CN112912745B - 确定电化学电池的充电状态和老化状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池系统的管理以确定老化状态参数和充电状态参数。本发明的目的在于减少用于实时地估算这些参数所需的计算资源。本发明涉及的方法包括通过读取预定图形估算老化状态参数和/或实际充电状态参数的估算步骤(208)，所述预定图形根据开路电压(OCV)的预定值提供状态参数的预定值，所述状态参数取决于相对充电状态参数(SOCen)和老化状态参数。
Description
技术领域
本发明的领域涉及对电化学电池系统的管理，并且更确切地涉及一种根据开路电压图形(cartographie)确定所述电池的状态参数的确定方法。
背景技术
混合动力车辆和电动车辆装载有具有电化学蓄能器(也称为电池单元)的功率电池系统，所述功率电池系统旨在为车辆的电动机供电。这些系统现在具有重要作用以在减少燃油消耗、电动驾驶续航和传动功率方面改善车辆的能源性能。另外，动力总成的多个传动功能取决于电池系统的状态指标的值，例如电池系统的充电状态等级和老化状态(分别表示为英文缩写词SOC(State of Charge)以及SOH(State of Health)。例如，内燃机的起动决定、在混合动力或全电动驾驶模式之间的选择、又或路线规划导航功能都通常取决于电池系统的充电状态等级。状态指标的准确性和更新对于车辆的运行和驾驶体验至关重要。电池系统的控制单元(通常称作英文缩写词BMS(Battery Management System))的任务在于实时地估算这些状态指标。
在这些指标中，老化状态对于电池系统的管理是必不可少的。实际上，老化状态能够将电池在完全充电以后可发送的最大能量的量进行量化。从现有技术中已知文件WO2015049300A1，其中在不变的电压下再充电时的电流下降特征随电池的老化状态线性变化。该电流随时间呈指数下降。此外，文件WO2017050944A1描述了一种方法，该方法利用了开路电压与老化状态之间的线性关系。还已知文件CN106918789A描述了一种用于实时地估算充电状态和老化状态的估算方法。该方法克服了电路模型参数校正的问题。对充电状态和老化状态的确定借助于对复杂模型的参数优化来实施，所述复杂模型的等效电路具有将近二十个参数。在通过粒子群优化之后，通过更新模型的参数来获取这些参数。该解决方案的缺点在于需要大量的计算资源，这阻止其布置在受到计算和能量部件限制的机动车辆车载应用中。还已知具有相同缺点的文件CN105548898A和US20150377974Al。在文件KR20160002309A中描述的方法基于利用在两个不同时刻之间的充电和放电之间的滞后以确定空载电压曲线。
发明内容
因此需要克服上述问题。本发明的目的在于提供一种解决方案，该解决方案需要很少的计算资源以实时地估算电池系统的充电状态和老化状态参数。本发明的另一个目的在于提供一种用于管理车载电池系统的解决方案，该解决方案在电气消耗方面具有优化的性能。
更确切地，本发明涉及一种用于确定电化学电池系统的老化状态参数的确定方法，所述确定方法由所述电池系统的控制单元执行并且包括以下连续的步骤：
-检测第一时刻，在所述第一时刻上所述电池在充电或放电阶段期间达到充电状态参考极限，所述参考极限能够是完全充电状态极限或完全放电状态极限，
-检测所述电池的弛豫阶段的开始的第二时刻，
-连续地测量在弛豫时的所述电池的端子处的电压信号，
-基于弛豫时测得的所述电压信号估算开路电压，
所述方法的特征在于还包括以下步骤：
-在所述第二时刻确定所述电池的相对充电状态参数，所述相对充电状态参数对应于根据从所述第一时刻起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态，
