CN108028439A - 用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法，其包括：检测电池组的实际的空载电压变化过程（1）的区段（2）；在该实际的空载电压变化过程（1）的所检测的区段（2）中探测或定义显著点（3）；在该电池组的阳极电位的特征曲线（5）中和/或在该电池组的阴极电位的特征曲线（6）中识别属于该显著点（3）的点（4）；基于该显著点（3）相对于所属的点（4）的位置来使阳极电位的特征曲线（5）和阴极电位的特征曲线（6）移位和/或缩放，直至通过经移位的和/或经缩放的特征曲线（5，6）的组合来仿制所检测的区段（2）；基于经移位的和/或经缩放的特征曲线来算出当前的空载电压变化过程。

Description

用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法和设备。
背景技术
当前的电池组系统能够确定和提供所属的电池组的当前的容量和当前的健康状态。为此需要，检测电池组的电池组电压的和电池组电流的时间变化过程。
由电池组电压的时间变化过程和电池组的空载电压变化过程可以确定电池组的电荷状态变化。由电池组电流的时间变化过程可以确定电池组的所放出的或所吸收的电荷，其稍后被称作电荷变化。
由电荷变化和电荷状态变化可以推断出电池组的当前容量。由电池组的当前容量和电池组的原始容量可以推断出电池组的健康状态。
在此提出以下问题：为了精确地计算电池组的容量和健康状态，电荷变化和所属的电荷状态变化必须非常大，以便获得精确的信息。由此，对于这些信息的精确计算需要几乎完整的充电与放电周期。
对此提出以下问题：电池组的空载电压变化过程并不是在其寿命期间恒定的并且由于不再是最新的空载电压变化过程而可能发生不准确的容量计算，其中该计算基于该空载电压变化过程。
JP2012-137330公开一种方法，其中，基于阳极电位的特征曲线和阴极电位的特征曲线来确定电池组的空载电压变化过程。
发明内容
根据本发明的用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法包括：检测电池组的实际的空载电压变化过程的区段；在实际的空载电压变化过程的所检测的区段中探测或定义显著点；在电池组的阳极电位的特征曲线中和/或在电池组的阴极电位的特征曲线中识别属于显著点的点，基于显著点相对于所属的点的位置来使阳极电位的特征曲线和阴极电位的特征曲线移位和/或缩放，直至通过经移位的和/或经缩放的特征曲线的组合来仿制所检测的区段，并且基于经移位的和/或经缩放的特征曲线来算出当前的空载电压变化过程。
通过这种方式能够实现：估计电池组的当前的空载电压变化过程，而不事先对电池组进行几乎完全的充电或放电。此外能够实现：短期地更新电池组的空载电压变化过程并且因此在电池组的寿命期间对变化进行适配。在探测确定的点的情况下，基于预给定的特性识别一个点。在定义确定的点的情况下，将任意的或确定的点选择为显著点。
根据本发明的设备被设立用于，实施根据本发明的方法并且具有根据本发明的方法的所有优点。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
有利的是，通过检测多个测量点来检测实际的空载电压变化过程的区段。通过这种方式可以在最小的存储容量的耗费的情况下维持第一空载电压变化过程直至其另外地应用。
也有利的是，显著点的探测包括所检测的多个测量点的内插。通过这种方式可以特别准确地确定显著点的位置。
此外有利的是，显著点是在实际的空载电压变化过程的斜率或曲率方面的最大值或最小值，或者是实际的空载电压变化过程的拐点。这样的点是特别特征性的并且因此可以特别可靠地在阳极电位的特征曲线和阴极电位的特征曲线中重新发现。此外，这样的显著点可以以数学方式特别简单地被识别，由此降低必需的计算耗费。
此外有利的是，该方法还包括基于当前的空载电压变化过程来确定电池组容量。因此显著提高关于电池组容量的估计准确性。
也有利的是，首先进行两个特征曲线之一的移位和/或缩放，随后使这两个特征曲线其中的另一个特征曲线以相应的幅度被缩放和/或移位。以这种方式使对于本方法必需的计算耗费最小化。
附图说明
