微型混合动力车辆的附加储能装置充电控制方法及使用该方法的系统

摘要

本发明涉及监测微型混合动力车辆的附加储能装置的充电水平的方法。该方法包含在多个可能的状态中检测所述汽车的状态(200)的步骤，第一个状态称作快速行驶状态，在汽车速度超过了预先定义的速度门限值V

说明书

本发明要求2010年4月2日提交的法国专利申请1052506的优先权， 其内容(正文，附图和权利要求)并入此处作为参考。

本发明的主题是微型混合动力车辆附加储能装置充电的控制方法以 及使用该方法的系统。本发明应用于混合动力车辆领域。

混合动力汽车，即将热力发动机和至少是电动机组合在一起，以能 够尽可能地减少碳氢燃料的消耗并由此减少温室效应气体的排放。

应用该类型动力的系统可以分成多个类型来代表其动力混合的程 度。这样，属于微型混合动力类型的系统通常除了传统的热力发动机以 外还带有可逆的电动机。所述电动机用作启动器也用作发电机，热力发 动机在汽车不动的时候自动断开。

所述系统的结构示例如图1所示。该结构示例集成了可逆的发电机 100，启动器101，电池102和由超级电容103组成的附加储能装置，其 在后文描述中用UCAP表示。电池102可以是例如12伏特的铅电池。

通过能够对开关104，105进行控制的专门的控制电子装置，附加储 能装置103可以与电池102串联以便于帮助提供启动，重新启动并保持 车载电网106的质量。还是通过对所述开关104，105的控制，附加储能 装置103通过电压变换器107与发电机100并联，以便于在发动机运转 时确保其充电。储能装置UCAP103也可以通过电压变换器107与电池 102并联，以便于在发动机停止时确保其充电。储能装置UCAP103也可 以在系统不要求其帮助且自身已充满电时保持电气绝缘。

如前所述，因此附加储能装置通常与转换系统104，105配合以便于 串联或并联，也与电压变换器107配合以便于充电，其该整体108如图1 所示。

超级电容是近期用于汽车领域的组件。它的使用需要一些固有措施 以避免损坏。在导致超级电容老化的因素中，端口电压和温度是突出的。 特别地，较高电压水平导致储能装置UCAP加速电化学老化。储能装置 UCAP的寿命是设计使用混合动力系统的汽车时的决定性因素。其实， 汽车制造商通常推出汽车都是通过基于尺寸研究和超级电容供应商的专 业程度来保证其寿命。设计的目标之一是，汽车所有者尽可能少更换储 能装置UCAP的操作，使其例如具有寿命趋近与汽车寿命的系统，通常 为15年。

本发明的目的之一正是为了克服上述不足。

为此，本发明提出了微型混合动力汽车附加储能装置UCAP充电的 控制方法。它包含检测所述汽车的多个可能状态中的一种状态的步骤， 第一个状态称作快速行驶状态，在汽车速度超过了预先定义的速度的门 限值V_seuN时被检测到，第二个状态在汽车静止时被检测到，加在储能装 置UCAP端口的电压根据检测到的状态来调整，以便于在保证所述储能 装置确保其服务功能的前提下尽可能地减小电压。

根据本发明的一方面，当检测到快速行驶状态时，确定优化的充电 电压U_CONS_OPTM并加在储能装置UCAP上，所述电压由储能装置 UCAP的额定充电电压U_CONS推出，电压差值AU从该电压减去以便于 得到优化的充电电压U_CONS_OPTM。

根据本发明的另一方面，电压差值AU的确定用到了仿射函数AU＝f (V_VEH)使得电压差值AU与瞬时速度V_VEH和实现过渡到停止状态的 预先定义的速度门限值V_VEH_STOP的差值成比例。 电压差值AU的定义是例如通过使用表达式：

$\mathrm{\Delta v}=K·\frac{(V_{\mathrm{VEH}}-V_{\mathrm{VEH}\_\mathrm{STOP}})·\frac{10}{36}}{{\gamma }_{\mathrm{Veh}}}$

其中：

K是表述在用法拉表示电容量和用安培表示充/放电电流时储能装置 UCAP充电速度(用V/s表示)的系数；

γ_veh对应汽车刹车时减速度的统计平均值。

检测到静止状态时，微型混合动力汽车中的多功能发动机控制计算 机CMM在足够的时间内保持激活以便于在考虑该状态的情况下确定最 优充电电压值V_CONS_OPTM。

根据实施方式，静止状态下最优充电电压值V_CONS_OPTM根据储 能装置UCAP的健康状态SOH来确定。

本发明的另一个目标是包含至少一个附加储能装置UCAP的微型混 合动力系统。该系统包含用于检测具有该系统的汽车在多个可能状态中 所处状态的装置，第一个状态称作快速行驶状态，在汽车速度超过了预 先定义的速度的门限值V_seuN时被检测到，第二个状态在汽车静止时被检 测到。系统也包含用于确定加在储能装置UCAP端口的电压的装置，所 述电压根据检测到的状态来调整以便于在保证所述储能装置确保服务功 能的前提下尽可能地减小该电压。

