电气化车辆电池的振动辅助充电的制作方法

1.本发明涉及一种布置成提供车辆电池的快速充电的电气化车辆。本发明还涉及一种在这种电气化车辆中为车辆电池充电的方法。


背景技术：

2.车辆工业不断出现电气化趋势，部分原因是为了应对日益严格的尾气排放管理所带来的挑战。由于电动机越来越多地被用作车辆的主要推进系统，因此需要容量更大的电池，以提供更远的全电动范围或“电动自主(electrical autonomy)”。
3.限制更普遍地采用广泛电气化的车辆的一个因素是为容量较大的电池充电所需的时间。例如，使用家用充电器为插电式混合动力车辆完全充电通常需要几个小时。通过使用可以提供更高充电速率的特定充电基础设施，充电时间可以缩短。然而，可实现的充电速率(c率)不仅受限于基础设施的可用性，而且还受限于蓄电池中使用的化学成分，这从根本上限制了可实现的或最佳的充电速率。
4.现代混合动力或全电气化车辆通常使用锂离子电池。由于锂离子在电解液中的扩散速度太慢，导致在表面附近形成浓度梯度，因此使用高c率充电会消耗可插入电极表面附近的锂离子浓度。即使锂离子在电解质中大量存在，它们也不能进入电极上发生的氧化还原反应。对于大多数电化学电池，通过扩散进行的质量转移是电解质中最主要的过程。如果给予时间，随着新的锂离子扩散到电极表面，形成的浓度梯度消失，插入反应可以继续进行。
5.锂离子在电解液和活性材料中的缓慢扩散速度增加了电池中的不同极化(浓度、欧姆和活化)。这导致与充电期间的c率有关的电压下降，导致过电位和相关的电解质降解，或者简单地导致容量损失，因为将更早地达到截止电压。此外，在高c速率下长期充电会导致电池温度的增加，并相应地增加电池中与温度相关的降解过程。虽然本文相对于锂离子电池进行了描述，但在任何电化学电池中都可能出现类似的浓度梯度，从而导致类似的电池降解和不理想容量问题。
6.为解决这些问题，已经提出了一些方法。例如，混合充电协议是已知的，其中电池在短时间内快速充电，直到某种预定的充电状态(soc)，然后以较慢的速度进一步充电。这种协议使浓度梯度有时间消失。
7.us 5436548描述了不同实施方式中的电池充电和放电系统。电池充电系统包括电源和用于使电池振动的构件。振动构件可以位于电池本身，也可以位于电池外部并与电源电连接。振动构件在充电期间使电池振动，以提高电池的可交付容量。在另一个实施方式中，描述了一种电池放电系统。在这里，电池在放电期间被振动，以提高可用容量。在电池放电系统中，振动源可以定位在电池封装本身中，或者在由电池供电的负载或电气设备中。
8.目前仍然需要改进车辆电池组的充电构件和方法。


技术实现要素：

9.本发明的发明人已经发现了现有技术的对车辆电池组进行充电的构件和方法的一些缺点。如背景技术部分所述，标准的快速充电加速了电池的老化，并降低了电池组的可获得的容量。基于快/慢混合充电协议的方法不允许连续使用高充电速率，也不能在高速率下对电池进行完全充电，也不能在锂离子的传输甚至更慢的低温下为电池提供快速充电，而不考虑充电协议。已知的在对电池进行充电时利用振动构件的方法，诸如us 5436548中的方法，需要在电池中或电连接到电池电源的专用振动构件。这样的专用振动构件增加了电池充电系统的重量和复杂性，从而增加了成本并降低了单位重量的可交付能量，而这是生产电气化车辆的关键考虑因素。us 5436548还公开了一种电池放电系统，振动源可以定位在由电池供电的负载或电气设备中。然而，us 5436548中没有设想这种放电系统在电池的充电期间使用，这大概是因为如果在充电期间使用振动构件，将构成电池上的不希望的寄生负载，该负载在电池被充电时同时对电池进行放电。
