CN111051906A - 能量存储装置和用于确定能量存储装置的容量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量存储装置，其具有多个存储单体。在此，每个存储单体构造成用于，在离线运行中与其余存储单体分离地与用于确定能量存储装置的容量的设备连接。

Description

能量存储装置和用于确定能量存储装置的容量的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种具有多个存储单体的能量存储装置。本发明还涉及一种用于确定这样的能量存储装置的容量的设备以及一种用于确定能量存储装置的容量的方法。
背景技术
电的能量存储器、例如高压存储器、尤其是按锂离子技术的具有大于等于60V的额定电压的高压存储器、或者具有低压例如具有12V的存储器，在其寿命的过程中失去容量。这种容量损失尤其是基于高压存储器的存储单体的老化。如果容量损失过高，则也许需要更换高压存储器。
恰好在能量存储器使用在电动车辆中时，用户关心，能量存储器实际上具有怎样的容量。虽然存在可能性：在车辆运行期间直接在车辆中测量能量存储器的容量，但是这种在线测量经常是不精确的。因此，较精确的容量测量仅能离线地进行，即不是在运行期间进行。但是在迄今的系统中，在这样的离线容量测量时，仅仅测量高压存储器在其总体上的容量。如果不同容量的单体隐藏在高压存储器中，或者这些单体不同地老化，在此时，即使是在最有利的情况下，也仅直接地测量具有最小容量的单体的容量，因为最小容量的单体不仅向上限制、而且向下限制高压存储器的被探测的电压。在一种不利的情况下，单体的电压彼此相对成，使得即使是具有最小容量的单体的容量也不能被完全测量。因此，这种测量导致，不一定符合实际的容量损失被探测，因为具有较大容量的存储单体的容量不在完整的范围中被测量。
发明内容
在此背景下，本发明目的在于，改进电的能量存储器的容量测量。
所述目的通过一种按权利要求1的能量存储装置、一种按权利要求3的用于确定能量存储装置的容量的设备以及一种按权利要求14的用于确定能量存储装置的容量的方法达到。
在此，按照第一方面，建议一种能量存储装置，其具有多个存储单体，在该能量存储装置中，能量存储装置的每个单个的存储单体的容量被探测，以便改进能量存储装置的容量的测量。按照该方式，存在关于各单个存储单体的信息，使得可能的是，仅仅更换实际上以相关高度表明容量损失的那些存储单体。
为了实现这一点，能量存储装置的每个存储单体构造成用于，在离线运行中与其余存储单体分离地与用于确定高压能量存储装置的容量的设备连接。因此探测每个存储单体的容量。在一个存储单体的容量损失超过规定的界限值时，可以紧接着精确地更换该存储单体，而不要求更换整个能量存储装置。在此，所述设备可以设置在能量存储装置之外，或者可以构成能量存储装置的一部分。
为了连接各存储单体与所述设备，一方面，每个存储单体可以单独地经由一个连接元件与所述设备连接。替选地，多个存储单体可以通过一个唯一的连接元件与所述设备连接。在后一情况下，连接元件具有多个触点，这些触点配设于能量存储装置的各单个存储单体。按这种方式，所述设备可以经由触点测量各单个存储单体的容量。
能量存储装置例如可以是能量存储器，其可以安装在机动车中。例如，能量存储装置可以是高压能量存储装置。机动车可以是传统的内燃机式车辆、电动车辆或者混合动力车辆，其中，(高压)能量存储装置给电的驱动机械(电动机或启动机)供给能量。
按照另一个方面，建议一种机动车，其具有如上所述的能量存储装置。该机动车可以尤其是轿车。
按照另一个方面，建议一种用于确定能量存储装置的容量的设备，该能量存储装置具有多个存储单体，该设备具有多个连接元件，以便与每个存储单体连接。在此，所述设备可以设置在能量存储装置之外，或者构成能量存储装置的一部分。在每种情况下都不在进行之中的运行期间在线测量存储单体，而是仅仅在进行之中的运行之外例如在车间中进行存储单体的测量。所述设备具有放电/充电单元和计算单元。
