技术领域
[0001] 本公开涉及一种用于平衡混合动
力车辆的电力存储系统的多个
串联连接的
电化学电池的电压的方法。本方法包括在电池平衡之前对电力存储系统放电的步骤。本公开也涉及一种包括电力存储系统的混合动力车辆，其中电力存储系统的电瓶管理单元被配置成在电池平衡之前对电力存储系统放电。本公开在诸如
卡车、公共
汽车、工程车辆等等的重型混合动力车辆的电力存储系统领域中特别有利。
背景技术
[0002] 电动和混合动力车辆中的电力存储系统通常包括多个串联连接的电化学电池的电瓶组，通常是几百个锂电池。然而，不存在两个完全相同的电池——例如容量、电荷状态和自放电率始终存在微小差异。最弱电池的容量和寿命限制作为整体的电瓶组的容量和寿命。为了能够从电瓶组获得更多
能量和更长寿命，在电池之间周期性地再分配电压，以便使它们处于共同电荷状态。通常将其称为电池平衡。一种已知的平衡电池的方法是例如US2011/0316520中所述的，在平衡电瓶内部的
电阻器时对电瓶组的单独电瓶放电。
[0003] 优选地，在低电荷状态
水平下执行电瓶平衡，这是因为处于低电荷状态水平下的电瓶电荷状态差异对应于电瓶的开路电压的更大差异。
[0004] 为了限制
温度升高，放电功率必须低，这进而导致总体电瓶电池平衡时间长。
[0005] 因而，需要一种消除上述缺点的改进的电瓶平衡方法。
发明内容
[0006] 本公开的目标在于提供一种用于平衡混合动力车辆方法的电力存储系统的多个串联连接的电化学电池的电压的方法，其中至少部分地避免了前述问题。通过任一独立
权利要求所述的特征实现了这个目标。
[0007] 本公
开关注一种用于平衡混合动力车辆的电力存储系统的多个串联连接的电化学电池的电压的方法。该方法包括通过在车辆静止时操作车辆的至少一个大型
电动机而对电力存储系统放电，直到电力存储系统或者具有最低电荷状态的电池的电荷状态已经达到预定水平，并且随后平衡电池的电压。
[0008] 本公开还关注一种对应的
计算机程序、一种对应的计算机程序产品、一种用于实施该方法的对应的
计算机系统，以及一种包括电力存储系统的对应的混合动力车辆。
[0009] 通过在平衡之前对电力存储系统放电，通过操作车辆的至少一个大型电动机，可保持放电功率高，同时避免如果借助于内部平衡
电阻器执行电力存储系统的放电将在电力存储单元中出现的热释放。这引起放电时间相当大地缩短，以便可缩短总体电瓶电池平衡时间。
[0010] 通过实施
从属权利要求的一个或几个特征实现进一步优点。
[0011] 所述至少一个大型电动机可具有超过1kW的最大输出功率，优选地超过5kW，并且又更优选地超过20kW。用于放电的耗电电动机的功率越大，所获得的放电功率越高，并且因而放电率越高。
[0012] 所述至少一个大型电动机可以是混合动力车辆的电动牵引机或主发
电机。这些电动机通常代表混合动力车辆上功率最大的电动机，并且因此具有使得能够在操作时使电力存储系统的放电率最快的潜力。作为替换，所述至少一个大型电动机可以是驱动车辆和/或货运
空调系统的电动机、驱动空气
压缩机单元的电动机、驱动冷却
风扇的电动机、或者驱动液压系统的
液压泵的电动机中的任何一种。这些电动机通常比混合动力车辆的电动牵引机或主发电机的功率小，但是作为代替，具有使得能够积累所放出的
电能的优点。例如，可通过降低/升高货运舱和/或
驾驶室的温度，或者用压缩空气填充储气容器，或者对液压
蓄能器增压来实现从电力存储系统放电的电能的积累，即恢复。通过这种方式，可以使用将以其他方式被浪费的能量，并且代替将以其他方式必须产生的能量。
[0013] 取决于混合动力车辆的
动力总成布局，可以通过将混合动力车辆的燃烧
发动机设置为非燃烧模式并且借助于电动牵引机或主发电机旋转燃烧发动机的机轴而实现对电力存储系统(ESS)的放电。电动牵引机或主发电机基本始终是混合动力车辆中的最大型的电动机，并且使用其中任一个以用于以非燃烧模式驱动燃烧发动机的机轴，即起动是车辆中需要最多功率的一种动作。因而可以获得电力存储系统的高放电率。另外，该方法可以包括促动排气
制动和/或发动机压缩制动，以用于提高
旋转机轴所需的
扭矩，并且由此提高电力存储系统的放电率。
