混合动力电池功率界限控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及混合动力电池功率界限控制。利用功率逆变器模块给车辆牵引用电池提供电荷的方法包括感测功率逆变器模块的温度和感测牵引用电池的温度。发动机控制单元可从感测的温度确定电荷的期望电压振荡振幅。该振幅可用于通过从牵引用电池的最大允许电压减去期望的电压振荡振幅来计算电荷的最大允许标称电压。电荷的最大允许标称电压则可用于阻止由功率逆变器模块提供给牵引用电池的可用功率。
【专利说明】混合动力电池功率界限控制
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及用于管理混合动力电池的功率界限的系统。
【背景技术】
[0002]如果以高于预定上限的速率或电压充电，则电池可能遭受内部损害和/或降低性能。在很多情况下，过电压情况可能产生气态副产物和/或导致电池内部化学性质的改变。另外，电池通常具有内阻，该内阻随温度相反地变化。当使用恒定电流充电时，电池两端的电压降可能与与温度有关的电阻成比例地变化。因此，与较高充电温度相比较，在较低温度下，必须提供较低的充电电流，以确保增大的电压降不超过电池的上限。
[0003]在混合动力车辆背景下，车辆的牵引用电池可能使用功率逆变器模块充电，该功率逆变器模块利用高速开关晶体管操作，该高速开关晶体管可能在电荷中电压振荡。该电压振荡可能使用电容滤波器减弱，但是，提高的滤波量以牺牲布置空间为代价(即更多的滤波量需要更大的电容器，更大的电容器可能很难布置在车辆发动机舱中)。
【发明内容】
[0004]利用功率逆变器模块给车辆牵引用电池提供电荷的方法包括感测功率逆变器模块的温度和感测牵引用电池的温度。发动机控制单元可从感测的温度确定电荷的期望电压振荡振幅。通过从牵引用电池的最大允许电压减去期望的电压振荡振幅，该振幅可用于计算电荷的最大允许标称电压。一旦电荷的最大允许标称电压被确定，则发动机控制单元可命令功率逆变器模块将电荷在最大允许标称电压下提供给牵弓丨用电池。
[0005]确定期望的电压振荡振幅的步骤包括使用感测的功率逆变器模块的温度从第一查询表选择第一校准值，和使用感测的牵引用电池的温度从第二查询表选择第二校准值。第一校准值可对应于功率逆变器模块的滤波电容器的与温度有关的电容，第二校准值可对应于牵引用电池的与温度有关的电阻。在一种配置中，第一校准值、第二校准值和标称电压振荡振幅可相乘在一起，以确定被调节的电压振荡振幅。
[0006]在一个实施例中，该方法可实现在混合动力车辆中，该混合动力车辆包括牵引用电池，该牵引用电池具有电压上限，该电压上限表示在没有遭受损害的情况下牵引用电池可接收的最大允许电压。同样，混合动力电动车可包括功率逆变器模块，该功率逆变器模块配置为给牵引用电池提供电荷。功率逆变器模块可进一步包括滤波电容器，该滤波电容器配置为平滑逆变器模块的输出信号。发动机控制单元可与牵引用电池和功率逆变器模块通f目。
[0007]在另一种配置中，发动机控制单元可配置为仅在超过最大允许标称电压的情况下，阻止功率逆变器模块将电荷提供给牵引用电池。以该方式，最大允许标称电压可用作充电上限，以防止对牵引用电池造成损害。
【专利附图】
【附图说明】[0008]图1是包括牵引用电池、功率逆变器模块和发动机控制单元的车辆的示意图。
[0009]图2是电池电压的示意性曲线，所述电池电压是电池充电状态的函数。
[0010]图3是可由功率逆变器模块提供的电荷的示意性曲线。
[0011]图4是电容器的电容的曲线，所述电容是温度的函数。
[0012]图5是可由功率逆变器模块在两个不同温度下提供的电荷的示意性曲线。
[0013]图6是给牵引用电池充电的方法的示意性流程图，所述牵引用电池受经确定的功率限制值的约束。
【具体实施方式】
