CN111491823A - 用于确定电池的充电状态操作窗口的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定车辆中的电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口的方法(100)。该方法包括以下步骤：确定(120)电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量；以及基于所述所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量来确定(130)SOC操作窗口裕度；响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整(140)SOC操作窗口。

Description

用于确定电池的充电状态操作窗口的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定车辆中的电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口的方法。此外，本发明涉及一种基于车辆中的电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口来控制车辆电气系统的方法。本发明还涉及一种包括控制单元的车辆，该控制单元用于执行确定电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口的方法。本发明进一步涉及一种车辆，其该车辆包括控制单元，该控制单元用于执行通过电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口来控制车辆电气系统的方法。
本发明可以应用于任何类型的混合动力车辆或电动车辆，诸如部分或完全电动车辆。尽管将关于电动公共汽车对本发明进行描述，但是本发明不限于该特定车辆，而是还可以用于其它混合动力或电动车辆中，诸如电动卡车、电气建筑设备和电动汽车。本发明还可以应用在任何其它类型的电动车辆中，诸如电动建筑设备、电动工作机器(例如轮式装载机、铰接式牵引机、自卸车、挖掘机和反铲装载机等。
背景技术
电池正变为为车辆提供推进力的常见动力源。这样的电池通常是可再充电电池，并且通常包括多个电池单元，该多个电池单元可以串联和/或并联连接以形成用于车辆的完整电池组。通常，电池组包括多个电池单元。电池组的质量高度依赖于每个电池单元的质量，从而对电池单元的生产质量提出了严格的要求。然而，尽管具有高质量，但是电池单元仍然可以具有稍微不同的容量，并且还可能由于例如每个电池单元的不同操作温度而不同地老化。此外，各个电池单元的动力学差异(例如单元之间的自放电)导致电池组的电荷水平分布不均。
总体而言，电池单元的充电状态(SOC)最终将漂移分开，导致不均匀的充电状态分布，这限制电池组的操作性能。另外，给定电池组的SOC状态在车辆中电池组的使用期间(例如在电池组充电期间或车辆操作期间)，部分地由于电池组的老化，通常变得更加难以估计。
因此，电池组的SOC状态的估计通常与估计误差相关联，该估计误差不仅以有效的方式而且以安全和耐用的方式在使用电池组中构成挑战。通过示例的方式，已经观察到在电池组的SOC窗口之外使用电池组可能对电池组有害，并且通常不利于电池组的整个使用寿命。
EP 2502774A1公开了一种用于基于一个或多个电池单元的温度，电流和电压读数来估计SOC的方法的一个示例。此外，充电电子控制单元(ECU)用于基于根据SOC估计和SOC的控制范围确定的SOC值来控制电池的充电和放电。SOC控制范围可以是第一范围或比第一范围窄的第二范围。
为了避免以不利的方式使用电池组，许多电动汽车系统适合于始终使用到SOC极限有很大裕度的电池组，而与实际SOC精度无关。然而，这减少了电池中可用的能量，因此也减小了车辆可行驶里程。
因此，仍然需要基于电池组组件的SOC窗口来改进对部分或完全电动车辆的车辆电气系统的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定车辆中的电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口的方法，从而有助于延长电池组组件的寿命和能量含量。该目的至少部分地通过根据权利要求1的方法来实现。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定车辆中的电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口的方法。该方法包括以下步骤：
-确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量；
-基于所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量来确定SOC操作窗口裕度，其中，SOC操作窗口裕度的大小是所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的函数；以及
-响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口。
因此，该方法的示例实施例提供了根据能量吞吐量或电流吞吐量来调整电池组组件的SOC操作窗口。以这种方式，该方法提供了在能量方面估计电池组组件的最大操作能力，其可以用作电池组组件和车辆的正常操作的控制输入。为此，根据示例实施例的方法有助于电池组组件的更健康的操作，这通常还对给定车辆的电池组组件的寿命和车辆中的电池组组件的给定应用具有积极影响。