下面参考所附附图详细描述本发明的实施例。在附图中：
图1是一个图表，该图表示出阳极电位的两个示例性的特征曲线和阴极电位的两个示例性的特征曲线；
图2是一个图表，该图表示出两个示例性的空载电压变化过程；
图3是以第一实施方式的根据本发明的方法的流程图；和
图4是一个图表，该图表示出根据本发明的一种实施方式对阳极电位的特征曲线和阴极电位的特征曲线的移位和缩放。
具体实施方式
本发明基于以下原理：可以通过电池组的阳极电位的所属的特征曲线和电池组的阴极电位的所属的特征曲线来计算电池组的每个空载电压变化过程。这适用于电池组的每个老化状态，也即从其生命开始（BOL-Begin of life（寿命初始 ））直至其生命结束（EOL-End of life（寿命终止））。
电池组的阳极电位的特征曲线或阴极电位的特征曲线也称作OCP。电池组的空载电压变化过程也称作OCV。
图1示出以下图表：在该图表中示出阳极电位的第一特征曲线10a、阳极电位的第二特征曲线10b、阴极电位的第一特征曲线11a和阴极电位的第二特征曲线11b。在此，阳极电位的第一特征曲线10a和阴极电位的第一特征曲线11a描述在第一老化状态中的电池组。阳极电位的第二特征曲线10b和阴极电位的第二特征曲线11b描述在第二老化状态中的该电池组。
图2示出以下图表：在该图表中示出第一空载电压变化过程12a和第二空载电压变化过程12b。第一空载电压变化过程12a是在第一老化状态中的电池组的空载电压变化过程。第二空载电压变化过程12b是在第二老化状态中的电池组的空载电压变化过程。
由阳极电位的第一特征曲线10a和阴极电位的第一特征曲线11a可以确定第一空载电压变化过程12a。
数学上考虑，阳极电位的第一特征曲线10a是关于电池组的电荷状态Q的函数。电荷状态Q在图2中所示出的图表中在x-轴线上被给出。电荷状态在此通过如下值来描述，该值描述电荷量，例如以安培小时的方式，该电荷量是由电池组从最大充电起始所放出了的。因此，阳极电位的第一特征曲线10a通过函数fan(Q)来描述。同样的适用于阴极电位的第一特征曲线11a，该阴极电位的第一特征曲线因此通过函数fcat(Q)来描述。
为了从阳极电位的第一特征曲线10a和阴极电位的第一特征曲线11a确定第一空载电压变化过程12a，从阴极电位减去阳极电位。因此适用：
。
在此，OCV1(Q)代表描述第一空载电压变化过程12a的函数。
鉴于图1看出，阳极电位的第一特征曲线10a和阳极电位的第二特征曲线10b在其变化过程方面相似，并且阳极电位的第一特征曲线10a通过缩放和移位可以被转化成阳极电位的第二特征曲线10b。因此，阳极电位的第二特征曲线10b可以通过函数fan(αanQ+ßan)来被描述，该函数相应于经移位的并且经缩放的函数fan(Q)。在此，因子αan是用于缩放的因子，并且因子ßan是用于阳极电位的第二特征曲线10b相对于阳极电位的第一特征曲线10a的移位的因子。
以相应的方式，通过缩放和移位可以将阴极电位的第一特征曲线11a转化成阴极电位的第二特征曲线11b。因此，阴极电位的第二特征曲线11b可以通过函数fcat(αcatQ+ßcat)来被描述，该函数相应于经移位的和经缩放的函数fcat(Q)。在此，因子αcat是用于缩放的因子，并且因子ßcat是用于阴极电位的第二特征曲线11b相对于阴极电位的第一特征曲线11a的移位的因子。
因为可以从阳极电位的第二特征曲线10b和阴极电位的第二特征曲线11b确定第二空载电压变化过程12b，因此适用：
。
在此，OCV2(Q)代表描述第二空载电压变化过程12b的函数。
根据本发明，基于先前描述的原理、借助电池组的阳极电位的特征曲线的和电池组的阴极电位的特征曲线的缩放和移位确定电池组的当前的空载电压变化过程，所述当前的空载电压变化过程例如在电池组的一定的老化之后出现。
图3示出以第一实施方式的根据本发明的方法的流程图。在方法开始时首先实施第一步骤S1。
在第一步骤S1中进行电池组的实际的空载电压变化过程1的区段2的检测。实际的空载电压变化过程1是电池组在实施根据本发明的时间点实际上所具有的空载电压变化过程。电池组的电压和由电池组所放出的或所接收的电流被测量。由这些值算出电池组的电荷状态变化并且对于在该电荷状态变化内的多个电荷状态分别存储一个所属的电压值。每个电压值代表一个测量点。因此，通过检测多个测量点来检测实际的空载电压变化过程1的区段2。
