CN106471698A - 用于调节电能存储器的充电状态的装置和方法 - Google Patents

用于调节电能存储器的充电状态的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制电能存储器的充电状态的装置（1），其中所述装置包括：采集装置（10），该采集装置设计用于，采集电能存储器的运行数据；计算器装置（20），该计算器装置设计用于，借助检测的运行数据并且借助存储的老化状态曲线来确定电能存储器的老化状态；以及控制装置（30），该控制装置设计用于，在对电能存储器的确定的老化状态与存储的老化状态曲线的数值区间进行比较的基础上，对电能存储器的功率消耗和/或功率输出进行限制。

Description

用于调节电能存储器的充电状态的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于调节电能存储器的充电状态的装置和方法。
背景技术
电池管理***和电池模块以及电池***和混合电动机动车辆是普遍已知的。例如，电池管理***用于监测和调节电池的各个电池或电池模块。
电池可以例如为可至少部分或完全电动驱动的机动车辆提供驱动能量，或为固定设备、如风力设备提供运行能量。
文献DE 10 2012 214 091 A1描述了一种电池管理***、电池模块、电池***以及相应的机动车辆。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于电能储存器的改善的电池管理***。
该目的是通过独立权利要求的主题来实现。实施例和变型可以从从属权利要求、说明书和附图中得到。
本发明的第一个方面涉及一种用于调节电能存储器的充电状态的装置，其中该装置包括采集装置、计算器装置和控制装置，该采集装置设计用于采集电能存储器的运行数据，该计算器装置设计用于，借助采集到的运行数据（和可选地还借助存储的健康状态曲线）来确定电能存储器的健康状态，并且该控制装置设计用于，在对电能存储器的确定的健康状态与存储的健康状态曲线的数值区间进行比较的基础上，限制电能存储器的功率消耗或功率输出。数值区间可以包括健康状态（SOH）的上限和下限，其中极限依赖于时间或依赖于负荷循环数量而变化。结果是，使用寿命保持在规定的极限内，其中为了操纵使用寿命和/或健康状态的曲线，功率消耗和/或功率输出受到限制、受到暂时的限制和/或这种限制至少暂时部分或全部取消。限制的引入和取消对老化曲线有直接的影响，由此该曲线被控制或操纵。限制的引入和其完全或部分取消可以重复进行，以便将健康状态的曲线保持在数值区间内或低于上限且高于下限。
更进一步，例如提供影响电能存储器的负荷循环数量，只要这种自由度是可能的。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于调节电能存储器的充电状态的方法，其中该方法包括以下方法步骤：利用采集装置采集电能存储器的运行数据；确定电能存储器的健康状态，该确定利用计算器装置借助采集的运行数据并且借助存储的健康状态曲线进行；限制电能存储器的功率消耗和/或功率输出，该限制利用控制装置在对电能存储器的确定的健康状态与存储的健康状态曲线的数值区间进行比较的基础上进行。
换言之，本发明有利地实现了，对车辆的电池的使用状态、所谓健康状态（SOH）进行计算，并且基于该计算对电池管理***进行干预，即干预可再充电电池***的监测和调节。
结果是，可以有利地争取位于预定的或者可预定义的老化曲线区间内的老化曲线。这可以有利地避免了高负荷区域，特别是在低温下，例如低于5℃或低于-10℃的温度。
本发明有利地实现了，对电能存储器的功率消耗和/或功率输出进行限制，换言之，由此对电能存储器的电气***功率和/或循环数量进行限制。
本发明有利地实现了，针对电能存储器提供改进的电池管理***，该电池管理***提供预测的使用寿命管理或运行时间管理。老化磨损的限制通过避免高负荷和峰值负荷来实现。
存储的健康状态曲线可以包括预测的健康状态曲线或其它通过模拟或计算获得的健康状态曲线。
特别是，针对一个将来的时间点（按日历的使用寿命）或针对一个将来的循环数量（循环的使用寿命）来预测健康状态（或者只有一个健康状态），尤其借助已经采集到的运行数据。该预测基于采集到的运行数据的曲线，例如峰值负荷的数量或比率（即数值超过预定极限的功率）、峰值负荷的持续时间、负荷曲线的持续时间和/或曲线以及能量存储器在负荷期间具有的可能的温度和/或充电状态和/或端子电压。负荷是指功率流（即功率消耗或功率输出）。此外，预测可以是驾驶员相关的，从而在预测的同时，记录哪个驾驶员在采集运行数据时驾驶车辆或哪种驾驶员类型（例如根据分类，如运动型/温和型/经济型）在采集运行数据时驾驶车辆。
