用於確定電池的實際容量的方法和設備的製作方法

2023-05-13 10:17:51 1

用於確定電池的實際容量的方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用特徵曲線族確定電池的實際容量的方法和設備，其中，在放電過程開始時確定電池的起始電壓(U開始)、放電電流強度和電池溫度，由此通過與特徵曲線族中存在的數據相比較來選出特徵曲線並且確定電池的起始狀態，在放電過程結束時，測量電池的結束電壓(U測量)，將該結束電壓(U測量)與根據選出的特徵曲線所預期的在放電結束時的預期電壓(U預期)相比較，如果結束電壓(U測量)小於基於充電過程所預期的預期電壓(U預期)，則判定電池的實際容量小於在放電過程開始時假定的可得容量。
【專利說明】用於確定電池的實際容量的方法和設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種使用電池特徵曲線來確定電池的實際容量的方法和設備。

【背景技術】
[0002] 在使用電池（可充電電源、二次電池或蓄電池）作為驅動車輛的唯一能源或與內 燃機同時使用的能源的機動車（電動車輛、混合動力車輛）中，電池的容量對於在電池不重 新充電的情況下機動車所能行駛的續駛裡程至關重要。
[0003] 隨著使用年限和/或充放電周期次數的增加，從例如目前可用的裡離子蓄電池中 所能夠取得的能量一也就是所能夠取得的電流量會減少已經是公知的事實。
[0004] 對於該種在口語中常被稱作老化、W電池在充放電運行（常規使用）中的特性改 變或者隨時間老化為特點的容量損耗，目前的確定並不充分。
[0005] 已知的用於確定容量損耗的方法要麼非常複雜並且/或者難W參數化（例如在阻 抗測定方面），要麼就是所使用的老化模型並不全面或充分參數化，該會給計算造成巨大偏 差。
[0006] 簡單的方法通常具有的缺點是；重要的參數（例如在電池的壽命和使用中變化的 消耗功率或效率）不能被考慮或不能簡單地確定。
[0007] 因此，不能在連續或標準運行中W簡單的方式對當前的能量含量、也就是實際可 供使用的電流量作出專口推斷。因為電池容量會因為老化特性而降低，而在未對實際的電 池容量進行準確更新（或更正）的情況下，對可用性的推斷會出現錯誤或者不準確。
[000引許多已知的用於確定電池當前容量的方法都需要確定電池的荷電狀態（State Of Charge, S0C)-其基於對電池的開路電壓（Open Circuit Voltage, OCV)的測量，W及要 求測量在兩個荷電狀態之間所取得的電流量。
[000引因此，例如EP 1 314 992 A2描述了一種設備和方法，其用於為驅動電動車的蓄電 池確定容量，其中藉助於在空載狀態下的開路電壓來確定蓄電池的第一荷電狀態和蓄電池 的第二荷電狀態，由在該兩個荷電狀態之間所流出的放電率量來確定蓄電池的實際容量。
[0010] DE 10 2007 037 041 Al公開了一種方法和設備，其利用已存儲的電池模型來識 別酸電池的電池狀態。其中W特徵曲線的形式記錄了酸電池的開路電壓與可從電池獲得的 電荷的關係。確定描述由電池老化和電池的酸層引起的電池容量損耗的第一參數。另外， 確定關於特徵曲線斜率信息的第二參數。另外，參照第一和第二參數對所存儲的特徵曲線 進行匹配。
[0011] 根據該公開文本，通過確定開路電壓-安培小時-特徵曲線來確定可由酸電池取 得的能量和實際容量。與無酸層的新電池相比，在電池老化時，該特徵曲線平行地上移，而 當電池帶有酸層時，該特徵曲線的斜率變大。該開路電壓-安培小時-特徵曲線可W通過 在放電前後測量電池開路電壓而得出。然後在使用實際確定的電壓-安培小時-特徵曲線 的情況下對所存儲的特徵曲線進行匹配。
[0012] DE 10 2010 006 965 Al描述了一種用於為車輛的電池確定電池特徵曲線的至少 一個區域的方法，其中由所測得的電池參數確定電池的當前荷電狀態，由所測得的電池參 數與在參照所確定的荷電狀態的情況下由標準-電池特徵曲線確定的標準值之間的差確 定出一偏差值，並通過將該偏差值添加到標準電池特徵曲線上來確定新的電池特徵曲線的 至少一個區域。
