用于确定降额因子的方法、控制单元、电力系统和车辆与流程

1.本公开涉及一种用于确定可充电能量存储系统的降额因子的方法以及用于操作可充电能量存储系统的方法。本公开还涉及一种被配置成监控和控制电气负载的控制单元、计算机程序、计算机可读介质、包括该控制单元的电力系统、以及包括该控制单元和/或电力系统的电动车辆或船舶。


背景技术：

2.可充电能量存储系统(ress)需要特别考虑控制功率消耗，尤其是在瞬态条件下，以避免影响所述存储系统(例如电池)的健康状态(soh)。对于使用可充电能量存储系统来牵引车辆或船舶的应用尤其如此，但对于可充电能量存储系统经常为电气负载供电的其它应用(例如发电机组和类似系统)，也可能需要加以考虑。
3.已经尝试延长车辆中的电池寿命。jp2005218171涉及降低从电池输出的电流的最大值，并延长电池的寿命。在行驶时确定电流输出阈值。如果检测到的电流输出高于该阈值，则根据优先级列表来抑制向车辆的电气负载的电流输出。
4.然而，需要进一步细化对电气负载的控制方法。


技术实现要素：

5.因此，本公开的一个目的是提供一种用于确定可充电能量存储系统的降额因子的方法。更具体地，本公开的目的是提供如下一种方法：该方法允许适当使用可充电能量存储系统的缓冲区，而不会不必要地限制电气负载并且不会不必要地影响该可充电能量存储系统的健康状态。本公开的另一目的是提供一种用于操作该可充电能量存储系统的方法。本公开的其它方面是：提供一种用于根据所述方法来控制电气负载的控制单元，提供一种包括该控制单元的电力系统，以及提供一种包括该控制单元和/或电力系统的车辆或船舶。
6.根据本公开的第一方面，所述目的通过一种用于确定可充电能量存储系统的降额因子的方法来实现。该降额因子指示了施加在所述可充电能量存储系统上的电气负载减小的速率。该可充电能量存储系统与至少第一负载阈值和至少第二负载阈值相关联，该第二负载阈值比第一负载阈值更远离零电气负载值。该方法包括：
[0007]-针对可充电能量存储系统的操作时间范围，检测电气负载，并且：
[0008]
o当电气负载等于第一负载阈值或位于第一电气负载阈值和第二负载阈值之间时，确定累积第一负载值，该累积第一负载值指示了电气负载超出(extend from)第一负载阈值期间的时间以及幅值大小，
[0009]
o当电气负载等于所述第二负载阈值或比第二负载阈值更远离零电气负载值时，确定累积第二负载值，该累积第二负载值指示了电气负载超出第二负载阈值期间的时间以及幅值大小，
[0010]-通过将所述累积第一负载值和所述累积第二负载值相组合并将如此组合的值与所述操作时间范围相关联，来确定安全裕度值，以及
[0011]-将该安全裕度值与至少一个安全裕度阈值进行比较，以确定是否应修改所述降额因子。
[0012]
该电气负载是连接到可充电能量存储系统的电功率/电流消耗者。所检测到的电气负载可以具有正值或负值，这取决于可充电能量存储系统是在充电还是在放电。因而，当电气负载的值远离零电气负载值时，该值可以是正的或负的。因此，任何负载阈值也可以是正的或负的。
[0013]
根据本公开的负载阈值表示这样的负载值：在该负载值处或超过该负载值时，确定并使用降额因子，即，在该负载值处或超过该负载值时，对电气负载进行降额。如果检测到在零电气负载值和第一负载阈值之间的负载值，则不需要进行降额。
[0014]
因此，第一负载阈值限定了可充电能量存储系统的第一缓冲区的下限阈值，其中电气负载和任何负载阈值可以是正的或负的。比第一负载阈值更远离零电气负载值的任何其它负载阈值构成相应的其它缓冲区的下限。因此，第二负载阈值限定了第二缓冲区的下限。该第二负载阈值还限定了第一缓冲区的上限。缓冲区的下限比同一个缓冲区的上限更接近零电气负载值。缓冲区的限值(即，负载阈值)可以由可充电能量存储系统的制造商设置，但这些限值也可以由系统的控制单元根据操作条件或根据所检测到的该系统的电气负载来设置和/或修改。例如，检测到的高负载值可能会生成更多的负载阈值和缓冲区。
