基于使用对电池电流限制的动态调节的制作方法

本发明涉及一种用于动态地调节电池电流限制的基于使用的方法和系统。

背景技术：

电化学电池组可用于对各种系统中的电机供给能量。例如，来自牵引电机形式的电机的输出扭矩可用于对传动装置的输入构件提供动力，例如在混合或电池电动力系、静态发电站或其他扭矩产生系统中的传动装置。电机可以是交流电(ac)或直流电(dc)电动机/发电机装置，其根据需要从电池组吸取电能或者将电能输送至电池组。进而，电池组可经由从机外电源供给的充电电流或者经由车载再生装置来再冲电。电池单元存储电荷直到需要该电荷为止，同时逆向反应将电池组放电以将电能输送至电机。充电和放电电流由控制器紧密地调节，以避免相对于电池单元的过量的功率流，而过量的功率流会使得电池单元过热并使电池组退化。

技术实现要素：

这里公开了一种用于动态地调节电池电流限制的方法。该方法旨在与电池组一起使用。本方法可被编程为由控制器执行的一组计算机可执行指令，旨在相对于单独地执行静态/固定电流限制，即制造商提供的基于温度的校准电池电流限制来改进现有的电池组性能和硬件保护。控制器以这样的方式自动地仲裁电池电流限制，即选择性地允许更高的短期电流负载。相对于严格遵守上述固定电流限制，本发明的使用可允许(例如混合动力系)的给定的电气化系统，在短期内提供更大的功率。

在特定的实施例中，用于在具有电池组的系统中动态地调节电池电流限制的方法包括确定电池组电流为进入电池组的充电电流/来自该电池组的放电电流。该方法还包括计算电池组的充电电流、放电电流以及rms电流中的每一个的时间窗口平均电流。当在不同的实施例中，任意或全部计算的时间窗口平均值超过相应的校准控制阈值时，动态地调节时间窗口特定的电流限制。这里所使用的窗口特定的电流限制大于校准控制阈值并且小于电池组的固定电流限制。然后，控制器使用调节的电池电流限制来控制电池组。

针对每个计算的时间窗口平均电流而言，该方法可包括将计算的时间窗口平均电流与相应的校准控制阈值进行比较，并且如果计算的时间窗口平均电流超过校准控制阈值，执行窗口特定的电流限制。如果计算的时间窗口平均电流没有超过校准控制阈值，则替代地执行固定电流限制。

作为该方法的一部分，控制器可以使用窗口特定电流限制和计算的时间窗口平均rms电流的最小值作为电池电流限制。

可选地，控制器可随时间跟踪计算出平均电流接近窗口特定的电流限制的相近程度，并且作为计算的平均电流和窗口特定的电流限制之间的差值的函数来增大或减小控制阈值。

这里还公开了一种系统，在示例配置中，该系统包括电池组、传感器和控制器。电池组具有上述类型的固定电流限制。当充电电流流入电池组或者当放电电流从电池组流出时，传感器测量电池组电流。控制器可操作用于接收测量的电池组电流并计算充电电流、放电电流和rms电流中的每一个的时间窗口平均电流。另外，控制器被编程为当任何/全部计算的时间窗口平均值超过相应的校准控制阈值时动态地调节时间窗口特定的电池电流限制。然后，控制器执行调节的电池电流限制作为控制动作。

