CN104795599A - 用于电池管理的方法和电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

用于电池管理的方法和电池管理系统。本发明涉及一种用于电池管理的方法，其中通过为一组循环和日历应激因子给定极限来明确电池（10）的运行参数范围，其中该组循环应激因子至少具有下列可测量的参量：电池（10）的运行循环期间的最大充电状态差、电池（10）的运行循环期间的温度以及电池（10）的运行循环期间的平均电流强度，并且其中该组日历应激因子至少具有下列可测量的参量：电池（10）的静止状态期间的充电状态以及电池（10）的静止状态期间的温度。此外，本发明涉及用于执行该方法的电池管理系统（11）和计算机程序、以及具有拥有这样的电池管理系统（11）的电池（10）的机动车辆。

Description

用于电池管理的方法和电池管理系统
技术领域
本发明涉及一种用于电池管理的方法。此外，本发明涉及被设立为执行该方法的计算机程序和电池管理系统、以及具有电池的机动车辆。
背景技术
DE 10 2010 051 008 A1公开了一种用于检测和评估电池的老化现象的方法，其中在电池由于充电和放电造成的循环老化与电池由于时间流逝造成的日历老化之间进行区分。为了确定老化现象，根据电池的崭新状态下的OCV特征线与老化电池的OCV特征线之间的比较来确定电池容量与OCV电压之间的关联。
DE 10 2012 007 157 A1示出了一种用于为电池系统执行功率预测的方法，其中根据诸如当前电池电压、当前电池电流、当前充电状态（SOC，state of charge）、当前电池温度和其它数据的测量值来确定陆地和短时间预测值、尤其是在放电时的最小容许电池系统电压或者针对充电或针对恢复（再生）的最高容许电池系统电压。
DE 199 10 287 A1示出了一种用于判断或确定电池的可用性的装置，其中将充电状态和老化状态包括在内，以便将电池保持在对于电池的长寿命有利的极限值以内。
发明内容
根据本发明的用于电池管理的方法包括步骤：
a）通过为一组循环和日历应激因子（Stressfaktor）给定极限来明确电池的运行参数范围，
其中该组循环应激因子至少具有下列可测量的参量：电池的运行循环期间的最大充电状态差、电池的运行循环期间的温度、以及电池的运行循环期间的平均电流强度，
并且其中该组日历应激因子至少具有下列可测量的参量：电池的静止状态期间的充电状态以及电池的静止状态期间的温度，
b）明确电池的预期寿命，
c）确定电池的运行期间的循环应激因子以及电池的静止状态期间的日历应激因子，
d）根据分配给所确定的循环和日历应激因子的老化因子来确定电池的实际年龄，
e）将电池的预期寿命与电池的实际年龄相比较，以及
f）如果实际年龄大于预期寿命，则限制电池的运行参数范围。
电池的运行包括电池的充电阶段和放电阶段。在此，运行循环被定义成电池运行的时间段。电池的静止状态是指，不进行电池的充电或放电，其中从中排除了电池单池中的自放电电流。
循环应激因子ΔSOC、TB、IRMS在步骤c）中优选地根据下式来确定：
其中Zi来自{ΔSOC, TB, IRMS}，也就是说
，
，以及
。
在这些和下面的公式中，CT-1表示直到时刻T－1为止经过电池的电容吞吐量（Kapazitätsdurchsatz），CT表示直到时刻T为止经过电池的电容吞吐量，并且ΔC表示时间间隔[T-1, T]中的电量吞吐量。在此，作为对电量吞吐量的度量，在该时间内对电流强度的绝对值进行积分。
日历应激因子SOC和Ts在步骤c）中优选地根据下式来确定：
，
其中Ki来自{SOC, Ts}，也就是说
，以及
。
步骤d）中的老化因子按照查找表或者作为函数来确定，所述查找表和函数存储在电池管理系统的存储器单元中。
在步骤d）中，首先优选地根据下式来确定循环年龄
，
并且根据下式来确定日历年龄
，
其中AF(Zi)、Zi来自{ΔSOC, TB, IRMS}，其表示分配给循环应激因子的老化因子，AF (Ki)、Ki来自{SOC, Ts}，其表示分配给日历应激因子的老化因子，并且∏i表示索引集合i内的乘积。
