基于電池接觸器使用壽命管理電池使用的方法及系統(tǒng)與流程

本申請(qǐng)涉及電動(dòng)車輛領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電池接觸器使用壽命管理電池使用的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著電池組的使用，其內(nèi)部組件電池、接觸器、熔斷器、開關(guān)以及電池組本身都會(huì)逐漸老化，性能也會(huì)受到相應(yīng)的影響，所以，設(shè)計(jì)電池組時(shí)，需要保證在其使用壽命期間內(nèi)其能夠滿足功率、能量、效率等方面的要求，以滿足實(shí)際使用需求。

如果電池組的內(nèi)部組件老化超過一定程度，則電池的輸出將不滿足設(shè)計(jì)要求，一般情況下將此定義為蓄電池的“結(jié)束生命(EOL：End Of Life)”階段。因此，蓄電池是在使用之初，即處于“開始生命(BOL：Begin of Life)”階段，能提供的功率、能量、效率等都優(yōu)于“結(jié)束生命”階段。

一般的電池系統(tǒng)主要包括電池、熔斷器、手動(dòng)斷開裝置(MSD：Manual Service Disconnect)以及接觸器。

當(dāng)達(dá)到“結(jié)束生命”階段時(shí)，電池組并不會(huì)立即失效，而是隨著額定功率、能量性能以及效率等持續(xù)下降，最終低于設(shè)計(jì)要求中的標(biāo)準(zhǔn)值，從而電池組失效。例如，在低于功率或能量的設(shè)計(jì)要求值下的電池使用，最終會(huì)導(dǎo)致電池組及其組件的損壞。

其中所述接觸器的損壞或故障，對(duì)于安全來說是至關(guān)重要，因?yàn)榻佑|器是分離電池內(nèi)部與外部連接電動(dòng)勢(shì)的主要方法。

但是，接觸器故障有多種情況，即某些機(jī)械觸點(diǎn)表面會(huì)逐漸出現(xiàn)化學(xué)的或者機(jī)械的老化，甚至在一些接觸點(diǎn)上潛在的自發(fā)接觸器焊接部分會(huì)增加，尤其在觸點(diǎn)閉合期間，這是因?yàn)殡S著使用，越來越多的電、熱、機(jī)械和化學(xué)應(yīng)力暴露，接觸器中的電接觸表面結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、材料的轉(zhuǎn)化都會(huì)發(fā)生改變。接觸器的物理和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。同時(shí)，接觸器觸頭閉合的瞬間，電壓差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短而大的峰值電流經(jīng)過接觸表面。接觸器的接觸表面的應(yīng)力也會(huì)增大，導(dǎo)致?lián)p壞或惡化的加劇。如果在負(fù)載情況下打開接觸器，會(huì)在接觸表面產(chǎn)生一個(gè)電弧，導(dǎo)致接觸表面的熱損傷以及表面之間的材料轉(zhuǎn)化。因此，所述接觸器的損壞或故障而導(dǎo)致接觸器老化的現(xiàn)象，十分普遍。

另外，在實(shí)際電動(dòng)車輛應(yīng)用的過程中，“預(yù)充電”開始和“正極接觸器31閉合”之間的時(shí)間間隔須盡可能短，例如最好在100ms以內(nèi)。因?yàn)闀r(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致過度的電應(yīng)力對(duì)預(yù)充電電路3的元器件損壞和/或制造零部件成本提高，因?yàn)檫@些元器件為了減少預(yù)充電時(shí)間和所需的低壓差必須承受過度的電應(yīng)力。另外，正極主接觸器21因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)閉合而承受過度電應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致瞬間峰值電流。通常情況下，預(yù)充電時(shí)長(zhǎng)和正極接觸器的閉合時(shí)間是電池管理系統(tǒng)內(nèi)部固定的，定義為時(shí)間性能(最小預(yù)充電等待時(shí)間)和預(yù)期的接觸器壽命之間的折衷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于上提高電池接觸器使用壽命有效管理電池使用的方法。

本申請(qǐng)通過如下技術(shù)方案之一來實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

基于電池接觸器的使用壽命管理電池使用的方法，包括：

步驟一、設(shè)定一個(gè)用來計(jì)算接觸器老化的接觸器應(yīng)力因子；

步驟二、根據(jù)接觸器應(yīng)力因子，計(jì)算系統(tǒng)功率校正因子；

步驟三、根據(jù)系統(tǒng)功率校正因子，計(jì)算電池可輸出的最大功率；以及

步驟四、電池管理系統(tǒng)安全地輸出最大功率。

進(jìn)一步地，在步驟一中，接觸器應(yīng)力因子為第一接觸器應(yīng)力因子；將流經(jīng)接觸器的電流的平方對(duì)時(shí)間求積分得到第一接觸器應(yīng)力因子。

