基於電池接觸器使用壽命管理電池使用的方法及系統與流程
2023-11-01 07:26:23
本申請涉及電動車輛領域，尤其涉及一種基於電池接觸器使用壽命管理電池使用的方法及系統。
背景技術：
隨著電池組的使用，其內部組件電池、接觸器、熔斷器、開關以及電池組本身都會逐漸老化，性能也會受到相應的影響，所以，設計電池組時，需要保證在其使用壽命期間內其能夠滿足功率、能量、效率等方面的要求，以滿足實際使用需求。
如果電池組的內部組件老化超過一定程度，則電池的輸出將不滿足設計要求，一般情況下將此定義為蓄電池的「結束生命(EOL：End Of Life)」階段。因此，蓄電池是在使用之初，即處於「開始生命(BOL：Begin of Life)」階段，能提供的功率、能量、效率等都優於「結束生命」階段。
一般的電池系統主要包括電池、熔斷器、手動斷開裝置(MSD：Manual Service Disconnect)以及接觸器。
當達到「結束生命」階段時，電池組並不會立即失效，而是隨著額定功率、能量性能以及效率等持續下降，最終低於設計要求中的標準值，從而電池組失效。例如，在低於功率或能量的設計要求值下的電池使用，最終會導致電池組及其組件的損壞。
其中所述接觸器的損壞或故障，對於安全來說是至關重要，因為接觸器是分離電池內部與外部連接電動勢的主要方法。
但是，接觸器故障有多種情況，即某些機械觸點表面會逐漸出現化學的或者機械的老化，甚至在一些接觸點上潛在的自發接觸器焊接部分會增加，尤其在觸點閉合期間，這是因為隨著使用，越來越多的電、熱、機械和化學應力暴露，接觸器中的電接觸表面結構、表面粗糙度、材料的轉化都會發生改變。接觸器的物理和化學性質會發生改變。同時，接觸器觸頭閉合的瞬間，電壓差會產生一個短而大的峰值電流經過接觸表面。接觸器的接觸表面的應力也會增大，導致損壞或惡化的加劇。如果在負載情況下打開接觸器，會在接觸表面產生一個電弧，導致接觸表面的熱損傷以及表面之間的材料轉化。因此，所述接觸器的損壞或故障而導致接觸器老化的現象，十分普遍。
另外，在實際電動車輛應用的過程中，「預充電」開始和「正極接觸器31閉合」之間的時間間隔須儘可能短，例如最好在100ms以內。因為時間過長，導致過度的電應力對預充電電路3的元器件損壞和/或製造零部件成本提高，因為這些元器件為了減少預充電時間和所需的低壓差必須承受過度的電應力。另外，正極主接觸器21因為在短時間內閉合而承受過度電應力，會導致瞬間峰值電流。通常情況下，預充電時長和正極接觸器的閉合時間是電池管理系統內部固定的，定義為時間性能(最小預充電等待時間)和預期的接觸器壽命之間的折衷。
技術實現要素：
有鑑於此，本申請提供一種基於上提高電池接觸器使用壽命有效管理電池使用的方法。
本申請通過如下技術方案之一來實現發明目的：
基於電池接觸器的使用壽命管理電池使用的方法，包括：
步驟一、設定一個用來計算接觸器老化的接觸器應力因子；
步驟二、根據接觸器應力因子，計算系統功率校正因子；
步驟三、根據系統功率校正因子，計算電池可輸出的最大功率；以及
步驟四、電池管理系統安全地輸出最大功率。
進一步地，在步驟一中，接觸器應力因子為第一接觸器應力因子；將流經接觸器的電流的平方對時間求積分得到第一接觸器應力因子。
更進一步地，在步驟二中，所述系統功率校正因子為第一系統功率校正因子；設定第一校正係數，第一校正係數和第一接觸器應力因子的乘積得到第一系統功率校正因子。
更進一步地，在步驟三中，計算可電池輸出的最大功率的電流為在」開始生命」階段接觸器的額定電流與第一系統功率校正因子的乘積。
進一步地，在步驟一中，所述接觸器應力因子為第二接觸器應力因子；第二接觸器應力因子基於外部負載電路中放電和充電情況下接觸器打開的次數。
