CN117597591A - 用于确定可充电电池的健康状态的方法 - Google Patents
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Abstract
披露了一种对可充电电池进行开环和闭环控制的方法，该可充电电池具有至少一个储能电芯、至少一个温度传感器、电流测量装置、电压测量装置以及可充电电池控制装置，该可充电电池控制装置具有至少一个可充电电池存储装置。该方法涉及以下方法步骤：‑将可充电电池从第一荷电状态调节至第二荷电状态；‑在经过第一预定持续时间之后、在达到预定温度值之后、在达到预定电流强度值之后、或者在所确悉的第一电流强度值与所确悉的第二电流强度值之差达到预定阈值的情况下生成第一电流强度值；‑在达到该第一电流强度值之后确悉第一电压值；‑在经过第二预定持续时间之后调节第二电流强度值；‑在达到该第二电流强度值之后确悉第二电压值；以及‑通过该第一电流强度值与该第二电流强度值之差同该第一电压值与该第二电压值之差的商确定该可充电电池的第一阻抗值。还披露了用于执行该方法的可充电电池和充电器。
Description
技术领域
本发明涉及一种对用于为动力工具供应电能的可充电电池进行开环和闭环控制的方法，该可充电电池包含至少一个储能电芯、至少一个温度传感器、电流测量装置、电压测量装置还以及可充电电池控制装置，该可充电电池控制装置具有至少一个可充电电池存储装置。
此外，本发明涉及一种用于执行该方法的可充电电池。
另外，本发明涉及一种用于执行该方法的充电器。
背景技术
可充电电池通常用于为各种设备或机器供应电能。可充电电池为例如钻、锤钻、锯、研磨机、螺丝刀等动力工具供应电能的用途同样非常广为人知。可充电电池通常具有用于储存或提供电能的多个储能电芯(也被称为电芯或可充电电池电芯)。在这种情况下，储能电芯技术例如可以基于Li离子、Li聚合物、Li金属、Ni-Cd、Ni-MH等。
由于各种老化机制，储能电芯的容量或实际性能可能在可充电电池的寿命内改变或降低。可充电电池的容量和性能通常随着可充电电池的生命周期而损失；这种损失对可充电电池的所谓的“健康状态”具有直接影响。可充电电池的实际健康状态通常也缩写为SOH。
有必要正确地或准确地确定可充电电池的实际容量或SOH，以便能够确悉精确的使用时间段或可充电电池作为能量供应使用的剩余可能性。对可充电电池的容量或性能的不准确指示可能导致用户认为可充电电池的(剩余)容量或性能比实际可用的要高得多。使用(剩余)容量或性能意外过低的可充电电池可能导致例如可充电电池操作的动力工具的运用变得不连续，并且相应地导致其使用变得不高效。
同样有必要正确地或准确地确定可充电电池的实际容量或SOH，以便为可充电电池进行快速且有效的充电，以便能够确定必要的电能充电量，还以便确定在用充电器为可充电电池充电时的实际充电时间。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述问题并且提供一种对可充电电池进行开环和闭环控制的方法，该方法使得可以确保尽可能准确地确定可充电电池的容量或性能。此外，目的还在于提供一种用于执行该方法的可充电电池还以及充电器，使得可以尽可能准确地确定可充电电池的容量或性能。
该目的通过权利要求1、3和4的主题来实现。在对应的从属权利要求中呈现了有利的实施例。
在这种情况下，该目的通过一种对用于为动力工具供应电能的可充电电池进行开环和闭环控制的方法来实现，该可充电电池包含至少一个储能电芯、至少一个温度传感器、电流测量装置、电压测量装置还以及可充电电池控制装置，该可充电电池控制装置具有至少一个可充电电池存储装置。
根据本发明，该方法包括以下方法步骤：
-将可充电电池从第一荷电状态调节至第二荷电状态；
-在经过第一预定持续时间之后、在达到预定温度值之后、在达到预定电流强度值之后、或者在所确悉的第一电流强度值与所确悉的第二电流强度值之差达到预定阈值的情况下生成第一电流强度值；
