CN104335057B - 用于确定电池的实际容量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用特征曲线族确定电池的实际容量的方法和设备，其中，在放电过程开始时确定电池的起始电压(U开始)、放电电流强度和电池温度，由此通过与特征曲线族中存在的数据相比较来选出特征曲线并且确定电池的起始状态，在放电过程结束时，测量电池的结束电压(U测量)，将该结束电压(U测量)与根据选出的特征曲线所预期的在放电结束时的预期电压(U预期)相比较，如果结束电压(U测量)小于基于充电过程所预期的预期电压(U预期)，则判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。

Description

用于确定电池的实际容量的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种使用电池特征曲线来确定电池的实际容量的方法和设备。
背景技术
在使用电池(可充电电源、二次电池或蓄电池)作为驱动车辆的唯一能源或与内燃机同时使用的能源的机动车(电动车辆、混合动力车辆)中，电池的容量对于在电池不重新充电的情况下机动车所能行驶的续驶里程至关重要。
随着使用年限和/或充放电周期次数的增加，从例如目前可用的锂离子蓄电池中所能够取得的能量——也就是所能够取得的电流量会减少已经是公知的事实。
对于这种在口语中常被称作老化、以电池在充放电运行(常规使用)中的特性改变或者随时间老化为特点的容量损耗，目前的确定并不充分。
已知的用于确定容量损耗的方法要么非常复杂并且/或者难以参数化(例如在阻抗测定方面)，要么就是所使用的老化模型并不全面或充分参数化，这会给计算造成巨大偏差。
简单的方法通常具有的缺点是：重要的参数(例如在电池的寿命和使用中变化的消耗功率或效率)不能被考虑或不能简单地确定。
因此，不能在连续或标准运行中以简单的方式对当前的能量含量、也就是实际可供使用的电流量作出专门推断。因为电池容量会因为老化特性而降低，而在未对实际的电池容量进行准确更新(或更正)的情况下，对可用性的推断会出现错误或者不准确。
许多已知的用于确定电池当前容量的方法都需要确定电池的荷电状态(State ofCharge,SOC)——其基于对电池的开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)的测量，以及要求测量在两个荷电状态之间所取得的电流量。
因此，例如EP 1 314 992 A2描述了一种设备和方法，其用于为驱动电动车的蓄电池确定容量，其中借助于在空载状态下的开路电压来确定蓄电池的第一荷电状态和蓄电池的第二荷电状态，由在这两个荷电状态之间所流出的放电率量来确定蓄电池的实际容量。
DE 10 2007 037 041 A1公开了一种方法和设备，其利用已存储的电池模型来识别酸电池的电池状态。其中以特征曲线的形式记录了酸电池的开路电压与可从电池获得的电荷的关系。确定描述由电池老化和电池的酸层引起的电池容量损耗的第一参数。另外，确定关于特征曲线斜率信息的第二参数。另外，参照第一和第二参数对所存储的特征曲线进行匹配。
根据该公开文本，通过确定开路电压-安培小时-特征曲线来确定可由酸电池取得的能量和实际容量。与无酸层的新电池相比，在电池老化时，该特征曲线平行地上移，而当电池带有酸层时，该特征曲线的斜率变大。该开路电压-安培小时-特征曲线可以通过在放电前后测量电池开路电压而得出。然后在使用实际确定的电压-安培小时-特征曲线的情况下对所存储的特征曲线进行匹配。
DE 10 2010 006 965 A1描述了一种用于为车辆的电池确定电池特征曲线的至少一个区域的方法，其中由所测得的电池参数确定电池的当前荷电状态，由所测得的电池参数与在参照所确定的荷电状态的情况下由标准-电池特征曲线确定的标准值之间的差确定出一偏差值，并通过将该偏差值添加到标准电池特征曲线上来确定新的电池特征曲线的至少一个区域。
