CN104380128B - 蓄电池系统和用于确定蓄电池系统的蓄电池单元或蓄电池模块的内阻的所属的方法 - Google Patents

蓄电池系统和用于确定蓄电池系统的蓄电池单元或蓄电池模块的内阻的所属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于确定蓄电池(101)的蓄电池单元或蓄电池模块(107、108)的内阻的方法，其中在第一时间测量蓄电池模块(107、108)的蓄电池单元的电压，在该第一时间蓄电池模块(107、108)不与蓄电池模块组(106)接通，蓄电池模块(107、108)与蓄电池模块组(106)接通，从而基于流过蓄电池模块(107、108)的电流实现至少一个蓄电池单元的电压变化，并且在第二时间测量至少一个蓄电池单元的电压，在该第二时间蓄电池模块(107、108)接通到蓄电池模块组(106)一个预定或选择的持续时间。此外，根据在所述第一时间测量的电压与在所述第二时间测量的电压的差以及流过所述蓄电池模块(107、108)的电流的电流值计算所述蓄电池单元的内阻的电阻值。

Description

蓄电池系统和用于确定蓄电池系统的蓄电池单元或蓄电池模 块的内阻的所属的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定蓄电池的蓄电池单元或蓄电池模块的内阻的方法，所述蓄电池具有包括多个串联连接的蓄电池模块的蓄电池模块组。特别是本发明涉及用于确定这样的蓄电池的蓄电池单元或蓄电池模块的内阻的方法，所述蓄电池的蓄电池模块构成为，借助于控制信号选择性地可切换到接通的状态或未接通状态，在所述接通状态下相应的蓄电池模块引起所述蓄电池模块组的输出电压，在所述未接通状态下相应的蓄电池模块与所述蓄电池模块组解耦。此外本发明还涉及一种蓄电池系统，其构成为实施按照本发明的方法。
背景技术
由现有技术已知用于混合动力和电动车辆中的蓄电池，该蓄电池称为牵引用蓄电池，因为所述牵引用蓄电池用于电动驱动装置的供电。
在申请者的更早地专利申请中描述了驱动系统，所述驱动系统分别具有包括可逐级调节的输出电压的蓄电池系统并且当今例如用于电动和混合动力车辆或者静止应用例如风力发电设备的转子叶片调节装置中。在图1中示出了这样的蓄电池系统的例子。
蓄电池系统100包括蓄电池101，其连接到包括电容器103的直流电压中间电路102。直流电压中间电路102集成在由蓄电池系统100包括的脉冲逆变器104中，通过脉冲逆变器在三个输出端上分别借助于两个可开关的半导体阀(未表示)和两个二极管(未表示)提供相对相移的正弦电压用于三相电机(电驱动电机)105的运行。电容器103的电容在此设计得足够大，以便使得在直流电压中间电路103中的电压对于一个持续时间稳定化，在一个持续时间中接通可开关的半导体阀中之一。
蓄电池101包括具有多个串联连接的蓄电池模块的蓄电池模块组106，其中在附图中示出仅仅两个蓄电池模块107、108。在蓄电池模块107与蓄电池模块组106的正极109之间连接充电和分离机构110，该正极在该情况下形成正的蓄电池端子。选择性地，能够附加地在蓄电池模块108与蓄电池模块组106的负极111之间连接分离机构112，该负极在该情况下形成负的蓄电池端子。蓄电池模块107、108能够具有耦合机构(未示出)，借助于耦合机构所述蓄电池模块选择性地独立地分别接通到蓄电池模块组106或与蓄电池模块组106解耦，也就是说能够被桥接，以便通过这种方式实现具有逐级可调节的输出电压的蓄电池系统。
