CN102216794B - 电力拖动用电化学能源剩余使用寿命的评估方法 - Google Patents

电力拖动用电化学能源剩余使用寿命的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力拖动用电化学能源(3)剩余使用寿命的评估方法。具体地说，该方法包括测定在(SOCi，Ti)条件下估计的不使用时电化学能源的使用寿命(Xi)。该方法还包括根据使用寿命(Xi)计算电化学能源在瞬间(ti)的健全状态(SOH(ti))。该健全状态可以根据在基准(SOCref，Tref)条件下估计的不使用时的基准使用寿命(Xref)，估计该电化学能源的剩余使用寿命(X(ti))。

Description

电力拖动用电化学能源剩余使用寿命的评估方法
技术领域
本发明涉及一种，例如，电力拖动用的电化学能源剩余使用寿命的估计方法。本发明尤其涉及汽车领域。
更准确地说，本发明涉及包括电力拖动装置的汽车领域。它可以涉及电动汽车或者还有混合动力汽车，就是说，为移动而涉及几种不同能源的汽车。
本发明可以涉及所有电化学能储存类型。该能源尤其可以是电池组，例如，锂离子，Ni-MH或Ni-Zn型电池组。该能源同样可以是超级电容，特别是双层电化学超级电容。
背景技术
当前的能量状况有利于电动汽车和混合动力汽车工业的发展。电化学能源，作为电池组或超级电容，都是这种类型汽车成本高的要素。
目前技术上的一个挑战在于，提供一种其使用寿命接近汽车使用寿命或者在约十年和二十年之间的使用寿命。然而，电化学能源经受老化现象。
电化学能源老化尤其表现为相对于初始值的容量损失。在电池组中可以储存的能量数量极其重要。
老化同样表现为内阻的提高，它对应于可用功率的损失。
已知的老化估计方法针对容量损失或内阻提高的演变。以本申请人名义申报的专利申请书FR2826457尤其描述一种根据电池组运行时内阻的测量，评估电池组使用寿命的系统。但这样的一个系统在技术上难以应用于某些装置，特别是包括与超级电容耦合的电池组的装置。
电化学能源所经受的老化有两种类型。一方面，该老化涉及其利用；另一方面，涉及日历老化，对应于不使用的周期。日历老化是一个重要因素，大部分汽车约95%的使用寿命处于停泊模式。
日历老化的两个主要参数是温度和充电状态。储存或使用温度越低，能源的使用寿命越长。电池组储存时的充电状态越低，电池组的使用寿命越长。
更准确地说，术语“充电状态”涉及电池组。在超级电容的情况下，人们谈论“工作电压”。超级电容的工作电压越低，其使用寿命越长。
另外，循环老化，就是说，使用时的老化和日历老化，这是不使用时的老化之间可能是类似的。事实上，可以认为循环老化的主要贡献来源于流过所述能源的电流产生的电化学能源温度的上升。
发明内容
因而,本发明的目标是提出一种类似地对待循环老化和日历老化，估计电化学能源的总老化的方法。该估计从诸如充电状态或工作电压和温度等参数出发进行。该方法可以基于与这样一种能源在不同的充电状态或工作电压和温度的条件下有关日历老化的数据进行。这些数据可以从对不同的温度和充电状态或工作电压的条件下在停泊模式中储存的这样的一个能源的预备试验获得。
这样一种方法与先前列举的某些方法相反，特别容易应用于与超级电容耦合的电池组。
该评估方法可以，例如，当汽车处于运行时估计所述电化学能源的剩余使用寿命。另外，该方法还允许根据电池组在汽车使用寿命的过程中相对于其初始容量减小的真实容量评价电池组的充电状态。事实上，为了优化电池组的运行和保持剩余使用寿命，精确的充电状态估计器对于电池组控制系统和有效牵引电路的安装是需要的。
因而，本发明涉及电力拖动用电化学能源剩余使用寿命的评估方法，包括下列步骤：
●在瞬间ti测量电化学能源的温度；
●在同一瞬间ti测量或测定电化学能源的充电状态或工作电压；
●确定电化学能源的在测量条件下估计的日历使用寿命；
●根据在测量条件下估计的日历使用寿命，计算电化学能源在瞬间ti的健全状态。