10.发明人已经确认需要一种用于对电气化车辆的电池组进行充电的构件，这种构件可以允许在高c率下，甚至在较低的温度下延长充电时间，并且不需要使用专门用于促进电池的充电的振动构件。
11.因此，本发明的目的是提供一种用于对电气化车辆的电池组进行充电的方法，以解决这些问题中的一个或多个问题，从而有助于克服或至少减轻上述的一些缺点。
12.这个目标是通过如所附权利要求书中所公开的电气化车辆来实现的。
13.电气化车辆包括：
14.‑
电池组，其适合于可连接到电源以进行充电，其中电池组包括多个蓄电池。
15.‑
振动发生装置，其布置在电池组的外部，并布置成当振动发生装置处于振动操作状态中时产生该多个蓄电池的振动；以及
16.‑
控制单元，其中，控制单元配置成确保振动发生装置至少在电池组的充电的持续时间中处于振动操作状态中。
17.其中，振动发生装置布置成当处于主要操作状态中时执行除了产生振动以外的功能。
18.电气化车辆通过在充电期间给系统增加运动，提供对流的质量转移，使质量转移不那么依赖于离子的缓慢扩散，从而使蓄电池中的质量转移加速。通过增加运动，充电速率不受浓度梯度的限制。这不仅允许反复快速充电，而且可以在扩散速度进一步减慢的较低温度下快速充电。
19.电气化车辆利用布置成当处于主要操作状态中时执行除了产生振动以外的功能的振动发生装置。这种进一步的功能例如可以是协助推动车辆、协助使车辆转向或协助改善车辆的道路特性。通过利用这种在电气化车辆中已经具有已有功能的振动发生装置，可以改善电池组的充电，同时在一定程度上避免已知解决方案的重量、成本和复杂性的增加。
20.主要操作状态可以是振动操作状态，也就是说，振动发生装置在执行其主要功能时可以产生振动。例如，内燃机当操作时往往会产生一定程度的振动。这使得蓄电池能够以简单、稳健和经济有效的方式被振动，因为用于这样做的装置在某种程度上已经存在并产生振动作为其正常操作的副产品。
21.主要操作状态可以基本不产生振动。这允许精确地控制蓄电池的振动，因为振动
发生装置的振动不是无意中发生的，而仅通过振动操作状态的有目的地使用而发生。
22.振动发生装置可以布置成为具有次要操作状态，该次要操作状态是振动操作状态，次要操作状态配置成相对于主要操作状态，提供该多个蓄电池的更大振动水平。这意味着，在主要操作状态产生振动的情况下，在次要操作状态中产生更大的振动量，而在主要操作状态中不产生振动的情况下，次要操作状态起到产生振动的作用。这允许更大程度地控制蓄电池所受到的振动。
23.电气化车辆还可包括机械连杆，该机械连杆布置成当振动发生装置处于次要操作状态中时被致动，以便产生该多个蓄电池的振动。这允许方便地通过通常可能产生机械输出但不一定产生振动的装置来对蓄电池进行振动。
24.振动发生装置可以是内燃机。由于内燃机在使用时倾向于在一定程度上振动，这允许蓄电池以简单、稳健和经济有效的方式被振动，因为用于振动的装置已经存在，并产生振动作为其正常操作的副产品。此外，由于内燃机被供给单独的能源(燃料)，因此在对电池进行充电时，其不会对电池或充电设备构成寄生负载。
25.振动发生装置可以是主动悬挂系统或动力转向系统中的一个或多个电动机或一个或多个致动器。这样的部件能够产生蓄电池的精确控制的振动。
26.电气化车辆可以是混合动力车辆。混合动力车辆可以包括需要充电的电池以及可用于产生振动的内燃机两者。因此，本发明很容易适用于这种车辆。
27.每个蓄电池可以包括液体电解质。液体电解质电池是成熟的，电解质的质量转移特性是良好建模的，并且已知容易被本发明改进。每个蓄电池可以是锂离子型的。锂离子电池通常用于电气化车辆。
28.根据所附权利要求，上述目的也是通过一种对电气化车辆的电池组进行充电的方法实现的。电池组包括多个蓄电池，并且电气化车辆包括振动发生装置。振动发生装置布置在电池组的外部，并且布置成当处于振动操作状态中时产生该多个蓄电池的振动，并且布置成当处于主要操作状态中时执行除了产生振动以外的功能。
