專利名稱：用于混合動力機車的電池控制的系統和方法
用于混合動力機車的電池控制的系統和方法
背景技術：
本發明主要涉及電池中的能量存儲，并且具體地說，涉及用于在混合動力車輛 (包括但不限于機車和非公路車輛)電池中存儲部分動態制動能量并隨后在電機驅動期間 使用此能量以節省燃料的系統和方法。混合動力機車和非公路車輛通過在電池中存儲部分動態制動能量并隨后在電機 驅動期間使用此能量來操作以節省燃料。電池的最大利用增強了燃料節省。電池能在更高 的功率/電流級別受到控制以在最初提供更佳的燃料節省，但在這些高功率/電流級別使 電池重復循環導致更高的老化，從而引起電池的壽命期間更低的燃料節省。
傳統上，已經在基于操作和安全限制的恒定功率/電流限制來控制非公路車輛和 混合動力機車中的電池。然而，僅在電池以最大可能的充電功率/電流進行充電時，才能使 來自混合的效益達到最大。此外，如果在整個任務中以恒定充電功率/電流來控制，則對于 本來能以更低速率充電的事件，電池以更高速率進行充電。這引起電池中更高的老化，由此 降低其操作壽命。解決上述問題的一個已知技術包括使用具有不同特性的兩種不同類型的能量存 儲裝置。這些裝置之一具有高能量容量、低額定功率，而另一裝置是具有高額定功率的低能 量容量電池。小的擺幅(excursion)通過高功率能量存儲裝置來解決，而更大的擺幅通過 高能量裝置來解決。這些高功率能量存儲裝置一般包括超電容器(ultracapacitor)或高 功率電池，而高能量裝置一般包括大容量電池。使用兩種不同類型的能量存儲裝置不合需 要地對系統添加復雜性和成本。因此，存在對于僅在其中額外的制動功率可用的循環(cycle)期間允許以較高速 率進行電池充電的電池控制方案的需要。如果電池控制方案在任務期間只采用當前充電狀 態和擺幅來計算功率/電流控制限制而沒有對于驅動循環的先驗知識的任何依賴，則這將 是有利的。如果電池控制方案能一致地應用到在不同任務上運行的所有機車，同時在任務 和壽命時間期間都實現燃料節省，則這將是進一步有利的。
發明內容
簡單地說，根據本發明的一個實施例，提供了用于混合動力車輛(無限制性地包 括機車)的電池控制的系統和方法。在一個實施例中，該方法包括感知一個或多個電池的當前充電狀態(SoC)，并從其 中生成當前SoC數據。該方法還包括感知由表示為對于期望循環的最大SoC-最小SoC的 關系定義的當前擺幅，并從其中生成當前擺幅數據。另外，為所述一個或多個電池控制功率 /電流充電限制以響應當前SoC數據和當前擺幅數據。根據另一個實施例，一種電池控制系統包括配置成感知和生成對應于一個或多個 電池的當前充電狀態(SoC)的數據的電池充電傳感器。電池充電傳感器還配置成感知和生 成對應于由表示為對于期望循環的最大SoC-最小SoC的關系定義的當前擺幅的數據。電 池控制系統還包括配置成控制一個或多個電池的功率/電流充電限制以響應當前SoC數據和當前擺幅數據的電池充電控制器。根據仍有的另一個實施例，提供一種電池控制系統，其用于經電池充電和放電電 流控制限制的調節來增強混合動力車輛電池性能和燃料節省，所述調節基于定義為控制限 制(P，I) =f(擺幅，SoC)的關系，其中，P是以安培小時表示的總電池充電功率，I是電池 充電/放電電流，SoC表示電池單元(battery cell)的充電狀態，以及擺幅表示定義為對 于循環的最大SoC-最小SoC的循環的幅值。
當參照附圖閱讀以下詳細說明時，將更好地理解本發明的這些和其它特征、方面 和優點，附圖中類似的字符表示遍及這些圖的類似部分，其中圖1示出根據本發明的一個實施例的電池控制系統的簡化框圖；圖2是示出使用圖1中所示的電池控制系統、根據一個實施例的用于對電池或電 池組充電的控制策略的圖形；圖3是示出使用圖1中所示的電池控制系統、根據另一個實施例的用于對電池或 電池組充電的控制策略的圖形；以及圖4是示出使用圖1中所示的電池控制系統、根據仍有的另一個實施例的用于對 電池或電池組充電的控制策略的圖形。雖然上面標識的繪制圖形陳列出備選實施例，但如論述中所述的，也設想了本發 明的其它實施例。在所有情況下，本公開通過代表而非限制的方式提出本發明的所示實施 例。本領域的技術人員能設想出落入本發明的原理的精神和范圍內的許多其它修改和實施 例。
