CN104903739A - 用于表征通过电容效应储存能量的模块的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件(102)的设备(106)。所述设备(106)包括用于测量储存元件(102)端子间的电压的装置(108-110)和用于测量流过所述储存元件(102)的电流的装置(112-114)，它们具有相同数量级的响应时间。设备(106)还包括用于控制测量装置(108-114)的控制装置(126)和用于根据进行的测量来计算统计学量的计算装置(124)。控制装置(126)被配置为控制所述测量装置(108-114)以使得电压测量时段和电流测量时段在时间上重叠包括所述电压测量时段和电流测量时段的总时段的至少70％、特别为至少90％。本发明还涉及用于表征通过电容效应储存能量的元件的方法，并且涉及包括通过电容效应储存能量的至少一个元件(102)的组件(100)和根据本发明的表征设备(106)。

Description

用于表征通过电容效应储存能量的模块的方法和设备

本发明涉及用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件的方法和设备。

本发明的领域是为通过电容效应的储能装置确定表征指标(indicator)的领域，更特别地是通过电容效应的电化学储能装置的领域，并且甚至更特别地是通常被称为超级电容器(supercapacitor或者ultracapacitor)的储能装置的领域。

背景技术

过去认为通过电容效应的电化学储能元件在理论上物理地表现得像是电容为C的理想电容器。但是经验已经表明在电化学元件内出现很多干扰现象。经验还已经表明在储存元件的使用范围处的非常显著的单个干扰效应是由于焦耳效应产生的能量损失。通过添加与电容为C的理想电容器串联的等效串联电阻(ESR)来对该现象建模。

对于使用通过电容效应的一个或更多个电化学储能元件的应用的最优安全工作来说，重要的是知道表征每个储存元件的指标，例如由每个储存元件储存的能量的量，其也被称为每个储存元件的充电状态(SOC)或健康状态(SOH)。

为每个储存元件确定这些指示取决于很多固有参数，其中最重要的是C和ESR的值。这些不同值每个都取决于其他物理参数(例如压力、温度等)和储存元件随时间的变化。

然而，确定C和ESR的值需要考虑储存元件的工作波动。

因此，为了获得储存元件的工作指示，现有的方法和设备对储存元件于其中具有“理想地”可预见表现的特定工作范围确定C和ESR的值；在标准工作中所述范围难以产生或具有随机特性。这就是为什么现有的方法和设备经常应用受控电流转换类型+I/-I或+I/0的特定程序来测量ESR和在恒定电流I下的受控充电或放电类型的特定程序来测量C。

然而，在大部分应用中，当使用储存元件的应用、例如机动车应用在工作中时，难以预想/应用这些程序。此外，这些程序不允许实时并且在实际条件下、即在现场获得测量值。

因此，现有的方法和设备不能在不必停止使用储存元件的应用的情况下不管使用储存元件的应用是哪种在实际工作条件下都在现场表征电容性储存元件。

本发明的目的在于克服上述缺点。

本发明的另一个目的在于提出一种方法和设备，其能够在不必停止使用储存元件的应用或者不必实施特别协议的情况下在实际工作条件下表征用于通过电容效应储存能量的元件。

本发明的再一个目的在于提出一种方法和设备，其能够在现场表征用于通过电容效应储存能量的元件。

最后，本发明的又一个目的在于提出一种方法和设备，其不管使用所述装置的应用是哪种都能够表征用于通过电容效应储存能量的元件。

发明内容

使用如下设备，本发明能够实现上述目标中的至少一个，所述设备用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件、特别是超级电容，并且特别地用于确定与储能元件的健康状态(SOH)相关的数据项和/或与其充电状态(SOC)相关的数据项，所述设备包括：

-至少一个电压测量模块，其包括被称为电压传感器的测量所述元件(102)的电压的至少一个装置；

-至少一个电流测量模块，其包括被称为电流传感器的测量所述元件(102)的电流的至少一个装置，所述电压测量模块和电流测量模块被配置为以相同数量级的动态响应(即所述模块的单位阶跃响应是相同时间数量级的)来执行测量；

-所述测量模块的至少一个控制装置，其用于对于每个储存元件执行至少一个测量周期，该测量周期包括：

■在被称为电压测量时段的时间段内所述储存元件的端子处的一系列电压测量，和

■在被称为电流测量时段的时间段内中通过所述储存元件的电流的一系列测量；和

-根据在至少一个测量周期中由所述模块进行的测量来统计地计算与每个储存元件相关的变量的至少一个装置；

其中，所述至少一个控制装置还被配置为控制所述测量模块，以使得对于每个储存元件来说，所述电压测量时段和所述电流测量时段在时间上重叠被称为总时段的时段(P)的至少70％、特别地至少90％，所述总时段包括所述储存元件的所述测量时段。

测量模块的单位阶跃响应指的是响应于通常表示为Γ(t)的阶跃形式的输入信号而获得的在模块输出处的测量信号，表示为S(t)。通过定义，如果t<0，则Γ(t)＝0并且如果t≥0，则Γ(t)＝1。

根据测量模块的构造原理，S(t)趋于被称为稳定或固定测量值的常数S_∞。该值充当用于限定单位阶跃响应主要时间特征的参照，主要时间特征例如：

-响应时间，表示为τ_r，其被定义为测量信号保持在稳定值S_∞附近的±5％间隔内所需要的时间：

$T_r=Min\{T/\&ForAll;t\&GreaterEqual;T,|\frac{S\left(t\right)-S_{\mathrm{\&infin;}}}{S_{\mathrm{\&infin;}}}|\&le;5\%\},$

-上升时间，表示为τ_m，其被定义为测量信号从稳定值S_∞的10％达到90％所需要经过的时间：

τ_m＝t_90％-t_10％，其中S(t_10％)＝10％S∞和S(t_90％)＝90％S∞，

-延迟时间，表示为τ_d，其被定义为测量信号达到稳定值S_∞的

50％所需要的时间：

τ_d/S(τ_d)＝50％S_∞。

如果对于测量周期的特征时间δt_m，即在测量周期中两次电压测量之间的时间段的最小值和两次电流测量之间的时间段的最小值来说，电压测量模块S_U(t)的单位阶跃响应和电流测量模块S_I(t)的单位阶跃响应通过以下关系式联系，则认为两个单位阶跃响应是相同数量级的：

$|\frac{S_u\left({\mathrm{\&delta;t}}_m\right)}{S_{U\mathrm{\&infin;}}}-\frac{S_1\left({\mathrm{\&delta;t}}_m\right)}{S_{I\mathrm{\&infin;}}}|\&le;10\%$

优选地，传感器被选择为如下：

-电流传感器和电压传感器的响应时间的差值小于20％，特别地小于10％，或者

-电流传感器和电压传感器的上升时间和延迟时间的相应差值小于20％，特别地小于10％。

为了说明时间重叠的概念，示出了一个非限制性的示例，此时，在从t＝0到t＝1s的1s的总时段中进行一系列测量，控制装置控制：

-电压测量模块，以在从t＝0到t＝0.8s的电压测量时段中执行一系列电压测量，和

-电流测量模块，以在从t＝0.1s到t＝1s的电流测量时段中执行一系列电流测量。

在这种情况下，对于1s的总时段来说，电压测量时段和电流测量时段在时间上重叠了0.7s(从t＝0.1s到t＝0.8s)，这提供了总时段70％的重叠。

根据本发明的表征设备能够对储存元件或者单独地对多个储存元件中的每个储存元件执行与同一时间段相关的一系列电压和电流测量，所述同一时段为该储存元件的总测量时段的至少70％。

此外，对储存元件进行的电压和电流测量具有等同的时间范围。由电压和电流测量模块两者测量的与同一储存元件有关的物理事实在时间方面是等同的。实际上，这意味着电压测量和电流测量模块的输出数据是等同的，并且特别地意味着测量模块的单位阶跃响应是相同时间数量级的。

基于这些标准，因此对给定的储存元件进行的电压和电流测量是统计学上相容的，并且考虑了在储存元件的工作中自然存在的、储存元件的工作波动。

因此，根据本发明的设备能够在不必为了考虑电容性储存元件的工作波动而建立特定程序的情况下执行每个电容性储能元件的表征。此外，由根据本发明的设备进行的电流和电压测量能够在使用储存元件的应用工作期间在现场进行。

