CN115709669A - 混合动力机车多组动力电池充电控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法，包括如下步骤：步骤一：依据柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d、各组动力电池单元最大允许充电功率、各组动力电池单元的SOC数值、充电均衡系数k1计算各组动力电池的充电功率；步骤二：调整充电均衡系统k1进行各组动力电池单元充电均衡度的调整；还提供了电池充电控制方法的应用，本申请的动力电池充电控制方法，确保了所有动力电池单元可用电量和使用寿命一致；延长了动力电池的使用寿命和提高了动力电池可用电量利用率；电池充电控制方法的应用，通过柴油机起机充电逻辑的优化，降低柴油机起机充电次数及时间，降低了排放和噪音。

Description

混合动力机车多组动力电池充电控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及电池充电控制技术领域，具体涉及一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法及其应用。

背景技术

混合动力机车装用大容量动力电池时，出于安全性考虑，往往将动力电池分割成多组具有独立功能、彼此电气隔离的动力电池单元，各单元之间进行并联，进行能量分割的主要优势有：①分散了能量，一旦动力电池系统发生热失控，将释放的能量控制在更小的空间范围内，极大的降低了安全风险；②各个动力电池单元之间互为冗余，某一电池单元出现故障后可单独切除，提高混合动力机车的可靠性。

动力电池进行能量分割后，由于每组动力电池单元间存在个体差异，因此充电时需要对这些动力电池单元充电功率进行均衡控制，确保所有动力电池单元可用电量和使用寿命一致；此外，混合动力机车的柴油发电机组只有在一定输出功率范围内效率较高，即柴油发电机组产生单位电能消耗燃油最少，如何同时满足多组动力电池单元均衡充电要求并确保柴油发电机组运行在最佳经济油耗区，是混合动力机车动力电池充电控制亟待解决的问题。

现有技术中混合动力机车在进行动力电池充电控制时往往只考虑柴油发电机组最佳效率点，使柴油发电机组尽可能运行在最佳经济油耗区，将柴油发电机组输出功率平均分给各组动力电池进行充电；采用这种方法的优点是控制逻辑相对简单，对于整车只有一组动力电池单元比较适用，但对于多组动力电池单元，往往受在机车上安装环境、电池冷却系统差异、电池系统内温度场分布、电芯一致性等的影响，使每组动力电池的内阻、电芯温度、SOC和最大充电功率等都不同，采用这种充电控制方法无法保证整车所有动力电池单元同时充满，造成在充电后期柴油发电机组输出功率越来越低(只给整车未充满电的少部分动力电池单元充电)，大部分燃油都消耗在柴油机自身机械损耗上，柴油发电机组效率低，节能环保效果较差，此外将整车所有动力电池都充满电耗时较长。

此外，现有技术中对于电池进行充电时，通过手柄控制柴油机的启停，如在申请号为201210172198.2的授权发明专利中公开了一种油电混合动力交流传动调车机车工况自适应控制方法，根据运转位信号、动力电池SOC和手柄级位信号控制柴油机启停，这种启停方式会造成柴油机起机次数增加，增加了噪音，主要原因如下：

1、根据手柄位控制柴油机起停虽然高手柄位牵引力较大，但当机车速度较低时，机车牵引功率需求并不高，此时动力电池功率足以满足机车需求，不需要启动柴油机进行功率补充，这种情况下按手柄位控制柴油机起停会造成柴油机起机次数增加，增加噪音；

2、当动力电池SOC低时，启动柴油机并让柴油机运行在最低转速给动力电池充电，柴油机最低转速时不是柴油机的最佳经济油耗点，采用这种控制策略混动机车节油效果较差；上述SOC即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。

综上，需要提供一种新的技术方案解决上述技术问题，兼顾柴油发电机组效率和动力电池充电的要求。

发明内容

本发明提供了一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法，包括如下步骤：

步骤一：根据柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d、各组动力电池单元最大允许充电功率、各组动力电池单元的SOC数值、充电均衡系数k1，计算各组动力电池的充电功率；

步骤二：调整充电均衡系统k1进行各组动力电池单元充电均衡度的调整。

作为一种优选方案，所述步骤一中各组动力电池的充电功率的计算过程如下：

步骤11：判断柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d是否大于等于各种动力电池单元最大允许充电功率之和，是跳转至步骤12，否跳转至步骤13；

