CN105383319A - 用于使电池输出需求电流的操作车辆动力传动系统的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及操作车辆动力传动系统以使电池输出需求电流的方法。动力传动系统根据预测的电池对用于电池系统输出需求电流的需求电流命令的响应来被操作，所述动力传动系统具有包括至少两个并联连接的不同化学类型的电池的电池系统。电池的所述响应是使用电池系统的回顾模型直接从需求电流被预测的。

Description

用于使电池输出需求电流的操作车辆动力传动系统的方法

技术领域

本公开涉及预测电动车辆的电池系统的电池(包括并联连接的不同化学类型的电池)将如何操作以使电池系统输出需求电流。

背景技术

电动车辆包括牵引电池系统。特定牵引电池系统包括相互并联连接的电池。在一些这样的电池系统中，电池具有彼此不同的化学类型。比如，牵引电池系统可以具有并联连接的两个不同化学类型的电池，其中一个电池是铅酸电池，而另一个电池是锂离子(Li-ion)电池。由于具有不同的化学成分，电池具有不同的动态特性和阻抗。预测电池对于要通过电池系统输出的需求电流的响应可能是有益的。

发明内容

在实施例中，提供一种用于预测牵引电池系统的电池(即，电池组)将如何操作以使电池系统输出需求电流的方法，其中，所述牵引电池系统包括并联连接的不同化学类型的电池。所述预测的步骤包括：预测电池对于需求电流命令将如何响应，其中，所述需求电流命令用于所述电池系统输出需求电流。也就是说，将使所述电池系统输出需求电流的电池的操作被预测。换句话说，所述电池系统响应于要通过所述电池系统输出的需求电流的操作被预测。

所述方法包括：利用实时考虑电池内阻抗和荷电状态(SOC)的动态特性来预测电池响应的处理。所述方法包括：表示电力电子特性的处理，其中，电力电子特性将来自电池系统控制器的电流需求分配给电池。预测的电池响应包括：SOC动态特性、开路电压(OCV)变化、内电阻变化、电池输出电流和电池端电压响应。

在实施例中，提供一种用于具有电池系统的动力传动系统的方法，其中，所述电池系统包括至少两个并联连接的不同化学类型的电池。所述方法包括：根据预测的电池对需求电流命令的响应来操作所述动力传动系统，其中，所述需求电流命令用于所述电池系统输出需求电流。所述电池的响应是通过使用所述电池系统的回顾(backward-looking)模型直接从需求电流被预测的。

在实施例中，提供一种用于包括电池组件的动力传动系统的系统，其中，电池组件具有至少两个并联连接的不同化学类型的电池。所述系统包括控制器。所述控制器被配置为：根据预测的电池对需求电流命令的响应来操作所述动力传动系统，其中，所述需求电流命令用于电池组件输出需求电流；基于电池组件的每个电池的荷电状态(SOC)动态特性使用回顾模型来直接从需求电流预测电池的所述响应。

根据本发明的一个实施例，预测的电池的所述响应包括：一起提供需求电流的电池的输出电流。

根据本发明的一个实施例，预测的电池的所述响应包括：电池组件的输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：使用电池组件的回顾模型并考虑到电池中的每个电池的内阻抗来直接从需求电流预测电池的所述响应。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：使用电池组件的回顾模型并考虑到电池中的每个电池的开路电压来直接从需求电流预测电池的所述响应。

根据本发明的一个实施例，电池组件的回顾模型表示电力电子特性，在电力电子特性中需求电流命令被分配给电池。

在实施例中，提供一种具有电池系统和控制器的动力传动系统。所述电池系统包括至少两个并联连接的不同化学类型的电池。所述控制器被配置为：使用所述电池系统的回顾模型来预测电池响应于需求电流命令的响应，其中，所述电池响应包括电池中的每个电池的内阻抗和荷电状态动态特性，需求电流命令用于所述电池系统输出需求电流；使用预测的电池的所述响应来预测一起提供需求电流的电池中的每个电池的输出电流；根据预测的电池的所述输出电流来操作所述动力传动系统。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：使用预测的电池的所述响应和预测的电池的所述输出电流来预测所述电池系统的输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：使用所述电池系统的回顾模型并考虑到电池中的每个电池的开路电压来直接从需求电流预测电池的所述响应。

