CN107054352B - 用于确定车辆中电池状态的方法和仪器 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定车辆中电池状态的方法，所述方法包括：确定电池的初始温度和初始充电状态；控制初始充电状态SoC不超过预定阈值并且初始温度T不低于预定阈值；基于电池的初始温度和初始充电状态确定电流阈值；启动车辆的发动机；对电池进行预定充电时间段t1的充电；在充电时间段t1期间的两个预定时间点测量至电池的两个充电电流I1和I2；基于测量的充电电流在时间t3＝t1+t2确定预期的电流值；比较所述预期电流值与电流阈值；并且如果预期电流值低于电流阈值则确定电池有故障。

Description

用于确定车辆中电池状态的方法和仪器
技术领域
本发明涉及用于确定车辆中电池状态的方法和装置。
背景技术
12V电池在历史上总是遭到与质保索赔相关的频繁更换，从而导致成本很高。对于为什么在过质保期之前更换电池总是有若干不同的原因。这些更换的主要原因之一是由于车间使用的电池测试方法的不精确判断。
很难迅速地且不从车辆去除电池就执行电池测试。精确的电池测试方法典型地花几天时间并且需要较大的昂贵且固定的测试设备。手持电池检测器通常用于确定与质保索赔有关的电池健康，利用高频和低压来计算电池的阻抗。阻抗在某种程度上也用于确定电池的健康。然而，由于手持检测器不能给电池放电或充电，也没有考虑到温度或充电状态，因此不那么可靠。
常规的手持检测器已经放弃了的基于实验室对电池的更彻底评估显示大部分电池仅低充电但仍然具有超出继续服务的足够容量。
因此，期望提供一种用于确定车辆中电池状态的改进方法，从而避免在电池的实际寿命结束之前丢弃起作用的电池。
US6,424,158公开了用于执行自动和快速诊断测试和使用与快速可变负载结合的充电器给电池充电的方法和系统。然而，所公开电池检测器得到的结果仍然不够精确。
发明内容
鉴于上述及其现有技术的其它缺陷，本发明的一个目的在于提供一种用于确定电池状态以减少被错误地丢弃的电池的数量的改进方法和系统。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定车辆中电池状态的方法，所述方法包括：确定电池的初始温度和初始充电状态(state of charge，简称SoC)；控制以使初始充电状态(SoC)不超过预定阈值并且初始温度T不低于预定阈值；基于电池的初始温度和初始充电状态计算电流阈值；启动车辆的发动机；对电池充电达预定充电时间段t1；在充电时间段t1期间的两个预定点处测量至电池的两个充电电流I1和I2；基于测量的充电电流，确定在时间t3＝t1+t2处的预期电流值；将预期电流值与电流阈值相比较；并且如果预期电流值低于电流阈值则确定电池有故障。
本发明基于这样的认识：使用在计算某个预定充电循环之后的可接受阈值电流时考虑电池的初始充电状态和温度的方法能高精度地确定电池状态即电池是否健康。藉此，提供了一种不需要从车辆去除电池的迅速可靠的方法。对于特定的电池类型，假定SoC、T与阈值电流之间的关系是已知的，这将在下面进一步详述。
当今电池通常装备有所谓的电池监控传感器(Battery Monitor Sensor，简称BMS)，其连续地监控电池的电压、电流和温度。BMS还可以例如通过在车辆运行期间将来自电池的电流累积来确定电池的SoC。通过利用可从BMS获得的信息，用于确定车辆中电池状态的更精确方法也可用于出于实际原因不能完成复杂和耗时测试的车间环境中。藉此，与当确定电池是否应当更换时在警告方面经常犯错误的之前方法相比，被错误地丢弃电池更少了。例如如果不能在发动机的启动阶段期间释放足够高的电流或如果能量储备低到不能支撑车辆运转时的所需功能，认为电池有故障。如果能够令人满意地工作至少一年并且更优选工作五年，认为电池是健康的。
原则上，根据本发明各种实施例的方法可用在包括用于给电池充电的设备的任何车辆中。最通常地，所述方法旨在与包括能够给电池充电的内燃发动机的常规车辆中的12V和24V电池一起使用。
根据本发明的一个实施例，所述方法可进一步包括：如果所述预期电流值高于电流阈值，则关闭所述发动机；对于所述电池，在预定时间段t4使用车辆电气系统负载产生恒定电流，在时间段t4之后测量电池电压；将测量的电池电压与预定电压阈值比较；并且如果测量的电池电压低于电压阈值则确定电池有故障。除了在充电之后能够提供足够的电流外，当电池受到负载时电池也应当能够提供足够的电压。因此，如果电池经过电池充电的第一阶段，则执行第二测试阶段，在第二测试阶段，电池受到负载并且藉此被放电，并且随后测量得到的电压以确保电池能够提供所需的电压。因此，如果电池经过所述方法的第一阶段(其可被称为充电阶段)和随后的阶段(其可被称为放电阶段)，则认为电池是健康的。
