CN102959791A - 用于确定多个蓄电池单元的至少一个状态的方法、计算机程序、蓄电池和机动车 - Google Patents

用于确定多个蓄电池单元的至少一个状态的方法、计算机程序、蓄电池和机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，所述状态的确定通过借助于至少一个观测结构(20)来观测蓄电池单元来实现，并且其中，观测蓄电池单元的全体(nges)的子集(nx)，并且针对比所观测的蓄电池单元(10)更多的蓄电池单元(10)确定由所述观测导出的所述状态。此外，本发明还涉及一种可实现依据本发明的方法的计算机程序以及一种具有蓄电池管理***的蓄电池，所述蓄电池管理***以如下方式构造，即利用其可实现依据本发明的方法。此外，本发明还涉及一种具有依据本发明的蓄电池的机动车。

Description

用于确定多个蓄电池单元的至少一个状态的方法、计算机程序、蓄电池和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法。
此外，本发明还涉及一种计算机程序，利用它可实现依据本发明的方法，以及一种具有至少一个蓄电池管理***的蓄电池，其中，所述蓄电池管理***通过如下方式构造，即利用它可实现依据本发明的方法。此外，本发明还涉及一种具有依据本发明的蓄电池的机动车。
背景技术
包括一个或多个直流蓄电池单元的蓄电池充当电化学的蓄能器和能量转换器。在蓄电池或者相应的蓄电池单元放电时，在蓄电池中所存储的化学能通过电化学氧化还原反应转换成电能。因此，能够根据用户的需要而提供电能。
尤其在混合动力或者电动车辆中，在所谓的蓄电池组中应用锂离子蓄电池或者镍氢蓄电池，它们由大量的串联的电化学单元组成。通常，包括蓄电池状态识别装置在内的蓄电池管理***用于安全监控并且用于确保尽可能长的使用寿命。
由DE 199 59 019 A1公知一种用于识别蓄能器状态的方法，利用所述方法在使用模型、滤波器和参数估计器的情况下能够执行准确且可靠的蓄能器诊断。通过参数估计能够确定由于蓄能器老化或者故障而调整的模型参数，并且使该模型持续不断地补偿和跟踪实际状态，该估计基本上以该模型为依据。
此外，出于安全监控的目的并且为了确保尽可能长的使用寿命，公知的是，与蓄电池电流和蓄电池温度一起测量每个单个的单元的电压并且在充电状态和/或老化状态方面进行状态估计。
在技术上高价值的蓄电池管理***中使用调节技术上的观测结构(Beobachterstruktur)。这种观测结构例如在图1中示出。
将观测器理解为如下***，该***借助于模型并且在使用公知的固定输入量和/或测量量的情况下确定或者导出状态。这种状态通常在其量上由于其复杂程度不可测量或者用非常高的开支才可测量。
因此，在该模型中，观测器模拟实际的调节路径或者真实的***。观测器能够包括调节器，其跟踪可测量的状态量。公知的观测器是所谓的卢恩伯格(Luenberger)观测器。
通过使用观测器或者观测结构(如在图1中所示)，能够随时精确地确定蓄电池组的状态使用寿命和容量。在此所使用的单元模型相应于理论映射(Abbildung)或者数学模型。它们具有大量用于描述单个单元容量和阻抗的参数。根据这些参数计算出该单元和整个组的内含能量和容量，以及使用寿命预测。这些值同样能够是单元模型或者观测结构的参数。
所述参数通常在其方面具有对状态量例如温度、充电状态、电流强度和类似量的多维的依赖性。因此，产生复杂的参数空间，在该参数空间中能够观测所述参数。专注的观测器与每个单元相关联。
出于校正每个单元模型的目的，利用实际存在于相关的蓄电池单元处或之中的条件或者其参量(例如温度)来持续不断地执行单元模型与相应的单元之间的补偿调整。
常见的观测结构20(如在图1中所示)并联于蓄电池单元10地布置。将流过蓄电池单元10的电流IBat的值作为信息转交给观测结构20。同样，将在蓄电池单元10处或之中所测得的单元温度TCell的值转交给观测结构20。将在蓄电池单元10处所测得的电压VCell与在观测结构20的单元模型中确定的模型电压VMod进行比较并且将由此得出的差电压50的值再次转交给观测结构20。由观测结构20来估计充电状态30以及老化状态40。
