CN105223507A - 对电池预测功率极限的确定 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种与电池一起使用的电池控制模块，包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。功率极限模块与该电流和电压测量模块通信，且在每个时间周期估算一次对应于未来时间周期的电池电流极限。该电池电流极限基于该电池的预定电压极限，还基于与未来时间周期之前的时间周期相对应的电池电流和电池电压。

Description

对电池预测功率极限的确定
本申请是申请日为2007年6月14日、申请号为2007800303572、发明名称为“对电池预测功率极限的确定”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及电池系统，且更具体而言涉及为电池系统确定功率输送极限。
背景技术
电池系统可用于在各式各样的应用系统中提供电能。示例性传输应用系统包括混合动力电动汽车(HEV)、电动汽车(EV)、重型车(HDV)和具有42伏特电力系统的汽车。示例性固定应用系统包括用于电信系统的备份电源、不间断电源(UPS)和分布式发电应用系统。
被使用的电池类型的示例包括镍氢电池(NiMH)、铅酸电池和其他类型的电池。电池系统可以包括串联和/或并联的多个电池分包(batterysubpack)。电池分包可以包括并联和/或串联连接的多个电池。
电池的固有属性可以限定最小操作电压规格(Vmin)和/或最大操作电压规格(Vmax)。在某些应用系统中，Vmin和Vmax可以由工程师指定，并可以其他标准为根据。当同时考虑Vmin和Vmax时，Vmin和Vmax指示为了最大化电池的服务寿命而应将电池电压维持在内的电压范围。Vmin和Vmax还能推断出电池在放电过程中提供功率的能力和在充电过程中接受功率的能力的限度。在诸如HEV的某些实施例中，电池功率的这些限度可能会周期性地限制汽车的性能。例如，HEV控制系统可能会为了将电池电压保持成高于最小电池电压Vmin而限制汽车的加速。HEV控制系统还可能会限制汽车的再生制动功能，以保持电池电压低于最大电池Vmax且由此维持某种再生制动能力。
防止加速性能限制发生的一种方法是用内燃机来对电池输送的功率进行补给。然而这种方法引入了其他问题。例如，发动机可能在需要它时熄火。在这种情形下，当HEV控制系统起动发动机时，汽车性能将仍然会在一个较短的时间周期内受限。
防止性能限制的第二种方法是保持发动机空转，使得发动机总是可以对电池功率进行补给。然而，空转发动机会浪费燃料，因此这并没有提供理想的解决方案。因此，仍然对预测电池功率极限和将补给电源与负载需求同步存在需要。
发明内容
一种与电池一起使用的电池控制模块，包括测量电池电压的电压测量模块和测量电池电流的电流测量模块。功率极限模块与该电流和电压测量模块通信，且在每个时间周期估算一次对应于未来时间周期的电池电流极限。该电池电流极限基于电池的预定电压极限，还基于与未来时间周期之前的时间周期相对应的电池电流和电池电压。
一种为负载供电的混合电源系统包括：基于功率需求信号向负载提供功率的第一电源、向该负载提供功率的可充电电池以及与该可充电电池通信的控制模块。该控制模块包括测量电池电压的电压测量模块、测量电池电流的电流测量模块以及与该电流和电压测量模块通信的功率极限模块。该功率极限模块基于该电池的电池电流、电池电压以及预定电压极限估算电池电流极限。该功率极限模块基于电池电流极限产生功率需求信号。
一种用于控制从电池获取的电流的方法包括：测量电池电压、测量电池电流，以及周期性地估算对应于未来时间周期且代表流经该电池的最大允许电池电流的电池电流极限。该电池电流极限基于该电池的测量出的电池电流、测量出的电池电压以及预定电压极限。
一种用于控制混合电源系统的方法包括：操作第一电源以基于功率需求信号向负载提供功率、从可充电电池向负载供给功率、测量该可充电电池的电池电压、测量该可充电电池的电池电流、周期性估算对应于未来时间周期且代表流经该电池的最大允许电池电流的电池电流极限，以及基于估算出的电池电流极限产生功率需求信号。该电池电流极限基于该电池的测量出的电池电流、测量出的电池电压和预定电压极限。