为了确定能量存储装置的精确的容量并且从而确定能量存储装置的容量损失，放电/充电单元设置成用于，与能量存储装置的各存储单体连接，尤其是在离线运行中连接，以便给各存储单体放电并且紧接着充电。在此，存储单体的放电和充电优选地组合地进行。在此，一个存储单体可以不仅理解成一个单个的存储单体，而且可以理解成一个由多个存储单体构成的并联结构，该并联结构用作为一个单个的存储单体。
在紧接着放电过程之后的充电过程期间，计算单元设置成用于，监控能量存储装置的每个存储单体的电压水平。即与已知系统相反，不确定整个能量存储装置的容量，而且更准确地说确定每个单个的存储单体的容量，方式为，监控每个单个的存储单体的电压水平。按这种方式可以避免，整个能量存储装置配有过小的容量，尽管该能量存储装置要么仅仅基于单体电压彼此之间的不利的比例(不对称性)，要么仅仅基于一个单个的存储单体。另外可以确定，哪个存储单体具有过小的容量并且因此容量损失与各单个存储单体相配。
放电/充电单元和/或计算单元可以在硬件技术上和/或也在软件技术上实施。在硬件技术上实施时，相应的单元可以构成为装置或者构成为装置的一部分，例如可以构成为计算机或者微处理器。在软件技术上实施时，相应的单元可以构成为计算机程序产品、构成为函数、构成为程序、构成为程序代码的一部分或者构成为可实施的对象。
按照另一实施方式，计算单元设置成用于，在能量存储装置放电时在放电过程结束时存储每个存储单体的低单体电压。计算单元还设置成用于，将各存储单体的低单体电压与相应的存储单体的高单体电压相比较，并且基于比较的结果计算每个存储单体的可供使用的容量。
因此，每个单个的存储单体的单体电压直接地测量和比较。因此按简单方式能确定各单个存储单体的容量，因为该容量可以直接地基于每个存储单体的高单体电压和低单体电压来计算。
取代将各存储单体分别完全放电并且紧接着完全充电，也可以规定，各存储单体的放电同时开始并且直至进行至第一时刻，在第一时刻，各存储单体之中的一个第一存储单体达到电压下限值，并且紧接着所有存储单体同时充电直至第二时刻，在第二时刻，各存储单体之中的一个第一存储单体达到电压上限值。在此，电压上限值可以定义目标充电电压。各存储单体在第一时刻的单体电压和各存储单体在第二时刻的单体电压在这种情况下也进行比较，并且经由基于相应的存储单体的已知的值的放大来求得实际的容量。
如果计算单元确定，可供使用的容量低于预定的界限值，那么计算单元可以基于计算的可供使用的容量发出信号，所述信号说明，是否一个存储单体要被更换。尤其是计算单元在此可以输出，哪个存储单体要被更换。因此可以有针对性地更换单个的单体。
按照另一实施方式，放电/充电单元设置成用于，将各存储单体放电直至第一时刻，在第一时刻，所述能量存储装置的各存储单体之中的一个第一存储单体达到预定义的电压下限值，并且识别和标识该存储单体。紧接着，放电/充电单元将每个存储单体充电直至第二时刻，在第二时刻，所述能量存储装置的各存储单体之中的一个第一存储单体达到预定义的电压上限值，并且识别和标识该存储单体。
这些被标识的存储单体相应于如下单体：它们的电压水平在此首先达到电压下限值或电压上限值。按照另一实施方式，计算单元还设置成用于，确定每个存储单体在第二时刻的电压水平。于是基于这些信息可以确定，是否需要存储单体的校准。该实施方式基于如下事实：在能量存储装置的容量测量时可能在不同时刻出现在存储单体的充电状态之间的不对称性，例如因为一个存储单体比另一个存储单体具有较小的容量，或者因为各存储单体的充电持续时间相互不同。因此，一个单体的电压可以向下限定容量测量，但是另一个单体可以向上限定容量测量，如果这些存储单体具有不同的电压变化曲线的话。