为了确保这样的蓄电池系统的安全性，充分利用蓄电池单元的效率并且提高蓄电池单元的寿命，在牵引用蓄电池中应用蓄电池管理系统。该蓄电池管理系统的核心功能是所谓的蓄电池状态识别，该蓄电池状态识别确定蓄电池单元的当前状态。在此重要的信息中之一是蓄电池单元的内阻，该内做确定为充电状态、蓄电池单元的温度及其老化状态的函数。在德国汽车工业联合会提案“Energy Storage System for HEV”中以及在ISO 12405的草案中描述了用于表征蓄电池单元的这样的方法。
在图2中示出了该方法的基本原理。在此图2示出了蓄电池电压UBatt地示例性的电压变化，该电压变化在蓄电池的脉冲形的充电和放电电流IBatt期间被分析处理。在此电流IBatt以电荷速率c-rate(“current rate”)的单位应用。以附图标记表示蓄电池的放电的时间间隔，并且以附图标记202表示蓄电池的充电的时间间隔。按照本方法直接由两个相邻的时刻的电压和电流差确定蓄电池单元的内阻R。在此在图2中以罗马数字给用于蓄电池电压UBatt的相应测量的测量时刻编号。在下文中提出的电压和电流值的索引涉及这些测量时刻。作为例子通过分析处理在测量时刻(i)——其中t＝0秒——和(iii)——其中t＝10秒——的电压和电流值产生对于持续10秒的放电的内阻为：
对于持续10秒的充电过程的内阻能够相应地通过分析处理在测量时刻(vi)——其中t＝58秒——和(viii)——其中t＝68秒——的电压和电流值按照(2)计算：
该方法在蓄电池单元的表征中应用在测试台上。对于该方法不利的是，困难的是在测试台中完全描绘所有可考虑的真实行驶情况，其例如能够在机动车中蓄电池的运行中出现。因此通过这种方式确定的内阻值仅仅是有条件的并且仅仅带有受限的精度的限制地可用于在车辆中蓄电池管理系统中的进一步处理。
发明内容
按照本发明提供一种用于确定蓄电池的蓄电池单元或蓄电池模块的内阻的方法，所述蓄电池具有包括多个串联连接的蓄电池模块的蓄电池模块组。所述蓄电池模块分别构成为，借助于控制信号选择性地可切换到接通的状态或未接通状态，在所述接通状态下相应的蓄电池模块引起所述蓄电池模块组的输出电压，在所述未接通状态下相应的蓄电池模块与所述蓄电池模块组解耦。该方法原则上具有以下步骤：a)在第一时间测量蓄电池模块或蓄电池模块的至少一个蓄电池单元的电压，在所述第一时间所述蓄电池模块不与所述蓄电池模块组接通；b)接通所述蓄电池模块与所述蓄电池模块组，从而基于流过所述蓄电池模块的电流实现所述蓄电池模块或所述至少一个蓄电池单元的电压变化；c)在第二时间测量所述蓄电池模块的电压或所述至少一个蓄电池单元的电压，在所述第二时间所述蓄电池模块接通到所述蓄电池模块组一个预定或选择的持续时间；以及d)根据在所述第一时间测量的电压与在所述第二时间测量的电压的差以及流过所述蓄电池模块的电流的电流值计算所述蓄电池模块或所述蓄电池模块的所述至少一个蓄电池单元的内阻的电阻值。
此外，按照本发明的另一方面实现一种具有蓄电池的蓄电池系统，该蓄电池系统具有包括多个串联连接的蓄电池模块的蓄电池模块组，所述蓄电池模块分别包括至少一个蓄电池单元和可控制的耦合单元。此外蓄电池系统具有设置用于监控蓄电池的蓄电池模块的监控单元，特别是蓄电池单元监控单元(CSC)(蓄电池单元监控电路)，其构成为测量蓄电池单元电压和/或蓄电池模块电压。此外，该蓄电池系统具有至少一个与蓄电池模块组连接的电流测量单元。蓄电池模块设置为，借助于耦合单元能够分别选择性地接通到所述蓄电池模块组并且又解耦，以产生可调节的蓄电池输出电压。此外，所述蓄电池系统具有控制和读取单元，尤其在蓄电池管理系统中集成的控制和读取单元，所述控制和读取单元与所述耦合单元、所述至少一个监控单元以及电流测量单元连接。在此，所述蓄电池系统构成为实施用于确定蓄电池模块或蓄电池系统的蓄电池单元的内阻的方法。
