专利名称：汽车供电系统中的蓄电池老化程度的均衡控制方法
技术领域：
本发明涉及汽车电子技术，特别涉及一种在利用多块蓄电池作为储能设备的汽车供电系统中均衡蓄电池老化程度的方法。
背景技术：
汽车供电系统主要由储能装置(例如蓄电池或超级电容器)、能量转换装置(例如将机械能转换为电能的发电机)、起动机和控制单元组成。在汽车供电系统中，控制单元是整个系统的核心，它负责根据用电负荷、蓄电池状态和发电机状态等工况确定和实施合适的电能管理策略。起动机利用蓄电池的能量将汽车发动机启动，使发动机在所需的工作状态下运转。发动机运转时将带动发电机发电，并按汽车电气系统的电压要求向汽车的用电负载供电和向蓄电池充电。例如，在控制单元的控制下，如果汽车电气系统的用电电流大于发电机的供电电流，则蓄电池就会放电，以弥补不足的电流，反之，如果汽车电气系统的用 电电流小于发电机的供电电流，则电流差的一部分作为蓄电池的充电电流而流入蓄电池。汽车的用电负载在电气特性上往往具有较大的差异，例如起动机工作时需要提供大安倍的瞬间电流，而照明、音响等设备需要提供较长时间的小电流。为了同时满足上述两类负载的用电需求，业界一般采用一个大容量和大极板面积的蓄电池。但是这种方法的缺点是导致蓄电池寿命的缩短，这是因为可能出现下列情况在经过一段时间的使用之后，蓄电池作为启动用的储能器是可用的，但是却无法长时间供电，或者虽然可以长时间供电，但是却无法提供大电流，面对这些情况，更换蓄电池将是不可避免的。针对不同负荷的用电特点，汽车供电系统可采用双电池设计，即蓄电池包括启动型蓄电池和供电型蓄电池，前者与启动机并联组成启动回路，后者与用电器件并联组成供电回路，而电气系统控制器可分别对启动回路和供电回路的启闭进打控制。在上述双电池设计中，随着蓄电池的启用，它们的老化程度将产生差异。如果该差异过大，势必导致两块蓄电池的使用寿命严重不匹配，这将导致维护和修理成本的增加。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种汽车供电系统中的蓄电池老化程度的均衡控制方法，其具有控制方式灵活和效果明显的优点。本发明的上述目的通过下列技术方案实现—种汽车供电系统中的蓄电池老化程度的均衡控制方法，所述双蓄电池汽车供电系统包括发电机、与所述发电机并联耦合以形成供电回路的第一蓄电池、与起动机并联耦合以形成启动回路的第二蓄电池以及可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间的控制单元，其中，包含下列步骤所述控制单元确定所述第一和第二蓄电池的老化程度；所述控制单元确定所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量；如果所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量偏离预先设定的范围，则所述控制单元通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致。优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下式确定所述第一和第二蓄电池的老化程度A
,1 Cs (0A = I--^~其中，Cs(t)为所述第一和第二蓄电池在时刻t满充容量，Cn为第一和第二蓄电池的标称容量。优选地，在上述方法中，所述第一和第二蓄电池在时刻t满充容量Cs⑴通过测量所述第一和第二蓄电池的内阻并依据预先确定的内阻-满充容量之间的关系确定。优选地，在上述方法中，所述第一和第二蓄电池的内阻采用交流法测得。·优选地，在上述方法中，所述预先设定的范围的上限和下限是非对称的。优选地，在上述方法中，所述老化程度被划分为多个范围，每个范围对应一个离散值，所述控制单元按照下列方式确定所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量根据所述第一和第二蓄电池的老化程度的大小将其映射为相应的离散值；以及将所述第一和第二蓄电池的老化程度的离散值相减以确定所述差距量。优选地，在上述方法中，所述范围的数量为五个，按照从大到小的顺序分别赋予离散值1、2、3、4和5。优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式，通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式，通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致如果所述差距量超出所述预设范围的上限，则所述控制单元使所述第二蓄电池的荷电状态保持在一个预设水平之上；如果所述差距量超出所述预设范围的下限，则当汽车的用电设备需要蓄电池供电时，所述控制单元使所述第一和第二蓄电池同时供电，所述第一阈值小于所述第二阈值。