CN102576054A - 用于控制电池组的方法以及实施该方法的设备 - Google Patents

Abstract

对电池组或其电化学电池的工作状态的控制在对这些工作状态的评估的基础上实现。其中，评估是借助于逼近函数得到的，借助所述逼近函数通过对关于第一工作状态的测量数据插值确定对第二工作状态的评估。

Description

用于控制电池组的方法以及实施该方法的设备

描述

本发明涉及一种用于控制由电化学电池组成的电池组的工作状态的方法及设备。由于电化学蓄电池，尤其是比如锂离子电池和锂离子电池组对高负荷的和不良的工作状态以及与此相关的这些蓄电池的加速老化敏感，蓄电池通常配备有所谓的电池组管理系统或配备有保护电路以避免一种或多种不良的工作状态，所述不良的工作状态例如是通过使用电池组或电池超出预先给定的工作范围，例如由电压限制、电流限制、温度限制所定义的工作范围来产生的。

美国专利US 5617324描述了一种用于测量剩余电池容量的装置，该装置利用一个用于计算电压-电流-关系的设备从而发现电池组“离散的”端电压和放电电流。采用一种用于计算端电压和放电电流之间近似的线性关系(“近似线性函数”)，并用于计算这些变量之间的相关系数的装置，以确定某个计算得到的、基于负基准值减小的相关系数是否可被连续地计算。

美国专利US 6366054描述了一种用于确定电池组荷电状态(SoC)的方法，其通过测量在化学和电平衡的稳定状态下或者在一非平衡状态下的开路电压(OCV)，在所述方法中电池组在结束充电或放电过程后再次接近平衡状态。为此，采用第一算法将平衡状态下的开路电压与荷电状态相关联，测量在该荷电状态下进行。第二算法用来在开路电压、开路电压的时间变化率以及在非平衡态相位中电池组温度的基础上，预测电池组的平衡状态开路电压。

美国专利US 7072871描述了一种带有自适应组件的、用于确定电池健康状况的系统。该系统通过测量大量电化学参数来测试电池，并使用模糊逻辑(Fuzzy-Logik)来计算电池的健康状况。

欧洲专利EP 1109028描述了一种用于监测电池剩余电荷和容量的方法，在该方法中，对有负载的电池进行至少两次大电流范围内的电流电压测量。第一次电流电压测量在电池处于第一载荷状态时的第一时刻进行。第二次电流电压测量在电池处于第二载荷状态时的第二时刻进行。重要的是，此时电池载荷状态已经随着获得的电流改变了。电流-电压测量得出第一测量点和第二测量点。通过这两个测量点生成一条插值线，而且确定该插值线与阈值电压水平(UGr)的交点。该交点通过所谓的阈值电流(IGr)标识。所述阈值电压水平是根据为了让被连接的负载能够正常工作所需要的最低电压确定的。因此在电池网络的技术设计时要预设该阈值电压水平，且该阈值电压水平是已知的。

德国专利DE 10208652描述了一种用于电池充电状态检测的方法，在该方法中检测至少两个电压和电流的测量值对，并且调整引起热稳态的值。这些被检测的测量值被插值，并且通过预先给出的被确定的平稳电压和充电状态之间的关系确定平稳电压值和充电状态。

德国专利DE 19750309描述了一种用于确定汽车起动电池的初始容量的方法，在该方法中，在起动内燃机时测量电压下降的平均值，并将电压下降的平均值与综合特征曲线的电压值进行比较，其中，该综合特征曲线由测量到的电压下降和相关的电池温度以及电机温度组成。

德国专利DE 4007883描述了一种用于确定铅酸电池状态的方法和电池检测设备。其中，在放电循环中产生一个较稳定的电池状态，然后以高放电电流进行放电。借助针对相应的电池类型存储的比较曲线，基于稳定的电池以及根据高放电电流流量确定的、考虑到温度的测量值，显示初始容量损失或者初始容量。

电池管理系统利用这样的或者类似的方法或装置来控制或者调节电池工作状态。电池管理系统或者保护电路经常介入，通过电池管理系统断开电池组或者电池组中的一个电池，或者将电池组的功率限制在对电池没有损害的水平上。然而由此，使用者使用电池的机会以不理想的方式受到限制。

