CN114188618A - 用于求取电池系统的充电状态的方法、电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于求取电池系统（10）的充电状态的方法，所述电池系统具有至少一个电池电芯（16）和附加的储能器（24），所述储能器与所述至少一个电池电芯（16）串联连接并且能够接通和能够断开。根据本发明，所述方法包括下述方法步骤：‑接通所述附加的储能器（24）；‑以预给定的时间间距测量所述附加的储能器（24）的电压；‑根据所述附加的储能器（24）的经测量的电压和电压特性曲线求取所述附加的储能器（24）的容量变化；‑根据所述附加的储能器（24）的经求取的容量变化求取所述附加的储能器（24）的单位时间充电量；‑根据经求取的单位时间充电量求取所述电池系统（10）的充电状态。

Description

用于求取电池系统的充电状态的方法、电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于求取电池系统的充电状态的方法，该电池系统具有至少一个电池电芯和附加的储能器，该储能器与至少一个电池电芯串联连接并且能够接通和能够断开。本发明还涉及一种电池系统，该电池系统设置用于执行根据本发明提出的方法。
此外，本发明涉及一种车辆，该车辆设置用于执行根据本发明提出的方法和/或该车辆包括根据本发明提出的电池系统。
背景技术
如今，在车辆中大多通过12V/24V铅酸电池来保证在行驶期间对安全相关的部件（例如制动辅助装置、转向辅助装置、在高度自动化的行驶的情况下的自动转向/制动）的供应并且保证对总是再次在泊车阶段中被唤醒的控制器的供应。未来，这些铅酸电池能够由锂离子电池代替。这种新的电池类型需要满足对铅酸电池所提出的要求，即新电池的电压水平通常需要持久地处在9V与15V之间。另外，在具有至少ASIL B（D）（Automotive SafetyIntegrity Level，汽车安全完整性等级）的所谓的安全操纵中，必须确保安全相关的部件的能源可用性。为了满足电压要求，通常将四个磷酸铁锂电芯（LFP电芯）相互串联连接。磷酸铁锂电芯具有非常平坦的空载电压特性曲线（Open-Circuit Voltage，开路电压，OCV），该空载电压特性曲线妨碍能源可用性所需要的精确的充电状态估计（State Of Charge，充电状态，SOC）。这需要在行驶期间以及在泊车阶段中进行连续的电流积分。根据现有技术，电流连续地测量为测量电阻上的电压降。在此，用于积分和评估的电池管理系统必须连续地一起运行。然而，电池管理系统消耗高达10mA的电流，这需要对12V锂离子电池进行成本密集的过度定尺寸。例如，在30天的长期泊车阶段的情况下，仅为了电池管理系统的供电，就需要大约7Ah（90Wh）的过度定尺寸。在20Ah的可用容量的情况下，过度定尺寸和成本增加了大约30%。
文件JP 2016-32415 A描述一种串并联电池组和一种用于控制串并联电池组的方法。在此，串并联电池组包括多个可充电的电池。
文件DE 10 2013 201 346 A1描述一种用于求取储能器的充电状态的设备和方法。在此，通过施加附加的直流电压来求取储能器的空载电压。
发明内容
提出一种用于求取电池系统的充电状态的方法。在此，电池系统具有至少一个电池电芯和附加的储能器。在此，附加的储能器与至少一个电池电芯串联连接。在此，附加的储能器能够接通和能够断开。如果电池系统具有多个电池电芯，则这些电池电芯能够相互串联或者并联连接。如果电池电芯在电芯层面上并联连接，则只需要一个附加的储能器。如果电池电芯连接成串联的线路并且所述线路并联连接，则优选为每个线路设置附加的储能器。
优选地，附加的储能器是可充电的。例如，附加的储能器能够构造为二次电池电芯或者电容器。一旦附加的储能器放电，就再次对其完全充电。附加的储能器必须满足在接通的运行中的电流要求。附加的储能器能够具有比电池电芯的容量更少的容量并且在电压方面不同。优选地，附加的储能器具有陡峭的静态电压特性曲线。
根据本发明，首先接通附加的储能器。然后，以预给定的时间间距测量附加的储能器的电压。视附加的储能器的尺寸、电池管理系统的实际电流消耗和充电状态求取的所需要的精度而定地，这个电压测量的频率能够在数小时与数天之间。
