CN106114252A - 基于电池接触器使用寿命管理电池使用的方法及*** - Google Patents

基于电池接触器使用寿命管理电池使用的方法及*** Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法及***。其中所述方法包括：步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子；步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子；步骤三、根据***功率校正因子，计算电池可输出的最大功率或计算预充电时间的最高值；以及步骤四、电池管理***安全地输出最大功率或调节预充电时间至最高值。通过上述方法，本申请实现了电池使用的最高性能或延长了电池的使用寿命。

Description

基于电池接触器使用寿命管理电池使用的方法及***
技术领域
本申请涉及电动车辆领域，尤其涉及一种基于电池接触器使用寿命管理电池使用的方法及***。
背景技术
随着电池组的使用，其内部组件电池、接触器、熔断器、开关以及电池组本身都会逐渐老化，性能也会受到相应的影响，所以，设计电池组时，需要保证在其使用寿命期间内其能够满足功率、能量、效率等方面的要求，以满足实际使用需求。
如果电池组的内部组件老化超过一定程度，则电池的输出将不满足设计要求，一般情况下将此定义为蓄电池的“结束生命(EOL：End Of Life)”阶段。因此，蓄电池是在使用之初，即处于“开始生命(BOL：Begin of Life)”阶段，能提供的功率、能量、效率等都优于“结束生命”阶段。
一般的电池***主要包括电池、熔断器、手动断开装置(MSD：Manual ServiceDisconnect)以及接触器。
当达到“结束生命”阶段时，电池组并不会立即失效，而是随着额定功率、能量性能以及效率等持续下降，最终低于设计要求中的标准值，从而电池组失效。例如，在低于功率或能量的设计要求值下的电池使用，最终会导致电池组及其组件的损坏。
其中所述接触器的损坏或故障，对于安全来说是至关重要，因为接触器是分离电池内部与外部连接电动势的主要方法。
但是，接触器故障有多种情况，即某些机械触点表面会逐渐出现化学的或者机械的老化，甚至在一些接触点上潜在的自发接触器焊接部分会增加，尤其在触点闭合期间，这是因为随着使用，越来越多的电、热、机械和化学应力暴露，接触器中的电接触表面结构、表面粗糙度、材料的转化都会发生改变。接触器的物理和化学性质会发生改变。同时，接触器触头闭合的瞬间，电压差会产生一个短而大的峰值电流经过接触表面。接触器的接触表面的应力也会增大，导致损坏或恶化的加剧。如果在负载情况下打开接触器，会在接触表面产生一个电弧，导致接触表面的热损伤以及表面之间的材料转化。因此，所述接触器的损坏或故障而导致接触器老化的现象，十分普遍。
另外，在实际电动车辆应用的过程中，“预充电”开始和“正极接触器31闭合”之间的时间间隔须尽可能短，例如最好在100ms以内。因为时间过长，导致过度的电应力对预充电电路3的元器件损坏和/或制造零部件成本提高，因为这些元器件为了减少预充电时间和所需的低压差必须承受过度的电应力。另外，正极主接触器21因为在短时间内闭合而承受过度电应力，会导致瞬间峰值电流。通常情况下，预充电时长和正极接触器的闭合时间是电池管理***内部固定的，定义为时间性能(最小预充电等待时间)和预期的接触器寿命之间的折衷。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种基于上提高电池接触器使用寿命有效管理电池使用的方法。
本申请通过如下技术方案之一来实现发明目的：
基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，包括：
步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子；
步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子；
步骤三、根据***功率校正因子，计算电池可输出的最大功率；以及
步骤四、电池管理***安全地输出最大功率。
进一步地，在步骤一中，接触器应力因子为第一接触器应力因子；将流经接触器的电流的平方对时间求积分得到第一接触器应力因子。
更进一步地，在步骤二中，所述***功率校正因子为第一***功率校正因子；设定第一校正系数，第一校正系数和第一接触器应力因子的乘积得到第一***功率校正因子。
更进一步地，在步骤三中，计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与第一***功率校正因子的乘积。
进一步地，在步骤一中，所述接触器应力因子为第二接触器应力因子；第二接触器应力因子基于外部负载电路中放电和充电情况下接触器打开的次数。
更进一步地，在步骤二中，所述***功率校正因子为第二***功率校正因子；设定第二校正系数，第二校正系数和第二接触器应力因子的乘积得到第二***功率校正因子。
更进一步地，在步骤三中，计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与第二***功率校正因子的乘积。
进一步地，在步骤一中，接触器应力因子为第三接触器应力因子；第三接触器应力因子基于形成瞬间峰值电流的预充电接触器的闭合次数。
更进一步地，在步骤二中，所述***功率校正因子为第三***功率校正因子；设定第三校正系数，第三校正系数和第三接触器应力因子的乘积得到第三***功率校正因子。