-在达到该第一电流强度值之后确悉第一电压值；
-在经过第二预定持续时间之后调节第二电流强度值；
-在达到该第二电流强度值之后确悉第二电压值；以及
-通过该第一电流强度值与该第二电流强度值之差同该第一电压值与该第二电压值之差的商确定该可充电电池的第一阻抗值。
由于可充电电池的阻抗或内部电阻与可充电电池的容量和性能直接相关，因此可以通过所确悉的阻抗或内部电阻值来确定可充电电池的实际容量和性能。可充电电池的阻抗或内部电阻越高，可充电电池的容量和性能就越低。可充电电池的实际容量和性能也可以被称为可充电电池的健康状态(SoH)。
将可充电电池从第一荷电状态调节至第二荷电状态的方法步骤可以是充电过程或放电过程，在充电过程中，电能从充电器传递至可充电电池，在放电过程中，电能从可充电电池传递至动力工具。
根据本发明的一个有利实施例，可以在达到第一电流强度值后经过第三预定持续时间之后确悉第一电压值。第三预定持续时间为1秒与5秒之间、特别是3秒，并且用于驰豫且因此用于更准确地确定可充电电池或电芯的电压。
可充电电池的特定电压(即最大电压、标称电压或最小电压)取决于相应的可充电电池电芯技术还以及可充电电池内部的串联连接的可充电电池电芯的数量。
容量通常以安培小时(Ah)来指定或测量，并且表示可充电电池可以包含的电荷。容量由单个可充电电池电芯的容量和可充电电池中并联连接的可充电电池电芯的数量计算出。对于给定可充电电池电压，在此，较高的容量意味着可充电电池可以存储较多的能量。
例如，指定了通过可充电电池可以供应的最大电流，以便指定可充电电池的性能。由于可充电电池电芯在高电流下发热并且仅被允许在特定温度范围内操作，因此还可以通过可充电电池可以持续特定时间或直到完全放电所供应的电流来描述可充电电池的性能。性能在非常大的程度上取决于可充电电池的(对交流电的)阻抗。阻抗也可以被称为可充电电池电芯或可充电电池的内部电阻。
用于为动力工具供电的可充电电池通常包含锂离子电芯(Li离子)，这些可充电电池通常通过常规充电器以所谓的CCCV方法(恒定电流恒定电压)充入电能。在这种情况下，充电器的充电电子器件产生恒定的充电电流通过可充电电池(恒定电流–CC)，结果是可充电电池电压升高。一旦达到可充电电池最大电压，充电电子器件(恒定电压-CV)就使可充电电池电压保持恒定，对应地，充电电流减小。一旦达到充电电流的预定最小值，充电电子器件就结束充电过程，可充电电池电芯充满电。CC阶段到CV阶段的过渡通常在大约80％的荷电状态(即容量)下发生。
可充电电池的可充电电池电压通常是单个可充电电池电芯的电压的倍数并且取决于可充电电池电芯是并联连接还是串联连接。在电芯电压为3.6V的Li离子可充电电池电芯的情况下，因此得到的示例性可充电电池电压为3.6V、7.2V、10.8V、14.4V、18V、36V等。优选地，可充电电池电芯实施为至少大致圆柱形的圆形电芯，电芯端子布置在圆柱形的端部处。电接口包括特别是至少两个电接触元件，这些电接触元件被配置用于传递能量。然而，替代性地，电接口还可以具有用于感应充电的辅助充电线圈元件。
在本发明的一个特定实施例中，通过CCCV方法来执行充电过程，其中，通过确悉在CC阶段之前的第一充电值以及在CC阶段与CV阶段期间的另外的充电值来确定剩余容量。因此，在CC阶段之前测量开路电压并且在此之后执行所谓的“库仑计数”，库仑计数检测电子的数量，以用于确定可充电电池的电荷。
优选地，在CC阶段期间，通过在达到预定的可充电电池电压后持续特定持续时间之后使充电电流从第一值减小到第二值来确定可充电电池的剩余性能。此外，可以通过在各自情况下在改变充电电流之后直至测得可充电电池电压所经过的等待时间来确定可充电电池的剩余性能。此外，提供的是，在充电过程期间、特别是在CC阶段期间以规则时间间隔重复确定剩余性能。
