CN105846001A - 用于与温度相关地限制电能储能器的电流的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于与温度相关地限制电能储能器的电流的方法和设备。按照根据本发明的方法，取决于储能器的温度调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流，其中，实施以下步骤：在当前的时间间隔(S1)期间确定在时间上相继的多个储能器温度值；在当前的时间间隔由确定的储能器温度值(S2)确定储能器温度值的当前的平均值；比较确定的当前的平均值与预定的温度额定值(S3)；并且如果确定的当前的平均值大于温度额定值(S4)，限制储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流。

Description

用于与温度相关地限制电能储能器的电流的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于与温度相关地限制电能储能器的电流的方法和设备。
背景技术
由现有技术已知的轻度混合动力汽车、混合动力汽车或电动车的高压电池(还被称为电池包)包括串联和/或并联的多个单个电池单元，例如锂离子电池单元。已知电池单元的温度不仅在运行中而且在车辆停车期间影响高压电池的寿命，其中，尤其过高的温度不利于寿命。
为了限制由温度引起的老化，由现有技术(例如DE 10 2007 063 178 A1、DE 10 2007 010 751 A1或WO 2010/121831 A1)已知，此类高压电池借助于冷却系统和流体流经的冷却板调节温度，以引出产生的热损失，以便没有损害电储能器的温度的可靠的运行范围。
为了限制储能器的热负载，由实践还已知，预定储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流，即，确定允许的电流的上限，储能器可以该电流充电预定的时间间隔的持续时间，或可从储能器取出该电流预定的时间间隔的持续时间，以便没有超过确定的温度极限值。这种极限值可关于储能器的期望的寿命来设计或确定。然而，不利的事，预定用于储能器的充电电流和/或放电电流的这种固定的温度极限值在处理短期高的功率请求方面伴随着降低的效率和柔性。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于电能储能器的改善的运行方法，利用该方法可避免常规的运行方法的缺点。本发明的目的尤其是提供一种用于这种储能器的与温度相关地限制电流的方法，利用该方法可防止持久超过热运行界限并且同时柔性地对车辆侧的功率请求作出反应。另一目的是，提供一种用于储能器的与温度相关地限制电流的设备，利用该设备可避免常规设备的缺点。
该目的通过具有独立权利要求的特征的设备和方法实现。本发明的有利的实施方式和应用为从属权利要求的对象，并且在随后的说明中部分地参考附图进行进一步阐述。
根据本发明的第一着眼点，所提及的目的通过用于与温度相关地限制电能储能器的电流的方法实现。按照根据本发明的方法，取决于储能器的温度调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流，其中，实施以下步骤：在当前的时间间隔期间确定在时间上相继的多个储能器温度值，即，对储能器温度值在相应当前的时间间隔中的不同的相继时刻进行测量；在当前的时间间隔期间由确定的储能器温度值确定储能器温度值的当前的平均值；比较确定的当前的平均值与预定的温度额定值；并且如果确定的当前的平均值大于温度额定值，限制储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流。
因此，本发明包括现有技术的教导：取决于储能器温度的平均值与预定的额定值的偏差或差确定充电电流和/或放电电流的上限。与温度相关地调整最大允许的充电电流和/或放电电流相比于固定不变的极限值提供这样的可能性，更宽地设计最大允许的充电电流和/或放电电流并且仅在需要时(即，如果平均的储能器温度超过临界的温度阈值)暂时进行限制。根据本发明，在此不仅比较储能器的各随时测得的温度值与临界的温度阈值，而且比较储能器的温度平均值(其说明在储能器中在限定的时间间隔内的过去的温度走向)与临界的温度阈值。这提供的优点是，如果在其他时刻在储能器中展示出更低的温度，在储能器中的短暂更高的温度(其众所周知地严重降低寿命)是允许的。由此可更宽地设计允许的电流极限并且提高储能器的效率，而不必考虑相比于现有技术加速的老化。