本发明根本上要实现的任务是，提供一种用于控制电池组的更好方法或者一种用于实施这种方法的装置。这一任务可以通过一种用于控制电池组工作状态的方法或装置，或者通过一种根据独立权利要求中的一项所述的配置电池组的方法来解决。

按照本发明的设置，在工作状态评估的基础上实现了对电池组或其电化学电池的工作状态的控制。其中，所述评估是通过利用逼近函数得到的，借助该逼近函数通过对第一工作状态的测量数据插值来确定对第二工作状态的评估，其中，对于所述第二工作状态不存在或者存在不完整的关于电池组状况的测量数据，对于所述第一工作状态存在关于电池组状况的测量数据。

本发明所指的电池组是多个电池的串联和/或并联，或者甚至仅为一个单电池。其中，电池可理解为“原电池(galvanische Zelle)”，即电化学蓄电池。此外，涉及到可重复充电的二次电池

或者不可重复充电的原电池。下文有时为了简单起见，当联系上下没有特指时，概念电池组也可以用于单电池，也可以理解为单电池的电池组的意思。在本申请文件中，当提到蓄电池或者电化学蓄电池时，其意指单电池或者由多个电池组成的电池组。

单电池或者由多个电化学电池组成的电池组的工作状态可通过工作状态变量进行特征描述。例如，这样的工作状态变量有电压、电阻(内阻)、温度、充电电流或放电电流。其他的工作状态变量对于技术人员而言是公知的，而且可能是与本发明实施例有关的。

工作状态是通过一组合适的工作状态变量来描述特征的，比如充电电流、放电电流、电压、电阻、温度或者类似的变量。其中，概念“工作状态变量”相当于在本技术领域同样为人所熟知的电池或电池组的概念“工作参数”。哪一组工作状态变量(工作参数)适合描述电池或电池组的工作状态的特征并因此被有效地运用，这依赖于所涉及的基础技术和电化学模型，所述电化学模型总是利用该技术的物理技术特性。

工作状态评估在下文中应该理解为定性或定量的归类管理，该归类管理将关于电池组或其电池的老化及损坏的度量或者说明归入一个或多个潜在的或实际的电池组工作状态。这种评估能够由单电池或电池组的老化曲线构成，所述老化曲线是通过对有限数量的第一工作状态的测量中得到的。举例来说，老化曲线是数据的函数归类，这些老化曲线描述了多个第一工作状态的老化和损坏的特征。通过在这些测量值之间插值(或从其外插值)也能够推导出对第二工作状态的评估，对于该评估没有进行过测量。为了在语言上简化，如果没有任何断章取义，概念插值应该总是包括外插值，特别是从数学和技术的角度来看，这两种方法并没有根本的不同。

对电池组或电池的工作状态的控制应该理解能够影响受控制的电池组或电池的工作状态变量的所有措施。因此，尤其包括减少电池组或电池的载荷、从电池组组合中取出电池、电池组的冷却或其他方式，这些方式都适用于影响电池组的工作状态。

本发明所指的第一工作状态是，存在着关于在这种工作状态下的电池组或电池的状况的测量参数，尤其是关于在这种工作状态下的电池组或电池的老化现象的测量参数。第二工作状态则正相反，对于能够通过使用这些电池组或电池中的某个电池组或电池的方式获得的工作状态而言，这样的测量数据不可用。

本发明的描述所指的逼近函数是参数化函数，即依赖于一个参数或多个参数以及工作状态变量的函数，基于其数学特性该函数适用于通过恰当选择其参数来近似(逼近)大量测量数据，其中所述测量数据是针对电池组的第一工作状态确定的，这样，关于电池组的第二工作状态的、与测量数据相应的变量可以利用该逼近函数通过插值来确定，其中，在第二工作状态中上述测量数据是不存在的。逼近函数是工作状态变量和(其他)参数的函数。该逼近函数以线性或非线性方式依赖于这些变量。非线性(或：非-线性)函数相关性开辟了潜在的函数形式更大的空间，并且由此得到比对于线性函数相关性的限制高得多的灵活性。这种高灵活性的代价往往是在确定最优参数值的时候要付出被提高了的运算成本。

