CN112297945A - 电动汽车中预测电池热管理的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制电动车辆中的牵引电池的冷却的方法，其中该方法包括基于描述从起点到目的地的路线的路线信息并基于当前电池状态确定用于计划路线的区段的电池温度曲线，和基于所述电池温度曲线确定用于所述路线的区段的电池冷却曲线。借助于所述路线信息和电池状态，能确定电池冷却曲线以便使冷却所述电池所需的功率最小。由于路线信息能提供与影响沿着路线的功耗的参数的范围有关的信息，因此还可以针对整个路线估算电池的冷却需求。

Description

电动汽车中预测电池热管理的方法和系统
技术领域
本公开涉及一种用于电动车辆中的预测电池热管理的方法和系统。
背景技术
车辆的推进技术(Propulsion technologies)正在不断发展以减少对化石燃料的依赖，而电驱动系统是内燃发动机的有前途的替代方案。为了促进大规模引入包括电驱动系统的车辆，需要开发既提高燃料效率又具有成本竞争力的电驱动系统。
纯电动汽车需要相对较大的推进电池，在从该推进电池中汲取能量时该电池会产生热量。为避免电池过热，采用了电池热管理(battery thermal management，简称BTM)系统。用于冷却电动车辆中的推进电池的传统电池热管理系统可能试图将电池温度维持在指定水平而不考虑电池外部的参数。
由于电池温度会因车辆加速和减速而迅速升高，并且BTM系统的响应带宽有限，因此通常将期望的电池温度设定值选择为远低于最佳操作范围的上限，以确保温度在瞬变期间保持在限制范围内。
但是，由于电池热管理系统中的冷却系统需要同样从电池汲取的功率，因此期望使电池热管理系统的功耗最小化。降低的冷却功耗也导致车辆的行驶距离增加。因此，期望在电动车辆中提供进一步改进和完善的电池热管理系统。
发明内容
通常，所公开的主题涉及一种用于控制电动车辆中的牵引电池的冷却的方法，其中所述方法包括基于描述从起点到目的地的路线的路线信息并基于当前电池状态来确定用于计划路线的区段的电池温度曲线，和基于所述电池温度曲线确定所述路线的区段的电池冷却曲线。借助于所述路线信息和所述电池状态，能确定电池冷却曲线以便使冷却所述电池所需的功率最小化。由于所述路线信息能提供与影响沿着路线的功耗的参数的范围有关的信息，因此还可以针对整个路线估算电池的冷却需求。这意味着可能仅当按计划的预测路线或路线中的特定区段会导致电池过热时才使用冷却系统。因此，如果预测电池将保持在用于预定路线的所需温度范围内，则可能在接近上限温度的温度处操作电池，即减少冷却。
在本发明的一个实施例中，所述电池冷却曲线被优化，目的是最小化用于所述计划路线冷却电池所需的功率。这种优化可包括检测电池温度曲线中在不主动冷却所述电池的情况下电池温度降低的区域；并且配置所述电池冷却曲线以使电池温度在到达所述冷却区域时处于预定温度值。因此，如果事先知道电池会在路线的特定部分自然冷却(即不使用冷却系统冷却)，则能允许电池在其将自然冷却的部分之前的路线部分中达到较高的温度，从而降低电池热管理系统的功耗。
本发明还涉及一种电池热管理系统，其包括配置为采用所述方法的控制单元，并且涉及一种包括这种系统的车辆。
附图说明
现在将参照示出本发明示例实施例的附图来更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1是概述根据本发明实施例的方法的一般步骤的流程图；
图2是概述根据本发明实施例的方法的一般步骤的流程图；
图3是其中可以实施根据本发明实施例的方法的路线的示意图；
图4示意性地示出了根据本发明实施例的电池温度曲线和电池冷却曲线；
图5示意性地示出了根据本发明实施例的电池温度曲线和电池冷却曲线；和
图6示意性地示出了包括根据本发明实施例的系统的车辆。
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当前优选实施例。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性，并将本发明的范围完全传达给技术人员。全文中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1和图2是概述根据本发明实施例的用于控制电动车辆中的牵引电池的冷却的方法的一般步骤的流程图。可以假定该方法由车辆的电池热管理系统中的电池冷却控制单元执行，并且将进一步参考图3进行描述，图3示出了车辆可以沿其行驶的路线300，其中可以使用该方法。
由图1公开并且由图3进一步示出的方法包括：基于描述从起点302到目的地304的路线300的路线信息并基于当前电池状态，确定100用于计划路线300的区段306a-d的电池温度曲线；并基于所述电池温度曲线确定102用于计划路线的区段306a-d的电池冷却曲线。
