CN104204831B - 用于确定蓄电池的最大可用恒定电流的方法、用于实施这样的方法的装置、与这样的装置结合的蓄电池及具有这样的蓄电池的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定蓄电池的最大可用的恒定电流的方法、一种用于实施这样的方法的装置、一种结合这样的装置的蓄电池及一种具有这样的蓄电池的机动车，它们尤其是能够被用于避免可用的电流限制的不期望的大的改变并且用于与蓄电池的老化状态无关地提供最大可使用的变化率。为此提出了：在用于确定蓄电池在第一预测时间段(T)上最大可用的第一恒定电流(Ilim)的方法中考虑对于之后的第二预测时间段的最大可用第二恒定电流的确定。

Description

用于确定蓄电池的最大可用恒定电流的方法、用于实施这样 的方法的装置、与这样的装置结合的蓄电池及具有这样的蓄 电池的机动车
技术领域
本发明涉及一种用于确定蓄电池的最大可用的恒定电流的方法、一种用于实施这样的方法的装置、一种结合这样的装置的蓄电池及一种具有这样的蓄电池的机动车，它们尤其是能够被用于避免可用的电流限制的不期望的大的改变并且用于与蓄电池的老化状态无关地提供最大可使用的变化率。
背景技术
在尤其是在机动车中使用蓄电池时存在以下问题，即该蓄电池在确定的预测时间段上能够持续地以何种恒定的电流来最大化地进行放电或者充电，而不会损坏对于蓄电池的运行参数尤其是对于单池电压的限制。由现有技术已知两种用于确定这种蓄电池在预测时间段上的最大可用的恒定电流的方法。
在第一种由现有技术已知的方法中，最大可用的恒定电流借助于等效电路迭代地加以确定。其中，该蓄电池在每次迭代中在总的预测时间段上持续地以假设确定的恒定的电流来进行模拟。以相对低的电流值开始该迭代。如果在模拟中未达到该蓄电池的电压边界，那么将提高用于下次迭代的电流值；如果达到了电压边界，那么该迭代结束。然后，最后的、在该电流值的情况下在模拟中未曾达到该蓄电池的电压边界的电流值能够用作最大可用的恒定电流。在该方法中的缺点在于迭代和模拟需要巨大的计算开销。
在第二种由现有技术已知的方法中，最大可用的恒定电流借助于取决于温度和充电状态的组合特征曲线(Kennfelder)加以确定。在该方法中的缺点在于该组合特征曲线需要巨大的存储器开销。此外缺点还在于，由于在离散地存储的组合特征曲线的应用中的固有的近似而必须设置一个安全余量，该安全余量将使得该***的尺寸过大。
这也是已知的，通过借助于等效电路的分析性运算来确定最大电流。
由DE 10 2008 004 368 A1已知用于确定蓄电池在每个时刻可提供的功率和/或电的做功和/或可提取的电荷量的方法，在该方法中作为电荷预测组合特征曲线针对多个温度特性中的一个与多个功率需求特性中的一个或者多个电流需求特性中的一个的每个结合存储时间上的电荷量曲线。
所有已知的方法的缺点在于未考虑蓄电池的老化状态。缺点同样还在于为了存储组合特征曲线必须提供大量的存储空间。
发明内容
本发明的特别的优点在于，尤其是在电动或者混合动力车辆运行时将电流限制的变化保持在可预先给定的边界之内。这能够通过在依据本发明的用于确定蓄电池在(第一)预测时间段T上最大可用的第一恒定电流Ilim的方法中考虑对于之后的第二预测时间段的最大可用的第二恒定电流来实现。当所述最大可用的第一恒定电流Ilim如此地确定，使得在所述最大可用的第一恒定电流Ilim和所述最大可用的第二恒定电流之间的差、尤其是差值或者所述差值的量不会达到或者不会超过可预先给定的量时是有利的。当在预先给定用于限制在所述最大可用的第一恒定电流Ilim和所述最大可用的第二恒定电流之间的差的所述量时考虑所述蓄电池的充电状态是有利的。
在一个优选的实施形式之中设置，除了对于所述第一预测时间段T来说最大可用的第一恒定电流Ilim之外还确定所述蓄电池在所述预测时间段T之中的最大可调用的功率Plim，其中，将限制在所述预测时间段T之后的所述功率的最大的变化。为此例如设置通过确定所述蓄电池对于所述预测时间段T最大可用的恒定电流Ilim并且确定在所述预测时间段T上的与所述最大可用的恒定电流Ilim相对应的电压曲线来确定平均的电压的方式来确定在所述预测时间段T上最大可用的恒定功率Plim。然后，将在所述预测时间段T上的最大可用的恒定功率Plim确定为对于所述第一预测时间段T最大可用的第一恒定电流Ilim和所确定的电压的乘积。