-通过读取预定图形根据所述开路电压和所述相对充电状态参数估算老化状态参数，所述预定图形根据所述开路电压的预定值提供状态参数的预定值，所述状态参数取决于所述相对充电状态参数和所述老化状态参数。
根据一种变型，所述方法还包括根据所述相对充电状态参数和所述老化状态参数计算实际充电状态参数。
根据一种变型，为了确定所述相对充电状态参数，所述方法包括由所述电池系统的电流分析测量部件测量在所述第一时刻与所述第二时刻之间的所述充电或放电能量的量。
本发明还提供了一种用于确定电化学电池系统的实际充电状态的确定方法，所述确定方法由所述电池系统的控制单元执行并且包括以下连续的步骤：
-检测所述电池的弛豫阶段的开始的第一时刻，
-连续地测量弛豫时的所述电池的端子处的电压信号，
-基于在弛豫时的第二时刻测得的所述电压信号估算开路电压，
所述方法的特征在于还包括以下步骤：
-确定所述电池的老化状态参数，
-通过读取预定图形根据所述开路电压和所述老化参数估算相对充电状态参数，所述预定图形根据所述开路电压的预定值提供状态参数的预定值，所述状态参数取决于所述相对充电状态参数和所述老化状态参数，所述相对充电状态对应于根据从完全充电或放电状态起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态，
-根据所述相对充电状态参数和所述老化状态参数计算实际充电状态参数。
根据所述用于确定实际充电状态的确定方法的一种变型，对所述老化状态参数的确定由用于估算所述电池系统的老化状态参数的估算部件估算。
更确切地，用于估算老化参数的所述估算部件根据所述开路电压参数计算所述老化参数。
根据一种优选的变型，为了估算所述开路电压，所述确定方法还包括：
-在所述电池的弛豫期间根据从弛豫的开始起所经过的时间的具有对数形式的值连续地计算所述电压的对数信号，所述对数信号取决于所述电压信号，
-检测所述电压的对数信号的拐点，
-至少根据所述对数信号在检测到所述拐点的时刻的值相对于所述拐点对称地计算所述开路电压参数。
本发明还提供了一种电池系统的控制单元，所述电池系统包括电化学电池，所述控制单元还包括保存有预定图形的存储器，所述预定图形适于根据所述开路电压的预定值发送状态参数的预定值，所述状态参数取决于相对充电状态参数和老化状态参数，所述相对充电状态对应于根据从完全充电或放电状态起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态。根据本发明，所述控制单元包括用于实施根据上述实施方式中任一项的用于确定老化状态的确定方法以及用于确定实际充电状态的确定方法的部件。
本发明还涉及一种机动车辆，所述机动车辆包括所述控制单元。
本发明还涉及一种电脑程序产品，所述电脑程序产品包括指令，在所述程序由所述电池系统的控制单元执行时，所述指令使所述电池系统实施符合本发明的方法的实施方式中的任一项。
通过本发明，电化学电池的管理系统能够在不依靠复杂计算的情况下准确地同时估算电池的老化状态和实际充电状态的值。表示与老化状态相关联的相对充电状态的图形基于开路电压参数通过内插(interpolation)发送电池系统的状态。该图形的使用改善了对车辆动力总成的实时操控的准确性。另外，对充电状态/老化状态组的同时估算通过根据本发明的方法执行，其优点在于如果电池的管理系统还配备有用于估算老化状态的补充部件，则能够实施对电压和/或电流分析传感器的诊断控制。
附图说明
通过阅读以下仅作为示例性示例提供的本发明实施方式的详细描述和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在附图中：
-图1示出了一种电池系统的控制单元，所述控制单元适于实施根据本发明的方法。
-图2示出了用于确定电化学电池的老化状态和实际充电状态的确定方法的算法的框图。
-图3示出了根据本发明的存储在电池系统的控制单元中的图形，所述图形适于根据状态参数的值发送开路电压的值，所述状态参数等于相对充电状态与老化状态的乘积。
