CN104169731A - 用于确定电流的方法、蓄电池管理单元、蓄电池和机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定蓄电池在确定的预测时间间隔内的电流、尤其是短路电流的方法。按照本发明的方法包括下列步骤：测量该蓄电池的电压、读出蓄电池状态，并确定微分方程的解，该微分方程借助于等效电路模型描述在预测时间间隔内电流随时间的变化。该微分方程包括蓄电池状态和所测量电压。另外，本发明涉及一种实施该方法的蓄电池管理单元、带有该蓄电池管理单元的蓄电池以及带有该蓄电池或者该蓄电池管理单元的机动车。

Description

用于确定电流的方法、蓄电池管理单元、蓄电池和机动车

技术领域

本发明涉及一种用于确定蓄电池在确定的预测时间间隔内的电流、尤其是短路电流的方法。此外，本发明还涉及被构造用于执行该方法的蓄电池管理单元、带有该蓄电池管理单元的蓄电池以及带有该蓄电池或带有该蓄电池管理单元的机动车。

背景技术

已知的用于锂离子蓄电池系统或者还有燃料单池系统的电流传感器具有有限的测量范围和有限的分辨率。这样的传感器对电流分辨越准确，一般其测量范围也越小。这引起有关实际上流过的电流大小的测量不确定性，例如，设置有与安全有关的组件，诸如，保护装置和保险丝的锂离子蓄电池系统，其寿命在很大程度上取决于它所承受的电流的大小。

然而，在蓄电池系统出故障的情况下出现的电流往往大得使传统的电流传感器不再能够可靠地加以测定。为了保证与安全有关的元件的全部功能，该大电流被假定为最大的损害因素。因此，该元件也许在达到其实际的寿命终点之前就已经被更换。附带地，这样与安全有关的元件在生产方面在没有准确了解在故障情况下出现的电流的情况下往往把规格定得过大。从预申请和公布DE 10 201 1 007 884.3已知一种用于确定蓄电池在预测时间间隔内最大可供使用的常电流的方法。该方法首先确定蓄电池组状态并且接着确定一个微分方程的解，它借助于等效电路模型描述蓄电池状态在预测时间间隔过程中随时间的变化。在确定该微分方程的解时，假设由该蓄电池提供的电流在预测时间间隔内是恒定的。在解该微分方程的过程中，采用待维持的电压极限并且因此确定可供使用的恒电流。

发明内容

按照本发明提供一种用于在确定的预测时间间隔上确定蓄电池的电流、尤其是短路电流的方法。按照本发明的方法包括下列步骤：测量该蓄电池的电压；读出蓄电池状态；以及确定微分方程的解，该微分方程借助于等效电路模型来描述在预测时间间隔过程中电流随时间的变化。该微分方程包括蓄电池组状态和所测量的电压。

蓄电池管理单元被构造用于执行按照本发明的方法。蓄电池包括该蓄电池管理单元。机动车包括与该机动车的驱动系统相连接的该蓄电池或者该蓄电池管理单元。

本发明的优点：

在故障情况下蓄电池中出现的大电流通过已知的电流传感器，只能够进行不准确的确定或者根本无法确定。按照本发明的方法使得能够根据蓄电池的电压响应、尤其是蓄电池的单个蓄电池单池的电压响应来估计大电流、例如短路电流。在蓄电池中所采用的安全性组件，例如保护装置或者保险丝，能够通过较准确地确定电流而设置，能够减小或者避免像现有技术那样把元件规格定得过大。在可能出故障的情况下为谨慎起见至今一般都更换安全组件，但其也许尚未达到其实际寿命终点。因此，按照本发明的方法能够节约不必要的维修和组件成本。另外，该方法还能够用来测定组件的负载。

此外，按照本发明的方法还使安全组件准确的寿命评级成为可能。作为另一个优点，该方法可用来进行蓄电池传感器的可信度检验，尤其是确定电流绝对值或者动态作用。以此能够省去采用价格昂贵的附加的电流传感器。若在蓄电池中使用多个电流传感器，则在这些电流传感器中的一个失效时通过该方法能够确定该多个电流传感器中哪一个是损坏的。

此外，还能够用该方法确定的电流来标定电流传感器、尤其是用来补偿偏置和漂移作用。另外，该方法还能够用来处理传感器的噪声。例如，若该蓄电池的电压不变，然而与用该方法确定的电流相比，电流传感器确定出电流发生变化，则一般存在噪音。因此，该方法还能够用来过滤电流传感器的噪音。另外，该方法还能够用来根据修正后的电流值确定是否超过阈值。

