CN107207004B - 用于对可再充电的混合动力车辆的牵引电池进行能量管理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于管理混合动力车辆的可再充电的牵引电池的荷电状态的方法，所述电池能够在荷电状态范围上根据第一操作模式和第二操作模式进行操作，所述荷电状态范围的幅度由预先定义的最大(BSOC_Max_CD)和最小(BSOC_Min_CD)荷电状态值界定，其中，所述电池提供进行推进所必需的基本上所有电力，并且在所述第二操作模式下，所述电池的荷电状态基本上恒定地保持在平衡荷电状态值附近。根据本发明，与所述第一操作模式相关联的荷电状态范围的幅度随着电池的老化状态而降低。

Description

用于对可再充电的混合动力车辆的牵引电池进行能量管理的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于管理可再充电的混合动力车辆的牵引电池的荷电状态的方法，所述混合动力车辆包括混合动力传动系，所述混合动力传动系属于包括被布置用于进行推进的内燃机以及被布置用于进行推进的电动机/发电机的类型。
背景技术
可再充电的混合动力车辆是在以下情况下使用的术语：可以在电网上对具有两个独立能量源的混合动力车辆进行再充电，这使得可以比常规的混合动力车辆在电力模式上具有更大自主权。事实上，常规上在运行时通过内燃机、或通过使用车辆的动能来对为电动机供电的牵引电池进行再充电，并且附加选项则由能够通过将电池连接至输电网络来对其进行再充电组成。
在燃烧/电力混合电动化的背景下，“插电式混合动力电动车辆”(PHEV)技术具体而言是已知的，在这种技术中，两种电动化一起行动以推进车辆。电力模式的使用将取决于车辆的配置。具体存在两种主要操作模式：
在与“零排放车辆(Zero Emission Vehicle)”(ZEV)操作模式相对应、被称为“荷电耗尽(Charge Depleting)”(CD)的操作模式下，电池提供进行推进所必需的基本上所有或实质上所有电力。在描述为“荷电保持(Charge Sustaining)”(CS)的操作模式下，电池仅提供对电力的补充，推进车辆所必需的电力的主要部分则由内燃机提供。后者模式对应于与“混合动力电动车辆(Hybrid Electric Vehicle)”(HEV)模式类似的操作模式。
根据旨在传输至车辆的驱动轮的电力设置并根据车辆的能量管理***(通常是高性能计算机，例如传动系的一般监控器)所实施的能量管理法则，车辆将在或者CD模式下或者CS模式下进行操作。
常规地，如图1中所展示的，在驱动阶段以电池具有高荷电状态(例如，处于满荷电SOC_Max)开始的情况下，车辆用于CD操作模式下，并且能量管理***将允许电池的荷电状态在这种操作模式下漂移直到达到预先定义的最小荷电状态值SOC_Min_CD。一旦达到这个条件，驾驶员就有可能能够继续在CD模式下驾驶，在此模式下，电池的荷电状态被恒定地保持在这个预先定义的最小值附近。
作为变体，如图2中所展示的，驾驶员还可以实施CS操作模式，即使在电池的荷电状态保持在较高值时，在所述较高值附近，电池的荷电状态将保持在CS模式下，从而保留CD模式以用于结束旅程，例如针对到达城里。然而，如图1中所展示的操作中，当电池的荷电状态将在CD模式下已达到预先定义的最小值SOC_Min_CD时，车辆的能量管理***将自动地控制向CS模式转换。
看起来，电池的利用率范围，也就是说，驾驶员可以使用电池(充电和放电两者)的荷电状态范围，是允许定义车辆的操作模式的能量管理规则所考虑的重要参数。
电池的利用率范围具体特征在于电池的准许最大荷电状态，也就是说，不准许电池上升超过的最大荷电状态。过高的准许最大荷电状态促进了电池健康状态的快速恶化，而过低的准许最大荷电状态对可供驾驶员使用的能量造成损害，尤其在CD模式下。因此，通过对充电终止电压的适当管理，必须在短期内期望提供的能量与电池的耐用性之间找到折中。
电池的利用率范围的特征还在于电池的准许最小荷电状态，也就是说，不准许电池下降至低于的最小荷电状态。过高的准许最小荷电状态对可供驾驶员使用的能量有害，尤其是在CD模式下，而过低的准许最小荷电状态是一个问题，因为存在电池将不能够提供所需的最小电力值的风险，尤其是在CS模式下。因此，通过对准许最小荷电状态的管理，还必须在期望为驾驶员提供的能量(也就是说，自主权)与保持可接受的性能水平之间找到折中，具体就从电池放电的最小可用电力而言，在CD模式下和在CS模式下两者。
