本發(fā)明涉及一種用于管理可再充電的混合動(dòng)力車輛的牽引電池的荷電狀態(tài)的方法,所述混合動(dòng)力車輛包括混合動(dòng)力傳動(dòng)系,所述混合動(dòng)力傳動(dòng)系屬于包括被布置用于進(jìn)行推進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)以及被布置用于進(jìn)行推進(jìn)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的類型。
背景技術(shù):
可再充電的混合動(dòng)力車輛是在以下情況下使用的術(shù)語:可以在電網(wǎng)上對(duì)具有兩個(gè)獨(dú)立能量源的混合動(dòng)力車輛進(jìn)行再充電,這使得可以比常規(guī)的混合動(dòng)力車輛在電力模式上具有更大自主權(quán)。事實(shí)上,常規(guī)上在運(yùn)行時(shí)通過內(nèi)燃機(jī)、或通過使用車輛的動(dòng)能來對(duì)為電動(dòng)機(jī)供電的牽引電池進(jìn)行再充電,并且附加選項(xiàng)則由能夠通過將電池連接至輸電網(wǎng)絡(luò)來對(duì)其進(jìn)行再充電組成。
在燃燒/電力混合電動(dòng)化的背景下,“插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛”(phev)技術(shù)具體而言是已知的,在這種技術(shù)中,兩種電動(dòng)化一起行動(dòng)以推進(jìn)車輛。電力模式的使用將取決于車輛的配置。具體存在兩種主要操作模式:
在與“零排放車輛(zeroemissionvehicle)”(zev)操作模式相對(duì)應(yīng)、被稱為“荷電耗盡(chargedepleting)”(cd)的操作模式下,電池提供進(jìn)行推進(jìn)所必需的基本上所有或?qū)嵸|(zhì)上所有電力。在描述為“荷電保持(chargesustaining)”(cs)的操作模式下,電池僅提供對(duì)電力的補(bǔ)充,推進(jìn)車輛所必需的電力的主要部分則由內(nèi)燃機(jī)提供。后者模式對(duì)應(yīng)于與“混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(hybridelectricvehicle)”(hev)模式類似的操作模式。
根據(jù)旨在傳輸至車輛的驅(qū)動(dòng)輪的電力設(shè)置并根據(jù)車輛的能量管理系統(tǒng)(通常是高性能計(jì)算機(jī),例如傳動(dòng)系的一般監(jiān)控器)所實(shí)施的能量管理法則,車輛將在或者cd模式下或者cs模式下進(jìn)行操作。
常規(guī)地,如圖1中所展示的,在驅(qū)動(dòng)階段以電池具有高荷電狀態(tài)(例如,處于滿荷電soc_max)開始的情況下,車輛用于cd操作模式下,并且能量管理系統(tǒng)將允許電池的荷電狀態(tài)在這種操作模式下漂移直到達(dá)到預(yù)先定義的最小荷電狀態(tài)值soc_min_cd。一旦達(dá)到這個(gè)條件,駕駛員就有可能能夠繼續(xù)在cd模式下駕駛,在此模式下,電池的荷電狀態(tài)被恒定地保持在這個(gè)預(yù)先定義的最小值附近。
作為變體,如圖2中所展示的,駕駛員還可以實(shí)施cs操作模式,即使在電池的荷電狀態(tài)保持在較高值時(shí),在所述較高值附近,電池的荷電狀態(tài)將保持在cs模式下,從而保留cd模式以用于結(jié)束旅程,例如針對(duì)到達(dá)城里。然而,如圖1中所展示的操作中,當(dāng)電池的荷電狀態(tài)將在cd模式下已達(dá)到預(yù)先定義的最小值soc_min_cd時(shí),車輛的能量管理系統(tǒng)將自動(dòng)地控制向cs模式轉(zhuǎn)換。