特别地，已经观察到，通过电池组组件的能量或电流流入和流出与电池组组件的SOC状态之间存在相关性，并且鉴于确定的通过电池组组件的能量或电流流入和流出，可以确定SOC操作窗口裕度。由于SOC操作窗口的精度与通过电池组组件的总电流相关，因此相信，可以通过使用总电流或总能量吞吐量作为标准来以更准确地方式确定SOC操作窗口，以确定SOC操作窗口裕度。要注意的是，由于在每个电流积分中积累的精度误差，因此精度与总电流相关，部分地因为误差的主要来源与传感器精度有关。在本文中，电流积分是指库仑计数法。
此外，已经观察到，与简单地测量时间或行驶距离相比，参数能量吞吐量(energythroughput)是用于捕获可变或变化的车辆驾驶周期的影响的更好的度量。
应该注意的是，精度通常与所累积的电流成正比，通常因为电流传感器的精度可以近似为常数。
特别地，该方法涉及用于根据能量吞吐量或电流吞吐量来调整高电压电池组组件的SOC操作窗口的多个序列。在本文中，术语“高电压”是指大约400–1000伏特(V)的电池组。
该方法的示例实施例对于诸如电动车辆的车辆特别有用，该电动车辆包括部分和完全电动车辆、混合动力电动车辆、插入式混合动力电动车辆或任何其它类型的电动车辆。这种类型的车辆通常包括电动发动机、电池组组件和电池管理单元。电池组组件被构造成向电动发动机提供动力，从而为电动、混合动力或插电式混合动力车辆提供推进力和/或为各种类型的建筑设备中的任何其它类型的电气负载提供动力。
在这种类型的车辆中，已经观察到，电池组组件通常仅应在某个所估计的SOC窗口内使用，例如在所估计的具有约20％和60％的端裕度的SOC窗口内使用，以便最小化缩短电池组组件使用寿命的风险。在SOC窗口端裕度之外操作电池组组件甚至可能损坏电池组组件。然而，当基于SOC控制车辆电气系统时的一个问题是电池组组件本身的SOC可能无法被精确地测量。例如，电池组组件的所假定的或所估计的SOC可能由于例如传感器精度等而经常地缓慢漂移。因此，当电池组组件在车辆使用期间变得放电，并且电池组组件的SOC最终减小时，使得SOC接近SOC窗口的端裕度时，存在由于实际(或真实)SOC与所估计(或所假定)SOC不同，实际的端裕度被超出的风险。
通过该方法的示例实施例，变得通过使SOC操作窗口适应于所估计的SOC精度，来减轻不准确的SOC的影响，例如超出最大SOC极限的风险。应当容易理解的是，与真实的SOC状态相比，经适应的SOC操作窗口仍可能不准确，但是，提高了对不准确度的了解和认识，同时允许用户基于结果和给定的情况来适应且可能增加安全裕度。这在包括具有相关SOC状态的电池组组件或电池管理单元的完全或部分电动车辆的操作期间是有利的，相应的电池组组件通常将该相关SOC状态视为SOC状态的真实水平。但是，如上所述，电池组组件的所假定的SOC状态和真实SOC状态之间通常存在差异。
如上所述，如果根据示例实施例的方法用于控制车辆电气系统，则该方法允许减轻基于不准确的SOC控制车辆电气系统的效果，因此也增加了在使用电池组组件期间处理所假定的SOC状态和实际SOC状态之间的潜在错误的机会。为此，该方法还提供了在使用电池组组件之前或期间处理校准SOC的可能不足。
此外，该方法的示例实施例允许控制电池管理单元的SOC状态从不超过SOC窗口的最终极限。
本发明的示例实施例通常通过使用控制单元来记录电池组组件随时间的能量吞吐量(或电流吞吐量)来实现。举例来说，首先将SOC操作窗口设置为其最佳极限，例如，对应于20％SOC的SOC下限和对应于60％SOC的SOC上限。当能量吞吐量增加时，SOC操作窗口极限更具有限制性，以反映SOC精度裕度。例如，SOC下限增加到21％，且SOC上限减少到59％。
在本发明的示例实施例的上下文中，如本文所所用的，术语“车辆电气系统”通常是指用于提供能量(诸如牵引能量)并用于存储能量(传递和接收能量)的车辆电气部件，包括但不限于以下组件；电池组组件、电马达、电缆、传感器、控制单元、电池管理单元等。在一个示例实施例中，车辆电气系统特别地被配置为传递和接收能量，以执行车辆的各种车辆操作。
在本发明的示例实施例的上下文中，如本文所使用的，术语“充电状态(SOC)”是指在电池组组件的当前状态下的可用容量。SOC还可以包括或表示电池单元、单个电池组、电池管理单元或其组合的充电水平。SOC通常由可用容量与新电池单元的额定容量或电池单元的电流容量之间的百分比(％)来确定。
在包括电池组组件的电动车辆中，SOC具有几个不同的目的，例如，它可以用作其它电池管理功能的输入，包括但不限于SOP(功率状态)、SOQ(容量状态)、SOR(电阻状态)、SOE(能量状态)，在总体车辆能量管理中，在充电策略中，作为寿命估计器的输入，作为老化时间估计器的输入，作为分析故障情况时的输入和/或其组合。
在本发明的示例实施例的上下文中，如本文所使用的，术语“SOC操作窗口”或“充电状态操作窗口”，并且为了便于参考有时也被简单地表示为“SOC窗口”，通常是指充电状态(SOC)可用窗口。
在本发明的示例实施例的上下文中，如本文所使用的，术语“电池管理单元”通常是指电池组或诸如电池组组件的多个电池组的控制单元。控制单元还可以包括一个电池组或多个电池组或其组合的模型。因此，电池管理单元通常包括被配置为控制电池组组件的功能的控制单元。换句话说，电池管理单元通常是车辆电气系统的一部分。
在本发明的示例实施例的上下文中，术语“能量吞吐量”是功率随时间的积分，该能量吞吐量也可以被定义为诸如车辆电气系统的离散系统的功率随时间的总和。此外，术语“功率”是电压和电流的乘积。因此，通过对电流和电压随时间的乘积进行积分或求和来计算能量吞吐量。
在确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤中，能量吞吐量通常可以被定义为电池组组件中的功率的流入和流出的总和，而电流吞吐量通常可以被定义为电池组组件中的电流流入和流出的总和。
