電池過度充電的監控系統和方法
【專利摘要】一種示例性電池充電監控方法，包括至少使用電池的容量和充電速率來計算用于電池的預期充電數據，以及將實際充電數據與預期充電數據相比較以識別實際充電數據與預期充電數據之間的差異等等。
【專利說明】電池過度充電的監控系統和方法
【技術領域】
[0001 ] 本公開總體上涉及給電池充電，更具體地涉及阻止電池過度充電。
【背景技術】
[0002]電動車輛以及許多其它裝置可以依靠電池存儲電能。
[0003]通常，電動車輛與傳統的機動車輛不同，因為電動車輛使用一個或多個電池供電的電機有選擇地驅動車輛。相比之下，傳統的機動車輛完全依靠內燃機。電動車輛可以使用電機代替內燃機，或除了內燃機之外還使用電機。電動車輛示例包括混合動力車輛(HEV)、插電式混合動力車輛(PHEV)和純電動車輛(BEV)。
[0004]電動車輛可以配備有配置成存儲用于驅動電機的電能的電池。電池在使用之前充電，并且當電池中的電能變得耗盡時再充電。
[0005]電池充電器通常用于給電池充電。在一些電動車輛中，電機可以用作發電機，其由內燃機驅動以便生成給電池充電的電能。充電使電力添加到電池中。在充電期間，很難確定何時適當量的電力已經添加回到電池中。添加太多的電力可以引起電池變得過度充電。
【發明內容】
[0006]根據本公開的示例性方面的一種電池充電監控方法，包括至少使用電池的容量和充電速率計算用于電池的預期充電數據、并且將實際充電數據與預期充電數據相比較以識別實際充電數據與預期充電數據之間的差異等等。
[0007]在前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，方法包括響應于比較而結束充電。
[0008]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，預期充電數據包含預期充電時間并且實際充電數據包含實際充電時間。
[0009]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，方法包括響應于預期充電時間超過實際充電時間結束充電。
[0010]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，預期充電數據和實際充電數據包含電荷數據，并且電池的充電響應于實際電荷量超過預期電荷量而終止。
[0011 ] 在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，預期充電數據和實際充電數據包含電壓數據，并且電池的充電響應于實際電壓超過電壓的預期量而終止。
[0012]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，預期充電數據和實際充電數據包含能量數據，并且電池的充電響應于給電池充電的實際能量超過給電池充電需要的能量的預期量而終止。
[0013]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，預期充電數據包含實質單調增加的電壓，因此充電期間的電壓變化實質上是非負的，并且如果電壓中的變化是負的，則終止充電。
[0014]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，預期充電數據包含實質單調減少的電池電流，因此充電期間電池電流的變化小于或等于零，并且如果電流的變化大于零，則終止充電。
[0015]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，電池的容量包含電池的電芯的最大電壓。
[0016]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，電池的容量包含電池的電芯的最大電壓的百分比。
[0017]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，電池的容量包含電池的電芯的安培小時容量。
[0018]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，方法包括使用用于計算和比較的電池充電控制器。
[0019]在任何前述電池充電監控方法的進一步非限制性實施例中，電池是車輛蓄電池。
[0020]根據本公開的示例性方面的一種電池充電系統，包括給電池充電的電池充電器；以及配置成響應于預期充電量與實際充電量的比較有選擇地結束電池的充電的控制器，至少使用電池的容量和充電速率計算預期充電量。