更進一步地，在步驟二中，所述系統功率校正因子為第二系統功率校正因子；設定第二校正係數，第二校正係數和第二接觸器應力因子的乘積得到第二系統功率校正因子。
更進一步地，在步驟三中，計算可電池輸出的最大功率的電流為在」開始生命」階段接觸器的額定電流與第二系統功率校正因子的乘積。
進一步地，在步驟一中，接觸器應力因子為第三接觸器應力因子；第三接觸器應力因子基於形成瞬間峰值電流的預充電接觸器的閉合次數。
更進一步地，在步驟二中，所述系統功率校正因子為第三系統功率校正因子；設定第三校正係數，第三校正係數和第三接觸器應力因子的乘積得到第三系統功率校正因子。
更進一步地，在步驟三中，計算可電池輸出的最大功率的電流為在」開始生命」階段接觸器的額定電流與第三系統功率校正因子的乘積。
進一步地，將流經接觸器的電流的平方對時間求積分得到第一接觸器應力因子；設定第一校正係數，第一校正係數和第一接觸應力因子的乘積得到第一系統功率校正因子；基於負載電路中放電和充電情況下正極接觸器打開的次數得到第二接觸器應力因子；設定第二校正係數，第二校正係數和第二接觸器應力因子的乘積得到第二系統功率校正因子；基於造成瞬間峰值電流的預充電接觸器的閉合次數得到第三接觸器應力因子；設定第三校正係數，第三校正係數和第三接觸器應力因子的乘積得到第三系統功率校正因子；第一系統功率校正因子、第二系統功率校正因子以及第三系統功率校正因子的乘積得到設定第四系統功率校正因子；根據該第四系統功率校正因子，計算電池的輸出功率；計算可電池輸出的最大功率的電流為在」開始生命」階段接觸器的額定電流與該第四系統功率校正因子的乘積。
本申請通過如下技術方案之二來實現發明目的：
基於電池接觸器使用壽命管理電池使用的方法，包括：
步驟一、設定一個用來計算接觸器老化的接觸器應力因子；
步驟二、根據接觸器應力因子，計算系統功率校正因子；以及
步驟三、根據系統功率校正因子，計算預充電時間的最高值；以及
步驟四、電池管理系統調節預充電時間至最高值。
進一步地，將流經接觸器的電流的平方對時間求積分得到第一接觸器應力因子；設定第一校正係數，第一校正係數和第一接觸應力因子的乘積得到第一系統功率校正因子；基於負載電路中放電和充電情況下正極接觸器打開的次數得到第二接觸器應力因子；設定第二校正係數，第二校正係數和第二接觸器應力因子的乘積得到第二系統功率校正因子；基於造成瞬間峰值電流的預充電接觸器的閉合次數得到第三接觸器應力因子；設定第三校正係數，第三校正係數和第三接觸器應力因子的乘積得到第三系統功率校正因子；根據第一系統功率校正因子、第二系統功率校正因子以及第三系統功率校正因子設定第五系統功率校正因子；根據第五系統功率校正因子，通過電池管理系統調節預充電時間至最高值。
更進一步地，所述預充電時間的最高值為在」開始生命」階段預充電的最短時間與所述第五系統功率校正因子的乘積。
本申請通過如下技術方案之三來實現發明目的：一種電池系統，其特徵在於，包括電池、主接觸器、預充電電路以及外部負載電路；所述主接觸器包括正極主接觸器以及負極主接觸器；所述預充電電路包括與正極主接觸器並聯的預充電接觸器和預充電電阻；所述電池系統執行如上任一項中所述的方法。
與現有技術相比，本申請通過基於電池接觸器使用壽命來管理電池使用，即調整電池輸出的最大功率或調整預充電時間至最大時間，從而實現電池最高性能或延長電池使用壽命。
附圖說明
圖1是本申請車輛電源管理系統的結構示意圖。
圖2是本申請車輛電源管理系統中外部負載電路電壓(Voltage)和時間(Time)的函數曲線圖。
具體實施方式
這裡將詳細地對示例性實施方式進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施方式中所描述的實施方式並不代表與本申請相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本申請的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
