CN104364667A - 用于确定蓄电池模块的损耗状态的方法、蓄电池管理系统、多相蓄电池系统和机动车 - Google Patents

用于确定蓄电池模块的损耗状态的方法、蓄电池管理系统、多相蓄电池系统和机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定蓄电池模块(130)的损耗状态的方法，该蓄电池模块(130)包含至少一个蓄电池单池，例如锂离子蓄电池单池，如其应用在电动车辆或混合动力车辆的牵引蓄电池(140)中，即应用在具有至少部分或有时电驱动的车辆中。该方法包括根据测量电流强度确定欧姆内阻。该蓄电池模块(100)能够与至少一个另外的蓄电池模块(100)串联地电地正向地或负向地连接或与该至少一个另外的蓄电池模块(100)电地分离。该方法的特征在于，该方法包括分离该蓄电池模块(100)且测量断开的电流环路中分离的蓄电池模块(100)的多个电流强度。在此确定损耗状态不损害该至少一个另外的蓄电池模块(100)的其他应用。

Description

用于确定蓄电池模块的损耗状态的方法、蓄电池管理系统、多相蓄电池系统和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于确定蓄电池模块的损耗状态的方法，该蓄电池模块包括至少一个蓄电池单池，例如锂离子蓄电池单池，如其应用于电动车辆或者混合动力车辆的牵引蓄电池中，即应用在具有至少部分地或者有时电驱动的车辆中。在此本发明还涉及一种机动车和一种蓄电池管理系统。
背景技术
由于优化的存储容量、更频繁的再充电性和更高的能量密度，蓄电池得到越来越广泛的使用。具有更小的能量存储容量的蓄电池例如为小的便携电子设备，如移动电话机、笔记本电脑、摄像机之类所使用，而具有更高容量的蓄电池被用于作为运行混合动力车辆或者电动车辆等的能量源或者作为静态蓄电池。
蓄电池例如能够通过串联连接的多个蓄电池模块来构造，其中也有部分蓄电池模块并联连接且这些蓄电池模块能够由串联和/或并联连接的多个蓄电池单池组成。
多相蓄电池系统尤其适用于驱动混合动力车辆或者电动车辆的发动机，其也被称作蓄电池直接逆变器(BDI)。多相蓄电池系统包括至少两个并联连接的蓄电池模块线路，每个蓄电池模块线路包括一个或者多个串联连接的蓄电池模块。在此这些蓄电池模块具有耦合单元且在其帮助下能够单独地电连接和电分离，同时可以在正极连接和负极连接之间进行选择。在此通过相应地连接和分离模块能够使用该多相蓄电池系统，以产生多个相互相位延迟的交流电压。在相应的设置中例如能够使三个正弦曲线相接近且产生相互相位延迟的交流电压特征，这些交流电压特征能够直接用于驱动电动发动机或者混合动力发动机。
蓄电池管理系统被用于蓄电池管理，例如用于对多个模块的基本控制，用于提高蓄电池的安全性，用于提高效率和用于延长多个蓄电池模块以及由多个蓄电池模块构成的蓄电池系统的使用寿命。蓄电池管理系统的一个任务是确定蓄电池模块的当前状态。在此为此所使用的信息有例如阻抗、蓄电池模块或者包含在蓄电池模块中的多个蓄电池单池的欧姆电阻，其中阻抗取决于多个蓄电池单池的充电状态、温度和老化程度。
根据现有技术进行附属的蓄电池的正常运行以外的测量。例如在ISO 12405中提出，以秒范围内的时间间隔为待测试的蓄电池施加脉冲状的充电电流和放电电流且测量电流脉冲前或后的蓄电池上的电压。于是得出该阻抗为所测的电压差与电流脉冲的强度的比例。
发明内容
根据本发明提出了一种根据权利要求1的用于确定蓄电池模块的损耗状态的方法。该方法包括根据多个电流强度的测量确定欧姆内阻，其中该蓄电池模块与至少一个另外的蓄电池模块串联地电正向或者负向连接地或能够与至少一个另外的蓄电池模块电地分离。该方法的特征在于，该方法包括分离蓄电池模块和测量所分离的蓄电池模块的多个电流强度。
在此通过确定蓄电池模块的损耗状态不会损害该至少一个另外的蓄电池模块的其他应用。