29.该方法包括以下步骤：
30.‑
将电池组布置成与电源连接以进行充电；
31.‑
在一时间段中对电池组进行充电；以及
32.‑
至少在电池组的充电的持续时间中，在振动操作状态中操作振动发生装置。
33.如上所述，通过在充电期间使用振动发生装置对蓄电池进行振动，提高了电池的充电性能。
34.振动发生装置可以至少在电池组的充电的持续时间中在次要操作状态中操作，该次要操作状态是振动操作状态。
35.当振动发生装置是内燃机时，内燃机可以在电池组的充电的持续时间中在不推进电气化车辆的情况下操作。这允许从固定的外部充电装置(例如充电站)进行充电，同时使用内燃机作为振动发生装置。
36.振动发生装置可以在电池组的充电的持续时间中在多个时间段中在振动操作状态中操作。这允许电池组的充电得到改善，同时避免电池组的过度振动，只在不足的质量转移导致不理想的充电性能时暂时振动。
37.振动发生装置可以在电池组的充电的持续时间的至少30％的总时间段中，诸如电
池组的充电的持续时间的至少50％中，或诸如电池组的充电的持续时间的至少70％中，或诸如电池组的充电的持续时间的至少90％中在振动操作状态中操作。通过在充电期间在合适的时间段中对蓄电池进行振动，可以改善充电，同时避免蓄电池和其他车辆部件的过度振动。
38.从下面的详细描述中，本发明的进一步的目标、优点和新颖的特征将对本技术领域的技术人员变得明显。
附图说明
39.为了更全面地理解本发明及其进一步的目标和优点，下面的详细说明应与附图一起阅读，在附图中，相同的附图标记表示各图中的类似项目，其中：
40.图1示意性地展示电池在不同充电速率下的可获得的容量。
41.图2是示意性地展示对电气化车辆的电池组进行充电的方法的流程图。
42.图3示意性地展示根据本发明的一个实施方式的电气化车辆。
43.图4示意性地展示根据本发明的另一个实施方式的电气化车辆。
44.图5示意性地展示根据本发明的又一个实施方式的电气化车辆。
具体实施方式
45.本公开针对一种电气化车辆，包括电池组、振动发生装置和控制单元。
46.电气化车辆
47.所谓电气化车辆是指使用电动机在一定程度上推进车辆的任何车辆。这包括全电动车辆，诸如电池电动车辆，以及混合电动车辆，诸如插电式混合动力车辆、完全混合动力车辆和轻度混合动力车辆。电气化车辆可以优选为插电式车辆，诸如电池电动车辆或插电式混合动力车辆。该车辆可以是任何类型的车辆，包括但不限于重型车辆(诸如卡车或公共汽车)、轻型商用车辆、机动车和摩托车。
48.电池组
49.电气化车辆中的电池组通常用于为电气化车辆中的推进式电动机供电。电池组通常包括多个电池模块，其中每个模块包括多个独立的蓄电池。电池组通常还包括控制器，诸如电池和热管理系统，以及用于封装所有电池组部件的外壳。电池组适合于可连接到电源以进行充电。该电源可以是外部电源，诸如充电站，或内部电源，诸如发电机。电池组可以使用任何化学电池，诸如锂离子电池或镍氢电池，但优选可以是锂离子类型。蓄电池可以使用固体或液体电解质，但优选液体电解质，部分原因是由于广泛的商业可用性，以及在液体电解质中容易引起对流质量转移。
50.振动发生装置
51.振动发生装置布置在电池组的外部。所谓振动发生装置是指作为导致电池组/蓄电池振动的机械能来源的装置。也就是说，振动发生装置并不只是传递外在产生的振动，诸如道路振动，因此，车辆轮胎、悬挂和底盘不应视为振动发生装置。仅仅传递外在产生的振动会导致系统的实用性非常有限(例如需要车辆的运动)，以及很可能即使在最有利的情况下也不会产生足够的振动。振动发生装置布置成当处于主要操作状态中时执行除了产生振动以外的功能，并且布置成当处于振动操作状态中时产生该多个蓄电池的振动。
