CN106463789A - 电池状况确定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配置成将化学能转换成电能的能量转换装置。该能量转换装置包括多个单元群(30，32，34，36)，每一单元群被配置成将化学能转换成电能。该能量转换装置还包括配置成作出多个单元群(30，32，34，36)中的每一者处的测量的至少一个测量装置(38，40，42，44，46)。每一能量转换装置被配置成确定以下至少一者的状况：多个单元群中的每一者；以及能量转换装置。该状况是依赖于在每一单元群处作出的测量以及每一单元群的模型来确定的。

Description

电池状况确定
技术领域
本发明涉及能量转换装置，诸如电池，它被配置成将化学能转换成电能并确定该能量转换装置的状况。本发明还涉及确定被配置成将化学能转换成电能的能量转换装置的状况的方法。本发明进一步涉及配置成确定能量转换装置的状况的状况确定装置。
背景技术
锂离子电池单元已经广泛用于小型消费设备中，诸如膝上型计算机和移动电话。锂离子电池最近开始在具有较大电能需求的应用中取代常规电池，诸如电动车和静电发生装置。锂离子电池由于它们通常优于常规电池(诸如铅酸和NiMH电池)的性能(尤其是关于能量存储密度和功率密度)而被越来越多地使用。为满足这样的较大能量需求应用中的电能需求，电池通常包括取决于电流和电压要求而按串联和并联中的至少一者来安排的多个锂离子电池单元。
锂离子电池由于它们包含可燃电介质而在某些情况下可能是危险的。锂离子电池的安全和高效使用通常需要该电池在其安全工作区(SOA)内工作。进一步考虑在SOA内工作，大多数锂离子电池单元在放电至特定电压之下的情况下受损，并且在以过高电流放电或过快放电的情况下它们的寿命降低。此外，如果锂离子电池单元被过充电至特定电压以上或者如果它们超过特定温度则它们可能损坏，并且如果被进一步过充电则可能爆燃。另外，通常存在对正常工作区(NOA)的较少约束。违背NOA导致容量或电池单元寿命随时间降低。这些挑战与典型锂离子电池的多单元配置混合，其中充电和放电的不均匀性可发生在各单元之间。因此，通常需要通过电池管理系统(BMS)来仔细管理以准许安全和高效操作。
用于锂离子电池布置的电池管理系统是已知的。这样的电池管理系统通常作出电池中各属性的测量，诸如电流、电压以及温度，并基于这些测量作出与安全和高效操作有关的确定。各确定通常依赖于电池的分析模型来作出。
发明人了解管理锂离子电池装置的已知办法中的缺点。已鉴于发明人对这样的缺点的了解设计了本发明。因此，本发明的目标是提供一种包括各自被配置成将化学能转换成电能的多个单元的经改进的能量转换装置，该能量转换装置被配置成确定该多个单元的状况。本发明的另一目标是提供一种确定包括多个单元的能量转换装置的状况的经改进的方法。本发明的又一目标是提供一种配置成确定包括多个单元的能量转换装置的状况的经改进的状况确定装置。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种配置成将化学能转换成电能的能量转换装置，诸如电池，所述能量转换装置包括：
该能量转换装置中包括的多个单元群，每一单元群被配置成将化学能转换成电能；以及
配置成作出该多个单元群中的每一者处的至少一个测量装置，
该能量转换装置被配置成依赖于每一单元群处作出的测量和每一单元群的模型来确定以下至少一者的状况：多个单元群中的每一者；以及能量转换装置。
根据本发明的能量转换装置(诸如电池)包括多个单元群，该多个单元群各自被配置成将化学能转换成电能，由此能量转换装置可以提供来自该多个单元群中的全部的电能。在该能量转换装置中，至少一个测量装置被配置成作出该多个单元群中的每一者处的测量。测量可例如包括电压、电流、温度以及压力。因此对多个单元群中的每一者作出分开的测量。该能量转换装置被配置成确定多个单元群中的每一者的至少一个状况，诸如充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、放电深度(DOD)、容量、内部电阻和内部阻抗。该状况因而可包括导出的数据，即从至少一个测量装置作出的电和/或物理属性的测量中导出的数据。导出的数据可对应于不易直接测量的属性。导出的数据可包括至少一个导出的电属性，诸如内部电阻或内部阻抗。作为补充或替换，导出的数据可包括表示单元群和能量转换装置中的至少一者的工作状况的状况数据，诸如SOC、SOH或DOD。依赖于在每一单元群处作出的测量以及每一单元群的模型来确定以下至少一者的状况：多个单元群中的每一者；以及能量转换装置。在分布式布置中，如下文进一步描述的，每一单元群的状况可依赖于在单元群处作出的测量和该单元群的模型来确定。能量转换装置因此能用于确定每一单元群的分开的状况。
