CN107406004B - 用于确定车辆中的电池的能量状态的值的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定车辆(1;1)中的可再充电电池(5)的能量状态(SOE)的值的方法,所述电池(5)连接至电消耗装置(4);所述方法包括:将充电状态(SOC)确定为所述电池(5)的当前容量的量度;以及将所述能量状态(SOE)确定为所述电池(5)的至少剩余充电和放电能量的指示。根据本发明的方法还包括:基于与所述电消耗装置(4)的操作相关的至少一个参数(I,R,SOCmax,SOCmin)来计算并确定所述能量状态(SOE)的值,其中,所述至少一个参数(I,R,SOCmax,SOCmin)根据在所述电池(5)的充电或放电期间用于操作所述车辆(1;1)或电消耗装置(4)的模式而变化。本发明还涉及用于确定车辆(1;1)中的可再充电电池(5)的能量状态(SOE)的值的设备。

Description

用于确定车辆中的电池的能量状态的值的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定车辆中的可再充电电池的能量状态(SOE)的值的方法,所述电池连接至电消耗装置;所述方法包括:将充电状态(SOC)确定为所述电池的当前容量的量度;以及将所述能量状态确定为所述电池的至少剩余充放电能量的指示。
本发明还涉及用于确定连接到所述车辆中的电消耗装置的可再充电电池的能量状态(SOE)的值的车辆中的设备;所述设备包括控制单元,控制单元连接到所述电池并且被配置为将所述充电状态(SOC)确定为所述电池的当前容量的量度,并且用于将所述能量状态(SOE)确定为所述电池的至少剩余的充电和放电能量的指示。
背景技术
在车辆领域,与具有替代动力源——即用作常规内燃机的替代方案的动力源——的车辆的推进有关的研究与开发有所增加。
例如具有汽油发动机或柴油发动机的形式的内燃机在相当低的燃料消耗的情况下提供高效率。然而,环境问题使对车辆的更环保的动力源进行的开发有所增加。特别地,电动车辆的发展已经成为有前途的替代方案。
存在包括电机的各种类型的车辆推进系统。例如,车辆可以单独借助于电机或借助于包括电机和内燃机二者的设备来进行操作。后一种替代方案通常被称为混合动力车辆(HEV)并且例如可以以下述方式来使用:内燃机用于在城市地区外驾驶时操作车辆,而电机可以在城市地区或需要限制有害污染物——例如一氧化碳和氮氧化物等——的排放的环境中使用。根据已知技术,电机借助于布置在车辆中的电能存储系统来操作,该电能存储系统通常具有由多个可再充电电池单元和相关联的控制单元形成的电池单元的形式。
在本公开内容的上下文中,术语“电动车辆”既指纯电动车辆,也指混合动力车辆。
此外,借助于内燃机以及从可再充电电能存储系统供电的电机进行操作的车辆通常被称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)。插电式混合动力电动车辆使用具有可再充电电池的能量存储系统或可以通过与外部电源的连接恢复到包括充满电的状态的另一适当的能量源。
电动车辆涉及的技术与可再充电电池的发展密切相关。现今,锂离子电池被认为是路程、电力和充电时间的最佳电池技术。
对于电动车辆的驾驶员而言,需要获得与电池容量有关的信息。这样的信息例如可以用于确定在电池被放电成不能操作车辆的低水平之前可以使车辆行驶的剩余距离。在电动车辆中的这种剩余距离等效于在供应有柴油或汽油燃料的内燃机的常规车辆中使用剩余量的燃料能够行驶的距离。
为了估计车辆的牵引用电池的容量,确定电池的所谓的充电状态(SOC)是有用的。SOC参数通常以百分比表示并且与作为电池额定容量的百分比的当前电池能量容量对应。可以通过基于起始SOC以及随时间变化的电池容量随时间对电池电流进行积分来确定SOC。可以通过随时间对电流进行积分并将其联系到积分过程开始时的SOC和结束时的SOC来确定电池容量。
