用于对至少部分地由电池提供动力的车辆的电池充电和再生制动进行管理的系统以及相关联的调节方法

摘要

一种电功率供应系统包括一个电池，该电池由多个单元电池构成，该电池装配有能够测量流过该电池的电流(Ibat(t))的一个电流计、以及能够测量一个单元电池的端子之间的电压(V

说明书

技术领域

本发明的主题是电池管理系统，并且具体是安装在机动车辆上并且旨 在推进该机动车辆的电池管理系统。

背景技术

这些电池可以在车辆停止时以电气端子充电、或者在该车辆减速时通 过电动机回收该车辆的一部分机械能来充电。这被称作再生制动。

可能有必要限制被回收并返回至电池的功率，例如以便不损害某些安 全系统例如ABS或ESP的运行，如在专利申请号WO 2008 040893中所描 述的。

还可能有必要限制返回至该电池的功率以便不损坏该电池。于是可以 针对发送至该电池的最大电流或者针对施加到该电池的端子之间的最大电 压而强加多个阈值。

常规而言，可以由一个电子控制单元来管理电池，该电子控制单元监 控发送至该电池的最大电功率。这个最大电功率因此可以与在回收模式中 在轮处所许可的最大机械功率相关联。

这些只基于电压阈值或只基于电流强度阈值的限制不可能限制例如锂 离子类型的电池中金属沉积等影响。在到达电极处的Li+离子流动过大以致 Li+离子插入到该电极的石墨中的某些运行条件中，可能在电池的负电极处 产生金属锂沉积物。这些Li+离子然后以金属沉积物的形式一起聚集在该电 极上，有可能造成该电池的内部短路。

专利申请WO 2009 036444提出，通过在电池的每个单独的单元电池中 引入一个参考电极并且通过监控负电极相对于该参考电极的电势以使得该 电势不会低于形成金属锂的阈值电势，来限制锂沉积物的这种危险。

这种解决方案应用起来是昂贵的，因为它假定在电池的至少一些单元 电池中插入参考电极。如果所有这些单元电池都装配有一个参考电极，则 该系统的成本可能会变得过高，并且如果只是一些单元电池装配的话则该 系统可能不是足够可靠的。

发明内容

本发明的目标是提出一种用于尤其在再生制动阶段中管理电池再充电 阶段的系统，该系统使得有可能特别地以一种可靠并且便宜的方式限制锂 沉积的风险。

为此，本发明提出一种电功率供应系统、值得注意的是用于机动车辆 的电功率供应系统，该电功率供应系统包括一个蓄电池，该电池由一个或 多个单元电池构成，该电池装配有适用于测量通过该电池的电池电流的一 个电流计以及适用于测量一个单元电池的端子之间的电压的至少一个电压 计，该功率供应系统包括一个电子控制单元，该电子控制单元适用于在电 池再充电阶段中传送大可接受电功最率设定点。该控制单元被配置成通过 要求装配有电压计的一个单元电池保持低于该单元电池的端子之间的最大 电压来计算与该单元电池相关联的一个最大可接受功率，这个电压是通过 该单元电池的电流强度的一个下降函数。