因此，通过随时间对来自位于传感器单元中的一个或多个传感器的电压数据和电流数据的乘积进行积分来获得能量吞吐量。作为示例，传感器单元包括传感器单元中的两个传感器。因此，如果该方法被配置为确定能量吞吐量，则确定电池组组件的能量吞吐量的步骤包括测量电池组组件的电流吞吐量和电压吞吐量，并且随后对电流吞吐量与电压吞吐量的乘积进行求和，以接收能量吞吐量。例如，可以由传感器单元执行通过电池组组件的电流和通过电池组的电压的测量。
这样，电池组组件的能量流入和能量流出通常通过由使用相应的电流流入和电流流出作为输入数据以及电压作为附加输入数据的计算来确定。随后，通过对电流和电压随时间的乘积进行求和来获得能量吞吐量。
应当容易理解的是，确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤通常是随着时间而执行的。
根据一个示例，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤是通过将SOC操作窗口的下限增加所确定的SOC操作窗口裕度来执行的。
另外地或可替选地，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤是通过将SOC操作窗口的上限减小所确定的SOC操作窗口裕度来执行的。
以这种方式，变得可以防止电池组组件超过其最大窗口极限，从而进一步提高电池组组件的寿命。
另外地或可替选地，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤被执行以形成非对称的经调整的SOC操作窗口或对称的经调整的SOC操作窗口。执行对SOC操作窗口的非对称调整是有用的，因为与较高SOC相比，超过较低SOC可能不那么重要(反之亦然)。因此，为了优化能量含量，同时又不对SOC操作窗口进行过度和不必要的适配，可能有用的是，在某些情况下仅减小SOC下限，同时保持SOC上限，从而形成非对称经调整的SOC操作窗口。对称经调整的SOC操作窗口通常对应于调整SOC操作窗口的基本方法，即，以相等的幅度调整SOC操作窗口的上限和下限。
根据一个示例实施例，该方法进一步包括控制车辆电气系统的步骤，使得电池组组件的SOC保持在经调整的SOC操作窗口内。可以取决于车辆的类型和车辆的应用类型以几种不同的方式来控制车辆电气系统。举例来说，可以基于步进经调整的SOC操作窗口来控制车辆的电机。因此，在一个示例实施例中，控制车辆电气系统使得电池组组件的SOC保持在经调整的SOC操作窗口内的步骤是通过控制车辆的电机的扭矩和速度中的任何一个来执行的。电机通常是车辆的推进电机中的一个电机。通常，执行控制车辆的电机的扭矩和速度中的任何一个的步骤，使得流入和流出电池组组件的电流将电池组组件的SOC保持在经调整的SOC操作窗口内。
通常，尽管不是严格要求，但是该方法可以进一步包括从电池管理单元接收信号的步骤，该信号包括指示电池组组件的SOC的数据。从电池管理单元接收包括指示电池组组件的SOC的数据的信号的步骤通常可以在确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤之前执行。另外，从电池管理单元接收包括指示电池组组件的SOC的数据的信号的步骤通常可以在控制车辆电气系统的步骤之前执行，使得电池组组件的SOC保持在经调整的SOC操作窗口内。
根据一个示例实施例，该方法进一步包括将所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量重置，并且将所确定的SOC操作窗口裕度重置为默认SOC操作窗口裕度的步骤。
通常，尽管不是严格要求，但是在SOC重新校准操作之后，执行将所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量重置，并将所确定的SOC操作窗口裕度重置为默认SOC操作窗口裕度的步骤。以这种方式，可以以更精确的方式执行SOC的重新校准。
确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤可以几种不同的方式发起。通常，确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤可以由来自电池管理单元的控制信号发起。举例来说，确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤是响应于电池组组件的接触器处于闭合状态(即，电池组组件准备好传递和接收电能)的指示而执行的。根据一个示例实施例，通过从电池组组件接收用于监视电池组组件的能量或电流的流入以及能量或电流的流出的指示来发起确定电池的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤。来自电池组组件的指示通常在控制单元处被接收。另外地或可替代地，来自电池组组件的指示通常在电池管理单元处被接收。该指示通常是指指示电池组组件的接触器处于闭合状态的数据。然而，还应当容易理解，该方法可以在车辆的操作期间以连续的方式执行。
根据一个示例实施例，通过测量在电池组组件的电流流入时的能量或电流的流入以及在电池组组件的电流流出时的能量或电流的流出来执行确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤。
通过示例的方式，上述步骤，即确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤，是通过布置被配置为测量在电池组的电流流入时的能量或电流的流入以及在电池组的电流流出时的能量或电流的流出的测量传感器来执行的。
根据一个示例实施例，电动车辆系统包括被配置为测量以安培为单位的电流的测量传感器单元。测量传感器单元可以是能够测量通过电池组组件的电流的流入和流出的任何其它传感器单元。这些类型的传感器单元通常可用，可以设想几个不同选项。
另外地或可替选地，测量传感器单元可以是被配置为测量和计算能量吞吐量的电压传感器。即，通过对电流和电压随时间的乘积进行积分或求和来计算能量吞吐量。