有利地，本发明减缓了储能装置UCAP的老化，其能减少最终与所 述储能装置寿命相关的故障次数。汽车使用者从而在维护和更换方面实 现节省。

本发明其他特征和优势通过下文结合非局限的附图图解的描述展 现，其中：

-图1给出了微型混合动力系统的实施例；

-图2给出了快速行驶状态下储能装置UCAP使用寿命优化方法的 实施例；

-图3给出了静止状态下储能装置UCAP寿命的优化方法的实施例；

-图4介绍了在其整个寿命周期中UCAP端口电压的统计分布。

根据本发明的系统包含用于确定寿命状态的装置，其过程中储能装 置UCAP不被激励，且在某一给定时间范围内也不被激励；以及当这些 状态被检测到时用于降低所述储能装置端口电压的装置。保持高电压会 导致储能装置UCAP老化的有害结果。有利地，使用该系统可以延长附 加储能装置的寿命。

微型混合动力系统包含例如储能装置UCAP由多个串联的超级电容 组成。它可以由例如两个超级电容组成，每个可容许最大电压为2.7V， 即两个共5.4V。如果超过了该最大电压，所述储能装置很快就会损害。 这样，充电优选地由一个稍低于该最大值的门限值限制，例如5V。另外， 在某些情况下，也需要接近于预先定义的门限值的电压水平，以便于 UCAP完全确保其服务功能。这是在储能装置帮助提供启动/重启和保持 车载网络质量时的一个正常情况，这意味着用接近所述门限值的电压进 行反复充电。即便不超过UCAP可允许的最大值，此例中为5.4V，长时 间保持高电压仍然会对储能装置的寿命产生影响。这样，简单地将储能 装置充电限制在门限电压并不能完全满足在寿命方面的要求。

储能装置UCAP通常用于汽车行驶周期过程中的特定需求。这样， 就可以利用其中储能装置UCAP没被用于帮助降低其端口电压的寿命状 态或阶段。在实际中，储能装置UCAP在汽车第一次启动时被激励，也 就是说汽车在静止状态下的启动。储能装置UCAP在每个重启动时也被 激励，也就是说停止状态的阶段之后和对应例如红灯前的停车。储能装 置不被激励的非激活状态的时间段由储能装置UCAP的充电和活动状态 来确定。

在以下描述中，混合动力系统的两种运行状态被识别。第一个状态 叫快速行驶状态而第二个称作静止状态。

快速行驶状态对应汽车处于在路上或高速公路上行驶的状态。在该 运行状态中，汽车在路上或高速公路上行驶，很少会进入停止状态。这 样，储能装置不会被用于重启动。这样就可以在速度超过一个可以参数 化的门限值时进行明显的放电，并且在速度重新回到所述值以下时进行 充电。

对于静止状态，处于静止点上的汽车通常带有充满电的储能装置 UCAP。这样，并非真实需要，储能装置在整个静止的时段内处于充满状 态。根据本发明的原则，优化管理涉及在汽车停止时UCAP的显著放电。

图2给出了在快速行驶状态下储能装置使用寿命优化方法的实施例。

无论是否处于快速行驶状态，电压定值的计算一直在进行并根据整 个电气系统的状态进行调整，以便储能装置总是充有足够的电能来应对 激励，而一个激励对应例如在停止阶段后用于启动热力发动机的能量补 足。

该定值的补充调整可以通过在充电的额定电压上加上电压差值以对 储能装置进行放电来实现。通常该放电可以保护储能装置的使用寿命。 优选地，该电压降将可以根据汽车速度逐渐施加，以便于在刹车时储能 装置UCAP的充电不被破坏，然后所述储能装置应该在停止阶段之后被 使用。

这样，在快速行驶状态中，在后文中被称为优化电压定值的要加在 储能装置UCAP端口上的电压U_CONS_OPTM，可以通过使用三个步骤来 确定。

第一个步骤200确定汽车的状态是什么。这样，如果检测出的状态 对应快速行驶状态，快速行驶状态的检测指示器被激活。该指示器 对应例如一个布尔值并且当其取值为1时可以认为是有效的。例如，该 指示器的激活可以按如下方式确定：如果汽车速度V_VEH超过可参 数化的代表快速行驶的门限值V_seuN，那么如果该门限值未被超 过，那么

