CN114726019A - 一种用于控制电池组的电连接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制电池组的电连接的方法。本发明的方法包括以下步骤:获得与电能储存系统的当前操作条件相关的操作数据,操作数据至少包括该多个电池组中的每一个的电压;至少基于电能储存系统的操作模式和电池组中的每一个的电压,并且通过允许至少两个电池组同时连接到负载,提议用于将至少该多个电池组的子集电连接到负载的连接序列;根据所提议的连接序列,将至少电池组子集电连接到负载。该方法还包括以下步骤:在将至少电池组子集连接到负载之前,并且至少基于至少电池组子集内的电池组中的每一个的内部电阻,确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件,其中仅当认为满足连接条件时,才执行将至少电池组子集连接到负载的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制电能储存系统(ESS)(诸如,车辆的ESS)的多个电池组的电连接的方法。本发明还涉及一种计算机程序、一种计算机可读介质、一种控制单元、一种电能储存系统和一种车辆。
本发明可以被应用于任何类型的电动车辆;或混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、电池电动车辆(BEV)或燃料电池电动车辆(FCEV)。虽然将关于电动公共汽车而描述本发明,但本发明不限于此特定车辆,而是还可以用于其它混合动力车辆或电动车辆,诸如,电动卡车、电动建筑设备和电动客车。本发明还可以被应用于任何其它类型的电动车辆,诸如,电动建筑设备、电动工程机械,例如,轮式装载机、铰接式运输车、自卸卡车、挖掘机和反铲装载机等。本发明还可应用于固定电能储存系统。
背景技术
电池正成为用于为车辆提供推进力的较常见的电源。这些电池通常是可充电电池,并且通常包括许多电池芯,这些电池芯可以串联或并联连接,从而形成车辆的整个电池组。通常,电池组包括许多电池芯。
为了提高电动车辆的能量储存容量和可用电功率,可以在电能储存系统中安装一个以上电池组。因此,两个或更多个电池组可以同时连接到负载,诸如,车辆的电动机。通过并联连接若干电池组,可以提高用于推进车辆的可用功率和能量。然而,如果电池组在连接时不平衡,则循环电流可能在电池组之间出现并导致不期望的电流尖峰。此外,循环电流可能降低用于车辆推进的整个能量储存系统的可用功率。因此,应避免这些循环电流和尖峰。
一种防止循环电流的方式是测量电池组的端电压,并基于此而决定是否连接电池组,因为端电压的大的差异可能指示连接时可能产生循环电流。例如,电池组可以基于它们的端电压而一个接一个地被连接。然而,考虑到车辆的可驾驶性或者为了提供尽可能大的ESS的功率能力或功率状态,这可能不是连接电池组的最佳方式。此外,由于所谓的“最薄弱环节”问题(即,最薄弱的电池组成为限制因素),具有可用功率和/或能量的大的差异的电池组的并联连接可能导致ESS的总功率和/或能量的显著降低。
US20150194707公开了一种用于控制电池组内的电池的连接的方法,该电池组包括被配置成选择性地并联连接到负载的多个电池。该方法包括取决于电池的电压,在充电模式下以升序连接电池,并且在放电模式下以降序连接电池,以便防止浪涌电流的出现。
定义
如在本申请的上下文中所使用,电能储存系统(ESS)的功率能力或功率状态(SoP)由ESS可以借以在后续关注的时间范围(即,预测时间范围)期间连续充电或放电而不违反任何电池芯级操作约束的最大恒定电流幅度或功率幅度加以定义。ESS在充电期间的SoP由ESS可以借以在预测时间范围内连续充电而不违反任何电池芯级操作约束的最大恒定电流幅度或功率幅度加以定义。对应地,ESS在放电期间的SoP由ESS可以借以在预测时间范围内连续放电而不违反任何电池芯级操作约束的最大恒定电流幅度或功率幅度加以定义。ESS的SoP可以是依据电流幅度和功率幅度中的一个或两个来确定的。ESS的SoP可以是针对充电和放电场景来并行确定的,并且在这种情况下可以包括对充电有效的电流和/或功率值以及对放电有效的电流和/或功率值。ESS的SoP也可以是仅针对充电和放电场景中的一个来预测的。贯穿本文,术语功率状态(SoP)和功率能力可以互换使用,并旨在具有相同含义。
如在本申请的上下文中所使用,在任何给定时间,电池单元的能量状态(SoE)由电池单元的剩余储存电能与总能量容量的比率给出。它也可以被理解为可在给定操作条件下,从电池单元的当前荷电状态(SoC)水平到空状态而递送到负载的总电池单元能量的一部分。
发明内容
本发明的第一目的是在至少某方面中提供一种用于控制电能储存系统(ESS)(诸如,车辆的ESS)的多个电池组的电连接的改进的方法,并且/或者在至少某方面中提供一种改进的电能储存系统(诸如,车辆的ESS)。明确地说,本发明的目的是提供一种用于在电气化车辆的驾驶期间控制多个电池组的电连接的方法,该方法能够提高车辆的可用能量和/或功率能力。另一目的是提供可以借以实现改进的驾驶体验的这样一种方法。至少第一目的至少部分由根据权利要求1所述的方法实现。
根据本发明的第一方面,提供了一种用于控制电能储存系统的多个电池组到负载的电连接的方法,该多个电池组被配置成选择性地并联连接到负载。电能储存系统可以是车辆的ESS,该方法旨在用于在车辆的操作期间控制该多个电池组到负载的电连接。该方法包括以下步骤:
-获得与电能储存系统的当前操作条件相关的操作数据,其中操作数据至少包括该多个电池组中的每一个的电压;
-至少基于电能储存系统的操作模式和电池组中的每一个的电压,并且通过允许至少两个电池组同时连接到负载,提议用于将至少该多个电池组的子集电连接到负载的连接序列;
-根据所提议的连接序列,将至少电池组子集电连接到负载。
该方法还包括以下步骤:
-在将至少电池组子集连接到负载之前,并且至少基于至少电池组子集内的电池组中的每一个的内部电阻,确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件,其中仅当认为满足连接条件时,才执行将至少电池组子集连接到负载的步骤。