[0014]参照附图，其中，各个视图中相似的附图标记用于表示相似或相同的部件，图1示意性地示出车辆10，例如汽车，其包括牵引马达12和能量存储系统，例如牵引用电池14。虽然为了简明仅显示了一个牵引马达12，但是可根据设计使用多个牵引马达。车辆10可配置为混合动力电动车辆(ffiV)、电池电动车辆(BEV)或增程电动车辆(EREV)。这些车辆可利用牵引马达12以纯电动(EV)模式在适用于推进车辆的水平下产生扭矩。如可意识到的，牵引用电池14 (或简称为“电池14”)可包括具有任何适当结构和/或组成的一个或多个电池芯。电池14可能够作为用于车辆10的动力源放出高电压电能，并且存储由外部电源提供的高压电能。
[0015]在一些设计中，图1中以虚线显示的内燃发动机16可被用于通过发动机输出轴18产生扭矩。来自发动机输出轴18的扭矩可被用于直接推进车辆10，即在HEV设计中，或被用于为发电机20供能，即在EREV设计中。发电机20可将电(箭头22)输送到电池14来为电池14充电。离合器和/或减震组件24可被用于选择地将发动机16与变速器26连接/断开。扭矩最终从牵引马达12和/或发动机16通过变速器26的输出构件30传递到一组驱动轮28。
[0016]牵引马达12可根据车辆设计实现为额定用于约60伏到约300伏或更大的多相永磁/AC感应机。牵引发动机12可通过功率逆变器模块(PH032和高压汇流排34电连接到电池14。PM32配置为将高电压DC功率转变为三相AC功率，并且根据需要反之亦然。当牵引马达作为发电机20有效运行时，电池14可选择地经由牵引马达充电，例如通过在再生制动事件过程中捕获能量。
[0017]发动机控制单元(E⑶)36可与电池14、PM32和牵引马达12中的每一个电通信，并且可配置为监测和控制其各自的性能。ECU36可以以一个或多个数字计算机或数据处理装置实现，所述数字计算机或数据处理装置具有微处理器或中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦写只读存储器(EEPR0M)、高速时钟、模数(A/D)电路、数模(D/A)电路、输入/输出(I/O)电路和/或信号控制和缓冲电子装置。E⑶36可配置为自动地执行一个或多个控制/处理程序，该程序可实现为软件或固件，并且可本地存储在E⑶36上，或可存储在易于由E⑶36访问的装置中。
[0018]在电池14的再生过程中，E⑶36可控制PM32和牵引马达12的行为，来以预定速率将电能提供给电池14，并且达到预定水平。图2大体示出电池14的电压40和电池14的预定充电状态(SOC) 42之间的关系。如本领域中可理解的，SOC —般为在0和I之间的数值(也可以用百分比表达)，其可近似表示电池14中剩余电量相对于其最大电容量的量。在再生过程中，E⑶36可控制再生目标电压(V@g) 44，以使提供给电池14的实际电压不超过最大允许电压上限(VMax)46，高于该最大允许电压上限46，电池14的使用寿命可能降低(即电池14可能遭受损害)。
[0019]如可意识到的，PIM32可包括多个高功率晶体管，其可快速地在“开”和“关”状态之间切换，以在3相AC和高压DC形态之间转变电流。电容器可通常包括在PIM32中，用于滤出高频开关尖脉冲。但是，尽管进行了该滤波，提供给电池14的电荷50可能仍具有周期振荡(即电压脉动)，如图3中大体所示，其中，电压52相对于时间54绘制。如图所示，通过大致50%的时间电荷50可平均到标称电压56，该波动(例如大体在58处)可超过标称电压56。以此方式，如果E⑶36将驱使标称电压56达到电压上限(VMax) 46，则波动58的一部分将超过VMax46，即使仅持续很短时间。
[0020]虽然增大的电容可进一步降低电压脉动/振荡的振幅，但是较大的电容器需要更大的布置空间，这可能不可得。因此，在一种配置中，最大标称电压可被静态地设置低于最大标称电压Vlfax46 —量值60,该量值60大于在最极端操作条件下的波动的峰振幅62。以该方式，整个波动可类似地落在最大允许电压(VMax) 46下方。