[0013] 根據該公開文本，通過測量電池在不同的荷電狀態下經過較長時間的靜止階段後 的空載電壓來確定當前的電池特徵曲線。根據在給定荷電狀態下對各個開路電壓的比較或 者根據在給定開路電壓下對各個電池特徵曲線的比較來確定當前的電池特徵曲線（怠速 電壓-當前荷電狀態-特徵曲線）與"標準-電池"的電池特徵曲線的偏差。
[0014] JP 2002-243 813 A公開了一種計算單元，該計算單元基於在積分開始時間點和 積分結束時間點上的空轉電壓，由蓄電池的關於時間積分的放電率得出蓄電池的荷電狀態 的變化，W及空轉電壓與蓄電池荷電狀態之間的校正值。此外該計算單元還在放電率值的 積分基礎上計算出蓄電池隨時間下降的容量，放電率值的積分是W放電率和荷電狀態變化 為基礎計算出來的。此外，計算單元還在蓄電池的隨時間下降的容量和最初容量的基礎上 計算容量下降率。
[001引 DE 39 10 904 Al涉及一種用於監測可充電的封閉式電池的荷電狀態的方法，其 中在給電池充電後一在至少充電一次後一測量端電壓UKL並將其作為開路電壓U。儲 存，其中在不同的時間點上測量在接線端處的瞬時電壓Uti,並根據開路電壓U。與瞬時電壓 恥之間的偏差來確定放電狀態。
[0016] 由該些公開文本大致可W概括出：在所有上述方法和設備中的測量都需要電池的 開路電壓的pen Circuit Voltage, 0CV)。該種開路電壓雖然足夠精確，但是卻僅能夠在放 電過程結束後經過相當長的時間後才能夠測量出。所W例如從EP 1 314 992 A2的圖6可 知，在充電過程結束後，在電壓達到靜止值之前，可能需要高達3000砂、也就是高達50分鐘 的靜止階段。


【發明內容】

[0017] 本發明的目的是，提供一種用於確定電池的實際容量的方法和設備，由此克服現 有技術的所述缺陷。
[001引所述目的和更多的優點由根據權利要求1的方法和根據權利要求8的設備得W實 現。從屬權利要求涉及的是本發明具有優點的改進方案。
[0019] 根據本發明的方法利用特徵曲線族來確定電池實際容量，在放電過程開始時確定 電池的起始電壓放電電流強度和電池溫度，由此通過與特徵曲線族中存在的數據相 比較來選出一條特徵曲線並且確定電池的起始狀態。在放電過程結束時，測量電池的結束 電壓u?胃，將該結束電壓u?胃與根據選出的特徵曲線所預期的在放電結束時的預期電壓^ JW相比較，如果結束電壓^胃小於基於充電過程所預期的預期電壓，則判定電池的實際 容量小於在放電過程開始時假定的可得容量。
[0020] 根據本發明的方法的突出之處在於：不需要測量開路電壓的pen Circuit Voltage, OCV)來評估電池的老化狀況，該方法由於不需要特別的測試方法和步驟，並且不 W複雜的參數和/或模型為基礎，所W可W用於常規的使用目的並且簡單易用。因此通過 根據本發明的方法可W在持續運行中W簡單的方式對電池的當前能量含量作出專口推斷。 由於電池實際容量通過根據本發明的方法得到準確更新或更正，所W還可W對電池的實際 可提供的電流量作出準確推斷。
[0021] 根據本發明的第一種具有優點的改進方案，通過W下方式對電池的實際容量進行 確定；使上述的各步驟按規定的順序被依次重複多次，並且對所確定的、在結束電壓^?與 預期電壓U胃j之間的差進行分析。
[0022] 同樣有利的是，在根據本發明的方法中，在使上述的各步驟被依次執行至少五次 後，對電池的實際容量進行確定。
[0023] 為了確定電池的實際容量，可W W有利的方式採取例如如下措施；在二維坐標系 中參照時間與所取得的電量相關地記錄下電池的起始電壓Ug;苗日結束電壓U ，並參照時 間與所取得的電量相關地記錄下預期電壓U胃j，確定起始電壓與結束電壓之間的 連線的斜率W及起始電壓Ug?^與預期電壓U胃之間的連線的斜率，確定該兩條連線的斜率 之間的差或該兩條連線之間的角度（(P)。該樣確定的值可W用於確定實際容量。
[0024] 當然，剛才所述的方法一W及在此公開的所有其他方法一在實踐中能夠並且 已經可W藉助於計算單元和有關的數字式數據或數位化數據來實施。
