專(zhuān)利名稱(chēng)：雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中的充放電控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車(chē)電子技術(shù)，特別涉及一種在利用多塊蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備的汽車(chē)供電系統(tǒng)中對(duì)用于啟動(dòng)的蓄電池的充放電過(guò)程進(jìn)行控制的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的汽車(chē)依賴(lài)于諸如石油之類(lèi)的化石燃料作為能量來(lái)源，隨著汽車(chē)的廣泛使用，作為不可再生能源的石油正變得日益稀缺，如果這樣的局面延續(xù)下去，最終將導(dǎo)致汽車(chē)變成一堆堆廢鐵。面對(duì)如此嚴(yán)峻的前景，工業(yè)界正在加緊開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)(例如純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē))以擺脫上述困境。但是受制于制造成本和使用經(jīng)濟(jì)性等各方面的因素，新能源汽車(chē)的大規(guī)模推廣商用還有很漫長(zhǎng)的路要走，期間還將遇到許多技術(shù)上的難題?；谏鲜鼍置?，通過(guò)提高現(xiàn)有汽車(chē)中的電能利用效率來(lái)減少能源的消耗成為一種現(xiàn)實(shí)的選擇。 汽車(chē)供電系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能裝置(例如蓄電池或超級(jí)電容器)、能量轉(zhuǎn)換裝置(例如將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī))、起動(dòng)機(jī)和控制單元組成。在汽車(chē)供電系統(tǒng)中，控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)根據(jù)用電負(fù)荷、蓄電池狀態(tài)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)等工況確定和實(shí)施合適的電能管理策略。起動(dòng)機(jī)利用蓄電池的能量將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在所需的工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并按汽車(chē)電氣系統(tǒng)的電壓要求向汽車(chē)的用電負(fù)載供電和向蓄電池充電。例如，在控制單元的控制下，如果汽車(chē)電氣系統(tǒng)的用電電流大于發(fā)電機(jī)的供電電流，則蓄電池就會(huì)放電，以彌補(bǔ)不足的電流，反之，如果汽車(chē)電氣系統(tǒng)的用電電流小于發(fā)電機(jī)的供電電流，則電流差的一部分作為蓄電池的充電電流而流入蓄電池。汽車(chē)的用電負(fù)載在電氣特性上往往具有較大的差異，例如起動(dòng)機(jī)工作時(shí)需要提供大安倍的瞬間電流，而照明、音響等設(shè)備需要提供較長(zhǎng)時(shí)間的小電流。為了同時(shí)滿(mǎn)足上述兩類(lèi)負(fù)載的用電需求，業(yè)界一般采用一個(gè)大容量和大極板面積的蓄電池。但是這種方法的缺點(diǎn)是導(dǎo)致蓄電池壽命的縮短，這是因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)下列情況在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，蓄電池作為啟動(dòng)用的儲(chǔ)能器是可用的，但是卻無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間供電，或者雖然可以長(zhǎng)時(shí)間供電，但是卻無(wú)法提供大電流，面對(duì)這些情況，更換蓄電池將是不可避免的。公開(kāi)號(hào)為CN201317281Y的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種汽車(chē)電氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括啟動(dòng)機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)控制器以及汽車(chē)內(nèi)的各種用電器件，蓄電池包括啟動(dòng)型蓄電池和供電型蓄電池，前者與啟動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成啟動(dòng)回路，后者與用電器件并聯(lián)組成供電回路，而電氣系統(tǒng)控制器連接在啟動(dòng)回路和供電回路之間。上述中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)的汽車(chē)電氣系統(tǒng)采用雙蓄電池配置使得蓄電池工作壽命的延長(zhǎng)成為可能，但是要真正延長(zhǎng)工作壽命期并且同時(shí)提高電能的利用效率，還有賴(lài)于完善的電能管理策略。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中執(zhí)行的充放電控制方法，其可以高效、靈活的方式將啟動(dòng)型蓄電池的荷電水平控制在所需的水平。