看起來,電池的利用率范圍,也就是說,駕駛員可以使用電池(充電和放電兩者)的荷電狀態(tài)范圍,是允許定義車輛的操作模式的能量管理規(guī)則所考慮的重要參數(shù)。
電池的利用率范圍具體特征在于電池的準(zhǔn)許最大荷電狀態(tài),也就是說,不準(zhǔn)許電池上升超過的最大荷電狀態(tài)。過高的準(zhǔn)許最大荷電狀態(tài)促進(jìn)了電池健康狀態(tài)的快速惡化,而過低的準(zhǔn)許最大荷電狀態(tài)對(duì)可供駕駛員使用的能量造成損害,尤其在cd模式下。因此,通過對(duì)充電終止電壓的適當(dāng)管理,必須在短期內(nèi)期望提供的能量與電池的耐用性之間找到折中。
電池的利用率范圍的特征還在于電池的準(zhǔn)許最小荷電狀態(tài),也就是說,不準(zhǔn)許電池下降至低于的最小荷電狀態(tài)。過高的準(zhǔn)許最小荷電狀態(tài)對(duì)可供駕駛員使用的能量有害,尤其是在cd模式下,而過低的準(zhǔn)許最小荷電狀態(tài)是一個(gè)問題,因?yàn)榇嬖陔姵貙⒉荒軌蛱峁┧璧淖钚‰娏χ档娘L(fēng)險(xiǎn),尤其是在cs模式下。因此,通過對(duì)準(zhǔn)許最小荷電狀態(tài)的管理,還必須在期望為駕駛員提供的能量(也就是說,自主權(quán))與保持可接受的性能水平之間找到折中,具體就從電池放電的最小可用電力而言,在cd模式下和在cs模式下兩者。
同樣,主要挑戰(zhàn)之一涉及耐用性并且涉及隨著時(shí)間維持電池的性能。在這方面,電池遭受兩種類型的老化。一方面,被稱為日歷老化的老化,其為與在不同荷電和溫度狀態(tài)下所耗費(fèi)的時(shí)間相關(guān)聯(lián)的性能退化,以及另一方面,周期性老化,其為與已經(jīng)通過電池的電力值相關(guān)聯(lián)的惡化?,F(xiàn)今,尤其是如果必須能夠讓電池在整個(gè)電池壽命中在cd模式下進(jìn)行操作,考慮到這些老化限制,非常難保證電池的耐用性。在極端情況下,電池會(huì)進(jìn)入“突然無電”,其特征在于電池單元的內(nèi)阻的急劇增大及其可用容量的減小。
從專利文獻(xiàn)fr3002045中已知了一種用于根據(jù)電池的老化來管理電池的利用率范圍的方法,所述方法具體地由以下步驟組成:根據(jù)電池的能量健康狀態(tài)來估計(jì)充電終止電壓,從而根據(jù)電池的老化狀態(tài)提高準(zhǔn)許最大荷電狀態(tài)以及因此的可用荷電狀態(tài)范圍。這種方法使得可以保證最小所需能量值,同時(shí)限制電池的退化。然而,電池的耐用性仍然保持受限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
在這種背景下,因此需要一種用于對(duì)電池進(jìn)行能量管理的方法,所述方法免受上述限制,并且具體地使得可以維持電池的耐用性。
為此目的,本發(fā)明涉及一種用于管理可再充電的混合動(dòng)力車輛的牽引電池的荷電狀態(tài)的方法,包括混合動(dòng)力傳動(dòng)系,所述混合動(dòng)力傳動(dòng)系屬于包括用于同時(shí)地或獨(dú)立地提供推進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的類型,所述電池能夠在荷電狀態(tài)范圍上根據(jù)第一操作模式和第二操作模式進(jìn)行操作,所述荷電狀態(tài)范圍的幅度由預(yù)先定義的最大和最小荷電狀態(tài)值界定,在所述第一操作模式下,所述電池提供進(jìn)行推進(jìn)所必需的基本上所有電力,并且在所述第二操作模式下,所述電池的荷電狀態(tài)基本上恒定地保持在平衡荷電狀態(tài)值附近,所述方法的特征在于其包括以下步驟:
-估計(jì)所述電池的老化狀態(tài),
-比較所述電池的所述估計(jì)的老化狀態(tài)與給定老化狀態(tài)閾值,以及