[0025] 由於確定出電池實際容量的降低例如對於電動車輛或混合動力車輛的能量管理 至關重要，並且由於實際的容量例如被應用於續駛裡程預測，所W根據本發明的另一種有 利的改進方案提出，如果對實際容量進行確定的結果是實際容量與新電池相比降低，則在 儲存裝置中存儲經降低的標稱容量、可得容量、可提供的容量和/或實際容量。
[0026] 該樣存儲的值例如被提供給其他裝置W供其他的計算和/或評估使用，並且可W 例如從儲存裝置中讀取。
[0027] 有利的是，如果對實際容量進行確定的結果是實際容量與新電池相比降低，則在 通過數學公式表達的特徵曲線族和/或在通過數學公式表達的特徵曲線使標稱容量、可得 容量和/或可提供的容量的數值降低一可預先規定的值。
[0028] 出於系統穩定性的原因有利的是，並不將所確定的所有實際容量的變化都計算在 內，而是僅描述沿相應的變化方向的匹配。因此有利的是，所確定的實際容量的降低並非完 全地被用於確定標稱容量、可得容量和/或可提供的容量。
[0029] 本發明還包括用於確定電池的實際容量的設備，其包括儲存裝置、電壓測量裝置、 電流測量裝置、溫度測量裝置、計算單元W及可在計算單元中執行的電腦程式，其中儲存 裝置設置用於儲存電池的至少一個特徵曲線族，電壓測量裝置設置用於至少測量在放電過 程開始時的電池起始電壓Ug;訂日在放電過程結束時的電池結束電壓電流測量裝置設 置用於至少測量電池的放電電流的強度，溫度測量裝置設置用於測量至少一個電池部件的 溫度，計算單元W及在計算單元上運行的電腦程式設置用於：在考慮到起始電壓U結 束電壓和根據所選出的特徵曲線預期的預期電壓U胃j的情況下W如下方式確定電池的 實際容量：如果結束電壓扣8?)小於在放電過程基礎上所預期的預期電壓扣M9)，則則判 定電池的實際容量小於在放電過程開始時假定的可得容量。
[0030] 根據本發明的設備還設置用於能夠執行上述任一方法。根據本發明的設備的該種 適用於執行所有根據本發明的方法的設計方案是本領域技術人員基於其知識所能知曉的 或者是能夠通過少數實驗輕易確定的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 下面藉助附圖對本發明進行詳細說明。
[0032] 附圖中：
[0033] 圖1示出一圖表，其中示出若干條位於電池的特徵曲線族中的特徵曲線；
[0034] 圖2 出一圖表，其中出與所取出的電荷量相關的電池電壓關於時間的實際曲 線，和基於所選出的特徵曲線所預期的相應的電壓曲線，
[003引圖3示出類似於圖2的圖表，但是記錄了在U巧始與U測量之間W及在U巧始與U預期之 間的連接直線。

【具體實施方式】
[0036] 附圖中的該些圖表都是純示意性的，並非按照比例繪製。
[0037] 下面所述的實施例對本發明的優選實施方案進行說明。本發明當然並不局限於該 些實施方式。
[0038] 在下面的說明中，對下述術語分別給出如下定義：
[0039] 標稱容量；根據製造商的說明可W取得的電流量，在標準溫度和基準電流下規範 (也稱作額定容量）；
[0040] 可得容量；根據溫度和電流強度可實際取得的、隨電池/蓄電池技術而大小不同 的電流量；
[0041] 可提供的容量：在標準溫度和基準電流強度下測得的容量；用於評估與標稱容量 的偏差；
[0042] 實際容量；根據溫度和電流強度可實際取得的容量。
[0043] 圖1所示的圖表示出了在給定溫度下W不同電流強度放電時電池的電壓曲線W 及開路電壓U。的大致曲線。
[0044] 在圖表中標出的I2CI表示針對標稱容量的20小時放電率。如從圖表中可見，隨著 電流強度的升高（即Iw成倍升高），電池的起始電壓（電位）降低。同時，在電流強度較 高時，可得的電流量降低。另一種關係在於與電池溫度的關係。簡而言之，溫度越低，則放 電量越少，電池電壓越低。
[0045] 藉助於該一知識或者通過測量可W生成或產生一個特徵曲線族，在此在考慮到放 電電流強度、溫度和電池的可得容量的情況下生成或產生各特徵曲線。
[0046] 在特徵曲線族的基礎上，可W在考慮到放電電流強度和溫度的情況下判斷電池狀 態。可W評估電池的當前狀態，可W估計可取得的電量，並在考慮到實際取得的電量的情況 下，通過將實際的電壓曲線與根據所選出的特徵曲線所期待的電壓曲線相比較來評價電池 的老化狀況。
