CN111971200B - 用于确定电池的老化状态的方法、计算机程序、存储装置、控制设备和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电池(10)的老化状态的方法，提供电池，用于向电动机(20)供电，所述方法具有以下步骤：确定电池(10)的至少一个运行参数的至少一个图形变化过程；检查至少一个图形变化过程的至少一个正弦形的曲线区段；当识别出至少一个正弦形的曲线区段时，提取至少一个正弦形的曲线区段；借助阻抗谱测定，根据至少一个正弦形的曲线区段，计算电池(10)的阻抗；以及根据计算的阻抗，来确定电池(10)的老化状态。本发明还涉及一种计算机程序(30)、存储装置、控制设备(40)以及车辆(100)。

Description

用于确定电池的老化状态的方法、计算机程序、存储装置、控 制设备和车辆
技术领域
本发明涉及一种用于确定电池的老化状态的方法，电池被提供用于向用于驱动车辆的电动机供电。本发明还涉及一种用于确定电池的老化状态的计算机程序、其上存储有用于确定电池的老化状态的计算机程序的存储装置、其上安装有用于确定电池的老化状态的计算机程序的控制设备以及具有这种控制设备的车辆。
背景技术
在电动车辆中，对为了驱动电动车辆而被提供用于向电动机供电的车辆电池或者牵引电池的老化状态(健康状态(State-of-Health,SOH))的认识是重要的。然而，由于车辆电池充电和放电时的复杂的过程，确定老化状态是一个具有挑战性的任务。在当前的系列车辆中，大多仅实现用于估计车辆电池的老化状态的估计系统，其准确性对于许多应用来说是不够的。
估计或者确定老化状态的一种可能性是阻抗谱测定(Impedanzspektroskopie)。在此，对车辆电池的电池单元的电流施加不同的正弦形频率。随后，可以根据其电压响应，来推断车辆电池或者各个电池单元的阻抗。阻抗是可以用来表示电池单元的老化的参量。为了执行这种阻抗谱测定，迄今为止使用具有单独的高级的传感器的昂贵的测量结构。这导致高的成本，并且在诸如电动车辆的移动系统中仅能够有条件地应用。
因此，目前正在寻求在电动车辆的移动使用中，在电动车辆中也能够以合理的开销执行阻抗谱测定的解决方案。在此，这些解决方案大多基于在行驶或者充电运行中对电池进行附加的激励的方法的开发。
在美国专利申请US 2011/0208452 A1中提出了一种用于确定电动车辆的车辆电池的电阻抗的非侵入性的方法。特别是提出，使用在电动车辆中已经可用的传感器来确定车辆电池或者车辆电池的电池单元的阻抗。为此，测量车辆电池的运行参数、例如电池电压和电池电流，并且将其变换到定义的频率范围内。随后，在这些频率范围内计算电池单元的阻抗，并且基于计算的阻抗，来确定车辆电池的老化状态。然而，这种处理方式仍然不满足确定车辆电池的老化状态时的期望的准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，至少部分考虑上述问题。特别是，本发明要解决的技术问题是，提供一种方法、计算机程序、存储装置、控制设备以及具有控制设备的车辆，用于以成本低廉、移动和/或尽可能准确的方式，来确定电池、特别是车辆电池的老化状态。
上述技术问题通过权利要求来解决。特别是，上述技术问题通过根据权利要求1的方法、根据权利要求7的计算机程序、根据权利要求8的存储装置、根据权利要求9的控制设备以及根据权利要求10的车辆来解决。由从属权利要求、说明书和附图得到本发明的其它优点。在此，结合方法描述的特征当然也适用于与根据本发明的计算机程序、根据本发明的存储装置、根据本发明的控制设备、根据本发明的车辆结合，相应地反之亦然，从而对于关于各个发明方面的公开，始终相互参照或者可以相互参照。
根据本发明的第一方面，提供一种用于确定电池、特别是车辆电池的老化状态的方法，电池被提供用于向电动机、特别是用于驱动车辆的电动机供电。所述方法具有以下步骤：
-确定电池的至少一个运行参数的至少一个图形变化过程，
-检查至少一个图形变化过程的至少一个正弦形的曲线区段，
-当识别出至少一个正弦形的曲线区段时，提取至少一个正弦形的曲线区段，
-根据至少一个正弦形的曲线区段，借助阻抗谱测定计算电池的阻抗，以及
-根据计算的阻抗来确定电池的老化状态。
在本发明的过程中认识到，通过针对性地过滤正弦形的曲线区段，来用于随后的阻抗谱测定，可以以简单的方式显著地改善确定电池、特别是车辆电池的老化状态方面的结果。由此，可以放弃迄今为止需要的通过外部系统构件的正弦振荡的附加的施加。也就是说，仅仅利用已经存在的车辆的传感器和功率电子设备，就可以执行所提出的方法。因此，可以以特别是成本低廉、移动并且相应地灵活的方式来执行所述方法。