-當(dāng)所述電池的所述老化狀態(tài)上升至所述給定老化狀態(tài)閾值以上時(shí),減小與所述第一操作模式相關(guān)聯(lián)的所述荷電狀態(tài)范圍的幅度。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例,與所述第一操作模式相關(guān)聯(lián)的所述荷電狀態(tài)范圍的幅度根據(jù)老化狀態(tài)逐漸地減小至零幅度,從而使得當(dāng)達(dá)到與所述第一操作模式相關(guān)聯(lián)的所述荷電狀態(tài)范圍的所述零幅度時(shí)所述電池僅僅根據(jù)所述第二操作模式進(jìn)行操作。
有利地,所述減小與所述第一操作模式相關(guān)聯(lián)的所述荷電狀態(tài)范圍的幅度的步驟由以下步驟組成:使所述荷電狀態(tài)的預(yù)先定義的所述最大值和所述最小值朝彼此收斂。
所述估計(jì)所述電池的所述老化狀態(tài)的步驟優(yōu)選地包括:定義所述電池的能量健康狀態(tài)。
作為變體或組合地,所述估計(jì)所述電池的老化狀態(tài)的步驟包括:定義自從電池投入服務(wù)以來過去的時(shí)間。
作為變體或組合地,所述估計(jì)所述電池的老化狀態(tài)的步驟包括:定義所述電池的完全充電次數(shù)。
作為變體或組合地,所述估計(jì)所述電池的老化狀態(tài)的步驟包括:定義自從所述電池投入服務(wù)以來根據(jù)所述第一操作模式和/或所述第二操作模式進(jìn)行操作從所述電池放電的能量之和。
有利地,針對(duì)所述電池的所述第一操作模式預(yù)先定義的所述最大和最小荷電狀態(tài)值是根據(jù)將所述電池的所述估計(jì)的老化狀態(tài)與這些值中的每一個(gè)值相關(guān)聯(lián)的繪圖所定義的。
本發(fā)明還涉及一種用于管理可再充電的混合動(dòng)力車輛的混合動(dòng)力傳動(dòng)系的牽引電池的荷電狀態(tài)的設(shè)備,包括用于同時(shí)地或獨(dú)立地提供推進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī),所述設(shè)備包括用于控制所述電池的裝置,所述裝置能夠在荷電狀態(tài)范圍上根據(jù)第一操作模式和第二操作模式控制所述電池,所述荷電狀態(tài)范圍的幅度由預(yù)先定義的最大和最小荷電狀態(tài)值界定,在所述第一操作模式下,所述電池提供進(jìn)行推進(jìn)所必需的基本上所有電力,并且在所述第二操作模式下,所述電池的荷電狀態(tài)基本上恒定地保持在平衡荷電狀態(tài)值附近,其特征在于,所述控制裝置能夠接收對(duì)所述電池的老化狀態(tài)的估計(jì),并且當(dāng)所述電池的所述老化狀態(tài)上升至給定老化狀態(tài)閾值以上時(shí)能夠控制減小與所述第一操作模式相關(guān)聯(lián)的所述荷電狀態(tài)范圍的幅度。
本發(fā)明還涉及一種可再充電的混合動(dòng)力機(jī)動(dòng)車輛,包括牽引電池以及根據(jù)本發(fā)明的用于管理電池的荷電狀態(tài)的設(shè)備。
附圖說明
本發(fā)明的其他特質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)將通過閱讀以下給出的本發(fā)明的具體實(shí)施例的說明(作為一個(gè)非限定性指示而給出)并參照這些附圖而顯現(xiàn),在附圖中:
-圖1和圖2(已經(jīng)進(jìn)行了描述)根據(jù)實(shí)施兩種操作模式(分別是cd模式和cs模式)的兩個(gè)已知實(shí)施例展示了電池的荷電狀態(tài)根據(jù)時(shí)間的演化,
-圖3展示了準(zhǔn)許電池利用率范圍,一方面與cd操作模式相關(guān)聯(lián)并且另一方面與cs操作模式相關(guān)聯(lián),
-圖4展示了在不實(shí)施本發(fā)明的情況下電池的這些利用率范圍隨著時(shí)間的演化,
