CN105474026B - 用于确定电池单池的容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电池单池的容量的方法，其中在测量时段期间测量电池单池电流且在该测量时段的开始和结束时测量电池单池的开路的端电压、。所述方法包括由测得的电池单池电流求得总电池单池电流；在所述测量时段的开始和结束时根据测得的开路的端电压、求得充电状态、；根据所述总电池单池电流和所述充电状态、的差求得容量的估计的值；由所述总电池单池电流和所述充电状态、的测量误差求得所述容量的估计的值的总测量误差；以及根据容量的已知的值、所述容量的估计的值以及1总测量误差求得容量的新的值。就此设置，所述容量的新的值与所述容量的已知的值和所述容量的估计的值处于如此单调关系中，即在所述总测量误差的至少一个第一值的情况下，所述容量的新的值比在所述总测量误差的至少一个第二值的情况下更强地由所述容量的估计的值确定，该第二值位于所述至少一个第一值之上；且在所述总测量误差的值的第一值的情况下，所述容量的新的值比在所述总测量误差的第二值的情况下少些强地由所述容量的已知的值确定。除此之外本发明还涉及一种计算机程序、一种电池管理***（2）和一种机动车，其设立用于实施所述方法。

Description

用于确定电池单池的容量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定电池单池的容量的方法和一种电池管理***。

除此之外本发明还涉及被设定用于实施所述方法的一种计算机程序、一种电池管理***和一种机动车。

背景技术

在混合动力车辆和电动车辆中装入以锂离子技术的电池组，这些电池组包括大量的串联的电化学单池。电池管理***用来监视电池且除了安全监视之外还应保障尽可能高的电池的寿命。电池管理***的任务是，确定单池的充电容量。

JP 2011-257226示出了一种以电池的终端电压为基础的用于确定电池的剩余容量的方法，其中误差通过若干个检测方法的结合被最小化。电池的剩余容量被确定作为这样的量，以较小的误差确定该量。

发明内容

就按照本发明的、用于确定电池单池的容量的方法而言，在测量时段期间测量电池单池电流且在该测量时段的开始和结束时测量电池单池的开路的端电压、。该方法包括下面的步骤：

a）由测得的电池单池电流求得总电池单池电流，

b）在测量时段的开始和结束时根据测得的开路的端电压、求得充电状态、，

c）根据总电池单池电流和充电状态、的差求得容量的估计的值，

d）由总电池单池电流和充电状态、的测量误差求得容量的估计的值的总测量误差，

e）根据容量的已知的值、容量的估计的值以及总测量误差求得容量的新的值。

就此设置，容量的新的值与容量的已知的值和容量的估计的值如此处于单调关系中，即在总测量误差的至少一个第一值的情况下，容量的新的值比在总测量误差的至少一个第二值的情况下更强地由容量的估计的值确定，该第二值位于所述至少一个第一值之上，且在总测量误差的值的第一值的情况下，容量的新的值比在总测量误差的第二值的情况下较不强地由容量的已知的值确定。

将容量的已知的值更新且至容量的新的值。在大的测量误差的情况下，容量的新的值并不这么强地由于测量而改变，反之在小的测量误差的情况下，容量的新的值强地由于测量而改变。借此达到电池的容量估计的新的品质，其中所述品质通过在容量的当前已知的值和容量的估计的值之间的加权来呈现。这一点是有意义的，因为所述单池的容量与测量的频率相比相对缓慢地变化。例如实施大约每周一次容量测量。与此相对，容量大约10年减少20%。

在本发明范畴中，一种函数关系被看作为两个变量之间的单调关系，就该函数关系而言第一变量的较大的值始终与第二变量的不变的值或者较大的值相联系。这样的在容量的新的值和容量的已知的值之间的单调关系能够在总测量误差的总的数值范围上或者以分段方式指数地或者多项式地存在，尤其二次地、线性地或者成比例地存在。同样在容量的新的值和容量的估计的值之间的单调关系能够在总测量误差的总的数值范围上或者以分段方式指数地或者多项式地存在，尤其二次地、线性地或者成比例地存在。按照一种另外的优选的实施方式，容量的新的值在总测量误差的第一阈值之下基本上通过容量的估计的值确定。“基本上”也就是说，该容量的新的值等于容量的估计的值，或者这种新的值等于容量的估计的值的大百分比，在总测量误差的第一阈值之下始终等于所述估计的值的大于90%。借此，产生小的误差的测量几乎被完全接受。

