CN101501518A - 借助与容量有关的参数确定电池容量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助状态变量和参数估计器(1)来确定电池(3)的电池变量(Qe,Uc0min)、尤其是电池(3)的容量(Qe)的方法,所述状态变量和参数估计器(1)由电池(3)的操作变量(UBatt,IBatt,TBatt)计算出数学蓄能模型的状态变量(Z)和参数(P)。如果电池(3)的容量(Qe)作为至少一个与容量有关的参数(RK025,vgr25)的函数来计算,则可以在正常的电池运行期间非常精确地确定电池(3)的容量(Qe)。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于确定蓄能器的电池变量、尤其是蓄能器的容量的方法,以及涉及一种根据权利要求11的前序部分所述的相对应的装置。
背景技术
在汽车车载电网中,电负载通常由电池和发电机供应电功率。在行驶操作期间通常执行能量管理和负载管理,其中按需求来自动接通或关断各个负载,以便例如可以对供电瓶颈作出反应或者实施某些功能。在能量管理和负载管理的范围内,对电池状态的认知有显著的重要性。
为了估计电池状态,公知的是采用说明蓄能器的电性能和物理性能的数学电池模型。借助数学电池模型,例如可以估计效率(SOF)、充电状态(SOC)或者容量或可获取的电荷(Qe)。
由现有技术公知的电池模型包括一系列在主动的(aktiv)车载电网运行时持续地与电池的当前状态相适配的状态变量和参数。可是,只有在电池的很低的充电状态下,通常在可获取的电荷的约50%以下,才能精确地确定电池模型的某些参数,诸如确定放电结束时的最小开路电压(Uc0min)。但是,这种深度放电在汽车车载电网中仅极其稀少地出现并且除此之外还被车辆的能量管理所防止,以便不危及车辆的起动能力并将由于过强烈循环引起的电池老化保持得尽可能小。
发明内容
本发明的任务因而是提出一种用于确定电池变量、尤其是电池容量的方法,借助该方法也可以在深度放电状态之外、也就是尤其是在电池正常运行时以高的精度来确定渴望得到的电池变量。除此之外,在正常的车载电网运行时存在的电激励中应可以执行本方法,并且尤其是应不需要诸如在发动机起动时出现的附加激励。
根据本发明,通过在权利要求1中以及在权利要求11中所说明的特征来解决该任务。本发明的其它扩展方案是从属权利要求的主题。
本发明的主要特征在于:将渴望得到的电池变量作为至少一个与容量有关的参数的函数来计算。在此,本发明基于以下认知:不同的电池参数在电池运行的过程中相对于新状态变化,并且因此这些参数或其变化是电池状态、尤其是电池容量(损耗容量或还可供使用的容量)的量度。因此,在考虑至少一个与容量有关的参数的情况下可以很简单和精确地确定渴望得到的电池变量。除此之外,为了执行计算,除了在车载电网运行时通常存在的激励之外,不需要诸如主动触发的充电脉冲或者放电电流脉冲之类的对电池的附加激励。
根据本发明的优选实施形式,渴望得到的电池变量作为最小开路电压的函数被计算,该最小开路电压又是至少一个与容量有关的参数的函数。
尤其是可以将电池的酸扩散电阻(Saeurediffusionswiderstand)(RK)的参数(例如RK025)和/或在电池的电解液与电极之间的穿透电阻(Durchtrittswiderstand)(Rdp)的参数(例如Vgr25)考虑作为与容量有关的参数。所述的参数尤其是具有以下优点:这些参数相对强烈地随着容量损耗的增加而改变,也就是相对敏感的,并且在汽车车载电网运行时可以没有附加的主动激励地精确识别这些参数。
渴望得到的电池变量优选地作为一个或多个与容量有关的参数与参考值、尤其是与电池新状态下的初始值的偏差的函数来计算。偏离参考值的程度在此是电池的损耗容量的量度。
根据本发明的优选实施形式,至少一个与容量有关的参数利用预先给定的因子被加权,该因子优选地与利用其曾确定该参数的误差方差有关。一些类型的状态变量和参数估计器除了输出各个变量或参数之外也输出借助其曾估计了状态变量或参数的误差方差。该值可以被用于对与容量有关的参数进行加权。
诸如电池容量的渴望得到的电池变量优选地也作为完全充电的电池的最大开路电压的函数来计算。在高的充电状态下,优选地借助适配算法来获悉最大开路电压。
