CN111066197A - 确定电能存储单元的状态的方法、执行该方法的相应设备以及相应的电能存储单元 - Google Patents

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Abstract

描述了用于确定电能存储单元的状态的方法，其中，电能存储单元具有至少两个极连接和电极组件，并且所述方法包括以下步骤。检测电极组件的延展和/或由电极组件施加的力(S11)。此外，使用检测到的电极组件的延展和/或由电极组件施加的力以及存储在数据存储器中的第一数学模型来确定(S13)表示电能存储单元的第一状态的第一状态变量。此外，检测电能存储单元的至少一个电变量(S12)。此外，使用检测到的电能存储单元的至少一个电变量以及存储在数据存储器中的第二数学模型来确定(S14)表示电能存储单元的第一状态的第二状态变量。接着执行(S15)第一状态变量与第二状态变量的第一比较。此外，根据第一比较来改变第一数学模型和/或借助于第一数学模型确定的变量，和/或根据第一比较来改变第二数学模型和/或借助于第二数学模型确定的变量(S16)。此外，描述了用于执行所述方法的设备和包括该设备的电能存储单元。

Description

确定电能存储单元的状态的方法、执行该方法的相应设备以 及相应的电能存储单元
本发明基于一种用于确定电能存储单元的状态的方法、一种被配置为执行该方法的设备以及一种包括该设备的电能存储单元。
现有技术
电能存储单元，特别是基于锂离子技术的电能存储单元，精确地在汽车领域中，作为传动系中的重要部件正变得越来越普遍。在这种情况下，由于储存和释放锂离子的过程，电能储存单元的电极经受体积变化。根据荷电状态以及电极的老化，电极的相应延展改变，特别是相对于电极的层布置正交地改变。因此，除了迄今已经使用的测量变量，温度、电能存储单元的电压或电流之外，还可以使用这些机械变化，以便提高确定电极的老化或荷电状态的精度，或者使基于仅检测电变量的不准确度最小化。
文献DE102012209271A1描述了一种电池的电池管理系统，其中，压敏膜传感器装配在电池单元内的电极绕组上，所述传感器的测量值由电池状态识别设施来评估并且用于电池状态识别。
文献US2015/0188198A1描述了一种具有电池单元以及测力仪和控制模块的电池模块，其中，测力仪测量由于电池单元的膨胀而产生的力，并且控制模块被配置为基于接收到的力测量数据来估计电池模块的剩余寿命。
在由Shankar Mohan等所著的文章“A phenomenological Model of Bulk Forcein a Li-Ion Battery Pack and its Application to State of Charge Estinnation(锂离子电池组中的体积力的现象学模型及其在荷电状态估计中的应用)”，电化学学会期刊，161(14)A2222-A2231(2014年)中，通过数学模型分别描述了锂离子电池在充电和放电期间产生的力。这里给出对在电池单元外部提供力测量单元的实验装置的描述。
发明内容
本发明的优点
公开了一种用于确定电能存储单元的状态的方法、一种被配置为执行该方法的设备以及一种包括具有独立权利要求的特征的设备的电能存储单元。
在这种情况下，所述电能存储单元具有至少两个极连接和至少一个电极组件。
在所述方法中，检测所述电极组件的延展和/或由所述电极组件施加的力。
此外，确定表示所述电能存储单元的第一状态的第一状态变量，其中，检测到的所述电极组件的所述延展和/或由所述电极组件施加的所述力以及存储在数据存储器中的第一数学模型用于该目的。特别地，所述第一状态变量可以表示所述电能存储单元的荷电状态或健康状态。所述健康状态例如可以是无量纲值，该无量纲值随着由所述电极组件施加的所述力的增大和/或随着所述延展的增大而减小。所述第一数学模型可以例如存储在电池管理控制器的存储器组件中。例如，数学模型可以包括微分方程或代数方程。此外，基于数据的特征曲线族也可以是所述数学模型的一部分。为此目的，例如可以将多个延展值和/或力值与相应的荷电状态值相联系并且存储在存储器组件中。还可以设计为以下形式的模型：荷电状态＝a*l，其中，a是模型常数，l是延展。
此外，检测所述电能存储单元的至少一个电变量，其中，所述电变量尤其可以表示在所述电能存储单元中流动的电流和/或在所述极连接之间存在的电压。
此外，使用检测到的所述电能存储单元的至少一个电变量以及同样存储在数据存储器中的第二数学模型，来确定同样表示所述电能存储单元的第一状态的第二状态变量。所述第一状态因此通过两个不同的状态变量来确定。