单元群模型可依赖于在单元群上作出的测量来确定，诸如在初始测试期间。单元群模型因此可以是数值模型，与已知的分析模型(尽管是电池级模型)形成对比。在能量转换装置包括电池时，单元群模型可以基于足以表征电池的SOC对开路电压(OCV)曲线的测量。每一单元群模型可被存储在该单元群处。通常并且如下文进一步描述的，鉴于与模拟单元群模型相比使用数字单元群模型的方便性，测量装置和模数转换装置也可位于单元群处。根据一种办法，相同的单元群模型可被用于各个单元群。根据另一种办法，不同的单元群模型可被用于各个单元群。更具体而言，每一单元群模型可针对与其一起操作的单元群来配置，诸如依赖于在初始测试/校准期间在单元群处作出的测量。然而，单元群模型可以具有相同结构。
能量转换装置可被进一步配置成依赖于多个单元群状况来确定该能量转换装置本身的状况。总体状况因此可依赖于所有分开确定的单元群状况的所确定的状况。作为示例并且在能量转换装置包括电池的情况下，电池的总体SOC和总体放电深度可被确定。此外，可相关于能量转换装置上的操作来作出更为有见识的决定，诸如何时执行电荷平衡。能量转换装置可包括能量转换装置模型，该能量转换装置模型在使用时接收多个单元群状况并依赖于此来提供能量转换装置数据。能量转换装置本身的状况可依赖于能量转换装置数据来确定。根据一种办法，能量转换装置模型可被存储在一个位置处，诸如诸单元群之一处。根据另一办法，可存在能量转换装置模型的至少一个副本，它被存储在不同位置处，诸如诸单元群中的另一者处。例如，可存在能量转换装置模型的许多副本，因为存在每一单元群处都存储有一副本的诸单元群。如上所述，存储能量转换装置模型的至少一个副本可以降低需要在能量转换装置内传递的数据量。
如上所述，电荷平衡可以是能量转换装置(诸如电池)的重要功能。电荷平衡的已知办法在以下文献中描述：Battery Management Systems for Large Lithium-IonBattery Packs(用于大型锂离子电池组的电池管理系统)，Davide Andrea，2010，由ArtechHouse发布，Norwood MA 02062，USA。如本文其他部分所描述的，根据本发明的能量转换装置可被配置成使得每一单元群确定其自己的SOC。此外，每一单元群接收能量转换装置中包括的其他单元群的SOC数据以及其他，由此能量转换装置的SOC可被确定。能量转换装置可被配置成使得每一单元群能用于依赖于单元群自己的SOC和能量转换装置的SOC来确定该单元群是否应当执行被动电荷平衡。因而，能量转换装置中的每一单元群独立于其他单元群或与其他单元群合作地作出与电荷平衡有关的确定。然而，能量转换装置可被配置成使得在分布式基础上且不依赖于中央控制器来作出与电荷平衡有关的确定。的确并且如本文其他部分所描述的，能量转换装置可缺少任何中央控制器。中央控制器的特点是已知集中式地控制能量转换装置，与本发明的分布式办法形成对比。本发明的能量转换装置可被配置成依赖于由单元群作出的确定来执行电荷平衡。能量转换装置因此可包括电荷平衡装置。适当的电荷平衡装置的形式和功能在Battery Management Systems for LargeLithium-Ion Battery Packs(用于大型锂离子电池组的电池管理系统)中描述。
作为替换或补充，能量转换装置可被配置用于主动电荷平衡。
已知电池管理系统依赖于电池模型，而本发明依赖于单元群模型。根据本发明的管理因此可以将各单独单元群的特征纳入考虑，例如以随时间监视各单独单元群。随时间监视各单独单元群使得能够确定特定单元群的健康状态的下降速度大于另一单元群的健康状态的下降速度，等等。因此，可在替换弱或已耗尽的单元群之前更容易地标识它，而不是进行更多深入的调查以确定弱或已耗尽的单元群或替换所有单元群(而可能只有一个单元群需要替换)。此外，随时间监视各单独单元群可在分析之际产生辅助解决担保问题或检测朝潜在危险状况(诸如热事件，例如着火)进展的性能的信息。另外，监视各单独的单元群可以允许在所确定的状况超过阈值时(诸如在SOC下降至低于预定值时)生成警报数据。能量转换装置因此能用于将在间隔开的时间确定的多个状况存储在例如非易失性存储器中。在一个时间存储的状况数据可包括以下至少一者：完成充电/放电周期的数目；总库伦转移；温度，诸如最高和最低温度；SOC；SOH；DOD；以及容量。更多基本状况数据也可被存储，诸如电压、电流、电阻以及阻抗中的至少一者。在任何一个时间存储的状况数据可包括时间戳。当单元群状况的确定和存储是在每一单元群处时，如下文进一步描述的，随时间监视可以允许存储状况数据，即使能量转换装置没有被完全组装或者即使能量转换装置管理系统(诸如BMS)被关机。
能量转换装置可进一步用于分析所存储的多个状况例如以确定趋势等。作为替换或补充，分析可在能量转换装置以外被执行。能量转换装置因此可被配置成诸如通过通信端口以允许所存储的多个状况被传达离开该能量转换装置到达另一装置，诸如在电池充电站或远程服务器等中包括的计算装置，以由该另一装置分析和报告。
