用于评估可再充电电池的充电状态的方法与流程

本发明涉及电池领域，更具体地，本发明涉及一种诊断嵌入在由高电压电源供应的高电压网络中的低电压可再充电电池的充电状态的方法。

背景技术：

当多个电源并联用作电源系统时，某些电源输出在某种程度上是可控制的，而其他电源不具有嵌入式诊断或不能传送其状态。在某些情况下，能够识别电源状态变得至关重要。例如，在工程机械上，en474-1规定必须能够在机器停止时将设备降低到地面。当机器由液压系统组成时，由于针对该情况计划的残余压力系统，因此即使在已经停止发动机之后也可以进行该操作。当机器是混合的或包括电致动器的电机时，电机通常由主电源供电，以例如经由主电网向电致动器供电，以及由辅助电源供电以经由辅助电网向诸如收音机、舱室内的灯、加热器、空调系统、电机的控制单元...的低负载供电。如果辅助电源发生故障，一旦主电源已关断，则变得不能遵守规定。实际上，当主电源已经关断时，也就是说，当与主电网断开连接时，并且在辅助电源发生故障的情况下，将不可能启动主电源。换句话说，在辅助电源故障的情况下，将不可能将主电源连接到主电网。这是由于以下事实：主电源与主电网的连接通常是经由电接触器执行的，该电接触器由辅助电网供电的ecu控制。结果，如上述规定所要求地将设备再次降低到地面是不可能的。

主电源通常能够输送高于辅助电源的电压并且通常被称为高电压电源。辅助电源通常被称为低电压电源。

更具体地，我们正在考虑包括至少由高电压电源供应的高电压电网和低电压电网的电气系统，该低电压电网由高电压电源通过dc/dc(直流到直流)转换器供应和/或由诸如可再充电电池的低电压源供应。在高功率源已经关断后，可再充电电池可用于重新启动电气系统。此外，可再充电电池可以用作高功率网络的备用。如前面的示例所示，在某些情况下，至关重要的是在停止系统之前知道可再充电电池的充电状态是什么。

为了诊断可再充电电池的充电状态，已知向其馈送电流或电压脉冲并且评估从电池输出的电压或电流的时间分布。这种策略要求将特定的电路和传感器添加到已经复杂的系统中。

使用电池充电控制器也是已知的，但是这种解决方案很昂贵，并且暗示服务中断以执行诊断。

技术实现要素：

需要一种更简单的解决方案，该解决方案使得能够对不具有嵌入式诊断装置和/或不传送这种诊断信息的电池进行诊断；此外，必须能够在没有服务中断的情况下在实时系统上执行诊断。

本发明的目的是提供该问题的解决方案。

本发明提供一种用于评估电气系统的可再充电电池的充电状态的方法，该电气系统包括至少一个主电源和作为辅助电源的可再充电电池、dc/dc转换器以及电网，该电网包括将主电源连接到至少dc/dc转换器的主电网和将可再充电电池连接到dc/dc转换器的辅助电网。所述dc/dc转换器将由至少一个主电源供应的输入dc电压转换为被供应给辅助电网的输出dc电压，至少一个主电源和可再充电电池被并联连接到至少一个电负载并且被配置为经由电网向所述至少一个电负载供应dc电压和dc电流，所述电气系统进一步包括传感器，以测量由dc/dc转换器供应的输出dc电流和输出dc电压，并且进一步包括至少一个控制单元，该控制单元被连接到传感器并且能够至少控制dc/dc转换器，所述方法包括以下步骤：