然后，根据经测量的电压和附加的储能器的空载电压特性曲线（OCV-SOC-特性曲线）求取附加的储能器的容量变化。优选地，当电流不等于零时，附加地使用具有附加的储能器的等效电路图模型的SOC估计器算法。
然后，根据附加的储能器的经求取的容量变化求取该附加的储能器的单位时间充电量。然后，根据经求取的单位时间充电量求取电池系统的充电状态。
在求取附加的储能器的单位时间充电量和电池系统的充电状态时，同时考虑附加的储能器的和各个电池电芯的温度和自放电速率和其他参量。电池系统的容量变化（以Ah为单位）由从附加的储能器的容量变化中减去电池系统或者至少一个电池电芯与附加的储能器之间的在持续时间中在自放电方面的区别得出。
根据本发明提出的方法优选包括其他的方法步骤。在此，断开附加的储能器。然后，求取电池系统的关于时间的电流曲线。在此，能够借助于与至少一个电池电芯串联连接的测量电阻来求取该电流。在此，电流连续地求取为测量电阻上的电压降。还能够借助于电流传感器来求取电池系统的电流。然后，根据电池系统的经求取的电流来求取电池系统的充电状态。在此，由经由测量电阻的经求取的电流的连续积分求取电池系统的单位时间充电量。根据这个经求取的单位时间充电量来求取电池系统的充电状态。通过对电流进行积分来求取充电状态，也被称为库仑计数（Coulomb-Counting）。
在此，通过定期的完全充电借助于附加的储能器的模拟的空载电压和附加的储能器的空载电压特性曲线能够校正在电流测量时能够出现的偏移误差，该偏移误差能够在例如在A/D转换器（Analog-Digital-Wandler，模数转换器）或者电流传感器的情况下进行电流测量时出现，所述完全充电理解为电池系统的大于95%的充电状态。
优选地，根据本发明提出的方法此外还包括其他方法步骤：
- 断开所述附加的储能器；
- 测量各个电池电芯的电压；
- 对所述电池电芯完全充电；
- 根据在完全充电的状态中的经测量的空载电压校正所述各个电池电芯的充电状态。
还提出一种电池系统。电池系统在此设置用于执行根据本发明提出的方法。在此，电池系统包括至少一个电池电芯和附加的储能器，所述附加的储能器与所述至少一个电池电芯串联连接并且能够接通和能够断开。为了监测和控制根据本发明提出的电池系统，该电池系统具有电池管理系统，在该电池管理系统中，根据本发明提出的方法能够转化为能够实施的计算机程序。
优选地，电池管理系统设置为具有睡眠模式和运行模式。在睡眠模式中，定期地根据在电池管理系统中编程的软件循环时间短暂地启动电池管理系统。在这个“清醒时间”期间，由电池管理系统执行对电池系统的检查，以便研究全部的数据（例如电压、温度、充电状态等等）的可能的变化和误差。同时，电池管理系统能够控制措施，以便优化电池系统的效率和使用寿命。即，例如：通过冷却和必要时通过加热确保适合的温度水平。当例如车辆关掉时或者说处在泊车阶段中时，电池管理系统处在睡眠模式中。在运行模式中，电池管理系统是清醒的，并且如果存在电池系统的故障，则始终监测电池系统的状态（例如电压、电流和温度）并且采取措施。例如，当车辆开动时，电池管理系统处在运行模式中。
在电池管理系统的睡眠模式中，接通附加的储能器。电池管理系统定期地从睡眠模式中被唤醒，即电池管理系统进入运行模式，并且借助于电压测量和附加的储能器的空载电压特性曲线来求取电池系统的充电状态。如果附加的储能器放电，则再次对其完全充电。在附加的储能器已再次完全充电之后，电池模块再次进入睡眠模式。由此能够实现具有非常低的电流消耗的精确的充电状态求取。在此，能够通过电池系统经由电压监测线路对附加的储能器进行充电。
如此选择附加的储能器的容量，使得电池管理系统长时间地、例如数小时地保持在睡眠模式中。
为了接通和断开附加的储能器，根据本发明提出的电池系统能够具有单极的转换开关。替代地，根据本发明提出的电池系统能够具有用于接通和切断附加的储能器的开关装置。在此，开关装置包括第一开关，借助该第一开关能够切断附加的储能器并且能够通过旁通线路桥接该附加的储能器，在该旁通线路中容纳有第二开关。
为了求取根据本发明提出的电池系统的电流，这个电池系统能够具有测量电阻，该测量电阻与至少一个电池电芯串联连接。根据在测量电阻处的电压降来求取所述电流。也能够设想，根据本发明提出的电池系统包括用于检测电池系统的电流的电流传感器。