按照本发明一个实施方式，该蓄电池组状态能够包括等效电路模型的多个蓄电池参数，其中该对个蓄电池参数在确定电流的期间内假定是恒定的。

按照另一个实施方式，按照本发明的方法还能够包括：当在蓄电池的电流传感器的测量范围内的可靠的电流测量值是可测得的时，重新确定电流。

按照另一个实施方式，该方法还能够包括步骤：通过把预测时间间隔开始时的电流测量值代入微分方程的通解来确定电流。

按照另一个实施方式，该方法还能够包括步骤：测量蓄电池的温度；以及确定还包括所测量的温度的微分方程的解。该微分方程或该微分方程的解尤其包括所测量的电压和/或所测量的温度。

按照另一个实施方式，该等效电路模型能够包括第一电阻和另一个环节的串联，其中，该另一个环节可以由第二电阻和电容的并联电路形成。另外，能够使用其他等效电路模型。

优选地，该第一电阻、第二电阻和该电容的数值形成蓄电池的参数。

按照一个实施方式，该蓄电池管理单元能够包括控制单元和用于确定和提供蓄电池状态的装置。该控制单元优选被构造用于确定该微分方程的解。

按照一个实施方式，该蓄电池能够包括至少一个锂离子蓄电池。按照本发明的方法尤其能够用于确定该锂离子蓄电池的电流。

附图说明

现将参照附图并在以下的描述中对本发明的实施例作详细的说明。附图中：

图1示出了在按照本发明的方法的一个实施例中使用的等效电路。

具体实施方式

按照本发明的方法基于借助于等效电路模型确定或预测蓄电池或者蓄电池单池的电流、尤其是短路电流。在图1中示出了适用于此的等效电路模型的示例。该等效电路模型在蓄电池状态确定模型10中模拟和实现。它包括欧姆电阻R_s和与电阻R_s串联的另一个环节，其中该另一个环节由欧姆电阻R_f和电容C_f组成，其并联连接并形成RC环节。该元件R_s、R_f和C_f的数值形成等效电路模型的蓄电池参数。在此，该等效电路模型的模拟包括例如蓄电池参数在蓄电池状态确定模型10的数据存储器中的存储。等效电路模型还能够选择性地以任意数目的任意参数的欧姆电阻和RC环节被使用。

为了确定或预测电流随时间的变化，借助于该等效电路模型设置一个微分方程。在此，在每个时刻的蓄电池电压或蓄电池单池电压U_cell作为

U_cell(t)＝U_OCV(t)+U_S(t)+U_f(t)  方程式(1)

给出。在此，U_OCV表示蓄电池的空载电压。电阻R_s上的电压U_s由

U_S＝R_S(SOC(t)，T(t))·I_cell(t)   方程式(2)

算出。在此，电阻R_s取决于蓄电池的充电状态(英文：state of charge)SOC(t)以及该蓄电池的温度T(t)。

在方程式1中列出的电压U_f是RC环节上的电压，并通过下列微分方程的解加以确定：

$C_f(\mathrm{SOC}\left(t\right),T\left(t\right))\frac{d}{\mathrm{dt}}{U}_f\left(t\right)+\frac{U_f\left(t\right)}{R_f(\mathrm{SOC}\left(t\right),T\left(t\right))}=I_{\mathrm{cell}}\left(t\right)$    方程式(3)

t＞t₀并且起始值

该蓄电池的充电状态和温度的改变在计算时间期间小得可以忽略不计。因此，R_S＝常数，R_f＝常数和C_f＝常数，就是说，各自在预测计算时间内假定是恒定的。当前的电压U_f(t)以及元件R_s、R_f和C_f的当前的数值，即蓄电池参数，通过蓄电池状态确定模型10中的模型计算给出。

方程式1中的取决于时间的空载电压U_OCV(t)能够由预测时间间隔开始时的空载电压加上空载电压在预测时间间隔期间的变化近似地算出。

$U_{\mathrm{OCV}}\left(t\right)=U_{\mathrm{OCV}}\left(t_0\right)+{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{OCV}}=U_{\mathrm{OCV}}\left(t_0\right)+\mathrm{\ΔSOC}\left(t\right)\frac{{\∂U}_{\mathrm{OCV}}}{\∂\mathrm{SOC}}$   方程式(4)

方程式(4)中包含的充电状态差按下式计算

$\mathrm{\ΔSOC}\left(t\right)={\∫I}_{\mathrm{cell}}\mathrm{dt}\·\frac{100}{3600\·\mathrm{chCap}}$   方程式(5)

在此，chCap表示蓄电池总容量。另外，方程式(4)包括一个与取决于充电状态的增量项该增量项是空载电压对充电状态的偏导数并能够一次算出并作为特性曲线贮存在蓄电池管理单元中或者必要时从已知的特性曲线U_OCV(SOC)算出。

