CN107450025B - 扭矩产生系统中的电池功率容量的估计 - Google Patents

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Abstract

一种用于估计扭矩产生系统中的电池功率容量的方法，其中该系统具有电池组具有含多个电池单元的电池组，该方法包括：计算电压变动，作为该电池组的平均单元电压和最小单元电压之差。该方法也包括：通过偏移来增加校准的电压控制限制，其中偏移基于电压变动的幅度，当最小单元电压小于控制限制时这样做，并将该偏移记录在由该组操作条件标示的存储器位置中；此外，当电池组在与该操作条件相同的条件下操作时，使用记录的偏移来估计功率容量，然后使用估计的功率能力执行系统的控制动作。扭矩产生系统包括电池组、电机、以及被编程为执行上述方法的控制器。

Description

扭矩产生系统中的电池功率容量的估计
技术领域
本公开涉及一种用于估计扭矩产生系统中的电池功率容量的方法和系统。
背景技术
高压DC电池组可以用于给各种不同扭矩产生系统中的电机通电。例如，来自电动机的输出扭矩可用于使混合电动或插入式电动车辆的动力传动的输入构件旋转，即，具有可通过充电插座或非车载电源选择性地进行充电的电池组的车辆。给定电池组的单个电池单元随着时间逐渐老化和退化。因此，开路电压、单元电阻和充电状态等电池性能参数可相对于校准的/新的值发生变化。因此，电池退化由指定的电池控制器进行监测，以估计电池功率容量的剩余量。随后，电池功率容量的估计值可用于作出动力系统模式选择决定或执行其他控制动作。
现有的电池控制方法力图保护电池组中相对较弱的电池单元，即那些在放电事件期间具有最低的单元电压或在充电事件期间具有最高的单元电压的电池单元。通常，通过控制电池组电压实现电池保护，以此方式，使最低的单元电压被强制保持在最小的允许电池组电压之上。换言之，响应于接近或下降至低于电压控制限制或限定的给定电池单元，电池组电压被反应性地调整。然而，改变电压控制限制，尤其是在功率脉冲期间，可能降低电池功率容量估计值的精确度。
发明内容
本方法旨在提高现有电池功率容量预测的总体精确度，尤其是那些结合上述类型的无功电压控制策略进行的预测。本方法包括：记录不同操作条件下无功电压控制限制调整的过往历史，例如在电池组的不同充电状态(SOC)和温度下，并随后利用所记录的历史估计电池组在相同的操作条件下的功率容量。
例如，该方法可能包括：在不同的即将到来的时间窗口估计最大的充电和放电功率能力，例如预见到不久的未来的2秒和10秒。可以在最大充电/放电电流，以及最大充电/最小放电电压限制下进行功率容量估计。控制器随后选择具有较小相对幅度的功率量，并且在随后的控制动作中使用该功率估计，例如动力系统控制或电范围估计和路线规划。
在一个特定实施例中，公开了一种用于估计转矩产生系统中的电池功率容量的方法，转矩产生系统具有含多个电池单元的电池组。该方法包括：计算经由控制器的电压变动，作为电池组的平均单元电压和最小单元电压之间的差，然后当最小单元电压小于校准的电压控制限制时，增加校准的电压控制限制，例如，通过基于电压变动幅度的偏移。该方法还包括：将偏移记录在由电池组的操作条件标示的控制器的存储器位置中。当电池组在与相应存储器位置的操作条件相同的条件下再次操作时，通过使用所记录的偏移来估计电池组的功率容量，该方法得以继续进行。然后，控制器使用估计的功率容量执行扭矩产生系统的控制动作。
电池组的操作条件可以包括充电状态、电池组的温度、或其它合适的操作条件。
估计电池组的功率容量可以包括：在不同的未来时间窗口估计每个最大充电功率容量和最大放电功率容量。仅当电压变动的幅度超过校准的电压变动阈值时，在一些实施例中才可增加校准的电压控制限制。
该方法中的扭矩产生系统可包括发动机，在这种情况下，控制动作可以包括：命令发动机打开或关闭例如，动力系统模式选择或发动机停止/启动动作。当转矩产生系统是车辆时，控制动作可以包括：执行车辆的路线规划动作。
通过使用所记录的偏移估计电池组的功率容量可以包括：以与电压变动成比例的量调整电池组的电压电平，然后使用经调整的电压计算功率容量。
还公开了一种扭矩产生系统，其包括被编程为执行上述方法的控制器。除了控制器之外，该系统可能包括：电池组，和可操作用于当电池组供电时产生输出扭矩的电机。