SOC参数例如用于防止电池的过度充电或防止过度放电,即可以用于指示电池是否需要充电。例如,对于给定的车辆而言,当在驾驶期间SOC值下降至20%时,可推荐对电池进行充电。因此,监控SOC参数对于防止电池的过度放电很重要。
存在用以确定SOC参数的几种方法。例如,可以以表的形式建立SOC与其开路电压之间的关系。这意味着,根据已知技术,可以例如通过估计给定电池的开路电压来估计SOC。
关于已知技术,可以注意到,专利文献US 5898282教导了一种被配置成用于计算车辆电池的充电状态(SOC)的混合动力车辆的控制系统。该系统使用来自测量车辆速度、电流和电压电平等的传感器的输入。还提供了一种对可以解释为关于“车辆模式”的“当前操作条件”进行检测的算法。
虽然已知存在用于确定和控制电池的SOC的方法和设备,但仍需要更准确地监控电池的能量容量,特别是需要提供对下述内容的理解:电池在没有被放电完的情况下能够用于操作电池车辆多长时间;以及完全充电电池需要多长时间。
例如,这样的信息可以用于确定在电池需要充电之前车辆将行驶的剩余距离,这对于这样的车辆的驾驶员而言是至关重要的信息。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的方法和设备,借助于该方法和设备可以克服上述问题,特别是借助于该方法和设备,可以以比先前已知的更准确的方式来确定车辆中的电池的能量状态(SOE)的值。
根据本发明,借助于一种用于确定车辆中的可再充电电池的能量状态(SOE)的值的方法来实现该目的,所述电池连接至电消耗装置;所述方法包括:将充电状态确定为所述电池的当前容量的量度;以及将所述能量状态确定为所述电池的至少剩余充电和放电能量的指示。此外,该方法包括:基于与所述电消耗装置的操作相关的至少一个参数来计算并确定所述能量状态(SOE)的值,并且其中,所述至少一个参数根据在所述电池的充电或放电期间用于操作所述车辆或所述电消耗装置的模式而变化。
本发明的优点是以比先前已知方式更优化的方式通过使用取决于当前车辆模式——即取决于车辆的实际操作条件——的至少一个参数来确定能量状态(SOE)参数。以这种方式,可以以比先前已知方式更准确的方式来确定SOE参数。这也意味着可以利用本发明获得与电池的当前充电状态(SOC)下的剩余充电能量和放电能量相关的更精确的信息。该信息可以例如用于计算车辆的剩余路程,即车辆可以在需要重新充电之前行驶的距离。
根据一方面,可以基于针对给定电池电流在当前充电状态(SOC*)与最高允许充电状态(SOCmax)之间计算的所述电池的充电状态(SOC)来确定用于对所述电池进行充电的能量状态(SOE),其中,最高允许充电状态(SOCmax)取决于所述模式。此外,可以基于针对给定电池电流在最低允许充电状态(SOCmin)与当前充电状态(SOC*)之间计算的电池的充电状态(SOC)来确定用于使电池放电的能量状态(SOE),其中,最低允许充电状态(SOCmin)取决于所述模式。
因此,在某一充电状态(SOC)下的能量状态(SOC)根据参数——例如施加至电池或从电池流出的电流、最高充电状态(SOCmax)和最低的充电状态(SOCmin)等——而变化。这些参数取决于当前车辆模式。通过使用这种相关性,实际车辆模式可以用于例如预测电流、SOCmax和SOCmin。以这种方式,对SOE的计算可以比先前的解决方案更准确。这意味着这种方式允许对在使电池放电完之前剩余的行驶距离进行更准确地计算。这种方式还允许更准确地计算对电池充满电所需的时间。
上述目的还借助于一种用于确定可再充电电池的能量状态(SOE)的值的车辆中的设备来获得,该可再充电电池连接至所述车辆中的电消耗装置;所述设备包括控制单元,该控制单元连接至所述电池并且被配置成将所述充电状态(SOC)确定为所述电池的当前容量的量度并将所述能量状态(SOE)确定为所述电池的至少剩余充电和放电能量的指示。此外,所述控制单元还被配置成基于与所述电消耗装置的操作相关的至少一个参数来计算并确定所述能量状态(SOE)的值,并且其中,所述至少一个参数根据在所述电池的充电或放电期间用于操作所述车辆或所述电消耗装置的模式而变化。
