專利名稱：量化休止周期溫度對電能存儲器件的影響的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電能存儲器件的預期壽命。更加特別地，本發(fā)明涉及靜止周期對這種預期壽命的影響。
背景技術：
各種混合動力系統使用能量存儲器件向電機提供電能，該電機通常與內燃機結合而操作成提供動力轉矩。一種這樣的混合動力結構包括雙模式復合分離的電動機械傳動裝置，它利用了從原動機動力源接收動力的輸入構件和將動力從傳動裝置傳遞到汽車傳動系統的輸出構件。第一和第二電機，即電動機/發(fā)電機可操作地與能量存儲器件連接，用于在它們之間交換電能。提供一控制單元用于調節(jié)能量存儲器件和電機之間的電能交換。該控制單元還調節(jié)第一和第二電機之間的電能交換。
在汽車動力系統中設計考慮的因素之一是能夠提供一致的汽車性能和元件/系統的使用壽命?；旌蟿恿ζ嚕犹貏e地是其中采用了電池組系統的混合動力汽車給汽車系統的設計者提出了新的挑戰(zhàn)和權衡。已經發(fā)現，電能存儲器件如電池組系統的使用壽命隨著電池組的靜止溫度(resting temperature)的降低而延長。然而，較冷的工作溫度限制了電池的充電/放電性能，直到電池組的溫度升高。較暖的電池組更加容易向汽車推進系統提供所需的動力，但是持續(xù)的較暖的工作溫度會導致使用壽命縮短。
現代的混合動力汽車系統可管理混合動力系統的工作的各個方面，以獲得改進的電池使用壽命。例如，控制電池放電深度，限制安培-小時(A-h)通過量，以及使用對流風扇冷卻電池組。操縱汽車的周圍環(huán)境條件在很大程度上被忽略了。然而，周圍環(huán)境條件對電池的使用壽命有很大的影響。特別地，投放到整個北美的各個地理區(qū)域的同一型號的混合動力汽車不可能擁有相同的電池組壽命，即使所有汽車在同一循環(huán)下驅動。如果要導出有用的電池壽命的估計，就必須考慮汽車的環(huán)境。附加地，顧客預期、競爭和政府法規(guī)強加了必需滿足的多種性能標準，包括電池組的使用壽命。
電池組使用壽命終止可以用電池組的歐姆電阻來指示。典型地，電池組的歐姆電阻在汽車和電池組的大部分使用壽命期間是平的。然而，這會妨礙在大部分使用壽命中可靠地估計電池組的實時壽命狀態(tài)(‘SOL’)。相反地，歐姆電阻對指出電池組的使用壽命的初始結束是極其有用的。
此外，電池組的使用壽命受靜止溫度影響，即電池組系統的壽命隨著電池組的靜止溫度的減小而增大。因此操作成確定受監(jiān)控電池組的壽命狀態(tài)的電池組控制系統將受益于一參數值，該參數值表示溫度在休止或停滯周期中對電池組的影響。當沒有對電池組充電或放電時，例如當使用電池組的混合動力汽車停機時，會出現這種休止周期。
因此，有用的設計一種方法和設備，其可確定在休止周期中對混合動力汽車的電池組的預期壽命的溫度影響。

發(fā)明內容
一種確定在電能存儲器件工作的休止周期中對電能存儲器件的預期壽命的溫度影響的方法，包括確定在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度。該加權平均溫度以休止周期中電能存儲器件的平均溫度以及大體上在休止周期開始時電能存儲器件的溫度為基礎。進一步地，該方法包括根據在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度來確定電能存儲器件的靜止溫度因數。


本發(fā)明在某些部件和部件的布置方面采用實物形式，并詳細地在隨附的附圖中描述和示出了這些部件的一個實施例，這些附圖構成本發(fā)明的一部分，其中圖1是根據本發(fā)明用于控制系統和動力系的一個示例性結構的示意圖；圖2是根據本發(fā)明的算法框圖；以及圖3和4是根據本發(fā)明的示例性數據圖表。
具體實施例方式
