。
4.根据权利要求1或2所述的电池充电系统，其中所述电池充电系统(1)的采样周期在1.4和3.4Hz之间。
5.根据权利要求4所述的电池充电系统，其中所述电池充电系统(1)的采样周期为2Hz。
6.根据权利要求1或2所述的电池充电系统，其中所连接的引起电阻的单元(R1-R11、RL1-RL3)采取导体(R1-R11)和/或所连接的电流消耗设备(RL1-RL3)形式的电阻。
7.根据权利要求6所述的电池充电系统，其中所连接的电流消耗设备(RL1-RL3)的数量随着时间而变化。
8.根据权利要求1或2所述的电池充电系统，其中所述电源(2)位于所述车辆的后部，且所述至少一个电池(3)位于所述车辆的前部，或反之亦然。
9.一种用于控制车辆的电池充电系统(1)中的至少一个电池的充电的方法，所述系统包括适于将充电电压输送到至少一个电池(3)的电源(2)，其中一个或多个引起电阻的单元(R1-R11、RL1-RL3)连接到所述系统，所述方法包括下列步骤：
-在调节器(4)中连续接收表示当时期望的充电电压(Vd)的值，
-在所述调节器(4)中连续接收表示所述至少一个电池(3)在当时的电池电压(Vbat)的值，
-基于当时期望的充电电压(Vd)和至少一个电池(3)在当时的电池电压(Vbat)，来连续计算从所述电源(2)输送的、实现所述期望的充电电压(Vd)所需的充电电压(Vcalc)，以及
-产生包含用于所述电源(2)来输送所计算的充电电压(Vcalc)的控制命令的控制信号S，使得所述调节器(4)位于控制单元(5)中，且表示所述电池系统在当时的电池电压(Vbat)的值是基于所述控制单元(5)的电压来计算的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述调节器(4)是PID调节器。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述调节器(4)由与所述车辆有关的多个预定的固定参数来控制。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的方法，其中所述电池充电系统(1)的采样周期在1.4和3.4Hz之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电池充电系统(1)的采样周期为2Hz。
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