CN102318103A - 电池分级方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过组装被分成组的蓄电元件(1，2，3，4，5)来实现的电池的分级设备。在该设备中，部件(22)设置成：估计老化度，每个老化度与不同的组相关；以及根据所估计的老化度的统计分布参数来给电池分配表示在使用中的电池的潜在性能的分级水平。

Description

电池分级方法和设备
本发明涉及将电池——尤其是用于机动车的电池——分级的方法和设备。
在车辆电池的使用期间，其逐渐丧失其性能，因此带来也许对车辆——尤其是电牵引车——的运行有害的影响。
以控制这个性能丧失为目的，已经设想了用于计算电池的劣化度的设备和方法。
因此，文件FR2841385考虑到计算多个劣化度，每个劣化度与一个所检测的状态值相关。然后在与状态值相关的劣化度的基础上计算总劣化度。在这个文件中公开的设备和方法的缺点是，每个劣化度总体上涉及电池插座。
机动牵引车的电池通常由多个模块组成，这些模块本身由多个单元组成。
因此，文件US7075194描述了一种允许实时地配置电池同时根据使用将元件彼此不同地连接的系统。元件的并联连接有利于强烈地消耗电流的使用。元件的串联连接有利于要求高电压的使用。
然而元件的老化不是均匀的，因为它依赖于每个元件所特有的热环境、元件的初始特征、在早期老化的制造过程源中的漂移、在车辆中的从例如互连阻抗的观点看可引起功率电路中的不平衡的情况。
每个元件所特有的特征差异性随着时间的流逝而变大，且电池丧失这些性能的全部或部分。电池的性能的丧失对车辆的性能、对其消耗以及因此对温室效应气体排放有直接影响。
在目前技术水平上，设想分析整个电池并根据其总特征判断其状态，而不考虑组成其的元件的特征差异性。通过遵照这样的方法，我们因此就更换电池，尽管只更换某些元件就足够了。
然而，放弃对电池的总特征的了解以局部集中在元件的单独状态上并不是可预见的，因为总特征直接影响电池的外部，尤其是车辆的运行。
为了补救目前技术水平的缺点，本发明的目的是通过组装被分成组的蓄电元件来实现的电池的分级方法，其包括下列步骤：
-估计老化度，每个老化度与不同的组相关；以及
-根据所估计的老化度的统计分布参数来给电池分配表示在使用中的电池的潜在性能的分级水平。
特别地，通过波导阻抗测量方法或内阻估计方法根据穿过元件组的电流的测量和电压的测量来估计至少一组的老化度。
有利地，该方法包括由第二组替换至少第一组以便维持电池的分级水平的步骤。
特别地，第一组通过在电池中与第二组对调而被替换，在对调之前，第二组受到比第一组更弱的使用约束。
更特别地，使用约束包括温度。
可选地，第一组由来自另一电池的具有更弱的老化度的第二组替换。
仍然可选地，第一组由具有零老化度的第二组替换。
在不同的可能的实施模式中，一组包括电池的全体元件，不管是电池的多个元件还是唯一的一个元件。
优选地，统计分布参数包括老化度的平均值和/或所估计的老化度的最高值。
本发明的目的也是分级通过组装被分成组的蓄电元件来实现的电池的设备，其包括设置成执行下列操作的部件：
-估计老化度，每个老化度与不同的组相关；
-根据所估计的老化度的统计分布参数来给电池分配表示在使用中的电池的潜在性能的分级水平。
特别地，该部件被设置成通过波导阻抗测量方法或内阻估计方法根据穿过元件组的电流的测量和电压的测量来估计至少一组的老化度。
有利地，该设备包括维持蓄电元件来实现电池并允许由第二组替换至少第一组以便维持电池的分级水平的滑槽。
更特别地，该部件包括分级水平和所估计的老化度的通信装置。
在该设备中，一组可包括电池的全体元件，不管是电池的多个元件还是唯一的一个元件。
优选地，统计分布参数包括老化度的平均值和/或所估计的老化度的最高值。
在参考所附示意图接下来进行的解释性描述中，本发明将被更好地理解，且本发明的其它目的、特征、细节和优点将看起来更清楚，作为例子唯一地给出的附图示出本发明的实施方式，且其中：
-图1是根据本发明的设备的示意图；
-图2示出根据本发明的方法的步骤；
-图3是统计分布与特征值的关系曲线；
-图4示出根据图3的曲线的偏移的可能分级的例子。