按照一种优选的实施方式，容量的新的值在总测量误差的第二阈值之上基本上通过容量的已知的值确定。“基本上”也就是说，该容量的新的值等于容量的已知的值，或者该新的值高等于容量的已知的值的大百分比，在总测量误差的第二阈值之上时始终等于所述已知的值的大于90%。借此，产生大的误差的测量完全或者几乎完全被抛弃。

按照一种优选的实施方式，该方法包括另外的步骤：

f）求得加权因子，其中该加权因子与总测量误差处于单调关系中且其中容量的新的值在步骤f）中根据下面的公式求得：

。

就此，是加权因子，其与总电池单池电流的和充电状态、的测量误差各处于单调关系中，从而这些参量的任一个的较高的测量误差导致较高的加权因子。

就此加权因子能够例如根据表格来求得，其中所述表格具有至少两个、优选二至十个的总测量误差的范围，这些范围和不同的加权因子相联系。例如该表格能够显示低的误差范围、中的误差范围和高的误差范围，且该加权因子在这些范围内各能够是恒定的或者线性增大。

优选地，总电池单池电流在步骤a）中通过测得的电池单池电流在测量时段上的积分求得，也就是说按照：

。

按照一种优选的实施方式，容量的估计的值在步骤c）中根据由总电池单池电流与充电状态、的差的比例求得，优选按照：

，

其中1/36是比例因子，该比例因子负责将容量换算到单位Ah和以%的说明。

用于容量确定的品质的标准是相对的误差，该误差由测量不确定性的传递规律而得出。容量的估计的值的总测量误差因此由总电池单池电流和充电状态、的测量误差来求得，优选地按照：

。

按照一种优选的实施方式，充电状态、在测量时段的开始和结束时在步骤b）中根据充电状态的特性的特征曲线依赖于测得的开路的端电压求得，且充电状态、的测量误差、通过特征曲线的线性化由测得的开路的端电压、的误差求得。

按照一种优选的实施方式，充电状态、的测量误差根据下面的公式求得：

。

就此特征曲线的求导通过以下式子优选线性地近似：

按照一种优选的实施方式，测量时段的开始和结束各连接到电池单池的松弛时段。

按照本发明此外提出了一种计算机程序，当在能够编程的计算机设备上执行该计算机程序时，按照该计算机程序实施在文中所描述的方法。该计算机程序能够例如是用于实现车辆的电池管理***的模块。该计算机程序能够被存储在机器可读的存储介质上，如在永久的或者可重写的存储介质上或者配属于计算机设备，例如在便携的存储器上，像CD-ROM、DVD、U盘或者存储卡。对此额外地或者替代地，所述计算机程序能够在计算机设备上，像如在服务器上或者在云-服务器上被提供用于下载，例如通过数据网络像因特网或者通信连接像如电话线或者无线连接。

按照另一方面，被设立用于实施所描述的方法之一的电池管理***包括：

a）用于求得电池单池电流的单元，

b）用于求得电池单池的开路的端电压、的单元，

c）用于由测得的电池单池电流求得总电池单池电流的单元，

d）用于在测量时段的开始和结束时根据测得的开路的端电压、求得充电状态、的单元，

e）用于根据总电池单池电流与求得的充电状态、的差求得容量的估计的值的单元，

f）用于由总电池单池电流和充电状态、的测量误差求得容量的估计的值的总测量误差的单元，

g）用于根据容量的已知的值、容量的估计的值以及总测量误差求得容量的新的值的单元，以及

i）用于提供电池单池的容量的新的值的单元。

除此之外按照本发明还给出了一种供使用的具有这样的电池的机动车，其中所述电池与机动车的传动***相连接。就电地驱动的车辆而言优选应用所述方法，就其而言将大量的电池单池进行相互连接以用于提供需要的驱动电压。

