CN102395895A - 在使用电感式电池单元平衡时牵引电池的电池单元的内阻的求取 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于求取电池(1)、尤其是牵引电池的电池单元(1a)的内阻的方法和装置，其中，在所述电池(1)中执行电感式电池单元平衡，以均衡电池单元(1a)的充电状态，其中，通过求取在电荷移除或电荷供给期间流动的电流来确定从电池单元(1a)移除或向电池单元(1a)供给的电荷。根据本发明设有第一控制模块(3)，其用于在所述电荷移除或电荷供给期间在一第一时刻确定施加在所述电池单元(1a)上的第一电压和从所述电池单元(1a)或向所述电池单元(1a)流动的第一电流以及用于在所述电荷移除或电荷供给期间在一第二时刻确定施加在所述电池单元(1a)上的第二电压和从所述电池单元(1a)或向所述电池单元(1a)流动的第二电流，并且设有计算单元(4)，其用于作为所述第二电压和所述第一电压的差与所述第二电流和所述第一电流的差的商来计算所述电池单元(1a)的内阻。

Description

在使用电感式电池单元平衡时牵引电池的电池单元的内阻的求取

技术领域

本发明涉及根据权利要求1和6的前序部分所述的用于求取电池、尤其是牵引电池的电池单元的内阻的方法和装置。

背景技术

已表明，未来无论是在例如风力设备的静态应用中还是在例如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，越来越多地使用新的电池系统。在本说明书中，概念“电池”和“电池系统”适应通常的语言使用习惯用于蓄电池或蓄电池系统。

在图4中示出了根据现有技术的电池系统的原理性功能结构。为了借助电池系统实现所要求的功率和能量数据，在电池单元1中各个电池单元1a串联并且部分地附加地并联。对于电池单元的串联，在图5中示出了用于混合动力车辆或电动车辆的所谓牵引电池的原理电路图。在电池单元1a与电池系统的电极之间具有所谓的安全与熔断单元16，所述安全与熔断单元16例如负责电池1与外部系统的接通和断开以及保护电池系统免受不允许的大电流和电压以及提供安全功能——例如在打开电池壳体时将电池单元1a与电池系统电极单极地分离。另一功能单元形成电池管理装置17，所述电池管理装置17除电池状态识别装置17a外还实施与其他系统的通信以及电池1的热管理。

在图4中示出的功能单元电池状态识别装置17a具有如下任务：确定电池1的当前状态以及预告电池1的未来性能，例如使用寿命预告和/或有效距离预告。未来性能的预告(Vorhersage)也称为预测

在图6中示出了基于模型的电池状态识别的原理性结构。所示出的基于模型的电池状态识别和预测基于借助于观察器17b和电池模型17c通过已知的方式对电参量——电池电流和电池电压以及电池1的温度进行的分析。可以针对电池1的各个电池单元1a进行电池状态识别，其中，这基于相应的电池单元电压、电池单元电流和电池单元温度进行。此外，也可以针对整个电池1进行电池状态识别。这根据对准确性的要求通过分析电池1的各个电池单元1的状态和整个电池1的基于此的聚集或者直接通过分析总体电池电压、电池电流和电池温度进行。根据现有技术的所有方法的相同之处在于，在电池1的正常运行中出现的电流变化、电压变化和温度变化用于电池状态的求取以及未来性能的预测。

在图7中示出了用于电池单元1a的所谓的电阻平衡的装置的功能原理。电池单元平衡的任务在于，在多个单个电池单元1a串联时使所有电池单元1a具有相同的充电状态或相同的电池单元电压。由于电池单元1a的原则上存在的不对称性，例如略微不同的电容、略微不同的自放电，在电池运行中在没有附加措施的情况下不存在电池单元平衡。在电阻式电池单元平衡中，电池单元1a可以通过接入与电池单元并联设置的欧姆电阻2进行放电。在图6中，通过与电池单元1a并联的、具有序号n的晶体管10(T_{Bal_n})来接入具有值R_{Bal_n}的电阻2。通过与具有最小充电状态或最小电压的、具有序号n的电池单元1a相比具有更高充电状态或更高电压的电池单元1a的放电，可以实现电池1的所有电池单元1a上的充电状态或电压的对称。施加在电池单元1a上的电压通过由两个电阻11、12和电容器13构成的滤波器和A/D转换器14输送给控制与分析处理单元15，以分析处理，所述控制与分析处理单元15对于每个电池单元1a均存在并且与上级的中央控制单元、例如电池状态识别装置17a进行通信。在由多个单个电池单元1a的串联构成的锂离子电池中，使用现有技术的电阻式电池单元平衡。此外，还存在用于电池单元平衡的其他方法，这些方法可以视原理而定地无损耗地工作，例如所谓的电感式电池单元平衡。

