CN105510830B - 用于监测机动车辆中电池的状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测电池的状态的方法，在该方法中，确定和监测电池在电池的充电过程中的内部温度。在该过程中，确定电池在充电过程中在不同的时间点(k)的限定的间隔内的内部温度(T)，并且评估单元至少由温度值(T1、T2)不断地确定温度梯度(TGrad)。温度梯度(TGrad)的至少一个极限值(S1)存储在评估单元中，并且当由评估单元确定的温度梯度(TGrad)达到该极限值(S1)时，评估单元生成信号。当来自评估单元的该信号存在时，驱动电池的充电电压使得不存在电池电流，同时进一步定期检测电池的内部温度(T)，并且当温度(T)在电池电流抑制之后已经降低时，评估单元生成警报信号。

Description

用于监测机动车辆中电池的状态的方法
说明书
本发明涉及一种用于监测电池的状态的方法，在该方法中，确定和监测电池在电池的充电过程中的内部温度。以这种方式监测的电池特别可以是机动车辆中的电池，其中该方法特别适用于监测部分或完全电操作的车辆的电池的充电过程。
机动车辆的起动机电池例如是为内燃发动机的起动机供应电流的可再充电的电池。相比之下，用于驱动车辆的电动车辆的电池被称为牵引电池。此外，电动车辆或混合动力车辆也可以具有起动机电池。所使用的电池可以是例如可再充电的铅酸电池或可再充电的锂离子电池，然而，可再充电的铅酸电池或可再充电的锂离子电池在下文中也被称为铅酸电池或锂离子电池。
当铅酸电池或可再充电的铅酸电池老化并且例如由于内部短路或其他机制而开始“放出气体”时，所述电池的温度通常增加。在大大提高的温度的情况下，这可能导致电解液开始沸腾并从电池逸出。此外，如果锂离子电池或可再充电的锂离子电池被损坏，则它们同样可以由于内部反应或电流流动而变得非常热。在每种情况下，由此产生的含酸的蒸气、蒸汽和/或烟雾可以给人呈现潜在的安全风险，或至少是由于这种电池发出难闻的气味导致客户不满意的原因。这在插电式电动车辆或插电式混合动力车辆领域特别关键。所述车辆当它们在车库中通宵充电时，在电池充电过程中的相当长的时间期间经常无人看管。
在电池显示出所述症状的情况下，也可以认为它们在可预见的将来将可能发生故障。这种电池的功能性故障以及因此车辆的功能性故障应该不惜一切代价避免。这可以例如通过使驾驶员或维修人员在足够早的阶段意识到即将发生的电池故障来进行。为此，电池的状态必须被监测，这根据各种参数是可能的。
为了确定电池故障，例如监测电池温度是可能的，因为电池温度是电池状态的指示器。这通常使用用作电池监测传感器(BMS)的常规的电极式传感器(Polnischensensor)来执行。如果例如使用这种传感器测得的温度达到特定的极限值，则认为电池达到临界状态。
然而，当确定电池的损耗水平时，电池温度也可以以其他方式使用。例如，EP 1387 177 A2公开了一种用于确定电化学储能装置的损耗水平的方法，在该方法中相对于时间的损耗变量根据电池温度来确定。在这种情况下，损耗变量被确定为与温度相关的损耗量相对于时间的总和，其中随着温度升高，出现损耗量的值过大比例的增加。因此，增加电池温度对电池的损耗水平的过大比例的影响应该被考虑。
处于深低压范围(14...48V)的车辆系统通常与电驱动系统分离，如在电动车辆和混合动力车辆中可以发现的。然而，电池监测在这种低压系统中是不常见的。然而，由于用户行为的变化，特别是关于车辆的电池在车库中通宵无意识的充电，电池监测已获得新的重要性。
然而，当例如通过电极式传感器监测电池温度时，应该指出的是，在那里所测得的温度的增加可以受到各种因素的影响。一方面，所述增加可以归因于电池的内部加热，这表明电池变弱或损坏。然而，它也可以是部分或完全由外部热源引起。如果不考虑由于外部热源导致的温度增加，则车辆的监测系统将频繁地指示电池损坏或甚至可能即使电池未损坏也在风险最小化策略过程中断开电池与电压电源。因为它对车辆的功能性具有不利影响并且错报导致顾客不满，因此这应该避免。
因此，本发明的目的是提供一种用于通过其内部温度来监测电池的状态的方法，在该方法中，可以区分由于电池的内部加热导致的升高的电池温度和由于外部热源的加热导致的升高的电池温度。该方法的意图特别适用于监测车辆的低压系统的电池。