计算器装置设计用于这些预测。预测可以例如通过外推法执行，或通过学习***（如神经网络或类似物）执行。预测可以借助经验确定的数据（特别是针对能量存储器）进行。
将多个预测的健康状态（或只有一个预测的健康状态）与数值区间进行比较，以便在离开数值区间时如所描述的对功率消耗或功率输出进行干预。如果预测的健康状态位于数值区间之外，那么功率消耗和/或功率输出受到限制（或限制被取消），以便防止实际上达到预测的健康状态。相反，功率消耗和功率输出的这种预先调整旨在，使实际的健康曲线相对于原先的预测的老化曲线改善，从而健康尽可能保持在数值区间内并且在那里尽可以靠近数值区间的最佳线（例如限定数值区间的平均值）。然后，进一步采集运行数据并且按顺序执行另一预测，以便随后可能限制功率消耗或功率输出或取消该限制。结果是，损坏程度可以先于实际老化曲线而被修改。在严重老化之前就已经可以对老化特性曲线进行干预。
术语“健康状况”（SOH）是指电能存储器的最大可取得的电容和额定电容的商，并且由此描述不可逆的电容损失或电池的老化。未使用的电池的SOH例如为100％。在汽车工业领域，SOH为80％或更低的可充电电池或电能存储器被认为是不再适用于电动车辆或混合电动车辆。
术语“最大可取得的电容”，如本发明中所使用的，描述了例如在完全充电状态下可以从电池或电能存储器中取得的电量。在新的电池中，最大可取得的电容等于电池的额定电容。然而随着逐渐老化，该最大可取得的电容减小。这种效果可以用所谓的“健康状况”（SOH）来描述。
术语电容，如本发明中所使用的，描述了电池的电容并且总体上表示该电池能够存储或输出的电量。
本发明有利地实现了，通过测量不同的特性变量（如电池电压、电池电流、最大充电状态（即最大可能充电）、最大可取得的电容、电池内阻、损失功率或其它运行数据）可以对电能存储器的寿命状态进行计算。
基于确定的运行数据，可以计算，达到了电能存储器在循环的和/或按日历的使用寿命意义上的何种定性状态。
也就是说，这种定性状态在考虑当前存在的条件（例如电池温度或其它外部影响因素）的情况下依赖于电能存储器的运行功率、非运行时间和使用年限进行计算。
所采集的运行数据可以与存储的特性曲线或特性曲线族，即健康状态曲线进行比较，并且基于该参考可以对健康状态进行解释。
在此基础上，可以就整个使用时间内表现出的电池行为或使用行为而言对电池的状态进行评估。
凭借可以检测电能存储器的电池状态是否低于预定的参考值的事实，本发明有利地使得以下成为可能，就电能存储器的功率消耗和/或功率输出而言机动车辆中的各种功能被限制或按照优先次序排好。
这有利地实现了，对功能的直接影响，例如对电气驱动功率或车载电气***消耗功率进行分级。
例如，这可以有利地在机动车辆的混合动力功能中执行。
在此，激活针对电流的、用于防止热过载的、有针对性的限制，以便抵消机动车辆的电能存储器的老化的进一步增大。
在所描述的限制中，例如用于降低机动车辆的电能存储器的消耗的功能具有最高优先级。这可以有利地存储在一个优先级表中。然而，优先级也可以根据希望的使用行为的不同和根据出现的***架构的不同而表现为不同。
在混合动力机动车辆中的大的电动机器情况下，有利的是，电池支持超过程序并且由此实现了最大驱动性能。
本发明有利地使得可以包括针对功能的优先级、限制或去激活的控制，以根据要求对电池或电能存储器进行维度化，从而实现机动车辆的电能存储器的希望的运行功率或使用寿命。
这有利地实现了节省电能。
此外，本发明有利地使得信息可以进一步转发到驾驶员成为可能。
驾驶员可以被通知，由于个人的驾驶方式或由于就电池而言的车辆的处理，电池的老化增大。
此外，有利地，可以统计地确定大致的运行功率并且显示给驾驶员。
本发明的有利的构型的特征在从属权利要求中。
在本发明的一个有利的实施例中，提供的是，采集装置设计用于，采集关于电池模块的模块电压或模块温度或模块电流或内阻或电能存储器的电池电压或电池电流或内阻或状态信号的数据作为电能存储器的运行数据。
在本发明的另一有利的实施例中，提供的是，计算器装置设计用于，就电能存储器的循环使用寿命或按日历的使用寿命而言对存储的健康状态曲线进行处理。
在本发明的另一有利的实施例中，提供的是，计算器装置设计用于，将在存储的健康状态曲线中存在的、关于电池模块的模块电压、模块温度、模块电流、电池模块的内阻、电能存储器的电池电压、电池电流、电能存储器的内阻或电能存储器的状态信号的参考值与所采集到的数值进行比较。
在本发明的另一有利的实施例中，提供的是，控制装置设计用于，基于优先级表对电能存储器的功率消耗或功率输出进行限制。
