专利名称：确定温度对电能存储器件预期寿命影响的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电能存储器件的预期寿命。更加特别地，本发明涉及静止周期对预期寿命的影响。
背景技术：
各种混合动力系统使用能量存储器件向电机提供电能，该电机通常与内燃机结合而操作成提供动力转矩。一种这样的混合动力结构包括双模式复合分离的电动机械传动装置，它利用了从原动机动力源接收动力的输入构件和将动力从传动装置传递到汽车传动系统的输出构件。第一和第二电机，即电动机/发电机可操作地与能量存储器件连接，用于在它们之间交换电能。提供一控制单元用于调节能量存储器件和电机之间的电能交换。该控制单元还调节第一和第二电机之间的电能交换。
在汽车动力系统中设计考虑的因素之一是能够提供一致的汽车性能和元件/系统的使用寿命。混合动力汽车，更加特别地是其中采用了电池组系统的混合动力汽车给汽车系统的设计者提出了新的挑战和权衡。已经发现，电能存储器件如电池组系统的使用寿命随着电池组的静止温度(resting temperature)的降低而延长。然而，较冷的工作温度限制了电池的充电/放电性能，直到电池组的温度升高。较暖的电池组更加容易向汽车推进系统提供所需的动力，但是持续的较暖的工作温度会导致使用寿命缩短。
现代的混合动力汽车系统可管理混合动力系统的工作的各个方面，以获得改进的电池使用寿命。例如，控制电池放电深度，限制安培-小时(A-h)通过量，以及使用对流风扇冷却电池组。操纵汽车的周围环境条件在很大程度上被忽略了。然而，周围环境条件对电池的使用寿命有很大的影响。特别地，投放到整个北美的各个地理区域的同一型号的混合动力汽车不可能拥有相同的电池组寿命，即使所有汽车在同一循环下驱动。如果要导出有用的电池寿命的估计，就必须考虑汽车的环境。附加地，顾客预期、竞争和政府法规强加了必需满足的多种性能标准，包括电池组的使用寿命。
电池组使用寿命终止可以用电池组的欧姆电阻来指示。典型地，电池组的欧姆电阻在汽车和电池组的大部分使用寿命期间是平的。然而，这会妨碍在大部分使用寿命中可靠地估计电池组的实时寿命状态(‘SOL’)。相反地，欧姆电阻对指出电池组的使用寿命的初始结束是极其有用的。
此外，电池组的使用寿命受静止温度影响，即电池组系统的寿命随着电池组的静止温度的减小而增大。因此操作成确定受监控电池组的寿命状态的电池组控制系统将受益于一参数值，该参数值表示温度在休止或停滞周期中对电池组的影响。当没有对电池组充电或放电时，例如当使用电池组的混合动力汽车停机时，会出现这种休止周期。
因此，有用的设计一种方法和设备，其可确定在休止周期中对混合动力汽车的电池组的预期寿命的温度影响。
发明内容
一种混合动力汽车动力系，包括可操作成与第一和第二电机交换电能的电能存储器件，每一电机操作成将转矩赋予给双模式复合分离的电动机械传动装置，该传动装置具有四个固定的齿轮比和两个连续可变的工作模式。一种在汽车的不活动周期中确定温度对电能存储器件的预期寿命的影响的方法，包括在不活动周期中确定电能存储器件的加权平均温度。该加权平均温度在不活动周期中以电能存储器件的平均温度为基础，它是大体上在汽车停止运转时电能存储器件的温度。此外，该方法包括根据在不活动周期中电能存储器件的加权平均温度来确定电能存储器件的静止温度因数。此外，可以根据该静止温度因数来确定电能存储器件的预期寿命。
本发明在某些部件和部件的布置方面采用实物形式，并详细地在随附的附图中描述和示出了这些部件的一个实施例，这些附图构成本发明的一部分，其中图1是根据本发明用于控制系统和动力系的一个示例性结构的示意图；图2是根据本发明的算法框图；以及图3和4是根据本发明的示例性数据图表。
具体实施例方式
现在参考附图，其中所示出的仅仅是为了说明本发明的目的，而不是为了限制本发明，图1示出了控制系统和根据本发明的实施例构造的示例性混合动力系统。该示例性混合动力系统包括多个操作成向传动装置提供动力转矩的转矩产生装置，该传动装置向传动动力系统提供动力转矩。该转矩产生装置优选包括内燃机14和第一和第二电机56、72，该第一和第二电机操作成将从电能存储器件(ESD)74提供的电能转换成动力转矩。应该理解，ESD包括一个或多个电池或者可替换的电能存储装置。该示例性传动装置10包括双模式复合分离的电动机械传动装置，其具有四个固定的齿轮比和两个连续可变的工作模式，其还包括多个齿轮，该齿轮操作成通过包含在该传动装置中的多个转矩传递装置将动力转矩传递到输出轴6 4和动力传动系统。示例性传动装置10的机械性质在标题为“具有四个固定比的双模式复合分离的混合动力电动机械传动装置”的美国专利No.6,953,409中详细公开，在此将该其引入作为参考。