措辞“电能储能器”(下面还简称为储能器)尤其包括用于轻度混合动力汽车、混合动力汽车或电动车的牵引电池或高压电池。牵引电池或高压电池理解成由优选地锂离子电池单元构成的电池或电池包以提供用于实施为轻度混合动力汽车、混合动力汽车或电动车的机动车的纯粹用电马达驱动的驱动器或至少一个电马达支持的驱动器的电能。
措辞“寿命”表示储能器的第一次开始使用(在其中储能器具有的老化状态(英语：State of Health，SoH)为100%并且因此具有其满的容量。)至到达最后老化状态(其以0%来说明)的时间。就此而言，0%意指储能器刚好还具有预定的最低容量，并且并不意味着储能器完全不再可运转。
对于包括多个串联和/或并联的单个电池单元(例如锂离子电池单元)的储能器而言，储能器温度值说明了在电池单元中存在的温度值的测度，温度值可利用由现有技术本身已知的测量设备确定。
优选地，最大允许的充电电流和/或放电电流在平均值与预定的温度额定值逐渐增加的偏差的情况下更大地受到限制，从而储能器温度在超过温度额定值尽可能快地再次降到该温度额定值上或降到该温度额定值之下。
根据一种特别优选的设计方式，储能器温度的当前的平均值作为加权的平均值确定，其中，高的储能器温度比低的储能器温度更大地加权。利用该变体可自动考虑到和补偿：更高的储能器温度比更低的温度更严重地降低储能器的寿命，由此实现改善的寿命优化。
在该设计方式的一种有利的变体中，提供查找表，借助其可为每个储能器温度值分配加权系数。此外，根据该变体，为了确定加权的平均值，使当前的时间间隔的储能器温度值与为其分配的加权系数相乘并且紧接着相加。产生的总和随后通过分配的加权系数的和来除。
储能器温度的当前的平均值和因此储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流的调整优选地连续或定期地确定。如果在进行限制最大允许的充电电流和/或放电电流之后紧接着确定的从现在起当前的平均值不再大于温度额定值，减弱或取消最大允许的充电电流和/或放电电流的限制。
在此，根据本发明的变体，将用于连续形成平均值的储能器温度值T1至Tn写进存储装置中并且由最后存储的储能器温度值T1至Tn的确定的数目连续地形成移动的平均值，其中，相应存储在存储装置中的最老的储能器温度值通过最新的储能器温度值替代。因此，始于当前的时刻，相应n个最后测量的储能器温度值用于形成移动的并且因此通常关于时间变化的平均值，由此实现可靠地连续地确定在储能器中的之前的平均的温度走向。
最大允许的充电电流通过允许的电流的上限确定，储能器可以该电流充电新开始的时间间隔预定的长度的持续时间。以类似的方式，最大允许的放电电流通过这样的电流的上限确定，可从储能器获得该电流新开始的时间间隔预定的长度的持续时间。储能器的允许的充电电流和/或放电电流的调整通过调整上限进行。
在本发明的范围中还存在这样的可能性，即，储能器的最大允许的充电电流和放电电流相应关于不同长度的至少两个时间间隔来确定。例如，第一时间间隔的长度可在一位数的秒范围中，而第二时间间隔的长度在两位数的秒范围中。在不同的时间跨度确定用于储能器的充电和放电的电流极限提供的优点是，例如对于短的功率请求(其例如在第一时间间隔内)可比对于更长的功率请求确定更高的可靠的充电和/或放电电流。仅仅示例性地例如可将储能器的最大允许的充电电流和放电电流相应确定成2秒、10秒和30秒的时间间隔。此时，对于2秒的时间间隔的100A的最大允许的充电电流例如说明，对于2秒的持续时间，最高应获得100A的最大电流。
根据本发明的另一变体，方法还包括步骤：基于存储的运行数据确定电池的预载，该运行数据说明了储能器在当前的和/或过去的时间间隔中的充电电流和/或放电电流；并且取决于储能器的确定的预载调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流。该变体基于这样的认识：在时间间隔内在当前的计算时刻之前提出的功率请求和由此引起的电池电流可在将来的时间间隔显著影响充电过程和放电过程的允许的电流极限。在此有利的事，同样连续地进行取决于储能器的预载调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流。