在执行根据本发明的方法时，一旦辨别或者识别出正弦形的曲线区段，则存储这些正弦形的曲线区段。一旦完全检测到阻抗谱测定所需的频谱，则可以计算阻抗。随后，可以借助物理老化模型和/或数学模型，将计算的阻抗换算为健康状态。
可以借助时间序列分析来识别至少一个正弦形的曲线区段。因此，例如可以通过确定当前测量的电流变化过程和参考正弦振荡之间的相似性，来辨别相关的正弦形的曲线区段。也就是说，可以使用相似性算法来识别例如电池电流中的相关的频率或者频率范围。优选在不同的频率中检查或者分析至少一个图形变化过程的至少一个正弦形的区段。也就是说，检查在图形变化过程或者相关的运行参数的不同的频段中，是否可以检测到至少一个正弦形的区段。
在此，电池或者车辆电池可以理解为蓄电池(Akkumulator)、例如锂离子电池或者燃料电池。因此，不仅可以在电池电动车辆中，而且可以在燃料电池车辆中执行所述方法。车辆可以设计为纯电动车辆或者混合动力电动车辆。
老化状态可以理解为电池的健康状态或者State-of-Health，即关于电池的功能状态的特征参量。
用于向用于驱动车辆的电动机供电的车辆电池是可以用来驱动车辆的电池。也就是说，车辆电池是车辆的电化学能量源，利用其向用于推进车辆的电动机提供电流和电压。因此，车辆电池特别是应当理解为相应的高压电池。然而，根据本发明的方法不应当视为局限于这种电池中的应用。原则上，所述方法也可以在任意其它的电池存储器或者蓄电池中应用。
图形变化过程应当理解为坐标系中的图形或者曲线。根据所观察的运行参数，图形变化过程可以是电池的电流变化过程和/或电压变化过程。也就是说，图形变化过程可以关于时间示出电池的电流值和/或电压值。
正弦形的曲线区段优选理解为至少一个运行参数的图形变化过程中的如下曲线区段或者区段，该曲线区段或者区段在下降的变化过程之后具有上升的变化过程，随后又具有下降的变化过程。正弦形的曲线区段不需要对应于完美的正弦曲线变化过程。也就是说，根据本发明，检查并且必要时随后相应地提取至少一个图形变化过程的至少一个正弦形的曲线区段或者至少一个基本上正弦形的曲线区段。
从图形变化过程中提取至少一个正弦形的曲线区段，可以理解为，使用至少一个正弦形的曲线区段，用于随后的电池或者电池的电池单元的阻抗的计算。可以在提取的过程中存储至少一个正弦形的曲线区段。然后，一旦完全存储了并且相应地检测到阻抗谱测定所需的频谱，则如前面所述，可以计算电池的阻抗。
可以以如下方式根据所计算的阻抗来执行电池的老化状态的确定，即，使用计算的阻抗，例如使用用于将阻抗换算为老化状态的物理老化模型和/或适当的数学模型，来确定电池的老化状态。
根据本发明的另一个优选的实施方式，至少一个运行参数可以是相应地特别是关于时间绘制的电池的电池电流和/或电池的电池电压。通过本发明的过程中的尝试，已经证实，这些运行参数有利地适合用于确定电池的老化状态。因此，根据本发明，为了确定电池的老化状态，确定关于时间的电池电流的图形变化过程和/或关于时间的电池的电池电压或者单电压的图形变化过程。特别是确定这些运行参数的图形变化过程。附加地，优选特别是至少逐段地同时确定电池的充电状态和/或电池的温度。随后，可以将这些运行参数用于电池的阻抗谱测定或者阻抗的计算。在这种情况下，随后，相应地检查电池电流的图形变化过程的至少一个正弦形的曲线区段和电池电压的图形变化过程的至少一个正弦形的曲线区段。之后，提取相关的曲线区段，并且相应地用于计算电池的阻抗。此外，优选使用电池的相关的充电状态和电池的相关的温度，即检测到相应的正弦形的曲线区段的时间期间的电池的充电状态和温度，来计算阻抗。
此外，可以存储在根据本发明的方法中提取的正弦形的曲线区段，并且将其分类到电池的相同或者相似的温度范围中和/或电池的相同或者相似的充电状态范围中，其中，根据分类的正弦形的曲线区段来执行阻抗谱测定。通过本发明的过程中的尝试，已经证实，电池的阻抗可以与温度和充电状态有关。因此，有利的是，针对相似的温度和/或充电状态范围进行阻抗谱测定。相应地，在根据本发明的方法中，执行到温度和/或充电状态范围中的分类。因此，在这种处理方式的过程中，可以特别准确地确定电池的老化状态。一个优选的温度范围例如具有大约10℃的温度窗口。因此，可以将电池的温度最大彼此相差大约10℃的正弦形的曲线区段，分类到预先定义的温度范围中。一个优选的充电状态范围例如具有大约10％的充电状态窗口。因此，可以将电池的充电状态最大彼此相差大约10％的正弦形的曲线区段，分类到相应地定义的充电状态范围中。
