CN108291943B - 用于确定电池的复内阻的实部的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电池的复内阻的实部的方法，其中，在多个测量时刻测量所属的电池电压值和电池电流值，电池电压值和电池电流值相应于多个所连接的负载而得到，其中，使用计算规则基于电池电压值和电池电流值确定与频率无关的实部。

Description

用于确定电池的复内阻的实部的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定电池的复内阻/复数内阻/复合内阻的实部的方法。特别是可以将此理解为通过与电池连接的电池传感器(IBS)来确定。

背景技术

电池的内阻典型地描述了电压变化相比于作用于电池上的电流变化的大小，例如根据欧姆定律。对于铅电池的诊断特别感兴趣的是在约100赫兹的激励频率之上的电池内阻的实部。在显著更高的频率的情况下，感性部分为电池的复合电阻做贡献，在显著更低频率的情况下，容性部分为电池的复合电阻做贡献。

在现有技术中已知的是，为了确定某一频率下的电阻，施加已知频率的信号给电池，或者应用宽带的信号谱并且紧接着滤出在感兴趣的频率范围中的性能。在机动车中特别是提供后者方法。而在实验室中大多使用第一种方法。

智能电池传感器(IBS)提供如下可能，即测量在至少1000赫兹的频率下的电流和电压并且通过分析处理这两个信号推断电阻的实部。在智能电池传感器中通常借助于分路电阻测量电池电流。在分路电阻上存在的电压信号被放大并且通过快速的时间离散的模数(AD)转换器转换为数字值。电池电压通过分压器馈入AD转换器中。

至今为止，典型地如下实施电池内阻的计算。由微控制器、模拟放大器、AD转换器以及分路电阻组成的设备提供电流和电压的测量信号，其满足物理前提条件，以便由此实施电阻计算。即电流和电压可作为时间离散的值对供使用。可供使用的电流值和电压值由连接到车辆车载电网上的装置如电池、控制装置、发电机或前照灯的行动产生。即，由电池传感器典型地不馈入有源测量信号给电池并且进行分析处理。

测得的电流值和电压值经过滤波、被求微分并且形成商。这根据欧姆定律R＝dU/dI进行。适合的后置的求平均值和归一化可以紧接着引起内阻的最终值。在该确定方法中然而不是确定内阻的实部，而是确定复阻抗Z的绝对值，如其例如在图1中示意地所描述的那样。此外，激励频率通过车载电网给定，由此其是可变的并且是不可预见的。这导致强烈的波动。

备选地可以特别是利用实验室设备通常利用专门的测量装置实现内阻的确定，该测量装置确定在例如1千赫兹的频率下的复阻抗Z(f)。为此主动地将通常具有1000赫兹的小的正弦电流施加给电池。由该电流在电池上引起的电压变化被测量并且借助于所产生的相移求取阻抗Z的实部和虚部。

由此得到的真实的电阻R那么是电池的真实的电阻。对于在电池传感器中的应用有问题的是为了主动引入电流需要比较高的成本，从而该方法主要可在实验室测量装置中遇到。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种用于确定电池的复内阻的实部的方法，该方法实际上提供实部并且可更简单地应用。

这一点按照本发明通过根据权利要求1的方法实现。有利的设计方案可以例如由从属权利要求得知。权利要求的内容通过明确的本文引用成为说明书的内容。

本发明涉及一种用于确定电池的复内阻的实部的方法，该方法具有如下步骤：

-在多个测量时刻(t_i)分别测量所属的电池电压值(U)和所属的电池电流值(I)，电池电压值和电池电流值相应于多个所连接的负载得到；以及

-使用计算规则基于所述电池电压值(U)和电池电流值(I)确定与频率无关的实部。

内阻的实部的计算根据基于电池模型的差分方程实现。为此确定属于电池模型的微分方程。将所确定的微分方程转变为其时间离散的对应物、即差分方程，这是因为用于计算内阻而存在的测量值特别是时间离散地存在。

在另一步骤中，由该差分方程或微分方程求解出电池的复内阻的要确定的实部。

借助于按照本发明的方法，相比于如上所述的由现有技术已知的第一方法，能准确确定阻抗的实部而不仅是数值。相比于上述具有激励的第二方法，相应于所连接的负载而非相应于激励来测量电流。由此可以省去激励。

本申请的发明人已经得知，存在允许这样的做法的计算规则。然而由现有技术不知这样的计算规则，而是在现有技术中认为在没有激励的情况下单独测量实部是不可能的。

应理解的是，代替“频率无关的实部”也可以直接说实部。所连接的负载可以例如是典型地在车辆中存在的部件，特别是电子控制装置、前照灯、照明发电机、车辆照明装置的其他构件、点火系统或舒适元件如电气窗玻璃起落装置或电动座位调节装置的电机。