实际年龄在步骤d）中优选地作为循环年龄LZ(T)和日历年龄LKK(T)的函数、例如作为乘积、作为和或者作为平均值来确定。
根据一个实施方式，该组循环应激因子还具有下列可测量的参量：电池的运行循环期间的峰值电流强度。电池的运行循环期间的峰值电流强度用IPEAK来表示。在步骤d）中再次类似地形成循环年龄，其中电池的运行循环期间的峰值电流强度作为另外的因子引入到乘积中。
步骤c）、d）、e）、f）在所定义的时间段中重复，其中所定义的时间段优选地包括在1天和60天之间的时间段、例如一个月。
在步骤f）中对电池的运行范围进行限制以后，重复步骤c）、d）、e），并且在实际年龄下降到预期寿命以下的情况下再次扩大电池的运行参数范围。
根据本发明，还提出一种计算机程序，当该计算机程序在可编程计算机设备上实施时根据该计算机程序来执行此处所描述的方法。该计算机程序例如可以是用于尤其是在车辆中实现电池管理系统或其子系统的模块。该计算机程序可以存储在机器可读存储介质上，譬如存储在持久的或可重写的存储介质上或者到计算机设备的分配中或者可移动的CD-ROM、DVD或USB棒上。附加地或者可替代地，计算机程序可以在计算机设备上提供、譬如在服务器或云系统上提供以用于例如通过如因特网的数据网络或譬如电话线或无线连接的通信连接下载。
此外，根据本发明提出一种尤其是车辆的电池管理系统，其具有电流传感器，电压传感器，温度传感器，
用于按照传感器的数据或测量值确定循环应激因子的单元，
用于按照传感器的数据或测量值确定日历应激因子的单元，
用于根据分配给所确定的循环和日历应激因子的老化因子来确定电池的实际年龄的单元，
用于将电池的预期寿命与电池的实际年龄相比较的单元，以及
用于在实际年龄大于预期寿命的情况下限制电池的运行参数范围的单元。
此外，用于限制电池的运行参数范围的单元优选地被设立为，当在对运行参数范围进行限制以后在稍后的时刻实际年龄再次下降到预期寿命以下时扩大运行参数范围。
此外，用于限制电池的运行参数范围的单元可以被设立为，在车辆总线、尤其是CAN总线上将运行参数范围提供给另外的控制设备。
电池管理系统优选地被构造和/或设立为执行在这里所描述的方法。因此，在该方法的范围内描述的特征相应地适用于电池管理系统，并且反之亦然。
电池管理系统的单元应当理解成功能单元，所述功能单元不一定物理上彼此隔离。尤其是，当多个功能以软件形式在控制设备上实现时，可以在唯一的物理单元中实现电池管理系统的多个单元。这些单元也可以以硬件组件、例如通过传感器单元、存储器单元和专用集成电路或以软件技术来实现。
此外，根据本发明，提供一种具有这样的电池管理系统的机动车辆，其中分配给该电池管理系统的电池与该机动车辆的驱动系统连接。该方法可以应用于电驱动车辆（EV，electronic vehicle（电动汽车））或者混合动力车辆中。
发明优点
根据本发明的方法使得能够将电池的老化保持在预先给定的范围内。由此，保护电池的用户免受电池的功率或能函上的敏感损失。对于电池的制造商而言，减小了针对担保要求的可能的保证成本。
对于与电池的用户协商好老化场景的情况——该老化场景定义了电池的“正常使用情况”并且被用于确定可能的保证要求，可以实现在电池的使用中更多地遵循这样定义的“正常使用情况”。
此外，对针对电池老化所考虑的参数的合适联合所具有的效果是，当一参数落到容许范围之外时，用户不会立即为其行为受到惩罚。更确切地，一个参数中的有误的或极限值的行为可以通过另一参数中的有利行为来补偿。由此，实现顾客满意度与由制造商提供的必要担保之间的折中。
附图说明
本发明的实施例在附图中予以示出并且在下面的描述中予以进一步阐述。其中：
图1示出了具有电池管理系统的电池。
具体实施方式
图1示出了电池10，该电池10根据本发明的一个实施方式被构造为具有电池管理系统11。电池10例如安装在机动车辆中。
电池10包括电流传感器12、电压传感器16和温度传感器20，它们通过相应的接口14、18、22向电池管理系统11提供数据和/或测量值。