参考图1，电池通过组装两个输出端子15和16之间的蓄电元件1、2、3、4、5来实现。每个蓄电元件1、2、3、4、5提供在两个接触片20和21之间的电压和内部阻抗。蓄电元件1、2、3、4、5被分成组，在组中间它们可彼此并联或串联连接，且这些组又可彼此分别串联或并联连接。
在图1所示的例子中，元件的接触片20连接到端子15或前一元件的接触片21。我们因此可观察到，被表示为包括五个元件的一组的电池串联连接，或五个组并联连接并且每个组仅包括一个元件。在端子16的上游的安培计13在电池被使用时允许测量由电池产生的电流。如果电池的元件在所示例子中总共是数量五，可理解，元件的总数可以是无区别地低于或高于五的任意数字。
每个蓄电元件1、2、3、4、5插在轨道上或滑槽18之间，滑槽18允许元件容易滑动以便于其单独地或成组地拆卸。
轨道或滑槽18安装在未示出的格架的垂直隔板上，且在其底上印制有用于将元件的接触片连接到另一元件的接触片的总线，例如，如在图1中粗线所示的。理想地，接触片20、21指向下方以当元件插入格架中的滑槽之间时开始与总线接触。在元件之下并指向下方的接触片20、21的布置允许避免短路，尤其是通过未示出的盖，其通过封闭架子的上部来支撑在蓄电元件1、2、3、4、5上以确保接触片与总线之间良好的电接触。布置在每个元件的上部上的突缘19允许在盖打开之后稍微抬起元件并因此允许断开元件与总线。在稍微抬起的操作期间，没有与其它元件短路的任何危险，因为后者通过指向格架的底的其接触片的定向而被保护。
部件22设置成实现现在参考图2解释的方法的步骤。
步骤101在于估计单独地与不同的组——尤其是包括唯一的元件的组——相关的老化度。
被单独地考虑的元件的老化度可用不同的方式来估计。通过借助于安培计13测量被电池释放的电流并通过将电压表接在接触片20、21上以测量充电时元件释放的电压以便从中推断出老化度，可在电池被使用时估计老化度。可通过时钟来估计老化度，该时钟测量当前时刻与元件被插入具有已知的老化度的电池的箱中时的先前时刻分隔开的持续时间。
老化度有利地通过波导阻抗测量方法来估计。波导阻抗测量方法在于将已知值的可变电流注入待控制的元件或元件组中并测量由此对元件、相应地对元件组的端子导致的电压的变化。可变电流被注入以便唯一地在元件或元件组中被添加到零基极电流或尤其在电池中循环的非零电流。因此可测量被单独地考虑的每个元件或元件组的阻抗，而不需要知道空电压或元件的接触片上的电压降，其由基极电流的循环引起。
部件22设置成通过电流发生器23注入可变电流。电流发生器23以已知的方式实现，例如借助于在运行中通过运算放大器伺服的双极发电机，其在电压上有安全饱和。
在第一实施方式(未示出)中，部件22是包括测量插孔的便携式仪器(非车载)，每个测量插孔连接到电流发生器23的一极。于是将部件22的测量插孔接在元件的接触片20和21或元件组的末端上。基于插孔之间的电压的变化的测量，部件22从其推断出元件或元件组的阻抗，基于该阻抗，部件22估计直接等于所推断出的阻抗或是所推断出的阻抗的函数的老化度。所估计的老化度与被控制的元件或元件组的参考标号相关地存储在存储器24中。老化度在显示装置上由通信装置17指示。于是将部件22的测量插孔接在随后的元件的接触片20和21或元件组的末端上。
在图1所示的第二实施方式中，部件22被装入车辆中。发生器23的一极连接到第一系列的继电器6、8、10，而发生器23的另一极连接到第二系列的继电器7、9、11。在图1中完全以例证性和非限制性的方式，继电器6连接到将端子15连接到元件1的接触片20的总线的一部分。继电器8连接到将元件2的接触片21连接到元件3的接触片20的总线的一部分。继电器10连接到将元件4的接触片21连接到元件5的接触片20的总线的一部分。继电器7连接到将元件1的接触片21连接到元件2的接触片20的总线的一部分。继电器9连接到将元件3的接触片21连接到元件4的接触片20的总线的一部分。继电器11连接到将元件5的接触片21连接到端子16的总线的一部分。
车载部件22被编程为顺序地关闭继电器6和7以便测量元件1的阻抗、关闭继电器7和8以便测量元件2的阻抗、关闭继电器8和9以便测量元件3的阻抗、关闭继电器9和10以便测量元件4的阻抗、关闭继电器10和11以便测量元件5的阻抗。阻抗的测量通过借助于电压表测量模块和有功电压来实现。与阻抗的每次测量相关的老化度被连续存储在按照元件的参考标号编入索引的联合表中。联合表例如储存在部件22的存储器24中。在联合表中，必须使以自从每个元件属于电池以来车辆走完的公里表示的日期、以元件所交换的Ah表示的日期或以自从元件启动以来的持续时间表示的日期相应于该元件参考标号。
