CN102890245A - 用于确定充电接受能力及为可充电电池充电的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定可充电电池的充电接受容量（I_CA）的方法，将所述电池计算分为预定数量（n）的具有各自最大充电容量（C_i）的间隔（i），其通过电阻（R_i）并联连接，基于邻接电池末端的间隔的充电容量（C₁）和电阻（R₁）确定所述电池的充电接受容量（I_CA）。本发明还涉及一种用于为可充电电池充电的方法。

Description

用于确定充电接受能力及为可充电电池充电的方法

技术领域

本发明涉及用于确定可充电电池的充电接受能力的方法，以及为可充电电池充电的方法。

背景技术

在机动车中，电池用于储存电能。电池为起动机动车的内燃机提供能量，并且在内燃机不运转时同样为必须操作的其他电器提供能量，还在内燃机操作期间为电器提供额外的电能。电池通过内燃机驱动的发电机充电。

为了节约燃料，已知通过回收在制动期间转换的机动车的动能为电池充电，也就是说，将动能转换为电能，这通过在机动车制动期间对发电机的适当的控制实现。为此，已经提出多种方法，用于确保电池的优化使用和能源的优化回收。特别地，已经提出了电池监测系统（BMS），其确定电池瞬时状态（SOC），即当前实际储存的当前最大可储存电量的部分以及瞬时充电容量（健康状态，state of health，SOH），即，当前可以利用的电池的所需容量的部分，以便使用其控制电池的充电。在许多情况下，通过对经过的电流的时间积分满足确定充电SOC的瞬时状态的需要，重新设置可能需要的固定值。可用的充电容量SOH随电池的服务寿命过程下降。例如，从专利文献DE102006001201B4、DE 102007050346A1和DE 102008034461A1已知多种用于在电池监测系统内确定充电状态SOC和充电容量SOH的方法。

特别地，在机动车的制动期间，充电操作的优化控制要求知道瞬时充电接受容量，也就是说，在给定瞬间电池可以接受的最大充电电流。特别地，考虑到广泛用于机动车的铅酸电池，特别地，充电接受容量取决于与之前的充电和放电阶段关联的多个参数，并且所述接受容量不仅由充电状态SOC和/或充电容量SOH确定。

专利文献DE102006042867A1公开了一种用于在预热阶段控制机动车内燃机的方法，在该方法中，为了更快地到达阈值温度，以便适当地操作处理后的废气，当车辆电池的瞬时充电接受容量处于预定值以上时，内燃机的电力负荷暂时增加。为了确定电池的充电接受容量，在电池充电期间，测量当前的充电电流。不确定能被电池接受的最大充电电流。

根据专利文献EP0972328B1，在可充电电池的充电期间，在预定间隔期间充电电流变化，并且电池的充电接受容量由预定间隔中电池的末端电压分布确定。因此，不能确定最大可允许的充电电流，直到在充电操作之后的瞬间开始，在预定时间间隔期间，充电电流的减小引起向电池提供的充电量的进一步减小。由于机动车的制动操作仅仅持续短时间，通常，这使得不可能实现机动车的动能的优化回收。

专利文献US6,441,586B1公开了一种确定电池的充电状态的方法，在该方法中，从在过去的一段时间储存的电池的操作数据中，特别是从电压、电流强度和温度中，生成状态矢量。该状态矢量可以用于预计直到到达规定的电压时电池可以接受的功率；这在专利文献US6,441,586B1表示为“充电接受能力”。为此，确定电池可以接受规定功率的期间。然而，为了以回收机动车的动能为目的达到电池的优化充电，需要知道作为当前可容许的最大充电电流的充电接受能力，这不能由此继续进行。另外，在专利文献US6,441,586B1中描述的模型要求在远超通常用于汽车结构中的控制单元的性能的存储和计算上的支出。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于确定可充电电池的充电接受能力的方法，以及一种用于为可充电电池充电的方法，所述两种方法不具有上述缺点。