因此，根据本发明的设备不管使用所述元件的应用是哪种(包括机动车应用)都能够在不必停止使用储存元件的应用的情况下于实际工作条件下在现场表征电容性储能元件。

有利地，如果δt是总测量时段，则δt≤1s能够是可接受的通用值以避免电容效应的影响，并且以便利用惯用公式U＝ESR×I确定ESR。

有利地，根据本发明，当电压和电流传感器的性能使得δt≤0.2s或甚至≤0.05s成为可能时，δt≤0.2s或甚至≤0.05s。

控制装置能够被配置为控制电流和电压测量以使得在同一间隔δt≤0.1s中进行至少一次电压和电流测量。

有利地，所述设备能够表征多个储存元件。对于每个储存元件，根据本发明的设备包括电压测量模块和电流测量模块对，它们被配置为分别测量在该储存元件端子处的电压和通过该储存元件的电流。

与储存元件相关联的一对模块中的电流测量模块或电压测量模块能够形成与另一储存元件相关联的另一对的一部分。

有利地，控制模块能够被配置为控制电压测量模块和相应的电流测量模块，以便以大于或等于10Hz的测量频率执行一系列电压测量和相应的电流测量。

优选地，控制模块能够被配置为控制电压测量模块和相应的电流测量模块，以便以等于200Hz的测量频率执行一系列的电压测量和相应的电流测量。

因此，根据本发明的设备能够考虑储存元件状态的快速变化，即使当该储存元件是能够在短时间内经历显著变化的超级电容器时也是如此。由此，即使电流测量和电压测量不是严格同步的，它们也不彼此分离。

测量模块的传感器能够优选地被选择为具有小于0.1秒并且优选地小于0.005秒的如上定义的响应时间。

至少一个电流传感器能够有利地包括：

-数字电阻式传感器，或者

-多范围霍尔效应传感器，或者

-磁通门传感器。

数字电阻式传感器，也被称为数字分流器，具有高的动态测量范围。其提供电流的精确和几乎即时的测量，其典型响应时间小于一毫秒。该数字电阻式传感器必须被布置在对储存元件供电的电路中，因此除了其他问题以外，还产生额外且不需要的电阻和在工作电压下的表现方面的另外问题。

多范围霍尔效应传感器具有低的动态测量范围。其提供平滑的电流测量，其典型响应时间为50到100毫秒。借助于不同的测量范围，测量值是精确的。与数字分流器不同，不需要将多范围霍尔效应传感器布置在对储存元件供电的电路中，因此提供了更多的灵活性。

磁通门传感器具有与数字分流器等同的动态范围和测量精度并且在定位方面具有与多范围霍尔效应传感器相同的优点。然而，与数字电阻式传感器或者多范围霍尔效应传感器相比，磁通门传感器更昂贵。

电流传感器的推荐列表不是排他的。在使用储存元件的应用的代表性范围(通常为几毫安到几百毫安)内提供足够精确(精度通常由应用规定，但是整个测量范围的≤1％是典型的需求值)和快速的电流测量(通常≤0.1s)并且能够按要求迅速承受极值电流(通常为几千至几万安培)的任何电流传感器是可能的候选者。

至少一个电压传感器能够包括被配置为执行在其输入处存在的电压的模数转换的模数转换器。

模数转换器(ADC)具有高的动态测量范围，其响应时间通常远小于一毫秒。

可能需要适配ADC的输入级(stage)，该输入级通常适合于通常被包括在0到5V之间的电压，以与储存元件电压的改变相对应。通过在电压测量模块中于ADC输入处建立分压级能够产生这种适配。

此外，ADC的选择取决于输入处需要的分辨率(例如对于x mV来说1比特)以及在输出处需要的分辨率(例如12比特、14比特等)。能够通过选择计算装置和要求的测量精度来设定这些分辨率。

根据实施例，为了获得具有等同时间范围的测量，根据本发明的设备能够包括一个或更多个电流传感器和一个或更多个电压传感器，它们的动态响应是相似的或等同的或也是同一数量级或甚至是相同的。例如，在该变化方案中，所述设备能够包括：

-对于电压测量：一个或更多个ADC传感器，和

-对于电流测量：一个或更多个数字分流器或一个或更多个磁通门传感器。

事实上，ADC具有高的动态测量范围，与数字分流器或磁通门传感器是相同的数量级。电压测量和电流测量的时间范围在该情况下是等同的。

在这种情况下，每个测量模块能够仅包括相应的传感器。

根据本发明的设备的另一实施例，与储存元件相关联的至少一个电压测量模块和相应的电流测量模块包括用于通过处理以下信号来改变所述模块的传感器的动态响应的至少一个装置：

-在所述传感器的输入处提供的待测量电信号，和/或

-由所述传感器提供的测量信号；

以相对于与所述储存元件相关联的电流测量模块的电流传感器的动态响应来调节电压传感器的动态响应和相对于与所述储存元件相关联的相应的电压测量模块的相应电压传感器的动态响应来调节相应的电流传感器的动态响应。

这样，根据本发明的设备能够使测量模块的输出处的、从时间范围角度来看等同的电压和电流测量可用。

事实上，为了当电压传感器和电流传感器不具有相同的动态响应(例如当电压传感器是ADC而电流传感器是多范围霍尔效应传感器)时在与储存元件相关联的电压和电流测量模块的输出处最终获得等同测量，测量模块中的一个和/或另一个能够包括用于处理必须由传感器测量的或者根据由传感器提供的测量信号测量的电压/电流的一个或更多个装置。

这些处理装置能够包括滤波装置，例如模拟、数字滤波装置、滑动窗滤波器，傅里叶变换或时间滤波器。

例如，ADC的动态范围显著大于多范围霍尔效应传感器的动态范围。在这种情况下，两次测量的时间范围不是等同的。能够引入滤波来改变电压测量链的单位阶跃响应，以使测量的时间范围等同。该低通类型的滤波会使电压的动态测量范围降低到电流的动态测量范围的水平。存在用于执行该滤波的几种可能方案，其包括以下两种：

-位于ADC上游的RC类型低通模拟滤波器：由电流传感器的单位阶跃响应设定特征截止频率，已知在缺少准确地已知的单位阶跃特征的情况下，能够采用接近1/τ_r或1/(τ_d+1/2τ_m)的值作为截止频率。在这种情况下，将该处理应用于表示待测量电压的信号；

-位于ADC下游的数字滤波器：数学处理，即低通数字滤波、滑动窗滤波器等，确保经滤波的测量具有与电流测量相同的时间范围。在这种情况下，将该处理应用于由ADC提供的测量信号。

还能够实施这些处理装置以改进测量精度，例如对几个测量的取平均值的滤波器能够减小传感器的时间响应，同时提高测量精度。

在根据本发明的设备的一个具体实施例中，控制模块能够被配置为控制与储存元件相关联的电压测量模块和电流测量模块，以同步执行对该储存元件的电流和电压测量。

优选地，控制模块能够被配置为控制与储存元件相关联的电压测量模块和电流测量模块，以交错执行对该储存元件的电流和电压测量。

事实上，电流和电压的同步测量难以执行，而电流和电压的交替/交错测量更易于执行。

根据本发明，“交替测量”或“交错测量”不限制于顺序的重复，所述顺序包括轮流测量电学变量中的一个，然后测量电学变量中的另一个，类型为([U,I,U,I]或[I,U,I,U])，其中“U”为电压并且“I”为电流。事实上，交替不限制于电压测量和电流测量之间的1:1比率(即对于每次电流测量进行一次电压测量)，而是涵盖对于每次电流测量进行多次电压测量或相应地对于每次电压测量进行多次电流测量的情况。

此外，根据本发明，“交替测量”能够是规律的或者不规律的，即两次连续电流测量之间或两次连续电压测量之间或者也在连续地一次电流测量和一次电压测量之间的时间能够是恒定的或变化的。

根据本发明，控制装置能够有利地被配置为不超过由对于一次电流测量来说两次电压测量或相应地对于一次电压测量来说两次电流测量所限定的比率，即(2U：1I)或者(1U：2I)。