在本申請使用的術語是僅僅出於描述特定實施方式的目的，而非旨在限制本申請。在本申請和所附權利要求書中所使用的單數形式的「一種」、「所述」和「該」也旨在包括多數形式，除非上下文清楚地表示其他含義。還應當理解，本文中使用的術語「和/或」是指並包含一個或多個相關聯的列出項目的任何或所有可能組合。
在接觸器閉合的瞬間產生的電流與閉合瞬間的電壓差、電阻、阻抗成函數關係。通過接觸器的電流越大，對接觸器的損壞就越大。因此，為了防止所述接觸器損壞或故障，需要防止在接觸器閉合的瞬間產生的電流過大。於是，需要在接觸器閉合時兩邊的電壓差限制在一個合適的值，為此在接觸器閉合前，所述高壓電池的外部電路被預充電。
參照圖1所示。圖1所示為本申請的電池系統，包括電池1、主接觸器2、預充電電路3以及外部負載電路。所述主接觸器2包括正極主接觸器21以及負極主接觸器22。所述預充電電路3包括與正極主接觸器21並聯的預充電接觸器31和預充電電阻32。
所述電池1、主接觸器2、預充電電路3是電池內部電路的組成部分。當然，電池內部電路還可能包括其他組件。
具體地，為了給外部負載電路提供電壓，負極主接觸器22閉合，預充電接觸器31閉合，產生一個較小的電流經過預充電電路3的預充電電阻32，使外部負載電路中電壓指數逐漸增加。經過一定的延遲時間，外部負載電路中的電壓已充分地提高到上述最低臨界閾值，此時正極主接觸器21閉合，電池內部電路和外部負載電路之間的電壓差應該足夠低，以限制瞬間峰值電流經過正極主接觸器21。
繼續參考圖2。圖2給出了外部負載電路電壓(Voltage)和時間(Time)的函數曲線圖。第一時間T1對應的外部負載電路第一電壓V1，第二時間T2對應的外部負載電路第二電壓V2。通過圖示可見，在正極主接觸器21閉合前預充電時間越長，外部負載電路的電壓越高，也就是說，電池內部電路電壓與外部負載電路電壓的壓差越小。
根據上面的描述，本申請提供一種基於電池主接觸器3(「接觸器」)的使用壽命(SOH：State Of Healthy)來管理電池使用的方法。在一實施方式中，所述方法包括：
步驟一、設定一個用來計算接觸器老化的接觸器應力因子；
步驟二、根據接觸器應力因子，計算系統功率校正因子；
步驟三、根據系統功率校正因子，計算電池輸出的最大功率；以及
步驟四、電池管理系統(未圖示)輸出電池輸出的最大功率。
在第一實施方式中，在步驟一中，所述接觸器應力因子為第一接觸器應力因子X1(I,t)。將流經正極主接觸器21電流I的平方對時間求積分得到該第一接觸器應力因子X1(I,t)，公式如下：
X1(I，t)＝∫I2dt
在步驟二中，設定第一校正係數k，該第一校正係數k和一接觸器應力因子應力因子X1(I,t)的乘積得到第一系統功率校正因子Z1：
Z1＝k×X1(I，t)
其中第一校正係數k可以為負值。
在步驟三中，計算電池輸出功率PB的電流IB為在「開始生命」階段接觸器的額定電流IB0與第一系統功率校正因子Z1的乘積：
所述電池的功率輸出PB是電池電壓VB和電流IB的乘積：
PB＝VB×IB。
電池管理系統控制輸出最大功率PB，即在以安全地調整最大耐用的前提下，輸出該最大功率PB。
在第二實施方式中，在步驟一中，所述接觸器應力因子為第二接觸器應力因子X2(I,n)。第二接觸器應力因子X2(I,n)是基於負載電路中放電和充電情況下正極主接觸器21打開的次數。
在步驟二中，設定第二校正係數m，該第二校正係數m為和第二接觸器應力因子X2(I,n)的乘積得到第二系統功率校正因子Z2，公式如下：
Z2＝m×X2(I，n)
其中第二校正係數m可以為負值。