具体实施方式
本发明旨在通过读取预定图形实时地估算老化状态参数和实际充电状态参数，所述预定图形根据所述开路电压参数发送与相对充电状态和老化状态相关联的参数的预定值。为此，本发明通过利用所述预定图形同时提供了用于估算老化状态参数的估算方法和用于估算充电状态参数的估算方法。
图1示意性示出了旨在装配在电动机动车辆上的电池系统100，所述电池系统包括多个电化学蓄能器。电池系统100包括电化学蓄能器模块10和用于管理模块10的控制单元20。通常，在电动混合动力或完全电动的动力总成的应用情况中，驱动机的电池系统可装配有能够存储和恢复电能的多个模块。模块10可由电池系统100单独地布置。模块10包括两个连接端子15、14，所述两个连接端子可根据串联和/或并联组装的电池单元13的数量提供经确定的电压和电流。例如，单体电池单元13的模块10包括并联装配的两排11、12或更多排，每排由串联连接的单体电池单元13构成。
电化学电池系统100是锂、锂离子或其它技术类型的。应当理解，根据本发明的电池系统100和方法可适用于其它应用，且更普遍地适用于要求由电化学蓄能器构成的电供应的任何电动或电子装置。可携带装置、电脑、电供应设施、卫星以及测试和校准工作台都是本发明可应用的示例，但名单是非详尽的。
所述方法可执行为经由电池模块的电连接端子确定电池系统的可单独提供的电池模块中的每个、或系统整体或可单独提供的单体电池单元的老化及充电状态参数。
控制单元20是集成电路式电子计算机，该电子计算机配备有处理器和电子存储器以执行该用于确定电化学电池模块的老化参数的确定方法。控制单元20包括：用于测量模块10的电压和电流的测量部件23(电压传感器，电流分析传感器)；用于检测所述电池模块的弛豫(relaxation)阶段(更确切地检测所述模块的端子处的零电流)的检测部件；以及计算部件，用于操作所述方法的将在下文中描述的计算步骤。所述控制单元包括用于保存模块的状态指标(例如用于在车辆使用寿命期间管理电池系统的开路电压指标、老化状态指标SOH以及充电状态指标SOC)的部件。补充说明，根据该应用，所述控制单元是一种车载电池管理系统(例如机动车辆的BMS)或任何类型的电池控制装置(电脑、远程管理应用或测试工作台电脑)。
此外，所述控制单元可选地包括用于实时地确定电池的老化状态参数的确定部件24。可通过与根据本发明的方法配合从而巧妙地使用部件24，以诊断电压、电流和电流分析计算的传感器部件23的运行状态和/或部件24的正确运行。例如，部件24基于由上文的现有技术文件所公开的方法之一来确定老化参数。
此外，控制单元20包括计算模块21以根据本发明的方法实时地估算电池模块10的老化状态和/或实际充电状态。为此，计算模块21包括保存有预定图形22的存储器，该预定图形能够根据开路电压的预定值发送状态参数PT的预定值，所述状态参数等于相对充电状态参数与老化状态参数的乘积。在图3上，提供了图形22的示意图。状态参数PT等于以下关系式，其中SOCen是相对充电状态，SOH是老化状态：
算式1
PT＝SOCen*SOH。
老化状态是电池在给定时刻的实际容量的值相对于所述电池的标称容量的百分比。标称容量是由制造商提供的参考值，表示对于电池的新状态在完全充电状态下可发送的能量的量。若老化状态参数的值为100％，则认为电池是新的，若老化状态参数的值为80％，则电池在完全充电状态下能够发送该电池的标称容量的80％。
相对充电状态参数对应于根据从充电状态参考极限(能够是完全充电状态极限或完全放电状态极限)起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态。更确切地，首先通过测量从完全充电的状态起的放电能量的量或从完全放电的状态起的充电能量的量来计算相对充电状态。一旦测量出所述能量的量，就计算该能量的量相对于所述电池的标称容量的比值。该中间值由根据本发明的方法利用以通过读取图形实时地确定充电状态和老化状态的值。