一种用于混合动力电动汽车的动力系统(powertrainsystem)包括：向电动机提供功率以用于推动汽车的可充电电池、产生用于推动汽车的功率的内燃机、响应于功率需求信号起动该内燃机的发动机控制器，以及与该可充电电池通信的控制模块。该控制模块包括测量电池电压的电压测量模块、测量电池电流的电流测量模块，以及与该电流和电压测量模块通信的功率极限模块。该功率极限模块周期性地确定对应于未来周期且基于该电池电流和电池电压的电池电流极限。该功率极限模块基于该电池电流极限产生功率需求信号，使得发动机控制器在该未来周期之前起动内燃机。
根据下文所提供的详细描述，本发明的其他应用领域将变得很明显。应当理解，尽管示出了本发明的优选实施例，但详细描述和特定示例仅旨在进行说明，而并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，能更加全面地理解本发明，附图中：
图1是包括电池分包、电池控制模块和主控制模块的电池系统的功能框图。
图2是电池控制模块的功能框图。
图3是电池的等效电路。
图4是用于预测电池的功率极限的方法的流程图。
图5是实际电池参数和预测电池参数的曲线图。
图6A-6C是混合动力电动汽车的功能框图。
图7是电池供电的补给电源的功能框图。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述在本质上仅是示例性的，而并不旨在以任何方式限制本发明、本发明的应用或用途。为清楚起见，附图中使用相同的参考标记来表示相同的元件。当在此使用时，术语模块或设备表示专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或成组的类型)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其他适当组件。
尽管将示出可用于预测电池的最大功率输出的示例性系统，但本领域技术人员将意识到可以使用其他系统。现在参考图1，所示电池系统10的示例性实施例包括M个电池分包12-1、12-2、…，和12-M(统称为电池分包12)。电池分包12-1、12-2、…、12-M包括N个串连的电池20-11、20-12、…，和20-NM(统称为电池20)。电池控制模块30-1、30-2、…，和30-M(统称为电池控制模块30)分别与电池分包12-1、12-2、…、12-M其中的每一个相关联。在某些实施例中，M等于2或3，不过也可以使用更多个分包或更少个分包。在某些实施例中，N等于12-24，不过也可以使用更多个和/或更少个电池。
电池控制模块30感测电池分包12两端的电压和电池分包12所提供的电流。备选地，电池控制模块30可以监控电池分包12中的一个或多个独立的电池20，以及执行适当的尺度调节和/或调整。电池控制模块30利用无线和/或有线连接与主控制模块40通信。主控制模块40从电池控制模块30接收功率极限且产生总的功率极限。可以为每个模块、成组的模块和/或所有模块计算SOC。在某些实施例中，电池控制模块30可以与主控制模块40整合在一起。
现在参考图2，示出了电池控制模块30的某些元件。电池控制模块30包括对电池分包12和/或电池分包12中的一个或多个独立电池20的电池电压和/或电流进行测量的电压和/或电流测量模块60。电池温度感测模块62测量电池分包12内至少一处的温度。电池充电状态(SOC)模块64周期性地判断电池分包12内的电池20的SOC。SOC模块64可以采用查找表66、公式和/或其他方法来判断SOC。
如下面进一步描述的，功率极限模块68为电池分包12和/或电池分包12中的一个或多个电池20预测最大电流极限ILIM、电池电压极限VLIM和/或功率极限PLIM。接触器控制模块70控制与电池分包12中的电池20的控制和/或连接相关的一个或多个接触器(未示出)。时钟电路72为电池控制模块30内的一个或多个模块产生一个或多个时钟信号。
现在参考图3，示出了电池20的等效电路。电阻器R0代表电池的欧姆电阻，电压VP代表极化电压(polarizationvoltage)，电压V0代表开路电压或驰豫电压，电流I代表电池电流，而电压V代表电池电压。V和I是测量值，RP随温度、施加电流的周期和SOC而变化。V0和R0主要随着SOC而变化。当电流I是稳定状态时，VP等于测量电流I乘以RP。对于电池20，使用等效电路和基尔霍夫电压定律，V＝V0+VP+IR0。
