用于蓄电池单元平衡的系统和方法
阅读说明：本技术 用于蓄电池单元平衡的系统和方法 (System and method for battery cell balancing ) 是由 王锐 王旭 帕特森·卡杜维纳尔·亚伯拉罕 于 2019-06-26 设计创作，主要内容包括：本公开提供了“用于蓄电池单元平衡的系统和方法”。一种系统,包括处理器,所述处理器被配置为：参考参比电池在受命电池上执行平衡；以及响应于检测到平衡时间超过阈值时间并且荷电状态(SOC)差异超过容差,中止所述平衡并且生成错误消息。所述阈值时间取决于使用所述SOC差异、预定受命电池容量和预定平衡电流计算的平均平衡时间。(The present disclosure provides "systems and methods for battery cell balancing. A system comprising a processor configured to: the reference cell performs balancing on the subject cell; and in response to detecting that the time to balance exceeds a threshold time and the state of charge (SOC) difference exceeds a tolerance, discontinuing the balancing and generating an error message. The threshold time is dependent on an average balancing time calculated using the SOC difference, a predetermined committed battery capacity, and a predetermined balancing current.)
技术领域
本公开总体涉及蓄电池单元平衡。更确切地说，本公开涉及一种用于车辆的蓄电池单元平衡方法和系统。
背景技术
在汽车工业中，电动车辆需要大容量蓄电池来供应动力以推进车辆。这类大容量蓄电池通常含有串联和/或并联地连接的多个电池。尽管每个蓄电池单元可以相同方式设计以产生相同容量和性能，但是每个实际的电池可能会由于诸如制造差异、组装差异、不同的充电/放电历史、不同的使用条件(例如，温度)等的因素而具有不同的特性。为了最大化容量并延长蓄电池单元的寿命，需要执行电池平衡。
发明内容
在一个或多个说明性实施例中，一种系统包括处理器，所述处理器被配置为：在受命电池上执行平衡；以及响应于检测到受命电池与参比电池之间的荷电状态(SOC)差异大于容差并平衡时间超过取决于SOC差异、预定受命电池容量和预定平衡电流的阈值时间，中止所述平衡并且生成错误消息。
在一个或多个说明性实施例中，一种蓄电池系统包括处理器，所述处理器被配置为：响应于检测到两个电池之间的SOC差异超过容差，使用SOC差异、预定电池容量和预定平衡电流来计算平均平衡时间；使用平均平衡时间来计算阈值时间；在两个电池中具有较高SOC的一个上执行平衡；以及响应于检测到平衡时间超过阈值时间而中止所述平衡。
在一个或多个说明性实施例中，一种电池平衡方法包括：在平衡受命电池期间，响应于检测到受命电池与参比电池之间的荷电状态(SOC)差异大于容差并平衡时间长于取决于SOC差异、预定受命电池容量和预定平衡电流的阈值时间，由控制器停止所述平衡。
附图说明
为了更好地理解本发明并示出可以如何执行本发明，现在将参考附图仅通过非限制性示例来描述其实施例，在附图中：
图1示出了本公开的一个实施例的车辆系统的示例框式拓扑图；
图2示出了本公开的一个实施例的蓄电池单元平衡过程的示例流程图；并且
图3示出了本公开的一个实施例的蓄电池单元平衡过程的示例信号图。
具体实施方式
根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；但是应理解，所公开的实施例仅示例性说明本发明，本发明可以体现为不同和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应解释为是限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。