该控制系统包括通过局域通信网络交互的分布式控制模块结构，用于向动力系统提供行动控制(ongoing control)，该动力系统包括发动机14，电机56、72以及传动装置10。
根据本发明的一个实施例构造示例性的动力系统。由于来自存储于电能存储器件(ESD)74中的燃料或电势的能量转换，该混合传动装置10从转矩产生装置接受输入转矩，该转矩产生装置包括发动机14和电机56、72。典型地，该ESD74包括一个或多个电池。在不改变本发明的思想的条件下，可以使用能够存储电能并分配电能的其它电能存储器件代替电池。该ESD74优选根据多种因素确定尺寸，该因素包括再生要求、与通常的道路坡度和温度相关的应用问题、以及诸如排放物的推进要求、动力辅助和电灶(electric range)。该ESD74是通过直流电线与传动功率变换器模块(TPIM)19高压直流耦合，该直流电线表示为传递导线27。该TPIM19通过传递导线29将电能传递给第一电机56，类似地，该TPIM19通过传递导线31将电能传递给第二电机72。电流可根据ESD74是否被充电或放电而在电机56、72和ESD74之间传递。TPIM19包括一对功率变换器和相应的电动机控制模块，该电动机控制模块配置成接收电动机控制命令并由此控制变换器的状态，从而提供电动机驱动或再生功能。
电机56、72优选包括已知的电动机/发电机装置。在电动机控制中，相应的变换器从ESD接收电流，并通过传递导线29和31向相应的电机提供交流电流。在再生控制中，相应的变换器通过相应的传递导线从电机接收交流电流，并向直流电线27提供电流。提供给变换器或者从变换器提供的净直流电流确定电能存储器件74的充电或放电工作模式。优选地，电动机A56和电动机B72是三相交流电机，并且变换器包括辅助性三相电力电子器件。
在图1中示出的并在下文描述的部件包括整个汽车控制结构的附属设备，这些部件操作成对这里描述的动力系统提供协调的系统控制。该控制系统操作成收集和综合相关的信息和输入，然后执行算法以控制各个致动器进而获得控制目标，包括一些参数，例如燃料经济性、排放物、性能、驱动性能，以及硬件保护，该硬件包括ESD74的电池和电动机56、72。控制系统的分布式控制模块结构包括发动机控制模块(‘ECM’)23、传动装置控制模块(‘TCM’)17、电池组控制模块(‘BPCM’)21，以及传动功率变换器模块(‘TPIM’)19。混合动力控制模块(‘HCP’)5提供上述控制模块的拱形(overarching)控制和协调。一用户界面(‘UI’)13可操作地与多个装置连接，通常汽车驾驶员可通过这些装置控制或调整动力系的操作，该动力系包括传动装置10。对用户界面13的示例性汽车驾驶员的输入包括油门踏板、刹车踏板、变速齿轮选择器和车辆速度巡航控制。在控制系统内，每一上述控制模块通过局域网(‘LAN’)通信总线6与其他控制模块、传感器和致动器通信。该LAN总线6允许各个控制模块之间的控制参数和命令进行结构化通信。所采用的特殊通信协议是应用特定的。作为实例，一个通信协议是汽车工程师学会J1939。LAN总线和合适的协议在上述的控制模块和其他模块之间提供健壮的消息传送和多控制模块接口，该其他模块可提供诸如防锁刹车、牵引控制和车辆稳定性的功能。
HCP5提供混合动力系统的全部控制，用于ECM23、TCM17、TPIM19以及BPCM21的协调工作。根据来自用户界面13和动力系的各个输入信号，HCP5产生各种命令，包括发动机转矩命令，用于混合传动装置10的各离合器的离合器转矩命令；以及分别用于电机A和B的电机转矩命令。
ECM23可操作地与发动机14连接，其功能是从各个传感器获取数据，和通过多个离散的电线控制发动机14的各个相应的致动器，该离散电线共同地示出为集合线35。ECM23从HCP5接收发动机转矩命令，并产生轴向转矩请求。为了简单起见，示出的ECM23通常通过集合线35和发动机14双向对接。由ECM23感测的各个参数包括发动机冷却液温度、传动装置的发动机输入速度、歧管压力、环境温度和环境压力。利用ECM23进行控制的各个致动器包括燃料喷射器、点火模块和风门控制模块。