[0021]虽然静态地将最大标称电压设置低于最大允许电压46可确保不超过VMax46，但是在较不极端条件下折损电池电容量。更具体地，如图4中的曲线70所示，电容72可作为温度74的函数而增大。这样，在较冷的温度操作过程中，例如冷启动，或在特别冷的环境条件下，由PIM32提供的电荷50可能以比热操作过程中(其中电容增大)的振幅更大的振幅振荡。因此，在另一种结构中，例如图5中大体所示，E⑶36可配置为作为温度74的增函数来改变最大标称电压。换句话说，ECU36可动态调节牵引用电池14的最大标称电压56和电压上限46之间的偏差。
[0022]图5大体上示出作为时间的函数的冷PM32的电荷输出80 (即冷输出80)，和热PIM32的电荷输出82 (即热输出82)。如图所示，由于在较低温度下降低的电容，因此冷输出80的振荡振幅86大于热输出82的振荡振幅。如本文中所用，“热”旨在指车辆的通常的操作温度，并且可以超过100摄氏度。相反地，“冷”旨在指小于这些通常的操作温度的温度，并且可接近或等于大致0-30摄氏度的环境空气温度。
[0023]除了作为温度的函数的电容变化，电池14的内阻也作为温度的函数变化(即其中较低的温度可导致较大的电阻，并且较高的温度可导致较低的电阻)。因此，当温度冷却时，电池14经受的电压振荡可能由于电池14的增大的电阻而进一步增强。换句话说，PM32输出具有取决于PM32的电容滤波效果的振荡的相对恒定的电流。当电池14的电阻由于热效应增大时，电池14两端的电压可根据V=IR成比例地增大。因此，电池电阻中的变化可能放大已经存在的振荡。
[0024]在一种配置中，E⑶36可配置为动态调节PM32的输出，以将电容和电池电阻中的热动力学变化考虑在内。以该方式，电荷输出水平80，82可能在相应的最大标称电压88，90下被命令，该最大标称电压88，90确保每一个输出80，82完全低于VMax46,同时还最大化电池14的可用电容量92，94。在另一种配置中，E⑶36可阻止PM32提供超过最大标称电压88,90的电荷输出。
[0025]图6大体示出可由E⑶36执行的为牵引用电池14充电的方法110。该方法110开始于步骤112，其中E⑶36感测电池14和PM32的温度。在一种配置中，E⑶36可包括与电池14和/或PIM32热连通的热电偶或其他温度感测装置，以直接感测温度。在另一种配置中，温度可从与车辆10和/或有关车辆冷却系统联接的其他温度感测装置推断。
[0026]当感测到电池14和/或PM32的温度时，E⑶36可在步骤114中从查询表选择振荡校准值。该校准值可使用感测的温度值被选择，并且可与电池14可能经受的电压波动的振幅相对应。该校准值可以表达为振幅绝对值，或表达为一些标称振幅(即在预限定的操作条件下的振幅)的倍数。
[0027]在另一种配置中，在步骤114中，E⑶36可选择第一校准值，该第一校准值对应于与温度有关的振荡振幅，所述与温度有关的振荡振幅可由感测的电容器温度下的电容器引起。同样，还可选择第二校准值，该第二校准值对应于，所述与温度有关的电压波动由感测的电池温度下电池14引起。然后可结合第一和第二校准值，例如通过将其相乘在一起，以确定电池14可能经受的电压波动的振幅。
[0028]在步骤116中，E⑶36可确定最大标称电压(即VMaxN?)，其确保提供的振荡电压波动不超过电池14的最大允许电压(即VMax)。在一种配置中，最大标称电压可通过从最大允许电压减去确定的电压波动的振幅来确定。
[0029]一旦被确定，E⑶36可指示PM32在经确定的最大标称电压(VMaxta)下，或最高达到确定的最大标称电压下，为电池14充电(即步骤118)。例如，E⑶36可指示PIM32根据下面的函数给电池14提供功率，其中，OCV代表电池14的开路电压，Rcharge代表电池14的与温度有关的充电电阻:
Pt n^MaxHam * ((W ~~ ^MaxNom)
[0030]Charge Power =.^Charge
[0031]虽然已经详细描述了实现本发明的最佳模式，但是熟悉本发明涉及的领域的人员将意识到实现本发明的 在所附权利要求范围内的多种可替代设计和实施例。应可预期，包含在上面描述中或显示在附图中的所有内容应被解释为仅是示例性的，并且不用于限制。