在本发明的另一有利的实施例中，提供的是，控制装置设计用于，基于针对电能存储器的热负荷的阈值对电能存储器的功率消耗或功率输出进行限制。
热负荷例如可以通过电能存储器在预定的温度范围（例如-10℃至+50℃）以外运行而提供。
在本发明的另一有利的实施例中，提供的是，控制装置设计用于，再次减小或取消对功率消耗或功率输出的限制。
所描述的构型和改进可以以任意方式相互组合。
本发明的其它可能的构造、改进和实施方式还包括本发明的上面描述或下面针对示例性实施例描述的特征的没有明确提及的组合。
附图说明
附图旨在传递对本发明的实施例的进一步理解。
附图示出了实施例并且与该说明书相关联用来用于阐明本发明的构思。
其它实施例和许多所述的优点可以由附图得到。附图的所示的元件不一定相对于彼此按真实比例示出。
在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于调节电能存储器的充电状态的装置的示意图;
图2示出了根据本发明的另一个实施例的用于调节电能存储器的充电状态的方法的流程图的示意图;
图3示出了根据本发明的另一个实施例的用于调节电能存储器的充电状态的方法的框图的示意图;以及
图4示出了健康状态的曲线和存储的健康状态曲线的图表的示意图，用于解释本发明。
具体实施方式
在附图的图中，相同的附图标记代表相同或功能相同的元件、构件、部件或方法步骤，除非有相反的说明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于调节电能存储器的充电状态的装置的示意图。
该装置1包括例如采集装置10、计算器装置20以及控制装置30。
采集装置10可以例如设计用于，采集电能存储器的运行数据。
计算器装置20可以例如设计用于，借助采集到的运行数据和存储的健康状态曲线来确定电能存储器的健康状态。
存储的健康状态曲线可以例如表征电能存储器50在使用持续时间或接通持续时间ED内电能存储器的所谓的“健康状况”（SOH）。
控制装置30可以例如设计用于，在对电能存储器的所确定的健康状态与存储的健康状态曲线的数值区间进行比较的基础上，限制电能存储器50的功率消耗或功率输出。
该装置1例如与电能存储器50联接。
用于调节电能存储器50的充电状态的装置1可以例如在机动车辆、如混合动力机动车辆中使用，或在混合电动机动车辆（英语为hybrid electric vehicle, HEV）、即由至少一个电动马达和另一能量转换器驱动的机动车辆中使用。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的用于调节电能存储器的充电状态的方法的流程图的示意图。
第一方法步骤包含，例如利用采集装置10进行电能存储器的运行数据的采集S1。
第二方法步骤包含，例如进行电能存储器的健康状态的确定S2，该确定利用计算器装置借助采集的运行数据并且借助存储的健康状态曲线进行。
第三方法步骤包含，例如进行电能存储器50的功率消耗和/或功率输出的限制S3，该限制利用控制装置30在对电能存储器的确定的健康状态与存储的健康状态曲线的数值区间进行比较的基础上进行。
在此，这些方法步骤可以以迭代或递归的方式并且以任意的顺序来重复。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的用于调节电能存储器的充电状态的方法的框图的示意图。
在功能块F1中，例如进行健康状态（SOH）的实际值的确定。
在功能块F2中，例如进行健康状态（SOH）的额定值的确定。
在例如实施为运行增强器的功能块F3和F4中，例如进行健康状态的实际值与健康状态的额定值的比较。
换言之，SOH实际值和SOH额定值由控制装置30进行比较。针对电能存储器的老化的曲线，还可以针对一个当前的时间点将SOH额定值区间与SOH实际值区间或SOH实际值进行比较。
例如可以通过控制装置30进行限制性的干预，例如如果SOH实际值低于针对电能存储器的当前寿命t的SOH额定值区间的SOH额定下限。
此外，例如控制装置30可以再次取消限制，以便防止当前出现的SOH实际值超过SOH额定区间。
在功能块F5和F6中，该功能块F5和F6包含例如电能存储器50的功率消耗和/或功率输出的限制S3，该限制利用控制装置30在电能存储器的确定的健康状态的基础上进行。
图4示出了健康状态的曲线和存储的健康状态曲线的图表的示意图，用于解释本发明。
图4示出了电能存储器的按日历的老化过程。SOH阈值的80％由特性曲线SW1表示。
电能存储器的曲线例如通过其健康状态或通过其健康状态曲线KL1来表征。
健康状态曲线KL1例如位于存储的健康状态曲线AL1的数值范围或数值区间内。