-圖5展示了當(dāng)實(shí)施本發(fā)明時(shí)電池的這些利用率范圍隨著時(shí)間的演化。
具體實(shí)施方式
下面列出了說明書的繼續(xù)部分中將使用的變量:
bsoc:電池荷電狀態(tài)(batterystateofcharge)(soc為荷電狀態(tài)(stateofcharge)的首字母縮略詞)——單位[%],
sohe:電池的能量健康狀態(tài)(stateofhealthinenergy)——單位[%]。能量健康狀態(tài)是電池提供所需的最小能量值的指示符并且在下文中被定義為以下兩者之間的關(guān)系:一方面,在參考溫度(例如25c)下以恒定參考電流值(例如1c)用完全充電的電池放電直至在電池壽命的給定時(shí)刻達(dá)到截止電壓(例如2.5v)為止可以放電的能量,另一方面,當(dāng)電池是新的時(shí)用在相同條件下完全充電的電池可以放電的能量。因而,在壽命開始時(shí),這個(gè)關(guān)系是100%,并且它逐漸地減小。實(shí)際上,在電池的使用壽命期間,由于在使用和老化過程中發(fā)生的不可逆物理和化學(xué)變化,其健康(性能)趨向于逐漸惡化,直到最終電池不再可用。因而,sohe反映了電池的健康狀態(tài)以及與新電池相比就可用能量而言其傳遞指定性能的能力。
如之前所解釋的,電池的惡化或老化一方面與日歷惡化(電池在某溫度和某給定荷電狀態(tài)下所耗費(fèi)的時(shí)間)相關(guān)聯(lián),并且另一方面與周期惡化(與電池中放電或充電的kwh相關(guān)聯(lián))相關(guān)聯(lián)。然而,在cs模式下,與周期相關(guān)聯(lián)的對(duì)惡化的貢獻(xiàn)實(shí)質(zhì)上不存在。事實(shí)上,電池的電化學(xué)單元的與周期相關(guān)聯(lián)的極化在cs模式下比在cd模式下更小,因?yàn)殡娏鞯钠骄翟赾s模式下自始至終為零,因?yàn)殡姵卦诮o定荷電狀態(tài)附近循環(huán);而在cd模式下,電流的平均值為負(fù),因?yàn)椋骄?,電池在放電。因此,維持耐用性的第一種方式由禁止cd模式組成,所述模式在某些條件下對(duì)電池惡化貢獻(xiàn)最大。這種用于對(duì)電池進(jìn)行能量管理的策略因此相當(dāng)于使電池在固定的荷電狀態(tài)值附近循環(huán),因?yàn)?,cd模式此時(shí)被禁止,電池在cs模式下操作,在cs模式下,電池的荷電狀態(tài)平均而言恒定地保持在這個(gè)平衡荷電狀態(tài)值附近。
而且,日歷惡化對(duì)電化學(xué)單元的影響對(duì)于處于低荷電狀態(tài)(在給定溫度值下)的單元比處于高荷電狀態(tài)的單元更小。因此,用于維持耐用性的最優(yōu)策略將由以下內(nèi)容組成:使電池在cs模式下在將盡可能低的平衡荷電狀態(tài)附近循環(huán)。然而,這種平衡荷電狀態(tài)不能過低,從而能夠維持足夠的可用放電電力值,包括在低溫下。
考慮到上述內(nèi)容,根據(jù)本發(fā)明的能量管理策略的關(guān)鍵點(diǎn)由以下內(nèi)容組成:從電池的老化高于給定老化狀態(tài)閾值的時(shí)刻開始抑制(甚至禁止)電池在cd模式下進(jìn)行操作。當(dāng)cd模式被禁止時(shí),車輛的混合動(dòng)力傳動(dòng)系則被控制以僅僅在cs模式下進(jìn)行操作,這相當(dāng)于使電池在固定的bsoc值附近循環(huán)并因此相當(dāng)于減小電池在bsoc的利用率范圍,并且相當(dāng)于在cs(或hev)模式下實(shí)施車輛的操作,從而使得被傳遞至車輪的電力的最大部分來自內(nèi)燃機(jī)。
因此,由混合動(dòng)力傳動(dòng)系的監(jiān)控器實(shí)施此策略涉及估計(jì)電池的老化狀態(tài)并將此估計(jì)的老化狀態(tài)與由策略所固定的閾值進(jìn)行比較。具體地,可以通過估計(jì)電池的能量健康狀態(tài)(sohe)來定義電池的這種老化狀態(tài)。