在检测实际的空载电压变化过程1的区段2时所检测的区段2大致相应于电池组的当前的空载电压变化过程的所属区段。然而因为仅仅检测了实际的空载电压变化过程的一个区段，所以在进一步的方法中确定完整的空载电压变化过程，以便估计电池组的当前的空载电压变化过程。
在第一步骤S1之后实施第二步骤S2。在第二步骤中在实际的空载电压变化过程的所检测的区段2中对显著点3进行探测。第二步骤S2被划分为第一子步骤S21、第二子步骤S22和第三子步骤S23。
首先实施第一子步骤S21。在第一子步骤S21中进行所检测的多个测量点的内插。在其中，位于所检测的测量点之间的电压值被内插，以便获得以连续曲线的形式的、电池组的实际的空载电压变化过程的区段2。
在下面的第二子步骤S22中算出实际的空载电压变化过程的所检测的区段2的第一导数和第二导数。
在下面的第三子步骤S23中，基于对于区段2算出的、实际的空载电压变化过程的导数来确定并且因此探测显著点3。
图2示例性地示出电池组的实际的空载电压变化过程的所检测的区段2。在此应假设，第二空载电压变化过程12b相应于电池组的实际的空载电压变化过程。在第一步骤S1中检测了实际的空载电压变化过程的区段2。通过在第二步骤S2中所确定的导数来确定显著点3，显著点在图2中所示出的示例中以此而突出：在实际的空载电压变化过程2中出现拐点。该拐点大致在电池组的电荷状态Q处出现，该电荷状态利用值“30”来描述。这样的拐点可以例如通过第二导数的零点来被识别出。
替代在此示例性地已被选择为显著点3的拐点，在所检测的区段2中，尤其在第二空载电压变化过程12b的斜率或曲率方面的局部最大值或局部最小值适合用于选择为显著点3。根据本发明，显著点3也可以通过多个相互邻接的点的特性、也即曲线变化过程来定义。
作为可替代的显著点，在图2中示出在第二空载电压变化过程12b的曲率方面的最大值3a，该最大值例如可以由实际的空载电压变化过程的所检测的区段2的第一导数的最大值来确定。作为另一可替代的显著点，在图2中示出在第二空载电压变化过程12b的斜率方面的局部最大值3b，该局部最大值例如可以由第二空载电压变化过程12b的所检测的区段2的第一导数的最大值来确定。也可以选择不同的显著点，以便在阳极电位的特征曲线中和阳极电位的特征曲线中基于不同的显著点来识别所属的点。多个显著点的定义或识别也是有利的。
在本发明的可替代的实施方式中，将第二空载电压变化过程1的所检测的区段2的任意的点定义为显著点3。所属的点4在此例如可以根据在显著点3的区域中和在所属的点的区域中的曲线变化过程来被识别。
紧接第二步骤S2地实施第三步骤S3。在第三步骤中，在电池组的阳极电位的特征曲线5和电池组的阴极电位的特征曲线6中对属于显著点3的点4进行识别。阳极电位的特征曲线5和阴极电位的特征曲线6在该实施方式中是如下特征曲线，这些特征曲线在电池组制造时已经一次性地被测量和存储。应假设，阳极电位的特征曲线5相应于在图1中所示出的阳极电位的第一特征曲线10a，并且阴极电位的特征曲线6相应于在图1中所示出的阴极电位的第一特征曲线11a。
如先前所描述的那样，显著点3在第一实施方式中是实际的空载电压变化过程中的拐点。因此，在该第一实施方式中，在第三步骤S3中，同样寻找和识别在阳极电位的特征曲线5和阴极电位的特征曲线6中的拐点。在此，可以将寻找限制在阳极电位的特征曲线5的和阴极电位的特征曲线6的预给定的区域上，以便实现在这些特征曲线中的多个拐点的情况下的区分。在图1中看出，这些特征曲线具有所属的拐点。阳极电位的和阴极电位的特征曲线中的所属的点4因此是同样在特征曲线5、6中出现的所属的拐点。
因为在图1和2中的拐点由于平坦的曲线变化过程而难以识别，所以参照：实际的空载电压变化过程的所检测的区段2也可能通过在所有特征曲线中出现的弯折7延伸。现在起可以容易看出，该弯折7出现在所描述的所有特征曲线中并且可以被重新识别出。
在实施第三步骤S3之后，实施第四步骤S4。在第四步骤S4中，基于显著点3相对于所属的点4的位置来对阳极电位的特征曲线5和阴极电位的特征曲线6进行移位和/或缩放，直至通过经移位的特征曲线5、6的组合来尽可能好地仿制所检测的区段2。