本發(fā)明的上述目的通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種在雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中執(zhí)行的充放電控制方法，所述雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、與所述發(fā)電機(jī)并聯(lián)耦合以形成供電回路的第一蓄電池、與起動(dòng)機(jī)并聯(lián)耦合以形成啟動(dòng)回路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電回路與所述啟動(dòng)回路之間并提供直流-直流變換的控制單元，其中，所述控制單元利用所述發(fā)電機(jī)或所述第一蓄電池將所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)控制在所需的水平。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述控制單元按照下列步驟，利用所述發(fā)電機(jī)或所述第一蓄電池將所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)控制在所需的水平確定所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)；如果所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)低于第一閾值，則使所述第一蓄電池向所述第二蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到第二閾值，其中，當(dāng)荷電狀態(tài)位于所述第 二閾值時(shí)，所述第二蓄電池具有所希望的充放電效率；以及如果所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)大于或等于所述第二閾值，則使所述發(fā)電機(jī)向所述第二蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到第三閾值，以使所述第二蓄電池的活性物質(zhì)被激活的比例達(dá)到所希望的水平。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，在所述控制單元使所述第一蓄電池向所述第二蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到第二閾值的過(guò)程中，充電電壓是隨荷電狀態(tài)增大而逐漸減小或躍變式減小的。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，還包含下列步驟確定所述第一蓄電池的荷電狀態(tài)；以及如果所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)大于或等于所述第三閾值并且所述第一蓄電池的荷電狀態(tài)小于第四閾值，則使所述第二蓄電池向所述第一蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到所述第二閾值。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述控制單元包含直流-直流變換裝置，用于在所述第一與第二蓄電池之間進(jìn)行直流-直流充電操作。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述第一和第二閾值隨環(huán)境溫度的升高而減小，并隨所述環(huán)境溫度的降低而增大。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述第一、第二和第三閾值分別為80^^90%和 98%。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，在所述直流-直流變換裝置與所述第一蓄電池之間和所述直流-直流變換裝置與所述第二蓄電池之間分別設(shè)置有第一和第二開(kāi)關(guān)裝置，并且由所述控制單元對(duì)所述第一和第二開(kāi)關(guān)裝置的閉合和斷開(kāi)狀態(tài)進(jìn)行控制。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述控制單元按照下列方式確定所述第一或第二蓄電池的荷電狀態(tài)輸入所述蓄電池的工作電壓、工作電流和工作溫度；計(jì)算所述工作電壓在所述蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電流下的工作電壓修正值；利用各自的隸屬函數(shù)確定所述工作電壓修正值和所述工作溫度的模糊值；利用模糊推理規(guī)則，根據(jù)所述工作電壓修正值和所述工作溫度的模糊值確定所述蓄電池的荷電狀態(tài)的模糊值；以及
利用反模糊算法，根據(jù)所述蓄電池的荷電狀態(tài)的模糊值計(jì)算所述蓄電池的荷電狀態(tài)。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，按照下式計(jì)算所述工作電壓在所述蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電流下的工作電壓修正值U1,a Uljm = U1+(I-I0) X λ (I)其中，U1為所述工作電流I下的所述工作電壓，Uljm為所述工作電壓U1的修正值，I為所述工作電流，Itl為所述標(biāo)準(zhǔn)工作電流，λ (I)為隨所述工作電流變化的數(shù)值。
優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述標(biāo)準(zhǔn)工作電流為下列中的一種所述蓄電池的各種工作狀況下的工作電流的算術(shù)平均值；所述蓄電池的各種工作狀態(tài)下的工作電流按照其對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)出現(xiàn)概率的加權(quán)平均值；所述蓄電池的工作電流在一段時(shí)間內(nèi)的平均值。優(yōu)選地，在上述充放電控制方法中，所述λ (I)通過(guò)蓄電池在相同溫度下不同工作電流的放電曲線(xiàn)獲得。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)由于針對(duì)啟動(dòng)型蓄電池的初始荷電狀態(tài)水平，采用相應(yīng)的策略來(lái)控制其充放電，因此能夠更好地適合應(yīng)用環(huán)境。此外，在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在荷電狀態(tài)SOC估算時(shí)引入模糊邏輯，可以充分利用實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。在另外一個(gè)實(shí)施例中，由于第一和第二閾值隨環(huán)境溫度而變化，因此能夠以簡(jiǎn)單而有效的方式提高汽車(chē)在低溫下成功啟動(dòng)的能力。從結(jié)合附圖的以下詳細(xì)說(shuō)明中，將會(huì)使本發(fā)明的上述和其它目的及優(yōu)點(diǎn)更加完全清楚。


