CN103718418A

CN103718418A - 用于估计电池充电结束时间的系统和方法

Info

Publication number: CN103718418A
Application number: CN201280035058.9A
Authority: CN
Inventors: F·本-艾沙; A-L·德里迈尔-佛朗哥; C·欧博尔蒂
Original assignee: Renault SA
Current assignee: Renault SA
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: FR2975543A1; WO2012156650A2; CN103718418B; EP2710704A2; KR20140034841A; EP2710704B1; US20140125348A1; FR2975543B1; WO2012156650A3; KR102057311B1

Abstract

本发明涉及一种用于估计电池充电结束时间的系统，该电池是被连接到一台机动车辆车载的一个电池充电器上。该系统的特征在于它包括用于确定一个电池的充电状态的一个装置（1）、用于确定该电池充电器的充电功率的一个装置（6）以及用于确定一个充电结束时间的一个装置（11）。

Description

用于估计电池充电结束时间的系统和方法

技术领域

本发明的技术领域是用于对存储电功率的元件充电的系统。

背景技术

估计电池充电结束时间对这种类型功率存储器件的使用者而言显示了一条重要信息。这一信息例如使得使用者更好地使用等待电池充电花费的时间变得更容易。这一信息还允许车载系统更好地管理一台电动车辆或混合动力车辆中的功率使用以便提高该车辆的里程。

发明内容

本发明的一个目标是要允许精确地估计一个电池的充电结束时间。

本发明的另一个目标是要允许估计一个经历老化的电池的充电结束时间。

在一个实施例中，一个系统被提供用于估计一个电池的充电结束时间，该电池是被连接到一台机动车辆中的电池充电器上的。该系统包括用于确定（détermination）一个电池的充电状态的一个装置、用于确定该电池充电器的充电功率的一个装置、以及用于确定一个充电结束时间的一个装置。表述“充电状态”应理解成是指当前充电量与最大充电量的比率。

这个确定系统具有的优点是在确定剩余充电时间时考虑充电启动与充电结束之间的差异。

用于确定一个充电结束时间的该装置可以包括用于确定一个充电启动持续时间的一个装置、和用于确定一个充电结束持续时间的一个装置。

该系统可以包括用于根据该电池的老化对该充电结束时间校正的一个装置，该装置在输出侧被连接到用于确定一个充电结束时间的该装置上、并且能够根据该电池的老化状态修改该充电结束时间。

用于确定一个充电结束时间的该装置可以包括用于对该电池建模的一个装置、和用于对该充电结束时间建模的一个装置。

用于对该电池建模的该装置允许考虑该电池的非线性的物理特征以便提高对该充电结束时间的估计。

该确定系统因此具有的优点是更快速地返回一个估计值并且可更适应于不同的电池。

用于对该充电结束时间建模的该装置可以能够根据一个存储模型、从用于对该电池建模的一个装置收到的多个系数、从一个内存收到的该电池的一个最大充电值、该充电状态的一个测量值、该充电功率的一个测量值、以及从该电池的一个温度传感器收到的该电池的温度的一个测量值的一个函数确定该充电结束时间。

该系统可以包括用于确定该电池老化的一个装置，该装置被连接在该内存与用于确定该充电结束时间的该装置之间。

该系统可以包括在用于确定一个电池的充电状态的该装置的以及用于确定该电池充电器的充电功率的该装置的下游的一个滤波器，从而允许衰减测量杂波。

用于估计该充电结束时间的这样一个系统可以被集成到用于控制一个电池的一个器件、或用于控制一个机动车辆动力系的一个器件中，该动力系是被连接到一个电池上的。

还提供一种用于确定电池的充电结束时间的方法，其中一个电池的充电状态被确定，该电池充电器的充电功率被确定，并且一个充电结束时间是根据该充电状态和该充电功率确定的。

对该充电结束时间的一个校正可以是根据该电池的老化确定的。

该充电结束时间可以是根据一个模型、一个存储的最大充电值、该充电状态的一个测量值、该充电功率的一个测量值、以及该电池的温度的一个测量值的一个函数确定的。

附图说明

通过阅读仅仅借助非限制性实例并且参照附图给出的以下说明，其他目的、特征以及优点将会清楚，在这些附图中：

-图1展示了根据本发明的一个确定系统的第一实施例；并且

-图2展示了根据本发明的一个确定系统的第二实施例。

具体实施方式

图1示出了用于确定充电状态的一个装置1，该装置由一个连接件2连接到用于确定充电启动持续时间的一个装置3上、并且由该连接件2的一个支路4连接到用于确定充电结束持续时间的一个装置5上。用于确定电池充电器功率的一个装置6由连接件7连接到用于确定充电启动持续时间的装置3上、并且由该连接件7的一个支路8连接到用于确定充电结束持续时间的装置5上。