规定了相对充电状态不同于实际充电状态(也称为绝对充电状态)。后者对应于电池的可恢复能量的量相对于该电池在给定时刻的实际容量的比值。
另外，开路电压(还称为英文缩写词OCV(Open Circuit Voltage))在电气蓄能器的零电流及热力学平衡下被测量出。电池的零电流状态通常称为弛豫。众所周知，只有在足够长的时长(通常大于一个小时)后才能达到这种平衡。本发明的将在下文中更确切地描述一种变型，该变型能够在大约几十秒的时长之后基于信号的拐点估算该开路电压值，该信号取决于弛豫时的电压曲线。
图2示出了所述方法的第一实施方式以确定电化学电池的老化状态和实际充电状态。在第一步骤200中，在第一时刻电池处于完全充电状态或完全放电状态。所述完全充电或放电状态对应于参考极限，所述参考极限必须被检测出以计算由该图形所利用的相对充电状态参数。在步骤200中，电池的相对充电状态SOCen配置为完全充电的值100％或对应于完全放电状态的参考值。
在第二步骤201中，所述方法检测在蓄能器的端子处的非零电流I。然后，在第三步骤202中，所述方法连续地测量能量(根据步骤200的初始充电状态是完全充电状态还是完全放电状态为放电能量或充电能量)的量Qm。所述能量的量Qm由穿过所述电池的端子的电流传感器测量并且由所述控制单元由电流分析计数器计算出。
在第四步骤203中，所述方法在第二时刻检测到弛豫阶段的开始。所述弛豫阶段表征为所述电池的端子处的零电流I。
然后，在第五步骤中，所述方法在第二时刻或在弛豫阶段期间的任一时刻，基于由电流分析计数器在步骤202中测量的能量的量Qm以及已知的且保存在所述控制单元的存储器中的标称容量Cn的值，根据以下关系式确定相对充电状态SOCen的值(基于完全充电的初始状态)：
算式2
SOCen＝(Cn-Qm)/Cn，
或，根据以下关系式确定相对充电状态SOCen的值(基于完全放电的初始状态)：
算式3
SOCen＝Qm/Cn。
在第六步骤205中，所述方法包括在弛豫阶段期间由所述控制单元测量所述电池的端子处的电压。
在第七步骤206中，所述方法包括估算开路电压参数OCV。参数OCV在所述电池达到热力学平衡时通过测量所述电池的端子处的电压Uacc来估算，或已知地通过计算基于测得的电压Uacc的第一数据的模型来估算。
根据本发明的一种变型，为了将用于估算开路电压参数OCV的时间减少至几十秒，相对于弛豫时测得的电压的对数信号的拐点通过对称性来计算该参数。
为此，在步骤206期间，所述方法包括以下子步骤：
-在所述电池的弛豫期间根据从检测到弛豫阶段开始的第二时刻起所经过的时间的具有对数形式的值连续地计算所述电压的对数信号，该对数信号取决于所述电压信号Uacc，
-验证所述对数信号是否包括拐点，
-并且，在拐点时刻检测到至少一个拐点的情况下实施估算，所述估算涉及至少根据所述对数信号在所述拐点时刻的值相对于所述拐点对称地计算所述开路电压参数。
更确切地，根据该变型，所述对数信号是所述电压信号Uacc(t)的根据时间值并具有对数形式的第一表示fl，其中：
算式4
f1：log(t)Uacc(t)。
根据另一种变型，所述对数信号是具有第一对数形式的所述电压信号的根据时间值并具有对数形式的第二表示f2，其中：
算式5
f2：log(t)log(Uacc(t))。
根据另一种变型，所述对数信号是具有第二对数形式的所述电压信号Uacc(t)的根据时间值并具有对数形式的第三表示f3，其中：
算式6
f3：log(t)log(log(Uacc(t)))。
优选地选择函数f3，因为电压信号的对数信号SF与在弛豫期间正在进行相位转变的反应物的体积成正比。所述方法巧妙地利用了所述对数信号的具有“乙状”形式的预期变化特性。相对于拐点的该对称变化表征所述电池的弛豫反应期间正在进行的相位转变。此外，为了验证在所述对数信号的曲线上存在拐点，所述控制单元计算对数信号SF的二阶导数的符号。当然，拐点检测的其它计算变型也是可能的。