通过在确定哪些电池组连接到负载时不仅考虑电压,而且考虑电池组的内部电阻,可以在连接电池组时较好地避免电流尖峰。电池组的内部电阻可以用于预测预期在连接时出现的循环电流,并且预定连接条件可以被设定以避免这些循环电流。因此,所提议的方法能够进行可行性检查,通过该可行性检查,可以确定所提议的连接序列是否实际可行,即,考虑到例如所预测的循环电流,是否可以连接。
本文所提到的电压可以是所测量的端电压和/或所估计的或以其它方式导出的开路电压(OCV)。将OCV用于提议连接序列和/或确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件对于已连接到负载的任何电池组和/或对于没有处于松弛条件下的任何电池组是有利的,这是因为所估计的OCV考虑了例如电池组的内部电阻损耗。这些电池组的OCV可以是基于与电池组的端电压、电流和温度相关的测量数据来估计的。因此,提议连接序列的步骤可以基于电池组中的每一个的所估计的OCV,其中OCV又是基于测量数据来确定的。当ESS包括已连接到负载的至少一个电池组时,和/或当至少一个断开的电池组不处于松弛条件下时,这特别有用,在这种情况下,连接的和/或未松弛的至少一个电池组的端电压可能不同于其OCV。在这种情况下,端电压可能不足以预测预期在连接额外电池组后出现的电流。在连接的和/或未松弛的电池组的情况下,OCV值可以包括真实OCV以及任何缓慢变化的动态极化两者,即缓慢变化的电压损耗可以与真实OCV集总在一起,以获得所谓的准OCV值。这在将零阶多电池模型用于连接控制时尤其重要。对于断开的和松弛的电池组来说,OCV等于或基本等于端电压,并且因此对于这些电池组来说,将端电压用作电压是足够的。
可以使用所测量的端电压和所估计的内部电压损耗来估计开路电压(OCV),其中内部电压损耗是基于所测量的电流和所估计的内部电阻来估计的。在估计中可以使用预测模型,诸如,等效电路模型(也称为戴维南模型)。存在用于基于与操作条件相关的测量数据而估计OCV的多种不同方法。例如,可以使用诸如非线性估计器等估计器(例如,某种类型的卡尔曼滤波器)以及递归非线性观测器的变体。还可以使用基于优化的估计方案来估计OCV,例如,移动视界估计、总体最小二乘、递归最小二乘等。
负载应是公共负载,即,当接通时所有电池组并联电连接到的节点或节点集合。公共负载又可以包括若干子负载,诸如,车辆的电动机和辅助装置。当两个或更多个电池组连接到负载时,连接到负载的电池组也将相互连接。
同时连接在本文中被理解为“在同一连接时刻”,即,电池组被允许在同一连接时刻电连接到负载(诸如,通过同时接通它们,即,闭合接触器)。第一所提议的连接序列通常可以包括同时连接ESS的所有或大部分电池组,或者ESS的至少两个电池组。在一些情况下,当该方法被起始时,一个或多个电池组可能已连接到负载。
操作模式可以是充电模式或放电模式。众所周知,在充电和放电期间,分别基于电池组的端电压而连接电池组。在放电期间,至少具有最高端电压的电池组可以被包括在子集中,以便在第一连接时刻被连接到负载,而在充电期间,至少具有最低端电压的电池组可以被包括在子集中,以便在第一连接时刻被连接到负载。在本文中,除了上述端电压之外或代替端电压,可以使用OCV。
该多个电池组可以根据电池组中的每一个的电压(即,端电压和/或OCV)来排序,其中连接序列可以被确定,以使得在电能储存系统的充电模式下,具有最低电压的一个或多个电池组在第一连接时刻被连接,并且具有较高电压的一个或多个电池组在第一连接时刻之后随后以升序被连接。对应地,在放电模式下,具有最高电压的一个或多个电池组在第一连接时刻被连接,并且具有较低电压的一个或多个电池组在第一连接时刻之后随后以降序被连接。
每个电池组的内部电阻可以是从获自ESS的操作数据(例如与电流、电压和温度相关的测量数据)导出的。内部电阻以及开路电压可以是在每个电池组的电池管理单元内部估计的,并作为操作数据输入到本文所述的方法,或者可以是作为本方法的一部分从所接收的测量数据估计的。因此,操作数据可以包括测量数据和/或所导出的数据,诸如,内部电池状态,例如,内部电阻和OCV。
可选地,如果认为不满足连接条件,则至少重复提议连接序列以及确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤,直到认为满足连接条件为止。并且,可以重复获得操作数据的步骤,但是此时不是必需的。连接序列的重复提议和检查可以改为是基于相同的输入操作数据来执行的。因此,可以执行基于内部虚拟反馈的内部迭代以及基于外部真实反馈的外部迭代。简单地说,对于关于电池组的当前操作条件的每个给定外部反馈数据集来说,可以执行多次内部迭代,直到在那些给定操作条件下找到可行的所提议的连接序列为止。在下一外部迭代中,提供了与当前操作条件相关的新操作数据,这可以允许确定通过多次内部迭代识别的不同的可行的连接序列。
可选地,如果针对涉及至少两个电池组的同时连接的任何所提议的连接序列,认为不满足连接条件,则该方法包括:
-受制于可预定义的功率约束,将该多个电池组中的单个电池组连接到负载;
-可选地,确定将在连接单个电池组之后将要重复提议连接序列以及确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤的最早时间点。
通过使用ESS的多电池模型,可以预测直到可以连接一个以上电池组为止的时间。最早时间点可以是基于这种预测来设定的。它可以被设定为那个特定时间,或者那个时间的一部分。功率约束可以被设定成使得单个电池组被连接,假定它将提供足够的功率来推进车辆。以这种方式,将防止车辆的不期望的中途停止。可以简单地基于电压或功率状态(SoP)来选择要连接的电池组。因此,可以在放电期间连接具有最高电压或最高可放电SoP的电池组,以使得提供了足够的功率来推进车辆。对应地,可以在充电期间连接具有最低电压或最高可充电SoP的电池组,以使得满足了某最低再生功率要求,尤其是在下坡行驶时。
如果至少两个电池组不可连接,并且如上所述单个电池组到负载的连接得到允许,则可以预测所谓的“连接时间”。仅在那个时间已逝去之后,或者在那个时间的预定一部分已逝去之后,迭代提议连接序列以及确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤。这可以降低计算成本,并有助于获得较可预测的驾驶体验,而无需中途停止。