存储在间隔开的时间确定的多个状况可允许能量转换装置在其初始应用之后被容易地用在第二应用中。例如，在BEV中的初始使用可能需要在原始容量的80％以上来操作电池，而在原始容量的50％以上操作该电池可能足以使第二使用是至少令人满意的，诸如服从如所存储的状况所反映的服务历史的离网存储。能量转换装置因此能用于确定电能递送容量，诸如存储容量(在能量转换装置是电池时)。能量转换装置可进一步用于将电能递送容量与预定值相比较，并可能还用于确定该能量转换装置是否应当经受第二使用。作为替换或补充，能量转换装置能用于依赖于所存储的多个状况确定服务历史是否至少令人满意，并可能还用于确定能量转换装置是否应当经受第二使用。在离网应用中将能量转换装置重用作本地存储在需求和供应的平滑变化以及改进效率方面可以是有益的，尤其是当存在多个能量源的情况下，这允许供应的波动(诸如局部风力、太阳能以及CHP发电厂)。
如上所述，锂离子电池单元由于它们包含可燃电介质而在某些情况下可能是危险的。因此需要锂离子电池单元的适当设计来允许它们的安全使用。不正确地设计或制造的锂离子电池单元被不知情地带入使用并非是不为人知的，其中不正确设计的性质从电池单元的初始调查来看并不明显。正确设计的锂离子电池单元的验证因此可对于减轻风险、支撑产品担保并呈现对引入伪造电池的阻挡而言是有利的。每一单元群的模型因此可进一步包括对每一单元群而言唯一的标识码。每一单元群因而可以是可标识的且易于验证。此外并且在每一单元群模型包括标识码的情况下，每一单元群可被容易地标识且与能量转换装置内的其他单元群区分开，以藉此允许在替换规程期间易于从能量转换装置移除单元群。单元群模型可进一步包括密码签名组件，用以藉此允许单元群认证，并且当存在在间隔开的时间确定的多个状况的存储的情况下，允许所存储的状况数据的验证。
锂离子电池单元的价值是相对高的。电池盗窃因此是一个风险。如上所述，能量转换装置可被配置成，诸如通过通信端口，以允许传达数据离开能量转换装置到达电池充电站等。这样的通信可以允许通过其唯一性标识码来跟踪失窃电池。标识码可包括唯一性地址。标识码可以是标准电子通信格式，并且可能是诸如IPv6上的TCP协议等因特网协议。使用标准电子通信格式可以允许易于在能量转换装置与基于因特网的数据库等之间传递数据。这样的基于因特网的数据库可用于随时间存储来自多个能量转换装置的数据，这样的所存储的数据对于电池和能量转换装置制造商等而言是有价值的。当单元群被包括在较宽广通信网络(诸如在能量转换装置与电池充电站等通信时可提供的)时，唯一性地址可以允许对能量转换装置内的各单独单元群寻址。
根据本发明的管理可以将各单独单元群的特征纳入考虑以允许对充电状态(SOC)的经改进的确定。SOC的经改进的确定可以提供面对SOA的操作的改进。各优点包括经改进的电池使用，诸如当能量转换装置被包括在电池电动车中时在再充电之前增加的工作范围或更可靠的生命结束确定。
能量转换装置可包括网络且可被配置成使得多个单元群中的每一者连接到该网络。通过该网络的通信可以是因特网协议的形式，诸如TCP/IP。该网络可包括隔离总线布置，由此多个单元群具有相同优先级。如上所述，每一单元群模型可包括地址，由此单元群可通过其地址而非通过其物理位置来标识。在组装期间，能量转换装置的各单元群因此可按任何次序安装。此外，单元群可被替换而无需重新指派其在网络中的位置。与隔离节点通信相比，隔离总线办法允许任何两个单元群之间的基本上恒定的通信等待时间。
能量转换装置可包括多个测量装置，其中每一测量装置被配置成作出多个单元群中的相应一个单元群处的测量。多个测量装置中的每一者可位于多个单元群中的相应一者处。能量转换装置内因此可存在较少通信，这具有伴随而来的益处，诸如降低干扰(在通信通过电线进行时)的易感受性。能量转换装置可进一步包括模数转换装置，它可用于接收来自至少一个测量装置的模拟信号并提供对应的数字信号。在能量转换装置包括多个测量装置的情况下，可存在多个模数转换装置，其中每一模数转换装置能用于接收来自相应测量装置的模拟信号。每一模数转换装置可位于与测量装置不同的单元群中。到数字信号的转换因此可发生在单元群处。具有这样的分布式架构可降低校准和测试开销。例如，BMS校准和测试可至少部分地与单元群测试同时执行。
每一单元群可包括多个单元，诸如两个或四个电池单元。能量转换装置通常可包括多个单元，它们可被并联地安排以形成块，该块使用多个单元提供增加的电流，或者块以串联来安排以增加电压。单元群因此可以是块。单元可被认为是能量转换装置中的能够依赖于化学能来产生电能的最基本元件。单元群中的多个单元因此可被当作与测量有关的实体和单元群模型。或者，至少一个单元群可包括单独一个单元。测量因此可相关于只有一个单元来作出并且单元群模型可以只针对一个单元。
多个单元群被包括在能量转换装置中，能量转换装置被配置成将化学能转换成电能。能量转换装置可包括能量存储装置。能量存储装置可包括电池且因而可依赖于所存储的化学能来操作。能量转换装置可用于将电能转换成所存储的化学能。电池因此可以是二次电池，即可再充电电池。至少一个单元可以是电化学单元，它能用于将所存储的化学能转换成电能并且反向转换。更具体而言，至少一个单元可以是锂离子(Li离子)单元。另选地，能量转换装置可根据来自接收到的而非所存储的物质的化学能来操作。能量转换装置因此可包括燃料电池装置。燃料电池装置可用于将接收到的燃料(诸如氢气)转换成电能。至少一个单元可以是燃料电池。