根据本发明的设备还能够包括用于测量电荷量的模块，所述模块包括被称为电荷传感器的为至少一个、有利地为每个储存元件测量电荷量的装置。

这种电荷传感器能够是由电流传感器提供的电流信号的积分器。其能够独立于电流传感器。

有利地，控制装置还能够被配置为控制电流I、电压U和电荷量Q的测量，以使得参数U、I和Q中的每个的至少一次测量在同一间隔δt<0.1s中进行。

还应注意的是，与电荷有关的测量在比前述时段δt长得多的时间段(大约为几秒)内进行，以考虑电容效应。

有利地，根据本发明的设备还能够包括缓冲存储器，其用于存储在一系列测量期间由测量模块测量的值的至少一部分和/或由计算装置计算的值的至少一部分，其中所述由测量模块测量的值特别是电压和电流值，并且可选地是温度和/或压力值，其中所述由计算装置计算的值可选地与储存元件的识别码相关联。同时进行测量的成对的值在缓冲存储器中相关联。

存储能够以数字形式实现。

待测量信号的采样率v_sample能够被选择为使得：

10样本/s≤v_sample≤2500样本/s。

对于同一测量周期，一系列测量的电压测量次数能够等于或不同于一系列测量的电流测量次数。

对于两个不同的测量周期，电压测量次数、相应的电流测量次数能够是相同或不同的。

在一个具体的实施例中，对于给定的测量周期，电压测量次数N能够等于电流测量次数。

根据一个具体实施例，N能够被选择为使得2≤N≤32。这个测量次数在统计精度和计算能力之间提供了很好的折衷。

有利地，测量次数N能够非限制性地是等于2的幂的数。这个测量次数能够最优化统计变量的计算。

计算装置能够被配置为执行对至少一个中间统计变量的确定。这样的中间统计变量能够例如是与电压或电流有关的方差、标准差或平均值。

对于表示为G的电学变量，使N为该电学变量的测量次数：

-能够通过使用以下关系式计算平均值

$\stackrel{\&OverBar;}{G}=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{G}_i$

-能够通过使用以下关系式计算方差var_G：

${\mathrm{var}}_G\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{(G_i-\stackrel{\&OverBar;}{G})}^2=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;{G_i}^2}}-{\stackrel{\&OverBar;}{G}}^2$

-能够通过使用以下关系式计算表示为σ_G的标准差：

${\mathrm{\&sigma;}}_G=\sqrt{{\mathrm{var}}_G}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{(G_i-\stackrel{\&OverBar;}{G})}^2}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{G_i}^2.{\stackrel{\&OverBar;}{G}}^2}$

对于给定的储存元件，计算装置因此能够被配置为或者适合于提供六个值，即var_U、σ_U、var_I和σ_I，其中U为电压，I为电流。

根据在本申请的其余部分中被称为直接计算模式的一个具体的实施例，计算装置能够被配置为根据由测量模块在单个测量周期内测量的值来统计地计算至少一个统计变量。

然后，所计算的统计变量能够包括利用以下关系式确定的ESR或C：

σ_U＝ESR×σ_I

var_U＝ESR²×var_I

和

${\mathrm{\&Delta;Q}}_{1\&RightArrow;2}={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}I\left(t\right)dt=C\&times;(V\left(t_2\right)-V\left(t_1\right))=C\&times;{\mathrm{\&Delta;V}}_{1\&RightArrow;2}$

ΔQ_1→2＝C×(ΔU_1→2-ESR×ΔI_1→2)

其中Q为电荷量。

该直接计算模式提供了相对令人满意的结果，但是在所计算的统计变量的值小的情况下具有特别敏感的缺点。此外，该直接计算模式对会增加物理变量的自然波动的、传感器内在的测量不精确性是非常敏感的。

在该实施例中，用于计算统计变量的时间间隔能够对应于进行一系列测量的时间间隔。

优选地，用于计算统计变量的特别是关于ESR的时间间隔能够小于1s，特别地等于0.1s。

根据被称为间接计算方法的另一具体的实施例，计算装置能够被配置为根据由测量模块在多个测量周期内测量并且可选地存储在存储装置中的值来统计地计算至少一个统计变量。

在该实施例中，计算装置能够例如通过线性回归模型考虑先前进行和存储的几个系列的电压和电流测量。

通过考虑在该测量周期期间进行的测量的值或者通过考虑为该测量周期统计地计算的变量的值，能够考虑预先执行的测量周期。因此，根据一个实施例，通过在线性回归模型中考虑在多个测量周期期间计算的统计变量，能够确定至少一个统计变量。

间接计算能够以滑动的方式考虑先前进行并存储在存储装置中的预定数目的测量，这些测量能够在至少两个测量周期内进行。这意味着以滑动方式考虑先前进行的预定数量的测量。在后一种情况下，存储装置能够被配置为仅存储先前进行的预定数量的测量。

有利地，根据本发明的设备能够包括用于将测量值和/或计算值与例如在缓冲存储器中的先前测量或计算的存储值进行比较的比较装置，根据由比较装置提供的结果，新的测量值和/或计算值被存储例如在缓冲存储器中。

当在测量或计算期间获得的值与先前测量或计算的存储值是相同的或相似的时，那么新的测量/计算值不能够被存储。

这种比较能够避免多次存储相同或相似的测量/计算值，因此能够更好地管理存储装置。

根据本发明的设备还能够包括测量其他参数的至少一个装置，所述其他参数与每个储能元件相关，特别地与每个储能元件的环境相关，例如温度或压力。

然后，所述设备能够包括用于将在实际条件下测量的数据转换为在参考条件下测量的数据的至少一个装置。这些转换装置能够例如包括根据实验获得的并且存储在存储装置中的数据构造的转换表。转换能够在计算一个或更多个统计变量之前或之后执行。

根据本发明的另一方面，提出了一种系统，其包括：

-用于串联和/或并联安装的通过电容效应储存能量的多个元件，和

-根据本发明的表征设备，其为所述储能元件中的至少一个提供至少一个表征数据项。

储能组件还能够包括用于根据由表征设备提供的至少一个数据项来修改储存元件的平衡或者使用的装置。

“平衡”指的是使储能组件内的电压分布均匀的行为。特别地，目标在于使得在同一支路上串联安装的所有电容性储能元件于任何时刻在其端子处都具有相同的电压值，不过同时通常允许几十毫伏的泄漏。

修改平衡能够包括全部或部分地更改通过储能元件的电流的路径，该储能元件的单位电压与期望的标称值相比被认为太高。在这种情况下，修改平衡相当于更改通过所涉及的储能元件的电流的路径。但是相对于使得储能组件平衡的其他方法，该示例是非限制性的。

有利地，根据本发明的表征设备能够被用于单独地表征包括串联或并联安装的多个储能元件的储存组件中的每个储能元件。

在储存组件包括串联和/或并联安装的几个储存元件的情况下，根据本发明的设备能够包括：

-电流测量模块，其用于将所述储存元件连接在一起的电路的至少一个并联支路，

-电压测量模块，其用于每个储存元件，并且可选地用于将所述储存元件连接在一起的电路的至少一个并联支路。

所述设备还能够或者可替代地能够包括在储能组件的端子处的电压测量模块和测量储能模块的输出处的电流的装置。

为储存元件进行的一系列电压测量、相应的电流测量能够与为构成所述储存组件的一部分的另一储存元件进行的电压的系列测量、相应的电流的系列测量同时或者不同时地执行。

根据本发明的另一方面，提出了用于表征用于通过电容效应储存能量的至少一个元件(特别地被称为超级电容器)的方法，特别是用于确定与所述储能元件的寿命周期(SOH)或充电状态(SOC)相关的数据项的方法，对于每个储存元件，所述方法包括：

-构成测量周期的以下步骤的至少一次迭代：

●由包括被称为电压传感器的至少一个测量装置的电压测量模块对所述储存元件端子处的电压进行一系列电压测量，和

●由包括被称为电流传感器的至少一个测量装置的电流测量模块对通过所述储存元件的电流进行一系列电流测量；和

-根据所述电压测量和电流测量统计地计算与所述储存元件有关的变量的步骤；

其中，所述一系列电压测量和电流测量在两个测量时段中进行，该两个测量时段在时间上与被称为总时段的时段的至少70％、优选地至少90％重叠，所述总时段包括所述测量时段，测量是利用具有相同数量级的动态响应的电压和电流测量模块进行的。