根据本发明的一个实施例，所述电池系统的回顾模型表示电力电子特性，在电力电子特性中需求电流命令被分配给电池。

根据本发明的一个实施例，所述动力传动系统是电动车辆的动力传动系统。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的电动车辆的动力传动系统的框图；

图2示出了代表电动车辆的动力传动系统的牵引电池系统的内电阻类型的等效电路模型；

图3示出了描述用于预测牵引电池系统的电池的输出电流和牵引电池系统的输出电压的方法的操作的流程图；以及

图4A至图4F示出了呈现包括牵引电池系统的电池对于需求电流命令的响应的牵引电池系统的操作的示例的各种曲线图。

具体实施方式

在此描述本发明的详细实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可采用各种可替代形式来实现。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。

现参照图1，根据本发明的实施例的电动车辆12的动力传动系统10的框图被示出。动力传动系统10包括牵引电池系统(或组件)14、电机16(诸如马达/发电机)和控制器18。电池系统14被配置为为马达16提供电力。马达16将电力转换为用于推进车辆12的动力。

电池系统14包括多个电池(即，电池组)20(20a、20b……20n)。电池20相互之间并联连接。电池20中的至少两个电池具有彼此不同的化学类型。比如，电池20a是铅酸电池，而电池20b是锂离子(Li-ion)电池。如果电池系统14包括另一个电池(诸如电池20n)，则电池20n可以是铅酸电池、锂离子电池或某一其它化学类型的电池。包括电池20a和电池20b的不同化学类型的电池由于它们的化学成分不同而具有不同的动态特性和阻抗。为了简洁，除非另外指出，否则将假设电池系统14只包括铅酸电池20a和锂离子电池20b。

控制器18被配置为监测和控制电池系统14的操作。在运行中，控制器18将需求电流命令提供给电池系统14。电池系统14响应于需求电流命令而输出需求电流到马达16。电池20一起运行以使电池系统14输出需求电流。

控制器18还被配置为执行用于预测电池20如何运行以使电池系统14输出需求电流的方法。也就是说，控制器18还被配置为预测电池20将对需求电流命令如何做出响应(即，电池20的响应)以使电池系统14输出需求电流。因为电池具有不同的化学成分，所以电池20具有彼此不同的动态响应。每个电池20的响应包括：荷电状态(SOC)动态特性、开路电压(OCV)变化、内电阻变化、电池输出电流和电池端电压响应。

控制器18可以执行以下处理：实时地考虑到电池内阻抗和SOC动态特性来预测电池响应，并呈现将电流需求从控制器分配到电池20的电力电子特性(powerelectronics)。从而控制18可以针对每个电池20预测SOC动态特性、OCV变化、内电阻变化、电池输出电流和电池端电压响应。进而，控制器18可以使用该信息以更好地控制动力传动系统10的操作。

现参照图2，表示牵引电池系统14的内电阻型的等效电路模型30被示出。将使用模型30来呈现控制器18在预测电池20将如何操作以使电池系统14输出需求电流的过程中的操作。然而，应该注意的是预测操作不限于使用这样的模型。

模型30包括：表示铅酸电池20a的一部分和表示锂离子电池20b的另一部分。电池20相互并联连接在端电压点32和地(Gnd)之间。电池20a包括：电压源V_OC,1(铅酸电池的OCV)、电流i₁(铅酸电池的电流)和内阻抗R_int,1(铅酸电池的内阻抗)。类似地，电池20b包括：电压源V_OC,2(锂离子电池的OCV)、电流i₂(锂离子电池的电流)和内阻抗R_int,2(锂离子电池的内阻抗)。电池系统14的电压V_t相对于地而位于端电压点32。电池系统14的电压V_t是电池系统的输出电压。

电池20a的内阻抗R_int,1是电池20a的SOC、温度和使用分布以及其它状态变量的函数。类似地，电池20b的内阻抗R_int,2是电池20b的SOC、温度和使用分布以及其它状态变量的函数。内阻抗R_int,1和R_int,2可以由能够捕获电池动态特性的内阻抗来代替。