测量可包括电属性和物理属性中的至少一者的测量。测量可包括：电压；电流；温度；以及压力。至少一个测量装置可被适当地配置成测量至少一个电属性和物理属性。
在能量转换装置包括电池的情况下，能量转换装置可被配置成依赖于至少一个所确定的状况来确定电池要如何被充电。更具体而言，能量转换装置可被配置成相关于SOA需求来确定电池要如何被充电以提供例如快速充电，但不损害电池的完整性或安全性。能量转换装置因此可包括与SOA需求相关的参数。与电池被如何充电有关的确定可以依赖于所存储的多个状况所反映的服务历史，如本文其他部分所描述的。能量转换装置在充电之后的预期使用可关系到电池是如何充电的。能量转换装置因此可包括操作者输入端和数据存储，用户能操作该操作者输入端来输入与预期使用相关的数据，数据存储能用于存储用户输入的数据。在能量转换装置要被用在BEV中时，用户可以例如输入与BEV要行进的预期距离相关的数据。能量转换装置可用于依赖于用户输入的数据来确定电池被如何充电。不同能量价目可在一天中的不同时间应用。因此，控制电池在何时充电可以是有利的。控制电池何时充电可以通过以上描述的操作者输入端来进行。能量转换装置可进一步包括充电装置，它被配置成对能量转换装置中包括的电池充电。充电装置可依赖于本文其他部分描述的能量转换装置的操作来控制。
如本文其他部分描述的，每一单元群可本身相关于各管理功能来操作，诸如：电压、电流以及温度等的测量；各参数的确定，诸如SOC、DOD、SOH以及内部电阻；以及各事件(诸如充电/放电周期、NOA以及SOA偏移)的记录。每一单元群可以操作而不管能量转换装置是否从该单元群和其他单元群来被组装，能量转换装置是否已被组装，或者能量转换装置是否已被分解。每一单元群因此可被配置成执行至少一个管理功能。作为替换或补充，每一单元群可被配置成与至少一个其他单元群合作地执行至少一个管理功能。
根据本发明的第二方面，提供了包括根据本发明的第一方面的能量转换装置的电动车(EV)。电动车(EV)可包括电推进装置。EV可包括电池或缺少电池。更具体而言，电动车可以是燃料电池电动车(FCEV)、电池电动车(BEV)、混合电动车(HEV)、以及插电混合电动车(PHEV)之一。在电动车包括电池的情况下，电动车可进一步包括被配置成对电池充电的充电装置。
已知电动车包括能用于记录与电动车的使用相关的数据的数据记录器。通常，只有相对新近的数据被存储在数据记录器中，诸如在碰撞之前与电动车的最近五秒使用相关的数据。能量转换装置可被配置成单独地或与数据记录器相组合地提供增强型数据记录。更具体而言，能量转换装置可被配置成除单元群状况之外还记录来自至少一个车内传感器的测量，诸如与GPS位置、速度以及加速度相关的测量。
能量转换装置可被配置成分析所记录的数据并将分析结果与参考数据相比较。参考数据可以例如基于在至少一个先前旅程期间记录的数据，且分析可包括比较当前完成的旅程与参考数据之间的能量使用效率。作为进一步示例，参考数据可以基于从多个能量转换装置收集的数据，这是从用于接收并存储由多个能量转换装置记录的数据的服务器接收到的。能量转换装置的用户因而能够将驾驶效率与由类似旅程的大量其他车辆所建立的均值标准等相比较。
根据本发明的第三方面，提供了一种包括多个能量转换装置和服务器的能量转换装置管理装置，每一能量转换装置都是根据本发明的第一方面的，每一能量转换装置和服务器被配置成彼此进行数据通信。更具体而言，服务器可被配置成存储能量转换装置管理数据。能量转换装置管理数据可包括从多个能量转换装置中的每一者接收到的数据。能量转换装置管理数据对制造商和供应商而言对如下各项是有价值的：处理担保问题；认证单元群；以及评估产品性能。作为替换或补充，能量转换装置可以接收从服务器接收到的能量转换装置管理数据且能依赖于能量转换装置管理数据来操作。例如，可依赖于从服务器接收到的能量转换装置管理数据向能量转换装置的用户建议对提供能量转换装置或适当的旅程规划的需求。
根据本发明的第四方面，提供了一种确定被配置成将化学能转换成电能且包括多个单元的能量转换装置(诸如电池)的状况的方法，每一单元被配置成将化学能转换成电池，该方法包括：
作出多个单元中的每一者处的测量；以及
依赖于在每一单元处作出的测量以及每一单元的模型来确定以下至少一者的状况：多个单元群中的每一者；以及能量转换装置。
本发明的第四方面的各实施例可包括本发明的任何先前方面的一个或多个特征。
根据本发明的第五方面，提供了一种状况确定装置，包括：
至少一个测量装置，其被配置成作出能量转换装置中包括的多个单元群中的每一者处的测量，该多个单元群中的每一者被配置成将化学能转换成电能；以及
包括用于使计算机(诸如微控制器)依赖于在每一单元群处作出的测量以及每一单元群的模型来确定以下至少一者的状况的程序指令的计算机程序：多个单元群中的每一者；以及能量转换装置。
更具体而言，计算机程序可以是以下之一：被包括在记录介质上；包括在只读存储器中；存储在计算机存储器中；以及携带在电载波信号上。本发明的第五方面的进一步实施例可包括本发明的第一方面的一个或多个特征。