特别地，同一个测量周期的电压测量和电流测量能够以同一频率或者以两个基本相等的频率进行。

有利地，一系列测量的电压测量或者一系列测量的电流测量能够以大于或等于10Hz的频率进行。

优选地，电压测量频率和/或电流测量频率能够是200Hz。

根据本发明的方法还能够包括修改至少一个电压传感器或至少一个电流传感器的动态响应的至少一个步骤，以获得在统计学上一致的电压和电流测量，所述修改步骤包括对以下中的至少一个的处理：

-在所述传感器的输入处提供的待测量的电压或电流，

-由所述传感器在输出处提供的测量信号。

对于测量周期，能够进行一系列电流测量和一系列电压测量，以使得以交替/交错方式进行电压测量和电流测量。

根据本发明的方法还能够包括在缓冲存储器中存储于测量周期的一系列测量期间测量的电压值和/或电流值的至少一部分的步骤。

根据本发明的方法包括确定至少一个中间统计变量。这种中间统计变量能够例如是关于电压或电流的方差、标准差或平均值。

在根据本发明的方法中，能够通过以下来计算至少一个统计变量：

-考虑在单个测量周期期间进行的测量，

-考虑在多个测量系列期间进行的测量，或

-以滑动方式，考虑先前进行的多次测量。

通常，根据本发明的表征方法还能够包括由根据本发明和上述的设备执行的步骤/操作中的一个，或者如果不存在对这些步骤/操作的任何结合的技术性反对的话还能够包括这些结合，其具有或独立于该设备的构造。此处将不会重复或者详细说明这些特征以避免使说明书过度复杂。

根据本发明的另一方面，提出了一种管理储能组件的方法，所述储能组件包括串联和/或并联安装的、通过电容效应储存能量的多个元件。

这种管理方法包括：

-依照根据本发明的表征方法，为所述储能元件中的至少一个确定至少一个表征数据项的至少一个步骤，和

-根据所述至少一个表征数据项，修改所述储存组件中的至少一个储存元件的平衡或者使用的至少一个步骤。

通常，根据本发明的管理方法还能够包括由根据本发明和上述的储存组件执行的步骤/操作中的一个，或者如果不存在对这些步骤/操作的任何结合的技术性反对的话还能够包括这种结合，其具有或独立于该设备的构造。此处将不会重复或者详细描述这些特征以避免使说明书过度复杂。

根据对绝非限制性的示例和附图的详细描述的研究，其他优点和特征将变得明显，在这些附图中：

-图1是根据本发明的储存组件的示意图；

-图2是根据本发明的表征方法的示意图；和

-图3是用于实施根据本发明的电压和电流的交错测量的多种配置的示意图。

很好理解的是，将在下文中描述的实施例是绝非限制性的。如果下面所描述的与其他所描述的特征独立的特征选集足以赋予技术优点或者相对于现有技术区分本发明，则能够特别地设想本发明的变化方案仅包括该特征选集。该选集包括至少一个优选的功能特征，该功能特征不具有结构细节，或者如果结构细节中的单独一部分足以赋予技术优点或者相对于现有技术区分本发明，则该功能特征仅具有结构细节的该部分。

特别地，如果从技术角度来说不反对所有所描述的变化方案和实施例的结合，则能够进行这种结合。

在附图中，对几个附图来说共有的元素保持相同的附图标记。

首先，将描述根据静态参数的两种计算方法来计算统计变量的非限制性示例。这些实施例中的每个都能够在本发明中单独或者彼此结合地实施。

实施例1：直接计算

假设N为在测量周期中和在总时段δt中测量的电压“U”和电流“I”的值的数量，其中δt<<1s。如上所述，通常通过交错进行U和I的测量来使N的值例如在测量时段δt内均匀分布。

应注意的是，利用根据本发明的设备，即使没有均匀地进行测量，也会发现电流和电压模块输出处的待由计算装置处理(借助于由每个模块的处理装置另外执行的处理)的成对的值。

变量G的平均变化在统计学上对应于该变量的标准差σ_G，或者如果以数学距离方面来看的话对应于其方差var_G＝σ_G ²，并且所计算的统计变量特别包括电压的和/或电流的方差或标准差。

一方面，借助于根据本发明的方法和设备，利用以下关系式来确定平均值和U和I的方差var_U、var_I和/或标准差σ_U、σ_I：

$\begin{array}{c}-\stackrel{\&OverBar;}{G}=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{G}_i\\ -{\mathrm{var}}_G=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{(G_i-\stackrel{\&OverBar;}{G})}^2=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{G_i}^2-{\stackrel{\&OverBar;}{G}}^2\\ -{\mathrm{\&sigma;}}_G=\sqrt{{\mathrm{var}}_G}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{(G_i-\stackrel{\&OverBar;}{G})}^2}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{G_i}^2-{\stackrel{\&OverBar;}{G}}^2}\end{array}$

因此，根据本发明的设备和方法能够为每个时段δt提供由计算装置在计算步骤中确定的六个值：一方面是var_U、σ_U，和另一方面是var_I和σ_I。这些值中的三个(和通过选择得到的对(var_U,var_I)或(σ_U,σ_I))被存储在例如缓冲存储器中，以用于ESR和C的后续计算。

ESR的计算

然后，通过使用以下作为存储的数据对的函数的关系式中的一个，能够由计算装置在计算步骤期间计算ESR的值：

σ_U＝ESR×σ_I

var_U＝ESR²×var_I

对于该实施例，用于计算统计变量ESR的时间间隔对应于进行一系列测量的时间间隔、即测量周期的时段，并且因此优选地小于1s，特别地小到0.1s。

C的计算

通过进行相同的I和U测量和/或先前在ESR的计算期间获得的统计变量I和U的计算结果并且将它们应用到以下公式中，能够获得C的值：

${\mathrm{\&Delta;Q}}_{1\&RightArrow;2}={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}I\left(t\right)dt=C\&times;(V\left(t_2\right)-V\left(t_1\right))=C\&times;{\mathrm{\&Delta;V}}_{1\&RightArrow;2}$

ΔQ_1→2＝C×(ΔU_1→2-ESR×ΔI_1→2)

其中:

-ΔQ对应于在两个状态①和②之间储存元件中的电荷量差，其也由电荷传感器测量；

-ΔU对应于在状态①和②之间储存元件端子处的电压差，即U或的数值差；

-ESR对应于先前计算的值，和

-ΔI来自在状态①和②之间的I或的数值差。

为了改进计算精度，储存元件的状态①和②能够被选择为在时间方面、或在电荷量方面、或在电压方面是分开的，以获得足够远离0的“ΔQ”和/或“ΔU-ESR×ΔI”的值，同时保持在代表使用储存元件的应用的变化域内。

在时间方面，状态①和②能够例如是分开的，使得2s≤Δt_1→2≤64s，并且特别地4s≤Δt_1→2≤16s。

在电荷量方面，状态①和②能够例如是分开的，使得C_n×U_n/32库伦≤|ΔQ_1→2|≤C_n×U_n库伦，其中C_n是储存元件的标称电容，U_n是储存元件的标称工作电压，并且特别地C_n×U_n/16库伦≤|ΔQ_1→2|≤C_n×U_n/4库伦。

在电压方面，状态①和②能够例如是分开的，使得U_n/32V≤|ΔV_1→2|≤U_nV，并且特别地U_n/16V≤|ΔV_1→2|≤U_n/4V。

能够根据命令将ΔQ的测量结果清零至零可以是有益的。在这种情况下，状态①能够对应于该清零而状态②对应于ΔQ的测量结果。

应注意的是，无论是用于确定ΔQ的实施例或者计算方法，都能够在储存元件所连接到的电路中添加电荷量传感器，替代由计算装置根据I或I的测量结果执行的计算。

然后，直接从该传感器获得ΔQ。

这种电荷传感器能够是通过储存元件的电流的积分器。其能够组成与电流传感器串联布置的特定传感器。例如，某些数字分流器根据内部测量信号的数字积分直接提供从可控清零开始已经通过分流器的电荷量。

