CN110023135B - 用于控制车辆中的电池的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，该方法包括在包括电池和用于控制所述电池的电池控制单元的系统中传送车辆电池的功率容量。该方法进一步包括：在电池控制单元中，接收包括功率曲线的请求，该功率曲线描述作为时间的函数的去往电池或来自电池的功率传输；确定电池是否能够接收或提供与所请求的功率曲线相对应的功率。

Description

用于控制车辆中的电池的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制车辆中的电池的方法和系统。

本发明能够被应用于重型车辆、诸如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管将关于公共汽车描述本发明，但是本发明不限于此特定车辆，而是还可以用于其他车辆，诸如汽车以及各种重型车辆。

背景技术

在混合动力或电动车辆中，重要的是，要获知用于车辆推进的电池的功率容量。加速、从外部电网充电和再生制动是这种知识对于正确利用电池至关重要的示例情况。因此，重要的是，要准确地确定诸如充电状态(SoC)和功率状态(SoP)的电池特性，使得电池控制系统能够确定能够向电池提供多少功率和从电池接收多少功率。

与电池交互的传统方法是放电循环，其中电池在特定时间窗期间提供恒定的最大可用功率。

例如，US2016/0052418公开一种用于电池系统峰值功率估计的方法。传统的功率状态(SOP)估计技术在恒定电流脉冲期间不考虑所有电阻器和电容器值的变化，特别是在长时间间隔期间。鉴于此，US2016/0052418描述一种技术，其中基于工作参数的测量来确定在当前预测时段的开始处的初始峰值电流，并且其中通过执行用于电池系统的电池模型的开路电压和电阻的电压限制的外推基于初始峰值电流来确定瞬时峰值电流。

然而，峰值电流仅给出有关电池的能力的有限信息，并且在许多情况下这是一种限制性和非灵活性方法。例如，车辆功能可能需要电池在延长的时间段内提供功率，即，放电，在这样的情况下，峰值电流不能提供足够的信息来确定电池是否能够提供所需的功率。

因此，需要或改进的方法和系统，用于提供关于混合动力或电动车辆中的电池特性的信息。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于将车辆中的电池的功率容量准确地传送到车辆系统的方法和系统。

根据本发明的第一方面，该目的通过根据权利要求1所述的传送车辆电池的功率容量的方法来实现。

因此，提供一种方法，该方法包括在包括电池和用于控制所述电池的电池控制单元的系统中传送车辆电池的功率容量。该方法进一步包括，在电池控制单元中，接收包括描述作为时间的函数的去往电池或来自电池的功率传输的功率曲线的请求；确定电池是否能够接收或提供与所请求的功率曲线相对应的功率；以及提供指示关于所请求的功率曲线的符合性的响应。

在本文中，功率传输应该被解释为由功率曲线定义的电池的充电或放电循环。因此，功率曲线能够描述充电曲线、放电曲线或其组合。充电和放电也可以分别称为输入到电池的功率或者来自于电池的功率输出。此外，可以任意选择功率曲线的持续时间，并且功率曲线可以包括多个不同的级，每个级在指定的时间段内需要指定的功率输出或输入。

因此，提供一种方法，其增加电池系统的灵活性，因为与仅指示从电池可用的最大可用功率的已知系统相比，功率曲线能够描述随时间的更复杂的功率传输。

根据本发明的一个实施例，指示关于所请求的功率曲线的符合性的响应可以包括布尔响应。因此，控制单元将根据电池是否能够提供或接收与所请求的功率曲线相对应的功率以“是”或“否”的响应来响应请求，或者类似的，响应所请求的功率曲线。在肯定响应“是”的情况下，请求功能可以根据所请求的曲线继续从电池汲取功率或向电池提供功率。在否定响应“否”的情况下，电池不能提供或接收对应于所请求的功率曲线的功率。如果响应是否定的，则例如请求功能可以修改功率曲线并继续新请求。

