专利名称：用于混合动力机车的电池控制的系统和方法
用于混合动力机车的电池控制的系统和方法
背景技术：
本发明主要涉及电池中的能量存储，并且具体地说，涉及用于在混合动力车辆 (包括但不限于机车和非公路车辆)电池中存储部分动态制动能量并随后在电机驱动期间 使用此能量以节省燃料的系统和方法。混合动力机车和非公路车辆通过在电池中存储部分动态制动能量并随后在电机 驱动期间使用此能量来操作以节省燃料。电池的最大利用增强了燃料节省。电池能在更高 的功率/电流级别受到控制以在最初提供更佳的燃料节省，但在这些高功率/电流级别使 电池重复循环导致更高的老化，从而引起电池的寿命期间更低的燃料节省。
传统上，已经在基于操作和安全限制的恒定功率/电流限制来控制非公路车辆和 混合动力机车中的电池。然而，仅在电池以最大可能的充电功率/电流进行充电时，才能使 来自混合的效益达到最大。此外，如果在整个任务中以恒定充电功率/电流来控制，则对于 本来能以更低速率充电的事件，电池以更高速率进行充电。这引起电池中更高的老化，由此 降低其操作寿命。解决上述问题的一个已知技术包括使用具有不同特性的两种不同类型的能量存 储装置。这些装置之一具有高能量容量、低额定功率，而另一装置是具有高额定功率的低能 量容量电池。小的摆幅(excursion)通过高功率能量存储装置来解决，而更大的摆幅通过 高能量装置来解决。这些高功率能量存储装置一般包括超电容器(ultracapacitor)或高 功率电池，而高能量装置一般包括大容量电池。使用两种不同类型的能量存储装置不合需 要地对系统添加复杂性和成本。因此，存在对于仅在其中额外的制动功率可用的循环(cycle)期间允许以较高速 率进行电池充电的电池控制方案的需要。如果电池控制方案在任务期间只采用当前充电状 态和摆幅来计算功率/电流控制限制而没有对于驱动循环的先验知识的任何依赖，则这将 是有利的。如果电池控制方案能一致地应用到在不同任务上运行的所有机车，同时在任务 和寿命时间期间都实现燃料节省，则这将是进一步有利的。
发明内容
简单地说，根据本发明的一个实施例，提供了用于混合动力车辆(无限制性地包 括机车)的电池控制的系统和方法。在一个实施例中，该方法包括感知一个或多个电池的当前充电状态(SoC)，并从其 中生成当前SoC数据。该方法还包括感知由表示为对于期望循环的最大SoC-最小SoC的 关系定义的当前摆幅，并从其中生成当前摆幅数据。另外，为所述一个或多个电池控制功率 /电流充电限制以响应当前SoC数据和当前摆幅数据。根据另一个实施例，一种电池控制系统包括配置成感知和生成对应于一个或多个 电池的当前充电状态(SoC)的数据的电池充电传感器。电池充电传感器还配置成感知和生 成对应于由表示为对于期望循环的最大SoC-最小SoC的关系定义的当前摆幅的数据。电 池控制系统还包括配置成控制一个或多个电池的功率/电流充电限制以响应当前SoC数据和当前摆幅数据的电池充电控制器。根据仍有的另一个实施例，提供一种电池控制系统，其用于经电池充电和放电电 流控制限制的调节来增强混合动力车辆电池性能和燃料节省，所述调节基于定义为控制限 制(P，I) =f(摆幅，SoC)的关系，其中，P是以安培小时表示的总电池充电功率，I是电池 充电/放电电流，SoC表示电池单元(battery cell)的充电状态，以及摆幅表示定义为对 于循环的最大SoC-最小SoC的循环的幅值。
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面 和优点，附图中类似的字符表示遍及这些图的类似部分，其中图1示出根据本发明的一个实施例的电池控制系统的简化框图；图2是示出使用图1中所示的电池控制系统、根据一个实施例的用于对电池或电 池组充电的控制策略的图形；图3是示出使用图1中所示的电池控制系统、根据另一个实施例的用于对电池或 电池组充电的控制策略的图形；以及图4是示出使用图1中所示的电池控制系统、根据仍有的另一个实施例的用于对 电池或电池组充电的控制策略的图形。虽然上面标识的绘制图形陈列出备选实施例，但如论述中所述的，也设想了本发 明的其它实施例。在所有情况下，本公开通过代表而非限制的方式提出本发明的所示实施 例。本领域的技术人员能设想出落入本发明的原理的精神和范围内的许多其它修改和实施 例。