上述发明内容并不旨在代表本公开的每个实施例或每个方面。相反地，前述发明内容仅仅提供了本文所阐述的一些新颖方面和特征的例证。结合附图和所附权利要求书，在以下对于用于实施本公开的代表性实施例和模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是具有可再充电电池组及用于估计电池组功率容量的系统的示例性车辆的示意图。
图2是时间图，描述用于本文描述的方法的一部分的电压限制，其中在横轴上示出时间，在纵轴上示出电压。
图3是描述本文公开的方法的示例实施例的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中类似的附图标记用于标识各种视图中类似或相同的部件，图1示意性地示出了示例车辆形式的扭矩产生系统10。该系统10包括可再充电电池组12和控制器(C)25。控制器25利用实现方法100的步骤的计算机可执行代码进行编程，下面参照图3描述其示例，另外参照图2的时间曲线示意图。作为整体控制方法的一部分，控制器25估计电池组12的功率容量，如上所述，即在最大充电/放电电流，以及在最大充电/最小放电电压限制操作时，对多个不同的未来时间窗口。然后，控制器25选择具有较小相对幅度的功率容量并在系统10的整体控制中使用。
控制器25可被编程为对开路电压进行建模，如本领域中已知的，在系统10的动态操作期间不能测量，例如在驾驶图1的车辆时当扭矩产生系统10如此实施时。也就是说，电池组12的端子电压由于电池组12的电池单元12C内的电化学效应而动态地改变，如果施加到电池组12的负载被去除，则开路电压是电池电压最终达到的值。然而，如果在系统10的动态操作期间电池电压下降太低，则可能导致不期望的电化学反应，因此控制器25使用上述的无功电压限制控制动作来防止这种情况发生。
然而，传统的无功电压限制控制动作是无效的，即在电池电压电平已经下降得太低之后，这一事实可对上述未来功率估计的预测精度造成不利地影响。因此，方法100旨在提高面对无功电池电压极限控制动作的功率估计精度，具体地是通过跟踪在类似的工作条件下进行的先前电压限制调整的历史，然后在功率估计过程中对其进行计算，如下面将参照图2和图3进行更详细地阐述。
图1所示的扭矩产生系统10可包括：带电的动力系统，其中一个或多个电机16从电池组12汲取电力，并且经由一个或多个前和/或后驱动轴将电动机扭矩传递到驱动轮17。可选的内燃机14可用于某些配置中，例如当系统10被实施为混合电动或增程电动车辆时。尽管示出了乘客车辆的示例，系统10可以被实施为任何移动或静态平台，其电池组12通过再生和/或通过连接到诸如120VAC或240VAC的墙壁插座或充电站的非车载电源(未示出)可选择性地再充电，或通过本领域已知类型的车载再生充电。
在所有实施例中，电池组12具有多个电池单元12C，每个电池单元12C具有可由相应的传感器19单独测量和/或计算的相应电池单元电压(箭头V12C)，例如，电压或电流传感器，其通常可以被配置为电池感测电路或电路板。此外，控制器25计算或以其它方式确定平均组电压(箭头VAVG)，例如通过使用电路模型对组电压进行建模，并将建模的组电压除以电池组12中使用的电池单元12C的数量，如本领域众所周知的。
控制器25可实施为一个或多个不同的设备，每个设备可能具有一个或多个微控制器或中央处理单元(P)和存储器(M)，例如只读存储器、随机访问存储器和电可擦除可编程只读存储器。控制器25可被配置为在电池组12和扭矩产生系统10的整体操作中运行/执行各种软件程序，包括方法100。此外，控制器25可向电池组12输出控制信号(箭头CCO)以对其进行控制，包括：执行诸如电范围估计的控制动作、控制动力系统的模式、等等。控制器25还可使用预测的功率来调度动力系统的即将发生的模式偏移，来打开或关闭发动机14和/或电机16，以进行路线规划，以显示剩余电范围、或任何其它合适的可从改进的功率估计精度中受益的控制动作。