此外，在根据本发明的方法中，可以以在线和/或实时的方式执行至少一个运行参数的至少一个图形变化过程。也就是说，实时地分析例如在车辆的行驶运行期间测得的真实电流的存在的正弦形的曲线区段、特别是存在的不同频率的正弦形的曲线区段。在这种处理方式的过程中，可以特别简单地在移动使用中、例如在车辆行驶期间执行所述方法。实时可以理解为计算系统的如下运行，在该运行中，用于处理出现的数据的程序始终准备好运行，更确切地说，使得能够在预先给定的时间段内获得处理结果。根据应用情况，数据、在此为关于图形变化过程的数据可能按照时间上的随机分布或者在预先确定的时间点出现。也就是说，在此，至少有时连续地并且在没有明显的延迟的情况下执行图形变化过程。
此外，在根据本发明的方法中，可以通过信号滤波器对至少一个图形变化过程进行滤波，以减小信号噪声。经过滤波或者平滑的图形变化过程为至少一个正弦形的曲线区段的确定，因此也为阻抗的计算，并且为电池的老化状态的确定，提供特别准确的基础。在此，作为滤波器，可以使用如下电路，利用该电路，根据频率改变图形变化过程的幅值和相位，使得由此减弱或者抑制不期望的信号部分。
根据本发明的另一个设计变形方案，在一种方法中，可以将至少一个正弦形的曲线区段提取到云存储器中，并且在云存储器中或者在云中执行阻抗谱测定和/或老化状态的确定。在车辆外部可以提供在车辆内部不能实现或者仅能够以不成比例地高的开销实现的计算能力。由于对车辆中的计算能力的要求低，也可以在那里安装不太复杂的构件。这可以使得车辆中的重量更小，并且使得车辆中的计算单元的冷却要求降低。这特别是在移动使用中或者在所述方法的移动执行中是有利的。除了阻抗谱测定之外，还可以外包或者在云中执行其它方法步骤，例如至少一个正弦形的变化过程的存储和/或提取，分类和/或根据物理老化模型和/或数学模型的电池的老化状态的确定。在所描述的情况下，当然需要保证车辆的云连接，以交换数据。然后，又可以将电池的老化状态形式的结果，从云或者从云存储器发送回车辆。
根据本发明的另一个方面，提供一种计算机程序，该计算机程序包括命令，在通过计算机执行计算机程序时，命令促使计算机执行前面详细描述的方法。因此，根据本发明的计算机程序产生与参考根据本发明的方法详细描述的优点相同的优点。计算机程序可以作为计算机可读的指令代码，以任意适当的编程语言、例如以JAVA或者C++来实现。计算机程序可以存储在计算机可读的存储介质、例如数据盘、可移动驱动器(Wechsellaufwerk)、易失性或者非易失性的存储器或者内置的存储器/处理器上。指令代码可以对计算机或者其它的可编程设备、例如控制设备进行编程，从而执行期望的功能。此外，可以在网络、例如因特网中提供计算机程序，在需要时，用户可以从网络下载计算机程序。可以借助软件，或者以计算机程序产品的形式借助一个或多个专用电子电路、即以硬件，或者以任意的混合形式、即借助软件部件和硬件部件，来实现计算机程序。
此外，在本发明的范围内，提供一种存储装置，其上存储有计算机程序，计算机程序被配置并且设计为用于执行前面描述的方法。同样提供一种控制设备，其上安装有前面描述的计算机程序，计算机程序被配置并且设计为用于执行根据本发明的方法。因此，根据本发明的存储装置和根据本发明的控制设备同样产生前面描述的优点。
根据本发明的另一个方面，提供一种车辆，其具有前面示出的控制设备、电动机和用于向用于驱动车辆的电动机供电的电池。因此，根据本发明的车辆也产生前面描述的优点。车辆优选被设计为纯电动车辆或者混合动力电动车辆。
附图说明
从下面对在附图中示意性地示出的本发明的不同的实施例的描述中，得到改进本发明的其它措施。从权利要求、说明书或者附图中得到的所有特征和/或优点，包括设计细节和空间布置，不仅本身，而且以不同的组合，对于本发明来说是重要的。
相应地：
图1示意性地示出了用于说明根据本发明的一个实施方式的方法的流程图，
图2示意性地示出了用于视觉化在图1中说明的方法的框图，以及
图3示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的车辆，其具有控制设备和安装在其中的计算机程序。
在图1至3中，分别对具有相同的功能和作用方式的元素，设置相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于说明根据本发明的用于确定高压车辆电池形式的电池10的老化状态的方法的流程图，提供电池10，用于向用于驱动车辆100的电动机20供电。根据所述方法，在第一步骤S1中，首先确定电池10的电池电流的图形变化过程。在线并且实时地执行该确定。针对电池10或者电池10的各个电池单元的电池电压执行相同的确定。在此，为了减小信号噪声，通过信号滤波器对这些图形变化过程进行滤波。