可选地,预定连接条件至少包括预定循环电流连接条件,该预定循环电流连接条件与预期在电连接该电池组子集时在电池组之间流动的循环电流相关,并且可选地还包括预定功率状态连接条件,该预定功率状态连接条件与在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集之后的电能储存系统的总功率状态相关,并且/或者可选地包括预定能量状态连接条件,该预定能量状态连接条件与在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集之后的电能储存系统的总能量状态相关。
循环电流通常只预期在不平衡的电池组之间流动。这种循环电流可能在ESS内导致不期望的电流尖峰。ESS的部件(诸如,电池芯、接触器、熔断器等)通常是针对特定电流而设计的,并且可能受到这些电流尖峰的伤害。通过设定必须满足的循环电流连接条件以便根据所提议的连接序列来连接电池组,可以避免这种情况。
可选地,确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤至少包括:
-至少基于电池组中的每一个的内部电阻和开路电压,预测预期在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集时在电池组之间流动的循环电流的幅度,
-确定循环电流的预测幅度是否在预定的可允许范围内。
通过预测循环电流的幅度,可以确定在连接电池组时,电能储存系统的电池芯、接触器、熔断器等将是安全的,即,不会受到过大的电流尖峰的伤害。因此,将确保ESS的部件不会被它们未被设计成处置的循环电流损坏。可以使用多电池预测模型来预测循环电流的幅度。这种多电池预测模型(优选是动态多电池模型)可以取决于电池组之间的荷电状态(SoC)水平、健康状态(SoH)和温度的估计差异而预测与电池组之间的电流分配相关的信息。可以使用并联多电池系统的动态状态空间模型,该动态状态空间模型将每个电池组的总电能储存系统电流、初始SoC、SoH和温度值作为输入,并将个别电池组电流作为输出给出。这种模型可针对任何数量的电池组进行缩放和配置,并依据容量衰减和阻抗增长而考虑连接电阻和老化信息。它能够对ESS中的并联电池组之中的动态电流分布/分配进行基于模型的预测,从而深入了解每个个别电池单元/电池组的瞬态和稳态响应。此外,它能够理解不平衡下的电池组之中的动态相互作用(即,循环电流),以及各种内部和外部因素可能对电池组之中的电流/功率分配的影响。这种多电池模型内的任何电池组的连接或断开都可以通过在低电阻值与高电阻值之间瞬时切换来实现。简单地说,断开的电池组(即,打开的接触器)通过使其电阻无限高或者比其它连接的电池组高一个量级来模拟。当需要连接电池组(即,闭合的接触器)时,其电阻以单个步长降低到其实际值。这将允许将同一状态空间模型用于模拟恰在连接时刻之后的电流瞬变,以及在连接之后长时间的正常稳态操作期间的电池组之间的功率分配。
预定循环电流连接条件可以被视为ESS的最佳操作的必要条件,但不是充分条件。如果循环电流的预测幅度在预定的可允许范围内,则认为满足预定循环电流连接条件,并且如果没有定义其它连接条件,则认为满足预定连接条件。然而,为了进一步改进ESS的操作,需要还要求满足预定功率状态(SoP)连接条件,该预定功率状态(SoP)连接条件可以被设定以便最大化ESS的总SoP,并避免在将任何额外电池组连接到已连接的电池组之后的ESS的总SoP的降低。
可选地,预定连接条件包括预定功率状态连接条件,并且确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤包括预测在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集时的ESS的总预期功率状态(SoP)。如果所预测的总预期SoP高于预定总SoP阈值,则可以认为满足预定功率状态连接条件。例如,可以通过将每个个别电池组的SoP用作约束来计算ESS的总预期SoP,并且接着使用多电池模型以预测最大总ESS电流和/或功率,以使得通过连接的电池组中的至少一个的预测功率流达到其SoP约束,即,使得连接的电池组中的那至少一个在其SoP极限下操作。
可选地,预定连接条件包括预定功率状态连接条件,并且确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤包括:
-确定电池组子集内的电池组中的每一个的功率状态SoP,
-确定该子集内的电池组之间的功率状态差异是否低于预定功率状态差异阈值。
如果差异低于功率状态差异阈值,则可以认为满足预定功率状态连接条件。如果该子集内的电池组具有功率状态的大的扩展,则即使预期循环电流低,可能也不希望连接它们。例如,如果所提议的连接序列中的一个电池组的SoP明显低于其它电池组,则由于SoP的不匹配,可以确定无法应用所提议的连接序列。否则,个别电池组的这种SoP的不匹配可能导致ESS的总SoP将受到严重影响,因为它将受到所有电池组中的最薄弱的电池组(即,具有最低SoP的电池组)的限制。
预定连接条件还可以包括预定能量状态(SoE)连接条件。在这种情况下,确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件的步骤包括预测在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集时的ESS的总预期SoE。如果ESS的所预测的总SoE高于预定总SoE阈值,则可以认为满足预定SoE连接条件。在一些情形下,ESS的总可用能量可能特别重要。例如,当ESS用于车辆时,用户可能需要以非常低的速度缓行到车间,在这种情况下,来自ESS的总可用能量变得比ESS功率更重要。
可以组合上述连接条件,以使得例如必须满足所有条件或条件子集,以便根据所提议的连接序列而将电池组连接到负载。
可选地,提议连接序列的步骤包括:
-识别要连接的电池组子集,以及