通过以下技术方案实现该目的。

本发明提供一种用于确定可充电电池的充电接受容量（I_CA）的方法，将所述电池计算分为预定数量（n）的具有各自最大充电容量（C_i）的间隔（i），其通过电阻（R_i）并联连接，基于邻接电池末端的间隔的充电容量（C₁）和电阻（R₁）确定所述电池的充电接受容量（I_CA）。

进一步地，通过考虑其他间隔（i），特别是所有间隔（i，i=1，...,n）的充电容量（C_i）和电阻（R_i），确定所述电池的充电容量（I_CA）。

进一步地，确定平均充电接受容量（I_CA,avg）。

进一步地，选择间隔（i），使充电容量（C_i）以指数（i）指数递增。

进一步地，考虑瞬时充电状态（SOC）和/或瞬时充电容量（SOH）。

进一步地，考虑测量得出的电池电压（U_batt，meas）。

进一步地，考虑电池温度（θ)。

进一步地，分别在充电期间考虑第一电阻值（R_ci），以及在电池的放电期间考虑第二电阻值（R_di）。

进一步地，所述电池为铅酸蓄电池。

另外，本发明还提出一种为可充电电池充电的方法，使用以上权利要求中的一项所述的方法确定电池的充电接受容量（I_CA），并且调节充电电流和/或充电电压，使充电电流不超过电池的充电接受容量（I_CA）。

在用于确定可充电电池的充电接受能力I_CA的创造性方法的情况下，将电池计算分为预定数量n个具有各自最大充电容量C_i的间隔i，其通过电阻R_i并联连接。在所述类型的计算模型中，从而规定各自的充电容量C_i和电阻R_i，并且使在此显示的等效电路的性能模型化。在该过程中，间隔不需要对应于电池的物理单元。所有充电容量C_i的总和产生电池的总的瞬时充电容量C_batt。根据本发明，基于直接邻接电池末端的间隔的充电容量C₁和电阻R₁，估计可充电电池的充电接受能力I_CA。因此，确定的充电接受能力构成电池的瞬时充电接受能力I_CA,inst。

已经显示，所述模型或所述简单的等效电路构成对很多可充电电池的实际性能的非常好的近似，并且适于确定充电接受能力I_CA。由于在制动期间用于回收机动车的动能的充电操作仅仅持续短短的几秒钟的时间，通常，在这些情况下，瞬时充电接受能力I_CA,inst已经是对可充电电池的充电接受能力I_CA的相对准确的估计。然而，这种估计即使在电池由机动车的内燃机充电的情况下通常也是足够准确的。从而，可以以简单的方式实现对用于回收能量的充电操作的优化控制。

在一种优选的方式中，通过考虑在邻接电池末端的间隔i＝1之后的其他间隔i的充电容量C_i和电阻R_i，确定电池的充电接受能力I_CA。特别地，在该过程中可以考虑所有间隔i＝1,2，...,n。从而，在确定电池的充电接受能力I_CA中可以获得改善的准确性。

另外，优选地确定平均充电接受能力，其构成对于持续时间Δt的充电操作的平均充电接受能力。特别地，时间Δt可以是几秒长，例如，Δt=10秒，这对应于回收机动车动能持续的典型时间段。从而可以在通常情况下获得对充电接受能力的更加改善的估计。

根据本发明的优选实施例，以使充电容量C_i以指数i递增的方式选择间隔i。特别地，在该情况下选择的用于计算模型的间隔不对应于电池的物理单元，而是分别具有较大的以指数i递增的充电容量C_i，也就是说，具有与电池末端愈加间接的连接。在特别的优选实施例中，充电容量C_i以指数i的指数方式增加。已经显示，这能够实现对电池的充电接受能力I_CA的特别准确并且计算简单的估计。

