CN117355758A - 用于确定电池或电芯中能量的量的方法和控制设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定电池或电芯中能量的量(20)的方法，其中，接收起始充电状态(10)，其中，接收最终充电状态(11)，其中，接收起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间的负载曲线(12)，其中，确定起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间的中间充电状态(14)和相关的加权系数(15)，其中，针对每个确定出的中间充电状态(14)估计电池或电芯的等效电路模型(30)的参数(16)，并且其中，基于负载曲线(12)、加权系数(15)和参数(16)确定在起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间电池或电芯的能量的量(20)并作为能量的量信号(21)提供。本发明涉及一种用于确定电池或电芯中能量的量(20)的控制设备(1)。
Description
本发明涉及一种用于确定电池或电芯中能量的量的方法和控制设备。
由于交通工具不断电气化，电池、尤其锂离子电池变得越来越重要。一个重要的参数是在电池运行中获取或加入的能量的量或者说能源量(Energiemenge)。借助于能量的量可确定剩余行驶里程、运行时间或电池充满电所需的能量的量。能量的量在此可以在充电方向和放电方向上确定。此外还可以确定电池充电状态(engl：SOC)之间的区间中的能量的量。能量的量的准确确定对于确定电池(当前的)状态至关重要。
由文献US7612532B2已知一种用于自适应多参数回归的递归方法，该方法通过遗忘因数扩展，其对于每个回归参数都是单义的。这种方法的应用可包括铅酸电池、镍金属氢化物电池和锂离子电池。介绍了一种控制方法，该方法具有任意数量的分别带有自己的时间加权系数的模型参数。包括一种用于确定用于时间加权系数的最佳值的方法，以便使最近获得的用于确定系统状态的数据具有更大影响。使用了加权递归最小二乘法，其中时间加权与指数遗忘形式对应。得出的结果不包括矩阵反演，并且该方法是迭代式的，即每个参数在每个时间步上都单独反馈。
本发明要解决的技术问题是实现一种方法和一种控制设备，用于确定电池或电芯中的能量的量，其中，可以可靠地确定能量的量。
上述技术问题按照本发明通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求6的特征的控制设备解决。本发明有利的设计方案由从属权利要求得出。
尤其提供一种用于确定电池或电芯中能量的量的方法，其中，接收起始充电状态，其中，接收最终充电状态，其中，接收起始充电状态和最终充电状态之间的负载曲线，其中，确定起始充电状态和最终充电状态之间的中间充电状态和相关的加权系数，其中，针对每个确定出的中间充电状态估计电池或电芯的等效电路模型的参数，并且其中，基于负载曲线、加权系数和参数确定在起始充电状态和最终充电状态之间电池或电芯的能量的量并作为能量的量信号或者说能源量信号(Energiemengensignal)提供。
此外尤其提供一种用于确定电池或电芯中能量的量的控制设备，其中，所述控制设备设置为：接收起始充电状态，接收最终充电状态，接收起始充电状态和最终充电状态之间的负载曲线，确定起始充电状态和最终充电状态之间的中间充电状态和相关的加权系数，针对每个确定出的中间充电状态估计电池或电芯的等效电路模型的参数，并且基于负载曲线、加权系数和参数确定在起始充电状态和最终充电状态之间电池或电芯的能量的量并作为能量的量信号提供。
该方法和控制设备实现了更好地确定能量的量，尤其估算或者估定或者估计能量的量。为此规定，对在起始充电状态和最终充电状态之间的区间内的中间充电状态，分别估计电池或电芯的等效电路模型的参数。参数在此尤其根据分别讨论的中间充电状态估计。此外在估计参数时还尤其考虑温度或温度相关性。因此参数尤其取决于相应的中间充电状态和分别存在的温度。温度例如可以通过电池或电芯上的温度传感器检测或者可以通过其他方式提供，例如估计。基于接收到的负载曲线、加权系数和估计的参数，确定电池或电芯在起始充电状态和最终充电状态之间的能量的量。确定出的能量的量作为能量的量信号提供。能量的量信号可以是模拟的或数字的。能量的量信号例如可传输至电池控制装置和/或交通工具控制装置或充电基础设施。
该方法和控制设备的一个优点是，通过考虑与充电状态有关的和尤其也与温度有关的参数，可以更好地考虑电池或电芯中出现的损耗。因此可以更好地确定起始充电状态和最终充电状态之间的能量的量。