我们刚刚讨论了一种情况，其中例如在交流形式下变化的在给定频率处的电流的阻抗构成老化度的特征值。可设想其它特征值，例如元件所经受的温度的时间积分或元件的寿命。另一方面，在每个元件被单独地控制电压的情况下，例如在锂离子电池的情况下，通过知道穿过元件的电流的值并通过测量其电压，可从中推断出其内阻，内阻于是可是允许确定元件的老化度的特征。该操作在行驶中与在修车库中的停车模式中一样可行。
通信装置17设置成例如朝着车辆(未示出)的诊断装置传送包含在存储器24内的信息。附带地，通信装置17设置成例如将来自车辆的诊断装置的信息传送到存储器24。
步骤102在于向电池分配分级水平。在使用中的电池的可能性能取决于构成它的全体元件，但也取决于被单独地考虑的元件。为了是代表性的，目前解释的分级水平考虑电池的性能所依赖的这两个部件。
图3示出电池的元件或元件组的分布D与老化度的特征变量Vc的关系曲线。元件通常分布在平均值M周围，且出现频率在平均值附近通常较高且在两边逐渐降低。全体元件越是同质的，其特征变量值就越聚集在平均值周围。相反，全体元件越是异质的，其特征变量值就越分散，具有使以平均值为中心的曲线变扁平的效果。
考虑老化度，对于其，特征变量是元件的阻抗、其寿命或其充电和放电周期的数量，性能对于在曲线左边较弱的特征变量值将较高，而对于在曲线右边较高的特征变量值将较低。
部件22包含算术和逻辑单元以及多行程序，其用于计算包含在存储器24中的并在前面的步骤中被测量的值的平均值M。
部件22在存储器24中包含不同的可能的平均值MA、MB、MC。参考图4，相应于平均值MA的元件的分布在统计上由左边的曲线表示。平均值MA的统计分布D相应于分级水平，由该分级水平通过利用电池可期望更好的性能，因为表示老化度的特征变量值Vc大部分是较弱的。相应于平均值MC的元件的分布在统计上由右边的曲线表示。平均值MC的统计分布D相应于分级水平，由该分级水平通过利用电池可期望过得去的性能，因为表示老化度的特征变量值Vc大部分是较高的。相应于平均值MB的元件的分布在统计上由中间的曲线表示。平均值MB的统计分布D相应于分级水平，由该分级水平通过利用电池可期望比使用平均值MA得到的性能更弱但比使用平均值MC得到的性能更好的性能。
部件22包含多行程序，其用于在预定的公差范围内比较所计算的平均值M与可能的值MA、MB和MC，以便通过利用下面的公式将分级水平NC分配给电池：
M < 3 M A + M B 2 &DoubleRightArrow; NC : = A
3 M A + M B 2 . &le; M < 3 M B + M C 2 &DoubleRightArrow; NC : = B
3 M B + M C 2 &le; M &DoubleRightArrow; NC : = C
也可作为事实提出补充的要求：不仅平均值应属于下面定义的间隔之一，而且没有一个元件应有超过某个阈值的特征。
如果分级水平分别是A、B或C，且部件22检测到特征变量值分别高于阈值SA、SB或SC的元件，部件22产生警报并传递对于元件所属于的级别来说太高的特征值的元件的参考标号。分级水平的数量可能比三更高。该分级可建立在其它方法的基础上，这些方法建立在组成电池的不同元件或元件组的特征变量的平均值的基础上，或其中每个级别相应于这个特征值的间隔。
方法的另一例子是分级建立在最弱的元件的特征值的基础上或建立在最弱的x个元件的平均值的基础上所根据的方法。也存在其它分级方法。
如果控制显示电池从级别A(新电池)的水平转到级别B的水平，则用户可选择接受电池的这种级别转换或要求调换最弱的元件以将电池维持在级别A。
如果控制显示电池在级别C，则客户可选择接受电池的这个级别转换或要求调换最弱的元件以将电池维持在级别B或可能将其转到级别A。
步骤103在于用已经服务和重复使用的元件替换衰竭的元件，且其级别被预先确定在水平a、b、c，如同分别最适合于集成在分级水平A、B、C的电池中。
