CN101380950B - 管理电功率存储装置的功率流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管理电功率存储装置的功率流的方法和装置。一种电功率存储装置提供功率以起动内燃机。之后来自电功率存储装置以再次起动引擎的可用功率被连续更新。当可用功率少于预定功率阈值时采用补救措施。

Description

管理电功率存储装置的功率流的方法和装置

技术领域

本公开通常涉及电功率存储装置(electrical power storage device)的功率流(power flow)的管理。

背景技术

这部分内容仅提供与本公开有关的背景信息，可能不构成现有技术。

现代车辆非常依赖于电功率产生和存储系统的适当操作。在过去的二十年里，电气装置的数量快速增长，这个趋势还在加速。车辆电功率系统不仅需要为诸如后窗除雾器、防抱死制动和稳定性增强系统之类的安全相关系统提供足够的功率，也需要为诸如空调，座位加热，音频和视频系统之类的舒适、便利和娱乐特征提供足够的功率。如线传操控技术(X-by-wire)的新技术的出现对电池提出了额外的要求。来自于诸如电池的电功率存储装置的持续功率流对保持适当的车辆运行至关重要。电池问题导致顾客的不满意和服务问题。因此，需要对电池在各种车辆操作模式和电池寿命中的供电能力进行监测和控制。

汽车电池的一个必不可少的功能是在短的期间内提供高功率，例如，在引擎起动时提供高功率。现代车辆控制系统利用电功率管理系统来平衡车辆运行期间的功率需求和供应，以及提供引擎发动功率。电池状态是任何电功率管理系统的基本元素。由于电池装置的电化学特性，很多因素影响着电池的状态，因此确定电池的状态很复杂。电池状态由荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)来表示。SOC代表存储的可用功率/能量，而SOH是功率能力(power capability)和电池容量的指示。为了实现精确的功率管理，电池的SOC和SOH都需要考虑。

一种已知的用于切断负载(load shed)和闲置升压(idle boost)的车辆电功率管理方法仅基于电池荷电状态的指标。其它功率管理系统和方法试图基于电池的起动电流或电压来预测电池起动能力。这些系统需要大电流传感器来测量在起动期间的电池电流(例如，800-1000安培)。此外，没有方法确定起动电流或电压的阈值用于考虑电池SOC和SOH的功率管理。用于混合动力车辆上的功率管理的至少一种方法是基于在正常的车辆操作期间识别的电池模型参数。但是，在正常操作期间的实时电池模型参数识别要求电池电压和电流信号满足持续激励(persistency of excitation)的条件，而这通常不适用于传统车辆。此外，这种方法的计算代价非常高，因为它需要以很高的采样率来采集数据和处理信号。

因此，需要一种用于电功率存储装置的节省成本的监测和控制系统，以实现精确和可靠的功率管理从而解决上述问题，该系统考虑了电池的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)两者。

发明内容

提供了一种用于管理电功率存储装置的功率流的方法，该电功率存储装置适于通过包含电机的电路提供功率以起动内燃机，该方法包括第一次起动引擎。在这种起动之后，来自电功率存储装置以再次起动引擎的可用功率被持续地更新。如果可用功率少于预定的功率阈值，调用(invoke)补救措施，该补救措施包括减少从电功率存储装置输出的功率流和增加到电功率存储装置的功率流的至少其中之一。

附图说明

本发明在某些部分和部分设置中可采用物理形式，其实施例在形成其一部分的附图中被详细地描述和说明，其中：

图1为示范性电路的示意图；

图2和3包括控制方案的示意图；

图4为表格形式的数据集；以及

图5为图形形式的数据集。

具体实施方式

现在参见附图，其中附图是为了阐明实施例，图1描绘了依据实施例构造的电路的示意图。该电路包括电功率存储装置10(EPSD)，其选择性地电连接至包含电机25的电路20，电机25经由配线(wiring harness)通过开关16的接通(actuation)电连接至EPSD，以及其它电负载装置。EPSD的特征在于内部电阻(R_b)，开路电压或者电势(V_OCV)，以及端子12，14间的包括电压(V_BATT)的功率流，以及电流(I_batt)。电路20的特征在于包括电路电阻(Rc)的电阻抗。在所描述的实施例中，EPSD包括传统的电化学装置如铅酸电池，不过这样的应用是示例性的和非限制性的。ESPD选择性地连接至包括起动电动机的电机25并且可操作地向其提供电功率，所述起动电动机适于在包括点火开关的开关16接通时起动内燃机5。点火开关可以由车辆操作者手动启动，或者也可以响应于使用引擎关闭-起动策略的作为车辆配置一部分的引擎控制模块30所发出的指令而启动。EPSD电连接至各种负载装置并且可操作地向其提供电功率(为详细示出)。当EPSD和电路20作为元件被包含在机动车辆中时，有多个电力负载装置40。电力负载装置通常包括车体系统如HVAC，娱乐系统，仪表板，窗户除雾器，以及内部和外部照明，与制动相关的底盘部件，转向和稳定性控制和燃料传送系统，以及诸如燃料喷射器的引擎附件。寄生负载，即在引擎关闭期间排空(drain)EPSD的那些负载，包括用于包含存储装置和安全系统的控制模块的保活功率(keep-alive power)。