逼近函数所依赖的、除工作状态变量以外的参数，其值被确定使得逼近函数尽可能好地“逼近”测量数据，并从概念上与“工作参数”区分。所谓的工作参数是工作状态变量，即描述工作状态特征。逼近函数的参数并非工作状态变量；其值被选择使得所述逼近函数尽可能准确地表示测量数据。这里并不矛盾，逼近函数的函数相关性能够在个别情况下通过物理或电化学模型概念被其变量(工作状态变量和参数)影响，在这些情况下工作状态变量的含义接近于一个或多个参数，另外，逼近函数的函数相关性在这些特殊的逼近函数的使用范围内没有被观察到(即，没有被测量到)。

本发明的描述所指的测量数据是工作状态变量和/或其他重要的物理、技术或化学变量，这些变量适用于描述某些现象，尤其是电池或电池组在某个工作状态下的老化现象或损坏的特征。举例来说，这种测量数据是容量(特别是剩余容量)、电流载荷能力(例如通过根据放电电流改变端电压来描述特征的电流载荷能力)、或类似的变量。

本发明有益的其他实施例包括从属权利要求的内容。

下面基于优选的实施例对本发明做更详细的描述。

本发明的出发点在于，对于电池或电池组的不同工作状态，单电池，比如所谓的锂离子电池，或者由多个这样的电池连接成的整个组(“电池组”)的老化现象被测量，其中，所述工作状态可以通过合适的工作状态变量，比如充电电流、放电电流、电压、电阻、温度或者类似的变量来给出。因为这些测量出于实际原因可能始终只针对受限制(有限的)数量的工作状态，没有连续的函数曲线或者函数(超)平面(在实际上有明显更多工作状态变量的情况下)能够以这种方式被确定，其中，该连续的函数曲线或者函数(超)平面描述任意工作状态的老化现象。

换言之，仅仅能够确定相对较少的、所选择的、为测量所使用的工作状态测量变量，从这些测量变量中能推导出电池或整个电池组在每个工作状态下的老化或损坏的优选的定量测量。其中，并不一定必须涉及定量的测量，即数值固定的测量；换言之，还可以涉及蓄电池的老化现象或老化状态或损坏的定性评估，该评估比如通过形容词如“强”、“弱”、“旧”、“新”或者这些形容词从属的指数来进行特征描述。

例如，美国专利US 7072871描述了一种带有自适应组件的、用于确定电池组健康状态的系统。该系统是通过测量大量电化学参数来测试电池的，并使用模糊逻辑来计算电池的健康状态。其中，正如所谓的模糊逻辑具有的特点，电池状态的定性评估如“R-好”、“R-非常好”、“R-差”可以借助所谓的“隶属函数”(德语：(隶属函数))实施，例如，该定性评估(见美国专利US 7072871的附图5B)可以通过内部电阻或其他工作状态变量的数值进行特征描述。美国专利US 7072871的附图5A展示了这种借助了模糊逻辑方法的定性评估的一般原则。

尽管一般来说工作状态的定量评估将具有比定性评估更大的意义，但本发明并没有被限制在这两种方法中的某一种上，而是与这两种方法中的每一种均有关联。对于本发明来说，非常重要的是，基于这些在第一工作状态下的测量值，能够推导出关于蓄电池，也就是说关于电池组或单电池的老化现象的说明或者度量或者度量值。

一般来说，可用于测量的第一工作状态的数量将远小于使用者在特定的应用场景中使用相关的蓄电池的工作状态的数量。对于工作电池组管理来说，它应该允许使用者以尽可能灵活的方式使用电池组，因此这里需要控制，该控制也允许在多个工作状态下进行控制，其中，所述工作状态不存在测量数据。如在上述情况下，当所述控制应当在对蓄电池的老化现象或损坏的评估的基础上进行时，则对这种工作状态进行相应的评估也是必要的，其中，对于所述工作状态而言通过测量进行评估之前是不可能的或者尚未开始进行。

