CN105984356B - 使用放电循环的电池充电策略 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种使用放电循环的电池充电策略。一种用于车辆的电池管理***包括被配置为以预定充电速率对电池进行充电的控制器。所述控制器响应于电池的端电压超过预定电压限制而使电池放电持续预定时间,其中,所述预定电压限制导致降低的充电速率。在放电持续预定时间之后,所述控制器重新开始以预定充电速率进行的充电。放电期间的电流的大小和预定时间可以是基于多个因素的,所述多个因素包括所述预定充电速率、电池温度和充电期间的充电电流的大小。

Description

使用放电循环的电池充电策略
技术领域
本申请总体上涉及对基于锂离子的牵引电池进行充电。
背景技术
用于电动车辆和插电式混合动力车辆的电池在使用之间被充电,以将能量恢复至电池用于下个使用循环。可将车辆连接至与电源连接的充电器。控制充电器将电压和电流提供至电池,以将能量恢复至电池。利用不同的充电策略对车辆中的电池进行充电。目前的充电策略可以以恒定电流对电池进行充电,直到达到电压限制时为止。当达到电压限制时,可开始以恒定电压进行充电。在恒定电压阶段期间,电池电流减小,这会导致较低的充电速率。
发明内容
一种电池管理***包括至少一个控制器,所述至少一个控制器被配置为:以预定充电速率对电池进行充电,响应于所述电池的端电压超过导致降低的充电速率的预定电压限制,使所述电池放电持续预定时间,并且在所述预定时间之后重新开始以所述预定充电速率进行充电,以减少电池充电时间。
一种车辆包括电池和至少一个控制器。所述至少一个控制器被配置为:以预定充电速率对所述电池进行充电,并响应于所述电池的端电压超过导致降低的充电速率的预定电压限制,使所述电池放电持续预定时间,并且在所述预定时间之后重新开始以所述预定充电速率进行充电,以减少电池充电时间。所述车辆还可包括至少一个电力负载。所述至少一个控制器还可被配置为命令所述电力负载的操作以使所述电池放电持续所述预定时间。
在一些实施例中,所述预定电压限制为开始恒定电压充电时的电池充电电压限制。
在一些实施例中,所述预定充电率处于预定电流下。
在一些实施例中,放电期间的放电速率的大小小于所述预定充电速率的大小。
在一些实施例中,放电期间的电流的大小和所述预定时间是基于电池温度的。
在一些实施例中,放电期间的电流的大小和所述预定时间是基于充电期间的充电电流的大小的。
一种方法包括:以预定充电速率对电池进行充电。所述方法还包括:响应于所述电池的端电压超过导致小于所述预定充电速率的充电速率的预定电压限制,使所述电池放电持续预定时间。所述方法还包括:在所述预定时间之后重新开始以所述预定充电速率进行充电,以减少电池充电时间。所述方法还可包括:当所述电池的荷电状态超过指示充满电的电池的预定荷电状态时,终止所述充电。
所述预定电压限制可为开始恒定电压充电时的电池充电电压限制。所述预定充电速率可以是基于所述电池的荷电状态、温度和阻抗中的一个或更多个的。放电期间的放电速率的大小可小于所述预定充电速率的大小。放电期间的电流的大小和所述预定时间可以是基于电池温度、电池的荷电状态和电池的阻抗中的一个或更多个的。放电期间的电流的大小和所述预定时间可以是基于充电期间的充电电流的大小的。
在此描述的***和方法改善了电池充电时间。通过当超过电池电压限制时减少电池单元极化或使电池单元极化反向来改善电池充电时间。虽然现有的***受限于具有减小的电流的恒定电压阶段,但是本申请的策略周期性地调节电压和电流使得更大的电流流向电池。
附图说明
图1为示出了典型的动力传动***和能量存储组件的混合动力车辆的示意图;
图2为包括多个电池单元并且由电池能量控制模块监测和控制的可行的电池组布置的示意图;
图3为示例性的电池单元等效电路的示意图;
图4为使用公开的策略的充电循环期间的示例性的电池电压和电流的曲线图;
图5为在有放电脉冲和没有放电脉冲的情况下的在充电时间段之后的电池电压稳定时间的曲线图;
图6为用于产生放电脉冲的滤波器的框图。
具体实施方式
