CN101194175B - 用于确定蓄能器的电荷状态和/或老化状态的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定蓄能器的电荷状态/老化状态的方法和装置(19，20，21)，其中以在空载状态时借助于电压测量传感器(22)测得的蓄能器的开路端电压为基础，由控制单元(23)确定该电荷状态/老化状态。借助于控制单元(23)促使在第一时刻测量蓄能器进入空载状态后的第一开路端电压，并且根据由控制单元(23)测得的第一开路端电压值，借助于预测模型为开路端电压的至少一次另外的测量确定稍后时刻，并且在该稍后时刻测量至少一个另外的开路端电压，并根据至少一个另外的开路端电压值确定蓄能器的电荷状态/老化状态。

Description

用于确定蓄能器的电荷状态和/或老化状态的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于确定蓄能器的电荷状态/老化状态的方法和装置，其中以蓄能器在空载状态时的开路端电压的测量值为基础获得该电荷状态/老化状态。

背景技术

在使用电蓄能器时，了解其电荷状态和老化状态是很重要的。电蓄能器可以例如是电化学蓄能器或电容储存器。准确地了解电荷状态(SOC-state of charge)或老化状态(SOH-state of health)例如在混合动力车中运行蓄能器时是很重要的，这种混合动力车包含一台内燃机和至少一台作为备选的或多重的驱动装置的电机。尤其对于节能的行驶管理来说，需要尽可能充分地了解电蓄能器的电荷状态或老化状态。

已知的用于确定蓄能器电荷状态或蓄能量的方法，是建立在电池接线柱上的电流或电压测量基础上的。在电流测量的情况下，通过电池电流的时间积分确定取出或输送的电荷量占额定容量的部分。如果将纯电流测量附加地与电池接线柱上的电压测量相结合，则可以附加地顾及到蓄能量对放电功率P的依赖关系。在两种方法中可以附加地将如蓄能器的年龄、蓄能器的自放电、蓄能器的温度等等影响通过相应的计算方法加以考虑。

但是从蓄能器，尤其是电化学蓄能器如电池中可取出的电荷数量，具有对放电电流显著的依赖性。因此在大多数电池中会出现随着放电电流的增加可取出的容量变小的情况(这种情况通常被称为Peukert特性)。此外随着放电程度的增加，电池的端电压降低。电池内阻上的电压降与来自电池的放电电流相关地升高。由此使端电压附加地减小，并因此导致蓄能量的不精确确定。电蓄能器蓄能量的确定因此包含系统误差，因为仅仅考虑到容量，但是没有考虑到电压变化对各种影响的依赖性。

因此按照现有技术，在正常的车辆行驶时蓄能量的确定是通过电流或电荷积分(Ah-Integration)实现的，并且通过在蓄能器静止状态，例如在断开的系统中附加测量蓄能器的开路接线柱电压来进行修正。在电蓄能器空载状态时的端电压的测量，称为开路端电压(OCV-open-circuit-voltage)或空载电压的测量。因此通过在停止或未启动的车辆上连续测量开路端电压，可以以时间不连续的步长调整如蓄能器的自放电或温度的影响。由此使车辆运行时的电流积分误差被事后抵消。

但是蓄能器在空载状态时的开路端电压不是恒定不变的。例如如果在接通电路时从蓄能器中取出能量，则在空载状态时的端电压直接在该电路断开后由于内部均衡过程而习惯性地升高。此外外部边界条件，例如蓄能器的温度、蓄能器的年龄等等都会影响蓄能器在空载状态时的性能。

如果电蓄能器处于静止状态，电荷状态/老化状态之间的关系只对开路端电压来说是唯一的。如果在正常的环境参数条件时存在化学平衡，则在电化学蓄能器上达到静止状态。因此直接在蓄能器放电或充电过程后测量开路端电压是不够的。

在现有技术上已知各种用于解决该技术问题的方法。专利文献DE 102 08 652A1公开了一种方法，在这种方法中采集电压和电流的至少两个测量值对。在考虑电池替换电路的条件下，将所采集的电压和电流的测量值对修正到处于已启动状态的蓄能器上。对已修正的测量值对进行插值，并因此求出在电流值为0时的静止电压值。根据该求得的静止电压值，借助于事先确定的静止电压和电荷状态之间的关系来确定电荷状态。