[0014] 电力存储系统可包括在电力存储系统的放电期间操作的冷却系统。高放电率通常导致电力存储系统产生高热。在许多车辆中，电力存储系统的冷却系统由用于驱动使诸如水的导热液体循环的泵的单独电动
马达操作。作为替换，当发动机旋转时，可经由机轴机械地驱动该泵。通过对电力存储系统的温度的主动控制，可能远比先前已知方法更快地对电力存储系统放电，而没有在电力存储系统中可能有害地升高温度的风险。
[0015] 当电力存储系统的电荷状态小于50％，优选小于40％，并且又更优选小于35％时，可认为达到了放电应结束的预定电荷状态。放电至低SOC的目的在于在每个电池的开路电压(OCV)中获得更大变化，从而使得能够以更大精确性确定单独电池的SOC。电池OCV/SOC特性取决于电瓶电池的类型而变化，并且OCV/SOC曲线在中心区域相对平缓，并且在末端区域，即，在大SOC和低SOC时展现更大斜率(dOCV/dSOC)。
[0016] 当具有最低电荷状态的电池的电荷状态小于30％，优选小于25％，并且又更优选小于20％时，可认为达到了预定电荷状态。通常使用库伦计数结合周期性校准来评估ESS的SOC。ESS SOC评估也可基于ESS开路电压。因此，根据这种ESS SOC确定方法，在ESS的单独电池之间具有相对大的
不平衡的ESS可能被过放电，并且因而即使ESS SOC处于可接受的SOC间隔内也可能永久性地受损。因而，可有利地实施预定电池
低电压阈值，并且用于获得低SOC的ESS的放电应当限于防止任何电池达到低于低电压阈值的SOC。
[0017] 当当前电力存储系统
输出电压对于当前电力存储系统电荷状态的导数dOCV/dSOC超过电力存储系统输出电压对于电力存储系统电荷状态的最小导数的两倍，优选地超过所述最小导数的三倍，并且又更优选地超过所述最小导数的四倍时，可认为达到了预定电荷状态。对于电荷状态的中间间隔，将电力存储系统输出电压描述为其电荷状态的函数的dOCV/dSOC曲线相对平缓，即导数非常小。但是低于特定电荷状态水平，该曲线大致变得越来越陡。因而，当前导数与最小导数的比较提供当前电荷状态水平的指示，并且因而也提供何时已经达到足够低的SOC的指示。
[0018] 当具有最低输出电压的电池的当前输出电压对于所述电池的当前电荷状态的导数超过所述电池的输出电压对于所述电池的电荷状态的最小导数的五倍，优选地超过所述最小导数的七倍，并且又更优选地超过所述最小导数的十倍时，可认为达到了预定电荷状态。描述电池输出电压对于其电荷状态的dOCV/dSOC曲线类似于前述段落中所描述的电力存储系统的曲线。而且对于电池，其输出电压对于其电荷状态的导数也可给出电池的当前电荷状态水平的指示。
[0019] 本方法还可包括通过同时地操作车辆的至少一个附加耗电器而对电力存储系统放电，其中该附加耗电器是电热
辐射器或被配置为
电流吸收器的电功率电阻器系统中的任何一种。附加耗电器有助于提高电力存储系统的放电率。
[0020] 本方法也可以包括通过将电荷再分配给另一电力存储系统而同时对电力存储系统放电。这也是一种恢复放出电能的方式。
[0021] 本方法也可包括检查电力存储系统或具有最低电荷状态的电池的电荷状态是否等于或低于预定水平的初始步骤，以及如果电力存储系统或具有最低电荷状态的电池的电荷状态等于或低于预定水平，就通过操作车辆的至少一个大型电动机而省略对电力存储系统放电的步骤。如果电力存储系统或具有最低电荷状态的电池的电荷状态等于或低于预定水平，就不需要在平衡之前对电力存储系统放电。
[0022] 混合动力车辆可以包括具有最大功率输出超过100kW，优选超过150kW的电动牵引机或发电机。混合动力车辆也可以具有超过8吨，并且优选地超过16吨的重量。重型混合动力车辆通常包括高功率电动组件，其中功率变化大并且快，并且用于组件的空间小。因此，这些车辆具有对电池平衡的特定需求。
[0023] 电力存储系统可以包括至少100个串联连接的电瓶电池，并且优选至少150个串联连接的电池。许多串联连接的电池可贮存并且输送比几个串联连接电池更多的能量。但是串联连接的电池的数目越大，电池平衡就越重要。如果一个弱电池由于过充或过量放电而过早用尽充电循环，就将必须维修或替换整个串联连接电瓶组。
附图说明
[0024] 在下文给出的本公开的详细说明中，参考下列附图，在附图中：