52.所谓“布置成当处于主要操作状态中时产生除了振动以外的功能”是指在电气化车辆中，当该装置操作时，在产生该多个蓄电池的振动的功能之上满足已有要求的装置。例如，振动发生装置的主要功能可以是协助推进车辆、协助使车辆转向或协助保持车辆的良好操控性。术语“除了
……
以外”旨在包含“除此之外”以及“一起”，即振动发生装置当处于主要操作状态中时可以产生振动，但不一定会产生振动。
53.所谓“布置成当处于振动操作状态中时产生该多个蓄电池的振动”是指当处于振动操作状态中时，振动发生装置使蓄电池振动。需要注意的是，当处于振动操作状态中时，振动发生装置本身不一定会振动，尽管它可以这样做。例如，振动发生装置本身可以振动并经由其他车辆部件(诸如底盘)将该振动传递给蓄电池。然而，也可以设想，振动发生装置可以产生运动，诸如往复运动或旋转运动，该运动可以经由连杆转换为蓄电池的振动运动。
54.例如，振动发生装置可以从包括但不限于以下装置的列表中选择：内燃机、电动推进马达、主动悬挂系统中的致动器或动力转向系统中的致动器。致动器可以是液压、电液或电动致动器。
55.振动发生装置可以产生振动，作为其在主要操作状态中的主要功能的副作用。例如，内燃机每当运行时不可避免地产生某种程度的振动。这样的振动发生装置可以布置成成具有次要操作状态，据此产生增强程度的振动。例如，在内燃机的情况下，众所周知，在发动机停止和/或启动期间，或每当发动机在所有气缸上不平等地燃烧时，所产生的振动更大，因此可以提供次要操作状态，其在电池的充电期间利用这种效应。
56.备选地，振动发生装置在主要操作状态中一般不会产生显著的振动。例如，动力转向或主动悬挂系统中的致动器就是这种情况。在这种情况下，振动发生装置可以布置成提供次要操作状态，据此产生蓄电池的振动。这可以通过利用振动发生装置以产生车辆的至少一部分的相对非特异性振动来实现，例如通过在充电期间使用主动悬挂致动器来使车辆的最靠近电池组的部分振动来实现。然而，电池组、单一电池模块或单一蓄电池的特定振动可以通过在振动发生装置与电池组/模块/电池之间布置可以在电池的充电期间被致动的连杆来实现。连杆例如可以是振动发生装置与电池组/模块/电池之间的机械连杆。机械连杆可以布置成仅当振动发生装置处于次要操作状态中时被致动，从而潜在地避免阻碍振动发生装置在其主要操作状态中的功能。
57.控制单元
58.控制单元配置成确保振动发生装置至少在电池组的充电的持续时间中处于振动操作状态。控制单元还可以配置成监测和调节电池组的充电。
59.蓄电池的振动
60.电池组、电池模块或蓄电池的振动可以使用一个或多个传感器，例如压电或mems加速度计等加速度计来检测。备选地，在充电期间，蓄电池的振动可以通过观察对电池组的充电行为的影响来间接地检测。
61.图1示意性地展示电池在各种充电速率(c
‑
x轴)下的可获得的容量(％容量
‑
y轴)。充电速率c是相对于其最大容量而言，对电池进行充电或放电所需的速率。1c是在一小时内对电池进行放电或充电所需的速率，因此如果电池具有50安培小时的容量，则1c是50安培的速率，而2c是100安培的速率。线101展示在电解液内仅有扩散性质量转移的电池(即静止的电池)中的典型充电行为。线103展示在电解液内同时具有扩散性和对流性质量转移机制
的电池(即正在振动的电池)的典型充电行为。从图1可以看出，对于振动(线103)和非振动(线101)的电池两者，只有在低c率下才能获得最大容量。对于具有液体电解质的锂离子电池，这通常是在大约0.5或更低的范围内。在非振动的电池(线101)中，随着c率增加，可获得的容量下降相当快。然而，在振动的电池(线103)中，随着c率的增加，可获得的容量的下降不那么明显，即在较高的c率下，振动的电池与非振动(静止)的电池相比，显示出更好的充电性能。