在此描述了本公开的多个实施例。然而,应当理解的是,公开的实施例仅仅为示例,并且其它实施例可采取各种可替代的形式。附图无需按比例绘制;一些特征可被夸大或最小化以显示特定组件的细节。因此,在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制,而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的,参照任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征结合,以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而,可能需要与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)。典型的插电式混合动力电动车辆12可包括一个或更多个机械连接至混合动力传动装置16的电机14。电机14能够操作为马达或发电机。此外,混合动力传动装置16机械连接至发动机18。混合动力传动装置16还机械连接至驱动轴20,驱动轴20机械连接至车轮22。当开启或关闭发动机18时,电机14可提供推进和减速能力。电机14还可用作发电机,并且通过回收通常将在摩擦制动***中作为热而损失掉的能量来提供燃料经济性收益。电机14还可通过允许发动机18以更有效地速度操作和允许混合动力电动车辆12在特定条件下以电动模式操作而关闭发动机18来减少车辆排放。
牵引电池或电池组24存储可由电机14使用的能量。车辆电池组24通常提供高电压直流(DC)输出。牵引电池24电连接至一个或更多个电力电子模块。当一个或更多个接触器42被断开时,一个或更多个接触器42可将牵引电池24与其它组件隔离,并且当一个或更多个接触器42被闭合时,一个或更多个接触器42可将牵引电池24连接至其它组件。电力电子模块26还电连接至电机14并且提供在牵引电池24与电机14之间双向传输能量的能力。例如,牵引电池24可提供DC电压,而电机14可能使用三相交流电(AC)来操作以起作用。电力电子模块26可将DC电压转换为三相AC电流以操作电机14。在再生模式中,电力电子模块26可将来自用作发电机的电机14的三相AC电流转换为与牵引电池24兼容的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆,混合动力传动装置16可以是连接至电机14的齿轮箱,并且可不存在发动机18。
牵引电池24除了提供用于推进的能量之外,还可提供用于其它车辆电力***的能量。车辆12可包括将牵引电池24的高电压DC输出转换为与低电压车辆负载兼容的低电压DC供电的DC/DC转换器模块28。DC/DC转换器模块28的输出可电连接至辅助电池30(例如,12V电池)。低电压***可电连接至辅助电池。其它高电压负载46(诸如,压缩机和电加热器)可连接至牵引电池24的高电压输出。
车辆12可以是电动车辆或插电式混合动力车辆,在车辆12中可通过外部电源36对牵引电池24进行再充电。外部电源36可以是与电插座的连接。外部电源36可电连接至充电器或电动车辆供电设备(EVSE)38。外部电源36可以是电力公司提供的电力分配网络或电网。EVSE 38可提供用于调节和管理电源36与车辆12之间的能量传输的电路和控制。外部电源36可向EVSE38提供DC或AC电力。EVSE 38可具有用于***车辆12的充电端口34的充电连接器40。充电端口34可以是被配置为将来自EVSE 38的电力传输至车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接至充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可调节从EVSE38供应的电力,以向牵引电池24提供合适的电压和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38进行接口连接,以协调至车辆12的电力传输。EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应凹入匹配的插脚。可选地,描述为电结合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