由此按照本发明提供如下装置，该装置有利地设置为在蓄电池系统中或借助于蓄电池系统以逐级可调节的输出电压实施对蓄电池单元内阻的确定。具有可接通的蓄电池模块的蓄电池系统的特定工作方式用于能够尽可能简单和准确地确定蓄电池单元的内阻。实现了特别是通过在蓄电池的运行中进行的以跳跃形的电流曲线为形式的跳跃形的正或负激励，该电流曲线通过接通或解耦蓄电池模块作用于蓄电池单元。在此记录和分析处理以蓄电池单元或蓄电池模块的电压曲线形式的跳跃式响应。相比于当今的现有技术按照本发明用于确定内阻的方法更鲁棒和更准确。这也取决于实现了让测量在蓄电池的运行中在真实条件期间发生。该方法优选应用在车辆中的运行中。相比之下，按照现有技术的方法离线地发生。
根据本发明的一种改进，按照本发明的蓄电池具有多个蓄电池模块组并且设置为，通过控制耦合单元借助于蓄电池模块组产生相互相移的交流电压，其尤其用于三相电机的运行。
在此能够以特别有利的方式利用蓄电池直接转换器的功能方式，其中为了产生相移的交流电压进行的蓄电池直接转换器的蓄电池模块的接通和解耦用于实施按照本发明的方法。
按照本发明的方法的一个实施形式，在第二时间测量流过蓄电池模块的电流的电流值，该电流值用于计算电阻值。
该方法能够几乎应用在每个运行情况下。特别是该方法能够在蓄电池的充电过程期间或在蓄电池的放电过程期间实施。
按照本发明的一种改进，还监控在接通状态下蓄电池电流的电流曲线，其中实施用于电阻确定的测量。更准确地说，在此确定在蓄电池模块接通至蓄电池模块组的持续时间期间流过蓄电池模块的电流的变化的大小是否超过预定的边界值。在超过边界值的情况下，丢弃当前的电压测量。该方法能够重复，以便因此实施具有足够稳定的电流的测量。
由此能够有利地进一步改善计算的电阻值的可靠性。
按照本发明的一个特别有利的实施形式设置，确定在所述预定的持续时间期间出现的所述蓄电池模块的空载电压或所述至少一个蓄电池单元的空载电压的变化。紧接着，如果必要，以所确定的变化的值校正在计算所述电阻值时使用的电压差值。通过这种方式能够显著提高方法的准确性。
优选地，在蓄电池的运行中至少在时间上多次或甚至永久实施按照本方法的步骤，在不同的边界条件如充电状态、温度、充电或放电电流的大小下和/或以在第一电压测量与第二电压测量之间不同的选择的持续时间多次实施所述方法。
由此实现了，获得了对具有所有单个蓄电池模块和/或蓄电池单元的所属内阻的蓄电池的随着蓄电池的应用持续时间总是更完整和更准确的表征。优选地，以内阻特性曲线的形式保存在所述方法的多次实施期间确定的测量数据，其中该特性曲线能够不断扩展和更新。
按照本发明的一个实施形式，此外在实施在第二时间测量电压之后并且在所述蓄电池模块又切换到非接通状态之前进行对所述蓄电池模块的电压或所述蓄电池模块的至少一个蓄电池单元的电压的一次或多次另外的测量。随后基于所述一次测量或多次另外的测量确定用于所述内阻的相应的另外的属于不同测量持续时间的值。
优选地，按照本发明的蓄电池是锂离子蓄电池。
此外按照本发明提供一种具有电机的机动车，该机动车具有按照本发明的蓄电池系统。在此该蓄电池系统与电机连接。
本发明的有利的改进在从属权利要求中提出并且在说明中描述。
附图说明
本发明的实施例根据附图和以下说明进一步阐明。其中：
图1示出了按照现有技术提供逐级可调节的蓄电池输出电压地蓄电池直接转换器的蓄电池模块组的原理电路图；
图2示出了在用于确定蓄电池单元的内阻的常规方法中蓄电池电流和蓄电池单元电压的时间上的曲线；
图3示出了按照本发明的蓄电池系统的一个实施形式；以及
图4示出了一个图，该图显示了示例性的在按照本发明的蓄电池系统中应用的蓄电池的输出电压UB与k个接通到蓄电池的蓄电池模块组的蓄电池模块的关系。
具体实施方式