具体实施例方式下面的描述根据一个实施例提出用于混合动力车辆(例如但不限于机车)的电池 控制的系统和方法，以便提供增强的电池性能和燃料节省。如本文前面所述，混合动力机车 通过在电池中存储部分动态制动能量并随后在电机驱动期间使用此能量来操作以节省燃 料。燃料节省随着电池数量和充电与放电限制的变化而变化。总的来说，发明人发现，充电 电流的增加将增加燃料节省，而放电电流被发现对关注的混合动力车辆中的燃料节省几乎 无影响。以下术语在本文中使用时定义如下SoC表示电池单元的充电状态。摆幅表示循环的幅值。它定义为循环的最大SoC-最小SoC。燃料节省(FS)表示在通过例如但不限于机车的混合动力车辆节省的燃料方面的
效益。它以百分数定义为
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来自传统车辆的引擎能量 现在转到附图，图1示出根据本发明的一个实施例的电池控制系统10的简化框 图。电池控制系统10在一个实施例中配置成在期望操作功率/电流控制限制之间执行多
6步骤调节，使得仅对其中额外的制动功率可用的那些循环以较高速率充电。无需驱动循环 的先验知识，因为控制方案在任务期间仅利用当前充电状态和摆幅数据来确定必需的功率 /电流控制限制。因此，这是能应用于在不同任务上运行的所有混合动力车辆20 (例如混合 动力机车)的一致控制方案。与在电池任务中始终采用恒定充电功率/电流控制方案的已 知控制方案相比，该控制方案的应用所实现的调节在任务期间并且也在电源寿命期间实现 改进的电池性能和燃料节省。
继续参照图1，电池控制系统10包括配置成持续监视当前充电状态、包括与电池 12相关联的充电摆幅数据的电池充电传感器14。本领域的技术人员将认识到，经本文所述 的控制方案，能控制任何数量的电池，无论它是一个或多个。电池控制系统10还包括配置成控制电池12的充电和放电限制的电池充电控制器 16。根据一个实施例，电池充电控制器16运行以响应为增加混合动力车辆燃料节省而开发 的期望传递函数(transferfunction) 0控制限制能定义为控制限制(P，I) = f(摆幅， SoC)，其中，P是以安培小时表示的总电池充电功率，I是电池充电/放电电流，摆幅和SoC 如本文上面定义的。用于一个实施例的传递函数电流控制限制已发现在对于28电池系统的第一年期 间实现了平均10%的燃料节省。另一个实施例已发现适合于对22电池系统实现平均8% 的燃料节省。仍有的另一个实施例已发现适合于对16电池系统实现平均6%的燃料节省。较大摆幅子循环已发现最受充电电流增加的影响；而较低摆幅子循环已发现几乎 保持相同。控制策略能为特定类型的混合动力车辆和任务进行修改。例如，图2-4示出三种 改变的电池控制策略，分别包括线性、具有延迟的线性和指数调节方案。然而，本发明并不 因此限于这三个电池控制策略，并且本领域的技术人员将容易认识到，根据本文所述的原 理，许多其它电池控制策略能容易地用于实现期望的增强电池性能和混合动力车辆燃料节省。现在参见图2，图形示出根据一个实施例的用于对电池或电池组充电的线性控制 策略。用于此实施例的控制策略使用线性控制，使得在电池摆幅的幅值变得越小时，电池 充电电流变得越小，因为，如本文前面所述，较大摆幅子循环已发现最受充电电流增加的影 响，而较低摆幅子循环已发现几乎保持相同。图3是示出根据另一个实施例的用于对电池或电池组充电的具有延迟的线性控 制策略的图形。用于此实施例的控制策略为超过预定限制的任何摆幅使用恒定的大电池充 电电流。因此，对于低于预定限制的任何摆幅，在电池摆幅的幅值变得越小时，电池充电电 流变得越小。图4是示出根据仍有的另一个实施例的用于对电池或电池组充电的指数控制策 略的图形。用于此实施例的控制策略使用当电池摆幅变得越小时幅值指数减少并且当电池 摆幅变得越大时幅值指数增加的电池充电电流。总的来说，当相比于以作为两个控制限制之间平均值的恒定电流率来控制来往于 电池的功率流的传统技术时，用于混合动力车辆(无限制地包括机车)的电池控制的系统 和方法实现了增强的电池性能和更高燃料节省的技术效果。其它技术效果包括1)在寿命 期间更低的电池老化及因此更佳的性能，2)不要求有关驱动循环的先验信息的控制方案，易于实现的控制方案，以及3)实现成本比基于传统硬件的方案更少的控制方案。