特别是，在不激励电池或者不给电池施加激励信号的情况下实施测量。特别是可以将此理解为，不存在如下这样的构件，该构件专门为了测量而给电池施加电流或电压。因此可以省去设置这样的构件，其典型地是高成本的，这显著改善了该方法特别是在用于大众市场的车辆中的可用性。

计算规则可以特别是基于电池的等效电路图。这样的等效电路图还要在下文中并且还参照附图进行描述，从而在此可以参阅下文的实施方案。

有利地，可以将至少以下参数引入到所述计算规则中：

-电池模型电感(L)；

-电池模型电容(Cx)；

-电池电容的寄生电阻(Rx)。

已经证实，其中引入有这些参数的计算规则能实现特别有利地、亦即特别简单和准确地确定实部。这种模型参数L、R_x和C_x可以特别是荷电状态(SOC＝State of Charge)、温度和/或电池容量的函数。

有利地，至少电池电压值(U)、电池电流值(I)、电池电压值(U)的一阶和二阶导数以及电池电流值(I)的一阶、二阶和三阶时间导数可以引入到计算规则中。具有这种值的计算规则已经证实为对于典型的应用是有利的。示例性的计算规则还要在下文中给出。

按照一实施方案，计算规则可以通过以下公式给出：

该做法特别是在如下情况下是有利的，即如果可以假定，电池的开路端电压(OCV＝Open Clamp Voltage)是恒定不变的。该做法是特别简单的实施方案，特别是相比于后文描述的、其中该条件不适用的实施方案。

按照一实施方案，该计算规则可以给出：所述实部可确定为如下直线的斜率，所述直线对在具有X轴和Y轴的二维坐标系统中的点进行近似，其中，该计算规则给出绘在X轴和Y轴上的项。借助于这样的计算规则，特别是也可以在如下情况下求取实部，即其中OCV不是恒定不变的或者不可以假设OCV的不变性。为此的例子在下文中给出。在此计算规则可以特别是给出：在X轴上绘出如下项：

而在Y轴上绘出如下项：

这种做法特别是在如下情况下证实为有利的，即其中OCV不可以假定为恒定不变的。

通过多个测量点的差距的最小化，因此得到具有以下线性方程的拟合线：

那么斜率a即为真实的电阻R。

按照一备选的计算规则，其例如也可以给出：在X轴上绘出如下项：

而在所述Y轴上绘出如下项：

所述计算规则可以特别是给出：应用至少两种不同的回归方法用以分别确定实部，其中在分别求得的实部之间的差距表示对计算质量的度量。因此可以提高在确定实部时的可靠性。然而应理解的是，原则上也可以仅仅应用一种回归方法。

关于要应用的用于确定直线斜率的回归方法，可以动用已知的做法。对此的例子在下文中还要进行描述。

计算规则可以特别是给出：所述实部根据如下公式计算：

其中:

-x_i是在x轴上绘出的项在时间t_i的值；

-y_i是在y轴上绘出的项在时间t_i的值；以及

-Δx_i以及Δy_i是参数。

借助于上述公式可以特别是考虑噪声，其中，平均值差自身在理想条件下不再为零。为了改善回归结果因此例如可以如上所述地进行由电流和电压的噪声引起的对和的校正。

计算规则也可以给出：每个测量时刻的实部被计算为第一项与第二项的商。为此也已经找到适合的公式，其适用于确定实部。例如计算规则可以给出：所述第一项的内容是：

以及所述第二项的内容是：

由此可以省去计算上昂贵的回归，并且取而代之地可以通过可简单实施的除法求取实部。当应节省运算能力，例如以便使得用于相应的运算模块的成本不太高时，这例如可以是有利的。

电池有利地可以是铅酸电池。这样的电池已经证明特别适用于在机动车中应用，并且已经表明，按照本发明的方法正好可有利地用于这样的电池。然而应理解的是，电池在此典型地理解为可再充电的电池，其例如也可以称为蓄电池。对此应指出的是，对于在机动车中应用的蓄电池，名称“电池”特别是“车用电池”普遍得到认同。

可以应用经滤波的或未经滤波的电池电压值(U)和/或电池电流值(I)。滤波可以改善计算的精度，而省去滤波可以降低对运算能力的要求。

按照本发明的另一方面，控制装置被设置成，实施根据上述权利要求之一所述的方法。

在给出的控制装置的改进中，给出的装置具有存储器和处理器。在此，所给出的方法以计算机程序的形式保存在存储器中，并且设有处理器用于当计算机程序由存储器加载到处理器中时执行该方法。

