专利名称：过量电流检测控制方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于控制进出蓄电池组的功率的方法，且更具体地涉及控制进入电动车辆或混合动力车辆的蓄电池组的充电功率和离开蓄电池组的放电功率的方法，所述方法监测在一定时间内积分的均方根电流且在超过电流阈值时调节功率。
背景技术：
电动车辆和汽油/电动混合动力车辆在当今机动车市场中快速流行。电动车辆和混合动力车辆提供多个期望特征，例如减少排放物，减少石油基燃料的使用且可能降低操作成本。电动车辆和混合动力车辆的关键部件是蓄电池组。这些车辆中的蓄电池组通常包括多个互连单元，其可以根据需要传输大量功率。蓄电池组还表示车辆成本的显著部分。为了最大化车辆驾驶里程和最大化蓄电池组寿命，往返蓄电池组的电流必须被控制，使得蓄电池组不会过快地充电或放电，这可能导致过热损害和其它问题。已经开发和实施监测蓄电池组以防止过热的多种方法。这些方法包括监测蓄电池组的温度以检测温度过高状况；以及监测蓄电池组的荷电状态以确定蓄电池组是否过快地充电或放电。然而，这些方法均具有缺陷。蓄电池组中的温度可以仅仅在蓄电池组内的若干分立位置经济地监测；因而，在蓄电池组中可能存在比温度传感器所指示更热的地方， 在该情况下，在检测到高温时蓄电池组中的一些单元可能已经损坏。而且，蓄电池组的加热中涉及时间滞后，这产生仅仅在一些损害已经完成之后采取功率调节动作的风险。荷电状态监测通常对蓄电池组中的每个单元进行，但是荷电状态测量可能具有累积误差，这使之难以准确地确定一些蓄电池组单元是否将要经受损害。如温度那样，荷电状态也是事后指
7J\ ο为了更有效地保护蓄电池组不受损害，需要闭环预测监测和控制方法。可以使用在一定时间窗内监测充电和放电电流的方法，以提前确定功率是否需要调节，以便防止蓄电池组单元的损害，从而克服现有方法的限制。这种方法还能够以改进车辆驾驶性能同时还保持蓄电池组耐用性的方式实施。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于控制电动车辆或混合动力车辆的蓄电池组的充电和放电的方法。监测流入或流出蓄电池组的电流，且均方根(RMS)电流在时间窗内积分并与阈值进行比较以确定功率是否需要调节，以便防止对蓄电池组中的单元的损害。如果时间积分RMS电流超过阈值，那么起用闭环比例-积分(PI)控制器以调节功率输入或输出。控制器将继续调节功率，直到时间积分RMS电流下降低于阈值。对于不同时间窗能够定义不同阈值。PI控制器中使用的增益也能够调节以缩放功率调节量。方案1. 一种用于控制蓄电池组中的充电和放电功率的方法，所述方法包括 用电流传感器测量流入或流出蓄电池组的电流；
根据所测量电流计算时间窗的均方根电流；将均方根电流与该时间窗的阈值进行比较；和基于均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率。方案2.根据方案1所述的方法，其中，计算时间窗的均方根电流包括使用指数加权移动平均滤波器。方案3.根据方案1所述的方法，其中，基于均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率包括如果均方根电流超过该阈值，那么减少充电或放电功率。方案4.根据方案1所述的方法，其中，基于均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率包括计算误差函数；以及使用比例积分控制算法来计算功率设定值。方案5.根据方案4所述的方法，其中，使用比例积分控制算法来计算功率设定值包括
基于误差函数计算比例项； 基于误差函数计算积分项；
如果需要，限幅积分项以使之处于最大值和最小值之间； 将比例项和积分项相加；以及
将功率极限值与比例项和积分项的总和相加以获得功率设定值。方案6.根据方案5所述的方法，其中，限幅积分项包括允许充电功率的最大值和最小值不同于放电功率的最大值和最小值。方案7.根据方案5所述的方法，其中，增加功率极限值包括允许充电功率的功率极限值不同于放电功率的功率极限值。方案8.根据方案1所述的方法，其中，蓄电池组是锂离子蓄电池组。方案9.根据方案1所述的方法，其中，蓄电池组用于电动车辆或混合动力车辆。方案10. —种用于控制电动车辆内的锂离子蓄电池组中的充电和放电功率的方法，所述方法包括
