用於加熱混合電動車輛中電池的方法
2023-04-24 12:39:16
專利名稱：用於加熱混合電動車輛中電池的方法
技術領域：
本發明通常涉及混合動力車輛的操作，尤其涉及混合動力車輛中電池系統的操作。
背景技術：
混合電動車輛使用內燃機和電池作為車輛推進的動力源。一般而言，電池在低溫時的性能很差。特別地，低溫會影響電池的化學性質並且增大電池內部的電阻。因此，電池的充電峰值就受到限制並且峰值電池放電能力也有所降低。當電池功率用於推動車輛時，糟糕的電池性能會降低傳遞到車輪的轉矩並且增大了對內燃機的依賴。對內燃機的更大的依賴會增大車輛排放物並降低燃料經濟性。另外，糟糕的低溫電池性能也會造成需要向混合電動車輛添加外部或輔助電池加熱設備。
低溫也會增加電池的極化電阻電壓的影響，它在足夠高的水平時能夠防止電池充電或放電。極化電阻電壓可以通過將電池的極性反向而被臨時地降低，例如通過從對電池放電切換到充電，反之亦然。降低極化電阻電壓能夠使更多的電流在電池中循環。在電池中循環的電流與電池內阻(即I2R損失)相互影響，從而導致低溫時電池溫度的升高和電池性能的改善。然而，電池電流極性的反向可能會被車輛駕駛者察覺出來。例如，極性反向可能會表現出噪音、間歇性的發動機反轉以及車輛加速中的停頓，尤其是在以穩定速度行駛時更可能會被察覺到。
因此，就需要一種用於加熱混合電動車輛的電池以改善電池性能的方法並且以一種不會引起駕駛員反對的方式實現這一點。上文指出的與現有技術相關的問題及其它問題可以通過本申請人的發明解決，本發明的總結如下。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用於加熱混合電動車輛中電池的方法。混合電動車輛包括發動機、電池、由發動機或電池提供動力並用於驅動車輪的電動機—發電機，還包括一個用於監視和控制混合電動車輛的控制模塊。本方法包括以下步驟測定電池溫度是否低於一個預定值，測定觸發事件是否已經發生，如果電池溫度低於一個預定值並且觸發事件已經發生，就將電池電流的極性反向。觸發事件可能是「tip-in」事件、「tip-out」事件或端電壓事件。如果電池溫度低於一個預定值並且已經發生tip-in事件、tip-out事件或端電壓事件，電池電流的極性就會反向。
測定是否發生tip-in事件的步驟可能包括測量電池電壓，如果電池電壓較低就不將電池的極性反向。測定是否已經發生tip-out事件的步驟可能會包括測量電池電壓，如果電池電壓較高就不將電池電流的極性反向。
在針對tip-in事件和tip-out事件而將電池電流的極性反向時，可能會使用第一轉換速度。在針對端電壓事件而將電池電流的極性反向時，可能會使用第二轉換速度。第一轉換速度可能比第二轉換速度更快。
測定電池溫度的步驟可能會包括將預定值與來自電池溫度傳感器的測量值進行比較。測定tip-in事件是否已經發生的步驟可能會基於油門踏板位置傳感器的位置變化。測定tip-out事件是否已經發生的步驟可能會基於制動踏板位置傳感器或油門踏板位置傳感器的位置變化。測定端電壓是否已經發生的步驟可能會包括將端電壓值與指示電池的極化電阻電壓的極限值進行比較。
根據本發明的另一個方面，該方法測定電池的溫度是否低於一個預定值並且測定前一個極性反向是否已經完成。該方法還測定tip-in事件、tip-out事件或端電壓事件是否已經發生，並且如果電池溫度低於預定值、前一個極性反向是否已經完成並且tip-in事件、tip-out事件或端電壓事件已經發生，則將電池電流的極性反向。對於tip-in事件或tip-out事件，電池電流的極性的反向可能會以第一轉換速度發生，而針對端電壓事件，可能會以第二轉換速度出現。
測定前一個極性反向是否已經完成的步驟可能包括，在測定前一個極性反向是否完成之後測定電池是否正在充電或是放電。將電池電流的極性反向的步驟可能會包括計算功率目標級並且將電池的極性反向到該功率目標級。測定端電壓事件是否已經發生的步驟可能會包括如果電池正在放電，則測定端電壓值是否大於第一極限值，如果電池正在充電，則測定端電壓值是否小於第二極限值。
