适用于电池优化充电的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及通过充电设备(TE)对至少一个电力系统(VE)的电池(BAT)进行优化充电的方法，其中通过应用与至少一个时间间隔(ΔTchg(i))相关联的充电功率电平(Pk(i))，在该时间间隔期间对电池(BAT)进行充电(400)，该时间间隔(ΔTchg(i))属于通过将电池的充电系统连接至充电设备启动的有效充电时间周期(Td)，并且充电功率电平(Pk(i))根据与充电设备相关联的充电曲线(TLC)和电池充电系统连接至充电设备时电池中包含的剩余电能(Ein)来确定(300)。本发明还涉及执行该方法的优化充电设备(TE)以及包括该优化充电设备的优化充电系统(SE)。
【专利说明】适用于电池优化充电的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池充电的管理领域，尤其是电动车辆的电池的充电。
【背景技术】
[0002]现在有很多包括电能存储系统的电力系统，尤其是由一个或多个电池及其相关的充电系统组成的系统，它可连接至用于充电的输电网络。
[0003]这些电力系统包括具有电能存储系统的电动车辆，所述电能存储系统借助于充电插头可被连接至电源终端。该电源终端各自连接至输电网络。
[0004]通常，为这种电力系统的电池充电始于该电池连接至输电网络并终于该电池与输电网络断开。
[0005]在电动车辆的特定情况下，充电始于电动车辆的充电插头插入电源终端并且只要电动车辆插头没有拔掉就继续充电，这意味着直到车辆的用户希望取回他的车辆或只要电池不满。
[0006]然而，这种充电类型并不是最优的，因为充电并不考虑涉及输电网络、待充电的电池或者待充电的电力系统的用户的限制。
[0007]连接电源终端的输电网络的限制可表达为变压器或者传输地点的负载曲线，它随着时间的变化不是均匀的。例如，当变压器的负载超过它的额定容量时，变压器将受到压力。
[0008]变压器的负载越大，变压器升温越高，这就会加速其老化。此外，负载中的波动可导致急速膨胀和机械应力。最后，由于绕组的间距变大，使得变压器的噪声有可能也会变大。
[0009]对于待充电的电池，当它插入电源终端时可具有广泛变化的充电电平，这就确定了要从电池终端获得的所需的电能量，并因此确定了达到完全充电所需的充电时间。
[0010]最后，考虑到充电系统用户的约束，用户时常会根据其计划安排时不时连接该系统和断开该系统的连接。当电力系统为电动车时，车辆司机会根据其计划安排时不时停车或再启动他的车辆，这就会影响电池终端的有效充电时间。
【发明内容】
[0011]本发明旨在提出一种优化充电方法来力图克服上述缺点，所述方法考虑与输电网络相关的约束和与待充电的电力系统的用户相关的约束，以及与待充电的电池相关的约束，这就更好地保护了输电网络的充电设备。
[0012]为此，提出了通过充电设备对至少一个电力系统的电池进行优化充电的方法，其中，在至少一个时间间隔期间通过应用与该时间间隔相关联的充电功率电平对该电池进行充电，该时间间隔在由将电池充电系统连接至充电设备所启动的有效充电时间周期内，并且充电功率电平根据与所述充电设备相关的负载曲线和当电池充电系统连接至充电设备时电池中包含的剩余电能来确定。[0013]在一个实施例中，该方法包括在有效充电时间周期内对功率曲线进行采样，以便获得分别与连续时间间隔相关联的一组负载曲线功率值，并且以升序对负载曲线功率值进行排序，以便获得一组排序的负载曲线功率值；
[0014]在分别与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个充电时间间隔期间，对电动车辆的电池进行充电，在所述k个充电时间间隔期间分别应用的充电功率电平根据排序为k+Ι的负载曲线功率值来确定。
[0015]在一个特别有利的实施例中，确定在所述k个充电时间间隔期间应用的充电功率电平包括下述步骤，当索引k从初始值I开始增加时执行:
[0016]对于与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个时间间隔，相关联等于排序为k+Ι的负载曲线功率值的排序为k的负载曲线功率值；
[0017]对于与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个时间间隔中的各个间隔，计算与所述时间间隔相关联的k级充电功率电平，k级充电功率电平根据k级负载曲线功率值和与该时间间隔相关联的负载曲线功率值之间的差值来确定；