一个优选的实施形式设置了如此地确定对于所述第一预测时间段T最大可用的第一恒定电流Ilim，使得在由所述最大可用的第一恒定电流Ilim所形成的第一恒定功率Plim和由所述最大可用的第二恒定电流所形成的第二恒定功率之间的差不会达到或者不会超过预先给定的量。
当所述最大可用的第一恒定电流Ilim的确定考虑了功率电子器件的测量公差、惯性和/或其他误差诸如将通过调节算法来加以平衡的偏移时将是有利的。
另一个有利的实施形式设置了，所述最大可用的第一恒定电流Ilim的确定基于等效电路模型来实现。
根据本发明的装置具有至少一个芯片和/或处理器并且如此地加以设置，以实施用于确定蓄电池在第一预测时间段T上最大可用的第一恒定电流Ilim的方法，其中，在该确定时考虑对于之后的第二预测时间段来说最大可用的第二恒定电流。
本发明的另一个方面涉及一种蓄电池，其与用于确定蓄电池在第一预测时间段T上最大可用的第一恒定电流Ilim的模块相结合，其中，所述模块如此地加以设置，以能够实施所述最大可用的第一恒定电流Ilim的确定，其中，在该确定时考虑对于之后的第二预测时间段来说最大可用的第二恒定电流。优选地，所述蓄电池为锂离子蓄电池或者所述蓄电池包括被构造为锂离子蓄电池单池的电化学单池。
本发明的另一个方面涉及一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机相连接或者可连接的依据在前述的解决方案中加以描述的发明方面的蓄电池。然而，所述蓄电池并非仅限于此应用目的，而是也能够应用在其他电气***之中。
本发明的一个重要的方面在于通过计算两个不同的时间点的电流限制，优选地为预测时间段(亦描述为预测水平线)的起点t0和终点t1，来计算所形成的电流限制的斜率，当所计算的电流限制实际上被使用时能够得出该斜率。该斜率在本发明的优选的实施形式之中通过可应用的值来代替并且所形成的等式根据当前的时间点的电流限制例如根据t0的电流限制来求解。
所形成的电流限制将与所述蓄电池的至少一个运行参数的限制例如蓄电池电压Ulim的限制作比较并且加以限制。
在其他的优选的实施形式之中设置了，所述蓄电池的最大可用的恒定电流Ilim的确定与功率预测相结合。这尤其是具有以下优点，即由此能够限制所预测的功率的最大的变化。
本发明的另一个优点在于，即能够为所述蓄电池提供一个应用值，其考虑了所述蓄电池的老化状态。通过该应用值能够直接地预先给定或者改变所述所允许的电流的最大变化率。
因为车辆的所述功率电子器件承受着测量公差和惯性，所以当所保持的电流限制在所应用的动态性之内保持不变时通过调节算法来加以平衡是有利的。
通过将电流限制的变化ΔIlim依据本发明地限制在值之内能够避免电流限制过快地变小，因为这样快的变化将不利地影响驾驶行为(“颠簸”)。因此，依据本发明将针对所限定的时间段优选地为2s或者特别优选地为10s来确定最大可用的恒定电流，其不会损坏预先给定的电压边界。其中，所确定的最大可用的恒定电流能够为在充电或者放电方向上的电流。
本发明的另一个优点在于在当前的时间的所述最大电流的确定时考虑在限定的时间段尤其是在预测时间段之后的最大电流的最大变化。
此外，以相似的方式进行预测的功率的最大的变化的限制将是有利的。
将在从属权利要求中给出并且在说明书中描述本发明的有利的改进方案。
附图说明
本发明的实施例将借助于附图和后续的说明书进一步地加以阐述。附图中：
图1示出了用于在依据本发明的方法的一个实施例中加以应用的等效电路；
图2示出了依据本发明的方法的一个实施例的示意性流程图；以及
图3示出了用于将本发明与最大可用的恒定电流Ilim的传统的确定作比较的两个电流图示。
具体实施方式
