CN109964138B - 对电气存储***中的电压故障状况进行分类的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对用于车辆的包括多个单体(cell)的电池(battery)的电压故障状况进行分类的方法及装置。该方法包括：检测单体中的一个的单体电压(S1)，基于该单体电压在预定的电压范围之外来确定该单体具有电压故障状况(S2)，基于该单体电压来对电压故障状况的严重性进行分类(S3)，基于该电压故障状况的严重性来执行至少一个诊断测试例程以提供针对电压故障状况的原因(S4)，基于该电压故障状况的严重性及原因来选择并且调整电池操作状况，使得电池能够继续操作车辆(S5)。

Description

对电气存储***中的电压故障状况进行分类的方法及装置
技术领域
本发明涉及用于对混合动力车辆或电动车辆的电池(battery)中的电压故障状况进行分类的方法及装置。本发明还涉及一种包括这种装置的车辆。
背景技术
在车辆领域中，与具有例如被用作传统内燃机的替选物的能源的可替选能源的车辆的推进相关的研究与开发有所增加。
例如汽油发动机或柴油发动机的形式的内燃机以相对低的燃料消耗提供高的效率。然而，环境问题引起对更加环保的车辆能源的开发增多。尤其，电动车辆的开发已兴起为一种有前途的替选方案。
存在各种类型的包括电机的车辆推进***。例如，车辆可以仅依靠电机来操作，或者依靠包括电机和内燃机两者的装置来操作。后一种替选方案通常被称为混合动力车辆(HEV)，并且，举例而言可以以如下方式使用，即，在城市区域之外驾驶时使用内燃机来操作车辆，而在城市区域或者在需要限制诸如一氧化碳及氮氧化物的有害污染物排放的环境中可以使用电机。根据已知技术，通过典型地以一个或多个电池单元(battery unit)的形式布置在车辆中的电能的存储***来操作电机，所述电池单元(battery unit)由多个可充电的电池单体(battery cells)以及相关的控制单元形成。
在本公开的上下文中，术语“电动车辆”指的是纯电动车辆及混合动力电动车辆。一些混合动力电动车辆可以被称为插电式混合动力电动车辆。插电式混合动力电动车辆使用具有可充电电池或其他合适的能源的能量存储***，该能量存储***可以通过与外部电源的连接而恢复到涉及完全充电的状态，并且还可以由，例如，内燃机来驱动以对电池进行再充电。
电动车辆所涉及的技术与可充电电池的发展密切相关。如今，锂离子电池被认为是就范围、功率及充电时间而言最合适的电池技术。
当操作电动车辆时，需要连续监测电池以避免电池组中的单体损坏。这允许电池控制器停止对电池组充电以及从电池组放电以保护电池组。因此，当电池单元的参数指示错误时，例如，通过自动停止车辆的操作，可以避免停机以及昂贵的维护或者甚至电池单元或其中的单体(cell)的更换。
美国专利申请No.2010/0121511公开了一种用于保护能量存储***的示例性***，其中，基于与电池的已知的或可配置的规格的比较，模块管理电子设备可以根据每个模块或其中的电池单体的性能，将电池模块置于保护模式。例如，如果模块管理电子设备检测到电池模块中的温度过高或过低，则可以将电池模块置于永久关闭保护模式以便之后更换。此外，电池阵列的主控制器可以通过查看电池模块的若干参数来确定电池模块的健康状态(SOH)。当电池模块的SOH下降到低于阈值SOH时，主控制器可以警告用户电池模块需要维修。
然而，在美国专利申请No.2010/0121511中公开的方案具有许多缺陷，例如减少用于操作车辆的可用电池模块的数量，这可能由于温度问题等而停止或阻碍用户到达其预期目的地或彻底停止或阻碍车辆的操作。
因此，需要提供一种用于在改善电池组的运行时间的同时，保护电池模块或单体的改进的***或方法。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术，至少部分地缓解上述问题，并提供一种用于对电池中的电压故障状况进行分类的改进的装置及方法。
根据本发明的第一方面，这些目的及其他目的至少部分地通过一种用于对用于车辆的包括多个单体的电池的电压故障状况进行分类的方法来实现，该方法包括：
-检测单体中的一个的单体电压；
-基于该单体电压在预定的电压范围之外来确定该单体具有电压故障状况；
-基于该单体电压来对电压故障状况的严重性进行分类；
-基于该电压故障状况的严重性来执行至少一个诊断测试例程(diagnostic testroutine)以提供针对电压故障状况的原因；
-基于该电压故障状况的严重性及原因来选择并且调整电池操作状况，使得电池能够继续操作车辆。
根据本发明的第二方面，这些目的及其他目的至少部分地通过一种用于对用于车辆的包括多个单体的电池的电压故障状况进行分类的装置来实现，该装置包括：
-传感器，其用于检测单体中的至少一个的单体电压；以及
-控制单元，其被配置为基于单体电压在预定的电压范围之外来确定单体具有电压故障状况，并且基于单体电压来对电压故障状况的严重性进行分类；
-该控制单元被进一步配置为执行至少一个诊断测试例程以提供针对电压故障状况的原因，并且基于电压故障状况的严重性及原因来调整电池操作状况，使得电池能够继续操作车辆。