有利地，附加的储能器构造为二次电池电芯，例如锂离子电池电芯。这个二级电池电芯必须具有陡峭的空载电压特性曲线，例如具有例如NMC化学成分、NCA化学成分、LTO化学成分的锂离子电池电芯。
替代地，附加的储能器能够构造为电容器。例如，附加的储能器能够构造为超级电容器。
此外，本发明涉及一种车辆，该车辆设置用于执行根据本发明的方法和/或该车辆包括根据本发明提出的电池系统。在此，能够如此实施根据本发明提出的方法，使得在车辆行驶时，断开附加的储能器并且通过求取根据本发明提出的电池系统的电流来求取根据本发明提出的电池系统的充电状态，而在根据本发明提出的车辆的泊车阶段中，接通附加的储能器并且借助于电压测量以及附加的储能器的空载电压特性曲线来求取根据本发明提出的电池系统的充电状态。
本发明的优点
借助根据本发明提出的方法，在车辆的泊车阶段中明显降低电池管理系统的电流消耗。因此，电池管理系统能够在睡眠模式中保持更长的时间。另外，在更低的电流消耗的情况下，根据本发明提出的方法能够实现具有充电状态求取的至少一个ASIL B。
另外，能够以更低的成本实现ASIL C，因为基于电池自我消耗，只需要电池系统的更小的过度定尺寸。
此外，借助根据本发明提出的方法能够提高电池系统的可用性。
除此之外，实现电池系统的更高的可用能量，因为借助根据本发明提出的方法不需要用于充电状态求取的附加的容量储备。
借助根据本发明提出的方法，能够可靠地求取电池系统的充电状态，由此能够实现行驶安全相关的部件的更安全的运行和能量供应。
另外，借助根据本发明提出的方法能够更准确地求取具有平坦的空载电压特性曲线的电池系统的充电状态，例如具有LFP电芯的电池系统的充电状态。
附图说明
根据附图和下面的描述更详细地阐述本发明的实施方式。
附图示出：
图1 具有附加的储能器的电池系统的示意图，该附加的储能器是断开的，
图2 电池系统的示意图，其中，附加的储能器是接通的，以及
图3 用于求取电池系统的充电状态的方法流程的示意图。
具体实施方式
在下面对本发明的实施方式的描述中，相同的或者相似的元件用相同的附图标记表示，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复描述。附图仅示意性示出本方面的主题。
图1示出用于对车辆的车载网络、例如12V车载网络进行能源供应的电池系统10的示意图。电池系统10在此设置用于执行根据本发明提出的方法。
在此，电池系统10包括正电池端子12和负电池端子14。此外，电池系统10包括四个相互串联连接的电池电芯16和用于监测和控制电池系统10的电池管理系统18。
另外，电池系统10包括用于将电池系统10与车辆的车载网络分离的安全断路开关20。在此，电池管理系统18设置用于控制安全断路开关20。
为了求取电池系统10的电流，电池系统10具有测量电阻22。在此，电池管理系统18设置用于测量在测量电阻22处的电压降并且求取电池系统10的电流。
此外，电池系统10具有与电池电芯16串联连接的附加的储能器24，该附加的储能器在当前情况下在图1中通过单极的转换开关26与电池电芯16断开，该转换开关由电池管理系统18控制。在此，附加的储能器24能够构造为二级电池电芯、例如锂离子电池电芯，或者构造为电容器、例如超级电容器。
电池电芯10还具有用于保护电池系统10以防过电流的保险装置28和用于与车辆的其他部件、例如车辆控制单元（Vehicle Control Unit，VCU）进行通信的通信接口30。
在当前情况下在图1中示出在运行模式中在开动车辆之后或者说在车辆行驶时的电池系统10。在此，电池管理系统18设置用于由电池系统10的经求取的电流的连续积分求取电池系统10的充电状态。
在此，通过定期的完全充电借助于附加的储能器的模拟的空载电压和附加的储能器的空载电压特性曲线能够校正偏移误差，所述完全充电理解为电池系统的大于95%的充电状态。
图2示出图1中的电池系统10的示意图，其中，附加的储能器24通过单极的转换开关26与电池电芯16接通。
