CN109661586A - 确定电池的功能安全性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电池、特别是至少部分地电驱动的车辆的低压电池(NV电池)的功能安全性的方法，测试脉冲被加载给电池。为了提出一种使得能够通过简单的方式进行功能检查的方法，功能检查表明电池满足可预先给定的负荷场景，不会低于与温度无关的电压下限，提出根据在测试脉冲期间产生的电池上的电压曲线与预先给定的功能要求的相关性得到电池的功能安全性，其中，如果电池在测试脉冲期间的电压曲线满足多个独立的测试标准，则具有功能安全性。

Description

确定电池的功能安全性的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定电池、特别是至少部分地电驱动的车辆的低压电池(NV电池)的功能安全性的方法，其中，测试脉冲被加载到电池上。
背景技术
传统的发动机驱动的车辆具有发动机和由发动机驱动并且为车辆提供电能的发电机(Generator)。还通过其驱动与安全相关的***、例如制动力放大器、动力转向装置、ESP和照明装置。此外，这种车辆具有低压电池，其由发电机充电并且也在发动机关闭、因此发电机关闭时承担电力供应的特定功能，例如收音机或者车窗升降器。在发电机由于故障而失效并且不再能够对车辆提供电能的情况下，低压电池承担车辆整体的电力供应，特别是还承担与安全相关的电子***的电力供应，这由于NV电池的容量小而仅能够用于车辆的紧急运行，因此仅能够用于车辆的快速停车。特别是与安全相关的***经常是大的用电设备，因此其利用NV电池只能短时间运行。
为了任何时候在发电机失效时保证NV电池足够的功能能力，在现在的传统车辆中定期确定充电状态、容量和可汲取的电量，这允许粗略地估计电池的性能和功能安全性。此外，在发动机的起动过程中已经有电脉冲对NV电池施加负荷，因此可以凭经验推断出在发动机起动的情况下具有足够的功能安全性，这已经被证明了数百万次。
现代的电动汽车(BEV车辆)以及混合动力车辆(PHEV和mHEV车辆)除了具有用于为电动机和具有相应的能量消耗的其它用电设备供电的高压电池(HV电池)之外，还具有为车辆的NV车载网络冗余地供电的NV电池。在车辆无故障运行时，通常由HV电池经由DC/DC电压转换器对与安全相关的***提供所需的低压电压。在紧急情况下以及在HV电池或电压转换器失效的情况下，与在传统车辆中发电机失效的情况下类似，在电动车辆和混合动力车辆中也必须由NV电池为与安全相关的NV***供电。因此，必须定期检查NV电池是否满足功能要求，为此由于不存在例如现有的内燃机的起动过程，因此需要对NV电池进行等效的功能诊断。目前，针对新开发的车辆项目的车载网络能量供应的相关安全性要求在ISO 26262,B的ASIL A中被标准化。车载网络能量供应***必须满足这些安全性要求。
对于NV电池的功能诊断，已经存在不同的方法。例如，在DE 10 2013 221 502 A1中提出了一种用于为具有用电设备(V1，V2，...Vx)的汽车车载网络中的电池产生测试脉冲的方法，其中，该方法包括：
·选择有助于产生测试脉冲的一组用电设备(V1，V2，...Vx)；以及
·在一个或多个预先给定的时间点激活所选择的用电设备(V1，V2，...Vx)。
然而，所描述的方法没有公开如何能够从测试脉冲的负载推断出电池的功能安全性。
EP 1 892 536 A1也需要监视老化状态(SoH)、充电状态(SoC)和功能实现的程度(SoF)，为此执行阻抗谱分析(Impedanzspektroskopie)。在进行阻抗谱分析时，不对电池施加负荷，因此该方法仅适用于确定运行状态、即充电状态和老化状态。这两个参量通过当前可汲取的容量或者在低负载电流下并且在定义的温度下在完全充电状态下最大可汲取的容量来计算。例如，EN50342-1与铅蓄电池相关。由于能量存储器的行为与负载电流和温度有关地呈现强烈的非线性性(参见全新状态下的铅电池的Peukert方程)，并且这种行为与大量的老化因素(特别是腐蚀、充电吞吐量、客户使用状况)有关地随着电池的使用寿命而不断变化，因此基于标准参量SOC和SOH仅能够不充分地预测功能实现的程度。特别是对于大的负载电流，所描述的方法是不合适的。