第二个步骤201确定对应加在用于储能装置UCAP端口的额定电压 定值U_CONS上的电压降的电压差值AU，其目的之一是优化储能装置 UCAP的使用寿命。

该电压差值AU是在考虑到指示器的情况下确定的：

是这样：

如果有效，AU被确定为AU＝f(V_VEH)；

如果无效，AU＝0。

函数f(V_VEH)仿射函数，使得差AU与瞬时速度V_VEH和允许过渡到 停止状态的速度门限值V_VEH_STOP之间的差值成正比。

该仿射函数的正比系数考虑了相对于气场刹车时间的储能装置 UCAP的充/放电时间。

例如，可以使用如下表达式：

$\mathrm{\Delta v}=K·\frac{(V_{\mathrm{vEH}}-V_{\mathrm{vEH}\_\mathrm{STOP}})·\frac{10}{36}}{{\gamma }_{\mathrm{Veh}}}---\left(1\right)$

其中：

K是表述在用法拉表示电容量和用安培表示充/放电电流时储能装置 UCAP充电速度(以V/s表示)的系数；

γ_veh对应汽车刹车时减速度的统计平均值。

因子10/36用来将用km/h表示的速度转换成用m/s表示的速度。

这涉及到有利的实施例，但为了确定电压差值AU可以使用其它方 法，如常数法，绘图法……

第三个步骤203确定优化电压定值令U_CONS_OPTIM，通过考虑差 AU和额定电压定值U_CONS——例如用到如下表达式：

U_CONS_OPTIM＝U_CONS-ΔU    (2)

图3给出了静止状态下储能装置UCAP使用寿命优化方法的例子。

在微型混合动力系统通常运行状况下，当汽车静止时，因为在下次 启动之前不需要激励并因而是不用的，所以储能装置处在高电压水平下。 另外，电压指令难于控制，因为实际上通常简称为CMM的多功能发动 机控制计算机在汽车静止时处于休眠状态。这样就不再能够计算用于储 能装置UCAP的电压指令。

本发明提出在CMM部分苏醒时间期间延长定值的计算。该部分苏 醒时间被设定为一个足够长的时段以便于调整储能装置UCAP的电压直 到对于其使用寿命无害的水平。但是不可以对储能装置UCAP完全放电， 因为需要限制在下次启动时的充电时间。

在静止状态时，加在储能装置UCAP端口的优化电压定值 U_CONS_OPTIM可以通过使用两个步骤来确定。

第一个步骤300确定是否汽车处于静止状态。该检测可以基于计算 机CMM的部分苏醒指示器RPARTIEL来实现，所述指示器在计算机 CMM苏醒时取值为1，即便汽车仍处于静止状态。

这样，如果RPARTIEL＝1，静止阶段检测的指示器处于有效状态， 也就是说例如否则，位于无效状态，也就是说例如

第二个步骤301在指示器处于有效状态下使用。那么指令 U_CONS_OPTIM就可以通过如下表达式确定

U_CONS_OPTIM＝U_S    (3)

其中：

U_S为可参数化的电压值，是可以在保证为汽车下次启动可以接受的 充电时间的情况下使储能装置UCAP使用寿命优化的折衷结果。

例如，U_s的值可以通过如下表达式确定：

U_S＝f(SOH)      (4)

其中：

SOH，来自于英文中“State Of Health”的首字母缩写，代表用百分比 表示的储能装置UCAP的健康状态，0％的值对应不可用的储能装置 UCAP，而100％的值对应在完美工作状态下的新储能装置UCAP。SOH 例如在专用于储能装置UCAP的电子装置中估算出来，并可以具体地根 据UCAP剩下的寿命来对电压指令进行加权。储能装置UCAP的健康状 态影响到UCAP的内部特性，具体为其内阻值和容值。结果，其老化也 影响到用于启动的充电时间。

如果指示器处于无效状态，指令电压不被优化并由如下表达式简 单地表示：

U_CONS_OPTIM＝U_CONS    (4)

图4表示了在其整个使用寿命过程中UCAP端口电压的统计分布。

右边的曲线400表示在本发明未被使用时储能装置UCAP端口电压 的统计分布。该电压通常较高，并且储能装置UCAP的老化也就较快。

左边的曲线401表示了在本发明被使用时储能装置UCAP端口电压 的统计分布。电压统计地更低，并且储能装置UCAP的老化结果变缓。