根據本發明的另一方面，該方法包括以下步驟測定電池的溫度是否低於一個預定值，測定前一個極性反向是否完成並且在前一個極性反向完成之前阻止執行後續極性反向，測定電池是否正在充電或放電，並且測定是否已經發生端電壓事件、tip-in事件或tip-out事件。如果端電壓事件已經發生，則以第一轉換速度將電池電流的極性反向。如果tip-in事件或tip-out事件已經發生，那麼就以第二轉換速度對電池電流的極性進行反向。
圖1是混合電動車輛的示意圖；圖2是用於加熱混合電動車輛中電池的方法的流程圖；圖3是用於加熱混合電動車輛中電池的方法的第二個實施例；圖4是用於加熱混合電動車輛中電池的方法的第三個實施例；以及圖5是描述電池在用於加熱混合電動車輛中電池的方法下操作的標繪圖。
具體實施例方式
參見圖1，其中顯示了混合電動車輛10的示意圖。混合電動車輛10可以具有不同的動力傳動系統配置，包括本領域技術人員公知的串聯混合驅動、並聯混合驅動或分開的混合驅動。另外，混合電動車輛10可能配備有能量恢復設備，例如再生制動系統。
混合電動車輛10包括發動機12和電池14做為動力源。電池14可能是單個電池或一個包含多個通過電互相連接的電池的電池組。來自發動機12或電池14的動力提供向電動機—發電機16。電動機—發電機16用於驅動車輛牽引輪。特別地，電動機—發電機16連接至差動器18，差動器連接到一對軸20，每個軸又連接至一個車輪22。
控制模塊24被用於監視和控制混合電動車輛10的多個方面。例如，控制模塊24連接到發動機12和電動機—發電機16上以監視和控制它們的操作和性能。控制模塊24也可以對輸入進行處理以確定是否應該加熱電池14。這些輸入可以包括電池溫度和電壓。電池溫度是由位於電池14上的溫度傳感器26提供的。或者，也可以使用多個溫度傳感器。電壓傳感器28讀取電池14的端電壓。也可以選擇使用多個電壓傳感器。控制模塊24還連接至油門踏板位置傳感器30和制動踏板位置傳感器32，其中油門踏板位置傳感器30檢測駕駛者希望增大或減小車輛速度的時刻，制動踏板位置傳感器32檢測駕駛者的制動輸入。
參見圖2，其中顯示了一種用於加熱混合電動車輛中電池的方法的流程圖。在60處，流程圖以測定電池的溫度是否低而開始。如果電池溫度低於一個溫度閥值，則電池的溫度就低。溫度閥值可能是一個預定的常數，它基於電池的規格並且編程到控制模塊的存儲器中。如果電池溫度低於該溫度閥值，就需要進行輔助的加熱以改善電池性能。如果電池溫度不低於該溫度閥值，就不需要進行附加的工作來增高電池溫度。
接下來在62處確定「tip-in」事件是否已經發生。tip-in事件指示駕駛者要求附加的功率或要求車輛加速。tip-in事件可以通過檢測油門踏板已被迅速按下來指示。如果tip-in事件已經發生，就可以使用在64處估定以確定是否可以得到充足的電池電壓以提供所需的附加功率。如果電池電壓較低，則不會提供附加的功率並且步驟返回塊60。如果電池電壓不低，那麼就在塊66中將電池電流的極性反向，從而降低了極化電阻電壓並且加熱電池。
類似地，在68處測定「tip-out」事件是否已經發生。tip-out事件指示駕駛者要求較低的功率或要求車輛減速。tip-out事件可能會由制動車輛、掀起油門踏板或制動和/或掀起油門踏板的組合進行指示。如果tip-out事件已經發生，則在70處評估電池電壓以確定是否使用由再生制動或其它能量恢復系統所恢復的能量對電池充電。如果電池電壓較高，則電池不會存儲附加的能量並且步驟返回塊60。如果電池電壓並不是非常高，那麼就在塊66中將電池的極性反向，從而降低了電池的極化電阻電壓並且增大了電池加熱率。
從72處開始，如果沒有發生tip-in或tip-out事件，步驟就估定電池的端電壓是否達到極限值。該極限值是以極化電阻電壓為基礎的。如果端電壓為極限值，那麼就在塊66中將電池的極性反向以臨時地消除電池的極化電阻電壓並且增大電池的加熱率。如果端電壓不是極限值，那麼步驟返回至塊60。