步骤12：判断该组动力电池的充电功率是否大于等于该组动力电池单元的最大允许充电功率，当该组动力电池的充电功率大于等于该组动力电池单元的最大允许充电功率时，则该组动力电池的充电功率为该组动力电池的最大允许充电功率P_i；当该组动力电池的充电功率小于该组动力电池单元的最大允许充电功率时，则该组动力电池单元的充电功率的计算公式为：

其中，

P_d为柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率；

n为整车动力电池单元的最大组数；

SOC_i为第i组动力电池单元的SOC数值；

步骤13：判断该组动力电池的充电功率是否大于等于该组动力电池单元的最大允许充电功率，当该组动力电池的充电功率大于等于该电池组的最大允许充电功率时，则该组动力电池的充电功率为该组动力电池的最大允许充电功率P_i；当该组动力电池的充电功率小于该组动力电池的最大允许充电功率时，则电池充电功率的计算公式为：

其中，

P_d为柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率；

n为整车动力电池单元的最大组数；

SOC_i为第i组动力电池单元的SOC数值。

作为一种优选方案，所述柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d满足P_L≤P_d≤P_H，其中，P_L为最佳经济油耗区柴油发电机组输出的最小功率，P_H为最佳经济油耗区柴油发电机组输出的最大功率。

作为一种优选方案，所述各组动力电池单元的SOC数值SOC_i的取值范围为0.1—0.9。

一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，包括如下步骤：

步骤A1：当整车各组动力电池单元SOC之和小于预先设定的数值时，柴油机自动启动进行充电；

步骤A2：充电过程按照步骤11至步骤13、步骤二执行；

步骤A3：当所有的动力电池都充满电的时候，柴油机自动停机。

一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，包括如下步骤：

步骤B1：当动力电池功率不满足机车牵引功率时，柴油机自动启动进行功率补充；

步骤B2；柴油机的发电组功率大于机车所需要的功率时，多余的功率为动力电池进行充电，充电的过程按照步骤11至步骤13、步骤二执行；

步骤B3：当所有的动力电池都充满电的时候，柴油机自动停机。

作为一种优选方案，动力电池增加短时大功率放电功能，满足机车短时大功率牵引需要，仅靠动力电池即可满足机车功率需要。

作为一种优选方案，柴油机具有延时启动功能或/和延时停机功能。

一种混合动力车，应用混合动力机车多组动力电池充电控制方法。

本申请的混合动力机车多组动力电池充电控制方法，确保了所有动力电池单元可用电量和使用寿命一致；延长了动力电池的使用寿命和提高了动力电池可用电量利用率；通过柴油发电机组输出功率的优化控制，保证柴油机工作在最佳经济油耗区，提高燃油利用率，降低机车油耗；本申请的多组动力电池充电控制方法的应用，通过柴油机起机充电逻辑的优化，降低柴油机起机充电次数及时间，降低了排放和噪音。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本申请的充电电池组为4组时，计算充电电池的充电功率的逻辑图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

实施例一：

本实施例以柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d大于等于各种动力电池单元最大允许充电功率之和为例：

具体地：混合动力机车上有4组动力电池单元，每组动力电池单元最大允许充电功率为225kW，动力电池单元最大充电功率会随每组动力电池SOC和电芯温度状态实时变化；柴油发电机组最大输出功率为1200kW，柴油发电机组最佳经济油耗区为800kW～1200kW，最佳经济油耗区也称为最佳工作效率区，该区内产生同样的电能消耗燃油更少。

最佳工作效率点为1200kW；四组动力电池单元SOC分别为10％，70％，30％，40％；

通过步骤12计算电池的充电功率如下表1：

表1

从上表1可以看出，当均衡修正系数为k1＝1时，第1组、第3组、第4组动力电池SOC差异不大，此时为兼顾柴油发电机组工作效率，使它们的充电功率都维持在225kW的最大功率，而第2组动力电池单元由于与其他3组动力电池SOC状态差异较大，因此对充电功率加以限制，使其充电速度降低；

