专利名称：双蓄电池汽车供电系统中的能量均衡存储方法
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使电能在蓄电池之间均衡存储的方法。
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，蓄电池之间较大的SOC差值反映了电能储存的不均衡状态。此外，当荷电状态(SOC)相差较大时，在电连接状态下将在蓄电池之间发生电能的转移，从而产生不必要的能量损耗。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种双蓄电池汽车供电系统中的能量均衡存储方法，其可实现电能在蓄电池之间的均衡存储。本发明的上述目的通过下列技术方案实现一种双蓄电池汽车供电系统中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荷电状态的差距量；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。优选地，在上述能量均衡存储方法中，所述控制单元按照下式确定所述第一和第二蓄电池的荷电状态的差距量E :E = (S0C「S0C2) X e-t/τ其中，SOC1和SOC2分别为根据电流积分法计算得到的所述第一和第二蓄电池的荷电状态，t为从蓄电池初始时刻到当前时刻所经历的时间，τ为大于零的修正因子，根据实
验确定。优选地，在上述能量均衡存储方法中，所述第一和第二蓄电池的荷电状态SOC1和
SOC2的每一个按照下式计算得到
tSOC = [I + a(At + 6)] - c I i(x)dx
ο其中At为所述蓄电池的温度增大值，i (X)为蓄电池在当前时刻X的电流，t为从初始时刻到当前时刻所经历的时间，a、b和c为通过实验确定的常数。优选地，在上述能量均衡存储方法中，所述控制单元按照下列方式确定所述第一或第二蓄电池的荷电状态输入所述蓄电池的工作电压、工作电流和工作温度；计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值；利用各自的隶属函数确定所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值；利用模糊推理规则，根据所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值确定所述蓄电池的荷电状态的模糊值；以及利用反模糊算法，根据所述蓄电池的荷电状态的模糊值计算所述蓄电池的荷电状态。优选地，在上述能量均衡存储方法中，按照下式计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值U1,a Uljm = U1+(I-I0) X λ (I)其中，U1为所述工作电流I下的所述工作电压，Uljm为所述工作电压U1的修正值，I为所述工作电流，Itl为所述标准工作电流，λ (I)为随所述工作电流变化的数值。优选地，在上述能量均衡存储方法中，所述标准工作电流为下列中的一种所述蓄电池的各种工作状况下的工作电流的算术平均值；所述蓄电池的各种工作状态下的工作电流按照其对应的工作状态出现概率的加权平均值；所述蓄电池的工作电流在一段时间内的平均值。优选地，在上述能量均衡存储方法中，所述λ (I)通过蓄电池在相同温度下不同工作电流的放电曲线获得。优选地，在上述能量均衡存储方法中，所述预先设定的范围的上限和下限是非对称的。本发明的上述目的还可以通过下列技术方案实现一种双蓄电池汽车供电系统中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荷电状态在一段时间内的平均值；所述控制单元确定所述平均值的差距量；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。优选地，在上述能量均衡存储方法中，通过计算所述一段时间内所述第一和第二蓄电池中的每一个在多个时刻的荷电状态的平均值来确定各自的所述平均值。
在本发明的一个实施例中，对于SOC进行了时间上的修正，从而避免或减小了估算误差，这提高了能量均衡存储控制的准确性。此外，在一个实施例中，通过使差距量的预设范围具有非对称的上限和下限，可以很好地满足不同负荷对用电保障程度的需求。再者，在一个实施例中，荷电状态SOC的估算引入了模糊逻辑，从而可以充分利用实验曲线和经验数据，提高结果的准确性。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为一种不例性的双蓄电池汽车供电系统的不意图。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能量均衡存储方法的工作流程图。图4为蓄电池的一个物理模型的示意图。图5为按照本发明一个实施例的SOC计算方法的流程图。图6、7和8分别为图5所示实施例中的蓄电池工作电压修正值、工作温度和SOC状态的隶属函数示意图。
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)，并且如果它们的老化程度或内阻相差较大(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。能量均衡存储控制过稈以下借助图3描述按照本发明的用于双蓄电池汽车供电系统中能量均衡存储方法的一个实施例。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(例如蓄电池的电压、电流和温度)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获取的状态参数计算第一和第二蓄电池130A、130B的荷电状态S0C。在本实施例中，例如可以采用电流积分法来计算S0C。在计算时，为了获得精确的结果，应该将温度因素考虑进去。发明人经过研究发现，下式(I)可以较好地反映温度对按照电流积分法计算得到的SOC的影响t
权利要求
1.一种双蓄电池汽车供电系统中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荷电状态的差距量； 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。
2.如权利要求I所述的能量均衡存储方法，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荷电状态的差距量E E = (SOC1-SOC2) Xe_t/T 其中，SOC1和SOC2分别为根据电流积分法计算得到的所述第一和第二蓄电池的荷电状态，t为从蓄电池初始时刻到当前时刻所经历的时间，τ为大于零的修正因子，根据实验确定。
3.如权利要求2所述的能量均衡存储方法，其中，所述第一和第二蓄电池的荷电状态SOC1和SOC2的每一个按照下式计算得到
4.如权利要求I所述的能量均衡存储方法，其中，所述控制单元按照下列方式确定所述第一或第二蓄电池的荷电状态 输入所述蓄电池的工作电压、工作电流和工作温度； 计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值； 利用各自的隶属函数确定所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值； 利用模糊推理规则，根据所述工作电压修正值和所述工作温度的模糊值确定所述蓄电池的荷电状态的模糊值；以及 利用反模糊算法，根据所述蓄电池的荷电状态的模糊值计算所述蓄电池的荷电状态。
5.如权利要求4所述的能量均衡存储方法，其中，按照下式计算所述工作电压在所述蓄电池的标准工作电流下的工作电压修正值Uhni Uliffl = U^(I-I0)XA (I) 其中，U1为所述工作电流I下的所述工作电压，Uljm为所述工作电压U1的修正值，I为所述工作电流，Itl为所述标准工作电流，λ (I)为随所述工作电流变化的数值。
6.如权利要求5所述的能量均衡存储方法，其中，所述标准工作电流为下列中的一种 所述蓄电池的各种工作状况下的工作电流的算术平均值； 所述蓄电池的各种工作状态下的工作电流按照其对应的工作状态出现概率的加权平均值； 所述蓄电池的工作电流在一段时间内的平均值。
7.如权利要求6所述的能量均衡存储方法，其中，所述λ(I)通过蓄电池在相同温度下不同工作电流的放电曲线获得。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的能量均衡存储方法，其中，所述预先设定的范围的上限和下限是非对称的。
9.一种双蓄电池汽车供电系统中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荷电状态在一段时间内的平均值； 所述控制单元确定所述平均值的差距量； 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。
10.如权利要求9所述的能量均衡存储方法，其中，通过计算所述一段时间内所述第一和第二蓄电池中的每一个在多个时刻的荷电状态的平均值来确定各自的所述平均值。
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荷电状态的差距量；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H02J7/00GK102790408SQ201110126108
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
发明者李军, 邓恒 申请人:上海汽车集团股份有限公司