雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法

2023-09-11 22:26:10

專利名稱：雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法
技術領域：
本發明涉及汽車電子技術，特別涉及一種在利用多塊蓄電池作為儲能設備的汽車供電系統中使電能在蓄電池之間均衡存儲的方法。
背景技術：
汽車供電系統主要由儲能裝置(例如蓄電池或超級電容器)、能量轉換裝置(例如將機械能轉換為電能的發電機)、起動機和控制單元組成。在汽車供電系統中，控制單元是整個系統的核心，它負責根據用電負荷、蓄電池狀態和發電機狀態等工況確定和實施合適的電能管理策略。起動機利用蓄電池的能量將汽車發動機啟動，使發動機在所需的工作狀態下運轉。發動機運轉時將帶動發電機發電，並按汽車電氣系統的電壓要求向汽車的用電負載供電和向蓄電池充電。例如，在控制單元的控制下，如果汽車電氣系統的用電電流大於
發電機的供電電流，則蓄電池就會放電，以彌補不足的電流，反之，如果汽車電氣系統的用電電流小於發電機的供電電流，則電流差的一部分作為蓄電池的充電電流而流入蓄電池。汽車的用電負載在電氣特性上往往具有較大的差異，例如起動機工作時需要提供大安倍的瞬間電流，而照明、音響等設備需要提供較長時間的小電流。為了同時滿足上述兩類負載的用電需求，業界一般採用一個大容量和大極板面積的蓄電池。但是這種方法的缺點是導致蓄電池壽命的縮短，這是因為可能出現下列情況在經過一段時間的使用之後，蓄電池作為啟動用的儲能器是可用的，但是卻無法長時間供電，或者雖然可以長時間供電，但是卻無法提供大電流，面對這些情況，更換蓄電池將是不可避免的。針對不同負荷的用電特點，汽車供電系統可採用雙電池設計，即蓄電池包括啟動型蓄電池和供電型蓄電池，前者與啟動機並聯組成啟動迴路，後者與用電器件並聯組成供電迴路，而電氣系統控制器可分別對啟動迴路和供電迴路的啟閉進打控制。在上述雙電池設計中，蓄電池之間較大的SOC差值反映了電能儲存的不均衡狀態。此外，當荷電狀態(SOC)相差較大時，在電連接狀態下將在蓄電池之間發生電能的轉移，從而產生不必要的能量損耗。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法，其可實現電能在蓄電池之間的均衡存儲。本發明的上述目的通過下列技術方案實現一種雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法，所述雙蓄電池汽車供電系統包括發電機、與所述發電機並聯耦合以形成供電迴路的第一蓄電池、與起動機並聯耦合以形成啟動迴路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電迴路與所述啟動迴路之間的控制單元，其中，包含下列步驟所述控制單元確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態的差距量；所述控制單元確定所述差距量是否偏離預先設定的範圍；以及
如果所述差距量超出所述預先設定的範圍，則所述控制單元使所述發電機向所述第一或第二蓄電池充電以使所述差距量回落到所述預先設定的範圍之內。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，所述控制單元按照下式確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態的差距量E :E = (S0C「S0C2) X e-t/τ其中，SOC1和SOC2分別為根據電流積分法計算得到的所述第一和第二蓄電池的荷電狀態，t為從蓄電池初始時刻到當前時刻所經歷的時間，τ為大於零的修正因子，根據實
驗確定。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，所述第一和第二蓄電池的荷電狀態SOC1和
SOC2的每一個按照下式計算得到
tSOC = [I + a(At + 6)] - c I i(x)dx
ο其中At為所述蓄電池的溫度增大值，i (X)為蓄電池在當前時刻X的電流，t為從初始時刻到當前時刻所經歷的時間，a、b和c為通過實驗確定的常數。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，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輸入所述蓄電池的工作電壓、工作電流和工作溫度；計算所述工作電壓在所述蓄電池的標準工作電流下的工作電壓修正值；利用各自的隸屬函數確定所述工作電壓修正值和所述工作溫度的模糊值；利用模糊推理規則，根據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的模糊值；以及利用反模糊算法，根據所述蓄電池的荷電狀態的模糊值計算所述蓄電池的荷電狀態。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，按照下式計算所述工作電壓在所述蓄電池的標準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為所述標準工作電流，λ (I)為隨所述工作電流變化的數值。