圖I為按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)的示意圖。圖2為圖I所示雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中的控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖I所示雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中執(zhí)行的按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的充放電控制方法的工作流程圖。 圖4A-4C為圖3中的例程A-C的工作流程圖。圖5為蓄電池的一個(gè)物理模型的示意圖。圖6為按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的SOC計(jì)算方法的流程圖。圖7、8和9分別為圖6所示實(shí)施例中的蓄電池工作電壓修正值、工作溫度和SOC狀態(tài)的隸屬函數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)參考附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
來(lái)闡述本發(fā)明。但是需要理解的是，這些具體實(shí)施方式
僅僅是示例性的，對(duì)于本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍并無(wú)限制作用。在本說(shuō)明書(shū)中，“耦合”一詞應(yīng)當(dāng)理解為包括在兩個(gè)單元之間直接傳送能量或信號(hào)的情形，或者經(jīng)一個(gè)或多個(gè)第三單元間接傳送能量或信號(hào)的情形，而且這里所稱(chēng)的信號(hào)包括但不限于以電、光和磁的形式存在的信號(hào)。另外，“包含”和“包括”之類(lèi)的用語(yǔ)表示除了具有在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中有直接和明確表述的單元和步驟以外，本發(fā)明的技術(shù)方案也不排除具有未被直接或明確表述的其它單元和步驟的情形。再者，諸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之類(lèi)的用語(yǔ)并不表示單元或數(shù)值在時(shí)間、空間、大小等方面的順序而僅僅是作區(qū)分各單元或數(shù)值之用。另外，這里所述的蓄電池指的是能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變化電能并產(chǎn)生直流電的裝置，其包括但不限于鉛酸蓄電池和鋰電池等。雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)圖I為按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)的示意圖。參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)10包括控制單元110、發(fā)電機(jī)120、第一和第二蓄電池130A和130B和第一-第四開(kāi)關(guān)裝置K1-K4。在圖I中，粗實(shí)線(xiàn)表示功率或能量流，而細(xì)實(shí)線(xiàn)表示控制信號(hào)和測(cè)量信號(hào)流。值得指出的是，雖然在這里控制單元110與第一-第四開(kāi)關(guān)裝置K1-K4以及發(fā)電機(jī)120以總線(xiàn)方式相連，但是這并不意味著控制單元與被控制單元之間 必須局限于這種連接方式，實(shí)際上它們之間也可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式。在圖I中，控制單元110是整個(gè)供電系統(tǒng)10的核心，其一方面負(fù)責(zé)根據(jù)用電狀況(例如用電負(fù)載30和40的用電需求)、蓄電池狀態(tài)(這里例如是第一和第二蓄電池130A和130B的工作電流、工作電壓、溫度、老化程度和荷電狀態(tài)(SOC)中的一種或多種)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)(例如發(fā)電機(jī)當(dāng)前所能提供的工作電流)等確定合適的電能管理策略，另一方面，控制單元110還具有直流-直流轉(zhuǎn)換能力，以通過(guò)升壓和降壓操作向第一和第二蓄電池130A和130B提供合適的充電電壓。在下面將會(huì)進(jìn)一步描述控制單元110的上述功能。如圖I所示，第一蓄電池130A、發(fā)電機(jī)120和用電負(fù)載30并聯(lián)連接以形成供電回路?？刂茊卧狪io經(jīng)第一開(kāi)關(guān)裝置Kl接入該供電回路。與此同時(shí)，第一蓄電池130A還經(jīng)第二開(kāi)關(guān)裝置K4與第二蓄電池130B相連。另一方面，第二蓄電池130B、起動(dòng)機(jī)20和用電負(fù)載40并聯(lián)連接以形成啟動(dòng)回路。控制單元110經(jīng)第二開(kāi)關(guān)裝置K2接入該啟動(dòng)回路。由此，在本實(shí)施例中，第一與第二蓄電池130AU30B之間包含兩條相連的通道，其中一條經(jīng)過(guò)控制單元110，而另一條則旁路控制單元110。值得指出的是，雖然這里的用電負(fù)載30和40是以?xún)蓚€(gè)方框示出的，但是它們實(shí)際上指的是兩組用電負(fù)載，其中，用電負(fù)載30指的是汽車(chē)在與啟動(dòng)無(wú)關(guān)的汽車(chē)電器，包括但不限于車(chē)燈、鼓風(fēng)機(jī)、空調(diào)和音響等，而用電負(fù)載40指的是與汽車(chē)啟動(dòng)相關(guān)的電子設(shè)備，包括但不限于各種用于測(cè)量啟動(dòng)時(shí)狀態(tài)的傳感器和電子控制單元(ECU)等。