-提议子集内的每个电池组应该被连接的时间点,诸如与子集内的其它电池组同时连接和/或随后连接。
可选地,该方法还包括:
-为电池组到负载的电连接设定优先化策略;
其中在提议该连接序列的步骤中考虑了所设定的优先化策略。
可选地,优先化策略是第一优先化策略、第二优先化策略和第三优先化策略中的一种,其中:
-使用第一优先化策略,提议连接序列以便最大化电能储存系统的功率状态,
-使用第二优先化策略,提议连接序列以便最小化至少一个电池组将被连接到负载的连接时刻的总数,以及
-使用第三优先化策略,提议连接序列以便最大化电能储存系统的能量状态。
不同优先化策略可能不总是依据所提议的连接序列而导致不同结果,因为例如最大化功率状态在许多情况下也可能导致最小化连接时刻的数量,反之亦然。因此,这些策略可能并不完全相互排斥。然而,如果在识别可行的连接序列之前需要大量的迭代,则可行的连接序列可能取决于所选择的优先化策略而不同。
优先化策略可以是预先设定的,或者可以取决于例如驾驶员偏好或车辆的驾驶模式来设定。通过最大化SoP,确保了车辆加速能力,而通过最小化连接时刻的数量,驾驶体验可能较舒适,因为每次连接尝试都会暂时降低推进功率。
可选地,预定连接条件是取决于所选择的优先化策略来设定的。例如,如果优先化策略被选择成使连接时刻的数量比SoP优先,则相比优先化策略被选择成主要最大化SoP的情况,总SoP阈值可以被设定为较低值。
可选地,该方法还包括:
-重复方法步骤,直到电能储存系统的所有电池组被连接为止。
如上所述,内部和外部迭代可以用于提议和连接可行的连接序列。
可选地,该方法还包括:
-在至少电池组子集到负载的连接之后,确定是否满足用于断开电池组子集内的至少一个电池组的预定断开条件,
-仅当满足预定断开条件时,才将该至少一个电池组与负载断开。
例如,如果两个电池组已相互连接并连接到负载,但其中一个的SoP或SoE远低于另一个,则可以决定断开这个限制的电池组,以解决最薄弱环节问题。如上所述,可以对应于连接条件来设定预定断开条件。对应地,可以提议用于断开电池组子集的断开序列,以使得通过适配上述用于将电池组与负载断开的策略来最大化ESS功率和/或能量。
根据实施例的方法可以以若干不同方式加以执行。例如,该方法可以由控制单元在设有ESS的车辆的电力推进系统使用电能储存系统期间执行。该方法也可以由不同控制单元执行。例如,每个电池组的电池管理单元(BMU)可以被配置成接收测量数据并估计相应电池组的内部电池状态,诸如,内部电阻(电阻状态,SoR),并将所估计的内部电池状态中的至少一个传达到另一控制单元,例如,能量储存系统(ESS)控制单元。控制电池组的电连接的步骤可以由ESS控制单元基于从BMU接收的、与所估计的电池状态相关的信息来执行。在一些控制架构中,ESS的一个BMU既可以充当个别电池组的BMU,也可以充当ESS主控制单元,在这种情况下,此BMU也可以用于执行根据第一方面的方法。
根据本发明的第二方面,至少第一目的由一种电能储存系统的控制单元实现,该电能储存系统包括被配置成选择性地并联电连接的至少两个电池组,其中该控制单元被配置成执行根据第一方面的方法的步骤。本发明的第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面描述的效果和特征。
根据本发明的第三方面,提供了一种计算机程序,该计算机程序包括指令,这些指令使计算机执行根据第一方面的实施例中的任一个的方法的步骤。本发明的第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面描述的效果和特征。
根据本发明的第四方面,提供了一种计算机可读介质,该计算机可读介质上存储有根据第三方面的计算机程序。本发明的第四方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面描述的效果和特征。
根据本发明的第五方面,至少第一目的由一种电能储存系统实现,该电能储存系统包括被配置成选择性地并联电连接的至少两个电池组以及根据第二方面的控制单元。
根据本发明的第六方面,提供了一种车辆,该车辆包括根据第五方面的电能储存系统。
下文描述和随附权利要求书中公开了本发明的其它优点和有利特征。
附图说明
参照附图,下文是作为示例引述的本发明的实施例的更详细描述。
在附图中:
图1示出了可以实施根据本发明的方法的车辆,
图2是根据本发明的电能储存系统的示例实施例;
图3是图示了根据本发明的实施例的方法的流程图,
图4是图示了根据本发明的实施例的方法的框图,
图5是图示了根据示例实施例提议的连接序列的图,以及
图6是图示了根据另一示例实施例提议的连接序列的另一图。
附图是示意性的,并且未必按比例绘制。
具体实施方式
在本详细描述中,主要参考全电动公共汽车来描述根据本发明的方法的实施例,该全电动公共汽车包括电池供电的电动机形式的推进系统。然而,应注意,所描述的本发明的各种实施例同样适用于广泛的混合动力和电动车辆。
图1示出了公共汽车100形式的全电动车辆的简化立体图,根据一个实施例,该全电动车辆配备有用于推进公共汽车的电力推进单元4。当然,除了电力推进单元4之外或代替电力推进单元4,可以设置其它负载,例如,需要电功率的辅助系统和/或车载充电器和/或动力输出装置。
公共汽车100承载电能储存系统(ESS)1,该电能储存系统(ESS)包括多个并联连接的电池组2,每个电池组2包括多个电池芯(未示出)。电池芯串联连接以提供具有期望电压电平的输出DC电压。合适地,电池芯是锂离子型的,但是也可以使用其它类型。每个电池组的电池芯数量可以在50到500个芯的范围内,或者在小型芯的情况下可以高达数千个芯。应注意,每个电池组可以包括多个电池模块,这些电池模块又包括例如电池芯串形式的多个电池芯。