[0018]比较k级电能与对电池充电所需的电能,所述k级电能通过在k个时间间隔应用分别与其相关联的k级充电功率电平来确定；
[0019]如果k级电能小于或等于对电池充电所需的能量，增加索引k。
[0020]在一个实施例中，对于与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个时间间隔中的各个间隔，与该时间间隔相关联的k级充电功率电平等于，一方面，最大负载功率曲线值，以及另一方面，k级负载曲线功率值和与该时间间隔相关联的负载曲线功率值之间之差，两者之间的最小值。
[0021]在另一实施例中，当k级电能大于对电池充电所需的能量时，对于与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个时间间隔中的各个间隔，与该时间间隔相关联的k就充电功率电平等于，一方面，最大负载曲线功率值，以及另一方面，k-Ι级充电功率电平与所需能量和k-Ι级电能之间的差除以数字k所得值之和，两者之间的最小值。
[0022]在另一实施例中，当k级电能小于或等于对电池充电所需的能量时，该确定进一步包括比较k级充电持续时间与有效充电时间周期的持续时间，该k级充电持续时间等于与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个时间间隔之和，仅当k级充电持续时间小于或等于有效充电时间周期的持续时间时增加索引k。
[0023]尤其是，当k级充电持续时间大于有效充电时间周期的持续时间并且当k级电能与对电池充电所需的能量之间之差为至少一个预定差值时，该确定包括，对于有效时间周期的各个连续时间间隔，计算要应用的充电功率电平，所述充电功率电平等于，一方面，最大负载曲线功率值，以及另一方面，与所述时间间隔相关的k级功率电平与k级电能和所需能量之间之差除以数字k所得值之和，两者之间的最小值。
[0024]在一个特定实施例中，电池的充电进一步包括，对于与充电功率电平相关联的充电时间间隔中的各个间隔，比较与此充电时间间隔相关联的极限容量电平和估算的增加负载曲线功率值，所述估算的增加负载曲线功率值等于负载曲线功率值和与该充电时间间隔相关联的充电功率电平之和，如果所述估算的增加负载曲线功率值小于与该充电时间间隔相关联的极限容量电平，则在该充电时间间隔期间仅应用该充电功率电平。
[0025]尤其有利的是，将各个充电时间间隔与充电功率值相关联，对于充电时间间隔来说，估算的增加负载曲线功率值大于或等于与此充电时间间隔相关联的极限容量电平，充电功率值基本等于极限容量电平和与该充电时间间隔相关联的负载曲线功率值之间之差。
[0026]在一个实施例中，有效充电时间周期根据当电池充电系统连接至充电设备的时刻以及电动车辆的用户所提供的充电结束时间的相关指示来确定。
[0027]在另一实施例中，该方法包括根据电池充满电所需时间长度预先验证有效充电时间周期，仅当有效充电时间周期的持续时间大于电池充满电所需的时间长度时，在所述至少一个充电时间间隔期间进行电池的充电。
[0028]在一个特定实施例中，电池能够在充电功率方面进行调制并且基本没有记忆效应，尤其是锂离子电池。
[0029]本发明进一步提供了一种计算机程序，包括当该程序由充电系统的处理单元执行时用于执行上述方法的步骤的指令。这一程序将考虑作为本专利申请寻求保护的上下文中的产品。
[0030]本发明还提供了一种优化充电设备，适用于对至少一个电动车辆进行充电，所述充电设备连接至输电网络并包括适用于连接至电动车辆的电池的至少一个连接端口，该设备配置为在电动车辆的电池连接至优化充电设备的连接端口后执行上述方法的步骤。
[0031]最后，本发明提出了一种优化充电系统，适用于对由至少一个电动车辆组成的大量设备进行充电，该系统包括输电网络和连接至所述输电网络的至少一个如上文所述的充电设备。尤其是，该系统进一步包括远程计算机系统，连接至充电设备并包括适于执行上述方法的步骤的处理单元。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]本发明的其它特征和优点通过下文详述的说明和附图将清晰显现出，在附图中:
[0033]图1示出了根据本发明适用于充电电动车辆的优化系统；
[0034]图2示出了根据本发明适用于充电电动车辆的优化方法的步骤；
[0035]图3示出了根据本发明优化充电方法的预先验证步骤的实现方式；