在一个变化方案中，根据电流传感器的输出信号的性质，能够利用电流传感器的存在通过对来自电流传感器的信号进行模拟或数字积分来产生这样的电荷传感器。例如，多范围霍尔效应传感器通常提供最好是通过专用积分电路以模拟方式积分的模拟信号。相反，磁通门传感器通常提供最好是通过专用或非专用计算装置以数字方式积分的数字信号。在该变化实施例中，将计算装置(例如微控制器)和/或数据存储装置专门用于电流传感器的输出信号的数字积分可能是有益的，这是由于该计算可能导致资源的高消耗。如果输出信号是模拟的，则中间ADC能够转换信号以使得该信号能够被专用计算和/或存储装置使用。

有利地，当使用电荷传感器测量变量ΔQ时，无论是哪个实施例，控制装置都还能够被配置为控制I、U和Q的测量，以使得U、I和Q的至少一个测量在同一间隔δt<0.1s内进行。

如上面详细描述的，本实施例提供相对令人满意的结果，但是在var_I或I的值小的情况下具有特别敏感的缺点。

此外，本计算模式对会增加物理变量的自然波动的传感器固有的测量不精确性是敏感的。

实施例2：间接计算

在本实施例中，根据所进行的测量和/或根据所计算的统计变量来执行线性回归，所述测量和所述统计变量在设备的存储装置中存储并且对应于先前进行的k个测量周期。

ESR的计算

用于执行线性回归的关系式能够是如下的：

$a=\frac{\frac{1}{k}\underset{1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{X}_i{Y}_i-\stackrel{\&OverBar;}{X}\stackrel{\&OverBar;}{Y}}{{\mathrm{var}}_X}=\frac{\underset{1}{\overset{k}{\&Sigma;}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})(Y_i-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}{\underset{1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^2}$

通过将对(var_I,var_U)作为(X,Y)对，“a”等于ESR²，而通过将对(σ_I,σ_U)作为(X,Y)对，“a”等于ESR。该关系式考虑了与先前执行的k个测量周期相对应的k对值(var_I,var_U)或(σ_I,σ_U)。

此外，通过使用以下关系式能够对线性回归施加重要的附加限制条件：

$\stackrel{\&OverBar;}{Y}=a\stackrel{\&OverBar;}{X}$

这是因为对(U,I)＝(0,0)理论上位于右侧。

通过使用该限制，线性回归公式变为：

$a=\frac{\frac{1}{k}\underset{1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{X}_i{Y}_i}{{\mathrm{var}}_X-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}^2}=\frac{\underset{1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{X}_i{Y}_i}{\underset{1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{X}_i^2}$

C的计算

通过将ΔQ作为Y和“ΔU-ESR×ΔI”作为X，能够利用刚才描述的线性回归来确定C，其中每个Δ都对应于不同的状态对(①,②)。

状态对(①,②)能够满足在前述实施例中陈述的选择条件。他们同样地能够很好地一个接着另一个(①②①'②'①"②"…类型的序列)、重叠(①①'②①"②'②"…类型的序列)，邻接的(①②＝①'②'＝①"②"…类型的序列)、规律的或不规律的(①①'②②'＝①"②"…类型的序列)。

根据I或在使状态①和②分开的时间间隔上的积分能够获得ΔQ。

特别地，ESR值的获取不是即时的。本方法特别适用于ESR的缓慢变化和/或低期望值(一个或更多个)的情况，该情况是在实践中针对标准电容性储存元件的情况。

该第二实施例(间接计算或线性回归)有效地修正了前述通过直接计算的实施例的不精确性问题，但是需要在存储器中进行存储以及对获得的统计变量进行后处理的额外装置。

能够以如下方式执行线性回归方法：

-要么通过计算需要的统计变量(var_U、σ_U、var_I或σ_I)并且通过存储这些变量然后执行线性回归；

-要么通过直接存储了测量对(I,U)，然后通过随后执行计算辅助统计变量var_U、σ_U、var_I或σ_I的步骤以及线性回归步骤。

在该第二实施例中，测量次数优选是多的，并且进行测量的持续时间优选为比第一实施例的长。

测量能够在几分钟甚至几小时内进行。通过使值仅在I和U的值的单一范围内，这能够避免使回归出错。为了计算，测量对(I,U)的集合然后会被分解为N_i对的k个子集，对于每个测量子集，注意遵守与时间分布和在实施例1中示出的电流和电压测量之间的短时间相关的标准。没有在N_i的值上加其他条件，因此该值在一个子集和另一子集之间能够是不同的。

第二实施例的变化方案

在第二实施例中，还可以以滑动的方式利用k对值(X,Y)来执行回归而不是如上述地以固定的方式使用k对值。在这种情况下，用于计算统计变量的时间段重叠。通过仅考虑最后k对值，可以对每个新的值对(X,Y)执行新的计算，而不像先前提出的那样对每k对值执行计算。最早的(X,Y)值被新的值对(X,Y)所替代。然后，ESR值的改变随着时间变平滑。在第二实施例的本变化方案中，k能够是可随时间变化的，即值对的数量能够随时间变化。可以例如适时地根据X或Y的变化范围将(X,Y)对分组。

此外，无论考虑k对值的方式是滑动的还是固定的，在将一对测量/计算值存储之前，都能够将这对值与已经存储的值对进行比较以确定是否会已经存在相同或相近的值对。如果是这种情况，则不存储新的值对，如果不是，则将其存储。这种比较能够避免使存储装置饱和和/或使用太昂贵的存储装置。

例如，在其中以滑动的方式考虑k对值的、第二计算方法的变化实施例中，在实践中不保证这k对在数值上分隔得足够远以使得线性回归的结果是精确的。例如，如果涉及的I或var_I值的集合接近0，那么线性回归的计算非常有可能会提供不精确的值。为了改正这个问题，能够在进行线性回归计算之前选择值对。

利用这种选择，ESR值的获得变得甚至不如先前即时。该方法因此特别适用于ESR的缓慢变化和/或低期望值的情况。

这种选择的原则如下：对于每个新值(X,Y)，确定该对是否贡献了从统计学角度来看有益的数据项。如果是这种情况，则其被放置在缓冲存储器中。如果不是，则对于计算来说其被忽略。如果在存储器中尚没有等同的对，则(X_i,Y_i)贡献统计学上有益的数据项。这相当于验证在存储器中不存在(X_j,Y_j)对，使得：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_j-\mathrm{\&delta;X}/2\&le;X_i\&le;X_j+\mathrm{\&delta;}X/2\\ Y_j-\mathrm{\&delta;}Y/2\&le;Y_i\&le;Y_j+\mathrm{\&delta;}Y/2\end{array}\right.$

其中δX/2和δY/2是预定的。

从实践的角度看，对于每个新的值对(X_j,Y_j)，确定其在存储器中的理论存储位置。如果在该位置上尚未有值对，那么该值被存储。否则，该值对被忽略。

为了确定值对(X_i,Y_i)的理论位置，X的变化域因此被划分为n_X个宽度为δX的间隔而Y的变化域被划分为n_Y个宽度为δY的间隔：n_X×n_Y个存储区域被保留用于存储可能的值对(X,Y)的集合。

因此，对于X和Y的变化域来说，要在可存储数据的数量和δX和δY的可接受的值之间找到折衷。间隔不必在整个变化域上都具有恒定宽度，但是这是推荐的以避免复杂的统计处理：在存储装置的大小/计算装置的能力之间的折衷。

该选择模式的一个变化方案能够是对存储器中n_X×n_Y个格的每个中的值对数进行计数，并且将格中值对数的权重(或系数)函数分配给与该格相关联的值。然而，在统计学上比前一种方法更令人满意的该解决方案增加了对存储器大小的要求；这是因为那时需要使用额外的整数表。

对于每个X值，还能够仅存储减少数目的Y值。在该情况下，存储的值必须在统计学上代表为涉及的每个X值所测量和/或计算的Y值的集合。例如，能够设想存储平均值、和/或中间值、和/或值的总和与值的相应数目、和/或最小值和最大值、和/或值的方差、和/或值的标准差、和/或值的平方和与值的相应数目，以限制值的存储所需的大小。