优选地借助扩展的卡尔曼滤波器(Extended Kalman-Filter)来执行计算。
附图说明
以下借助附图示例性地详细阐述本发明。其中:
图1示出了用于计算电池状态变量、尤其是可从电池获取的电荷的装置;和
图2示出了铅蓄电池的等效电路图。
具体实施方式
图1示出了一种用于确定诸如可从电池中获取的电荷Qe(容量)的电池变量的装置。该装置基本上包括状态变量和参数估计器1以及其中寄存了数学蓄能模型的电荷预测器2(估计装置)。
状态变量和参数估计器1由电池4的当前操作变量计算出状态变量Z和/或参数P,也就是由电池电压UBatt、电池电流IBatt和电池温度TBatt计算出状态变量Z和/或参数P,电荷预测器2根据这些状态变量Z和/或参数P计算出渴望得到的电池状态变量Qe或者诸如电池4的充电状态SOC或效率SOF的其它变量。在以下实例中,电池4是一种铅蓄电池。
尤其是由图2中示出的电池的等效电路图得出的内部电压U在这里视为状态变量Z。所述的参数尤其是等效电路图的要素(诸如电阻R和电容C)或者是在数学电池模型的函数中出现的各种值。
从蓄能器的当前状态出发实现电池容量Qe的计算。因而,寄存在电荷预测器2中的数学模型首先被初始化到蓄能器4的当前运行状态。状态变量和参数估计器1为此提供相对应的初始值。例如,公知的卡尔曼滤波器可被用作状态变量和参数估计器。在电池运行的过程中,状态变量Z和参数P持续地重新与当前状态适配并且因此匹配电池模型的函数。
图2示出了铅蓄电池4的等效电路图。在此,各个变量如下:
操作变量:
IBatt 电池电流
UBatt 电池的端电压
TBatt 酸温度
状态变量:
UC0 开路电压
Uk 浓度极化
UDp 正电极的穿透极化
UDn 负电极的穿透极化
参数:
Ri(UC0,Uk,TBatt,Ri025,UC0min,UC0max)
欧姆内阻,与开路电压UC0、浓度极化Uk、酸温度TBatt、涉及250C和完全充电的内阻Ri025以及放电结束时的最小开路电压UC0min和完全充电时的最大开路电压UC0max有关,
C0 酸电容
Rk(UC0,TBatt,Rk025,UC0max)
酸扩散电阻,与开路电压UC0、正电极的穿透极化、酸温度TBatt、涉及250C和完全充电的酸扩散电阻Rk025以及完全充电时的最大开路电压UC0max有关,
Ck 酸扩散的电容,
RDp(Uc0,UDp,TBatt,IDp,vgr25,UC0max)
在正电极与电解液之间的穿透电阻,与开路电压UC0、正电极的穿透极化UDp、酸温度TBatt、正电极的穿透电流IDp、穿透极化的涉及250C的饱和电压vgr25和完全充电时的最大开路电压UC0max有关,
CDp 在正电极与电解液之间的双层电容,
RDn(UDn,TBatt,IDn)
在负电极与电解液之间的穿透电阻,与负电极的穿透极化UDn、酸温度TBatt和负电极的穿透电流IDp有关,
CDn在负电极与电解液之间的双层电容。
各个等效电路图变量可以归因于电池3的不同的物理效应,本领域技术人员从有关文献公知这些物理效应。
对于酸扩散电阻Rk,例如可以使用以下函数:
RK=f(UC0,TBatt,Rk025,Ucomax)
Rk025在此是酸在250C和在完全充电的电池中的扩散电阻。Rk025是与容量有关的参数。
对于在铅蓄电池3的电解液与正电极之间的穿透电阻RDp,例如可以使用以下函数:
RDp=f(Uc0,UDp,TBatt,IDp,Vgr25,UC0max)
vgr25在此是在放电电流高时和在250C时的正电极的极化电压。vgr25是与容量有关的参数。
对于其它状态变量(例如UDp、UDn、UK等等)和参数(例如RDn、C0、Ri等等),电荷预测器2相对应地包括其它数学方程。
以下关系式基本上适用于蓄能器3的容量Qe:
Qe=C0·(Uc0max-Uc0min)
C0在此是电池3的酸电容量,Uc0max是完全充电的电池中的开路电压,而Uc0min是放电结束时的开路电压。
为了获得电池3的容量Qe的足够精确的结果,必须足够精确地确定参数C0、Uc0min和Uc0max。对于参数C0和Uc0max,这在正常的电池运行(接近完全充电)时毫无疑问是可能的。可是,只有在<50%的微小的充电状态下,才能精确地计算参数Uc0min。由于仅极其罕见地出现这些运行状态,所以仅很少达到所希望的容量计算精度。因而建议借助与电池3的容量有关的参数RK025和vgr25来计算参数Uc0min。由此,在正常的车载电网运行时,无需附加激励电池地可以确定电池3的可供使用的容量Qe,其中不必将电池放电到低的充电状态。