图4示出了电池温度曲线400(Tbatt)以及电池冷却曲线402的示意性示例，其中电池冷却曲线由提供给电池冷却系统的功率Pcool表示。所示的电池温度曲线400和电池冷却曲线402可被认为代表路线的一个区段。
用作用于确定电池温度曲线的基础的路线信息首先包括路线300的起点302和目的地304，如图3所示，从而给出行驶距离。此外，路线信息可以包括以下各项中的任何一项或全部：速度限制、道路类型、道路海拔剖面(road elevation profile)、建筑施工、交通流量、天气信息或任何其他可能影响电池功耗并进而影响电池温度曲线的参数。应当注意，本文描述的实施例不限于用于确定电池温度曲线的一个特定模型，而是可以使用许多不同的模型。要使用哪种模型可能部分取决于哪些信息可用。该模型也可以是自适应模型，其使用可用信息来在给定可用信息的情况下以可能的最佳准确性来确定电池温度曲线。信息量和模型的准确性还可以指示预测窗口的最大范围，即，能以足够的准确性预测电池温度的距离和/或时间有多长，从而确定区段的长度。预测窗口还取决于路线信息，例如与具有可变速度限制和高交通密度的道路相比，更容易预测具有固定速度限制和低交通量的道路部分的电池温度曲线。因此，区段的长度可以基于路线的道路的速度限制。
因此，取决于可用信息的量和模型的性质，预测窗口可能不同，并且因此区段的长度可能不同。如果预测窗口长于或等于所建议区段的长度，则能确定整个区段的电池冷却曲线，但是如果预测窗口短于所建议的区段，则区段的长度可以被限制为预测窗口的长度。因此，该方法可包括确定用于多个区段的电池温度曲线和电池冷却曲线，从而使得有可能确定用于整个路线的电池冷却曲线。
例如能从车辆的在线或离线导航系统获取路线信息。也可以使用车辆的无线连接从远程服务器或云环境中获取路线信息。此外，可以由车辆驾驶员提供某些路线信息。除了通常由驾驶员确定的目的地之外，驾驶员还可以提供描述沿路线的计划停止的信息。计划的停止例如可以是计划的午餐休息时间或其他停止。如果路线包括计划停止，则驾驶员也可以将计划停止定义为车辆将在指定的时间段被充电的充电停止。驾驶员还可以定义计划停止，并且车辆控制系统可以确定计划停止的地点是否具有充电能力。可能的充电位置信息可以存储在车辆本地或在线获取，并且可以在确定电池冷却曲线时使用。
该方法还可以包括如果驾驶员沿路线请求一个或多个停止，则建议用于充电停止的合适位置。因此，可以基于计划停止的信息来确定电池温度曲线和所得到的电池冷却曲线，并且区段的长度可以基于沿路线的充电站的位置。
电池状态优选地包括确定电池的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)，因为SoC和SoH都影响电池的温度特性并因此影响冷却需求。通常，在低SoC且为了降低SoC时，电池的内部电阻会增加。内部电阻的增加反过来导致较高的热损失，随后需要增加冷却。
特别地，与SoC结合的路线信息提供指示在路线中是否需要对电池进行再充电，或者是否有可能在不进行充电停止的情况下行驶整个路线。在充电停止期间，电池将自然冷却，电池也可通过电池冷却系统使用来自电网的电力进行冷却，从而减少了为冷却电池而需要由车辆提供的功率。因此，充电停止可以是驾驶员要求的停止或者是用于给电池充电的必要停止。在这两种情况下，都可以考虑计划的停止来确定电池冷却曲线。
优选地，确定电池冷却曲线以最小化用于计划路线的冷却电池所需的功率。这可以通过考虑所描述的路线信息和电池状态来完成，以便基于确定的电池温度曲线在不需要时不对电池进行冷却。
图4的电池温度曲线400进一步示出了环境温度Tamb，目标温度Ttarget和最大允许温度Tmax。如图4的第一区域404所示，如果电池温度Tbatt低于目标温度，则认为不需要冷却电池。当电池达到目标温度时，可能需要冷却电池，其取决于在不冷却的情况下温度曲线会如何发展。此处，确定如果不提供冷却，电池温度是否将达到最大允许温度。在所示示例中，如第二区域406中的电池冷却曲线402所示，激活电池冷却。
例如，可以通过控制电池冷却系统中的冷却剂流量或通过控制电池冷却系统中的其他参数来控制提供给电池的冷却量。
图4的第三区域408示出了电池温度的升高，其需要增加电池冷却功率以防止电池温度达到最大允许温度。温度升高例如可以是速度提高或爬坡的结果。在随后的第四区域410中，减少了电池冷却的需要。最大允许温度优选被确定为使得对于电池的临界工作温度存在不能超过的裕度。例如，最大允许温度可以被设定为使得如果电池温度处于最大允许温度并且意外地从电池汲取了最大功率，可能防止电池达到临界电池温度。