在图8中示出所谓的电感式电池单元平衡的基本原理。这里，所有电池单元1a与用于电池单元电压检测和电感式电池单元平衡控制的电路联接，所述电路具有作为蓄能器的电感2。电感式电池单元平衡指，用于平衡电池单元的电池单元电压或充电状态的电路方案基于在此传输的电能的电感式中间存储。取决于电路方案，所述中间存储可以在电感线圈或变压器中进行。

在电感式电池单元平衡中，在第一步骤中，从一个或多个电池单元获取能量并且将所述能量中间存储在电感式存储器2中。在第二步骤中，将中间存储的能量回存到一个或多个电池单元1a中。作为示例的有：

·从一个电池单元获取能量并且回存到一个或多个电池单元中，其中不回存到从其获取能量的电池单元中；

·从一个电池单元获取能量并且回存到一个或多个电池单元中，其中将能量的一部分回存到从其获取能量的电池单元中；

·从多个电池单元获取能量并且回存到一个或多个电池单元中，其中不回存到从其获取能量的电池单元中；

·从多个电池单元获取能量并且回存到一个或多个电池单元中，其中将能量的一部分回存到从其获取能量的电池单元中。

在图9中作为示例示出了电感式电池单元平衡的电路原理，其中，电感线圈用于能量的中间存储。如果因为电池单元1a(n)例如具有比电池系统的其他电池单元更高的充电状态而应当进行放电，则通过接通晶体管10(T_{Bal_n})在电感线圈2a(L_{n_上})和2b(L_{n_下})上建立电流，电池单元1a(n)通过所述电流进行放电。在断开晶体管10(T_{Bal_n})之后，通过电感线圈2a(L_{n_上})的电流在电流路径中通过二极管2c(D_{n+1_1})整流并且对电池单元1a(n+1)充电，并且通过电感线圈2b(L_{n_下})的电流在电流路径中通过二极管(D_{n+1_r1})整流并且对电池单元1a(n-1)充电。以此方式，可以借助在图9中示出的装置从电池单元1a(n)获取能量并且将所述能量传输到两个相邻的电池单元1a(n+1，n-1)中，以便实施电池单元平衡。

由于更好的概览，在图9中未示出电池单元电压的检测。这样的检测在锂离子电池中为了确定充电状态和为了实施电池单元平衡以及为了监视电池单元的电压上限值和下限值的遵守是必需的。因此，关于各个电池单元电压的信息可供系统使用。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种用于求取电池系统的单个电池单元的内阻的新的方案，借助所述方案可以比如今的现有技术更稳健地、更准确地并且与电池的运行状态无关地实现电池状态识别和预测。

与现有技术相比，根据本发明的具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求6的特征的装置具有如下优点：其可以在具有电感式电池单元平衡的电池系统中在无需附加的电子电路开销或者仅需很少的附加电子电路开销的情况下用于确定电池单元的内阻。与如今的现有技术相比，所述方法和所述装置还具有如下优点：为了确定内阻可以一再导致相同的运行过程并且由此实现特别稳健和准确的确定。此外，所述新方法和所述新装置还具有如下优点：其还可以在电池在其电极上不输出功率或不接收功率和/或对包括电池单元的电池进行充电的运行阶段中——例如在车辆停止时使用。在电池充电期间进行使用的后一种情形中，进行充电电流与平衡电流的叠加，根据本发明优选考虑所述叠加。在当前已知的方法中，在以上提及的运行阶段中确定内阻是不可能的。