a.控制dc/dc转换器以将输出dc电压从实际电压降低到目标dc电压；

b.在第一预定时间段期间保持目标dc电压；

c.在第一预定时间段期间测量输出dc电流；

d.在第一预定时间段内，确定输出dc电流值保持小于预定阈值电流值的时间；

e.将输出dc电流值保持小于预定阈值电流值的时间与第二预定时间段进行比较；

f.如果输出dc电流值保持小于预定阈值电流值的时间比第二预定时间段短，则确定可再充电电池故障。

根据本发明的一方面，该诊断方法的一个益处是系统的现有控制单元和嵌入在dc/dc转换器中的现有传感器将足以实施该方法。

根据本发明的一个方面，该诊断方法的另一个益处是其可以在没有服务中断的情况下在实时系统上执行。

根据本发明的一个方面，如果在比第二预定时间段长的时间期间输出dc电流已经小于预定阈值电流值，则认为可再充电电池的状态是可操作的；实际上，这意味着在输出dc电压被保持下降到目标dc电压期间的该时间期间，可再充电电池已经供应了足够的电流来供应一组电负载，并补偿在预定阈值电流值下dc电流的减小。

根据本发明的一个方面，选择目标dc电压，使得其被包括在可再充电电池的标称张力(nominaltension)的70％至95％之间，优选地在可再充电电池的标称张力的75％至85％之间。目标值被确定为在被连接到低电压网络的所有系统的操作范围内可能的最低电压。目的是在不破坏低电压网络的情况下选择可能的最低电压。

根据本发明的一个方面，第一预定时间段优选持续超过50ms(毫秒)。

根据本发明的一个方面，第一预定时间段更优选地被包括在90ms至150ms之间。

50ms的最小持续时间是必需的，以考虑发射控制信号以控制dc/dc转换器以将输出dc电压从实际电压降低到目标dc电压与dc/dc转换器处的电压调整之间的时间，并考虑可能暂时维持电压的对网络的电容效应。优选持续最大150ms的第一预定时间段足以获得关于可再充电电池的状态的可靠结果，而第一预定时间段可以大于150ms，但不会显着提高结果的可靠性，而150ms以上的持续时间可能导致电气系统中的某些中断，特别是如果多个负载请求额外功率。

根据本发明的一个方面，在步骤a)期间，输出dc电压以预定减小速率从当前电压降低到目标dc电压。

根据本发明的一个方面，预定减小速率被包括在0.5v/s到5v/s之间。

根据本发明的一个方面，预定减小速率被包括在1v/s到3v/s之间。

根据本发明的一方面，第二预定时间段优选持续至少10ms。

根据本发明的一个方面，第二预定时间段更优选地被包括在40ms到100ms之间。

优选持续至少10ms的第二预定时间段，以便获得可再充电电池状态的可靠结果。

优选持续最大100ms的第二预定时间段足以获得关于可再充电电池的状态的可靠结果。第二预定时间段可以大于100ms，但是其不显著提高通过本方法获得的结果的可靠性。

根据本发明的一个方面，dc/dc转换器输送标称输出dc电压，并且该方法进一步包括要在降低输出dc电压的步骤a之前实现的以下步骤：

1.测量dc/dc转换器的输出dc电压；

2.将dc/dc转换器的输出dc电压与预定阈值电压值进行比较；

3.如果输出dc电压高于所述预定阈值电压值，则继续该方法并执行步骤a到步骤f。并且如果输出dc电压低于所述预定阈值电压值，则中止该方法而不执行步骤a到步骤f。

根据本发明的一方面，如果输出dc电压低于预定阈值电压值，则认为开始诊断的初始条件不足以执行诊断方法，并且认为可再充电电池的状态为失败。实际上，如果输出dc电压低于预定阈值电压值，则根据该方法，我们不能将输出dc电压从当前电压降低到目标dc电压。仅当网络电压输出高于所述预定阈值电压值时，才可以应用该方法。

根据本发明的一个方面，预定阈值电压值等于标称输出dc电压减去被包括在标称电压的5％至30％之间的值。

根据本发明的一个方面，该系统进一步包括用于使设备移动的电致动器，并且至少一个控制单元进一步控制该致动器，在操作者请求停止系统之后，该方法被触发并从权利要求1的步骤a或权利要求9的步骤1开始，该方法进一步包括在确定可再充电电池故障的步骤f之后执行的以下步骤：

g.在关断主电源之前，请求操作者将设备放在地面上；

h.接收设备在地面上的确认；

i.在已经接收到设备在地面上的确认以后，关断主电源。

根据本发明的一个方面，如果步骤f的结果是可再充电电池的状态被认为故障，则通知操作人员在停止系统之前必须将设备放到地面上，并且然后仅在已经接收到设备在地面上的确认以后才由电气系统关断主电源。用户可以经由被布置在车辆的舱室中的hmi接口或通过检测设备的地面位置的至少一个传感器来接收所述确认。