本方法100的中心是电池组12的最大充电/放电功率的精确估计。如上所指出的，控制器25可估计任何数量即将到来的时间窗口的最大功率，通过使用最大充电/放电电流和最大充电/放电电压，其中一个或两者都可由传感器19测量和/或计算，由控制器25选择两个值中的较小者。控制器25以逻辑方式动态地调节电压控制限制，即电压限定，以帮助保护电池最弱的单元12C。为了提高功率估计的精确度，方法100考虑跟踪和记录电压控制限制过去随时间的移动的，并使用所记录的运动历史来估计功率容量。
图1的控制器25可基于电压变动的幅度来选择性地调节电压控制限制。如本文所使用的，术语“电压变动”是指电池组12的组电压平均值(VAVG)与电池单元12C的最小单元电压(VMIN，C)之间的差，或者可选地在电池模块或电池组12较小电池部分。如本领域中已知的那样，电池组电压通常使用电池组12的等效电路模型来建模，尽管可以在本公开的预期范围内以其他方式计算或确定电池组电压。组电压平均值(VAVG)可通过将建模、计算或以其他方式确定的组电压(VB)除以电池组12中使用的电池单元12C的数量，即，
Figure GDA0002276902360000051
电压变动(VS)的计算如下：
VS＝VAVG-VMIN,C
作为本方法100的一部分，图1的控制器25然后跟踪电压控制限制的历史调整以确定电压变动，这样的调整可能以与电压变动的幅度成比例的方式进行，并且然后说明功率估计和电池组12其他控制动作期间的电压变动。目前的方法植根于本文所做的认可，即大幅度的电压变化的发生是相对可重复的条件特定的现象，如，电压变化倾向于出现在基本上相同的操作条件下，例如，相同的电池温度和充电状态的复现。因此，控制器25跟踪电压控制限制调整中的历史趋势，并且使用历史趋势而不对电池动态进行建模，这在低充电状态下可能是及其非线性。现在将具体参照图2和图3来描述方法100在图1转矩产生系统10中的应用。
图2描绘了描述电值的时间图，作为方法100的一部分，测量或控制电值，在纵轴上示出电压(V)，在横轴上示出时间(t)。电池组12的平均组电压(VAVG)和最小单元电压(VMIN，C)在t1、t2、t3、t4、t5和t6迅速下降，这表示放电事件，其中电池组12中大量流出电力。平均组电压(VAVG)在这种放电事件之后立即增加，这一信号表明充电事件，其中图1的电池单元12C被充电。区域30描绘了大幅度的电压变动。也就是说，虽然平均组电压(VAVG)和最小单元电压(VMIN，C)在其他时间不完全匹配，但是在某些情况下，差或偏移可能变得明显，如果相对于校准电压阈值幅度足够大，可以作为控制触发器用于反应性地调节电压控制限制(VCL)作为方法100的一部分。
以下参照图3更详细地描述方法100，该方法通常包括：例如通过如上所述的对应传感器19的直接测量确定每个电池单元12C的单个电池电压，然后当相对于电池组12中的电池单元12C电压的最低单元电压小于电压控制限制(VCL)时，增加电压控制限制(VCL)。可以在图2中的非限制性说明的t1、t5和t6处看到控制动作。如上所述，方法100包括：记录控制器的存储器(M)的增加量，例如在由诸如电池组12的充电状态和温度的操作条件标示的指定存储器位置中，当被命令增加时。
然后，控制器25使用在相同操作条件下首先调整先前增加的记录量的电压来估计电池组12的功率容量，即功率估计开始后进行主动预期电压限制控制动作。以这种方式，控制器25可使用更精确的组电压值来估计未来的功率容量。控制器25最终使用更准确地估计的功率容量来执行系统10的控制动作。
在t0和t1之间，作为根据需要选择性调节的预定值的校准单元电压控制限制(VCL)，最初保持在来自最小组电压(VMIN，P)(即，整个电池组12的最小允许电压)的校准的偏移的水平。单元电压控制限制(VCL)用作参照，该参照最终触发关于电池组12或转矩产生系统10的某些控制动作。
例如，在t1，最小单元电压(VMIN，C)下降到校准的单元电压控制限制(VCL)的水平以下。上述单元变化幅度在区域30中显著增加。作为响应，控制器25在t1处自动地按预定量调整单元电压控制限制(VCL)，然后维持新的较高限制直到违反了单元电压控制限制(VCL)，这发生在图2的示例中大约t5处。控制器25在t5时再次增加电压控制限制(VCL)，然后t6时再次增加。