对于放电结束时的电池3的开路电压Uc0min,例如可以使用以下关系式:
Uc0min_corr=Uc0min+g1·ΔRK25-g2·Δvgr25。
ΔRK25和Δvgr25在此是参数RK25或vgr25相对于相对应的参考值、尤其是相对于在电池3的新状态下的值的变化。因子g1和g2是加权因子。
这里与利用其曾估计状态变量和参数估计器1的参数RK25和vgr25的精度成比例地对变化ΔRK25和Δvgr25进行加权。卡尔曼滤波器1为此输出计入加权因子g1和g2中的相对应的误差方差P。例如可以如下来表达加权因子g1和g2:
g1~(P0(RK025)-P(RK025))/P0(RK025)
g2~(P0(vgr25)-P(vgr25))/P0(vgr25)
P0(RK025)和P0(vgr25)在此是相对应的参数的初始误差方差,而P(RK025)和P(vgr25)是参数RK025和vgr25的由卡尔曼滤波器1所估计的当前误差方差。
代替偏差ΔRK25或Δvgr25,也会选择性地或者附加地考虑在正电极与电解液之间的双层电容CDp的参数的偏差。
在低的充电状态(尤其是<50%)下,内阻的参数Ri025或其变化也可以计入放电结束时的开路电压Uc0min的计算中。
Claims (11)
1.用于借助状态变量和参数估计器(1)来确定蓄能器(3)的电池变量、尤其是蓄能器(3)的容量(Qe)的方法,所述状态变量和参数估计器(1)由蓄能器(3)的操作变量(UBatt,IBatt,TBatt)计算出数学蓄能模型的状态变量(Z)和参数(P),其特征在于,蓄能器(3)的渴望得到的电池变量(Qe)作为至少一个与容量有关的参数(RK025,vgr25)的函数被计算。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,渴望得到的电池变量(Qe)作为最小开路电压(Uc0min)的函数被计算,并且所述最小开路电压(Uc0min)作为至少一个与容量有关的参数(RK025,vgr25)的函数被计算。
3.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于,渴望得到的电池变量(Qe)作为蓄能器(3)的酸扩散电阻(RK)的与容量有关的参数(RK025)的函数被计算。
4.按照以上权利要求之一所述的方法,其特征在于,渴望得到的电池变量(Qe)作为在蓄能器(3)的电解液与电极之间的穿透电阻(RDp)的与容量有关的参数(vgr25)的函数被计算。
5.按照以上权利要求之一所述的方法,其特征在于,渴望得到的电池变量(Qe)作为至少一个与容量有关的参数(RK025,vgr25)与参考值的偏差的函数被计算。
6.按照权利要求5所述的方法,其特征在于,所述参数(RK025,vgr25)的偏差利用一定因子(g)来加权。
7.按照以上权利要求之一所述的方法,其特征在于,渴望得到的电池变量(Qe)也作为内阻(Ri)的与容量有关的参数(Ri025)的函数被计算。
8.按照以上权利要求之一所述的方法,其特征在于,蓄能器(3)的渴望得到的电池变量(Qe)作为最大开路电压(Uc0max)的函数被计算,并且借助学习算法(卡尔曼滤波器)来适配所述最大开路电压(Uc0max)。
9.按照以上权利要求之一所述的方法,其特征在于,借助卡尔曼滤波器执行所述计算。
10.按照以上权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述电池变量(Qe)作为在蓄能器(3)的电解液与电极之间的双层电容(CDp)的与容量有关的参数的函数被计算。
11.用于确定蓄能器(3)的电池变量、尤其是蓄能器(3)的容量(Qe)的装置,其包括由蓄能器(3)的操作变量(UBatt,IBatt,TBatt)计算出数学蓄能模型的状态变量(Z)和参数(P)的状态变量和参数估计器(1),其特征在于,设置了单元(2),借助该单元(2),渴望得到的电池变量(Qe)作为与容量有关的参数(RK025,vgr25)的函数被计算。
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