另外，在确定电池的充电接受能力I_CA时，优选地考虑充电瞬时状态SOC和/或瞬时充电容量SOH。可以通过公知方式确定充电瞬时状态SOC和瞬时充电容量SOH，例如，由之前的充电和放电阶段中电池的电流和/或电压。通过考虑充电瞬时状态SOC和/或瞬时充电容量SOH，可以进一步改善对电池的充电接受能力I_CA的估计的准确性。

在有优势的方式中，在确定电池的充电接受能力I_CA时，可以考虑测量的电池电压U_batt，meas和/或测量的电池温度θ。确定的充电接受能力I_CA的准确性也由此得到改善。

根据本发明的另一有优势的实施例，对于每一间隔，分别在充电期间采用第一电阻值，在电池的放电期间采用第二电阻值R_di。通过考虑不同的电阻值，根据流过相关电阻的电流是正电还是负电，准确性可以得到进一步增强。

在优选方式中，上述方法适用于确定铅酸电池的充电接受能力。这些电池例如可以充满（注满）游离形式的酸，铅电极浸入其中，或者包含由玻璃纤维制成的非纺织物（吸收玻璃纤维隔板，absorptive glass mat，AGM）结合的酸。然而，原则上本发明也适用于其他类型的可充电电池。

在用于为可充电电池充电的创造性方法中，使用上述方法确定电池的充电接受能力I_CA，并调节充电电流和/或充电电压，以使充电电流不超过电池的充电接受能力I_CA。在这种情况下，另外，可以出于机动车安全的观点由最高可允许的电压规定充电电压限度，以及由应尽可能地使机动车的驾驶员感受不到由此造成的起伏的这一现实规定车载系统电压充电率的限度，例如在前灯或灯的亮度上。在机动车操作期间，例如，也可能基于确定的电池的充电接受能力I_CA，确定是否只通过在制动期间操作发电机为电池充电，或是否起动机动车的内燃机用于充电。这样的结果是对电池的充电操作的特别有效的控制，特别是对于具有动能回收和/或自动停止-起动系统的机动车（微混合车辆）。

附图说明

下文借助附图以示例方式详细描述本发明，其中

图1示出了基于用于确定电池充电接受能力的创造性方法的实施例的电路图；以及

图2示出了基于用于确定电池的充电接受能力的创造性方法的另一实施例的电路图。

具体实施方式

以下参照本发明示例性实施例描述的现象电池模型来自于电池的计算的、即虚拟的离散化，其通过将电池分成规定数量的间隔，间隔不必与电池的物理单元或板对应。与该模型相对应的电路图如图1所示。

包含不同等式的系统在每一间隔的产生电压U_i，也即：

${\stackrel{\·}{U}}_i=\frac{1}{C_i}(\frac{U_{i-1}-U_i}{R_i}-\frac{U_i-U_{i+1}}{R_{i+1}}),i=1...n$

其中，

U₀=U_batt

U_n+1=0

R_n+1=∞.

在电池末端流动的电流为

$I_{\mathrm{batt}}=\frac{U_{\mathrm{batt}}-U_1}{R_1},$

以及在电池末端的电压为

U_batt=U₁+R₁I_batt

间隔的数量n最好选择成使得一方面，存在足够的间隔以实现具有所需准确性的模型化，另一方面，不存在过多间隔，由此，模型可以借助常用于机动车结构中的控制单元的计算容量，在所需的反应时间内计算实施。已经证实，通常选择例如数量为n=4至n=12之间的间隔是有优势的。通过借助测量的数据优化参数，可以针对每一种给定类型的电池，确定分别不同于单个间隔i的各自的容量C_i和电阻R_i。在此，所有间隔C_i容量的总和等于电池的总充电容量C_batt：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i=C_{\mathrm{batt}}$

下表详细描述针对两种不同类型的电池的典型值为C_i和R_i的示例，具体地，具有酸结合在吸收玻璃纤维隔板（AGM）中的酸的铅酸电池和具有浸入（富液式）游离酸的铅电极的铅酸电池。