阻抗随着时间的推移而增大是可充电电池电芯老化的结果。相比之下，可充电电池或充电器中的载流元件(触点、导体轨道、电缆等)的阻抗变化可忽略不计。因此，特别有利于实现对可充电电池进行直接电压测量，以便忽略载流元件的阻抗。无论是各个可充电电池电芯的电压还是整个可充电电池的电压都可以得到确悉。可以在充电过程期间进行一次或重复地进行这种阻抗测量。多次测量既允许合理化且因此避免测量误差，也允许更精确且更详细的估计。
可充电电池的剩余容量、剩余性能和/或健康状态可以特别有利地输出在外部显示单元上。在这种情况下，可充电电池、充电器、或者替代性地和/或作为补充的智能手机、平板电脑、PC等的显示器(LCD、OLED、电子纸(ePaper)等)和LED显示器都可以用作显示单元。经由对应的通信接口实现了可充电电池与所述显示单元之间的通信。在这种情况下，可以使用专有BUS，比如通过电缆或无线电的标准协议进行传输。
进一步的优点将从以下对附图的描述中变得明显。在附图中展示了本发明的各种示例性实施例。附图、说明书和权利要求中包含许多组合的特征。本领域技术人员还将方便地单独考虑这些特征并且组合这些特征以形成有用的进一步组合。
附图说明
在附图中，相同的部件和相同类型的部件由相同的附图标记来标示。在附图中：
图1a示出了穿过连接至充电器的可充电电池的截面图；
图1b示出了穿过连接至动力工具的可充电电池的截面图；
图2示出了用于展示对可充电电池进行开环和闭环控制的方法的示意图；
图3示出了CCCV充电过程的图形表示；以及
图4示出了用于展示对可充电电池的阻抗值进行确定的图形表示。
具体实施方式
图1a示出了可释放地连接至充电器2的可充电电池1。
可充电电池1可以用作动力工具3的能量供应。在图2中，动力工具3以可充电电池操作的螺丝刀的形式展示。
可充电电池1基本上包含可充电电池壳体4、多个储能电芯5、可充电电池接口6、电流测量装置7、电压测量装置8、温度传感器9、可充电电池存储装置10、显示和输入装置11还以及可充电电池控制装置12。
可充电电池壳体4包含顶侧4a、底侧4b、左侧壁、右侧壁、前侧4c和后侧。图1a中仅示出了顶侧4a、底侧4b、前侧4c和后侧4d。
可充电电池接口6定位在可充电电池壳体4的顶侧4a并且用于将可充电电池3可释放地连接至充电器2或动力工具3。为此目的，可充电电池接口6包含机械联接装置、电连接装置还以及通信连接。机械联接装置、电连接装置和通信连接均未在附图中示出。
附图中未示出可充电电池接口6的机械联接装置、电连接装置和通信连接。
可充电电池1可以藉由机械联接装置、以形状配合和力配合的方式连接至充电器2或动力工具3。当可充电电池1连接至充电器2时，电能可以藉由电连接装置从充电器2传递至可充电电池1。同样，当可充电电池1连接至动力工具3时，电能可以从可充电电池1传递至动力工具3。通信连接用于使得信息和数据能够以信号的形式在可充电电池1与充电器2之间或在可充电电池1与动力工具3之间进行交换。信息和数据可以尤其包括充电或放电参数、温度值、荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、(剩余)容量、电压、电流强度等。
可充电电池控制装置12基本上邻近可充电电池壳体4的顶侧定位，并且用于对可充电电池1的各种功能进行开环和闭环控制。
储能电芯5以三排定位在可充电电池壳体4的内部，使得温度传感器9定位在第二排储能电芯5与第三排储能电芯之间。温度传感器9用于在居中定位的储能电芯5之一处检测可充电电池1的内部的温度。温度传感器9经由线路连接至可充电电池控制装置12。由于在充电或放电过程期间可充电电池1的内部或中央中的储能电芯5通常温度最高，因此对所述居中定位的储能电芯5处的温度进行检测的温度传感器9可以确立最高温度并且因此极快速地确立可充电电池1的临界高温。
此外，可充电电池控制装置12内包含电流测量装置7、电压测量装置8和可充电电池存储装置10。
电流测量装置7用于检测或测量各个储能电芯5处的电流强度。如图1a中所指示的，电流测量装置7因此连接至每个单独的储能电芯5。检测或测量各个储能电芯5处的电流强度使得可以确悉整个可充电电池1的电流强度。