在专利文献WO 02/091007中，描述了一种借助于开路端电压的测量来确定电池的电荷状态的方法。首先针对各种电荷状态分别在静止状态时测量电池的开路端电压，并因此建立起在静止状态的开路端电压和充电状态的开路端电压之间的关系。为了求得蓄能器在静止状态时的开路端电压和每一次充电状态时的开路端电压之间的关系，将电池逐步地充电和放电。在每一个充电或放电步骤后，在时间间隔中绘制出电压变化相对于时间以及温度特性相对于时间、直至达到静止电压的变化情况。根据这些数据，也就是开路端电压、开路端电压的变化和电池的温度变化，求出开路端电压的松弛曲线。利用该求出的曲线和所确定的在电池静止状态和电荷状态时开路端电压之间的关系，来根据在放电或充电过程后以较短的时间间隔(100至500秒钟)测得的测量值，确定在静止状态时的开路端电压并由此确定蓄能器的各电荷状态。

从DE 101 28 033A1中已知一种通过在一个空载周期内对电压调节性能的测量来预测电化学蓄能器平衡静止电压的方法，其中利用了平衡静止电压和衰减电压之间的公式化关系。该关系取决于在空载周期里两个在时间上分开的端电压的测量值和蓄能器的温度以及多个根据实验确定的常数。

但是按照现有技术，这些测量方法在涉及到静止状态时的实际开路端电压时仍具有较高的不可靠性。因此在已知的的装置中，使用在空载状态期间按照时间间隔来确定开路端电压的蓄能器来分别准确地确定蓄能器的静止电压和电荷状态或老化状态。但是同时在较长的静止阶段或不利的起始条件下，例如在高电流和高蓄能器温度时取出能量时，进行了大量不提供可使用结果的测量。这些测量本身消耗电能，从而对于节能的能源管理来说需要更好的方法和更好的装置来确定蓄能器的电荷状态和/或老化状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供以简单而可靠的方式不进行许多不需要的测量就能确定蓄能器电荷状态/老化状态的方法和装置。

按照本发明的用于确定蓄能器的电荷状态/老化状态的方法，其中以蓄能器在空载状态时的开路端电压的测量值为基础获得该电荷状态/老化状态，在第一时刻测量第一开路端电压，并且根据测得的第一开路端电压值，借助于预测模型为开路端电压的至少一次另外的测量确定稍后时刻，并且在该稍后时刻测量至少一个另外的开路端电压，并且根据该至少一个另外的开路端电压值确定蓄能器的电荷状态/老化状态。

根据本发明的用于确定蓄能器的电荷状态/老化状态的装置，其中电荷状态/老化状态由控制单元以借助于可由电压传感器测得的蓄能器在空载状态时的开路端电压为基础来确定，借助于控制单元促使在第一时刻进行蓄能器进入空载状态后的第一开路端电压的测量，并且根据由控制单元测得的第一开路端电压，借助于预测模型确定用于开路端电压的至少一次另外的测量的稍后时刻，并在该稍后时刻测量至少一个另外的开路端电压，并根据该至少一个另外的开路端电压值确定蓄能器的电荷状态/老化状态。

为此设定，在第一时刻测量第一开路电压，并根据所测得的第一开路电压借助于预测模型，为开路电压的至少另一次测量确定稍后时刻，并在该稍后时刻测量至少一个另外的开路端电压，并且根据该至少一个另外的开路端电压值确定蓄能器的电荷状态/老化状态。由此避免了在蓄能器松弛到其静止状态期间实施不必要的测量。同样避免了在蓄能器达到其静止状态后在根据现有技术的方法和装置上要进行的附加的测量。将开路端电压的测量理解为在空载状态时，也就是在断开电路时蓄能器端电压的每一次测量，所述电路本来设置用于取出能量/输入能量。