根据该公开文本，通过测量电池在不同的荷电状态下经过较长时间的静止阶段后的空载电压来确定当前的电池特征曲线。根据在给定荷电状态下对各个开路电压的比较或者根据在给定开路电压下对各个电池特征曲线的比较来确定当前的电池特征曲线(怠速电压-当前荷电状态-特征曲线)与“标准-电池”的电池特征曲线的偏差。
JP 2002-243 813 A公开了一种计算单元，该计算单元基于在积分开始时间点和积分结束时间点上的空转电压，由蓄电池的关于时间积分的放电率得出蓄电池的荷电状态的变化，以及空转电压与蓄电池荷电状态之间的校正值。此外该计算单元还在放电率值的积分基础上计算出蓄电池随时间下降的容量，放电率值的积分是以放电率和荷电状态变化为基础计算出来的。此外，计算单元还在蓄电池的随时间下降的容量和最初容量的基础上计算容量下降率。
DE 39 10 904 A1涉及一种用于监测可充电的封闭式电池的荷电状态的方法，其中在给电池充电后——在至少充电一次后——测量端电压UKL并将其作为开路电压U0储存，其中在不同的时间点上测量在接线端处的瞬时电压Uti，并根据开路电压U0与瞬时电压Uti之间的偏差来确定放电状态。
由这些公开文本大致可以概括出：在所有上述方法和设备中的测量都需要电池的开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)。这种开路电压虽然足够精确，但是却仅能够在放电过程结束后经过相当长的时间后才能够测量出。所以例如从EP 1 314 992 A2的图6可知，在充电过程结束后，在电压达到静止值之前，可能需要高达3000秒、也就是高达50分钟的静止阶段。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于确定电池的实际容量的方法和设备，由此克服现有技术的所述缺陷。
所述目的和更多的优点由根据权利要求1的方法和根据权利要求8的设备得以实现。从属权利要求涉及的是本发明具有优点的改进方案。
根据本发明的方法利用特征曲线族来确定电池实际容量，在放电过程开始时确定电池的起始电压U开始、放电电流强度和电池温度，由此通过与特征曲线族中存在的数据相比较来选出一条特征曲线并且确定电池的起始状态。在放电过程结束时，测量电池的结束电压U测量，将该结束电压U测量与根据选出的特征曲线所预期的在放电结束时的预期电压U预期相比较，如果结束电压U测量小于基于充电过程所预期的预期电压U预期，则判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
根据本发明的方法的突出之处在于：不需要测量开路电压(Open CircuitVoltage,OCV)来评估电池的老化状况，该方法由于不需要特别的测试方法和步骤，并且不以复杂的参数和/或模型为基础，所以可以用于常规的使用目的并且简单易用。因此通过根据本发明的方法可以在持续运行中以简单的方式对电池的当前能量含量作出专门推断。由于电池实际容量通过根据本发明的方法得到准确更新或更正，所以还可以对电池的实际可提供的电流量作出准确推断。
根据本发明的第一种具有优点的改进方案，通过以下方式对电池的实际容量进行确定：使上述的各步骤按规定的顺序被依次重复多次，并且对所确定的、在结束电压U测量与预期电压U预期之间的差进行分析。
同样有利的是，在根据本发明的方法中，在使上述的各步骤被依次执行至少五次后，对电池的实际容量进行确定。
为了确定电池的实际容量，可以以有利的方式采取例如如下措施：在二维坐标系中参照时间与所取得的电量相关地记录下电池的起始电压U开始和结束电压U测量，并参照时间与所取得的电量相关地记录下预期电压U预期，确定起始电压U开始与结束电压U测量之间的连线的斜率以及起始电压U开始与预期电压U预期之间的连线的斜率，确定这两条连线的斜率之间的差或这两条连线之间的角度这样确定的值可以用于确定实际容量。
当然，刚才所述的方法——以及在此公开的所有其他方法——在实践中能够并且已经可以借助于计算单元和有关的数字式数据或数字化数据来实施。