本发明的上述和其他特征以及优点通过对结合附图来实施本发明的最佳模式进行的以下详细描述中能够很容易地了解。

附图说明

图1是具有可再充电电池组的系统和用于动态地调节电池电流限制的方法的示意图，其中系统被描绘为非限制性的示例性车辆。

图2是可用作图1所示的车辆的一部分使用的控制器的示意逻辑流程图。

图3是描述用于在诸如图1的示例性系统的具有可再充电电池组的系统中动态地调节电池电流限制的方法的实例的流程图。

图4a和4b是描述相对于rms电流动态地调节电池电流限制的示例性应用的示意性时间图。

具体实施方式

参照附图，其中相似的附图标记用于识别各个视图中相似的或相同的部件，图1示意性地示出了具有电池组12和控制器(c)25的系统10。控制器25包括存储器(m)，该存储器利用基于使用的方法100被编程，该方法用于动态地调节电池组12的电池电流限制。方法100可被编程为由控制器25的处理器(p)执行的一组计算机可执行指令，旨在相对于常规方法提供电池组12的增强的性能和保护。也就是说，控制器25以这样的方式自动地仲裁电池电流限制，即选择性地允许更高的短期电流负载，从而允许提供和使用相对于严格遵守制造商指定的静态或固定电流限制的传统方法来说更大的功率量。

图1中示出的电池组12可具体化为具有多个单独的电池单元(未示出)的可再充电的能量存储系统。例如，在一示例性实施例中，电池组12可以是具有192至288个或更多个单独的锂离子电池单元的相对高电压能量存储装置，其中，这些电池单元根据配置共同地能够输出至少18至60kwh的功率。虽然在图1中示出了车辆作为系统10的典型实施例，可以设想诸如静态发电厂的非车辆应用，以及非机动车辆应用，例如船、火车、飞机、机器人和其他移动平台。为了说明的一致性，将另外参照图2和3在下文中将图1的系统10描述为车辆10。

车辆10可包括动力系17，例如如图所示的混合电动动力系、电池电动力系或其他电气化动力系。动力系17可包括一个或多个电机14和内燃机16，其后者可从电池组12吸取电功率或者将电功率输送至该电池组12。动力系17可包括电传感器18，其可操作用于测量或以其他方式确定电池组电流(箭头ib)的幅值和符号，并将这些数值报告给控制器25。

在可能的实施例中，电传感器18可具体化为电流传感器，其可操作用于测量流入到电池组12中的充电电流或者从电池组流出的放电电流，其中这里所使用的“充电”具有正的符号，其指示电池组电流(箭头ib)进入电池组12的入流，而“放电”具有负的符号，其指示电池组电流(箭头ib)从电池组12的流出。在其他实施例中，电传感器18可具体化为电压传感器，其可操作用于测量供给至电机14的输出电压，其中，控制器25使用测量的电压计算电池组电流(箭头ib)。

图1的控制器25可以具体化为一个或多个计算机设备，每个计算机设备可能具有一个或多个微控制器或中央处理单元作为处理器(p)，并且具有足够量的存储器(m)，例如只读存储器、随机存取存储器和电可擦除可编程只读存储器。控制器25可以包括用于确定如下所述的多个不同的时间窗口的定时器(t)，并且还可以包括输入/输出电路和/或执行本文所述功能可能需要的任何其他电路。控制器25可以被配置为运行/执行各种软件程序，包括用于在车辆10的操作过程中动态地调节电池电流限制的方法100。

参考图2，示意性逻辑流程50示出了由图1的控制器25执行以于实现方法100的方法的实例。方法100的实施例还在下面参考图3的流程图加以描述。通常，电池电流限制是基于温度保守地设置的，即，作为制造商提供的用于作为整体的电池组12的静态或固定限制，并且旨在使得能够在短的持续时间内实现高电流通过量。方法100在电池电流限制操作中提供灵活性，相对于其静态电流限制，以动态方式改进短期性能，同时仍保护电池组12的硬件。

图1中示出的电传感器18测量或以其他方式确定电池组电流(箭头ib)，其中控制器25确定电池组电流(箭头ib)在逻辑块51和52处的符号和幅值。也就是说，控制器25以任何合适的方式确定电池组电流(箭头ib)在逻辑块51处具有正号(>0)还是在逻辑块52处具有负号(<0)，或者换句话说，电池组12是正在主动充电还是放电。

在逻辑块54、56和58，控制器25计算一个或多个电流类型的时间窗口平均值。在图2的实施例中，例如，控制器25计算逻辑块56处的电池组12的均方根(rms)电流的时间窗口平均值，即窗口wrms，逻辑块处54处的电池组12的平均充电电流54或窗口wcc，以及逻辑块58处的平均放电电流或窗口wdc。因此，逻辑块54、56和58的输出分别提供平均充电电流icc，平均rms电流irms和平均放电电流idc。逻辑块59将放电电流(箭头idc)的绝对值(abs)输出到附加逻辑块64，这将在下面进一步描述。