电池管理系统11的多个下面描述的功能单元与运行循环或者与电池10或车辆的静止状态有关。因此，这些单元与另外的单元（未示出）耦合，所述另外的单元传递所需信息、例如电池10的运行循环的开始和结束或者电池10的静止状态的开始和结束。
电池管理系统11具有用于确定电池10的运行循环期间的平均电流强度的单元24。用于确定平均电流强度的单元24接收和处理电流传感器12的数据和/或测量值。该单元24例如通过如下方式对电流强度求平均：在运行循环的时间段内对电流强度的绝对值进行累加或积分并且接着除以运行循环的时间段。
电池管理系统11具有用于确定电池10的运行循环期间的最大电流强度的另一单元26。用于确定最大电流强度的单元26同样接收和处理电流传感器12的数据和/或测量值，根据所述数据和/或测量值来确定最大电流强度。
电池管理系统11具有用于确定电池10的静止状态期间的充电状态的单元28。用于确定充电状态的单元28接收和处理电压传感器16的测量值和/或数据。用于确定充电状态的单元28例如按照电池10的所存放的SOC-OCV特征线来确定充电状态。
电池管理系统11具有用于确定电池10的运行循环期间的最大充电状态差的单元30。用于确定运行循环期间的最大充电状态差的单元30接收和处理电压传感器16的测量值和/或数据。该单元30同样按照电池10的所存放的SOC-OCV特征线来确定充电状态。在运行循环期间，确定最大充电状态和最小充电状态并且由此计算差，该差形成运行循环期间的最大充电状态差。
电池管理系统11具有用于确定电池10的静止状态期间的温度的单元32以及用于确定电池10的运行循环期间的温度的单元34，所述单元32和34接收和处理温度传感器20的测量值和/或数据。
电池管理系统11具有用于确定循环应激因子的另一单元36。用于确定循环应激因子的单元36接收和处理用于确定平均电流强度的单元24、用于确定最大电流强度的单元26、用于确定最大充电状态差的单元30以及用于确定运行循环期间的温度的单元34的数据和/或测量值。用于确定循环应激因子的单元36的数据被提供给用于确定实际循环年龄的单元40。
用于确定实际循环年龄的单元40按照老化因子来确定实际循环年龄，所述老化因子从具有老化因子的存储器单元44中被获取，在那里老化因子按照查找表或函数被存放。
电池管理系统11具有用于确定日历应激因子的另一单元38。用于确定日历应激因子的单元38接收和处理用于确定充电状态的单元28和用于确定静止状态期间的温度的单元32的数据和/或测量值。日历应激因子尤其是还在上面实现有电池管理系统11的控制设备的所谓的唤醒阶段期间在停车模式下被确定，其中在该时间内求平均的充电状态和在该时间内求平均的温度值被确定。用于确定日历应激因子的单元38的数据被提供给用于确定实际日历年龄的单元42。
用于确定实际日历年龄的单元42相应地按照日历应激因子和分配给其的老化因子来确定实际日历年龄，所述老化因子从具有老化因子的存储器单元44中获取，在那里老化因子以查找表或函数形式被存放。
此外，电池管理系统11具有用于确定电池10的实际年龄的单元46。用于确定实际年龄的单元46按照用于确定实际循环年龄的单元40和用于确定实际日历年龄的单元42的数据、例如作为实际循环年龄和实际日历年龄的乘积、和或平均值来确定实际年龄。
用于将电池的预期寿命与电池10的实际年龄相比较的单元48有规律地在一定时间间隔以后以预期寿命的相应值或函数接收和处理用于确定实际年龄的单元46的数据，所述值或函数以预期寿命的值或函数存储在存储器单元50中。在与预期寿命相比超过电池10的实际年龄的情况下，用于将预期寿命与实际年龄相比较的单元48将相应数据和/或测量值转发给用于限制电池10的运行参数范围的单元52。
用于限制电池10的运行参数范围的单元52例如在确定如下比例的情况下将分配给日历和循环应激因子的老化因子与额定值相比较：
以及
，
其中和表示参考循环应激因子Zi和日历应激因子Ki的实际年龄，并且表示预期寿命。用于限制电池10的运行参数范围的单元52确定如下的循环应激因子Zi和日历应激因子Ki：所述循环应激因子Zi和日历应激因子Ki已经导致实际年龄超过预期寿命。用于限制电池10的运行参数范围的单元52于是从存储器单元54中加载已经导致实际年龄超过预期寿命的那些循环应激因子Zi和日历应激因子Ki的当前有效的运行参数范围，确定新的运行参数范围，并且在存储器单元54中用新确定的运行参数范围覆盖存储当前有效的运行参数范围。存储器单元54的起始数据输入（Startbedatung）描述了由电池10的制造商与电池10的用户协商的定义电池10的“正常使用情况”的老化场景。