在当前情况下在图2中示出在睡眠模式中在关掉车辆之后或者说在车辆的泊车阶段中的电池系统10。在此，电池管理系统18设置用于以预给定的时间间距测量附加的储能器24的电压。视附加的储能器24的尺寸、电池管理系统18的实际电流消耗和充电状态求取的所需要的精度而定地，这个电压测量的频率能够在数小时与数天之间。在此，电池管理系统18同样设置用于根据附加的储能器24的经测量的电压和电压特性曲线在考虑附加的储能器24的温度和自放电速率等等的情况下求取附加的储能器24的单位时间充电量并且计算电池系统10的充电状态。
一旦附加的储能器24放电，电池管理系统18就被唤醒，即电池管理系统18进入运行模式并且再次对附加的储能器24完全充电。在附加的储能器24已完全充电之后，电池管理系统18再次进入睡眠模式。
图3示出用于求取电池系统10的充电状态的方法流程100的示意图。
在方法步骤101中，启动根据本发明提出的方法。同时，在方法步骤102中，识别电池管理系统18的状态。在此识别，电池管理系统18是在睡眠模式中还是在运行模式中。
如果电池管理系统18处在睡眠模式中，则在方法步骤103中接通附加的储能器24。然后，在方法步骤104中，以预给定的时间间距测量附加的储能器24的电压。
在方法步骤105中，根据附加的储能器24的经测量的电压和电压特性曲线，求取附加的储能器24的容量变化。
随后，在方法步骤106中，根据附加的储能器24的容量变化求取附加的储能器24的单位时间充电量。
在方法步骤107中，根据附加的储能器24的单位时间充电量求取电池系统10的充电状态。在此，同时考虑附加的储能器24的温度和自放电速率和其他参量。
如果电池管理系统18处在运行模式中，则在方法步骤108中断开附加的储能器24。然后，在方法步骤109中，连续地求取电池系统10的电流。在此，能够使用测量电阻或者电流传感器。
在方法步骤110中，根据电池系统10的经求取的电流，由电流的连续积分求取电池系统10的充电状态。
本发明不限于在这里描述的实施例和在其中强调的方面。相反地，在通过权利要求给定的范围内能够实现处于本领域技术人员的能力范围内的多种修改。

Claims (8)

1.用于求取电池系统（10）的充电状态的方法，所述电池系统具有至少一个电池电芯（16）和附加的储能器（24），所述附加的储能器与所述至少一个电池电芯（16）串联连接并且能够接通和能够断开，
所述方法包括下述方法步骤：
- 接通所述附加的储能器（24）；
- 以预给定的时间间距测量所述附加的储能器（24）的电压；
- 根据所述附加的储能器（24）的经测量的电压和电压特性曲线求取所述附加的储能器（24）的容量变化；
- 根据所述附加的储能器（24）的经求取的容量变化求取所述附加的储能器（24）的单位时间充电量；
- 根据经求取的单位时间充电量求取所述电池系统（10）的充电状态。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法此外包括下述方法步骤：
-断开所述附加的储能器（24）；
-求取所述电池系统（10）的关于时间的电流曲线；
-根据所述电池系统（10）的经求取的单位时间充电量求取所述电池系统（10）的充电状态。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，所述方法此外包括下述方法步骤：
-断开所述附加的储能器（24）；
-测量各个电池电芯（16）的电压；
-对所述电池电芯（16）完全充电；
-根据在完全充电的状态中的经测量的空载电压校正所述各个电池电芯（16）的充电状态。
4.电池系统（10），所述电池系统设置用于执行根据权利要求1或者2所述的方法。
5.根据权利要求3所述的电池系统（10），其特征在于，
所述附加的储能器（24）构造为二次电池电芯。
6.根据权利要求3所述的电池系统（10），其特征在于，
所述附加的储能器（24）构造为电容器。
7.根据权利要求5所述的电池系统（10），其特征在于，
所述附加的储能器（24）构造为超级电容器。
8.车辆，所述车辆设置用于执行根据权利要求1或者2所述的方法和/或所述车辆包括根据权利要求3至6中任一项所述的电池系统（10）。
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