由于ESR的期望数量级(≤50毫欧)，ESR²(或ESR)的计算提供小的值。这必然要求处理高精度实数。因此，处理ESR的倒数[ESR^-1]或者ESR平方的倒数[ESR^-2]能够是有益的，这些倒数是能够由整数表示而不损失后续精度的大数字。这可以仅通过对上面使用和详述的基本公式取倒数完成。

无论选择的计算方法是哪种，然后例如通过使用以下关系式来确定参数SOC和SOH：

$SOC=\frac{E_S-E_L}{E_n-E_L}\%=\frac{C{(U-ESR\&times;I)}^2-{{\mathrm{CU}}_L}^2}{{{\mathrm{CU}}_n}^2-{{\mathrm{CU}}_L}^2}\&times;100\%$

其中，U_N和U_L分别是工作中元件的高电压和低电压。

$SOH=(\frac{C-C_{init}}{C_{init}}\%,\frac{ESR-{\mathrm{ESR}}_{init}}{{\mathrm{ESR}}_{init}}\%)$

其中，C_init和ESR_init是工作中元件的特征C和ESR的初始值。当参数SOH达到值(-20％,100％)时，即当工作中的元件表现出其电容的20％的损失和其ESR翻倍时，普遍认为该元件处于[其]寿命的结束。

刚刚描述的实施例或变化方案能够适用于所研究的实际应用类型。

因此，在存储装置连续工作而没有分开的工作阶段的情况下，测量和计算能够是简单的并且即时被执行。该方案能够例如使用上述的直接计算模式(实施例1)。

因此，在存储装置根据不同阶段工作的情况下(例如最大工作速率然后不工作)，能够存储不经处理的大量数据项，并且能够在非关键时刻(例如当储存元件不工作时)执行复杂计算。该情景能够例如使用上述的间接计算方法(实施例2)。

由于计算性能的原因和简化所用硬件的原因以及为了降低成本，处理整数值能够是更有益的。这意味着使测量范围离散化(实际上由于测量的数字化，即使传感器提供了测量变量的已经离散化的值也要如此)为整数值的范围：然后优选地处理ESR的倒数。

图1是根据本发明的储存组件的一个示例的示意图。

图1中示出的储存组件100包括通过电路104连接在一起的四个电容性储能元件102₁-102₄和用于表征每个储存元件的设备106。

储存元件102₁和102₂被串联安装在电路104的支路104₁上而元件102₃和102₄被串联安装在电路104的支路104₂上。支路104₁和104₂是同一个电路104的两条并联支路。

表征设备106包括分别与每个储能元件102₁-102₄连接的电压测量模块108₁-108₄。设备100还包括电压测量模块110，其测量支路104₁和104₂中的每个的端子处的电压，该电压也对应于储存装置102组的端子处的电压。

电压测量模块108₁-108₄和110的每个都包括电压传感器，其为0到5V模数转换器ADC。

由于电压测量模块110的标称电压U_n大于5V，因此该模块还在传感器ADC110₂的输入处包括分压器级110₁。此处，分压器被选择为在÷2处，正如在每条支路中的串联元件数。通过将电阻器和其他无源部件结合能够无源地实现分压器级110₁，或者通过将无源部件和晶体管或运算放大器类型的有源部件结合能够有源地实现分压器级110₁。

设备100还包括分别布置在支路104₁和104₂的每个上的电流测量模块112₁和112₂。设备100还包括用于测量通过储存装置组的电流的模块114，其被布置在电路的被称为总支路的电路支路116上，电路的支路104₁和104₂在该支路116上汇合。

电流测量模块112₁和112₂和114使用不同类型的电流传感器。

因为期望的高电流值不允许使用数字分流器，所以模块114使用多范围霍尔效应传感器114₁。由于该传感器114₁的输出信号是模拟电压，因此模块114包括布置在多范围霍尔效应传感器114₁下游的传感器ADC114₂。

布置在支路104₁上的电流测量模块112₁包括具有被积分的电荷量测量的数字分流器，特别地包括可控清零，这是由于在支路104₁的水平处的期望电流值与该技术一致。

布置在支路104₂上的电流测量模块112₂包括具有数字输出的磁通门传感器，该磁通门传感器在绝缘方面比数字分流器更有利，但是体积也更大，因此更难以布置在电路中。

用于内支路104₁和104₂的电流测量模块112₁和112₂因此仅包括上述的电流传感器。电压测量模块108₁-108₄仅包括ADC传感器，后者具有与电流测量模块112₁和112₂的传感器中的每个等同的时间范围。

电压测量模块110除了上述的分压器级110₁和ADC传感器级110₂以外还包括模拟低通滤波器110₃以使进行的电压测量的时间范围与电流测量模块114的时间范围等同。在此处描述的实施例中，模拟低通滤波器110₃位于分压器级110₁的输出和ADC传感器110₂的输入之间。通过结合电阻器、电容器和其他无源部件能够无源地实现模拟低通滤波器110₃，或者通过结合无源部件和晶体管或运算放大器类型的有源部件能够有源地实现模拟低通滤波器110₃。虽然被分开描述和示出，但是分压器级110₁和模拟低通滤波器110₃能够被集合/集成在同一个电路中。

除了上述的部件114₁和114₂以外，设备100在电流测量模块114中还包括在输出处的模拟积分器级(integrator stage)，其能够提供自末次清零命令以来已流入由储存元件102形成的储存组件的电荷量的测量。该积分器级包括集成了清零命令的模拟积分器114₃和与该模拟积分器114₃串联布置的ADC传感器114₄，该ADC传感器114₄将积分的模拟信号转换为数字信号。通过结合电阻器、电容器和其他无源部件能够无源地实现模拟积分器114₃，或者通过结合无源部件和晶体管或运算放大器类型的有源部件能够有源地实现模拟积分器114₃。

设备100还包括温度传感器116和压力传感器118。这些传感器测量模块中的温度和压力，以共有的方式被考虑用于所有储存元件102。这些传感器是已知类型的并且不提供其组成的更多细节。

设备106包括连接到所有测量模块108-114和到所有传感器116-118的中央处理单元120。

中央处理单元120包括旨在用于存储由上述传感器测量的值的存储器122。存储器122分别地和独立地存储与每个储存元件102相关的值。存储器122还存储温度和压力值以及转换表，所述转换表允许将利用压力和温度测量确定的实际条件下的电流和电压值恢复到参考条件下的值。

中央处理单元120还包括计算装置124，其包括例如一个或更多个微控制器，使得能够根据预定的、特别是上述的和被预编程到计算装置中的计算算法来处理从测量模块获得的数据，以获得以下统计变量的值：首先是ESR和C，然后是SOC和SOH等。

中央处理单元120还包括也被称为控制单元的控制装置126，其特别地包括时钟126₁，该控制装置被配置为控制用于测量电压、电流、温度和压力的模块组并且启动由不同测量模块进行的测量组。可替代地，根据本发明的设备能够包括每个测量模块专用的不同的控制单元。

为了使计算时间最优，中央处理单元120还包括来自磁通门传感器112₂的电流测量的数字时间积分专用的计算装置128。计算装置128的目的在于根据电流测量I计算电荷量的测量结果ΔQ。还能够使用计算装置124来执行该运算，而不需要使用专用计算装置。

在此处描述的实施例中，中央处理单元120的装置122、124、126和128能够在中央处理单元120内彼此数字地和双向地通信。特别地，专用计算装置128被连接到控制单元126、计算装置124和存储器122。特别地，计算装置124被连接到控制单元126和存储器122。

在此处描述的实施例中，中央处理单元120和更特别地控制单元126能够与所有测量模块通信。包括数字传感器的模块与中央处理单元120数字通信。多范围霍尔效应电流传感器的模拟控制114₁迫使下行方向(即从中央处理单元120到测量模块114)的模拟通信与上行方向(即从测量模块114到中央处理单元120)的数字通信并行。