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，所述標準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平均值；所述蓄電池的各種工作狀態下的工作電流按照其對應的工作狀態出現概率的加權平均值；所述蓄電池的工作電流在一段時間內的平均值。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，所述λ (I)通過蓄電池在相同溫度下不同工作電流的放電曲線獲得。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，所述預先設定的範圍的上限和下限是非對稱的。本發明的上述目的還可以通過下列技術方案實現一種雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法，所述雙蓄電池汽車供電系統包括發電機、與所述發電機並聯耦合以形成供電迴路的第一蓄電池、與起動機並聯耦合以形成啟動迴路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電迴路與所述啟動迴路之間的控制單元，其中，包含下列步驟所述控制單元確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態在一段時間內的平均值；所述控制單元確定所述平均值的差距量；所述控制單元確定所述差距量是否偏離預先設定的範圍；以及如果所述差距量超出所述預先設定的範圍，則所述控制單元使所述發電機向所述第一或第二蓄電池充電以使所述差距量回落到所述預先設定的範圍之內。優選地，在上述能量均衡存儲方法中，通過計算所述一段時間內所述第一和第二蓄電池中的每一個在多個時刻的荷電狀態的平均值來確定各自的所述平均值。
在本發明的一個實施例中，對於SOC進行了時間上的修正，從而避免或減小了估算誤差，這提高了能量均衡存儲控制的準確性。此外，在一個實施例中，通過使差距量的預設範圍具有非對稱的上限和下限，可以很好地滿足不同負荷對用電保障程度的需求。再者，在一個實施例中，荷電狀態SOC的估算引入了模糊邏輯，從而可以充分利用實驗曲線和經驗數據，提高結果的準確性。從結合附圖的以下詳細說明中，將會使本發明的上述和其它目的及優點更加完全清楚。


圖I為一種不例性的雙蓄電池汽車供電系統的不意圖。圖2為圖I所示雙蓄電池汽車供電系統中的控制單元的結構示意圖。圖3為按照本發明一個實施例的能量均衡存儲方法的工作流程圖。圖4為蓄電池的一個物理模型的示意圖。圖5為按照本發明一個實施例的SOC計算方法的流程圖。圖6、7和8分別為圖5所示實施例中的蓄電池工作電壓修正值、工作溫度和SOC狀態的隸屬函數示意圖。
具體實施例方式下面通過參考附圖描述本發明的具體實施方式
來闡述本發明。但是需要理解的是，這些具體實施方式
僅僅是示例性的，對於本發明的精神和保護範圍並無限制作用。在本說明書中，「耦合」一詞應當理解為包括在兩個單元之間直接傳送能量或信號的情形，或者經一個或多個第三單元間接傳送能量或信號的情形，而且這裡所稱的信號包括但不限於以電、光和磁的形式存在的信號。另外，「包含」和「包括」之類的用語表示除了具有在說明書和權利要求書中有直接和明確表述的單元和步驟以外，本發明的技術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」之類的用語並不表示單元或數值在時間、空間、大小等方面的順序而僅僅是作區分各單元或數值之用。另外，這裡所述的蓄電池指的是能將化學能轉變化電能並產生直流電的裝置，其包括但不限於鉛酸蓄電池和鋰電池等。
雙蓄電池汽車供電系統圖I為一個示例性的雙蓄電池汽車供電系統的示意圖。參見圖1，該雙蓄電池汽車供電系統10包括控制單兀110、發電機120、第一和第二蓄電池130A和130B和第一-第四開關裝置K1-K4。在圖I中，粗實線表示功率或能量流，而細實線表示控制信號和測量信號流。值得指出的是，雖然在這裡控制單元110與第一-第四開關裝置K1-K4以及發電機120以總線方式相連，但是這並不意味著控制單元與被控制單元之間必須局限於這種連接方式，實際上它們之間也可以採用點對點的連接方式。在圖I中，控制單元110是整個供電系統10的核心，其一方面負責根據用電狀況(例如用電負載30和40的用電需求)、蓄電池狀態(這裡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(SOC)中的一種或多種)和發電機狀態(例如發電機當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-直流轉換能力，以通過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。在下面將會進一步描述控制單元110的上述功能。 如圖I所示，第一蓄電池130A、發電機120和用電負載30並聯連接以形成供電迴路。控制單元110經第一開關裝置Kl接入該供電迴路。