本公开的实施例一般提供用于多个电路或其他电气装置。所有对电路和其他电气装置以及它们各自提供的功能的引用均不意图被限制为仅涵盖本文所示和所述的内容。但是可以将特定标签分配给各种电路或其他电气装置。此类电路和其他电气装置可以基于所需的特定类型的电气实现方式而以任何方式彼此组合和/或分开。将认识到，本文公开的任何电路或其他电气装置可以包括任何数量的微处理器、集成电路、存储器装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或上述的其他合适的变体)以及软件，上述各者彼此合作来执行本文公开的操作。另外，电气装置中的任一个或多个可以被配置来执行体现在非暂时性计算机可读介质中的被编程来执行如所公开的任何数量的功能的计算机程序。
本公开尤其提出了一种用于车辆的蓄电池单元平衡系统。更确切地说，本公开提出了一种用于检测异常电池平衡事件以提高平衡过程的稳健性的系统。
参考图1，示出了本公开的一个实施例的车辆系统100的示例框式拓扑图。车辆102通常可以包括蓄电池104、蓄电池控制模块(BCM)116、计算平台132和远程信息处理控制单元TCU 152。应注意，所示系统100仅为示例，并且可以使用更多、更少和/或以不同方式定位的元件。
车辆102可以包括各种类型的汽车、跨界型多功能车(CUV)，运动型多用途车(SUV)、卡车、休闲车(RV)、船、飞机或用于运输人员或货物的其他移动机械。在许多情况下，车辆102可以由电动马达提供动力。作为另一种可能性，车辆102可以是由内燃发动机和一个或多个电动马达两者提供动力的混合动力电动车辆(HEV)，诸如串联混合动力电动车辆(SHEV)、并联混合动力电动车辆(PHEV)或并联/串联混合动力车辆(PSHEV)、船、飞机或用于运输人员或货物的其他移动机械。作为一个示例，车辆102可以包括由美国密歇根州迪尔伯恩的福特汽车公司(The Ford Motor Company of Dearborn,Michigan)制造的SYNC系统。
如图1所示，车辆102可以设置有蓄电池104，所述蓄电池104被配置为出于多个目的(例如，推动电动马达)而提供动力/电力。例如，蓄电池104可以是任何类型的可再充电蓄电池。作为一些非限制性示例，蓄电池104可以是锂离子蓄电池、锂离子聚合物蓄电池等。蓄电池104可以包括串联和/或并联地连接的多个电池106。参考图1所示的示例，蓄电池104包括串联地连接的多个电池106a、106b、…、106n。每个电池106可以设置有平衡电路108。平衡电路可以包括连接到电池106的开关110和电阻器112。当开关110闭合时，连接的电池106通过其对应的电阻器112放电，使得蓄电池104可以再平衡。尽管图1所示的电池平衡电路108通常是被动平衡电路，但是应注意，本公开不限于此并且可以在本公开中公开的相同原理下使用和操作主动平衡电路和其他类型的平衡电路。此外，如图1所示的每个电池106可以是单个蓄电池单元，或可替代地包括串联和/或并联地连接且统称为电池106的多于一个的单电池。
蓄电池104可以连接到蓄电池控制模块(BCM)116，所述BCM116被配置为监测和控制蓄电池104的操作。应注意，图1所示的BCM 116仅仅是示例。BCM的结构和功能可以另外地或可替代地与蓄电池104的控制电路进行整合或组合。如图1所示，车辆102的BCM 116可以包括一个或多个传感器126，所述一个或多个传感器126被配置为检测蓄电池104的各种数据，诸如蓄电池104的每个电池106的电压、荷电状态(SOC)、工况和其放电开关110的状态。