模型30还包括可调节的负载阻抗R_load。负载阻抗R_load连接在端电压点32和地之间。负载阻抗R_load的可调节性代表在将需求电流命令提供给电池系统14的过程中控制器18的操作。负载阻抗R_load被调节以将需求电流命令提供给电池系统14。需求电流命令取决于负载阻抗R_load的值以及电池系统14的输出电压V_t的值。因此，将负载阻抗R_load调节到给定值会引起相应的需求电流命令。比如，将负载阻抗R_load调节到电池系统的阻抗值(视为第一阻抗值和第二阻抗值)会引起需求电流命令以使电流具有系统的安培值。

模型30还包括负载电流i_load。负载电流i_load是电池系统14将要输出的需求电流。电池系统14从端电压点32输出负载电流i_load。如此，负载电流i_load与通过将负载阻抗R_load调节到给定阻抗值提供的需求电流命令相对应。由于负载电流i_load的值取决于负载阻抗R_load的值以及电池系统14的输出电压V_t的值，使得负载电流i_load与需求电流命令相对应。

如上所述，在具有负载阻抗R_load和负载电流i_load的模型30中描述了在向电池系统14提供需求电流命令的过程中控制器18的操作。假定需求电流命令对应于负载电流i_load，则电池系统14将输出负载电流i_load。从而电池20将运行以使电池系统14输出负载电流i_load。然而，由于电池20因为它们的化学成分不同而具有不同的动态特性和阻抗，因此电池将以彼此不同的方式运行以使电池系统14输出负载电流i_load。也就是说，电池20由于它们的化学成分不同而将对需求电流命令具有不同的动态响应。如前所述，电池响应包括SOC动态特性、OCV变化、内电阻变化、电池输出电流和电池端电压响应。控制器18的操作包括预测电池20的这种响应，从而预测电池20将如何响应于需求电流命令以使电池系统14输出负载电流i_load。如下面将进一步详细描述的，这种预测考虑到了电池20的内阻抗和SOC动态特性。

模型30提供了被控制器18用来预测电池响应的回顾(backward-looking)建模方法。所述回顾建模方法是为了计算效率而构造的，所述方法被构造为控制器18从系统的输出(即，负载电流i_load)计算系统响应(即，电池20的电池响应)以反向确定输入(即，电池系统14的电池端电压V_t、电池20a的电流i₁和电池20b的电流i₂)。同样地，当负载电流i_load被给出时，电池20的输出电流i₁和i₂被同时计算。也就是说，将引起需求电流输出(即，负载电流i_load)的输入(即，电池系统14的电池端电压V_t、电池20a的电流i₁和电池20b的电流i₂)是从系统响应确定的。从而，系统响应提供了用于确定将引起需求电流输出的输入的公式。

如上所述，预测操作使用了新方法来将负载电流i_load分配给电池系统14的模型30并且预测电池系统的电池端电压V_t和电池20的电流i₁和i₂。控制器18由可调节的负载阻抗R_load来表示。电池系统14的输出电流，以及相应的电池20的电流i₁和i₂通过调节负载阻抗R_load来控制。

如在此更详细描述的，电池端电压V_t通过使用负载阻抗R_load来从负载电流i_load直接被确定，其中，负载阻抗R_load也是从负载电流i_load被确定的。电池端电压V_t和负载阻抗R_load从负载电流i_load被预测而不需要利用迭代计算(这种迭代计算需要不断地调节负载阻抗R_load直到得到期望的负载电流i_load为止)。电池系统14的SOC动态特性基于考虑到每个电池20的动态特性而被预测。

控制器18预测电池20将如何运行以使电池系统14输出需求电流的操作包括：1)SOC动态特性计算；2)电路响应计算；3)端电压预测；4)电池电流预测。

参照在图2中示出的模型30，电池20a和电池20b的SOC通过使用下面的等式(1)和等式(2)来分别计算：

${\mathrm{SOC}}_1\left(t\right)={\mathrm{SOC}}_{1,0}+\frac{1}{Q_{batt,1}}{\∫}_0^t{i}_1\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

${\mathrm{SOC}}_2\left(t\right)={\mathrm{SOC}}_{2,0}+\frac{1}{Q_{batt,2}}{\∫}_0^t{i}_2\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

SOC₁(t)是电池20a的SOC，SOC_1,0是电池20a的初始SOC，Q_batt,1是电池20a的容量，i₁是电池20a的电流。SOC₂(t)是电池20b的SOC，SOC_2,0是电池20b的初始SOC，Q_batt,2是电池20b的容量，i₂是电池20b的电流。电池20a的容量Q_batt,1和电池20b的容量Q_batt,2分别从具有上述信息的电池容量表中被离线获得。电池容量表包括针对不同化学类型的多个电池的容量值。