从属权利要求给出本发明优选的扩展构型。

特别优选地，根据本发明的方法和根据本发明的装置包括：如此选择第一时刻，使得第一电流等于0，并且第二时刻是电池单元的随后的放电阶段期间的任意时刻。

替换地，根据本发明的方法和根据本发明的装置特别优选地包括：第一时刻是电池单元的放电阶段期间的任意时刻，并且第二时刻是电池单元的相同的放电阶段期间的任意时刻。

替换地或附加地，根据本发明的方法包括以下步骤：根据内阻与在确定内阻期间存在的电池单元温度和在确定内阻期间存在的电池单元充电状态的已知相关性来求取电池单元的内阻的取决于老化的增大。为此，根据本发明的装置的相应的优选扩展构型包括：存储内阻与在确定内阻期间存在的电池单元温度和在确定内阻期间存在的电池单元充电状态的相关性的表，以及根据所求取的内阻和所述表的查询来确定电池单元的内阻的取决于老化的增大的第一分析处理单元。

替换地或附加地，根据本发明的方法还包括以下步骤：通过在多次彼此相继地确定内阻期间改变电阻式电池单元平衡的激励的频率和/或通过在多次彼此相继地确定内阻期间改变电阻式电池单元平衡的激励的占空比来求取电池单元的内阻的频率相关性。为此，根据本发明的装置的相应的优选扩展构型包括：用于在多次彼此相继地确定内阻期间改变电阻式电池单元平衡的激励的频率和/或用于在多次彼此相继地确定内阻期间改变电阻式电池单元平衡的激励的占空比的第二控制模块，以及用于通过对多次彼此相继地确定内阻进行分析处理来求取电池单元内阻的频率相关性的第二分析处理单元。在这种优选的构型方案中，也借助所述新方法根据激励的频率来求取内阻。

附图说明

以下参照附图来详细描述本发明。在附图中示出：

图1：根据本发明的用于求取电池单元的内阻的装置的第一优选实施方式的原理电路图，

图2：激励电池单元以便通过改变激励频率来求取内阻的频率相关性的第一示例，

图3：激励电池单元以便通过改变占空比来求取内阻的频率相关性的第二示例，

图4：根据现有技术的电池系统的功能结构，

图5：根据如今的现有技术的电池系统的另一原理电路图，

图6：根据现有技术的基于模型的电池状态识别和预测的原理电路图，

图7：根据现有技术的用于电池单元的电阻式电池单元平衡的装置的原理电路图，

图8：根据现有技术的用于电池单元的电感式电池单元平衡的装置的原理电路图，以及

图9：根据现有技术的用于电池单元的电感式电池单元平衡的实现的电路示例。

具体实施方式

以下参照附图来详细描述本发明的优选实施方式。

在图1中示出了根据本发明的装置的优选实施方式，所述装置是在图9中示出的用于电感式电池单元平衡的电路原理的扩展。在图1中附加地示出了用于为模/数转换器14准备电池单元1a(n)的差分电压信号的滤波器电路11、12、13。通过所述模/数转换器14，在遵守采样定理的情况下，电池单元电压被提供给电池单元1a(n)的控制与分析处理单元15，所述控制与分析处理单元15处理所述电池单元电压并且将所述电池单元电压转送给上级的电池状态识别装置17b。所有电池单元1a的控制与分析处理单元15彼此通信，以便执行电池单元平衡。用于电池单元平衡的电路在必要时连同所示出的优选也可以集成在控制与分析处理单元15中的附加电路元件一起用于根据本发明的电池单元内阻确定。根据本发明，在图9中示出的用于电感式电池单元平衡的电路扩展第一控制模块3，借助所述第一控制模块在电荷移除期间在不同时刻检测施加在电池单元1a上的电压U_n或施加在电感线圈2a、2b上的电压U_L以及从电池单元1a流动的电流(T_{Bal_n})。这可以通过直接的电流和电压检测进行，也可以通过电池单元1a(n)的控制与分析处理单元15进行，所述控制与分析处理单元15可以通过由两个电阻11、12和电容器13构成的滤波器和A/D转换器14来至少检测电池电压U_n或施加在电感线圈2a、2b上的电压U_L，并且如下描述的那样从所述电压计算从电池单元1a(n)流动的电流(T_{bal_n})。第一控制模块3与计算单元4连接，所述计算单元4如以下所描述的那样作为两个检测到的电压值的差与两个检测到的电流值的差的商计算电池单元的内阻。