用电流传感器测量流入或流出蓄电池组的电流； 根据所测量电流计算时间窗的滚动平均均方根电流； 将滚动平均均方根电流与该时间窗的阈值进行比较；和
基于滚动平均均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率，其中，如果滚动平均均方根电流超过该阈值，那么减少充电或放电功率。方案11.根据方案10所述的方法，其中，计算时间窗的滚动平均均方根电流包括使用指数加权移动平均滤波器。方案12.根据方案10所述的方法，其中，基于滚动平均均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率包括计算误差函数；以及使用比例积分控制算法来计算功率设定值。方案13.根据方案12所述的方法，其中，使用比例积分控制算法来计算功率设定值包括
基于误差函数计算比例项； 基于误差函数计算积分项；
如果需要，限幅积分项以使之处于最大值和最小值之间； 将比例项和积分项相加；以及将功率极限值与比例项和积分项的总和相加以获得功率设定值。方案14.根据方案13所述的方法，其中，限幅积分项包括允许充电功率的最大值和最小值不同于放电功率的最大值和最小值。方案15. —种用于蓄电池组的功率管理系统，所述蓄电池组将电能提供给设备， 所述功率管理系统包括
电流传感器，用于测量流入或流出蓄电池组的电流；
控制器，用于管理蓄电池组中的充电和放电功率，所述控制器响应于来自于电流传感器的测量信号且配置成在时间窗内平均的电流超过阈值时限制功率以防止对蓄电池组的损害；以及
响应于来自于控制器的信号限制蓄电池组中的充电和放电功率的装置。方案16.根据方案15所述的功率管理系统，其中，所述控制器包括系统误差计算模块和比例积分控制模块。方案17.根据方案16所述的功率管理系统，其中，所述控制器中的系统误差计算模块配置成使用指数加权移动平均滤波器来计算时间窗的滚动平均均方根电流；计算滚动平均均方根电流和阈值之间的差；以及基于所述差来计算系统误差函数。方案18.根据方案16所述的功率管理系统，其中，所述控制器中的比例积分控制模块配置成基于系统误差计算模块的输出来计算比例项和积分项；如果需要，限幅积分项以使之处于最大值和最小值之间；将比例项和积分项相加；以及将功率极限值与比例项和积分项的总和相加以获得功率设定值。方案19.根据方案18所述的功率管理系统，其中，充电功率的最大值、最小值和功率极限值均不同于放电功率。方案20.根据方案15所述的功率管理系统，其中，蓄电池组是锂离子蓄电池组， 所述设备是电动车辆。本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
图1是电动车辆蓄电池组功率管理系统的示意图2是蓄电池组电流对比时间的曲线图，示出了如何计算滚动平均RMS电流； 图3是根据持续时间而变的RMS电流阈值的曲线图4是系统误差计算模块的框图，其可以用于计算“误差”功率量以用于比例积分(PI) 控制模块；
图5是在图1的控制器中实施的PI控制模块的框图；和
图6是由图1的控制器用于监测和调节蓄电池组中的充电和放电功率的过程的流程图。
具体实施例方式涉及蓄电池组的电流监测和控制方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，所公开方法按照其应用于电动车辆或混合动力车辆蓄电池组描述，但是所述方法可同样应用于多用途运载车辆(例如，铲车和高尔夫球车)中的蓄电池组以及基于非车辆的蓄电池组。电动车辆和混合动力车辆中的蓄电池组通常足够大，使得其热管理成为问题。与计算机和电子器件中使用的小蓄电池不同，电动车辆和混合动力车辆蓄电池组包括紧密堆叠在一起的多个单元，这意味着每个单元没有足够的暴露表面面积来允许有效空气冷却。 热管理问题由驾驶电动车辆或混合动力车辆所需的高电流构成，因为在充电和放电期间释放热量。已知高操作温度对蓄电池组是有害的，例如用于许多电动车辆和混合动力车辆中的类型的锂离子蓄电池组。因而，需要保护蓄电池组中的单元不受充电或放电操作期间的过热影响。电动车辆蓄电池组通常具有整体冷却系统以根据需要从蓄电池组去除热量以便保持温度低于某一阈值。