电路响应通过使用下面的等式(3)、等式(4a)、等式(4b)、等式(5a)、等式(5b)和等式(6)来被计算：

i_load＝i₁+i₂(3)

V_OC,1＝f₁(SOC₁)(4a)

V_OC,2＝f₂(SOC₂)(4b)

V_OC,1–(R_int,1xi₁)＝V_t(5a)

V_OC,2–(R_int,2xi₂)＝V_t(5b)

R_loadxi_load＝V_t(6)

为了完整性，i_load是负载电流，i₁是电池20a的电流，i₂是电池20b的电流，V_OC,1是电池20a的开路电压，V_OC,2是电池20b的开路电压，R_int,1是电池20a的内阻抗，R_int,2是电池20b的内阻抗，V_t是电池系统14的输出电压，R_load是可调节的负载阻抗。

电池20a的内阻抗R_int,1是电池20a的SOC₁(t)和电池20a的温度的函数。内阻抗R_int,2是电池20b的SOC₂(t)和电池20b的温度的函数。内阻抗R_int,1和内阻抗R_int,2从具有上述信息的电池内阻抗表中获得。电池阻抗表包括针对不同化学类型的多个电池的内阻抗值，所述内阻抗值作为电池SOC和电池温度的函数。

电池端电压V_t通过使用下面的等式(7)和等式(8)来计算：

$R_{load}=\[\frac{1}{i_{load}}(\frac{V_{OC,1}}{R_{0,1}}+\frac{V_{OC,2}}{R_{0,2}})-1\]/\[\frac{1}{R_{0,1}}+\frac{1}{R_{0,2}}\]---\left(7\right)$

等式(7)是从等式(3)、等式(5a)、等式(5b)和等式(6)推导出来的。

$V_t=R_{load}{i}_{load}=\[(\frac{V_{OC,1}}{R_{0,1}}+\frac{V_{OC,2}}{R_{0,2}})-i_{load}\]/\[\frac{1}{R_{0,1}}+\frac{1}{R_{0,2}}\]---\left(8\right)$

分别通过使用下面的等式(9a)和等式(9b)来从计算出的电池端电压V_t预测电池20a的电流i₁和电池20b的电流i₂：

$i_1=\frac{V_{OC,1}-v_t}{R_{0,1}}---\left(9q\right)$

$i_2=\frac{V_{OC,2}-v_t}{R_{0,2}}---\left(9b\right)$

如上所述，电池20a和电池20b的SOC动态特性通过使用等式(1)和等式(2)来被建模。输出电压V_t通过使用等式(5a)、等式(5b)和等式(6)来被计算。电池20a和电池20b的开路电压被表示为等式(4a)和等式(4b)。被引入以分配通过控制器18命令的电池电流的中间参数R_load通过等式(7)被计算。电池系统端电压V_t通过等式(8)被预测。电池20a的电流i₁通过等式(9a)被预测，电池20b的电流i₂通过等式(9b)被预测。在具有并联连接的不同化学类型的两个电池20的电池系统14中，通过等式(1)至等式(9)来预测电池动态响应，其中，所述电池动态响应包括SOC动态特性、电压动态特性和电流动态特性。

总之，直接从需求电流命令(即，电池系统14的需求电流输出i_load)计算输出电压V_t以及从电池20a输出的电流i₁和从电池20b输出的电流i₂。

现参照图3，流程图40被示出，流程图40描述了用于预测电池系统14的电池20a的输出电流i₁和电池20b的输出电流i₂以及电池系统的输出电压V_t的方法的操作。如块42所示，所述操作开始于设定控制输入B_att1和B_att2。控制输入B_att1和B_att2分别对应于电池20a和电池20b。如果在判断块44，电池20a关闭(OFF)并且电池20b关闭，则如块46所示，输出电流i₁＝0，输出电流i₂＝0，并且输出电压V_t＝0。如果在判断块48，电池20a开启(ON)并且电池20b关闭，则如块50所示，输出电流i₁＝i_load，输出电流i₂＝0，并且输出电压V_t＝V_OC,1-(R_int,1×i₁)。如果在判断块52，电池20a关闭并且电池20b开启，则如块54所示，输出电流i₁＝0，输出电流i₂＝i_load，并且输出电压V_t＝V_OC,2-(R_int,2×i₂)。如果如块56所示，两个电池20a和20b都开启，则如块58所示，则所述方法使用等式(8)、等式(9a)和等式(9b)计算输出电流i₁和i₂以及输出电压V_t。如块60所示，输出电流i₁和i₂以及输出电压V_t的计算值被输出。输出的这些值可以被使用(比如)作为牵引系统10的整体管理的一部分。