此外，本发明还涉及一种方法，它还包括一个根据在基准条件下估计的所述能源的健全状态和基准使用寿命，对所述电化学能源在瞬间ti的剩余使用寿命进行评估的计算步骤。
健全状态是一个同样允许估计该能源在瞬间ti的真实容量的数值。
本发明还涉及电力拖动用电化学能源管理设备，包括执行上述方法的设备。
最后，本发明涉及配备这样一种设备的汽车。
附图说明
参照附图阅读以下的描述将能更好地理解本发明。这是为了进行说明而决非限制本发明而给出的。附图中：
●图1：示意地描绘一种包括执行按照本发明一种形式的方法的装置的设备；
●图2：对于不同的充电状态电池组损坏系数随着温度的变化。
具体实施方式
图1表示包括执行按照本发明一种形式的装置的设备。该设备1特别是包括电池组管理系统2或BMS(电池组管理系统）。该BMS2连接到电池组3。借助于接口12，BMS2特别连接到电池组3的温度测量装置4、流过电池组3的电流测量装置5和电池组3端子电压测量装置6。该装置4测量的温度、装置5测量的电流强度和装置6测量的电压特别是允许BMS的模块7计算电池组3的充电状态。
这样的测量装置4,5和6在已知先有技术系统中已经存在。同样，包括超级电容的已知等效系统，都装有工作电压测量装置。
BMS2在瞬间ti存储数值对(SOCi,Ti)，分别表示电池组3在瞬间ti的充电状态和温度。在包括超级电容的按照本发明的设备中，数值SOCi表示所述超级电容的工作电压。
BMS2包括连接数据存储器9的模块8。数据存储器9存储类似于电池组3的电池组在不同充电状态和温度(SOCj,Tj)的条件下的日历使用寿命的数值Xj。这些数值特别是在类似于电池组3的电池组工作台上进行试验时通过测量获得的。
从这些数值Xj和数据对(SOCi,Ti)出发，该模块8可以估计对应于数值对(SOCi,Ti)的日历使用寿命Xi。这个评估Xi可以从存储在存储器9中的数值Xj出发通过内插进行。
从Xi的评估出发，该模块8可以计算电池组3在瞬间ti的健全状态SOH(ti)。考虑到初始瞬间t0，其中电池组3作为新的考虑，健全状态SOH(t0)等于100%，该健全状态可以用百分数表达。在这种情况下，该电池组越老，SOH(t)越小。
这个数值SOH(ti)可以计算电池组3在瞬间ti的剩余使用寿命的评估值X(ti)。借助于界面13，数值SOH(ti)和/或X(ti)可以由BMS2通知电池组3的管理者10。在任何时刻，用户都可以借助于进行诊断11获取这些数值中的一个或另一个。
健全状态SOH(ti)的计算在考虑到电池组3日历使用寿命Xi，在瞬间ti测量的(SOCi,Ti)的条件下进行。健全状态的计算最好用叠代法进行。SOH(ti)是在考虑到数值SOH(ti-1)的情况下获得的，ti-1对应于上一次对电池组3的温度和充电状态进行测量的瞬间。按照本发明一个优选的形式，健全状态SOH(ti)用下式(I)计算：
(I)：SOH(ti)=SOH(ti-1)-(Δt/Xi)*A，
其中Δt=ti-ti-1而A在数值1和100中间选定。
例如，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用百分数表达时，选择A=100。当SOH(ti-1)和SOH(ti)用绝对值表达时，选择A=1。
若健全状态SOH(ti)按照公式(I)计算，则电池组3在瞬间ti剩余使用寿命的评估X(ti)可以根据基准日历使用寿命Xref，在基准的条件(SOCref,Tref)下获得。数值(SOCref,Tref,Xref)同样储存在存储器9中。特别可以用下式(II)计算X(ti)：
(II):X(ti)=Xref*SOH(ti)/A
其中A是在公式(I)中选定的数值。
按照本发明一个方案，该方法包括确定损坏系数αi。损坏系数特别是通过在ti测量的(SOCi,Ti)条件下估算的电池组3的日历使用寿命，和在基准(SOCref,Tref）条件下的基准日历使用寿命Xref之间的比较获得的。例如，可以假定，αi等于Xref/Xi。
这时，健全状态SOH(ti)的计算用下式(I')进行：