同样，主要挑战之一涉及耐用性并且涉及随着时间维持电池的性能。在这方面，电池遭受两种类型的老化。一方面，被称为日历老化的老化，其为与在不同荷电和温度状态下所耗费的时间相关联的性能退化，以及另一方面，周期性老化，其为与已经通过电池的电力值相关联的恶化。现今，尤其是如果必须能够让电池在整个电池寿命中在CD模式下进行操作，考虑到这些老化限制，非常难保证电池的耐用性。在极端情况下，电池会进入“突然无电”，其特征在于电池单元的内阻的急剧增大及其可用容量的减小。
从专利文献FR3002045中已知了一种用于根据电池的老化来管理电池的利用率范围的方法，所述方法具体地由以下步骤组成：根据电池的能量健康状态来估计充电终止电压，从而根据电池的老化状态提高准许最大荷电状态以及因此的可用荷电状态范围。这种方法使得可以保证最小所需能量值，同时限制电池的退化。然而，电池的耐用性仍然保持受限。
发明内容
在这种背景下，因此需要一种用于对电池进行能量管理的方法，所述方法免受上述限制，并且具体地使得可以维持电池的耐用性。
为此目的，本发明涉及一种用于管理可再充电的混合动力车辆的牵引电池的荷电状态的方法，包括混合动力传动系，所述混合动力传动系属于包括用于同时地或独立地提供推进的内燃机和电动机/发电机的类型，所述电池能够在荷电状态范围上根据第一操作模式和第二操作模式进行操作，所述荷电状态范围的幅度由预先定义的最大和最小荷电状态值界定，在所述第一操作模式下，所述电池提供进行推进所必需的基本上所有电力，并且在所述第二操作模式下，所述电池的荷电状态基本上恒定地保持在平衡荷电状态值附近，所述方法的特征在于其包括以下步骤：
-估计所述电池的老化状态，
-比较所述电池的所述估计的老化状态与给定老化状态阈值，以及
-当所述电池的所述老化状态上升至所述给定老化状态阈值以上时，减小与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的幅度。
根据优选实施例，与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的幅度根据老化状态逐渐地减小至零幅度，从而使得当达到与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的所述零幅度时所述电池仅仅根据所述第二操作模式进行操作。
有利地，所述减小与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的幅度的步骤由以下步骤组成：使所述荷电状态的预先定义的所述最大值和所述最小值朝彼此收敛。
所述估计所述电池的所述老化状态的步骤优选地包括：定义所述电池的能量健康状态。
作为变体或组合地，所述估计所述电池的老化状态的步骤包括：定义自从电池投入服务以来过去的时间。
作为变体或组合地，所述估计所述电池的老化状态的步骤包括：定义所述电池的完全充电次数。
作为变体或组合地，所述估计所述电池的老化状态的步骤包括：定义自从所述电池投入服务以来根据所述第一操作模式和/或所述第二操作模式进行操作从所述电池放电的能量之和。
有利地，针对所述电池的所述第一操作模式预先定义的所述最大和最小荷电状态值是根据将所述电池的所述估计的老化状态与这些值中的每一个值相关联的绘图所定义的。
本发明还涉及一种用于管理可再充电的混合动力车辆的混合动力传动系的牵引电池的荷电状态的设备，包括用于同时地或独立地提供推进的内燃机和电动机/发电机，所述设备包括用于控制所述电池的装置，所述装置能够在荷电状态范围上根据第一操作模式和第二操作模式控制所述电池，所述荷电状态范围的幅度由预先定义的最大和最小荷电状态值界定，在所述第一操作模式下，所述电池提供进行推进所必需的基本上所有电力，并且在所述第二操作模式下，所述电池的荷电状态基本上恒定地保持在平衡荷电状态值附近，其特征在于，所述控制装置能够接收对所述电池的老化状态的估计，并且当所述电池的所述老化状态上升至给定老化状态阈值以上时能够控制减小与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的幅度。
本发明还涉及一种可再充电的混合动力机动车辆，包括牵引电池以及根据本发明的用于管理电池的荷电状态的设备。
附图说明
本发明的其他特质和优点将通过阅读以下给出的本发明的具体实施例的说明(作为一个非限定性指示而给出)并参照这些附图而显现，在附图中：