为此，在该实施方式中，首先使阳极电位的特征曲线5和阴极电位的特征曲线6如此移位和缩放，使得阳极电位的特征曲线5的所属的点4和阴极电位的特征曲线6的所属的点4被如此移位，使得这些点落在属于显著点3的电荷状态上。然后，由如此移位的和缩放的特征曲线对于区段2确定所属的临时的空载电压变化过程。确定在实际的空载电压变化过程的区段2与临时的空载电压变化过程的所属的区段之间的平方偏差。如此确定的偏差通过对阳极电位的特征曲线5的和阴极电位的特征曲线6的移位和缩放的适配来被最小化。因为阳极电位的特征曲线5的和阴极电位的特征曲线6的移位和缩放取决于所属的移位因子和缩放因子，这些移位因子和缩放因子事先示例性地通过因子αan、αcat、ßan和ßan来形成，所以在该第四步骤中对于这些因子其中的每一个来确定值。
在实施第四步骤S4之后实施第五步骤S5。在第五步骤中，基于经移位的和/或经缩放的特征曲线算出当前的空载电压变化过程。这基于已经鉴于第二空载电压变化过程OCV2(Q)方面所描述的、本发明所基于的关联来进行。以相应的方式，对于当前的空载电压变化过程得出，当前的空载电压变化过程通过函数OCVact(Q)来描述：
。
所基于的函数fcat(Q)和fan(Q)描述在制造电池组时所存储的阳极电位的特征曲线5和在制造电池组时所存储的阴极电位的特征曲线6。如此算出的当前的空载电压变化过程是所估计的当前的空载电压变化过程。
在实施第五步骤S5之后实施第六步骤S6。在第六步骤中，基于当前的空载电压变化过程进行对电池组容量的确定。为此，在所确定的当前的空载电压变化过程中确定电池组的所属的电荷状态Q，其属于预先定义的最小的电池组电压。电池组的所属的电荷状态Q描述电池组的电池组容量。
图4在本发明的一种优选的实施方式中示出阳极电位的和阴极电位的特征曲线的示例性的移位和缩放。
首先，缩放阴极电位的特征曲线6，这以第一箭头21表示。然后，使阴极电位的特征曲线6移位，这通过第二箭头22表示。在此，使阴极电位的特征曲线6如此移位，使得电池组的阳极的通过该特征曲线所描述的电位在电池组完全充电的情况下保持不变。通过阴极电位的特征曲线6的缩放因此至少暂时地确定因子αcat。通过阴极电位的特征曲线6的移位因此至少暂时地确定因子ßcat。
因此对于在下面也称作OCPcat的、阴极电位的特征曲线6适用：
。
在此，γ代表因子αcat的所确定的值，并且因此代表利用第一箭头21所表示的缩放。此外，δ代表因子ßcat的所确定的值，并且因此代表利用第二箭头22所表示的移位。
下面，使阳极电位的特征曲线5缩放和移位。阳极电位的特征曲线5在下面也称作OCPan。阳极电位5的移位和缩放基于以下等式来进行：
。
在此，值pBOL是以下电荷状态：当电池组还处于其生命周期开始（Begin of Life）时，在该电荷状态，在电池组的空载电压变化过程中出现显著点3。值pACT是以下电荷状态：在该电荷状态，在电池组的实际的空载电压变化过程中出现显著点3。在图4中用第三箭头23表示经加权的移位，其从项[Q - pBOL]得出。利用因子γ进行的缩放用第四箭头24来表示。用第五箭头25来表示以值pACT来进行的移位。
看得出，在根据图4所描述的示例中，特征曲线的移位是固定预给定的。仅仅改变单个的缩放因子γ，以便使实际的空载电压变化过程2的区段2与临时的空载电压变化过程的所属的区段之间的偏差最小化，其中不仅阳极电位的特征曲线5而且阴极电位的特征曲线6也取决于该缩放因子。
在另一种可替代的实施方式中，由阳极Q+的和阴极Q-的电荷状态确定电池组的当前容量。该方法相应于第一实施方式，但独立地观察阳极电位的特征曲线和阴极电位的特征曲线。这意味着，阴极和阳极可以具有不同的电荷状态。
如已经描述的那样，可以由阳极电位的和阴极电位的特征曲线确定电池组的、尤其电池组电池的空载电压。
因此适用：
。
在此，OCVcell是电池组的空载电压。OCP+（SOC+）是取决于电池组的阴极侧的电荷程度SOC+（SOC=State of Charge（荷电状态））的阴极电位的特征曲线。OCP-（SOC-）是取决于电池组的阳极侧的电荷程度的阳极电位的特征曲线。电池组的电荷程度是在电池组的电荷状态Q和电池组的容量C之间的比例。因此适用：
。