本发明不认为(与一些已知的、部分在说明书前述中提到的方法不同)，必须通过大电流测量确定这样的评估，尽管这种测量并没有被排除在本发明范围之外。但大电流测量对于电池组而言通常比低电流测量的负荷更大；此外它在电池组实际应用中伴随着不可忽视的能量损失，使得在许多情况下希望尽量避免这些大电流测量。

现在本发明假设，关于第二工作状态的这种评估能够通过对第一工作状态评估的插值来确定，其中，在第二工作状态下尚未开始进行测量。按照本发明，插值应当借助于逼近函数进行，其中，所述插值描述了对于任何技术上可能的或者至少对于技术及实际操作相关的工作状态下蓄电池的老化或损坏现象，并且尽可能好地反映第一工作状态的测量评估。

正如许多技术领域的技术人员所公知的，这种逼近函数通常通过误差度量最小化使得与测量数据相匹配，这样就可以将误差，即逼近函数的函数值与第一工作状态的测量值之间的偏差减到最小。在往往看来正确且在许多重要情况下正确的前提条件下，评估是工作状态变量的连续函数，工作状态变量的逼近函数值应当准确地描述在这种工作状态中出现的损坏和老化现象的实际情况，其中所述工作状态变量对应第二工作状态，而且在该工作状态中不存在测量。逼近函数的函数值与测量数据之间的偏差是在确定逼近函数时通过其参数变量来确定的。其中，所述参数要被调整使得所采用的误差度量例如(如果适当加权)偏差平方或类似的误差度量为最小。

凡是不能满足工作状态变量的逼近函数的连续相关性的前提条件的，可以使用被恰当选择的逼近函数类型，其中，所述逼近函数的跃变位置、极点位置或其他类型的奇点通过其参数的恰当选取被确定，使得其十分接近地反映了实际情况。

用于确定数值情况下逼近函数合适的参数值的常用方法有，例如，最小误差平方和的最小化。根据应用情况，对于技术人员而言较先进的方法也是已知的，在这些方法中有可能出现各个测量数据的不同权重，所述权重应当以成比例的方式考虑测量数据的可靠性或误差。在本发明所描述的范围内不对其进行详细解释。具体请参阅数值逼近的大量文献。

技术人员经常基于物理或电化学模型的引入找到逼近函数合适的函数类型，该函数类型包含了电池组或单电池的工作状态变量之间确定的、通常只近似有效的、“合法的”的关系。一个这种“合法”的关系的例子是所谓的Peukert方程(见Vieweg出版的“Handbuch Kraftfahrzeugtechnik(汽车工程手册)”由Hans-Hermann Braess、Ulrich Seiffert编写，参与者Hans-Hermann Braess，第5版，Vieweg-Teubner-Verlag 2007年出版，ISBN3834802220，9783834802224，共923页，例如见第30页)，该方程提供了电池的可提取电量和放电电流之间的经验关系。

原则上非数值评估也可以通过逼近函数插值来实现。这一可能性的基础知识在本发明中也不作详细讨论。这里具体请参阅文献，例如由Lofty A.Zadeh和Janusz Kacprizyk编写的专题著作“Computing with Words inInformation(信息文字计算)”，由出版社Springer于1999年出版，ISBN379081217X，或者参阅由Eliot Ward Cheney编写的专题著作“Introductionto Approximation Theory(逼近理论概论)”、美国数学学会，第2版，AMS书店1998年出版，ISBN 0281813749。

借助于这种逼近函数，电池组系统也能够由多个单电池选择性地根据使用者考虑到电功率或其寿命、个别的需求配置文件构成(“配置”)，通过这种方式，电池组的电池可按合适的方式并联和/或串联连接，其中，使得该电池组系统不会以不经济的方式确定大小(“尺寸过大”)。

此外，电池组管理系统或其中所包括的保护电路可以借助于在上述指定方式中得到的逼近函数来设计，使得该电池组管理系统及其保护电路能够识别那些会让电池组系统的电池有超出平均水平负荷和/或不理想地加速老化的工作状态。