在本发明的一个实施例中，充电阈值的初始状态可有利地低于或等于70％。如果充电状态高于大约70％，则电池可能更难接收充电，使得测试的充电阶段不可靠。因此，在启动测试之前确保充电状态不高于70％。如果确定充电状态过高，则负载可施加于电池直至充电状态降低至70％或更低。
根据本发明的一个实施例，初始电池温度阈值可有利地大于或等于0℃。对于低于0℃的低电池温度，当施加负载并且电流来自电池时电池在接受充电和保持稳定电压这两方面都有困难。因此，如果电池的温度过低，则不启动测试。电池可因此被加热以使得能够开始测试。
在本发明的一个实施例中，可在t1-10s时测量充电电流I1并且在t1时测量充电电流I2。藉此，在两次测量之间以固定时间段测量两个充电电流，使得能够确定在时间t3时的预期电流值。此外，t1可例如为2分钟(min)±10％并且t2可为1分钟(min)±10％。应注意到，上述时间段是示例，并且在其它时间执行所述方法是完全可能的，只要相应地调整所述方法的其它参数即可。
根据本发明的一个实施例，可通过外推法(extrapolation)有利地计算预期电流值。
在本发明的一个实施例中，电流阈值Ith被计算为Ith(SoC,T)＝p1+p2SoC+p3T+p4SoCT+p5T2+p6SoCT2+p7T3，其中，p1-p7是根据实验确定的参数。对于特定类型电池以及给定的初始充电和温度状态，在执行预定的充电阶段之后，参数p1-p7用于计算预期电流值。用于特定电池类型的参数能例如在执行更严格测试的实验室环境中获得。
根据本发明的一个实施例，使用所述车辆的交流发电机执行电池的充电步骤。藉此，所述方法的执行可以不需要车辆外部的其它动力来源。可选地，也可使用DC/DC充电器。
根据本发明的一个实施例，用于电池的电流负载有利地为20A±10％。电流负载应当是恒定的并且足够高以使得在当施加电流负载时且当交流发电机与电池断开时的放电阶段期间电池被放电至可测量的程度。
根据本发明的一个实施例，t4是4分钟(min)±10％，并且预定电压阈值是11V。对于典型的12V电池，已经确定在近似4min的放电阶段之后电池电压高于或等于11V就指示了健康的电池。
根据本发明的第二方面，提供了一种电池检测器，包括：被配置为连接于车辆的通信接口的通信接口；控制单元，被配置为与车辆通信以：确定电池的初始温度和初始充电状态；控制以使初始充电状态不超过预定阈值并且初始温度不低于预定阈值；启动车辆的发动机；对电池进行预定充电时间段t1的充电；在充电期间的两个预定时间点测量至电池的两个充电电流I1和I2；基于所测量的充电电流确定在时间t3＝t1+t2处的预期电流值；基于电池的初始温度和初始充电状态确定电流阈值；将预期电流值与电流阈值比较；并且如果预期电流值低于电流阈值则提供电池有故障的指示。
根据本发明的一个实施例，电池检测器进一步被配置为：如果所述预期电流值高于电流阈值，则关闭所述发动机；在预定时间段t4利用车辆电气系统负载产生用于电池的恒定电流，在所述时间段t4之后测量电池电压；将所测得的电池电压与预定的电压阈值比较；并且如果所测得的电池电压低于电压阈值则提供电池有故障的指示。
通常用于车间的电池检测器不具有给电池充电或放电的能力。当做测试时它们既不考虑充电状态也不考虑温度，尽管这些都是极大程度影响电池性能的参数。因此，上述电池检测器提供了对电池状态更精确的确定，由于丢弃的健康电池更少而最终使得得到实质的经济和环境的优势。
本发明第二方面的其它效果和特征基本上类似于如上所述本发明的第一方面。
当研究所附权利要求和下面的描述时本发明的其它特征和优点将更为明显。本领域技术人员认识到，本发明的不同特征可组合以形成除了在下文中描述之外的实施例而不脱离本发明的范围。
附图说明
现在参照示出本发明示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些及其它方面，其中：
图1示意性地示出包括可通过根据本发明实施例的方法测试的电池的车辆；
图2A-B是描绘根据本发明实施例的方法的常规步骤的流程图；并且
图3是描绘根据本发明实施例的方法的特征的图形。
具体实施方式
在当前的详细说明中，主要参照包括内燃发动机和用于给电池充电的交流发电机的车辆中的12V电池描述根据本发明的方法的各种实施例。然而，所述方法同样适用于其它类型的电池，例如24V电池，并且也可运用给电池充电的其它设备。
图1是根据本发明一个实施例包括可被测试的12V电池102的车辆100的示意图。该测试此处被示为通过电池检测器104执行，电池检测器104连接于车辆的通信接口使得电池检测器104能从电池的电池监控传感器(BMS)读取信息。