传感器单元(未示出)可以被布置成收集与ESS的操作条件相关的测量数据,即,测量电池芯的温度、电压和电流水平。来自每个传感器单元的测量数据被传输到相关联的ESS控制单元3,该ESS控制单元被配置成在公共汽车100的操作期间管理ESS 1,并且在这种情况下还用于控制ESS 1的个别电池组2到负载4的连接。ESS控制单元3还可以被配置成确定指示和控制ESS 1的条件或容量的参数,诸如,包括每个电池组2的ESS 1的荷电状态(SoC)、健康状态(SoH)、功率状态(SoP)、容量状态(SoQ)、电阻状态(SoR)和能量状态(SoE)。示出了单个控制单元3,该控制单元可以是例如所谓的域控制单元(DCU),该域控制单元(DCU)被配置成在ESS的所有级别上实施全部的控制功能。然而,应理解,ESS可以改为设有多个控制单元。例如,ESS可以设有电池管理单元(BMU)(未示出),该电池管理单元(BMU)用于管理ESS 1的个别电池单元,诸如,电池组2和/或电池模块。每个电池芯的BMU既而接收并处理对应于其相关联的电池单元的测量数据,并且还估计容量状态SoQ(i)、SoR(i)、SoH(i)和SoC(i)。每个BMU既而将此数据发送到ESS控制单元。可以具有专用的ESS主控制单元,或者可以选择BMU中的一个,并且使其除了电池单元级功能之外,还充当ESS主控制单元。用于控制ESS 1的个别电池组2到负载4的连接的控制单元也可以是独立控制单元。
ESS控制单元3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装置。因此,ESS控制单元3包括电子电路和连接(未示出)以及处理电路系统(未示出),以使得ESS控制单元3可以与公共汽车100的不同部分或公共汽车100的不同控制单元通信。ESS控制单元3可以包括硬件或软件的模块,或者部分硬件或软件的模块,并且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。处理电路系统可以是通用处理器或专用处理器。ESS控制单元3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,本领域的技术人员意识到,ESS控制单元3可以由许多不同构造加以实施。这也适用于ESS 1的其它控制单元。
图2是示意性图示了包括四个电池组2a、2b、2c、2d的示例性ESS 1的电路图。电池组2a、2b、2c、2d经由牵引电压总线与包括DC链路电容器5的电动机驱动装置(EMD)并联电连接。每个电池组2a、2b、2c、2d包括电池芯堆栈7和电池断开单元(BDU)8,该电池断开单元(BDU)用于响应于来自ESS控制单元3的控制信号而选择性地将电池芯堆栈7连接到牵引电压总线或与牵引电压总线断开。BDU 8还在连接电池组的主正极接触器之前,通过预充电电阻器和接触器提供所谓的预充电过程。如本文所示,BDU 8通常包括三个接触器,其中两个是主正极和负极接触器,而第三个是与预充电电阻器连接的预充电接触器。需要预充电过程来避免由于DC链路电容器5与电池组2a、2b、2c、2d之间的大的电压差而可能发生的任何大的电流尖峰(浪涌电流)。
图3是图示了根据本发明的实施例的方法的流程图。简单地说,该方法包括以下步骤:获得操作数据的步骤S1;选择优先化策略的步骤S2(可选步骤);提议用于将电池组连接到负载的连接序列的步骤S3;检查所提议的连接序列的可行性的步骤S4);以及根据被发现可行的所提议的连接序列而将电池组连接到负载的步骤S5。在下文更详细地解释步骤S1到S5。
S1:获得与电能储存系统1的当前操作条件相关的操作数据,其中操作数据至少包括该多个电池组2a、2b、2c、2d中的每一个的电压(呈所测量的端电压和/或开路电压(OCV)形式)。操作数据可以还包括当前时刻的每个电池组2a、2b、2c、2d的测量数据(呈所测量的端电流和温度形式),和/或基于与电池组2a、2b、2c、2d的电流、电压和温度相关的测量数据而确定的当前时刻的每个电池组2a、2b、2c、2d的所导出的操作数据,诸如,荷电状态(SoC)、容量状态(SoQ)、内部电阻(电阻状态,SoR)、功率状态(SoP)、能量状态(SoE)等。这些所导出的操作参数可以从别处导出并由ESS控制单元3接收,或者它们可以由ESS控制单元3加以计算/估计。
S2:为电池组2a、2b、2c、2d到负载4的电连接设定优先化策略。此步骤可以在第一步骤S1之前或之后执行,或者可以被省略,以使得总是使用同一优先化策略。优先化策略可以例如被设定为第一优先化策略、第二优先化策略和第三优先化策略中的一种,其中:根据第一优先化策略,尝试最大化ESS 1的功率状态;根据第二优先化策略,尝试最小化至少一个电池组将被连接到负载的连接时刻的总数;并且根据第三优先化策略,尝试最大化ESS 1的能量状态。
S3:至少基于电能储存系统的操作模式和电池组2a、2b、2c、2d中的每一个的端电压和/或OCV,并且通过允许至少两个电池组同时连接到负载,提议用于将至少该多个电池组2a、2b、2c、2d的子集电连接到负载4的连接序列。当提议连接序列时,也考虑优先化策略,如下文将举例描述。
提议连接序列的步骤S3可以通过以下方式来执行:识别要连接的电池组子集;以及提议子集内的每个电池组应该连接的时间点,诸如,与子集内的其它电池组同时连接和/或随后连接。因此,所提议的连接序列可以包括仅在一个连接时刻(即,时间点)连接一个或多个电池组,或者可以包括在不同连接时刻连接电池组的组合。电池组可以例如基于端电压和/或OCV和/或功率状态(SoP)而被分组,以便识别要连接的电池组子集。
S4:至少基于电池组子集内的电池组2a、2b、2c、2d中的每一个的内部电阻,确定所提议的连接序列是否满足预定连接条件。预定连接条件可以至少包括预定循环电流连接条件,该预定循环电流连接条件与预期在电连接该电池组子集时在电池组之间流动的循环电流相关,并且优选还包括预定功率状态连接条件,该预定功率状态连接条件与在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集之后的电能储存系统的总功率状态相关,并且/或者包括预定能量状态连接条件,该预定能量状态连接条件与在根据所提议的连接序列而电连接该电池组子集之后的电能储存系统的总能量状态相关。
为了确定是否满足连接条件,可以至少基于电池组2a、2b、2c、2d中的每一个的内部电阻和开路电压而预测预期在根据所提议的连接序列而电连接电池组子集时在电池组2a、2b、2c、2d之间流动的循环电流的幅度。动态多电池预测模型可以用于预测循环电流的幅度。此后确定循环电流的预测幅度是否在预定的可允许范围内(在这种情况下,认为满足预定循环电流连接条件),即,所提议的连接序列是否可行。