本发明进一步提出一种电功率供应系统、值得注意的是用于机动车辆 的电功率供应系统，该电功率供应系统包括一个蓄电池。该电池由一个或 多个单元电池构成、装配有适用于测量通过该电池的电流的一个电流计、 并且装配有适用于测量一个单元电池的端子之间的电压的至少一个电压传 感器。根据一个有利的变体实施例，该电池的每个单元电池都装配有适用 于测量该单元电池的端子之间的电压的一个电压传感器。若干个并联的单 元电池可以装配同一个电压传感器。根据一个优选实施例，单元电池的端 子之间的电压对应于一个单独的电化学单元电池的端子之间的电压，也就 是说该单元电池的两个电极的电势差。该电压计可以例如被连接到一个电 化学单元电池的、或者是一组若干个彼此并联的电化学单元电池的端子上。 该功率供应系统包括一个电子控制单元，该电子控制单元适用于在电池再 充电阶段中传送最大可接受电功率设定点。该控制单元被配置成通过采用 至少两个值中的最小值来计算与装配有电压计的一个单元电池相关联的最 大可接受功率，这两个值即为一个第二功率和一个第一功率，该第二功率 是一个第一恒定阈值电压与该电池电流和一个项的总和的乘积，该项是该 单元电池的端子之间的电压的一个函数，并且该第一功率是与该电池电流 和该单元电池的端子之间的电压线性相关的一个第一函数同也与该电池电 流和该单元电池的端子之间的电压线性相关的一个第二函数的乘积。根据 一个优选实施例，该电子控制单元被配置成针对每个装配有电压计的单元 电池来计算该第二功率和该第一功率中的最小值。根据一个特别有利的实 施例，该电子控制单元被配置成针对该电池的每个单元电池来计算该第二 功率和该第一功率中的最小值。

该电子控制单元可以包括适用于计算单元电池的电量状态的一个电量 状态计算机、并且可以包括一个图谱，该图谱使得能够从一个温度和该单 元电池的电量状态来读取该单元电池的内电阻。于是，加到电池电流上以 用于计算该第二功率的项与该单元电池的内电阻成反比，并且该第一线性 函数和第二线性函数的系数是该单元电池的内电阻的函数。根据一个优选 实施例，该第一线性函数和第二线性函数的系数是以涉及该单元电池的内 电阻的分数的形式计算出的。

根据一个特别有利的实施例，该控制单元还适用于对该电池强加一个 功率，该功率是以下各项中的最小值：

-驾驶员希望的功率，

-电池所许可的功率，

以便允许在每个时刻根据对该电池的限制来限制该功率。

根据可以与以上实施例结合的另一个实施例，有可能在每个时刻按以 下方式计算单元电池的瞬时电阻rⁱ_{Short_term_cell,k+1}：

${r^i}_{\mathrm{short}\_\mathrm{term}\_\mathrm{cell},k+1}=\frac{{V^i}_{\mathrm{cell},k+1}-{V^i}_{\mathrm{cell},k}}{I_{\mathrm{bat},k+1}-I_{\mathrm{bat},k}}$

然后有可能例如按以下方式计算该单元电池的滤波后的电阻rⁱ_cell,k：

rⁱ_cell,k+1＝β·rⁱ_{Short_term_cell,k+1}+(1-β)·rⁱ_cell,k

其中，β是一个恒定滤波系数，例如β＝0.01并且rⁱ_cell,0是从一个图谱 计算出的初始内电阻的值。

特别地，如果符合以下描述的条件，就能够决定对该单元电池的内电 阻应用这种数字滤波：

·两次迭代计算之间的电流水平的变化的绝对值|I_bat,k+1-I_bat,k|大于一个 阈值。

·所有这些模块上的最小温度大于或等于一个阈值。

·该电池的电量状态大于一定水平。

该电子控制单元因此可以包括一个第二计算机，该第二计算机被配置 成针对每个单元电池根据通过该电池的电流的记录以及在该单元电池的端 子之间测量的电压的记录来计算该内电阻的值。

优选地，该电池包括多个电压传感器，每个电压传感器适用于测量一 个不同的单元电池的端子之间的电压，并且其中该电子控制单元被配置成 计算该电池可接受的一个最大功率，该最大功率为每个装配有电压计的单 元电池最大可接受功率之间的最小值乘以一个恒定单元电池系数。该单元 电池系数的值可以取决于该电池的单元电池的数目以及该电池内这些单元 电池彼此之间的连接关系。例如，该电池单元电池在所有这些单元电池是 串联安装的情况下可以对应于单元电池的总数、或者在该电池包括具有两 个并联安装的单独单元电池的多个组的串联组件的情况下对应于单元电池 数目乘以二。