可设置一个或更多个车轮制动器44用于使车辆12减速和防止车辆12移动。车轮制动器44可以是液压致动的、电力致动的或它们的某种组合。车轮制动器44可以是制动***50的一部分。制动***50可包括用于操作车轮制动器44的其它组件。为了简洁,附图描绘了制动***50与车轮制动器44中的一个之间的单一连接。制动***50与其它车轮制动器44之间的连接是隐含的。制动***50可包括控制器,以监测和协调制动***50。制动***50可监测制动组件并控制用于车辆减速的车轮制动器44。制动***50可经由制动踏板对驾驶员命令做出响应,并且还可自动操作以实现诸如稳定控制的多个功能。当被另一控制器或子功能请求时,制动***50的控制器可实施施加被请求的制动力的方法。
一个或更多个电力负载46可连接至高电压总线。电力负载46可具有适时地操作并控制电力负载46的关联的控制器。电力负载46的示例可以是加热模块或空调模块。
所讨论的各种组件可具有一个或更多个关联的控制器,以控制并监测所述组件的操作。控制器可经由串行总线(例如,控制器局域网(CAN))或经由离散导体进行通信。此外,可提供***控制器48来协调各种组件的操作。
牵引电池24可由各种化学配方构成。典型的电池组化学成分可以是铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了由N个电池单元72的简单串联配置的典型牵引电池组24。然而,其它电池组24可由任何数量的串联或并联或它们的某种组合的单独的电池单元组成。电池管理***可具有监测并控制牵引电池24的性能的一个或更多个控制器(诸如,电池能量控制模块(BECM)76)。电池组24可包括用于测量各种电池组水平特性的传感器。电池组24可包括一个或更多个电池组电流测量传感器78、电池组电压测量传感器80和电池组温度测量传感器82。BECM 76可包括用于与电池组电流传感器78、电池组电压传感器80和电池组温度传感器82进行接口连接的电路。BECM 76可具有非易失性存储器,使得数据在BECM76处于断电状况时可被保存。所保存的数据可在下个点火开关循环时可用。
除了测量和监测电池组水平特性之外,还可测量和监测电池单元72水平特性。例如,可测量每个电池单元72的端电压、电流和温度。***可使用传感器模块74来测量电池单元72的特性。取决于性能,传感器模块74可测量一个或多个电池单元72的特性。电池组24可利用多达Nc个传感器模块74来测量所有电池单元72的特性。每个传感器模块74可将测量值传输至BECM76以用于进一步的处理和协调。传感器模块74可将数字或模拟形式的信号传输至BECM 76。在一些配置中,可将传感器模块74的功能合并到BECM 76内部。即,可将传感器模块74硬件集成为BECM 76中的电路的一部分,并且BECM 76可进行原始信号的处理。BECM76还可包括用于与一个或更多个接触器42进行接口连接,以断开和闭合接触器42的电路。
计算电池组的各种特性可能是有用的。诸如电池功率容量和电池的荷电状态的量对控制电池组24以及任何接收来自电池组的电力的电力负载的操作可能是有用的。电池功率容量为对电池24可提供的功率的最大量或电池24可接收的功率的最大量的测量。知道电池功率容量允许管理电力负载使得请求的功率在电池24可处理的限制内。
电池组荷电状态(SOC)给出了电池组中剩余多少电荷的指示。SOC可被表示为电池组中剩余的总电荷的百分数。类似于燃料表,可输出电池组SOC以通知驾驶员电池组中剩余多少电荷。电池组SOC还可用于控制电动动力传动***或混合动力电动动力传动***的操作模式。可通过各种方法完成电池组SOC的计算。计算电池SOC的一种可行的方法为执行电池组电流对时间的积分。此方法在本领域内公知为安培小时积分。
牵引电池24可以以充电模式和放电模式进行操作。在充电模式中,牵引电池24接受电荷并且牵引电池24的荷电状态可升高。换言之,在充电模式中,电流流入牵引电池24以增加电池24中存储的电荷。在放电模式中,牵引电池24消耗电荷并且电池24的荷电状态可降低。换言之,在放电模式中,电流从牵引电池24流出以减少电池24中存储的电荷。在车辆操作期间,牵引电池24可以以充电和放电的交替循环来操作。