起始充电状态和最终充电状态尤其位于电池或电芯的最小充电状态和最大充电状态之间。起始充电状态和最终充电状态例如作为模拟或数字的起始充电状态信号和模拟或数字的最终充电状态信号被接收，例如从电池控制装置和/或交通工具控制装置接收。起始充电状态和最终充电状态也可在电池控制装置或交通工具控制装置处被查询。
负载曲线尤其涉及充电和/或放电时在起始充电状态和最终充电状态之间的电流。负载曲线可以基于检测的传感器数据(电流测量)，也可以基于预定的、如模拟或估计的数据。负载曲线尤其可以是时间分辨的。
等效电路模型的参数例如可以根据经验对于电池的不同充电状态和温度确定。确定出的参数然后存储在存储器中，尤其控制设备的存储器中，并可根据需要检索，并且在要估计对于中间充电状态的参数时必要时插值式提供。然而替选或额外地也可以通过模拟确定和/或估计参数。
确定出的中间充电状态尤其在为了确定能量的量而执行的数值积分中形成控制点。尤其规定，起始充电状态和最终充电状态之间的中间充电状态和相关的加权系数作为预设值由选定的数值积分方法确定。换句话说，选定的数值积分方法将中间充电状态和相关加权系数规定作为控制点。由此可以通过在电池或电芯的电压上的积分确定所有任意充电状态区间内的能量的量。例如可以选择开式或闭式牛顿-科特斯公式作为数值积分方法，其中使用等分布的控制点。通过高斯-勒让德积分法甚至可以使用不等分布的控制点。所述方法在控制点的选择上不同，但其余程序相同。尤其积分总是以控制点处电压的加权和计算。不过原则上也可以使用其他数值积分方法。
控制设备的部分可以单独或综合设计为由硬件和软件构成的组合，例如设计成在微控制器或微处理器上执行的程序代码。然而可以规定，部分单独设计或组合设计成专用集成电路(ASIC)或者现场可编程门阵列(FPGA)。
该方法和控制设备尤其可用于交通工具，尤其机动车中。但交通工具原则上也可以是其他陆地、铁路、水上、空中或太空交通工具，例如无人机或空中出租车。原则上该方法和控制设备也可用于其他移动或固定储能设备。
一般能量的量可以如下计算：
在此QNominal是电池或电芯的容量，单位为Ah(安培小时)，SOCstart是起始充电状态，SOCEnd是最终充电状态(分别是无单位地作为百分比或0和1之间的值)，U是电池或电芯的电压，SOC是电池或电芯的充电状态。
积分通过数值积分方法，例如通过开放式或封闭式牛顿-科特斯公式之一求解：
在此wi是对应于中间充电状态SOCi的控制点i上的加权系数。
在一种实施方案中规定，等效电路模型包括至少一个作为电压源的空载电压、至少一个串联电阻和至少一个RC元件。由此可以考虑到电池或电芯中的主要效应，尤其可以通过至少一个RC元件考虑时间相关的特性。尤其等效电路模型具有多于一个的RC元件，以便可以考虑电池或电芯内多个时间相关的过程。
在一种实施方案中规定，为了确定能量的量，对于每个中间充电状态，至少由空载电压、串联电阻上的串联电阻电压和至少一个RC元件上的RC元件电压确定电池或电芯的总电压。这实现特别有效地确定能量的量。RC元件尤其是串联的。
电池或电芯的电压为：
在此Uocv是空载电压，UR0是串联电阻电压，URC,n是第n个RC元件上的RC元件电压。这适用于每个中间充电状态SOCi：
空载电压Uocv根据中间充电状态SOCi作为等效电路模型的参数被估计。
对于能量的量E则适用：
在另外的实施方式中规定，负载曲线以电流均方值和电流平均值的形式接收，其中，对于中间充电状态，由电流均方值和电流平均值确定分别在串联电阻上的串联电阻电压。这允许可靠地确定串联电阻电压，尤其在电流走向不恒定的负载曲线的情况下。
对于取决于中间充电状态SOCi的串联电阻电压UR0：
在此R0是取决于中间充电状态SOCi的串联电阻，IRMS是电流的均方根值，IAvg是电流的平均值。R0是参数，其通过等效电路模型对相应的中间充电状态估计。平均值也可以是所讨论的控制点周围多个控制点的平均值(例如平滑的平均值的形式，其考虑预定数量的控制点)。
在另外的实施方式中规定，为了确定至少一个RC元件上的RC元件电压，确定从起始充电状态开始直到到达相应的所讨论的中间充电状态的时间，其中，RC元件电压基于确定出的时间和至少一个RC元件的时间常数确定。由此可以更好地估计至少一个RC元件的RC元件电压，并且结果可以更好地确定总电压。
对于达到相应的所讨论的中间充电状态SOCi的时间ti：
取决于中间充电状态SOCi的RC元件电压URC,n：
在此τn是对于第n个RC元件的时间常数。RC元件电阻RRC,n作为参数根据中间充电状态SOCi通过等效电路模型估计。
为了减少所需的计算能力，在一种实施方案中还可以认为RC元件是饱和的，以便其可以通过恒定电阻代替。这种方法尤其在恒定负载(负载曲线中恒定电流)和/或起始充电状态与最终充电状态之间的区间较大的情况下可行。