參見圖3，其中顯示了本發明的另一個實施例的流程圖。除了電池的極性以兩個不同的速度反向之外，該實施例與圖2中所示實施例一致。更具體地，如果在82處發生tip-in事件並且在84處電池電壓不低，那麼就在86處迅速地或以一個較高的轉換速度將電池的極性反向。同樣，如果在88處發生tip-out事件並且90處的電池電壓不是過高，那麼也在86處迅速地將極性反向。然而，在92處，如果端電壓處於極限值，那麼就在塊94處以較慢的轉換速度將極性反向。也可以選擇使用另外的極性反向轉換速度。例如，可以將第一轉換速度用於tip-in事件，將第二轉換速度用於tip-out事件，並且將第三轉換速度用於端電壓事件。或者，可以將相等或不相等的轉換速度用於每個類型的事件。
較高的轉換速度可以使極性反向不容易被車輛駕駛者覺察，因為反向可以在發動機加速或減速時完成。特別地，在tip-in或tip-out事件期間，會由於極性反向過程而造成較高的環境噪聲級。駕駛者也可能會希望發動機能夠在tip-in或tip-out事件期間加速轉動或減速轉動。例如，當發生tip-in事件時，會要求從電池和內燃機中獲得更多的能量，這就會導致發動機運轉更厲害並且增大了車輛內部的噪聲級別。當極性反向不是駕駛者預期並啟動時，可能會使用較低的轉換速度。例如，當達到端電壓極限時可能會使用較低的轉換速度，因為不會出現與發動機加速或減速相伴而生的增大的環境噪聲級。較低的轉換速度降低了由於端電壓極限極性反向所導致的發動機速度或噪聲的變化的可感知性。因此，通過使用多個轉換速度配置，該方法可以有助於解決乘客對噪音靈敏的問題。
參見圖4，其中顯示了本發明的另一個實施例的流程圖。該實施例向圖3所示的實施例添加了更多的步驟以使極性反向更不容易被車輛駕駛者察覺到並且改善車輛的駕駛性能。
在100處，流程圖以前面所述的測定電池的溫度是否低而開始。如果電池溫度不低，那麼就不需要附加的加熱。如果電池的溫度較低，則步驟在102處繼續。
當前一個極性反向尚未完成或當極化電阻電壓過高或過低時，塊102、104、106和108共同起作用以阻止基於tip-in或tip-out事件的極性反向。這些步驟的目的是確保在後續極性反向請求前極化電阻電壓被降低並且實現更有效的電池加熱。
如果電池的狀態標誌設置為「充電」，則塊102阻止響應tip-in事件而進行由充電向放電的極性反向。在圖4中以「標誌」標識的電池狀態標誌指示所需的充電方向。例如，如果電池狀態標誌被設置為「充電」，則電流的方向就由放電變為充電。如果電池狀態標誌被設置為「放電」，則電流的方向就由充電變為放電。類似地，如果電池的狀態標誌被設置為「放電」，則塊104阻止響應tip-out事件而進行的由放電向充電的極性反向。禁止極性反向會降低發生超過電池充電極限或招致與車輛道路上停駛(quit on road)相關的事件的可能性，並且有助於實現較高的電流和更有效的電池加熱。
如果塊102和104都防止極性反向，則步驟返回塊100。如果塊102或塊104允許極性反向，則分別在塊106和108中將稱為禁用Tip-in或禁用Tip-in的兩個標誌之一將設置為「假」。特別地，如果實際或測量的電池狀態值指示電池正在充電，那麼沿放電方向生成的極化電阻電壓就被克服並且允許從充電到放電的極性反向(例如，由於tip-in事件)。因此，在106處禁用Tip-in標誌被設置成「假」以允許基於tip-in事件的此類極性反向。類似地，如果實際或測量的電池狀態值指示電池正在放電，那麼沿充電方向生成的極化電阻電壓就被克服並且允許從放電到充電的極性反向(例如，由於tip-out事件)。因此，108處的禁用Tip-Out標誌被設置成「假」以允許基於tip-Out事件的此類極性反向。