虽然本文中仅示出和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将想到许多 修改和更改。因此，要理解随附权利要求旨在涵盖落入本发明真正精神内的所有此类修改 和更改。
权利要求
一种用于控制存储电池充电的方法，所述方法包括感知一个或多个电池的当前充电状态(SoC)，并从其中生成当前SoC数据；感知由表示为对于期望循环的最大SoC-最小SoC的关系定义的当前摆幅，并从其中生成当前摆幅数据；以及控制用于所述一个或多个电池的功率/电流充电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数据。
2.如权利要求1所述的用于控制存储电池充电的方法，还包括控制用于所述一个或多个电池的功率/电流放电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数据。
3.如权利要求2所述的用于控制存储电池充电的方法，其中控制用于所述一个或多个 电池的功率/电流放电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数据包括维持用于所 述一个或多个电池的期望功率/电流放电率。
4.如权利要求2所述的用于控制存储电池充电的方法，其中控制用于所述一个或多个 电池的功率/电流放电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数据包括基于所述当 前SoC数据和所述当前摆幅数据，为所述一个或多个电池调节功率/电流放电率控制限制。
5.如权利要求1所述的用于控制存储电池充电的方法，其中控制用于所述一个或多个 电池的功率/电流充电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数据包括基于所述当 前SoC数据和所述当前摆幅数据，为所述一个或多个电池调节功率/电流充电率控制限制。
6.如权利要求5所述的用于控制存储电池充电的方法，其中基于所述当前SoC数据和 所述当前摆幅数据，为所述一个或多个电池调节功率/电流充电率控制限制包括在所述摆 幅增加时向上调整所述功率/电流充电率控制限制，并且在所述摆幅减少时向下调整所述 功率/电流充电率控制限制。
7.如权利要求6所述的用于控制存储电池充电的方法，其中所述功率/电流充电率控 制限制以线性方式来调整。
8.如权利要求6所述的用于控制存储电池充电的方法，其中所述功率/电流充电率控 制限制以非线性方式来调整。
9.如权利要求5所述的用于控制存储电池充电的方法，其中基于所述当前SoC数据和 所述当前摆幅数据，为所述一个或多个电池调节功率/电流充电率控制限制包括在所述摆 幅增加超过期望限制时向上调整所述功率/电流充电率控制限制，并且在所述摆幅减少到 低于期望限制时向下调整所述功率/电流充电率控制限制。
10.如权利要求9所述的用于控制存储电池充电的方法，其中所述功率/电流充电率控 制限制以线性方式来调整。
11.如权利要求9所述的用于控制存储电池充电的方法，其中所述功率/电流充电率控 制限制以非线性方式来调整。
12.如权利要求1所述的用于控制存储电池充电的方法，还包括在控制用于所述一个 或多个电池的所述功率/电流充电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数据期 间，在任务期间经所述一个或多个电池对混合动力车辆供电，使得用于所述混合动力车辆 的燃料消耗率增加到高于使用恒定功率/电流充电系统可实现的燃料消耗率。
13.如权利要求12所述的用于控制存储电池充电的方法，其中所述混合动力车辆包括 机车。
14.如权利要求12所述的用于控制存储电池充电的方法，其中在任务期间对混合动力 车辆供电还包括控制用于所述一个或多个电池的所述功率/电流充电限制以响应所述当 前SoC数据和所述当前摆幅数据，使得仅对其中额外的制动功率可用的那些循环以更高速 率充电。
15.如权利要求12所述的用于控制存储电池充电的方法，其中在任务期间对混合动力 车辆供电还包括控制用于所述一个或多个电池的所述功率/电流充电限制以响应所述当 前SoC数据和所述当前摆幅数据，使得用于所述混合动力车辆的电池寿命和性能增加到高 于使用恒定功率/电流充电系统可实现的电池寿命和性能。