现在回到所述方法的顺序进程。在第八步骤207中，当所述控制单元检测到所述电池的端子处的非零电流I时，如果达到充电状态参考极限，则所述方法返回至步骤202或返回至初始步骤200。
在第九步骤208中，所述方法包括通过读取所述预定图形根据所述开路电压OCV和所述相对充电状态参数SOCen估算老化状态参数，所述预定图形提供状态参数PT的预定值。更确切地，所述老化状态参数根据以下关系式计算：
算式7
SOH＝PT(OCV)/SOCen，
其中，PT(OCV)是由所述图形对于在步骤206中估算的电压OCV以及在步骤204时计算的相对充电状态的值而发送的状态参数PT的值。
一旦基于所述图形确定了老化状态参数SOH，所述控制单元可选地在步骤208中根据所述相对充电状态计算实际充电状态参数SOCr。更确切地，所述实际充电状态根据以下关系式计算：
算式8
SOCr＝(SOH-100+SOCen)/SOH。
本发明提供了根据本发明的方法的第二实施方式以估算所述电池的实际充电状态参数。第二实施方式和第一实施方式的不同之处在于，第二实施方式涉及由特定部件(例如图1中的所述控制单元的模块24)在第一时间估算所述电池的老化状态参数，然后估算相对充电状态参数SOCen。所述方法包括以下步骤：
-检测所述电池的弛豫阶段的开始的第一时刻，
-连续地测量在弛豫时的所述电池的端子处的电压信号，
-基于在弛豫时的第二时刻测得的所述电压信号估算开路电压OCV，
-由所述控制单元确定所述电池的老化状态参数，
-然后通过读取所述预定图形根据所述开路电压OCV和所述老化参数根据以下关系式估算相对充电状态参数SOCen：
算式9
SOCen＝PT(OCV)/SOH。
最后，所述方法包括根据相对充电状态参数SOCen和所述老化状态参数SOH根据以下关系计算实际充电状态参数SOCr的计算步骤：
算式10
SOCr＝(SOH-100+SOCen)/SOH。
与第一实施方式相同，为了减少所述方法的计算时间，可相对于取决于弛豫时电压的对数信号的拐点通过对称性来计算开路电压参数OCV。
注意到，根据该第二实施方式，电流分析测量步骤和基于参考极限计算充电或放电能量的量的计算步骤不是必需的。
在图3上，更确切地描述了预定图形22，该预定图形由所述方法利用以估算参数SOH和SOCr。所述图形是在测试工作台上的研究中构建的或由电池系统的供应商提供的，并且包括开路电压OCV的预定值(以伏为单位，此处以纵坐标表示)和状态参数PT的预定值，所述状态参数等于相对充电状态SOCen与老化参数的乘积。
一种用于实施所述图形的方法涉及对于电池的多个已知的老化状态确定开路电压和相对充电状态。一旦所述图形已构建，该图形就被保存在所述控制单元的存储器中以用于根据本发明的方法的执行。
所述方法已经在锂离子类型的电池技术上在充电后和放电后的不同相对充电状态下以及在不同的老化状态下得到了验证。还注意到，所述方法对温度不敏感，因为对开路电压的估算较少地取决于所述系统的温度。
此外，当所述控制单元包括用于(通过测量、计算或建立模型)估算充电状态和老化状态两个参数的补充估算部件时，由于根据本发明的方法，因为所述方法能够联合地估算所述这些参数，所述控制单元适于实施对这些补充部件的验证控制诊断。在电流分析传感器或计算部件发生故障的情况下，可通过所述方法来检测故障。
Claims (9)
1.一种用于确定电化学电池系统的老化状态参数的确定方法，所述确定方法由所述电池系统的控制单元执行并且包括以下连续的步骤：
-检测(200)第一时刻，在所述第一时刻上所述电池在充电或放电阶段期间达到参考极限，所述参考极限能够是完全充电状态极限或完全放电状态极限，
-检测(203)所述电池的弛豫阶段的开始的第二时刻，