一个加法器10由一个连接件9a连接到用于确定充电启动持续时间的装置3上、并且由一个连接件9b连接到用于确定充电结束持续时间的装置5上。

一个连接件12被连接到该加法器10的一个输出上。

用于确定充电结束时间的装置11包括加法器10、用于确定充电启动持续时间的装置3、以及用于确定充电结束持续时间的装置5。

在这个第一实施例中，对充电结束时间的估计依靠使用两个图谱的一种经验式方法。对充电持续时间的估计取决于充电功率以及电池的充电状态。这些使用的图谱因此是包括两个输入和一个输出的图谱。

充满一个电池要经历两个相异的阶段。一次满充电对应于将具有等于其满充电量0%的充电状态的一个电池充电到等于其满充电量100%的充电状态。

第一阶段（称作“充电启动”）对应于期间充电功率是恒定的一个阶段。

第二阶段（称作“充电结束”）对应于期间该功率逐步减小的一个阶段。

用于确定充电启动持续时间的装置3包含对应于该第一阶段的图谱。

用于确定充电结束持续时间的装置5包含对应于该第二阶段的图谱。

加法器10对作为来自用于确定充电启动持续时间的装置3的以及来自用于确定充电结束持续时间的装置5的输出得到的持续时间求和。

电池在老化时其容量呈现下降，并且因此对它们充电所花费的时间长度下降。

然而，包含在用于确定充电启动持续时间的装置3中的以及用于确定充电结束持续时间的装置5中的图谱是被建立用于对应新电池的满充电量。

对于一个老化电池而言测定充电状态因此并不对应于一个新电池的充电状态。这个确定的充电持续时间将因此是错误的除非就老化而言被校正。我们记得一个充电状态被表示为该电池的当前充电量与最大充电量的比率。

为了在一个电池的整个寿命中保持对充电持续时间的可靠估计，有必要对传递到用于确定充电启动持续时间的装置3的以及到用于确定充电结束持续时间的装置5的充电状态值根据本发明的参照图2所描述的第二实施例进行校正。

为了做到这一点，用于根据电池老化校正充电结束时间的一个装置可以被插入到用于确定充电状态的装置1的下游。使用在一次满充电之后存储的一个记忆充电值，用于确定充电状态的装置1能够确定该电池的老化状态。还能够修改由用于确定充电状态的装置1确定的充电状态值以用于确定该充电状态，使得作为输出传递到用于确定充电启动持续时间的装置3以及用于确定充电结束持续时间的装置5的充电状态值包含一个老化状态校正。

该老化状态校正可以例如是这个测定充电状态的一个相乘因子。该相乘因子可以是一个老化电池的满充电量与相同的电池在新的时候的满充电量的比率。这个因子还可以由一个老化电池的充电状态随时间的变化与一个新的电池的充电状态随时间的变化相比的一个规律得出结果。图2示出了用于确定充电结束时间的一个装置11，该装置包括用于对该电池建模的一个装置16以及用于估计充电结束时间的一个装置28。

用于确定充电状态的一个装置1由一个连接件13连接到一个第一滤波器14上。该滤波器14在输出侧被连接到用于对该电池建模的装置16上，该装置本身在输出侧被连接到一个连接件17上。此外，一个支路18被连接到连接件15上。

一个内存19由连接件20连接到用于确定该电池老化的一个装置21上，该装置本身在输出侧被连接到一个连接件22上。

用于确定电池充电器功率的一个装置6由一个连接件23连接到一个第二滤波器24，该滤波器本身在输出侧被连接到一个连接件25上。

用于确定温度的一个装置26在输出侧被连接到一个连接件27上。

用于估计充电结束时间的装置28在输入侧被连接到这些连接件17、18、22、25和27上。一个第三滤波器30在输入侧通过连接件29而被连接到用于估计充电结束时间的装置28上、并且在输出侧被连接到一个连接件31上。

用于估计充电结束时间的装置28允许在物理学上对电池充电进行非常精确地建模。相对于使用多个图谱来对每个可能的运行点（即一系列预设温度、预设寿命、预设充电功率以及预设充电状态）表征充电时间的一个系统，该装置在获得来自用于估计一个电池的充电结束时间的一个系统的一个估计时允许节约内存资源和时间。

