CN110036304A - 电池管理系统和用于控制电池管理系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制车辆电池管理系统的方法,该电池管理系统包括布置在车辆中的电池,由电池控制单元控制的该电池包括描述了电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系的电池模型。所述方法包括:在控制单元中,测量电池的至少一个随时间变化的电池传感器输出;基于测量到的电池传感器输出来确定电池状态;基于所确定的电池状态来更新电池模型,由此形成更新后的电池模型;接收第二电池模型;以及,将接收到的第二模型与现有电池模型组合。本发明还涉及一种电池管理系统和包括这种电池管理系统的车辆。
Description
技术领域
用于控制车辆中的电池的电池管理系统、以及用于控制这种电池管理系统的方法。
本发明能够应用在重型车辆中,(例如,卡车、公交车)和建筑设备中。尽管将针对公交车来描述本发明,但是本发明不限于这种特定车辆,而是也可用在其它车辆中,例如轿车以及重型车辆。
背景技术
在混合动力车辆或电动车辆中,重要的是对用于各种工作条件的电池特性有良好的了解。为了实现这一点,电动车辆常常包括负责监测电池状态的电池管理系统。
特别地,电池管理系统的目的是:(1)能量等级状态监测,即,荷电状态估计;(2)电力容量状态监测;(3)维持电池组的安全运行;(4)安全状态估计;以及(5)确保电池组中的电池单体被平衡。传感器信号(例如电压、电流和温度)被与数学模型组合,以实现先前列出的目的。该数学模型包括描述电池单体特性(例如电阻、容量和开路电压)的参数。这些参数的设定对于有效的状态监测是至关重要的。通常,电池单体的参数设定是在能够良好控制电池单体负载、温度等的实验室中执行的。
然而,例如由于参数和工作条件之间的多维关系,电池单体的参数设定是复杂的。例如,电池单体电阻可能取决于温度、荷电状态和电流。复杂的另一个原因是电池退化,其意味着电池特性将随时间改变。US2012/0098481描述了一种用于对电池充电的设备。所描述的充电系统还包括:数据库,该数据库用于从多个电池累积电池参数数据;和处理器,该处理器用于基于组合测量到的电池电压和电流与从数据库接收的累积参数、递归地更新数据,该数据表征了代表所述电池的模型。最后,该设备具有电源,该电源用于供应电流以对受处理器管控的电池充电。
然而,所描述的系统仅给出了电池特性的有限看法,因此希望提供一种改进的并且更详细的电池管理系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和系统,该方法和系统用于控制电池管理系统,以便能够提供更精确的电池模型。
根据本发明的第一方面,通过根据权利要求1所述的控制电池管理系统的方法来实现该目的。
因此,提供了一种控制车辆电池管理系统的方法,该电池管理系统包括被布置在车辆中的电池,由电池控制单元控制的该电池包括电池模型,该电池模型描述了电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系。所述方法包括:在电池控制单元中,测量至少一个随时间变化的电池传感器输出;基于测量到的电池传感器输出来确定电池状态;基于测量到的电池特性来更新电池模型,由此形成更新后的电池模型;接收第二电池模型;以及将接收到的第二模型与现有的电池模型组合。
在本文中,电池特性可以是直接测量到的随时间变化的特性,这里被称为传感器输出,或者电池特性可以是计算出的(即,所确定的)随时间变化的特性,这里被称为电池状态。传感器输出(即,测量到的随时间变化的特性)这里能够是测量到的电流、电压或温度。此外,如下文中将举例说明的,电池状态可以取决于直接测量到的电池特性以及取决于计算出的电池特性(即,其它电池状态)。电池工作条件限定了电池在给定时间点上的总体特性。因此,可以说电池工作条件包括在给定时间点上的所有测量到的和确定的电池特性。电池工作条件还可以包括描述电池外部的参数的信息,例如车辆条件和环境条件。
因而,假设电池管理系统包括电池传感器等,以测量诸如电流、电压和温度的电池参数。
据此,提供了一种方法,该方法通过基于测量到的电池特性更新电池模型(这继而导致对电池状态的确定),并且进一步通过基于接收到的第二电池模型更新电池模型,提高了电池模型的精确度。由此,在不将车辆连接到充电站的情况下,能够在车辆中动态地更新电池模型,这基于车辆中的电池的特性并且基于可描述其它电池的电池状态的第二电池模型。这也能够被称为经验分享,其中车辆能够分享它们各自的电池模型并从其它车辆学习。因此,能够在车辆中实现对于变化的电池工作条件的电池状态的更精确估计,这具有积极效果,例如更有效的电池单体平衡和更好的电池能量利用。此外,因为不需要将车辆连接到充电站来更新电池模型,所以电动车辆和混合动力车辆都能够从所描述的方法中受益。此外,所描述的方法包括在车辆的运行期间(即,在电池的使用期间)获取的电池特性。除了更精确的估计电池状态之外,对电池状态的估计隐含地给出了追踪电池健康状态的可能性。原因在于电池健康状态与诸如电阻的电池特性之间的耦合性。