根据本发明的一个实施例，该方法可以包括提供包括与所请求的功率曲线不同的建议功率曲线的响应。如果电池不能满足该请求，则电池控制单元可以例如确定与所请求的曲线尽可能相似的功率曲线以及电池能够遵守的功率曲线，并响应于请求车辆功能而提供更新的曲线。因此，即使电池不能符合特定的所需功率曲线，请求车辆功能也可以利用电池。此外，可以基于电池的已知特性来优化建议的功率曲线。因此，如果电池单元能够符合所请求的功率曲线，则建议的功率曲线也可以与所请求的功率曲线不同。然后，请求功能可以确定是否使用所请求的功率曲线或者由电池控制单元建议的可替选的功率曲线。因此，能够实现电池的更有效使用。

根据又一实施例，响应可以包括多个不同的建议功率曲线。因此，请求功能可以从多个不同的功率曲线中选择最合适的功率曲线，这增加发现尽可能接近所请求的功率曲线的功率曲线的可能性，或者提供其他优点。

根据本发明的一个实施例，响应可以包括在指定时间段内的最大恒定功率传输。例如，如果电池不能满足所请求的功率曲线，则响应可以包括在指定时间内处于恒定功率形式的功率曲线，其也能够被视为安全模式。因此，即使不是所请求的功率传输，也能够进行功率传输，确保电池能够被用于接收或提供要传输的所请求功率的至少一部分。响应可以例如是在等于所请求的功率曲线的持续时间的时间内的最大恒定功率传输，从而允许电池在所请求的时间段内被利用，即使不能满足所请求的功率曲线。

此外，当电池能够满足所请求的功率曲线时，电池控制单元也可以提供可替选的功率曲线。因此，可以找到更适合于特定电池条件的功率曲线。

根据本发明的一个实施例，所请求的功率曲线可以是时间连续功率曲线，在这种情况下，该方法可以包括使所请求的功率曲线离散化并以时间离散化的功率曲线的形式提供响应。离散化的功率通过功率水平和应该维持定义的功率水平的时间段来定义功率曲线中的不同阶段。因此，能够显着减少在来自电池控制单元的响应中必须提供的信息量。如果要提供多个功率曲线，这对于改进通信速度可能是特别有利的，因为响应中要发送的数据量显着减少。当然，该请求也可以包括离散化的功率曲线。

根据本发明的一个实施例，确定电池是否能够接收或提供与所请求的功率曲线相对应的功率可以包括基于用于所请求的功率曲线的电池的预测电压和温度作为时间的函数来模拟电池行为。基于此模拟，电池控制单元能够确定所请求的功率曲线是否会导致违反电池中任何单体的电压和/或温度限制，或者电池是否具有符合请求的足够的电荷存储容量。模拟的电池行为还可以用于确定一个或多个新的建议功率曲线，其类似于所请求的曲线但是在电池的允许工作参数内。

根据本发明的一个实施例，可以基于所述电池的电池模型来模拟电池行为。有利地使用单体模型，因为能够使用单体模型执行电池参数的快速且准确的模拟。

根据本发明的一个实施例，可以从车辆的车辆控制单元接收请求。车辆控制单元可以是用于控制车辆功能的特定或通用控制单元，并且车辆控制单元可以例如经由CAN总线与电池控制单元通信。可替选地，车辆控制单元和电池控制单元可以在相同的物理单元中实现，诸如多用途微处理单元。不管所选择的物理实现如何，车辆控制单元能够将功率曲线发送到电池控制单元，并且能够以一个或多个建议功率曲线的形式接收作为布尔“是”或“否”的响应。

根据本发明的一个实施例，该请求可以包括在车辆的预测功耗循环期间由电池提供给车辆的功率曲线。因此，基于来自于电池控制单元的响应，车辆控制单元将获知电池是否能够提供所需的功率或者是否必须使用额外的电源。这种附加电源可以例如是车辆的内燃机。电池还能够提供与所请求的功率的部分相对应的功率。这样的优点在于，车辆控制单元可以预先获知是否需要采用额外的电源，何时以及在何种程度上需要采用，这可以被用于增加电源利用的整体效率，因为例如内燃机能够准备就绪提供所需的功率。