[0015]
降额因子是这样的因子：它用于限制可充电能量存储系统的电气负载，以使健康状态的退化程度最低，其中，“健康状态”或soh是对可充电能量存储系统(例如电池)的状况的量度。通过根据本公开的方法确定降额因子，提供了这样一种可能性：即，以动态方式控制被连接到系统的电气负载，以将潜在的破坏性电功率/电流消耗恢复到可接受的消耗水平。允许电气负载在一定程度上使用可充电能量存储系统的任何缓冲区。如果少量地和/或在短时间内使用这些缓冲区，降额因子可以减小，从而使负载仅仅缓慢地降额。另一方面，如果负载值快速增加，或者如果它们超过其中一个负载阈值更长时间，则降额因子将增加以使负载更快地降额并返回到在零电气负载值和第一负载阈值之间的负载值。因此，可以以更有效的方式使用这些缓冲区，同时保护可充电能量存储系统的健康状态。此外，还减少了为瞬态而保留部分系统电力容量的需要。
[0016]
该安全裕度值是缓冲区随时间的使用量的指示，并且确定是否应修改降额因子。
[0017]
可选地，高的安全裕度值产生增加的降额因子，中等的安全裕度值产生持平的降额因子，而低的安全裕度值可以产生降低的降额因子。而且，非常高的安全因子可显著增加降额因子，以使电气负载快速恢复到可接受的水平，即无害水平。
[0018]
可选地，该电气负载指示了电流或电功率。电气负载是连接到可充电能量存储系统的电气部件或系统。因此，对电气负载的检测可以与检测系统的电流消耗或功率消耗同义。因此，使电气负载降额可意味着将该负载的操作(例如负载的消耗)控制到低于其最大容量的水平。在某些情况下，使电气负载降额可意味着完全关闭/切断该负载。
[0019]
可选地，“将所述累积第一负载值和所述累积第二负载值相组合”的所述特征包括：将所述累积第一负载值乘以第一权重因子，并且将所述累积第二负载值乘以第二权重因子。考虑到可充电能量存储系统的健康状态，这些权重因子确定累积第一负载值和累积第二负载值的重要性。因此，根据与所述负载阈值(即，缓冲区)相关联的权重因子，超过负载阈值可能会或多或少地影响降额因子。
[0020]
可选地，根据操作条件来动态地确定第一权重因子和第二权重因子。以这种方式，与其它操作条件相比，在可充电能量存储系统的某些操作条件下，超过某个负载阈值可能或多或少是可接受的。这里的操作条件是指可充电能量存储系统运行的条件，例如天气、环境温度、可充电能量存储系统的温度、所连接的电气负载的特性、包括可充电能量存储系统的车辆的倾斜度等。
[0021]
可选地，根据可充电能量存储系统的操作条件来动态地确定所述操作时间范围和/或所述至少第一负载阈值和第二负载阈值。与上文类似，可以动态地设置负载阈值和所述操作时间范围，从而动态地确定电气负载被降额的缓冲区。因此，如果某些操作条件允许在没有有害影响的情况下使用可充电能量存储系统的更大或更小部分，则所述缓冲区的动态设置允许更有效地使用该可充电能量存储系统。
[0022]
根据本公开的第二方面，提供了一种用于操作可充电能量存储系统的方法。该可充电能量存储系统与至少第一负载阈值和至少第二负载阈值相关联，该第二负载阈值比第一负载阈值更远离零电气负载值。该方法包括：
[0023]-确定所述可充电能量存储系统的当前电气负载值，以及
[0024]-如果当前的电气负载值等于第一负载阈值，或者比第一负载阈值更远离零电气负载值，则使用降额因子对至少一个电气负载进行降额，至少直到该电气负载值比第一负载阈值更靠近零电气负载值为止，其中，该降额因子已根据本公开的第一方面的方法被确定。
[0025]
根据上文，当检测到电气负载处于可能对可充电能量存储系统有害的水平时，将该电气负载的操作朝向接近于零电气负载值的水平进行限制(降额)，即，朝向连接到可充电能量存储系统的系统部件的较低电流或较低功耗进行限制(降额)。这减少了高电流或高功耗对可充电能量存储系统的健康状态的影响。