在此，所示出的观测结构20不单局限于确定充电状态30和老化状态40，而是根据需要并且依赖于计算容量也可确定其他的状态。同样，观测结构20也不局限于输入电流强度、温度和电压的值。
在将观测结构用于获取蓄电池单元状态的时候，借助于单元模型和调节技术上的观测结构不仅在其充电状态中而且在老化特定的参数(例如所谓的“健康状态(SOH，“老化状态”)”)中跟踪每个单个的单元。
在此，缺点是，这种过程与巨大的计算开支和存储器需求联系在一起，此外这些开支和需求还随着单元数量的增加而成比例地上升。这在蓄电池平台***的汽车工业通常所期望的可标定性以及由此需要的计算能力方面是不利的，该可标定性在生产不同功率的蓄电池***中对于降低开支和成本是必要的。
发明内容
依据本发明提供了一种用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，所述状态的确定通过借助于至少一个观测结构20来观测蓄电池单元来实现，并且其中，观测蓄电池单元的全体nges的子集nx，并且针对比所观测的蓄电池单元更多的蓄电池单元确定由所述观测导出的所述状态。
在这里，观测器模型是如下单元模型，其是描述实际的调节路径的蓄电池单元的数学映射。
通过仅仅观测蓄电池单元的全体nges的子集nx能够明显降低蓄电池管理***的计算开支和存储需求。
在依据本发明的方法的设计方案中，所述状态的确定借助于估计来实现。替代地，也能够进行计算。也就是说，所述观测结构估计或者计算一个或多个状态。
依据本发明的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法尤其能够通过如下方式构造，即针对所观测的蓄电池单元以及也针对未观测的蓄电池单元确定各自的状态。
优选地，确定相应的组的所有的蓄电池单元的状态，也就是说在空间上和在电路技术上彼此相连的蓄电池单元的状态。
至少一个可确定的状态是充电状态或者老化状态。优选地，依据本发明的方法通过如下方式来构造，即可确定一个或多个蓄电池单元上的两种状态。
在依据本发明的方法的特别有利的实施形式中如此设置，即将所有蓄电池单元nges的全体划分成小组，其中，一个小组与蓄电池单元的相应的一个子集ni相关联，并且其中，所述观测交替地按小组实现。也就是说，依次确定蓄电池单元的小组的状态。在此，所述方法的流程循环地执行。对减少的单元数量的这种交替观测取代同时监控所有单元是本发明的重要方面。通过按小组地观测能够明显降低蓄电池管理***的计算开支和存储需求，但是其中观测质量与观测所有的蓄电池单元相比没有丝毫降低，这是因为依次观测了所有的小组并且从所述观测中导出或者确定的状态涉及所有的蓄电池单元。
在所述方法的另一优选的设计方案中如此设置，即所述观测借助于单元模型来实现，所述单元模型具有至少一个参数，从所述参数中能够计算蓄电池单元的至少一个状态。
所述蓄电池单元的观测的持续时间tB与安排给蓄电池单元的全体的观测时间间隔tobs的关系优选为tB/tobs＝1/5*106…1/5*105。
有利地，作为单元模型基础的时间常数τobs明显小于观测时间间隔tobs。因此，例如针对提供机动车驱动功率的蓄电池来说，观测时间间隔tobs能够假定为10年或者大约行驶100000千米。这相应于大约2000个运行小时。在这种情况下，时间常数τobs能够小于1小时，并且观测蓄电池单元的持续时间tB能够大约为1至10分钟，优选为1至5分钟。
对蓄电池单元的全体的原理性工作原理的认识并且尤其是对均匀地向所有蓄电池单元施加确定的影响或者物理量的认识允许依据本发明的方法的如下设计方案，即其中针对至少一个参数υ分析：所述蓄电池单元的全体nges的所述参数υi的方差(Streuung)σ是多大，其中，在所述方差σ未超过先前设定的临界值σmax的情况下，将所述参数的平均变化量Δυk用于确定所述蓄电池单元的全体nges中的所有蓄电池单元的各自的状态。
在此，参数的平均变化量Δυk的应用能够通过对其的直接的计算来实现或者以限定的因子进行加权。
因此，能够通过充分利用蓄电池组的原理性工作原理来避免观测质量的降低。