现在参考图4，示出了用于预测电池性能极限的方法400的流程图。方法400可以实施为存储在与计算机相关的计算机存储器中的计算机程序。该计算机和计算机存储器可以被包括在功率极限模块68中。方法400可以在每次开启电池系统10时开始执行。
控制操作开始于起始框402且进行到方框404。在方框404中，控制操作将VP的初值置为0。控制操作然后进行到方框406，且将循环计数器i的初值置为-1。控制操作然后进行到判决框408，且判断循环周期T是否已经过去。循环周期T判断方框410-420的执行周期。如果循环周期T没有过去，则控制操作再次进入判决框408，以等待下一循环周期的开始。循环周期是否过去可以从时钟72判断出。循环周期T的示例值为100ms，然而，本领域技术人员应当意识到可以使用其他时间周期。控制过程分支到方框410，且当判断开始新的循环周期T时将循环计数器i加1。
控制从方框410进行到方框412，且基于下面的等式来将运行的平均电池电压Vavgi更新：
Vavgi＝[Vavg(i-1)+K(Vi-Vavg(i-1))]
其中0≤K≤1，Vi是对应于循环计数i的测量电池电压V，而Vavg(i-1)是对应于前一个循环周期的运行平均电压。运行平均电池电压Vavg可用作驰豫电压V0的近似。
控制操作从方框412进行到方框414，且基于下面的等式预测电池电流极限ILIM：
ILIM＝(VLIM-Vavgi-Vpi)/R0
其中VLIM指电池的所选操作电压极限，且Vpi是与循环计数相对应的极化电压Vp的值。VLIM的值可以是电池20的最小操作电压规格(Vmin)和最大操作电压规格(Vmax)之一。控制操作然后进行到方框416，且基于下面的等式更新极化电压Vp：
Vpi＝Vp(i-1)+(ILIMRp-Vp(i-1))|I|T/τ
其中Rp可以基于电池温度和/或电池SOC从查找表66中估算出，Vp(i-1)是对应于前一个循环周期的极化电压Vp，而τ是基于电池电压V和电池电压极限VLIM而实验性判断出的时间常数。
控制操作从方框416进行到方框418，并基于下式确定出预测电池功率极限PLIM，
PLIM＝ILIMVLIM
控制操作然后进行到方框420，且向主控制模块40传送PLIM和/或ILIM值。应当意识到，PLIM和ILIM的值与所选的电池电压极限VLIM相对应。方法400因此可用于为Vmin和Vmax的对应值维持PLIM和ILIM的值。
主控制模块40可以使用PLIM和/或ILIM值以在电池电压V违反所选的电池电压极限VLIM之前采取适当的行动。例如，在混合动力电动汽车中，当VLIM被设置成等于Vmin时，主控制模块40可以在电池电压V降到电池电压极限VLIM以下之前起动汽车发动机来给电池以辅助。
现在参考图5，样点曲线图(sampleplot)示出了对预测的电池电压功率极限PLIM和电池输送的实际功率的比较。样点曲线图取自在电池20和内燃机之间共享负载功率的混合动力汽车应用情况。水平轴500表示时间，以秒为单位。左垂直轴502代表电池功率。左垂直轴502的上半部分代表电池20从该负载吸收或再生功率。左垂直轴502的下半部分代表电池20向负载提供功率或释放功率。迹线504代表负载功率且参照左垂直轴502。迹线506代表预测电池功率极限PLIM且参照左垂直轴502。预测的电池功率极限PLIM是根据方法400确定出的。
第一对点508-1、第二对点502-2和第三对点508-3，统称为对点508，示出了预测电池功率极限PLIM和实际电池功率之间的关系。每对点508的左边的点示出预测电池功率极限PLIM。每对点508的右边的点示出到达相应预测电池功率极限PLIM的实际功率。
右垂直轴510以伏特为单位按比例绘制。用于产生图5的样点曲线图的电池具有VLIM＝9V的电池电压极限。电池电压迹线512表示测量出的电池电压V。预测电池功率极限PLIM为主控制器40提供充分的时间来控制电池20和内燃机之间的负载共享，由此保持测量的电池电压高于9V。
现在参考图6A-6C，示出了混合动力电动汽车(HEV)的各个实施例。本发明可以在结合到HEV中的电池系统中实施。图6A示出了并联结构HEV600的功能框图。HEV600包括内燃机602和电动机604。内燃机602包括向传动装置608提供旋转动力的输出轴606。发电机610被内燃机602驱动，且向电池系统10提供充电电流。MCM40对控制信号进行控制并且/或将控制信号发送到电子控制模块(ECM)612。ECM612基于来自MCM40的控制信号控制内燃机602。