电压测量装置8用于检测或测量各个储能电芯5处的电压。如图1a中所指示的，电压测量装置8因此连接至每个单独的储能电芯5。检测或测量各个储能电芯5处的电压使得可以确悉整个可充电电池1的电压。
存储装置10用于存储和提供各种各样的信息和数据，例如用于可充电电池1的各种充电或放电参数的查找表。这些参数尤其包括温度曲线、或者电压或电流强度的阈值。
显示和输入装置11(也可以被称为人机接口(HMI))定位在可充电电池壳体4的前侧。如图1a中所指示的，显示和输入装置11连接至可充电电池控制装置12，使得显示和输入装置11的显示部分上呈现各种数据和信息项。特别地，可以在显示部分上显示可充电电池1的荷电状态或容量。
用户可以在显示和输入装置11的输入部分上选择和调节可充电电池1的各种操作状态(替代性地称为操作模式或模式)。各种操作状态例如包括特定的充电或放电状态。在可选择的第一操作状态下，为可充电电池1设置CCCV充电方法。在可选择的第二操作状态下，为可充电电池1设置快速充电方法，采用该方法，可以以相对较高的充电电流实现相对较短的充电时间。在可选择的第三操作状态下，为可充电电池1设置缓慢且温和的充电方法，采用该方法，可以以相对较低的充电电流实现相对较长的充电时间，但充电对储能电芯5来说是温和的(即不那么繁重)。
充电器2包含充电器壳体13、充电器接口14、充电器存储装置15还以及充电器控制装置16。
充电器控制装置16包含电流测量装置16a和电压测量装置16b。
充电器壳体13包含顶侧13a、底侧13b、左侧壁、右侧壁、前侧13c和后侧13d。图1a中仅示出了顶侧13a、底侧13b、前侧13c和后侧13d。
充电器接口14定位在充电器壳体13的顶侧13a并且用于将充电器2可释放地连接至可充电电池1。为此目的，充电器接口14包含机械联接装置、电连接装置还以及通信连接。
充电器2的机械联接装置、电连接装置和通信连接以与可充电电池1的机械联接装置、电连接装置和通信连接相对应的方式实施，使得充电器接口14的部件以及可充电电池接口6的部件可以对应地连接至彼此。
附图中未示出充电器接口14的机械联接装置、电连接装置和通信连接。
此外，充电器2具有电力连接电缆17，该电力连接电缆从充电器壳体14伸出并且连接至充电器控制装置16。电力连接电缆17用于将充电器2可释放地连接至电网电源(电源插座)。
图2示出了可释放地连接至动力工具3的可充电电池1。如上文已经描述的，在图2中，动力工具3被实施为可充电电池操作的螺丝刀。替代性地，动力工具3还可以被实施为锤钻、钻、锯、研磨机等。被实施为可充电电池操作的螺丝刀的动力工具3基本上包含壳体18、手柄19还以及工具配件20。
动力工具2的壳体18进而包含顶侧18a、底侧18b、前端18c和后端18d。壳体18的内部中基本上包含驱动器21、传动装置22、输出轴23和控制设备24。驱动器21被实施为电动马达并且用于产生转矩。如图2所示，驱动器21、传动装置22、输出轴23和工具配件20相对于彼此布置，使得驱动器21所产生的转矩可以经由传动装置22和输出轴23而传递至工具配件20。
工具配件20用于接纳和固持被定位在前端18c处的工具25。工具25是螺丝刀头。
手柄19允许用户(未示出)握持和引导动力工具3。在这种情况下，手柄19包含上端19a和下端19b。手柄19通过上端19a固定至动力工具2的壳体19的底侧19b。具有动力工具接口27的基部设备26定位在手柄19的下端19b处。
此外，手柄19具有启用开关28，该启用开关连接至控制装置24。启用开关28使得用户能够根据启用开关28的定位而将动力工具2置于启用状态或停用状态。在启用状态下，驱动器21产生转矩。
动力工具接口27用于将动力工具3可释放地连接至可充电电池1。为此目的，动力工具接口27包含机械联接装置、电连接装置还以及通信连接。
动力工具3的机械联接装置、电连接装置和通信连接以与可充电电池1的机械联接装置、电连接装置和通信连接相对应的方式实施，使得动力工具3的部件以及可充电电池接口6的部件可以对应地连接至彼此。
