CN104578234B - 用于控制储能装置的充电的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制储能装置的充电的方法和系统，具体涉及一种用于利用电源(106)对车辆中的储能装置(202)充电的方法，该方法包括：确定(S301、S401)从电源输出的第一电压；开始充电(S303、S403)；确定(S305、S405)从电源输出的第二电压；基于第二电压与第一电压之间的差来确定(S307、S407)第一电压差；在预定的时间之后，中止充电(S309、S409)；确定(S311、S411)从电源输出的第三电压；开始充电(S313、S413)；确定(S315、S415)从电源输出的第四电压；基于第四电压与第三电压之间的差来确定(S317、S417)第二电压差；基于第二电压差与第一电压差之间的差来确定(S319)偏差值；和基于偏差值，控制(S321)充电参数。

Description

用于控制储能装置的充电的方法和系统
技术领域
本发明涉及储能装置的充电。具体而言，本发明涉及电动或混合动力车辆的储能装置的充电。
背景技术
近来，电动和混合动力车辆在全世界的道路上都已经变得越发常见了。它们具有一个共同点，那就是它们都需要大型且强劲的可充电电池。尽管安装在例如电动车辆中的这种电池的尺寸很大，但是取决于驾驶车辆的频率和距离，几乎每天都必须为它们再充电。
为给电动车辆的可充电电池进行再充电所需要的来自电源的功率是相当大的。一个顾虑是，在沿着从电源到储能装置的电路径的某处的高电阻的点或连接(例如，故障连接、破损的线缆或松动连接)的风险，这对于充电系统来说可能是危险的。充电系统中的增大的电阻以及高电流导致温度升高，并且可能因此成为火灾隐患，或可能损坏充电系统的部件。此外，例如充电线缆的增大的电阻可能导致电源的输出饱和，这将在电源上施加不必要的应变。
对于常规的充电系统而言，通常存在专用的线缆，该专用的线缆具有用于检测升高的温度的集成的温度传感器。在例如US2011/0204849中公开了包括温度传感器的充电线缆。在US2011/0204849中公开的线缆中，温度传感器在例如接近电源出口的线缆的末端处测量线缆中的温度。
然而，这种线缆具有高复杂性并且相对昂贵。此外，电阻的增大可能是由于例如，诸如除了充电线缆以外的系统线缆之类的部件的发热，或任何其它高电阻的连接或缺陷。这种缺陷(或发热或连接)可能出现在沿着从电源到电池的电路径的任何位置，并且因此利用集成在线缆中的温度传感器可能难以准确检测出这种缺陷(或发热或连接)。因此，需要更准确地确保安全的充电过程。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的总体目标是利用适合于电动或混合动力车辆的充电的任何线缆来提供一种改进的充电方法。
因此根据第一方面，提供了用于利用电源对车辆中的储能装置进行充电的方法，所述方法包括以下步骤：确定表示从电源输出的第一电压电平的第一值；开始利用电源对储能装置进行充电；确定表示从电源输出的第二电压电平的第二值；基于第一值与第二值之间的差来确定第一电压差；在预定的时间之后，中止充电；确定表示从电源输出的第三电压电平的第三值；开始利用电源对储能装置进行充电；确定表示从电源输出的第四电压电平的第四值；基于第三值与第四值之间的差来确定第二电压差；基于第一电压差与第二电压差之间的差来确定偏差值；以及基于该偏差值来控制充电参数。
表示电压输出电平的值可以是例如测量的电压值或电流值。通过从第二值减去第一值或从第一值减去第二值来确定所述差。偏差值表示功率损耗，所述功率损耗由在沿着从电源到储能装置的电路径的任何位置的例如故障、不连续、中断、或不完整连接的电阻所引起，或可能由故障线缆(例如在线缆的导体上有缺陷、或不适合电源入口(inlet)或出口(outlet)的线缆)所引起。因此，沿着从电源到储能装置的电路径的任何高电阻的点可能引起功率损耗。偏差值还可以是由电压值和电流值确定的电阻值。