可以以各种方式对电池单元72进行建模。例如,可将电池单元建模为等效电路。图3示出了一种可行的电池单元等效电路模型(ECM)(可被称为简化的Randles电路模型)。可将电池单元72建模为可被称为开路电压(Voc)的具有相关联的阻抗的电压源100。阻抗可由一个或更多个电阻(102和104)和电容106组成。电池的开路电压(OCV)100可被表示为电池SOC和温度的函数。所述模型可包括内电阻r1 102、电荷转移电阻r2 104和双层电容C106。电压V1 112为由于从电压源100流出的电流114而导致的内电阻102两端的电压降。电压V2 110为由于流过r2 104和C 106的并联组合的电流114而导致的所述并联组合两端的电压降。端电压(Vt)108为电池的端子两端的电压。参数r1 102、r2 104和C 106的值可取决于电池单元设计、温度和电池化学物质。可使用具有从电池单元72推导得到的总阻抗值的类似模型对牵引电池24进行建模。
开路电压100可用于确定电池的SOC。存在电池SOC与开路电压100之间的关系,使得如果已知开路电压100则可确定电池SOC(例如,SOC=f(Voc))。所述关系可被表示为可存储在控制器存储器中的曲线图或表格。所述关系可由电池测试数据或电池制造商数据得出。
在操作期间,电池单元72可获得由流过电池单元的电流导致的极化。可通过等效电路模型的电阻102、电阻104和电容106对极化效应进行建模。由于电池单元的阻抗,端电压Vt 108可能不会与开路电压100相同。开路电压100是不易测量的,而只有电池单元的端电压108是可测量的。当没有电流114流动足够长的时间段时,端电压108可与开路电压100相同。足够长的时间段之后,可使端电压108可与开路电压100均衡,以允许电池的内部动态达到稳态。应注意的是,在没有电流流动通过电池的足够的稳定时间之后,端电压108与开路电压100可几乎相等。估计开路电压100的一种技术是在测量端电压108之前在电池休眠周期之后等待足够的时间段以保证开路电压100和端电压108相近。
图5示出了在相对长的充电周期之后以及在相对短的放电周期之后的电池电压的代表性电压稳定或弛豫时间的曲线图300。曲线302表示相对长的充电循环之后电池端电压108的响应。即,在时间零点之前将充电电压施加至电池持续大于预定时间段的时间,并且在时间零点时停止充电(例如,零电流)。如该曲线图所示,充电后稳定时间306约为五十秒。曲线304表示当相对长的充电循环之后施加相对短的放电脉冲时的电池端电压108。如该曲线图所示,放电后稳定时间308减少为约五秒。除了在相对长的放电循环之后施加了相对短的充电脉冲以外,相对长的放电周期之后也可获得类似曲线。相关的观察为:通过使流过电池的电流反向持续相对短的时间,可使开路电压100与端电压108在更短的时间内达到均衡。即,使电流反向之后电池内的极化效应在更短的时间内消除。通过施加具有相反极性的电流脉冲可减少电压稳定时间。使电流流至电池(例如,充电)的相对长的周期之后,汲取来自电池的相对短的电流脉冲(例如,放电)可减少电压弛豫时间。
如果电池控制器76当前正在执行充电循环,则控制器76可中断充电循环并命令放电电流脉冲。应注意的是,电池控制器76可与发动机18以及电机14协调,以确保适当的动力可得以用于推进和其它子***。此外,电池控制器76可命令外部负载46接收来自电池24的放电能量。放电电流脉冲可以是指令外部负载46中的一个或更多个从牵引电池24汲取电流的结果。例如,可启动加热器以从牵引电池24汲取电流持续预定时间。
图4描绘了可行的充电循环期间端电压200、电池SOC 202和电池电流206的曲线图。在牵引电池24的充电期间,端电压200可接近电池组电压限制204,此时可停止或改变充电。在端电压200达到电池电压限制204之前,可以以可处于预定电流水平208的预定充电速率对电池进行充电。预定充电电流208可以是最大的可行的充电电流。即,可以以恒定电流对电池24进行充电,以产生期望的充电速率。在恒定电流模式期间,可通过调节端电压200的大小来控制所述电流。可选择预定充电速率以使电池充电时间最小化,同时考虑到电池***组件的任何最大电流限制。