[0021 ] 在前述電池充電系統的進一步非限制性實施例中，實際充電量包含用電池充電器給電池充電所花費的時間的測量值。
[0022]在任何前述電池充電系統的進一步非限制性實施例中，控制器響應于預期充電量超過實際充電量有選擇地結束充電。
[0023]在任何前述電池充電系統的進一步非限制性實施例中，電池是電動車輛蓄電池。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]根據【具體實施方式】，所公開的實例的各種特征和優勢對本領域技術人員來說，將變得顯而易見。伴隨【具體實施方式】的附圖可以簡略地描述如下:
[0025]圖1示意性地說明具有電池的電動車輛的動力傳動系統。
[0026]圖2示意性地說明用于使圖1的電池充電的示例電池充電系統。
[0027]圖3說明示例性電池充電監控方法。
[0028]圖4說明另一示例性電池充電監控方法。
[0029]圖5說明又一示例性電池充電監控方法。
【具體實施方式】
[0030]圖1示意性地說明用于電動車輛12的動力傳動系統10。雖然描繪為混合動力車輛(HEV)，應該理解的是這里描述的構思并不限于HEV并且能夠延伸至包括但不限于插電式混合動力車輛(PHEV)和純電動車輛(BEV)的其它電動車輛。
[0031]在一個實施例中，動力傳動系統10是使用第一驅動系統和第二驅動系統的動力分配式動力傳動系統。第一驅動系統包括發動機14和發電機18(即,第一電機)的組合。第二驅動系統至少包括馬達22( S卩，第二電機)、發電機18和電池24。在這個示例中，第二驅動系統被認為是動力傳動系統10的電動驅動系統28。第一和第二驅動系統生成扭矩以驅動電動車輛12的一組或多組車輛驅動輪32。
[0032]在這個示例中是內燃機的發動機14與發電機18可以通過比如行星齒輪組這樣的動力傳遞單元36連接。當然，包括其它齒輪組和變速器的其它類型的動力傳遞單元，可以用于將發動機14連接至發電機18。在一個非限制性實施例中，動力傳遞單元36是包括環形齒輪40、太陽齒輪44和支架總成48的行星齒輪組。
[0033]發電機18可以由發動機14通過動力傳遞單元36驅動以使動能轉換為電能。發電機18可以可選地起馬達的作用以使電能轉換為動能，從而輸出扭矩至連接到動力傳遞單元36的軸52。由于發電機18可操作地連接至發動機14，發動機14的速度可以通過發電機18控制。
[0034]動力傳遞單元36的環形齒輪40可以連接至軸56，軸56通過第二動力傳遞單元60連接至車輛驅動輪32。第二動力傳遞單元60可以包括具有多個齒輪64的齒輪組。其它動力傳遞單元也可能是合適的。齒輪64傳遞來自發動機14的扭矩至差速器68，以最終向車輛驅動輪32提供牽引力。差速器68可以包括多個實現扭矩至車輛驅動輪32的傳遞的齒輪。第二動力傳遞單元60通過差速器68機械地耦接至輪軸72以使扭矩分配到車輛驅動輪32。
[0035]馬達22(即，第二電機)還可以用于通過輸出扭矩至軸78來驅動車輛驅動輪32，軸78也連接至第二動力傳遞單元60。在一個實施例中，馬達22和發電機18配合作為再生制動系統的一部分，馬達22和發電機18兩者在再生制動系統中可以用作馬達以輸出扭矩。例如，馬達22和發電機18可以各自輸出電能至高電壓總線82和電池24。電池24可以是能夠輸出電能以操作馬達22和發電機18的高電壓電池。其它類型的能量存儲裝置和/或輸出裝置也可以與電動車輛12 —起使用。
[0036]現在參考圖2并繼續參考圖1，當電池24中的電荷由于操作車輛12已經耗盡時，電池充電系統100用于再充電電池24。在電池24使用之前或在電池24安裝在車輛12內部之前，電池充電系統100還可以用于初始地給電池24充電。電池24在充電期間可以留在車輛12中或可以從車輛移除。
[0037]電池充電系統100包括電池充電器104，電池充電器104有選擇地將電池24耦接至電源108以使電池24充電至所需水平。電池充電器104包括處理器112，處理器112配置成控制選擇性耦合。電池充電系統100進一步地包括控制器116，控制器116配置成控制選擇性耦合以阻止使電池24過度充電。在這個實例中，處理器112是電池充電器104的一部分。控制器116與電池充電器104結構分離并且與電池充電器104不同。
[0038]當電池充電器104耦接至電池24時，電池充電器104傳遞來自電源108的電荷至電池24，以給電池24以及具體地給電池24的電芯120充電。使電池充電器104從電池24去耦會結束充電。