更進(jìn)一步地，在步驟二中，所述系統(tǒng)功率校正因子為第一系統(tǒng)功率校正因子；設(shè)定第一校正系數(shù)，第一校正系數(shù)和第一接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第一系統(tǒng)功率校正因子。

更進(jìn)一步地，在步驟三中，計(jì)算可電池輸出的最大功率的電流為在”開始生命”階段接觸器的額定電流與第一系統(tǒng)功率校正因子的乘積。

進(jìn)一步地，在步驟一中，所述接觸器應(yīng)力因子為第二接觸器應(yīng)力因子；第二接觸器應(yīng)力因子基于外部負(fù)載電路中放電和充電情況下接觸器打開的次數(shù)。

更進(jìn)一步地，在步驟二中，所述系統(tǒng)功率校正因子為第二系統(tǒng)功率校正因子；設(shè)定第二校正系數(shù)，第二校正系數(shù)和第二接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第二系統(tǒng)功率校正因子。

更進(jìn)一步地，在步驟三中，計(jì)算可電池輸出的最大功率的電流為在”開始生命”階段接觸器的額定電流與第二系統(tǒng)功率校正因子的乘積。

進(jìn)一步地，在步驟一中，接觸器應(yīng)力因子為第三接觸器應(yīng)力因子；第三接觸器應(yīng)力因子基于形成瞬間峰值電流的預(yù)充電接觸器的閉合次數(shù)。

更進(jìn)一步地，在步驟二中，所述系統(tǒng)功率校正因子為第三系統(tǒng)功率校正因子；設(shè)定第三校正系數(shù)，第三校正系數(shù)和第三接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第三系統(tǒng)功率校正因子。

更進(jìn)一步地，在步驟三中，計(jì)算可電池輸出的最大功率的電流為在”開始生命”階段接觸器的額定電流與第三系統(tǒng)功率校正因子的乘積。

進(jìn)一步地，將流經(jīng)接觸器的電流的平方對(duì)時(shí)間求積分得到第一接觸器應(yīng)力因子；設(shè)定第一校正系數(shù)，第一校正系數(shù)和第一接觸應(yīng)力因子的乘積得到第一系統(tǒng)功率校正因子；基于負(fù)載電路中放電和充電情況下正極接觸器打開的次數(shù)得到第二接觸器應(yīng)力因子；設(shè)定第二校正系數(shù)，第二校正系數(shù)和第二接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第二系統(tǒng)功率校正因子；基于造成瞬間峰值電流的預(yù)充電接觸器的閉合次數(shù)得到第三接觸器應(yīng)力因子；設(shè)定第三校正系數(shù)，第三校正系數(shù)和第三接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第三系統(tǒng)功率校正因子；第一系統(tǒng)功率校正因子、第二系統(tǒng)功率校正因子以及第三系統(tǒng)功率校正因子的乘積得到設(shè)定第四系統(tǒng)功率校正因子；根據(jù)該第四系統(tǒng)功率校正因子，計(jì)算電池的輸出功率；計(jì)算可電池輸出的最大功率的電流為在”開始生命”階段接觸器的額定電流與該第四系統(tǒng)功率校正因子的乘積。