本发明基于这样的认识，即在电源处测量到的功率损耗表示连接到电源的输出的电路径中的电阻。例如，较差连接中的电阻大于适当连接中的电阻。本发明还基于以下认识，即通过经由确定两个不同时间处的功率损耗之间的差来确定功率损耗的变化，可以获得例如电源与电池之间的电路径的质量的表示。例如，相较于在一段时间中功率损耗仅少量增加的情况，如果功率损耗在一段时间中大幅增加，则例如电源出口中着火的风险可能较高。假使功率损耗大幅地增加，可以有利地控制诸如充电电压、充电电流、充电功率等的充电参数，以减小功率损耗。
根据本发明的一个实施例，如果偏差值超过第一预定阈值，则可以减小从电源提供给储能装置的充电电流。偏差值可以表示功率损耗。如果偏差值被确定为过高，即以致其超过预定的第一值，则有利的是减小由电源提供的充电电流，以减小在沿着从电源到储能装置的电路径的某处的例如着火的风险。在偏差值超过第一值的情况中(其中该第一值相对较小)，可以利用减小的充电电流继续对储能装置进行充电。
在本发明的一个实施例中，可以与偏差值成比例地减小所提供的充电电流。例如，如果偏差值超过第一阈值的量是第一量，则可以按照取决于第一量的量来减小充电电流。该量可以例如是百分数。例如，如果偏差值超过第一值10％，则可以将充电电流减小例如取决于根据示例分别为2、1或0.5的比例常数的20％、10％、5％或另一个百分数。比例常数可以具有适合于特定情况的任何其它值。如上所述的量还可以与百分数以外的其他值相关。例如，该量可以与电压、电流、和/或电阻等相关。
根据本发明的一个实施例，如果偏差值超过大于第一阈值的第二预定阈值，则可以有利地中止储能装置的充电。在一些情况中，中止储能装置的充电可能是有利的。例如，在对着火的风险的预期比较高的情况下，优选地确定应该中止储能装置的充电。例如，在充电线缆上的某处可能存在高电阻的缺陷。当充电电流流过该高电阻的缺陷时，在该缺陷处可能发生功率损耗增大和温度升高，因此导致着火或充电系统损坏的风险增大。第二阈值大于第一阈值，因此，在仅超过第一阈值而未超过第二阈值的第一个实例中，减小了充电电流，并且在超过第二阈值的第二个实例中，中止了充电。于是，相比仅超过了第一预定阈值的情况，可能认为超过了第二预定阈值的情况风险更高。
根据本发明的一个实施例，所述方法还可以包括确定表示连接在电源与储能装置之间的充电线缆的温度的温度值。测量温度能够额外地表示充电系统中增大的功率损耗。例如，故障连接或线缆中的损坏的导体可以导致电阻增大，这引起故障充电线缆的温度升高，并且因此导致充电系统中的功率损耗增大。通过监控偏差值和温度二者，可以获得较安全的充电方法。
根据本发明的一个实施例，如果温度值超过第一预定阈值温度值，则可以减小由电源提供给储能装置的充电电流。稍微增加的温度可以表示例如损坏的导体。因此减小充电电流可以减小与继续对储能装置进行充电相关联的风险。例如，如果减小了充电电流，则充电线缆的损坏的导体可以很好地完成正在进行的充电过程。然后可以在充电完成之后对充电线缆进行替换或修理。
根据本发明的一个实施例，如果温度值超过第二预定温度阈值，则可以中止储能装置的充电，其中第二温度阈值大于第一温度阈值。
因此，如果充电线缆的温度达到特定的、相对高的温度，则中止充电。可以将温度确定用于与本文中所描述的其它类型的功率损耗确定进行各种组合。例如，温度升高与功率损耗值的特定组合可以表示应该中止充电或应该减小充电电流。
根据本发明的一个实施例，所述方法还可以包括确定第三电压差的值，所述第三电压差的值表示充电期间的电源的电中性线与电接地之间的电压，其中如果第三电压差超过第三预定阈值，则中止储能装置的充电。电中性线是要保持地电势的线。然而，如果该电中性线不能保持地电势，则在保持地电势的电接地与电中性线之间将存在电压。如果第三电压差的值超过第三预定阈值，则这可能表示不良连接，例如损坏的导体或故障线缆。还通过对第三电压差的值进行监控来获取用于充电的更准确、安全的系统。此外，可以在电源以外的其它位置处测量到电中性，所述其它位置例如车辆中的充电系统中。此外，可以将电接地电连接到车辆中和/或电源处。
根据本发明的一个实施例，预定的时间可以在1-60分钟的范围中，充电在预定的时间之后中止。可以例如基于引起充电中止的成因的性质来确定该时间。