本发明基于以下认识，即，电池的单体的单体电压可能由于若干原因而在预定的电压范围之外，而所述原因不直接地对电池产生危险或损伤电池。因此，可能不需要永久地停止有问题的电池组或单体的操作。通过基于单体电压对电压故障状况的严重性进行分类，本发明基于电压故障状况的严重性通过执行至少一个诊断测试例程，提供了更快的方式来识别电压故障状况的明显原因。因此，可以基于电压故障状况的严重性及原因来选择并且调整正确的电池操作状况，使得电池能够继续操作车辆。选择并且调整电池操作状况的表述应该被理解为包括采取降低严重性、或消除电压故障状况的原因的行动。因此，本发明提供了一种识别电压故障状况背后的相关原因或多个原因的改进的方式。因此，可以用较少的消耗时间及/或能量的操作及测试来识别所述原因。
单体的预定的电压范围可以为，例如，1V至10V的电压范围。可替选地，单体的预定的电压范围可以为，例如，1.0V至5.0V、或2.7V至3.4V、或2.7V至4.0V的电压范围。因此，可以利用在这种范围之外的电压来确定电压故障状况存在。电压范围可以取决于单体的化学性质，以及所需要的功率窗口及能量窗口。功率窗口(即满足了电力需求的SOC窗口)和能量窗口均可以影响电压范围，并从而影响电压故障状况的触发条件。因此应该理解的是，本发明可以有利地用于广泛的电池以及电池单体化学产品。
在至少一个示例性实施例中，该方法进一步包括针对电池的一部分单体重复该方法的步骤。换句话说，对电池的一部分单体，或者对电池的所有单体，重复执行该方法，以便对整个电池的电压故障状况进行分类。
在至少一个示例性实施例中，该方法进一步包括基于历史数据增加电压故障状况的严重性。例如，如果先前单体发生过电压故障状况，则可以增加严重性。这意味着如果电压故障状况已经发生不止一次，则较不严重的电压故障状况可以被分类为更严重的电压故障状况。因此，即使电压故障状况的严重性低，也可以识别出电压故障状况背后的更严重的原因及理由。在另一个示例中，如果先前没有发生过电压故障状况，则可以降低严重性。所表述的历史数据应该被解释为基于诸如电压故障状况的电池及/或单体的先前的性能的数据，或者基于具有相似的组成及/或为相似的类型并且安装在相似的车辆中的电池及/或单体的先前的性能的数据。数据可以存储在控制单元中，或者可以使用有线或无线网络从远程数据库中检索。
在至少一个示例性实施例中，对电压故障状况的严重性进行分类的步骤进一步包括将电压故障状况分类为低严重性、中等严重性、高严重性或损坏严重性。低严重性应被理解为其意味着选择并且调整电池操作状况，其包括调整电池本身，而对于中等严重性、高严重性以及损坏严重性而言，包括调整车辆的控制参数以及车辆控制单元以降低电压故障状况的严重性。换句话说，可以基于与车辆先前的行动有关的信息而对导致电压故障状况的某一原因进行不同的分类。此外，测量并控制从电池输出的功率的并不总是电池控制单元。因此，即使电池控制单元已经发送了与预定的功率使用的限制有关的信息，车辆控制单元也可能由于例如驾驶员的行动而超出该限制，导致电压超出预定的阈值。因此，调整的控制参数可以向车辆控制单元引入不允许被超出的“严格的”限制。这意味着超出的功率使用可以是孤立事件，以及基于来自车辆控制单元的数据将相应的电压故障状况分类为较低严重性。因此，还应该理解为，如果从车辆控制单元接收的数据表明功率使用没有超出，则基于单体电压对电压故障状况的严重性进行分类。
在至少一个示例性实施例中，选择并且调整电池操作状况的步骤进一步包括将调整的控制参数发送到车辆控制单元。该控制参数可以包括与以下中的至少一个有关的信息：已经超出较低的电压阈值的情况下的最大可允许功率提取或最大可允许能量提取，可替选地已经超过较高的电压阈值的情况下的最大可允许充电功率或最大可允许充电能量，以及最高或最低允许使用温度。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括测量单体温度并确定该单体温度是否在预定的单体温度工作范围之外。预定的单体温度范围可以为-30至90摄氏度、或-10至60摄氏度。电池的单体可能劣化，尤其是电池的功率状态，并且单体可能由于长时间经受预定的单体温度工作范围之外的温度而劣化。此外，这当然可以指示电池的加热/冷却***中的故障。在预定的单体温度工作范围之外的单体温度属于中等严重性。
在至少一个示例性实施例中，选择并且调整电池操作状况包括对单体进行加热或冷却。用于加热及冷却电池及其中的单体的设备和装置在本领域中是已知的，例如风扇，或其中具有加热/冷却介质的冷却通道，加热/冷却介质被引导或泵送至与有问题的单体的热连接。因此，任何这样的加热或冷却方法或结构都可以有利地用于本发明。通过操作冷却或加热设备使单体温度达到预定的单体温度工作范围内，来抵消电压故障状态的原因。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括确定从单体提取或施加到单体的电流或功率是否超出预定的电流或功率的阈值。可以对电流或功率的瞬时提取进行确定，或者在诸如驾驶循环、小时、分钟、或秒的一段预定时间内进行确定。换句话说，通过确定从单体提取的电流或功率是否瞬时地或是在一个时间段内超出预定量，将针对电压故障状况的原因确定为电流或功率的过冲。因此，从电池向车辆提供的超过预定参数的功率脉冲对电池是有害的。电流或功率过冲可以属于中等严重性。根据电流或功率过冲的幅度及持续时间，电流或功率过冲可以属于高严重性。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括确定单体与电池的其余单体相比是否不平衡。关于单体与电池的其余单体相比不平衡的确定可以基于进行平衡确定的电压水平，或者自上次平衡期以来的时间，或者上次平衡期的完成程度，以及自上次平衡期以来通过单体的电流量。换句话说，关于单体与电池的其余单体相比不平衡的确定可以不仅包括确定平衡状态SOB，还包括平衡中涉及的其他因素。