电池组的阴极侧的容量C+由电池组在其生命开始时的阴极侧容量与阴极的健康状态得出。电池组的阳极侧的容量C-由电池组在其生命开始时的阳极侧容量与阳极的健康状态得出。
在此，也可以考虑阳极的老化和阴极的老化之间的关系。通过对阴极侧的和阳极侧的容量C+和C-的分开的观察，可以特别准确地仿制电池组的老化。
电池组在一定的老化状态时的最大容量可以从阳极Q+的和阴极Q-的电荷状态来确定。在此，确定阳极的和阴极的还可达到的最大电荷状态。还可达到的最大电荷状态基于电池组的放电程度来确定。该放电程度基于显著点3来确定。这可以例如通过以下方式来进行：将显著点3在实际的空载电压变化过程1中的位置与该显著点在空载电压变化过程中在其生命开始（BOL）时的位置进行比较。
在根据本发明的方法的所有实施方式中，当在电池组的阳极电位的特征曲线5中确定所属的点4并且此外在电池组的阴极电位的特征曲线6中确定所属的点4并且分别基于相应的所属的点4的位置来对这些特征曲线移位和/或缩放的时候，则实现在当前的空载电压变化过程的估计中的特别高的准确度。然而，根据本发明足够的是：仅仅一个所属的点4，也即要么在阳极电位的特征曲线5中要么在电池组的阴极电位的特征曲线6中被确定，并且基于显著点3相对于这其中一个所属的点4的位置来对特征曲线其中之一或者这两个特征曲线进行移位。这基于以下原理：特征曲线的所需的缩放和移位至少是相似的。
同样地，当不仅进行特征曲线的缩放而且也进行特征曲线的移位的时候，实现在当前的空载电压变化过程的估计中的特别高的准确度。然而，根据本发明足够的是：仅仅进行特征曲线的缩放或者仅仅进行特征曲线的移位。通过这种方式可以大大降低用于执行根据本发明的方法所需的计算能力。
除了上面的书面公开内容之外，详尽地参考图1至4的公开内容。

Claims (7)

1.一种用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法，所述方法包括：
- 检测所述电池组的实际的空载电压变化过程（1）的区段（2）；
- 在所述实际的空载电压变化过程（1）的所检测的所述区段（2）中探测或定义显著点（3）；
- 在所述电池组的阳极电位的特征曲线（5）中和/或在所述电池组的阴极电位的特征曲线（6）中识别属于所述显著点（3）的点（4）；
- 基于所述显著点（3）相对于所属的所述点（4）的位置来使所述阳极电位的所述特征曲线（5）和所述阴极电位的所述特征曲线（6）移位和/或缩放，直至通过经移位的和/或经缩放的所述特征曲线（5，6）的组合来仿制所检测的所述区段（2）；
- 基于所述经移位的和/或经缩放的特征曲线来算出所述当前的空载电压变化过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过检测多个测量点来检测所述实际的空载电压变化过程（1）的所述区段（2）。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述显著点（3）的探测包括所检测的所述多个测量点的内插。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述显著点（3）是在所述实际的空载电压变化过程（1）的斜率或曲率方面的最大值或最小值，或者是所述实际的空载电压变化过程（1）的拐点。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括基于所述当前的空载电压变化过程来确定电池组容量。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，首先进行两个所述特征曲线（5，6）之一的所述移位和/或所述缩放，随后使所述两个特征曲线（5，6）其中的另一个以相应的幅度被缩放和/或移位。
7.一种设备，所述设备被设立用于实施根据以上权利要求中任一项所述的方法。
CN201680056001.5A 2015-07-27 2016-07-21 用于估计电池组的当前的空载电压变化过程的方法和设备 Active CN108028439B (zh)

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