根据本发明的一个实施例，可以在预定的时间间隔处重复所述方法。可以重复所述方法以获取对是否应该中止充电、或是否应该减小充电电流的更新了的估计。可以例如持续地重复所述方法，或可以例如每1、2、5、10、20、30、60分钟重复所述方法，或类似地，根据用于执行所述方法的时间。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于利用外部电源对储能装置进行充电的系统，所述系统包括：设置为从电源接收电流的控制单元，所述控制单元包括用于确定表示从电源输出的电压电平的值的测量单元；以及继电器单元，其被设置为从电源接收电流，并且取决于从控制单元接收的控制信号，所述继电器单元被配置为控制从电源到储能装置的电流的供应；其中所述控制单元被配置为：在测量单元中，确定表示从电源输出的电压电平的第一值；开始利用电源对储能装置进行充电；在测量单元中，确定表示从电源输出的第二电压电平的第二值；基于第二值与第一值之间的差来确定第一电压差；在预定时间之后中止充电；在测量单元中，确定表示从电源输出的第三电压电平的第三值；开始利用电源对储能装置进行充电；在测量单元中，确定表示从电源输出的第四电压电平的第四值；基于第四电压电平与第三电压电平之间的差来确定第二电压差；基于第一电压差与第二电压差之间的差来确定偏差值；以及基于偏差值来对充电参数进行控制。
控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一个可编程器件。控制单元还可以、或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或数字信号处理器。在控制单元包括以上提到的诸如微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程器件的情况下，处理器还可以包括控制可编程器件的操作的计算机可执行代码。
根据本发明的一个实施例，所述系统还可以包括温度传感器，该温度传感器被设置为确定表示充电线缆的温度的温度值，其中如果温度值超过第一预定温度值，则控制单元被配置为减小充电电流。
根据本发明的一个实施例，如果温度值超过第二预定温度值，则控制单元可以被配置为中止充电。
根据本发明的一个实施例，如果偏差值超过第一预定阈值，则控制单元可以被配置为减小从电源提供给储能装置的充电电流。
根据本发明的一个实施例，如果偏差值超过第二预定阈值，则控制单元还被配置为控制继电器单元从而使储能装置的充电中止，其中第二阈值大于第一阈值。可以通过利用控制单元控制充电电流来中止充电。换言之，控制单元可以被配置为中止储能装置的充电。
本发明的该第二方面的其它效果和特征与以上结合本发明的第一方面所描述的那些效果和特征在很大程度上是类似的。
当研究了所附权利要求和以下的说明之后，本发明的其它特征和优势将变得显而易见。技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征，以得到不同于下文中所描述的那些实施例的实施例。
附图说明
现在将参考示出本发明的当前优选实施例的附图，对本发明的这些和其它方面进行更详细的描述，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的针对系统的示例性实施例的以及针对方法的示例性应用；
图2示意性地示出了根据本发明的系统的示例性实施例；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的方法的流程图；以及
图4是示出根据本发明的示例性实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在下文的说明书中，主要参考用于利用向储能装置供应充电电流的外部电源对电动或混合动力车辆的电池进行充电的方法，以及参考这种车辆中的充电系统对本发明进行了描述。
图1示出了本发明的示例性应用。在图1中，将电动车辆100在其电源入口102处经由充电线缆104连接到外部电源106。外部电源106可以例如设置于用于电动车辆的充电站108处，或也可以是常规的家用电源出口。由电源供应的功率可以例如是经由单相输出或三相输出的220V、50Hz或110V、60Hz。此外，充电线缆104可以是普通的电源线或专用的充电线。