根据本发明的一个实施例,电池模型可以包括这样的函数:该函数将电池状态描述为随时间变化的电池特性的函数。由此,对于与给定的时间相关的电池状态,该函数本身能够基于测量到的电池特性来更新。提供描述所述关系的函数的优点在于:也可以对先前未经历过的工作条件估计特性值和电池状态。例如可以使用多项式函数、分块编码(tilecoding)或神经网络来描述电池状态如何与电池特性相关。然而,也可以使用其它数学函数。
根据本发明的一个实施例,电池模型可以包括状态映射图,该状态映射图描述了对于一定的电池特性值范围的、电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系。通过该状态映射图,能够提供对于一定的电池工作条件范围的电池状态的更全面描述。此外,使用状态映射图使得:对于一组已知的工作条件,容易获取先前估计的电池状态,因为不需要计算。替代地,能够直接从该映射图中获取电池特性。
根据本发明的一个实施例,车辆中的第一状态映射图可以描述对于第一组电池特性值的、电池状态和随时间变化的电池特性之间的关系,并且所接收到的第二状态映射图可以描述对于第二组电池特性值的、电池状态和随时间变化的电池特性之间的关系,第一组电池特性值与第二组电池特性值不同,其中该方法包括将第一状态映射图和第二状态映射图组合。在本文中,“第一组电池特性值与第二组电池特性值不同”应被理解成意味着这些映射图包括对于不同的、不重叠的电池特性值的电池状态值。
根据本发明的一个实施例,将第一状态映射图和第二状态映射图组合包括:对于不重叠的电池特性值,将来自第二状态映射图的电池状态添加到第一状态映射图。由此,通过将先前不知道的电池特性值添加到该映射图以形成组合的状态映射图,能够实现电池的更完整的状态映射图。
根据一个实施例,电池模型可以将电池电阻或电池容量描述为温度、荷电状态和/或健康状态的函数。因此,温度、荷电状态和/或健康状态是随时间变化的电池特性的示例,而电池电阻和电池容量是所确定的电池状态的示例。由此,对于与车辆的各种工作条件对应的宽范围的电池特性值,能够确定电池状态,从而提高所述模型的精确度。
根据本发明的进一步实施例,电池模型可以将电池健康状态的时间导数描述为温度、荷电状态和/或电流的函数。因此,电池健康状态的时间导数是所确定的电池状态。此外,通过将电池状态的与时间有关的行为视为随时间变化的电池特性的函数,能够提供也准确地描述了电池的动态特性的详细模型。
根据本发明的一个实施例,可以从控制第二车辆中的第二电池的第二电池控制单元接收第二电池模型。由此,因为第一车辆中的电池管理单元能够从第二车辆接收信息,所以能够使第一车辆中的电池模型更精确(假设这两个车辆的电池是相同或类似类型的)。特别地,第二车辆与第一车辆相比可能已经经历了不同的工作条件,进而具有了针对其它工作条件的所测量到的电池特性和所确定的电池状态。
根据本发明的一个实施例,所述方法可进一步包括:当第一车辆和第二车辆在彼此允许第一车辆和第二车辆之间的直接通信的距离内时,将第二模型从第二车辆中的第二电池控制单元发送到第一车辆中的第一电池控制单元。这是有利的,因为:当具有类似电池的车辆彼此靠近时,允许自动更新电池模型。这例如可以发生在停车场中、配送中心处、加油站处或者甚至在车辆正行驶的路上。
根据本发明的一个实施例,可以通过车辆对车辆通信、蓝牙或WiFi执行所述发送。由此,车辆中已经存在的通信装置可以用于更新电池模型并由此改善电池的利用。因此,该电池管理系统可以改装在现有的车辆中,而不需要与通信能力相关的实质性改型。
根据本发明的一个实施例,所述方法可进一步包括:将第二模型从第二车辆中的第二电池控制单元经由电池控制服务器传输到第一车辆中的第一电池控制单元。据此,中央服务器能够从大量车辆收集信息,从而针对宽范围的运行状态来描述电池状态,使得电池管理系统的更新更有效。
还提供了一种计算机程序,该计算机程序包括当所述程序在计算机上运行时执行任一个上述实施例的步骤的程序代码组件,并且提供了一种携带前述计算机程序的计算机可读介质。
根据本发明的第二方面,提供了一种电池控制系统,该电池控制系统包括:第一电池,该第一电池包括第一电池控制单元,该第一电池布置在第一车辆中,其中,第一电池控制单元被配置成测量至少一个随时间变化的传感器输出并且基于测量到的电池传感器输出来确定电池状态。第一电池控制单元包括描述了电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系的电池模型,其中第一电池控制单元进一步被配置成:基于所确定的电池状态来更新电池模型,以形成更新后的电池模型;并且第一电池控制单元被配置成接收第二电池模型;并将接收到的第二电池模型与更新后的现有电池模型组合。