例如，该第二功率是该第一恒定阈值电压与电池电流和一个商的总和 的乘积，该商是该第一阈值电压与该单元电池的端子之间的电压之间的差 值除以该单元电池的内电阻。

根据一个优选实施例，针对该第二功率的计算，该单元电池的内电阻 值被替换为一个安全内电阻值，该安全内电阻值是通过将从该图谱推导出 的电阻乘以一个严格大于1的安全系数而获得的。

例如，该第一功率是以下各项的乘积：

-单元电池的内电阻与一个恒定正斜率因子的总和的平方的倒数；

-电池电流乘以该单元电池的内电阻、再加上一个第二阈值电压并且再 减去该单元电池的端子之间的电压；

-该第二阈值电压乘以该单元电池的电阻、再加上该单元电池的端子之 间的电压与该斜率因子的乘积并且再减去该电池电流与该单元电池的内电 阻以及该斜率因子的乘积。

该第一阈值电压、该第二阈值电压以及该斜率因子是存储在该电子控 制单元中的恒定值。

针对该第一功率的计算，该单元电池的内电阻值可以被替换为一个安 全内电阻值，该安全内电阻值是通过将从该图谱推导出的电阻乘以一个严 格大于1的第二安全系数而获得的。根据一个优选实施例，该安全系数优 选地在1.3与1.6之间。有利的是，该第一安全系数和第二安全系数可以相 等。根据另一个可能的实施例，该第一安全系数和第二安全系数可以不同、 都大于1、并且优选地小于或等于1.5。

优选地，该电池装配有多个温度传感器，并且该电子控制单元被配置 成通过使用一个温度值来读取这些不同的单元电池的内电阻，该温度值是 从多个不同的传感器获得多个温度中的最小值。该电子控制单元可以被配 置成通过使用一个温度值以及通过使用该单元电池的电量状态(“SOC”) 来读取这些不同的单元电池的内电阻，该温度值是从多个不同的传感器获 得多个温度中的最小值。例如，所使用的温度可以是由这些不同的传感器 测量的温度的最小值、或者是由邻近相关的单元电池定位的数个传感器测 量的温度的最小值。

根据一个改进的变体实施例，该电子控制单元被配置成通过采用至少 三个值中的最小值来计算与该单元电池相关联的最大可接受功率，这三个 值即该第一功率、该第二功率、以及一个第三功率，该第三功率是以下三 项的乘积：

-该单元电池的内电阻与不同于该第一斜率因子的一个第二恒定正斜 率因子的总和的平方的倒数；

-电池电流乘以该单元电池的内电阻、再加上一个第三阈值电压并且再 减去该单元电池的端子之间的电压；

-该第三阈值电压乘以该单元电池的电阻、再加上该单元电池的端子之 间的电压与该第二斜率因子的乘积并且再减去该电池电流与该单元电池的 内电阻以及该第二斜率因子的乘积。

根据另一个方面，本发明提出一种用于调节电池的再充电阶段的方法， 其中通过计算该电池可接受的最大功率来限制被发送至该电池以便对其再 充电的电功率，该最大功率为与该电池的一个单元电池相关联的最大可接 受功率的倍数，与该单元电池相关联的最大功率是通过采取至少两个值中 的最小值来计算出的，这两个值即为一个第一功率和一个第二功率，该第 二功率对应于当该单元电池的电压增大到达到一个第一恒定阈值电压时该 单元电池所吸收的功率，并且该第一功率对应于当该单元电池的电压以及 该电池的充电电流增大到横过一条电流强度-电压曲线时该单元电池所吸收 的功率，该曲线随着通过该电池的电流强度的变化而严格下降。