优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式使所述第二蓄电池的荷电状态保持在一个预设水平之上当所述第二蓄电池的荷电状态小于所述预设水平时，如果汽车处于行驶状态并且所述发电机的供电能力大于汽车的用电负荷，则所述控制单元使所述发电机向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到所述预设水平，否则，所述控制单元使所述第一蓄电池向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到所述预设水平。优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式，通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致优选地，在上述方法中，所述控制单元按照下列方式，通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致当所述差距量超出所述预设范围的上限时，如果环境温度低于一个预设值，则在汽车启动时，所述控制单元使所述第一和第二蓄电池同时向所述起动机供电。在本发明的一个实施例中，将老化程度划分为多个范围并赋予相应的离散值，这可以简化差距量的计算而且通过改变离散值的取值能够灵活地适应不同的应用要求。此夕卜，在一个实施例中，通过测量内阻来确定蓄电池的老化程度可以降低测量的复杂性，适合于动态调控蓄电池的老化程度。从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。
图I为一种示例性的双蓄电池汽车供电系统的示意图。 图2为图I所示双蓄电池汽车供电系统中的控制单元的结构示意图。图3为按照本发明一个实施例的老化程度均衡控制方法的工作流程图。图4为按照本发明一个实施例的用于测量蓄电池内阻的电路的示意图。
具体实施例方式下面通过参考附图描述本发明的具体实施方式
来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具体实施方式
仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。在本说明书中，“耦合”一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元或数值之用。另外，这里所述的蓄电池指的是能将化学能转变化电能并产生直流电的装置，其包括但不限于铅酸蓄电池和锂电池等。双蓄电池汽车供电系统图I为一个示例性的双蓄电池汽车供电系统的示意图。参见图1，该双蓄电池汽车供电系统10包括控制单兀110、发电机120、第一和第二蓄电池130A和130B和第一-第四开关装置K1-K4。在图I中，粗实线表示功率或能量流，而细实线表示控制信号和测量信号流。值得指出的是，虽然在这里控制单元110与第一-第四开关装置K1-K4以及发电机120以总线方式相连，但是这并不意味着控制单元与被控制单元之间必须局限于这种连接方式，实际上它们之间也可以采用点对点的连接方式。在图I中，控制单元110是整个供电系统10的核心，其一方面负责根据用电状况(例如用电负载30和40的用电需求)、蓄电池状态(这里例如是第一和第二蓄电池130A和130B的工作电流、工作电压、温度、老化程度和荷电状态(SOC)中的一种或多种)和发电机状态(例如发电机当前所能提供的工作电流)等确定合适的电能管理策略，另一方面，控制单元110还具有直流-直流转换能力，以通过升压和降压操作向第一和第二蓄电池130A和130B提供合适的充电电压。在下面将会进一步描述控制单元110的上述功能。如图I所示，第一蓄电池130A、发电机120和用电负载30并联连接以形成供电回路。控制单元110经第一开关装置Kl接入该供电回路。与此同时，第一蓄电池130A还经第二开关装置K4与第二蓄电池130B相连。另一方面，第二蓄电池130B、起动机20和用电负载40并联连接以形成启动回路。控制单元110经第二开关装置K2接入该启动回路。由此，在本所示的供电系统中，第一与第二蓄电池130A、130B之间包含两条相连的通道，其中一条经过控制单元110，而另一条则旁路控制单元110。值得指出的是，虽然这里的用电负载30和40是以两个方框示出的，但是它们实际上指的是两组用电负载，其中，用电负载30指的是汽车在与启动无关的汽车电器，包括但不限于车灯、鼓风机、空调和音响等，而用电负载40指的是与汽车启动相关的电子设备，包括但不限于各种用于测量启动时状态的传感器和电子控制单元(ECT)等。在本例中，用电负载40主要由第二蓄电池130B供电，并且在第二蓄电池130B供电能力不足时，由第一和第二蓄电池130A和130B联合向用电负载40供电。 