在步驟三中，計算電池輸出功率PB的電流IB為在「開始生命」階段接觸器的額定電流IB0與第二系統功率校正因子Z2的乘積：
而所述電池的功率輸出PB是電池電壓VB和電流IB的函數：
PB＝VB×IB。
電池管理系統控制輸出最大功率PB，即在以安全地調整最大耐用的前提下，輸出該最大功率PB。
在第三實施方式中，在步驟一中，所述接觸器應力因子為第三接觸器應力因子X3(I,n_P)。該第三接觸器應力因子X3(I,n_P)是基於形成瞬間峰值電流的預充電接觸器31的閉合次數。
在步驟二中，設定第三校正係數b，第三校正係數b和第三接觸應力因子X3(I,n_P)的乘積得到第三系統功率校正因子Z3，公式如下：
Z3＝b×X3(I，n-p)
其中第一校正係數b可以為負值。
在步驟三中，計算電池輸出功率PB的電流IB為在「開始生命」階段接觸器的額定電流IB0與第三系統功率校正因子Z3的乘積。
IB＝IB_0×Z3
而所述電池的功率輸出PB是電池電壓VB和電流IB的函數：
PB＝VB×IB。
電池管理系統控制輸出最大功率PB，即在以安全地調整最大耐用的前提下，輸出最大功率PB。
在第四實施方式中，根據第一實施方式、第二實施方式以及第三實施方式中，整合第一系統功率校正因子Z1、第二系統功率校正因子Z2、第三系統功率校正因子Z3。
所述計算電池輸出功率PB的電流IB為在「開始生命」階段接觸器的額定電流IB0與第一系統功率校正因子Z1、第二系統功率校正因子Z2、第三系統功率校正因子Z3的乘積，即第四系統功率校正因子Z4為第一系統功率校正因子Z1、第二系統功率校正因子Z2、第三系統功率校正因子Z3的乘積，公式如下：
而所述電池的功率輸出PB是電池電壓VB和電流IB的函數：
PB＝VB×IB。
電池管理系統控制輸出最大功率PB，即在以安全地調整最大耐用的前提下，輸出最大功率PB。
通過以上多個實施方式，實現了基於電池接觸器使用壽命來管理電池使用，即調整輸出電池的最大功率PB。
由於正極主接觸器21閉合產生的瞬間峰值電流是閉合瞬間電壓差的函數，預充電時間加長，高電壓供電的延遲，導致客戶舒適係數下降。這是預充電時間應當儘量短的主要原因，然而，這是增加的接觸元件的應力，從而降低使用壽命，或者說，增加元件成本。
因此，在另一實施方式中，本申請提供一種基於電池主接觸器3(「接觸器」)使用壽命來管理電池使用的方法，包括：
步驟一、設定一個用來計算接觸器老化的接觸器應力因子X4(X1,X2,X3)；
步驟二、根據接觸器應力因子，計算系統功率校正因子Z4；以及
步驟三、根據系統功率校正因子Z4，計算預充電時間的最高值；以及
步驟四、電池管理系統調節預充電時間至最高值。
在步驟一中，所述接觸器組件應力因子X4(X1,X2,X3)是結合第一實施方式中的接觸器應力因子X1、第二實施方式中的接觸器應力因子X2以及第三實施方式中接觸器應力因子X3。
在步驟二中，設定校正係數g。所述接觸器組件應力因子X4(X1,X2,X3)與第五校正係數g的乘機得到系統功率校正因子Z4：
Z4＝g×X4
在步驟三中，所述預充電時間最高值TP為在」開始生命」階段預充電的最短時間Tp_0與所述第五系統功率校正因子Z4的乘積。
TP＝TP_O×Z4
通過上述實施方式，基於電池接觸器使用壽命來管理電池使用，即通過電池管理系統調節預充電時間到最高值TP，以此來降低正極主接觸器21閉合時產生的壓差，從而防止正極主接觸器21老化，延長使用壽命。
在上面的描述中，闡述了本發明的技術方案的細節，然而，本領域技術人員能夠了解，本發明不限於上述實施例所列出的具體細節，而是可以在權利要求所限定的範圍內變化。
以上所述僅為本申請的較佳實施方式而已，並不用以限制本申請，凡在本申請的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請保護的範圍之內。