之后，执行所述第一状态变量与所述第二状态变量的第一比较。
然后可选地根据所述第一比较改变所述第一数学模型和/或借助于所述第一数学模型确定的变量。替代地或附加地，随后根据所述第一比较改变所述第二数学模型和/或借助于所述第二数学模型确定的变量。
这有利地利用了通过两个不同状态变量确定第一状态的事实。结果，可以建立确定方法之间的偏差，并且同时可以调整所使用的相应数学模型和/或由此确定的变量。这提高了状态确定的准确度，并因此提供了对所述电能存储单元的能量含量的改善的利用。此外，例如，可以更准确地实现对所述电能存储单元的寿命的预测，并且因此可以防止所述电能存储单元的不必要的故障。还可以以延长所述电能存储单元的寿命的方式来操作所述电能存储单元，因为例如作为更准确的状态确定的结果，更好地符合电压和/或电流的极限值。
从属权利要求涉及本发明的其它有利实施方式。
有利的做法是确定校正因子，该校正因子用于改变所述第一数学模型和/或所述第二数学模型的和/或借助于所述第一数学模型确定的变量和/或借助于所述第二数学模型确定的变量。因此可以有利地校正相应的变量和/或模型，其中，例如可以附加地借助于所述校正因子考虑所述电能存储单元的温度。
有利的做法是执行检测到的所述电极组件的延展与预定的延展阈值的和/或由所述电极组件施加的所述力与预定的力阈值的第二比较。然后，根据所述第二比较，生成用于指示比较结果的第一信号。所述第一信号例如可以接通光源，其向用户指示超过了相应的阈值。这是有利的，因为由此向用户通知可能的危险情况并且因此可以可选地采取直接行动，这降低了对生命和肢体的风险。
有利的做法是确定所述第一状态变量和所述第二状态变量之间的差值，然后根据该差值确定所述校正因子。这具有的优点是，可以使用利用所述差值的已知控制工程结构，例如卡尔曼滤波器，以便在数学上估计所述第一状态。
有利的做法是在所述电能存储单元和/或所述电极组件的彼此相对侧上执行对于延展和/或所施加的力的检测。结果，由于在电能存储单元(特别是电池单元)的形状为棱柱形或圆柱形或通常具有对称性的情况下，相应的延展和/或相应的力作用在两侧上，因此提高了该方法的灵敏度。有利地，在所述电能存储单元的相对侧上的相同位置处实现对所述延展和/或所施加的力的检测，以便确保尽可能相同的测量条件并且产生可比较的测量结果。
有利地，在所述电能存储单元内实现对所述延展和/或所施加的力的检测。因此，相应的测量值不会被外部影响破坏，这提高了所述方法的准确度。
有利地，借助于至少一个应变仪来实现所述电极组件的延展的检测。替代地或附加地，通过至少一个压电元件和/或通过至少一个感应线圈来检测由所述电极组件施加的力。这具有以下优点，使用了在实践中已经被证明和试验和测试的力和/或延展测量方法，这确保了简单的可实现性。
此外，本公开涉及一种被配置为执行上述方法的包括至少一个装置的设备。因此可以实现上述优点。所述至少一个装置可以包括例如电池管理控制器和可选的电流传感器和/或电压传感器和/或温度传感器。电子控制单元，尤其表现为电池管理控制器，也可以是这样的装置。电子控制单元可以理解为尤其是指包括例如微控制器和/或专用硬件部件(例如ASIC)的电子控制器，但是同样可以包括个人计算机或可编程逻辑控制器。
此外，本公开涉及一种包括至少两个极连接和电极组件以及上述设备的电能存储单元。因此可以实现上述优点。
电能存储单元可以理解为特别是指电化学电池单元和/或具有至少一个电化学电池单元的电池模块和/或具有至少一个电池模块的电池组。例如，所述电能存储单元可以是基于锂的电池单元或基于锂的电池模块或基于锂的电池组。特别地，所述电能存储单元可以是锂离子电池单元或锂离子电池模块或锂离子电池组。此外，所述电池单元可为以下类型：锂聚合物可再充电电池、镍-金属氢化物可再充电电池、铅酸可再充电电池、锂-空气可再充电电池或锂-硫可再充电电池，或非常一般地具有任何所需电化学组成的可再充电电池。电容器也可以作为电能存储单元。
有利地，所述电能存储单元包括用于检测所述电极组件的延展和/或由所述电极组件施加的力的至少两个装置，所述至少两个装置位于所述电能存储单元或所述电极组件的相对侧上。
附图说明
在附图中示出了本发明的有利实施方式，并且在下面的描述中更详细地解释了本发明的有利实施方式。
在附图中：
图1示出了根据第一实施方式的所公开的方法的流程图；
图2示出了根据第二实施方式的所公开的方法的流程图；
图3示出了根据第三实施方式的所公开的方法的流程图；
图4示出了根据第四实施方式的所公开的方法的流程图；
图5示出了被配置为执行所公开的方法的设备的示意图。
具体实施方式