不平衡的单体可以属于低严重性。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括确定单体的充电状态SOC是否是不准确的。关于单体的SOC不准确的确定可以基于从开路电压(OCV)确定先前SOV时的电压水平、从OCV确定先前SOC时的温度、自上次OCV确定以来通过单体的电流量、以及电流传感器的不准确度。可替选地或附加地，还可以基于在负载下达到高电压或低电压的单体的电压来检测并确定不准确的SOC。从而，高电压或低电压应理解为在单体的预定的电压范围之外的电压。单体的不准确的SOC可以属于低严重性。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括确定单体是否已经失效。关于单体是否已经失效的确定可以基于单体在负载下达到高于和低于预定的电压范围的电池电压，或者在负载下具有最低电压的单体在无负载时也具有最低电压，或者在负载下具有最高电压的单体在无负载下也具有最高电压。可替选地，关于单体是否已经失效的确定可以基于单体是否具有高于失效阈值的电阻，或者单体的容量及/或电阻是否与电池的其余单体不同。单体与电池的其余单体之间的容量的阈值差异可以是比电池的单体的容量的平均值或中值低10％的容量。电阻的失效阈值将在整个寿命期间浮动，并且将与在特定时间上应该达到的值相关，并且以基于历史数据或已知数据的年龄所应该可能达到的功率(电流)而言，实际阈值为电压2.2和4.0V。单体失效可以属于损坏严重性。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括确定单体的健康状态SOH是否是不准确的。因此，如果没有其他诊断测试例程返回电压故障状况的原因，则认为单体的SOH不准确，因此降低单体的SOH以在将来使用单体时考虑较低的SOH。此外，对单体的SOH不准确的确定可以包括对诸如5、10、15、20或更多的多个单体执行该方法，并且基于对多个单体的电压故障状况没有得到确定的原因的结果，来确定SOH是不准确的。例如，为了降低具有不准确的SOH的单体发生电压故障状况的可能性，可以调整功率使用及对于老化的设置。功率使用及对于老化的设置应该被解释为限制能够从单体中提取的功率，并且在电池控制单元中从单体中减少可用总容量。此外，在一个示例性实施例中，电池控制单元可以将与功率使用和设置有关的数据发送到车辆控制单元，以限制来自车辆控制单元的功率提取需求。单体的不准确的SOH可以属于低严重性。
在至少一个示例性实施例中，至少一个诊断测试例程包括确定是否存在对牵引电压的干扰。对牵引电压的干扰可能来自具有间歇性隔离问题(接地)或间歇性短路极-极(intermittent short circuit pole-pole)的部件，导致EMC行为超出规定的牵引电压。可替选地，部件可能会开启/关闭并且导致牵引电压上的行为不符合预期。对牵引电压的干扰可以属于中等严重性。
在至少一个示例性实施例中，选择并且调整电池操作包括以下中的至少一个：改变控制算法中的参数、对单体充电、使单体放电、平衡电气存储***、或执行SOH校准。改变控制算法中的参数可能包括调整来自控制单元中的电池组的最大功率状态(SOP)，或者调整充电状态(SOC)窗口，以减少发生单体电压故障状况的可能性。换句话说，可以降低单体的SOC的允许上限和下限，从而移动或缩小SOC窗口。此外，选择并且调整电池操作可以包括调整如相同发明人在国际专利申请PCT/EP2015/062946中公开的温度控制参数，以在电池及/或单体的寿命结束时增加可用功率，因此本参考文献在此全文并入。此外，在一个示例性实施例中，电池控制单元可以将与功率使用和设置有关的数据发送到车辆控制单元，以限制车辆控制单元的功率提取需求。
在至少一个示例性实施例中，该方法进一步包括发送检测到的单体电压、至少一个诊断测试、严重性、原因以及所选择或调整的电池操作的步骤。检测到的单体电压、至少一个诊断测试、严重性、原因以及所选择或调整的电池操作可以通过有线或无线连接发送到远程数据库，使得原因和其他参数的历史数据可以提供给利用本发明构思的其他装置及/或车辆。
根据本发明的另一方面，本发明还可以由包括计算机程序代码的计算机程序产品来体现。其中，当由处理器执行时，计算机程序代码被配置为执行根据前述示例性实施例中的任一项的方法的步骤。
根据本发明的另一方面，包括根据第二方面的用于对用于车辆的包括多个单体的电池的电压故障状况进行分类的装置的车辆也是总的发明构思的一部分。车辆可以是诸如卡车、公共汽车、或作业机械的商用车辆。可替选地，车辆可以是汽车。
当研究所附权利要求和以下说明书时，本发明的其他特征和优势将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了在以下说明书的实施例之外的实施例。
附图说明
从下面的详细说明及附图中将容易理解本发明的各个方面，包括其特定的特征及优势，其中：
图1示出可以使用本发明的公共汽车形式的混合动力车辆的示意图。
图2是根据本发明的实施例的用于车辆的能量存储管理***的示意图。
图3是说明根据本发明的至少一个实施例的用于对电池中的电压故障状况进行分类的方法的流程图，以及