[0036]图4示出了根据本发明优化充电方法中要应用的确定功率电平的步骤的实现方式；
[0037]图5示出了通过使用本发明优化充电方法所获得的积极效果的图表。
【具体实施方式】
[0038]下面首先参考图1，它示出了根据本发明适用于对电动车辆进行充电的优化系统。
[0039]在图1中，该优化充电系统由Se指示，包括至少一个充电设备Te，适用于充电系统连接至一个或多个电力系统Ve的电池BAT，以便对其进行充电。
[0040]在图1中示出了单个充电设Ite和单个电力系统％，仅为了说明的目的，其实优化充电系统Se可包括任意数量的充电设备，以便能够对任意数量的电力系统充电。
[0041 ] 该充电设备Te本身连接到输电网络Enet,从输电网络获取充电所需的电能，并例如可能包括功率变压器。设备Te因此具有一个或多个连接端口 Pl，...，Pl，适用于连接至电力系统的电池BAT，以便使用输电网络Enet提供的电力对它进行充电。
[0042]电力系统Ve包括与电池充电系统相关联的一个或多个电池BAT。电力系统Ve可由用户U使用，该用户U根据他的计划安排来接通并断开电池BAT的充电系统与充电设备Te的连接。
[0043]仅为了说明的目的，图1将电力系统Ve展示为电动车辆，这是由于本发明对于这一特定类型的电力系统具有特别有利的应用。在该图示的示例中，电动车辆Ve由用户U驾驶，用户U根据他的计划安排来接通或断开电池BAT的充电系统与充电设Ite的连接。这一电动车辆可为小汽车、助力车或任意其它具有可通过输电网络充电的电池的系统。
[0044]在对充电系统Ve的优化中，不同的约束因此应用至图1所示的优化充电系统。
[0045]-与充电输电网络相关的约束，例如与充电设备Te相关的负载曲线；
[0046]-与待充电的电池相关的约束，例如电池BAT的充电曲线，或者当用户U将电池BAT接入充电设备Te时仍存储在电池中的电能，以及，
[0047]-与用户U本身相关的约束，尤其是他的计划安排，这影响当他接通或断开电力系统与充电设备Te连接时的时间，并因此影响电池BAT的有效充电时间。
[0048]在本发明中，电力系Sve的电池BAT在有效充电时间周期Td内的至少一个充电时间间隔ΛΤ^α)中进行充电，它通过将该电池BAT的充电系统连接至充电设备Te而启动，这允许根据与用户的计划相关的特定约束来优化电池的充电。
[0049]充电时间间隔ΛΤ^α)根据与充电设备1相关的负载曲线TLC来确定，这还允许基于与充电设备1相关的以及因此与优化充电系统3￡相关的约束来优化电池BAT的充电。 [0050]这一负载曲线TLC可在给定时刻估算，例如基于预期的负载变化，或在充电期间及时更新，以便根据充电设备Te在那个时刻的状态确保不间断的负载优化。通过说明，负载曲线TLC可基于预定义的负载曲线模型或通过充电设备Te所记录的负载历史计算的负载曲线模型进行估算。更新负载曲线TLC可通过充电设ITe的负载的实时采样来实现。这一更新在大量电池连接并同时充电时特别具有吸引力，这可能导致负载曲线TLC的大量改变。
[0051]我们现在将参考图2，它示出了根据本发明的充电电力系统的电池的优化充电方法的步骤。
[0052]该方法涉及通过充电设备Te对一个或多个电力系统Ve的电池进行优化充电，电力系统Ve包括与充电系统相关的电池ΒΑΤ，电池BAT可连接至充电设备Te以便执行充电。为了说明的目的，单个电力系统Ve的优化充电在下文描述，然而该方法可应用至任意数量电力系统的充电。
[0053]该方法首先包括有效充电时间周期Td的确定(步骤100)，执行时将用户约束考虑在内，特别是他的计划安排，这会影响充电电池BAT的有效时间。
[0054]因此，当电池BAT充电系统连接至充电设备Te的时刻tA允许确定有效充电时间周期Td的开始。话句话说，当电池连接时的时刻tA启动了有效充电时间周期Td。
[0055]为了确定对应于有效充电时间周期Td结束的时刻tD，有利的是请求用户指示他计划断开电力系统Ve的时间(例如他期望拿回他的电动车辆的时间)，例如他预测早晨离开去单位的时间。用户U可提供与此充电结束时间tD相关的指示，例如通过智能电话或电动车辆使用的仪表盘的专用网络接口。
[0056]一旦确定了有效充电时间周期Td，有利的是预先验证(步骤200)有效充电时间周期Td是足够的，从而优化的充电过程仅在这种情况下开始。否则，对于有效充电时间周期Td的整个持续时间可执行(步骤250)传统充电过程，这将在下文解释。
[0057]图3示出了这种预先验证步骤200的一个实施例。