如本领域所公知的，rms电流计算对交流波形执行数学运算，例如，通常用作外接电源以对图1的电池组12充电的类型的振荡ac正弦波，通过确定波形函数的幅值的平方，随时间平均该平方，然后取平方根。因此，rms值对于给定电阻器产生相同的平均功率作为该相同值的恒定dc电流。

用作方法100的一部分的时间窗口的数量可以根据实施例而变化。例如，在一些实施例中可以使用多达八个时间窗口，在其他实施例中使用更多的时间窗口。相对于用于充电和放电电流的任何窗口的持续时间，可以使用不同的持续时间用于rms时间窗口，例如由于升高的持续rms电流水平的长期加热的影响。在典型的实施例中，用于逻辑块54和58的时间窗口是0.5秒、1s、2s、10s和30s，而用于逻辑块56的时间窗口，即rms窗口可以是0.5s、2s、10s、30s、120s、300s、600s和3600s。这些数值旨在是说明性的，并且在下文中仅仅是为了说明的一致性。

如果在用于相应的充电、rms和放电电流的任何或所有相应的逻辑块60、62和64处，其中每个在图2中标记为“min”，对于给定时间窗口计算的电流平均值与校准电流控制阈值交叉，如可能通过与存储在来自存储器(m)中的查找表中的值进行比较来确定，图1的控制器25通过动态地调节在给定时间点施加的窗口特定电池电流限制来相对于动力系17自动执行控制动作。逻辑块68和70，在图2中也标记为“min”，分别选择从逻辑块60和64输出的充电/放电电流限制和从逻辑块62输出的电流限制，即rms电流限制中的最小值。逻辑块68将该最小值馈送到低通滤波器(lpf)块66，而逻辑块70将放电电流的相应的最小值馈送到符号反相器(*-1)逻辑块71，以恢复先前在逻辑块59移除的负号。逻辑块71然后将符号反转的值馈送到另一个lpf块66，如图所示。

lpf块66可以可选地用于平滑在给定时间窗口激活或去激活时出现的任何转换，即当计算的平均电流分别违反或者不违反给定的时间窗口电流限制，其中lpf块66的滤波器约束是超过的窗口控制阈值，以及从静态电流限制上限到基于窗口的电流限制下限的任何转变的函数。因此，在逻辑块68和70处首先确定使用平均rms限制和/或平均充电或放电限制作为电池电流限制之后，使用lpf块66。两个逻辑块66输出最终充电电流限制(箭头lcc)，最终放电电流限制(箭头ldc)。如上所述，最终充电和放电限制(箭头lcc，ldc)此后用于控制图1的动力系17，包括诸如执行特定的混合或电池电驱动模式，预测剩余电量范围等的动作。

相对于图2的逻辑块54、56和58，图1的控制器25连续地计算指定窗口持续时间内的当前平均值，并将该平均值记录在存储器(m)中。例如，对于逻辑块54中的示例2s窗口，每100ms控制循环，控制器25可以接收测量的电池电流(箭头ib)，并在滚动的2s间隔上计算平均充电电流。在逻辑块56处发生相同的操作，其中在每个指定的时间窗口上计算平均rms电流，并且在逻辑块58处为放电电流也是同样。控制器25然后将在逻辑块60、62和64处计算的平均值与校准窗口特定阈值进行比较。作为上述仲裁的结果，可以指令充电或放电电池电流限制(箭头lcc，ldc)或将其报告给混合动力控制逻辑，并且此后用于动力系17的控制，路线规划和其他控制操作。