根据本发明的又一方面，提供了一种能量转换装置，包括：多个单元群，每一单元群被配置成将化学能转换成电能；以及至少一个测量装置，其被配置成作出多个单元群中的每一者处的测量，能量转换装置被配置成依赖于每一单元群处的测量来确定该能量转换装置的状况。能量转换装置可被配置成依赖于在每一单元群处作出的测量来确定至少一个单元群的状况。本发明的又一方面的进一步实施例可包括本发明的任何先前方面的一个或多个特征。
附图简述
根据以下具体描述，本发明的进一步特征和优点将变得明显，以下具体描述只是作为示例且参考附图给出的，附图中：
图1示出在充电期间的包括根据本发明的能量转换装置的电动车；
图2是根据本发明的能量转换装置的框图表示；
图3是位于单元块处的能量转换装置的电路系统的框图表示；
图4是示出单元群模型和电池模型的框图表示；以及
图5示出电池单元的使用周期。
实施例的描述
图1中示出了包括根据本发明的电池形式的能量转换装置12的、电池正被充电的电池电动车(BEV)10。如可从图1看到的，BEV 10进一步包括电耦合到电池12且能用于控制电池的充电的充电装置14。根据已知实践，充电装置14电连接到车辆充电点16。车辆充电点16与远程服务器18处于通信中。数据在车辆充电点16与服务器18之间传递，如下文进一步描述的。多个进一步车辆充电点20在相应不同位置处提供，其中每一进一步车辆充电点20也与服务器18处于通信中，由此来自车辆充电点16、20中的每一者的数据被传达给服务器18、存储在服务器18上且由服务器18操作。图1示出了涉及通过充电点16与能量转换装置12之间的线耦合来充电的布置。根据一替换办法，充电是通过充电点16与能量转换装置12之间的感应耦合来无线地进行的。感应耦合的无线充电布置的设计将在本领域普通技术人员的普通设计能力之内。如可从图1看到的，电池12包括串联连接的锂离子电池单元的十六个块22(各自构成单元群)。每一个块22包括并联连接的多个锂离子电池单元。在一替换形式中，每一个块包括单独一个电池单元，注意，在单独一个电池单元被使用来代替多个电池单元时本发明同样适用。电池12进一步包括电池管理装置24，这将参考图2到4在下文进一步描述。
图2中示出了锂离子电池单元的四个串联连接的块和相关联的电路系统(它们一起构成能量转换装置)的框图表示。图2的布置包括第一、第二、第三以及第四单元块30、32、32、36。图2的布置进一步包括在每一单元块处基本上相同的测量和处理电路系统。测量和处理电路系统在图3中更详细地示出。测量和处理电路系统包括与每一个块串联的低值电阻器38，它能用于感测从该块吸取的电流并形成分压器布置(未示出)的一部分，分压器布置能用于将所吸取的电流转换成可测量的电压。测量要是12或14比特准确度，其中确定电流所达到的实际准确度由于自加热效应而小于12或14比特测量所提供的准确度。第一模数转换器40能用于将来自分压器布置的电压转换成对应的数字数据。测量和处理电路系统还包括第二模数转换器42，它能用于将跨该块的电压转换成对应的数字数据。跨该块的电压被测量到1mV内。测量和处理电路系统还包括温度传感器44，诸如集成电路中包括的硅带隙温度传感器(或与绝对温度成正比的传感器)或分立的热敏电阻，它被布置在该块之上或附近且因而能用于感测该块的温度。第三模数转换器46能用于将来自温度传感器44的模拟信号转换成对应的数字数据。温度被测量到0.5摄氏度。
测量和处理电路系统进一步包括微控制器48、非易失性RAM 50、实时时钟(RTC)52以及收发机电路系统54。测量和处理电路系统的除微控制器48以外的组件结合成定制集成电路，其中测量和处理电路系统被包含在该块内或安装在该块上。微控制器48接收来自第一到第三模数转换器40、42、46的对应于电流、电压以及温度的数字数据并且能用于处理接收到的数据且确定块状况和电参数，如下所述。如根据以下描述将变得明显的，状况确定涉及与阈值相比较。测量和处理电路系统因此包括稳定电压参考，诸如带隙参考，它针对已知电压被校准。所确定的状况和导出的电参数连同来自RTC 52的时间戳一起被存储在非易失性RAM 50中，由此数据被存储用于该块的寿命。测量和处理电路系统能用于取决于系统活动以0.01Hz(即小于每分钟一次)和1kHz之间的速率来测量电压、电流以及温度。当没有充电或放电时，测量处于非常慢的速率来最小化功耗。另一方面，在存在活动(诸如充电或放电)时，测量处于较高速率。微控制器48能用于确定所存储的数据的优先次序并周期性地删除旧数据或较不重要的数据以从而高效地使用非易失性RAM 50。RTC 52是自主的且由石英晶体振荡器或来自微控制器48的定时信号来驱动。可能存在的不论什么长期漂移都可通过周期性地将RTC 52同步到外部时钟(诸如通过车辆充电点16访问的基于因特网的时钟服务)来解决。测量和处理电路系统能用于检测块何时不吸取电流，由此测量和处理电路系统进入睡眠状态，它从睡眠状态周期性地苏醒以恢复测量。