[0026]
可选地，使多个电气负载降额的特征在于，使用降额因子根据动态或静态优先级列表对所述多个电气负载进行降额，直到所述多个电气负载的电气负载值比所述第一负载阈值更靠近所述零电气负载值为止。该可充电能量存储系统的电气负载是连接到该系统的总负载。因此，术语“电气负载”可以指连接到可充电能量存储系统的多个电气负载，即电气设备、部件或系统。如果不止一个电气负载需要被降额，则提供动态或静态的优先级列表允许更重要的部件或设备保持以正常容量操作，而其它部件或设备则被降额或甚至被关闭。
[0027]
根据本公开的第三方面，提供了一种控制单元，该控制单元被配置成根据本公开的第一方面和/或第二方面的步骤来监测和控制被施加在可充电能量存储系统上的至少一个电气负载。
[0028]
该控制单元设有处理能力，并且可以连接到传感器和测量系统，用于确定可充电能量存储系统的操作条件。该控制单元进一步控制从电能存储系统到电气负载的电力分配，并且管理电气负载的降额。换言之，该控制单元控制降额因子的确定和电气负载的降额。
[0029]
该控制单元还可以连接到其上存储有计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括使控制单元执行本公开的任一方法步骤的代码。
[0030]
根据本公开的第四方面，提供了一种电力系统，该电力系统包括根据本公开的第三方面的控制单元、可充电能量存储系统以及能够连接到至少一个电气负载的接口。可选
地，该电力系统还包括至少一个电气负载。
[0031]
该电力系统可以是完全电动或部分电动的车辆或船舶(例如，具有一个或多个船上电气负载的海洋船舶)的电力系统。替代地，该电力系统可以是独立电力系统、例如固定式或移动式可充电发电机组，该独立电力系统可以用在需要电力的地方，例如经常停电的地方，和/或用在停电可能导致特别严重或危险问题的地方，例如用在矿井或医院中。在这种情况下，外部电气负载需要由电力系统供电。
[0032]
根据本公开的第五方面，提供了一种电动车辆或船舶，该电动车辆或船舶包括本公开的控制单元和/或电力系统。
附图说明
[0033]
从以下参照附图对一个或多个实施例的描述中，本公开的其它目的、优点和特征将变得明显，在附图中：
[0034]
图1示出了包括本公开的电力系统的车辆；
[0035]
图2示出了根据本公开的电力系统的示意图；
[0036]
图3示出了根据本公开的第一方面的方法的流程图；
[0037]
图4示出了根据本公开的第二方面的方法的流程图；
[0038]
图5示出了图4的方法的示例性应用。
具体实施方式
[0039]
下面参照示出了实施例示例的附图来更详细地展开本公开。本公开不应被视为限于所描述的实施例示例；相反，本公开由所附的专利权利要求书限定。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
[0040]
图1示出了包括电力系统200的电动车辆300的侧视图，该电力系统200又包括控制单元210。控制单元210被配置成控制从可充电能量存储系统220(例如至少一个电池)到至少一个电气负载230的电力分配。该至少一个电气负载230可以是车辆300的电推进系统或辅助负载(例如，热力系统)和/或车辆300的动力输出装置中的一种或多种。如图1所示，多个电气负载230可以被同时连接并消耗由可充电能量存储系统220提供的不同量的电力。可以存在热力系统，用于加热或冷却车辆300的驾驶室或货舱。还可以连接诸如电气设备、机器和工具之类的动力输出装置。在可充电能量存储系统220的利用率增加的某些情况下，可能需要由控制单元210降额对这些系统(即，对电气负载230)的电力分配，以避免影响可充电能量存储系统220(例如，电池)的健康状态。