具體實施例方式下面的描述根據一個實施例提出用于混合動力車輛(例如但不限于機車)的電池 控制的系統和方法，以便提供增強的電池性能和燃料節省。如本文前面所述，混合動力機車 通過在電池中存儲部分動態制動能量并隨后在電機驅動期間使用此能量來操作以節省燃 料。燃料節省隨著電池數量和充電與放電限制的變化而變化。總的來說，發明人發現，充電 電流的增加將增加燃料節省，而放電電流被發現對關注的混合動力車輛中的燃料節省幾乎 無影響。以下術語在本文中使用時定義如下SoC表示電池單元的充電狀態。擺幅表示循環的幅值。它定義為循環的最大SoC-最小SoC。燃料節省(FS)表示在通過例如但不限于機車的混合動力車輛節省的燃料方面的
效益。它以百分數定義為
Z7C/I、I古■豐一)來自(傳統車輛-混合動力車輛)的引擎能量ino
FS(以百分數表不乂 =-士 一從分=丨浙缺旦-xlOOo
來自傳統車輛的引擎能量 現在轉到附圖，圖1示出根據本發明的一個實施例的電池控制系統10的簡化框 圖。電池控制系統10在一個實施例中配置成在期望操作功率/電流控制限制之間執行多
6步驟調節，使得僅對其中額外的制動功率可用的那些循環以較高速率充電。無需驅動循環 的先驗知識，因為控制方案在任務期間僅利用當前充電狀態和擺幅數據來確定必需的功率 /電流控制限制。因此，這是能應用于在不同任務上運行的所有混合動力車輛20 (例如混合 動力機車)的一致控制方案。與在電池任務中始終采用恒定充電功率/電流控制方案的已 知控制方案相比，該控制方案的應用所實現的調節在任務期間并且也在電源壽命期間實現 改進的電池性能和燃料節省。
繼續參照圖1，電池控制系統10包括配置成持續監視當前充電狀態、包括與電池 12相關聯的充電擺幅數據的電池充電傳感器14。本領域的技術人員將認識到，經本文所述 的控制方案，能控制任何數量的電池，無論它是一個或多個。電池控制系統10還包括配置成控制電池12的充電和放電限制的電池充電控制器 16。根據一個實施例，電池充電控制器16運行以響應為增加混合動力車輛燃料節省而開發 的期望傳遞函數(transferfunction) 0控制限制能定義為控制限制(P，I) = f(擺幅， SoC)，其中，P是以安培小時表示的總電池充電功率，I是電池充電/放電電流，擺幅和SoC 如本文上面定義的。用于一個實施例的傳遞函數電流控制限制已發現在對于28電池系統的第一年期 間實現了平均10%的燃料節省。另一個實施例已發現適合于對22電池系統實現平均8% 的燃料節省。仍有的另一個實施例已發現適合于對16電池系統實現平均6%的燃料節省。較大擺幅子循環已發現最受充電電流增加的影響；而較低擺幅子循環已發現幾乎 保持相同。控制策略能為特定類型的混合動力車輛和任務進行修改。例如，圖2-4示出三種 改變的電池控制策略，分別包括線性、具有延遲的線性和指數調節方案。然而，本發明并不 因此限于這三個電池控制策略，并且本領域的技術人員將容易認識到，根據本文所述的原 理，許多其它電池控制策略能容易地用于實現期望的增強電池性能和混合動力車輛燃料節省。現在參見圖2，圖形示出根據一個實施例的用于對電池或電池組充電的線性控制 策略。用于此實施例的控制策略使用線性控制，使得在電池擺幅的幅值變得越小時，電池 充電電流變得越小，因為，如本文前面所述，較大擺幅子循環已發現最受充電電流增加的影 響，而較低擺幅子循環已發現幾乎保持相同。圖3是示出根據另一個實施例的用于對電池或電池組充電的具有延遲的線性控 制策略的圖形。用于此實施例的控制策略為超過預定限制的任何擺幅使用恒定的大電池充 電電流。因此，對于低于預定限制的任何擺幅，在電池擺幅的幅值變得越小時，電池充電電 流變得越小。圖4是示出根據仍有的另一個實施例的用于對電池或電池組充電的指數控制策 略的圖形。用于此實施例的控制策略使用當電池擺幅變得越小時幅值指數減少并且當電池 擺幅變得越大時幅值指數增加的電池充電電流。總的來說，當相比于以作為兩個控制限制之間平均值的恒定電流率來控制來往于 電池的功率流的傳統技術時，用于混合動力車輛(無限制地包括機車)的電池控制的系統 和方法實現了增強的電池性能和更高燃料節省的技術效果。其它技術效果包括1)在壽命 期間更低的電池老化及因此更佳的性能，2)不要求有關驅動循環的先驗信息的控制方案，易于實現的控制方案，以及3)實現成本比基于傳統硬件的方案更少的控制方案。
雖然本文中僅示出和描述了本發明的某些特征，但本領域的技術人員將想到許多 修改和更改。因此，要理解隨附權利要求旨在涵蓋落入本發明真正精神內的所有此類修改 和更改。
權利要求
一種用于控制存儲電池充電的方法，所述方法包括感知一個或多個電池的當前充電狀態(SoC)，并從其中生成當前SoC數據；感知由表示為對于期望循環的最大SoC-最小SoC的關系定義的當前擺幅，并從其中生成當前擺幅數據；以及控制用于所述一個或多個電池的功率/電流充電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數據。