接下来将在一个示例性的实施例中进一步描述在没有限制一般性的情况下的电流预测的计算，其中，等效电路模型基于欧姆式的电阻Rs和RC-元件，该RC-元件由并联连接的欧姆电阻Rf和电容Cf组成。在图1中示出了在此合适的等效电路的示例(其大小在SI-单元中给出)。其中，电阻Rs和Rf、电容Cf以及施加在另一个元件上的电压Uf是与时间相关的。可选地，等效电路也能够使用任意数量的任意参数化的欧姆电阻和由多个欧姆电阻和多个电容组成的多个并联电路(RC-元件)。
为了预报蓄电池状态在时间上的变化，将借助于等效电路模型来指定一个微分方程并且然后在简单的假设的情况下解析地求解。单池电压Ucell能够在每个时间点通过以下等式来加以计算，即
Ucell(t)＝UOCV(t)+Us(t)+Uf(t)。
其中，UOCV(t)＝UOCV(SOC(t)，θ(t))开路电压在充电状态SOC(t)和温度θ(t)时与时间相关；Us(t)＝Rs(SOC(t)，θ(t))·Icell(t)描述了在电阻Rs上的电压降，其中，电阻Rs再次通过充电状态SOC(t)和温度θ(t)与时间相关；Icell(t)描述了在时间t的充电电流或者放电电流并且因此描述了在等效电路模型之中流经电阻Rs并且由此流经串联连接的另一个元件的电流；并且Uf(t)描述了在另一个元件之上的电压降，其通过求解在等效电路模型之中有效的以下微分方程来得出：
其中，给定了t>t0并且起始值其中，电阻Rf和电容Cf再次通过充电状态SOC(t)和温度θ(t)与时间相关并且t0描述了该预测时间段的开始。
为了示例性的计算作出了如下的假设：
模型参数与温度θ以及充电状态SOC无关，也就是说，对于预测时间段来说Rs＝常数、Rf＝常数并且Cf＝常数。
所预测的最大电流在预测时间段之内是常数：Imax＝常数。
对于该预测的每个起始点t0的当前的状态Uf(t0)通过在蓄电池状态确定(BatteryState Detection：BSD(蓄电池状态检测))的模型计算中得出(参见图1)。
基于蓄电池的充电状态的变化的开路电压的变化以线性近似的方式来加以考虑，而基于温度θ的变化的开路电压的变化在此被忽略：
其中，根据电流Icell和时间t得出以百分比给出的蓄电池的标称电荷(总容量)chCap的充电状态的变化：
以及斜率
该斜率项(开路电压对充电状态的(部分)导数)将要么一次性地加以计算并且存储为特征曲线，要么在运行中根据UOCV(SOC)的特征曲线来加以计算。
为了计算差商所必须的充电状态变化通过之前所计算的电流边界Ilim(t0-100ms)来估计：
借助于上面的假设和时间常数τf＝CfRf得出经简化的微分方程：
在该微分方程中，电压Uf(t)仅仅还与时间相关。其解为：
因此，在时间点t的整个单池电压为：
现在求解恒定电流Icell得到：
根据以下条件，即在预测时间段的终点即时间t＝t0+T该单池电压Ucell(t)必须保持该边界Ulim，所以现在通过应用最大可用的恒定电流Ilim的大小来计算：
在两个不同的时间点t0和t1根据公式(1)依据以下式子得出在相应的时间点的最大电流：
以及
该些最大电流的变化因此为：
在时间点t1的该开路电压UOCT(t1)近似地描述为：
并且Uf 1由得出。
借助于该表述能够排除等式(2)中的t1-项并且得到：
对于以比率变小的电流限制来说能够最终依据以下等式求解出Ilim(t0)：
针对预测时间段的充电状态变化的特征线的曲线的估计依据以下公式得出：
在图3中示出了在没有和具有斜率边界的情况下的电流限制的动态的计算。
在上面的图示中在没有预先给定斜率限制的情况下通过虚线示出了解析地确定的电流限制30并且在没有预先给定斜率限制的情况下通过实线示出了在解析地确定的电流限制时的电流32，而下面的图示则以依据本发明的斜率边界通过虚线示出了解析地确定的电流限制34并且以依据本发明的斜率边界通过实线示出了在解析地确定的电流限制时的电流36。能够明显地看出：在预测时间段T之后的最大电流的变化通过本发明相较于现有技术显著地加以限制了。此外，通过本发明实现了在多个预测时间段过后能够使得最大电流的变化分别相互适配。
本发明在其实施形式方面并未限于前面所给出的优选的实施例。相反地，多个变型方案也是可行的，这些方案也能够由依据本发明的方法、依据本发明的装置、依据本发明的蓄电池和依据本发明的机动车应用在基本上其他类型的实施例之中。