本申請(qǐng)通過如下技術(shù)方案之二來實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

基于電池接觸器使用壽命管理電池使用的方法，包括：

步驟一、設(shè)定一個(gè)用來計(jì)算接觸器老化的接觸器應(yīng)力因子；

步驟二、根據(jù)接觸器應(yīng)力因子，計(jì)算系統(tǒng)功率校正因子；以及

步驟三、根據(jù)系統(tǒng)功率校正因子，計(jì)算預(yù)充電時(shí)間的最高值；以及

步驟四、電池管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)預(yù)充電時(shí)間至最高值。

進(jìn)一步地，將流經(jīng)接觸器的電流的平方對(duì)時(shí)間求積分得到第一接觸器應(yīng)力因子；設(shè)定第一校正系數(shù)，第一校正系數(shù)和第一接觸應(yīng)力因子的乘積得到第一系統(tǒng)功率校正因子；基于負(fù)載電路中放電和充電情況下正極接觸器打開的次數(shù)得到第二接觸器應(yīng)力因子；設(shè)定第二校正系數(shù)，第二校正系數(shù)和第二接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第二系統(tǒng)功率校正因子；基于造成瞬間峰值電流的預(yù)充電接觸器的閉合次數(shù)得到第三接觸器應(yīng)力因子；設(shè)定第三校正系數(shù)，第三校正系數(shù)和第三接觸器應(yīng)力因子的乘積得到第三系統(tǒng)功率校正因子；根據(jù)第一系統(tǒng)功率校正因子、第二系統(tǒng)功率校正因子以及第三系統(tǒng)功率校正因子設(shè)定第五系統(tǒng)功率校正因子；根據(jù)第五系統(tǒng)功率校正因子，通過電池管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)預(yù)充電時(shí)間至最高值。

更進(jìn)一步地，所述預(yù)充電時(shí)間的最高值為在”開始生命”階段預(yù)充電的最短時(shí)間與所述第五系統(tǒng)功率校正因子的乘積。

本申請(qǐng)通過如下技術(shù)方案之三來實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：一種電池系統(tǒng)，其特征在于，包括電池、主接觸器、預(yù)充電電路以及外部負(fù)載電路；所述主接觸器包括正極主接觸器以及負(fù)極主接觸器；所述預(yù)充電電路包括與正極主接觸器并聯(lián)的預(yù)充電接觸器和預(yù)充電電阻；所述電池系統(tǒng)執(zhí)行如上任一項(xiàng)中所述的方法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)通過基于電池接觸器使用壽命來管理電池使用，即調(diào)整電池輸出的最大功率或調(diào)整預(yù)充電時(shí)間至最大時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)電池最高性能或延長(zhǎng)電池使用壽命。

附圖說明

圖1是本申請(qǐng)車輛電源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本申請(qǐng)車輛電源管理系統(tǒng)中外部負(fù)載電路電壓(Voltage)和時(shí)間(Time)的函數(shù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施方式進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施方式中所描述的實(shí)施方式并不代表與本申請(qǐng)相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本申請(qǐng)的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

在本申請(qǐng)使用的術(shù)語是僅僅出于描述特定實(shí)施方式的目的，而非旨在限制本申請(qǐng)。在本申請(qǐng)和所附權(quán)利要求書中所使用的單數(shù)形式的“一種”、“所述”和“該”也旨在包括多數(shù)形式，除非上下文清楚地表示其他含義。還應(yīng)當(dāng)理解，本文中使用的術(shù)語“和/或”是指并包含一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)目的任何或所有可能組合。

在接觸器閉合的瞬間產(chǎn)生的電流與閉合瞬間的電壓差、電阻、阻抗成函數(shù)關(guān)系。通過接觸器的電流越大，對(duì)接觸器的損壞就越大。因此，為了防止所述接觸器損壞或故障，需要防止在接觸器閉合的瞬間產(chǎn)生的電流過大。于是，需要在接觸器閉合時(shí)兩邊的電壓差限制在一個(gè)合適的值，為此在接觸器閉合前，所述高壓電池的外部電路被預(yù)充電。

參照?qǐng)D1所示。圖1所示為本申請(qǐng)的電池系統(tǒng)，包括電池1、主接觸器2、預(yù)充電電路3以及外部負(fù)載電路。所述主接觸器2包括正極主接觸器21以及負(fù)極主接觸器22。所述預(yù)充電電路3包括與正極主接觸器21并聯(lián)的預(yù)充電接觸器31和預(yù)充電電阻32。

所述電池1、主接觸器2、預(yù)充電電路3是電池內(nèi)部電路的組成部分。當(dāng)然，電池內(nèi)部電路還可能包括其他組件。

具體地，為了給外部負(fù)載電路提供電壓，負(fù)極主接觸器22閉合，預(yù)充電接觸器31閉合，產(chǎn)生一個(gè)較小的電流經(jīng)過預(yù)充電電路3的預(yù)充電電阻32，使外部負(fù)載電路中電壓指數(shù)逐漸增加。經(jīng)過一定的延遲時(shí)間，外部負(fù)載電路中的電壓已充分地提高到上述最低臨界閾值，此時(shí)正極主接觸器21閉合，電池內(nèi)部電路和外部負(fù)載電路之間的電壓差應(yīng)該足夠低，以限制瞬間峰值電流經(jīng)過正極主接觸器21。