电动机604将来自电池系统200的功率转换成机械功率。该机械功率被应用于传动装置608的输入轴。传动装置608将来自内燃机602和电动机604的功率组合起来，以向驱动轮轴614提供功率。
现在参考图6B，示出了串联结构的HEV620的功能框图。HEV620包括驱动发电机610的内燃机602。发电机610向电池系统10提供充电电流。MCM40产生被传送给ECM612的控制信号。电动机604从电池系统200接收功率。
现在参考图6C，示出了间接串联结构的HEV650的功能框图。内燃机602向第二驱动轮轴632和发电机610提供功率。发电机610向电池系统10提供充电电流。电动机604向驱动轮轴614提供功率。MCM40协调内燃机602和电动机604的操作，以推动汽车。
现在参考图7，示出了补给电源640的功能框图。负载642从公用电线644接收功率。负载642还可从电池系统10接收电池功率。变流器644将电池电能转换成交变电流。相位匹配网络646匹配来自变流器644的功率的相位和来自公用电线644的功率的相位。MCM40可以包括监控功率不足的负载642的输入端650。MCM40基于功率不足来控制电池系统10。
根据以上描述，本领域技术人员将认识到，本发明的概括性教导可以以各种形式实施。因此，尽管结合本发明的特定示例来对本发明进行描述，但本发明的真实范围不因此受限。因为在研究了附图、说明书和权利要求书后，本领域技术人员将显见其他修改。

Claims (24)

1.一种与电池一起使用的电池控制模块，所述电池控制模块包括：
测量电池电压的电压测量模块；
测量在当前时间周期通过电池的电池电流的电流测量模块；以及
功率极限模块，与该电流测量模块和电压测量模块通信且在未来时间周期估算电池电流极限，其中所述未来时间周期是当前时间周期的下一周期，并且其中所述功率极限模块迭代地估算所述电池电流极限，其中所述功率极限模块基于电池的预定电压极限，电池的电池电流和在所述未来时间周期之前的时间周期期间的所述电池的电池电压来估算所述未来时间周期期间的所述电池电流极限。
2.根据权利要求1所述的电池控制模块，其中所述功率极限模块周期性地基于所述电池电流极限来估算功率极限。
3.根据权利要求1所述的电池控制模块，其中所述功率极限模块估算所述电池的极化电压，且基于该极化电压估算所述电池电流极限。
4.根据权利要求3所述的电池控制模块，其中所述功率极限模块将所述极化电压初始化为预定值。
5.根据权利要求3所述的电池控制模块，其中所述功率极限模块在多个时间周期的每个估算所述极化电压和所述电池电流极限；并且所述多个时间周期包括所述当前时间周期、所述未来时间周期和所述未来时间周期之前的时间周期。
6.一种用于负载的混合电源系统，该混合电源系统包括：
第一电源，其基于功率需求信号向所述负载提供功率；
可充电电池，其向所述负载提供功率；以及
控制模块，其与所述可充电电池通信，该控制模块包括：
测量所述可充电电池的电池电压的电压测量模块；
测量所述可充电电池的电池电流的电流测量模块；以及
与该电流测量模块和电压测量模块通信的功率极限模块，
其中该功率极限模块基于以下估算预定时间周期期间的电池电流极限：可充电电池的测量的电池电流中的一个、预定电压极限，以及测量的电池电压的在时间上的运行平均和在预定时间周期之前的时间周期期间测量的测量的电池电压中的一个中的至少一个，并且其中所述功率极限模块基于所述电池电流极限来产生所述功率需求信号。
7.根据权利要求6所述的混合电源系统，其中所述功率极限模块基于电池电流极限来估计功率极限。
8.根据权利要求6所述的混合电源系统，其中所述功率极限模块基于所述可充电电池的极化电压来估算所述电池电流极限。
9.根据权利要求6所述的混合电源系统，其中所述第一功率源包括内燃机。
10.根据权利要求6所述的混合电源系统，其中所述第一功率源包括电气电源。
11.一种用于对从电池获取的电流进行控制的方法，该方法包括：
测量电池的电池电压；
测量电池的电池电流；以及