[0025] 图1示出根据典型的电化学电池的电荷状态的开路输出电压的曲线图，[0026] 图2示出根据本公开的
基础系统的示意性布局，
[0027] 图3示出图2中的系统的发展的示意性布局，
[0028] 图4示出图2中的系统的进一步发展的示意性布局，和
[0029] 图5示出用于执行根据本公开的方法的示例性
流程图。
具体实施方式
[0030] 下面将结合附图描述本公开的各个方面，以例示但不限制本公开。相同标识符指示相同元件，并且所描述的方面的变体不限于具体示出的
实施例，但是也适用于本公开的其它变体。
[0031] 图1示出根据典型的电化学电池的化学电荷状态SOC的输出开路电压OCV的曲线图，该曲线图通常也被称为“电压放电曲线”。优选地，电化学电池可以是锂电池。电力存储系统可包括至少100个串联连接的电化学电池，并且优选至少150个串联连接的电池，例如锂电池。电力存储系统也可被称为电瓶组，并且电力存储系统的输出电压等于公共串的每个电池的积累输出电压。当然，电瓶组可包括串联间接电池的两个或更多并联连接串，其中每个串都包括约100-200个电池，以用于增大电力存储系统的总电容量的目的。
[0032] 通常以百分比(％)描述电荷状态(SOC)，其中0％对应于电化学电池或电力存储系统完全不含电荷，并且100％对应于电池或ESS完全充电。如果已知电瓶的当前和最大电荷状态水平，就可通过下列公式计算SOC：SOC＝(Qmax-Qpre)/Qmax，其中代表Qmax代表最大电荷，并且Qpre代表当前电荷。
[0033] 根据本公开的解决方案使用电池SOC和电力存储系统SOC作为替代参数，以用于确定何时电力存储系统已经充分放电并且电池平衡可以开始。
[0034] 电池SOC是至少在电池平衡期间的中心参数。一种用于确定电池SOC的普通方法是通过测量电池的OCV。通过下列方式确定电池的OCV，即，当电池与任何外部负荷断开，并且没有外部电流流经电池时测量电池的输出电压。OCV与电池的SOC直接相关。然而，电池OCV通过充电和放电分布，并且电池需要休息特定时间段，通常是几个小时，以获得其中测量OCV代表电池的真实SOC的均衡。该事实使得电池OCV在电池使用期间确定电力存储系统的SOC时用处较小，这种使用可包括在城市中驱动例如混合动力公共汽车时频繁充电和放电时间段。
[0035] 可有利地在电力存储系统已经休息了特定时间段并且已经记录了每个电池的OCV之后，首先开始根据本公开的放电和平衡处理。可在充电和放电期间使用库仑计数来评估电力存储系统SOC以及电池SOC。此外，为了修正由于长期漂移等等导致的评估误差的目的，可另外以完全充电电瓶组的形式定期地校准经评估的电力存储系统SOC。
[0036] 对电力存储系统的串联连接电池平衡包括使所有电池都处于公共电荷状态。电瓶组的每个电瓶电池都展现不同的化学组分、不同的当前温度、不同的内部阻抗和不同的最大电荷水平。因此，每个电池都将具有独特的电压放电曲线。这种事实使得当串联连接多个电池时必需进行电池SOC平衡。
[0037] 电瓶设计的预期目标在于对于大间隔电荷状态提供尽可能恒定的OCV。为此，图1中的放电曲线10几乎是平的，即对于第一电荷状态水平11和第二电荷状态水平12之间的中间间隔14，导数dOCV/dSOC非常小。在中间电荷状态间隔14中，电荷状态水平的变化对应于电池输出电压15的非常小，有时难以测量的变化。电荷状态的这种低测量解析度使得难以精确地进行电池平衡。因此，在开始平衡程序之前，降低ESS SOC从而使其落入位于第一电荷状态水平11之下的平衡间隔16内，但是不允许任何电池具有低于第三电荷状态水平13的SOC是个好主意，因为这可能将导致电化学电池永久性地弱化或受损。在所述平衡间隔16中，曲线10相当陡，导致更大输出电压间隔17，即导数相当高，这意味着即使是电池电荷状态中的小差异也提供输出电压的可测量差异。这引起电池电荷状态的测量解析度更高，并且因而更易于在电池平衡处理期间比较电力存储系统的单独电池之间的电荷状态水平。
[0038] 很大程度上取决于电池的组分和技术，电池的UFull可以通常对应于约4.5伏特和100％SOC，UEmpty可以通常对应于约3.0伏特和0％SOC。对于每种电池技术，放电曲线的形状都不同。该形状也受电池老化等等影响。因而，图1中所示的放电曲线形状仅为许多形状的一个实例。因而，与第一电荷状态水平11、第二电荷状态水平12和第三电荷状态水平