繼續(xù)參考圖2。圖2給出了外部負(fù)載電路電壓(Voltage)和時(shí)間(Time)的函數(shù)曲線圖。第一時(shí)間T1對(duì)應(yīng)的外部負(fù)載電路第一電壓V1，第二時(shí)間T2對(duì)應(yīng)的外部負(fù)載電路第二電壓V2。通過圖示可見，在正極主接觸器21閉合前預(yù)充電時(shí)間越長(zhǎng)，外部負(fù)載電路的電壓越高，也就是說，電池內(nèi)部電路電壓與外部負(fù)載電路電壓的壓差越小。

根據(jù)上面的描述，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于電池主接觸器3(“接觸器”)的使用壽命(SOH：State Of Healthy)來管理電池使用的方法。在一實(shí)施方式中，所述方法包括：

步驟一、設(shè)定一個(gè)用來計(jì)算接觸器老化的接觸器應(yīng)力因子；

步驟二、根據(jù)接觸器應(yīng)力因子，計(jì)算系統(tǒng)功率校正因子；

步驟三、根據(jù)系統(tǒng)功率校正因子，計(jì)算電池輸出的最大功率；以及

步驟四、電池管理系統(tǒng)(未圖示)輸出電池輸出的最大功率。

在第一實(shí)施方式中，在步驟一中，所述接觸器應(yīng)力因子為第一接觸器應(yīng)力因子X1(I,t)。將流經(jīng)正極主接觸器21電流I的平方對(duì)時(shí)間求積分得到該第一接觸器應(yīng)力因子X1(I,t)，公式如下：

X1(I，t)＝∫I²dt

在步驟二中，設(shè)定第一校正系數(shù)k，該第一校正系數(shù)k和一接觸器應(yīng)力因子應(yīng)力因子X1(I,t)的乘積得到第一系統(tǒng)功率校正因子Z1：

Z1＝k×X1(I，t)

其中第一校正系數(shù)k可以為負(fù)值。

在步驟三中，計(jì)算電池輸出功率P_B的電流I_B為在“開始生命”階段接觸器的額定電流I_B0與第一系統(tǒng)功率校正因子Z1的乘積：

$I_{B_0}=I_{B_0}\×Z1$

所述電池的功率輸出P_B是電池電壓V_B和電流I_B的乘積：

P_B＝V_B×I_B。

電池管理系統(tǒng)控制輸出最大功率P_B，即在以安全地調(diào)整最大耐用的前提下，輸出該最大功率P_B。

在第二實(shí)施方式中，在步驟一中，所述接觸器應(yīng)力因子為第二接觸器應(yīng)力因子X2(I,n)。第二接觸器應(yīng)力因子X2(I,n)是基于負(fù)載電路中放電和充電情況下正極主接觸器21打開的次數(shù)。

在步驟二中，設(shè)定第二校正系數(shù)m，該第二校正系數(shù)m為和第二接觸器應(yīng)力因子X2(I,n)的乘積得到第二系統(tǒng)功率校正因子Z2，公式如下：

Z2＝m×X2(I，n)

其中第二校正系數(shù)m可以為負(fù)值。

在步驟三中，計(jì)算電池輸出功率P_B的電流I_B為在“開始生命”階段接觸器的額定電流I_B0與第二系統(tǒng)功率校正因子Z2的乘積：

$I_B=I_{B_0}\×Z2$

而所述電池的功率輸出P_B是電池電壓V_B和電流I_B的函數(shù)：

P_B＝V_B×I_B。

電池管理系統(tǒng)控制輸出最大功率P_B，即在以安全地調(diào)整最大耐用的前提下，輸出該最大功率P_B。

在第三實(shí)施方式中，在步驟一中，所述接觸器應(yīng)力因子為第三接觸器應(yīng)力因子X3(I,n_{_P})。該第三接觸器應(yīng)力因子X3(I,n_{_P})是基于形成瞬間峰值電流的預(yù)充電接觸器31的閉合次數(shù)。

在步驟二中，設(shè)定第三校正系數(shù)b，第三校正系數(shù)b和第三接觸應(yīng)力因子X3(I,n_{_P})的乘積得到第三系統(tǒng)功率校正因子Z3，公式如下：

Z3＝b×X3(I，n_-p)