根据本发明的一个实施例，该请求可以包括在车辆的预测的发电循环期间提供给电池的功率曲线。车辆发电可以例如在制动期间或当车辆下坡行驶时发生，在这种情况下，使用所产生的功率对电池充电是有利的。

根据本发明的一个实施例，该请求可以包括基于车辆的预测路线的功率曲线。该请求可以例如源自车辆控制单元，该车辆控制单元连接到车辆的导航系统，使得即将到来的路线或至少部分路线是已知的。因此，能够基于用于给定路线的预测功率曲线来优化电池使用。这对于自动或自动驾驶车辆特别有利，因为能够针对整个路线优化电池使用，而不仅仅基于瞬时请求。

根据本发明的一个实施例，可以从车辆外部的充电站接收请求。此外，该请求可以包括在预测的充电循环期间提供给电池的功率曲线。因此，电池控制模块可以根据建议的充电曲线确定电池是否能够充电。

根据本发明的一个实施例，来自充电站的请求可以包括预定的充电时间。例如，用户可以在将车辆连接到充电站时指定充电时间，在这种情况下，期望电池控制单元以最适合于指定的充电时间的功率曲线进行响应。

根据本发明的一个实施例，该请求可以包括充电站的充电特性的信息，并且响应可以包括用于基于充电站的充电特性对电池充电的建议功率曲线。因此，能够基于充电站的特性和电池的能力的组合评估来优化电池充电。

还提供一种计算机程序，包括程序代码装置，用于当程序在计算机上运行时执行任何上述实施例的步骤；以及计算机可读介质，承载上述计算机程序。

根据本发明的第二方面，提供一种车辆的电池控制系统，包括电池和电池控制单元。电池控制单元被配置成接收包括功率曲线的请求，该功率曲线描述作为时间的函数的去往电池或来自电池的功率传输，确定电池是否能够接收或提供与所请求的功率曲线相对应的功率；并且提供指示关于所请求的功率曲线的符合性的响应。

根据本发明的一个实施例，电池控制系统还可以包括车辆控制单元，其中车辆控制单元被配置成向电池控制单元提供请求。

根据本发明的一个实施例，电池控制系统还可以包括车辆外部的充电站，并且充电站可以被配置成向电池控制单元提供请求。

还提供一种包括根据任何上述实施例的电池控制系统的车辆。

本发明的第二方面的特征、效果和优点在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面所描述的那些。

在以下描述和从属权利要求中公开本发明的进一步的优点和有利特征。

附图说明

参考附图，下面遵循作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。

在附图中：

图1是概述根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图；

图2示意性地图示包括根据本发明的实施例的电池控制系统的车辆；

图3是概述根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图；

图4是概述根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图；

图5示意性地图示根据本发明的实施例的电池控制系统；

图6A-C示意性地图示要在本发明的实施例中使用的示例性功率曲线；

图7示意性地图示在本发明的实施例中使用的示例性功率曲线；

图8A-C示意性地图示要在本发明的实施例中使用的示例性功率曲线；和

图9A-B示意性地图示要在本发明的实施例中使用的示例性功率曲线。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参考包括电池供电的电动机和内燃机的组合的形式的混合动力推进系统的重型车辆来描述根据本发明的电池控制系统和方法的各种实施例。然而，应该注意，所描述的本发明的各种实施例同样适用于各种混合动力和电动车辆。

图1是概述根据本发明的实施例的方法100的一般步骤的流程图。将进一步参考包括图2中所图示的电池控制系统200的车辆201来描述图1的方法。具体地，图1概述在包括电池202和用于控制电池202的电池控制单元204的系统中传送车辆201的电池202的功率容量的方法。