可以在已知用于能量的中间存储的存储器2的电感的情况下通过电压时间面积如下计算在第一步骤中从电池单元1a获取的电荷：

·电感元件2中的电流的时间变化为：

$I_L=\frac{1}{L}\∫U_L\mathrm{dt}---\left(1\right)$

第一步骤结束时的最大电流记为I_Lmax。

·可以如下计算在第一步骤中移除的电荷：

Q_ent＝∫I_Ldt                         (2)

在假定具有接近于0的导通电阻的理想电子开关10以及不具有欧姆内阻的理想电感元件2的情况下，可以容易地由从其获取能量的电池单元的电压U_n求得电感元件上的电压U_L。因此，通过公式(1)和(2)可以确定放电电流以及从电池单元1a获取的电荷。在元件尺寸合适的情况下，用于电池单元平衡的电子开关10以及电感元件2的非理想特性在求取从电池单元1a获取的电荷时仅仅导致较小的误差。

在等效形式中，可以在第二步骤中计算中间存储的能量到电池单元(n)1a的回馈。

·电感元件2中的电流的时间变化为：

$I_L=I_{L\max }+\frac{1}{L}{\∫U}_L\mathrm{dt},$ 其中U_L＜0               (3a)

在假定电流I_L取值0之后，得到：

I_L＝0               (3b)

·可以如下计算在第二步骤中回馈的电荷：

Q_zu＝∫I_Ldt         (4)

因此，可以确定电荷传输期间的电流变化以及在实施电池单元平衡时移除或回馈的电荷。

基于这些信息，可以如下求取电池单元的内阻：

用于解释工作原理的出发点在于电池在其端子上不输出或不接收功率的运行状态。在所述状态中，没有电流流过电池单元1a。如果现在接通晶体管10(T_{Bal_n})，则电池单元1a(n)通过电感线圈2a、2b(L_{n_上}和L_{n_下})放电。与初始状态(没有功率输出或功率接收)相比，借助于上述用于电池单元电压测量的装置检测的电池单元电压由于接通晶体管10(T_{Bal_n})而发生变化。附加地，流过电池单元1a(n)的电流自然也发生变化。所述电流可以通过以上所述方式来求取。

因此，可以例如如下求取电池单元1a(n)的取决于温度、充电状态和老化的内阻R_{i_n}：

在此，为了求取内阻，除初始状态(电池单元未加载)以外，考虑电池单元1a(n)的放电阶段期间的任意时刻，对于所述时刻通过所述方式求取电池单元电压和电池单元电流。

在内阻与电池单元的电池单元温度和充电状态的相关性已知的情况下，可以求取电池单元内阻的取决于老化的增大。为此，计算单元4与第一分析处理单元7连接，所述第一分析处理单元7根据所求取的内阻和表6的查询来确定电池单元1a(n)的内阻的取决于老化的增大，所述表6存储内阻与在确定内阻期间存在的电池单元温度和在确定内阻期间存在的电池单元1a的充电状态的相关性。

在所述方法的一个变型中，还可以将电池单元1a(n)的放电阶段期间的两个或多个时刻用于电池单元1a(n)的内阻确定。随后，通过差分电压和出现在所观察的时刻之间的平衡电流的变化进行内阻确定：

所提出的根据本发明的用于确定内阻的方法还可以例如在停止的车辆中实施。由此，内阻的确定不受电池1的叠加的“正常运行”的负面影响。这是相对于迄今已知的方法的重要优点。

所描述的根据本发明的用于求取电池单元1a的内阻的处理方式(同样在所描述的变型方案中)也可以类似地在中间存储在电感元件2、2a、2b中的能量回馈到电池单元1a中的阶段期间应用。在这些阶段期间，关于电池单元电压U_n的当前值的信息以及关于平衡电流I_L的时间变化的信息可供系统使用。因此，所述方法可以用于求取内阻。