[0058]在这一实施例中，首先计算(步骤210)部分充电时间Tx，对应于当电池BAT连接至充电设备Te时电池BAT中所储存的剩余电能Ein的电平。
[0059]换句话说，该部分充电时间Tx对应于将电池BAT从能量为空的状态(充电的零状态SoC)充至剩余电能电平Ein的充电所需的时间。
[0060]在连接时间内的有效信息包含电池BAT的充电状态SoCtl的特定情况下，使用公式(I)预先计算剩余电能Ein的电平:
[0061](I) Ein = Eexol.SoC0
[0062]其中:
[0063]Eexpl为该电池BAT的有效容量；以及，
[0064]SoC0是电池BAT连接至充电设备Te时的充电状态(即图4所示的时间tA)。
[0065]然后，使用下述公式(2)确定部分充电时间Tx:
【权利要求】
1.通过充电设备(Te)对至少一个电力系统(Ve)的电池(BAT)进行优化充电的方法，其中，在至少一个时间间隔(Λτ_α))期间通过应用与所述时间间隔相关联的充电功率电平(Pk (i))对该电池进行充电(400)，所述时间间隔(ATc^a))在将电池充电系统连接至充电设备所启动的有效充电时间周期(Td)内，并且充电功率电平(Pk(i))根据与所述充电设备相关的负载曲线(TLC)和当电池充电系统连接至充电设备时电池中包含的剩余电能(Ein)来确定(300): 进一步包括: 采样(311)，在有效充电时间周期(Td)内对功率曲线(TLC)进行采样(311)，以便获得分别与连续时间间隔(AT(i))相关联的一组负载曲线功率值({TLC(i)}Ki<n);并且， 排序(313)，以升序对负载曲线功率值进行排序(313)，以便获得一组排序的负载曲线功率值(ITTcaM1-Kn)； 充电(400),在分别与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个充电时间间隔期间，对电动车辆的电池进行充电(400)，在所述k个充电时间间隔期间内分别所应用的充电功率电平根据排序为k+Ι的负载曲线功率值(TTC(k))来确定。
2.根据权利要求1所述的优化充电方法，其特征在于，所述确定(300)在所述k个充电时间间隔期间所应用的充电功率电平包括下述步骤，当索引K从初始值I开始增加时执行: 关联步骤，对于与排序的负载曲线功率值的前k个值({TTC(i)}Kia)相关联的k个时间间隔，相关联( 320)等于排序为k+Ι的负载曲线功率值(TTC(k+l))的k级负载曲线功率值(TLCk⑴)； 对于与排序的负载曲线功率值的前k个值({TTC(i)}KKk)相关联的k个时间间隔中的各个间隔，计算(330)与所述时间间隔相关联的k级充电功率电平((Pk(i))，所述k级充电功率电平(Pk(i))根据k级负载曲线功率值(TLCk(i))和与所述时间间隔相关联的负载曲线功率值(TLC (i))之间差值来确定； 比较(350)k级电能(Ek)与对电池充电(BAT)所需的电能(E)，所述k级电能(Ek)通过在k个时间间隔应用分别与其相关联的k级充电功率电平(Pk(i))来确定(340)； 如果k级电能(Ek)小于或等于对电池(BAT)充电所需的能量(E)，则增加(355)索引k。
3.根据权利要求2所述的优化充电方法，其特征在于，对于与排序的负载曲线功率值的前k个值(ITTC^iMKKk)相关联的k个时间间隔中的各个间隔，与所述时间间隔相关联的k级充电功率电平(Pk(i))等于以下两者之间的最小值，其一，最大负载功率曲线值(Pmax)，以及其二，k级负载曲线功率值(TLCk(i))和与所述时间间隔相关联的负载曲线功率值(TLC (i))之间的差值。
4.根据权利要求2或3所述的优化充电方法，其特征在于，当k级电能(Ek)大于对电池(BAT)充电所需的能量(E)时，对于与排序的负载曲线功率值的前k个值(ITTCaM1-Kk)相关联的k个时间间隔中的各个间隔，与所述时间间隔相关联的k级充电功率电平(Pk(i))等于(360)以下两者之间的最小值，其一，最大负载曲线功率值(Pmax)，以及其二，k-Ι级充电功率电平(P1^a))与所需能量(E)和k-Ι级电能(Elri)之间的差值除以数字k所得值之和。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的优化充电方法，其特征在于，当k级电能(Ek)小于或等于对电池充电(BAT)所需的能量(E)时，所述确定(300)进一步包括比较(370)k级充电持续时间(Σ Δ Tchg)与有效充电时间周期的持续时间(Td)，所述k级充电持续时间等于与排序的负载曲线功率值的前k个值相关联的k个时间间隔之和，仅当k级充电持续时间(Σ ATchg)小于或等于有效充电时间周期的持续时间(Td)时增加(355)索引k。