附图中未示出动力工具3的机械联接装置、电连接装置和通信连接。
图3示出了CCCV充电过程的图形表示，充电器2在阶段P1中提供恒定充电电流(CC–恒定电流)IC2，直至达到最大可充电电池电压。从时间点t结束开始，充电电流IC2的值在第二阶段P2期间连续减小，可充电电池电压保持恒定(CV–恒定电压)。
图2示出了用于展示在可充电电池1充电期间对可充电电池1进行开环和闭环控制的方法的示意图。
为了执行该方法，首先，在方法步骤S1，将可充电电池1连接至充电器2，使得可充电电池1和充电器2两者的对应机械联接装置、电连接装置和通信连接联接至彼此。通过将可充电电池1和充电器2两者的通信连接联接起来，关于充电规格或充电参数、特别是最大充电电流或最大充电电压的阈值的数据和信息项在可充电电池1与充电器2之间进行交换。将可充电电池1和充电器2两者的电连接装置连接起来的结果是，电能从充电器2被传导至可充电电池1，在充电器2处调节充电电流强度IC2的值。在这种情况下，根据从可充电电池1经由通信连接到达充电器2的对应信号来调节充电电流强度IC2的值。藉由可充电电池1的电压测量装置8来检测充电电流强度IC2时的充电电压UR1。替代性地，可以藉由充电器2的电压测量装置16b来检测充电电流强度IC2时的充电电压UR1。将检测到的充电电压UR1的值存储在可充电电池存储装置10中。替代性地，可以将检测到的充电电压UR1的值存储在充电器存储装置15中。
在方法步骤D1的第一持续时间t1(参见图4)之后，在第二方法步骤S2，对可充电电池1充电的第一电流强度值IC1进行调整，第一电流强度值IC1低于充电电流强度值IC2。通过可充电电池控制装置12、或者根据本发明的替代性实施例通过充电器控制装置16来调节电流强度值。
在这种情况下，第一电流强度值IC1可以是0A(语言表达：零安培)。
第一持续时间t1为5秒至10秒。此外，在第二方法步骤S2期间，检测可充电电池1的温度以及可充电电池电压或充电电压UR2。
根据本发明的替代性实施例，不是在第一持续时间D1(或图4中的t1)之后调整可充电电池1充电的第一电流强度值IC1，而是在达到预定温度值之后、在达到预定电流强度值之后、或者在所确悉的第一电流强度值与所确悉的第二电流强度值之差达到预定阈值的情况下调整。
在第二方法步骤S2期间，借助公式F1，通过第一电流强度值IC1与第二电流强度值IC2之差以及第一电压值UR1与第二电压值UR2之差的商来确定可充电电池的阻抗Z。
公式F1：
Z＝|(UR1-UR2)/(Ic1-Ic2)|
在持续时间t2之后，将第二电流强度值IC2调回至第一电流强度值IC1，参见图4。
可充电电池1的阻抗与可充电电池1或其储能电芯5的温度直接相关。因此，在确定阶段P1的阻抗的过程期间，通过温度传感器9检测温度。借助于控制装置以及存储装置中存储的温度值查找表，可以根据相应检测到的可充电电池1的温度确定阻抗。检测到的温度值存储在存储装置中。替代性地，借助于温度值的查找表，可以确定在25℃的温度下的阻抗归一化值。
如图3中所指示的，根据本发明的一个示例性实施例，借助于上文所描述的方法确定阻抗Z是在整个阶段P1期间以规则的时间间隔执行的。
方法步骤D2涉及确定是否旨在结束可充电电池1的充电过程。如果旨在继续充电过程，则在另一持续时间t1之后再次确定阻抗Z。
对于阶段P1，所确定的阻抗值存储在存储装置中，从而存在一定数量的阻抗值。在方法步骤S3，可以通过所确定的多个阻抗值计算出平均阻抗值，所述平均阻抗值相对于可能的荷电状态和温度依赖性相对稳健。使用计算出的多个平均阻抗值使得可以确定可充电电池1在可充电电池的整个使用时期的容量和性能。
在方法点D3，可以确定平均阻抗值是否达到了预定的阻抗阈值。预定的阻抗阈值存储在存储装置中。如果已达到所确悉的平均阻抗的阈值，可充电电池1的容量和性能不再足以进一步用作动力工具3的能量供应。于是，可充电电池1的控制装置10可以阻止可充电电池1的使用(即充电和放电)。