因此在一个实施方式中执行该方法，在使用蓄电池模块和该至少一个另外的蓄电池模块时蓄电池模块被分离以产生交流电压。
该方法能够包括电的阻抗光谱。
该电的阻抗光谱能够包括为蓄电池模块施加电压调制。从而该方法能够包括根据所测得的多个电流强度来确定由于电压调制的电流强度调制。那么为了确定蓄电池模块的欧姆内阻能够设置电压调制与电流强度调制的比值。于是能够通过相位修正轻易地确定该欧姆内阻。
因此在一个实施方式中，该电压调制在电的阻抗光谱的范围内这样进行变化，使得电压调制和所确定的电流强度调制之间的相位延迟变为零。于是该欧姆内阻能够被确定为电压调制与电流强度调制的商。
测量多个电流强度能够导致蓄电池模块的不同的充电状态。
通过测量电流强度能够确定表征蓄电池模块的电化学过程特征的时间常数。与至少一个预先确定的时间常数的比较使得能够尤其准确地确定蓄电池模块的损耗状态。
此外本发明还涉及一种用于蓄电池模块线路的蓄电池管理系统，该蓄电池模块线路具有至少两个能够串联地正向或负向电连接和单独电分离的蓄电池模块，其中该蓄电池模块组适用于通过连接和分离该蓄电池模块来产生交流电压。此外该蓄电池管理系统包括用于测量多个蓄电池模块电流强度的装置和用于向蓄电池管理系统传输所测得的多个电流强度的装置。其中该蓄电池管理系统设置为，使用一个或至少两个蓄电池模块的蓄电池强度来确定一个或者至少两个蓄电池模块的损耗状态，该蓄电池强度在为了产生交流电压进行分离一个或者至少两个蓄电池模块的期间被传输。
在一个实施方式中，该蓄电池管理系统包括用于产生另一个交流电压的装置且此外设置为，使得为被分离的蓄电池模块施加另一个交流电压，确定由于另一个交流电压的交流电流强度且为了确定蓄电池模块的欧姆内阻设置另一个交流电压与交流电流强度的比例。其中该蓄电池管理系统还能够设置为，另一个交流电压这样进行变化，使得该另一个交流电压和所确定的交流电流强度之间的相位延迟变为零。从而该蓄电池管理系统能够确定该欧姆内阻为另一个交流电压与交流电流强度的商。
本发明还涉及一种用于产生相互相位延迟的交流电压的多相蓄电池系统，其中该多相蓄电池系统包括蓄电池模块线路和根据本发明的蓄电池管理系统。
最后本发明还涉及一种含有至少能够有时或者部分电运行的驱动单元和包含根据本发明的多相蓄电池系统的车辆。
本发明有利的改进在从属权利要求中说明且在说明书中阐明。
附图说明
根据附图和以下说明进一步阐明本发明的实施例。其中：
图1示出了示例性的能够用于本发明的蓄电池模块；
图2示出了示例性的能够用于本发明的蓄电池模块线路；以及
图3示出了根据本发明的示例性的多相蓄电池系统。
具体实施方式
本发明是在开发用于电动车辆或者混合动力车辆的多相蓄电池系统的范围内进行的且在下文以实施例描述。但是本发明并不限于这些实施例，而是能够有利地用在由多个蓄电池模块组成的所有蓄电池系统中，这些蓄电池系统允许串联、正向或者串联负向地接通和分离、即跨接多个蓄电池模块。用于本发明的蓄电池系统的使用目标尤其是不重要的。
图1示出了带有耦合单元110的示例性的蓄电池模块100。该耦合单元110要么是蓄电池模块100的集成的组成部分，要么如图1所示，是包括蓄电池模块100的系统120的部件。耦合单元110允许，正向地或者负向地接通蓄电池模块100，即例如系统端子105、106，也就是系统120的端子或者极，与蓄电池模块端子，即蓄电池模块100的端子或极，电连接。该耦合单元110也允许，切断蓄电池模块100，即与系统120的端子105和106分离。在此能够通过信号输入端107控制所示示例的耦合单元110。但是还有可能的是，该耦合单元110通过预先确定的模块的频率连接或者分离，而不需要外部控制。因此能够产生矩形交流电压。
如果多个这种模块100或系统120串联布置在蓄电池模块组130中，如图2所示，且时间延迟地重复正向或负向地连接或者分离，那么能够在蓄电池模块组端子135和136之间，即蓄电池模块组130的端子或极之间产生分级变化的电压的交流电压曲线。在线路中相应数量的模块中能够近似于正弦状的交流电压曲线。在负载下出现相应于电压曲线的电流曲线。