[0041]
如图2所示，控制单元210连接到电动车辆300的电力系统200的其它部分。控制单元210经由接口240控制对可充电能量存储系统220的电力分配，或控制从可充电能量存储系统220到至少一个电气负载230的电力分配。在图2中，电气负载230被以虚线描绘，以说明这些电气负载可以是电力系统200的集成部分，或者它们可以是可经由接口240连接到电力系统200的辅助负载/外部负载。对于集成的电气负载230，接口240可以被例示为电缆和总线，例如用于电动车辆的牵引电压系统的牵引电压总线。对于辅助负载，接口240例如可以是电连接器或电力输出装置(epto)。
[0042]
为了确保至少一个电气负载230不会过度使用可充电能量存储系统220的容量，控
制单元210管理对电气负载230的功率的降额/限制，以将电气负载230的能量消耗控制在可充电能量存储系统220的某些限值(这里也称为负载阈值)内。可充电能量存储系统220的制造商可以向系统提供用于电力输出的推荐限值/负载阈值，在这些限值内，电气负载230可以在一定程度上操作。在这些限值内，制造商保证可充电能量存储系统220的一定寿命。为了针对特定应用优化可充电能量存储系统220的使用，可以在安装期间配置系统220时设置这些限值，例如当将可充电能量存储系统220安装在具有一组特定电气负载230的车辆300中时。还可以根据操作条件来动态地设置这些限值/负载阈值。此类操作条件通常是已知的，并且可以预先定义且能够由车辆300的控制单元210检测到。这些限值/负载阈值可以根据操作条件结合电力系统200的应用特性(即，所连接的电气负载230)来适当地设置。
[0043]
本公开提供了一种用于优化可充电能量存储系统220的电力容量的方法，使得电力不会不必要地留作储备。同时，该方法最小化了由于增加的电力输出而对系统220的健康状态的附加影响，因为该方法允许以受控方式超过所述限值/负载阈值。
[0044]
图3示出了根据本公开的一个示例性实施例的流程图。还参见图5，该图示出了可充电能量存储系统220的示例性使用的图表。示出了用于确定可充电能量存储系统220的降额因子的方法100。该降额因子指示了施加在所述可充电能量存储系统220上的电气负载230减小的速率。可充电能量存储系统220与至少第一负载阈值t1和至少第二负载阈值t2相关联，该第二负载阈值t2比第一负载阈值t1更远离零电气负载值。该方法100包括：针对所述可充电能量存储系统220的操作时间范围，检测101电气负载230；并且当电气负载230等于所述第一电气负载阈值t1或位于所述第一电气负载阈值t1和所述第二负载阈值t2之间时，确定102累积第一负载值l1，该累积第一负载值l1指示了所述电气负载超出所述第一负载阈值t1期间的时间以及幅值大小。当电气负载230等于第二负载阈值t2或比所述第二负载阈值t2更远离零电气负载值时，确定103累积第二负载值l2，该累积第二负载值l2指示了所述电气负载230超出所述第二负载阈值t2期间的时间以及幅值大小，该方法还包括：通过将所述累积第一负载值l1和所述累积第二负载值l2相组合并且将如此组合的值与所述操作时间范围相关联，来确定104安全裕度值sm；并且将所述安全裕度值sm与至少一个安全裕度阈值smt进行比较105，以确定是否应修改所述降额因子。
[0045]
因此，如前所述，第一负载阈值t1和第二负载阈值t2可以是预定的静态阈值，或者它们可以根据可充电能量存储系统220的操作条件被动态地确定。在后一种情况下，第一负载阈值t1和第二负载阈值t2可以在每个时间样本处被确定，以便为现有操作条件提供最佳阈值。
[0046]
在图3的示例性实施例中，公开了至少两个负载阈值t1、t2，但也可以采用任何更多数量的阈值。检测101电气负载230的步骤以包括确定附加负载阈值t3…
tn的数量n的附加措施。
[0047]