現在參考附圖，其中所示出的僅僅是為了說明本發(fā)明的目的，而不是為了限制本發(fā)明，圖1示出了控制系統和根據本發(fā)明的實施例構造的示例性混合動力系統。該示例性混合動力系統包括多個操作成向傳動裝置提供動力轉矩的轉矩產生裝置，該傳動裝置向傳動動力系統提供動力轉矩。該轉矩產生裝置優(yōu)選包括內燃機14和第一和第二電機56、72，該第一和第二電機操作成將從電能存儲器件(ESD)74提供的電能轉換成動力轉矩。應該理解，ESD包括一個或多個電池或者可替換的電能存儲裝置。該示例性傳動裝置10包括雙模式復合分離的電動機械傳動裝置，其具有四個固定的齒輪比和兩個連續(xù)可變的工作模式，其還包括多個齒輪，該齒輪操作成通過包含在該傳動裝置中的多個轉矩傳遞裝置將動力轉矩傳遞到輸出軸64和動力傳動系統。示例性傳動裝置10的機械性質在標題為“具有四個固定比的雙模式復合分離的混合動力電動機械傳動裝置”的美國專利No.6,953,409中詳細公開，在此將該其引入作為參考。
該控制系統包括通過局域通信網絡交互的分布式控制模塊結構，用于向動力系統提供行動控制(ongoing control)，該動力系統包括發(fā)動機14，電機56、72以及傳動裝置10。
根據本發(fā)明的一個實施例構造示例性的動力系統。由于來自存儲于電能存儲器件(ESD)74中的燃料或電勢的能量轉換，該混合傳動裝置10從轉矩產生裝置接受輸入轉矩，該轉矩產生裝置包括發(fā)動機14和電機56、72。典型地，該ESD74包括一個或多個電池。在不改變本發(fā)明的思想的條件下，可以使用能夠存儲電能并分配電能的其它電能存儲器件代替電池。該ESD74優(yōu)選根據多種因素確定尺寸，該因素包括再生要求、與通常的道路坡度和溫度相關的應用問題、以及諸如排放物的推進要求、動力輔助和電灶(electric range)。該ESD74是通過直流電線與傳動功率變換器模塊(TPIM)19高壓直流耦合，該直流電線表示為傳遞導線27。該TPIM19通過傳遞導線29將電能傳遞給第一電機56，類似地，該TPIM19通過傳遞導線31將電能傳遞給第二電機72。電流可根據ESD74是否被充電或放電而在電機56、72和ESD74之間傳遞。TPIM19包括一對功率變換器和相應的電動機控制模塊，該電動機控制模塊配置成接收電動機控制命令并由此控制變換器的狀態(tài)，從而提供電動機驅動或再生功能。
電機56、72優(yōu)選包括已知的電動機/發(fā)電機裝置。在電動機控制中，相應的變換器從ESD接收電流，并通過傳遞導線29和31向相應的電機提供交流電流。在再生控制中，相應的變換器通過相應的傳遞導線從電機接收交流電流，并向直流電線27提供電流。提供給變換器或者從變換器提供的凈直流電流確定電能存儲器件74的充電或放電工作模式。優(yōu)選地，電動機A56和電動機B72是三相交流電機，并且變換器包括輔助性三相電力電子器件。
在圖1中示出的并在下文描述的部件包括整個汽車控制結構的附屬設備，這些部件操作成對這里描述的動力系統提供協調的系統控制。該控制系統操作成收集和綜合相關的信息和輸入，然后執(zhí)行算法以控制各個致動器進而獲得控制目標，包括一些參數，例如燃料經濟性、排放物、性能、驅動性能，以及硬件保護，該硬件包括ESD74的電池和電動機56、72?？刂葡到y的分布式控制模塊結構包括發(fā)動機控制模塊(‘ECM’)23、傳動裝置控制模塊(‘TCM’)17、電池組控制模塊(‘BPCM’)21，以及傳動功率變換器模塊(‘TPIM’)19?；旌蟿恿刂颇K(‘HCP’)5提供上述控制模塊的拱形(overarching)控制和協調。一用戶界面(‘UI’)13可操作地與多個裝置連接，通常汽車駕駛員可通過這些裝置控制或調整動力系的操作，該動力系包括傳動裝置10。對用戶界面13的示例性汽車駕駛員的輸入包括油門踏板、剎車踏板、變速齒輪選擇器和車輛速度巡航控制。在控制系統內，每一上述控制模塊通過局域網(‘LAN’)通信總線6與其他控制模塊、傳感器和致動器通信。該LAN總線6允許各個控制模塊之間的控制參數和命令進行結構化通信。所采用的特殊通信協議是應用特定的。作為實例，一個通信協議是汽車工程師學會J1939。LAN總線和合適的協議在上述的控制模塊和其他模塊之間提供健壯的消息傳送和多控制模塊接口，該其他模塊可提供諸如防鎖剎車、牽引控制和車輛穩(wěn)定性的功能。