表1：典型值为C_i和R_i

为了改进模型，可以确定电池的充电状态SOC，并通过修正纳入模型。通过以下公式确定充电状态SOC：

$\mathrm{SOC}=\frac{Q-Q_{\min }}{Q_{\max }-Q_{\min }}=\frac{1}{C_{\mathrm{batt}}(U_{\mathrm{oc},\max }-U_{\mathrm{oc},\min })}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i(U_i-U_{\mathrm{oc},\min })$

Q是瞬时储存的电荷，Q_min是当最小电压U_oc,min到达开放电路时电池中剩余的电荷，Q_max是当电池以最大电压U_oc,max处于开放电路中时储存的最大电荷，C_batt是电池容量（见上文）。如果这造成与电池监测系统确定的充电状态SOC_BMS的偏离，这种偏离就可以作为附加项H_SOC(SOC_BMS-SOC)引入模型公式，以便进一步改善模型准确性。

另外，为了改进模型，已经由电池监测系统确定的电池的充电容量SOH，可以作为所有间隔的充电容量的修正引入模型。

${\tilde{C}}_i=C_i\·\mathrm{SOH},$

SOH处于0至1之间的范围内。

最后，可以由模型计算电流或电压，并将其与电池末端测量的电流或测量的电压进行比较。这产生可以引入的另一修正H_U(U_batt,meas-U_batt)，以修正单独间隔的电压U_i。

原则上，所有变量可以取决于温度，特别是电阻R_i。例如，决定电阻R_i的温度可以通过以下公式模型化：

R_i(θ)=(a₃θ³+a₂θ²+a₁θ+a₀)R_i

作为示例，可以选择：

α₃=-7.292×10^-7(°C)^-3，α₂=1.509×10^-4(°C)^-2，α₁=-9.869×10^-3(°C)^-1，α₀=1.147；

对于θ₀=20°C的结果是R_i(θ)=R_i。其带来的是，通过测量和考虑电池的温度可以获得进一步改善。

为了给电池充电，在任何情况下必须在电池末端存在电压U_ch，其高于由电池提供的电压U₁。该电压U_ch决定电池接受的瞬时充电电流，也就是说，对于瞬时充电接受能力I_CA,inst：

$I_{\mathrm{CA},\mathrm{inst}}=\frac{U_{\mathrm{ch}}-U_1}{R_1}$

对于简短的充电操作，考虑模型的第一间隔即可。对于持续更长时间的充电操作，需要确定平均充电接受能力I_CA,avg，例如，在时间间隔Δt的平均值。以矢量标记，总结为：

${\tilde{C}}_i=C_i\·\mathrm{SOH}$

R_i＝R_i(υ)

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1\\ {\stackrel{\·}{U}}_2\\ \·\\ \·\\ {\stackrel{\·}{U}}_1\\ \·\\ \·\\ {\stackrel{\·}{U}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{-1}{{\tilde{C}}_1{R}_2}& \frac{1}{{\tilde{C}}_1{R}_2}& 0& 0& ...& 0\\ \frac{1}{{\tilde{C}}_2{R}_2}& \frac{-1}{{\tilde{C}}_2}(\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3})& \frac{1}{{\tilde{C}}_2{R}_3}& 0& ...& 0\\ 0& & ...& & & 0\\ 0...& \frac{1}{{\tilde{C}}_i{R}_i}& \frac{-1}{{\tilde{C}}_i}(\frac{1}{R_i}+\frac{1}{R_{i+1}})& \frac{1}{{\tilde{C}}_i{R}_{i+1}}& ...& 0\\ 0& & & ...& & 0\\ 0& & ...& 0& \frac{1}{{\tilde{C}}_n{R}_n}& \frac{-1}{{\tilde{C}}_n{R}_n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ \·\\ \·\\ U_i\\ \·\\ \·\\ U_n\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{{\tilde{C}}_1}\\ 0\\ \·\\ \·\\ 0\\ \·\\ \·\\ 0\end{array}\right]I_{\mathrm{batt}}$