可替代地，用于确定电池老化的装置21可以被除去，在这种情况下用于估计充电结束时间的装置28直接使用存储在内存19中的值。

第二实施例使用该电池充电和放电的一个物理模型来确定充电结束时间。该物理模型将满充电持续时间表征为电池温度、电池充电功率、充电状态、以及电池老化的一个函数。

为了获得这个模型，首先有待充电的该电池被建模。为此，该电池的充电状态SOC被表示为电池电流I^bat、电池温度T、新电池容量Q₀ ^bat,max、以及该电池在时间t和温度T时的容量Q^bat,max(T,t)的一个函数。

\frac{dSOC}{dt} = \frac{I^{bat}}{Q^{bat, \max} (T, t)}

（等式1）

该电池的容量根据其温度和充电状态而递降。由此推导出关于电压、电流以及电阻的一个表达式：

U^bat＝U₀(T,SOC)+I^bat·R(T,SOC) （等式2）

其中U^bat是该电池的电压；

U₀(T,SOC)是该电池的开路电压；并且

R(T,SOC)是该电池的电阻。

该电池的开路电压和内电阻既可以由多个经验图谱获得也可以由从电池的电化学理论导出的多个函数获得、或者由两者的一个组合获得。

设计确切地考虑电阻和开路电压非线性的一种估计算法允许提高估计的精度。

为此，新电池的容量Q₀ ^bat’max被认为是等式1的一个参数。

该电池的充电功率可以用以下方式表示：

P_ch＝U^bat·I^bat （等式3）

在等式3中，如果U^bat由其从等式2中得到的表达式替代，得到以下表达式：

P_ch＝I^bat·[U₀(T,SOC)+I^bat·R(T,SOC)] （等式4）

等式4可以被展开以获得以下等式：

P_ch＝I^bat·U₀(T,SOC)+(I^bat)²·R(T,SOC) （等式5）

对这个等式求解允许确定电流I^bat：

I^{bat} = \frac{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}}{2 \cdot R (T, SOC)}

（等式6）

在等式1中I^bat以其从等式6中得到的表达式替换得出：

\frac{dSOC}{dt} = \frac{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}}{2 \cdot R (T, SOC) \cdot Q^{bat, \max} (T, t)}

（等式7）

等式7可以被重新阐述以表示时间导数dt：

dt = \frac{2 \cdot R (T, SOC) \cdot Q^{bat, \max} (T, t)}{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}} \cdot dSOC

（等式8）

对等式8逐项积分允许确定充电结束时间

充电启动时间被给定。

t_{ch}^{f} = t_{ch}^{i} + {&Integral;}_{S_{i}}^{S_{f}} \frac{2 \cdot R (T, SOC) \cdot Q^{bat, \max} (T, t)}{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}} \cdot dSOC

（等式9）

其中：

S_i是启动充电时的充电状态SOC的值；并且

S_f是充电结束时充电状态SOC的值，该值可以不同于100%。

因为开路电压U₀和电阻R的表达式的复杂性，对等式7的积分是困难的。

为了克服这种困难，提供了一种用于使开路电压U₀和电阻R线性化的方法。

如以上所描述的，作为充电状态的一个函数的开路电压曲线呈现两个拐点，这两个拐点界定三个分离区域。在每个区域中估计该开路电压随充电状态线性地变化。因此有可能以一个指数k与这三个区间中的每一个相关联。

对于每个区域而言，该开路电压可以用以下等式的形式来表示：

U₀＝α_k·SOC+β_k （等式10）

其中：

-k是0和2之间变化的一个指数并且指定这三个区域之一；当然有可能将该开路电压曲线分成多余三个区域；并且

-α_k和β_k是两个系数。

相同的推理可以被应用到作为电池充电状态的一个函数的内电阻R的变化。内电阻R的变化被表示为一个逆多项式并且包括两个区域，这两个区域中的变化率是不同的。这两个区域之间边界的横坐标与分离这些开路电压区域的边界的横坐标是不同的。

对于每个区域而言，该电阻可以用以下等式的形式来表示：

R＝p_k·SOC+τ_k （等式11）

其中：

-k是等于0或1的一个指数并且指定这两个区域之一；当然有可能将该内电阻曲线分成多余两个区域；并且

-p_k和τ_k是两个系数。

这些系数α_k、β_k、p_k和τ_k被设定成使得该开路电压和内电阻的这些关系式接近线性函数。此外，这些系数可以根据温度和电池类型的一个函数而变化。

如果充电状态SOC的初始值S_i所属于的区间的指数被指代为k_i，并且该SOC的最终值S_f所属于的区间的指数被指代为k_f，并且考虑等式10和等式11，限定充电结束时间的表达式（等式9）变换成以下表达式：

t_{ch}^{f} = t_{ch}^{i} + \underset{ki < k < kf}{Σ} {&Integral;}_{S_{i}}^{S_{f}} A (T, SOC, Q^{bat, \max}, P_{ch}) \cdot dSOC