因此，根据该变体，除了与温度相关地调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流之外，还基于储能器的预载进行调整，从而在两级的过程中尤其在将来的充电和/或放电时间间隔调整用于储能器的充电和放电的电流极限。
此外，在此有利的是，储能器的相应到现在为止有效的最大允许的充电电流和/或放电电流的第一调整取决于储能器的确定的预载进行，而紧接着第二调整取决于比较储能器温度的确定的当前的平均值与预定的温度额定值来进行。因此，基于温度平均值与温度相关地调整最大允许的充电电流和/或放电电流用作基于第一调整附加地修正预测的允许的充电电流和/或放电电流。
最后，在本发明的范围中存在这样的可能性，即，将由储能器的控制设备根据之前说明的方面确定的或调整的最大允许的充电电流和/或放电电流的值连续传输给车辆控制部以控制机动车的传动系构件，其中，车辆控制部设立成，在接收的值遵守最大允许的充电电流和/或放电电流的情况下，作为调节元件操控由储能器供给电能的电机，尤其其转换器。
根据本发明的另一着眼点，提供一种用于控制和/或调节电能储能器的温度的设备，其实施成直线如在此公开的那样的方法。
本发明还涉及一种机动车、优选地商用车，其带有这种设备。
附图说明
本发明的之前说明的优选的实施方式和特征可彼此任意组合。下面参考附图说明本发明的其他的细节和优点。其中：
图1示出了用于说明根据本发明的方法的实施方式的流程图；以及
图2示意性地示出了根据本发明的实施方式取决于储能器的电池预载和温度平均值计算调整的最大允许的充电电流和放电电流。
参考标号列表
1 车辆控制部
2 电池的控制单元
3 存储装置。
具体实施方式
图1说明了用来说明取决于储能器的温度平均值调整最大允许的充电电流和放电电流的流程图。此外，下面在图1的说明的范围中还参考了图2，以说明各个方法步骤的细节。
在步骤S1中在储能器的运行中连续确定储能器的当前的温度值并且将其存储在存储装置3中。储能器在此为商用车的牵引电池(高压电池)，其以本身已知的方式包括多个单个电池单元构成的电池包(未示出)。电池还包括控制单元，其在图2中以附图标记2表示。电池以本身已知的方式具有温度传感器以确定单个电池单元的当前的温度Tzelle，其中，在时间上连续地在相继的测量时刻ti确定单个电池单元的温度测量值Tzelle并且将其存储在存储装置3中以存储电池的实际数据。代替单个电池单元的温度测量值Tzelle还可根据电池的温度测量设备的实施方案仅确定一些或一个电池单元的温度测量值。
在步骤S2中，由电池的呈单个电池单元的温度测量值Tzelle的形式的温度测量值连续确定电池温度的当前的平均值，其描绘了在储能器中在限定的时间间隔内的先前的温度走向。在图2中在虚线框内示出了用于计算平均值的各个步骤。
为此，控制单元2从存储装置3中首先读取单个电池单元中的每个的这样的n个温度测量值Tzelle，其在固定预定的时间间隔期间在测量时刻t1至tn直至当前的计算时刻(当前的时间间隔)测得。在随后的处理步骤(在图2中以“电池温度”表示)中，由在相同的测量时刻测得的单个电池单元的温度测量值Tzelle算出总计的温度测量值，其用作在当前的时间间隔内在相应的测量时刻的电池温度的测度。为此可对单个电池单元的温度测量值Tzelle取平均值，然而，典型地还为此使用更复杂的计算方法，该计算方法本身从现有技术是已知的。总之，因此在当前的时间间隔内得到n个总计的温度测量值T1至Tn(在图2中以“T_Batt”表示)，相应于n个测量时刻ti，i=1至n。n个温度测量值T1至Tn在加权的平均值的随后的计算的范围中(在图2中以“加权”表示)再处理。
在当前的时间间隔中的储能器温度作为加权的平均值来确定，其中，高的储能器温度比低的储能器温度更大地加权。为此提供查找表(在图2中以“LUT温度”表示)，借助其可为每个储能器温度值T1至Tn分配加权系数。
对于简单的加权例如将在预定的平均的温度范围内的温度设成值1，在电池温度更高的情况下，该值可更高，在非常低的温度的情况下，该值小于1。由此补偿更高的温度比低的温度使寿命更快地降低。