现参照图4A至图4F，同时继续参照图2，呈现电池系统14的操作的一个示例的各种曲线图被示出，所述示例包括了电池20对需求电流命令做出的响应。图4A示出了需求电流命令随时间推移的曲线图62。曲线图62包括示例性的需求电流命令随时间推移的曲线64。图4B示出了电池开启/关闭状态随时间推移的曲线图66。曲线图66包括：电池20a的开启/关闭状态的曲线68和电池20b的开启/关闭状态的曲线70。图4C示出了电池电流随时间推移的曲线图72。曲线图72包括：负载电流i_load的曲线74、电池20a的输出电流i₁的曲线76和电池20b的输出电流i₂的曲线78。如在此所描述的，输出电流i₁和i₂是预测的电池系统14响应于需求电流i_load而做出的响应。图4D示出了电池电压随着时间推移的曲线图80。曲线图80包括：电池系统14的输出电压V_t的曲线82、电池20a的开路电压的曲线84和电池20b的开路电压的曲线86。图4E示出了电池SOC随着时间推移的曲线图88。曲线图88包括：电池20a的SOC的曲线90和电池20b的SOC的曲线92。图4F示出了电池内电阻随时间推移的曲线图94。曲线图94包括：电池20a的内阻抗R_int,1的曲线96和电池20b的内阻抗R_int,2的曲线98。

如上所述，提供了用于预测牵引电池系统的电池将如何操作以使所述电池系统输出需求电流的方法，其中，所述牵引电池系统包括并联连接的不同化学类型的电池。特征在于引入R_load来计算电池系统的端电压V_t，从而实现直接预测电池对来自控制器18的命令电池电流的响应。

所述方法包括以下优点、特征和/或特性。所述方法包括用于预测电池系统的响应的分析方法，其中，所述电池系统具有两个或更多个并联连接的不同化学类型的电池。在能够预测电池响应方面，所述方法是相对不复杂的。因此，对于在电动车辆的牵引电池系统控制器中实现而言，所述方法是实用的。也就是说，所述方法能运行得足够快速，以被实施在电池管理系统中。所述方法还可以被用于车辆仿真以开发电池系统管理策略。所述方法在不利用迭代计算的情况下直接从来自电池控制器的电流命令预测电池响应，同时还兼顾了计算效率和准确度之间的平衡。

尽管在上面描述了示例性实施例，但是并不意在这些实施例描述了本发明的所有可能形式。更确切地，在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。另外，各个实现的实施例的特征可被组合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (7)

1.一种用于具有电池系统的动力传动系统的方法，其中，电池系统包括至少两个并联连接的不同化学类型的电池，所述方法包括：

根据预测的电池对需求电流命令的响应来操作所述动力传动系统，其中，需求电流命令用于电池系统输出需求电流，电池的所述响应是通过使用电池系统的回顾模型直接从需求电流来被预测的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，预测的电池的所述响应包括：一起提供需求电流的电池的输出电流。

3.如权利要求1所述的方法，其中，预测的电池的所述响应包括：电池系统的输出电压。

4.如权利要求1所述的方法，其中，电池的所述响应通过使用电池系统的回顾模型并考虑到电池中的每个电池的内阻抗来直接从需求电流被预测。

5.如权利要求1所述的方法，其中，电池的所述响应通过使用电池系统的回顾模型并考虑到电池中的每个电池的荷电状态来直接从需求电流被预测。

6.如权利要求1所述的方法，其中，电池的所述响应通过使用电池系统的回顾模型并考虑到电池中的每个电池的开路电压来直接从需求电流被预测。

7.如权利要求1所述的方法，其中，电池系统的回顾模型表示电力电子特性，在电力电子特性中需求电流命令被分配给电池。