[0039]電池充電器104監控電池24以確定何時停止給電池24充電。具體地，當處理器112確定電池已經接納充足的安培小時(A-hr)(庫侖電荷)與或千瓦小時(kW-hr)，處理器112停止充電。處理器112有選擇地將電池充電器104耦接至電池24以控制電池24的充電。充電的持續時間基于所需的電荷的量、電池24的容量、充電的速率等改變。在一些示例中，處理器112可能錯誤地確定何時停止充電，這可以導致不合需要地給電池24充電超過所需的水平。
[0040]在這個示例中，控制器116用于禁止給電池24充電超過所需的水平。控制器116監控電池24的充電并且將預期充電數據與實際充電數據相比較。控制器116響應于比較，可以停止充電或采取一些其它行動。例如，如果充電持續的時間比預期的時間長，控制器116可以停止充電。例如，預期充電數據和實際充電數據之間的差異可以表明電池24需要修復或更換。
[0041]值得注意的是，在示例系統100中，控制器116和電池充電器104(通過處理器112)兩者都計算電池24的充電狀態。在一些示例中，控制器116阻止電池24變得過度充電。
[0042]示例控制器116顯示為與電池24和電池充電器104分離。控制器116可以放置在系統內部的其他位置，比如連接至電池24或在電池充電器104內。處理器112還能夠放置在電池充電器104外面。
[0043]現在參考圖3并參考圖2，示例電池充電監控方法200識別實際充電數據和預期充電數據之間的差異。方法200由控制器116使用，以確定何時充電電池24以及何時不充電電池24。
[0044]預期充電數據可以包括完成充電的預期時間、完成充電之后電池24承載的預期安培小時數等。示例差異可以是實際充電時間比預期充電時間持續的長。
[0045]在方法200中，步驟204利用電池容量和充電速率來確定用于電池24的預期充電數據。
[0046]在這個示例中，電池容量是電池24能夠存儲的能量最大總量、安培小時數或兩者。電池容量可以以車輛12(圖1)的設計規范為基礎。在另一示例中，電池24的容量可以是電池24能夠存儲的電池容量的最大總量的所需百分比。例如，給電池24充電至它的電池總容量的百分之九十是可取的。在這個示例中，用于方法200的電池容量將是電池24的總容量的百分之九十。
[0047]充電速率是從電池充電器104確定并且可以使用來自電池24的信息。充電速率表示電池充電器104使來自電源108的安培(A)或千瓦特(kW)傳遞至電池24的速率。
[0048]在步驟204計算預期充電數據之后，方法200在步驟208開始監控電池充電。這個步驟監控從電池充電器104至電池24的安培小時和/或千瓦小時充電速率。在其它實例中，監控可以在計算步驟204之前或與計算步驟204同時開始。
[0049]在步驟212中，控制器116將實際充電數據與來自步驟204的預期充電數據相比較。如果實際充電數據與預期充電數據不同，控制器116在步驟216中比如通過豎起警告標志作出反應。在步驟216中，控制器116還可以使電池充電器104從電池24去耦。
[0050]在又一個具體示例中，控制器116將實際充電時間與預期充電時間相比較。如果實際充電時間超過預期充電時間，控制器116啟動通知技術員的標志。這種差異可以表明在系統100或車輛12內部的故障。示例故障可以包括電池24的衰減。嚴重的衰減可能需要更換電池。
[0051]現在參考圖4，另一種示例電池充電監控方法300識別用于給電池24充電至所需電壓的實際安培小時和預期安培小時之間的差異。方法300還識別用于給電池24充電至所需電壓的實際時間和預期時間之間的差異。
[0052]在方法300中，當給電池24充電至所需水平時，在步驟304中的計算利用電池24的容量和與電池充電器104有關的充電速率來確定電池的預期容量。在步驟308中，方法300計算給電池24充電至所需電壓需要的預期時間。
[0053]在示例方法300中，電池24的容量是電池24能夠存儲的最大總容量。該容量可以以車輛12(圖1)的設計規范為基礎。在另一示例中，電池的容量可以是電池24能夠存儲的最大總容量的所需百分比。例如，給電池充電至它的最大總容量的百分之六十是可取的。在這個示例中，用于方法300的電池容量將是電池24的最大總容量的百分之六十。
[0054]然后，在步驟312中，方法300識別電池24可能已經具有部分電荷，然后計算給電池24充電至它的容量之后電池將容納的預期總容量。方法300認識到在充電期間可能有一些能量損失、傳感器性能中有局限性等，并且添加增量容量到預期的充電容量中。方法300在步驟316開始給電池充電。