所提出的根据本发明的用于确定电池单元的内阻的原理自然也可以在电池1的“正常运行”期间(包括对电池进行充电的运行阶段)应用。那么，为了确定内阻，必须考虑电池单元1a中目前与平衡电流叠加地流动的电池电流的影响。但是，仅仅在电池1以小电流进行充电或放电的运行状态中提供这种处理方式。此外，再次由两个观察时刻的电池单元电压差与电池单元电流差的商来求取电池单元1a(n)的内阻R_{i_n}。

在电池1以大电流进行充电或放电的运行阶段中，通过施加平衡电流实现电池单元的附加“激励”的意义不大。在这样的运行阶段期间，根据本发明优选地，考虑使用根据如今的现有技术使用的方法由电池1的“正常运行”得到的电池单元电压和电池单元电流来求取内阻。

借助根据本发明所提出的用于求取电池内阻的方法，可以在电池的所有运行状态中求取电池状态识别和预测所需的重要信息之一——电池单元的内阻的取决于温度、充电状态和老化的变化。在迄今已知的方法中，仅仅在电池电流在“正常运行”期间发生显著变化的运行阶段中才可以求取内阻。以此方式，实现了比现有技术显著更稳健和更准确地实施电池单元内阻的求取。

根据本发明，优选地，求取与激励的频率的相关性。为此，优选使用以下处理方式：

·在恒定的占空比情况下改变激励的频率

·在恒定的频率情况下改变激励的占空比

·上述二者的组合

在图2中在关于晶体管10(T_{Bal_n})的控制的两个时间变化曲线中示例性地示出可以如何求取电池单元的阻抗与激励的频率的相关性。在图2中对称地示出激励的占空比，即晶体管的接通持续时间和断开持续时间是相同的。原则上，也可通过不对称的占空比来实现所述方法，仅仅必须考虑取决于蓄能器2和电池单元1a的大小和类型的最大允许的占空比，因为中间存储的能量必须回馈到电池单元1a中。改变激励的频率，以确定内阻的频率相关性。在图2中示出了两个频率的变化曲线。附加地，在图2中还作为向上的箭头标出可以根据公式(1)来求取内阻的测量时刻。这里，测量时刻分别选择在晶体管10(T_{Bal_n})的开关状态的变化之前和之后。

在图3中示出了用于求取电池单元的内阻的频率相关性的另一可行方案。在此，在频率保持恒定的情况下改变激励的占空比。同样在这种处理方式中，作为向上的箭头示出的测量时刻分别选择在晶体管10(T_{Bal_n})的开关状态的变化之前和之后。再次根据公式(5)或者在所述处理方式的相应变型方案中根据公式(6)来求取电池单元的取决于频率的内阻。

原则上，所述两种方法的组合当然也可以根据激励来描述内阻。根据本发明的方法允许与所谓的阻抗频谱分析中的处理方式类似地求取内阻的频率相关性。与阻抗频谱分析不同，根据本发明的方法可在不需要高开销的附加的测量电子装置的情况下实现。与通常在电池系统中使用的电路相比，在必要时仅仅在动态性和采样频率方面对电池单元电压的检测提出较高要求。

为了改变激励的频率和/或占空比，根据本发明设有第二控制模块8，所述第二控制模块与第一控制模块3以及控制与分析处理单元15耦合。第二控制模块8还与第二分析处理单元9连接，所述第二分析处理单元9同样与计算单元4连接。第二分析处理单元9通过在考虑激励的频率和/或占空比的变化的情况下对多个彼此相继的内阻确定进行分析来求取电池内阻的欧姆分量的频率相关性。

借助所提出的优选的用于求取电池单元内阻的频率相关性的方法，同样可以求取电池状态识别和预测所需的重要信息之一——电池单元内阻的取决于温度、充电状态和老化的变化。与迄今已知的方法不同，可以仅仅在电池电流在“正常运行”期间显著变化的运行阶段中求取内阻。以此方式，实现了比现有技术显著更稳健和更准确地实施电池单元内阻的确定。