数据自测量和处理电路系统的前向通信是通过收发机电路系统54到总线56。收发机电路系统54被配置成提供与总线56的电击隔离。电击隔离被用来解决在总线56遍历电池中的所有块时的累积电压漂移。在第一形式中，收发机电路系统54被配置成通过IEEE802.15个域网标准来通信，其中数据通过由变压器(未示出)连接到每一收发机电路系统54的双绞线电缆来传达。在第二形式中，数据通过主电池总线来传达。主电池总线通常是有噪声的并且因此电力线通信(PLC)中使用的那一类稳健的协议被用在第二形式中来代替IEEE802.15个域网标准。
现在返回至图2，监督微控制器58被连接到总线56。监督微控制器58被配置成执行与各块处的测量和处理电路系统相关的监督操作。监督微控制器58是块处的微控制器之一或者单独的微控制器。监督微控制器58被配置成允许与外部网络通信，该外部网络在图1的电动车10连接到车辆充电点16时被访问。取决于充电是通过有线办法还是无线办法达成的，与外部网络的数据通信是通过有线信道或无线信道的。如以上参考图1所提到的，车辆充电点16与服务器18之间存在数据通信。监督微控制器58被配置成允许根据因特网协议(诸如IPv6上的TCP协议)与外部网络通信。使用因特网协议允许在监督微控制器58与服务器18之间容易地传递数据。图1的服务器18能用于随时间存储来自大量BEV的数据，其中这样的所存储的数据对于电池和能量转换装置制造商等而言是有价值的。监督微控制器58被进一步配置成与其他车载测量和数据记录装置合作，由此来自车内传感器等的数据被监督微控制器58接收到以用于向前传递给服务器来提供增强型数据记录。监督微控制器58被进一步配置成分析所记录的数据并将分析结果与参考数据相比较。参考数据例如基于在至少一个先前旅程期间记录的数据，且分析包括比较当前完成的旅程与参考数据之间的能量使用效率。作为进一步示例，参考数据可以基于从若干BEV收集的数据，它被存储在服务器18中并且随后传递给BEV，BEV利用一设施来将驱动效率与大量其他车辆针对类似旅程建立的均值标准等相比较。
唯一性地址被存储在每一微控制器本地的存储器中，由此每一个块可被唯一地标识。唯一性地址具有根据因特网协议(诸如Ipv6上的TCP协议)的格式，以从而允许通过总线56在每一个块与因特网连接的服务器18之间的容易的数据通信。
现在将参考图4更详细地考虑测量和处理电路系统内的测量处理。图4是示出单元群模型和电池模型的框图表示。图4示出两个块中的每一者的测量和处理电路系统。与图2和3相同的组件由相同的附图标记来指示。图4中还示出了第一单元群模型60、第二单元群模型62、第一电池模型64以及第二电池模型66。第一单元群模型60被存储在一个块的测量和处理电路系统的第一微控制器本地的存储器中，而第二单元群模型62被存储在另一个块的测量和处理电路系统的第二微控制器本地的存储器中。第一电池模型64被存储在第一微控制器本地的存储器中，而第二电池模型66被存储在第二微控制器本地的存储器中。因此，在每一电池单元块处存在单元群模型和电池模型。相同的电池模型存在于每一电池单元块处，使得在本示例中第二电池模型66是第一电池模型64的副本。如根据以下描述将变得明显的，每一电池模型64、66利用由单元群模型60、62两者产生的数据。来自每一单元群模型60、62的数据因此通过总线56传达给电池模型64、66两者。
现在将描述单元群模型的操作。如上所述，电压、电流以及温度数据被微控制器接收。微控制器随后操作来依赖于参考单元群模型测得的电压、电流以及温度数据来确定块状况以及导出的电参数。更具体而言，块状况和导出的电参数包括充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、放电深度(DOD)、容量、内部电阻以及内部阻抗，等等。块状况进一步包括诸如SOA和NOA违反以及充电/放电周期等事件。现在提供在状况确定中采用的单元群或单独的电池单元的模型的示例。来自单元群模型的输出随后被传达给电池模型，电池模型能用于依赖于从单元群模型60、62接收到的输出来确定电池的总体SOC、总体SOH、总体DOD、总体容量、总体内部电阻以及总体温度等。一个块处的微控制器随后进一步操作来依赖于电池电平确定来动作。作为每一个块处的测量和处理电路系统中存在电池模型的结果，每一个块能够相关于作为整体的电池来独立操作。例如，每一微控制器能用于确定电荷平衡操作的需求并且随后发起并控制电荷平衡操作。
电荷平衡通常是电池的重要功能。如上所述，每一单元群确定其自己的SOC并接收电池中包括的其他单元群的SOC数据以及其他，由此作为整体的电池的SOC被确定。电池被配置成使得每一单元群能用于依赖于该单元群自己的SOC和电池的SOC来确定该单元群是否应当执行被动电荷平衡。因而，电池中的每一单元群独立于其他单元群或与其他单元群合作地作出与电荷平衡有关的确定。电池进一步包括依赖于相关于电荷平衡作出的确定来操作的电荷平衡装置。在本文使用的适当的电荷平衡装置的形式和功能在以下文献中描述：Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs(用于大型锂离子电池组的电池管理系统)，Davide Andrea，2010，由Artech House发布，Norwood MA02062，USA。