温度和压力测量传感器116和118根据传感器的选择以模拟和/或数字方式与中央处理单元120通信。通信主要用在上行方向，即从传感器到中央处理单元120。在描述的实施例中，通信在两个方向上都是模拟的，这假设了在中央处理单元120内的这些信号的输入处存在模数转换装置(未示出)。

除了储存元件102₁-102₄和表征设备106以外，在图1中示出的储存组件100还包括不同储能元件102₁-102₄的、根据由表征设备106和更特别地由表征设备106的中央处理单元120提供的数据工作的平衡单元130。

该平衡单元130根据由表征设备106获得并且存储在存储装置122中的数据作用于储存装置102₁-102₄。

该平衡单元130连接到存储器122。

虽然在图1中独立于中央处理单元120被示出，但是平衡单元130能够优选地被并入中央处理单元120。

在图1中，实线连接表示模拟连接，而虚线连接表示数字连接。

图2是根据本发明的电容性储存元件的表征方法的一个实施例的示意图。

图2中示出的方法200包括对储存元件执行测量周期的步骤202，所述储存元件例如是每个储存元件102_i或者一组储存元件(例如包括储存元件102₁和102₂的组或包括储存元件102₃和102₄的组或包括所有储存元件102₁-102₄的组)。

步骤202包括利用电压测量模块(例如图1的设备的模块108或模块110)对每个元件/组进行一系列电压测量的步骤204。

步骤202还包括步骤206，其至少部分地与步骤204同时执行，并且利用电流测量模块(例如图1的设备的模块112或模块114)对每个元件/组进行一系列电流测量。

由与每个元件/组相关联的测量模块以交替/交错的方式进行电压和电流测量。

执行测量步骤204和206中的每个例如以使得由每个传感器每5毫秒以交错的方式进行测量。

每个测量步骤或两个测量步骤能够在40毫秒的总时段中执行。因此，在每个测量周期202期间为每个元件/组获得八个电压值和八个电流值的集合。能够由控制单元、例如图1的设备106的控制单元126启动测量并且因此启动测量模块。

进行电流和电压测量以使得在两个时段内进行一系列电流测量和一系列电压测量，所述两个时段重叠了大于或等于70％的总测量时段的持续时间。

方法200还包括测量电荷量ΔQ的步骤208。该步骤208能够在测量周期202之前、期间和之后被执行。该步骤208能够例如由控制单元126通过以下执行：

-发射到电流传感器(例如具有特定的积分传感器的电流传感器112₁)的数字信号，或者

-到电流测量模块的积分级(例如电流测量模块114的积分级)的模拟信号，并且通过所述积分级的模拟清零，或者

-到连接到电流测量模块(例如电流测量模块112₂)的专用计算装置和所述模块的专用计算装置128的数字信号，并且通过所述专用计算装置的数字清零。

电荷量的测量或者电流的积分然后在例如8秒的预定时段中进行，并且其为所使用的每个电流测量模块提供电荷量值。

所述方法还包括周期性地测量其他参数(例如温度、压力等)的可选步骤210。进行测量的周期例如是40秒。

在可选步骤212期间，在某些传感器(例如图1的电压传感器110)的情况下能够以模拟的方式对进行的测量滤波。

在步骤214期间，取得的测量结果被传输到存储装置(例如图1的存储装置122)，并且与储能元件的每个元件或其组相关联地被存储。

对于每个储能元件/组，然后在计算步骤215期间例如借助于计算装置124提取并且使用存储的数据以得到：

-中间统计变量，例如：

●对于每个系列的8个值，电压U的平均值和电流I的平均值，该平均值为每个40毫秒的测量周期提供了值，

●对于每个系列的8个值，电压U的方差和电流I的方差，该方差为每个40毫秒的测量周期提供了值，

●电阻电压降的修正电压的变化ΔV＝ΔU-ESR×ΔI，其为每个8秒的测量周期提供了值，由于计算为此使用统计变量ESR的没有更新的存储值，所以该提供的值必然是近似的。随后，通过使这些值对应于电荷量ΔQ的每次测量来使用这些值，这种测量在电压和电流的多个测量周期内进行，以使得电容效应被考虑，

-统计变量，例如：

●使用上述预定的公式得到的SOC，该SOC对于每个40毫秒的测量周期提供了值，由于计算为此使用统计变量的没有更新的存储值，所以该提供的值必然是近似的。

为了后面这些值，因此需要知道ESR和C的值，这假设了在应用启动时存储了初始值。这些值从在ESR和C的先前计算期间获得的数据获得，或者如果没有在ESR和C的先前计算期间获得的数据，那么这些值是例如在方法200开始时的理论值。

方法200然后包括可选步骤216，对计算值应用转换系数。这些转换系数是在存储于存储装置中的转换表中先前给定的，并且借助于例如温度、压力等其他参数的测量来标识，这些测量在与用于计算平均值、方差、变化和其他统计变量的测量对应的时间间隔期间进行。在上述可选步骤210中已经周期性地执行了这些其他参数的测量。由于这些参数的测量周期是不同的，因此考虑到的这些参数值是在电压U和电流I的测量时间处的末次测量值。在步骤218期间，计算值和可选地修正值被存储在存储装置中。

当已经执行了预定的k个测量周期或者k次测量、例如当在160秒内k＝32000次电压U和电流I的测量、即4000对的值(var_U,var_I)、20对的值(ΔQ,ΔV)和每个其他参数(温度、压力等)的4个值并且执行的测量/计算的结果已经被存储在存储装置中时，方法200能够包括在k个测量周期或k次测量内通过线性回归进行的计算步骤220，其特别以上述的滑动方式使用上述的预定公式进行。步骤220为储能元件的每个元件/组提供更新的ESR、C和SOH和可选的SOC的值。这些更新值在步骤220结束时被存储在存储装置中并且因此被考虑用于上述方法200的后续周期。

所述方法还包括步骤222，其利用为包括多个储存元件的储存组件的每个储能元件获得的不同的电压、电流、电容、电阻和SOC数据来执行平衡。这种平衡步骤能够通过平衡单元、例如图1的平衡单元130来执行。根据与前述参数中的至少一个相关的预定平衡规则来执行平衡步骤。

图3是用于实施根据本发明的电压和电流的交错测量的几种配置的非限制性示意图。

在描述的所有配置中，P_T表示用于一系列电压测量的电压测量时段，P_C表示用于一系列电流测量的电流测量时段，并且P表示包括电压时段P_T和电流时段P_C两者的总时段。在下面描述的所有配置中，P_T和P_C在时间上重叠了大于或等于70％的P的持续时间。

在配置302中，电压和电流测量同步进行，使得对于每次电压测量，都进行一次电流测量。在该配置中，P_T＝P_C＝P。因此，用于进行一系列电压测量的电压测量时段与用于进行一系列电流测量的电流测量时段重叠了总时段的100％。此外，两次连续电压测量之间的持续时间等于两次连续电流测量之间的持续时间，即电压测量频率等于电流测量频率。

在配置304中，电压和电流测量以错开的方式进行，使得对于每次电压测量，在电压测量之后经过时间间隔Δt后进行电流测量。在该配置中，P_T＝P_C并且与P相比Δt非常短。此外，与两次连续电压测量(或者两次连续电流测量)之间的持续时间相比，Δt也非常短。此外，两次连续电压测量之间的持续时间等于两次连续电流测量之间的持续时间，即电压测量频率等于电流测量频率。

在配置306中，电压和电流测量交替进行，使得对于每次电压测量，在其之后经过Δt后进行电流测量。在该配置中，P_T＝P_C并且Δt等于两次连续电压(或电流)测量之间的持续时间的一半。此外，两次连续电压测量之间的持续时间等于两次连续电流测量之间的持续时间，即电压测量频率等于电流测量频率。

在配置308中，电压和电流测量以错开的方式进行并且具有不同的测量频率。总测量时段P以电压测量开始和结束，因此P_T＝P。此外，对于进行的每次电流测量，进行两次电压测量。每次电流测量在电压测量之后经过时间间隔Δt后进行，其中与P、P_T和P_C相比，Δt非常短。此外，两次连续电压测量之间的持续时间等于两次连续电流测量之间的持续时间的一半，即电压测量频率是电流测量频率的两倍。