此外，依据本发明提供了一种计算机程序，在将其加载到数据处理装置的存储机构中之后，所述计算机程序使得所述数据处理装置能够执行依据本发明所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法。
作为对本发明的补充还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有如下程序，在将它加载到数据处理装置的存储机构中之后，它使得所述数据处理装置能够执行依据本发明所述的的方法；以及还提供了一种将所述计算机程序从电子数据网(例如因特网)下载到与数据网连接的数据处理装置上的方法。
此外，依据本发明提供了一种蓄电池，尤其是尤其是锂离子蓄电池或者镍氢蓄电池，其中，所述电池包括多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此相连的蓄电池单元以及至少一个蓄电池管理***，并且所述蓄电池与机动车的驱动***可连接，其中，所述蓄电池管理***如此地被构造，即用于实现依据本发明所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法。
此外，依据本发明提供了一种机动车，其包括至少一个依据本发明的蓄电池。
借助于依据本发明的方法能够在对所观测的单元的参数跟踪方面降低蓄电池管理***的计算开支和存储需求。此外，能够利用固定的、受限制的硬件资源来改善蓄电池平台***以及与其相连的蓄电池管理***的可标定性。
除了上述优点，需要较低的硬件成本和/或较少地依赖于蓄电池单元数量的硬件变型方案。确保了相对高的观测质量，这是因为在观测蓄电池单元的子集的时候，尤其是不在交替地进行观测的时候，没有明显的信息损失。所述观测结构能够借助于软件和适当的处理器来实现并因此成本很低。
附图说明
借助于附图和后续的描述对本发明进行详细阐述。其中：
图1示出了设有常规的观测结构的蓄电池单元；以及
图2示出了将蓄电池单元和观测结构划分成小组。
具体实施方式
图1中所示的常规的观测结构已经在对现有技术的阐述中描述过了。
在图2中示出了所有在其至少一个状态方面有待获取的蓄电池单元的全体。蓄电池单元10以及与其相关联的观测结构20被划分成四个小组1、2、3和4。
但是，本发明在此并不局限于根据图2的实施形式，而是与其不同地也可以仅仅将多个不带有分别相关联的观测结构的蓄电池单元10整合成小组，其中，各小组由至少一个上位的观测结构来观测。观测结构的运算能力与此相应地适配。
依据本发明的方法优选通过交替地分别仅仅观测所安装的蓄电池单元10的一部分来执行，即分别编排在一个小组1、2、3或4中的蓄电池单元。如果所有蓄电池单元10组或其全体nges具有n个单元，那么能够有利地观测子集m＝n/x，其中，n、x和m均有利地是整数。在图2的示例中，n＝24个单元分成x＝4个小组而每个小组有m＝6个单元。对单个小组的观测交替地进行，计数顺序能够任意地选择。特别是建议循环执行。
为了确定所需要的硬件资源并由此能够计划实现该方法的成本并且将其保持得很低，尤其能够在设计蓄电池组的时候总是使同时观测的单元数量m保持相同或者在确定的临界值之下。因此，仅用所有蓄电池单元10的组或者全体nges中的单元数量n来标定小组数量x。
因为所观测的单元参数依赖于老化并且因为电化学单元的老化一般来说相对缓慢，所以观测时间间隔tobs相应地长。只要确保观测器的时间常数τobs明显小于观测时间间隔tobs(τobs＜＜tobs)，就能够特别有利地使用依据本发明的方法。能够适当地选择直至下一次变换的观测某一小组的持续时间，但是同样应该明显小于必要的观测时间间隔。因此，例如针对提供机动车驱动功率的蓄电池来说，观测时间间隔tobs能够假定为10年或者大约行驶100000千米。这相应于约2000个运行小时。在这种情况下，时间常数τobs能够小于1小时，并且观测蓄电池单元的持续时间tB能够大约为1至10分钟，优选为1至5分钟。
因为所有单元在所观测的蓄电池单元的全体nges中都优选地串联，所以给它们加载相同的蓄电池电流。这同样适用于设计具有多个并联功率线路的蓄电池单元的全体nges时的第一近似法
Figure BPA00001657006700071