优选地，在与电量状态和温度密切相关的一个图谱中读取的该单元电 池的内电阻值首先被用于计算该第一功率和第二功率。

有利地，计算出与多个单元电池相关联的最大功率，并且该电池可接 受的最大功率被计算为与这些不同的单元电池相关联的最大功率中的最小 值的倍数。

附图说明

通过阅读单纯作为非限定性实例并参见附图所给出的以下说明将明了 本发明的其他目标、特征和优点，在附图中：

-图1表示根据本发明的一个电动机组件，

-图2和图3展示了属于图1的电动机组件的一个电池的运行点(电 流、电压)相对于不同的监控指标的定位的图表，并且

-图4展示了属于图1的电动机组件的一个电子控制单元的运行的某 些方面。

具体实施方式

如在图1中展示出的，一个电动机组件1包括一个电池2、一个电动机 9以及一个电子控制单元7。该电池装配有一个电流计5，该电流计使得能 够测量在时刻“t”通过该电池的电流I_bat(t)的强度并且是通过一个连接件24 联接到电子控制单元7。该电池还装配有一个或多个温度传感器6，该一个 或多个温度传感器使得能够测量温度T并且是通过一个连接件23联接到电 子控制单元7。该电池包括彼此串联安装的多个单元电池3₁、3₂…3_j…3_n以 及使得有可能分别测量每个单元电池3₁、3₂…3_j…3_n的端子之间的电压 V₁(t)、V₂(t)…V_j(t)…V_n(t)的多个电压传感器或电压计4₁、4₂…4_j…4_n。

每个单元电池3₁、3₂…3_j…3_n可以由若干个并联安装的单独单元电池构 成，例如在图1中是由两个并联安装的单独单元电池构成。

电子控制单元7包括一个计算机10，该计算机适用于例如根据每个单 元电池的温度、电流以及电压的记录来计算每个单元电池的电量状态。用 于计算单元电池或蓄电池的电量状态的方法是已知的。例如，可以使用在 Journal of power sources(电源杂志)第134期277-292页中的文章“Extended  Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery  packs.Part 3.State and paramameter estimation(用于基于锂铅的HEV电池组 的电池管理系统的扩展卡尔曼滤波，第3部分，状态和参数估算)”(Gregory  L Plett)中所描述的方法。电子控制单元7还包括一个图谱8或者被联接到 该图谱上，在该图谱中有可能根据温度和电量状态读出每个单元电池3₁、 3₂…3_j…3_n的内电阻值。

电子控制单元7通过一个连接件20传送被许可用于对电池进行再充电 的最大功率值P_max。

例如，值P_max可以被发送至再生制动阶段的一个管理器，一旦由电动 机9传送的功率达到许可阈值，该管理器就使用该车辆的耗散制动装置(制 动器衬块、盘)来完成制动。

图2展示了一个运行阈值点25的计算原理，该运行阈值点是一个单元 电池3_j被许可到达的而不会超过一个第一破坏阈值，在此该第一破坏阈值 是一个恒定阈值电压V_s。

因此，在图2中发现穿过该单元电池的电流运行点14(I_bat(t)，V_j(t)) 并且其斜率为该单元电池的内电阻r的一条直线11。为了观察电压阈值V_s， 可以使电流I_bat(t)和电压V_j(t)增大至到达直线11与同阈值V_s相关联的水平 线13相交的运行点27。所许可的电压和电流增量于是对应地是ΔV和ΔI₀。

为了采取一个安全裕度并且考虑到关于内电阻r的计算不确定性，优选 的是将与经过运行点14且对应于略大于根据图谱确定的内电阻r的内电阻 R的一条直线12的交点相对应的一个点25用作许可的极限运行点。许可 的电压和电流增量于是对应地是ΔV和ΔI<ΔI₀。

例如有可能选择R＝k.r，k是严格大于1的一个安全系数、并且优选地 小于或等于1.5。

根据这个第一指标，于是单元电池j可接受的最大功率P_maxj1等于：

$P_{\max j1}=V_s\{I_{\mathrm{bat}}\left(t\right)+\frac{V_s-V_j\left(t\right)}{R}\}$    方程(1)