TCM17可操作地与传动装置10连接，其功能是从各个传感器获取数据，和向传动装置的离合器提供命令控制信号，即离合器转矩命令。
BPCM21与和ESD74相联的各个传感器交互，以便向HCP5导出有关ESD74的状态的信息。该传感器包括电压传感器和电流传感器，以及可操作成测量ESD74的工作条件的气温传感器，该工作条件例如包括在ESD74的终端(未示出)两端测量的温度和电阻。感测的参数包括ESD电压VBAT、ESD电流IBAT以及ESD温度TBAT。导出的参数优选包括ESD电流IBAT、如可在ESD74的终端两端测量的ESD内电阻RBAT、ESD电荷状态SOC以及ESD的其他状态，包括可获得的电能PBAT_MIN和PBAT_MAX。
传动功率变换器模块(TPIM)19包括上述的功率变换器和机械控制模块，该机械控制模块配置成接收电动机控制命令并由此控制变换器的状态，从而提供电动机驱动或再生功能。TPIM19可操作成根据来自HCP5的输入给电机A和B产生转矩命令，该HCP由通过UI13的驾驶员输入和系统工作参数来驱动。电机转矩由包括TPIM19的控制系统实现，以控制电机A和B。各个电动机速度信号由TPIM19从电机相位信息或传统的转动传感器导出。该TPIM19确定和传送电机速度给HCP5。
控制系统的每一上述控制模块优选是通用的数字计算机，其通常包括微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、电可编程序只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数转换(A/D)和数模转换(D/A)电路，输入/输出电路和设备(I/O)以及合适的信号调节和缓冲电路。每一控制模块具有一组控制算法，包括驻留的程序指令和校准，其存储在ROM中并被执行以提供每一计算机的相应功能。各个计算机之间的信息传递优选使用上述的LAN6实现。
在每一控制模块中用于控制和状态估计的算法通常在预置的循环中执行，使得每一算法在每一循环中执行至少一次。利用预置的校准，存储在非易失性存储器件中的算法由一个中央处理单元执行，并操作成监控来自传感器的输入和执行控制和诊断例程，从而控制相应设备的操作。典型地以规则的间隔执行循环，例如在行进的发动机和汽车工作过程中为每隔3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可替换地，响应于发生的事件来执行算法。
在汽车的活动工作期间即在当汽车驾驶员使发动机和电机工作时，发生下文描述的动作，典型地是通过一个‘接通’动作。休止周期包括当汽车驾驶员使发动机和电机的工作停止时的时间周期，典型地是通过一个‘切断’动作。响应于通过用户界面13捕获的驾驶员的动作，HCP的监控控制模块5和一个或多个其它控制模块可确定所需的传动输出转矩T0。混合传动装置10的选择性操纵的部件是适当受控的，并操纵成响应于驾驶员的要求。例如，在图1示出的示例性实施例中，当驾驶员已经选择了前进的换档位置并操纵油门踏板或刹车踏板时，HCP5确定汽车如何以及何时加速或减速。HCP5还监控转矩产生装置的参数状态，并确定实现加速或减速的期望速度所需的传动装置输出。在HCP5的指导下，传动装置10在从低到高的输出速度范围上操作以满足驾驶员的要求。
现在参考图2，该显示的示意图示出了一种示例性的方法，该方法用于根据监控的输入来实时地估计ESD74的寿命状态。该方法优选作为控制系统的一个控制模块典型地是HCP5中的一个或多个算法执行。该ESD74的估计的寿命状态(‘SOLK’)优选作为纯量值存储在非易失性存储器的位置中，用于参考、更新和重置，这些操作的每一个在汽车和ESD74的寿命中的合适点被执行。
在代理案号为No.GP-308433、标题为“用于混合动力低潮期擦中电能存储器件的实时寿命估计的方法和装置”的美国专利申请案No.__/______中详细公开了一种实时估计混合动力控制系统中电能存储器件的寿命状态(‘SOL’)的示例性的方法和设备。该估计寿命状态的示例性方法和设备包括一种算法，即实时地监控ESD电流IBAT(安培)、ESD温度TBAT、ESD电压VBAT、ESD欧姆电阻RBAT以及ESD的电荷状态因数(‘SOC’)。这些参数IBAT、TBAT、VBAT、RBAT用于确定随时间而积分的ESD电流110的参数值，放电深度因数112的参数值，驱动温度因数114的参数值，以及静止温度因数TREST116的参数值。