在未示出的实施例中所有被包括在线路中的模块通过单个的、共同的耦合单元连接或者分离。这能够设置为，产生具有预先确定频率的交流电压。或者能够产生具有变化的频率的交流电压，其中有利地也存在用于改变频率的共同的耦合单元的控制可能性。
图3示出了一种示例性的多相蓄电池系统140，其中相互并联布置有三个蓄电池模块线路130。通过控制多个耦合单元110在多个线路130中的每个中如此接通多个模块100，使得每个线路130提供近似正弦状的交流电压。其中每个线路130的该近似正弦状的交流电压相互间具有相位延迟，例如延迟三分之一个周期。从而能够产生旋转场，通过该旋转场能够驱动电动发动机或混合动力发动机150。此外通过改变所提供的交流电压的幅值和/或相互间的相位延迟能够调整该线路中的电流变化且因此能够调整发动机150在预先设置的目标功率上的扭矩。在机动车中使用发动机150的情况下还有可能，根据发动机150上的制动能量获得电能且通过相应地控制该多个耦合单元110将其直接回馈入蓄电池模块100中且从而再次给多个模块充电。
在提供该交流电压时或在这种以规律的时间间隔的回馈过程中每个蓄电池模块100均被分离。被分离的蓄电池模块100成为开路电流回路且从而供损耗诊断使用。
因此这种确定在运行过程中，在负载情况下，即在放电进程中，或者在充电进程中，且以这样的频率是可能的，其对应于分离过程的频率。例如如果确定阻抗且在运行过程中该阻抗改变，而未改变该发动机150的预先确定的目标功率，那么这是对相关模块的老化过程的指示。此外可能的是，对发动机150的不同预先确定的目标功率在蓄电池管理系统的存储单元中存储相应的额定阻抗。从而在所设目标功率下由测量所确定的阻抗与为该所设的目标功率备份在存储单元中的额定阻抗的偏差是模块中多个蓄电池单池改变的指示。
在所分离的多个蓄电池模块上尤其能够进行电的阻抗光谱、EIS。其中测量电流强度调制，其由于具有电压调制的蓄电池的施加而实现。该电压调制能够是具有在比例上小的幅值和能够变化的频率ω的另一个交流电压ΔUelωt。于是得到了具有相同频率ω和相位的电压调制的所测的电流强度调制阻抗满足
如果当前电压调制的频率改变，那么该相位能够变为零。于是电压幅值与电流强度调制的商就是阻抗
在负载下或者在充电进程中在模块100的不同的分离之间相应的模块的充电状态改变。根据充电状态电化学组成、表面积、电极元件的颗粒尺寸和电极的厚度影响EIS的结果。然而尤其在锂离子蓄电池中，不仅那里，与电解质的构成和/或电解质中的添加物的变化有关的充电状态影响EIS，因为基于产生电压造成的电化学过程不同地进行。这反映相应的不同的频率或时间常数。时间常数和充电状态之间的关系，尤其是这种关系的变化，在此能够被用作损耗状态或者蓄电池模块损耗的标志。
在未示出的实施例中所有被包括在多相蓄电池系统中的模块通过单个的、共同的耦合单元连接和分离。
示例性的蓄电池管理系统160与图3中示出的示例性的多相蓄电池管理系统140配合地获取由单个蓄电池模块130提供的电流强度并且通过连接多个线路130控制，布置在多个线路130中的多个模块100或多个系统120。该蓄电池管理系统160包括在图中未示出的单独的另外用于产生具有与交流电压的比例小的幅值和能够变化的频率的交流干扰电压的交流电压源。替代方案能够是一个或者多个模块，其例如以测量的时间间隔、无论如何从所属的蓄电池模块线路将待验证的模块分离，用作另外交流电压源。通过为被分离的蓄电池模块施加交流电压流过交流电流。从而蓄电池模块100的欧姆内阻能够通过设置交流电压与交流电流强度的比例被确定。欧姆内阻和频率，在交流干扰电压和交流电流在同相位时，能够用于确定蓄电池模块的损耗。