应注意的是，电池组组件可以指一个或多个电池组。另外，应注意的是，电池组组件可包括不同类型的电池。举例来说，电池组组件中的任何一个电池是锂离子电池或钠离子电池中的任何一种。钠离子电池通常包括任何类型的钠铁电池或铁氧体钠电池。
如上所述，通常对应于方法的步骤的该方法的示例实施例和该方法的序列，由控制单元执行。因此，根据一个示例实施例，该方法的步骤由控制单元执行，通常在使用电池组组件期间由电动车辆系统执行。
只要车辆是可操作的，该方法就可以连续运行，但是当在充电操作期间，车辆是非可操作并且使用电池组组件(例如在充电操作期间)时，该方法也可以连续运行。因此，短语“在电池组组件的使用期间”可以指电池组组件的充电，和在例如车辆行驶的车辆的操作期间使用电池组组件两者。
可选地，该方法还可以包括在从电池管理单元接收包括指示电池组组件的SOC的数据的信号的步骤之前将电池组组件的SOC状态和SOC操作窗口重置为SOC默认状态和具有默认上限和默认下限的SOC默认操作窗口的步骤。当在电池组组件中安装新的电池组时，将电池组组件的SOC状态和SOC操作窗口重置为SOC默认状态和SOC默认操作窗口的步骤可能是有用的。当在车辆中首次启动该方法时，将电池组组件重置为SOC默认裕度的步骤也可能是有用的。
根据一个示例实施例，电池管理单元包括控制单元和电子存储单元。此外，在一个示例实施例中，电池管理单元对应于控制单元。电池管理单元被布置成与电池组组件进行通信。另外地或可替选地，控制单元被布置为与电池组组件进行通信。此外，控制单元被包括在车辆中。因此，电池管理单元被包括在车辆中。
此外，提供了一种控制单元，该控制单元被配置为执行如上关于第一方面所述的方法的示例实施例中的任何一个示例实施例的步骤中的任何一个步骤。本发明第二方面的效果和特征在很大程度上类似于以上结合第一方面描述的那些效果和特征。
此外，提供了一种车辆，诸如完全或混合动力电动车辆，该车国内包括电池组组件和根据上述第二方面的控制单元。车辆可以是包括电动发动机的电动、混合动力或插入式混合动力车辆，其中，电池组组件向电动发动机提供动力，以为电动、混合动力或插入式混合动力车辆提供推进力。应当注意的是，车辆因此可以是全电动车辆的一部分。
此外，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码装置，当该程序在计算机上运行时，该程序代码装置用于执行第一方面的实施例中的任何一个实施例的步骤。
此外，提供了一种承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括用于当程序产品在计算机上运行时执行第一方面的实施例中的任何一个实施例的步骤的程序代码装置。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了以下描述的那些实施例之外的实施例。
附图说明
通过以下对本发明示例性实施例的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明的上述以及其它目的、特征和优点，其中：
图1是根据本发明示例实施例的电动客车形式的车辆的侧视图；
图2示意性地示出了根据本发明示例实施例的车辆电气系统的多个部分；
图3是根据本发明示例实施例的方法步骤的流程图。
图4示意性地示出了电池组组件的充电状态(SOC)操作窗口与时间的关系；
图5示意性地示出了电池组组件的能量吞吐量与时间的关系。
图6示意性地示出了描述根据本发明示例实施例的电池单元的单元模型的多个部分。
参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了透彻和完整。本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。
在整个说明书中，相同的参考字符表示相同的元素。
图1示出了包括电池组组件1的电动客车5形式的车辆。这里的电池组组件包括多个电池组。每个电池组包括多个电池单元3。电池组组件1布置成向电动发动机(未示出)提供动力，该电动发动机被布置用于向电动客车5提供推进力。电动客车5还包括电池管理单元2，该电池管理单元2被配置为控制和监视电池组组件。在该示例中，电池管理单元2被布置为控制根据示例实施例的方法，如关于图3所描述的。电池管理单元2进一步被配置为监视电池单元3的电池单元特性，诸如充电状态(SOC)和开路电压。电池管理单元的其它功能可能与安全功能有关，诸如功率状态和/或闭合接触器。
图2示意性地示出了根据本发明示例实施例的车辆电气系统的多个部分。车辆电气系统20可以被结合并安装在如上面关于图1所提到的车辆中，或者可以被结合并安装在任何其它类型的部分或全电动车辆中。
车辆电气系统20适于管理车辆的电子功能，包括但不限于向推进系统(未示出)提供电力。
车辆电气系统20包括电池管理单元2、电池组组件1、用于测量电池组组件1的电流流入和流出的传感器单元6以及用于确定电池组组件的SOC操作窗口的控制单元8。在该示例中，电池组组件包括多个电池组1a-1n，多个电池组1a-1n中的每一个电池组包括多个电池单元3。在图2中，电池组组件包括七个电池组。电池组组件中电池组的数量和电池单元的数量取决于车辆类型和安装类型等而变化。适当的电池组的一个示例是锂离子电池。
此外，在图2中将传感器单元6图示为布置在电池管理单元2中。但是，取决于传感器配置和技术，可以将传感器单元或传感器单元的多个部分类似地布置成邻近电池组组件或在电池组组件处。传感器单元应该至少被配置为与控制单元8通信，即，如本文所提到的，发送与相关测量有关的数据。传感器单元6在这里是被配置为测量以安培为单位的电流的电流传感器，或者是能够测量通过电池的电流的流入和流出的任何其它传感器。这些类型的传感器单元通常可用，可以设想几个不同的选项。而且，传感器单元可以是被配置为计算能量吞吐量的电压传感器。在本文中，术语“能量吞吐量”是功率随时间的积分，该能量吞吐量也可以被定义为离散系统(诸如车辆电气系统)的功率随时间的总和。此外，术语“功率”是电压和电流的乘积。即，通过对电流和电压随时间的乘积进行积分或求和来计算能量吞吐量。