内燃机5优选地包括公知的多汽缸装置，其可操作地燃烧燃料以在曲轴处产生转动功率。引擎输出通过变速器装置被传送到输出，例如车轮。变速器装置可以包括传统的固定档位变速器(fixed gear transmission)或者，可选地，结合电功率和机械功率以产生转矩输出的某种形式的机电混合装置。在所描述的实施例中，包括电功率产生装置(未示出)，比如交流发电机，其通过通过皮带传动可旋转地连接至引擎曲轴，以产生用于对EPSD充电的电功率。可选地，电机25可以包含受控的电动/发电机装置，其可操作以在特定操作条件下起动引擎以及在其它操作条件下产生充电电功率。

控制模块30优选地是通用数字计算机，其通常包含微处理器或中央处理单元，包含非易失性存储装置的存储介质，随机存取存储器(RAM)，高速时钟，模数(A/D)和数模(D/A)电路，以及输入/输出电路和装置(I/O)和适当的信号调节以及缓冲电路，所述非易失性存储装置包含只读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPROM)。控制模块具有一组控制算法，包括存储在存储器中并且可执行以提供相应的计算机功能的常驻程序指令和校正(calibration)。控制模块30可以通过局域网(LAN)与整个控制体系的其它控制模块以信号方式(signally)相连。LAN可以传送与操作者的功率请求相关的信息，以及与其它车辆运行状态的控制和操作相关的信息。

现在参考图2，其公开了一种在电路中管理电功率使用的方法，该电路包含EPSD和包括电路20的相关电路，其中电路20包括电机25和电力负载装置40。该方法包括确定引擎起动事件时EPSD的初始状态，和确定在引擎起动事件之后的操作期间包括EPSD的电路的状态。基于这些状态，为随后的引擎起动事件估计EPSD所提供的最大起动功率。估计的最大起动功率同阈值相比较以确保EPSD的起动能力。基于此，在正在进行的操作期间选择性地管理和控制来自EPSD的电功率流，如所述的。现在参照附图3，4和5对此进行更详细的描述。

通过启动(actuate)开关16激活系统，以通过电路20将短持续时间、大电流的电力负载施加到EPSD，比如起动引擎以开始其运行。在所描述的实施例中，控制模块30通常响应于来自车辆操作者的输入或者基于引擎关闭/起动例程启动开关16。控制模块监测通过端子12，14的功率流。

在引擎起动事件时确定EPSD的状态包括以下三个步骤，如图3所示。EPSD的初始开路电压(V_OCV-初始)，EPSD的温度(T_初始)，环境温度(T_amb)，和EPSD的最小起动电压(V_min)在起动事件开始时被测量和记录。附加地，用当前的环境温度更新在前N个引擎起动事件期间记录的环境温度，N例如可以包含5次引擎起动事件。第二，通过预校正的查找表由V_OCV-初始和T_初始得到EPSD的初始荷电状态(SOC_初始)。第三，使用等式1计算EPSD的初始内电阻(R_b-初始)：

其中Rc(T_amb)是基于环境温度的起动电路的电阻。

起动电路电阻Rc包括电路20的电阻和电力负载装置40的电阻，其不包括EPSD的内电阻R_b。起动电路电阻Rc包括并包含所有的电路部件，包括配线电缆，电机电刷，和电起动电动机25的其它部件，并且优选地在试生产车辆校正和开发期间的标准化起动测试(standardized cranking testing)期间确定。起动电路电阻Rc通常被计算为在起动期间产生的最小起动电压除以最大电流(I_max)，即V_min/I_max。起动电路电阻Rc通常随着可以由环境温度确定的起动电路的温度而变化，并且描述为Rc(T_amb)。