在本发明的示例实施例中，目标温度可以是30℃，并且最大允许温度可以是～50℃。如前所述，Ttarget和Tmax均可根据电池状态(例如SoC和SoH)而变化，并且如果电池状态发生变化，可能在路线过程中更改Ttarget和Tmax。电池冷却控制系统可以进一步包括确定电池冷却系统的优先级的中间温度水平。例如，可能在Ttarget与Tmax之间存在中间阈值温度，并且如果电池温度超过中间阈值温度，则电池冷却系统优先于需要冷却的其他车辆子系统，而如果电池温度低于中间阈值温度，它可以在正常或低优先级下运行。
由图2的流程图描述的并且由图5进一步示出的方法包括：检测200电池温度曲线500中在不主动冷却电池的情况下电池温度降低的冷却区域510；并且确定202电池冷却曲线500以使得当电池温度到达该冷却区域时处于预定温度值。预定温度值Tend高于目标电池温度，但低于最大允许电池温度。
为了最小化电池冷却系统的功耗，所描述的方法包括识别出电池温度曲线中在不主动冷却所述电池的情况下电池温度降低的区域，以及减少或消除导致冷却区域的区域中的主动冷却。当车辆处于诸如计划的休息、充电停止等的停止时，可能出现这种冷却区域。由于交通缓慢或交通堵塞、桥洞、火车岔口、长下坡等情况(其可以是用于确定电池温度曲线的路线信息的一部分)，也可能出现自然冷却区域。
如图5所示，第一区域504示出了升高的温度，其触发了对主动冷却的需要以降低电池温度，如第二区域506所示。然而，在下一个区域508中，即使电池温度升高也不向冷却系统提供功率，因为已知温度升高的第三区域508之后是电池温度自然降低的第四区域510，即冷却区域。因此，所述电池冷却系统被控制为使得电池在到达冷却区域510时处于比目标温度高出最大允许温度Tmax以下或高出最大允许温度Tmax的温度Tend。由此，通过预测自然冷却的区域并基于这些区域调整电池冷却曲线，能最小化冷却系统的总功耗。
该方法还可包括基于路线信息和电池状态确定电池电流曲线。基于路线信息，能预测推进所需的功率，该功率又可以转换为从电池汲取的电流。用于确定电池温度曲线的模型还可以包含存储的信息或描述所需的推进功率与所得电池温度之间关系的模型。此外，在确定电池冷却曲线时，优选考虑来自再生制动的再生电流的影响。
该方法还可以包括至少部分地基于用于相同路线的先前测量的电池温度曲线来确定用于计划路线的电池冷却曲线。对于每个行进路线，电池冷却管理系统可以存储电池温度曲线和电池冷却曲线，以及测量的电池温度曲线和实际的、真实的电池冷却曲线。因此，如果将路线输入到之前已经行驶过的导航系统中，则确定的电池冷却曲线可以基于相同路线的先前知识。该方法还可以包括补偿与所存储信息相比的一个或多个参数的差异，例如不同的环境温度、交通状况等。由此，冷却管理系统可以获悉特定重复路线的最佳冷却特性，这例如对于经常重复的通勤是非常有利的。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括检测与计划路线的偏离，并基于检测到的偏离来更新电池冷却曲线。如果驾驶员偏离预测路线，则电池热管理系统可以基于部分或整个的新路线来更新电池冷却曲线。此外，如果驾驶员返回到先前计划的路线，则可以使用先前存在的电池冷却曲线。如果驾驶员偏离了计划路线并且如果电池热管理系统不知道目的地，则可以根据将电池控制在目标温度的标准冷却方案进行操作。
此外，该方法还可以包括：如果所测量的电池温度偏离基于电池温度曲线的预期电池温度超过预定差值，则确定用于当前区段的新的电池温度曲线。冷却系统控制单元可包括在后台运行的算法，例如在线估算器，如果输入参数与用于确定原始电池冷却曲线所使用的不同，则能够重新计算电池冷却曲线。
当确定电池温度曲线和电池冷却曲线时，该方法可以包括假设车辆例如通过自动巡航控制系统以限速行驶，或者车辆以半自动或全自动驾驶模式操作。此外，可以假设驾驶员遵循来自系统的涉及例如充电停止等的指令。
图6示意性地示出了包括根据本发明实施例的电池热管理系统601的车辆600。电池热管理系统601包括：电池冷却系统602，其被设置和配置为冷却电动车辆600的牵引电池604；以及电池热管理系统控制单元606，其被配置为基于描述从起点到目的地的路线的路线信息并基于当前电池状态来确定用于计划路线的电池温度曲线，并基于电池温度曲线确定用于该路线的电池冷却曲线。
所述车辆被示出为具有四个电机608a-d，每个电机连接到车辆的每个车轮。然而，应该注意的是，所描述的方法和系统适用于包括用于车辆推进的一个或多个电机的电力推进系统的任何类型的构造。例如，车辆可以配备有后轴和/或前轴，该后轴和/或前轴仅包括一个电机，每个电机用于两轮或四轮驱动。
控制单元606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个可编程设备。控制单元还可以或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或数字信号处理器。当控制单元包括可编程设备例如上述的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器时，处理器还可包括控制可编程设备操作的计算机可执行代码。