(I’):SOH(ti)=SOH(ti-1)-αi*(Δt/Xref)*A
其中：Δt=ti-ti-1，而A在1和100的数值中间选定。
如上所述，数值A的选择取决于SOH(ti)和SOH(ti-1)是按百分数还是按绝对值表达。
这时，电池组3在瞬间ti剩余使用寿命X(ti)的评估可以根据Xref和SOH(ti)按照上式(I')获得。
按照本发明的一种形式，BMS2以数据采集频率f1、周期Δt存储数值对(SOCi,Ti)。周期Δ可以是恒定的。它同样可以按照电池组3的运行模式改变。例如，当汽车处于行驶模式时可以设置分钟数量级的Δt，而当汽车处于停泊模式时Δt为小时数量级。人们同样可以设置Δt，令其在汽车进入停泊模式和电池组回到周围温度之间逐渐增大。于是，当冷却电池组时所述电池组健全状态的估计要考虑温度的变化。
有可能在瞬间ti每存储一对(SOCi,Ti)就计算一次健全状态SOH(ti)。其他计算方式同样是可能的。例如，可以假定的，BMS2以数据采集频率f1、周期Δt存储数值对(SOCk，Tk)。对于每个数据对(SOCk,Tk)，BMS2都可以在Δ'ti定义的时间片上，例如，一天、一个月或者一年计算一次损坏系数αk，诸如αk=Xref/Xk，BMS2可以计算平均损坏系数αΔ't。该系数αΔ't对应于根据在时间片Δ't的过程中测量的数值对(SOCk,Tk)确定损坏系数(αk)的加权平均值。例如，可以用下式(III)计算：
(III):αΔ't=(1/Δ't)(ΣαkΔt)
式中ΣαkΔ't是所有对应于用两次测量之间的间隔Δt加权的Δ't过程中测量的数值(SOCk,Tk)的损坏系数αk的总和。Δt的总和等于Δ't。
如上所述，间隔Δt在整个时间片上可以是恒定的。间隔Δt也可以根据电池组的状态、运行时，或不运行时的状态改变。
这时，健全状态SOH(ti)可以根据SOH(ti-1)按照下式(I")获得，式中Δ't=ti–ti-1：
(I"):SOH(ti)=SOH(ti-1)–αΔ't*(Δ't/Xref)*A
式中A在x数值1和100中间选定。
如上所述，数值A的选择取决于SOH(ti)和SOH(ti-1)是以百分数还是以绝对值表达。电池组3在瞬间ti的剩余使用寿命的评估值X(ti)可以根据SOH(ti)用上列公式(II)获得。针对时间片Δ't=ti-ti-1计算SOH(ti)之后，把在Δ't过程中测量的数值(SOCj,Tj)从BMS2的存储器删除，以免无谓地使所述存储器超载。
按照本发明的设备可以包括几个电化学能源3。每个能源3最好都配备温度、充电状态测定或工作电压的测量装置（4,5,6)。按照本发明一种形式，健全状态SOH可以由BMS2针对每个能源3进行计算。
按照本发明的另一个形式，针对一套能源3只计算一个健全状态SOH。例如，该健全状态根据一套能源3的平均充电状态和平均温度计算。人们同样可以假定在每个能源3中测量的温度最大值平均温度，代替平均温度。同样，人们可以在一套能源3中考虑最大充电状态或最大工作电压。
图2表示不同的充电SOC状态下电池组3的损坏系数α随着温度Ti的变化。这些系数是从某种类型的电池组3的日历使用寿命出发根据变量(SOC,T)计算的。当在类似于电池组3的电池组工作台上进行试验时，这些日历寿命是通过测量值估计的。它们列于表1中。相应的系数列于表2中。
Figure GDA0000466912990000071
进行电化学能源日历使用寿命的测量之前，固定寿命终点的判据是适合的。可以特别假定电化学能源的寿命终点对应于相对于初始容量定义的容量损失的百分数。例如，容量损失30%可以接受为寿命终点的判据。
人们同样可以假定，相对于初始内阻，电化学能源的寿命终点对应于内阻提高一个确定的百分数。例如，可以考虑内阻的提高对应于可用功率损失30%。这个提高数值随着电化学能源的技术而变化。
因而，电化学能源的健全状态SOH可以按照容量判据或内阻判据者确定。按照本发明一种形式，选定这两个判据之一来确定健全状态。