在本實(shí)施例中，用電負(fù)載40主要由第二蓄電池130B供電，并且在第二蓄電池130B供電能力不足時(shí)，由第一和第二蓄電池130A和130B聯(lián)合向用電負(fù)載40供電。在圖I所示的實(shí)施例中，控制單元110利用第一-第四開(kāi)關(guān)裝置K1-K4來(lái)控制電路的接通和關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電能管理策略，其中，供電回路與控制單元110之間的通道的接通和關(guān)斷由第一開(kāi)關(guān)裝置Kl控制，啟動(dòng)回路與控制單元110之間的通道的接通和關(guān)斷由第二開(kāi)關(guān)裝置K2控制，第二蓄電池130B與用電負(fù)載40之間的通道的接通和關(guān)斷由第三開(kāi)關(guān)裝置K3控制，第一與第二蓄電池130A、130B之間直接相連的通道的接通和關(guān)斷由第四開(kāi)關(guān)裝置K4控制。上述第一-第四開(kāi)關(guān)裝置K1-K4的啟閉和斷開(kāi)都由控制單元110控制，它們例如可以由繼電器實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施例中，汽車(chē)啟動(dòng)階段的供電(也即起動(dòng)機(jī)20和用電負(fù)載40的供電)主要由第二蓄電池130B負(fù)責(zé)提供。由于啟動(dòng)階段需要大的瞬間電流，因此可以將第二蓄電池130B設(shè)計(jì)為與第一蓄電池130A相比，具有較大的極板面積以利于提高輸出的電流強(qiáng)度。另夕卜，用電負(fù)載30主要由第一蓄電池130A和發(fā)電機(jī)120供電。由于用電負(fù)載的供電特點(diǎn)是需要提供長(zhǎng)時(shí)間的小電流，因此第一蓄電池130A可以設(shè)計(jì)為與第二蓄電池130B相比，在極板上形成更厚的活性物質(zhì)?？刂茊卧獔D2為圖I所示雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中的控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，控制單元Iio包含電源管理控制裝置1101、直流-直流變換裝置1102和蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103。在圖2中，粗實(shí)線(xiàn)表示功率或能量流，而細(xì)實(shí)線(xiàn)表示控制信號(hào)和測(cè)量信號(hào)流。在本實(shí)施例中，電源管理控制裝置1101、直流-直流變換裝置1102和蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103之間通過(guò)單元內(nèi)部的LINK總線(xiàn)通信，并且電源管理控制裝置1101和蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103通過(guò)單元外部的CAN總線(xiàn)與外部設(shè)備(例如第一-第三開(kāi)關(guān)裝置K1-K4、用電負(fù)載30、發(fā)電機(jī)120等)通信。
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電源管理控制裝置1101根據(jù)用電狀況、蓄電池狀態(tài)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)等確定合適的電能管理策略并生成相應(yīng)的控制命令。這些控制命令被提供至位于控制單元110內(nèi)部的直流-直流變換裝置1102和蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103以及位于控制單元110外部的第一-第四開(kāi)關(guān)裝置K1-K4。有關(guān)電能管理策略的確定方式將在下面作詳細(xì)描述。直流-直流變換裝置1102將來(lái)自發(fā)電機(jī)120、第一和第二蓄電池130A和130B的輸出電壓變換為所需的直流電壓。例如，直流-直流變換裝置1102可對(duì)發(fā)電機(jī)120的輸出作直流-直流轉(zhuǎn)換操作以使發(fā)電機(jī)120向第二蓄電池130B充電，或者可對(duì)第一蓄電池130A的輸出作直流-直流轉(zhuǎn)換操作以使第一蓄電池130A向第二蓄電池130B充電。又如，直流-直流變換裝置1102可對(duì)第二蓄電池130B的輸出作直流-直流轉(zhuǎn)換操作以使第二蓄電池130B向第一蓄電池130A充電。蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103通過(guò)CAN總線(xiàn)與傳感器相連以監(jiān)測(cè)第一和第二蓄電池130A和130B的狀態(tài)參數(shù)(例如蓄電池的工作電壓、工作電流和溫度等)。測(cè)得的狀態(tài)參數(shù)被經(jīng)控制單元110內(nèi)部的LINK總線(xiàn)被送至電源管理控制裝置1101。蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103被配置為具有傳感器故障診斷功能。具體而言，可為第一和第二蓄電池130A和130B配備兩組性能一致或基本一致的傳感器組，并且將兩塊蓄電池的使用率控制得相似或相近(例如通過(guò)使第一和第二蓄電池130A和130B的SOC的差異始終保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi))。蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103可以定期或不定期地監(jiān)測(cè)第一和第二蓄電池130A和130B的老化程度(例如通過(guò)測(cè)量?jī)蓧K蓄電池的內(nèi)阻)，并且如果它們的老化程度或內(nèi)阻相差較大(例如絕對(duì)差值超過(guò)一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值)，則蓄電池狀態(tài)檢測(cè)裝置1103即可判斷傳感器組出現(xiàn)故障。