在第一步骤中，该方法包括，在电池控制单元204中接收102包括功率曲线的请求，该功率曲线描述作为时间的函数的去往或来自电池的功率传输。在第二步骤中，该方法包括确定104电池是否能够接收或提供与所请求的功率曲线相对应的功率，并且在最后的步骤中，在电池控制单元204中，提供106指示关于所请求的功率曲线的符合性的响应。指示符合性的响应可以是布尔响应，即，“是”或“否”，或指示符合或不符合所请求的功率曲线的任何等效的预定布尔响应(例如，“1”或“0”)。响应还可以包括一个或多个建议的功率曲线。

功率曲线定义去往或者来自电池202的功率传输，即，电池202的充电或放电。确定电池202是否能够接收或提供所请求的功率的因素可以包括电池的电压、电流、温度、功率状态(SoP)、充电状态(SoC)和健康状态(SoH)。

此外，确定电池202是否能够接收或提供与所请求的功率曲线相对应的功率可以包括基于所请求的功率曲线作为时间的函数模拟108电池行为，以便于模拟用于所请求的功率曲线的电池202的结果预测电压和温度的步骤，如图3的流程图所图示。然后可以使用电池202的电池模型执行模拟。电池模型包括一组电阻，其取决于温度、SoC和老化程度(age)。电池模型能够针对在某个SoC、温度和老化程度处的特定施加电流，以及实际电压来预测对于某个电流/功率曲线电池202的电压曲线将是什么样的。特别是，对于需要被粘附的所有电池单元存在电压限制。电池模型还能够估计电池202中的电阻损耗产生的热量。通过将模拟的结果温度和电压与电流、温度和电压限制进行比较，能够确定电池是否能够根据请求的功率曲线来提供或接收功率。因此，当确定由所请求的功率曲线定义的功率传输是否可以实现时，需要考虑去往电池的绝对电流限制或来自电池的绝对电流限制。

此外，来自电池控制单元204的响应可以包括与所请求的曲线不同的一个或多个建议的功率曲线。当电池能够符合所请求的功率曲线时，电池控制单元204也可以建议不同的功率曲线。因此，能够使用对电池最有利的功率曲线。在一些应用中，例如可能优先保持电池健康并且因此希望以由电池控制单元204确定的方式利用电池202，即使电池原则上能够满足所请求的功率曲线。如果电池控制单元204用多个不同的功率曲线进行响应，则请求功能可以自由选择最合适的功率曲线。来自电池控制单元204的响应还可以包括与电池劣化、温度增加和用于所建议的一个或多个功率曲线的其他相关参数有关的信息。因此，能够更容易地比较功率曲线，并且请求功能接收用于选择适当功率曲线的进一步信息。

通常，当电池的充电水平(SoC)增加时，需要减少去往或者来自电池202的功率。通过随着SoC水平的增加降低电流/功率，能够实现功率的降低。例如，功率可以恒定到某个SoC水平，在其之后功率按斜率减小。通过保持恒定电压也能够实现随着SoC增加而降低功率，并且当SoC达到某个水平时，电流将自动降低，从而降低功率。

图4概述根据本发明的实施例的方法的步骤，其中所请求的功率曲线是时间连续功率曲线，并且其中该方法还包括离散化110所请求的功率曲线并提供时间离散化的功率曲线形式的响应。其余的方法步骤与参考图1描述的方法相同。离散化由电池控制单元执行，并且时间连续功率曲线被离散化为恒定功率的有限时段。例如，可以基于所请求的功率曲线的形状或基于功率曲线的总持续时间来确定时段的长度。离散化的功率曲线中的每个时段的长度还可以取决于引起请求的事件，即，取决于所请求的功率曲线的属性。对于诸如制动或加速的相对短的事件，长度可以例如是1秒、2秒、5秒等。对于诸如通过外部源充电的较长事件，长度也可以更长，诸如20-30分钟。此外，离散化的曲线可以包括长度不同的离散时段。