相对于控制设备的设计的另外的特征由对方法的设计的说明得出。在此，控制设备的优点分别与方法的设计中的优点相同。
下面参照附图根据优选实施例进一步阐述本发明。附图中：
图1示出用于确定电池或电芯中能量的量的控制设备的实施方式的示意图；
图2示出根据本方法的实施方式在控制设备中处理的流程示意图；
图3示出等效电路模型的示意图。
图1中示出用于确定电池或电芯中能量的量20的控制设备1的实施方式的示意图。
控制设备1包括计算装置2和存储器3。计算装置2例如是微处理器或微控制器，在其上执行程序代码，以执行本公开中所述的方法。但也可以规定固定接线的硬件组件，其部分或完全执行该方法。控制设备1可以是电池控制装置的一部分。
起始充电状态10、最终充电状态11和负载曲线12被传送至控制设备1。此外还可规定给控制设备1输入电池或电芯的当前温度13。电池或电芯的当前温度例如可以通过温度传感器50检测和/或估计。控制设备1也可以和温度传感器50组成一个共同的装置。起始充电状态10、最终充电状态11和负载曲线12例如从能量管理系统(未示出)或交通工具(未示出)的交通工具控制装置51查询和/或提供。起始充电状态10、最终充电状态11和负载曲线12由控制设备1接收并由计算装置2处理。
根据所述方法的一种实施方式，在控制设备1中的处理示意性作为流程图在图2中示出，其表示信号流。控制设备1设置用于确定起始充电状态11和最终充电状态12之间的中间充电状态14和相关的加权系数15。这在模块100中进行。对于每个确定出的中间充电状态14，控制设备1都在模块101中估计电池或电芯的等效电路模型的参数16。这尤其在考虑温度13的情况下进行。例如基于等效电路模型的根据经验确定的参数进行估计。在此可以规定，根据经验确定的参数被插值。替选或者额外地可以规定，基于模拟估计参数。
在图3中示出示例等效电路模型。在该示例中规定，等效电路模型30包括至少一个以电容C形式建模的空载电压Uocv作为电压源、串联电阻R0和具有电阻R1、R2和电容C1、C2的两个RC元件RC1、RC2。但原则上，等效电路模型30也可以有更多或更少的RC元件RC1、RC2。
作为参数16(图2)，根据相应的中间充电状态14尤其估计空载电压Uocv(图3)、串联电阻R0(图3)、RC元件RC1、RC2的电阻R1、R2(图3)和RC元件RC1、RC2的时间常数。此外，对于起始充电状态10也估计RC元件RC1、RC2上的电压。
基于尤其作为电流平均值12-1和电流均方值12-2提供的负载曲线12(图2)、加权系数15和参数16，在模块102中确定在起始充电状态10和最终充电状态11之间电池或电芯的能量的量20。确定出的能量的量20作为能量的量信号21提供。
为了确定能量的量尤其规定，对于每个中间充电状态14，至少由空载电压Uocv、串联电阻R0上的串联电阻电压UR0和RC元件RC1、RC2上的RC元件电压URC1、URC2确定电池或电芯的总电压U(图3)。
在此尤其规定，对于中间充电状态14，由电流的均方值12-2(图2)和电流的平均值12-1(图2)确定分别在串联电阻R0上的串联电阻电压UR0。此外尤其规定，为了确定至少一个RC元件RC1、RC2(图3)上的RC元件电压URC1、URC2，确定从起始充电状态10开始直到到达相应的所讨论的中间充电状态14的时间，其中，RC元件电压URC1、URC2基于确定出的时间和至少一个RC元件RC1、RC2的时间常数确定。
然后对电池或电芯的所产生的总电压U在起始充电状态10和最终充电状态11之间的区间上进行数值积分，以获得能量的量20。这例如可以通过开放式或封闭式牛顿-科特斯公式进行。不过原则上也可以使用其他数值积分方法。然后由获得的能量的量20生成能量的量信号21，其以适当形式对能量的量20的值编码。能量的量信号21例如可以输入电池控制装置52或交通工具控制装置51。
该方法和控制设备尤其能更好地确定电池或电芯的能量的量。该方法和控制设备可以有利地在不同温度和不同大小的充电状态区间下使用。此外还可以考虑非恒定负载曲线，以便更好地考虑出现的损耗。也可以考虑不同的充电历史，因为始终考虑电池的当前充电状态。
附图标记列表
1 控制设备
2 计算装置
3 存储器
10 起始充电状态
11 最终充电状态
12 负载曲线
12-1 电流平均值
12-2 电流均方值
13 温度
14 中间充电状态
15 加权系数
16 参数
20 能量的量
21 能量的量信号
30 等效电路模型
50 温度传感器
51 交通工具控制装置
52 电池控制装置
100-102 模块
Cx 电容
C 电容(空载电压)