充放電控制過(guò)稈以下借助圖3和4A-4C描述按照本發(fā)明的用于雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中充放電控制的過(guò)程。為闡述方便，這里以圖I和2所示的雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。但是應(yīng)該理解的是，上述工作流程也可應(yīng)用于按本發(fā)明的其它實(shí)施例的雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)。參見(jiàn)圖3，在步驟310，控制單元110的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103測(cè)量第二蓄電池130B的狀態(tài)參數(shù)(例如蓄電池的電壓、電流和溫度)并且經(jīng)LINK總線(xiàn)發(fā)送至電源管理控制裝置1101。隨后在步驟320，電源管理控制裝置1101根據(jù)蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103獲取的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)S0C。有關(guān)SOC的計(jì)算方式將在下面作進(jìn)一步的描述。接著進(jìn)入步驟330,電源管理控制裝置1101判斷第二蓄電池130B是否處于重度虧電狀態(tài)，也即，第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)是否小于一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值Thl。如果判斷結(jié)果為真，則進(jìn)入例程A，否則進(jìn)入步驟340。在優(yōu)選方式下，該閾值Thl被設(shè)置為這樣的臨界值，第二蓄電池130B在該荷電狀態(tài)水平下，如果電能進(jìn)一步減少，則汽車(chē)下次啟動(dòng)失敗的風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。該閾值例如可以是80%。值得指出的是，蓄電池的供電能力與環(huán)境溫度密切相關(guān)，在溫度較低(例如攝氏零下25度)時(shí)，汽車(chē)啟動(dòng)要求蓄電池具有更大的荷電狀態(tài)，而在溫度較高時(shí)，汽車(chē)啟動(dòng)要求的荷電狀態(tài)可以小一些，有鑒于此，在優(yōu)選實(shí)施方式下，上述閾值Thl可根據(jù)環(huán)境溫度或地理區(qū) 域的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。例如在冬季或在高緯度地區(qū)，可以將閾值Thl設(shè)定得大于例如80%以確保啟動(dòng)成功，而在夏季或在低緯度地區(qū)，將閾值Thl設(shè)定得小于例如80%也可確保啟動(dòng)成功。在步驟340，電源管理控制裝置1101判斷第二蓄電池130B是否處于輕度虧電狀態(tài)，也即，第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)是否小于一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值Th2。如果判斷結(jié)果為真，則進(jìn)入例程B，否則進(jìn)入例程C。值得指出的是，圖3所示的充放電控制過(guò)程可以周期性地執(zhí)行(例如每隔8小時(shí)或24小時(shí))，也可以由用戶(hù)主動(dòng)激活。圖4A所示的工作流程圖對(duì)應(yīng)于圖3中的例程A。參見(jiàn)圖4A，在步驟410A，電源管理控制裝置1101根據(jù)第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)和第一蓄電池130A的供電電流設(shè)置直流-直流變換裝置1102的變換電壓(也即施加在第二蓄電池130B上的充電電壓)。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式下，該充電電壓可以按照下列表I所示的方式設(shè)置。表I
第二蓄電池的SOC第一蓄電池的充電電流(A)__充電電壓(V)
< 20__16_
幺 Thtr
_>20__15.2
_>Thtr__-__14.5在上表中，閾值Thta例如可以設(shè)置為88%，第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)在該閾值之上時(shí)的充電電壓低于在該閾值之下時(shí)的充電電壓，這主要是考慮通過(guò)快速充電使第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)迅速升高。另外，在荷電狀態(tài)位于閾值Thfe之下時(shí)，充電電壓的設(shè)置還考慮到了第一蓄電池A的充電電流的因素。接著進(jìn)入步驟412A，在電源管理控制裝置1101的控制下，第一和第二開(kāi)關(guān)裝置Kl和K2閉合并且第三和第四開(kāi)關(guān)裝置K3和K4斷開(kāi)，由此使第一蓄電池130A經(jīng)直流-直流變換裝置1102向第二蓄電池130B充電。隨后在步驟414A中，判斷第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)是否超出閾值Thta,如果判斷結(jié)果為真，則進(jìn)入步驟416A，否則保持第一蓄電池130A經(jīng)直流-直流變換裝置1102以設(shè)定的充電電壓向第二蓄電池130B充電的狀態(tài)。對(duì)于第二蓄電池130B荷電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)例如可以采用下列方式蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103周期性地檢測(cè)第二蓄電池130B的狀態(tài)參數(shù)并提供給電源管理控制裝置1101，由后者計(jì)算出相應(yīng)的荷電狀態(tài)并且據(jù)此作出是否結(jié)束快速充電過(guò)程的判斷。在步驟416A中，電源管理控制裝置1101按照表I將充電電壓降低至14. 5伏，此時(shí)第一蓄電池130A經(jīng)直流-直流變換裝置1102以新設(shè)定的充電電壓向第二蓄電池130B充電。