本发明特别适用于所谓的混合动力车辆,混合动力车辆具有被布置成推动所述车辆的内燃机和电机。本发明也可以用于纯电动车辆,即,仅具有用于推进车辆的电机的车辆。
附图说明
现在将参照实施方式并参照附图来描述本发明,其中:
图1示出了用于对电消耗装置进行充电的设备的具有最基本形式的示意图;
图2a、图2b和图2c是示出根据本发明的确定能量状态(SOE)的原理的图;
图3是本发明的另一实施方式的示意图;以及
图4是描述本发明的原理的示意流程图。
具体实施方式
将在下文中参照附图更全面地描述本公开内容的不同方面。然而,本文中所公开的方法和设备可以以许多不同的形式来实现并且不应被解释为限于本文中所阐述的方面。
参照图1,示出了具有前轴2和后轴3的车辆1的简化图。车辆1是借助于具有电机4形式的电消耗装置进行操作的类型。根据本实施方式,电机4被配置成驱动后轴3。然而,本发明不仅限于本实施方式,而可以应用于其他类型的配置,其中,电机可以被布置成驱动至少一个车轴,或者一个或更多个电机可以被布置成驱动一个或更多个单独的车轮。
如下面将要讨论的那样,电机4可以与内燃机组合,以便使用电力驱动或内燃机或二者的组合来操作车辆1。
此外,从具有电池单元5的形式的能量存储系统向电机4供给电能,因此,电池单元5是用于电机4的牵引用电池并且包括多个电池组电池(图1中未详细示出)。根据已知的技术,电池组电池串联连接,以提供具有适于驱动电机4的期望电压电平的输出DC电压。适当地,电池组电池是锂离子型,但是也可以使用其他类型。
如图1所示,电池5和电机4经由电力控制单元6彼此连接。此外,电池5可以经由外部充电器单元7进行充电,该外部充电器单元7是在适于对电池5充电时电池5可以连接的外部电源。可以注意到,根据一方面,车辆1被配置成用于再生制动,从而允许在车辆1的制动期间对电池5进行充电。再生制动的原理先前是已知的,因此本文中没有对此进行描述。
如上所述,电池5的能量状态(SOE)提供与电池的当前充电状态(SOC)下的剩余充电能量和放电能量以及电池的总能量有关的信息。在图2a中描述了该原理,图2a是示出SOC如何随着电池5的电压U而变化的视图。应当注意,SOC通常与电池5的电荷水平Q对应并且构成电池5的与电池5的额定容量相关联的当前容量的量度(measure)。
参照图2a,可以将电池5的能量状态(SOE)确定为电池5的剩余充电和放电能量的量度,即,表示电池电压U与SOC之间的关系的曲线下的面积。当电池5具有某一SOC时确定的SOE的值根据某些参数——例如电池5的电阻R以及施加至电池5(在充电期间)或替代地从电池5流出(在放电期间)的电流I——而变化。SOE还根据电池5的最高允许充电状态(SOCmax)和最低允许充电状态(SOCmin)而变化。
在这方面,SOCmax与不允许对电池5的进一步充电的电池5的最高允许充电状态对应,而SOCmin与必须对电池5进行充电以便允许电机4的操作的电池5的最低允许充电状态对应。根据实施方式5,电池5的能量状态(SOE)借助于电力控制单元6(参见图1)来确定。
参考图2a,应当注意,根据从当前SOC值(在图2a中指示为“SOC*”)到SOCmax值确定的SOC曲线下面的面积可以确定剩余的充电能量(即直至电池5被充满电为止)。该面积由图2a中的虚线图案示出。以对应的方式,可以将剩余的放电能量(即直至电池被放电成使得剩余放电能量达到SOCmin值为止)确定为从SOC*值到SOCmin值所考虑的SOC曲线下的面积。该面积由图2a中的小三角形图案来指示。
本公开内容的一个重要原理是,可以用于确定SOE的一个或更多个参数——例如电池电阻R和电流I以及SOCmin和SOCmax的值——将根据车辆1的模式而变化,即根据车辆1和电池5的当前操作条件而变化。