除以上文字公开内容之外，这里还明确地参阅附图中的公开内容。

Claims (10)

1.用于求取电池、尤其是牵引电池的电池单元(1a)的内阻的方法，其中，在所述电池(1)中执行电感式电池单元平衡，以均衡电池单元的充电状态，其中，通过求取在电荷移除或电荷供给期间流动的电流来确定从电池单元(1a)移除或向电池单元(1a)供给的电荷，

所述方法包括以下步骤：

在所述电荷移除或电荷供给期间在一第一时刻确定施加在所述电池单元(1a)上的第一电压和从所述电池单元(1a)或向所述电池单元(1a)流动的第一电流，

在所述电荷移除或电荷供给期间在一第二时刻确定施加在所述电池单元(1a)上的第二电压和从所述电池单元(1a)或向所述电池单元(1a)流动的第二电流，以及

作为所述第二电压和所述第一电压的差与所述第二电流和所述第一电流的差的商来计算所述电池单元(1a)的内阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如此选择所述第一时刻，使得所述第一电流等于0，并且所述第二时刻是所述电池单元(1a)的随后的放电阶段或充电阶段期间的任意时刻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一时刻是所述电池单元(1a)的放电阶段或充电阶段期间的任意时刻，并且所述第二时刻是所述电池单元(1a)的相同的放电阶段或充电阶段期间的任意时刻。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

根据所述内阻与在确定所述内阻期间存在的电池单元温度和在确定所述内阻期间存在的所述电池单元(1a)的充电状态的已知相关性来求取所述电池单元(1a)的所述内阻的取决于老化的增大。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

通过在多次彼此相继地确定内阻期间改变所述电感式电池单元平衡的激励的频率和/或通过在多次彼此相继地确定内阻期间改变所述电感式电池单元平衡的激励的占空比来求取所述电池单元(1a)的所述内阻的频率相关性。

6.用于求取电池、尤其是牵引电池的电池单元(1a)的内阻的装置，其中，在所述电池(1)中执行电感式电池单元平衡，以均衡电池单元(1a)的充电状态，其中，通过求取在电荷移除或电荷供给期间流动的电流来确定从电池单元(1a)移除或向电池单元(1a)供给的电荷，

所述装置包括：

第一控制模块(3)，用于在所述电荷移除或电荷供给期间在一第一时刻确定施加在所述电池单元(1a)上的第一电压和从所述电池单元(1a)或向所述电池单元(1a)流动的第一电流，以及用于在所述电荷移除或电荷供给期间在一第二时刻确定施加在所述电池单元(1a)上的第二电压和从所述电池单元(1a)或向所述电池单元(1a)流动的第二电流，和

计算单元(4)，用于作为所述第二电压和所述第一电压的差与所述第二电流和所述第一电流的差的商来计算所述电池单元(1a)的内阻。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一控制模块(3)如此选择所述第一时刻，使得所述第一电流等于0，并且将所述第二时刻确定为所述电池单元(1a)的随后的放电阶段或充电阶段期间的任意时刻。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一控制模块(3)将所述第一时刻确定为所述电池单元(1a)的放电阶段或充电阶段期间的任意时刻，并且将所述第二时刻确定为所述电池单元(1a)的相同的放电阶段或充电阶段期间的任意时刻。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括

表(6)，所述表(6)存储所述内阻与在确定所述内阻期间存在的电池单元温度和在确定所述内阻期间存在的所述电池单元(1a)的充电状态的相关性，和

第一分析处理单元(7)，所述第一分析单元(7)根据所求取的内阻和所述表(6)的查询来确定所述电池单元(1a)的所述内阻的取决于老化的增大。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括

第二控制模块(8)，所述第二控制模块(8)用于在多次彼此相继地确定内阻期间改变所述电感式电池单元平衡的激励的频率和/或用于在多次彼此相继地确定内阻期间改变所述电感式电池单元平衡的激励的占空比，和

第二分析处理单元(9)，所述第二分析处理单元(9)用于通过对所述多次彼此相继地确定内阻进行分析处理来求取所述电池单元(1a)的内阻的频率相关性。

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