例如，电池组12的制造商可以针对给定的操作温度为电池组12整体提供固定的充电电流限制，例如230a。还可以利用相应的时间窗口特定的电流控制阈值对控制器25编程，该阈值可以与电池组12的静态充电限制相同或小于电池组12的静态充电限制。在幅值上小于相应的窗口特定电流限制的窗口特定控制阈值也可以被编程为例如对于0.5s和1s窗口为220a，对于2s窗口为200a，对于10s窗口为180a等。控制阈值下限比窗口特定电流限制低了校准偏移，该校准偏移可以在较长时间窗口上增加，例如，对于0.5s窗口从5a开始到10a，对于10s窗口增加到15a。根据电机14和电池组12的结构和功能，可以使用更大或更小的校准偏移。作为示例，相对于温和/发动机起停混合动力系，较大的校准偏移可以与强混合动力系配置一起使用。在所有情况下，控制阈值在幅值上都小于窗口特定电流限制。

使用示例性充电电流情形，可以如下文描述和编码用于逻辑块60、62和64的示例性编程逻辑。对于来自逻辑块54、56和58的每个计算的平均充电电流：

如果计算的平均电流>平均电流控制阈值

则平均电流限制＝平均电流限制

否则平均电流限制＝静态电流限制。

这里，“平均电流”可以是充电电流、放电电流和rms电流中的任一个或全部。因此，对于每个电流类型，如果每个时间窗口的计算的平均值超过相应的控制阈值下限，则控制器25在该特定窗口上执行平均电流限制。否则，控制器25为电池组12执行由制造商设置的较高静态充电限制。图2的上述示意逻辑流程50的应用将在下文参照图4a和图4b进一步地详细描述。

图3是描绘方法100的示例性实施例的流程图。在步骤s102开始，图1的电传感器18使用任何合适的常规技术，例如，电流传感器或感测电路测量或以其他方式确定电池电流的符号和方向(箭头ib)，并将测量值传递到控制器25。方法100进行到步骤s104。

在步骤s104，控制器25接下来为多个不同时间窗口中的每一个计算平均充电、放电和/或rms电流，即，作为从图2的逻辑块54、56和58的输出。尽管可以以如下所述方法计算和仲裁充电、放电和rms电流中的每一个，但是其他实施例可以使用少于所有这些值，或者计算所有这些值并且在仲裁电池电流限制中仅使用这些值的一个或者两个。如上所述，每个时间窗口的数量和持续时间也可以根据实施例而不同。充电/放电窗口的示例性实施例，即图2的逻辑块54和58，包括0.5s、1s、2s、10s、30s，但是其他时间窗口也是可用的。示例性rms电流窗口包括0.5s、2s、10s、30s、120s、300s、600s和3600s。控制器25使用线性缓冲器，可以使用每个控制回路采集的采样，例如每100ms一次，计算每个窗口的滚动平均值。当继续计算和记录每个时间窗口的滚动平均值时，方法100进行到步骤s106。

步骤s106包括将每个电流类型的每个计算的窗口平均值与校准窗口特定电流限制和控制阈值下限进行比较，它们可以作为参考值记录在图1的控制器25的存储器(m)中。这发生在图2的逻辑块60、62和64处。例如，控制器25可以包括查找表，校准平均电流限制和控制阈值下限作为每个时间窗口的数字对被记录在该表中。这种数字对的非限制性实例，对于0.5s、1s、2s和10s充电窗口，包括数字对(220a/210a)，(220a/210a)，(200a/190a)和(180a/165a)中的每一个。放电窗口可以是具有相反符号的相同值，例如，指示放电的(-180a/-165a)。对于rms电流，数字对可以分别包括用于0.5s、2s、10s和30s窗口的(300a/290a)、(250a/240a)、(200a/190a)和(175a/160a)。方法100随后进行到步骤s108。

在步骤s108，也在图2的逻辑块62、64和66进行，控制器25接下来针对在步骤s104计算的每个窗口平均值来确定对于给定时间窗口的计算的平均值是否超过用于该特定窗口的相应的电流控制阈值，即在步骤s106中所描述的每个数字对的两个值中的较低值。如果计算出的窗口平均值超过用于该特定窗口的相应的控制阈值，则方法100进行到步骤s110，如果计算出的窗口平均值没有超过相应的控制阈值，则方法100进行到步骤s111。