按照本发明的另一个形式，考虑至少两个寿命终点判据。例如，确定两个健全状态SOHcapacite和SOHresistance。在这种情况下，有可能借助于诊断11使这两个数值变得可用。同样可能确定一个总的健全状态，例如，最小或最大数据对(SOHcapacite,SOHresistance)或者再加上这两个数值的平均值。
为了应用在电动汽车上,健全状态最好至少根据容量损失确定。事实上，最重要的因素之一是汽车的自治，因而是电化学能源中储存的能量数量。
对于在混合动力汽车上的应用，健全状态至少根据内阻的提高确定。事实上，最重要的因素之一是电化学能源中的可用功率。
同样存在所谓混合动力分支或者VH-plug-in汽车。这是可以在电网上再充电的混合动力汽车。对于这种类型的汽车，人们同时力求自治和可用功率。因而，同时考虑容量损失和内阻的提高来确定健全状态是有意义的。
表1表示已知类型的电池组3的日历使用寿命的数值。这些数值是通过在工作台上试验时进行的测量估计的。按照本发明的这个形式，日历使用寿命是在考虑到寿命终点的判据是考虑相对于初始值容量损失30%的情况下进行估计的。
基准数值对(SOCref,Tref)是这样选定的，使得SOCref=50%和Tref=25℃。从数值(SOCref,Tref)出发估计的基准日历使用寿命Xref是19.5年。
在不同的条件(SOCj,Tj)下实现的一系列试验得出表1中所列的其他数值Xj。这时，可以对于每个数据对(SOCj,Tj)计算损坏系数
αj=Xref/Xj。这些数值列于表1中。
当相应的条件(SOCj,Tj)比基准条件(SOCref,Tref)损坏更严重时，系数αj可以大于1。
反之，当相应发条件(SOCj,Tj)的损坏小于基准条件(SOCref,Tref)时，系数αj可以小于1。
一般，充电状态越弱，损坏系数就越小。同样，温度越低，损坏系数就越小。
从表2可以获得图2所示的曲线。对于给定的充电状态，所述曲线构成损坏系数根据温度的内插。这样的曲线可以存储在图1所示设备的存储器9中。BMS2的模块8利用这些曲线，计算对应于电池组3上测量的数值(SOCi,Ti)的损坏系数α。
模块8可以利用损坏系数α的其他计算方式。例如，有两个数值对(SOCj,Tj),(SOCk,Tk)，使得SOCj=SOCk，而且其中损坏系数αj和αk是在工作台上试验时估算的。这些数值存储在数据存储器9中。为了计算损坏系数α，在电池组3上测量了数据对(SOCi,Ti)，式中SOCi=SOCj，而且Tj≤Ti≤Tk，该模块8，例如，可以取数据对(αj,αk)的最大值。同样可以取较低的数据对的数值或者计算加权平均值。同样的推理可以应用于充电的变化状态。
为了设置可靠的内插曲线，在工作台上试验时最好进行数目足够多的测量，在温度、充电状态和工作电压的范围内，可以对应于电池组或超级电容的条件。例如，在[0，100%]的范围内，以最大10%的间隔分布充电状态，以及针对[10℃，60℃]的范围，以最大10℃的间隔分布温度，对使用寿命和/或损坏系数进行估计是有利的。
系数α的计算允许模块8，例如，按照上面详细描述的公式(I)和(II)计算电化学能源3的健全状态SOH(ti)和/或评估其剩余使用寿命X(ti)。这些数值可以通过BMS2传递给管理者10并使用户通过诊断11加以掌握。

Claims (9)

1.电力拖动用的电化学能源（3）剩余使用寿命的评估方法，包括下列步骤：
●在瞬间ti测量该电化学能源的温度Ti；
●在同一瞬间ti测量或测定该电化学能源的充电状态或工作电压SOCi；
●在(SOCi,Ti)的条件下进行估计，确定该电化学能源不使用时使用寿命Xi；
●根据在(SOCi,Ti)的条件下估计的该电化学能源不使用时的使用寿命Xi，计算该电化学能源在瞬间ti的健全状态SOH(ti)；
●根据电化学能源健全状态SOH(ti)和在基准(SOCref,Tref)条件下估计的不使用时基准使用寿命Xref，计算能源（3）在瞬间ti的剩余使用寿命X(ti)的评估值。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，健全状态SOH(ti)按照下式(I)计算：