附图说明

本发明的实施例在附图中表明且在下面的说明中作进一步地解释。

附图中：

图1示出了按照本发明的一种实施方式的电池管理***；

图2示出了加权因子与总测量误差的示例的依赖关系；

图3示出了用于和的特征曲线的示例；且

图4示出了电池单池电流的和的示例的走向。

具体实施方式

在本说明书中适应于通常的语言惯用法而使用概念“电池”和“电池单池”用于蓄电池或者说蓄电池单池。所述电池优选包括一个或者若干个电池单元，所述电池单元能够具有电池单池、电池模块、模块链（Modulstrang）或者电池组。就此，这些电池单池优选在空间上联合且在线路技术上彼此相连接，例如与模块串联或并联。若干个模块能够构成所谓的电池直接整流器（BDC，Battery Direct Converter），且若干个电池直接转换器能够构成电池直接换流器（BDI，Battery Direct Inverter）。

图1示出了按照本发明的一种实施方式的电池管理***2。

电池管理***2包括用于求得电池单池电流的单元4，该单元4测量具有2.8至4.2伏的典型的电压范围的锂离子电池的电流。用于求得电池单池电流的单元4耦合在用于由测得的电池单池电流求得总电池单池电流的单元8上，该单元8将电池单池电流在时间上累加或者按照以下式子积分：

。

除此之外用于求得电池单池电流的单元4还耦合在用于求得总电池单池电流的测量误差的单元10上，该单元10优选由测得的电流和不能够测量的自动放电按照

来求得，这是因为电流积分由测得的电流和不能够测量的自动放电来计算，也就是说，按照：

。

就此优选将所述自动放电作为恒定的值估计。该自动放电的误差由于其只能够被估计，则在该实施例中假定为100%且因而：

。

除此之外就电流积分的误差而言优选考虑相乘的误差和相加的误差，按照：

，

其中，相乘的误差涉及测量仪器的已知的敏感度偏差且相加的误差涉及已知的零点偏差和必要时涉及已知的量化偏差。

除此之外电池管理***2还包括用于求得电池单池的开路的端电压（OCV，open circuit voltage）的单元6。用于求得电池单池的开路的端电压的单元6耦合在用于在测量时段的开始和结束时根据测得的开路的端电压、求得充电状态、（SOC，state of charge）的单元12上，该单元12根据特征曲线来求得充电状态、。在图3中表明了示例的特征曲线。

除此之外用于求得电池单池的开路的端电压的单元6还耦合在用于求得充电状态、的测量误差的单元14上，该单元14求得测量误差例如根据：

，

其中特征曲线的导数通过：

近似，例如按照：

。

当单池没有足够的时间由电流加载而恢复时，误差由测量精度和由单池的预加载得出的偏差一起来确立：

。

开路的端电压、的恢复依赖于恢复时间、温度和，且所以也依赖于它们的误差：

。

因为函数并不是分析已知的，则将在松弛状态中的的最大偏差的指数衰减作为对由单池的预加载而造成的误差的估计来假定：

。

这里假定的用于描述松弛性的函数也可以是其他的例如对数的、多项式的、尤其线性的或者也可以是以分段方式不同定义的函数。

电池管理***2包括另外的用于求得估计的容量的单元16，该单元16接收且进一步处理用于求得总电池单池电流的单元8的数据和用于求得充电状态、的单元12的数据。用于求得估计的容量的单元16例如根据以下来求得估计的容量：

，也就是说

，

其中1/36是比例因子，该比例因子负责将容量换算到单位Ah和%的说明。

电池管理***2包括另外的用于由总电池单池电流和充电状态、的测量误差求得总测量误差的单元18，该单元18接收且进一步处理用于求得总电池单池电流的测量误差的单元10的数据和用于求得充电状态、的测量误差的单元14的数据。总测量误差例如根据：