预测预定时间周期期间的电池电流极限，其中该电池电流极限代表流经该电池的最大允许电池电流，其中该电池电流极限基于测量的电池电流之一、电池的预定电压极限、以及测量的电池电压在时间上的运行平均和在预定时间周期之前的时间周期期间测量的测量的电池电压中的一个之中至少一个。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括基于电池电流极限来估算所述电池可以传输的最大功率。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括基于电池的极化电压来预测电池电流极限。
14.一种用于控制混合电源系统的方法，该方法包括：
操作第一功率源，以基于功率需求信号向负载提供功率；
从可充电电池向该负载供给功率；
测量该可充电电池的电池电压；
测量该可充电电池的电池电流；
估算预定时间周期期间的电池电流极限，其中所述电池电流极限代表电池的最大可允许电池电流；以及
基于估算出的电池电流极限产生所述功率需求信号，其中所述电池电流极限基于以下估算：测量的电池电流中的一个；测量的电池电压中的第一个，电池的预定电压极限，以及以下中的至少一个：包括在预定时间周期期间测量的测量的电池电压中的第一个的测量的电池电压在时间上的运行平均和在预定时间周期之前的时间周期期间测量的测量的电池电压中的第二个，其中测量的电池电流中的一个和测量的电池电压中的第一个在预定时间周期期间测量。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于估算出的电池电流极限来估算所述电池的最大功率。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述电池电流极限还基于电池的极化电压来估算。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述极化电压初始化为预定值。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括在多个时间周期中的每个期间估算极化电压和电池电流极限，其中多个时间周期包括预定的时间周期和预定的时间周期之前的时间周期。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一功率源包括内燃机和电气电源中的至少一个。
20.一种用于混合电动汽车的动力系统，该动力系统包括：
可充电电池，其向电动机提供功率以用于推动该汽车；
内燃机，其产生用于推动该汽车的功率；
发动机控制器，其响应于功率需求信号起动所述内燃机；以及
控制模块，其与所述可充电电池通信，该控制模块包括：
测量在预定时间周期之前的时间周期期间的可充电电池的电池电压的电压测量模块；
测量可充电电池的电池电流的电流测量模块；以及
与该电流测量模块和电压测量模块通信的功率极限模块，
其中该功率极限模块确定预定周期期间电池电流极限并且基于所述电池电流和所述电池电压；
并且其中所述功率极限模块基于所述电池电流极限产生所述功率需求信号，使得所述发动机控制器在所述预定周期之前起动所述内燃机。
21.根据权利要求1所述的电池控制模块，其中所述未来时间周期之前的时间周期是所述当前时间周期和所述当前时间周期之前的时间周期中的一个。
22.根据权利要求6所述的混合电源系统，其中所述功率极限模块基于所述预定时间周期之前的时间周期期间测量的测量的电池电压中的一个来估算预定时间周期期间的电池当前极限；并且在所述预定时间周期之前的时间周期期间测量的测量的电池电压中的一个是可充电电池的极化电压。
23.根据权利要求6所述的混合电源系统，其中所述功率极限模块基于所述测量的电池电压在时间上的运行平均来估算所述预定时间周期期间的电池电流极限；并且所述控制模块基于所述预定时间周期之前的时间周期期间的测量的电池电压在时间上的运行平均、0和1之间的值以及在预定时间周期期间测量的电池电压来确定所述测量的电池电压在时间上的运行平均。
24.如权利要求6所述的混合电源系统，其中所述功率极限模块基于以下来估算电池电流极限：在预定时间周期期间测量的测量的电池电流中的一个；可充电电池的电阻；以及基于(i)在所述预定时间周期期间测量的测量的电池电压中的一个以及(ii)可充电电池的电压极限的时间常数，其中所述测量的电池电压中的所述一个是极化电压。
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