因此，对于每个储能器温度值T1至Tn，相应的加权系数g(T)根据查找表确定。最后，为了确定加权的平均值，使当前的时间间隔的储能器温度值T1至Tn与为其分配的加权系数相乘并且然后相加。最后确定分配的加权系数tGewichtung的总和。换言之，为了在固定时间间隔(tintervall)内确定温度的加权的平均值，还计算tGewichtung，在其中还以当前的加权系数结算时间。
紧接着，加权的温度值T1至Tn的总和通过分配的加权系数tGewichtung(即，加权的时间)的总和来除。结果得到在当前的时间间隔内电池的加权的平均值(在图2中以“T_Batt_gewiehtet”表示)。
在步骤S3中，此时比较算出的当前的加权的平均值与不应超过的预定的温度额定值。
然后，在步骤S4中必要时进行调整最大允许的充电电流和放电电流。如果算出的当前的加权的平均值小于等于预定的温度额定值，则不进行由温度引起地调整电流极限。如果当前的加权的平均值大于温度额定值，调校充电电流和放电电流的上限并且使之下降到如此程度，即，没有发生进一步地提高电池单元温度。在此没有发生充电电流和放电电流降成0。为了实现更柔和的过渡，可限定额定温度的下限和上限，在下限和上限之间线性增加充电电流和放电电流的上限的降低。
上面已经提到，加权的温度平均值连续形成为移动的平均值。因此，根据步骤S4，调节回路重新开始。新的当前的时间间隔此时包括测量时刻ti，i=2至n+1。在时刻tn+1的单个电池单元的新测得的温度测量值Tzelle代替单个电池单元的存储在存储装置中的最老的温度测量值Tzelle。因此，始于当前的时刻tn+1，在步骤S2中又相应使用n个最后测得的储能器温度值T2至Tn+1以形成移动的并且因此通常关于时间改变的平均值，由此可靠地实现连续地确定在储能器中的之前的平均的温度走向。
根据该实施方案变体，除了与温度相关地调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流之后，附加地基于储能器的预载和/或基于车辆侧的功率要求进行调整。
如在图2中示意性地说明的那样，控制单元2为此设立成基于存储的运行数据确定电池的预载，该运行数据说明储能器的在当前的和/或之前的时间间隔中的充电电流和/或放电电流(在图2中以“I_Batt表示”)。换言之，控制单元2取决于电池的到目前为止的电流负载预测在预定长度的新开始的时间间隔内充电电流和放电电流的允许的上限，在图2中以“每时间间隔调整的电流极限”表示。上限说明了相应在例如2秒、10秒和30秒的时间间隔的储能器的最大允许的充电电流和放电电流。该限度例如考虑了通过电池单元的最大的、与寿命匹配的电流极限以及遵守的电压上限和电压下限。该值下面还考虑了这样的预载，即，电池单元的与寿命匹配的电流极限还包含不应超过的电流负载的时间长度。为此，预载通过电流消耗或电流输出探测并且当前的和将来的电流极限相应降低。如果例如高的充电电流应存在总计10s并且在当前的电流极限计算的时刻以及存在了5s，限度可在这样的范围内调整，即，充电电流仅还可存在另外的5s。对于在将来继续存在的电流极限，其降低到如此程度，即，在考虑到预载的情况下在任何时间间隔都没有超过或低于电流极限。同样，预载引起变化的内阻，这影响用于维持电压极限的电流极限。通过长期的电流消耗的更高的内阻导致在放电方向上的更高的内阻。这又导致可引取的更小的电流，而不低于电压下限。
根据电流极限的首先与温度无关的调整，此时基于电池温度的加权的平均值进行与温度相关地附加的调整，如上述说明的那样。这在图2中通过计算步骤“热限制”示出。因此，如果当前的加权的平均值大于温度额定值，基于电池温度的当前的加权的平均值的热限制引起电流极限的修正值(图2中的“每时间间隔的修正的调整的电流极限”)。此时，修正值说明相应在例如2秒、10秒和30秒的时间间隔储能器的最大允许的充电电流和放电电流的可能调整的上限。
然后，将由储能器的控制单元2根据上述方面确定的并且可能调整的最大允许的充电电流和/或放电电流的值连续传输给操控机动车的传动系构件的车辆控制部，在图2中通过“输出”示出。在此，车辆控制部1设立成，作为调节元件，在接收的值遵守最大允许的充电电流和/或放电电流的情况下操控由储能器供给电能的电机、尤其其转换器。
虽然已经参考确定的实施例说明了本发明，但对本领域技术人员显而易见的是，可实施不同的修改方案，并且可使用作为替代的等效方案，而没有离开本发明的范围。附加地，可实施很多变型方案，而没有离开相关的范围。因此，本发明不应限制到公开的实施例上，而是应包括落入所附的权利要求的范围中的所有的实施例。本发明还尤其要求保护独立于所参考的权利要求的从属权利要求的对象和特征。