图4是说明根据本发明的至少一个实施例的用于对电池中的电压故障状况进行分类的方法的操作的示例性图表。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明进行更加全面的说明，其中，附图中示出当前本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为受限于在此提出的实施例；相反，这些实施例是为了彻底和完整而提供的，并且充分地向本领域技术人员传达本发明的范围。相同的参考字符始终表示相同的元素。
首先参考图1，示出了公共汽车1形式的车辆的简化透视图。公共汽车1是所谓的插电式混合动力型并且配备有通过离合器4相互连接的内燃机2和电机3。内燃机2和电机3均可用于驱动公共汽车1。电机3连接到变速箱5，而变速箱5又连接到公共汽车1的从动轴6，在该情况下为后轴。然而，原则上两种轴或任一轴，或者前轴均可以是从动轴。以这种已知的并因此而未进行详细说明的方式，内燃机2和电机3可以用于驱动轴6。根据该实施例，电机3用作组合式电动马达和发电机，并且也适合用作内燃机2的启动马达。然而，电机3同样可以与发电机及/或用于内燃机2的启动马达分开。
公共汽车1承载电能存储***7，其包括电池组7a，该电池组7a又包括多个电池单体(图1中未详细示出)。电池单体串联连接以提供具有所需电压水平的输出DC电压。适当地，电池单体为锂离子型，但原则上也可以使用其他类型的电池单体。
能量存储***7还包括传感器单元7b，该传感器单元7b布置成用于测量指示电池组7a的操作状态的一个或多个预定的参数。传感器单元7b可以配置成用于测量电池组7a及每个单独的电池单体的电压。此外，传感器单元7b可以配置成用于测量诸如电池组7a及每个单独的电池单体的电池电流和温度的替选参数。而且，传感器单元7b可以用于测量与电池组7a及每个单独的电池单体的功率、容量或其他合适的参数方面的性能状态相关的其他信号。正如将在以下详细说明的，通过传感器单元7b测量的一个或多个参数可以用于其他过程中。
在图1所示的实施例中，能量存储***7布置在公共汽车1的顶盖上。然而，能量存储***7可以布置在车辆中任何合适的地方。特别地，能量存储***7通常可以布置在车辆1的较低部分，使得质心较低。公共汽车1的推进***的上述部件，包括能量存储***7，被连接到车辆控制单元20。
尽管本公开涉及在公共汽车形式的车辆1中使用的电池组7a，但是它实际上可以应用于具有能量存储***的任何类型的车辆中，所述能量存储***包括具有多个电池单体的电池组。例如，本发明可以应用于混合动力车辆(HEV)、纯电动车辆(FEV)、电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力车辆(PHEV)以及使用电池的其他形式的车辆。本发明可用于卡车或建筑设备机器。本发明还可以用于船舶和涉及发电厂的应用，以及使用上述类型的电池组的其他情况。
在公共汽车1的某些操作模式期间，适合使用电机3来操作公共汽车1。这意味着能量存储***7将向电机3供电，而电机3又驱动后轴6。可以组合电机和内燃机并将其用于操作车辆的方式通常是先前已知的，因此，这里不再进行任何更加详细的说明。
公共汽车1配备有第一电连接器元件9，例如以插头或受电弓的形式。第一电连接器元件9布置成连接到第二电连接器元件10，例如以外部电插头或架空电导线的形式，或以任何其他外部电连接器的形式。外部连接器10连接到外部电源11，并且因此可以在连接时对能量存储***7充电。因此，本发明还适用于HEV、FEV、及BEV，其中车辆在操作期间可以在不与外部电源11连接的情况下操作。
公共汽车1还包括车辆控制单元20。车辆控制单元20包括电子电路和连接(未示出)以及处理电路(未示出)，使得车辆控制单元20可以与诸如制动器、悬架、动力传动***、特别是内燃机2、电机3、离合器4、以及变速箱5的公共汽车1的不同部分进行通信，以便操作公共汽车1。车辆控制单元20可以包括硬件或软件中的模块，或部分在硬件或软件中的模块，并使用已知的诸如CAN总线的传输总线进行通信。处理电路可以是通用处理器或专用处理器。车辆控制单元20包括用于存储计算机程序代码和数据的非暂时性存储器。因此，本领域技术人员认识到车辆控制单元20可以通过许多不同的结构来体现。车辆控制单元20连接到电池的电池控制单元8，以用于发送和接收信息，诸如作为车辆1的驾驶员操作车辆1的结果的功率需求。
图2是电池组7a和车辆1的相关部件的简要示意图。电池组7a包括多个电池单体C1、C2、C3......等(也指参考“C”)。典型地，电池单体的数量在90至400个单体的范围内，但具体数量可以变化。电池单体为锂离子类型，但本发明的原理同样适用于其他类型的电池单体。
电池组7a连接到电机3，并且被配置成用于操作电机3(电机3继而又操作车辆1)。此外，电池组7a连接到传感器单元7b，传感器单元7b继而又连接到电池控制单元8。
传感器单元7b可以配置成用于测量电池组7a的电压、温度或其他参数。因此，传感器单元7b配置成用于测量每个电池单体C的端子电压U，并且用于将与测量的电压值相关的信息发送到电池控制单元8。如上所述，传感器单元7b可以配置成测量其他参数，诸如每个单独的电池单体C1、C2、C3…等的电流和温度。此外，传感器单元7b可以用于测量与电池7a的每个单独的电池单体的功率、容量或其他合适的参数方面的性能状态相关的其他信号。