在理想情况下，在存储单体的充电状态之间不存在不对称性。这意味着，能量存储装置的具有最小容量的存储单体的电压不仅向上而且向下限定测量。在各标识的存储单体是同一个存储单体的这种情况下，计算单元设置成用于，基于所标识的存储单体在第一时刻和第二时刻的电压水平的差值，确定高压能量存储单元的容量。
在求得容量之后，计算单元可以确定，是否容量低于预定的界限值，并且如果是这种情况，那么输出信号，该信号说明，标识的存储单体要被更换。即具有最小容量的存储单体可以被确定并且有针对性地更换。
在一种实施方式中，可以紧接着重新执行容量的确定，以便发现，是否另外的存储单体表明过小的容量并且于是有针对性地更换这些另外的存储单体。
如果各标识的存储单体是不同的存储单体，即具有不对称性，那么计算单元设置成用于，计算各标识的存储单体在第二时刻的高电压水平的差值，并且基于计算的差值校准能量存储装置。
为了校准能量存储装置，用于各标识的存储单体的充电过程的开始时刻被适配，使得各标识的存储单体在相同的第二时刻到达预定义的电压上限值。这意味着，用于其中一个标识的存储单体的充电过程的开始时刻被推移，使得两者同时达到电压上限值。这样的校准也可以称为各存储单体的对称化。
紧接着所述校准之后，放电/充电单元可以给能量存储装置重新放电和充电。在此，放电/充电过程可以通过放电/充电单元和计算单元迭代地执行，直至各存储单体的高电压水平的计算的差值低于预定的界限值。
为了在校准之后发现，是否一个存储单体要被更换，计算单元还设置成用于确定，是否各标识的存储单体的容量低于预定的界限值，所述容量在从充电开始、尤其是从被适配的时刻直至达到定义的电压上限值的持续时间之内达到。在这种情况下，存储单体不提供需要的容量并且因此应被更换。如果求得的容量低于预定的界限值，那么可以输出信号，该信号说明，标识的存储单体要被更换。
按照另一个方面，建议一种用于确定具有多个存储单体的能量存储装置的容量的方法。所述方法具有如下步骤：将能量存储装置的每个存储单体与用于确定容量的设备连接；给各存储单体放电并且紧接着给各存储单体充电；在紧接着放电过程之后的充电过程期间，监控能量存储装置的每个存储单体的电压水平。
针对所建议的设备说明的实施方式和特征相应地适用于所建议的方法。
一种这样的方法例如可以如下地执行：
给能量存储装置或者说给每个存储单体放电；
在各存储单体之中的一个第一存储单体达到电压下限值时(在第一时刻)，停止放电；
存储在停止放电时的所有单体电压；
给能量存储装置或者说每个存储单体充电；
在各单体之中的一个第一单体达到电压上限值时(在第二时刻)，停止充电；
存储在停止充电的时刻的所有单体电压；
计算对于每个存储单体的低电压和高电压的差值，以便确定对于每个存储单体的容量。替选地，可以对于每个单体计算在放电(低电压范围)和在充电(高电压范围)时未测量的容量份额，即计算在存储的单体电压与真正要达到的电压(该电压相应于电压上限值)之间的差值。紧接着，各单体容量可以在利用计算的差值的情况下经由未测量的容量放大到100％来确定。
替选地，容量测量可以如下地执行：
给能量存储装置或者说给各单个存储单体放电；
在各存储单体之中的一个第一存储单体达到电压下限值时(第一时刻)，停止放电；
标识该存储单体；
给能量存储装置或者说各单个存储单体充电；
开始电荷计数，用于基于低电压水平的容量测量；
在各存储单体之中的一个第一存储单体达到电压上限值时(第二时刻)，停止充电；
停止用于测量容量的电荷计数；
标识该存储单体；
在各标识的存储单体相同的情况下，不对称趋势等于零。出发点为，容量测量不包含由于不对称性引起的不精确性，并且具有最小容量的存储单体限定能量存储装置的容量。该存储单体于是可以被更换。
在各标识的存储单体不同的情况下：在停止充电的时刻将电压上限值(即标识的第二存储单体的电压)减去标识的第一存储单体的电压而构成电压差值。基于该差值可以如上所述地执行存储单体的校准。