图3展示了此时许可的用以避免在该单元电池的负电极上形成金属沉 积物(总体上是锂枝晶的形式)的另一个极限运行点的计算原理。

在不具有关于相对于参考电极的负电极电势的信息的情况下，运行阈 值是以一条电压随电流变化的连续下降的曲线的形式设定的，在此该阈值 由一条直线15展示出，该直线在原点处的纵坐标是电压V₂并且具有一个 绝对值为α的负斜率。于是该单元电池的电流和电压可以从与运行点14相 对应的电流I_bat(t)和电压V_j(t)增大至与阈值直线15和其斜率为该单元电池 的内电阻r的直线11的交点相对应的一个坐标点28(I₃，V₃)。如在图2的 情况下，为安全起见，采用与阈值直线15和直线12的交点相对应的坐标 点26(I₁，V₁)而不是点28，直线12对应于单元电池3_j的“具有高额定值 的电阻R”的运行直线。所许可的电压和电流于是对应地是不同于图2的 一个新的电压增量ΔV和一个新的电流强度增量ΔI。

根据以下方程，通过使用关于这两条直线15和12的方程获得交点26 的坐标(I₁，V₁)：

V₂-αI₁＝V_j(t)+R(I₁-I_bat(t))    方程(2)

(R+α)I₁＝V₂-V_j(t)+RI_bat(t)    方程(3)

$I_1=\frac{V_2-V_j\left(t\right)+{\mathrm{RI}}_{\mathrm{bat}}\left(t\right)}{R+\alpha }$    方程(4)

$V_1=V_2-\alpha I_1=\frac{(R+\alpha )V_2-\alpha V_2+\alpha V_j\left(t\right)-{\mathrm{R\alpha I}}_{\mathrm{bat}}\left(t\right)}{R+\alpha }$    方程(4)

$V_1=\frac{{\mathrm{RV}}_2+{\mathrm{\alpha V}}_j\left(t\right)+{\mathrm{R\alpha I}}_{\mathrm{bat}}\left(t\right)}{R+\alpha }$    方程(5)

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\max j2}=I_{1}x{V}_1\\ =\frac{1}{{(R+\alpha )}^2}(V_2-V_j\left(t\right)+{\mathrm{RI}}_{\mathrm{bat}}\left(t\right))((R+\alpha )V_2-\alpha V_2+\alpha V_j\left(t\right)-{\mathrm{R\alpha I}}_{\mathrm{bat}}\left(t\right))\end{array}\right)$  方程(6)

值得注意的是如果电流强度I₂小于V₂/2α，则与交点26相对应的功率 P_maxj2小于与交点28相对应的功率P’_maxj2。这种情况下，选择使用相对于根 据图谱确定的电阻r的一个超过额定值的电阻R是一项增加的安全措施。 常用的值，例如4V数量级的V₂、0.0025V.A^-1数量级的α以及60A数量级 的最大电池电流就是这种情况。从广义上讲，于是适用I_bat<60A<V₂/2α＝ 800A。

当界定可以使用电池而不会产生任何锂沉积物的范围的阈值曲线是一 个非线性函数时，这个函数可以由若干个直线部分15近似而成，这些直线 部分是由在原点处不同横坐标V₂以及不同的斜率a定义的。于是计算该单 元电池所许可的、与直线12同每条适当定义的阈值直线的交点相对应的最 大功率，并且采用这些不同的功率中的最小值和功率P_maxj1。

图4展示了电子控制单元7的运行的一部分，该部分使得有可能传送 被许可用于对图1的电池2进行再充电的最大功率值P_max。

电子控制单元7接收由电流计5测量的电池电流I_bat(t)、由不同的电压 计4₁，4₂、4_j、4_n传送的与这些单元电池3₁，3₂、3_j、3_n相关联的不同电压 V_j(t)作为输入。