按简化写法定义为τ_f＝C_fR_f。若改写方程式(3)并代入简化条件，则获得一个改写后的微分方程(6)。

${\stackrel{\·}{U}}_f\left(t\right)=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_f}{U}_f\left(t\right)+\frac{1}{C_f}{I}_{\mathrm{cell}}\left(t\right)$

$\∀t>t_0\mathrm{und}{U}_f\left(t_0\right)=U_f^0$   方程式(6)

在下一步骤中方程式(6)能够借助于方程式(1)和(2)概括和改写为方程式(2’)。

U_f＝U_cell-U_OCV-R_SI_cell  方程式(2，)

方程式(4)和方程式(5)概括和改写为方程式(4’)，

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{OCV}}=\frac{{\∂U}_{\mathrm{OCV}}}{\∂\mathrm{SOC}}\·\frac{100}{3600\·\mathrm{chCap}}\·I_{\mathrm{cell}}$   方程式(4’)

其中带入进一步的简化方式

$\mathrm{\λ}=\frac{{\∂U}_{\mathrm{OCV}}}{\∂\mathrm{SOC}}\·\frac{100}{3600\·\mathrm{chCap}}$

在考虑方程式(4’)的情况下把U_f的关系方程式(2’)代入微分方程(6)两侧，便获得方程式(7)

$\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_f}{U}_{\mathrm{cell}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cell}}=R_S\·{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cell}}+(\mathrm{\λ}+\frac{R_f+R_S}{{\mathrm{\τ}}_f})\·I_{\mathrm{cell}}+\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\τ}}_f}{\∫I}_{\mathrm{cell}}\mathrm{dt}$   方程式(7)

为了从方程式(7)获得关于电流I_cell的微分方程，方程式(7)时间对求导推出方程式(8)

$R_S\·{\stackrel{\·\·}{I}}_{\mathrm{cell}}+(\mathrm{\λ}+\frac{R_f+R_S}{{\mathrm{\τ}}_f})\·{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cell}}+\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\τ}}_f}\·I_{\mathrm{cell}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_f}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cell}}+{\stackrel{\·\·}{U}}_{\mathrm{cell}}$   方程式(8)

电压测量值U_cell(t)及其导数和通过测量给出。所得微分方程(8)是线性的、非齐次的并具有恒定的系数。

该微分方程的解

为了解出该微分方程(8)，首先根据特性多项式形成一个齐次形式的基础组。

{exp(-m₁t)，exp(-m₂t)}

                    方程式(9)

特性多项式的系数算出为

$\begin{array}{c}{m}_1=\frac{\mathrm{\λ}+\frac{R_S+R_f}{{\mathrm{\τ}}_f}}{2R_S}-\sqrt{\frac{{(\mathrm{\λ}+\frac{R_S+R_f}{{\mathrm{\τ}}_f})}^2}{4R_S^2}-\frac{\mathrm{\λ}}{R_S{\mathrm{\τ}}_f}}\\ m_2=\frac{\mathrm{\λ}+\frac{R_S+R_f}{{\mathrm{\τ}}_f}}{2R_S}+\sqrt{\frac{{(\mathrm{\λ}+\frac{R_S+R_f}{{\mathrm{\τ}}_f})}^2}{4R_S^2}-\frac{\mathrm{\λ}}{R_S{\mathrm{\τ}}_f}}\end{array}$   方程式(10、11)

借助于常数的解法变型，控制单元12首先确定微分方程(8)的非齐次形式的特解方程式(12)

I_S(t)＝c₁(t)exp(-m₁t)+c₂(t)exp(-m₂t)   方程式(12)

其中线性方程组

$\begin{array}{c}{\stackrel{.}{c}}_1\left(t\right)\exp (-m_{1}t)+{\stackrel{\·}{c}}_2\left(t\right)\exp (-m_{2}t)=0\\ -m_1{\stackrel{\·}{c}}_1\left(t\right)\exp (-m_{1}t)-m_2{\stackrel{\·}{c}}_2\left(t\right)\exp (-m_{2}t)=\mathrm{\ψ}\end{array}$

                               方程式(13，14)

具有缩写形式

$\mathrm{\Ψ}=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_f}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cell}}+{\stackrel{\·\·}{U}}_{\mathrm{cell}}}{R_S}$    方程式(15)

对于该常数得出

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{c}}_1\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Ψexp}\left(m_{1}t\right)}{m_2-m_1}\\ {\stackrel{\·}{c}}_2\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Ψexp}\left(m_{2}t\right)}{m_2-m_1}\end{array}$