控制单元8被布置成与电池组组件进行通信。电池管理单元2的控制单元8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，电池管理单元2的控制单元包括电子电路和连接件(未示出)以及处理电路(未示出)，使得电池管理单元2可以与车辆的不同部分(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，以便至少部分地操作客车1。电池管理单元2可以包括以硬件或软件形式的模块，或者包括部分地以硬件或软件形式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。电池管理单元2包括用于在其上存储计算机程序代码和数据的非暂态存储器。因此，电池管理单元2可以由许多不同的构造来实施。
尽管上述示例实施例包括作为电池管理单元的整体部分的控制单元，但是该控制单元也可以是车辆电气系统等的单独部分。
控制单元8被配置为估计电池组中的每个电池组的SOC。然而，控制单元通常被配置为估计整个电池组组件1的SOC。
通常，传感器单元6被布置成提供至少一个参数的测量，该参数反映电池组组件的电流流入和电流流出。例如，提供了借助于传感器单元的电池组组件的每个电池组1a到1n的电流流入I-IN的测量和电流流出I-OUT的测量。为此，电池组组件的每个电池组可操作地连接到传感器单元，以便允许传感器单元收集有关电流流入和电流流出的相关数据。附加地或可替选地，传感器单元被配置为测量电池组组件1的电流流入I-IN并测量电流流出I-OUT。
与电流流入和电流流出有关的数据被传输到控制单元8以进行进一步处理。因此，控制单元被布置为与传感器单元通信。
可替选地，提供了借助于传感器单元的电池组组件的每个电池组的能量流入E-IN的测量和能量流出E-OUT的测量。在该示例中，传感器单元通常是电压传感器，如上所述。为此，电池组组件的每个电池组可操作地连接到传感器单元，以便允许传感器单元收集有关能量流入和能量流出的相关数据。附加地或可替选地，传感器单元被配置为测量电池组组件的能量流入E-IN并测量能量流出I-OUT。
与能量流入和电流流出有关的数据被传输到控制单元8以进行进一步处理。因此，控制单元被布置为与传感器单元通信。可替选地，如上所述，基于所测量的数据在传感器单元中确定能量吞吐量，并且随后将其传输至控制单元。
因此，传感器单元6可操作地连接至控制单元。传感器单元6与控制单元8之间的通信可以通过有线连接、无线或通过诸如蓝牙等的任何其它技术来进行。
控制单元还可以配置用于处理除了电流流入和电流流出以外的其它参数。例如，控制单元可以被配置用于处理电池组组件的能量流入和能量流出。这些参数的两种类型都可以用于确定如本文所述的SOC操作窗口。
然而，电池组组件的能量流入和能量流出通常是通过使用相应的电流流入和电流流出作为输入数据以及电压作为附加输入数据的计算来确定的。随后，通过对电流和电压随时间的乘积求和来获得能量吞吐量。
另外，SOC操作窗口可以通过例如在例如控制单元8上运行的算法来确定。该算法通常被存储在控制单元中。
SOC算法通常估计电池组组件当前时刻的充电水平。此外，SOC算法可以反映与在计算的当前寿命时的额定标称容量Qbatt(Ah)相比，在计算的当前时刻时的电池组组件的剩余容量Qact(Ah)的量。SOC算法应以百分比呈现。
作为示例，控制单元被配置为基于以下算法确定SOC：
Figure BDA0002545261460000151
其中，
SOC是电池组组件当前时刻的充电水平；
Qact是电池组组件的剩余容量的量；以及
Qbatt是计算的当前使用年限时的额定标称容量
另外，控制单元被配置为基于另一种算法来确定SOC操作窗口。举例来说，控制单元被配置为基于以下算法来确定SOC操作窗口：
SOC裕度＝K×能量吞吐量(等式2)
其中，
K是常数参数；
SOC裕度是以百分比表示的SOC窗口裕度；以及
能量吞吐量是如以下在等式5中确定的电池组组件的能量吞吐量。
根据等式2，然后可以确定SOC窗口上限和SOC窗口下限，其中：
SOC窗口，上限＝SOC窗口，上限，默认-SOC裕度(等式3)
SOC窗口，下限＝SOC窗口，下限，默认+SOC裕度(等式4)
其中，
SOC窗口，下限，默认是反映了SOC窗口下限的默认值的常数参数；以及
SOC窗口，上限，默认是反映了SOC窗口上限的默认值的常数参数。
常数参数K和SOC窗口，下限，默认和SOC窗口，上限，默认通常是存储在控制单元中的预确定参数。
控制单元可选地还包括估计车辆电气系统中的电池组组件中的电池组之间的SOC转移的功能，以便确保可以激活和发起适当的动作。适当动作的一个示例涉及确保电池组之间的SOC均衡。
现在转向图3，描绘了根据本发明示例实施例的方法的流程图。该方法旨在确定车辆中的电池组组件的经调整的SOC操作窗口。举例来说，该方法旨在通过车辆中的电池组组件的经调整的SOC操作窗口来控制如上面关于图1和2所述的车辆电气系统。该方法的序列通常由传感器单元6和控制单元8执行，如以上关于图1和2所述的。但是，该方法的序列同样可以由其它类型的组件和其它技术执行，只要该方法可以提供相关的功能和效果。
因此，在参考图3的同时，描绘了确定车辆中的电池组组件的经调整的SOC操作窗口的方法100。根据该示例实施例的方法包括以下步骤：
-确定120电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量，能量吞吐量或电流吞吐量分别被定义为电池组组件中功率的流入和流出的总和或电池组组件中的电流的流入和流出的总和；