在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
参考附图,下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
在这些图中:
图1是概括了根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图;
图2示意性地示出了包括根据本发明的实施例的电池控制系统的车辆;
图3A至图3C示意性地示出了包括根据本发明的实施例的电池控制系统的数学模型;并且
图4示意性地示出了包括根据本发明的实施例的电池控制系统的状态映射图。
具体实施方式
在本详细描述中,主要参考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,所述重型车辆包括混合动力推进系统,该混合动力推进系统为电池供电式电动马达和内燃机的组合的形式。然而,应当注意,所描述的本发明的各种实施例同样适用于各种各样的混合动力车辆和全电动车辆。
图1是概括了根据本发明的实施例的控制车辆电池管理系统100的方法的一般步骤的流程图。将参考包括图2中所示的电池管理系统100的车辆110进一步描述图1的方法。该电池管理系统包括电池102和被配置成控制电池102的电池控制单元104。
电池控制单元104可以是被配置成控制车辆的混合动力推进系统或电动推进系统中的电池的专用控制单元,或者它可以是通用控制单元。电池控制单元104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器件。因此,电池控制单元104包括电子电路和连接(未示出)以及处理电路(未示出)。电池控制单元204可以包括硬件或软件或者部分硬件或软件的模块,并且使用已知的传输总线(例如CAN总线)和/或无线通信功能来通信。所述处理电路可以是通用处理器或专用处理器。电池控制单元104包括非暂时性存储器,以在其上存储计算机程序代码和数据。因此,本领域技术人员会意识到,可以通过许多不同的构造来实施电池控制单元104。
在第一步骤中,所述方法包括:在电池控制单元104中,测量S1电池102的至少一个随时间变化的电池传感器输出,其中,该传感器输出是电流(I)、电压(V)或温度(T)。基于测量到的电池传感器输出,能够确定S2电池状态。接下来,所述方法包括:基于所确定的电池状态更新S3电池模型,由此形成更新后的电池模型。在随后的步骤中,电池管理系统100接收S4第二电池模型;最后,将接收到的第二模型与现有的电池模型组合S5,以便形成所产生的组合电池模型。
如早先描述的,这里的术语“电池特性”既包含直接测量到的随时间变化的特性,又包含所确定的、计算出的电池特性。测量到的特性被进一步称为传感器输出,而计算出的(即,所确定的)电池特性被称为电池状态。传感器输出能够是测量到的电流、电压或温度,它们能够使用电池管理系统中的专用传感器或其它仪器来测得。
应当注意,所描述的方法步骤并且必须按它们被列出的精确顺序执行。例如,接收S4第二电池模型的步骤同样也可以在测量S1电池传感器输出的步骤之前执行。
除了电池管理系统100,图2进一步示出了包括该电池控制系统的车辆110、112。这里,所示出的车辆是公交车。然而,所描述的方法和系统同样也可以用在其它类型的车辆中,例如卡车、建筑设备、轿车等。
在第一车辆110中,该电池管理系统包括第一电池102和第一电池控制单元104。第一电池控制单元104被配置成执行上文参考图1描述的方法。图2还包括第二车辆112,该第二车辆112包括控制第二车辆112中的第二电池106的第二电池控制单元108。由此,能够从第二电池控制单元108接收第二电池模型。能够假设的是,与第一电池模型一样,第二电池模型描述了相同的电池状态和随时间变化的电池特性之间的关系。换言之,使用来自第二车辆112的电池模型来更新第一车辆110中的电池模型。
为了有效地与其它车辆通信,每个车辆均包括通信单元120、122,该通信单元120、122具有发送和接收功能。因此,第二车辆112的发送器122能够被构造成:当第一车辆110和第二车辆112在彼此允许车辆110、112之间的直接通信的距离内时,将第二电池模型发送到第一车辆110中的接收器120。通信单元120、122例如可以是车辆对车辆(V2V)通信单元、蓝牙或WiFi收发器。车辆也能够配备有数个不同类型的通信单元。
如图2中进一步示出的,车辆之间的通信可以经由电池控制服务器124发生,该电池控制服务器124被配置成:从第一电池控制单元104和/或从第二电池控制单元108接收更新后的电池模型,并存储更新后的电池模型。电池控制服务器124能够用于存储并维持来自大量车辆的电池模型。由此,车辆能够与该电池控制服务器通信,以便不仅基于一个其它电池而是基于不同车辆中的大量电池来接收更新后的电池模型。由此,能够获得更详细的电池模型,因为可以假设不同车辆中的电池经历了不同的工作条件,从而提供更全面的模型。