[0047] 因此根據本發明並不需要判斷電池是否處於靜止狀態。
[0048] 圖2和圖3的圖表分別不出與所取出的電量A Q相關的、電池電壓U關於時間t 的實際曲線，和根據所選出的特徵曲線所預期的相應電壓曲線。如圖表所示，在時間t的變 化過程中假設存在基本恆定的電流強度1。1。。
[0049] 根據本發明，根據電池的起始電壓放電電流強度和電池溫度從特徵曲線族 中選出特徵曲線相關的特徵曲線。
[0050] 在放電過程結束時，測量電池的結束電壓U;5"，將結束電壓U?胃與根據所選擇的特 徵曲線預期的、在放電結束時的電壓相比較。對於圖2和圖3所示的在放電過程結束 時結束電壓^胃小於預期電壓U胃的情況，可W判定；電池的實際容量小於在放電過程開 始時假設的可得容量。
[0051] 為計算實際容量或者為計算實際容量相對於標稱的、可得的和/或可提供的容量 的減少量，可W採用已知的經驗值或計算方法。
[0052] 如圖2和圖3所示，可W在二維坐標系中一在使用計算單元的情況下使該二維 坐標系對應於二維數組一記錄與所取得的電量相關的、電池起始電壓Ug;訂日結束電壓 ,關於時間的曲線，W及與所取得的電量相關的預期電壓U胃關於時間的曲線。
[0053] 在根據本發明的方法中，在放電過程開始時測量起始電壓由於該還與放電 電流強度有關，所W "開始時"應理解為，在必要的情況下在放電過程開始時等待足夠長的 時間（例如1、2、4、6、8、10、15、30砂；1、2、3、4、5分鐘），直至出現"穩定的"起始電壓為止。 本領域技術人員已知的是；在"穩定的"起始電壓出現前的時長與放電電流強度相關，即在 低電流強度下（例如在約1 X Iw至約5 X 12。的範圍內），時長在分鐘的量級內，而在高電流 強度下（例如約IOXlw W上的區域內），小於1分鐘的時長就足夠了。
[0054] 由於通常在放電過程中並不知道放電過程的何時結束，所W當然可W在放電過程 中持續地或者W預先規定的時間間隔測量電池的電壓。如果放電過程結束，那麼將在放電 過程中最後測量到的電壓作為結束電壓
[0055] 如圖2和圖3所示，可W將在考慮到所使用的特徵曲線的情況下所確定的在 與U胃j之間的差用於評估電池的老化狀況。
[005引 W圖3所示為例，可W確定起始電壓Ug;沖結束電壓之間的連線的斜率W及 起始電壓Ug?和預期電壓之間的連線的斜率，可W確定該兩個連線的斜率之間的差或 者該兩個連線之間的角度聲，並將其用於確定實際容量。
[0057] 如果例如圖3所示的角度巧超出了可預先規定的闊值，那麼通過老化評估可W將 可得容量減少一特定的值，或者在"較小"電池的基礎上計算可提供的容量。
[0058] 根據本發明，對電池的實際容量的確定不應該僅基於一次的測量，而是應該多次、 優選至少5次或者更頻繁（如6、7、8、9、10、11、12、14、15次）連續重複測量，並且對- U 8?的偏差或者角度9進行評估。之所W要該樣，是因為所要確定的數值大小可能被很多參 數影響，並且通過足夠多次的重複和對所確定的測量結果的相應評估（例如形成平均值）， 可W充分準確接近電池實際存在的老化狀況。通常適用的是，隨著測量次數的增加，在判斷 電池的老化狀況方面的精度也隨之增加。
[0059] 出於系統穩定性的原因，通常還有利的是，並不將所確定的所有實際容量的減小 量都用於對標稱的、可得的和/或可提供的容量的計算，而是僅沿相應的變化方向進行匹 配。那麼例如可W將所確定的實際容量的減小量乘W可預先規定的小於1 (例如0, 9 ;0, 8 ; 0, 75 ;0, 6 ;0, 5)的係數並將由此得到的所確定的實際容量的減小量的一小部分用於評估 或計算。
[0060] 如果用數學公式表示所使用的特徵曲線族或者所使用的特徵曲線，那麼例如可W 將標稱的、可得的和/或可提供的容量的大小減少一規定的Delta。
[0061] 電池的老化W及由此帶來的可提供的容量的變化並不是隨機引入的，而是逐漸變 化的參量。由此，例如可W使根據本發明的方法連續地重複、W可預先規定的時間間隔重複 和/或在經過可先規定的充放電過程次數後重複。