电子控制单元7经由多个连接件23接收与该电池的不同点处的温度相 对应的一个或多个温度值T_i。电量状态计算机10针对每个单元电池3₁、3₂、 3_j、3_n计算其电量状态SOC_j、将这个值发送至与由这些温度T_i计算出的一 个温度T_j相关联的图谱8，以便与一个更接近该单元电池的温度相对应和/ 或对应于在该单元电池的周围估算的最小温度。基于这两个数据，电子控 制单元7在图谱8中读取与单元电池3_j的一个估算的内电阻相对应的一个 值r_j。该电子控制单元将这个值r_j，发送至一个乘法器29，该乘法器将电阻 r_j，与一个安全系数k相乘以获得一个高额定值的电阻R_j。这个高额定值的 电阻R_j然后被该电子控制单元发送至对应地由参考号16、17和18标识的 一个第一、第二以及第三最大许可功率计算机。

计算机16计算单元电池j的最大许可功率以便不会超出如在对图2的 描述中说明的电压阈值V_S。

基于与图3中展示出的直线15相对应的一条阈值曲线，计算机17计 算单元电池3_j的最大许可功率，以使得该单元电池不会产物枝晶沉积物。

第三计算机18计算单元电池3_j的最大许可功率，该最大许可功率是根 据与最大许可功率P_maxj2相同的远离计算出的、但与具有不同于图3中展示 出的直线15的方程的一条直线15相关联。

将针对在1与n之间的各个j值的三个值P_maxj1、P_maxj2、P_maxj3发送至一 个最小值选择器19，该最小值选择器选择3xn个适当计算的功率值中的最 小值。

这个最小值对应于电池2的这些单元电池之一能够接受的、同时满足 与阈值直线13、与一条第一阈值直线15、以及与一条第二阈值直线15相 对应的这三个指标的最小功率，该第二阈值直线具有不同于该第一阈值直 线15的斜率且原点处的横坐标是不同于该第一阈值直线15的。于是可以 从先前计算出的3n个值中的最小功率、通过这个最小值与单元电池的数目 n相乘而推导出该电池接受的最大功率值。

通过使用根据本发明的方法，因此有可能可靠地估算出能够发送至该 电池而不导致其任何过早退化的最大功率。代替这些金属锂沉积形成阈值 的直线或除此之外，根据本发明的方法可以考虑除与金属锂沉积物形成阈 值相关联的直线之外的一条直线或一组直线所限制的运行范围。

本发明并不局限于所描述的这些示例性实施例并且能大量变体中被使 用。该电池可以只装配一个温度传感器，每个单元电池都可以装配一个温 度传感器，或者该电池可以装配低于单元电池数目的温度传感器。在后一 种情况下，为计算该电池的内电阻而保留的温度可以对应于所有这些传感 器上的最小温度或者对应于最靠近所考虑的单元电池的这些传感器上的局 部最小温度、或者对应于由其他温度测量值估算的单元电池芯部温度。还 可能的是不同的温度值之间的其他仲裁选择。在一种版本中，有可能只计 算电池的总电量状态、并且从这个平均电量状态来给每个单元电池指配相 同的单元电池内电阻值。

根据本发明的对发送至该电池的功率的限制可以在所有的电池再充电 阶段实施、或者可以针对某些电池再充电阶段选择性地实施，例如在再生 制动阶段的过程中。

最大功率计算机17和18可以替换为适合于直接确定运行直线12与界 定该电池的不会形成枝晶的许可运行范围的一条非线性曲线的交点的一个 最大功率计算机。

针对功率P_maxj1，的计算并且针对最大功率P_maxj2和P_maxj3的计算，安全 系数k可以是不同的。

该电池可以由多个串联的单元电池构成而每个单元电池都可以由单一 的单独单元电池构成、或者相反由至少两个并联的单独单元电池构成。当 然，这些单元电池可以是锂离子类型的单独单元电池，但是这些单元电池 还可以是基于其他化学性质的单元电池。