对电压控制限制(VCL)的每个调整的量可基于进行调整时存在的电压变动的幅度。当进行调整时，控制器25可将历史数据存储在数据箱或对应于电池组12整体的操作条件的存储器位置。当转矩产生系统10再次在与进行调整时存在的操作条件基本相同的操作条件下起作用，并且如果在基本上相同的操作条件下需要功率容量估计，则控制器25使用调整后的电压执行功率估计，此时从记录历史中预先知道电压控制限制可能由于无功电压限制控制动作而增加。
在图2中也示出的是校准的最小组电压(VMIN，P)，其是整个电池组12的校准的最小组电压。随校准单元电压控制限制(VCL)的每个调整，此值呈上升趋势。通过控制器25的操作来控制电池组12的整体组电压，使得最小单元电压(VMIN，C)不小于最小组电压(VMIN，P)。因此，如图2所示，响应于电压控制限制(VCL)的周期性调整，最小组电压(VMIN，P)随时间自动地选择性增加，这反过来发生在给定的电池单元12C下降到最小电池电压限制(VMIN，C)以下时。
该方法100的一个示例实施例在图3中示出。本实施例中的方法100可包括：针对不同的操作条件随时间收集电压变动数据，并且随时间将记录对电压控制限制(VCL)的这种调整的幅度。为了这个目的，可以使用不同的时间窗口诸如2s和10s，因为在控制图1的系统10的过程中在不同的未来或即将到来的时间窗口，功率估计最终由控制器25进行。也就是说，控制器25可预测在未来的时间间隔内有多少电池功率可用于分配给电机。使用该预测，控制器25可以使用比方法100可用的更准确的功率估计来控制系统10的操作。
在方法100开始(**)之后，控制器25在步骤S102确定控制器25是否在运行。步骤S102可包括：检测系统10的点火或钥匙事件，或另外评估控制器25是否唤醒并可操作，以及该条件是否适于继续执行方法100。仅当存在这样的条件时，控制器25进行到步骤S104。
步骤S104包括：确定最小单元电压(VMIN，C)是否接近或低于电压控制限制(VCL)，即可记录在控制器25的存储器(M)中的作为校准值的电压限定。如果是这样，则方法100进行到步骤S106，并且准备增加电压控制限制(VCL)。在一些实施例中，只有当电压变动超过校准的电压变动阈值时，才可进行调整，例如以防止进行不必要的调整。当最小单元电压(VMIN，C)不接近或低于电压控制限制(VCL)时，方法100进行不到步骤S116。
在步骤S106，控制器25接下来通过经由另一个控制模块(未示出)的测量或报告来确定电池组12的操作条件，例如如上所述的电池组12的充电状态和温度，然后识别存储器(M)中适当的对应存储器位置。例如，可以在存储器(M)中保留多个存储器位置，例如作为一个或多个查询表。举例说明，电池温度可分为10℃，例如-40℃至40℃的频带，并且充电状态可分为0％至100％的10％频带，这些频带的不同组合存储在查找表中。
基于电池组12的当前充电状态和温度，控制器25然后可以选择相应的存储器位置，用于正在考虑电压变动和电压限制调整的工作条件。可以使用步骤S106是因为如上所述，在给定的转矩产生系统10中，电压变动与电池组12的充电状态和温度随时间相关，并且还可以与其他操作条件充分相关。当存储器位置被识别时，控制器25进行到步骤S108。
在步骤S108，图1的控制器25更新来自步骤S110的所识别的存储器位置的特征电压变动信息。步骤S108需要：确定如上所述的电压变动或单元变动的幅度，并将其记录在相应的存储位置中。然后，方法100进行到步骤S110。
步骤S110包括：确定是否已经填充了所有存储器位置，特别是那些可能未被充分填充的存储器位置。例如，当转矩产生系统10是车辆时，操作者可能不经常地使电池组12放电，或者可能继续将电池组12充电到高充电状态并且由于各种原因保持高的充电状态，包括范围焦虑、短距离通勤或收费习惯。如果尚未填充所有存储器位置，则方法100进行到步骤S112，并且在所有存储器位置已经被填充的情况下进行到步骤S114。
步骤S112包括：在较少填充的存储器位置更新电压变动信息，并且进行到步骤S114。
在步骤S114，针对给定的充电/温度存储器位置，图1的控制器25确定用于功率估计的电池组电压。例如，控制器25可从对应于当前操作条件的特定存储器位置提取所记录的历史或特征电压变动。然后，方法100进行到步骤S116。
在步骤S116，控制器25使用来自步骤S114的电压来估计电池组12的功率容量并记录，然后如上所述使用估计的功率容量执行控制动作。