优选地，可通过在方框120中示出的求和运算使每一上述因数即积分的ESD电流、放电深度、驱动温度因数以及静止温度因数与前面确定的寿命状态因数SOLK组合，从而确定SOL的参数值即SOLK+1，其示出为向方框120的输出。优选地，在每一行程(trip)(限定为发动机的开关周期)中多次执行确定寿命状态因数SOLK的算法。静止温度因数TREST优选包括导出的参数值。如下文所述，在ESD工作的休止周期中根据ESD74随时间变化的温度来确定静止温度因数TREST116。ESD工作的休止周期的特征在于ESD的功率通量微乎其微，而ESD工作的活动周期的特征在于ESD的功率通量不是微乎其微的。也就是说，ESD工作的休止周期通常的特征在于没有或者有最小的电流流入或流出ESD。关于与混合动力汽车推进系统相联的ESD，例如ESD工作的休止周期可以和汽车的不活动周期(例如，包括电机的动力系例如在汽车未被驱动以及附属负载断开的周期期间不工作，该周期可以包括这样的周期，即其特征是继续某种控制器操作所需的寄生电流移动，该操作例如包括与本发明相关联的操作)相联。相反地，ESD操作的活动周期与汽车的活动周期(例如，附属负载接通和/或包括电机的动力系例如在汽车被驱动时的周期期间工作，其中电流可以流入或流出ESD)相联。
现在参考图3，描述一种用于确定静止温度因数116的方法和系统。该方法优选作为上述控制器之一优选地是作为HCP5中的一个或多个算法和相关校准来执行。该方法和系统包括当电能存储器件进入休止周期时确定电能存储器件的温度，在休止周期中确定电能存储器件的平均温度，根据该平均温度和停机温度在休止周期中确定电能存储器件的加权平均温度，以及根据该加权平均温度来确定静止温度因数116的参数值，该参数值可用于调整电能存储器件的预期寿命参数。这将在下文更加详细地描述。
当电能存储器件进入休止周期时确定电能存储器件的温度优选地包括当驾驶员诸如通过切断事件使汽车停机时捕获ESD温度的值TBAT。在休止周期中确定电能存储器件的平均温度优选包括执行一算法，以在休止周期中以规则的间隔监控ESD温度TBAT，并计算运行平均值。监控在停机期间经过的时间。通过停机温度、平均温度和经过的时间来确定加权因数。该加权因数优选包括具有随系统的温度变化的非线性时间衰减的曲线和根据系统是加热或是冷却的衰减因数。通过用于计算静止温度因数(方框116)的温度的参数测量的量来确定该加权因数。例如，当采集到表示较长的静止时间的大量温度取样时，静止温度的参数值紧密地接近实际温度，并且静止温度因数包括静止温度的时间平均值。该加权因数可在休止周期中应用于ESD的平均温度，从而在休止周期中确定加权平均温度。
静止温度因数116用于确定电能存储器件的上述预期寿命参数SOL，它可根据加权平均温度进行确定，如图3所示。图3包括以温度(摄氏度C)作为X-轴、静止温度因数116的参数值作为Y-轴的数据图。该曲线包括在大约25℃具有标称值或零点的指数函数。优选地是在示例性的系统中在25℃的标称温度值下建立静止温度因数的标称值，因为可以在25℃的环境温度下实施示例性ESD74的预期寿命测试和数据。因此，标称的静止温度因数116的参数值在25℃时为零，并且对于更低或更高的静止温度来说该参数值会发生变化。这包括当在休止周期中加权平均温度小于25℃的标称温度值时增大静止温度因数116，而在休止周期中加权平均温度大于25℃的标称温度值时减小静止温度因数116。
如图3所示，由于在较高的环境温度和较高的ESD工作温度下得到的典型ESD的预期寿命的缩短，因此静止温度因数116随着加权平均温度在休止周期中的增大而按指数规律地增大。由于在较高的环境温度和较高的ESD工作温度下得到的典型ESD的预期寿命的延长，因此静止温度因数116随着加权平均温度在休止周期中的减小而按指数规律地减小。静止温度因数116在各个温度下的特定校准值是应用特定的，并取决于特定ESD的设计、ESD的设计预期寿命以及利用了ESD的混合动力系统的工作特性。静止温度因数116是用于上述动力系统的控制系统的一个要素。
现在参考图4，示出的示例性图表用于特定应用，包括ESD温度对静止温度因数的影响。根据经过的静止时间和在静止时间中ESD的温度，可确定静止温度因数。绘制的线包括相同效果的线，即该线反映了时间/温度的关系，该关系可导出ESD寿命的类似变化。例如，处于较高温度下较短的经过时间与处于较低温度下较长的经过时间相比，对ESD寿命的影响相似。