-图1和图2(已经进行了描述)根据实施两种操作模式(分别是CD模式和CS模式)的两个已知实施例展示了电池的荷电状态根据时间的演化，
-图3展示了准许电池利用率范围，一方面与CD操作模式相关联并且另一方面与CS操作模式相关联，
-图4展示了在不实施本发明的情况下电池的这些利用率范围随着时间的演化，
-图5展示了当实施本发明时电池的这些利用率范围随着时间的演化。
具体实施方式
下面列出了说明书的继续部分中将使用的变量：
BSOC：电池荷电状态(battery state of charge)(SOC为荷电状态(State ofCharge)的首字母缩略词)——单位[％]，
SOHE：电池的能量健康状态(state of health in energy)——单位[％]。能量健康状态是电池提供所需的最小能量值的指示符并且在下文中被定义为以下两者之间的关系：一方面，在参考温度(例如25 C)下以恒定参考电流值(例如1C)用完全充电的电池放电直至在电池寿命的给定时刻达到截止电压(例如2.5V)为止可以放电的能量，另一方面，当电池是新的时用在相同条件下完全充电的电池可以放电的能量。因而，在寿命开始时，这个关系是100％，并且它逐渐地减小。实际上，在电池的使用寿命期间，由于在使用和老化过程中发生的不可逆物理和化学变化，其健康(性能)趋向于逐渐恶化，直到最终电池不再可用。因而，SOHE反映了电池的健康状态以及与新电池相比就可用能量而言其传递指定性能的能力。
如之前所解释的，电池的恶化或老化一方面与日历恶化(电池在某温度和某给定荷电状态下所耗费的时间)相关联，并且另一方面与周期恶化(与电池中放电或充电的kWh相关联)相关联。然而，在CS模式下，与周期相关联的对恶化的贡献实质上不存在。事实上，电池的电化学单元的与周期相关联的极化在CS模式下比在CD模式下更小，因为电流的平均值在CS模式下自始至终为零，因为电池在给定荷电状态附近循环；而在CD模式下，电流的平均值为负，因为，平均而言，电池在放电。因此，维持耐用性的第一种方式由禁止CD模式组成，所述模式在某些条件下对电池恶化贡献最大。这种用于对电池进行能量管理的策略因此相当于使电池在固定的荷电状态值附近循环，因为，CD模式此时被禁止，电池在CS模式下操作，在CS模式下，电池的荷电状态平均而言恒定地保持在这个平衡荷电状态值附近。
而且，日历恶化对电化学单元的影响对于处于低荷电状态(在给定温度值下)的单元比处于高荷电状态的单元更小。因此，用于维持耐用性的最优策略将由以下内容组成：使电池在CS模式下在将尽可能低的平衡荷电状态附近循环。然而，这种平衡荷电状态不能过低，从而能够维持足够的可用放电电力值，包括在低温下。
考虑到上述内容，根据本发明的能量管理策略的关键点由以下内容组成：从电池的老化高于给定老化状态阈值的时刻开始抑制(甚至禁止)电池在CD模式下进行操作。当CD模式被禁止时，车辆的混合动力传动系则被控制以仅仅在CS模式下进行操作，这相当于使电池在固定的BSOC值附近循环并因此相当于减小电池在BSOC的利用率范围，并且相当于在CS(或HEV)模式下实施车辆的操作，从而使得被传递至车轮的电力的最大部分来自内燃机。
因此，由混合动力传动系的监控器实施此策略涉及估计电池的老化状态并将此估计的老化状态与由策略所固定的阈值进行比较。具体地，可以通过估计电池的能量健康状态(SOHE)来定义电池的这种老化状态。
此估计可以例如由专用于电池的电池能量管理***(BMS)计算机进行。所述BMS计算机被设置的方式为用于估计电池的能量健康状态(SOHE)。存在若干种用于估计电池的能量健康状态的方法。作为示例，对于此估计，将可以使用在以下各项中提出的方法之一：在专利“METHOD AND APPARATUS OF ESTIMATING STATE OF HEALTH OF BATTERY(对电池的健康状态进行估计的方法和装置)”(US 2007/0001679A1)；或Journal of Power Sources，113(2003)72-80，R.斯伯特尼的文章“Simulation of capacity fade in lithium ionbatteries(对锂离子电池的容量衰减的仿真)”。
能量管理策略的实施还由以下内容组成：定义从混合动力传动系的监控器准许根据CD模式进行操作(作为对CS模式的补充)的情形转到不再准许根据CD模式进行操作的情形的方式。