替选地，该电压差值可以视为第一存储单体的未测量的容量的份额，并且换算成关于如下情况的信息：容量测量由于不对称性、即由于存储单体的不同的电压变化曲线而以多少百分比变得过小。该不对称性可以通过上述的校准而消除。
此外建议一种计算机程序产品，其具有程序代码，该程序代码构成为用于，在计算机上启动上述方法的执行。
计算机程序产品例如计算机程序器件可以例如作为存储介质例如存储卡、U盘、CD-ROM、DVD提供或供给，或者也可以以可下载的文件从网络中的服务器提供或供给。这可以例如在无线的通信网络中通过传输具有计算机程序产品或计算机程序器件的相应文件来实现。
本发明的其他可能的实现也包括未明确地列举的在之前或者在随后针对实施例说明的特征或实施方式的组合。在此，技术人员也可添加单个方面作为本发明相应的基本形式的改进或补充。
本发明的其他的有利的方案和方面是从属权利要求的内容以及是随后说明的本发明实施例的内容。另外，本发明借助于优选实施方式参照附图更详细地解释。
附图说明
图1显示机动车的示意性的方框图，该机动车具有能量存储装置和用于确定能量存储装置的设备；和
图2～5显示能量存储装置的存储单体的电压变化曲线的不同方案。
在附图中，相同的或者功能相同的元件设有相同的附图标记，只要不另行说明。
具体实施方式
图1显示一种具有能量存储装置11的机动车10。该能量存储装置11具有多个存储单体1、2、3(在图1中示例性地显示三个单体，但是可以考虑任何其他数量的单体)。
为了确定能量存储装置11的存在的容量，或者为了计算能量存储装置11的容量损失，将每个存储单体1、2、3与用于确定能量存储装置11的容量的设备20连接。尽管设备20显示于能量存储装置11之外，其也可以集成在能量存储装置之中。
这可以通过每个存储单体1、2、3与设备20直接耦联来实现，如在图1中所示的。替选地，所述多个存储单体1、2、3可以经由一个唯一的连接元件例如插头与设备20连接。该连接元件在此可以具有多个触点，这些触点配属于能量存储装置11的各单个存储单体1、2、3。
各存储单体1、2、3与设备20的连接在离线运行中进行，即在外部例如在车间中执行，而不是在机动车10的运行期间执行。
通过设备20可以探测能量存储装置11的每个单个的存储单体1、2、3的容量。于是基于该信息可以更换实际上表明容量损失或者表明过高容量损失的那些存储单体1、2、3。
为了确定能量存储装置11的容量，设备20具有放电/充电单元21和计算单元22。
如已经解释的，每个存储单体1、2、3与设备20连接。放电/充电单元21于是首先给各存储单体1、2、3放电，直至各存储单体1、2、3之中的一个第一存储单体达到电压下限值。在放电之后，给各存储单体1、2、3充电，直至各存储单体1、2、3之中的一个第一存储单体的电压达到电压上限值。
在充电过程期间，各存储单体1、2、3的电压水平要么通过能量存储装置11本身监控，要么通过计算单元22监控。在充电过程结束后，计算单元22比较，哪个存储单体1、2、3首先达到电压下限值(第一时刻)和哪个存储单体1、2、3首先达到电压上限值(第二时刻)。
如果这是不同的存储单体1、2、3，那么计算单元可以进行存储单体1、2、3的校准。在这样的校准中，存储单体1、2、3的电压变化曲线被推移，其中，首先达到电压上限值的那一个存储单体1、2、3的电压变化曲线被推移，直至其以最高值与首先达到电压下限值的那一个存储单体1、2、3的电压变化曲线重合。
紧接着可以重新执行存储单体1、2、3的放电和充电，于是不仅达到电压下限值而且达到电压上限值的存储单体1、2、3的可利用的容量或容量损失可以被确定。相应的存储单体1、2、3于是可以被更换。
替选地，每个单个的存储单体1、2、3的充电容量分开地通过计算单元22确定。在这种情况下，每个单个的存储单体1、2、3的单体电压被直接测量和比较。如果能量存储装置11本身或者计算单元22确定，一个存储单体1、2、3的容量损失超过预定的界限值，那么相应的存储单体1、2、3可以被更换。因此可以有针对性地更换单个的单体1、2、3。