在图3中示出了按照本发明的蓄电池系统300的一个实施形式。相比于图1的蓄电池系统100，蓄电池系统300，其根据蓄电池直接转换器的架构构成，具有特别匹配的控制和读取单元301，该控制和读取单元按照本发明的方法控制并且读取蓄电池系统300的蓄电池单元监控单元(未示出)和电流传感器(未示出)。这与蓄电池模块107、108的控制协调地构成。在图3中还示出了蓄电池模块107、108的端子302、303、304、305，蓄电池单元(未示出)能够模块式地与所述端子接通或解耦，其中在例如蓄电池模块107的未接通状态下连接所属的端子302、303，从而桥接蓄电池模块107。同时另一蓄电池模块例如以附图标记108表示的蓄电池模块位于在接通状态下，以便在所属端子304、305上提供蓄电池模块电压。在图3中示出的控制和读取单元301中不失一般性地集成至少一个蓄电池单元监控单元(未示出)，借助于该蓄电池单元监控单元经由蓄电池模块端子读取蓄电池模块电压和/或蓄电池单元电压。
由此按照本发明有利地具有逐级可调节的输出电压的蓄电池直接转换器或蓄电池101的特定的工作方式能够有针对性地用于实施确定在蓄电池直接转换器的蓄电池模块107、108中包含的蓄电池单元的内阻。为此在运行期间接通每个蓄电池模块107、108，对于该每个蓄电池模块应该确定内阻。由此，流过该蓄电池模块107、108的蓄电池单元的电流跳跃形地由0提高到蓄电池100的当前输出电流。接通的蓄电池模块107、108的蓄电池单元随着蓄电池单元电压的变化响应于其电流的跳跃形变化。该跳跃响应能够连同蓄电池电流记录在蓄电池管理系统中。由此能够提供对于蓄电池管理系统用于内阻确定的需要的信息。
图4示例性地示出了根据用于在图3中示出的按照本发明的蓄电池系统200的k个接通到蓄电池模块组106的蓄电池模块107、108的蓄电池101的输出电压UB的曲线。根据接通到蓄电池模块组106的k个蓄电池模块107、108示出的蓄电池101的输出电压UB在此是线性的并且遵循关系：UB＝k·UM，其中1<k<n。在此n是蓄电池模块107、108的最大数量，所述蓄电池模块能够接通到蓄电池模块组。最大的输出电压那么能够相应地采用值n-UM，其中在示出的直线的电压曲线中的点表示各个测量值。
蓄电池模块107、108按照蓄电池直接转换器的功能方式解耦或接通。例如接通一个单个的或多个蓄电池模块107、108，并且剩余的蓄电池模块107、108是解耦的。随后接通前先还解耦的蓄电池模块107、108中的至少一个或多个。按照该原理能够产生交流电压。在此，并行地亦即同时地测量和分析处理蓄电池模块107、108的内阻。在此，当前内阻尤其也依赖于当前由蓄电池提取或者提供给蓄电池的功率，该功率又依赖于蓄电池和车辆的当前运行情况。在下文中为此引用几个例子，所述例子能够分别相互地备选或部分地也组合地实现。
按照本发明的方法的一个实施形式，对于蓄电池101的放电过程，例如在具有电动驱动和不变速度的高速公路行驶中通过蓄电池直接转换器接通蓄电池模块107、108。蓄电池模块107、108的各个蓄电池单元的蓄电池电流和电压被记录。在此蓄电池单元的内阻Ri按照以下公式确定。
索引I在此表示时刻，在该时刻接通相关的蓄电池模块107、108。此外，蓄电池模块107、108在测量蓄电池模块电流时已经接通到蓄电池模块组106的持续时间为x秒。时刻I+x秒由此位于在接通时刻I之后的x秒。因此能够通过这种方式例如对于持续2秒的放电将内阻R确定为Ri_2s_dch。
车辆在放电过程(dch)(“放电”)中进行的测量之外该方法也可以在充电过程(ch)(“充电”)中进行，以便确定所属的内阻值Ri_2s_dch。
在该方法中优选确定用于蓄电池模块或蓄电池系统的所有单个蓄电池单元的内阻。附加地或备选地代替单个蓄电池单元的电压也能够考虑蓄电池模块电压，以便如此直接确定蓄电池模块的内阻。