本发明的有利构建设定，将稍后时刻确定成，使得能够根据预测模型为该稍后时刻预报蓄能器的静止状态。在这种构造上保证了在蓄能器处于其静止状态的所述稍后时刻，对开路端电压进行至少一次另外的测量，从而可以可靠地推断出蓄能器的电荷状态或老化状态。优选地这样确定所述静止状态，即开路端电压在时间上几乎恒定不变。

为了提高用于至少一次另外的测量的推断稳定性，在尤其有利的实施形式中设定，在稍后时刻测量一个附加的开路端电压。在此可以设定，求出附加的开路端电压和至少一个另外的端电压的平均值，并将该平均值用于确定蓄能器的电荷状态或老化状态。

在本发明的进一步构建上规定，将至少一个另外的开路端电压与借助于预测模型预报的稍后时刻的开路端电压进行比较，并且在至少一个另外的开路端电压与预报的开路端电压之间的偏离超过预先设定的公差时，对预测模型进行调整。由此可以顾及到例如在蓄能器制造时出现的连续漏电(Serienstreuungen)。本方法因此是值得借鉴的，并且可以在一定程度上适应略有区别的蓄能器。此外本发明的这种进一步构建可以顾及到例如由于蓄能器的老化而发生的变化过程。

本发明尤其优选的实施形式设定，测量或采集其它的物理和/或统计参数，并且在预测模型中加以考虑，其中物理参数尤其包括蓄能器温度和/或环境温度和/或充电/放电电流和/或在出现空载状态之前的充电/放电功率，而统计参数尤其包括天和/或季节说明和/或有关驾驶行为的信息。借助于这些物理和/或统计参数可以大大地细化预测模型。如此可以例如顾及到蓄能器的温度。如果附加地考虑环境温度或例如发动机组的温度，其中蓄能器被安装在所述发动机组的附近，则可以把蓄能器的温度性能包括到预测模型中。同样，驾驶行为或天和季节说明会影响稍后时刻的确定。如果例如公司车辆在周末从不开动，则可以考虑，如果将该车辆在每周五晚上停放在工厂的厂区里，则稍后时刻就得以确定。因此如果希望蓄能器由于环境温度而处于正常条件时的静止状态，则可以在第二天大清早确定稍后时刻。如果将按照本发明的方法用于例如安装在作为出租车使用的车辆中的蓄能器，则蓄能器的空载状态一般短于一天。如果将本方法用于安装在混合动力汽车中并与承担了车辆行驶期间大部分例如80％以上或90％以上能量输出和能量消耗的电容储存器并联的蓄能器，则空载状态的平均持续时间很大程度上取决于汽车驾驶员的驾驶行为。

本发明的有利扩建设定，预测模型包含数学上可求值的公式。预测模型可以例如是一种不仅对蓄能器而且对其环境例如温度特性建模的物理模型。

本发明的进一步扩建设定，预测模型包含存放在存储器中的参考表格。在这种实施形式中，预测模型可以完全地或者部分地建立在凭经验获得的参数基础上。

在预测模型中考虑的物理和/或统计参数，可以由自身的测量传感器采集，或者来源于安装了蓄能器的车辆的其它部件。从而可以例如推断出汽车空调设备的环境温度。备选地或者附加地可以设定，将温度传感器安置在蓄能器上或者蓄能器内、蓄能器的周围环境中或蓄能器附近的热源例如马达上。