2.如權利要求1所述的用于控制存儲電池充電的方法，還包括控制用于所述一個或多個電池的功率/電流放電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數據。
3.如權利要求2所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中控制用于所述一個或多個 電池的功率/電流放電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數據包括維持用于所 述一個或多個電池的期望功率/電流放電率。
4.如權利要求2所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中控制用于所述一個或多個 電池的功率/電流放電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數據包括基于所述當 前SoC數據和所述當前擺幅數據，為所述一個或多個電池調節功率/電流放電率控制限制。
5.如權利要求1所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中控制用于所述一個或多個 電池的功率/電流充電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數據包括基于所述當 前SoC數據和所述當前擺幅數據，為所述一個或多個電池調節功率/電流充電率控制限制。
6.如權利要求5所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中基于所述當前SoC數據和 所述當前擺幅數據，為所述一個或多個電池調節功率/電流充電率控制限制包括在所述擺 幅增加時向上調整所述功率/電流充電率控制限制，并且在所述擺幅減少時向下調整所述 功率/電流充電率控制限制。
7.如權利要求6所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中所述功率/電流充電率控 制限制以線性方式來調整。
8.如權利要求6所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中所述功率/電流充電率控 制限制以非線性方式來調整。
9.如權利要求5所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中基于所述當前SoC數據和 所述當前擺幅數據，為所述一個或多個電池調節功率/電流充電率控制限制包括在所述擺 幅增加超過期望限制時向上調整所述功率/電流充電率控制限制，并且在所述擺幅減少到 低于期望限制時向下調整所述功率/電流充電率控制限制。
10.如權利要求9所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中所述功率/電流充電率控 制限制以線性方式來調整。
11.如權利要求9所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中所述功率/電流充電率控 制限制以非線性方式來調整。
12.如權利要求1所述的用于控制存儲電池充電的方法，還包括在控制用于所述一個 或多個電池的所述功率/電流充電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數據期 間，在任務期間經所述一個或多個電池對混合動力車輛供電，使得用于所述混合動力車輛 的燃料消耗率增加到高于使用恒定功率/電流充電系統可實現的燃料消耗率。
13.如權利要求12所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中所述混合動力車輛包括 機車。
14.如權利要求12所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中在任務期間對混合動力 車輛供電還包括控制用于所述一個或多個電池的所述功率/電流充電限制以響應所述當 前SoC數據和所述當前擺幅數據，使得僅對其中額外的制動功率可用的那些循環以更高速 率充電。