引擎起动以及发动事件之后的操作期间，基于初始荷电状态SOC_初始估计期望在下一次起动事件中出现的EPSD参数。操作包括引擎操作，包括引擎操作的车辆操作，和在切断(key-off)期间车辆附件的操作，所有这些都导致通过EPSD的功率流。EPSD参数包括估计的荷电状态(SOC_est)，其包括当前的荷电状态(SOC_当前)减去在引擎关闭时由于EPSD上的寄生负载产生的经校正的荷电状态损失。当前的荷电状态一般由等式2确定：

其中I代表流过EPSD的电流。寄生负载的估计优选地从车辆开发期间预定的校正数据组获得并且可恢复地存储于计算机存储器中。

估计下一次引擎起动事件的环境温度(T_est)，其优选地包括最近N次起动中的最低环境温度，如前所述。优选地，基于最差情况的最低温度情形估计下一次起动事件时的EPSD温度，以与下一次引擎起动事件的环境温度(T_est)基本上相等。下一次引擎起动事件的开路电压的估计(V_{OCV_est})是基于下一次起动事件时的SOC_est和估计的EPSD温度确定的，且优选地包括存储在存储器查找表中的预校正值，如上所述，下一次起动事件时的估计的EPSD温度优选地被估计为与下一次引擎起动事件的环境温度(T_est)基本上相等。

现在参见附图4，以表格的形式绘出了包含在温度状态(T)和荷电状态(SOC)范围上EPSD的多个开路电压状态的示范性数据集，所述EPSD包含示范性的标称12伏电池装置。优选地通过在开发期间进行离线测试确定数据集，以产生数据来构造校正表用于存储和随后在控制模块中供算法使用的实施。

下一次起动事件的EPSD的估计的内电阻(R_{b_est})如下由等式3确定：

R_{b_est}＝R_b-初始*[1+α(SOC_初始-SOC_est)+β*(T_初始-T_est)][3]

其中：α和β为在示范性的标称12伏电池装置的试生产实验测试期间确定的校正值，其表征SOC变化和温度变化对起动电阻的影响。

估计的最大起动功率(P_{max_est})可基于如上估计的开路电压和内电阻由下面的等式4决定，：

$P_{\max \_\mathrm{est}}={\left[\frac{V_{\mathrm{ocv}\_\mathrm{est}}}{\mathrm{Rc}\left(T_{\mathrm{est}}\right)+R_{b\_\mathrm{est}}}\right]}^2*\mathrm{Rc}\left(T_{\mathrm{est}}\right)---\left[4\right]$

将估计的最大起动功率P_{max_est}同预定的阈值起动功率P_max(T_est)相比较，P_max(T_est)代表在下一次引擎起动事件的估计环境温度(T_est)下起动引擎所需的功率。

当所估计的最大起动功率P_{max_est}小于阈值起动功率P_max(T_est)时，控制模块采取补救措施，包括例如减少来自EPSD的电功率流和/或增加至EPSD的充电(功率流)。这包括增加引擎5的空转速度以增加EPSD的荷电状态，以及选择性地减少车辆中的电功率消耗以使荷电状态的减少最小化。图3实质包含详细说明上述决策制定过程的算法流程图。

阈值起动功率P_max(T_est)包含关于下一次引擎起动事件的估计环境温度(T_est)的经校正的一维查找表。该查找表优选地通过进行离线车辆起动测试来校正。EPSD的SOC可以连续地减少，直到起动时间超出了允许的特定最大时间或者在特定的温度T_est下不能起动引擎。然后起动引擎所需的电功率P_max(T_est)可以被计算为起动期间的最小起动电压(V_min)乘以最大电流(I_max)，即V_min*I_max。

现在参见附图5，数据图描绘了使用7个EPSD的车载测试而产生的起动数据，所述EPSD包括示范性的标称12伏电池装置，该图说明了上面描述的概念的适用性。采用加速老化循环，7个EPSD在使用年限上从新的到使用寿命结束。在老化过程中周期性地采集起动数据。如上所述，EPSD所提供的最大功率随着老化而减少。在测试的EPSD中结果是一致的，证明了采用实际车辆起动数据有效地确定预测估计的最大起动功率P_{max_est}和阈值起动功率P_max(T_est)的能力。

本公开描述了某些优选实施例及其修改。通过阅读和理解本说明书，本领域技术人员会想到其他修改和替代。因此，本公开不限于作为实现本公开的最佳模式所公开的特定实施例，本公开包括落在所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (11)