按照本发明的装置的其余特征，具有如按照本发明的方法的相应特征同样的优越性。

附图说明

以下借助于参照附图的优选实施例对本发明加以详细说明。附图中：

图1表示具有用于确定蓄能器电荷状态/老化状态装置的混合动力汽车的示意结构；以及

图2表示开路端电压与静止状态时的开路端电压之间的电压偏差相对于时间的图表；

图3表示开路端电压与静止状态时的开路端电压之间的电压偏差以及相应的电荷状态分别相对于时间的图表；以及

图4表示电容储存器的电荷状态相对于时间的图表。

具体实施方式

在图1中表示了具有混合驱动系统2的车辆1的示意视图。混合驱动系统2包括通过可选的离合器4与电机5连接的内燃机3。也可以设计用皮带传动、坚固的连接或传动装置代替可选的离合器4。电机5通过车辆离合器6和车辆传动装置7与车辆1被驱动的车轮(未示出)连接。混合蓄能器8通过功率电子元件9与电机5连接。混合蓄能器8包括直接与混合蓄能器8的接头11连接的电容储存器10。此外混合蓄能器8包括通过DC/DC转换器13和开关14与电容储存器10并联的电池12。电池12可以被构建为电池模块。如果开关14处于接通位置，则混合蓄能器8的接头11和电池12之间存在直接的电气连接。在开关14处于断开位置时，电容储存器10和电池12之间的能量只能通过DC/DC转换器13进行交换。

除了混合蓄能器8之外，车辆1还包括一个具有被构建为浮充蓄电池16的电蓄能器的车载电网15。只要不通过其它的DC/DC转换器18向车载电网15供能，车载电网15的浮充蓄电池16在通常情况下是给耗电器17供能的12V电池。其它的DC/DC转换器18与功率电子电路9连接。如果将电机5作为发电机驱动，则车载电网15可以由其它的DC/DC转换器18供电。否则可以将来自混合蓄能器8的电能通过其它的DC/DC转换器18供应到车载电网15中。

在运行时，电容储存器10被优选用于储入或储出来自混合蓄能器8的电能。在启动混合驱动系统2之前，优选将足以用电机方式驱动电机5并因此启动内燃机3的能量储存在电容储存器10中。如果储存在电容储存器10中的能量不足于此，则可以在启动前通过DC/DC转换器13将能量从电池12传输到电容储存器10。如果电容储存器10的电压下降到电池12的额定电池电压，则作为备选方案可以在启动时闭合开关14。在这种情况下，用于启动内燃机3所需要的能量的一部分将取自电池12。

如果将电机5作为发电机驱动，例如在制动过程中，电能通过功率电子电路输入到混合蓄能器8中。为了保护电池12，电容储存器10通常在电池12的额定电压水平之上的电压时运行。开关14随后处于它的断开位置，从而使电能储入电容储存器10中。如果电池12未被完全充电，则可以将能量从电容储存器10通过DC/DC转换器13传输到电池12中。

在较低的内燃机转速时，可以将电机附加地作为推进工具使用。为此使电机5以电机方式地驱动。内燃机3和电机5被同时以电机方式驱动，称为增强驱动。其中释放的混合驱动系统2的高转矩在通常情况下只需要用于短暂的加速阶段，所以在一般情况下，储存在电容储存器10中的能量已足够。只有在长时间连续强烈的加速阶段或长时间连续的爬坡行驶时，储存在电容储存器10中的能量才不足，从而一旦电容储存器上的电压下降到电池12的额定电压水平，开关14就被闭合。此时可以附加地利用电池12的电能，以维持混合驱动系统2的增强驱动。此处取出的能量降低了电池的电荷量(SOC-state ofcharge)。如果紧接着使内燃机在较高的内燃机转速下被驱动，则由于电机的转矩特性，附加地电动驱动电机5是不明智的。因此在这种较高的内燃机转速范围内，不必将用于电动机推进的能量储存在电容储存器10中。使电容储存器10放电，直到它具有储存从制动过程回收的能量的储存能力，这才更加有意义。

正如从对混合驱动方案的作用原理的上述描述中所得出的，需要充分地了解各个蓄能器，也就是电池12、电容储存器10和浮充蓄电池16的电荷状态和/或老化状态。

图2概要地表示了所测得的电池开路端电压相对于从电池中取出电荷后在空载状态时的静止电压的关系。描绘出开路端电压与在静止状态时的开路端电压(静止电压)之间的电压差ΔU相对于时间的变化情况。可辨别出，开路端电压和静止电压之间的电压差随时间而减小。

为了确定在按照图1的混合动力车辆上各个蓄能器的电荷状态和老化状态，分别具有用于确定各个蓄能器的电荷状态/老化状态的装置19，20，21。以下以用于确定电池12的电荷状态/老化状态的装置19为例加以说明。