转到本发明，用于对电池组7a的电压故障状况进行分类的装置包括布置成检测单体C中的一个的单体电压的传感器单元7b，以及电池控制单元8。在本发明构思中，电池控制单元8配置成基于单体电压在预定的电压范围之外来确定单体C，例如，多个单体其中的一个，具有电压故障状况。单体的预定的电压范围可以为，例如，1V至10V的电压范围。可替选地，单体的预定的电压范围可以为，例如，1.0V至5.0V、或2.7V至3.4V、或2.7V至4.0V的电压范围。因此，可以利用在这种范围之外的电压来确定电压故障状况存在。电压范围可以取决于单体的化学性质，以及所需要的功率窗口及能量窗口。功率窗口和能量窗口均可以影响电压范围，并从而影响电压故障状况的触发条件。因此应该理解的是，本发明可以有利地用于广泛的电池以及电池单体化学产品。
电池控制单元8进一步配置成基于单体电压来对电压故障状况的严重性进行分类。换句话说，电池控制单元8基于所测量的单体电压的大小来对电压故障状况的严重性进行分类。
控制单元8进一步配置成执行至少一个诊断测试例程以提供针对电压故障状况的原因。因此，应当理解本发明构思的一个优点，当电池控制单元8开始执行可能对应于所测量的电压故障状况的严重性的原因的诊断测试例程时，该电池控制单元8可能通过简单随机地测试电压故障状况的原因的较快的方式找到一个原因或多个原因。
电池控制单元8还进一步配置成基于电压故障状况的严重性来选择并且调整电池操作状况，使得电池能够继续操作车辆。
诊断测试例程应该在本申请的上下文中被解释为用于识别并验证导致电压故障状况的原因和理由的测试。下面将结合图3和图4对此进行进一步举例说明。
此外，下面针对该方法所解释的可能原因及诊断测试例程应该被理解为也适用于电池控制单元8。特别地，电池控制单元8可以与车辆控制单元20进行通信。
对电压故障状况的严重性进行分类可以包括将电压故障状况分类为低严重性、中等严重性、高严重性或损坏严重性。低严重性应被理解为意味着选择并且调整电池操作状况，其包括调整电池本身，而对于中等严重性、高严重性以及损坏严重性而言，包括通过车辆控制单元20来调整车辆的控制参数以降低电压故障状况的严重性。换句话说，可以基于与车辆先前的行动有关的信息而对导致电压故障状况的某一原因进行不同的分类。此外，测量并控制从电池7输出的功率的并不总是电池控制单元8。因此，即使电池控制单元8已经发送了与预定的功率使用的限制有关的信息，车辆控制单元20也可能由于例如导致电压超出预定的阈值的驾驶员的行动而超出该限制。这意味着超出的功率使用可以是孤立事件，以及基于来自车辆控制单元20的数据将相应的电压故障状况分类为较低严重性。因此，还应该理解为，如果从车辆控制单元20接收的数据表明功率使用没有超出，则电压故障状况的严重性基于单体电压进行分类。
应当理解的是，电池控制单元8的功能可以在以下关于由图3中的流程图和图4中的图表阐明的方法的说明中得到最佳地理解。然而，当然应该注意的是，电池控制单元8的功能可以完全地在硬件或软件中实现，或者部分在软件中实现，而部分由硬件来实现。电池控制单元8可以包括通用处理器、非暂时性存储器、以及电池控制单元8与至少传感器单元7b进行通信所需要的电子电路、电池组7a、以及用于驱动处理器及存储器的电子电路。此外，电池控制单元8可以包括与诸如远程服务器的外部数据库以及车辆控制单元20进行有线或无线通信所需要的电子电路。因此，应当理解的是，功能的一部分可以由存储在非暂时性存储器上软件模块来实现，或者由包含在电池控制单元8中的硬件模块(未示出)来实现。
图3是说明根据本发明的至少一个实施例的用于对电池中的电压故障状况进行分类的方法的流程图。该方法，例如，可以使用结合图1及图2阐述并说明的部件和***来实施。
该方法包括检测单体C中的一个的单体电压的第一步骤S1。例如可以通过图2中示出的传感器单元7b来检测单体电压。
该方法包括基于单体电压在预定的电压范围之外来确定单体具有电压故障状况的另一步骤S2。单体的预定的电压范围可以是，例如，2.7V至4.0V的电压范围。因此，通过将所测量的单体电压U与预定的电压范围进行比较，可以确定存在电压故障状况。控制单元8可以在所测量的单体电压U和预定的电压范围之间进行比较。
当然应当注意的是，如果不存在电压故障状况，即，单体电压在预定的电压范围内，则该方法通常将继续测量电池中的另一个单体。当然也可以同时对电池的一部分单体或电池的所有单体并行执行该方法。
该方法包括基于单体电压对电压故障状况的严重性进行分类的另一步骤S3。换句话说，严重性取决于电压故障状况的量级。因此，所测量的电压具有与预定的电压范围的较大偏差，可以直接导致被分类为较高的严重性，而所测量的电压具有与预定的电压范围的较小偏差，可以导致较低的严重性。
步骤S3可以进一步包括基于历史数据增加电压故障状况的严重性。例如，如果先前单体发生过电压故障状况，则可以增加严重性。这意味着如果电压故障状况已经发生不止一次，则较不严重的电压故障状况可以被分类为更严重的电压故障状况。因此，即使电压故障状况的严重性低，也可以识别出电压故障状况背后的更严重的原因及理由。所表述的历史数据应该被解释为基于诸如电压故障状况的电池及/或单体的先前的性能的数据，或者基于具有相似的组成及/或类型并且安装在相似的车辆中的电池及/或单体的先前的性能的数据。数据可以存储在控制单元中，或者可以使用有线或无线网络从远程数据库中检索。
步骤S3可以进一步包括将电压故障状况分类为低严重性、中等严重性、高严重性或损坏严重性。低严重性应被理解为其意味着在该方法之后选择并且调整电池操作状况，其包括调整电池本身，而对于中等严重性、高严重性以及损坏严重性而言，包括调整车辆的控制参数以及车辆控制单元以降低电压故障状况的严重性。换句话说，可以基于与车辆先前的行动有关的信息而对导致电压故障状况的某一原因进行不同的分类。此外，测量并控制从电池输出的功率的并不总是电池控制单元。因此，即使电池控制单元已经发送了与预定的功率使用的限制有关的信息，车辆控制单元也可能由于例如导致电压超出预定的阈值的驾驶员的行动而超出该限制。因此，调整的控制参数可以向车辆控制单元引入不允许被超出的“严格的”限制。这意味着超出的功率使用可以是孤立事件，以及基于来自车辆控制单元的数据将相应的电压故障状况分类为较低严重性。因此，还应该理解为，如果从车辆控制单元接收的数据表明功率使用没有超出，则电压故障状况的严重性基于单体电压进行分类。在图4中举例说明严重性程度的示例性范围。