更进一步地，在步骤三中，计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与第三***功率校正因子的乘积。
进一步地，将流经接触器的电流的平方对时间求积分得到第一接触器应力因子；设定第一校正系数，第一校正系数和第一接触应力因子的乘积得到第一***功率校正因子；基于负载电路中放电和充电情况下正极接触器打开的次数得到第二接触器应力因子；设定第二校正系数，第二校正系数和第二接触器应力因子的乘积得到第二***功率校正因子；基于造成瞬间峰值电流的预充电接触器的闭合次数得到第三接触器应力因子；设定第三校正系数，第三校正系数和第三接触器应力因子的乘积得到第三***功率校正因子；第一***功率校正因子、第二***功率校正因子以及第三***功率校正因子的乘积得到设定第四***功率校正因子；根据该第四***功率校正因子，计算电池的输出功率；计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与该第四***功率校正因子的乘积。
本申请通过如下技术方案之二来实现发明目的：
基于电池接触器使用寿命管理电池使用的方法，包括：
步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子；
步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子；以及
步骤三、根据***功率校正因子，计算预充电时间的最高值；以及
步骤四、电池管理***调节预充电时间至最高值。
进一步地，将流经接触器的电流的平方对时间求积分得到第一接触器应力因子；设定第一校正系数，第一校正系数和第一接触应力因子的乘积得到第一***功率校正因子；基于负载电路中放电和充电情况下正极接触器打开的次数得到第二接触器应力因子；设定第二校正系数，第二校正系数和第二接触器应力因子的乘积得到第二***功率校正因子；基于造成瞬间峰值电流的预充电接触器的闭合次数得到第三接触器应力因子；设定第三校正系数，第三校正系数和第三接触器应力因子的乘积得到第三***功率校正因子；根据第一***功率校正因子、第二***功率校正因子以及第三***功率校正因子设定第五***功率校正因子；根据第五***功率校正因子，通过电池管理***调节预充电时间至最高值。
更进一步地，所述预充电时间的最高值为在”开始生命”阶段预充电的最短时间与所述第五***功率校正因子的乘积。
本申请通过如下技术方案之三来实现发明目的：一种电池***，其特征在于，包括电池、主接触器、预充电电路以及外部负载电路；所述主接触器包括正极主接触器以及负极主接触器；所述预充电电路包括与正极主接触器并联的预充电接触器和预充电电阻；所述电池***执行如上任一项中所述的方法。
与现有技术相比，本申请通过基于电池接触器使用寿命来管理电池使用，即调整电池输出的最大功率或调整预充电时间至最大时间，从而实现电池最高性能或延长电池使用寿命。
附图说明
图1是本申请车辆电源管理***的结构示意图。
图2是本申请车辆电源管理***中外部负载电路电压(Voltage)和时间(Time)的函数曲线图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
在接触器闭合的瞬间产生的电流与闭合瞬间的电压差、电阻、阻抗成函数关系。通过接触器的电流越大，对接触器的损坏就越大。因此，为了防止所述接触器损坏或故障，需要防止在接触器闭合的瞬间产生的电流过大。于是，需要在接触器闭合时两边的电压差限制在一个合适的值，为此在接触器闭合前，所述高压电池的外部电路被预充电。
参照图1所示。图1所示为本申请的电池***，包括电池1、主接触器2、预充电电路3以及外部负载电路。所述主接触器2包括正极主接触器21以及负极主接触器22。所述预充电电路3包括与正极主接触器21并联的预充电接触器31和预充电电阻32。
所述电池1、主接触器2、预充电电路3是电池内部电路的组成部分。当然，电池内部电路还可能包括其他组件。
具体地，为了给外部负载电路提供电压，负极主接触器22闭合，预充电接触器31闭合，产生一个较小的电流经过预充电电路3的预充电电阻32，使外部负载电路中电压指数逐渐增加。经过一定的延迟时间，外部负载电路中的电压已充分地提高到上述最低临界阈值，此时正极主接触器21闭合，电池内部电路和外部负载电路之间的电压差应该足够低，以限制瞬间峰值电流经过正极主接触器21。
继续参考图2。图2给出了外部负载电路电压(Voltage)和时间(Time)的函数曲线图。第一时间T1对应的外部负载电路第一电压V1，第二时间T2对应的外部负载电路第二电压V2。通过图示可见，在正极主接触器21闭合前预充电时间越长，外部负载电路的电压越高，也就是说，电池内部电路电压与外部负载电路电压的压差越小。
根据上面的描述，本申请提供一种基于电池主接触器3(“接触器”)的使用寿命(SOH：State Of Healthy)来管理电池使用的方法。在一实施方式中，所述方法包括：
步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子；
步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子；
步骤三、根据***功率校正因子，计算电池输出的最大功率；以及
步骤四、电池管理***(未图示)输出电池输出的最大功率。
在第一实施方式中，在步骤一中，所述接触器应力因子为第一接触器应力因子X1(I,t)。将流经正极主接触器21电流I的平方对时间求积分得到该第一接触器应力因子X1(I,t)，公式如下：