图2示意性地示出了本发明的实施例，该实施例包括车辆中的充电系统200，该充电系统200利用外部电源106为电动或混合动力车辆100的储能装置202充电。在图2中，充电系统200包括模数转换器206(ADC)、微处理器形式的控制单元208、用于控制到储能装置202的充电电流的供应的继电器210、以及用于在电流到达储能装置202之前对电流进行整流的整流器212。在储能装置202的充电期间，由外部电源在电源入口204处提供充电电流。充电电流的一部分通过ADC206，该ADC206可能包括梯形电阻(resistance ladder)，其用于在充电电流到达微处理器208之前对充电电流的幅值进行下转换。微处理器208控制继电器，并且因此控制到储能装置202的电流供应。此外，微处理器208被配置为确定由外部电源提供的电压的电压值，以及确定第一与第二个电压值之间的电压差，如将要参考图3和图4进行描述的。大部分的电流由电源入口204提供给继电器210，并且仅较小部分的电流流到微处理器208。此处，储能装置是车辆的可充电的电池202。外部电源106可以例如设置于用于电动车辆的充电站108处，或可以是常规的家用电源出口。
图3示出描述根据本发明的一方面的实施例的示例性方法的流程图。在第一步骤S301中，确定了表示第一电压值的第一值。例如，控制单元208测量电源(例如设置为经由充电线缆104向储能装置202供应220V、50Hz的电力网络)的电压输出。在第一步骤S301中，储能装置202的充电还未开始。在接下来的步骤S303中，储能装置的充电开始。由电力网络经由充电线缆104提供充电电流。在充电时，也就是当电力网络向储能装置202提供充电电流时，在随后的步骤S305中确定了表示从电力网络输出的第二电压的第二值。在随后的步骤S307中，将第一电压差确定为第二值与第一值之间的差。从开始充电的步骤S303开始，并且在确定了第二值后，经过了预定的时间之后，在步骤S309中中止充电。在随后的步骤S311-S317中，利用与步骤S301-S307相似的步骤来确定第二电压差。第一和第二电压差表示在相应的时间实例处的功率损耗(因此是第一和第二功率损耗)。因此，可以通过确定第一与第二电压差之间的差来确定功率损耗的增加/减小。因此，在步骤S319中，将第一与第二电压差之间的差确定为偏差值。取决于偏差值，在步骤S321中确定对充电参数进行控制。
图4示出描述根据本发明的一方面的实施例的示例性方法的流程图。在图4中，步骤S401-S417与图3中的步骤S301-S317类似，并且将不再参考图4进行进一步阐述。在步骤S419中，偏差值是第二电压差与第一电压差之间的差(Δ2-Δ1)，将该偏差值与第一预定值X进行比较。如果确定偏差值并未增加到大于第一预定值X，即，如果表示第一与第二电压差之间的差的偏差值小于X(Δ2-Δ1<X)，则重新开始以上确定第二电压差的步骤(S421)，该第二电压差与先前确定的第一电压差进行比较。然而，如果确定偏差值大于或等于第一预定值X(Δ2-Δ1≥X)，即，偏差值已经增加到大于X，则在步骤S423中将偏差值与第二预定值Y进行比较。如果在步骤S423中确定差(Δ2-Δ1)小于第二预定值Y(Δ2-Δ1<Y)，则减小由电力网络提供到储能装置的充电电流(S425)，并且执行根据以上步骤的新的测量(S427)，以再一次确定与先前确定的第一电压差进行比较的第二电压差。如果确定偏差值大于或等于第二预定值Y(Δ2-Δ1≥Y)，则在步骤S429中中止充电。在该实例中，得出的结论是偏差值过高，并且该过高的偏差值可能对继续对储能装置进行进一步充电带来风险。当然，与引起充电中止的情况相关联的风险的等级最终由预定的值Y来确定，因此，Y越大，则在偏差值超过Y的情况下的相关联的风险就越高。
现在将参考图4来描述示例性情况。如果在线缆的导体中存在例如引起设置于车辆的入口102与电源106之间的线缆104的导体中的电阻增大的缺陷，则线缆104上应该发生了电压下降。例如，在没有开始对电池进行充电的情况下，假设来自电源的空载的充电电压是230V。换言之，在该示例中，步骤S401中的第一值是230V。接下来，利用例如16A的充电电流开始充电(S403)。确定第二值(S405)，并且该第二值可以例如是226.2V。可以由第一与第二值之间的差来确定第一电压差(S407)，并且可以将该第一电压差称为起始参考。因此，结合已知的充电电流，将充电系统的电阻确定为0.3欧姆((230V-226.2V)/16A＝0.3欧姆)。