最后，在US 4,361,809中提出了一种用于测试电池的方法，据此从放电和充电循环推导出特定的特性。
已知的现有技术的缺点在于，利用公开的方法仅能够不充分地确定电池的功能实现。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提出一种使得能够通过简单的方式进行功能检查的方法，该功能检查表明电池将满足可预先给定的负荷场景，而在负荷场景期间不会低于与温度无关的电压下限。
该技术问题通过根据权利要求1的方法来解决。根据本发明，根据在测试脉冲期间在电池上产生的电压曲线与预先给定的功能要求的相关性来得到电池的功能安全性，其中，如果电池在测试脉冲期间的电压曲线满足多个独立的测试标准，则具有功能安全性。
本发明使得利用测试脉冲施加负荷期间的电池的电压曲线和稍后对电池的要求之间的相关性能够与电池的立即预处理或者与其当前电压无关地在不低于电压下限情况下处理定义的负荷场景。
下面并且在从属权利要求中说明本发明的优选实施方式。
根据本发明的第一优选实施方式设置为，当根据如下测试标准，满足多个测试标准时，确定电池具有功能安全性：
a)测试脉冲结束时的电压不能低于预先给定的边界值(边界值亦可称为“限值”)，
b)测试脉冲的两个时间点之间的电压梯度不能低于预先给定的边界值，以及
c)测试脉冲之前的电压与测试脉冲期间的定义的时间点的电压之间的电压差不能超过预先给定的边界值。
因为车辆必须在通常-20℃和+40℃之间的温度范围内可靠地工作，所以优选设置为，通过与温度相关地确定测试脉冲结束时的电压和/或测试脉冲的两个时间点之间的电压梯度和/或测试脉冲之前的电压与测试脉冲期间的定义的时间点的电压之间的电压差，使得测试标准与温度相关。
仅当满足所有的测试标准a)、b)和c)时，才确定电池具有功能安全性。
优选施加负荷的测试脉冲保持10秒至30秒、优选19秒至23秒的脉冲持续时间。在此，已经被证明特别优选的是，测试脉冲至少有时在大于9秒的脉冲持续时间内具有80A至130A、优选90A至100A的电流强度。在此，测试脉冲期间的电流强度在电流强度达到其80A至130A的最大值之前逐级增大。
根据一个特别优选的实施方式设置为，测试脉冲完全或至少部分借助DC/DC转换器产生，DC/DC转换器将所汲取的电能完全或者部分地充电到车辆的高压电池(HV电池)中，由此减小由于测试脉冲产生的电能损耗。
所描述的方法使得能够在测试脉冲之后立即得到电池是否满足所要求的功能安全性的是/否结论。在确定功能要求的与温度无关的电压下限时，确定满足功能要求不能低于的值。
超过与温度相关地确定的测试脉冲的边界值与电池的性能有关，因为电池的性能越强大，活动的电极表面越大或者施加负荷时的电流密度越小，由此电压下降越小。流动的电流越大，可以用于评估性能的不同性能的电池的电流密度或者电压下降的区别越大。
附图说明
下面，参考附图借助具体实施例说明根据本发明的方法。
图1示出了电动车辆的能量供应的示意图，
图2在曲线图内部示出了可能的测试脉冲和紧急情况脉冲，以及
图3a-c分别在曲线图内部示出了测试脉冲期间的可能的电压曲线和功能脉冲期间的电压曲线。
具体实施方式
图1示出了可以用来应用根据本发明的方法的可能的设备。示出了利用HV电池1和为车辆的NV车载网络3供电的NV电池2对(未示出的)电动车辆的能量供应，低压电池2。电池1、2可以是铅蓄电池、锂蓄电池或其它合适的电池。通常，目前常见的轿车的车载网络被设计为12V，而传统的货车的车载网络被设计为24V。然而，也可以使用例如12V至60V的NV范围内的其它车载网络电压。为了对NV电池2施加测试脉冲，设置了开关4，开关4将NV电池2与DC/DC转换器5连接，并且开关4负责在升压操作中将电能反馈到HV电池1中(箭头6)。一旦开关4闭合，则对NV电池2施加测试脉冲，并且借助伏特计7测量电池上的电压。可以直接与功能脉冲相关地设置电压曲线，从而得到关于NV电池2的功能安全性的唯一的结论。
图2在折线图内部示出了测试脉冲21(左侧)和紧急情况脉冲22(右侧)的电流强度A关于时间t的曲线。仅示例性地描绘了紧急情况脉冲22，紧急情况脉冲22由不同电流强度和不同持续时间的一系列矩形电流脉冲23、23′、23″、23″′构成。紧急情况脉冲22表示对NV电池2的要求状况，NV电池2必须至少满足该要求状况，以便在HV电池1失效的情况下至少能够暂时为与安全相关的电子***供电，使得车辆至少可以安全地停车。