本发明还涉及一种在至少一个控制单元上执行以用于评估系统上的可再充电电池的充电状态的计算机程序，该计算机程序包括适于执行根据本发明的方法的程序代码装置。

本发明还涉及一种包括所记录的计算机程序的计算机可读装置，当所述所记录的计算机程序由至少一个控制单元执行时，所述计算机可读的装置包括适于执行根据本发明的方法的程序代码装置。

本发明还涉及一种包括电气系统的车辆，所述电气系统包括至少一个主电源和作为辅助电源的可再充电电池、dc/dc转换器以及电网，该电网包括将主电源连接到dc/dc转换器的主电网和将可再充电电池连接到dc/dc转换器的辅助电网；所述dc/dc转换器将由至少一个主电源供应的输入dc电压转换为供应给辅助电网的输出dc电压，至少一个主电源和可再充电电池被并联连接到至少一个电气负载并且被配置为经由电网向所述至少一个电气负载供应dc电压和dc电流，所述系统进一步包括传感器，以测量输出dc电流和输出dc电压的，并且进一步包括至少一个控制单元，该控制单元控制传感器和电源，并执行包括适于执行根据本发明的方法的程序代码装置的计算机程序。

根据本发明的一方面，所述车辆是挖掘机施工机械，所述系统进一步包括用于移动车辆的铲斗的至少一个电致动器，所述至少一个控制单元优选地执行包括适于执行根据本发明的方法的程序代码装置的计算机程序。优选地，至少一个控制单元还控制电致动器。在一个变型中，电致动器由不同的控制单元控制。

在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其他优点和有利特征。

附图说明

以下参考附图，对作为示例被引用的本发明的实施例作更详细的描述。

图1是系统的示意图，该系统包括供应致动器和附件的两个网络的不同电源以及dc/dc转换器。

图2是根据本发明的方法的框图表示。

具体实施方式

图1表示根据本发明的电气系统的示例实施例的示意图，该电气系统可以被布置在诸如混合动力或电动施工机械的混合或全电动车辆中。

根据本发明的电气系统可包括不同种类的电源，诸如例如永久高电压电池1、辅助高电压电池2、热范围扩展器3、燃料电池单元4、低电压可再充电电池5和集成充电器6。永久高电压电池1和辅助高电压电池2可以是例如600v电池。低电压可再充电电池5可以是例如24v电池。

所有这些不同的电源为两个不同的网络供应电功率。高电压电池1、2被连接到第一网络，该第一网络是向诸如例如线性致动器7和旋转致动器8的不同的电致动器供应600v的高电压网络10。第二网络是向诸如收音机、舱室内的灯、加热器、空调系统以及车辆的控制单元的其他附件9供应24v的低电压网络11。

dc/dc转换器12正将600vdc的高电压dc输入转换成向低电压网络供应的24vdc的低电压dc输出。低电压网络也可以由24v电池以24vdc供应。

在根据本发明的电气系统的其他实施例中，高电压值也可以是48vdc、158vdc或334vdc，或400vdc或替代600vdc的任何其他值；低电压值也可以是12vdc或替代24vdc的一些其他值。

电气系统还可包括由国家配电网提供的电源，供应230vac，该230vac然后经由专用的230vac/600vdc转换器被转换为600vdc。

600vdc/24vdc转换器设置有嵌入式传感器，该嵌入式传感器监测转换器的输入电压和电流，和/或转换器的输出电压和电流。这些传感器可以将测量值传送到系统的控制单元，控制传感器、致动器、电源和转换器，即它们的激活和/或它们的dc电压。