RCx RC元件
Rx 电阻
U 总电压
Uocv 空载电压
R0 串联电阻
UR0 串联电阻电压
URCX RC元件电压
Claims (10)
1.一种用于确定电池或电芯中能量的量(20)的方法，
其中，接收起始充电状态(10)，
其中，接收最终充电状态(11)，
其中，接收起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间的负载曲线(12)，
其中，确定起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间的中间充电状态(14)和相关的加权系数(15)，
其中，针对每个确定出的中间充电状态(14)估计电池或电芯的等效电路模型(30)的参数(16)，并且其中，基于负载曲线(12)、加权系数(15)和参数(16)确定在起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间电池或电芯的能量的量(20)并作为能量的量信号(21)提供。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，等效电路模型(30)包括至少一个作为电压源的空载电压(Uocv)、至少一个串联电阻(R0)和至少一个RC元件(RCx)。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，为了确定能量的量(20)，对于每个中间充电状态(14)，至少由空载电压(Uocv)、串联电阻(R0)上的串联电阻电压(UR0)和所述至少一个RC元件(RCx)上的RC元件电压(URCx)确定电池或电芯的总电压U。
4.按照权利要求2或3之一所述的方法，其特征在于，负载曲线(12)以电流均方值(12-2)和电流平均值(12-1)的形式接收，其中，对于中间充电状态(14)，由电流均方值(12-2)和电流平均值(12-1)确定分别在串联电阻(R0)上的串联电阻电压(UR0)。
5.按照权利要求3或4所述的方法，其特征在于，为了确定至少一个RC元件(RCx)上的RC元件电压(URCx)，确定从起始充电状态(10)开始直到到达分别相应的中间充电状态(14)的时间，其中，RC元件电压(URCx)基于确定出的时间和至少一个RC元件(RCx)的时间常数确定。
6.一种用于确定电池或电芯中能量的量(20)的控制设备(1)，其中，所述控制设备(1)设置为：
接收起始充电状态(10)，
接收最终充电状态(11)，
接收起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间的负载曲线(12)，
确定起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间的中间充电状态(14)和相关的加权系数(15)，
针对每个确定出的中间充电状态(14)估计电池或电芯的等效电路模型(30)的参数(16)，并且基于负载曲线(12)、加权系数(15)和参数(16)确定在起始充电状态(10)和最终充电状态(11)之间电池或电芯的能量的量(20)并作为能量的量信号(21)提供。
7.按照权利要求6所述的控制设备(1)，其特征在于，等效电路模型(30)包括至少一个作为电压源的空载电压(Uocv)、至少一个串联电阻(R0)和至少一个RC元件(RCx)。
8.按照权利要求7所述的控制设备(1)，其特征在于，所述控制设备(1)设置为，为了确定能量的量(20)，对于每个中间充电状态(14)，至少由空载电压(Uocv)、串联电阻(R0)上的串联电阻电压(UR0)和至少一个RC元件(RCx)上的RC元件电压(URCx)确定电池或电芯的总电压(U)。
9.按照权利要求7或8之一所述的控制设备(1)，其特征在于，所述控制设备(1)设置为，负载曲线(12)以电流均方值(12-2)和电流平均值(12-1)的形式接收，其中，对于中间充电状态(14)，由电流均方值(12-2)和电流平均值(12-1)确定分别在串联电阻(R0)上的串联电阻电压(UR0)。
10.按照权利要求8或9所述的控制设备(1)，其特征在于，所述控制设备(1)设置为，为了确定至少一个RC元件(RCx)上的RC元件电压(URCx)，确定从起始充电状态(10)开始直到到达分别相应的中间充电状态(14)的时间，并且基于确定出的时间和至少一个RC元件(RCx)的时间常数确定RC元件电压(URCx)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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