图2A是描绘根据本发明一个实施例的方法的一般步骤的流程图。将参照图2A中的流程图和图3中的图形描述所述方法。此外，可以理解所述方法能由被特别地配置为执行根据所述方法的电池测试的电池检测器104执行。
要启动充电阶段，通过从电池监控传感器读取信息来确定电池的初始温度和充电状态。如果温度高于或等于0℃并且充电状态等于或低于70％则启动测试。如果温度低于0℃，则电池可被加热，例如通过将其保持在室内处于室温下直至温度充分地升高。同样地，如果充电状态高于70％，则可施加负载以降低充电状态。
一旦确定温度和充电状态处于可接受的范围内，则使用关系式Ith(SoC,T)＝p1+p2SoC+p3T+p4SoCT+p5T2+p6SoCT2+p7T3计算电流阈值。
对于示例的12V电池，可通过对若干用过电池的更完全分析根据经验确定参数p1-p7。例如，可使用之前使用简化状态测试丢弃的电池。每个电池受到用于铅酸电池的标准化容量测试以将电池状态确定为电池额定容量的百分比。将电池状态与阈值相比较，具有超过阈值的容量的电池受到进一步分析。可根据制造商想要对电池设定的需求略微任意地设定阈值。例如，根据需求是否是电池应当具有1或5年的估算剩余使用寿命，差异地设定阈值。
通过容量测试的电池随后经受若干测试循环，其中每个电池被设定为若干SoC水平，此处范围从20％到70％。对于每个SoC水平，每个电池被设定为若干温度，此处在0℃-25℃的范围内，对于每个SoC水平和温度的组合，在固定充电电压下执行充电接受测试以确定在对应于时间t3的预定充电时间之后得到的充电电流。藉此，在时间t3时的可接受充电电流被确定用于SoC和温度的若干初始组合，使得可能在给定间隔内得出描述用于SoC和温度的任何组合的可接受充电电流的函数。因此如上所述，用于将电流阈值确定为SoC和T的函数的所得到函数Ith(SoC,T)＝p1+p2SoC+p3T+p4SoCT+p5T2+p6SoCT2+p7T3能通过参数p1-p7限定。
一旦已经确定阈值电流则启动发动机。如果电池放电至不可能启动发动机的水平，则可采用启动辅助设备来启动发动机。随后通过在电池上施加由交流发电机供给的固定电压，电池被充电时间段t1，例如2分钟。在充电期间，在两个点处及时测量充电电流以给出电流I1和I2。在本示例中，在1分50秒时测量I1并且在2分钟时测量I2。根据两个电流I1和I2，如图3所示推导出在时间t3的预期电流值。在图3中，推导被示为线性外推法(linearextrapolation)。然而，也可能使用指数函数推算，这将进一步减少电池充电所需的时间。
接着，将预期电流值与阈值电流Ith相比较，并且如果预期电流值低于阈值电流，则认为电池有故障并且需要更换。
另一方面，如果预期电流高于阈值电流，则进行放电测试以确保电池在放电阶段保持可接受的电压。电池的放电方法如图2B的流程图和图3的图形所示。
为启动放电阶段，发动机被关闭并且交流发电机因而停止对电池充电。接着，恒定电流负载被施加于电池。因为实际原因，也经常在充电期间出现电流负载，因为车辆起动并且发动机运转，这意味着车辆的某些电气系统是工作的。这些负载可包括车辆的各种CPU和通信设备，灯等等。因此，在测试期间，可能适合于证实在启动充电阶段之前已经设定用于放电阶段的正确负载。充电与放电阶段之间的差异是在放电阶段期间交流发电机与电池分离。为了确保适宜的负载，例如可采用以下设定：
气候系统：自动，22℃
光：自动/半光(half light)
椅子气候(Chair climate)：关闭
除霜器：关闭
信息娱乐系统：关闭
在充电阶段期间也施加负载的情形下，期望禁止高功率消耗的应用(例如加热)以确保正常充电。可通过电池检测器遥控适宜负载的使用，或在测试过程开始之前通过车间技工手动设定。
在本示例中，电流负载大致为20A，并且在预定时间段(此处为4分钟)执行放电，之后测量得到的电池电压。
最后，测量电压与预定电压阈值相比较，如果测量电压高于或等于阈值电压则认为电池健康。对于本示例中使用的12V电池，认为11V的电压阈值是可接受的。否则，认为电池有故障并且电池检测器指示需要更换电池。
应注意到，阈值电压是相对于特定电流负载和特定放电时间确定的，并且，如果电池类型、指定电流负载或放电时间变化，则可能需要调整阈值电压。
因此，电池要被确定健康，它必须通过充电测试阶段和放电测试阶段这两个阶段。
虽然已经参照其特点例证实施例描述了本发明，很多不同的变化、改进等等是本领域技术人员显而易见的。此外，应注意到方法步骤可被互换或以各种方式设置，但系统和方法仍然能够实现本发明的功能。