因而，根据第一实施例，这种转变可以从电池的老化状态(优选地由BMS通过SOHE计算进行估计)上升至给定阈值以上的时刻开始发生。例如，如果这个阈值是60％，只要电池的能量健康状态在60％以上，监控器就准许在CD模式下进行操作。驾驶员则将能够在CD模式下进行他/她的旅程的一部分，并在CS模式下结束旅程。相反，一旦能量健康状态降至60％以下(换言之，电池的老化状态上升至固定的老化状态阈值以上)，监控器被设计以禁止在CD模式下进行操作，从而使得驾驶员将不得不在CS模式下进行他/她的整个旅程。然而，根据本实施例，这两种情形(也就是说，允许和不允许在CD模式下进行操作)之间的转变突然地发生，这并不是特别令人期望的。
同样，根据另一实施例，这种转变可以基于BSOC范围的逐渐演进(根据SOHE而准许的)而发生。为了做到这一点，BMS在每一时刻定义电池的准许利用率范围，这个范围潜在地取决于温度和老化。在这种背景下并且如图3中所展示的，一般存在：
-与CD操作模式相关联的荷电状态范围CD_模式，其幅度由最小荷电状态值BSOC_Min_CD和最大荷电状态值BSOC_Max_CD界定；以及
-与CS操作模式相关联的荷电状态范围CS_模式，其幅度由最小荷电状态值BSOC_Min_CS和最大荷电状态值BSOC_Max_CS界定。
这两个范围可以如图3中所展示的那样局部地重叠。
如图4中所展示的，如果与CD操作模式相关联的荷电状态范围不随时间而变化，则存在电池恶化超出阈值的风险，这可能会导致单元的突然无电。
同样，根据本发明，与CD操作模式相关联的荷电状态范围的幅度偶然从给定电池老化状态开始减小。更准确地说，在某SOHE阈值以下(换言之超出电池的某个给定老化状态阈值)，与CD模式相关联的荷电状态范围的幅度逐渐地减小直到它达到零值。例如，如图5中所展示的，界定CD模式下的准许荷电状态范围的最小和最大荷电状态值(分别为BSOC_Min_CD和BSOC_Max_CD)朝彼此收敛直到它们相等。当CD模式下的准许荷电状态范围已经消失时，监控器则被设计成使电池仅仅在CS模式下操作，在所述CS模式下，电池的荷电状态基本上保持在平衡荷电状态值附近，所述平衡荷电状态值通常对应于界定CD模式下准许荷电状态范围的最小和最大荷电状态值的荷电状态收敛值。CS模式下电池的荷电状态则保持基本上在此收敛值附近，并且可以在CS模式下的准许荷电状态范围的对应最小和最大边界CS_模式的BSOC_Min_CS和BSOC_Max_CS之间稍微上升或下降。如图5中所示，从根据本发明的能量管理策略的实现方式开始计数，即从触发CD模式下的准许荷电状态范围的幅度从给定老化状态阈值下降开始计数，电池容量保留率不那么迅速地减小。根据本发明的方法因此使得可以提高从给定老化状态阈值的电池容量保留。
关于基于SOHE定义对电池的老化状态进行的估计，可以或者通过闭环估计器或者通过开环估计器基于经验模型来计算所述SOHE定义。然而，闭环估计器的使用并不令人期望，因为，通过其构造，其经受波动，从而使得存在监控器将以随机的方式准许或禁止在CD模式下进行操作的风险。
作为变体，对电池的老化状态的估计可以基于对单独SOHE以外的参数的定义，具体为：
-自从电池投入服务以来过去的时间；
-CD模式下和/或CS模式下放电(或充电)的kWh总和；
-所进行的完全充电的次数。
将可以有利地使用此类参数以便简单地表征电池的老化状态。因此，通过将借助BSOC_min_CD、BSOC_max_CD、BSOC_min_CS和BSOC_max_CS之一(或这些参数的组合)所定义的电池的老化状态与这些参数中的每一个值相关联的绘图，将可以定义这些参数的值。
将可以有利地将作为本发明的目标的能量管理策略与用于电池荷电状态范围管理的其他逻辑进行组合。因此，将可以将所述策略与用于管理荷电状态范围的策略组合，目的在于根据老化逐渐地提高单元的最小荷电状态值，从而维持可用的放电功率。这种用于管理荷电状态范围的策略基于物理原理，根据所述原理，在高荷电状态下，可获得更多的电力。还将可以将所述策略与一种用于管理荷电状态范围的策略组合，所述用于管理荷电状态范围的策略由以下内容组成：在电池的使用寿命开始时抑制准许最大荷电状态值；以及将其逐渐地增大，从而保持在某时间段内能量对驾驶员可用。这些不同策略有利地彼此兼容，因为作为本发明的目标的能量管理策略主要涉及管理电池的寿命结束，与主要涉及电池的使用寿命的开始的上述两种其他策略相反。

Claims (9)