-连续地测量(205)在弛豫时的所述电池的端子处的电压信号，
-基于弛豫时测得的所述电压信号估算(206)开路电压(OCV)，
其特征在于，所述确定方法还包括以下步骤：
-在所述第二时刻确定(204)所述电池的相对充电状态参数(SOCen)，所述相对充电状态参数对应于根据从所述第一时刻起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态，
-通过读取预定图形根据所述开路电压(OCV)和所述相对充电状态参数(SOCen)估算(208)老化状态参数，所述预定图形根据所述开路电压的预定值提供状态参数的预定值(PT)，所述状态参数(PT)取决于所述相对充电状态参数(SOCen)和所述老化状态参数(SOH)。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述确定方法还包括根据所述相对充电状态参数(SOCen)和所述老化状态参数(SOH)计算实际充电状态参数(SOCr)。
3.根据权利要求1或2所述的确定方法，其特征在于，为了确定所述相对充电状态参数(SOCen)，所述确定方法包括由所述电池系统的电流分析测量部件(23)测量(202)在所述第一时刻与所述第二时刻之间的所述充电或放电能量的量。
4.一种用于确定电化学电池系统的实际充电状态(SOCr)的确定方法，所述确定方法由所述电池系统的控制单元执行并且包括以下连续的步骤：
-检测所述电池的弛豫阶段的开始的第一时刻，
-连续地测量在弛豫时的所述电池的端子处的电压信号，
-基于在弛豫时的第二时刻测得的所述电压信号估算开路电压(OCV)，
其特征在于，所述确定方法还包括以下步骤：
-确定所述电池的老化状态参数，
-通过读取预定图形根据所述开路电压(OCV)和所述老化状态参数估算相对充电状态参数(SOCen)，所述预定图形根据所述开路电压的预定值提供状态参数(PT)的预定值，所述状态参数(PT)取决于所述相对充电状态参数(SOCen)和所述老化状态参数(SOH)，所述相对充电状态(SOCen)对应于根据从完全充电或放电状态起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态，
-根据所述相对充电状态参数(SOCen)和所述老化状态参数(SOH)计算实际充电状态参数(SOCr)。
5.根据权利要求4所述的确定方法，其特征在于，对所述老化状态参数的确定由用于估算所述电池系统的老化状态参数的估算部件(24)估算。
6.根据权利要求5所述的确定方法，其特征在于，用于估算老化参数的所述估算部件根据所述开路电压(OCV)计算所述老化参数。
7.根据权利要求1、2、4、5、6中任一项所述的确定方法，其特征在于，为了估算所述开路电压(OCV)，所述确定方法还包括：
-在所述电池的弛豫期间根据从弛豫的开始起所经过的时间的具有对数形式的值连续地计算所述电压的对数信号，所述对数信号取决于所述电压信号，
-检测所述电压的对数信号的拐点，
-至少根据所述对数信号在检测到所述拐点的时刻的值相对于所述拐点对称地计算所述开路电压(OCV)。
8.一种电池系统的控制单元，所述电池系统包括电化学电池，其特征在于，所述控制单元还包括保存有预定图形的存储器，所述预定图形适于根据所述开路电压的预定值发送状态参数(PT)的预定值，所述状态参数(PT)取决于相对充电状态参数(SOCen)和老化状态参数(SOH)，所述相对充电状态(SOCen)对应于根据从完全充电或放电状态起的充电或放电能量的量相对于所述电池的标称容量计算出的充电状态，并且所述控制单元包括用于实施根据权利要求1至7中任一项所述的确定方法的部件。
9.一种机动车辆，包括根据权利要求8所述的控制单元。
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