用于确定电荷状态/老化状态的装置19包括电压测量传感器22和控制单元23。如果电池12成功达到空载状态，控制单元23就促使电压测量传感器22测量电池12的开路端电压。可以例如通过能量管理控制器24的信号，将已进入空载状态的信息通知控制单元。控制单元23根据已测得的开路端电压，借助于预测模型推断一个根据预测模型预计电池12会处于静止状态的稍后时刻。预测模型可以包含存放在存储器25中在数学上可求值的公式和/或参考表格。预测模型可以用软件或用硬件设备实施。预测模型可以顾及到其他的物理参数，例如借助于温度传感器26测量的电池12的温度，借助于马达温度传感器27测量的内燃机3的温度，以及例如由借助方块28代表的其它车辆部件提供的环境温度。其它的车辆部件可以附加地将例如有关驾驶行为、天和/季节参数的其它信息传送到用于确定电荷状态和/或老化状态的装置19上。在根据预测模型确定的稍后时刻，在控制单元23的策动下，由电压测量传感器22确定至少一个另外的开路端电压。采用所述另外的开路端电压来根据例如以表格的形式存放在存储器25中的或者可借助于数学公式计算的预知的关系，确定电池12的电荷状态。预测模型将稍后时刻确定为，使得能够预期到电池12处于静止状态，从而使得在稍后时刻测得的开路端电压能够精确地推断电荷状态/老化状态。用于确定电荷状态和/或老化状态的装置20，21，在此处只以方块象征性地表示，但是与用于确定电荷状态和/或老化状态的装置19相同或相似地构建。

在图3中描绘了开路端电压与静止电压的电压差和相应确定的电荷状态之间相对于时间的关系。在时刻T1测量开路端电压。预测模型将预报，在时刻T2蓄能器将达到接近静止的状态。根据在时刻T2测得的开路端电压就可以确定电荷状态(SOC)。该电荷状态比在时刻T1根据测得的开路端电压推断的电荷状态，更加符合蓄能器在静止状态时的实际电荷状态。

按照图4要说明的是，如果在稍后时刻开路端电压的测量值偏离了根据预测模型为该稍后时刻预报的预报开路端电压时，可以怎样调整预测模型。在图4中描绘了电容储存器例如按照图1的电容储存器10的电荷状态相对于时间的变化情况。空载电容储存器的电荷状态基本上通过自放电特性确定。为了在电容储存器中始终准备好例如足以按照电动机方式驱动按照图1所示的电机5，使得能够再次启动按照图1所示的内燃机3的预定的能量数量，规定电容储存器始终具有一个力争达到的额定电荷状态(SOC-额定值)。为了使电容储存器不被补偿自放电的弱充电电流连续地事后充电，优选将电容储存器充电到比力争达到的额定电荷状态SOC-额定值大的最大额定电荷状态S2。在充电后，电容储存器成功达到空载状态，并且开路端电压得以求出。根据基本上包含了电容储存器自放电特性的预测模型，确定出在电容储存器上实施另一次开路端电压测量、以推断其电荷状态的稍后时刻ts。如果根据测量值确定，电容储存器的电荷状态还未下降到预定的最小额定电荷状态S1，则对预测模型进行调整，使得稍后时刻被延长一个时间间隔Δt1。时间间隔Δt1相当于每个仍在消逝的、直至电容储存器的电荷状态下降到最小额定电荷状态S1为止的时间。如果与此相反，根据预测模型确定求出另一个开路端电压的稍后时刻tS’，并根据该另一个开路端电压值推断电容储存器的电荷状态已经下降到最小额定电荷状态S1以下，则对预测模型进行修改，使得将稍后时刻确定为提前一个时间间隔Δt2，从而使得未来根据预测模型确定稍后时刻tS”能达到最优，也就是说，使稍后时刻的确定可以准确到电容储存器的电荷状态下降到最小额定电荷状态S1的时刻。如果根据电容储存器的开路端电压的测量值推断，电荷状态相当于最小额定电荷状态S1或位于其下，则将电容储存器重新充电到最大额定电荷状态S2。紧接着为了检查重新测量开路端电压，以确定最大额定电荷状态S2已经达到。这时根据预测模型重新确定重新测量电容储存器开路端电压的稍后时刻，以确定电容储存器的电荷状态是否已经下降到最小额定电荷状态S1。