接下來在110處確定電池狀態標誌被設置成「充電」還是「放電」。如果電池狀態標誌被設置為「放電」，則步驟在塊112處繼續並且測定電池電壓是否低。如果電池電壓較低，則步驟在114處繼續。在114處，計算所需充電功率目標級，指示電流方向是否由充電轉化為放電的電池狀態標誌被設置為「充電」，禁用Tip-In標誌被設置為等於「真」，並且以較低的轉換速度將電池電流的極性反向。
可以使用對照表中的預先編程值或者使用算法確定所需功率目標級。例如，電池的物理充電極限和駕駛者對於附加動力的請求可以是輸入。因為駕駛者對於附加功率的請求可能是決定功率目標級的輸入，所以電池的加熱率可能會響應駕駛者對於性能和增強車輛駕駛性能的要求而進行調整。第一功率極限可能基於電池的物理限制，第二功率極限可能基於駕駛者啟動的功率請求。可能會對第一和第二功率極限進行比較以選擇最低的值做為所需功率目標級。
在116處，如果電池電壓不低，則確定是否存在tip-in事件。如果存在tip-in事件，則計算新的放電功率目標級並且步驟在118處以較快的轉換速度將電池的利用調整到該功率目標。
如果在塊116處未發生tip-in事件，在步驟在120處開始，確定是否存在tip-out事件。如果存在tip-out事件，則在122處測試禁用Tip-Out的值。如果禁用Tip-Out為「假」，則允許將極性反向為充電。在124處計算新的充電功率目標，電池狀態標誌被設置成「充電」，並且迅速將極性反向。如果在120處不存在過tip-out事件或者禁用Tip-Out為「真」，則不執行極性反向並且步驟返回以畫上圓圈的字母A標識的開始位置。
返回至110，如果電池充電，則過程步驟類似於當電池放電時所使用的步驟。在132處，步驟測定電池電壓是否較高。如果電池電壓較高，則步驟在134處繼續。在134處計算所需的放電功率目標級，電池狀態標誌被設置成「放電」，禁用Tip-Out標誌被設置為「真」，並且緩慢地將極性反向。
在塊136處，步驟確定是否存在tip-out事件。如果存在tip-out事件，則計算新的充電功率目標並且步驟在138處以較快的轉換速度將電池的利用調整到該功率目標。
如果在塊136處未發生tip-out事件，則在步驟在140處開始，確定是否存在tip-in事件。如果存在tip-in事件，則在142處測試禁用Tip-In的值。如果禁用Tip-In為「假」，則允許將極性反向為放電。在144處計算新的放電功率目標，電池狀態標誌被設置成「放電」，並且迅速將極性反向。如果在140處不存在過tip-in事件或如果禁用Tip-In為「真」，則不執行極性反向並且步驟返回以畫上圓圈的字母A標識的開始位置。
參見圖5，其中顯示了方法如何適應對電池的功率要求的標繪圖。在該標繪圖中，水平軸表示時間，垂直軸表示電池功率目標級。在零功率線上方時，電池放電，在低於零功率線時，電池充電。標記為「極限」的水平線指示了電池的物理充電和放電極限。
從A點開始，由左向右，電池在點A和點B之間充電。在點B處，端電壓到達極化電阻電壓極限值，如果不首先將電池極性反向，電池就不需要補充充電。電池電流從點B到點C以較低的轉換速度進行反向。極性在經過將充電與放電區域分開的零線時反向。
電池從點C到點D進行放電。在點D處到達了電池的極化電阻電壓極限，並且極性必須再次反向。電池電流的極性從點D到點E以較低的轉換速度進行反向。
電池從點E到點F進行充電。在點F處達到極化電阻電壓極限。電池電流的極性從點F到點G以較低的轉換速度進行反向。電池在點G和點H之間放電。在點H處將發生一個tip-out事件。電池電流的極性在點H和點I之間以較快的轉換速度進行反向。
電池從點I到點J進行充電。在點J處達到極化電阻電壓極限。當極性在點J和點K之間反向的時候，會發生另一個tip-out事件。在點K處，電池電流已經改變了方向(即，點K和點J位於零線的相對側)，這意味著極性電阻電壓已經被克服。因此，允許進行返回充電區域的極性反向。