单元群或单独的电池单元通过以下算法来建模。该算法的输入是：
1.额定全电池容量，CapCell。
2.当前电池放电深度(DOD)，以Ah为单位。如果电池是满的，则DOD＝0。如果电池是空的，则DOD＝CapCell。
3.额定电池电阻，Rcell_nom。
4.在该单元的充电状态(SOC)对单元开路电压(OCV)曲线中的四个适当点处的OCV。例如，这四个适当点是：SOCempty 0％处的电压＝Vempty；SOCbottom 15％处的电压＝Vbottom；SOCtop 95％处的电压＝Vtop；以及SOCfull 100％处的电压＝Vfull。OCV是在没有吸取电流时以及单元有时间松弛时的单元终端电压。
该算法具有两个独立的循环，循环1和循环2。
循环1：
在所吸取的电流变化时，在Rcell＝(V1–V2)/(I2-I1)的基础上计算单元电阻Rcell，其中V1和I1是在电流变化之前测得的电压和电流而V2和I2是在电流变化之后测得的电压和电流，。
瞬时OCV是通过OCV＝Vterm+Icell*Rcell来确定的，其中Vterm是测得的瞬时终端电压而Icell是测得的瞬时电流。
循环2：
以上算法只是作为示例来给出的。在该算法的使用期间，存在由于测得电流的积分以确定DOD而造成的误差累积，由此DOD测量不确定度通常随时间增加。该算法因此涉及在SOC通过SOCtop或SOCbottom(这可导致测得的SOC和DOD的显著跳变)时将DOD复位。
电池是通过如下算法来建模的：该算法提供各单独单元块状况的求和、导出电参数和测量、以及基于经求和的量来确定导出的量的均值或平均值，等等。
上述单元群模型基于单元块的充电状态(SOC)对开路电压(OCV)曲线。每一单元块的单元群模型是经由使该单元块通过至少一个完整的充电和放电周期来配置和校准的。在该至少一个完整周期期间，电压、电流、温度以及时间被测量到高准确度并且测得的值被用来配置和校准单元群模型。每一单元群模型因此被针对特定单元块来具体地配置。通常，单元群模型校准是在与电池管理系统的其余部分的校准同时执行的，以藉此提供更简单的校准规程且以其他方式避免单元群模型校准操作和电池管理系统校准操作的重复。
电池单元的使用周期在图5中示出。在制造之后，单元80具有100％SOH且被安装在BEV 82的电池中。在BEV 82中使用一段时间之后，该单元的SOH(如通过本发明确定的)降至80％，这是供在BEV 82中继续使用的临界阈值。在本发明标识了单元弱点后，该单元被从BEV移除并被安装在离网环境中的本地电池存储86。本地电池存储86是根据本发明来配置的，由此继续监视该单元。在单元88的SOH(如本发明所确定的)降至50％时，这是供在本地电池存储86中继续使用的临界阈值，该单元被从本地电池存储86移除并被退役90。
将注意，每一单元群能相关于管理功能来自己操作，诸如：电压、电流以及温度等的测量；各参数的确定，诸如SOC、DOD、SOH以及内部电阻；以及各事件(诸如充电/放电周期、NOA以及SOA偏移)的记录。每一单元群能不管以下情况来操作：电池是否已从该单元群和其他单元群组装、电池已被组装、或电池已被分解使得该单元群不再形成电池的一部分。每一单元群因此被配置成执行上述管理功能。此外，每一单元群被配置成与至少一个其他单元群合作地执行上述管理功能。
本发明还应用于混合电动车(HEV)、插电混合电动车(PHEV)以及燃料电池电动车(FCEV)。在本发明被应用于FCEV时，对单元/单元群模型作出修改以将燃料电池的不同特性纳入考虑。然而，FCEV中包括的燃料电池的模型是按与以上参考电池单元相同的方式通过在初始校准规程期间在每一燃料电池处的测量来确定的。此外，针对燃料电池确定的状况数据的性质被选择来迎合燃料电池的不同特性。否则，本发明是以上参考BEV描述的形式和功能。

Claims (27)

1.一种配置成将化学能转换成电能的能量转换装置，所述能量转换装置包括：
多个单元群，每一单元群被配置成将化学能转换成电能；以及
配置成作出所述多个单元群中的每一者处的测量的至少一个测量装置，
所述能量转换装置被配置成确定以下至少一者的状况：所述多个单元群中的每一者；以及所述能量转换装置，其特征在于，所述状况是依赖于每一单元群处作出的测量和每一单元群的模型来确定的。
2.如权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述多个单元群模型中的每一单元群模型是在所述单元群中的不同一个单元群处存储和使用的至少一者。
3.如权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征在于，每一单元群模型是针对与其一起使用的单元群来配置的。
4.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置被配置成确定所述多个单元群中的每一者的充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、放电深度(DOD)、容量、内部电阻和内部阻抗中的至少一者。