换言之，健康状态曲线KL1位于健康状态曲线AL1的预定的或可预定义的数值区间内，其中这通过利用控制装置30限制或取消限制来实现。
由于控制装置30的调节策略和在此所作的针对功率消耗或功率输出的限制的干预，即激活或去激活最大取得负荷或最大输出负荷，既不会在特定时间点超过例如数值区间的上限，如SOH的105％ - 85％，也不会低于下限，例如SOH的80％。
也就是说，控制装置30例如通过对电池或电能存储器的输出功率进行负干预，即功率限制，或进行正干预，即取消功率限制来调节以服从SOH额定区间。
健康状态曲线KL1包括例如测量值的变化，该变化可归因于电能存储器的相同存储的电池的老化速度不同。
健康状态曲线的上限或最大可实现的老化极限由特性曲线KL2给出。
虽然已经在上面借助优选的实施例描述了本发明，但是本发明并不仅限于此，而是可以以各种方式方法进行修改。特别是，本发明可以以多种方式改变或修改，而不脱离本发明的实质。
作为补充，应当指出，“包括”和“具有”并不排除其它元件或步骤，“一个”或“一”并不排除多个。
此外，应当指出，参照上述实施例之一描述的特征或步骤也可以结合其它上面描述的示例性实施例的其它特征或步骤来使用。权利要求书中的附图标记不应该视为限制性的。

Claims (10)

1.一种用于调节电能存储器的充电状态的装置（1），其中所述装置包括：
- 采集装置（10），所述采集装置设计用于，采集电能存储器的运行数据；
- 计算器装置（20），所述计算器装置设计用于，借助采集到的运行数据来确定电能存储器（50）的预测的健康状态；以及
- 控制装置（30），所述控制装置设计用于，在对电能存储器的确定的预测的健康状态与存储的健康状态曲线的数值区间进行比较的基础上，对电能存储器的功率消耗和/或功率输出进行限制或再次取消此限制。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述采集装置（10）设计用于，采集关于电池模块的模块电压或模块温度或模块电流或内阻或电能存储器的电池电压或电池电流或内阻或状态信号的数据，作为所述电能存储器（50）的运行数据。
3.根据前述权利要求1或2中任一项所述的装置，其中所述计算器装置（20）设计用于，就所述电能存储器（50）的循环的使用寿命或按日历的使用寿命而言对存储的健康状态曲线进行处理。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述计算器装置（20）设计用于，将在存储的健康状态曲线中存在的、关于电池模块的模块电压、模块温度、模块电流、电池模块的内阻、电能存储器的电池电压、电池电流、电能存储器的内阻或电能存储器的状态信号的参考值与所采集到的数值进行比较。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述控制装置（30）设计用于，基于优先级表对所述电能存储器（50）的功率消耗或功率输出进行限制。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述控制装置（30）设计用于，基于针对电能存储器的热负荷的阈值对所述电能存储器（50）的功率消耗或功率输出进行限制。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述控制装置（30）设计成，再次取消对功率消耗或功率输出的限制。
8.一种用于调节电能存储器的充电状态的方法，其中所述方法包括以下方法步骤：
- 利用采集装置（10）来采集（S1）电能存储器的运行数据；
- 确定（S2）电能存储器的健康状态，该确定利用计算器装置（20）借助采集的运行数据并且借助存储的健康状态曲线进行；以及
- 限制（S3）电能存储器的功率消耗和/或功率输出，该限制利用控制装置（30）在对电能存储器的确定的健康状态与存储的健康状态曲线的数值区间进行比较的基础上进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其中采集电池模块的模块电压、模块温度、模块电流、电池模块的内阻、电能存储器的电池电压、电池电流、电能存储器的内阻或电能存储器的状态信号作为电能存储器的运行数据。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中将在存储的健康状态曲线中存在的、关于电池模块的模块电压、模块温度、模块电流、电池模块的内阻、电能存储器的电池电压、电池电流、电能存储器的内阻或电能存储器的状态信号的参考值与所采集到的数值进行比较。
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