與此同時，第一蓄電池130A還經第二開關裝置K4與第二蓄電池130B相連。另一方面，第二蓄電池130B、起動機20和用電負載40並聯連接以形成啟動迴路。控制單元110經第二開關裝置K2接入該啟動迴路。由此，在本所示的供電系統中，第一與第二蓄電池130A、130B之間包含兩條相連的通道，其中一條經過控制單元110，而另一條則旁路控制單元110。值得指出的是，雖然這裡的用電負載30和40是以兩個方框示出的，但是它們實際上指的是兩組用電負載，其中，用電負載30指的是汽車在與啟動無關的汽車電器，包括但不限於車燈、鼓風機、空調和音響等，而用電負載40指的是與汽車啟動相關的電子設備，包括但不限於各種用於測量啟動時狀態的傳感器和電子控制單元(ECT)等。在本例中，用電負載40主要由第二蓄電池130B供電，並且在第二蓄電池130B供電能力不足時，由第一和第二蓄電池130A和130B聯合向用電負載40 供電。在圖I所示的供電系統中，控制單元110利用第一-第四開關裝置K1-K4來控制電路的接通和關斷以實現相應的電能管理策略，其中，供電迴路與控制單元110之間的通道的接通和關斷由第一開關裝置Kl控制，啟動迴路與控制單元110之間的通道的接通和關斷由第二開關裝置K2控制，第二蓄電池130B與用電負載40之間的通道的接通和關斷由第三開關裝置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斷由第四開關裝置K4控制。上述第一-第四開關裝置K1-K4的啟閉和斷開都由控制單元110控制，它們例如可以由繼電器實現。在本例中，汽車啟動階段的供電(也即起動機20和用電負載40的供電)主要由第二蓄電池130B負責提供。由於啟動階段需要大的瞬間電流，因此可以將第二蓄電池130B設計為與第一蓄電池130A相比，具有較大的極板面積以利於提高輸出的電流強度。另外，用電負載30主要由第一蓄電池130A和發電機120供電。由於用電負載的供電特點是需要提供長時間的小電流，因此第一蓄電池130A可以設計為與第二蓄電池130B相比，在極板上形成更厚的活性物質。控制單元
圖2為圖I所示雙蓄電池汽車供電系統中的控制單元的結構示意圖。如圖2所示，控制單元110包含電源管理控制裝置1101、直流-直流變換裝置1102和蓄電池狀態監測裝置1103。在圖2中，粗實線表示功率或能量流，而細實線表示控制信號和測量信號流。電源管理控制裝置1101、直流-直流變換裝置1102和蓄電池狀態監測裝置1103之間通過單元內部的LINK總線通信，並且電源管理控制裝置1101和蓄電池狀態監測裝置1103通過單元外部的CAN總線與外部設備(例如第一-第三開關裝置K1-K4、用電負載30、發電機120等)通信。電源管理控制裝置1101根據用電狀況、蓄電池狀態和發電機狀態等確定合適的電能管理策略並生成相應的控制命令。這些控制命令被提供至位於控制單元110內部的直流-直流變換裝置1102和蓄電池狀態監測裝置1103以及位於控制單元110外部的第一-第四開關裝置K1-K4。有關電能管理策略的確定方式將在下面作詳細描述。
直流-直流變換裝置1102將來自發電機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可對發電機120的輸出作直流-直流轉換操作以使發電機120向第二蓄電池130B充電，或者可對第一蓄電池130A的輸出作直流-直流轉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可對第二蓄電池130B的輸出作直流-直流轉換操作以使第二蓄電池130B向第一蓄電池130A充電。蓄電池狀態監測裝置1103通過CAN總線與傳感器相連以監測第一和第二蓄電池130A和130B的狀態參數(例如蓄電池的工作電壓、工作電流和溫度等)。測得的狀態參數被經控制單元110內部的LINK總線被送至電源管理控制裝置1101。蓄電池狀態監測裝置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，並且將兩塊蓄電池的使用率控制得相似或相近(例如通過使第一和第二蓄電池130A和130B的SOC的差異始終保持在一個較小的範圍內)。蓄電池狀態監測裝置1103可以定期或不定期地監測第一和第二蓄電池130A和130B的老化程度(例如通過測量兩塊蓄電池的內阻)，並且如果它們的老化程度或內阻相差較大(例如絕對差值超過一個預設的閾值)，則蓄電池狀態檢測裝置1103即可判斷傳感器組出現故障。能量均衡存儲控制過稈以下藉助圖3描述按照本發明的用於雙蓄電池汽車供電系統中能量均衡存儲方法的一個實施例。為闡述方便，這裡以圖I和2所示的雙蓄電池汽車供電系統為例進行描述。但是應該理解的是，上述工作流程也可應用於其它類型的雙蓄電池汽車供電系統。參見圖3，在步驟310，控制單元110的蓄電池狀態監測裝置1103測量第一和第二蓄電池130A和130B的狀態參數(例如蓄電池的電壓、電流和溫度)並且經LINK總線發送至電源管理控制裝置1101。隨後在步驟320，電源管理控制裝置1101根據蓄電池狀態監測裝置1103獲取的狀態參數計算第一和第二蓄電池130A、130B的荷電狀態S0C。在本實施例中，例如可以採用電流積分法來計算S0C。在計算時，為了獲得精確的結果，應該將溫度因素考慮進去。發明人經過研究發現，下式(I)可以較好地反映溫度對按照電流積分法計算得到的SOC的影響t