根据本发明的上述方法描述了可充电电池1在充电器2上的充电过程。然而，根据本发明的方法还可以用于可充电电池1在动力工具3上作为能量供应的放电过程。在可充电电池1的放电过程期间执行该方法与在可充电电池1的充电过程期间执行该方法几乎相同。与在可充电电池1的充电过程期间执行该方法相比，在放电过程期间，电能从可充电电池1传递至动力工具3。
附图标记清单
1 可充电电池
2 充电器
3 动力工具
4 可充电电池壳体
4a 可充电电池壳体的顶侧
4b 可充电电池壳体的底侧
4c 可充电电池壳体的前侧
4d可充电电池壳体的后侧4d
5 储能电芯
6 可充电电池接口
7可充电电池的电流测量装置
8可充电电池的电压测量装置
9可充电电池的温度传感器
10 可充电电池存储装置
11 显示和输入装置
12 可充电电池控制装置
13 充电器壳体
13a 充电器壳体的顶侧
13b 充电器壳体的底侧
13c 充电器壳体的前侧
13d 充电器壳体的后侧
14 充电器接口
15 充电器存储装置
16 充电器控制装置
16a 电流测量装置
16b 电压测量装置
17 电力连接电缆
18 动力工具的壳体
18a 动力工具壳体的顶侧
18b 动力工具壳体的底侧
18c 动力工具壳体的前端
18d 动力工具壳体的后端
19 手柄
19a 手柄的上端
19b 手柄的下端
20 工具配件
21 驱动器
22 传动装置
23 输出轴
24 控制设备
25 工具
26 基部设备
27 动力工具接口
28 启用开关
Claims (4)
1.一种对用于为动力工具(2)供应电能的可充电电池(1)进行开环和闭环控制的方法，该可充电电池(1)包含至少一个储能电芯(5)、至少一个温度传感器(9)、电流测量装置(7)、电压测量装置(8)还以及可充电电池控制装置(12)，该可充电电池控制装置具有至少一个可充电电池存储装置(10)，
其特征在于以下方法步骤
-将该可充电电池(1)从第一荷电状态调节至第二荷电状态；
-在经过第一预定持续时间之后、在达到预定温度值之后、在达到预定电流强度值之后、或者在所确悉的第一电流强度值与所确悉的第二电流强度值之差达到预定阈值的情况下生成第一电流强度值；
-在达到该第一电流强度值之后确悉第一电压值；
-在经过第二预定持续时间之后调节第二电流强度值；
-在达到该第二电流强度值之后确悉第二电压值；以及
-通过该第一电流强度值与该第二电流强度值之差同该第一电压值与该第二电压值之差的商确定该可充电电池(1)的第一阻抗值(Z)。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于，在达到该第一电流强度值后经过第三预定持续时间之后确悉该第一电压值。
3.一种用于执行如权利要求1或2所述的方法的可充电电池(1)，
其特征在于，该可充电电池(1)包含至少一个储能电芯(5)、至少一个温度传感器(9)、电流测量装置(7)、电压测量装置(8)还以及可充电电池控制装置(12)，该可充电电池控制装置具有至少一个可充电电池存储装置(10)。
4.一种用于执行如权利要求1或2所述的方法的充电器(2)，
其特征在于，该充电器(2)包含充电器控制装置(16)，该充电器控制装置具有至少一个充电器存储装置(15)。
Applications Claiming Priority (3)
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| EP21192300.8A EP4137831A1 (de) | 2021-08-20 | 2021-08-20 | Verfahren zum bestimmen des gesundheitszustands eines akkumulators |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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