因此，充电性能是相同的。由于蓄电池单元10之间一般热偶合良好并且它们的运行在空间上接近，所以单个的蓄电池单元10的热要求根据期望同样是相似的。因此，单个的蓄电池单元10的老化的两种主要原因以及因此单个蓄电池单元10的参数变化均是相似的。这种情况能够用于进一步提高观测质量并且确保近似连续的观测。
为此，针对单元模型的某一参数υ分析：组或者所有蓄电池单元的全体nges中的所有蓄电池单元10的参数υi的方差σ是多大。在σ未超过待限定的临界值的前提下(也就是说，所有蓄电池单元的全体nges的蓄电池单元10具有相似特性)，在所观测的小组中确定的平均变化量Δυk完全地或者以待限定的因子进行加权地转用到所有未观测的蓄电池单元10上。
由此能够在蓄电池组或者所有蓄电池单元的全体nges中在一定(不是不可能的)条件下假定单元参数的观测品质在理想的情况下具有如在同时观测所有单元的情况下的相同的值，但是带有明显降低的硬件开支。

Claims (10)

1.一种用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元(10)的至少一个状态的方法，其中，所述状态的确定通过借助于至少一个观测结构(20)来观测蓄电池单元(10)来实现，其特征在于，观测蓄电池单元的全体(nges)的子集(nx)，并且针对比所观测的蓄电池单元(10)更多的蓄电池单元(10)确定由所述观测导出的状态。
2.根据权利要求1所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，所述状态的确定借助于估计来实现。
3.根据前述权利要求中的至少一项所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，针对所观测的蓄电池单元(10)以及也针对未观测的蓄电池单元(10)确定各自的状态。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，至少一个可确定的状态是充电状态或者老化状态。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，所有蓄电池单元的所述全体(nges)划分成小组，其中，一个小组与蓄电池单元(10)的相应的一个子集(ni)相关联，并且其中，所述观测交替地按小组实现。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，所述蓄电池单元的所述观测的持续时间(tB)与安排给所述蓄电池单元的所述全体(nges)的观测时间间隔(tobs)的关系为tB/tobs＝1/5*106…1/5*105。
7.根据权利要求6所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法，其中，针对至少一个参数(υ)分析：所述蓄电池单元的所述全体(nges)的参数(υi)的方差(σ)是多大，其中，在所述方差(σ)未超过先前设定的临界值(σmax)的情况下，将所述参数的平均变化量(Δυk)用于确定所述蓄电池单元的所述全体(nges)的所有的蓄电池单元(10)的各自的状态。
8.一种计算机程序，在将其加载到数据处理装置的存储机构中之后，所述计算机程序使得所述数据处理装置能够执行根据权利要求1至7中任一项所述的用于确定多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此连接的蓄电池单元的至少一个状态的方法。
9.一种蓄电池，尤其是锂离子蓄电池或者镍氢蓄电池，所述蓄电池包括多个在空间上整合而成并且在电路技术上彼此相连的蓄电池单元以及至少一个蓄电池管理***，并且所述蓄电池与机动车的驱动***可连接，其中，所述蓄电池管理***如此地被构造，即用于实现根据权利要求1至7中至少一项所述的方法。
10.一种机动车，其包括至少一个根据权利要求9所述的蓄电池，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动***相连接。
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