權利要求
1.一種雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法，所述雙蓄電池汽車供電系統包括發電機、與所述發電機並聯耦合以形成供電迴路的第一蓄電池、與起動機並聯耦合以形成啟動迴路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電迴路與所述啟動迴路之間的控制單元，其中，包含下列步驟 所述控制單元確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態的差距量； 所述控制單元確定所述差距量是否偏離預先設定的範圍；以及如果所述差距量超出所述預先設定的範圍，則所述控制單元使所述發電機向所述第一或第二蓄電池充電以使所述差距量回落到所述預先設定的範圍之內。
2.如權利要求I所述的能量均衡存儲方法，其中，所述控制單元按照下式確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態的差距量E E = (SOC1-SOC2) Xe_t/T 其中，SOC1和SOC2分別為根據電流積分法計算得到的所述第一和第二蓄電池的荷電狀態，t為從蓄電池初始時刻到當前時刻所經歷的時間，τ為大於零的修正因子，根據實驗確定。
3.如權利要求2所述的能量均衡存儲方法，其中，所述第一和第二蓄電池的荷電狀態SOC1和SOC2的每一個按照下式計算得到
4.如權利要求I所述的能量均衡存儲方法，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 輸入所述蓄電池的工作電壓、工作電流和工作溫度； 計算所述工作電壓在所述蓄電池的標準工作電流下的工作電壓修正值； 利用各自的隸屬函數確定所述工作電壓修正值和所述工作溫度的模糊值； 利用模糊推理規則，根據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的模糊值；以及 利用反模糊算法，根據所述蓄電池的荷電狀態的模糊值計算所述蓄電池的荷電狀態。
5.如權利要求4所述的能量均衡存儲方法，其中，按照下式計算所述工作電壓在所述蓄電池的標準工作電流下的工作電壓修正值Uhni 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為所述標準工作電流，λ (I)為隨所述工作電流變化的數值。
6.如權利要求5所述的能量均衡存儲方法，其中，所述標準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平均值； 所述蓄電池的各種工作狀態下的工作電流按照其對應的工作狀態出現概率的加權平均值； 所述蓄電池的工作電流在一段時間內的平均值。
7.如權利要求6所述的能量均衡存儲方法，其中，所述λ(I)通過蓄電池在相同溫度下不同工作電流的放電曲線獲得。
8.如權利要求1-7中任意一項所述的能量均衡存儲方法，其中，所述預先設定的範圍的上限和下限是非對稱的。
9.一種雙蓄電池汽車供電系統中的能量均衡存儲方法，所述雙蓄電池汽車供電系統包括發電機、與所述發電機並聯耦合以形成供電迴路的第一蓄電池、與起動機並聯耦合以形成啟動迴路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電迴路與所述啟動迴路之間的控制單元，其中，包含下列步驟 所述控制單元確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態在一段時間內的平均值； 所述控制單元確定所述平均值的差距量； 所述控制單元確定所述差距量是否偏離預先設定的範圍；以及 如果所述差距量超出所述預先設定的範圍，則所述控制單元使所述發電機向所述第一或第二蓄電池充電以使所述差距量回落到所述預先設定的範圍之內。
10.如權利要求9所述的能量均衡存儲方法，其中，通過計算所述一段時間內所述第一和第二蓄電池中的每一個在多個時刻的荷電狀態的平均值來確定各自的所述平均值。
全文摘要
本發明涉及汽車電子技術，特別涉及一種在利用多塊蓄電池作為儲能設備的汽車供電系統中使電能在蓄電池之間均衡存儲的方法。按照本發明的能量均衡存儲方法，所述雙蓄電池汽車供電系統包括發電機、與所述發電機並聯耦合以形成供電迴路的第一蓄電池、與起動機並聯耦合以形成啟動迴路的第二蓄電池以及可控地耦合在所述供電迴路與所述啟動迴路之間的控制單元，其中，包含下列步驟所述控制單元確定所述第一和第二蓄電池的荷電狀態的差距量；所述控制單元確定所述差距量是否偏離預先設定的範圍；以及如果所述差距量超出所述預先設定的範圍，則所述控制單元使所述發電機向所述第一或第二蓄電池充電以使所述差距量回落到所述預先設定的範圍之內。
文檔編號H02J7/00GK102790408SQ201110126108
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者李軍, 鄧恆 申請人:上海汽車集團股份有限公司