电气系统包括：上述600vdc电源中的至少一个，供应高电压网络；和可再充电24vdc电池，供应低电压网络；以及600vdc/24vdc转换器，该转换器也供应低电压网络，可以与控制单元一起被安装在例如诸如挖掘机的施工机械的机械平台或车辆上，并由系统通过至少一个电致动器驱动，该挖掘机操纵诸如附接到其的铲斗的设备。

当600vdc源未激活时，使用24vdc可再充电电池来向诸如操作者的舱室内的收音机或灯的某些附件供应；它还用于激活600vdc网络。一旦激活了600vdc网络，它成为致动器和经由dc/dc转换器成为附件的主要电源供应器，还可以为24vdc可再充电电池尽可能多地充电。然后，仅在峰负载情况下将24vdc可再充电电池用作备用和/或用于缓冲存储。

可能发生24vdc可再充电电池的健康状态使其不再被充电。

在本发明的一个示例实施例中，如果未对24vdc可再充电电池进行充电以足以能够重新激活高电平电压网络，则必须在已经遵守安全规定之前必须避免高电压网络的关断。遵守安全规定可能例如意味着将附接到诸如配备有铲斗的挖掘机机械的施工机械上的设备放置到地面。确实，如果这在关断高电压网络之前未完成，而24vdc可再充电电池不能够重新激活该高电压网络，则挖掘机机械将被停置在不合规的配置中，并且使其符合安全规定将变得非常困难。当高电压网络与其诸如高电压电池1、2的高功率源断开时，则认为高电压网络被关断。关断高压网络的方式包括经由例如由低电压网络的ecu控制的电接触器将高电压网络与高功率源断开。

因此，为了避免进入这种情况，根据本发明的方法包括在停止系统之前自动地控制可再充电电池的充电状态，并且没有任何服务中断。

在第一实施例中，该方法包括以下步骤，如图2的框图所示：

-第一步骤23包括控制dc/dc转换器以将输出dc电压从当前电压降低到目标dc电压；

-第二步骤24包括在第一预定时间段期间将dc/dc转换器的输出电压的控制保持在目标dc电压处；

-第三步骤25包括在第一预定时间段期间测量由转换器12供应的输出dc电流。

在本发明的该示例性实施例中，在第一步骤23期间，dc/dc转换器被控制以将输出dc电压从当前电压降低到目标dc电压。目标值被确定为在被连接到低电压网络的所有系统的操作范围内可能的最低电压。目的是在不破坏低电压网络的情况下选择可能的最低电压。为此且根据本发明，将优选将目标值选择为被包括在可再充电电池的标称张力的70％至95％之间，优选地在可再充电电池的标称张力的75％至85％之间。作为示例，可再充电电池是24vdc电池，在这种情况下，目标值可以被包括在16.8v和22.8v之间，优选地在18v和20.4v之间，例如，目标值可以是约18.6v。优选地，以预定减小速率将输出dc电压从当前电压降低至目标dc电压，该预定减小速率被包括在0.5v/s和5v/s之间，优选地在1v/s和3v/s之间，并且更优选地约2v/s。

在第四步骤26中，控制单元将在第一预定时间段内确定输出dc电流值保持小于预定阈值电流值的时间；然后，取决于dc电流值保持小于预定阈值电流值多长时间，控制单元将评估可再充电电池的充电状态；为此目的，在第五步骤27中，控制单元将比较第二预定时间段与输出dc电流值保持小于预定阈值电流值的时间。

假定低电压网络需要最小操作电压和最小操作电流来保持操作；目标dc电压被设置为等于该最小操作电压，并且预定阈值电流值被设置为小于该最小工作电流。

在步骤28，如果输出dc电流在比第二预定时间段长的时间期间小于预定阈值电流值，则认为可再充电电池的状态是操作的。实际上，这意味着在输出dc电流值保持低于预定阈值电流值并且输出dc电压保持下降到目标dc电压的时间期间，可再充电电池已被供应了足够的电流来供应一组电负载，并补偿在预定阈值电流值下的dc电流的减小，以便保持系统操作。