-基于所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量来确定130SOC操作窗口裕度；
-响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整140SOC操作窗口。
根据该方法的示例实施例，SOC操作窗口裕度的大小在这里是所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的函数，这在下面关于图4和5进一步描述。
在一个示例中，当该方法旨在通过经调整的SOC操作窗口来控制车辆电气系统时，该方法可以可选地包括从电池管理单元接收110包括指示电池的SOC的数据的信号的步骤。
通常，虽然严格地不是必需的，但是该方法进一步包括控制车辆电气系统的步骤150，使得电池组组件的SOC保持在经调整的SOC操作窗口内。举例来说，通过控制推进电机的扭矩和速度使得流入和流出电池的电流将电池SOC保持在电池SOC操作窗口内来实现步骤150。
应当容易理解的是，从电池管理单元接收包括指示电池组组件的SOC状态的数据的信号的步骤110通常是指电池组组件的所估计的SOC状态。所估计的SOC状态通常是指以百分比(％)表示的SOC状态值。
确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤可以几种不同的方式发起。在该示例中，响应于电池组组件的接触器处于闭合状态，即电池组组件准备好传递并接收电能的指示，来执行确定电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤。如本领域中公知的，接触器的状态可以由传感器等进行监视。来自电池组组件的指示通常在控制单元处接收。这里的指示是指示电池组组件的接触器处于闭合状态的数据。
确定电池的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤120是通过测量在电池组组件的电流流入时的能量或电流的流入以及在电池组组件的电流流出时的能量或电流的流出来执行的。
作为示例，步骤120是通过布置被配置为测量在电池组的电流流入时的能量或电流的流入以及在电池组的电流流出时的能量或电流的流出的测量传感器单元来执行的。传感器单元在此指的是例如图2中的传感器单元6。
此外，如果方法被配置为在步骤120中确定能量吞吐量，则步骤120通常包括通过以下公式计算能量吞吐量：
能量吞吐量＝∑(电压×电流)(等式5)
其中，
能量吞吐量是电池组组件的能量吞吐量；
电压是通过电池组组件的电压；以及
电流是通过电池组组件的电流。
通常，尽管不是严格要求，但是如上所述，通过对来自位于传感器单元6中的两个传感器的电压数据和电流数据的乘积随时间进行积分来获得能量吞吐量。因此，如果该方法被配置为在步骤120中确定能量吞吐量，则步骤120通常包括测量电池组组件的电流吞吐量和电压吞吐量，并且随后对电流吞吐量与电压吞吐量的乘积求和以接收能量吞吐量。如上面关于图2所提到的，可以例如由传感器单元6来执行通过电池组组件的电流和通过电池组组件的电压的测量。因此，传感器单元被配置为测量通过电池组组件的电流和通过电池组组件的电压。随后，传感器单元被配置为通过使用与通过电池组组件的电流和通过电池组组件的电压有关的数据来计算如上所述的通过电池组组件的能量。
另一方面，如果方法被配置为在步骤120中确定电流吞吐量，则步骤120通常包括测量电池组组件的电流吞吐量。如上面关于图2所提到的，可以例如由传感器单元6执行通过电池组组件的电流的测量。因此，传感器单元在此被配置为测量通过电池组组件的电流。
与电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量有关的数据通常按顺序而不是连续地传输到控制单元。但是，取决于车辆电气系统的类型和配置，两种选择都是可以想到的。
在步骤130中，即，为了基于所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量来确定SOC操作窗口裕度，控制单元被配置为基于如上文提到的等式2中的算法来确定SOC操作窗口。
当基于所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量确定了SOC操作窗口裕度时，该方法通常继续进行到步骤140。
在步骤140中，该方法响应于从步骤130确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口。在该示例中，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤140是通过将SOC操作窗口的下端极增加所确定的SOC操作窗口裕度来执行的。另外地或可替选地，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤140是通过将SOC操作窗口的上限减小所确定的SOC操作窗口裕度来执行的。这两个替代方案中的每个替代方案通常形成非对称经调整的SOC操作窗口。
然而，为了形成对称经调整的SOC操作窗口，响应于所确定的SOC窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤140通常是通过将SOC操作窗口的下限增加所确定的SOC窗口裕度并通过将SOC操作窗口的上限降低所确定的SOC窗口裕度来执行的。
举例来说，可选地，首先将SOC操作窗口设置为其最佳极限，例如对应于20％SOC的SOC下限和对应于60％SOC的SOC上限。当能量吞吐量增加时，SOC操作窗口极限更具有限制性，以反映SOC精度裕度。例如，SOC下限增加到21％，并且SOC上限减少到59％。
举例来说，可以利用如上所述的等式4来增加SOC操作窗口的下限。例如，SOC下限从20％增加到21％。