在配置310中，电压和电流测量以同步、交替的方式进行并且具有不同的测量频率。总测量时段P以电压测量开始和结束，因此P_T＝P。第一次电流测量在第一次电压测量之后经过时间间隔Δt后进行，其中Δt等于两次电压测量之间的持续时间的一半。此外，对于进行的每次电流测量，进行两次电压测量，已知两次连续电压测量之间的持续时间等于两次连续电流测量之间的持续时间的2/3，即电压测量频率等于电流测量频率的1.5倍。

在配置302-310中，电压测量频率和电流测量频率每个都是恒定的。

在配置312中，电压和电流测量以错开的方式进行，并且具有仅对于在仅非限制性地示出的所述配置中的电流测量来说在时间上不恒定的测量频率。总测量时段P以电压测量开始和结束，因此P_T＝P。对于每次电压测量，在电压测量之后经过时间Δt后进行电流测量。在该配置312中，时间间隔Δt不是恒定的并且对于每次测量都变化，并且对于与末次电压测量同时进行的末次电流测量来说甚至等于零。

在配置314中，电压和电流测量以错开的方式进行，并且在非限制性地示出的所述配置中具有一系列电流测量中的一个的启动延迟。总测量时段P以电压测量开始并且以电流测量结束。测量时段包括第一次电压测量、然后第二次电压测量，并且从第二次电压测量开始，在每次电压测量之后包括一次电流测量。测量时段以电流测量结束，该电流测量在另一个电流测量之后而其中没有进行电压测量。在该配置312中，电压测量频率和电流测量频率是相同的并且是恒定的。电压测量时段与电流测量时段错开了等于两次连续电压(电流)测量之间的持续时间和使第二电压测量和第一电流测量(或者末次电压测量和倒数第二次电流测量)分隔开的恒定持续时间Δt。

当然，本发明不限制于刚刚描述的示例。描述的示例可以有多种变化方案。例如，转换步骤218和平衡步骤222能够在图2中描述的计算方法200的不同时刻执行和/或在所述方法期间执行几次。相似地，可选滤波步骤212能够例如由图1的计算装置124以数字方式执行。相似地，中间统计变量的计算步骤215不是必须步骤，并且统计变量的计算步骤220可以独立存在，然后包括在步骤215中执行的计算以及如以上在实施例1：直接计算中描述的辅助计算的全部或一部分。在该情况下，存储步骤214和218还能够根据可选转换步骤216的存在而被组合在单个步骤、例如存储步骤218中。此外，测量配置能够与参照图3描述的那些不同。

Claims (17)

1.一种用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件(102)的设备(106)，所述设备(106)的特征在于其包括：

-至少一个电压测量模块(108、110)，其包括被称为电压传感器的测量所述元件(102)的电压的至少一个装置；

-至少一个电流测量模块(112、114)，其包括被称为电流传感器的测量所述元件(102)的电流的至少一个装置，所述电压测量模块和电流测量模块(108-114)被配置为以相同数量级的动态响应来执行测量，即所述模块(108-114)的单位阶跃响应是相同时间数量级的；

-所述测量模块(108-114)的至少一个控制装置(126)，其用于对每个储存元件(102)执行至少一个测量周期，该测量周期包括：

■在被称为电压测量时段的时间段(P_T)内在所述储存元件(102)端子处的一系列电压测量，和

■在被称为电流测量时段的时间段(P_C)内对通过所述储存元件(102)的电流的一系列测量，和

-根据在所述至少一个测量周期中由所述模块(108-114)进行的测量来统计地计算与每个储存元件(102)相关的变量的至少一个装置(124)；

其中，所述至少一个控制装置(126)还被配置为控制所述测量模块(108-114)，以使得对于每个储存元件(102)来说，所述电压测量时段(P_T)和所述电流测量时段(P_C)在时间上重叠被称为总时段的时段(P)的至少70％、特别地至少90％，所述总时段包括所述储存元件(102)的所述测量时段(P_T、P_C)。

2.根据权利要求1所述的设备(106)，其特征在于，所述控制模块(126)被配置为控制所述电压测量模块(108、110)和相应的电流测量模块(112、114)，以便以大于或等于10Hz、特别地为200Hz的频率执行一系列电压测量和相应的一系列电流测量。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，至少一个电流传感器(112、114)包括：

-数字电阻式传感器，或

-霍尔效应多范围传感器(114₁)，或

-磁通门传感器(112₂)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，至少一个电压传感器(108、110)包括模数转换器(108₁-108₄)，其被配置为执行在其输入处存在的电压的模数转换。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，与储存元件(102)相关联的至少一个电压测量模块(110)和相应的电流测量模块包括至少一个装置(110₃)，其用于通过以下来改变所述模块(110)的传感器(110₂)的动态响应：

-处理在所述传感器(110₂)的输入处提供的待测量电信号，和/或

-在输出处由所述传感器提供的测量信号的处理；

以便相对于与所述储存元件(102)相关联的电流测量模块的电流传感器的动态响应来调节所述电压传感器(110₂)的动态响应和相对于与所述储存元件(102)相关联的相应电压测量模块的相应电压传感器的动态响应来调节相应的电流传感器的动态响应。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，所述控制模块(126)被配置为控制与储存元件(102)相关联的电压测量模块(108、110)和电流测量模块(112、114)，以执行交错的电流和电压测量。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，所述测量周期的总时段(P)小于或等于1s，特别地小于或等于0.2s。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，其还包括用于测量电荷量的模块，该模块包括被称为电荷传感器的用于测量所述储存元件(102)的电荷量的装置(114₃、128)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，其还包括缓冲存储器(122)，该存储器用于存储在测量系列期间由所述测量模块(108-114)测量的或者由所述计算装置(124)计算的值的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的设备(106)，其特征在于，其包括将测量值和/或计算值与存储在所述缓冲存储器(122)中的值进行比较的装置，根据由所述比较装置提供的结果，将新的测量值和/或计算值存储在所述缓冲存储器(122)中。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，所述计算装置(124)被配置为根据在单个测量周期内由所述测量模块测量的值来计算至少一个统计变量。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，所述计算装置(124)被配置为根据在多个测量周期内由所述测量模块测量的值来计算至少一个统计变量。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备(106)，其特征在于，其包括测量与所述每个储能元件(102)相关的其他参数的至少一个装置(116、118)，和用于将实际条件下测量的值转换为参考条件下测量的值的装置。

14.一种储能组件(100)，其包括：

-串联和/或并联安装的通过电容效应储存能量的多个元件(102₁-102₄)，和

-根据前述权利要求中任一项所述的表征设备(106)，其为所述储能元件(102₁-102₄)中的至少一个提供至少一个表征数据项。

15.根据权利要求14所述的储存组件(100)，其特征在于，其包括用于根据由所述表征设备(106)提供的至少一个数据项来修改所述储存元件(102₁-102₄)的平衡的装置(130)。

16.一种用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件(102)的方法(200)，所述方法(200)的特征在于，对于每个储存元件(102)，该方法包括：

-构成测量周期的以下步骤的至少一次迭代：

·由包括被称为电压传感器的至少一个测量装置的电压测量模块(108、110)对所述储存元件(102)端子处的电压进行一系列电压测量(204)，和

·由包括被称为电流传感器的至少一个测量装置的电流测量模块(112、114)对通过所述储存元件(102)的电流进行一系列电流测量(206)；和

-根据所述电压测量和电流测量统计地计算与所述储存元件(102)相关的变量的步骤(220)；

其中，所述一系列电压测量和一系列电流测量在两个测量时段(P_T、P_C)内进行，该两个测量时段在时间上重叠了被称为总时段的时段(P)的至少70％、特别是至少90％，所述总时段包括所述测量时段(P_T、P_C)，所述测量是利用具有相同数量级的动态响应的电压测量模块和电流测量模块(108-114)进行的。

17.根据权利要求16所述的方法(200)，其特征在于，该方法包括修改至少一个电压传感器或至少一个电流传感器的动态响应的至少一个步骤，以获得在统计上一致的电压测量和电流测量，该修改步骤包括对以下中的至少一个的处理：

-在所述传感器的输入处提供的待测量的电压或电流，

-由所述传感器在输出处提供的测量信号。