并联多电池组系统的动态状态空间模型(主要使用单电池模型并采用并联连接约束而导出)可以用作多电池预测模型。这种多电池模型内的任何电池组的连接或断开都可以通过在低电阻值与高电阻值之间瞬时切换来实现。简单地说,断开的电池组(即,打开的接触器)通过使其电阻无限高或者比其它连接的电池组高一个量级来模拟。当需要连接电池组(即,闭合的接触器)时,其电阻以单个步长降低到其实际值。这将允许将同一状态空间模型用于模拟恰在连接时刻之后的电流瞬变,以及在连接之后很长时间的正常稳态操作期间的电池组之间的功率分配。可以使用以下多电池状态空间模型:
本文中,整个ESS 1的完整状态由x=[x1 … xn]T表示,其中ESS的每个组成电池组i的状态由xi=[V1i V2i Voci SoCi Ti]T表示,T在本文中表示向量转置。系统的输出由y=[I1… In]T表示,其中Ii是每个电池组i的输出电流。状态空间模型的控制输入由u=[IESS Uh,1… Uh,1]T给出,其中IESS是ESS的总输入电流(例如,总需求输入电流),并且Uh,I是电池组i内产生的总热量。
系统矩阵AI、输入矩阵BI、输出矩阵CI和馈通矩阵DI是系统参数(Roi,R1i,R2i,C1i,C2i,Qi,Rci|1,i,Rci)以及系统电热和老化状态(SoCi,Ti,SoQi,SoRi)的非线性函数。应注意,与单电池模型相比,每个电池单元的开路电压已作为额外状态被包括,以便推导出并联多电池系统的整个模型。
如可以从上文发现,各种系统参数(包括电池阻抗、容量、电缆连接电阻、温度等)通过上述矩阵输入到此模型中。这使得能够在给定的操作条件下以适当的高精度预测电池芯之间分配的负载(例如,功率或电流)。
上述状态空间多电池模型的完整表达式此处显得非常麻烦。然而,为了给出关于内部模型结构的一些想法,下文示出了较简单的版本(所谓的零阶多电池模型)。它是通过以下方式而导出的:从上述模型舍去内部慢极化状态(即,V1i=V2i=0或将其与OCV合并)和温度状态,以使得上述矩阵AI、BI、CI和DI中与内部慢极化和温度相关的每个元素都被设定为零。将这种做法用于上文针对上述示例而论述的矩阵(即,具有两个电池组的系统)以使得n=2,针对电池组中的每一个的电流而获得了以下等式:
如从上文明显看出,可以使用每个电池单元的总内部欧姆电阻值R0i和开路电压值Voci(如果我们假设慢极化不为零而是与OCV合并,我们也可以称之为内部缓慢变化电压)以及与电能储存系统1中的每个电池的位置相关的连接电阻来确定施加在电池单元中的每一个上的负载(此处被示例为电流)。在上述等式中,已使用电池单元之间的连接电阻Rc12,该连接电阻通常用于电池组的菊链配置。然而,可以容易修改上述等式,以便还包括或者改为包括每个电池单元与电能储存系统1中的参考/连接点之间的连接电阻Rc1、Rc2,该连接电阻通常用于电池组的所谓的星形配置。为了完整起见,应注意,在第一电池组与负载之间可以存在连接电阻Rc01,但是在上述等式中可以省略这种连接电阻Rc01。这是因为连接电阻Rc01将在电池组中的每一个的路径中形成公共电阻,并且因此不会对电池组之中的负载分配产生任何影响。
此外,上文使用内部欧姆电阻值R0i、开路电压(内部缓慢变化电压)值Voci和零连接电阻呈现的等式可以容易地被概括为任意数量n个电池组的零阶多电池模型的以下两种等效表示。
使用上述等式(4),可以例如使用以下条件来检查基于电流循环准则的可行性,这基本上是说在外部负载下的每个电池组中的电流分配/循环的幅度应小于其恰在连接时刻之后的最大SoP的某百分比。
其中,是ESS上的最大峰值(即,最大可能)充电负载,是ESS上的峰值放电负载(未必与ESS SoP和相同),δ∈[0,1]是确定直到违反SoP限制为止的余量的调谐参数,并且i表示个别电池组。总和和对于所有电池组都是相同的,并且因此对于每个组合来说,计算这些总和一次就足够了。还可以通过利用总和的先前计算来节省计算。
此外,在根据所提议的连接序列而电连接该电池组2a、2b、2c、2d子集时的ESS 1的总预期功率状态(SoP)可以根据已知方法来预测,例如,基于个别电池组的SoP或使用ESS级多电池模型、还考虑个别电池组之间的相互作用和电流分布来预测。例如,上述零阶多电池模型[参见等式(3)和等式(4)]也可以用于计算ESS SoP。简单地说,使用每个个别电池组i的给定的可充电SoP、可放电SoP、欧姆电阻和OCV,我们分别针对可充电电流能力和可放电电流能力(即,ESS SoP充电或放电幅度)的最大值来对该模型进行求解,如下所示。
在等式(8)中,负号用于以解决以下事实:是SoP的幅度,并且因此不是如通常用于放电电流的带正负号的量。应注意,和的上述等式也可以使用零阶多电池模型作为约束线性规划问题的解而导出。也可以使用全阶多电池状态空间模型[见等式(1)],但是既而需要对相对难的约束非线性规划问题进行求解。与所使用的方法无关,一旦已知未来ESS配置的所选择的候选者(即,所提议的连接序列)的所预测的SoP值,如果所预测的总预期SoP高于预定总SoP阈值,则便可以认为满足预定功率状态连接条件。
此外,还可以找到最大化ESS SoP的最佳电池连接组合。这可以通过设计一种简单算法来实现,其中首先找到每个可能的电池组合(即,ESS配置)的ESS SoP,此后选择所有组合中给出最大ESS SoP值的最佳组合。例如,该算法可以包括以下步骤:
1)列举每种可能的ESS配置,并将它们存储在表中;
3)将每个ESS SoP值指配给其在表中的对应ESS配置,并将它们以降序排序;以及
4)最终选择对应于最高ESS SoP值的ESS配置。
应注意,等式(7)和等式(8)带来非常低的计算负担,因此基于穷举搜索的所提议的优化方法对于大量电池组来说实际上是实时可行的。
预定功率状态连接条件可以另外与电池组2a、2b、2c、2d之间的SoP差异相关。在这种情况下,确定电池组子集内的电池组2a、2b、2c、2d中的每一个的SoP,并且检查该子集内的电池组2a、2b、2c、2d之间的功率状态差异是否低于预定功率状态差异阈值,在这种情况下,可以认为满足预定功率状态连接条件。