SOE确定到电池被充满电以及到电池被完全放电剩余多少能量,即针对某一充电电流到SOCmax以及到SOCmin剩余多少能量。该能量通过计算SOC曲线下的面积来得到。此外,SOCmax和SOCmin值可以取决于车辆模式。这意味着SOCmax和SOCmin的值以及充电/放电电流是用于SOE计算的输入参数。因此,当前车辆模式是用于SOE计算的输入参数。
术语“车辆模式”用于指示在电池5的充电或放电期间操作车辆1或电池5的模式。根据第一示例,第一车辆模式可以是使用在短时间内提供很高电力的外部充电器单元7对电池5充电的情况,这意味着该SOCmax将比在较长时间内以相对低的电力对电池5充电的第二车辆模式中的SOCmax低。在第二模式中,SOCmax将高于第一模式中的SOCmax。
根据另一示例,车辆模式可以是电池5用于向电机4供电(在使电池5放电时)的情况,其中,对于以相对高的车辆速度驾驶的车辆而言,放电电流相对高,而对于以相对低的速度驾驶的车辆而言,放电电流相对低。此外,与具有相对低重量的车辆的对应放电电流相比,对于具有相对高重量的车辆而言,可以预期的是放电电流更高。
通常,特定车辆模式可以是涉及相对高的电池电流的条件,而另外的车辆模式可以是涉及相对低的电池电流的条件。
作为另外的示例,术语“车辆模式”也可以用于描述使用诸如天气信息或导航信息(适当地根据GPS标准)之类的外部信息来影响电流、电阻或SOCmin和SOCmax值的大小的情况。
此外,也可以使用“车辆模式”来计算电池的额定能量。电池的额定能量是通过将电流设置成0A、将SOCmax参数设置成100%并将SOCmin参数设置成0%来获得的。也可以计算不同于0%-100%的另外的SOC窗口对应的额定能量。
此外,某些其他参数也影响SOE参数的计算,例如电池5的以下参数:
电池芯容量(Q(Ah));
当前充电状态(SOC);
开路电压(OCV);
电阻损耗和非电阻损耗;
电压降(RI);以及
当前温度(T)。
如上所述的术语“当前温度”不仅可以指当前温度而且还可以指在即将进行的循环期间的预期温度。作为另一替代方案,算法可以例如在计算电池5的额定能量期间使用标称温度,即忽略特定的当前温度。
电池5的至少电阻和电压降取决于车辆模式。因此,能量状态的计算取决于当前车辆模式。
总之,可以基于与车辆1或电池5的操作有关的至少一个参数来计算并且确定能量状态(SOE),并且所述参数在所述电池5的充电或放电期间根据当前车辆模式而变化。因此,可以使用不同的模式来预测参数——例如所施加或流出的电池电流、SOCmax和SOCmin,以便优化对SOE的计算。
以这种方式,可以确定到电池充满电需要多少能量(在充电期间)以及到电池完全放电还有多少能量可用(在放电期间)。这使得可以计算剩余行驶距离并且还可以计算使电池5充满电需要的时间。还可以确定SOCmin与SOCmax之间的总能量。
参照图2b,示出了与电池5的充电对应的情况。为了将电池充电至与SOCmax对应的容量所需的能量借助于多条虚线来指示。这种特定的情况考虑了特定的电压降(即R*I,其中,R是跨电池5的电阻,并且I是电池电流)。这意味着跨电池5的电压与开路电压和电压降的总和对应,即,
U=OCV+R*I
可以预期该电压降的大小取决于车辆模式,即,车辆1和电池5的当前操作条件。因此,通过使对SOE参数的计算适应于当前车辆模式,与仅使用电池电压与SOC参数之间的关系来确定SOE的情况相比,可以获得对SOE更准确的估计。
以对应的方式,图2c示出了与在电池5用于操作电机4时可能发生的电池5的放电对应的情况。在使电池5放电至与SOCmin对应的容量期间使用的能量被指示为填充有小三角形图案的面积。这种特殊情况也考虑了特定的电压降(即R*I,其中,R是跨电池5的电阻,并且I是电池电流),该电压降取决于车辆模式,即,车辆1和电池5的当前操作条件。因此,在这种情况下,也可以以很准确的方式来确定SOE参数。
图3示出了作为图1所示的实施方式的替代方案的另一实施方式的示意图。与图3的实施方式中的类似部件对应的图1中的特征用相同的附图标记来指示。因此,车辆1'包括前轴2和后轴3,其中,电机4被配置成用于驱动后轴3。电池单元5经由电力控制单元6连接至电机4。此外,可以将外部充电器单元7连接至电池5以对电池5进行充电。