BCM 116可以进一步设置有一个或多个处理器124，所述一个或多个处理器124被配置为执行支持本文描述的过程的指令、命令和其他程序。例如，BCM 116可以被配置为执行蓄电池应用程序120的指令以提供特征，诸如充电、放电、平衡、处理诊断故障码(DTC)和错误报告、硬件自我测试以及与车辆102的其他模块进行通信。这类指令和其他数据可以使用各种类型的计算机可读存储介质118以非易失性方式保存。计算机可读介质118(又被称为处理器可读介质或存储体)包括参与提供可以由BCM 116的处理器124读取的指令或其他数据的任何非暂时性介质(例如，有形介质)。蓄电池DTC和其他蓄电池相关数据可以作为蓄电池数据122存储和保存在存储体118中。可以根据使用多种编程语言和/或技术创建的计算机程序来编译或翻译计算机可执行指令，所述多种编程语言和/或技术包括但不限于以下的单独或组合形式：Java、C、C++、C#、Objective C、Fortran、Pascal、Java Script、Python、Perl和PL/SQL。
BCM 116可以被进一步配置为经由一个或多个车辆内网络130与计算平台132进行通信。作为一些示例，车辆内网络130可以包括但不限于控制器局域网(CAN)、以太网和面向媒体的系统传输(MOST)中的一者或多者。
计算平台132可以包括一个或多个处理器140，所述一个或多个处理器140被配置为执行支持本文描述的过程的指令、命令和其他程序。例如，计算平台132可以被配置为执行车辆应用程序136的指令以提供各种特征。这类指令/应用程序136和其他车辆数据138可以使用各种类型的计算机可读存储介质134(又被称为处理器可读介质或存储体)以非易失性方式保存。在图1所示的示例中，计算平台132和BCM 116是单独的模块。应注意，BCM 116可以可替代地与计算平台132整合以在本公开的相同原理下执行基本上相同的操作。
计算平台132可以设置有允许车辆乘员/用户与车辆102交互的各种特征。例如，计算平台132可以从人机界面(HMI)控制装置146接收输入，所述HMI控制装置146被配置为提供用于乘员与车辆102的交互。作为一个示例，计算平台132可以与被配置为调用计算平台132上的功能的一个或多个按钮(未示出)或其他HMI控制装置(例如，方向盘音频按钮、通话按钮、仪表板控制装置等)进行交互。
计算平台132还可以驱动一个或多个显示器144或者另外与之进行通信，所述一个或多个显示器144被配置为通过视频控制器142向车辆乘员提供视觉输出。在一些情况下，显示器144可以是触摸屏，所述触摸屏被进一步配置为经由视频控制器142接收用户触摸输入，而在其他情况下，显示器144可以仅为不具有触摸输入能力的显示器。计算平台132还可以驱动一个或多个扬声器150或者另外与之进行通信，所述一个或多个扬声器150被配置为通过音频控制器148向车辆乘员提供音频输出。
BCM 116和计算平台132可以被进一步配置为经由车辆内网络130与远程信息处理控制单元(TCU)152进行通信。TCU 152可以设置有硬件和软件结构以经由无线连接156(例如，蜂窝网络)实现车辆102与远程服务器154之间的通信。
参考图2，示出了本公开的一个实施例的蓄电池单元平衡过程的示例流程图200。在操作202处，BCM 116通过闭合有待平衡的相关电池106的平衡开关110来启动电池平衡。受命电池的初始SOC是已知的。存在确定蓄电池104的每个电池106的SOC的许多方式。例如，BCM 116可以使用由蓄电池传感器126检测的每个电池106的电压来确定每个电池106的SOC。
在操作204处，BCM 116计算平均平衡时间T_平衡，设定平衡时间阈值并且启动计时器。可以使用以下公式来计算平衡时间阈值：
在以上公式中，电池_容量表示有待平衡的电池106(其被称为受命电池)的总容量；电池平衡电流表示在平衡开关110闭合时通过受命电池的平衡电路108的电流。电池_容量和电池平衡电流两者都可以由BCM 116预先确定。SOC的差异表示受命电池(有待平衡的电池)与参比电池之间的SOC差异。一般而言，受命电池具有高于参比电池的SOC。在一些示例中，参比电池是在蓄电池104中具有最低SOC的电池。SOC以及SOC的差异可以使用百分位数来呈现。例如，如果受命电池的SOC为80％并且参比电池的SOC为60％，则SOC的差异将为20％(即，80％-60％)。可替代地，可以使用电荷的单位，诸如毫安培小时(mAh)、安培小时(Ah)等来呈现SOC。
平衡时间阈值T_阈值可以使用利用上文呈现的公式获得的平均平衡时间T_平衡来设定。作为一个示例，可以将阈值设定为T_阈值＝2*T_平衡。一般原理是电池平衡操作不应在阈值时间段T_阈值之外执行。如果受命电池在本示例中为2*T_平衡的可校准的阈值时间段T_阈值之后仍然是平衡的，则这指示系统中可能存在问题/故障并且应停止平衡。此处使用的阈值2*T_平衡仅为示例并且可以使用其他值。