（等式12）

最终充电时间按以下一系列步骤进行估计。首先，确定对应于当前充电状态的指数k_i。该指数k_i被包括在0和3之间。

接下来，应用等式12，用等式10和等式11的这些线性表达式替换等式9中的电阻值和开路电压值，要考虑选择对应于所讨论指数k_i的系数。这些等式的系数被预先设定。

这个确定系统可以被集成到动力系的主处理器或该电池的处理器中。

用于估计充电结束时间的系统的第二实施例的一种应用是优化电池的充电策略。

当使用该确定系统时减少了对电池充电花费的持续时间。这是因为该确定系统允许使对电池充电花费的持续时间最小化同时使电池充电的离差最小化。电池充电的离差最小化是通过在充电过程中使该电池接受的功率最大化来获得的。通过该确定系统的模型的解析表达式，这是容易的。

t_{ch}^{f} = f (I, SOC, T, P^{bat, \max})

（等式13）

其中P^bat,max是该电池可以接受的不危害其寿命的最大功率。

充电状态SOC的值的离差被指代为osoc。该电池的充电状态值的离差取决于电流的离差σι，该电流离差本身取决于温度T和电流I。该电流越大，充电时间就越短。类似地，该电流越小，该充电状态的离差就越小，并且对电池寿命约束的关系越大。因此，优化充电电流存在一个问题。这个问题可以由多种解析方法或数值方法来解决。

用于估计充电结束时间的系统的第二实施例的另一种应用是与使用者交互地优化车辆充电时间以便提高该车辆的持久性、里程和可供使用性。该系统允许提高该车辆的里程以及其可供使用性。通过一个人机界面，使用者可以被告知剩余充电量、对于一次满充电而言所要求的充电持续时间、以及预测的再充电时间。该使用者还可以在一种卫星辅助导航系统应用（例如GPS）或任何其他路线规划程序中综合地接收这些信息。

Claims

1.一种用于估计电池的充电结束时间的系统，该电池是被连接到一台机动车辆中的一个电池充电器上，其特征在于，该系统包括用于确定一个电池的充电状态的一个装置（1）、用于确定该电池充电器的充电功率的一个装置（6）、以及用于确定一个充电结束时间的一个装置（11）。

2.如权利要求1所述的系统，其中用于确定一个充电结束时间的该装置（11）包括用于确定一个充电启动持续时间的一个装置（3）、和用于确定一个充电结束持续时间的一个装置（5）。

3.如权利要求2所述的系统，包括用于根据该电池的老化对该充电结束时间校正的一个装置，该装置在输出侧被连接到用于确定一个充电结束时间的该装置（11）上、并且能够根据该电池的老化状态修改该充电结束时间。

4.如权利要求1所述的系统，其中用于确定一个充电结束时间的该装置（11）包括用于对该电池建模的一个装置（16）、和用于估计该充电结束时间的一个装置（28），该建模装置使用对该电池的开路电压和内电阻的一种线性化。

5.如权利要求4所述的系统，其中用于估计该充电结束时间的该装置（28）能够根据一个存储模型、从用于对该电池建模的一个装置收到的多个系数、从一个内存（19）收到的该电池的一个最大充电值、该充电状态的一个测量值、该充电功率的一个测量值、以及从该电池的一个温度传感器（26）收到的该电池的温度的一个测量值的一个函数确定该充电结束时间。

6.如权利要求5所述的系统，包括用于确定该电池老化的一个装置（21），该装置被连接在该内存（19）与用于确定该充电结束时间的该装置（11）之间。

7.如权利要求5和6中任一项所述的系统，包括在用于确定一个电池的充电状态的该装置（1）的以及用于确定该电池充电器的充电功率的该装置（6）的下游的一个滤波器，从而允许衰减测量杂波。

8.一种用于确定电池的充电结束时间的方法，其中一个电池的充电状态被确定，该电池充电器的充电功率被确定，并且一个充电结束时间是根据该充电状态和该充电功率确定的。

9.如权利要求8所述的方法，其中对该充电结束时间的一个校正是根据该电池的老化确定的。

10.如权利要求8和9中任一项所述的方法，其中该充电结束时间是根据一个模型、一个存储的最大充电值、该充电状态的一个测量值、该充电功率的一个测量值、以及该电池的温度的一个测量值的一个函数确定的。