電池從點L到點M進行充電。在點M處到達了極化電阻電壓極限，並且從點M到點N，極性進行反向。電池從點N到點O進行放電。在O點達到極化電壓極限，並且電池電流極性在點O和點P之間以較低的轉換速度反向。
電池從點P到點Q進行充電。在點Q處將發生一個tip-in事件。電池電流的極性從點Q到點R以較高的轉換速度進行反向。
電池從點R到點S進行放電。在點S處達到極化電阻電壓。從點S到點T，極性反向。當極性反向時，在點T處發生一個tip-in事件。因為點T具有的極性與點S的極性不同，所以允許向放電的極性反向並且極性以較高的速度反向至點U。
電池從點U到點V進行放電。在點V處另一個tip-in事件發生。在點W處計算並建立了一個新的放電功率。從點W到點X，電池繼續放電。在X點達到極化電壓極限，並且電池電流極性以較低的轉換速度反向直至點Y。
從點Y到點Z，電池充電。在點Z處發生一個tip-in事件。計算並以較高的轉換速度建立了一個新的放電功率目標級AA。從點AA到點BB，電池放電。在點BB處，另一個tip-in事件發生。計算並以較高的轉換速度建立了一個新的放電功率目標CC。基於電池狀態和駕駛者輸入的變化而繼續極性反向和建立功率目標級的過程。
儘管已經詳細描述了執行本發明的幾個實施例，但是本發明所涉及領域中的技術人員可以想到如下面的權利要求所定義的實現本發明的其它設計和實施例。
權利要求
1.一種用於加熱混合電動車輛中電池的方法，混合電動車輛包括發動機、電池、由發動機或電池提供動力並用於驅動車輪的電動機—發電機，還包括用於監視和控制混合電動車輛的控制模塊，該方法包括以下步驟測定電池的溫度是否低於一個預定值；測定觸發事件是否已經發生；以及如果電池的溫度低於預定值並且觸發事件已經發生，則將電池電流的極性反向。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，測定觸發事件是否已經發生的步驟包括測定tip-in事件、tip-out事件或端電壓事件是否已經發生。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，測定tip-in事件是否已經發生的步驟包括測量電池電壓並且如果電池電壓較低則不將電池電流的極性反向。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，測定tip-out事件是否已經發生的步驟包括測量電池電壓並且如果電池電壓較高則不將電池電流的極性反向。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，針對tip-in事件和tip-out事件以第一轉換速度將電池的極性反向，針對端電壓事件以第二轉換速度將電池的極性反向。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，第一轉換速度比第二轉換速度更快。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，測定電池溫度的步驟包括將預定值與來自電池溫度傳感器的測量值進行比較。
8.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，測定tip-in事件是否已經發生是建立在油門踏板位置傳感器的位置變化的基礎上的。
9.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，測定tip-out事件是否已經發生是建立在制動踏板位置傳感器或油門踏板位置傳感器的位置變化的基礎上的。
10.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，測定端電壓事件是否發生的步驟包括將端電壓值與指示電池極化電阻電壓的極限值進行比較。