【权利要求】
1.一种使用功率逆变器模块给车辆牵引用电池提供电荷的方法，所述方法包括: 感测牵引用电池的温度； 感测功率逆变器模块的温度； 从感测的功率逆变器模块的温度和感测的牵引用电池的温度确定电荷的期望电压振荡振幅； 通过从牵引用电池的最大允许电压减去期望的电压振荡振幅，来计算电荷的最大允许标称电压；和 在最大允许标称电压下，将电荷提供给牵弓丨用电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定期望的电压振荡振幅包括使用感测的功率逆变器模块的温度从第一查询表选择第一校准值，和使用感测的牵引用电池的温度从第二查询表选择第二校准值；并且 其中，第一校准值对应于功率逆变器模块的滤波电容器的与温度有关的电容；并且 其中，第二校准值对应于牵引用电池的与温度有关的电阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定期望的电压振荡振幅进一步包括将第一校准值、第二校准值和标称电压振荡振幅相乘。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，最大标称电压是由功率逆变器模块提供给牵引用电池的电荷的平均电压；并且 其中，电荷包括由于功率逆变器模块中的一个或多个晶体管的开关引起的电压振荡。
5.一种混合动力电动 车,包括: 牵引用电池，具有电压上限，该电压上限表示牵引用电池在没有遭受损害的情况下可接收的最大允许电压； 功率逆变器模块，配置为给牵引用电池提供电荷，该功率逆变器模块包括滤波电容器； 发动机控制单元，与牵引用电池和功率逆变器模块通信，该发动机控制单元配置为: 感测牵引用电池的温度； 感测功率逆变器模块的温度； 从感测的功率逆变器模块的温度和感测的牵引用电池的温度确定电荷的期望电压振荡振幅； 通过从牵引用电池的电压上限减去电荷的期望电压振荡振幅，来计算电荷的最大允许标称电压；和 在超过最大允许标称电压的情况下，限制功率逆变器模块将电荷提供给牵弓丨用电池。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，发动机控制单元配置为通过使用感测的功率逆变器模块的温度从第一查询表选择第一校准值、并且通过使用感测的牵引用电池的温度从第二查询表选择第二校准值，来确定期望的电压振荡振幅；并且 其中，第一校准值对应于功率逆变器模块的滤波电容器的与温度有关的电容；并且 其中，第二校准值对应于牵引用电池的与温度有关的电阻。
7.根据权利要求6所述的车辆，其中，发动机控制单元配置为通过进一步将第一校准值与第二校准值相乘，确定期望的电压振荡振幅。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，最大标称电压是由功率逆变器模块提供给牵引用电池的电荷的平均电压；并且 其中，电荷包括由于功率逆变器模块的电切换引起的电压振荡。
9.一种通过功率逆变器模块限制提供给车辆牵引用电池的最大电压的方法，所述方法包括: 感测牵引用电池的温度； 感测功率逆变器模块的温度； 从感测的功率逆变器模块的温度和感测的牵引用电池的温度确定期望的电压振荡振幅; 通过从牵引用电池的电压上限减去电荷的期望电压振荡振幅，计算最大允许标称电压，该电压上限表示牵引用电池在没有遭受损害的情况下可接收的最大允许电压；和在超过最大允许标称电压的情况下，阻止功率逆变器模块将电荷提供给牵弓丨用电池。
【文档编号】B60L11/18GK103481790SQ201310231009
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2012年6月13日
【发明者】J.T.格林, K.S.塞维尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司