S5:根据所提议的连接序列,将至少电池组2a、2b、2c、2d子集电连接到负载4。此步骤仅当在步骤S4中认为满足连接条件时才被执行。
可以重复步骤S1到S5,直到所有电池组2a、2b、2c、2d都被连接到负载4为止。本文中,在所谓的内部迭代(即,基于内部虚拟反馈的迭代)与所谓的外部迭代(即,基于外部真实反馈的迭代)之间进行区分。简单地说,对于关于电池组的当前操作条件的每个给定外部反馈数据来说,执行多次内部迭代,直到在那些给定操作条件下找到可行的连接序列为止。在下一外部迭代中,以新的测量数据的形式提供了新的操作条件,这可以实现通过多次内部迭代再次识别的不同的可行的连接序列。
该方法还可以包括将一个或多个电池组2a、2b、2c、2d与负载4断开。在这种情况下,在至少电池组子集到负载4的连接之后,确定是否满足用于断开电池组2a、2b、2c、2d子集内的至少一个电池组的预定断开条件。仅当满足预定断开条件时,才将该至少一个电池组2a、2b、2c、2d与负载4断开。
图4是图示了如何在车辆动力系中执行该方法的框图,该车辆动力系包括根据本发明的方法的示例性实施例的ESS 1,诸如,图2所示的包括四个电池组2a、2b、2c、2d的ESS1。在此实施例中,车辆动力系包括负载4和动力系控制器6,该动力系控制器基于来自ESS控制单元3的输入和来自负载4的反馈而控制负载4。ESS控制单元3被配置成根据所提议的方法而确定用于将电池组2a、2b、2c、2d连接到负载4的连接序列CS,将所确定的连接序列CS输出到动力系控制器,并且根据连接序列而控制ESS 1以连接电池组。
设置第一方框B1,以用于执行电池状态估计和预测,例如,估计和/或预测ESS的个别电池组2a、2b、2c、2d的OCV、SoH、SoR、SoC、SoE、SoQ、SoP等。此方框也可以设置在其它地方,例如,个别电池组的电池控制单元(即,BMU)中。
设置第二方框B2,以用于定序,即,提议用于将至少该多个电池组2a、2b、2c、2d的子集电连接到负载4的连接序列。此方框基于所选择的优先化策略以及从第一方框接收的输入而虚拟地测试不同的连接序列。
设置第三方框B3,以用于通过使用多电池模型来模拟ESS而预测功率共享动态。作为连接从第二方框接收的所提议的连接序列的结果,此方框预测例如ESS 1的预期的总SoP和预期循环电流。第三方框使用来自第一方框和第二方框的输入数据。
设置第四方框B4,以用于执行可行性检查,即,检查所提议的连接序列是否满足预定连接条件。在此方框中,执行对所预测的功率共享动态的分析。出于此目的,设置了内部反馈环路IFL,该内部反馈环路将在第三方框中执行的模拟的结果馈送到第四方框。如果发现所提议的连接序列不可行,则将信息提供给第二方框,该第二方框以迭代方式提议另一连接序列。
除了内部反馈回路IFL之外,还设置外部反馈回路EFL,以用于将来自ESS 1的实时测量数据和/或所导出的操作数据作为输入馈送到至少第四方框B4和第一方框B1。这使得能够连续更新和适配,以使得用于确定连接序列的算法可以随着时间的推移而得以改进。
示例
根据示例,下文将描述用于根据两种不同的优先化策略而将四个电池组2a、2b、2c、2d连接到负载4的方法。ESS 1的操作模式是放电模式,因此电池组2a、2b、2c、2d根据每个电池组i∈{20,2b,2c,2d}的开路电压Voci以升序排序。应注意,当电池组断开且相当松弛时,开路电压可以被假设为几乎等于端电压。为了简单起见,假设电池组2a具有最高端电压和/或开路电压Voc,2a,并且电池组2d具有最低端电压和/或开路电压Voc,2d,即,Voc,2a>Voc,2b>Voc,2c>Voc,2d。因为操作模式是放电模式,所以根据两种优先化策略,具有最高端电压的电池组2a应被包括在要在第一连接时刻连接的电池组子集中。
根据图5所图示的第一优先化策略,目标首先是最大化ESS的功率能力(SoP),并且其次是最小化连接时刻的数量。因此,总体目标是最大化ESS的功率能力。因此,优选一次将尽可能多的电池组连接到负载。因此,在步骤S3中,提议了涉及所有四个电池组2a、2b、2c、2d的同时连接的连接序列,如图6的左下角所图示。此后执行步骤S4,以检查所提议的连接序列是否满足预定连接条件。如果满足,则一次连接所有四个电池组。如果不满足,则重复步骤S3以提议下一最佳连接序列,并在步骤S4中检查其可行性。在这个示例中,下一最佳连接序列涉及同时连接具有最高端电压和/或开路电压的三个电池组2a、2b、2c。如果此连接序列不满足预定连接序列,则重复步骤S3到S4,直到提议了可行的连接序列为止。所提议的连接序列在图5中通过遵循箭头来图示。因此,最不优选的连接序列涉及连接具有最低端电压和/或开路电压Voc,2d的单个电池组2d。
根据图6所图示的第二优先化策略,目标首先是最小化连接时刻的数量,以便提高车辆的可驾驶性,并且其次是最大化ESS的功率能力(SoP)。因此,同样在这种情况下,优选一次将尽可能多的电池组(即,所有电池组2a、2b、2c、2d)连接到负载。如果此连接序列不可行,则以优先次序检查其它序列。如在图6中通过遵循箭头可以看出,优先次序与第一优先化策略的优先次序略有不同。
相同连接序列可以被用于充电模式。仅有的差异在于应以升序(即,Voc,2a<Voc,2b<Voc,2c<Voc,2d)来排序。
应理解,本发明不限于上文所述且附图所图示的实施例;实际上,本领域的技术人员应认识到可在随附权利要求书的范围内进行许多改变和修改。例如,该方法可以适于基于与用于控制连接的策略相同的策略来控制电池组与负载的断开。
Claims (17)
1.一种用于控制电能储存系统(1)的多个电池组(2、2a、2b、2c、2d)到负载(4)的电连接的方法,所述多个电池组(2、2a、2b、2c、2d)被配置成选择性地并联连接到所述负载(4),所述方法包括以下步骤:
-获得(S1)与所述电能储存系统(1)的当前操作条件相关的操作数据,其中所述操作数据至少包括所述多个电池组(2、2a、2b、2c、2d)中的每一个的电压;
-至少基于所述电能储存系统(1)的操作模式和所述电池组(2、2a、2b、2c、2d)中的每一个的电压,并且通过允许至少两个电池组同时连接到所述负载(4),提议(S3)用于将至少所述多个电池组(2、2a、2b、2c、2d)的子集电连接到所述负载(4)的连接序列;