该方法包括执行至少一个诊断测试例程以提供针对电压故障状况的原因的另一步骤S4。下面将对用于检测特定原因的示例性诊断测试例程进行解释。然而，本领域技术人员已知本发明构思还包括未明确指出的合适测试，并且原则上可以使用能够识别并提供针对电压故障状况的原因的任何测试。
该方法包括基于电压故障状况的严重性和原因来选择并且调整电池操作状况的另一步骤S5，使得电池能够继续操作车辆。将结合图4来举例说明示例性电池操作状况。
在一些示例性实施例中，步骤S5包括以下中的至少一个：改变控制算法中的参数、对单体充电、使单体放电、平衡电气存储***、或执行SOH校准。改变控制算法中的参数可以包括调整来自控制单元中的电池组的最大功率状态(SOP)，或者调整充电状态(SOC)窗口，以减少发生单体电压故障状况的可能性。换句话说，可以降低单体的SOC的允许上限和下限，从而移动或缩小SOC窗口。此外，选择并且调整电池操作可以包括调整如相同发明人在国际专利申请PCT/EP2015/062946中公开的温度控制参数，以在电池及/或单体的寿命结束时增加可用功率，因此本参考文献在此全文并入。此外，在一个示例性实施例中，电池控制单元可以将与功率使用和设置有关的数据发送到车辆控制单元，以限制车辆控制单元的电源提取需求。
在至少一个示例性实施例中，步骤S5可以进一步包括将调整的控制参数发送到车辆控制单元。该控制参数可以包括与以下中的至少一个有关的信息：最大可允许功率提取、最大可允许能量提取。
该方法可以进一步包括针对电池的一部分单体，或针对电池的所有单体重复该方法的步骤，如从S5到S1的箭头所示。换句话说，该方法针对电池的一部分单体，或针对电池的所有单体重复执行，以对整个电池的电压故障状况进行分类。
在替选的实施例中，该方法可以选择性的进一步包括步骤S6，其发送检测到的单体电压、至少一个诊断测试、严重性、原因以及所选择或调整的电池操作。检测到的单体电压、至少一个诊断测试、严重性、原因以及所选择或调整的电池操作可以通过有线或无线连接发送到远程数据库，使得原因和其他参数的历史数据可以提供给利用本发明构思的其他装置及/或车辆。
图4是示出单体电压的正常操作区域以及在正常操作范围之外的区域的图表。因此，在正常操作区域之外的区域为电压故障状况的示例。为简洁起见，“执行测试并调整”下的文字仅在高于预定的电压范围的电压水平上注明，而不在低于预定的电压范围的水平上注明，当然同样的过程适用于与严重性相对应的水平。如上所述，预定的电压范围可以是2.7V至3.4V，但是对于不同类型的电池及应用等也可以不同。在正常操作范围之外，即在低于和高于正常操作范围中，示出电压故障状况的区域。在不考虑原因的情况下，就电压故障状况的量级而言，接近于正常操作范围的电压故障状况区域为较低严重性的区域。因此，在2.5V至2.7V或3.4V至3.6V的示例性范围内检测到的电压故障状况将被视为偏离的低严重性。在2.2V至2.5V或3.6V至3.8V的示例性范围内检测到的电压故障状况将被视为偏离的中等严重性。在2.0V至2.2V或3.8V至4.0V的示例性范围内检测到的电压故障状况将被视为偏离的高严重性。当然应当注意的是，在那些示例性边界之外的电压故障状况将导致无法直接地对单体进行分类，并且如果可能的话，将导致单体与电池的其余部分断开，否则控制单元可能会使来自电池的可用电力降低到低水平，但仍足以使安装了本发明的车辆安全地停止或到达服务站。可替选地，出于安全原因，这种高电压故障状况可能触发电池的直接关闭。
箭头A1表示实施该方法期间的时间。首先，例如根据图4中示出的区域，执行单体电压以及可能的电压故障状况的检测，之后对电压故障状况进行分类，根据该电压故障状况，使用至少一个诊断测试例程来研究最可能的原因。当发现原因时，选择并且调整电池操作状况，使得电池能够继续操作车辆。
低严重性的原因可以是不平衡的单体。因此，诊断测试例程可以包括确定单体与电池的其余单体相比是否不平衡。关于单体与电池的其余单体相比不平衡的确定可以基于进行平衡确定的电压水平，或者自上次平衡期以来的时间，或者上次平衡期的完成程度，以及自上次平衡期以来通过单体的电流量。换句话说，关于单体与电池的其余单体相比不平衡的确定可以不仅包括确定平衡状态SOB，还包括平衡中涉及的其他因素。
低严重性的原因可以是单体的不准确的SOC。因此，诊断测试例程可以包括确定单体的充电状态SOC是否是不准确的。关于单体的SOC不准确的确定可以基于从开路电压(OCV)确定先前SOV时的电压水平、从OCV确定先前SOC时的温度、自上次OCV确定以来通过单体的电流量、以及电流传感器的不准确度。可替选地或附加地，还可以基于在负载下达到高电压或低电压的单体的电压来检测并确定不准确的SOC。此时，高电压或低电压应理解为在单体的预定的电压范围之外的电压。