[0055]方法300在步驟324中計算Pdt (kW-hr)和Idt (A-hrs)的積分。在這個示例中，這些計算是在充電期間實時更新的運行計算(running calculat1n)。電池24的電芯120上的電壓升高(或開路電壓)是Pdt和Idt的積分的函數。方法300，在步驟326中判定電壓是否大于或等于所需電壓。如果電壓大于或等于所需電壓，方法在步驟328中結束充電。
[0056]在步驟330中，來自步驟324的實際千瓦小時和實際安培小時實時地與來自步驟312和316的預期的充電速率值相比較。如果實際值中的一個大于預期值，方法300在步驟332中豎起警告標志。如果沒有一個實際值大于預期值，方法300不采取行動并且電池充電器104繼續監控電池24的充電。
[0057]在步驟338中的警告標志可以采取許多形式。例如，警告標志可能是通知技術員預期Pdt和Idt與實際Pdt和Idt之間的差異的內部警報。
[0058]在連續充電期間，如果方法300持續豎起警告標志，方法可以啟動比如駕駛員可看見的視覺警告這樣的另一類型的警告。例如，如果給電池充電十次并且那些充電中的每次都導致警告標志，方法300可以啟動視覺警告。
[0059]現在參考圖5，另一示例電池充電監控方法400用于給電池(或電池的電芯)充電。根據在監控期間發現的信息，方法400在結束充電時可以通知使用者與電池有關的故障狀況。可選地，方法400可以僅僅結束充電(沒有識別任何故障狀況)。
[0060]在這個示例中，方法400在步驟410中計算需要給電池充電的預期安培小時(1-hr最大值)和能量(按照kW-hrs)。可能用于計算這些預期值的因素包括電池的充電狀態、容量、溫度、壽命、最大電壓、電阻等。另一因素可能是用于電池的特定充電策略。
[0061]電池(以及電池的電芯)通常具有已知的輸入電阻R。如果輸入電阻不是已知的，本領域技術人員和本公開的受益人員將能夠確定電阻R。
[0062]在步驟410中計算預期值之后，方法400向下繼續第一路徑420或第二路徑430。第一路徑420利用恒功率充電(Pk)給電池充電。可選的第二路徑430利用恒電流充電(Ik)給電池充電。步驟414描繪了這個選擇。在一些實例中，使用者可以在步驟414中作出選擇。
[0063]參考第一路徑420，充電在步驟440中開始。在充電期間，然后在步驟444中監控實際電池電壓(Vb)和實際電池電流(lb)。利用這些實際值，方法400在步驟448中計算實際功率(P)、實際能量(int(Pdt))、安培小時(int (Idt))、增量V和增量I。可以領會的是，能量(kW-hr)可以表示為int (V*Idt),并且安培小時表示為int (Idt)。
[0064]在這個示例中，電池的漸增的電荷引起它的電壓單調地增加，因此增量V是非負的。由于使用相對的恒功率充電，并且由于P = ν*Ι，電壓單調地增加表明電流在充電期間單調地減少，因此增量I小于或等于零。
[0065]然后在步驟452中檢測到來自電壓的實質單調增加、電流的實質單調減少或兩者的波動。在充電期間，如果實際電壓減少或實際電流增加，則假定有與電池有關的錯誤。然后在步驟456中停止充電并且通知操作者故障狀況。
[0066]如果沒有這樣的波動，方法400繼續至步驟460。在步驟460中，如果實際電池電壓大于或等于預期電壓的最大值，在步驟466中停止充電。同樣，在步驟460中，如果實際安培小時大于與圖4的步驟316中相同的安培小時最大值，在步驟466中停止充電。此外，在步驟460中，如果至電池的能量(kW-hr-12R損耗)大于估計的電池需要的能量值，方法400在步驟466中停止充電。
[0067]參考以電流控制充電為基礎的第二路徑430，充電在步驟470中開始。然后在步驟474中監控實際電池電壓。由于第二路徑430表示電流控制的充電，Ib是已知的。利用來自步驟474的監控值，方法400在步驟478中計算功率(P)、能量(int (Pdt))、安培小時(int (Idt))和增量 V。
[0068]由于在相對的恒定電流下給示例電池充電，電壓應該一直增加。如果在步驟482中檢測到增量V小于零，方法400假定有一些與電池有關的錯誤。然后在步驟456中停止充電并且通知操作者故障狀況。
[0069]如果增量V大于或等于零，方法400繼續至步驟486。在步驟486中，方法400判定用于充電的電壓是否大于或等于預期電壓的最大值。如果用于充電的電壓大于或等于預期電壓的最大值，在步驟466中結束充電。同樣，在步驟486中，如果實際安培小時大于預期安培小時或如果至電池的能量(kW-hr-12R損耗)大于電池需要的估計的能量值，方法400在步驟466中結束充電。