此外，控制单元606可以是专用的控制单元，用于控制电池热管理系统并且用于执行根据本发明各种实施例的方法，但是也可能由通用控制单元提供控制单元606的所描述的功能或功能分布在几个不同的控制单元上。
即使已经参考本发明的特定示例性实施例描述了本发明，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。而且应当注意，可以各种方式省略、互换或设置系统和方法的部分，该系统和方法仍能够执行本发明的功能。
此外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的变型。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”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种用于控制电动车辆中的牵引电池的冷却的方法，所述方法包括，在电池冷却控制单元中：
基于描述从起点(302)到目的地(304)的路线的路线信息并基于当前电池状态来确定(100)用于计划路线(300)的区段的电池温度曲线；和
基于所述电池温度曲线确定(102)用于所述计划路线的区段的电池冷却曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述电池冷却曲线以最小化用于所述计划路线冷却电池所需的功率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定电池冷却曲线还包括：
检测(200)电池温度曲线中在不主动冷却所述电池的情况下电池温度降低的冷却区域；和
确定(202)所述电池冷却曲线以使所述电池温度在到达所述冷却区域时处于预定温度值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定温度值高于目标电池温度并且低于最大容许电池温度。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述区段的长度基于所述路线的道路速度限制和/或沿着所述路线的充电站的位置。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括确定用于多个区段的电池温度曲线和电池冷却曲线。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述路线信息包括计划停止的信息。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括通过确定所述电池的温度、充电状态和/或健康状态来确定当前电池状态。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：获取用于所述计划路线的交通信息和/或天气信息。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，用于所述计划路线的所述电池冷却曲线至少部分地基于用于相同路线的先前测量的电池温度曲线来确定。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定电池温度曲线包括确定电池电流曲线。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：检测与所述计划路线的偏差，并且基于所检测到的偏差来更新所述电池冷却曲线。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：如果所测量的电池温度偏离基于所述电池温度曲线的预期电池温度超过预定差值，则确定用于当前区段的新的电池温度曲线。
14.电池热管理系统(601)，包括电池冷却系统(602)和电池热管理系统控制单元(606)，所述电池冷却系统(602)被设置和配置为冷却车辆(600)的牵引电池(604)，所述电池热管理系统控制单元(606)被配置为：
基于描述从起点到目的地的路线的路线信息并基于当前电池状态来确定用于计划路线的电池温度曲线；和
基于所述电池温度曲线确定用于所述路线的电池冷却曲线。
15.根据权利要求14所述的电池热管理系统，其中，所述电池热管理系统控制单元还被配置为根据在所述路线期间确定的电池冷却曲线来控制所述冷却系统以冷却所述电池。
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