HCP5提供混合動力系統的全部控制，用于ECM23、TCM17、TPIM19以及BPCM21的協調工作。根據來自用戶界面13和動力系的各個輸入信號，HCP5產生各種命令，包括發(fā)動機轉矩命令，用于混合傳動裝置10的各離合器的離合器轉矩命令；以及分別用于電機A和B的電機轉矩命令。
ECM23可操作地與發(fā)動機14連接，其功能是從各個傳感器獲取數據，和通過多個離散的電線控制發(fā)動機14的各個相應的致動器，該離散電線共同地示出為集合線35。ECM23從HCP5接收發(fā)動機轉矩命令，并產生軸向轉矩請求。為了簡單起見，示出的ECM23通常通過集合線35和發(fā)動機14雙向對接。由ECM23感測的各個參數包括發(fā)動機冷卻液溫度、傳動裝置的發(fā)動機輸入速度、歧管壓力、環(huán)境溫度和環(huán)境壓力。利用ECM23進行控制的各個致動器包括燃料噴射器、點火模塊和風門控制模塊。
TCM17可操作地與傳動裝置10連接，其功能是從各個傳感器獲取數據，和向傳動裝置的離合器提供命令控制信號，即離合器轉矩命令。
BPCM21與和ESD74相聯的各個傳感器交互，以便向HCP5導出有關ESD74的狀態(tài)的信息。該傳感器包括電壓傳感器和電流傳感器，以及可操作成測量ESD74的工作條件的氣溫傳感器，該工作條件例如包括在ESD74的終端(未示出)兩端測量的溫度和電阻。感測的參數包括ESD電壓VBAT、ESD電流IBAT以及ESD溫度TBAT。導出的參數優(yōu)選包括ESD電流IBAT、如可在ESD74的終端兩端測量的ESD內電阻RBAT、ESD電荷狀態(tài)SOC以及ESD的其他狀態(tài)，包括可獲得的電能PBAT_MIN和PBAT_MAX。
傳動功率變換器模塊(TPIM)19包括上述的功率變換器和機械控制模塊，該機械控制模塊配置成接收電動機控制命令并由此控制變換器的狀態(tài)，從而提供電動機驅動或再生功能。TPIM19可操作成根據來自HCP5的輸入給電機A和B產生轉矩命令，該HCP由通過UI13的駕駛員輸入和系統工作參數來驅動。電機轉矩由包括TPIM19的控制系統實現，以控制電機A和B。各個電動機速度信號由TPIM19從電機相位信息或傳統的轉動傳感器導出。該TPIM19確定和傳送電機速度給HCP5。
控制系統的每一上述控制模塊優(yōu)選是通用的數字計算機，其通常包括微處理器或中央處理單元、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(RAM)、電可編程序只讀存儲器(EPROM)、高速時鐘、模數轉換(A/D)和數模轉換(D/A)電路，輸入/輸出電路和設備(I/O)以及合適的信號調節(jié)和緩沖電路。每一控制模塊具有一組控制算法，包括駐留的程序指令和校準，其存儲在ROM中并被執(zhí)行以提供每一計算機的相應功能。各個計算機之間的信息傳遞優(yōu)選使用上述的LAN6實現。
在每一控制模塊中用于控制和狀態(tài)估計的算法通常在預置的循環(huán)中執(zhí)行，使得每一算法在每一循環(huán)中執(zhí)行至少一次。利用預置的校準，存儲在非易失性存儲器件中的算法由一個中央處理單元執(zhí)行，并操作成監(jiān)控來自傳感器的輸入和執(zhí)行控制和診斷例程，從而控制相應設備的操作。典型地以規(guī)則的間隔執(zhí)行循環(huán)，例如在行進的發(fā)動機和汽車工作過程中為每隔3.125、6.25、12.5、25和100毫秒?？商鎿Q地，響應于發(fā)生的事件來執(zhí)行算法。