根据本发明，这个目的是通过以下说明书中阐述的方法来实现的。
应当指出的是说明书中的特征可以以任何所需的技术上有意义的方式彼此结合并公开本发明的进一步实施例。说明书特别是结合附图进一步描述和详细说明本发明。
在根据本发明的用于监测电池的状态的方法中，不断确定和监测电池在电池充电过程中的内部温度。特别是，根据本发明，提供的是确定电池在充电过程中在不同的时间点(k)的限定的间隔内的内部温度(T)并且将其传送到评估单元，评估单元至少由以这种方式确定的温度值(T1、T2)通过间隔中的温度变化(ΔT)除以该间隔中的时间变化(Δt)来不断确定温度梯度(TGrad)。温度梯度(TGrad)的至少一个极限值(S1)存储在评估单元中，其中当由评估单元确定的温度梯度(TGrad)达到该极限值(S1)时，评估单元生成信号。当来自评估单元的该信号存在时，驱动电池的充电电压使得不存在电池电流，就是说没有电流流到电池或没有来自电池的电流。然而，进一步定期检测电池的内部温度(T)，并且如果温度(T)在电池电流被抑制之后降低，则评估单元生成警报信号。
温度梯度一超过极限值，零电流控制就因此被激活，这降低电池电流至零。如果温度然后进一步降低，则可以认为之前的温度增加不是由外部热源引起的，而是由电池的内部加热引起的。如果存在外部热源，则电池的温度将不会降低，但是如果没有电池电流，则内部原因的影响无效，并且因此温度可以进一步降低。因此，表明电池的无规律充电的警报信号仅当温度降低时由评估单元生成。因此，再次可以得出的是，电池处于损坏状态，其中给电池充电的能力降低。这种状态也被称为“劣化的电池”。
因此，根据本发明的方法可以有利地用于区分由于电池的内部加热导致的升高的电池温度和由于外部热源的加热导致的升高的电池温度。在这种情况下不需要附加的传感器并且也不必例如通过壳体保护电池防止外部影响，以便筛选出所述外部影响的效果。因此，有缺陷的电池可以以简单的方式进行识别并且例如高水平的气体排放这样的消极状态、热发展现象和电池的故障可以避免。
如果在车辆中将损坏的电池与电压电源断开或减速电源或车辆是可能的，则用于损坏的电池的最佳的风险最小化策略是实施零电池控制。由于根据本发明当确定升高的温度梯度时这已经开始，所以本发明的独特优势是临界状况的缓和在确定升高的温度梯度之后立即尽早开始。
该方法适用于监测机动车辆的电池，其中机动车辆特别可以是电池可以通过连接到局部电源系统通宵反复充电而无需监管的插电式电动车辆或插电式混合动力车辆。然而，本发明还可以扩展到其它应用并且也适用于例如监测飞机中的电池的充电过程。
在这种情况下，所确定的温度值可以直接或间接传送到评估单元。此外，评估单元不是必须是独立的模块，而是其功能也可以通过多个单独的模块之间的交互形成。此外，在这种情况下，由评估单元生成的警报信号可以以不同的方式进行处理。例如，可以激活一种标记，然后由车辆系统以不同的方式考虑所述标记是可能的。
该方法特别是在电池的充电过程中使用，并且电池是机动车辆的低压系统的一部分。例如，所述方法可以用于监测可再充电的铅酸电池的充电过程，而且当给可再充电的锂离子电池充电时也可以使用所述方法。
电池的内部温度(T)在这种情况下可以以不同的方式确定，其中通常仅估算所述内部温度。因此，对于本发明，电池的“内部温度”也表示仅近似地相当于电池的内部的温度的温度。在这种情况下，例如可以使用温度传感器在电池的电极处测得的温度，以便从其间接确定内部电池温度。然而，也可以使用用于确定或估算内部电池温度的其他方法。所述方法可以是例如使用电池附近的温度的模型。
在本发明的一个实施例中，在零电流控制开始之后，一旦限定的时间已经过去，首先定期检测电池的内部温度(T)。因此，在再次检测和评估电池的温度之前，给予电池冷却的时间。可以进一步提供的是，如果温度(T)在电池电流抑制之后已降低至少预先指定的量，则评估单元仅生成警报信号。因此，温度的任何降低不被评定为临界的，而是仅最小量的降低。
此外，优选提供的是，如果电池的内部温度(T)在限定的时间已经过去之后没有降低，则通过驱动充电电压继续电池的充电过程。因此，停用电池的零电流控制并且继续正常充电过程。