假设充电一定时间后的4组电池SOC为50％，80％，70％，80％，通过步骤12计算电池的充电功率如下表2：

表2

从上表2我们可以发现，由于各组动力电池单元SOC差异不大，为兼顾柴油发电机组效率，4组电池都以最大功率225kW进行充电；如果此时想尽快将各组动力电池单元SOC均衡，采用步骤12中的公式继续进行计算，

调整充电均衡系数k1，将k1设置为较小的值，例如0.2，可得下表3：

从上表3中可以看出，此时我们通过调整K1，使系统优先满足均衡充电，此时会根据每组动力电池的SOC计算出不同的充电功率，使各组动力电池单元尽快均衡；但此时柴油发电机组偏离了最佳经济油耗区，工作效率较低。

本实施中，通过调整k1数值可以进行各组动力电池单元充电均衡度的调整，当k1＝1时，柴油发电机组效率和动力电池充电均衡性的兼顾效果最佳；k1值越小，充电时可以更快实现所有动力电池SOC的一致，但柴油发电机组工作点会越偏离最佳经济油耗区；相反，k1值越大，柴油发电机组工作点越接近最佳效率点，但充电时动力电池均衡效果也越差；本发明通过设置充电均衡系数k1，并可根据需要和机车运行工况手动设置或微机自动对k1值进行调整，使充电控制算法更灵活，满足不同的需要。

实施例二：

本实施例中提供了两种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，能够降低柴油机起机充电次数及时间，降低了排放和噪音。

具体地：当动力电池电量不足时，混合动力机车会自动启动柴油机给动力电池进行充电，本发明对柴油机起机充电逻辑进行优化，尽可能减少柴油机起机次数，具体有如下两种应用：

一：当整车各组动力电池单元SOC之和小于预先设定的数值时，一定值时，柴油机会自动起机进行充电，各组动力电池充电功率按照步骤一、步骤二进行执行，当所有动力电池单元都充满电时，柴油机自动停机；上述SOC的预定数值技术人员根据不同车况进行设计，本申请不做具体限定，

二、当动力电池功率不满足机车牵引功率需要时，柴油机自动启动进行功率补充，当此时柴油发电机组功率大于机车所需功率时，多余功率为动力电池进行充电，充电的过程按照步骤11至步骤13、步骤二执行；该情况完全根据牵引功率需要进行柴油机起停控制，当多组动力电池单元中的一组或多组损坏时，即使在司控器在低手柄位，但由于部分电池单元故障，电池功率无法满足机车牵引功率需要，也会自动启动柴油机，保证了机车牵引功率的稳定；同时每次柴油机启动后都保证把所有动力电池充满电后再停机，即使此时动力电池未馈电，进一步减少柴油机起机次数。

为了进一步减少柴油机的起机次数，本实施例中增加动力电池短时(5分钟)大功率放电功能，满足机车短时大功率牵引需要，仅靠动力电池即可满足机车功率需要，进一步减少柴油机启机次数；此外由于是短时大功率放电，动力电池不需要匹配过大的冷却装置和过高的电量。

更优选地，本实施例中还增加了增加柴油机延时启动功能，只有机车大功率牵引持续一段时间后才启动柴油机，避免由于司机偶尔大手柄位操作，导致的柴油机启机次数。

更优选地，本实施例中还增加了柴油机延时停机功能，目的是防止司机突然将手柄置于低档位又重新拉回到高档位，减少这种情况下的柴油机误起停次数；

柴油机停机有一些判断条件：

1、n组动力电池SOC都大于等于90％；这个条件下代表所有电池都充满电了，才能关闭停止柴油机，就应当提高利用效率，把电池都充满，防止一会因为电池电量低重新启动柴油机，减少柴油机启动次数；

2、柴油机高温水和中冷水温度＞45℃；用于柴油机冷却柴油机的高温水和中冷水水温不能太低，太低会损坏柴油机，尤其是冬天的时候，因此柴油机启动后必须把水温加热到一定程度才让柴油机停机，在柴油机启动后，水温就会自然上升，防止停机之后，水温较低还需要启动柴油机升温，这种情况条件可以减少柴油机启动次数)；

3、总风缸压力＞758kPA，总风缸的风主要用于机车空气制动系统，把风缸打满风(压力值高于一定值)才让柴油机停机，目的也是提高柴油机的利用效率，减少纯电池工作时消耗电池的电量。