在汽車的活動工作期間即在當汽車駕駛員使發(fā)動機和電機工作時，發(fā)生下文描述的動作，典型地是通過一個‘接通’動作。休止周期包括當汽車駕駛員使發(fā)動機和電機的工作停止時的時間周期，典型地是通過一個‘切斷’動作。響應于通過用戶界面13捕獲的駕駛員的動作，HCP的監(jiān)控控制模塊5和一個或多個其它控制模塊可確定所需的傳動輸出轉矩T0?；旌蟼鲃友b置10的選擇性操縱的部件是適當受控的，并操縱成響應于駕駛員的要求。例如，在圖1示出的示例性實施例中，當駕駛員已經選擇了前進的換檔位置并操縱油門踏板或剎車踏板時，HCP5確定汽車如何以及何時加速或減速。HCP5還監(jiān)控轉矩產生裝置的參數狀態(tài)，并確定實現加速或減速的期望速度所需的傳動裝置輸出。在HCP5的指導下，傳動裝置10在從低到高的輸出速度范圍上操作以滿足駕駛員的要求。
現在參考圖2，該顯示的示意圖示出了一種示例性的方法，該方法用于根據監(jiān)控的輸入來實時地估計ESD74的壽命狀態(tài)。該方法優(yōu)選作為控制系統的一個控制模塊典型地是HCP5中的一個或多個算法執(zhí)行。該ESD74的估計的壽命狀態(tài)(‘SOLK’)優(yōu)選作為純量值存儲在非易失性存儲器的位置中，用于參考、更新和重置，這些操作的每一個在汽車和ESD74的壽命中的合適點被執(zhí)行。
在代理案號為No.GP-307586、標題為“用于電能存儲器件的實時壽命估計的方法和設備”的美國專利申請案No._ _/_ _ _ _ _ _中詳細公開了一種實時估計混合動力控制系統中電能存儲器件的壽命狀態(tài)(‘SOL’)的示例性的方法和設備，在此將其引入作為參考。該估計壽命狀態(tài)的示例性方法和設備包括一種算法，即實時地監(jiān)控ESD的電流IBAT(安培)、ESD的溫度TBAT、ESD的電壓VBAT、ESD歐姆電阻RBAT以及ESD的電荷狀態(tài)因數(‘SOC’)。這些參數IBAT、TBAT、VBAT、RBAT用于確定隨時間而積分的ESD的電流110參數值，放電深度因數112的參數值，驅動溫度因數114的參數值，以及靜止溫度因數TREST116的參數值。
優(yōu)選地，可通過在方框120中示出的求和運算使每一上述因數即積分的ESD電流、放電深度、驅動溫度因數以及靜止溫度因數與前面確定的壽命狀態(tài)因數SOLK組合，從而確定SOL的參數值即SOLK+1，其示出為向方框120的輸出。優(yōu)選地，在每一行程(trip)(限定為發(fā)動機的開關周期)中多次執(zhí)行確定壽命狀態(tài)因數SOLK的算法。靜止溫度因數TREST優(yōu)選包括導出的參數值。如下文所述，在ESD工作的休止周期中根據ESD74隨時間變化的溫度來確定靜止溫度因數TRRST116。ESD工作的休止周期的特征在于ESD的功率通量微乎其微，而ESD工作的活動周期的特征在于ESD的功率通量不是微乎其微的。也就是說，ESD工作的休止周期通常的特征在于沒有或者有最小的電流流入或流出ESD。關于與混合動力汽車推進系統相聯的ESD，例如ESD工作的休止周期可以和汽車的不活動周期(例如，包括電機的動力系例如在汽車未被驅動以及附屬負載斷開的周期期間不工作，該周期可以包括這樣的周期，即其特征是繼續(xù)某種控制器操作所需的寄生電流移動，該操作例如包括與本發(fā)明相關聯的操作)相聯。相反地，ESD操作的活動周期與汽車的活動周期(例如，附屬負載接通和/或包括電機的動力系例如在汽車被驅動時的周期期間工作，其中電流可以流入或流出ESD)相聯。