反应方法在下面予以描述。在此出发点是，实际年龄已经超过预期寿命，这归因于至少一个分配给日历和循环应激因子的老化因子。
在充电状态不同于充电状态的运行参数范围的情况下可以规定，在车辆总线上提供一个或多个期望充电状态值。影响充电策略或再生策略的控制单元然后可以在车辆中调整期望充电状态值。
在超过静止状态期间的温度的情况下，降低电池10的运行参数范围或者调整车辆运行的更长跟踪时间，以便实现对电池10的更好的温控。
在超过最大充电状态差的情况下，极限被更强烈地收缩，使得例如在混合动力车辆的情况下内燃机更早地起动。根据第一实现可能性，这借助于查找表来实现，如在下面的示例中简短描述的。车辆的起始数据输入根据下面的表1进行，其中该表中的条目以瓦为单位描述了最大放电功率：
-20°C 0°C 20°C 60°C
0% SOG 0 0 0 0
10%SOC 10 30 100 50
20% SOC 10 40 110 60
30% SOC 20 50 120 70
40% SOC 20 70 130 80
50% SOC 50 80 140 90
60% SOC 50 90 160 100
70% SOC 60 100 170 110
80% SOC 60 100 170 110
90% SOC 70 110 180 110
100% SOC 80 120 180 110
表1。
如果最大充电状态差的老化因子超过了老化因子的额定值、例如相差2，则可以规定，根据下面的表2来调整数据输入，其中该表中的条目又以瓦为单位描述了最大放电功率：
-20°C 0°C 20°C 60 °C
0% SOC 0 0 0 0
10% SOC 0 0 0 0
20% SOC 10 20 60 30
30% SOC 20 50 120 70
40% SOC 20 70 130 80
50% SOC 50 80 140 90
60% SOC 50 90 160 100
70% SOC 60 100 170 110
80% SOC 60 100 170 110
90% SOC 70 110 180 110
100% SOC 0 0 0 0
表2。
根据第二实现可能性，在一定的充电状态值的情况下通过“如果/否则”询问来降低以瓦为单位的最大放电功率或设置为零，
例如：
如果 SOC < 10 && AFRatio > 3: 设置 P == 0
否则如果 SOC < 10 && AFRatio > 2: 设置 P == 0
否则如果SOC < 20 && AFRatio > 3: 设置 P == 0,
其中SOC表示充电状态并且P表示放电功率，AFRatio表示老化因子比例。
根据第三实现可能性，可以根据老化因子比例的大小来借助于函数重新计算充电状态极限值，例如：
SOC_新下限 = AFRatio * SOC_旧下限
以及
SOC_新上限 = (1–AFRatio / 10) * SOC_旧上限。
为了SOC_新上限不变为负，可以规定边界条件、例如AFRatio ≤ 10。
在此，对于AFRatio = 3，例如从旧的范围[10% ...90%]变成新的范围[30% ...63%]。
在超过运行循环期间的温度的情况下可以规定：降低运行温度。在此，例如可以使用线性函数，即：
新冷却温度 = 旧冷却温度 * (1–AFRatio / 10)，
或者具有整数指数的幂函数，例如
新冷却温度 = 旧冷却温度 * (1 / AFRatio)，
由此明确有效范围的相应极限。
在超过运行循环期间的平均电流强度的情况下可以规定，稍微降低峰值电流强度、例如降低5％或10％，和/或明显降低平均电流强度、例如降低20％或50％。但是对运行参数范围的限制也可以作为线性函数或者以其它方式借助于算法来反映，例如：