已经具体参考了优选的实施例和其变型描述了本发明。在阅读和理解了说明书时可以其作进一步的修改和替换。期望的是包括所有这样的修改和替换，只要它们属于本发明的范围。
权利要求
1.一种在汽车不活动周期中确定温度对电能存储器件的预期寿命的影响的方法，该电能存储器件操作成与包括第一和第二电机的混合动力汽车动力系交换电能，每一电机操作成将转矩赋予给双模式复合分离的电动机械传动装置，该传动装置具有四个固定的齿轮比和两个连续可变的工作模式，该方法包括根据在不活动周期中电能存储器件的平均温度以及大体上在汽车停止运转时电能存储器件的温度来确定在不活动周期中电能存储器件的加权平均温度；根据在不活动周期中电能存储器件的加权平均温度来确定电能存储器件的静止温度因数；以及根据该静止温度因数来确定电能存储器件的预期寿命。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定静止温度因数还包括当在不活动周期中加权平均温度小于标称温度时减小之前确定的静止温度因数。
3.如权利要求2所述的方法，还包括根据在不活动周期中加权平均温度和标称温度之间的差，按指数规律地减小之前确定的静止温度因数。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定静止温度因数还包括当在不活动周期中加权平均温度大于标称温度时增大之前确定的静止温度因数。
5.如权利要求4所述的方法，还包括根据在不活动周期中加权平均温度和标称温度之间的差，按指数规律地减小之前确定的静止温度因数。
6.如权利要求1所述的方法，其中确定静止温度因数还包括当在不活动周期中加权平均温度大体上等于标称温度时将静止温度因数保持在标称值。
7.一种在汽车不活动周期中确定温度对电能存储器件的预期寿命的影响的方法，该电能存储器件操作成与包括第一和第二电机的混合动力汽车动力系交换电能，每一电机操作成将转矩赋予给双模式复合分离的电动机械传动装置，该传动装置具有四个固定的齿轮比和两个连续可变的工作模式，该方法包括根据在汽车不活动周期中电能存储器件的平均温度以及大体上在汽车不活动周期开始时电能存储器件的温度来确定在汽车不活动周期中电能存储器件的加权平均温度；以及根据电能存储器件的加权平均温度来确定寿命状态参数的变化。
8.一种在汽车不活动周期中确定温度对电能存储器件的预期寿命的影响的设备，该电能存储器件操作成与包括第一和第二电机的混合动力汽车动力系交换电能，每一电机操作成将转矩赋予给双模式复合分离的电动机械传动装置，该传动装置具有四个固定的齿轮比和两个连续可变的工作模式，该设备包括温度传感器，其适于感测电能存储器件的温度；基于计算机的控制器，其适于接收表示所感测电能存储器件温度的信号；所述基于计算机的控制器包括存储介质，该存储介质中具有被编码的计算机程序，所述计算机程序包括用于根据在不活动周期中电能存储器件的平均温度以及大体上在不活动周期开始时电能存储器件的温度来确定在不活动周期中电能存储器件的加权平均温度的代码；用于根据在不活动周期中电能存储器件的加权平均温度来确定电能存储器件的静止温度因数的代码；以及用于根据该静止温度因数来确定电能存储器件的预期寿命的代码。
9.如权利要求8所述的设备，其中用于确定静止温度因数的代码还包括当在不活动周期中加权平均温度小于标称值时减小之前确定静止温度因数的代码。
10.如权利要求9所述的设备，其中计算机所程序还包括根据在不活动周期中加权平均温度和标称值之间的差按指数规律地减小之前确定的静止温度因数的代码。
11.如权利要求8所述的设备，其中用于确定静止温度因数的代码还包括当在不活动周期中加权平均温度大于标称值时增大之前确定静止温度因数的代码。
12.如权利要求11所述的设备，其中计算机所程序还包括根据在不活动周期中加权平均温度和标称值之间的差按指数规律地减小之前确定的静止温度因数的代码。
13.如权利要求8所述的设备，其中用于确定静止温度因数的代码还包括当在不活动周期中加权平均温度等于标称值时将静止温度因数保持在标称值的代码。
全文摘要
一种混合动力汽车动力系包括电能存储器件。所公开的方法可有效地说明在汽车不活动周期中温度对电能存储器件的影响。
文档编号G01M99/00GK101086522SQ20071010826
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月7日 优先权日2006年6月7日
发明者A·M·策特尔, A·H·希普 申请人:通用汽车环球科技运作公司