在此基础上，特别是对于电池组可以开发合适的动态计费模式，其中该电池组在有限的时间内以借出的方式出让给使用者，在该计费模式下使用者(“承租者”)需要支付关于损坏或老化的费用，而所述损坏或老化通过电池的使用在电池组上发生作用。因此，该使用者在使用电池时具有较高的灵活性，就好比电池组管理系统或者保护电路简单地断开电池或者限制电池组的使用。换言之，使用者可以自己决定想用哪种方式使用电池组，但如果相应的损坏或提高的老化与他所决定的用途有关，则使用者必须为使用该电池支付较高的费用。

在本发明一个优选的实施例中，提供了一种对用于工作状态评估的电池或由电池组成的电池组的老化或损坏的定量测量。这种定量测量的例子有绝对或相对的剩余寿命、绝对或相对的可用容量或者类似的变量，这些变量均适用于描述蓄电池的老化状态或损坏。该测量结果主要给出在各种工作状态下每单位时间内的老化或损坏，这些测量结果被归入各个工作状态。本发明优选的实施例变量具有以下优点，在遍历一系列电池组状态的过程中、之前或之后，通过对状态特定的老化速率测量进行时间积分，能够确定以通过该状态序列遍历为条件(积分)的电池组或电池的老化或者损坏。这样就可能指导使用者根据电池组老化的后果相应地做出使用计划，并且如有可能，要让用户承担关于由他所计划或执行的使用的成本。

关于用户使用电池组造成电池组老化的后果对使用者进行指导和通知，这也可以在使用过程中自动发生，并且最好是用被编程的应用控制对这些信息进行评估，并运用这些信息优化由使用者指定的目标或者观察边界条件。

根据本发明，控制被优选地设计为，使关于电池或由电池组成的电池组的老化或损坏的定量测量最小化。但也可能这样实现最小化，即找到一个工作状态，在该工作状态下每单位时间内老化率或者损坏率最小，或者比在当前实际采用的工作状态下小。另一种可能性是对随时间积分的、关于蓄电池老化或损坏的测量最小化。这些方法的组合也是可能的。而哪种方法最好则取决于当时的应用场景。

应用场景也可能是其中的蓄电池老化的标准或损坏的唯一最小化(ausschlieβliche Minimierung)无效的应用场景。在这种场景中，最好要优化目标变量，该目标变量除了至少一个关于电池组老化或损坏的定量测量之外，还包括至少一个其他的、电池组工作状态变量的函数。这种复杂的目标变量可以通过例如在控制时注意观察边界条件来获得，这种复杂的目标变量的标准是例如不允许低于或超过一个给定的输出功率的标准。另一方面在其他应用中，也可能出现，待优化的目标变量作为一个组合，其由关于老化或损坏的测量和关于有效功率比如输出功率、剩余电池组容量或类似变量的其他测量组合而成。

在本发明很多实施方式中，电池组工作状态最好通过至少一个工作状态变量，即电池组的电压、电阻、温度、充电电流或放电电流进行特征描述。根据所采用的电池组技术，其他工作状态变量也适合描述蓄电池的工作状态的特征。本发明不限于与锂离子电池或由这种电池组成的电池组有关的应用，而且原则上也可以在其他电池组技术中使用。

在本发明中一些优选的实施方式中，期望这样控制电池组，即使得单节电池可以被控制，比如，被接通或断开。在本发明的这种实施方式中，适宜通过电池组中的单电池的工作状态变量描述电池组状态的特征，使得控制可以设计成，能够依赖于工作状态将单电池从电池组组合里断开或在电池组组合内接通。

为了实现用于控制电池组的工作状态的方法，按照本发明可以提供一个控制设备，该控制设备包括一个处理器和一个存储器。该处理器用于处理控制程序，其中控制程序在工作状态评估的基础上执行对工作状态的控制。此外，逼近函数储存在存储器里，最好是以其参数值的形式储存。