低严重性的原因可以是单体的不准确的SOH。因此，诊断测试例程可以包括确定单体的健康状态SOH是否是不准确的。因此，如果没有其他诊断测试例程返回电压故障状况的原因，则认为单体的SOH不准确，因此降低单体的SOH以在将来使用单体时考虑较低的SOH。此外，对单体的SOH不准确的确定可以包括对诸如5、10、15、20或更多的多个单体执行该方法，并且基于对多个单体的电压故障状况没有得到确定的原因的结果，来确定SOH是不准确的。例如，为了降低具有不准确的SOH的单体发生电压故障状况的可能性，可以调整功率使用及对于老化的设置。功率使用及对于老化的设置应该被解释为限制能够从单体中提取的功率，并且在电池控制单元中从单体中减少可用总容量。此外，在一个示例性实施例中，电池控制单元可以将与功率使用和设置有关的数据发送到车辆控制单元，以限制来自车辆控制单元的功率提取需求。
中等严重性的原因可以是单体的异常温度。因此，诊断测试例程可以包括测量单体温度并确定该单体温度是否在预定的单体温度工作范围之外。预定的单体温度范围可以为-30至90摄氏度、或-10至60摄氏度。此外，这当然可以指示电池的加热/冷却***中的故障。因此，选择并且调整电池操作状况可以包括对单体进行加热或冷却。通过操作冷却或加热设备使单体温度达到预定的单体温度工作范围内，来抵消电压故障状态的原因。
中等严重性的原因可以是电流或功率的过冲。因此，诊断测试例程可以包括确定从单体提取或施加到单体的电流或功率是否超出预定的电流或功率的阈值。可以对电流或功率的瞬时提取进行确定，或者在诸如驾驶循环、小时、分钟、或秒的时间段内进行确定。换句话说，通过确定从单体提取的电流或功率是否瞬时地或是在一定时间段内超出预定量，将针对电压故障状况的原因确定为电流或功率的过冲。因此，从电池向车辆提供的超过预定参数的功率脉冲对电池是有害的。
中等严重性的原因可以是牵引电压上的干扰。因此，诊断测试例程可以包括确定是否存在牵引电压上的干扰。牵引电压上的干扰可能来自具有间歇性隔离问题(接地)或间歇性短路极-极的部件，导致EMC行为超出规定的牵引电压。可替选地，部件可能会开启/关闭并且导致牵引电压上的行为不符合预期。
损坏严重性的原因可以是电池失效。因此，诊断测试例程包括确定单体是否已经失效。关于单体是否已经失效的确定可以基于单体在负载下达到高于和低于预定的电压范围的电池电压，或者负载下具有最低电压的单体达到在无负载时也具有最低电压，或者在负载下具有最高电压的单体在无负载下也具有最高电压。可替选地，关于单体是否已经失效的确定可以基于单体是否具有高于失效阈值的电阻，或者单体的容量是否与电池的其余单体不同。单体与电池的其余单体之间的容量的阈值差异可以是比电池的单体的容量的平均值或中值低10％的容量。电阻的失效阈值将在整个寿命期间浮动，并且将与在特定时间上应该达到的值相关，并且在基于历史数据或已知数据的年龄所应该可能达到的功率处，实际阈值电压为2.2和4.0V。
综上，电压故障状况的低严重性的原因可以为：
-SOH不准确
-SOC不准确
-SOP不准确
-单体与电池的其余单体相比不平衡
电压故障状况的中等严重性的原因可以为：
-单体的温度在预定的单体温度工作范围之外，
-在规范之外的功率脉冲，
-其他部件的失效，例如不稳定的行为、牵引电压上的干扰。
电压故障状况的高严重性的原因可以为：
-在动态的负载下的高电压和低电压
-在规范之外的具有高幅度及/或持续时间的功率脉冲。
电压故障状况的损坏严重性的原因可以为：
-电池失效，例如在OCV下检测到的高单体电压及低单体电压。
应该注意的是，上述原因清单并非详尽无遗，而应该被视为一个简短的示例清单。
如果在电压故障状况的严重性级别下无法识别其原因，则下一步是搜索较低严重性级别的原因，如箭头A2所示。此外，该方法还可以搜索电压故障状况的其他原因，以便在适用时找到多个原因。
当然应当注意的是，尽管上述的原因跟随特定的严重性“级别”，但是在替选实施例中，原因及/或严重性级别可以被视为以标记为中心的概率函数及/或围绕标记的连续函数。因此，在车辆中实施期间，或通过从远程数据库接收信息，可以更新并调整原因及严重性级别的这种概率函数及/或连续函数。
尽管已经参考本公开的具体示例性实施例对本公开进行了说明，但是就本领域技术人员而言，通过研究附图、公开内容及所附的权利要求书，许多不同的改变、修改等是显而易见的。另外，在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。
本公开考虑了用于完成各种操作的方法、***及任何机器可读介质上的程序产品。本公开的实施例可以使用现有的计算机处理器来实现，或者通过用于为此目的或其他目的而引入的适当的***的专用计算机处理器来实现，或者通过硬连线的***来实现。本公开范围内的实施例包括程序产品，该程序产品包括承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储设备，或可用于承载或存储所需要的程序代码的，并且可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质，其中，程序代码为机器可执行指令或数据结构的形式。当通过网络或其他通信连接(硬连线的、无线的、或硬连线或无线的组合)向机器传送或提供信息时，机器适当地将连接视为机器可读介质。因此，任何这种连接都被适当地称为机器可读介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括，例如，使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行特定功能或功能组的指令和数据。