$+H_{\mathrm{SOC}}({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{BMS}}-\mathrm{SOC})+H_U(U_{\mathrm{batt},\mathrm{meas}}-U_{\mathrm{batt}})$

U_batt＝U₁+R₁I_batt

$\mathrm{SOC}=\frac{1}{C_{\mathrm{batt}}\·\mathrm{SOH}(U_{\max }-U_{\min })}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{C}}_i(U_i-U_{\min })$

$I_{\mathrm{CA},\mathrm{inst}}=\frac{U_{\mathrm{ch}}-U_1}{R_1}$

I_CA,avg＝C_avgU+(C_avgB+D_avg)U_ch，

电池电流I_batt、测量的电池电压U_batt，meas、充电电压U_ch、充电状态SOC_BMS、充电容量SOH和温度θ为输入变量。特别地，电阻值R_i取决于温度。U是具有要素U_i的列矢量，B是具有要素1/C_iR_i的列矢量。B、C_avg和D_avg取决于和和Δt；此处，借助转移矩阵确定C_avg和D_avg。优选地，模型的时间离散形式用于在控制单元中实施模型。用于C_avg和D_avg的相应的矩阵也可以直接来自模型剩余部分的时间离散矩阵。

根据本发明，因此使用了电池的简单现象模型，其允许需要确定的电池状态，并借助测量的变量通过校正得到改善。之后，该模型也用于估计电池的充电接受能力。

在此使用简单模型记录可充电电池，特别是铅酸电池的操作和充电的所有重要程序，尤其是电池储存和输出电能的能力、在以恒定电流或恒定电压充电和放电期间电压和电流的接近指数的性能，以及充电接受能力对时间、充电状态SOC和之前充电和放电操作以及放电和充电之间的时间长度的依赖。另外，根据模型，可以复制电池的充电接受能力对温度的依赖和充电容量(SOH)随着电池使用年限的减少。整个可接受的充电受到限制，但该限制和在充电超出所述限制时发生的气体排出在此情况中不产生任何作用，因为通常电池是在完全充电状态以下操作的。

在创新性模型的发展中，可以根据电流方向采用用于电阻的不同值，即，分别用于充电的第一电阻值R_ci和用于电池放电的第二电阻值R_di。相应的电路图如图2所示。以该方式可以实现模型的准确性的进一步改善。具体地，以该方式，用于充电和用于放电的模型可以记录不同的时间常数。

Claims (10)

1.一种用于确定可充电电池的充电接受容量（I_CA）的方法，其特征在于，将所述电池计算分为预定数量（n）的具有各自最大充电容量（C_i）的间隔（i），其通过电阻（R_i）并联连接，基于邻接电池末端的间隔的充电容量（C₁）和电阻（R₁）确定所述电池的充电接受容量（I_CA）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过考虑其他间隔（i），特别是所有间隔（i，i=1，...,n）的充电容量（C_i）和电阻（R_i），确定所述电池的充电容量（I_CA）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定平均充电接受容量（I_CA,avg）。

4.根据以上权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，选择间隔（i），使充电容量（C_i）以指数（i）指数递增。

5.根据以上权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，考虑瞬时充电状态（SOC）和/或瞬时充电容量（SOH）。

6.根据以上权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，考虑测量得出的电池电压（U_batt,meas）。

7.根据以上权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，考虑电池温度（θ)。

8.根据以上权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，分别在充电期间考虑第一电阻值（R_ci），以及在电池的放电期间考虑第二电阻值（R_di）。

9.根据以上权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述电池为铅酸蓄电池。

10.一种为可充电电池充电的方法，其特征在于，使用以上权利要求中的一项所述的方法确定电池的充电接受容量（I_CA），并且调节充电电流和/或充电电压，使充电电流不超过电池的充电接受容量（I_CA）。

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