此外，所公开实施例的变化是可以理解的并且根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究受到实践所请求发明的本领域技术人员的影响。在权利要求中，措辞“包括”不排除其它元件或步骤的存在，并且不明确的用语“一个”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中记载的某些测量未示出这些测量组合的纯粹事实不能带来优点。

Claims (15)

1.一种用于确定车辆中电池的状态的方法，所述方法包括：
确定所述电池的初始温度T和初始充电状态SoC；
控制以使所述初始温度不低于预定阈值并且所述初始充电状态不超过预定阈值；
基于所述电池的所述初始温度和所述初始充电状态确定电流阈值Ith；
启动所述车辆的发动机；
对所述电池充电预定充电时间段t1；
在所述充电时间段t1期间的两个预定时间点测量至所述电池的两个充电电流I1和I2；
基于所测量的充电电流确定在时间t3＝t1+t2处的预期电流值；
将所述预期电流值与所述电流阈值相比较；并且
如果所述预期电流值低于所述电流阈值，则确定所述电池有故障。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：如果所述预期电流值高于所述电流阈值，
则关闭所述发动机；
在预定时间段t4使用车辆电气系统负载形成对于所述电池的恒定电流负载，
在所述时间段t4之后测量电池电压；
将所测量的电池电压与预定电压阈值相比较；并且
如果所测量的电池电压低于所述预定电压阈值，则确定所述电池有故障。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定的初始充电状态阈值低于或等于70％。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述初始电池温度阈值大于或等于0℃。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在t1-10s处测量所述充电电流I1并且在t1处测量所述充电电流I2。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，t1是2分钟±10％。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，t2是1分钟±10％。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过外推法计算所述预期电流值。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电流阈值被计算为Ith(SoC,T)＝p1+p2SoC+p3T+p4SoCT+p5T2+p6SoCT2+p7T3，其中，p1-p7是根据经验确定的参数。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述电池进行充电的所述步骤利用所述车辆的交流发电机执行。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述恒定电流载荷是20A±10％。
12.根据权利要求2所述的方法，其中，t4是4分钟±10％。
13.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预定电压阈值是11V。
14.一种电池检测器，包括：
被配置为连接于车辆的通信接口的通信接口；
控制单元，被配置为与车辆通信以：
确定所述电池的初始温度和初始充电状态；
控制以使所述初始充电状态不超过预定阈值并且所述初始温度不低于预定阈值；
启动所述车辆的发动机；
对所述电池充电预定充电时间t1；
在所述充电时间期间的两个预定时间点测量至所述电池的两个充电电流I1和I2；
基于所测量的充电电流确定在时间t3＝t1+t2处的预期电流值；
基于所述电池的所述初始温度和所述初始充电状态确定电流阈值；
将所述预期电流值与所述电流阈值相比较；并且
如果所述预期电流值低于所述电流阈值，则提供所述电池有故障的指示。
15.根据权利要求14所述的电池检测器，进一步被配置为：如果所述预期电流值高于所述电流阈值，
则关闭所述发动机；
在预定时间段t4使用车辆电气系统负载形成对于所述电池的恒定电流负载，
在所述时间段t4之后测量所述电池电压；
将所测量的电池电压与预定电压阈值相比较；并且
如果所测量的电池电压低于所述电压阈值，则提供所述电池有故障的指示。
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