还开发了蓄电池组控制系统，其基于温度或荷电状态考虑来限制充电或放电电流量。这些现有控制方法和系统可能不总是完全保护蓄电池组不受损害，因为它们设计成对温度或荷电状态测量值做出反应，温度或荷电状态测量值可能包括误差和/或时间滞后。 为了克服这些问题，本文公开了一种新型的蓄电池组控制方法，其使用充电或放电电流的时间历史作为功率调节的基础。图1是电动车辆蓄电池组功率管理系统10的示意图。车辆12使用一个或多个电动马达(未示出)用于推进，马达的电能由蓄电池组14提供。蓄电池组14装配有多个电压和温度传感器16，其监测蓄电池组14内的电压(作为荷电状态的指示)和温度。其它参数也可以由电压和温度传感器16监测，且可以在蓄电池组14内的多个位置进行测量。功率电缆18将所有充电和放电电流传送进出蓄电池组14。充电电流来自于充电转换器(未示出)，而放电电流到达电动马达。电流传感器20连续地测量充电或放电电流。控制器22用于基于来自于电流传感器20的测量值监测和控制进出蓄电池组14 的电流。控制器22经由连接件24与电压和温度传感器16通信且经由连接件26与电流传感器20通信。连接件24和26可以是有线或无线的。控制器22配置成在需要时限制充电或放电功率以防止蓄电池组14的过热损害，如下文详细所述。本发明提出了监测进入(充电)或离开(放电)蓄电池组14的实际电流以及使用时间积分均方根(RMS)电流作为控制算法的基础。所述算法跟踪各种时间间隔内的RMS电流， 将RMS电流与用于所述时间间隔的阈值进行比较。如果RMS电流超过阈值，那么在控制器 22中实施的闭环比例-积分(PI)控制算法调节功率。控制器22中的PI控制算法继续调节功率，直到RMS电流下降低于阈值。图2是曲线图30，示出了如何计算各种时间窗的滚动平均RMS电流。在曲线图30 中，水平轴40表示时间，竖直轴50表示流入或流出蓄电池组14的电流平方。曲线60是对于车辆12中的蓄电池组14的典型操作而言根据时间而变的电流平方曲线。为了防止蓄电池组14中的过量充电或放电电流，需要监测各个时间窗的RMS电流，其中，时间窗从当前时间在时间上向后追溯。例如，假定散列符号42表示当前时间，散列符号44表示散列符号42 之前30秒的时间，散列符号46表示散列符号42之前60秒的时间。那么线62表示过去30 秒的均方电流，线62表示过去60秒的均方电流。在曲线图30上可以看出，线62是30秒
滚动平均RMS电流且可以标识为总，具有由散列符号52示出的电流平方值。类似地，线64 是60秒滚动平均RMS电流且可以标识为总，具有由散列符号54示出的电流平方值。任何时间窗的RMS电流可以通过进行该时间窗的均方电流的平方根来得到。滚动平均RMS电流可以针对认为相关的任何时间窗计算；例如，时间窗可包括过去30秒、过去60秒、过去2分钟和过去5分钟。借助于上文定义用于计算各个时间窗的滚动平均RMS电流的方法，需要定义由控制器22使用的一个或多个阈值，以便确定功率限制是否必须在任何时间点应用。虽然RMS 电流的单个阈值将是最简单实施的，但是车辆性能和蓄电池组寿命两者都可以通过使用多阈值模型来更好地优化。图3是示出可以如何定义多个RMS电流阈值的曲线图70。时间沿曲线图70的水平轴80绘制，而RMS电流沿竖直轴90绘制。阈值线102、104、106和108表示RMS电流阈值，其可以与上文定义且在曲线图30上示出的滚动平均RMS电流结合使用。 在曲线图70上示出的示例中，散列符号82处于30秒时间处。因而，阈值线102表示30秒
滚动平均RMS电流总(如上文定义)的阈值，具有由散列符号92表示的RMS电流阈值。散