尽管附图可以示出方法步骤的特定顺序，但是步骤的顺序可以与所描述的顺序不同。还可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件***以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样地，软件实现可以利用标准编程技术来完成，该技术具有基于规则的逻辑及其他逻辑，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤以及决策步骤。另外，即使已经参考本发明的具体示例性实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。通过研究附图、公开内容以及所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。

Claims (16)

1.一种对用于车辆的包括多个单体的电池的电压故障状况进行分类的方法，所述方法包括：
-检测所述多个单体中的一个单体的单体电压；
-基于所述单体电压在预定的电压范围之外来确定所述单体具有电压故障状况；
-基于所述单体电压来对所述电压故障状况的严重性进行分类，其中所述方法进一步包括基于历史数据来增加所述电压故障状况的严重性，由此如果所述单体先前发生过电压故障状况，则电压故障的所述严重性增加；
-基于所述电压故障状况的严重性来执行至少一个诊断测试例程以提供针对所述电压故障状况的原因；
-基于所述电压故障状况的严重性及所述原因来选择并且调整电池操作状况，使得所述电池能够继续操作所述车辆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于历史数据来增加所述电压故障状况的严重性的步骤包括：如果所述单体先前未发生过电压故障状况，则电压故障的所述严重性降低。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述电压故障状况的严重性进行分类的步骤进一步包括：将所述电压故障状况分类为低严重性、中等严重性、高严重性或损坏严重性。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法进一步包括将调整的控制参数发送到车辆控制单元，所述控制参数包括与以下中的至少一个有关的信息：最大可允许功率提取、最大可允许能量提取。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个诊断测试例程包括：测量单体温度并且确定所述单体温度是否在预定的单体温度工作范围之外。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，选择并且调整电池操作状况包括：对所述单体进行加热或冷却。
7.根据权利要求1或2所述的方法，所述至少一个诊断测试例程包括：确定在时间段内从所述单体提取或施加到所述单体的电流或功率是否超出预定的电流或功率的阈值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个诊断测试例程包括：确定所述单体与所述电池的其余单体相比是否不平衡。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个诊断测试例程包括：确定所述单体的充电状态SOC是否是不准确的。
10.根据权 利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个诊断测试例程包括：确定所述单体是否已经失效。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个诊断测试例程包括：确定所述单体的健康状态SOH是不准确的。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，选择并且调整电池操作包括以下中的至少一个：改变控制算法中的参数、对所述单体充电、使所述单体放电、平衡电气存储***。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法进一步包括：发送检测到的单体电压、所述至少一个诊断测试例程、所述严重性、所述原因以及选择或调整的电池操作的步骤。
14.一种存储器，存储有包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中，所述计算机程序代码被配置为：当由处理器执行时，实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法的步骤。
15.一种用于对用于车辆的包括多个单体的电池的电压故障状况进行分类的装置，所述装置包括：
-传感器，所述传感器用于检测所述多个单体中的一个单体的单体电压；以及
-控制单元，所述控制单元被配置为基于所述单体电压在预定的电压范围之外来确定所述单体具有电压故障状况，并且基于所述单体电压来对所述电压故障状况的严重性进行分类；其中所述控制单元还适于基于历史数据来增加所述电压故障状况的严重性，由此如果所述单体先前发生过电压故障状况，则电压故障的所述严重性增加；
-所述控制单元被进一步配置为执行至少一个诊断测试例程以提供针对所述电压故障状况的原因，并且基于所述电压故障状况的严重性及所述原因来调整电池操作状况，使得所述电池能够继续操作所述车辆。
16.一种包括根据权利要求15所述的装置的车辆。
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