在图I所示的供电系统中，控制单元110利用第一-第四开关装置K1-K4来控制电路的接通和关断以实现相应的电能管理策略，其中，供电回路与控制单元110之间的通道的接通和关断由第一开关装置Kl控制，启动回路与控制单元110之间的通道的接通和关断由第二开关装置K2控制，第二蓄电池130B与用电负载40之间的通道的接通和关断由第三开关装置K3控制，第一与第二蓄电池130A、130B之间直接相连的通道的接通和关断由第四开关装置K4控制。上述第一-第四开关装置K1-K4的启闭和断开都由控制单元110控制，它们例如可以由继电器实现。在本例中，汽车启动阶段的供电(也即起动机20和用电负载40的供电)主要由第二蓄电池130B负责提供。由于启动阶段需要大的瞬间电流，因此可以将第二蓄电池130B设计为与第一蓄电池130A相比，具有较大的极板面积以利于提高输出的电流强度。另外，用电负载30主要由第一蓄电池130A和发电机120供电。由于用电负载的供电特点是需要提供长时间的小电流，因此第一蓄电池130A可以设计为与第二蓄电池130B相比，在极板上形成更厚的活性物质。控制单元图2为图I所示双蓄电池汽车供电系统中的控制单元的结构示意图。如图2所示，控制单元110包含电源管理控制装置1101、直流-直流变换装置1102和蓄电池状态监测装置1103。在图2中，粗实线表示功率或能量流，而细实线表示控制信号和测量信号流。电源管理控制装置1101、直流-直流变换装置1102和蓄电池状态监测装置1103之间通过单元内部的LINK总线通信，并且电源管理控制装置1101和蓄电池状态监测装置1103通过单元外部的CAN总线与外部设备(例如第一-第三开关装置K1-K4、用电负载30、发电机120等)通信。电源管理控制装置1101根据用电状况、蓄电池状态和发电机状态等确定合适的电能管理策略并生成相应的控制命令。这些控制命令被提供至位于控制单元110内部的直流-直流变换装置1102和蓄电池状态监测装置1103以及位于控制单元110外部的第一-第四开关装置K1-K4。有关电能管理策略的确定方式将在下面作详细描述。直流-直流变换装置1102将来自发电机120、第一和第二蓄电池130A和130B的输出电压变换为所需的直流电压。例如，直流-直流变换装置1102可对发电机120的输出作直流-直流转换操作以使发电机120向第二蓄电池130B充电，或者可对第一蓄电池130A的输出作直流-直流转换操作以使第一蓄电池130A向第二蓄电池130B充电。又如，直流-直流变换装置1102可对第二蓄电池130B的输出作直流-直流转换操作以使第二蓄电池130B向第一蓄电池130A充电。蓄电池状态监测装置1103通过CAN总线与传感器相连以监测第一和第二蓄电池130A和130B的状态参数(例如蓄电池的工作电压、工作电流和温度等)。测得的状态参数被经控制单元110内部的LINK总线被送至电源管理控制装置1101。蓄电池状态监测装置1103被配置为具有传感器故障诊断功能。具体而言，可为第一和第二蓄电池130A和130B配备两组性能一致或基本一致的传感器组，并且将两块蓄电池的使用率控制得相似或相近(例如通过使第一和第二蓄电池130A和130B的SOC的差异始终保持在一个较小的范围内)。蓄电池状态监测装置1103可以定期或不定期地监测第一和第二蓄电池130A和130B的老化程度(例如通过测量两块蓄电池的内阻)，并且如果它们的内阻相差较大(例如绝对差值超过一个预设的阈值)，则蓄电池状态检测装置1103即可判断传感器组出现故障。老化稈度询衡控制讨稈
以下借助图3描述按照本发明的汽车供电系统中的蓄电池老化程度均衡控制方法的一个实施例。为阐述方便，这里以图I和2所示的双蓄电池汽车供电系统为例进行描述。但是应该理解的是，上述工作流程也可应用于其它类型的双蓄电池汽车供电系统。参见图3，在步骤310，控制单元110的蓄电池状态监测装置1103测量第一和第二蓄电池130A和130B的状态参数(例如蓄电池的内阻)并且经LINK总线发送至电源管理控制装置1101。随后在步骤320，电源管理控制装置1101根据蓄电池状态监测装置1103获取的状态参数确定第一和第二蓄电池130AU30B当前的满充容量。一般而言，准确测量满充容量需要对蓄电池进行深度放电，这是一个长时间的大电流放电的过程，对电路连接的安全性有较高的要求，不适合快速的在线测试。本发明的发明人经过深入研究发现，蓄电池的满充容量与测得的蓄电池内阻之间存在确定的关系，而且对于相同或相似类型(例如几何尺寸、电解液含量和浓度、极板材料等相同或相似)的蓄电池，这种关系是基本上相同或相似的。基于该特点，可以通过实验测量第一和第二蓄电池所属类型的满充容量与内阻之间的关系曲线并存储在数据库中，这样在步骤320中，电源管理控制装置1101可以通过查询数据库，根据步骤310中获取的蓄电池内阻确定相应的满充容量值。随后进入步骤330，电源管理控制装置1101计算第一和第二蓄电池130A和130B的老化程度。在本实施例中，例如可以采用下式(I)计算蓄电池的老化程度A :