1.一种管理电功率存储装置的电功率流的方法，该电功率存储装置适于通过包含电机的电路提供功率以起动引擎，该方法包括：

在第一引擎起动事件期间起动引擎；

在第一引擎起动事件期间起动引擎之后，连续地更新来自电功率存储装置的用于在第一引擎起动事件之后的第二引擎起动事件期间起动引擎的可用功率；

确定在第二引擎起动事件期间起动引擎所需的功率阈值，作为对应于在第二引擎起动事件之前预定次数的引擎起动事件的最低环境温度的函数；和

如果可用功率小于所述功率阈值，采取补救措施，该补救措施包括减小从电功率存储装置输出的功率流和增加到电功率存储装置的功率流的至少其中之一。

2.一种管理电功率存储装置的电功率流的方法，该电功率存储装置适于通过包含电机的电路提供功率以起动引擎，其中该方法包括：

在第一引擎起动事件期间起动引擎；

在第一引擎起动事件期间起动引擎之后，

基于作为对应于第一引擎起动事件的电功率存储装置的开路电压和电功率存储装置的最小起动电压的函数而计算的电功率存储装置的内电阻的初始估计，来连续地更新来自电功率存储装置的用于在第一引擎起动事件之后的第二引擎起动事件期间起动引擎的可用功率，以及

如果所述可用功率小于功率阈值，采取补救措施，该补救措施包括减小从电功率存储装置输出的功率流和增加到电功率存储装置的功率流的至少其中之一。

3.如权利要求2所述的方法，其中连续地更新来自电功率存储装置的用于在第一引擎起动事件之后的第二引擎起动事件期间起动引擎的可用功率进一步包括：

基于在第一引擎起动事件之后连续地更新的电功率存储装置的内电阻的当前估计来估计所述可用功率。

4.权利要求3所述的方法，其中电功率存储装置的内电阻的当前估计是作为内电阻的初始估计、电功率存储装置自第一引擎起动事件以来的荷电状态的变化，以及对应于第一引擎起动事件的电功率存储装置的温度和对应于第二引擎起动事件的电功率存储装置的温度的估计之间的差的函数来估计的。

5.权利要求2所述的方法，其中电功率存储装置的内电阻的初始估计是作为对应于第一引擎起动事件的起动电路电阻的函数而进一步计算的。

6.一种管理电功率存储装置的电功率流的方法，包括：

可操作地将电功率存储装置电耦合至包含适于起动引擎的电机的电路；

在第一引擎起动事件测量电功率存储装置的初始开路电压、电功率存储装置的初始最小起动电压、初始环境温度和电功率存储装置的初始温度；

确定作为初始环境温度的函数的初始起动电路电阻；

获得作为电功率存储装置的初始开路电压和电功率存储装置的初始温度的函数的电功率存储装置的初始荷电状态；

计算作为电功率存储装置的初始开路电压、电功率存储装置的初始最小起动电压、和初始起动电路电阻的函数的电功率存储装置的初始内电阻；

在第一引擎起动事件之后估计在第一引擎起动事件之后的第二引擎起动事件期间预期将出现的电功率存储装置的将来荷电状态作为电功率存储装置的初始荷电状态的函数，估计对应于第二引擎起动事件的将来环境温度、并估计对应于第二引擎起动事件的电功率存储装置的将来温度；

在第一引擎起动事件之后确定作为电功率存储装置的初始内电阻、电功率存储装置的初始和将来荷电状态、和电功率存储装置的初始和将来温度的函数的对应于第二引擎起动事件的电功率存储装置的将来内电阻；

在第一引擎起动事件之后估计作为电功率存储装置的将来荷电状态和电功率存储装置的将来温度的函数的对应于第二引擎起动事件的电功率存储装置的将来开路电压；

预测作为电功率存储装置的将来开路电压、电功率存储装置的将来内电阻和将来起动电路电阻的函数的对于第二引擎起动事件可用的电功率存储装置的最大起动功率，该将来起动电路电阻是将来环境温度的函数；

比较预测的电功率存储装置的最大起动功率和预定的阈值功率；以及，

基于所述比较，控制电功率存储装置的电功率流。

7.如权利要求6所述的方法，其中电功率存储装置的将来荷电状态是作为电路上的预测的寄生负载的函数而进一步估计的。

8.如权利要求6所述的方法，其中控制来自电功率存储装置的电功率流包括当所述预测的最大起动功率小于所述阈值功率时增加引擎空转速度以增加电功率存储装置的荷电状态和减小电功率消耗。

9.如权利要求6所述的方法，其中功率阈值包括驱动电机以起动引擎所需的电功率存储装置的功率流。

10.如权利要求6所述的方法，进一步包括在第二引擎起动事件之前控制电功率存储装置的电功率流。

11.如权利要求6所述的方法，其中预定的阈值功率是作为对应于在第二引擎起动事件之前的预定次数的引擎起动事件的最低环境温度的函数而确定的。

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