13相对应的SOC水平可以在不同类型的电池技术和老化之间变化到特定程度。
[0039] 在电池不是太不平衡的条件下，电力存储系统通常展现与电力存储系统由其组成的单独电池相同的电压放电曲线。因而，图1的电压曲线用于例示根据本公开的形成用于停止放电并且开始电池平衡的预定触发水平的电力存储系统阈值SOC水平。
[0040] 当电力存储系统SOC到达预定第一电荷状态水平11时，这限定了用于开始电池平衡处理的触发点。对于电力存储系统，第一电荷状态水平11的适当预定值可为50％，更优选40％，并且又更优选35％。相应地，当具有最低SOC的电池达到预定第三电荷状态水平13时，这限定了用于开始电池平衡处理的触发点。对于具有最低电荷状态的电池，第三电荷状态水平13的适当预定值可为30％，更优选25％，并且又更优选20％。这意味着不允许电池堆中具有最低SOC的电池降低低于这些水平。当ESS展现极大不平衡时，这种用于确定电力存储系统的SOC的可替换方法可能有利，以便在ESS SOC仍高于35％时，可将具有最低SOC的电池放电至低于例如30％的SOC水平。
[0041] 在输出电压对于电力存储系统或者具有最低输出电压的电池的电荷状态的(当前)导数方面，可能可替换地限定触发放电阶段停止以及平衡阶段开始的预定SOC水平。对于电力存储系统，可将预定水平适当地限定为下列电荷状态水平，在该电荷状态水平下，所述导数高于曲线10的最小导数的两倍，更优选地高于所述最小导数的三倍，并且又更优选地高于所述最小导数的四倍。对于具有最低输出电压的电池，可将预定水平限定为下列电荷状态水平，在该电荷状态水平下，所述导数高于曲线10的最小导数的五倍，更优选地高于所述最小导数的七倍，并且又更优选地高于所述最小导数的十倍。例如，最小导数可以被存储为来自电瓶制造商的参考值，和/或可在对电池的初始充电期间确定，和/或可在电池的有效寿命时间期间连续地监视和校准。可使用库仑计数以及对放电曲线形状的理解计算输出电压对于电荷状态的当前导数。可基于SOC中的评估差异以及两个相邻充电水平的OCV的测量差异可替换地计算或者组合地计算当前导数。
[0042] 图2示出根据本公开的基础系统的非常示意性布局。根据本公开，例如如果由电力存储系统20的电瓶管理单元23决定了执行电瓶电池平衡，并且如果电力存储系统的SOC高于第一电荷状态水平11，就借助于对电力存储系统20放电将电荷状态降低至第一电荷状态水平11。通过静止时操作电力存储系统所位于的车辆的至少一个大型电动机21实现放电。可由电力存储系统20的电瓶管理单元(BMU)23控制电力存储系统的放电和电池平衡两者。然而，作为替换，可由与BMU 23协作的另一
电子控制单元控制电力存储系统的放电。
[0043] 电动机21是一种大型装置，其能够驱动大型负荷24，即需要相对大输出扭矩的负荷，诸如但不限于，燃烧发动机的机轴的旋转，或者诸如工程车辆中的大液压系统中的液压油泵。不适合作为大型负荷24的例如为用于调节
后视镜的马达，或者用于开启和闭合车辆的
车床的马达。适当地，所述电动机21可具有超过1kW，优选超过5kW并且更优选超过20kW的最高功率输出。例如，电动机21可能为混合动力车辆的电动牵引机或主发电机。作为替换，如果车辆例如包括制冷货运舱，电动机21就可以驱动货运空调系统。特别是公共汽车，以及其它重型车辆通常提供有用于空气悬架、车
门促动、
刹车等等的大压缩空气系统。在公共汽车中，电动机21可能用于驱动空气压缩机。作为替换，不仅适用于卡车或公共汽车而且也适用于大范围车辆的电动机21可用于驱动燃烧发动机
散热器的
冷却风扇。电动机21也可用于驱动液压系统的
液压泵。例如，车辆可以是具有液压操作装备的工程车辆，并且通常可将
阀门系统设置为允许液压
流体循环流动，以及用于提高
流动阻力的至少一种约束。液压泵也可用于对液压系统的液压蓄能器蓄能，以便可恢复并且不浪费能量。相应地，电动机21可用于对机械蓄能系统蓄能，诸如
飞轮蓄能系统。显然，可同时使用两个或更多电动机21对电力存储系统20(未示出)放电。