当以预定充电电流208进行充电时,端电压200与开路电压100之间的差可以是电池阻抗两端的电压降(例如,电流与电阻的乘积)。随着开路电压100增加,端电压200也可增加并达到电池电压限制204。这通常会在预定电池SOC时或在接近预定电池SOC时发生,因为电池SOC为开路电压100的函数。一些***可被配置为当端电压200超过电池电压限制204时停止充电。在该***中,电池24在充电循环结束时可能没有被充满电。
当端电压200达到或超过电池组电压限制204时,可减小流过电池24的电流206以阻止端电压200进一步升高。电流206的减小导致以更慢的充电速率对电池24进行充电。此时可以以恒定电压模式对电池24进行充电。恒定电压可以是电池组充电电压限制204。在该恒定电压模式中,随着开路电压100相对于端电压200升高,电流206可减小。随着电流206减小,对电池24进行充电的时间(例如,充电时间)增加。在该恒定电压充电模式期间,充电速率可随着时间而减小。例如,在3C充电速率时,当电池SOC大于80%时控制器可减小充电电流。
在充电期间实现更大的电流的一种技术可以是:当电池端电压200大于或等于电池组电压限制204时,施加放电电流脉冲210。放电电流脉冲210可以是施加了持续一时间段的放电电流。放电电流脉冲210可足以减少电池单元极化或使电池单元极化反向并降低电池单元电压,使得可能再次以预定充电电流208进行充电。放电电流脉冲210可以是预定的大小并且具有预定的持续时间。放电电流脉冲210的大小和持续时间可基于电池24的温度、电池单元开路电压和电池24的充电电流。可重复该过程,直到电池24充满电。放电速率的大小可小于充电速率的大小。例如,对于3C充电速率,可选择1C放电速率。可选择放电脉冲210的持续时间以减少电池单元极化或使电池单元极化反向并且尽可能少地消耗电池中存储的能量。在一些配置中,放电速率的大小可大于充电速率的大小。
随着电池SOC增加,放电脉冲210之间的时间可减少。每个放电电流脉冲210使端电压200降低以允许继续以更高的电流水平来进行充电。然后,端电压200可升高至电池电压限制204,此时可施加另一放电脉冲210。控制器76可监测电池SOC,以确定电池组24何时被充满电(例如,电池SOC约为100%)。结果是,当使用更大的充电电流对电池24进行充电时可减少充电时间。此外,该方法完全利用了电池容量,因为当达到电池组电压限制204时充电不需要结束。所公开的方法可适于现存的电池管理***,因为可以控制器76上的软件实施所述方法。
当电池SOC接近目标SOC水平(例如,100%)时,可降低电池充电速率。即,当电池SOC接近充满电的水平时,可针对每个充电循环调节预定充电电流208。降低的充电速率可补偿电池端电压为开路电压和充电电流与电池电阻的乘积的和的事实。当电池SOC接近目标SOC水平时,开路电压接近最大充电电压。可降低电池充电速率以阻止端电压在电池单元极化发生之前超过最大充电电压。
放电电流脉冲210之后,可将充电电流恢复为预定充电电流208。当电池SOC接近充满电的水平时,可减小预定充电电流208。预定充电电流208可基于电池SOC、电池温度和电池阻抗。可选择预定充电电流208以使电池端电压保持在充电电压限制内。在一些配置中,可在充电电流开始从预定充电电流208减小时启动放电脉冲210。在一些配置中,电池电压限制204可对应于充电电流减小时的电压水平。
放电电流脉冲210具有大小和相关联的持续时间。所述大小和持续时间可基于充电电流的大小和电池温度。所述大小和持续时间可基于电池SOC和电池阻抗。在一些配置中,放电电流脉冲210的大小可小于充电电流的大小。可将放电电流脉冲210的大小和持续时间选择为足以使电池单元极化反向的电流。可选择放电电流脉冲210的大小和持续时间以使电池24放电的能量的量最小化。所述大小和持续时间可在控制器中实施为查找表。所述查找表可具有放电电流脉冲的大小和持续时间的预定值并且通过充电电流和电池组温度编入索引。