在图2～5中显示存储单体1、2、3的不同的电压变化曲线C1、C2、C3。
在图2显示的示例中，存储单体1、2、3的电压变化曲线C1、C2、C3是平行的。在此，存储单体3首先达到电压下限值，而存储单体1首先达到电压上限值。这导致不对称性，因为各存储单体1、2、3都没有在它们的整个容量中被探测。因此在这种情况下可以执行存储单体1和3的校准。在此，存储单体1的电压变化曲线被推移，直至曲线C1的高值对应于曲线C2的高值。在这种情况下，曲线C1和C3紧接着重叠。紧接着可以重新执行放电/充电过程。
在图3所示的示例中，存储单体3的电压变化曲线C3与存储单体1、2的电压变化曲线C1、C2相交。因此，存储单体3首先达到电压下限值和电压上限值。因此通过该存储单体限定可利用的容量。如果存储单体3具有超过预定界限值的容量损失，那么可以更换该存储单体3。
在图4所示的示例中，存储单体1、2的电压变化曲线C1、C2平行，而存储单体3的电压变化曲线C3与存储单体1、2的电压变化曲线C1、C2部分地相交。因此，存储单体3首先达到电压下限值，而存储单体1首先达到电压上限值。这导致不对称性，因为各存储单体1、2、3都没有在它们的整个容量中被探测。因此在这种情况下也可以执行存储单体1和3的校准。在此，存储单体1的电压变化曲线被推移，直至曲线C1的高值对应于曲线C3的高值。紧接着可以重新执行放电/充电过程。
在图5所示的示例中，存储单体1、2的电压变化曲线C1、C2也平行，而存储单体3的电压变化曲线C3与存储单体1、2的电压变化曲线C1、C2部分地相交。然而在这种情况下，存储单体2首先达到电压下限值，而存储单体1首先达到电压上限值。这也导致不对称性，因为各存储单体1、2、3都没有在它们的整个容量中被探测。因此在这种情况下也可以执行存储单体1和2的校准。在此，存储单体1的电压变化曲线被推移，直至曲线C1的高值对应于曲线C2的高值。紧接着，曲线C1和C2将会重叠。紧接着可以重新执行放电/充电过程。
通过建议的能量存储装置和设备能够确定能量存储装置的各单个存储单体的容量和容量损失。按这种方式可以更精确地确定能量存储装置的容量。另外存在关于各单个存储单体的容量的信息，使得可能的是，在需要时更换单个的存储单体，而不更换整个能量存储装置。
虽然本发明借助实施例来说明，但是本发明可以多方面地修改。
附图标记列表
1,2,3 存储单体
10 机动车
11 能量存储装置
20 设备
21 放电/充电单元
22 计算单元
C1,C2,C3 电压变化曲线

Claims (13)

1.一种能量存储装置(11)，其具有多个存储单体(1、2、3)，其特征在于，每个存储单体(1、2、3)构造成用于，在离线运行中与其余存储单体(1、2、3)分离地与用于确定能量存储装置(11)的容量的设备(20)连接。
2.根据权利要求1所述的能量存储装置(11)，其特征在于，每个存储单体(1、2、3)能单独地经由一个连接元件与所述设备(20)连接，或者所述多个存储单体(1、2、3)能通过一个唯一的连接元件与所述设备(20)连接。
3.一种用于确定能量存储装置(11)的容量的设备(20)，该能量存储装置具有多个存储单体(1、2、3)，该设备(20)具有连接元件，以便与每个存储单体(1、2、3)连接，所述设备(20)具有放电/充电单元(21)和计算单元(22)，其特征在于，所述放电/充电单元(21)设置成用于，与能量存储装置(11)的各存储单体(1、2、3)连接并且给各存储单体(1、2、3)放电并且紧接着充电，并且所述计算单元(22)设置成用于，在紧接着放电过程之后的充电过程期间监控能量存储装置(11)的每个存储单体(1、2、3)的电压水平。