显然，如果电气负载230被检测101为正的电气负载230，则仅正的负载阈值(即，+tn)与用于确定降额因子的方法100相关，其中tn指示了该方法中使用的任何特定负载阈值。类似地，如果电气负载230被检测101为负的电气负载230，则仅负的负载阈值(即，-tn)与用于确定降额因子的方法100相关。
[0048]
该降额因子可以根据所确定的安全裕度值sm而增加、减少或持平。增加的降额因子导致电气负载230的比先前更强的降额，因为安全裕度值sm表明可充电能量存储系统220
的电力容量被过度使用。减小的降额因子导致电气负载230的比先前更低的降额，因为安全裕度值sm表明可充电能量存储系统220的电力容量未被充分使用。持平的降额因子表明可充电能量存储系统220正被最佳地使用。持平的降额因子还意味着如果检测到电气负载d比第一负载阈值t1更远离至少零电气负载值，则使电气负载d降额，但以最佳速率降额。
[0049]
电气负载230的负载值指示了电流或电功率。换言之，可以将施加在可充电能量存储系统220上的电气负载230检测为连接到或被包含在可充电能量存储系统220中的电气负载230的电流消耗或或功率消耗。
[0050]
在应用该方法期间的操作时间范围可以是静态的并且可以预先确定。可选地，可以根据可充电能量存储系统的操作条件来动态地确定该操作时间范围。
[0051]
将所述累积第一负载值l1和所述累积第二负载值l2例如组合为累积加权负载值lw的步骤可以包括：将所述累积第一负载值l1乘以第一权重因子w1，并且将所述累积第二负载值l2乘以第二权重因子w2。权重因子wn可以是静态的，即，用于对应的负载阈值tn的静态权重因子。替代地，可以在确定对应的负载阈值tn时动态地确定每个权重因子wn。以这种方式，超过任何负载阈值tn的严重性可能适当地影响到安全裕度值sm。因此，降额因子将被确定为使得在大多数情况下超过更高的负载阈值tn会导致电气负载230的更严重降额。然而，在某些情况下，可以设想更高的负载阈值tn可设有相对低的权重因子wn。
[0052]
作为图3所示的方法的示例，可以使用以下算法来执行这些步骤。这在图5中进一步示出。纵轴表示电能存储系统220上的负载l如何随时间t(横轴)变化。该负载可以是正的(例如在充电时)，或者是负的(例如在可充电能量存储系统220放电时)。针对电气负载230检测和评估的单位例如可以是电流或功率。
[0053]
当电流超过第一负载阈值t1时，无论是在充电还是放电，都需要开始评估电气负载230，以不过度使用可充电能量存储系统220，并由此利用额外的健康状态。
[0054]
所述累积第一负载值l1可以由以下公式确定：
[0055][0056]
l1所述累积第一负载值
[0057]
t
01
当超过第一负载阈值t1并且检测到超过第一负载阈值t1的负载值的时间
[0058]
t
c1
当向下超过第一负载阈值t1且不再检测到超过第一负载阈值t1的负载值的时间
[0059]
l
current,t
时间样本t时的实际负载值
[0060]
t
1,t
时间样本t时的实际第一负载阈值t1(值)
[0061]
当电流超过第二负载阈值t2时，无论是充电还是放电，都更需要开始评估电气负载，以免过度使用可充电能量存储系统220，并由此在更大程度上利用可充电能量存储系统220而不影响健康状态。
[0062]
所述累积第二负载值l2可以由以下公式确定：
[0063]
[0064]
l2累积第二负载值
[0065]
t
02
当超过第二负载阈值t2并且检测到超过第二负载阈值t2的负载值的时间
[0066]
t
c2
当向下超过第二负载阈值t2且不再检测到超过第二负载阈值t2的负载值的时间
[0067]
l
current,t
时间样本t时的实际负载值
[0068]
t
2,t
时间样本t时的实际第二负载阈值t2(值)
[0069]