Claims (11)

1.一种用于确定蓄电池在第一预测时间段(T)上最大可用的第一恒定电流(Ilim)的方法，其特征在于，在确定时考虑对于之后的第二预测时间段的最大可用的第二恒定电流，其中，所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)如此地确定，使得在所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)和所述最大可用的第二恒定电流之间的差不会超过预先给定的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)如此地确定，使得在所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)和所述最大可用的第二恒定电流之间的差不会达到预先给定的量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过确定所述蓄电池在预测时间段(T)上的所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)，通过在所述预测时间段(T)上对于与所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)相对应的电压曲线求平均以确定平均的电压，以及通过将所述最大可用的第一恒定功率(Plim)确定为所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)和所述平均的电压的乘积来确定所述蓄电池在预测时间段(T)上的最大可用的第一恒定功率(Plim)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)如此地确定，使得在由所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)所形成的第一恒定功率(Plim)和由所述最大可用的第二恒定电流所形成的第二恒定功率之间的差不会超过预先给定的量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)如此地确定，使得在由所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)所形成的第一恒定功率(Plim)和由所述最大可用的第二恒定电流所形成的第二恒定功率之间的差不会达到预先给定的量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)的确定考虑功率电子器件的测量公差和/或惯性。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，根据所述蓄电池的充电状态来预先给定用于限制在所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)和所述最大可用的第二恒定电流之间的差的所述量。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，基于等效电路模型来实现所述最大可用的第一恒定电流(Ilim)的确定。
9.一种具有至少一个芯片和/或至少一个处理器的装置，其中，所述装置如此地设置，以实施依据权利要求1至8中任一项所述的用于确定蓄电池在第一预测时间段(T)上最大可用的第一恒定电流(Ilim)的方法。
10.一种蓄电池，其与用于确定蓄电池在第一预测时间段(T)上最大可用的第一恒定电流(Ilim)的模块相结合，其中，所述模块如此地设置，以实施依据权利要求1至8中任一项所述的方法。
11.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机相连接或者可连接的、依据权利要求10所述的蓄电池。
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