图3A至图3C示意性地示出了电池模型和如何可以基于测量到的电池特性和所产生的确定的电池状态来更新电池模型。在图3A中,为了简便起见,该模型被示出为线性模型300。应当理解,确定电池特性的电池模型可以更复杂得多。示例模型300将荷电状态描述为温度的函数。在图3B中,测量结果302被引入到该模型中,即所产生的电池状态基于测量到的传感器输出。基于新确定的电池状态,更新该模型,例如,通过对包括新添加的数据点的数据点的线性拟合(linear fit),由此,形成更新后的模型304。因此,电池模型可以在开始时仅具有电池特性的基本信息,然后基于电池的其它工作条件,从测量以及其它电池中根据经验来学习。
该电池模型例如可以将电阻R描述为温度T、荷电状态(SoC)或健康状态(SoH)的函数(即,R(T),R(SoC),R(SoH)),将电池容量描述为T、SoC、SoH的函数,和/或将时间导数d/dt(SoH)描述为T、I、SoC的函数等。
图4示意性地示出了第一车辆110中的电池模型,该电池模型为电池状态映射图402的形式。该状态映射图描述了电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系。在本示例中,该状态映射图示出了SoC与温度的关系。从第二车辆112接收第二状态映射图404,该第二状态映射图404描述了电池状态与用于第二组电池特性值的随时间变化的电池特性之间的关系。最后,这两个状态映射图被组合,以形成所产生的组合的状态映射图406。
在图4所示的示例中,两个状态映射图402、404不包括任何重叠的数据点,所以通过将来自一个映射图的所有数据点添加到另一个映射图来简单地形成组合的状态映射图406。在所接收到的条件映射图包括与第一状态映射图中已经存在的数据点重叠的数据点的情形中,有多种不同方式来处理重叠的数据点。第二状态映射图的重叠的数据点可以简单地被忽略,它们可以通过形成平均值或者通过形成加权平均值(其中任一数据点可以使用选定的加权值来平均)而与第一映射图的数据点组合。
应当理解,本发明不限于上文描述和图中所示的实施例;而是,本领域技术人员将意识到,在所附权利要求的范围内,可以做出许多修改和变型。在权利要求书中,词语“包括”不排除其它元件或步骤,并且不定冠词“一”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中引用一些措施的纯粹事实并不表明这些措施的组合不能被有利利用。
Claims (24)
1.一种控制车辆电池管理系统(100)的方法,所述车辆电池管理系统(100)包括布置在车辆(110)中的电池(102),由电池控制单元(104)控制的所述电池包括电池模型,所述电池模型描述了电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系,所述方法包括,在所述电池控制单元(104)中:
测量(S1)至少一个随时间变化的电池传感器输出;
基于测量到的所述电池传感器输出来确定(S2)电池状态;
基于所确定的电池状态来更新(S3)所述电池模型,由此形成更新后的电池模型;
接收(S4)第二电池模型;以及
将接收到的所述第二模型与现有的所述电池模型组合(S5)。
2.根据权利要1所述的方法,其中,所述电池模型包括函数(300),所述函数(300)将所述电池状态描述为所述随时间变化的电池特性的函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述电池模型包括状态映射图(402),所述状态映射图(402)描述了对于一定的电池特性值范围的、所述电池状态与所述随时间变化的电池特性之间的所述关系。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述车辆中的第一状态映射图(402)描述了对于第一组电池特性值的、电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系,并且其中,接收到的第二状态映射图(404)描述了对于第二组电池特性值的、电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系,所述第一组电池特性值与所述第二组电池特性值不同,所述方法包括将所述第一状态映射图和所述第二状态映射图组合。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,将所述第一状态映射图和所述第二状态映射图组合包括:对于不重叠的电池特性值,将来自所述第二状态映射图的电池状态添加到所述第一状态映射图。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,所述电池模型将电池电阻或电池容量描述为温度、荷电状态和/或健康状态的函数。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,所述电池模型将电池健康状态的时间导数描述为温度、荷电状态和/或电流的函数。