图5示意性地图示电池控制系统200，其进一步包括车辆控制单元208，其能够向电池控制单元204发送请求。车辆控制单元208可以是配置成控制混合动力或电力推进系统的专用控制单元，或者它可以是通用车辆控制单元。电池控制单元204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可编程设备。因此，电池控制单元204包括电子电路和连接(未示出)以及处理电路(未示出)，使得电池控制单元204能够与车辆201的不同部分(诸如制动器、悬架、传动系统，特别是电动发动机、电机、离合器和变速箱)通信，以便于至少部分地操作车辆201。电池控制单元204可以包括硬件或软件中的模块，或者部分硬件或软件中的模块并使用已知的传输总线，诸如CAN总线和/或无线通信能力进行通信。处理电路可以是通用处理器或特定处理器。电池控制单元204包括用于存储计算机程序代码和数据的非暂时性存储器。因此，本领域的技术人员认识到电池控制单元204可以由许多不同的构造来体现。

包括功率曲线的请求可以定义电池的充电、电池的放电或其组合。车辆控制单元208请求对电池202充电的示例性场景可以是当车辆正在制动时或当车辆下坡行驶时，电动机用于制动车辆。从电池汲取功率的请求通常来自车辆的加速。

图5还图示车辆201可以连接到充电站210。因此，所请求的功率曲线可以源自充电站210。在示例实施例中，用户将关于所需的充电时间的信息输入到充电站210中。例如，车辆可以在短时间内连接，诸如在午餐制动期间，或者车辆可以被连接用于过夜充电。对于“午餐充电”，能够确定在给定时间内尽可能多地对电池充电是重要的，因此与能够使用较低电流的“过夜”充电相比，选择较高的充电电流。当使用较低的充电电流时，与较高电流相比，电池温度较低，并且将电池维持在较低温度可以有助于增加电池的寿命。因此，电池控制单元能够在指定的充电时间内以最佳功率曲线进行响应。

在另一示例中，充电站210可以向电池控制单元204提供关于充电站210的能力的信息，诸如充电站210能够提供的最大功率。然后，电池控制单元204可以基于电池202的属性并且基于所接收的描述充电站210的信息以建议的功率曲线进行响应。

在下文中，将给出功率曲线的示例的各种示例以及请求功率曲线的示例情况。功率曲线被图示为作为时间的函数的功率。应该注意，所图示的曲线可以表示所请求的和建议的功率曲线。因此，曲线可以被用于图示对于给定情况的最佳功率曲线。在附图中，正功率表示电池的充电，并且负功率表示放电。

图6A图示用于在诸如当制动车辆201时的短持续时间减速期间对电池202充电的功率曲线。当车辆201开始制动时，因为充电最有可能不受温度的限制，所以能够向电池施加高功率。相反，电池能够接收的最大功率(即，电流和电压)将是限制性的。随着充电的进行，电池202的温度将增加并且必须降低功率，以避免电池过热。通常，温度升高与电流平方乘以电阻成比例。

图6B图示功率曲线，其图示与图6A中相比较长时间段的电池202的充电，诸如当车辆201正在下坡行驶并且电动机被用于制动车辆时。电池202在大约一分钟或几分钟的时间段内能够接收的最大功率低于较短的时间段能够接收的最大功率。因此，对于长期充电事件应用“长期”功率曲线是很重要的。在所图示的示例中，图示恒定功率。然而，同样可能的是，对于更长的充电时间也优选使用阶梯式曲线。

图6C图示示例，其中车辆201连接到充电站210以进行“午餐充电”，即，在预定时间量内充电。这里，能够选择恒定功率。然而，也可以使用描述阶梯式功率曲线的功率曲线。在许多情况下，最佳功率曲线将基于在对电池不充分充电(太低功率)的风险与能量损失和电池劣化(太高功率)之间的折衷来形成。