現在參考圖3，描述一種用于確定靜止溫度因數116的方法和系統。該方法優(yōu)選作為上述控制器之一優(yōu)選地是作為HCP5中的一個或多個算法和相關校準來執(zhí)行。該方法和系統包括當電能存儲器件進入休止周期時確定電能存儲器件的溫度，在休止周期中確定電能存儲器件的平均溫度，根據該平均溫度和停機溫度在休止周期中確定電能存儲器件的加權平均溫度，以及根據該加權平均溫度來確定靜止溫度因數116的參數值，該參數值可用于調整電能存儲器件的預期壽命參數。這將在下文更加詳細地描述。
當電能存儲器件進入休止周期時確定電能存儲器件的溫度優(yōu)選地包括當駕駛員諸如通過切斷事件使汽車停機時捕獲ESD溫度的值TBAT。在休止周期中確定電能存儲器件的平均溫度優(yōu)選包括執(zhí)行一算法，以在休止周期中以規(guī)則的間隔監(jiān)控ESD溫度TBAT，并計算運行平均值。監(jiān)控在停機期間經過的時間。通過停機溫度、平均溫度和經過的時間來確定加權因數。該加權因數優(yōu)選包括具有隨系統的溫度變化的非線性時間衰減的曲線和根據系統是加熱或是冷卻的衰減因數。通過用于計算靜止溫度因數(方框116)的溫度的參數測量的量來確定該加權因數。例如，當采集到表示較長的靜止時間的大量溫度取樣時，靜止溫度的參數值緊密地接近實際溫度，并且靜止溫度因數包括靜止溫度的時間平均值。該加權因數可在休止周期中應用于ESD的平均溫度，從而在休止周期中確定加權平均溫度。
靜止溫度因數116用于確定電能存儲器件的上述預期壽命參數SOL，它可根據加權平均溫度進行確定，如圖3所示。圖3包括以溫度(攝氏度C)作為X-軸、靜止溫度因數116的參數值作為Y-軸的數據圖。該曲線包括在大約25℃具有標稱值或零點的指數函數。優(yōu)選地是在示例性的系統中在25℃的標稱溫度值下建立靜止溫度因數的標稱值，因為可以在25℃的環(huán)境溫度下實施示例性ESD74的預期壽命測試和數據。因此，標稱的靜止溫度因數116的參數值在25℃時為零，并且對于更低或更高的靜止溫度來說該參數值會發(fā)生變化。這包括當在休止周期中加權平均溫度小于25℃的標稱溫度值時增大靜止溫度因數116，而在休止周期中加權平均溫度大于25℃的標稱溫度值時減小靜止溫度因數116。
如圖3所示，由于在較高的環(huán)境溫度和較高的ESD工作溫度下得到的典型ESD的預期壽命的縮短，因此靜止溫度因數116隨著加權平均溫度在休止周期中的增大而按指數規(guī)律地增大。由于在較高的環(huán)境溫度和較高的ESD工作溫度下得到的典型ESD的預期壽命的延長，因此靜止溫度因數116隨著加權平均溫度在休止周期中的減小而按指數規(guī)律地減小。靜止溫度因數116在各個溫度下的特定校準值是應用特定的，并取決于特定ESD的設計、ESD的設計預期壽命以及利用了ESD的混合動力系統的工作特性。靜止溫度因數116是用于上述動力系統的控制系統的一個要素。
現在參考圖4，示出的示例性圖表用于特定應用，包括ESD溫度對靜止溫度因數的影響。根據經過的靜止時間和在靜止時間中ESD的溫度，可確定靜止溫度因數。繪制的線包括相同效果的線，即該線反映了時間/溫度的關系，該關系可導出ESD壽命的類似變化。例如，處于較高溫度下較短的經過時間與處于較低溫度下較長的經過時間相比，對ESD壽命的影響相似。
已經具體參考了優(yōu)選的實施例和其變型描述了本發(fā)明。在閱讀和理解了說明書時可以其作進一步的修改和替換。期望的是包括所有這樣的修改和替換，只要它們屬于本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種量化在電能存儲器件工作的休止周期中溫度對電能存儲器件的預期壽命的影響的方法，包括根據在休止周期中電能存儲器件的平均溫度以及大體上在休止周期開始時電能存儲器件的溫度，來確定在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度；根據在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度來確定電能存儲器件的靜止溫度因數。