11.一種用於加熱混合電動車輛中電池的方法，混合電動車輛包括發動機、電池、由發動機或電池提供動力並用於驅動車輪的電動機—發電機，還包括用於監視和控制混合電動車輛的控制模塊，該方法包括以下步驟測定電池的溫度是否低於一個預定值；測定前一個極性反向是否已經完成；測定tip-in事件是否已經發生；測定tip-out事件是否已經發生；測定端電壓事件是否已經發生；以及如果電池溫度低於預定值並且前一個極性反向已經完成且tip-in事件、tip-out事件或端電壓事件已經發生，則將電池電流的極性反向。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，針對tip-in事件和tip-out事件以第一轉換速度將電池電流的極性反向，針對端電壓事件以第二轉換速度將電池電流的極性反向。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，測定前一個極性反向是否已經完成的步驟還包括，在測定前一個極性反向是否完成之後測定電池是正在充電還是正在放電。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，測定端電壓事件是否發生的步驟還包括將測量的端電壓值與指示電池極化電阻電壓的極限值進行比較。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，測定端電壓事件是否已經發生的步驟還包括在電池放電時測定端電壓值是否大於第一極限值。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，測定端電壓事件是否已經發生的步驟還包括如果電池充電時測定端電壓值是否小於第二極限值。
17.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，將電池的極性反向的步驟還包括計算功率目標級並將電池電流的極性反向至該功率目標級。
18.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，測定tip-in事件是否已經發生的步驟是建立在油門踏板位置傳感器的位置變化的基礎上的。
19.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，測定tip-out事件是否已經發生的步驟是建立在制動踏板位置傳感器或油門踏板位置傳感器的位置變化的基礎上的。
20.一種用於加熱混合電動車輛中電池的方法，混合電動車輛包括發動機、電池、由發動機或電池提供動力並用於驅動車輪的電動機—發電機，還包括用於監視和控制混合電動車輛的控制模塊，該方法包括以下步驟測定電池的溫度是否低於一個預定值；測定前一個極性反向是否已經完成並且在前一個極性反向完成之前阻止執行後續極性反向；測定電池是否正在充電還是正在放電；測定端電壓事件是否已經發生，如果端電壓事件已經發生則以第一轉換速度將電池電流的極性反向；測定tip-in事件是否已經發生，如果tip-in事件已經發生則以第二轉換速度將電池電流的極性反向；以及測定tip-out事件是否已經發生，如果tip-out事件已經發生則以第二轉換速度將電池電流的極性反向。
全文摘要
一種用於加熱混合電動車輛中電池的方法。混合電動車輛包括發動機、電池、由發動機或電池提供動力的電動機－發電機以及控制模塊。該方法包括測定電池溫度和測定tip－in事件、tip－out事件或端電壓事件是否已經發生的步驟。如果電池溫度低於一個預定值並且如果tip－in事件、tip－out事件或端電壓事件已經發生，則將電池的極性反向。
文檔編號B60K6/48GK1599125SQ20041007865
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月17日 優先權日2003年9月19日
發明者穆昆達·V·普雷瑪, 沙伊萊什·S·科佐賴卡爾, 克里斯多福·A·奧喬奇恩斯基, 羅伯特·K·達納格, 樊尚·弗賴爾穆特, 道格拉斯·茹 申請人:福特環球技術公司