X1(I，t)＝∫I2dt
在步骤二中，设定第一校正系数k，该第一校正系数k和一接触器应力因子应力因子X1(I,t)的乘积得到第一***功率校正因子Z1：
Z1＝k×X1(I，t)
其中第一校正系数k可以为负值。
在步骤三中，计算电池输出功率PB的电流IB为在“开始生命”阶段接触器的额定电流IB0与第一***功率校正因子Z1的乘积：
I B 0 = I B 0 × Z 1
所述电池的功率输出PB是电池电压VB和电流IB的乘积：
PB＝VB×IB。
电池管理***控制输出最大功率PB，即在以安全地调整最大耐用的前提下，输出该最大功率PB。
在第二实施方式中，在步骤一中，所述接触器应力因子为第二接触器应力因子X2(I,n)。第二接触器应力因子X2(I,n)是基于负载电路中放电和充电情况下正极主接触器21打开的次数。
在步骤二中，设定第二校正系数m，该第二校正系数m为和第二接触器应力因子X2(I,n)的乘积得到第二***功率校正因子Z2，公式如下：
Z2＝m×X2(I，n)
其中第二校正系数m可以为负值。
在步骤三中，计算电池输出功率PB的电流IB为在“开始生命”阶段接触器的额定电流IB0与第二***功率校正因子Z2的乘积：
I B = I B 0 × Z 2
而所述电池的功率输出PB是电池电压VB和电流IB的函数：
PB＝VB×IB。
电池管理***控制输出最大功率PB，即在以安全地调整最大耐用的前提下，输出该最大功率PB。
在第三实施方式中，在步骤一中，所述接触器应力因子为第三接触器应力因子X3(I,n_P)。该第三接触器应力因子X3(I,n_P)是基于形成瞬间峰值电流的预充电接触器31的闭合次数。
在步骤二中，设定第三校正系数b，第三校正系数b和第三接触应力因子X3(I,n_P)的乘积得到第三***功率校正因子Z3，公式如下：
Z3＝b×X3(I，n-p)
其中第一校正系数b可以为负值。
在步骤三中，计算电池输出功率PB的电流IB为在“开始生命”阶段接触器的额定电流IB0与第三***功率校正因子Z3的乘积。
IB＝IB_0×Z3
而所述电池的功率输出PB是电池电压VB和电流IB的函数：
PB＝VB×IB。
电池管理***控制输出最大功率PB，即在以安全地调整最大耐用的前提下，输出最大功率PB。
在第四实施方式中，根据第一实施方式、第二实施方式以及第三实施方式中，整合第一***功率校正因子Z1、第二***功率校正因子Z2、第三***功率校正因子Z3。
所述计算电池输出功率PB的电流IB为在“开始生命”阶段接触器的额定电流IB0与第一***功率校正因子Z1、第二***功率校正因子Z2、第三***功率校正因子Z3的乘积，即第四***功率校正因子Z4为第一***功率校正因子Z1、第二***功率校正因子Z2、第三***功率校正因子Z3的乘积，公式如下：
I B = I B 0 × Z 1 × Z 2 × Z 3
而所述电池的功率输出PB是电池电压VB和电流IB的函数：
PB＝VB×IB。
电池管理***控制输出最大功率PB，即在以安全地调整最大耐用的前提下，输出最大功率PB。
通过以上多个实施方式，实现了基于电池接触器使用寿命来管理电池使用，即调整输出电池的最大功率PB。
由于正极主接触器21闭合产生的瞬间峰值电流是闭合瞬间电压差的函数，预充电时间加长，高电压供电的延迟，导致客户舒适系数下降。这是预充电时间应当尽量短的主要原因，然而，这是增加的接触元件的应力，从而降低使用寿命，或者说，增加元件成本。
因此，在另一实施方式中，本申请提供一种基于电池主接触器3(“接触器”)使用寿命来管理电池使用的方法，包括：
步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子X4(X1,X2,X3)；
步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子Z4；以及
步骤三、根据***功率校正因子Z4，计算预充电时间的最高值；以及
步骤四、电池管理***调节预充电时间至最高值。
在步骤一中，所述接触器组件应力因子X4(X1,X2,X3)是结合第一实施方式中的接触器应力因子X1、第二实施方式中的接触器应力因子X2以及第三实施方式中接触器应力因子X3。
在步骤二中，设定校正系数g。所述接触器组件应力因子X4(X1,X2,X3)与第五校正系数g的乘机得到***功率校正因子Z4：
Z4＝g×X4
在步骤三中，所述预充电时间最高值TP为在”开始生命”阶段预充电的最短时间Tp_0与所述第五***功率校正因子Z4的乘积。
TP＝TP_O×Z4
通过上述实施方式，基于电池接触器使用寿命来管理电池使用，即通过电池管理***调节预充电时间到最高值TP，以此来降低正极主接触器21闭合时产生的压差，从而防止正极主接触器21老化，延长使用寿命。
在上面的描述中，阐述了本发明的技术方案的细节，然而，本领域技术人员能够了解，本发明不限于上述实施例所列出的具体细节，而是可以在权利要求所限定的范围内变化。
以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (15)

1.基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于，包括：
步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子；
步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子；
步骤三、根据***功率校正因子，计算电池可输出的最大功率；以及
步骤四、电池管理***安全地输出最大功率。