图7图示即将到来的路线段的功率曲线，包括充电和放电时段。通过基于预测路线适用功率曲线，能够提高电池利用率。例如，如果已知在路线中稍后将需要某些功率，则能够管理电池，使得在适当的时间处所需的功率是可用的。例如，图7可以图示前方道路的上坡和下坡段，其中图示正功率的部分表示通过车辆201的制动对电池充电的下坡行驶，并且其中负功率部分表示车辆推进需要功率的平坦或上坡路段。因此，电池控制系统200可以连接到车辆的路线规划或导航系统，以便于优化电池202的使用。此外，功率曲线还可以包括功率随时间而改变的区段，如功率曲线中的斜率所图示。功率曲线的恒定斜率可以由起始值、结束值和持续时间表示。

图8A图示所请求的功率曲线，其图示包括较高功率的第一时段和较低功率的第二时段的充电事件。在本示例中，假设由功率曲线定义的最大功率超过电池202能够接收的最大功率。因此，电池控制单元204以图8B中的虚线所图示的建议功率曲线进行响应，其定义输入到电池202的恒定功率，其低于所请求的功率曲线的高时段但高于所请求的功率曲线的低时段。因此，对于两个功率曲线，能够使提供给电池的总能量相同，同时不超过最大允许能量。图8C图示电池控制单元204还可以建议多个可替选的功率曲线，如虚线所图示。

图9A-B图示根据参考图4描述的方法的时间连续功率曲线的示例的离散化。首先对图9A的时间连续功率曲线进行采样，并且然后将其分段成适用于电池202的适当长度的阶梯式的恒定部分。

应注意，所描述的示例被简化，并且实际上电池控制单元能够处理非常复杂的功率曲线，其可以是离散的或连续的。

此外，要理解的是，本发明不限于上面描述以及在附图中图示的实施例；相反，技术人员将认识到可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被用于获益。

Claims (12)

1.一种在系统(200)中传送车辆(201)的电池的功率容量的方法，所述系统(200)包括电池(202)和用于控制所述电池的电池控制单元(204)，所述方法的特征在于，在所述电池控制单元中：

从所述车辆的车辆控制单元(208)接收(102)包括功率曲线的请求，所述功率曲线描述作为时间的函数的去往或来自所述电池的功率传输；

确定(104)所述电池是否能够接收或提供与所述请求的功率曲线相对应的功率；以及

提供(106)指示关于所述请求的功率曲线的符合性的响应，

其中所述功率曲线将在所述车辆的预测发电循环期间被提供给所述电池，或者其中所述功率曲线将在所述车辆的预测功耗循环期间由所述电池提供给所述车辆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，指示关于所述请求的功率曲线的符合性的所述响应包括布尔响应。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，提供响应，所述响应包括与所述请求的功率曲线不同的建议功率曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述响应包括多个不同的建议功率曲线。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述响应包括在指定时间段内的最大恒定功率传输。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述请求的功率曲线是时间连续的功率曲线；

离散化(110)所述请求的功率曲线；并且

以时间离散化的功率曲线的形式提供响应。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定(104)所述电池是否能够接收或提供与所述请求的功率曲线相对应的功率包括：针对所述请求的功率曲线，基于所述电池的预测电压和温度，作为时间的函数来模拟(108)电池行为。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述电池的单体模型模拟所述电池行为。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述请求包括基于所述车辆的预测路线的功率曲线。

10.一种承载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码装置，用于当程序产品在计算机上运行时执行根据权利要求1至9中任一项的方法的步骤。

11.一种车辆(201)的电池控制系统(200)，包括：电池(202)、电池控制单元(204)和车辆控制单元(208)，所述电池控制系统的特征在于，所述电池控制单元(204)被配置成：

从所述车辆的车辆控制单元(208)接收包括功率曲线的请求，所述功率曲线描述作为时间的函数的去往或来自所述电池的功率传输；

确定所述电池是否能够接收或提供与所述请求的功率曲线相对应的功率；并且

提供指示关于所述请求的功率曲线的符合性的响应，

其中所述功率曲线将在所述车辆的预测发电循环期间被提供给所述电池，或者其中所述功率曲线将在所述车辆的预测功耗循环期间由所述电池提供给所述车辆。

12.一种车辆(201)，所述车辆(201)包括根据权利要求11所述的电池控制系统(200)。

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