接著進(jìn)入步驟418A，電源管理控制裝置1101判斷第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)是否超出閾值Th2，如果判斷結(jié)果為真，則進(jìn)入例程B，否則保持第一蓄電池130A經(jīng)直流-直 流變換裝置1102以設(shè)定的充電電壓向第二蓄電池130B充電的狀態(tài)。在優(yōu)選的實(shí)施方式下，可以將第二蓄電池130B具有較好的充放電效率時(shí)的荷電狀態(tài)值(例如90% )設(shè)定為上述閾值Th2。同樣，該閾值也可根據(jù)環(huán)境溫度或地理區(qū)域的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。值得指出的是，在上述例程A中，充電電壓隨第二蓄電池130B荷電狀態(tài)的增大而躍變的，但是也可以考慮使充電電壓隨荷電狀態(tài)的增大而逐漸減小。圖4B所示的工作流程圖對(duì)應(yīng)于圖3中的例程B。參見(jiàn)圖4B，在步驟410B，在電源管理控制裝置1101的控制下，第一、第二和第三開(kāi)關(guān)裝置K1-K3斷開(kāi)并且第四開(kāi)關(guān)裝置K4閉合，由此使發(fā)電機(jī)120向第二蓄電池130B充電。隨后進(jìn)入步驟412B，電源管理控制裝置1101判斷第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)是否超出閾值Th3，如果判斷結(jié)果為真，則進(jìn)入步驟414B，否則保持發(fā)電機(jī)120向第二蓄電池130B充電的狀態(tài)。在優(yōu)選的實(shí)施方式下，可以將第二蓄電池130B的活性物質(zhì)基本被激活一遍時(shí)的荷電狀態(tài)值(例如98% )設(shè)定為上述閾值Th3。在步驟414B中，電源管理控制裝置1101使第四開(kāi)關(guān)裝置K4斷開(kāi)，隨后并進(jìn)入例程C，此時(shí)發(fā)電機(jī)120停止向第二蓄電池130B充電。圖4C所示的工作流程圖對(duì)應(yīng)于圖3中的例程C。參見(jiàn)圖4C，在步驟410C，蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置1103獲取第一蓄電池130A的狀態(tài)參數(shù)(例如工作電壓、工作電流和溫度)并提供給電源管理控制裝置1101。接著進(jìn)入步驟412C，電源管理控制裝置1101根據(jù)獲取的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算第一蓄電池130A的S0C。有關(guān)SOC的計(jì)算方法將在下面作進(jìn)一步的描述。隨后進(jìn)入步驟414C，電源管理控制裝置1101判斷第一蓄電池130A的SOC是否小于等于一個(gè)閾值Th4(例如80% )。如果第一蓄電池130A的SOC小于等于閾值Th4，則電源管理控制裝置1101判定第一蓄電池130A需要補(bǔ)充電能，因此進(jìn)入步驟416C，否則，結(jié)束本例程。在步驟416C，在電源管理控制裝置1101的控制下，第一和第二開(kāi)關(guān)裝置Kl和K2閉合而第三和第四開(kāi)關(guān)裝置K3和K4斷開(kāi)，由此使得第二蓄電池130B可經(jīng)直流-直流變換裝置1102向第一蓄電池130A充電。接著進(jìn)入步驟418C，電源管理控制裝置1101判斷第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)是否小于或等于閾值Th2，如果結(jié)果為真，則表明第二蓄電池130B的荷電狀態(tài)已經(jīng)處于較佳的充放電效率點(diǎn)，因此進(jìn)入步驟420C，停止充電，否則保持第二蓄電池130B經(jīng)直流-直流變換裝置1102向第一蓄電池130A充電的狀態(tài)。在步驟420C，在電源管理控制裝置1101的控制下，第一和第二開(kāi)關(guān)裝置Kl和K2斷開(kāi)，隨后退出本例程，此時(shí)第二蓄電池130B停止向第一蓄電池130A充電。SOC 計(jì)算以下描述第一和第二蓄電池荷電狀態(tài)SOC的計(jì)算方法。常用的SOC計(jì)算方法主要有開(kāi)路電壓法和電流積分法(也稱(chēng)為安時(shí)法)。開(kāi)路電壓法的基本思想是首先建立一個(gè)反映電池工作時(shí)端電壓、電流和電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系模型，然后根據(jù)測(cè)量得到的電壓和電流得到相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)以利用電動(dòng)勢(shì)與SOC之間的關(guān)系曲線(xiàn)確定S0C。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但是由于電池存在自恢復(fù)效應(yīng)和“平臺(tái)”現(xiàn)象而使得估算出來(lái)的SOC與實(shí)際值有時(shí)相差較大。電流積分法將電池視為與外部進(jìn)行能量交換的“黑箱”，通過(guò)對(duì)進(jìn)出電池的電流在時(shí)間上的積分來(lái)記錄電池電量的累計(jì)變化量。該方法由于不必考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及狀態(tài)的變化，因此較開(kāi)路電壓法的適應(yīng)性更強(qiáng)。但是不足之處是SOC初始值常常難以確定而且隨著時(shí)間推移累計(jì)誤差將不斷增大，從而導(dǎo)致SOC值的計(jì)算結(jié)果誤差變大。此外，在電流積分法計(jì)算SOC時(shí)需要對(duì)充放電系數(shù)有一個(gè)準(zhǔn)確的估算，當(dāng)電池工作環(huán)境變化較大時(shí)，充放電系數(shù)難以準(zhǔn)確、及時(shí)地確定，這也會(huì)導(dǎo)致最終計(jì)算得到SOC結(jié)果存在較大的誤差。本發(fā)明的發(fā)明人提出一種SOC計(jì)算方法，其引入模糊邏輯以使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，以下作詳細(xì)描述。