因此，通过使用方法100，控制器25可通过假设在相同的操作条件下重复过去的控制调整的历史趋势来更准确地预测何时将发生单元电压控制限制(VL)的向上移动。虽然在相同的运行条件下采用过去调整电压控制极限(VCL)的偏移水平，无论是充电状态还是温度依赖或其他方式，可能并不总是与即将进行的调整相同，但主动使用较低电压限制的无功控制的历史趋势旨在减少功率预测误差，提高系统10的控制。
如本文关于任何公开的值或范围所使用的，术语“大约”表示所述数值允许轻微的不精确性，例如合理地接近该值或几乎等于所述值的±10％或范围。如果术语“大约”提供的不精确性不在本领域中作此通常意义的另外理解，则本文所用的“大约”表示至少可以通过测量和使用这些参数的普通方法产生的变化。此外，范围的公开包括在整个范围内公开所有值和进一步的分割范围。
虽然已经详细描述了用于实施本公开的最佳模式，但是熟悉本公开所涉及的领域的人士将认识到所附权利要求书的范围内的各种替代设计和实施例。意图是包含在上述说明中和/或附图中的所有内容应被解释为仅是说明性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种用于估计扭矩产生系统中的电池功率容量的方法，其中所述系统具有含多个电池单元的电池组，所述方法包括：
计算经由控制器的电压变动范围，作为所述电池组的平均单元电压和最小单元电压之差；
通过偏移来增加校准的电压控制限制，其中所述偏移基于当所述最小单元电压小于所述校准的电压控制限制时所述电压变动的幅度；
将所述偏移记录在由所示电池组的操作条件标示的所述控制器的存储器位置中；
当所述电池组在与所述操作条件相同的条件下操作时，通过使用记录的偏移来估计所述电池组的功率容量；以及
经由所述控制器，通过使用估计的功率来执行所述扭矩产生系统的控制动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池组的操作条件包括所述电池组的充电状态或温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述电池组的操作条件包括所述电池组的所述充电状态和所述温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中估计所述电池组的功率容量包括：在多个不同的未来时间窗口估计最大充电功率容量和最大放电功率容量中的每个。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述扭矩产生系统包括发动机，并且其中所述控制动作包括命令所述发动机打开或关闭。
6.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述记录的偏移来估计所述电池组的功率容量，包括：以与所述电压变动成比例的量调整所述电池组的电压电平，然后使用调整的电压计算所述功率容量。
7.一种扭矩产生系统，其包括：
电池组，具有多个电池单元；
电机，可操作用于当所述电池组供电至所述电机时产生输出扭矩；以及
控制器，与所述电池组通信，其中所述控制器被编程为：
计算经由控制器的电压变动，作为所述电池组的平均单元电压和最小单元电压之差；
通过偏移来增加校准的电压控制限制，其中所述偏移基于当所述最小单元电压小于所述校准的电压控制限制时所述电压变动的幅度；
将所述偏移记录在由所述电池组的操作条件标示的所述控制器的存储器位置中；
当所述电池组在与所述操作条件相同的条件下操作时，通过使用记录的偏移来估计所述电池组的功率容量；以及
通过使用估计的功率容量，执行所述扭矩产生系统的控制动作。
8.根据权利要求7所述的扭矩产生系统，其中所述电池组的所述操作条件包括所述电池组的充电状态和温度。
9.根据权利要求7所述的扭矩产生系统，其中所述控制器被编程为通过估计多个不同的未来时间窗口的最大充电功率容量和最大放电功率容量中的每个来估计所述电池组的功率容量。
10.根据权利要求7所述的扭矩产生系统，其中所述扭矩产生系统是车辆，并且其中所述控制器被编程为执行所述车辆的路线规划动作作为所述控制动作。
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