15.如權利要求12所述的用于控制存儲電池充電的方法，其中在任務期間對混合動力 車輛供電還包括控制用于所述一個或多個電池的所述功率/電流充電限制以響應所述當 前SoC數據和所述當前擺幅數據，使得用于所述混合動力車輛的電池壽命和性能增加到高 于使用恒定功率/電流充電系統可實現的電池壽命和性能。
16.一種電池控制系統，包括電池充電傳感器，配置成感知和生成對應于一個或多個電池的當前充電狀態(SoC)的 數據，并且還配置成感知和生成對應于由表示為對于期望循環的最大SoC-最小SoC的關系 定義的當前擺幅的數據；以及電池控制器，配置成控制用于所述一個或多個電池的功率/電流充電限制以響應所述 當前SoC數據和所述當前擺幅數據。
17.如權利要求16所述的電池控制系統，其中所述電池控制器還配置成控制用于所述 一個或多個電池的電池功率/電流放電限制以響應所述當前SoC數據和所述當前擺幅數 據。
18.如權利要求17所述的電池控制系統，其中所述功率/電流放電限制配置成維持用 于所述一個或多個電池的期望功率/電流放電率。
19.如權利要求17所述的電池控制系統，其中所述功率/電流放電限制配置成基于所 述當前SoC數據和所述當前擺幅數據，為所述一個或多個電池提供功率/電流放電率的調節。
20.如權利要求16所述的電池控制系統，其中所述功率/電流充電限制配置成基于所 述當前SoC數據和所述當前擺幅數據，為所述一個或多個電池提供功率/電流充電率的調節。
21.如權利要求20所述的電池控制系統，其中所述調節配置成在所述擺幅增加時提供 所述功率/電流充電率的向上調整，以及在所述擺幅減少時提供所述功率/電流充電率的 向下調整。
22.如權利要求20所述的電池控制系統，其中所述調節配置成以線性方式提供所述功 率/電流充電率的調整。
23.如權利要求20所述的電池控制系統，其中所述調節配置成以非線性方式提供所述 功率/電流充電率的調整。
24.如權利要求20所述的電池控制系統，其中所述調節配置成在所述擺幅增加超過期 望限制時提供所述功率/電流充電率的向上調整，以及在所述擺幅減少到低于所述期望限 制時提供所述功率/電流充電率的向下調整。
25.如權利要求16所述的電池控制系統，還包括經所述一個或多個電池供電的混合動 力車輛，使得用于所述混合動力車輛的燃料消耗率增加到高于使用恒定功率/電流充電系 統可實現的燃料消耗率。
26.如權利要求25所述的電池控制系統，其中所述混合動力車輛包括機車。
27.如權利要求16所述的電池控制系統，還包括經所述一個或多個電池供電的混合動 力車輛，使得用于所述混合動力車輛的電池壽命和性能增加到高于使用恒定功率/電流充 電系統可實現的電池壽命和性能。
28.一種用于經電池充電和放電電流控制限制的調節來增強混合動力車輛電池性能和 燃料節省的電池控制系統，所述調節基于定義為控制限制(P，I) = f(擺幅，SoC)的關系， 其中P是以安培小時表示的總電池充電功率，I是電池充電/放電電流，SoC表示所述電池 單元的充電狀態，以及擺幅表示定義為對于循環的最大SoC-最小SoC的循環的幅值。
29.如權利要求28所述的電池控制系統，其中所述調節配置成在所述擺幅增加時提供 所述功率/電流充電率的向上調整，以及在所述擺幅減少時提供所述功率/電流充電率的 向下調整。
30.如權利要求28所述的電池控制系統，其中所述調節配置成以線性方式提供所述功 率/電流充電率的調整。
31.如權利要求28所述的電池控制系統，其中所述調節配置成以非線性方式提供所述 功率/電流充電率的調整。
32.如權利要求28所述的電池控制系統，其中所述調節配置成在所述擺幅增加超過期 望限制時提供所述功率/電流充電率的向上調整，以及在所述擺幅減少到低于所述期望限 制時提供所述功率/電流充電率的向下調整。
33.如權利要求28所述的電池控制系統，其中所述混合動力車輛包括機車。
全文摘要
提供用于例如但不限于混合動力機車的混合動力車輛的電池控制的系統和方法。所述系統和方法實現成感知一個或多個電池的當前充電狀態(SoC)，并從其中生成當前SoC數據，感知由表示為對于期望循環的最大SoC-最小SoC的關系定義的當前擺幅，并從其中生成當前擺幅數據，以及控制一個或多個電池功率/電流充電限制以響應當前SoC數據和當前擺幅數據。
文檔編號H02J7/00GK101842959SQ200880114871
公開日2010年9月22日 申請日期2008年8月21日 優先權日2007年11月1日
發明者A·K·庫馬, A·R·科爾瓦卡, A·W·凱恩, L·薩拉蘇, M·喬拉, S·M·佩爾科夫斯基 申請人:通用電氣公司