列符号84处于60秒时间处。因而，阈值线104表示60秒滚动平均RMS电流总的阈值，具有由散列符号94表示的RMS电流阈值。多阈值模型之后的逻辑是蓄电池组14在短时间段内可以处理高充电或放电功率，而不承受损害，但是如果持续延长时间段，功率必须稍微减少。如果仅仅使用单个阈值， 且阈值由阈值线102定义，那么在阈值电流被允许持续若干分钟时蓄电池组14将承受损害。另一方面，如果仅仅使用单个阈值，且阈值由阈值线108定义，那么由于在短时间段内不允许较高电流消耗，短期车辆性能将不必要地降低。多阈值模型允许优化蓄电池组耐用性和车辆性能两者。以类似的方式，定义阈值线106和108，每一个与较长滚动平均时间窗相关且具有相继更低的阈值电流值。在曲线图70的示例中，阈值线106延伸至2分钟时间处的散列符号86，且具有由散列符号96表示的阈值电流值。阈值线108显示为没有时间限制的连续工作阈值，且具有由散列符号98表示的阈值电流值。可以定义比曲线图70上所示四个更多或更少的阈值。上述图2和3图示了滚动平均RMS电流值和相关阈值电流值的构思。滚动平均 RMS电流的计算和用于在需要时限制功率的控制算法的详细描述如下。为了获取某一时间窗的均方电流，可以定义如下理论公式
权利要求
1.一种用于控制蓄电池组中的充电和放电功率的方法，所述方法包括 用电流传感器测量流入或流出蓄电池组的电流；根据所测量电流计算时间窗的均方根电流； 将均方根电流与该时间窗的阈值进行比较；和基于均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算时间窗的均方根电流包括使用指数加权移动平均滤波器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率包括如果均方根电流超过该阈值，那么减少充电或放电功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率包括计算误差函数；以及使用比例积分控制算法来计算功率设定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用比例积分控制算法来计算功率设定值包括 基于误差函数计算比例项；基于误差函数计算积分项；如果需要，限幅积分项以使之处于最大值和最小值之间； 将比例项和积分项相加；以及将功率极限值与比例项和积分项的总和相加以获得功率设定值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，限幅积分项包括允许充电功率的最大值和最小值不同于放电功率的最大值和最小值。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，增加功率极限值包括允许充电功率的功率极限值不同于放电功率的功率极限值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，蓄电池组是锂离子蓄电池组。
9.一种用于控制电动车辆内的锂离子蓄电池组中的充电和放电功率的方法，所述方法包括用电流传感器测量流入或流出蓄电池组的电流； 根据所测量电流计算时间窗的滚动平均均方根电流； 将滚动平均均方根电流与该时间窗的阈值进行比较；和基于滚动平均均方根电流与该阈值的比较来控制充电或放电功率，其中，如果滚动平均均方根电流超过该阈值，那么减少充电或放电功率。
10.一种用于蓄电池组的功率管理系统，所述蓄电池组将电能提供给设备，所述功率管理系统包括电流传感器，用于测量流入或流出蓄电池组的电流；控制器，用于管理蓄电池组中的充电和放电功率，所述控制器响应于来自于电流传感器的测量信号且配置成在时间窗内平均的电流超过阈值时限制功率以防止对蓄电池组的损害；以及响应于来自于控制器的信号限制蓄电池组中的充电和放电功率的装置。
全文摘要
过量电流检测控制方法。一种用于控制电动车辆或混合动力车辆的蓄电池组的充电和放电以防止过热损害的方法。监测流入或流出蓄电池组的电流，且均方根(RMS)电流在时间窗内积分并与阈值进行比较以确定功率是否需要调节，以便防止对蓄电池组中的单元的损害。如果时间积分RMS电流超过阈值，那么起用闭环比例-积分(PI)控制器以调节功率输入或输出。控制器将继续调节功率，直到时间积分RMS电流下降低于阈值。对于不同时间窗能够定义不同阈值。PI控制器中使用的增益也能够调节以缩放功率调节量。
文档编号H02J7/00GK102457082SQ20111031130
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者A. 塞德 A., H. 罗伊托伊泽尔 A., M. 罗格拉索 J., 林 J., 马特 R. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司