[0044] 图3示出本公开的优选实施例的示意性布局，其中通过以非燃烧方式设置混合动力车辆的燃烧发动机30，以及借助于电动牵引机旋转燃烧发动机的机轴而实现对电力存储系统的放电。在非燃烧模式下，不将
燃料喷射到燃烧发动机30中。因而，这里的大型电动机由并联混合动力车辆的电动牵引机形成。显然，如果混合动力车辆具有串联推进布局，燃烧发动机和
驱动轮之间不存在机械连接，则大型电动机就将由连接至燃烧发动机的发电机形成(未示出实施例)。可通过提高旋转机轴所需的扭矩进一步提高电力存储系统20的放电率。例如，这可以通过促动发动机压缩刹车和/或位于车辆的排气路径32中的排气刹车31完成。排气刹车31至少部分地闭合排气管，引起将压缩排气管31上游的废气，这引起
活塞的阻力更大，从而排空缸体内的空气，以便机轴减慢。在放电期间，不向燃烧发动机30中喷射燃料，并且因此通过活塞的泵送动作导致的排气路径32中的流动被空气代替。压缩刹车32以类似于排气刹车31的方式操作，但是作为代替，借助于发动机可变定时
凸轮控制排气阀限制缸体的流出。排气阀31或发动机压缩刹车32由发动机电子控制单元35适当地控制。
[0045] 在放电期间，变速箱37下游的
驱动轴34例如借助于位于电动机21和驱动轴34之间的
离合器36与燃烧发动机30的机轴分离。因此，不向驱动轴34传递扭矩，并且因此车辆静止。
[0046] 电瓶管理单元23、变速箱电子控制单元38和发动机电子控制单元35可由诸如CAN总线等等的通信总线39互联。
[0047] 图4示出本公开的进一步发展的示意性布局，其中可通过车辆的至少一个附加耗电器40的同时操作和/或通过对另外的电力存储系统41充电而实现对电力存储系统20的放电。该至少一个附加耗电器40以及对另外的电力存储系统41的充电可有助于通过与至少一个电动机21结合同时操作而提高放电率。例如，该至少一个附加耗电器40可由电
热辐射器或者被配置为将电能转换为热的电流吸收器的电功率电阻器系统形成。可使用包括功率电子设备的电
接线盒42作为开关，以允许高效并且节省
能源地实现对电力存储系统20的放电。
[0048] 在图2-4中，电动机21由能够传递扭矩的可旋
转轴43连接至负荷24、30和变速箱37，但是作为替换，电动机21可与负荷和/或变速箱37集成，以便互连轴43变得多余。例如，电力存储系统20、电动机21和接线盒42之间的电连接44由DC，单相AC或三相AC形成。
[0049] 电力存储系统20有利地包括冷却系统，诸如可能在电力存储系统20的放电期间操作的水冷却。
[0050] 图5示出一种用于执行根据本公开的方法的电池平衡程序的示例性流程图。该程序可由电瓶管理单元23控制，并且在车辆静止时开始50。第一步骤51包括对电力存储系统20放电。作为第二步骤52，电瓶管理单元23检查电力存储系统20或具有最低电荷状态的电池的电荷状态是否已经达到了预定水平。如果答案为“否”，程序就返回对电力存储系统20放电的第一步骤51。然而，如果答案为“是”，程序就进入第三步骤53，其中对电力存储单元的放电终止。当放电已经终止时，程序就进入第四步骤54，在此期间执行电力存储系统20的多个串联连接的电化学电池的电压平衡。电池平衡的目标在于使所有单独电池都处于公共电荷状态水平，并且可根据各种已知技术执行。可由位于电力存储系统20内部的电瓶管理单元23管理电池平衡。
[0051] 图5中所述的用于执行电池平衡程序的示例性流程图还可包括开始对ESS的放电之前的初始检查步骤，以检查电力存储系统或具有最低电荷状态的电池的电荷状态是否等于或低于预定水平。如果确定了电力存储系统或具有最低电荷状态的电池的电荷状态是否等于或低于预定水平，就省略通过操作至少一个大型电动机对电力存储系统放电的步骤，并且可直接开始平衡，这是因为已经存在了足够低的SOC。
[0052] 不应将权利要求中提及的参考符号视为限制权利要求所保护的主旨的范围，并且它们的仅有功能在于使权利要求更易于理解。
[0053] 如将实现的，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，本公开能够存在各种明显方面的
修改。因而，应将附图及其说明视为本质上为例示性的而非限制性的。