由于确定出电池实际容量的降低例如对于电动车辆或混合动力车辆的能量管理至关重要，并且由于实际的容量例如被应用于续驶里程预测，所以根据本发明的另一种有利的改进方案提出，如果对实际容量进行确定的结果是实际容量与新电池相比降低，则在储存装置中存储经降低的标称容量、可得容量、可提供的容量和/或实际容量。
这样存储的值例如被提供给其他装置以供其他的计算和/或评估使用，并且可以例如从储存装置中读取。
有利的是，如果对实际容量进行确定的结果是实际容量与新电池相比降低，则在通过数学公式表达的特征曲线族和/或在通过数学公式表达的特征曲线使标称容量、可得容量和/或可提供的容量的数值降低一可预先规定的值。
出于系统稳定性的原因有利的是，并不将所确定的所有实际容量的变化都计算在内，而是仅描述沿相应的变化方向的匹配。因此有利的是，所确定的实际容量的降低并非完全地被用于确定标称容量、可得容量和/或可提供的容量。
本发明还包括用于确定电池的实际容量的设备，其包括储存装置、电压测量装置、电流测量装置、温度测量装置、计算单元以及可在计算单元中执行的计算机程序，其中储存装置设置用于储存电池的至少一个特征曲线族，电压测量装置设置用于至少测量在放电过程开始时的电池起始电压U开始和在放电过程结束时的电池结束电压U测量，电流测量装置设置用于至少测量电池的放电电流的强度，温度测量装置设置用于测量至少一个电池部件的温度，计算单元以及在计算单元上运行的计算机程序设置用于：在考虑到起始电压U开始、结束电压U测量和根据所选出的特征曲线预期的预期电压U预期的情况下以如下方式确定电池的实际容量：如果结束电压(U测量)小于在放电过程基础上所预期的预期电压(U预期)，则则判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
根据本发明的设备还设置用于能够执行上述任一方法。根据本发明的设备的这种适用于执行所有根据本发明的方法的设计方案是本领域技术人员基于其知识所能知晓的或者是能够通过少数实验轻易确定的。
附图说明
下面借助附图对本发明进行详细说明。
附图中：
图1示出一图表，其中示出若干条位于电池的特征曲线族中的特征曲线；
图2示出一图表，其中示出与所取出的电荷量相关的电池电压关于时间的实际曲线，和基于所选出的特征曲线所预期的相应的电压曲线，
图3示出类似于图2的图表，但是记录了在U开始与U测量之间以及在U开始与U预期之间的连接直线。
具体实施方式
附图中的这些图表都是纯示意性的，并非按照比例绘制。
下面所述的实施例对本发明的优选实施方案进行说明。本发明当然并不局限于这些实施方式。
在下面的说明中，对下述术语分别给出如下定义：
标称容量：根据制造商的说明可以取得的电流量，在标准温度和基准电流下规范(也称作额定容量)；
可得容量：根据温度和电流强度可实际取得的、随电池/蓄电池技术而大小不同的电流量；
可提供的容量：在标准温度和基准电流强度下测得的容量；用于评估与标称容量的偏差；
实际容量：根据温度和电流强度可实际取得的容量。
图1所示的图表示出了在给定温度下以不同电流强度放电时电池的电压曲线以及开路电压U0的大致曲线。
在图表中标出的I20表示针对标称容量的20小时放电率。如从图表中可见，随着电流强度的升高(即I20成倍升高)，电池的起始电压(电位)降低。同时，在电流强度较高时，可得的电流量降低。另一种关系在于与电池温度的关系。简而言之，温度越低，则放电量越少，电池电压越低。
借助于这一知识或者通过测量可以生成或产生一个特征曲线族，在此在考虑到放电电流强度、温度和电池的可得容量的情况下生成或产生各特征曲线。
在特征曲线族的基础上，可以在考虑到放电电流强度和温度的情况下判断电池状态。可以评估电池的当前状态，可以估计可取得的电量，并在考虑到实际取得的电量的情况下，通过将实际的电压曲线与根据所选出的特征曲线所期待的电压曲线相比较来评价电池的老化状况。
因此根据本发明并不需要判断电池是否处于静止状态。