就電量的角度而言，蓄電池的荷電狀態(tài)SOC可以定義如下脫=TT^TT =務(wù)⑴
Qn - Qa ^Qn其中，Q為電池當(dāng)前的剩余容量，Qn為蓄電池出廠(chǎng)時(shí)的額定容量，Qa為電池衰減容量，ε為衰減因子，是一個(gè)小于I的變量，^Qn表示表示蓄電池實(shí)際最多能放出的電量。由上可見(jiàn)SOC是一個(gè)取值范圍在0-1范圍內(nèi)的變量。研究表明，影響電池剩余容量的因素包括充放電倍率(即充放電電流)、自放電和溫度等因素，其中，電流越大則能放出的電量越少。電池的自放電指的是是電池在存儲(chǔ)過(guò)程中剩余容量下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致自放電的因素有電極的腐蝕、活性物質(zhì)的溶解、電極的歧化等。溫度對(duì)電池剩余容量產(chǎn)生的影響則是因?yàn)殡姌O材料的活性和電解液的電遷移率與溫度密切相關(guān)，一般情況下，電池高溫放電明顯大于低溫放電時(shí)的放電容量。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究之后發(fā)現(xiàn)，衰減因子ε隨時(shí)間和/或充放電次數(shù)而發(fā)生的變化將在蓄電池的外特性方面充分體現(xiàn)出來(lái)，因此可以將SOC簡(jiǎn)化為由一個(gè)蓄電池的工作電壓、工作電流和溫度決定的狀態(tài)量。另外，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到難以在蓄電池的SOC與工作電壓、工作電流和溫度之間建立精確的數(shù)學(xué)模型，而且雖然衰減因子ε隨時(shí)間的變化非常復(fù)雜并且變化量可能較大，但是這種變化卻是一個(gè)大滯后的過(guò)程?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本發(fā)明的發(fā)明人引入模糊邏輯來(lái)刻畫(huà)SOC與工作電壓、工作電流和溫度之間的關(guān)系。在基于模糊邏輯的模型中，模糊推理建立在表示為模糊規(guī)則的知識(shí)庫(kù)上，模糊規(guī)則的多少取決于輸入和輸出物理量的個(gè)數(shù)以及所需的控制精度。例如對(duì)于常用的二輸入、一輸出的模型，若每個(gè)輸入量劃分為5個(gè)等級(jí)，則需要25條規(guī)則覆蓋全部情況。隨著輸入和輸出變量的個(gè)數(shù)的增加，推理規(guī)則將非線(xiàn)性地增加，這將耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，降低計(jì)算速度。本發(fā)明的發(fā)明人提出通過(guò)利用工作電流對(duì)工作電壓進(jìn)行修正，將SOC的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為電壓和溫度兩個(gè)變量，由此減少了計(jì)算復(fù)雜性。以下對(duì)此作進(jìn)一步的描述。一般情況下，對(duì)于車(chē)載蓄電池來(lái)說(shuō)存在一個(gè)平均負(fù)載電流，它可以視為蓄電池的典型的工作電流或標(biāo)準(zhǔn)的工作電流。該標(biāo)準(zhǔn)的工作電流例如可以是1)各種工作狀況下的工作電流的算術(shù)平均值；或2)工作電流按照其對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)出現(xiàn)概率進(jìn)行加權(quán)的平均值；或3)實(shí)際測(cè)量得到的一段時(shí)間內(nèi)的工作電流的平均值。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，依據(jù)測(cè)量得到的工作電流，將測(cè)量得到的工作電壓換算為標(biāo)準(zhǔn)工作電量下的工作電壓(以下也稱(chēng)為工作電壓的修正值)。圖5為蓄電池的一個(gè)物理模型的示意圖。根據(jù)圖5可以得到下列方程(2):
U1 = E-IX(IHR1)(2)其中，E為蓄電池的電動(dòng)勢(shì)，I為測(cè)量得到的工作電流，U1為工作電流I下測(cè)量得到的工作電壓，R和R1分別為蓄電池以工作電流I放電時(shí)的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。上述工作電壓U1的修正值根據(jù)下列公式(3)計(jì)算得到Uljm = U^(I-I0) X λ (I) (3)其中，U1為工作電流I下測(cè)量得到的工作電壓，Ulim為工作電壓U1的修正值，I為測(cè)量得到的工作電流，Itl為標(biāo)準(zhǔn)工作電流，λ (I)為隨工作電流變化的數(shù)值，其可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。例如可以通過(guò)恒流放電實(shí)驗(yàn)測(cè)得的蓄電池在相同溫度下不同工作電流的放電曲線(xiàn)(也即蓄電池工作電壓與SOC的變化曲線(xiàn)或恒流放電曲線(xiàn))，由下列公式(4)得到各種工作電流下相應(yīng)的λ⑴
權(quán)利要求
1.一種在雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)中執(zhí)行的充放電控制方法，所述雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、與所述發(fā)電機(jī)并聯(lián)耦合以形成供電回路的第一蓄電池、與起動(dòng)機(jī)并聯(lián)耦合以形成啟動(dòng)回路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電回路與所述啟動(dòng)回路之間并提供直流-直流變換的控制單元，其中，所述控制單元利用所述發(fā)電機(jī)或所述第一蓄電池將所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)控制在所需的水平。