其中第一校正系數(shù)b可以為負(fù)值。

在步驟三中，計(jì)算電池輸出功率P_B的電流I_B為在“開始生命”階段接觸器的額定電流I_B0與第三系統(tǒng)功率校正因子Z3的乘積。

I_B＝I_{B_0}×Z3

而所述電池的功率輸出P_B是電池電壓V_B和電流I_B的函數(shù)：

P_B＝V_B×I_B。

電池管理系統(tǒng)控制輸出最大功率P_B，即在以安全地調(diào)整最大耐用的前提下，輸出最大功率P_B。

在第四實(shí)施方式中，根據(jù)第一實(shí)施方式、第二實(shí)施方式以及第三實(shí)施方式中，整合第一系統(tǒng)功率校正因子Z1、第二系統(tǒng)功率校正因子Z2、第三系統(tǒng)功率校正因子Z3。

所述計(jì)算電池輸出功率P_B的電流I_B為在“開始生命”階段接觸器的額定電流I_B0與第一系統(tǒng)功率校正因子Z1、第二系統(tǒng)功率校正因子Z2、第三系統(tǒng)功率校正因子Z3的乘積，即第四系統(tǒng)功率校正因子Z4為第一系統(tǒng)功率校正因子Z1、第二系統(tǒng)功率校正因子Z2、第三系統(tǒng)功率校正因子Z3的乘積，公式如下：

$I_B=I_{B_0}\×Z1\×Z2\×Z3$

而所述電池的功率輸出P_B是電池電壓V_B和電流I_B的函數(shù)：

P_B＝V_B×I_B。

電池管理系統(tǒng)控制輸出最大功率P_B，即在以安全地調(diào)整最大耐用的前提下，輸出最大功率P_B。

通過以上多個(gè)實(shí)施方式，實(shí)現(xiàn)了基于電池接觸器使用壽命來管理電池使用，即調(diào)整輸出電池的最大功率P_B。

由于正極主接觸器21閉合產(chǎn)生的瞬間峰值電流是閉合瞬間電壓差的函數(shù)，預(yù)充電時(shí)間加長(zhǎng)，高電壓供電的延遲，導(dǎo)致客戶舒適系數(shù)下降。這是預(yù)充電時(shí)間應(yīng)當(dāng)盡量短的主要原因，然而，這是增加的接觸元件的應(yīng)力，從而降低使用壽命，或者說，增加元件成本。

因此，在另一實(shí)施方式中，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于電池主接觸器3(“接觸器”)使用壽命來管理電池使用的方法，包括：

步驟一、設(shè)定一個(gè)用來計(jì)算接觸器老化的接觸器應(yīng)力因子X4(X1,X2,X3)；

步驟二、根據(jù)接觸器應(yīng)力因子，計(jì)算系統(tǒng)功率校正因子Z4；以及

步驟三、根據(jù)系統(tǒng)功率校正因子Z4，計(jì)算預(yù)充電時(shí)間的最高值；以及

步驟四、電池管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)預(yù)充電時(shí)間至最高值。

在步驟一中，所述接觸器組件應(yīng)力因子X4(X1,X2,X3)是結(jié)合第一實(shí)施方式中的接觸器應(yīng)力因子X1、第二實(shí)施方式中的接觸器應(yīng)力因子X2以及第三實(shí)施方式中接觸器應(yīng)力因子X3。

在步驟二中，設(shè)定校正系數(shù)g。所述接觸器組件應(yīng)力因子X4(X1,X2,X3)與第五校正系數(shù)g的乘機(jī)得到系統(tǒng)功率校正因子Z4：

Z4＝g×X4

在步驟三中，所述預(yù)充電時(shí)間最高值T_P為在”開始生命”階段預(yù)充電的最短時(shí)間T_{p_0}與所述第五系統(tǒng)功率校正因子Z4的乘積。

T_P＝T_{P_O}×Z4

通過上述實(shí)施方式，基于電池接觸器使用壽命來管理電池使用，即通過電池管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)預(yù)充電時(shí)間到最高值T_P，以此來降低正極主接觸器21閉合時(shí)產(chǎn)生的壓差，從而防止正極主接觸器21老化，延長(zhǎng)使用壽命。

在上面的描述中，闡述了本發(fā)明的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例所列出的具體細(xì)節(jié)，而是可以在權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)變化。

以上所述僅為本申請(qǐng)的較佳實(shí)施方式而已，并不用以限制本申請(qǐng)，凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)保護(hù)的范圍之內(nèi)。