在操作206处，BCM 116通过检查计时器来确定电池平衡是否已激活超过阈值T_阈值时间段。如果时间未超过阈值T_阈值，则所述过程进行到操作208并且BCM 116继续执行电池平衡。在操作210处，BCM 116检查SOC的差异是否落入来自参比电池的SOC的容差内。例如，可以将容差设定为电池容量的5％。如果参比电池的SOC为60％，则介于55％与65％之间的任意SOC被认为处在容差内。可替代地，可以使用取决于参比电池的SOC的可变容差。作为一个示例，当参比电池的SOC超过50％时，可以使用5％的容差；并且当参比电池的SOC等于或小于50％时，可以使用3％的容差。如果操作210的结果为否，则所述过程返回到操作206。否则，所述过程进行到操作212以完成电池平衡。
如果在操作206处，BCM 116确定电池平衡已激活超过阈值时间段T_阈值，则所述过程进行到操作214。在操作214处，BCM 116中止电池平衡。此外，BCM 116可以设定DTC，进行硬件自我测试并且重新设定SOC开路电压(OCV)。BCM 116可以被进一步配置为不恢复或进行进一步的电池平衡，直到下一次的SOC OCV重新设定已被完成和/或不存在硬件故障为止。
在操作216处，BCM 116经由计算平台132的HMI控制装置146向车辆102的用户通知电池平衡事件。例如，BCM 116可以生成错误消息并且经由车辆内网络130向计算平台132发送所述错误消息。作为响应，计算平台132可以经由显示器144和/或扬声器150输出错误消息以通知车辆用户。作为一个示例，错误消息可以包括文本警报，诸如“检测到蓄电池错误，请联系服务部门”。错误消息还可以包括错误代码(例如，DTC)以有助于通信和诊断。BCM116可以被进一步配置为接收用户指令以执行动作。可以经由HMI控制装置146连同错误消息输出一起提供用户指令以供用户从中进行选择。作为一些非限制性示例，用户指令可以包括：暂停电池平衡、进行硬件自我测试、生成错误报告/DTC并且发送给远程技术人员等。
在操作218处，BCM 116经由TCU 152向远程服务器154发送错误报告/DTC。远程服务器154可以包括出于诊断目的来自车辆制造商的可由技术人员访问的单个服务器计算机或多个计算机。在操作220处，BCM 116经由TCU 152从服务器154接收技术人员指令。技术人员指令可以包括除用户指令之外的更高明的动作，诸如暂停有争论的受命电池的所有操作、忽视错误等。
过程200的操作可以应用于各种情形。在一个示例中，响应于检测到两个或更多个电池106之间的SOC差异超过预设容差，BCM 116通过闭合受命电池的开关110来启动电池平衡过程。由于受命电池的容量和平衡电流是已知的，BCM 116可以计算平均平衡时间T_平衡，并且进一步使用T_平衡来计算阈值时间T_阈值(例如，T_阈值＝2*T_平衡)。在执行平衡时，BCM 116继续监测电池106的SOC。如果受命电池与参比电池之间的SOC的差异在阈值时间T_阈值内减小到容限内，则平衡过程200完成。否则，如果所述过程超过阈值时间T_阈值并且SOC的差异仍然超出容限，则BCM 116中止所述过程并且生成DTC和/或报告。此外，BCM116可以经由HMI控制装置146向用户输出报告。另外地或可替代地，BCM 116可以经由TCU152向远程服务器154发送报告以供技术人员诊断。响应于来自用户和/或技术人员的指令，BCM 116可以执行诸如自我测试和OCV重新设定的动作以防止对蓄电池104的进一步损坏。
参考图3，示出了本公开的一个实施例的电池平衡过程的示例信号图300。在这个示例中，最初，受命电池SOC 302为约80％，并且参比电池SOC 304为约60％。平衡过程开始于T_开始。呈虚线306的信号表示计算的受命电池SOC。如图3所示，所计算的受命电池SOC304应从T_开始开始减小，直到T_停止为止，所述T_停止是在由BCM 116计算的T_平衡附近，其中SOC 306处在参比SOC 304的容差308内。BCM 116可以在T_停止处停止平衡过程。