16.一种电池控制系统，包括电池充电传感器，配置成感知和生成对应于一个或多个电池的当前充电状态(SoC)的 数据，并且还配置成感知和生成对应于由表示为对于期望循环的最大SoC-最小SoC的关系 定义的当前摆幅的数据；以及电池控制器，配置成控制用于所述一个或多个电池的功率/电流充电限制以响应所述 当前SoC数据和所述当前摆幅数据。
17.如权利要求16所述的电池控制系统，其中所述电池控制器还配置成控制用于所述 一个或多个电池的电池功率/电流放电限制以响应所述当前SoC数据和所述当前摆幅数 据。
18.如权利要求17所述的电池控制系统，其中所述功率/电流放电限制配置成维持用 于所述一个或多个电池的期望功率/电流放电率。
19.如权利要求17所述的电池控制系统，其中所述功率/电流放电限制配置成基于所 述当前SoC数据和所述当前摆幅数据，为所述一个或多个电池提供功率/电流放电率的调节。
20.如权利要求16所述的电池控制系统，其中所述功率/电流充电限制配置成基于所 述当前SoC数据和所述当前摆幅数据，为所述一个或多个电池提供功率/电流充电率的调节。
21.如权利要求20所述的电池控制系统，其中所述调节配置成在所述摆幅增加时提供 所述功率/电流充电率的向上调整，以及在所述摆幅减少时提供所述功率/电流充电率的 向下调整。
22.如权利要求20所述的电池控制系统，其中所述调节配置成以线性方式提供所述功 率/电流充电率的调整。
23.如权利要求20所述的电池控制系统，其中所述调节配置成以非线性方式提供所述 功率/电流充电率的调整。
24.如权利要求20所述的电池控制系统，其中所述调节配置成在所述摆幅增加超过期 望限制时提供所述功率/电流充电率的向上调整，以及在所述摆幅减少到低于所述期望限 制时提供所述功率/电流充电率的向下调整。
25.如权利要求16所述的电池控制系统，还包括经所述一个或多个电池供电的混合动 力车辆，使得用于所述混合动力车辆的燃料消耗率增加到高于使用恒定功率/电流充电系 统可实现的燃料消耗率。
26.如权利要求25所述的电池控制系统，其中所述混合动力车辆包括机车。
27.如权利要求16所述的电池控制系统，还包括经所述一个或多个电池供电的混合动 力车辆，使得用于所述混合动力车辆的电池寿命和性能增加到高于使用恒定功率/电流充 电系统可实现的电池寿命和性能。
28.一种用于经电池充电和放电电流控制限制的调节来增强混合动力车辆电池性能和 燃料节省的电池控制系统，所述调节基于定义为控制限制(P，I) = f(摆幅，SoC)的关系， 其中P是以安培小时表示的总电池充电功率，I是电池充电/放电电流，SoC表示所述电池 单元的充电状态，以及摆幅表示定义为对于循环的最大SoC-最小SoC的循环的幅值。
29.如权利要求28所述的电池控制系统，其中所述调节配置成在所述摆幅增加时提供 所述功率/电流充电率的向上调整，以及在所述摆幅减少时提供所述功率/电流充电率的 向下调整。
30.如权利要求28所述的电池控制系统，其中所述调节配置成以线性方式提供所述功 率/电流充电率的调整。
31.如权利要求28所述的电池控制系统，其中所述调节配置成以非线性方式提供所述 功率/电流充电率的调整。
32.如权利要求28所述的电池控制系统，其中所述调节配置成在所述摆幅增加超过期 望限制时提供所述功率/电流充电率的向上调整，以及在所述摆幅减少到低于所述期望限 制时提供所述功率/电流充电率的向下调整。
33.如权利要求28所述的电池控制系统，其中所述混合动力车辆包括机车。
全文摘要
提供用于例如但不限于混合动力机车的混合动力车辆的电池控制的系统和方法。所述系统和方法实现成感知一个或多个电池的当前充电状态(SoC)，并从其中生成当前SoC数据，感知由表示为对于期望循环的最大SoC-最小SoC的关系定义的当前摆幅，并从其中生成当前摆幅数据，以及控制一个或多个电池功率/电流充电限制以响应当前SoC数据和当前摆幅数据。
文档编号H02J7/00GK101842959SQ200880114871
公开日2010年9月22日 申请日期2008年8月21日 优先权日2007年11月1日
发明者A·K·库马, A·R·科尔瓦卡, A·W·凯恩, L·萨拉苏, M·乔拉, S·M·佩尔科夫斯基 申请人:通用电气公司