在本方法的特别的实施形式中对电流曲线提出了附加的要求。例如电流允许在分析处理时间间隔期间在接通蓄电池模块之后相比于预定的边界值不更大幅地变化。能够例如根据电流的大小选择该边界值，从而在高电流情况下相比于在小电流的情况下更大的变化是允许的，并且反之亦然。
按照本发明的一种改进，对于蓄电池系统保存具有在不同的测量期间获得的数据的特性曲线。如此能够随着时间获得内阻的总是更准确的表征，该表征分别准确地针对单个车辆情况和蓄电池系统的环境确定大小。如此，内阻作为跳跃形负荷例如对于在1秒与30秒之间的负荷的持续时间的函数，以及作为充电或放电电流的大小以及影响参数充电状态和温度的函数保存。总是更新特性曲线，以便对于所有运行范围具有关于内阻的当前信息。
按照本发明的一个实施形式，在测量持续时间期间确定蓄电池单元的空载电压的变化，其中以所确定的变化的值校正在计算电阻值时应用的电压差值。通过这种方式能够考虑到该情况，即在具有大的电流的更大或更长持续的充电和放电过程中蓄电池单元的充电状态在用于确定内阻的时间间隔期间已经如此变化，即将影响内阻确定。由此能够考虑的是，蓄电池的静止电压或空载电压(OCV)(“开路电压”)根据充电状态变化。按照方法能够如下考虑该变化：
在此ΔOCV是空载电压的确定的变化；ΔU是在接通蓄电池模块的第一时间的电压测量值与在蓄电池模块接通预定的持续时间之后的第二时间的电压测量值之间的电压差；而ΔI是在第一时间与第二时间之间蓄电池模块电路或蓄电池模块组电流的相应的差。
例如在图2中示出的在t＝0秒与t＝18秒之间的放电脉冲的情况下获得如下充电量，该充电量相应于10％的相对充电状态变化ΔSOC。在这种充电状态变化情况下，锂离子蓄电池单元的静止电压根据初始充电状态在大约100毫伏至280毫伏的范围中变化，其中准确的值是依赖于技术的。由此例如对于常规的6安培的锂离子蓄电池单元——该锂离子蓄电池单元应用在混合动力车辆中——在电压变化下降时产生内阻，该内阻以以下值更高。
相比之下，在静止电压变化下降之后对于示例性看待的蓄电池单元产生的蓄电池单元的内阻为大约2.2兆欧。由此能够相比于常规的方法——在此误差能够部分地高于100％——在本发明的该实施形式中实现了对内阻确定的精度的显著改善。

Claims (11)

1.一种用于确定蓄电池(101)的蓄电池单元或蓄电池模块(107、108)的内阻的方法，所述蓄电池具有包括多个串联连接的蓄电池模块(107、108)的蓄电池模块组(106)，所述蓄电池模块分别构成为，借助于控制信号能够选择性地切换到接通状态或未接通状态，在所述接通状态下相应的蓄电池模块(107、108)引起所述蓄电池模块组(106)的输出电压，在所述未接通状态下所述相应的蓄电池模块(107、108)与所述蓄电池模块组(106)解耦，其特征在于以下步骤：
a)在第一时间测量蓄电池模块(107、108)或蓄电池模块(107、108)的至少一个蓄电池单元的电压，在所述第一时间所述蓄电池模块(107、108)不与所述蓄电池模块组(106)接通；
b)接通所述蓄电池模块(107、108)与所述蓄电池模块组(106)，从而基于流过所述蓄电池模块(107、108)的电流实现所述蓄电池模块(107、108)或所述至少一个蓄电池单元的电压变化；
c)在第二时间测量所述蓄电池模块(107、108)的电压或所述至少一个蓄电池单元的电压，在所述第二时间所述蓄电池模块(107、108)接通到所述蓄电池模块组(106)一个预定的或选择的持续时间；以及