以被取下以便将电池维持在级别A的元件为例，即，由示出高于级别A的标准的老化状态的元件所遵照的特征。假定这个元件是级别b。这个元件可于是以后用于使级别C的电池上升到级别B。
元件或元件组被新元件或旧元件的标准调换由图1示出的电池箱的机械设计促进，对体积水平、重量和安全性优化该箱。
每个元件或每个元件组的单独控制和对更换最劣化的元件或元件组设想的电池的箱的设计允许将电池保持在其最佳性能。通过取下耗尽其全部寿命的电池、最劣化的元件，所有元件以均匀一致的方式老化。
在例如锂离子电池的情况下，在放电期间必须不超过组成它的每个元件的电压下限，而在充电期间不超过每个元件的上限。因此，这是有例如最高阻抗或内阻的元件，最高阻抗或内阻限制锂离子电池的容量。正因为此，重要的是，有与组成电池的每个元件的性能相关的特征的绘图法，以便能够调换限制了总电池的性能的元件。
另一方面，根据其在车辆中的位置，每个元件的热环境可能从一个元件到另一元件变化很大，因此每个元件的老化度可能非常不同。一个解决方案是更换由于温度最劣化的元件。另一解决方案是通过预防措施周期性地使最热的位置例如最接近电动机的元件与最冷的位置例如离电动机最远的元件对调，以允许电池的可能最均匀的老化。这同样由每个元件或每个元件组的单独的控制以及允许元件的对调的电池的箱的设计来便于实现。

Claims (15)

1.一种分级通过组装被分成组的蓄电元件来实现的电池的方法，包括下列步骤：
-估计老化度，每个老化度与不同的组相关；以及
-根据所估计的老化度的统计分布参数来给电池分配表示在使用中的电池的潜在性能的分级水平；
所述方法特征在于，至少一组的老化度是通过波导阻抗测量方法根据穿过该组元件的电流的测量和电压的测量来估计的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括由第二组替换至少第一组以便维持所述电池的分级水平的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一组通过在所述电池中与所述第二组对调而被替换，在对调之前，所述第二组受到比所述第一组更弱的使用约束。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使用约束包括温度。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一组由来自另一电池的具有更弱的老化度的第二组替换。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一组由具有零老化度的第二组替换。
7.如权利要求1、2、5或6所述的方法，其特征在于，一组包括所述电池的全体元件。
8.如权利要求1到6中的任一项所述的方法，其特征在于，一组包括电池的唯一的一个元件。
9.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述统计分布参数包括老化度的平均值和/或所估计的老化度的最高值。
10.一种分级通过组装被分成组的蓄电元件(1，2，3，4，5)来实现的电池的设备，包括部件(22)，所述部件(22)设置成：
-估计老化度，每个老化度与不同的组相关；
-根据所估计的老化度的统计分布参数来给电池分配表示在使用中的电池的潜在性能的分级水平；
所述设备特征在于，所述部件被设置成通过波导阻抗测量方法根据穿过元件组的电流的测量和电压的测量来估计至少一组的老化度。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，包括维持蓄电元件(1，2，3，4，5)来实现电池并允许由第二组替换至少第一组以便维持所述电池的分级水平的滑槽(18)。
12.如权利要求10和11中的一项所述的设备，其特征在于，所述部件(22)包括分级水平和所估计的老化度的通信装置。
13.如权利要求10到12中的一项所述的设备，其特征在于，一组包括所述电池的全体元件。
14.如权利要求10到12中的一项所述的设备，其特征在于，一组包括唯一的一个元件。
15.如权利要求10到14中的一项所述的设备，其特征在于，所述统计分布参数包括老化度的平均值和/或所估计的老化度的最高值。
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