5.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，每一单元群的模型是经验模型。
6.如权利要求5所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置包括电池，其中所述单元群模型是基于足以表征所述电池的SOC对开路电压(OCV)曲线的测量的。
7.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置被进一步配置成依赖于所述多个单元群状况来确定所述能量转换装置本身的状况。
8.如权利要求7所述的能量转换装置，其特征在于，进一步包括能量转换装置模型，所述能量转换装置模型在使用时接收所述多个单元群状况并依赖于此来提供能量转换装置数据，所述能量转换装置本身的状况是依赖于所述能量转换装置数据来确定的。
9.如权利要求8所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置模型被存储在所述单元群中的至少两个单元群中的每一者处。
10.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置能用于存储在各间隔开的时间确定的多个状况。
11.如权利要求10所述的能量转换装置，其特征在于，单元群和所述能量转换装置中的至少一者的降级是依赖于所存储的多个状况来确定的。
12.如权利要求10或11所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置包括电池，其中所述能量转换装置能用于确定电能递送容量。
13.如权利要求12所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置能进一步用于将所述电能递送容量与预定值相比较并依赖于所述比较来确定所述能量转换装置是否应当经受第二使用。
14.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，每一单元群的模型进一步包括对每一单元群而言唯一的标识码。
15.如权利要求14所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置被配置成依赖于所述标识码中的相应一个标识码来提供所述多个单元群中的每一者的可寻址性。
16.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，包括通信网络，所述能量转换装置被配置成使得所述多个单元群中的每一者被配置成通过所述通信网络进行通信，所述通信网络被配置成维持各单元群之间的电绝缘。
17.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，包括多个测量装置，其中每一测量装置被配置成作出所述多个单元群中的相应一个单元群处的测量，所述多个测量装置中的每一者位于所述多个单元群中的相应一个单元群处。
18.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，每一单元群包括至少一个单元。
19.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，包括可再充电电池。
20.如权利要求1到18中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，包括燃料电池装置。
21.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，测量包括电属性和物理属性中的至少一者。
22.如权利要求21所述的能量转换装置，其特征在于，测量包括以下至少一者：电压；电流；温度；应力；振动；以及压力。
23.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置包括电池，其中所述能量转换装置被配置成依赖于至少一个所确定的状况来确定所述电池要被如何充电和放电中的至少一者。
24.如权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，与所述电池要被充电和放电中的至少一者有关的确定是依赖于在间隔开的时间存储的多个状况的。
25.如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，进一步包括配置成对所述能量转换装置中包括的电池进行充电的充电装置。
26.一种包括如前述权利要求中的任一项所述的能量转换装置的电动车(EV)。
27.一种能量转换装置测量装置，包括各自如权利要求1到25中的任一项所述的多个能量转换装置和服务器，每一能量转换装置和所述服务器被配置成彼此数据通信，所述服务器被配置成存储从所述多个能量转换装置中的每一者接收到的能量转换装置测量数据。
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