2.如權利要求1所述的方法，其中根據在休止周期中的加權平均溫度來確定在休止周期中電能存儲器件的靜止溫度因數還包括當在休止周期中的加權平均溫度小于標稱溫度時減小之前確定的靜止溫度因數。
3.如權利要求2所述的方法，還包括根據在休止周期中的加權平均溫度和標稱溫度之間的差，按指數規(guī)律地減小之前確定的靜止溫度因數。
4.如權利要求1所述的方法，其中確定靜止溫度因數還包括當在休止周期中的加權平均溫度大于標稱溫度時增大之前確定的靜止溫度因數。
5.如權利要求4所述的方法，還包括根據在休止周期中的加權平均溫度和標稱溫度之間的差，按指數規(guī)律地減小之前確定的靜止溫度因數。
6.如權利要求1所述的方法，其中確定靜止溫度因數還包括當在休止周期中的加權平均溫度大體上等于標稱溫度時將靜止溫度因數保持在標稱值。
7.如權利要求1所述的方法，其中該器件包括混合動力系電能存儲器件，并且休止周期包括當混合動力系停機時的周期。
8.如權利要求1所述的方法，其中靜止溫度因數用于確定電能存儲器件的預期壽命。
9.如權利要求8所述的方法，其中確定的電能存儲器件的預期壽命在混合動力汽車的控制系統中使用。
10.一種量化在電能存儲器件工作的休止周期中溫度對電能存儲器件的預期壽命的影響的方法，包括根據在休止周期中電能存儲器件的平均溫度以及大體上在休止周期開始時電能存儲器件的溫度，來確定在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度；根據電能存儲器件的加權平均溫度來確定壽命狀態(tài)參數的變化。
11.一種量化在電能存儲器件工作的休止周期中溫度對電能存儲器件的預期壽命的影響的設備，包括溫度傳感器，其適于感測電能存儲器件的溫度；基于計算機的控制器，其適于接收表示感測到的電能存儲器件溫度的信號；所述基于計算機的控制器包括存儲介質，該存儲介質中具有被編碼的計算機程序，所述計算機程序包括用于根據在休止周期中電能存儲器件的平均溫度以及大體上在休止周期開始時電能存儲器件的溫度來確定在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度的代碼；以及用于根據在休止周期中電能存儲器件的加權平均溫度來確定電能存儲器件的靜止溫度因數的代碼。
12.如權利要求11所述的設備，其中用于確定靜止溫度因數的代碼還包括當在休止周期中的加權平均溫度小于標稱值時減小之前確定的靜止溫度因數的代碼。
13.如權利要求12所述的設備，其中計算機所程序還包括根據在休止周期中的加權平均溫度和標稱值之間的差按指數規(guī)律地減小之前確定的靜止溫度因數的代碼。
14.如權利要求11所述的設備，其中用于確定靜止溫度因數的代碼還包括當在休止周期中的加權平均溫度大于標稱值時增大之前確定的靜止溫度因數的代碼。
15.如權利要求14所述的設備，其中計算機所程序還包括根據在休止周期中的加權平均溫度和標稱值之間的差按指數規(guī)律地減小之前確定的靜止溫度因數的代碼。
16.如權利要求11所述的設備，其中用于確定靜止溫度因數的代碼還包括當在休止周期中的加權平均溫度等于標稱值時將靜止溫度因數保持在標稱值的代碼。
全文摘要
電能存儲器件可能經歷工作的休止周期。公開了一種方法，它可有效地說明在休止周期中溫度對電能存儲器件的影響。
文檔編號G01R31/36GK101086517SQ20071010825
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月7日 優(yōu)先權日2006年6月7日
發(fā)明者A·M·策特爾, A·H·希普 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司