               方程式(16，17)

并以此在时间恒定Ψ的假定下

$I_S=\frac{\mathrm{\Ψexp}\left(m_{1}t\right)}{m_1(m_2-m_1)}\exp (-m_{1}t)-\frac{\mathrm{\Ψexp}\left(m_{2}t\right)}{m_2(m_2-m_1)}\exp (-m_{2}t)=\frac{\mathrm{\Ψ}}{m_1{m}_2}$   方程式(18)

若假定ψ不是时间恒定的，则

$I_S=\frac{\mathrm{\Ψexp}\left(m_{1}t\right)}{m_1(m_2-m_1)}\exp (-m_{1}t)-\frac{\mathrm{\Ψexp}\left(m_{2}t\right)}{m_2(m_2-m_1)}\exp (-m_{2}t)=\frac{\mathrm{\Ψ}}{m_1{m}_2}$

                                          方程式(18’)

在该控制单元12中根据预先已知的初始条件确定微分方程(8)的总解。微分方程(8)的非齐次形式的通解为

I_cell(t)＝μ₁exp(-m₁t)+μ₂exp(-m₂t)+I_S   方程式(19)

借助于两个初始条件，例如I_cell(0)＝I₀和算出参数μ1、μ2。在Ψ恒定的条件下，比较方程式18可以算出该参数为

$\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_1=\frac{m_2{I}_0+{\stackrel{\·}{I}}_0}{m_2-m_1}\\ {\mathrm{\μ}}_1=\frac{m_1{I}_0+{\stackrel{\·}{I}}_0}{m_2-m_1}\end{array}$   方程式(20，21)

以此，便得到微分方程方程式(8)的解

$I_{\mathrm{cell}}\left(t\right)=\frac{e^{-m_{1}t}}{m_2-m_1}(m_2{I}_0+{\stackrel{\·}{I}}_0+{\∫}_0^t\mathrm{\Ψ}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{m_1\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ})-\frac{e^{-m_{2}t}}{m_2-m_1}(m_1{I}_0+{\stackrel{\·}{I}}_0+{\∫}_0^t\mathrm{\Ψ}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{m_{2}t}\mathrm{d\τ})$

方程式(22)

一旦存在可靠的电流值I₀或，即在传统电流传感器的一个有限的测量范围内的电流值，则该控制单元12便能够借助于微分方程的解方程式(22)在一个确定的预测时间间隔t内确定电流I_cell(t)。为此该蓄电池状态确定模型10提供必要的蓄电池状态。蓄电池管理单元包括蓄电池状态确定模型10和控制单元12。

能够测量在计算中同样产生影响的蓄电池电压U_cell(t)及其导数。在存在另一个可靠的电流值时重复U_cell(t)的确定，以便例如能够确定在蓄电池或者蓄电池单池中突然急剧上升的电流，例如短路电流。

Claims (12)

1.用于在确定的预测时间间隔上确定蓄电池的电流、尤其是短路电流的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

测量所述蓄电池的电压；

读出蓄电池状态；以及

确定微分方程的解，所述微分方程借助于等效电路模型来描述在所述预测时间间隔的过程中所述电流随时间的变化，所述微分方程包括所述蓄电池状态和所测量的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蓄电池状态包括所述等效电路模型的多个蓄电池参数，其中，所述多个蓄电池参数在确定所述电流的期间内假定是恒定的。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：

当在所述蓄电池的电流传感器的测量范围内的可靠的电流测量值是可测得的时，重新确定所述电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：

通过把所述预测时间间隔开始时的所述电流测量值代入所述微分方程的通解来确定所述电流。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：

测量所述蓄电池的温度；以及

确定还包括所测量的温度的微分方程的解。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述等效电路模型包括第一电阻(R_s)和另一个环节的串联电路，其中，所述另一个环节由第二电阻(R_f)和电容(C_f)的并联电路形成。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一电阻(R_s)、所述第二电阻(R_f)和所述电容(C_f)的数值形成蓄电池参数。

8.蓄电池管理单元，其被构造用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

9.根据权利要求8所述的蓄电池管理单元，其包括

蓄电池状态确定模型(10)，其用于确定和提供蓄电池状态；以及

控制单元(12)，其被构造用于确定微分方程的解。

10.一种蓄电池，其具有根据权利要求8或9中任一项所述的蓄电池管理单元。

11.根据权利要求所述10的蓄电池，其中，所述蓄电池包括至少一个锂离子蓄电池。

12.一种机动车，其具有根据权利要求10或者11中任一项所述的蓄电池，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动系统相连接，或者所述机动车具有根据权利要求8或9中任一项所述的蓄电池管理单元。