,1 C,(0A = \ - ~( I )其中Cs为所述第一和第二蓄电池在时刻t的满充容量,Cn为第一和第二蓄电池的标称容量。显然，较高的A值表明蓄电池的老化程度较严重，反之亦然。接着进入步骤340，电源管理控制装置1101计算第一和第二蓄电池130A、130B的老化程度的差距量，例如通过将第一蓄电池130A的老化程度减去第二蓄电池130B的老化程度来获得该差距量。但是可选地，可以将蓄电池的老化程度取值划分为多个老化程度范围，每个范围对应一个离散值。例如可以将老化程度划分为5个范围，分别称为“生命终止”、“重老化”、“中老化”、“轻老化”和“良好”，每个范围按照数值范围从大到小的顺序分别被赋予离散值1、2、3、4和5，使得老化程度越轻，则对应的离散值越大，反之亦然。值得指出的是，被划分范围的大小可以相等，也可以不等，这取决于应用的场合。因此对于离散化形式表示老化程度的情况，可以，可以先根据步骤330确定的蓄电池的老化程度所属的老化程度范围赋予相应的离散值，然后再将所赋予的离散值相减以得到上述差距量。随后，在步骤350中，电源管理控制装置1101判断上述步骤340中得到的差距量是否落在预先设定的范围[A，B]内，其中A和B该范围的端点值，也即下限和上限。如果判断结果为真，则结束本次过程，否则进入步骤360。在步骤360中，电源管理控制装置1101根据差距量的大小设置相应的供电策略。在本实施例中，考虑到作为启动用的第二蓄电池130B需要更高的保障程度，应尽量使它的老化程度轻于第一蓄电池A的老化程度，但是又不能使二者的差距过大，因此将上述预先设定的范围的上限和下限设置为非对称，其中上限的绝对值小于下限的绝对值。例如在老化程度以离散化形式表示的情况下，可以将上限设定为I而下限设定为-3，这样，如果差距量E大于I (也即第一蓄电池130A的老化程度比第二蓄电池130B的老化程度轻I个档位或单位值以上)，则电源管理控制装置1101将供电策略设置为使第二蓄电池130B的荷电 状态保持在一个预设水平(例如90% )之上和/或汽车低温启动时(例如环境温度低于15摄氏度时)由第一和第二蓄电池130AU30B联合向起动机20和负载40供电。另一方面，如果差距量E小于-3 (也即第二蓄电池130B的老化程度比第一蓄电池130A的老化程度轻3个档位或单位值以上)，则电源管理控制装置1101将供电策略设置为在发电机120无法满足负载30的供电负荷时，由第一和第二蓄电池130A、130B联合向负载30供电。随后进入步骤370中，电源管理控制装置1101执行步骤360中设置的供电策略。具体而言，为了使第二蓄电池130B的荷电状态保持在一个预设水平(例如90% )之上，在电源管理控制装置1101的控制下，第一、第二和第三开关装置K1-K3断开并且第四开关装置K4闭合，由此使发电机120向第二蓄电池130B充电，或者第一、第二开关装置K1-K2闭合并且第三、第四开关装置K3-K4断开，由此将第一蓄电池130A的输出作直流-直流转换操作以使第一蓄电池130A向第二蓄电池130B充电；为了在汽车低温启动时由第一和第二蓄电池130AU30B联合供电，在电源管理控制装置1101的控制下，第一、第二开关装置K1-K2断开，第三、第四开关装置K3-K4闭合，由此实现第一和第二蓄电池130AU30B向起动机20和负载40供电；为了在发电机120无法满足负载30的供电负荷时由第一和第二蓄电池130AU30B联合向负载30供电，在电源管理控制装置1101的控制下，第二和第三开关装置K2-K3断开并且第一和第四开关装置Kl、K4闭合，由此建立第一和第二蓄电池130A、130B向负载30的供电通道。蓄电池内阻的测量以下描述蓄电池内阻的测量方法。一般而言，蓄电池的阻抗Z可以表示如下Z = Z++Z_+Rohm ⑵其中，Z+和Z_分别表示正负极阻抗，Rohm表示欧姆阻抗。蓄电池阻抗是一个复阻抗，与测试频率相关，因此可以采用交流法来测量蓄电池的内阻。由于电池内阻为毫欧级，为了防止较大的误差，常采用四线制测量方式，即，在测量时，两个端子施加一定频率的恒定交流电激励电流信号，另两个端子用于测量。在实际应用中，由于馈入信号比较微弱，容易受到干扰，为此，本发明的发明人特提出图4所示的电路来克服干扰信号。
如图4所示,该电路包括受控电流源410、交流放大单元420、同步检波单元430、低通滤波单元440和控制单元450。受控电流源410通过两个端子在蓄电池500的两端施加恒定的交流电激励信号，交流放大单元420用于对蓄电池500产生的电压信号进行放大，同步检波单元430将交流放大单元420的放大信号与检波信号相乘。在图4所示的电路中，控制单元450与受控电流源410和同步检波单元430耦合，向它们提供时钟信号以同步激励信号和检波信号。低通滤波单元440则对检波后的信号作低通滤波处理。以下描述利用上述电路测量蓄电池内阻的原理。假设受控电流源410的工作电流I和蓄电池500的响应电压U分别为I = Imax SinOt)(3)