-根据所提议的连接序列,将至少所述电池组子集电连接(S5)到所述负载(4);
其特征在于,
所述方法还包括以下步骤:
-在将至少所述电池组子集连接到所述负载(4)之前,并且至少基于至少所述电池组子集内的电池组(2、2a、2b、2c、2d)中的每一个的内部电阻,确定(S4)所提议的连接序列是否满足预定连接条件,其中仅当认为满足所述连接条件时,才执行将至少所述电池组子集连接到所述负载(4)的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,如果认为不满足所述连接条件,则至少重复提议(S3)连接序列以及确定(S4)所提议的连接序列是否满足所述预定连接条件的步骤,直到认为满足所述连接条件为止。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,如果针对涉及至少两个电池组的同时连接的任何所提议的连接序列,认为不满足所述连接条件,则所述方法包括:
-受制于可预定义的功率约束,将所述多个电池组(2、2a、2b、2c、2d)中的单个电池组连接到所述负载(4);
-可选地,确定在连接所述单个电池组之后将要重复提议连接序列以及确定所述所提议的连接序列是否满足所述预定连接条件的步骤的最早时间点。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述预定连接条件至少包括预定循环电流连接条件,所述预定循环电流连接条件与预期在电连接所述电池组子集时在所述电池组(2、2a、2b、2c、2d)之间流动的循环电流相关,并且可选地包括预定功率状态连接条件,所述预定功率状态连接条件与在根据所提议的连接序列而电连接所述电池组子集之后的电能储存系统(1)的总功率状态相关,并且/或者可选地包括预定能量状态连接条件,所述预定能量状态连接条件与在根据所提议的连接序列而电连接所述电池组子集之后的电能储存系统(1)的总能量状态相关。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,确定所提议的连接序列是否满足所述预定连接条件的步骤至少包括:
-至少基于所述电池组(2、2a、2b、2c、2d)中的每一个的内部电阻和开路电压,预测预期在根据所提议的连接序列而电连接所述电池组子集时在所述电池组(2、2a、2b、2c、2d)之间流动的循环电流的幅度,
-确定所述循环电流的预测幅度是否在预定的可允许范围内。
6.根据权利要求4或5所述的方法,其中,所述预定连接条件包括所述预定功率状态连接条件,并且其中确定所提议的连接序列是否满足所述预定连接条件的步骤包括:
-确定所述电池组子集内的电池组(2、2a、2b、2c、2d)中的每一个的功率状态SoP,
-确定所述子集内的电池组(2、2a、2b、2c、2d)之间的功率状态差异是否低于预定功率状态差异阈值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,提议连接序列的步骤包括:
-识别要连接的电池组子集,以及
-提议所述子集内的每个电池组(2、2a、2b、2c、2d)应该被连接的时间点,诸如与所述子集内的其它电池组同时连接和/或随后连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,还包括:
-为所述电池组(2、2a、2b、2c、2d)到所述负载的电连接设定(S2)优先化策略;
其中在提议所述连接序列的步骤中考虑所设定的优先化策略。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所设定的优先化策略是第一优先化策略、第二优先化策略和第三优先化策略中的一种,其中:
-使用所述第一优先化策略,提议所述连接序列以便最大化所述电能储存系统(1)的功率状态,
-使用所述第二优先化策略,提议所述连接序列以便最小化至少一个电池组(2、2a、2b、2c、2d)将被连接到所述负载的连接时刻的总数,以及
-使用所述第三优先化策略,提议所述连接序列以便最大化所述电能储存系统(1)的能量状态。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其中,所述预定连接条件是取决于所选择的优先化策略来设定的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,还包括:
-重复所述方法步骤,直到所述电能储存系统(1)的所有电池组(2、2a、2b、2c、2d)被连接为止。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法,还包括:
-在至少所述电池组子集到所述负载(4)的连接之后,确定是否满足用于断开所述电池组子集内的至少一个电池组(2、2a、2b、2c、2d)的预定断开条件,
-仅当满足所述预定断开条件时,才将所述至少一个电池组与所述负载(4)断开。
13.一种电能储存系统(1)的控制单元(3),所述电能储存系统包括被配置成选择性地并联电连接的至少两个电池组(2、2a、2b、2c、2d),其中所述控制单元(3)被配置成执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法的步骤。
14.一种计算机程序,包括指令,所述指令使计算机执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法的步骤。
15.一种计算机可读介质,所述计算机可读介质上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。
16.一种电能储存系统(1),所述电能储存系统包括被配置成选择性地并联电连接的至少两个电池组(2、2a、2b、2c、2d)以及根据权利要求13所述的控制单元(3)。
17.一种车辆(100),所述车辆包括根据权利要求16所述的电能储存系统(1)。
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