此外,图3所示的车辆1'包括内燃机8,该内燃机8被布置成用于经由变速器9驱动前轴2。内燃机8也与发电机10相关联。车辆1'是插入式混合动力型,其中,内燃机8可以在某些操作条件期间使用,并且电机4可以在某些其他操作条件期间使用。在内燃机8的操作期间,电池5经由发电机10进行充电。混合动力车辆中的内燃机和电机的组合操作的原理通常是已知的,因此本文中不再对其进行更详细地描述。
此外,还可以在车辆1'中使用例如辅助电消耗装置11——例如泵、执行器和其他电气装置——的形式的电消耗装置。这样的辅助电消耗装置11也从电池5供给电力。根据图3的实施方式,电机4驱动后轴3并且内燃机2驱动前轴2,但是在本发明的范围内,用于驱动轴2、3的其他替代方案也是可能的,例如内燃机和电机均驱动后轴。
在车辆1'的某些操作模式下,仅适合使用电机3来推进车辆1'。这意味着电池5将向电机4传送所需的电力,电机4进而驱动后轴3。在车辆1'的其他操作模式期间,例如当确定电池5的充电状态不足以借助于电机4来操作车辆1'时,内燃机8经由变速器9连接至前轴2。电机和内燃机可以用于操作车辆的方式通常是已知的,并且因此文中不再对其进行更详细地描述。
图4是示出本发明的原理的流程图,其示出了车辆模式的示例——更准确地说,涉及借助于电池5正常操作电机4的情况。这意味着电池5在这样的阶段期间放电(参见图4中的步骤12)。在该阶段期间,连续地测量电池电流I和电阻R(步骤13)。此外,在该阶段期间,确定SOCmax和SOCmin的值。如上面所说明的,这些值取决于当前车辆模式。
此外,电池5中的可用能量至少基于电流I、电阻R以及SOCmax和SOCmin来确定(步骤14)。最终,例如具有在电池5达到SOCmin值之前的可用能量的形式的能量状态的量度可以以kW表示的可用功率的形式显示给车辆的驾驶员(未示出),或者可以作为在电池5需要充电之前可以行驶的剩余距离显示给驾驶员(步骤15)。作为另一替代方案,可以显示用于将电池5充满电所需的时间段的量度。
本发明不限于上述实施方式,而是可以在随后的权利要求的范围内进行变化。例如,本发明可以用于具有可再充电能量存储系统的任何类型的车辆,该可再充电能量存储系统被配置成用于操作电消耗装置,例如电机,并且在该可再充电能量存储系统中,期望监控能量存储系统的可用能量。
此外,本发明实际上可以用于借助于至少电机进行操作的任何类型的车辆。例如,本发明可以用于混合动力车辆——例如插电式混合动力车辆——或仅借助于电机进行操作的完全电动车辆。可以向车辆的驾驶员显示与SOE相关的信息,以便呈现路程即与可以使用车辆行驶的最高允许距离有关的信息或与电池的状态有关的其他相关信息。

Claims (11)

1.一种用于确定车辆(1;1')中的可再充电电池(5)的能量状态(SOE)的值的方法,所述电池(5)连接至电消耗装置(4);所述方法包括:
将充电状态(SOC)确定为所述电池(5)的当前容量的量度;以及
将所述能量状态(SOE)确定为所述电池(5)的至少剩余充电和放电能量的指示;
其特征在于,所述方法包括:
基于下述步骤来计算并确定所述能量状态(SOE)的值:
基于针对给定电池电流(I)在当前充电状态(SOC*)与最高允许充电状态(SOCmax)之间计算的所述电池(5)的所述充电状态(SOC)来确定用于对所述电池(5)进行充电的能量状态(SOE),
基于针对给定电池电流(I)在最低允许充电状态(SOCmin)与当前充电状态(SOC*)之间计算的所述电池(5)的所述充电状态(SOC)来确定用于使所述电池(5)放电的能量状态(SOE),
其中,所述最高允许充电状态(SOCmax)和所述最低允许充电状态(SOCmin)与所述电消耗装置(4)的操作相关并且根据用于在所述电池(5)的充电或放电期间操作所述车辆(1;1')或所述电消耗装置(4)的模式而变化,