Claims (16)

1.一种用于确定蓄能器的电荷状态/老化状态的方法，其中以蓄能器在空载状态时的开路端电压的测量值为基础获得该电荷状态/老化状态，其特征在于，在第一时刻测量第一开路端电压，并且根据测得的第一开路端电压值，借助于预测模型为开路端电压的至少一次另外的测量确定稍后时刻，并且在该稍后时刻测量至少一个另外的开路端电压，并且根据该至少一个另外的开路端电压值确定蓄能器的电荷状态/老化状态。

2.如上述权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述稍后时刻确定成，使得根据预测模型预测蓄能器在该稍后时刻的静止状态。

3.如上述权利要求2所述的方法，其特征在于，这样确定所述静止状态，即开路端电压在时间上几乎恒定不变。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述稍后时刻测量附加的开路端电压。

5.如上述权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，将至少一个另外的开路端电压与根据预测模型预报的稍后时刻的开路端电压进行比较，并且在该至少一个另外的开路端电压与预报的开路端电压之间的偏离值超过预定的公差时，对预测模型进行调整。

6.如上述权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，测量或采集其他的物理和/或统计参数并在预测模型中加以考虑，其中该物理参数包括蓄能器温度，环境温度，充电/放电电流和/或在进入空载状态之前的充电/放电功率，所述统计参数包括天，季节说明和/或有关驾驶行为的信息。

7.一种用于确定蓄能器的电荷状态/老化状态的装置(19，20，21)，其中电荷状态/老化状态由控制单元(23)以借助于可由电压传感器(22)测得的蓄能器在空载状态时的开路端电压为基础来确定，其特征在于，借助于控制单元(23)促使在第一时刻进行蓄能器进入空载状态后的第一开路端电压的测量，并且根据由控制单元(23)测得的第一开路端电压，借助于预测模型确定用于开路端电压的至少一次另外的测量的稍后时刻，并在该稍后时刻测量至少一个另外的开路端电压，并根据该至少一个另外的开路端电压值确定蓄能器的电荷状态/老化状态。

8.如上述权利要求7所述的装置(19，20，21)，其特征在于，可将所述稍后时刻确定成，使得根据预测模型预测蓄能器在稍后时刻的静止状态。

9.如上述权利要求7或8所述的装置(19，20，21)，其特征在于，这样来确定所述静止状态，即开路端电压在时间上几乎恒定不变。

10.如上述权利要求7或8所述的装置(19，20，21)，其特征在于，在所述稍后时刻测量附加的开路端电压，以证实在该稍后时刻测得的至少一个另外的开路端电压的推断能力。

11.如上述权利要求7或8所述的装置(19，20，21)，其特征在于，所述控制单元(23)包括一个调整单元，借助于该调整单元将至少一个另外的开路端电压与根据预测模型预报的稍后时刻的开路端电压进行比较，以及借助于该调整单元，在至少一个另外的开路端电压与预报的开路端电压之间的偏离值超过预定的公差时对预测模型进行调整。

12.如上述权利要求7或8所述的装置(19，20，21)，其特征在于，在预测模型中考虑其它的物理和/或统计参数，其中物理参数包括蓄能器温度和/或环境温度和/或充电/放电电流和/或进入空载状态之前的充电/放电功率，以及所述统计参数包括天和/或季节说明和/或有关驾驶行为的信息。

13.如上述权利要求12所述的装置(19，20，21)，其特征在于具有可以测量其它物理参数的其它传感器，和/或可以采集统计参数的采集工具。

14.如上述权利要求13所述的装置(19，20，21)，其特征在于，所述其它的传感器包括至少一个温度传感器。

15.如上述权利要求7至8中任一项所述的装置(19，20，21)，其特征在于，所述预测模型包含在数学上可求值的公式。

16.如上述权利要求7至8中任一项所述的装置(19，20，21)，其特征在于，所述预测模型包含存放在存储器(25)中的参考表格。

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