[0062] 根據本發明的方法可W應用於常規使用目的中，使用簡單，無需特別的測試程序 或步驟，並且不W複雜的參數和/或模型為基礎。因此通過根據本發明的方法可W在持續 運行中W簡單的方式對電池的當前的能量含量進行專口推斷。由於根據本發明的方法能夠 對實際的電池含量進行準確更新或更正，所W可W對電池的實際可提供的電量進行準確推 斷。根據本發明的方法還具有的優點是，可W不依賴於電池技術被使用，並且無需電流時間 積分（Ah-Integration)。
【權利要求】
1. 一種利用特徵曲線族確定電池的實際容量的方法，其中， 在放電過程開始時確定電池的起始電壓、放電電流強度和電池溫度， 由此通過與特徵曲線族中存在的數據相比較來選出特徵曲線並且確定電池的起始狀 態， 在放電過程結束時，測量電池的結束電壓（U3w)， 將該結束電壓（U3w)與基於選出的特徵曲線所預期的在放電結束時的預期電壓（Uh w)相比較， 如果結束電壓（U3w)小於基於放電過程所預期的預期電壓（Uww),則判定電池的實際 容量小於在放電過程開始時假定的可得容量。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，通過以下方式對電池的實際容量進行確定：使根 據權利要求1所述的各步驟按規定的順序被依次重複多次，並且對所確定的、在結束電壓 (U3w)與預期電壓（Uww)之間的差進行分析。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，在使根據權利要求1所述的各步驟被依次執行至 少五次後，對電池的實際容量進行確定。
4. 根據上述權利要求之一所述的方法，其中，在二維坐標系中參照時間與所取得的電 量相關地記錄下電池的起始電壓（Um&)和結束電壓（U3tt),並參照時間與所取得的電量相 關地記錄下預期電壓（Uira),確定起始電壓（Um&)與結束電壓（U3w)之間的連線的斜率 以及起始電壓（Um&)與預期電壓（Urow)之間的連線的斜率，確定這兩條連線的斜率之間 的差或這兩條連線之間的角度（)並用於確定標稱容量、可得容量、可提供的容量和/或 實際容量。
5. 根據上述權利要求之一所述的方法，其中，如果對實際容量進行確定的結果是實際 容量與新電池相比降低，則在儲存裝置中存儲經降低的標稱容量、可得容量、可提供的容量 和/或實際容量。
6. 根據上述權利要求之一所述的方法，其中，如果對實際容量進行確定的結果是實際 容量與新電池相比降低，則在通過數學公式表達的特徵曲線族和/或在通過數學公式表達 的特徵曲線中使標稱容量、可得容量和/或可提供的容量的數值降低一可預先規定的值。
7. 根據權利要求5或6所述的方法，其中，所確定的實際容量的降低並非完全地被用於 評估標稱容量、可得容量和/或可提供的容量。
8. -種用於確定電池的實際容量的設備，包括儲存裝置、電壓測量裝置、電流測量裝 置、溫度測量裝置、計算單元以及可在計算單元中執行的電腦程式，其中， 儲存裝置設置用於儲存電池的至少一個特徵曲線族，或儲存裝置中存儲有電池的至少 一個特徵曲線族， 電壓測量裝置設置用於至少測量在放電過程開始時的電池起始電壓（Ufffe)和在放電 過程結束時的電池結束電壓（U3w), 電流測量裝置設置用於至少測量電池的放電電流的強度， 溫度測量裝置設置用於測量至少一個電池部件的溫度， 計算單元以及在計算單元上運行的電腦程式設置用於：在考慮到起始電壓 結束電壓（U3w)和根據所選出的特徵曲線預期的預期電壓（Uww)的情況下以如下方式確 定電池的實際容量：如果結束電壓（U3tt)小於基於放電過程所預期的預期電壓（Uww),則 判定電池的實際容量小於在放電過程開始時假定的可得容量。
9.根據權利要求8所述的設備，該設備設置用於執行根據權利要求2至7中任一項所 述的方法。
【文檔編號】G01R31/36GK104335057SQ201380027639
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月17日 優先權日:2012年5月26日
【發明者】A·巴克, R·諾曼 申請人:奧迪股份公司