2.如權(quán)利要求I所述的充放電控制方法，其中，所述控制單元按照下列步驟，利用所述發(fā)電機(jī)或所述第一蓄電池將所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)控制在所需的水平 確定所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)； 如果所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)低于第一閾值，則使所述第一蓄電池向所述第二蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到第二閾值，其中，當(dāng)荷電狀態(tài)位于所述第二閾值時(shí)，所述第二蓄電池具有所希望的充放電效率；以及 如果所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)大于或等于所述第二閾值，則使所述發(fā)電機(jī)向所述第二蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到第三閾值，以使所述第二蓄電池的活性物質(zhì)被激活的比例達(dá)到所希望的水平。
3.如權(quán)利要求2所述的充放電控制方法，其中，在所述控制單元使所述第一蓄電池向所述第二蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到第二閾值的過(guò)程中，充電電壓是隨荷電狀態(tài)增大而逐漸減小或躍變式減小的。
4.如權(quán)利要求2所述的充放電控制方法，其中，還包含下列步驟 確定所述第一蓄電池的荷電狀態(tài)；以及 如果所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)大于或等于所述第三閾值并且所述第一蓄電池的荷電狀態(tài)小于第四閾值，則使所述第二蓄電池向所述第一蓄電池充電直到所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到所述第二閾值。
5.如權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的充放電控制方法，其中，所述控制單元包含直 流-直流變換裝置，用于在所述第一與第二蓄電池之間進(jìn)行直流-直流充電操作。
6.如權(quán)利要求2或3所述的充放電控制方法，其中，所述第一和第二閾值隨環(huán)境溫度的升高而減小，并隨所述環(huán)境溫度的降低而增大。
7.如權(quán)利要求2所述的充放電控制方法，其中，所述第一、第二和第三閾值分別為80%、90%和 98%。
8.如權(quán)利要求5所述的充放電控制方法，其中，在所述直流-直流變換裝置與所述第一蓄電池之間和所述直流-直流變換裝置與所述第二蓄電池之間分別設(shè)置有第一和第二開(kāi)關(guān)裝置，并且由所述控制單元對(duì)所述第一和第二開(kāi)關(guān)裝置的閉合和斷開(kāi)狀態(tài)進(jìn)行控制。
9.如權(quán)利要求I所述的充放電控制方法，其中，所述控制單元按照下列方式確定所述第一或第二蓄電池的荷電狀態(tài) 輸入所述蓄電池的工作電壓、工作電流和工作溫度； 計(jì)算所述工作電壓在所述蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電流下的工作電壓修正值； 利用各自的隸屬函數(shù)確定所述工作電壓修正值和所述工作溫度的模糊值； 利用模糊推理規(guī)則，根據(jù)所述工作電壓修正值和所述工作溫度的模糊值確定所述蓄電池的荷電狀態(tài)的模糊值；以及 利用反模糊算法，根據(jù)所述蓄電池的荷電狀態(tài)的模糊值計(jì)算所述蓄電池的荷電狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求9所述的充放電控制方法，其中，按照下式計(jì)算所述工作電壓在所述蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電流下的工作電壓修正值U1J Uliffl = U^(I-I0)XA (I) 其中，U1為所述工作電流I下的所述工作電壓，Uljm為所述工作電壓U1的修正值，I為所述工作電流，Itl為所述標(biāo)準(zhǔn)工作電流，λ (I)為隨所述工作電流變化的數(shù)值。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)工作電流為下列中的一種 所述蓄電池的各種工作狀況下的工作電流的算術(shù)平均值； 所述蓄電池的各種工作狀態(tài)下的工作電流按照其對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)出現(xiàn)概率的加權(quán)平均值； 所述蓄電池的工作電流在一段時(shí)間內(nèi)的平均值。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述λ(I)通過(guò)蓄電池在相同溫度下不同工作電流的放電曲線(xiàn)獲得。
全文摘要
本發(fā)明涉及汽車(chē)電子技術(shù)，特別涉及一種在利用多塊蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備的汽車(chē)供電系統(tǒng)中對(duì)用于啟動(dòng)的蓄電池的充放電過(guò)程進(jìn)行控制的方法。雙蓄電池汽車(chē)供電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、與所述發(fā)電機(jī)并聯(lián)耦合以形成供電回路的第一蓄電池、與起動(dòng)機(jī)并聯(lián)耦合以形成啟動(dòng)回路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電回路與所述啟動(dòng)回路之間并提供直流-直流變換的控制單元，其中，所述控制單元利用所述發(fā)電機(jī)或所述第一蓄電池將所述第二蓄電池的荷電狀態(tài)控制在所需的水平。按照本發(fā)明的方法，可以高效、靈活的方式將啟動(dòng)型蓄電池的荷電水平控制在所需的水平。
文檔編號(hào)H02J7/14GK102790407SQ20111012610
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者李軍, 鄧恒 申請(qǐng)人:上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司