此外，本发明可以通过一种用于配置由电化学电池组成的电池组的方法来实现，在该方法中，在对电池组和/或单电池的工作状态评估的基础上，通过串联和/或并联确定电池的最优组合。该评估可借助逼近函数得到，借助逼近函数通过对关于第一工作状态的测量数据插值确定对第二工作状态的评估。

为了配置电池组，最好采用逼近函数和电子的使用配置文件，其中，电子的使用配置文件已经由使用者进行过确认或者由该用户定义，而且该电子的使用配置文件通过使用者描述了惯用的或预设的应用，从而了解所述应用中的其他参数例如运行时间，以便确定单电池的最佳串联和/或并联。通过这种方式可能能够满足在使用配置文件中用户规定的需求，其中，同时防止电池组面临意外的老化过程或损坏，并且同时避免昂贵的电池组尺寸过大。

在为使用者提供电池组的使用(租赁)时，通常在使用配置文件和约定的合同期限的基础上会明确租赁费(使用费)。现在如果使用者(用户)出现了下面的情况，即使用该电池组于某一工作状态下，电池组以大于合同约定的或者规定的速率老化或损坏，或在合同约定期限结束之前出现老化或损坏，则根据本发明这些老化或损坏都能够被电池组管理识别。使用者现在能决定他是否希望干预保护电路并断开电池组或者将电池组的功率限制在一个无损的水平上；用户也有机会反对在偏离了约定的使用配置文件标准的工作状态下使用时使用费(租赁费)的附加费。由此，使用者有更高的灵活性而且还能够以合同中预设的工作状态使用电池组。

Claims (12)

1.一种用于控制由电化学电池组成的电池组的工作状态的方法，其特征在于，

在工作状态评估的基础上实现对所述工作状态的控制，其中，所述评估是借助于逼近函数得到的，借助所述逼近函数通过对关于第一工作状态的测量数据插值来确定对第二工作状态的评估，其中，对于所述第二工作状态不存在或者存在不完整的关于所述电池组的状况的测量数据，对于所述第一工作状态存在关于所述电池组的状况的测量数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作状态的评估包括至少一个关于在所述工作状态下电池的老化或损坏的定量测量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制被设计为将关于电池的老化或损坏的定量测量最小化。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制优化目标变量，所述目标变量除了至少一个关于电池的老化或损坏的定量测量之外，还包括至少一个关于电池组的工作状态变量的其他函数。

5.如上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，通过工作状态变量，即电压、电阻、温度、充电电流或放电电流中的至少一个对电池组的工作状态进行特征描述。

6.如上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述控制优化目标变量，所述目标变量除了至少一个关于电池的老化或损坏的定量测量之外，还包括电池组的电功率、电池组的预计剩余使用寿命或剩余容量中的至少一个。

7.如上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，采用逼近函数，其中，所述逼近函数是通过对老化测量数据的参数函数的逼近得到的，所述老化测量数据是在待控制电池组的不同的第一工作状态下测量到的。

8.如上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，通过电池组的单电池的工作状态变量对电池组状态进行特征描述，并且所述控制能够依赖于所述单电池的工作状态将所述单电池从电池组组合里断开或在电池组组合内接通。

9.如上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工作状态的评估是借助于非线性逼近函数得到的。

10.如上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工作状态的评估是借助于逼近函数得到的，其中，所述逼近函数的函数模式是由关于电池组的工作状态变量之间的函数关系的物理模型或化学模型给出的或是受这些物理模型或化学模型影响的。

11.一种用于控制由电化学电池组成的电池组的工作状态的设备，该设备包括：

a)一个用于处理控制程序的处理器，其中，所述控制程序在工作状态的评估的基础上执行对所述工作状态的控制，其中所述评估是借助于逼近函数得到的，借助所述逼近函数通过对关于第一工作状态的测量数据插值确定对第二工作状态的评估，以及；

b)一个存储器，用于存储逼近函数的参数值。

12.一种用于配置由电化学电池组成的电池组的方法，其特征在于，在对电池组和/或单电池的工作状态的评估的基础上，通过串联和/或并联确定电池的最优组合，其中，所述评估是借助于逼近函数得到的，借助所述逼近函数通过对关于第一工作状态的测量数据插值确定对第二工作状态的评估。