6.根据权利要求5所述的优化充电方法，其特征在于，当k级充电持续时间(ΣATchg)大于(370)有效充电时间周期的持续时间(Td)并且当k级电能(Ek)与对电池(BAT)充电所需的能量(E)之间之差(380)为至少一个预定差值时，该确定(300)包括，对于有效时间周期(Td)的各个连续时间间隔(AT(j))，计算(390)要应用的充电功率电平，所述充电功率电平等于以下两者之间的最小值，其一，最大负载曲线功率值(Pmax)，以及其二，与所述时间间隔相关的k级功率电平(Pk(j))与k级电能(Ek)和所需能量(E)之间的差值除以数字k所得值之和。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的优化充电方法，其特征在于，所述电池的充电(400)进一步包括，对于与充电功率电平(Pk(i))相关联的充电时间间隔(ΛΤ_α))中的各个时间间隔，比较与所述充电时间间隔相关联的极限容量电平(Plim(D)和估算的增加负载曲线功率值(TLC+VE(i))，所述估算的增加负载曲线功率值(TLC+VE(i))等于负载曲线功率值(TLC(i))和与所述充电时间间隔相关联的充电功率电平(Pk(i))之和，如果所述估算的增加负载曲线功率值(TLC+VE(i))小于与所述充电时间间隔相关联的极限容量电平(Plim(i))，则在所述充电时间间隔(ΛΤ_α))期间仅应用该充电功率电平(Pk(i))。
8.根据权利要求7所述的优化充电方法，其特征在于，将所述各个充电时间间隔(ATchg(i))与充电功率值(Pk(i))相关联，对于所述充电时间间隔来说，估算的增加负载曲线功率值(TLC+VE(i))大于或等于与所述充电时间间隔相关联的极限容量电平(PliJi)),而所述充电功率值基本等于 极限容量电平(Plim(D)和与所述充电时间间隔(ATc^a))相关联的负载曲线功率值(TLC(i))之间差值。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的优化充电方法，其特征在于，所述有效充电时间周期(Td)根据当电池(BAT)充电系统连接至充电设备(Te)的时刻(tA)以及电动车辆的用户所提供的充电结束时间(tD)的相关指示来确定。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的优化充电方法，还包括根据电池(BAT)充满电所需时间长度(T1J来预先验证(200)有效充电时间周期(Td)，仅当有效充电时间周期(Td)的持续时间大于电池充满电所需的时间长度(T1J时，则在所述至少一个充电时间间隔((i))期间进行电池的充电(400)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的优化充电方法，其特征在于，所述电池能够在充电功率方面进行调制并且基本没有记忆效应，尤其是锂离子电池。
12.—种计算机程序，包括当该程序由充电系统的处理单元执行时用于执行根据权利要求I至11中任一项所述方法的步骤的指令。
13.一种优化充电设备(Te)，适用于对至少一个电动车辆(Ve)进行充电，所述充电设备连接至输电网络(Enet)并包括适用于连接至电动车辆(Ve)的电池(BAT)的至少一个连接端口(P1),该设备配置为在电动车辆(Ve)的电池(BAT)连接至该优化充电设备的连接端口后执行根据权利要求1至11中任一项所述方法的步骤。
14.一种优化充电系统(Se)，适用于对由至少一个电动车辆(Ve)组成的大量车队进行充电，该系统包括输电网络(Enet)和连接至所述输电网络的至少一个根据权利要求13所述的充电设备(Te)。
15.根据权利要求14所述的优化充电系统(Se)，进一步包括远程计算机系统，连接至充电设备并包括适于执行根据权利要求1至11中任一项所述方法的步骤的处理单元。
【文档编号】B60L11/18GK104024035SQ201280054171
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2011年9月7日
【发明者】梅莱内·鲁塞莱, 盖兹卡·阿尔贝迪 申请人:法国电力公司, 法国电力配网公司