此估計(jì)可以例如由專用于電池的電池能量管理系統(tǒng)(bms)計(jì)算機(jī)進(jìn)行。所述bms計(jì)算機(jī)被設(shè)置的方式為用于估計(jì)電池的能量健康狀態(tài)(sohe)。存在若干種用于估計(jì)電池的能量健康狀態(tài)的方法。作為示例,對(duì)于此估計(jì),將可以使用在以下各項(xiàng)中提出的方法之一:在專利“methodandapparatusofestimatingstateofhealthofbattery(對(duì)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)的方法和裝置)”(us2007/0001679a1);或journalofpowersources,113(2003)72-80,r.斯伯特尼的文章“simulationofcapacityfadeinlithiumionbatteries(對(duì)鋰離子電池的容量衰減的仿真)”。
能量管理策略的實(shí)施還由以下內(nèi)容組成:定義從混合動(dòng)力傳動(dòng)系的監(jiān)控器準(zhǔn)許根據(jù)cd模式進(jìn)行操作(作為對(duì)cs模式的補(bǔ)充)的情形轉(zhuǎn)到不再準(zhǔn)許根據(jù)cd模式進(jìn)行操作的情形的方式。
因而,根據(jù)第一實(shí)施例,這種轉(zhuǎn)變可以從電池的老化狀態(tài)(優(yōu)選地由bms通過sohe計(jì)算進(jìn)行估計(jì))上升至給定閾值以上的時(shí)刻開始發(fā)生。例如,如果這個(gè)閾值是60%,只要電池的能量健康狀態(tài)在60%以上,監(jiān)控器就準(zhǔn)許在cd模式下進(jìn)行操作。駕駛員則將能夠在cd模式下進(jìn)行他/她的旅程的一部分,并在cs模式下結(jié)束旅程。相反,一旦能量健康狀態(tài)降至60%以下(換言之,電池的老化狀態(tài)上升至固定的老化狀態(tài)閾值以上),監(jiān)控器被設(shè)計(jì)以禁止在cd模式下進(jìn)行操作,從而使得駕駛員將不得不在cs模式下進(jìn)行他/她的整個(gè)旅程。然而,根據(jù)本實(shí)施例,這兩種情形(也就是說,允許和不允許在cd模式下進(jìn)行操作)之間的轉(zhuǎn)變突然地發(fā)生,這并不是特別令人期望的。
同樣,根據(jù)另一實(shí)施例,這種轉(zhuǎn)變可以基于bsoc范圍的逐漸演進(jìn)(根據(jù)sohe而準(zhǔn)許的)而發(fā)生。為了做到這一點(diǎn),bms在每一時(shí)刻定義電池的準(zhǔn)許利用率范圍,這個(gè)范圍潛在地取決于溫度和老化。在這種背景下并且如圖3中所展示的,一般存在:
-與cd操作模式相關(guān)聯(lián)的荷電狀態(tài)范圍cd_模式,其幅度由最小荷電狀態(tài)值bsoc_min_cd和最大荷電狀態(tài)值bsoc_max_cd界定;以及
-與cs操作模式相關(guān)聯(lián)的荷電狀態(tài)范圍cs_模式,其幅度由最小荷電狀態(tài)值bsoc_min_cs和最大荷電狀態(tài)值bsoc_max_cs界定。
這兩個(gè)范圍可以如圖3中所展示的那樣局部地重疊。
如圖4中所展示的,如果與cd操作模式相關(guān)聯(lián)的荷電狀態(tài)范圍不隨時(shí)間而變化,則存在電池惡化超出閾值的風(fēng)險(xiǎn),這可能會(huì)導(dǎo)致單元的突然無電。