相反，在步骤29，如果输出dc电流在比第二预定时间段短的时间期间已经小于预定阈值电流值，则认为可再充电电池的状态为故障。

在低电压网络上，预计网络上总有用户。通常是这种情况。这意味着从网络汲取电流。当在第一步骤23中控制dc/dc转换器斜降到目标dc电压时，在第二步骤24中要求在第一预定时间段期间保持该目标dc电压，以适应以下要求：

1.dc/dc转换器请求斜降到dc/dc转换器输出之间的时间，

2.可能暂时维持电压直到最终电池耗尽为止的对网络的电容效应。

确定最小持续时间为50ms，以考虑电容效应。相反，超过150ms可能导致电气系统中的某些中断，而不显著增加本方法给出的结果的可靠性。因此，在本发明的该示例实施例中，第一预定时间段持续超过50ms，优选地，第一预定时间段被包括在90ms至150ms之间，更优选地在100ms左右。

如果在负载启动之后已经存在峰电流汲取，则由第五步骤27引入的第二预定时间段由滤除电流峰的需要来确定。

因此，在本发明的该示例实施例中，第二预定时间段持续超过10ms，以便获得可再充电电池的状态的可靠结果，并且优选被包括在40ms至100ms之间，并且更优选约50ms。

在本发明的第二实施例中，在执行第一步骤23之前，并且根据附加的和先前的步骤21，该方法的第一步骤23的执行优选地由来自操作者的要求系统停止的请求触发。可以经由例如旋转的专用键或经由按下的专用按钮来指示操作者的请求。

在本发明的替代中，可以在电气系统仍被激活并且在不从操作者接收任何特定请求的情况下周期性地并且自动地触发本发明的第一步骤23。在这种情况下并且当步骤23启动或将要启动时，控制单元控制车辆的不同负载以将它们保持在其当前状态，以避免电网中的功率变化。

在本发明的进一步改进中，优选在第一步骤23之前执行的进一步的步骤22，包括检查在执行本方法的步骤23到步骤27之前满足一些初始条件。为此，进一步的步骤22包括以下子步骤：

1.测量dc/dc转换器的输出dc电压，

2.将输出dc电压和预定阈值电压值进行比较，

3.基于输出dc电压之间的比较结果，确定是否满足初始条件以执行该方法的后续步骤。

如果输出dc电压低于所述预定阈值电压值，则确定初始条件不足以执行该方法的后续步骤。在这种情况下，该方法中止而不执行该方法的后续步骤。实际上，如果输出dc电压低于预定阈值电压值，则根据该方法，我们不能将输出dc电压从当前电压降低到目标dc电压。仅当网络电压输出高于所述预定阈值电压值时，才可以应用该方法。

相反，如果输出dc电压高于预定阈值电压值，则确定满足条件以执行该方法的后续步骤。然后执行该方法的下一步骤23。

优选地，预定阈值电压值被确定为低于标称或参考输出dc电压的值。可以将预定阈值电压值确定在低于标称或参考输出dc电压5％到30％之间。当标称或参考输出dc电压为24v时，阈值电压值可以例如约为18.6v。

如果根据先前的步骤21，该方法是由来自要求系统停止的操作者的请求而触发的，则在先前的步骤21之后进行进一步的步骤22。

如图2所示，在本发明的进一步改进中，取决于第五步骤27的结果，根据本发明的该改进的方法执行两个以下步骤中的一个步骤：

o第六步骤28，如果可再充电电池的状态被评估为可操作，则可以在没有其他动作的情况下停止机器；

o第七步骤29，如果可再充电电池的状态被评估为故障，则该方法包括以下子步骤：

·在自动关断主电源1、2之前从操作者要求将设备放在地面上；

·经由例如车辆的舱室中的hmi接口从操作者接收机器的设备已经被放在地面上的确认；

·当确认设备在地面上时，关断主电源1、2。

在评估可再充电电池的充电状态之后，将输出dc电压重置为由转换器12供应的标称输出dc电压。