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,所述第二电池模型是从第二电池控制单元(108)接收的,所述第二电池控制单元(108)控制第二车辆(112)中的第二电池(106)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,进一步包括:当第一车辆和第二车辆在彼此允许所述第一车辆和所述第二车辆之间的直接通信的距离内时,将所述第二模型从所述第二车辆中的第二电池控制单元发送到所述第一车辆中的第一电池控制单元。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述发送是通过车辆对车辆通信、蓝牙或WiFi执行的。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,进一步包括:将所述第二模型从第二车辆中的第二电池控制单元经由电池控制服务器(124)传输到第一车辆中的第一电池控制单元。
12.一种计算机程序,所述计算机程序包括程序代码组件,所述程序代码组件用于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求1至11中的任一项所述的步骤。
13.一种携带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组件,所述程序代码组件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11中的任一项所述的步骤。
14.一种电池管理系统(100),包括:
第一电池(102),所述第一电池(102)包括布置在第一车辆(110)中的第一电池控制单元(104),其中,所述第一电池控制单元被配置成测量至少一个随时间变化的电池传感器输出并且基于测量到的所述电池传感器输出来确定电池状态;
所述第一电池控制单元包括电池模型,所述电池模型描述了电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系,其中,所述第一电池控制单元被进一步配置成:基于所确定的所述电池状态来更新所述电池模型,以形成更新后的电池模型;并且
所述第一电池控制单元被配置成接收第二电池模型,并将接收到的所述第二电池模型与更新后的现有电池模型组合。
15.根据权利要14所述的系统,其中,所述电池模型包括函数(302),所述函数(302)将所述电池状态描述为所述随时间变化的电池特性的函数。
16.根据权利要求14或15所述的系统,其中,所述电池模型包括状态映射图,所述状态映射图描述了对于一定的电池特性值范围的、所述电池状态与所述随时间变化的电池特性之间的所述关系。
17.根据权利要求16所述的系统,其中,所述车辆(110)中的第一状态映射图(402)描述了对于第一组电池特性值的、电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系,并且其中,接收到的第二状态映射图(404)描述了对于第二组电池特性值的、电池状态与随时间变化的电池特性之间的关系,所述第一组电池特性值与所述第二组电池特性值不同,所述方法包括将所述第一状态映射图和所述第二状态映射图组合。
18.根据权利要求17所述的系统,其中,将所述第一状态映射图和所述第二状态映射图组合包括:对于不重叠的电池特性值,将来自所述第二状态映射图的电池状态添加到所述第一状态映射图。
19.根据权利要求14至18中的任一项所述的系统,其中,所述电池模型将电池电阻或电池容量描述为温度、荷电状态和/或健康状态的函数。
20.根据权利要求14至19中的任一项所述的系统,其中,所述电池模型将电池健康状态的时间导数描述为温度、荷电状态和/或电流的函数。
21.根据权利要求14至20中的任一项所述的系统,还包括第二电池控制单元(108),所述第二电池控制单元(108)控制第二车辆(112)中的第二电池(106),并且其中,所述第二电池模型是从所述第二电池控制单元(108)接收的。
22.根据权利要求21所述的系统,其中,所述第二车辆包括发送器(122)且所述第一车辆包括接收器(120),所述发送器被配置成:当第一车辆和第二车辆在彼此允许所述第一车辆和所述第二车辆之间的直接通信的距离内时,将所述第二电池模型发送到所述第一车辆中的所述接收器。
23.根据权利要求22所述的系统,其中,所述发送器和所述接收器包括车辆对车辆通信、蓝牙或WiFi发送器和接收器。
24.根据权利要求14至23中的任一项所述的系统,还包括电池控制服务器(124),所述电池控制服务器(124)被配置成从所述第一电池控制单元接收所述更新后的电池模型并且存储所述更新后的电池模型。
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