4.根据权利要求3所述的设备(20)，其特征在于，所述计算单元(22)设置成用于，在能量存储装置(11)放电时在放电过程结束时存储每个存储单体(1、2、3)的低单体电压，并且在能量存储装置(11)充电时在充电过程结束时存储每个存储单体(1、2、3)的高单体电压，并且所述计算单元(22)设置成用于，将各存储单体(1、2、3)的低单体电压与相应的存储单体(1、2、3)的高单体电压相比较，并且基于比较结果计算每个存储单体(1、2、3)的可供使用的容量。
5.根据权利要求4所述的设备(20)，其特征在于，所述计算单元设置成用于确定，是否可供使用的容量低于预定的界限值，并且所述计算单元设置成用于基于计算的可供使用的容量发出信号，所述信号说明，是否一个存储单体和/或哪个存储单体(1、2、3)要被更换。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备(20)，其特征在于，所述放电/充电单元(21)设置成用于，将每个存储单体(1、2、3)放电直至第一时刻，在第一时刻，所述能量存储装置(11)的各存储单体(1、2、3)之中的一个第一存储单体达到预定义的电压下限值，并且识别和标识该存储单体(1、2、3)；并且紧接着，将每个存储单体(1、2、3)充电直至第二时刻，在第二时刻，所述能量存储装置(11)的各存储单体(1、2、3)之中的一个第一存储单体达到预定义的电压上限值，并且识别和标识该存储单体(1、2、3)。
7.根据权利要求6所述的设备(20)，其特征在于，所述计算单元(22)设置成用于，确定每个存储单体(1、2、3)在第二时刻的电压水平。
8.根据权利要求6或7所述的设备(20)，其特征在于，在各标识的存储单体(1、2、3)是相同的存储单体(1、2、3)的情况下，所述计算单元(22)设置成用于，基于所标识的存储单体(1、2、3)在第一时刻和第二时刻的电压水平的差值来确定能量存储装置(11)的容量。
9.根据权利要求8所述的设备(20)，其特征在于，所述计算单元(22)设置成用于确定，是否容量低于预定的界限值，并且如果是这种情况，那么发出信号，所述信号说明，所标识的存储单体(1、2、3)要被更换。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备(20)，其特征在于，如果各标识的存储单体(1、2、3)是不同的存储单体(1、2、3)，那么所述计算单元(22)设置成用于，计算各标识的存储单体(1、2、3)在第二时刻的高电压水平的差值，并且基于所计算的差值校准能量存储装置(11)，方式为，用于各标识的存储单体(1、2、3)的充电过程的开始时刻被适配，使得各标识的存储单体在相同的第二时刻达到预定义的电压上限值，并且所述放电/充电单元(22)设置成用于，将能量存储装置(11)在校准之后重新放电和充电。
11.根据权利要求10所述的设备(20)，其特征在于，所述放电/充电单元(21)和计算单元(22)设置成用于，迭代地执行放电/充电过程和校准，直至所计算的差值低于预定的界限值。
12.根据权利要求10或11所述的设备(20)，其特征在于，所述计算单元(22)设置成用于确定，是否各标识的存储单体(1、2、3)的容量低于预定的界限值，所述各标识的存储单体的容量在从充电开始、尤其是从被适配的时刻直至达到定义的电压上限值的持续时间之内达到，并且如果是这种情况，那么输出信号，该信号说明，所标识的存储单体(1、2、3)要被更换。
13.一种用于确定具有多个存储单体(1、2、3)的能量存储装置(11)的容量的方法，其特征在于如下步骤：
将能量存储装置(11)的各存储单体(1、2、3)与用于确定容量的设备(20)连接；
给各存储单体(1、2、3)放电并且紧接着给各存储单体(1、2、3)充电；
在紧接着放电过程之后的充电过程期间，监控能量存储装置(11)的每个存储单体(1、2、3)的电压水平。
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