在本发明的一个实施例中，在这种情况下，温度信号在确定温度梯度(TGrad)之前通过评估单元来调节。这具有独特的优势：可以更好地保护系统防止传感器或通信网路和评估单元之间的信号干扰或电缆布置内的信号干扰。否则，这种干扰可以引起突然的测量误差并且错误的温度梯度确定可能导致误报。
在这种情况下，温度数据的调节优选提供，特别是，计算在限定的监测间隔TMonitor中的温度值的平均值，其中当计算这种平均值时，仅考虑落到绝对最大值和绝对最小值之间的温度值。当计算平均值时，如果监测间隔TMonitor内的两个连续的温度值之间的温度变化超过限定的极限值，则拒绝并且不使用边远的温度值。以滑动平均值计算的形式的温度数据的这种调节防止在随后确定温度梯度过程中考虑可能导致推断的测量误差的极端的或不可信的温度值。
这种信号调节可以通过以下程序来补充，程序是当温度值已被不断拒绝的时间达到限定的极限值时，被评定为边远的并且被拒绝的温度值仍然用于计算平均值。以这种方式，如果温度已经实际上改变，则可以计算和校正温度梯度，即使不可靠的温度数据已阻止这种改变被记录超过很长的时间段。
警报信号然后可以以多种方式利用。例如在车辆的仪表板区域的警报指示伴随评估单元的警报信号，这种警报指示通过警告灯来实现是可能的。以这种方式，通知车辆的驾驶员关于电池的临界状态，并且车辆的驾驶员可以发起相应的对策。在该过程中，可以通过用于诊断目的的故障代码通知维修人员。
此外，可以开始风险最小化策略，其中，例如，电池电压可以被调节为使得负面影响最小化，并且仅发生局部故障。特别是，充电电压的设定点电压值可以设置为使得进入电池和流出电池的电流最小化。此外，通过电池操作的系统可以关闭，或者电池可以与系统断开。这可以例如通过继电器——特别是固态继电器(SSR)——来实现。
然而，由于即使电池是完好的，用于识别损坏的电池的算法往往生成故障消息，在这种情况下，可以提供的是，例如，仪表板中的警告指示和/或诊断系统中的故障代码仅当评估单元已在若干连续的操作阶段内生成限定数量的警报信号时生成。例如，仅当在过去的五个操作阶段中已经生成至少三次表明电池损坏的警报信号时，才识别出无规律的充电过程。
本发明的进一步优点、特定特征和有利发展可以在参考附图的以下具体实施方式中找到。
在附图中：
图1示出了根据本发明用于通过温度梯度和极限值来监测电池的状态的方法的基本示意图；以及
图2示出了根据本发明的方法的实施例的示意图，在该方法中在提高的温度梯度驱动充电电压。
图1示出了根据本发明的用于通过温度梯度和相应的极限值来监测电池的状态的方法的示例性实施例的基本示意图。在这种情况下，在步骤1.1中，电池的内部温度通过附接到电池的电极的电池监测传感器(BMS)来确定。这可以使用已知的电极式传感器来进行。以这种方式获取的电池温度可以在步骤1.2和1.3中进行调节。例如，在这种情况下，可以进行平均值计算，并且以这种方式调节的温度值然后可以供应至评估单元。在步骤1.4中，该评估单元通过特定间隔中的温度变化ΔT除以该间隔中的时间变化Δt(TGrad＝T2–T1/t2–t1)来进行连续的温度梯度计算。在步骤1.6中，以这种方式获取的温度梯度TGrad与之前在步骤1.5中校准并且存储在评估单元中的极限值S1进行比较。如果温度梯度TGrad达到该极限值S1或超过所述极限值，则这被评定为无规律的充电状态。因此，评估单元生成信号，信号可以以不同的方式进行进一步处理。在这种情况下，信号表明电池呈现出气体的发展和/或损坏的迹象。
例如，平均值计算或滑动平均值计算可以用于信号调节。在这种情况下，进行以下步骤并且考虑以下条件：
-温度信号在校准的时间段TMonitor内求平均数。
-仅落在绝对最大值和可能的最小值之间的温度值用于计算平均值。
-处于最小和最大极限之间的两个连续的温度值之间的偏差必须不超过监测的时间段TMonitor内的另外的预定的极限值。如果超过该极限值，则当计算平均值时不使用偏离的温度。这种信号调节优选在评估单元计算温度梯度之前进行。
因此，这种滤波算法去除了由于系统中的干扰可以产生的不可信的温度值，并且用似乎可信的值取代所述不可信的值。