d)根据在所述第一时间测量的电压与在所述第二时间测量的电压的差以及流过所述蓄电池模块(107、108)的电流的电流值计算所述蓄电池模块(107、108)或所述蓄电池模块(107、108)的所述至少一个蓄电池单元的内阻的电阻值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二时间测量流过所述蓄电池模块(107、108)的电流的电流值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述蓄电池(101)的充电过程期间或在所述蓄电池(101)的放电过程期间实施所述方法。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，还确定在将所述蓄电池模块(107、108)接通到所述蓄电池模块组(106)的持续时间期间流过所述蓄电池模块(107、108)的电流变化的大小是否超过预定的边界值，并且如果确定超过所述边界值，那么丢弃所测量的电压和/或在步骤a)重新开始所述方法。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，还确定在所述预定的持续时间期间出现的所述蓄电池模块(107、108)的空载电压或所述至少一个蓄电池单元的空载电压的变化；并且以所确定的变化的值校正在计算所述电阻值时使用的电压差值。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在不同的边界条件下多次实施所述方法，和/或以在所述第一时间的电压测量与所述第二时间的电压测量之间不同的选择的持续时间多次实施所述方法；并且其中以内阻特性曲线的形式保存在所述方法的多次实施中确定的测量数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述边界条件包括充电状态、温度、充电或放电电流的幅度。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在方法步骤c)之后并且在所述蓄电池模块(107、108)又切换到未接通状态之前，实施对所述蓄电池模块(107、108)的电压或所述蓄电池模块(107、108)的至少一个蓄电池单元的电压的一次或多次另外的测量；并且基于所述一次或多次另外的测量确定所述内阻的相应的另外的属于不同测量持续时间的值。
9.具有蓄电池(101)的蓄电池系统(300)，所述蓄电池具有包括多个串联连接的蓄电池模块(107、108)的蓄电池模块组(106)，所述蓄电池模块分别包括至少一个蓄电池单元和可控制的耦合单元，所述蓄电池系统具有至少一个设置用于监控所述蓄电池(101)的蓄电池模块(107、108)的监控单元，所述监控单元构成为，测量蓄电池单元电压和/或蓄电池模块电压；并且所述蓄电池系统具有至少一个与所述蓄电池模块组(106)连接的电流测量单元，其中借助于所述耦合单元能够分别选择性地将所述蓄电池模块(107、108)接通到所述蓄电池模块组(106)或与所述蓄电池模块组(106)解耦以产生所述蓄电池(101)的可调节的输出电压，其特征在于，所述蓄电池系统(300)具有控制和读取单元(301)，所述控制和读取单元与所述耦合单元、所述至少一个监控单元以及所述电流测量单元连接，并且所述蓄电池系统构成为实施根据权利要求1至8之一所述的用于确定蓄电池(101)的蓄电池单元或蓄电池模块(107、108)的内阻的方法。
10.根据权利要求9所述的蓄电池系统(300)，其中所述蓄电池(101)包括多个蓄电池模块组(106)并且设置为，通过控制所述耦合单元借助于所述蓄电池模块组(106)产生相互相移的交流电压，用于三相电机的运行，并且基于为了产生所述相移的交流电压而进行的接通和解耦蓄电池模块(107、108)来实施根据权利要求1至8之一所述的方法。
11.机动车，包括电机和根据权利要求9或10所述的蓄电池系统(300)，其中所述蓄电池系统(300)与所述电机(105)连接。
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