，也就是说

来求得。

电池管理***2包括另外的用于根据容量的估计的值、总测量误差以及根据容量的已知的值而求得容量的新的值的单元20。用于求得容量的新的值的单元20接收用于求得容量的估计的值的单元16的数据和用于求得总测量误差的单元18的数据。除此之外用于求得容量的新的值的单元20还接收容量的已知的值，该已知的值存放在电池管理***2的存储器23例如非易失性存储器中。容量的已知的值也能够以其他的方式提供给电池管理***2，例如通过通信线（未示出）。

在单元20中将用于估计的误差的值换算标度至加权因子W，该加权因子按照以下将当前有效的容量更新至容量的新的值：

。

除此之外电池管理***2还包括用于提供容量的新的值的单元22，该单元22接收且进一步处理用于求得容量的新的值的单元20的数据。在本实施方式中除此之外用于提供容量的所求得的新的值的单元22在存储器23上还具有写访问权限，以用于将求得的容量的新的值作为容量的已知的值的更新的值保存在电池管理***2的存储器23中。

图2示出了加权因子依赖于总测量误差的示例的走向32。

所述走向32基本上包括三个范围，也就是在总测量误差的第一阈值29之下的第一范围26、第二范围28以及在总测量误差的第二阈值31之上的第三范围30，在第一范围内不依赖于总测量误差恒定是1，在第二范围内依赖于总测量误差位于0和1之间，在第三范围内不依赖于总测量误差恒定是0。在其中是1的第一范围26对应于很小的在所表明的实施例中小于1%的总测量误差。在在其中位于0和1之间的第二范围28内，总测量误差位于1%和6%之间。在其中是0的第三范围30对应于6%之上的总测量误差。

第二范围28在所表明的实施例中被划分为三个子范围28-1、28-2、28-3，其中在所述位置上各按照实施方式能够设置例如1和10之间范围的任意的数。在这三个子范围28-1、28-2、28-3内，的值不同倾斜地由值1下降到值0上，在所表明的实施例中的值在第一范围28-1内比在第二和第三范围28-2、28-3内更倾斜地下降，且的值在第二范围28-2内比在第三范围内28-3内更倾斜地下降，从而在第二范围28内的曲线也能够被看作为凹的。加权因子与总测量误差在总的数值范围内处于单调关系中且在第二范围28内处于严格单调关系中，从而测量误差的较大的值始终与加权因子的较低的或者不变的值相联系。严格单调关系在这里意味着，测量误差的较大的值始终与加权因子的较低的值相联系。第一和第二阈值29、31能够根据实践值来确定且不被限制于给定的数值。第一阈值29能够例如是0.1%和2%之间的确定的值，且第二阈值31能够例如是3%和10%之间的确定的值。

图3示出了开路的端电压关于的特征曲线34的示例的走向。

这里严格单调关系也是明显的，从而较高的充电状态始终与较高的端电压相联系。特征曲线34的走向能够是大量的系列测试的结果且表明了平均的锂离子电池单池的特性。

图4示出了电池单池电流关于时间的示例的走向36和充电状态关于时间的示例的走向38。第一时间段包括运行阶段40，在该运行阶段中施行对电池的荷载，从而由于在加速（boost）和制动能的再生（recuperation）时的支持，既存在电池单池电流的负的值也存在的正的值。示出了充电状态关于时间在运行阶段40中减少。第一恢复阶段42连接到运行阶段40上，在该第一恢复阶段中充电状态轻微上升。电池单池电流在恢复阶段42中是恒定的。充电阶段48连接到恢复阶段42上，该充电阶段包括第一时间段44和第二时间段46，在第一时间段中在恒定的电流时充电，在第二时间段中在恒定的端电压时充电。第二恢复阶段42连接到充电阶段48上，在该第二恢复阶段中电池电压和充电状态保持大致恒定。运行阶段40再次连接到第二恢复阶段42上，在该运行阶段40中导致电流耗用以及再生阶段。