按照本发明的另一方面，计算机程序包括计算机代码机构，以便当在计算机上或在所给出的装置之一上执行计算机程序时实施所给出的方法的所有步骤。

按照本发明的另一方面，计算机程序产品包含程序代码，该程序代码存储在计算机可读的数据载体上并且当其在数据处理装置上执行时实施所给出的方法中之一。

按照本发明的另一方面，电池传感器包括所给出的控制装置。

按照本发明的另一方面，车辆包括所给出的电池传感器。

本发明此外还涉及一种电池组件，其包括电池、特别是铅酸电池和这样的装置。此外本发明还涉及一种计算机可读的非易失性存储介质，其包含程序代码，处理器在执行该程序代码时实施按照本发明的方法。关于方法，在此分别可以动用所有在其中描述的实施方案和变型。

附图说明

以下参照附图进一步阐明本发明。其中：

图1示出铅电池在不同频率下的典型的电阻曲线；以及

图2示出铅电池的等效电路图。

具体实施方式

本发明基于电池的等效电路图，其被如此参数化，使得该等效电路图描摹要测量的电池的内阻。这样的等效电路图在图2中描述，其中L表示电感、R表示电阻、Cx表示电容、Rx表示寄生于电容Cx的电阻，而OCV表示开路端电压。开路端电压OCV可以特别是依赖于参数如温度或荷电状态SOC(State of Charge)。

模型也可以相比于图2扩展附加的元件：电阻R、电容C、电感L、非线性元件、瓦尔堡元件等。也可以根据电池状态(荷电状态、温度，等)对模型参数化。

典型地可以假定，在电池的寿命中特别是内阻R的实部上升。等效电路图的所有其他部分典型地可以假定为几乎恒定不变。

内阻实部的计算随后根据基于电池模型的差分方程实现。为此确定属于电池模型的微分方程并且在另一步骤中由这些方程解出要确定的值R。

应理解的是，随后代替已经引入的名称U和I，对于测得的电压和测得的电流也使用名称U_batt和I_batt。

可能的微分方程的导出例如可以如下实现：

这可以例如借助于对时间的求导如下解出：

值R代表电池的真实欧姆内阻。假如OCV是恒定不变的，那么在每个时刻真实的电阻可以借助于以下简化的公式来计算：

电流和电压对时间的导数(d/dt)可以例如在微控制器(μC)中通过形成差分进行计算。

值R那么是频率无关的。

然而“OCV是恒定不变的”的这一假设经常不可持有。在该情况下，真实的电阻例如可以通过最小二乘法分析(回归直线)来确定。按照一个实施方案，在此在虚拟的x轴上绘出由测量值确定的项X：

在虚拟的y轴上绘出所计算的项Y：

通过多个测量点的间隔的最小化产生具有以下直线方程的拟合线：

斜率a那么相应于真实的电阻R。

电池特别是铅酸电池的内阻的实部的确定一般来说可以例如通过应用具有以下步骤的方法实现：

1)创建等效电路

2)确定等效电路的微分方程

3)将微分方程转变为线性形式，该线性形式具有内阻作为比例常数

4)a)由电流和电压的测量信号以及b)由电池特定的参数如L、R_x、C_x、温度、荷电状态、等，数字计算所有必要的微商

5)借助于所求得的微商，数字确定内阻的实部。

应理解的是，该方法表示本发明独立的方面，并且可以以任意方式以及以任意子组合与其他在本申请中公开的方面相组合。

由所述解决方案产生的优点在于由电池的相位和频率性能补偿的内阻值，其值相对于车载电网的频率波动是稳定的。

此外，微商的计算自身可以以高采样率由成本有利的微控制器实现。

取消了测量信号向电池中的对于这样的结果所需的主动馈入，这同样降低了设备成本。

应提及的是，按照备选的实施方案也可行的是，根据频率和相位特别是借助于傅里叶变换分析处理车载电网。然而这需要高的运算能力并且因此需要应用DSP(数字信号处理器)以及与之相关的较高的成本。