图6描绘了用于确定放电脉冲的大小的一种可行配置的框图。可利用滤波器400使得放电脉冲410的大小基于电池电流404的滤波版本。滤波器400可以是一阶低通滤波器,所述一阶低通滤波器具有可基于第一输入406和第二输入408的滤波器时间常数(例如,Tau)。第一输入406可以是电池组SOC。第二输入可以是电池组温度。滤波器时间常数可从输入第一输入406和第二输入408并且输出滤波器时间常数的查找表402获得。滤波器400可被配置为使得:在基于滤波器时间常数的时间段内,滤波器400的输出(例如,放电电流脉冲的大小410)接近输入(例如,电池电流404)。滤波器400可操作,使得更长的持续时间的恒定电池电流将产生更大的放电电流脉冲大小410。如果所述持续时间等于多个滤波器时间常数,则放电脉冲的大小可接近恒定电池电流大小。
滤波器操作的原理为:放电电流脉冲大小410为电池电流404的大小和持续时间的函数。施加了持续长持续时间的大的电池电流大小将比施加了持续短持续时间的同样大的电池电流产生更大的放电脉冲大小410。
放电脉冲的持续时间可以是固定值。例如,可将放电脉冲设置为一秒的预定时间。在一些配置中,放电脉冲持续时间可以是基于其它参数的时间变量。所述预定时间可基于电池参数。放电电流脉冲的大小和持续时间可足以使电池24的电池单元极化完全或部分反向,使得端电压108将小于最大充电电压限制。
在此公开的处理、方法或算法可传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现,所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地,所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可被控制器或计算机执行的数据和指令,所述多种形式包括但不限于永久地存储在非可写存储介质(诸如,ROM装置)上的信息、可变地存储在可写存储介质(诸如,软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)上的信息。所述处理、方法或算法还可被实现为软件可执行对象。可选地,所述处理、方法或算法可利用合适的硬件组件(诸如,专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合被整体或部分地实现。
尽管上文描述了示例性实施例,但是并不意在这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语,并且应理解的是,可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述,可组合各个实施例的特征以形成可能未必明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式,但是本领域普通技术人员应该认识到,可折衷一个或更多个特征或特性,以实现期望的整体***属性,期望的整体***属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于:成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此,被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外,并且可被期望用于特定的应用。

Claims (5)

1.一种电池管理***,包括:
至少一个控制器,被配置为:以预定充电电流对电池进行充电,响应于在预定电压限制内所述电池的充电电流变为小于所述预定充电电流,命令电力负载接收来自所述电池的放电能量以使所述电池放电持续预定时间,并且在所述预定时间之后重新开始以所述预定充电电流进行充电,以减少电池充电时间。
2.根据权利要求1所述的电池管理***,其中,所述预定电压限制为开始恒定电压充电时的电池充电电压限制。
3.根据权利要求1所述的电池管理***,其中,放电期间的放电速率的大小小于由所述预定充电电流限定的充电速率的大小。
4.根据权利要求1所述的电池管理***,其中,放电期间的电流的大小和所述预定时间是基于电池温度、电池的荷电状态和电池阻抗中的一个或更多个的。
5.根据权利要求1所述的电池管理***,其中,放电期间的电流的大小和所述预定时间是基于充电期间的充电电流的大小的。
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