4、环境温度＞-20℃，太低的环境温度，柴油机水温保不住，容易造成水温太低而损坏柴油机，因此当环境温度太低时就不停止柴油机工作。

实施例三：

本实施例提供了一种混合动力车，该混合动力车应用实施例一中混合动力机车多组动力电池充电控制方法。

一种混合动力车，该混合动力车应用实施例二中混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用。

综上所述，本申请的混合动力机车多组动力电池充电控制方法，确保了所有动力电池单元可用电量和使用寿命一致；延长了动力电池的使用寿命和提高了动力电池可用电量利用率；通过柴油发电机组输出功率的优化控制，保证柴油机工作在最佳经济油耗区，提高燃油利用率，降低机车油耗；本申请的多组动力电池充电控制方法的应用，通过柴油机起机充电逻辑的优化，降低柴油机起机充电次数及时间，降低了排放和噪音。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d、各组动力电池单元最大允许充电功率、各组动力电池单元的SOC数值、充电均衡系数k1，计算各组动力电池的充电功率；

步骤二：调整充电均衡系统k1进行各组动力电池单元充电均衡度的调整。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法，其特征在于，所述步骤一中各组动力电池的充电功率的计算过程如下：

步骤11：判断柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d是否大于等于各组动力电池单元最大允许充电功率之和，柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d大于等于各组动力电池单元最大允许充电功率之和时，跳转至步骤12；柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率P_d小于各组动力电池单元最大允许充电功率之和时，跳转至步骤13；

步骤12：判断该组动力电池的充电功率是否大于等于该组动力电池单元的最大允许充电功率，当该组动力电池的充电功率大于等于该组动力电池单元的最大允许充电功率时，则该组动力电池的充电功率为该组动力电池的最大允许充电功率P_i；当该组动力电池的充电功率小于该组动力电池单元的最大允许充电功率时，则该组动力电池单元的充电功率的计算公式为：

其中：

P_d为柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率；

n为整车动力电池单元的组数；

SOC_i为第i组动力电池单元的SOC数值；

步骤13：判断该组动力电池的充电功率是否大于等于该组动力电池单元的最大允许充电功率，当该组动力电池的充电功率大于等于该电池组的最大允许充电功率时，则该组动力电池的充电功率为该组动力电池的最大允许充电功率P_i；当该组动力电池的充电功率小于该组动力电池的最大允许充电功率时，则电池充电功率的计算公式为：

其中：

P_d为柴油发电机组工作在最佳经济油耗区时的输出功率；

n为整车动力电池单元的最大组数；

SOC_i为第i组动力电池单元的SOC数值。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法，其特征在于，所述各组动力电池单元的SOC数值取值范围为0.1—0.9。

4.一种应用权利要求2-3任一项权利要求所述的混合动力机车多组动力电池充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A1：当整车各组动力电池单元SOC之和小于预先设定的数值时，柴油机自动启动进行充电；

步骤A2：充电过程按照步骤11至步骤13、步骤二依次执行；

步骤A3：当所有的动力电池都充满电的时候，柴油机自动停机。

5.根据权利要求4所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，其特征在于，动力电池增加短时大功率放电功能，满足机车短时大功率牵引需要，仅靠动力电池即可满足机车功率需要。

6.根据权利要求4所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，其特征在于，柴油机具有延时启动功能或/和延时停机功能。

7.一种应用权利要求2-3任一项权利要求所述的混合动力机车多组动力电池充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤B1：当动力电池功率不满足机车牵引功率时，柴油机自动启动进行功率补充；

步骤B2；柴油机的发电组功率大于机车所需要的功率时，多余的功率为动力电池进行充电，充电的过程按照步骤11至步骤13、步骤二依次执行；

步骤B3：当所有的动力电池都充满电的时候，柴油机自动停机。

8.根据权利要求7所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，其特征在于，动力电池增加短时大功率放电功能，满足机车短时大功率牵引需要，仅靠动力电池即可满足机车功率需要。

9.根据权利要求7所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法的应用，其特征在于，柴油机具有延时启动功能或/和延时停机功能。

10.一种混合动力车，其特征在于，所述混合动力车应用权利要求1—3任一项权利要求所述的一种混合动力机车多组动力电池充电控制方法。

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