步骤s110包括采用调节的电池电流限制，通过控制器25相对于图1的电池组12或动力系17执行控制动作。步骤s110可以包括执行针对给定时间窗口选择的平均电流限制。该值可以被指令为控制电池组12中的最终充电电流限制(图2的箭头lcc)。在其他实施例中，如在图2的逻辑块68和70处执行的，图1的控制器25可以将来自逻辑块60和64的平均电流限制与来自逻辑块62的对于各个窗口的最小rms电流限制进行比较，并且从步骤s110的平均电流限制下限和rms电流限制中选择最小值，然后使用选择的最小值作为调节的电池电流限制，即充电电流限制(图2的箭头lcc)。

步骤s111包括选择静态电流限制，即电池组限制。该值可以被指令为控制电池组12中的最终充电电流限制(图2的箭头lcc)。如在步骤s110中，无论充电或放电，控制器25都可以将平均电流限制，与来自各个窗口的最小rms电流限制进行比较，并选择最小值作为最终充电电流限制(图2的箭头lcc)。

因此，在步骤s110和s111之间，如果没有时间窗口是主动的，即，如果没有平均值超过它们相应的校准控制阈值，则制造商提供的静态电池组电流限制的上限由控制器25传送到任何功率能力估计/混合动力策略控制模块，无论是存在于控制器25中还是独立的控制装置。然而，如果给定时间窗口的一个或多个平均电流高于其相应的控制阈值，则与被违反的控制阈值相关联的最低量值电流限制由控制器25传送到功率能力估计/混合动力策略控制模块，其中控制器25在实施例中相对于图1的动力系17执行控制动作，在该实施例中方法100用于车辆10中。

图4a和4b描述了方法100在rms电流，即迹线75的情况下的示例性应用，其中rms电流的幅值以安培(a)为单位绘制在垂直轴上，时间(t)绘制在用于示例的120s窗口的水平轴上。虽然未示出，但是对于充电和放电电流也出现类似的控制结果。窗口特定的rms电流限制表示为线cl，而下限/偏移的校准控制阈值由线ct表示。还绘出了制造商提供的静态电流限制，线sl。

如图4a所示，在不使用如本文所述的方法100强加基于时间的可调节电流限制的情况下，允许在各个区域76中超过给定的窗口平均rms控制阈值(线ct)和窗口平均电流限制(cl)，而不超过线sl的静态限制。然而，随着基于时间的可调节电流限制被动态地施加和选择性地执行于相同的示例性rms值，如图4b所示，窗口特定电流限制(线cl)在相同的指示时间窗口上被执行。也就是说，允许图4b中被描绘为迹线75的电池电流超过窗口特定控制阈值(线ct)，但是控制器25的电池控制动作通过施加图2的电流限制(箭头lcc，ldc)，确保电池电流(迹线75)始终小于窗口特定电流限制(线cl)和静态限制(线sl)。

可选地，上述各个窗口控制阈值可随时间适配或调整。例如，图1的控制器25可以随时间跟踪给定电流类型(无论充电，放电或rms)的平均电流值接近该特定电流类型的对应电流限制的相近程度。控制器25可以选择性地允许电池电流尽可能接近并且可能稍微超过其窗口特定控制阈值，而不超过电流限制，如图4b中的迹线75的轨迹中最清楚地示出的。如果计算的平均电流和平均电流限制之间的差相对于校准的差趋于较大，则控制器25可以稍微增加该特定时间窗口的控制阈值。同样地，如果对于给定窗口，该差随时间趋向于较小，则控制器25可以稍微减小对应的控制阈值，例如向下调整0.1a或其他适当的低值，以这种方式随着时间调整或调节控制阈值至实际的性能。

虽然已经详细描述了用于执行本发明的最佳模式，但是本发明所涉及的本领域技术人员将认识到在所附权利要求的范围内的各种替代设计和实施例。旨在包含在上述描述中和/或在附图中示出的所有内容应被解释为仅仅是说明性的而不是限制性的。