图2和图3的图表分别示出与所取出的电量△Q相关的、电池电压U关于时间t的实际曲线，和根据所选出的特征曲线所预期的相应电压曲线。如图表所示，在时间t的变化过程中假设存在基本恒定的电流强度Iela。
根据本发明，根据电池的起始电压U开始、放电电流强度和电池温度从特征曲线族中选出特征曲线相关的特征曲线。
在放电过程结束时，测量电池的结束电压U测量，将结束电压U测量与根据所选择的特征曲线预期的、在放电结束时的电压U预期相比较。对于图2和图3所示的在放电过程结束时结束电压U测量小于预期电压U预期的情况，可以判定：电池的实际容量小于在放电过程开始时假设的可得容量。
为计算实际容量或者为计算实际容量相对于标称的、可得的和/或可提供的容量的减少量，可以采用已知的经验值或计算方法。
如图2和图3所示，可以在二维坐标系中——在使用计算单元的情况下使该二维坐标系对应于二维数组——记录与所取得的电量相关的、电池起始电压U开始和结束电压U测量关于时间的曲线，以及与所取得的电量相关的预期电压U预期关于时间的曲线。
在根据本发明的方法中，在放电过程开始时测量起始电压U开始。由于这还与放电电流强度有关，所以“开始时”应理解为，在必要的情况下在放电过程开始时等待足够长的时间(例如1、2、4、6、8、10、15、30秒；1、2、3、4、5分钟)，直至出现“稳定的”起始电压为止。本领域技术人员已知的是：在“稳定的”起始电压出现前的时长与放电电流强度相关，即在低电流强度下(例如在约1×l20至约5×l20的范围内)，时长在分钟的量级内，而在高电流强度下(例如约10×l20以上的区域内)，小于1分钟的时长就足够了。
由于通常在放电过程中并不知道放电过程的何时结束，所以当然可以在放电过程中持续地或者以预先规定的时间间隔测量电池的电压。如果放电过程结束，那么将在放电过程中最后测量到的电压作为结束电压U测量。
如图2和图3所示，可以将在考虑到所使用的特征曲线的情况下所确定的在U测量与U预期之间的差用于评估电池的老化状况。
以图3所示为例，可以确定起始电压U开始和结束电压U测量之间的连线的斜率以及起始电压U开始和预期电压U预期之间的连线的斜率，可以确定这两个连线的斜率之间的差或者这两个连线之间的角度并将其用于确定实际容量。
如果例如图3所示的角度超出了可预先规定的阈值，那么通过老化评估可以将可得容量减少一特定的值，或者在“较小”电池的基础上计算可提供的容量。
根据本发明，对电池的实际容量的确定不应该仅基于一次的测量，而是应该多次、优选至少5次或者更频繁(如6、7、8、9、10、11、12、14、15次)连续重复测量，并且对U预期－U测量的偏差或者角度进行评估。之所以要这样，是因为所要确定的数值大小可能被很多参数影响，并且通过足够多次的重复和对所确定的测量结果的相应评估(例如形成平均值)，可以充分准确接近电池实际存在的老化状况。通常适用的是，随着测量次数的增加，在判断电池的老化状况方面的精度也随之增加。
出于系统稳定性的原因，通常还有利的是，并不将所确定的所有实际容量的减小量都用于对标称的、可得的和/或可提供的容量的计算，而是仅沿相应的变化方向进行匹配。那么例如可以将所确定的实际容量的减小量乘以可预先规定的小于1(例如0,9；0,8；0,75；0,6；0,5)的系数并将由此得到的所确定的实际容量的减小量的一小部分用于评估或计算。
如果用数学公式表示所使用的特征曲线族或者所使用的特征曲线，那么例如可以将标称的、可得的和/或可提供的容量的大小减少一规定的Delta。
电池的老化以及由此带来的可提供的容量的变化并不是随机引入的，而是逐渐变化的参量。由此，例如可以使根据本发明的方法连续地重复、以可预先规定的时间间隔重复和/或在经过可先规定的充放电过程次数后重复。
根据本发明的方法可以应用于常规使用目的中，使用简单，无需特别的测试程序或步骤，并且不以复杂的参数和/或模型为基础。因此通过根据本发明的方法可以在持续运行中以简单的方式对电池的当前的能量含量进行专门推断。由于根据本发明的方法能够对实际的电池含量进行准确更新或更正，所以可以对电池的实际可提供的电量进行准确推断。根据本发明的方法还具有的优点是，可以不依赖于电池技术被使用，并且无需电流时间积分(Ah-Integration)。