然而，受命电池的实际测量的以实线302示出的SOC可能会明显不同于计算出的SOC。如所示，测量的受命电池SOC 302基本上保持为约80％。在阈值时间T_阈值处，SOC 302仍然超出参比SOC306的容限308。这意味着系统中可能存在故障。一些可能的故障示例包括：有故障的传感器126、有故障的开关110、有故障的电阻器112和软件故障。在这种情况下，BCM 116在T_阈值处中止平衡过程。
虽然上文描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的其他实施例。
根据本发明，提供了一种系统，所述系统具有处理器，所述处理器被配置为：在受命电池上执行平衡；以及响应于检测到受命电池与参比电池之间的荷电状态(SOC)差异大于容差并检测到平衡时间超过取决于SOC差异、预定受命电池容量和预定平衡电流的阈值时间，中止所述平衡并且生成错误消息。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为进行硬件自我测试。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为暂停受命电池上的进一步的平衡操作，直到硬件自我测试完成为止。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为重新设定受命电池上的SOC开路电压(OCV)。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为暂停受命电池上的进一步的平衡操作，直到所述电池上的SOC OCV被重新设定好为止。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为经由人机界面(HMI)向车辆用户输出错误消息。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为经由远程信息处理控制单元(TCU)向服务器发送错误消息。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为经由TCU从服务器接收指令。
根据一个实施例，所述平衡通过闭合将受命电池连接到放电电阻器的开关来执行。
根据一个实施例，阈值时间约等于从SOC差异、预定受命电池容量和预定平衡电流推导出的平均平衡时间的两倍。
根据本发明，提供了一种蓄电池系统，所述蓄电池系统具有处理器，所述处理器被配置为：响应于检测到两个电池之间的荷电状态(SOC)差异超过容差，使用SOC差异、预定电池容量和预定平衡电流来计算平均平衡时间；使用平均平衡时间来计算阈值时间；在两个电池中具有较高SOC的一个上执行平衡；以及响应于检测到平衡时间超过阈值时间而中止所述平衡。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为生成错误消息并且经由人机界面(HMI)控制装置向车辆用户输出错误消息。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为经由HMI控制装置接收车辆用户指令。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为生成错误消息并且经由远程信息处理控制单元(TCU)向服务器发送错误消息。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为经由TCU从服务器接收指令。
根据一个实施例，处理器被进一步配置为暂停进一步的平衡操作，直到出现以下中的至少一者为止：硬件自我测试完成；或开路电压(OCV)被重新设定好。
根据本发明，一种电池平衡方法包括：在平衡受命电池期间，响应于检测到受命电池与参比电池之间的荷电状态(SOC)差异大于容差并检测到平衡时间长于取决于SOC差异、预定受命电池容量和预定平衡电流的阈值时间，由控制器停止所述平衡。
根据一个实施例，容差取决于参比电池的SOC。
根据一个实施例，以上发明的进一步特征在于：生成错误消息；以及向服务器发送错误消息。
根据一个实施例，以上发明的进一步特征在于：响应于从服务器接收到指令，执行所述指令。