同樣,根據(jù)本發(fā)明,與cd操作模式相關(guān)聯(lián)的荷電狀態(tài)范圍的幅度偶然從給定電池老化狀態(tài)開始減小。更準(zhǔn)確地說,在某sohe閾值以下(換言之超出電池的某個(gè)給定老化狀態(tài)閾值),與cd模式相關(guān)聯(lián)的荷電狀態(tài)范圍的幅度逐漸地減小直到它達(dá)到零值。例如,如圖5中所展示的,界定cd模式下的準(zhǔn)許荷電狀態(tài)范圍的最小和最大荷電狀態(tài)值(分別為bsoc_min_cd和bsoc_max_cd)朝彼此收斂直到它們相等。當(dāng)cd模式下的準(zhǔn)許荷電狀態(tài)范圍已經(jīng)消失時(shí),監(jiān)控器則被設(shè)計(jì)成使電池僅僅在cs模式下操作,在所述cs模式下,電池的荷電狀態(tài)基本上保持在平衡荷電狀態(tài)值附近,所述平衡荷電狀態(tài)值通常對(duì)應(yīng)于界定cd模式下準(zhǔn)許荷電狀態(tài)范圍的最小和最大荷電狀態(tài)值的荷電狀態(tài)收斂值。cs模式下電池的荷電狀態(tài)則保持基本上在此收斂值附近,并且可以在cs模式下的準(zhǔn)許荷電狀態(tài)范圍的對(duì)應(yīng)最小和最大邊界cs_模式的bsoc_min_cs和bsoc_max_cs之間稍微上升或下降。如圖5中所示,從根據(jù)本發(fā)明的能量管理策略的實(shí)現(xiàn)方式開始計(jì)數(shù),即從觸發(fā)cd模式下的準(zhǔn)許荷電狀態(tài)范圍的幅度從給定老化狀態(tài)閾值下降開始計(jì)數(shù),電池容量保留率不那么迅速地減小。根據(jù)本發(fā)明的方法因此使得可以提高從給定老化狀態(tài)閾值的電池容量保留。
關(guān)于基于sohe定義對(duì)電池的老化狀態(tài)進(jìn)行的估計(jì),可以或者通過閉環(huán)估計(jì)器或者通過開環(huán)估計(jì)器基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛠碛?jì)算所述sohe定義。然而,閉環(huán)估計(jì)器的使用并不令人期望,因?yàn)椋ㄟ^其構(gòu)造,其經(jīng)受波動(dòng),從而使得存在監(jiān)控器將以隨機(jī)的方式準(zhǔn)許或禁止在cd模式下進(jìn)行操作的風(fēng)險(xiǎn)。
作為變體,對(duì)電池的老化狀態(tài)的估計(jì)可以基于對(duì)單獨(dú)sohe以外的參數(shù)的定義,具體為:
-自從電池投入服務(wù)以來過去的時(shí)間;
-cd模式下和/或cs模式下放電(或充電)的kwh總和;
-所進(jìn)行的完全充電的次數(shù)。
將可以有利地使用此類參數(shù)以便簡單地表征電池的老化狀態(tài)。因此,通過將借助bsoc_min_cd、bsoc_max_cd、bsoc_min_cs和bsoc_max_cs之一(或這些參數(shù)的組合)所定義的電池的老化狀態(tài)與這些參數(shù)中的每一個(gè)值相關(guān)聯(lián)的繪圖,將可以定義這些參數(shù)的值。
將可以有利地將作為本發(fā)明的目標(biāo)的能量管理策略與用于電池荷電狀態(tài)范圍管理的其他邏輯進(jìn)行組合。因此,將可以將所述策略與用于管理荷電狀態(tài)范圍的策略組合,目的在于根據(jù)老化逐漸地提高單元的最小荷電狀態(tài)值,從而維持可用的放電功率。這種用于管理荷電狀態(tài)范圍的策略基于物理原理,根據(jù)所述原理,在高荷電狀態(tài)下,可獲得更多的電力。還將可以將所述策略與一種用于管理荷電狀態(tài)范圍的策略組合,所述用于管理荷電狀態(tài)范圍的策略由以下內(nèi)容組成:在電池的使用壽命開始時(shí)抑制準(zhǔn)許最大荷電狀態(tài)值;以及將其逐漸地增大,從而保持在某時(shí)間段內(nèi)能量對(duì)駕駛員可用。這些不同策略有利地彼此兼容,因?yàn)樽鳛楸景l(fā)明的目標(biāo)的能量管理策略主要涉及管理電池的壽命結(jié)束,與主要涉及電池的使用壽命的開始的上述兩種其他策略相反。