Claims (9)

1.一种在电池的持续运行中利用特征曲线族确定电池的实际容量的方法，该特征曲线族的特征曲线在考虑到放电电流强度、温度和电池的可得容量的情况下生成或产生，其中，
在放电过程开始时确定电池的起始电压(U开始)、放电电流强度和电池温度，
由此通过与特征曲线族中存在的数据相比较来选出特征曲线并且确定电池的起始状态，
在放电过程结束时，测量电池的结束电压(U测量)，
将该结束电压(U测量)与基于选出的特征曲线所预期的在放电结束时的预期电压(U预期)相比较，
如果结束电压(U测量)小于基于放电过程所预期的预期电压(U预期)，则判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式对电池的实际容量进行确定：使根据权利要求1所述的各步骤按规定的顺序被依次重复多次，并且对所确定的、在结束电压(U测量)与预期电压(U预期)之间的差进行分析。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在使根据权利要求1所述的各步骤被依次执行至少五次后，对电池的实际容量进行确定。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其中，在二维坐标系中参照时间与所取得的电量相关地记录下电池的起始电压(U开始)和结束电压(U测量)，并参照时间与所取得的电量相关地记录下预期电压(U预期)，确定起始电压(U开始)与结束电压(U测量)之间的连线的斜率以及起始电压(U开始)与预期电压(U预期)之间的连线的斜率，确定这两条连线的斜率之间的差或这两条连线之间的角度并用于确定标称容量、可得容量、可提供的容量和/或实际容量。
5.根据权利要求1-3之一所述的方法，其中，如果对实际容量进行确定的结果是实际容量与新电池相比降低，则在储存装置中存储经降低的标称容量、可得容量、可提供的容量和/或实际容量。
6.根据权利要求1-3之一所述的方法，其中，如果对实际容量进行确定的结果是实际容量与新电池相比降低，则在通过数学公式表达的特征曲线族和/或在通过数学公式表达的特征曲线中使标称容量、可得容量和/或可提供的容量的数值降低一可预先规定的值。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所确定的实际容量的降低并非完全地被用于评估标称容量、可得容量和/或可提供的容量。
8.一种用于在电池的持续运行中确定电池的实际容量的设备，包括储存装置、电压测量装置、电流测量装置、温度测量装置、计算单元以及可在计算单元中执行的计算机程序，其中，
储存装置设置用于储存电池的至少一个特征曲线族，或储存装置中存储有电池的至少一个特征曲线族，该特征曲线族的特征曲线是在考虑到放电电流强度、温度和电池的可得容量的情况下生成或产生的，
电压测量装置设置用于至少测量在放电过程开始时的电池起始电压(U开始)和在放电过程结束时的电池结束电压(U测量)，
电流测量装置设置用于至少测量电池的放电电流的强度，
温度测量装置设置用于测量至少一个电池部件的温度，
计算单元以及在计算单元上运行的计算机程序设置用于：在考虑到起始电压(U开始)、结束电压(U测量)和根据所选出的特征曲线预期的预期电压(U预期)的情况下以如下方式确定电池的实际容量：如果结束电压(U测量)小于基于放电过程所预期的预期电压(U预期)，则判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
9.根据权利要求8所述的设备，该设备设置用于执行根据权利要求2至7中任一项所述的方法。
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