可选地，所述累积第一负载值l1和所述累积第二负载值l2可以进行加权，以分别反映超过第一负载阈值t1和第二负载阈值t2的严重性。这产生了累积加权负载值lw：
[0070]
lw＝w1*l1+w2*l2[0071]
lw累积加权负载值
[0072]
w1超过第一负载阈值t1的权重因子
[0073]
w2超过第二负载阈值t2的权重因子
[0074]
然后，安全裕度值sm可以可选地被计算为累积加权负载值与未加权累积负载值l
warea
之间的比值，其等于图5中绘制的曲线与第一负载阈值t1之间的面积。
[0075][0076]
l
warea
未加权累积负载值(l1+l2)
[0077]
当确定103安全裕度值sm时，可以通过将安全裕度值sm与至少一个安全裕度阈值smt进行比较104来确定降额因子。由此，确定了使电气负载230降额的严重程度。将该安全裕度值与所述至少一个安全裕度阈值smt进行比较104的步骤例如可以根据以下示例来执行：
[0078]
1.0≤sm
ꢀꢀꢀꢀꢀ
由于健康状况可能受到影响，降额因子大幅增加
[0079]
0.8≤sm《1.0 降额因子增加
[0080]
0.5≤sm《0.8 降额因子持平
[0081]
sm《0.5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
降额因子减小
[0082]
根据本公开的第二方面，如图4所示，还提供了一种用于操作可充电能量存储系统220的方法400。可充电能量存储系统220与至少第一负载阈值t1和至少第二负载阈值t2相关联，该第二负载阈值t2比第一负载阈值t1更远离零电气负载值。该方法包括确定401所述可充电能量存储系统220的当前电气负载值。如果当前电气负载值等于第一负载阈值t1或者比第一负载阈值t1更远离零电气负载值，则该方法包括使用降额因子对至少一个电气负载230进行降额402，至少直到电气负载值比第一负载阈值t1更靠近零电气负载值为止，其中，降额因子是按照上文根据本公开的第一方面的任一步骤而确定的。
[0083]
显然，如果电气负载值被确定401为正的电气负载值，则仅正的负载阈值(即，+tn)与用于操作可充电能量存储系统220的方法400相关。类似地，如果电气负载值被确定401为负的电气负载值，则仅负的负载阈值(即，-tn)与用于操作可充电能量存储系统220的方法400相关。
[0084]
如图4的流程图和图5的示例中所示，在可充电能量存储系统220的操作过程中，随着电气负载值的变化而反复地确定401该电气负载值。在t
01
处，电气负载值被确定401为等于第一负载阈值t1。随着电气负载值继续上升，使用降额因子对电气负载230进行降额402。
在t
02
处，电气负载值等于第二负载阈值t2，由此降额因子增加、持平或减少。在大多数情况下，当确定电气负载值超过更远离第一负载阈值t1的负载阈值时，降额因子会增加，但如本领域技术人员所意识到的，也可能存在例外。
[0085]
在t
c1
处，电气负载值再次比第一负载阈值t1更靠近零电气负载，并且电气负载230不再被降额。
[0086]
在多个电气负载230的情况下，使用降额因子、根据动态或静态优先级列表对所述多个电气负载230进行降额402，直到所述多个电气负载230的电气负载值比第一负载阈值t1更靠近零电气负载值为止。动态优先级列表在某些情况下可能会优先考虑某个负载，而在其它情况下，该相同负载获得低的优先级。例如，当车辆300正在移动时，可以优先考虑牵引，而当车辆被停放时，可以完全不优先考虑牵引。
[0087]
受益于前述描述和相关附图中呈现的教导的本领域技术人员将想到所公开的实施例的变型和其它实施例。因此，应当理解，所述实施例不限于所公开的具体实施例，并且，各种变型和其它实施例也旨在被包括在本公开的范围内。尽管本文中采用了特定术语，但这些术语仅在一般性和描述性意义上被使用，而不是用于限制目的。