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的设备部件或相同的方法步骤。
图1示出了根据第一实施方式的用于确定电能存储单元的状态的所公开的方法的流程图。在这种情况下，确定其状态的电能存储单元包括至少两个极连接和电极组件。第一步骤S11包括检测电极组件的延展。然后，第二步骤S12包括检测在电能存储单元的两个极连接之间存在的电压。随后，第三步骤S13包括使用检测到的电极组件的延展和存储在数据存储器中的第一数学模型来确定表示电能存储单元的荷电状态的第一荷电状态变量。此外，第四步骤S14包括利用检测到的电压以及存储在数据存储器中的第二数学模型来确定第二荷电状态变量，该第二荷电状态变量与第一荷电状态变量同样表示电能存储单元的荷电状态。这可以例如通过电能存储单元的电等效电路图模型和控制工程结构(例如卡尔曼滤波器)来实现。第五步骤S15然后包括执行第一荷电状态变量与第二荷电状态变量的第一比较。假设第一荷电状态变量和第二荷电状态变量相差大于预定量值，则在第六步骤S16中，根据比较结果改变第二荷电状态变量，并且在第七步骤S17中，在电能存储单元的操作期间使用第二荷电状态变量，以便作为更准确的状态确定的结果而增加电能存储单元的寿命。如果第一荷电状态变量和第二荷电状态变量相差不大于预定量值，则不需要改变。在这种情况下，例如可以在第一步骤S11再次开始，并且该方法重新开始。
图2示出了根据第二实施方式的用于确定电能存储单元的状态的所公开的方法的流程图。在这种情况下，确定其状态的电能存储单元包括至少两个极连接和电极组件。第一步骤S21包括检测由电极组件施加的力。第二步骤S22包括使用所检测到的所施加的力以及存储在数据存储器中的第一数学模型来确定第一健康状态变量。第一健康状态变量例如可以是无量纲值，该无量纲值随着由电极组件施加的力的增大而减小。示例性数值的范围在0和1之间或在0％和100％之间，并且可以从特征曲线族中读取，例如，其中各个延展值被分配有第一健康状态变量的相应值。这些关系例如可以从实验中获得。之后，第三步骤S23包括检测在电能存储单元中流动的电流和在极连接之间存在的电压。然后，第四步骤S24包括使用检测到的电流和检测到的电压以及存储在数据存储器中的第二数学模型来确定第二健康状态变量。在这种情况下，与第一健康状态变量一样，第二健康状态变量也表示电能存储单元的健康状态。在这种情况下，第二健康状态变量例如可以是无量纲值，该无量纲值同样随着电能存储单元的电存储容量的减小而减小。之后，第五步骤S25包括将第一健康状态变量与第二健康状态变量进行比较。随后，第六步骤S26包括确定用于改变第二健康状态变量的校正因子，所述校正因子例如基于第一状态变量和第二状态变量之间的差。校正因子的示例性定义为：校正因子＝C*(第一状态变量的值－第二状态变量的值)，其中C是对应的常数。随后，第七步骤S27包括根据第一比较并使用校正因子来改变第二健康状态变量。
图3示出了根据第三实施方式的用于确定电能存储单元的状态的所公开的方法的流程图。第一步骤S31包括检测电极组件的延展。然后，第二步骤S32包括检测在电能存储单元的两个极连接之间存在的电压。随后，第三步骤S33包括使用检测到的电极组件的延展和存储在数据存储器中的第一数学模型来确定表示电能存储单元的荷电状态的第一荷电状态变量。此外，第四步骤S34包括利用检测到的电压以及存储在数据存储器中的第二数学模型来确定第二荷电状态变量，该第二荷电状态变量与第一荷电状态变量一样表示电能存储单元的荷电状态。之后，第五步骤S35包括执行检测到的电极组件的延展与预定义的延展阈值的第一比较。此外，第六步骤S36包括将第一状态变量与第二状态变量进行比较。假设超过延展阈值，第七步骤S37包括生成用于指示第一比较结果的第一信号。然后，第八步骤S38包括根据第一状态变量与第二状态变量的比较来改变第二数学模型，例如通过改变第二数学模型的参数值。此外，根据第一状态变量与第二状态变量的比较来改变第二状态变量，例如通过根据比较来增大或减小第二状态变量的值，并且第二状态变量用于预测电能存储单元的寿命。
图4示出了根据第四实施方式的用于确定电能存储单元的状态的所公开的方法的流程图。在这种情况下，确定其状态的电能存储单元包括至少两个极连接和电极组件。第一步骤S41包括检测由电极组件施加的力。之后，第二步骤S42包括使用所检测到的所施加的力以及存储在数据存储器中的第一数学模型来确定第一荷电状态变量。之后，第三步骤S43包括确定在电能存储单元中流动的电流和在极连接之间存在的电压。第四步骤S44包括使用检测到的电流和检测到的电压以及存储在数据存储器中的第二数学模型来确定第二荷电状态变量。之后，第五步骤S45包括执行第一状态变量与第二状态变量的第一比较。之后，第六步骤S46包括确定第一状态变量和第二状态变量之间的差值。随后，第七步骤S47包括根据所确定的差值来确定校正因子。第八步骤S48包括根据第一比较和所确定的校正因子来改变第一数学模型。之后，改变后的数学模型可以例如在更准确地确定电能存储单元的剩余寿命的情况下使用。