为了检查电池的功能安全性，定期将如图2中的折线图的左侧所示的测试脉冲21加载给电池。所示出的测试脉冲21逐级增大到大约95A的电流强度并且在所示出的实施例中持续大约22s。
图3a-c示出了电池上由脉冲产生的电压曲线。分别在曲线图的右侧部分示出了功能脉冲，即在执行特定功能时在电池上产生的电压曲线。当功能脉冲期间的电压曲线不低于电压下限UG1时，给出电池的功能安全，在所示出的实施例中恰好是这种情况。
分别在左侧示出了测试脉冲期间的电压曲线。根据本发明的方法现在使得能够根据测试脉冲期间的具体的电压曲线，预测是否能够在不低于边界电压UG1的情况下执行稍后的功能脉冲。为此，要满足在图3a-c中示出的不同的测试标准。
第一测试标准规定，测试脉冲结束时的电压UG2不能低于与温度相关的边界值，该边界值也与电池相关并且可以事先确定。
第二测试标准涉及测试脉冲的两个时间点之间的电压梯度。在所示出的实施例中示例性地示出了时间t0,5和t1。这些点之间的线性下降的斜率同样不能低于与温度相关并且可以预先给定的边界值。
最后，作为第三测试标准设置为，测试脉冲之前的电压U0与测试脉冲期间的最小电压U1之间的电压差(电压Δ)不能低于预先给定的边界值。在图3c所示的实施例中，该电压差由测试脉冲期间的电压的初始值U0和电压的终值U1给出。
如果满足所有三个测试标准，则确保保证NV电池足够的功能安全性。否则应当给出相应的警告指示。
附图标记列表
1 HV电池
2 NV电池
3 车载网络
4 开关
5 DC/DC转换器
6 箭头(反馈)
7 伏特计

Claims (8)

1.一种用于确定电池、特别是至少部分地电驱动的车辆的低压电池(NV电池)(2)的功能安全性的方法，将测试脉冲(21)加载给所述电池，
其特征在于，
根据在所述测试脉冲(21)期间产生的所述电池上的电压曲线与预先给定的功能要求的相关性得到所述电池的功能安全性，其中，如果所述电池在所述测试脉冲(21)期间的电压曲线满足多个独立的测试标准，则具有功能安全性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下多个测试标准：
a)所述测试脉冲(21)结束时的电压不能低于预先给定的边界值UG，
b)所述测试脉冲(21)的两个时间点(t0,5；t1)之间的电压梯度不能低于预先给定的边界值，以及
c)所述测试脉冲(21)之前的电压与所述测试脉冲(21)期间的定义的时间点、特别是时间点t1的电压之间的电压差不能超过预先给定的边界值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过与温度相关地确定所述测试脉冲(21)结束时的电压和/或所述测试脉冲(21)的两个时间点(t0,5；t1)之间的电压梯度和/或所述测试脉冲(21)之前的电压与所述测试脉冲(21)期间的定义的时间点的电压之间的电压差，使得测试标准与温度相关。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当满足所有的测试标准a)、b)和c)时，确定所述电池具有功能安全性。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述测试脉冲(21)保持10秒至30秒、优选19秒至23秒的脉冲持续时间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述测试脉冲(21)至少暂时在大于9秒的脉冲持续时间内具有80A至130A、优选90A至100A的电流强度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述测试脉冲(21)的电流强度在达到80A至130A的电流强度之前逐级增大。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述测试脉冲(21)完全或者至少部分借助DC/DC转换器(5)产生，所述DC/DC转换器将从所述电池汲取的电能完全或者部分充电到车辆的高压电池(HV电池)中。
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