在确定电池电流和电池电压或者相关的图像变化过程期间，检测这些时间区段内的电池的温度和充电状态(State-of-Charge，SOC)。也就是说，确定在特定的电池电流或者特定的电池电压的时间点，存在什么样的温度和什么样的充电状态。
随后，在第二步骤S2中，对电池10的电流和电压的图形变化过程的正弦形的曲线区段进行检查或者分析。
在识别出正弦形的曲线区段之后，在第三步骤S3中，提取正弦形的曲线区段，并且将其存储在车辆100中的存储器上。在第四步骤S4中，现在，根据正弦形的曲线区段以及相关的温度和相关的充电状态，借助阻抗谱测定来计算电池10的阻抗。在此，存储所提取的正弦形的曲线区段，并且将其分类到电池10的定义的温度范围以及定义的充电状态范围内，其中，根据分类后的正弦形的曲线区段，执行阻抗谱测定。
在随后的第五步骤S5中，现在，根据计算的阻抗来确定电池10的老化状态。
图2示出了用于视觉化前面说明的方法的框图。如在图2中所示出的，电动机20与功率电子设备50信号连接。功率电子设备50与车辆100的电池10和传感器60信号连接。车辆100的传感器60可以包括诸如电压测量设备、电流测量设备、温度测量设备和充电状态测量设备的部件。
此外，在图2中示出了计算机程序30，计算机程序30包括命令，在通过计算机执行计算机程序30时，命令促使计算机执行前面描述的方法。
在图3中示出了车辆100，其具有控制设备40、电动机20和用于向用于驱动车辆100的电动机20供电的电池10。在控制设备40上安装有计算机程序30，计算机程序30被配置并且设计为用于执行所说明的方法。
除了所示出的实施方式之外，本发明还允许其它的设计原理。也就是说，本发明不应当视为局限于参考附图说明的实施例。因此，例如可以将正弦形的曲线区段提取到云存储器中，并且在云存储器中执行这些数据的存储、分类、阻抗谱测定以及老化状态的确定。随后，又可以将所确定的老化状态传输回车辆100。
附图标记列表
10 电池
20 电动机
30 计算机程序
40 控制设备
50 功率电子设备
60 传感器
100 车辆

Claims (8)

1.一种用于确定电池(10)的老化状态的方法，提供所述电池，用于向车辆(100)的电动机(20)供电，所述方法具有以下步骤：
-在车辆(100)的行驶运行期间实时地确定电池(10)的运行电压和/或电池(10)的运行电流的变化过程，
-检查所确定的电池(10)的运行电压的变化过程和/或所确定的电池(10)的运行电流的变化过程的不同频率的正弦形的曲线区段，
-当识别出正弦形的曲线区段时，提取识别出的不同频率的正弦形的曲线区段，
-借助阻抗谱测定，根据正弦形的曲线区段，来计算电池(10)的阻抗，以及
-根据所计算的阻抗，来确定电池(10)的老化状态。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
存储所提取的正弦形的曲线区段，并且在此将其分类到电池(10)的相同或者相似的温度范围和/或电池(10)的相同或者相似的充电状态范围内，其中，根据分类后的正弦形的曲线区段，执行阻抗谱测定。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在线地执行电池(10)的运行电压的变化过程和/或电池(10)的运行电流的变化过程的确定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
通过信号滤波器对电池(10)的运行电压的变化过程和/或电池(10)的运行电流的变化过程进行滤波，以减小信号噪声。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将正弦形的曲线区段提取到云存储器中，并且在云存储器中执行阻抗谱测定和/或老化状态的确定。
6.一种存储装置，在所述存储装置上存储有计算机程序(30)，所述计算机程序包括命令，在通过计算机执行所述计算机程序(30)时，所述命令促使计算机执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
7.一种控制设备(40)，在所述控制设备上安装有计算机程序(30)，所述计算机程序包括命令，在通过计算机执行所述计算机程序(30)时，所述命令促使计算机执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
8.一种车辆(100)，其具有根据权利要求7所述的控制设备(40)、电动机(20)和用于向用于驱动车辆(100)的电动机(20)供电的电池(10)。
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