在例如10分钟的时间段之后，中止充电(S409)，并且采用与如上所述的相似的方式来确定第三(S411)和第四电压(S415)。假设第三电压(在未充电的情况下)是233V并且第四电压(在利用16A进行充电期间)确定为227.9V，则第二电压差(S417)在充电系统中产生了0.32欧姆的电阻((233V-227.9V)/16A＝0.32欧姆)。因此，充电系统的电阻已出现增加。利用(R2-R1)/(R1*α)＝ΔT给出的经验公式，电阻的增加(例如，R2-R1)可能与温度(T)升高相关，其中α是温度系数，对于接近室温的金属，该温度系数通常在3×10-3K-1到6×10-3K-1的范围中(K＝开尔文)。在该实例中(对于铜使用α＝0.0039)，温度升高了17℃。在该示例中，给出偏差值作为源于第一与第二电压差之间的差的温度升高，该偏差值可以例如以电压、功率(即，瓦特)或电阻的形式给出。因此，如果17℃的温度升高超过了第一阈值(S419)，则可以对例如充电电流的大小的充电参数进行控制，以减小充电电流(S425)。如果温度升高超过第二阈值(S423)，则可以中止充电(S429)。在另一个给定时间(例如10分钟)之后，可以再次重复该程序，并且可以参考第一个确定的电阻(在该实例中为0.3欧姆)，再次得到确定的电阻增加。如果确定的偏差值(例如温度、功率、电阻、电压)超过第一或第二预定值，则同样可能适当的是如上所述那样对充电参数进行控制。
对充电参数进行控制可以例如与减小充电电流或中止充电相关。温度升高可以例如与充电线缆中产生温度的总功率进行比较。例如，如果充电线缆具有用于对充电电流进行处理的适当的尺寸，则温度升高通常不超过15℃。在该示例中，如关于图4所描述的偏差值可以是例如温度值或电阻值。应该注意的是，以上的值仅出于示例性目的，并且对于技术人员来说使用除了以上所提到的值以外的其它值也是显而易见的。例如，电压、电流、电阻和温度值可以是除了以上示例性值以外的任何其它值。
另外，技术人员在实践所要求保护的发明的过程中、从对附图、说明书和所附权利要求进行的研究中，可以理解并且实现对所公开的实施例的变化。例如，本发明同样适用于连接到三相电源的充电系统。然后所描述的方法可以应用于所有三个连接的相。此外，在本发明的范围内，充电电流和/或电压可能高于或低于本文中所描述的。系统中的所描述的继电器可以是适合于应用的任何可控制的继电器。此外，在所描述的示例中，由设置为车辆中的充电单元的一部分的控制单元来测量电压。然而，这并不是限制性特征，因为可以通过另一个电压测量装置来测量电压，该另一个电压测量装置可以位于沿着从外部(或内部)电源到车辆的电池的电路径的任何位置。此外，在不限制系统的功能的情况下，系统还可以包括附加的整流桥和滤波器，例如高通或低通滤波器、或变换器。在如上所述的方法中，第一电压可以用于确定电阻起始参考，该电阻起始参考将要用于随后的电压差确定中。
在权利要求中，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。仅仅是在互不相同的从属权利要求中记载特定的测量结果这一事实，并不表示不能有利地对这些测量结果的组合加以利用。

Claims (15)

1.一种用于利用电源(106)对车辆中的储能装置(202)进行充电的方法，所述方法包括以下步骤：
确定(S301、S401)表示从所述电源(106)输出的第一电压电平的第一值；
开始利用所述电源(106)对所述储能装置(202)进行充电(S303、S403)；
确定(S305、S405)表示从所述电源(106)输出的第二电压电平的第二值；
基于所述第二值与所述第一值之间的差来确定(S307、S407)第一电压差；
在预定的时间之后，中止充电(S309、S409)；
确定(S311、S411)表示从所述电源(106)输出的第三电压电平的第三值；
开始利用所述电源(106)对所述储能装置(202)进行充电(S313、S413)；
确定(S315、S415)表示从所述电源(106)输出的第四电压电平的第四值；
基于所述第四值与所述第三值之间的差来确定(S317、S417)第二电压差；
基于所述第二电压差与所述第一电压差之间的差来确定(S319)偏差值；以及