1.一种用于管理可再充电的混合动力车辆的牵引电池的荷电状态的方法，所述混合动力车辆包括混合动力传动系，所述混合动力传动系属于包括用于同时地或独立地提供推进的内燃机和电动机/发电机的类型，所述电池能够在荷电状态范围(CD_模式)上根据第一操作模式和第二操作模式进行操作，所述荷电状态范围的幅度由预先定义的最大荷电状态值(BSOC_Max_CD)和最小荷电状态值(BSOC_Min_CD)界定，在所述第一操作模式下，所述电池提供进行推进所必需的基本上所有电力，并且在所述第二操作模式下，所述电池的荷电状态基本上恒定地保持在平衡荷电状态值附近，所述方法包括以下步骤：
-估计所述电池的老化状态，
-比较所述电池的估计的所述老化状态与给定老化状态阈值，以及
-当所述电池的所述老化状态上升至所述给定老化状态阈值以上时，减小与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的幅度，
其特征在于，与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围(CD_模式)的幅度根据老化状态逐渐地减小至零幅度，从而使得当达到与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的所述零幅度时所述电池仅仅根据所述第二操作模式进行操作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围(CD_模式)的幅度的步骤由以下步骤组成：使所述荷电状态的预先定义的所述最大荷电状态值(BSOC_Max_CD)和所述最小荷电状态值(BSOC_Min_CD)朝彼此收敛。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，估计所述电池的所述老化状态的步骤包括：定义所述电池的能量健康状态。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，估计所述电池的所述老化状态的步骤包括：定义自从电池投入服务以来过去的时间。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，估计所述电池的所述老化状态的步骤包括：定义所述电池的完全充电次数。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，估计所述电池的所述老化状态的步骤包括：定义自从所述电池投入服务以来根据所述第一操作模式和/或所述第二操作模式进行操作从所述电池放电的能量之和。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针对所述电池的所述第一操作模式预先定义的所述最大荷电状态值和所述最小荷电状态值是根据将所述电池的估计的所述老化状态与这些值中的每一个值相关联的绘图所定义的。
8.一种用于管理可再充电的混合动力车辆的混合动力传动系的牵引电池的荷电状态的设备，包括用于同时地或独立地提供推进的内燃机和电动机/发电机，所述设备包括用于控制所述电池的控制装置，所述控制装置能够在荷电状态范围(CD_模式)上根据第一操作模式和第二操作模式控制所述电池，所述荷电状态范围的幅度由预先定义的最大荷电状态值(BSOC_Max_CD)和最小荷电状态值(BSOC_Min_CD)界定，在所述第一操作模式下，所述电池提供进行推进所必需的基本上所有电力，并且在所述第二操作模式下，所述电池的荷电状态基本上恒定地保持在平衡荷电状态值附近，其特征在于，所述控制装置能够接收对所述电池的老化状态的估计，并且当所述电池的所述老化状态上升至给定老化状态阈值以上时能够控制减小与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的幅度，与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围(CD_模式)的幅度根据老化状态逐渐地减小至零幅度，从而使得当达到与所述第一操作模式相关联的所述荷电状态范围的所述零幅度时所述电池仅仅根据所述第二操作模式进行操作。
9.一种可再充电的混合动力机动车辆，包括牵引电池以及如权利要求8所述的用于管理可再充电的混合动力车辆的混合动力传动系的牵引电池的荷电状态的设备。
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