其中,所述能量状态由表示电池电压(U)与所述充电状态之间的关系的曲线下的面积来确定,其中,所述电池电压(U)与开路电压(OCV)与电压降(R*I)的总和对应,
并且其中,使用由所述车辆的实际操作条件确定的实际车辆模式来预测所施加或流出的可再充电电池电流、用于对所述可再充电电池进行充电或用于使所述可再充电电池放电的所述最高允许充电状态(SOCmax)和所述最低允许充电状态(SOCmin)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
还根据以下电池参数中的至少一个来确定所述能量状态(SOE):
电池芯容量;
当前充电状态(SOC);
电阻损耗和非电阻损耗;以及
温度(T);
其中,所述电池参数中的至少一个取决于所述模式。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
基于所述能量状态(SOE)来确定在不对所述电池(5)进行充电的情况下所述车辆(1;1')行驶的最大剩余距离。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
基于所述能量状态(SOE)来确定用于将所述电池(5)充满电的时间段。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
基于所述能量状态(SOE)来确定向辅助设备(11)供电的所述电池(5)的容量的量度。
6.一种车辆(1;1')中的用于确定可再充电电池(5)的能量状态(SOE)的值的设备,所述可再充电电池(5)连接至所述车辆(1;1')中的电消耗装置(4);所述设备包括控制单元(6),所述控制单元连接至所述电池(5)并且被配置成将充电状态(SOC)确定为所述电池(5)的当前容量的量度并将所述能量状态(SOE)确定为所述电池(5)的至少剩余充电和放电能量的指示;所述设备的特征在于:所述控制单元(6)还被配置成基于下述步骤来计算并确定所述能量状态(SOE)的值:
基于针对给定电池电流(I)在当前充电状态(SOC*)与最高允许充电状态(SOCmax)之间计算的所述电池(5)的所述充电状态(SOC)来确定用于对所述电池(5)进行充电的能量状态(SOE),以及
基于针对给定电池电流(I)在最低允许充电状态(SOCmin)与当前充电状态(SOC*)之间计算的所述电池(5)的所述充电状态(SOC)来确定用于使所述电池(5)放电的能量状态(SOE),
其中,所述最高允许充电状态(SOCmax)和所述最低允许充电状态(SOCmin)与所述电消耗装置(4)的操作相关并且根据在所述电池(5)的充电或放电期间用于操作所述车辆(1;1')或所述电消耗装置(4)的模式而变化,
其中,所述能量状态由表示电池电压(U)与所述充电状态之间的关系的曲线下的面积来确定,其中,所述电池电压(U)与开路电压(OCV)与电压降(R*I)的总和对应,
并且其中,使用由所述车辆的实际操作条件确定的实际车辆模式来预测所施加或流出的可再充电电池电流、用于对所述可再充电电池进行充电或用于使所述可再充电电池放电的所述最高允许充电状态(SOCmax)和所述最低允许充电状态(SOCmin)。
7.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述电池(5)由牵引用电池构成。
8.根据权利要求6或7所述的设备,其特征在于,所述电消耗装置(4)是用于推进所述车辆(1)的电机(3)。
9.一种电动车辆类型或混合动力电动车辆类型的车辆(1),所述车辆包括电机(4)并且还包括根据权利要求6至8中任一项所述的设备。
10.一种计算机程序,包括用于当所述程序在计算机上运行时执行根据权利要求1至5中任一项所述的步骤的程序代码装置。
11.一种承载有计算机程序的计算机可读介质,所述计算机程序包括用于当所述程序产品在计算机上运行时执行根据权利要求1至5中任一项所述的步骤的程序代码装置。
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