IRMS_新极限 = IRMS_旧极限* (1–1 / AFRatio)，
和/或
IPEAK_新极限 = IPEAK_旧极限* ((5–1 / AFRatio) / 5))。
本发明不限于此处所描述的实施例和其中强调的方面。更确切地，在由权利要求书给定的范围内可以进行多种处于技术人员处置范围内的改动。

Claims (11)

1.用于电池管理的方法，具有步骤：
a）通过为一组循环和日历应激因子给定极限来明确电池（10）的运行参数范围，
其中该组循环应激因子至少具有下列可测量的参量：电池（10）的运行循环期间的最大充电状态差、电池（10）的运行循环期间的温度以及电池（10）的运行循环期间的平均电流强度，
并且其中该组日历应激因子至少具有下列可测量的参量：电池（10）的静止状态期间的充电状态以及电池（10）的静止状态期间的温度，
b）明确电池（10）的预期寿命，
c）确定电池（10）的运行期间的循环应激因子以及电池（10）的静止状态期间的日历应激因子，
d）根据分配给所确定的循环和日历应激因子的老化因子来确定电池（10）的实际年龄，
e）将电池（10）的预期寿命与电池（10）的实际年龄相比较，以及
f）如果实际年龄大于预期寿命，则限制电池（10）的运行参数范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，循环应激因子在步骤c）中根据下式确定：
，
其中Zi来自{ΔSOC, TB, IRMS}。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，日历应激因子在步骤c）中根据下式确定：
，
其中Ki来自{SOC, TS}。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤d）中的老化因子按照查找表或者作为函数来确定，所述查找表或函数存储在电池管理系统（11）的存储器单元（44）中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤d）中首先根据下式确定循环年龄：
并且根据下式来确定日历年龄：
，
其中用AF来表示分配给循环应激因子Zi和日历应激因子Ki的老化因子，并且其中实际年龄按照循环年龄和日历年龄的函数来确定。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，该组循环应激因子还具有下列可测量的参量：电池（10）的运行循环期间的峰值电流强度。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤c）、d）、e）、f）在所定义的时间段中重复。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤f）中对电池（10）的运行范围进行限制以后，重复步骤c）、d）、e），并且其中在实际年龄下降到预期寿命以下的情况下再次扩大电池（10）的运行参数范围。
9.用于执行根据前述权利要求之一所述的方法的计算机程序，其中所述计算机程序在可编程的计算机设备上实施。
10.用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法的电池管理系统（11），其具有电流传感器（12），电压传感器（16），温度传感器（20），
用于按照传感器（12，16，20）的数据或测量值确定循环应激因子的单元（36），
用于按照传感器（12，16，20）的数据或测量值确定日历应激因子的单元（38），
用于根据分配给所确定的循环和日历应激因子的老化因子来确定电池（10）的实际年龄的单元（46），
用于将电池（10）的预期寿命与电池（10）的实际年龄相比较的单元（48），以及
用于在实际年龄大于预期寿命的情况下限制电池（10）的运行参数范围的单元（52）。
11.具有电池（10）的机动车辆，所述电池（10）具有根据权利要求10所述的电池管理系统（11）。
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