62.对电池组进行充电的方法
63.图2是示意性地展示对电气化车辆的电池组进行充电的方法的流程图。当对电池组进行充电时，执行以下步骤：
64.‑
将电池组布置成与电源连接以进行充电(s201)；
65.‑
在一时间段中对电池组进行充电(s202)；以及
66.‑
至少在电池组的充电的持续时间中，在振动操作状态中操作振动发生装置(s203)。
67.电源可以是外部电源，诸如电气化车辆的充电站，或者其可以是内部电源，诸如串联式混合动力车辆的发电机。如果电源是内部电源，则电池组可以永久或半永久地布置成与电源连接。
68.一旦电池组布置成与电源连接，充电就可以开始。如上所述，对于以1c的速率充电的电池组，标称充电持续时间为1小时，对于0.5c的充电速率，标称充电持续时间为2小时，以此类推。
69.控制单元在充电持续时间中是主动的，以确保在充电期间，振动发生装置至少在某些时间段中处于振动操作状态中。这可能需要控制单元开始振动操作状态，例如通过打开内燃机来开始。然而，在某些情况下，振动操作状态可能已经在进行中，例如在串联式混合动力车辆的情况下，据此内燃机操作以对电池组进行充电。
70.振动发生装置可以在充电的整个持续时间中，诸如在电池组的充电的持续时间的至少90％中基本上处于振动操作状态中。然而，可以在充电的持续时间的较短比例中，诸如至少70％中、至少50％中或至少30％中使蓄电池振动就足够了。在充电期间，蓄电池可以在单一时间段中被振动，或者振动可以在多个时间段中执行，诸如每次充电执行固定次数和持续时间或每个单位时间执行固定次数和持续时间。因此，总时间段是各个振动时间段的总和。
71.控制单元还可以布置成监测电池组的充电特性，并基于电池组的充电特性来控制蓄电池的振动。以这种方式，只有当充电特性表明在电池的电解液中已经形成了实质性的浓度梯度时，蓄电池才需要被振动。
72.充电可采用振动和快速及慢速充电的组合方案，以可变速率执行。充电可在固定时间段中执行，或充电可以在达到规定的电流或电压极限时停止。
73.现在将参照图示的实施方式进一步举例说明本发明。
74.图3示意性地展示根据本发明的一个实施方式的电气化车辆。电气化车辆301是混合动力车辆，包括电池组303、内燃机305、控制单元307和电动机309。电池组303通过电源线313连接到充电站311。在充电期间，内燃机305由控制单元307周期性地启动、操作和停止，以产生振动。这些振动通过车辆传播到电池组303，从而时电池组303内的蓄电池振动。在此
过程期间，车辆变速器(未示出)可以与传动系统解耦，以便在不推进车辆301的情况下操作内燃机305。
75.图4示意性地展示根据本发明的另一个实施方式的电气化车辆。电气化车辆401是电池电动车辆，包括电池组403、控制单元407和电动机409。电气化车辆还包括主动悬挂，该主动悬挂包括机电致动器415。电池组403通过电源线413连接到充电站411。在充电期间，机电致动器415由控制单元407系统地致动，以产生振动。这些振动通过车辆传播到电池组403，从而使电池组403内的蓄电池振动。
76.图5示意性地展示根据本发明的另一实施方式的电气化车辆。电气化车辆501是电池电动车辆，包括电池组503、控制单元507和电动机509。电动车辆还包括动力转向装置，该动力转向装置包括机电致动器517。在充电期间，机械连杆519将机电致动器517联接到电池组503的外壳。电池组503通过电源线513连接到充电站511。在充电期间，机电致动器517由控制单元507周期性地致动，以产生运动，该运动由机械连杆519输送到电池组503的外壳，从而使电池组503内的蓄电池振动。