权利要求
1.一种汽车供电系统中的蓄电池老化程度的均衡控制方法，所述双蓄电池汽车供电系统包括发电机、与所述发电机并联耦合以形成供电回路的第一蓄电池、与起动机并联耦合以形成启动回路的第二蓄电池以及可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间的控制单元，其中，包含下列步骤 所述控制单元确定所述第一和第二蓄电池的老化程度； 所述控制单元确定所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量； 如果所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量偏离预先设定的范围，则所述控制单元通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致。
2.如权利要求I所述的方法，其中，所述控制单元按照下式确定所述第一和第二蓄电池的老化程度A Cn 其中，Cs (t)为所述第一和第二蓄电池在时刻t满充容量,Cn为第一和第二蓄电池的标称容量。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一和第二蓄电池在时刻t满充容量Cs(t)通过测量所述第一和第二蓄电池的内阻并依据预先确定的内阻-满充容量之间的关系确定。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一和第二蓄电池的内阻采用交流法测得。
5.如权利要求I所述的方法，其中，所述预先设定的范围的上限和下限是非对称的。
6.如权利要求I所述的方法，其中，所述老化程度被划分为多个范围，每个范围对应一个离散值，所述控制单元按照下列方式确定所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量 根据所述第一和第二蓄电池的老化程度的大小将其映射为相应的离散值；以及 将所述第一和第二蓄电池的老化程度的离散值相减以确定所述差距量。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述范围的数量为五个，按照从大到小的顺序分别赋予离散值1、2、3、4和5。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制单元按照下列方式，通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致 如果所述差距量超出所述预设范围的上限，则所述控制单元使所述第二蓄电池的荷电状态保持在一个预设水平之上；如果所述差距量超出所述预设范围的下限，则当汽车的用电设备需要蓄电池供电时，所述控制单元使所述第一和第二蓄电池同时供电，所述第一阈值小于所述第二阈值。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述控制单元按照下列方式使所述第二蓄电池的荷电状态保持在一个预设水平之上 当所述第二蓄电池的荷电状态小于所述预设水平时，如果汽车处于行驶状态并且所述发电机的供电能力大于汽车的用电负荷，则所述控制单元使所述发电机向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到所述预设水平，否则，所述控制单元使所述第一蓄电池向所述第二蓄电池充电直到所述第二蓄电池的荷电状态达到所述预设水平。
10.如权利要求5所述的方法，其中，所述控制单元按照下列方式，通过采用相应的供电策略以使所述第一和第二蓄电池的老化程度趋于一致 当所述差距量超出所述预设范围的上限时，如果环境温度低于一个预设值，则在汽车启动时， 所述控制单元使所述第一和第二蓄电池同时向所述起动机供电。
全文摘要
本发明涉及汽车电子技术，特别涉及一种在利用多块蓄电池作为储能设备的汽车供电系统中使电能在蓄电池之间均衡存储的方法。按照本发明的能量均衡存储方法，所述双蓄电池汽车供电系统包括发电机、与所述发电机并联耦合以形成供电回路的第一蓄电池、与起动机并联耦合以形成启动回路的第二蓄电池以及可控地耦合在所述供电回路与所述启动回路之间的控制单元，其中，包含下列步骤所述控制单元确定所述第一和第二蓄电池的老化程度的差距量；所述控制单元确定所述差距量是否偏离预先设定的范围；以及如果所述差距量超出所述预先设定的范围，则所述控制单元使所述发电机向所述第一或第二蓄电池充电以使所述差距量回落到所述预先设定的范围之内。
文档编号H01M10/42GK102790240SQ20111012612
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者邓恒, 陈日红 申请人:上海汽车集团股份有限公司