(I):SOH(ti)=SOH(ti-1)-(Δt/Xi)*A
式中Δt=ti–ti-1，而A在数值1和100中间选定，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用百分数表达时，选择A=100，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用绝对值表达时，选择A=1。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，它还包括确定损坏系数αi=Xref/Xi的步骤，Xref是在基准(SOCref，Tref)条件下估计的电化学能源不使用时基准使用寿命，健全状态SOH(ti)按照下式(I')计算：
(I'):SOH(ti)=SOH(ti-1)-SOCi*(Δt/Xref)*A
式中Δt=ti–ti-1，而A在数值1和100中间选定，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用百分数表达时，选择A=100，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用绝对值表达时，选择A=1。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，它还包括确定损坏系数αi=Xref/Xi的步骤，Xref是在基准(SOCref,Tref)条件下估计的电化学能源不使用时的基准使用寿命，健全状态SOH(ti)按照下式(I")计算：
(I"):SOH(ti)=SOH(ti-1)–αΔ't*(Δ't/Xref)*A
式中A在数值1和100中间选定，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用百分数表达时，选择A=100，当SOH(ti-1)和SOH(ti)用绝对值表达时，选择A=1；而αΔ't是根据在周期Δ't=ti–ti-1的过程中测量的数值对(SOCj,Tj)确定的损坏系数αj的加权平均值。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，能源（3）在瞬间ti的剩余使用寿命评估值X(ti)是按照下式(II)计算的：
(II):X(ti)=Xref*SOH(ti)/A
式中A具有为了计算SOH(ti)而选定的数值，其中A在数值1和100中间选定，当SOH(ti)用百分数表达时，选择A=100，当SOH(ti)用绝对值表达时，选择A=1。
6.按照上述权利要求中一项的方法，其特征在于，为了估计不使用时的使用寿命Xi，电化学能源（3）寿命终点的判据，在相对于初始容量定义百分数容量损失和相对于初始内阻定义百分数内阻提高中间选定。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于，至少考虑两个寿命终点判据，包括容量损失和内阻提高。
8.电力拖动用的电化学能源管理设备，包括执行按照上述权利要求中一项的方法的装置，该装置包括连接到能源（3）的能源管理系统（2），其中借助于接口（12），能源管理系统（2）连接到能源（3）的温度测量装置（4）、流过能源（3）的电流测量装置（5）和能源（3）端子电压测量装置（6），温度测量装置（4）测量的温度、电流测量装置（5）测量的电流强度和电压测量装置（6）测量的电压能够用于能源管理系统（2）的模块（7）来计算能源（3）的充电状态，能源管理系统（2）包括连接数据存储器（9）的模块（8），所述数据存储器（9）存储能源在不同充电状态和温度条件下的日历使用寿命的数值。
9.配备按照权利要求8所述的电化学能源管理设备的汽车。
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