在第一恢复阶段42的终点上在时间点时进行开路的端电压的第一测量。在第二恢复阶段42的终点上，也就是说在时间点时进行开路的端电压的第二测量。除此之外在测量时间点和之间还求得总电池单池电流。在第二恢复阶段42的终点上能够通过对耗用的充电的测量按照本发明来确定容量。

本发明并不限制于这里所描述的实施例和在这里面所强调的方面。相反，在由权利要求给定的范围内，大量的在本领域技术人员的操作范围内的实施变型是可能的。

Claims (12)

1.一种用于确定电池单池的容量的方法，其中在测量时段期间测量电池单池电流且在该测量时段的开始和结束时测量电池单池的开路的端电压、，该方法具有以下步骤：

a）由测得的电池单池电流求得总电池单池电流，

b）在所述测量时段的开始和结束时根据测得的开路的端电压、求得充电状态、，

c）根据所述总电池单池电流和所述充电状态、的差求得容量的估计的值，

d）由所述总电池单池电流的测量误差和所述充电状态、的测量误差求得所述容量的估计的值的总测量误差，

e）根据容量的当前的已知的值、所述容量的估计的值以及所述总测量误差求得容量的新的值，

其中所述容量的新的值与所述容量的当前的已知的值和所述容量的估计的值如此地处于单调关系中，即

- 在所述总测量误差的至少一个第一值的情况下，所述容量的新的值比在所述总测量误差的至少一个第二值的情况下更强地由所述容量的估计的值确定，该第二值位于所述至少一个第一值之上且

- 在所述总测量误差的值的第一值的情况下，所述容量的新的值不如在所述总测量误差的第二值的情况下那么强地由所述容量的当前的已知的值确定。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容量的新的值在所述总测量误差的第一阈值（29）之下基本上通过所述容量的估计的值确定。

3.按照上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述容量的新的值在所述总测量误差的第二阈值（31）之上基本上通过所述容量的当前的已知的值确定。

4.按照权利要求1所述的方法，其具有另外的步骤：

f）求得加权因子，其中该加权因子与所述总测量误差处于单调关系中且其中所述容量的新的值在步骤f）中根据下面的公式求得：

。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总电池单池电流在步骤a）中通过测得的电池单池电流在所述测量时段上的积分求得。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容量的估计的值在步骤c）中根据由所述总电池单池电流与所述充电状态、的差的商求得。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充电状态、在所述测量时段的开始和结束时在步骤b）根据充电状态的特性的特征曲线（34）依赖于测得的开路的端电压被求得，且所述充电状态、的测量误差、通过特征曲线（34）的线性化由测得的开路的端电压、的误差求得。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述充电状态、的测量误差根据下面的公式求得：

。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量时段的开始和结束各连接到电池单池的松弛时段。

10.一种机器可读的存储介质，在所述存储介质上存储了用于实施按照上述权利要求中的任一项所述的方法的计算机程序，其中在能够编程的计算机设备上执行该计算机程序。

11.一种电池管理***（2），该电池管理***设立用于实施按照权利要求1至9中的任一项所述的方法，其具有：

a）用于求得电池单池电流的单元（4），

b）用于求得电池单池的开路的端电压、的单元（6），

c）用于由测得的电池单池电流求得总电池单池电流的单元（8），

d）用于在所述测量时段的开始和结束时根据测得的开路的端电压、求得充电状态、的单元（12），

e）用于根据所述总电池单池电流与求得的充电状态、的差求得容量的估计的值的单元（16），

f）用于由所述总电池单池电流的测量误差和所述充电状态、的测量误差求得容量的估计的值的总测量误差的单元（18），

h）用于根据所述容量的当前的已知的值、所述容量的估计的值以及所述总测量误差求得容量的新的值的单元（20），以及

i）用于提供电池单池的容量的新的值的单元（22）。

12.一种具有按照权利要求11所述的电池管理***（2）的机动车。