基于所述偏差值，对充电参数进行控制(S321)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述偏差值超过第一预定阈值(X)，则减小(S425)从所述电源(106)提供给所述储能装置(202)的充电电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中与所述偏差值成比例地减小所提供的所述充电电流。
4.根据权利要求2所述的方法，其中如果所述偏差值超过第二预定阈值，则中止对所述储能装置(202)的充电(S429)，其中所述第二预定阈值大于所述第一预定阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括确定表示在所述电源(106)与所述储能装置(202)之间连接的充电线缆的温度的温度值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中如果所述温度值超过第一预定温度阈值，则减小从所述电源(106)提供给所述储能装置(202)的充电电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其中如果所述温度值超过第二预定温度阈值，则中止对所述储能装置(202)的充电，其中所述第二预定温度阈值大于所述第一预定温度阈值。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括确定第三电压差值，所述第三电压差值表示在充电期间所述电源(106)的电中性线与电接地之间的电压，其中如果所述第三电压差超过第三预定阈值，则中止对所述储能装置(202)的充电。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定的时间在1-60分钟的范围中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中以预定的时间间隔重复所述方法。
11.一种利用外部电源(106)对储能装置(202)进行充电的系统(200)，所述系统(200)包括：
被设置为从所述电源(106)接收电流的控制单元，所述控制单元包括测量单元，所述测量单元用于确定表示从所述电源(106)输出的电压电平的值；以及
继电器单元，其被设置为从所述电源(106)接收所述电流，并且取决于从所述控制单元接收的控制信号，所述继电器单元被配置为控制从所述电源(106)到所述储能装置(202)的所述电流的供应；
其中所述控制单元被配置为：
在所述测量单元中，确定表示从所述电源(106)输出的第一电压电平的第一值；
开始利用所述电源(106)对所述储能装置(202)进行充电；
在所述测量单元中，确定表示从所述电源(106)输出的第二电压电平的第二值；
基于所述第二值与所述第一值之间的差来确定第一电压差；
在预定的时间之后，中止充电；
在所述测量单元中，确定表示从所述电源(106)输出的第三电压电平的第三值；
开始利用所述电源(106)对所述储能装置(202)进行充电；
在所述测量单元中，确定表示从所述电源(106)输出的第四电压电平的第四值；
基于所述第三值与所述第四值之间的差来确定第二电压差；
基于所述第一电压差与所述第二电压差之间的差来确定偏差值；以及
基于所述偏差值，对充电参数进行控制。
12.根据权利要求11所述的系统(200)，还包括温度传感器，所述温度传感器被设置为确定表示充电线缆的温度的第一温度值，其中如果所述第一温度值超过第一预定温度值，则所述控制单元被配置为减小充电电流。
13.根据权利要求12所述的系统(200)，其中如果所述第一温度值超过第二预定温度值，则所述控制单元被配置为中止充电。
14.根据权利要求11所述的系统(200)，其中所述控制单元还被配置为：如果所述偏差值超过第一预定阈值，则减小从所述电源(106)提供给所述储能装置(202)的充电电流。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制单元还被配置为：如果所述偏差值超过第二预定阈值，则控制所述继电器单元，从而中止对所述储能装置(202)的充电，其中所述第二预定阈值大于所述第一预定阈值。
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