此外，举例来说，可以利用如上所述的等式3来减小SOC操作窗口的上限。例如，SOC上限从60％降低到59％。
此外，可以执行响应于所确定的SOC窗口裕度来调整SOC操作窗口的步骤140，以形成非对称经调整的SOC操作窗口或对称经调整的SOC操作窗口。执行对SOC操作窗口的非对称调整是有用的，因为与较高SOC相比，超过较低SOC可能不那么重要(反之亦然)。因此，为了优化能量含量，同时又不对SOC操作窗口进行过度和不必要的适配，可能有用的是，在某些情况下仅减小SOC下限，同时保持SOC上限，从而形成非对称经调整的SOC操作窗口。对称经调整的SOC操作窗口通常对应于调整SOC操作窗口的基本方法，即，以相等的幅度相等地调整SOC操作窗口的上限和下限。
如可以从图4和图5收集的，SOC操作窗口裕度的大小与所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量成比例(即，作为其函数)。也就是说，图4和图5示出了能量吞吐量和SOC操作窗口之间的相关性，并且图4和图5中的时间轴线彼此对应。
图4示意性地示出了电池组组件的充电状态(SOC)操作窗口与时间的关系。如所示出的，SOC操作窗口极限(上限和下限两者)在车辆驾驶周期中不是恒定的，而是取决于通过电池组的能量或通过电池组的电流。此外，当能量吞吐量增加时，SOC操作窗口极限更具限制性。还可以看出的是，当执行SOC校准时，SOC操作窗口极限会被重置为其原始默认值。
图5示意性地示出了电池组组件的能量吞吐量与时间的关系。如所示出的，能量吞吐量随着电池使用而增加。然而，增加速率不是恒定的，因为它取决于流过电池的功率。还可以看出的是，当执行SOC校准时，能量吞吐量计算被重置为零。
可选地，如图3所示，该方法进一步包括重置所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤160。另外地或可替选地，在步骤160中，该方法还包括将所确定的SOC窗口裕度重置为默认SOC窗口裕度的步骤。在SOC重新校准操作之后，执行将所确定的电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量重置并且将所确定的SOC窗口裕度重置为默认SOC窗口裕度的步骤。
SOC校准或SOC重新校准操作通常包括确定电池组组件的SOC的步骤。可以以几种不同的方式来获得确定电池组组件的SOC。现在将关于图6描述确定电池的SOC的一个示例，图6示出了包括电池单元的等效电路的单元模型。示例性等效电路模型200包括单个RC电路以对电池单元建模。示例性的基于RC的等效电路模型用于确定电池单元的充电状态水平，诸如电池单元3a的充电状态(SOC)水平，并且通常由上述控制单元实现以便处理模型和现实世界电压对电流的响应之间的偏差。可以使用直接电池测量通过电池模型上的实时参数估计方法来计算电池单元的特性。电池单元充电状态估计可以例如基于所测量的电池电流输入和电池端子电压。
关于图6描述的等效电路模型由与并联电容C串联的有源电解质电阻(或内电阻)R0和极化电阻(或内电阻)R1组成。u_cell指电池单元端子电压输出，i_cell指电路中的电流，并且u_OCV指电池开路电压。对于术语u_OCV、R0、R1和C的给定值，端子电压u_cell可以表示为电流i_cell的函数。通常，R0和R1随着使用年限而增加，而电池单元容量(图中未示出)则随着使用年限而降低。
通过电池单元3a的等效电路模型，变得可以确定电池单元的充电状态水平。这样，可以监视电池系统的电池单元的充电状态水平。通常，基于在图6中用uOCV表示的电池系统开路电压(OCV)估计和确定电池单元的SOC。通过OCV确定电池单元SOC在本领域中是众所周知的，并且通常通过测量电池单元的OCV来执行。当电池单元与任何外部负载断开连接且没有外部电流流过电池单元且任何内部电容器已放电时，通过测量电池单元的端子电压输出ucell来确定电池单元的OCV。OCV与电池单元的SOC直接相关，因此上述方法适合于测量和确定电池单元和电池系统的SOC。
可选地，该方法进一步包括在从电池管理单元接收包括指示电池组组件的SOC的数据的信号的步骤110之前，将电池组组件的SOC状态和SOC操作窗口重置为SOC默认状态和具有默认上限和默认下限的SOC默认窗口的步骤。当在电池组组件中安装新的电池组时，将电池组组件的SOC状态和SOC操作窗口重置为SOC默认状态和SOC默认窗口的步骤可能是有用的。当在车辆中首次发起该方法时，将电池组组件重置为SOC默认裕度的步骤也可能是有用的。
在本文描述的所有示例实施例中，或在任何其它示例实施例中，电池组是锂离子电池或钠离子电池中的任何一个。
在本文所述的所有示例实施例中，或在任何其它示例实施例中，方法的步骤通常在电动车辆系统使用电池组组件期间由控制单元执行。因此，控制单元被配置为执行如上关于图1至图6所描述的示例实施例中的任何一个示例实施例的步骤中的任何一个步骤。
示例实施例的控制功能可以使用现有的计算机处理器来实现，或者通过为此目的或其它目的而被结合的用于适当系统的专用计算机处理器来实现，或者通过硬线系统来实现。本公开范围内的实施例包括程序产品，该程序产品包括机器可读介质，该机器可读介质用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构。这样的机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。举例来说，此类机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储设备，或可以用于承载或存储机器可执行指令或数据结构形式的期望程序代码的任何其它介质，并且其可以由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问。当信息通过网络或另一通信连接(硬连线，无线或硬连线或无线的组合)被传送或提供给机器时，机器适当地将该连接视为机器可读介质。因此，任何这样的连接被适当地称为机器可读介质。以上的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机执行某些功能或一组功能的指令和数据。