因此本发明允许在运行的过程中对模块状态几乎连续地监控。这使得能够根据阻抗确定和/或时间常数确定快速且安全地识别模块的效率损失或者甚至是故障。这是有利的，因为多个模块被识别为故障的或者老化的且被识别为故障的或者老化的模块能够被替换并且因为由蓄电池模块组提供的功率的干扰被该故障的或老化的模块通过相应的对多个耦合单元的控制的改变能够至少部分地补偿。

Claims (10)

1.一种用于确定蓄电池模块(100)的损耗状态的方法，其中，所述方法包括根据多个电流强度的测量来确定欧姆内阻，并且其中，所述蓄电池模块(100)能够与至少一个另外的蓄电池模块(100)串联地电地正向地或者负向地连接或从所述至少一个另外的蓄电池模块(100)电地分离，其特征在于，
所述方法包括分离所述蓄电池模块(100)和测量所分离的蓄电池模块(100)的多个电流强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在产生交流电压期间分离所述蓄电池模块(100)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括通过为所述蓄电池模块(100)施加电压调制的电的阻抗光谱，根据所测得的多个电流强度来确定由于所述电压调制而引起的电流强度调制并且为了确定所述蓄电池模块(100)的欧姆内阻而设置所述电压调制与所述电流强度调制的比例。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电压调制这样进行变化，使得所述电压调制和所确定的电流强度调制之间的相位延迟变为零，且将所述欧姆内阻确定为电压调制与电流强度调制的商。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，多个电流强度的测量导致所述蓄电池模块(100)的不同的充电状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过多个电流强度的测量来确定表征所述蓄电池模块(100)的电化学过程特性的时间常数，所述特征时间常数与至少一个预先确定的时间常数作比较，以确定所述蓄电池模块(100)的损耗状态。
7.一种用于蓄电池模块组(130)的蓄电池管理系统(160)，所述蓄电池模块组(130)具有至少两个能够串联地正向或者负向电连接和能够单独电分离的多个蓄电池模块(100)，其中，所述蓄电池模块组(130)适用于通过分离和连接所述蓄电池模块(100)产生交流电压，并且所述电池管理系统包括用于测量多个蓄电池模块电流强度的装置以及还包括用于向所述蓄电池管理系统(160)传输所测得的多个电流强度的装置，其中，所述蓄电池管理系统(160)被设置为，使用至少两个蓄电池模块(100)中的一个的多个蓄电池电流强度来确定所述至少两个蓄电池模块(100)中的一个的损耗状态，在为了产生所述交流电压进行分离所述至少两个蓄电池模块(100)中的一个期间传输所述多个蓄电池电流强度。
8.根据权利要求7所述的蓄电池管理系统(160)，其中，所述蓄电池管理系统(160)包括用于产生另一个交流电压的装置且进一步设置为，使得为所述分离的蓄电池模块施加所述另一个交流电压，确定因为所述另一个交流电压的交流电流强度并为了确定所述蓄电池模块(100)的欧姆内阻设定所述另一个交流电流与所述交流电流强度的比值，其中所述蓄电池管理系统(160)还设置为，所述交流电压这样进行变化，使得所述交流电压和所述确定的交流电流强度之间的相位延迟变为零，且其中所述蓄电池管理系统(160)确定所述欧姆内阻为交流电压与交流电流强度的商。
9.一种多相蓄电池系统(140)，其用于产生相互相位延迟的交流电压，包括蓄电池模块线路(130)和根据权利要求7至8中任一项所述的蓄电池管理系统(160)。
10.一种机动车，其包含能够至少有时或部分电运行的驱动单元(150)且包含根据权利要求9所述的多相蓄电池系统(140)。
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