Claims (11)

1.一种用于与温度相关地限制电能储能器的电流的方法，具有：
取决于所述储能器的温度调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流，其中，调整包括以下步骤：
在当前的时间间隔期间确定在时间上相继的多个储能器温度值(S1)；
在当前的时间间隔由确定的储能器温度值确定储能器温度值的当前的平均值(S2)；
比较确定的当前的平均值与预定的温度额定值(S3)；并且
如果确定的当前的平均值大于温度额定值，限制储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流(S4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将储能器温度的当前的平均值确定为加权的平均值，其中，高的储能器温度比低的储能器温度更大地加权。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
(a)提供查找表，借助其可为每个储能器温度值分配加权系数；并且
(b)为了确定加权的平均值，当前的时间间隔的储能器温度值与为其分配的加权系数相乘且紧接着相加，以及使产生的总和除以分配的加权系数的总和。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过以下方式连续确定储能器温度的当前的平均值且因此调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流，即，将用于形成平均值的储能器温度值写进存储装置中，并且由最后存储的储能器温度值的确定的数目连续形成移动的平均值，其中，相应将存储在存储装置中的最老的储能器温度值通过最新的储能器温度值代替。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
(a)最大允许的充电电流通过这样的允许的电流的上限确定，储能器可利用该电流充电预定长度的新开始的时间间隔的持续时间；并且
(b)最大允许的放电电流通过这样的电流的上限确定，可从储能器获得该电流预定的长度的新开始的时间间隔的持续时间，其中，通过调整该上限调整储能器的允许的充电电流和/或放电电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，储能器的最大允许的充电电流和放电电流相应关于不同长度的至少两个时间间隔确定，其中，第一时间间隔的长度优选地在一位数的秒范围中，而第二时间间隔的长度优选地在两位数的秒范围中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于步骤：
(a)基于存储的运行数据确定电池的预载，该运行数据说明在当前的和/或过去的时间间隔中储能器的充电电流和/或放电电流；并且
(b)取决于储能器的确定的预载调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，取决于储能器的确定的预载连续调整储能器的最大允许的充电电流和/或放电电流，其中，取决于储能器的确定的预载进行储能器的相应到现在为止有效的最大允许的充电电流和/或放电电流的第一调整，并且紧接着取决于储能器温度的确定的当前的平均值与预定的温度额定值的比较进行第二调整。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，最大允许的充电电流和/或放电电流的调整的值连续由储能器的控制设备(2)传输给车辆控制部(1)以控制机动车的传动系构件，其中，车辆控制部(1)设立成，在接收的值遵守最大允许的充电电流和/或放电电流的情况下操控由储能器供给电能的电机。
10.一种用于与温度相关地限制电能储能器的电流的设备(2)，其实施成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
11.一种车辆、尤其商用车，其具有根据权利要求10所述的设备(2)。
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