尽管附图可能显示顺序，但步骤的顺序可能与所描绘的顺序不同。同样地，可以同时或部分同时执行两个或更多步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样地，可以使用具有基于规则的逻辑和其它逻辑的标准编程技术来完成软件实现，以完成各种连接步骤、处理步骤，比较步骤和决策步骤。另外，即使已经参照本发明的特定示例实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变，修改等将变得显而易见。
应理解的是，本发明不限于上述实施例和附图中所示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内做出许多改变和修改。例如，尽管已经主要关于电动客车描述了本发明，但是应当理解本发明同样适用于任何类型的电动车辆。

Claims (16)

1.一种用于确定车辆中的电池组组件的经调整的充电状态(SOC)操作窗口的方法(100)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-确定(120)所述电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量；
-基于所确定的所述电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量来确定(130)SOC操作窗口裕度，其中，所述SOC操作窗口裕度的大小是所确定的所述电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量的函数；以及
-响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整(140)所述SOC操作窗口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整所述SOC操作窗口的步骤(140)通过将所述SOC操作窗口的下限增加所述所确定的SOC操作窗口裕度和/或通过将所述SOC操作窗口的上限减小所述所确定的SOC操作窗口裕度来执行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于所确定的SOC操作窗口裕度来调整所述SOC操作窗口的步骤(140)被执行以形成非对称的经调整的SOC操作窗口或对称的经调整的SOC操作窗口。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括控制(150)所述车辆电气系统，使得所述电池组组件的所述SOC保持在所述经调整的SOC操作窗口内的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括从电池管理单元接收(110)信号的步骤，所述信号包括指示所述电池组组件的所述SOC的数据。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括将所确定的所述电池组组件的能量吞吐量或电流吞吐量重置，并且将所确定的SOC操作窗口裕度重置为默认SOC操作窗口裕度的步骤(160)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在SOC重新校准操作之后执行所述步骤(160)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过在控制单元处接收来自所述电池组组件的监视所述电池组组件的能量或电流的流入以及所述电池组组件的能量或电流的流出的指示，来发起确定所述电池的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤(120)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过测量在所述电池组组件的电流流入时的能量或电流的流入以及在所述电池组组件的电流流出时的能量或电流的流出来执行确定所述电池的能量吞吐量或电流吞吐量的步骤(120)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述步骤(120)通过布置被配置为测量在所述电池组的电流流入时的能量或电流的流入以及在所述电池组的电流流出时的能量或电流的流出的测量传感器来执行。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电池组组件包括锂离子电池或钠离子电池中的任何一个。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法的步骤由控制单元执行。
13.一种计算机程序，包括程序代码装置，当所述程序在计算机上运行时，所述程序代码装置用于执行根据权利要求1至12中的任一项所述的步骤。
14.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质承载包括程序装置的计算机程序，当所述程序装置在计算机上运行时，所述程序装置用于执行权利要求1至12中的任一项所述的步骤。
15.一种控制单元，所述控制单元被配置为执行权利要求1至12中的任一项所述的步骤中的任何一个步骤。
16.一种车辆(5)，诸如完全或混合动力电动车辆，包括电池组组件和根据权利要求15所述的控制单元。
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