图2示出了根据本发明的方法的实施例的示意图，在该方法中，当提高的温度梯度被确定时驱动充电电压。该算法也可以被称为温度梯度的主动监测以便识别无规律的充电状态，特别是在可再充电的铅酸电池的情况下。在这种情况下，算法被称为“主动”是因为它作为识别过程的一部分有效地控制设定点电压值。在这种情况下，在算法被启动之后，时间戳TimeStamp在步骤2.1中被初始设置为零。然后，在步骤2.2中，确定自从上次梯度计算以来的时间(t-TimeStamp)。如果在步骤2.3中这种测试的结果表明新的梯度计算即将发生，则在步骤2.4中温度梯度TGrad根据上述公式进行计算。在步骤2.5中，各个时间戳被存储为t2并且温度戳被存储为T2。如果在步骤2.6中比较结果是温度梯度TGrad高于极限值S1(MaxTempGrad)，则在步骤2.7中通过激活零电流控制来主动设置电池电流为零。在步骤2.8中，当前时间t和时间戳TimeStamp用于确定特定的时间段GradMonPeriod是否已过去。如果是，则定期检测电池温度BattTemp，并且在步骤2.9中，进行关于所述电池温度是否已降低的确定。在这种情况下，特别是进行关于温度是否已经降低特定的量MinTempDecrement的确定(TempStamp–BattTemp>＝MinTempDecrement？)。如果是，则在步骤2.10中这被识别为无规律的充电状态。然而，如果不是，则时间戳被存储为t2并且温度戳被存储为T2，并且停用零电流控制。然后可以继续电池的充电过程。
零电流控制调节电源的设定点电压值使得电池电流总是零。这种零电流控制可以例如采用比例控制器来实现。在这种情况下，电池的空载电压(UOCV)的估算和所测得的电池电流(IBatt)包括在控制操作中。所测得的电流(IBatt)乘以校准的驱动因子Kp并且加上估算的空载电压UOCV以便由此确定导致电池电流为零的电压的设定点值。

Claims (7)

1.一种用于监测电池的状态的方法，在所述方法中，确定和监测所述电池在所述电池的充电过程中的内部温度，
其中
确定所述电池在充电过程中在不同时间点(K)的限定的间隔内的所述内部温度(T)并将所述内部温度(T)传送到评估单元，所述评估单元至少由温度值(T1、T2)通过间隔中的温度变化(ΔT)除以所述间隔中的时间变化(Δt)来不断地确定温度梯度(TGrad)，并且其中所述温度梯度(TGrad)的至少一个极限值(S1)存储在所述评估单元中，同时当由所述评估单元确定的所述温度梯度(TGrad)达到所述极限值(S1)时，所述评估单元生成信号，并且其中，当来自所述评估单元的所述信号存在时，驱动所述电池的所述充电电压使得不存在电池电流，同时进一步定期检测所述电池的所述内部温度(T)，并且当所述温度(T)在所述电池电流抑制之后已经降低时，所述评估单元生成表明电池损坏的警报信号。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中
在所述电池电流抑制之后，一旦限定的时间已经过去，就首先定期检测所述电池的所述内部温度(T)。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中
如果所述电池的所述内部温度(T)在所述限定的时间已经过去之后没有降低，则通过驱动所述充电电压来继续所述电池的所述充电过程。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中
如果所述温度(T)在所述电池电流抑制之后已经降低了至少预先指定的量，则所述评估单元仅生成警报信号。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中
所述电池是机动车辆的低压系统的一部分。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中
用温度传感器在所使用的所述电池的电极处测得的温度来估算所述电池的所述内部温度(T)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，
其中
温度信号在确定所述温度梯度(TGrad)之前由所述评估单元进行调节。
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