2.如权利要求1所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤一中，接触器应力因子为第一接触器应力因子；将流经接触器的电流的平方对时间求积分得到第一接触器应力因子。
3.如权利要求2所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤二中，所述***功率校正因子为第一***功率校正因子；设定第一校正系数，第一校正系数和第一接触器应力因子的乘积得到第一***功率校正因子。
4.如权利要求3所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤三中，计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与第一***功率校正因子的乘积。
5.如权利要求1所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤一中，所述接触器应力因子为第二接触器应力因子；第二接触器应力因子基于外部负载电路中放电和充电情况下接触器打开的次数。
6.如权利要求5所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤二中，所述***功率校正因子为第二***功率校正因子；设定第二校正系数，第二校正系数和第二接触器应力因子的乘积得到第二***功率校正因子。
7.如权利要求6所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤三中，计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与第二***功率校正因子的乘积。
8.如权利要求1所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤一中，接触器应力因子为第三接触器应力因子；第三接触器应力因子基于形成瞬间峰值电流的预充电接触器的闭合次数。
9.如权利要求8所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤二中，所述***功率校正因子为第三***功率校正因子；设定第三校正系数，第三校正系数和第三接触器应力因子的乘积得到第三***功率校正因子。
10.如权利要求9所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：在步骤三中，计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与第三***功率校正因子的乘积。
11.如权利要求1所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：将流经接触器的电流的平方对时间求积分得到第一接触器应力因子；设定第一校正系数，第一校正系数和第一接触应力因子的乘积得到第一***功率校正因子；基于负载电路中放电和充电情况下正极接触器打开的次数得到第二接触器应力因子；设定第二校正系数，第二校正系数和第二接触器应力因子的乘积得到第二***功率校正因子；基于造成瞬间峰值电流的预充电接触器的闭合次数得到第三接触器应力因子；设定第三校正系数，第三校正系数和第三接触器应力因子的乘积得到第三***功率校正因子；第一***功率校正因子、第二***功率校正因子以及第三***功率校正因子的乘积得到设定第四***功率校正因子；根据该第四***功率校正因子，计算电池的输出功率；计算可电池输出的最大功率的电流为在”开始生命”阶段接触器的额定电流与该第四***功率校正因子的乘积。
12.一种基于电池接触器使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于，包括：
步骤一、设定一个用来计算接触器老化的接触器应力因子；
步骤二、根据接触器应力因子，计算***功率校正因子；以及
步骤三、根据***功率校正因子，计算预充电时间的最高值；以及
步骤四、电池管理***调节预充电时间至最高值。
13.如权利要求12所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：将流经接触器的电流的平方对时间求积分得到第一接触器应力因子；设定第一校正系数，第一校正系数和第一接触应力因子的乘积得到第一***功率校正因子；基于负载电路中放电和充电情况下正极接触器打开的次数得到第二接触器应力因子；设定第二校正系数，第二校正系数和第二接触器应力因子的乘积得到第二***功率校正因子；基于造成瞬间峰值电流的预充电接触器的闭合次数得到第三接触器应力因子；设定第三校正系数，第三校正系数和第三接触器应力因子的乘积得到第三***功率校正因子；根据第一***功率校正因子、第二***功率校正因子以及第三***功率校正因子设定第五***功率校正因子；根据第五***功率校正因子，通过电池管理***调节预充电时间至最高值。
14.如权利要求13所述的基于电池接触器的使用寿命管理电池使用的方法，其特征在于：所述预充电时间的最高值为在”开始生命”阶段预充电的最短时间与所述第五***功率校正因子的乘积。
15.一种电池***，其特征在于，包括电池、主接触器、预充电电路以及外部负载电路；所述主接触器包括正极主接触器以及负极主接触器；所述预充电电路包括与正极主接触器并联的预充电接触器和预充电电阻；所述电池***执行如权利要求1至14任一项中的方法。
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