通过经由傅里叶变换、特别是快速傅里叶变换(FFT)获得的关于信号的频率和相位的认识，可以通过适合的后置的滤波使得其影响最小化。

按照一个实施方案，电阻在每个新的测量值的情况下可以由R(t)＝Y(t)/X(t)计算出。按照另一实施方案，电阻可以通过多个值X_i和Y_i的回归分析来确定。

代替对时间的一次求导，即：

也可以使用对时间的高阶求导，例如如下：

为了找到X_i和Y_i之间的拟合线，例如可以使用所计算出的Y值的Y_i值的差方/差距的平方：

为了找到X_i和Y_i之间的拟合线，例如也可以使用所计算出的X值的X_i值的差方：

为了找到X_i和Y_i之间的拟合线，例如也可以使得所计算出的拟合线的值对X_i、Y_i的差方最小化：

来自不同计算方法的电阻R之间的区别可以用作对电阻的质量或误差的度量。

拟合线的计算可以数字地对于上述实施方案之一如下实现：

为了确定拟合线可以将截距B设置为值0，由此计算得以简化为(在此对于具有所计算出的Y值的Y_i值的差方的实施方案)：

时间导数的计算可以例如通过求差来求取：

由于电流和电压的已知的噪声，上述的平均值差X_avg*X_avg-X_i*X_i、Y_avg*Y_avg-Y_i*Y_i或X_avg*Y_avg-X_i*Y_i自身在理想条件下决不会变为0。这一点实现了以下用于计算电阻的公式：

为了改善回归结果，因此可例如进行由电流和电压的噪声引起的对和的修正。

代替图2中所示的等效电路图，也能以备选的等效电路图作为基础。特别是还能省去图2中的等效电路图的一些元件。

电流和电压的输入值既可以在滤波后也可以不经滤波地被引入回归计算中。

本发明方法的所提及的步骤能以所给出的顺序实施，其然而也能以其他顺序实施。本发明方法能在其(例如具有确定的步骤汇总的)实施方案之一中以不实施其他步骤的方式来实施。然而原则上也能实施其他步骤、甚至是那些未提及的步骤。

本申请的权利要求不放弃尽可能的保护的取得。

如果在方法的过程中强调：一个特征或一组特征不是强制必要的，那么在申请人方面现在已经力求表述/撰写至少一个独立权利要求，该独立权利要求不再具有该特征或该组特征。在此例如可以涉及在申请日提交的权利要求的子组合或在申请日提交的权利要求的通过另外的特征限制的子组合。这种新的要表述的权利要求或特征组合可理解为被本申请的公开一起覆盖。

此外还应指出，在不同实施方案或实施例中描述的和/或在附图中示出的本发明的设计方案、特征和变型可任意相互组合。单个的或多个特征可任意地相互替换。由此产生的特征组合可理解为被本申请的公开一起覆盖。

从属权利要求中的引用关系不应理解为放弃对于被引用的从属权利要求的特征的独立的、具体的保护的取得。这些特征也可以任意地与其他特征组合。

仅仅在说明书中公开的特征或在说明书中或者在权利要求中仅仅结合其他特征公开的特征原则上可以是具有独立的本发明本质意义的。这些特征因此也可以单个地接纳在权利要求中用于与现有技术划界。

Claims (13)

1.一种用于确定电池的复内阻的实部的方法，该方法具有如下步骤：

-在多个测量时刻t_i分别测量所属的电池电压值U和所属的电池电流值I，所述电池电压值和电池电流值相应于多个所连接的负载而得到；以及

-使用计算规则基于所述电池电压值U和电池电流值I确定与频率无关的实部，

至少将以下参数引入到所述计算规则中：

-电池模型电感L；

-电池模型电容C_x；

-电池电容的寄生电阻R_x，

至少将电池电压值U、电池电流值I、电池电压值U的一阶时间导数和二阶时间导数以及电池电流值I的一阶时间导数、二阶时间导数和三阶时间导数引入计算规则中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在不激励电池或不向电池施加激励信号的情况下实施测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算规则基于电池的等效电路图。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算规则通过以下公式给出：

其中，R是复内阻的实部。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算规则给出：所述实部可确定为如下直线的斜率，所述直线对在具有X轴和Y轴的二维坐标系统中的点进行近似，其中，所述计算规则给出在X轴和Y轴上绘出的项。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算规则给出：在所述X轴上绘出项X：

而在所述Y轴上绘出项Y：

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算规则给出：在所述X轴上绘出项X：

而在所述Y轴上绘出项Y：

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算规则给出：应用至少两种不同的回归方法用以分别确定实部，其中这两个实部之间的差距代表对计算质量的度量。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算规则给出：所述实部根据如下公式计算：

其中，

-x_i是在x轴上绘出的项X在时间t_i的值；

-y_i是在y轴上绘出的项Y在时间t_i的值；

-Δx_i以及Δy_i是参数。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算规则给出：每个测量时刻的实部计算为第一项与第二项的商，

所述第一项的内容是：

所述第二项的内容是：

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电池是铅酸电池。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经滤波地或未经滤波地使用电池电压值U和/或电池电流值I。

13.一种控制装置，该控制装置被设定为，执行根据权利要求1-12之一所述的方法。

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