图5示出了被配置为执行所公开的方法的所公开的设备70的示意图。在这种情况下，借助于合适的传感器71，例如借助于应变仪和/或压电元件以及电流和相应电压传感器，检测电极组件的延展和/或由电极组件施加的力以及电能存储单元的电流和电压。根据上面描述的方法步骤，在电子控制器72中处理检测值，并且确定所描述的相应变量。此外，可以计算相应的控制变量，例如电流和电压设定值，并且将其输出到功率电子装置73，以便例如延长电能存储单元的寿命或者使得能够更温和地操作电能存储单元。

Claims (10)

1.一种用于确定电能存储单元的状态的方法，其中，所述电能存储单元具有至少两个极连接和至少一个电极组件，所述方法包括以下步骤：
a)检测(S11、S21、S31、S41)所述电极组件的延展和/或由所述电极组件施加的力；
b)使用检测到的所述电极组件的延展和/或由所述电极组件施加的所述力以及存储在数据存储器中的第一数学模型来确定(S13、S22、S32、S42)第一状态变量，该第一状态变量表示所述电能存储单元的第一状态，特别是荷电状态或健康状态；
c)检测(S12、S23、S33、S43)所述电能存储单元的至少一个电变量，特别是在所述电能存储单元中流动的电流和/或在所述极连接之间存在的电压；
d)使用检测到的所述电能存储单元的至少一个电变量以及存储在数据存储器中的第二数学模型来确定(S14、S24、S34、S44)表示所述电能存储单元的所述第一状态的第二状态变量；
e)执行(S15、S25、S36、S45)所述第一状态变量与所述第二状态变量的第一比较；
f)根据所述第一比较改变(S16、S27、S38、S48)所述第一数学模型和/或通过所述第一数学模型确定的变量，和/或根据所述第一比较改变所述第二数学模型和/或通过所述第二数学模型确定的变量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
g)确定(S26)校正因子，所述校正因子用于改变第一数学模型和/或第二数学模型和/或借助于第一数学模型和/或第二数学模型确定的变量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
h)执行(S35)检测到的所述电极组件的延展与预定的延展阈值的和/或由所述电极组件施加的所述力与预定的力阈值的第二比较；
i)根据所述第二比较，生成(S37)用于指示比较结果的第一信号。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
j)确定(S46)所述第一状态变量和所述第二状态变量之间的差值；
k)根据所述差值确定(S47)所述校正因子。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中对所述延展和/或施加的力的检测在所述电能存储单元和/或所述电极组件的彼此相对的侧上实现。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中检测所述延展和/或施加的力在所述电能存储单元内实现。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于至少一个应变仪来实现所述电极组件的所述延展的检测，和/或借助于至少一个压电元件和/或借助于至少一个感应线圈来检测由所述电极组件施加的力。
8.一种设备(70)，其包括至少一个装置(72)，特别是电子电池管理控制器，所述设备(70)被配置为执行如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
9.一种电能存储单元，其包括至少两个极连接和电极组件以及如权利要求8所述的设备(70)。
10.根据权利要求9所述的电能存储单元，其中，所述电能存储单元还包括用于检测所述电极组件的延展和/或由所述电极组件施加的力的至少两个装置(71)，所述至少两个装置位于所述电能存储单元和/或所述电极组件的相对侧上。
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