[0070]在本公開的一些實例中，響應于實際測量數據與預期(或計算的)數據之間的比較，充電可以自動地終止。在一個更具體的示例中，充電需要的實際安培小時超過充電需要的計算的安培小時，自動地終止充電。在另一示例中，傳遞至電芯的實際能量超過計算的需要能量，自動地終止充電。在其它示例中，對于功率控制或電流控制的充電，如果電池的增量V小于零，終止充電。在又一示例中，對于功率控制的充電，如果電池的增量I是正的，終止充電。如果電池的電壓大于用于電池的計算的最大電壓，也可以終止充電。
[0071]本公開的特征是實時監控電池故障，加上可能基于最大電壓、安培小時最大值和千瓦小時最大值來確定充電的自然結束。
[0072]盡管不同的非限制性實施例已經描述為具有具體的組件或步驟，本公開的實施例不局限于那些特定的組合。使用來自任何非限制性實施例的組件或特征與來自任何其它非限制性實施例的特征或組件的結合，是可能的。此外，除非另有說明，步驟可以以任何順序執行。
[0073]前述描述本質上是示例性的而不是限制性的。對公開的實例的未必背離本公開的本質的變化和修改，對于本領域技術人員來說將變得顯而易見。因此，給予本公開的法律保護范圍僅能通過研究下面的權利要求來確定。
【權利要求】
1.一種電池充電監控方法，其特征在于，包含: 至少使用電池的容量和充電速率來計算用于電池的預期充電數據；以及 將實際充電數據與預期充電數據相比較，以識別實際充電數據和預期充電數據之間的差異。
2.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，包括響應于比較而結束充電。
3.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，預期充電數據包含預期充電時間，并且實際充電數據包含實際充電時間。
4.根據權利要求3所述的電池充電監控方法，其特征在于，包括響應于預期充電時間超過實際充電時間結束充電。
5.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，預期充電數據和實際充電數據包含電荷數據，并且電池的充電響應于實際電荷量超過預期電荷量而終止。
6.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，預期充電數據和實際充電數據包含電壓數據，并且電池的充電響應于實際電壓超過電壓的預期量而終止。
7.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，預期充電數據和實際充電數據包含能量數據，并且電池的充電響應于給電池充電的實際能量超過給電池充電需要的能量的預期量而終止。
8.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，預期充電數據包含實質單調增加的電壓，因此充電期間的電壓變化實質上是非負的，并且如果電壓變化是負的，則終止充電。
9.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，預期充電數據包含實質上單調減少的電池電流，因此充電期間的電池電流的變化小于或等于零，并且如果電流的變化大于零，則終止充電。
10.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，電池的容量包含電池的電芯的最大電壓。
11.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，電池的容量包含用于電池的電芯的最大電壓的百分比。
12.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，電池的容量包含用于電池電芯的安培小時容量。
13.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，包括使用用于計算和比較的電池充電控制器。
14.根據權利要求1所述的電池充電監控方法，其特征在于，電池是車輛蓄電池。
【文檔編號】H02J7/00GK104300595SQ201410344961
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】保羅·希歐多爾·莫姆西拉維奇, 艾倫·羅伊·蓋爾, 布魯斯·卡維爾·布萊克莫爾, 邁克爾·W·德格尼爾 申請人:福特全球技術公司