CN110691709B - 用于运行电能存储***的方法和设备以及具有该设备的电能存储***和相应的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于运行包括至少一个电能存储单元的电能存储***的方法，其包括以下步骤。确定至少一个电能存储单元的状态参量，特别是电压。此外，检查用于确定至少一个电能存储单元的状态参量的设备的可操作性，该设备特别是包括电压检测设备。此外，在用于确定状态参量的设备的可操作性受限或缺失的情况下，基于第一数学模型和至少已确定的状态参量来确定至少一个电能存储单元的第一另外的状态参量。随后，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的第一另外的状态参量来运行电能存储***。此外，本发明涉及一种相应的设备、一种相应的电能存储***和相应的用途。

Description

用于运行电能存储***的方法和设备以及具有该设备的电能 存储***和相应的用途
技术领域
本发明描述了用于运行包括至少一个电能存储单元的电能存储***的方法和设备，以及具有所述设备的电能存储***和该电能存储***的用途。
背景技术
电子控制器在当今的汽车领域中的使用数量越来越多，其例如取决于驾驶自动化程度的提高。特别是对于电驱动车辆，有必要开发具有所属的电池管理***的电池。在此，电池管理***通常通过监控和控制电池单元或整个电池***的电流、电压、温度、绝缘电阻以及可能的其他物理参量来确保对应的电池单元和由这些电池单元组成的电池***的安全可靠的功能。借助于所述参量可以实现管理功能，这些管理功能主要可以提高电池***的使用寿命、可靠性和安全性，并且例如使用数学模型更好地控制和调节电池***。
电池***通常分成模块，这些模块包含电池单元，并且通常还形成空间单元。例如，一个电池***由8个模块组成，其中每个模块安装有12个电池单元。为了检测单个电池单元的电压，设置有相应的电压传感器。在此，电压传感器可以例如直接与中央控制器电连接，或者也可以与相应的模块控制器电连接，该模块控制器例如以压缩形式将记录的数据传输到中央控制器。因此，安装在电池***中的传感器（例如电压传感器）的可操作性对于电池***的运行非常重要。电压传感器的故障（例如可以借助于自检来确定）例如会导致出于安全原因而无法从电池***获取或提供电能。
公开文献DE 10 2010 045 514描述了一种利用电能存储器来运行机动车辆的方法，其中，在用于估计电池单元的端子电压的传感器故障的情况下，启用另一电池单元的另一端子电压。
公开文献JP 2013-167544描述了一种用于监控电池单元的设备，其中，在电池单元的电压测量发生故障的情况下，使用在多个电池单元上下降的电压。
发明内容
公开了一种用于运行包括至少一个电能存储单元的电能存储***的方法，其具有独立权利要求的特征。
在此确定至少一个电能存储单元的状态参量。该状态参量特别是可以包括电压。此外，检查用于确定至少一个电能存储单元的状态参量的设备的可操作性。该设备例如可以设置用于确定充电状态参量。在此，该设备特别是包括电压检测设备，例如电压传感器和通向控制器的所属线路。在用于确定状态参量的设备的可操作性受限或缺失的情况下，基于至少一个电能存储单元的第一数学模型，以及基于至少一个电能存储单元的至少已经确定的状态参量来确定至少一个电能存储单元的第一另外的状态参量。可操作性受限或缺失在此例如可能意味着，由于线路中断而无法再记录测量值，或者还有所记录的测量值位于预定义义的极限值之外。这例如可以在自检的范围内确定。例如可以使用电能存储单元的所谓的等效电路模型作为数学模型。此外，数学模型可以包括基于数据的综合特征曲线和/或可以基于概率。随后，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的第一另外的状态参量来运行电能存储***。由此，至少在有限的方式下，电能存储***的继续运行是可能的。由此，以有利的方式，电能存储***可以受控地转变到安全状态，例如相应地提前通知***的用户。由此，可以避免电能存储***的突然的快速关闭以及伴随的对用户或电能存储***的部件可能造成的不利影响。例如，在车辆领域中，可以考虑所谓的“跛行”模式，其中对电能存储***的电力需求是有限的。
状态参量在此可以：基于充电状态，即，是或包括充电状态参量，例如电能存储单元的电压；和/或基于流过电能存储单元的电流和/或电能存储单元的温度。此外可能的是，状态参量基于例如在电能存储单元内部存在的压力，或基于由此造成的、电能存储单元的壳体的外应变。
本发明的其他有利的实施方式是从属权利要求的主题。
根据一种设计方案，这样运行电能存储***，即，不超过状态参量的第一极限值和/或不低于状态参量的第二极限值。在电压作为状态参量的情况下，例如能够将第一极限值设置为4.0V，并且能够将第二极限值设置为3.0V。替代地，第一极限值可以例如从3.8V至4.4V的第一范围中选择，并且第二极限值可以从2.6V至3.2V的第二范围中选择。这取决于相应的电能存储单元的相应特性。因此，与危及电能存储***安全的电压值保持足够的距离是可能的。例如，在上面示例性给出的极限值的情况下，在超过4.2 V时，就可能危及安全。因此，在此已将安全距离设置为0.2 V，以便即使在用于确定状态参量的设备的可操作性存在受限或缺失的情况下也具有足够的安全余量。
根据一种设计方案，确定电能存储单元的至少一个老化状态参量，例如最大可能的电容或可存储的电荷量或电阻。最大可能的可存储能量作为老化状态参量也是可能的。由于这些参量随时间并且根据电能存储单元的使用而变化，因此可以由其推断电能存储单元的寿命或损耗程度。随后，基于至少一个老化状态参量适配第一数学模型。这优选在用于确定状态参量的设备的可操作性完整的情况下进行。由此，有利地确保电能存储单元的第一数学模型尽可能好地反映电能存储单元的特性。这使得能够使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的第一另外的状态参量来更准确并因此更安全地运行电能存储***。
根据一种设计方案，其中，电能存储***包括多个电能存储单元，将在用于确定状态参量的设备的可操作性受限或缺失的情况下所确定的、电能存储单元的第一另外的状态参量与基于在多个电能存储单元上下降的电压的第二另外的状态参量相比较。由此，使得对借助于第一数学模型确定的第一另外的状态参量的可信性检查成为可能，这有利地提高了该方法的可靠性。根据状态参量的比较，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的第一另外的状态参量来运行电能存储***，其中，附加地在第一预定义的时间段之后或者替代地在以预定义义的最大可能功率输出/接收消耗或接收了第一预定义的电能量之后，禁止从电能存储单元和/或电能存储***中提取电能。例如，可以由比较得出，状态参量的差位于预定义义范围内，这不妨碍电能存储***的继续运行。由此，可以有利地至少在第一预定义的时间段内或替代地在第一预定义的能量的范围内，以预定义的最大可能的功率输出/接收继续安全地运行电能存储***。
根据一种设计方案，其中，电能存储***包括至少两个电能存储单元，基于第二数学模型确定至少一个另外的电能存储单元的第三另外的状态参量。在此，第二数学模型的类型可以相应于第一数学模型。随后，将另外的电能存储单元的第三另外的状态参量与在用于确定状态参量的设备的可操作性受限或缺失的情况下所确定的、电能存储单元的第一另外的状态参量进行比较。由此，对借助于第一数学模型确定的第一另外的状态参量的可信性检查成为可能，这有利地提高了该方法的可靠性。根据状态参量的比较，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的第一另外的状态参量来运行电能存储***，其中，附加地在第二预定义的时间段之后禁止从电能存储***中提取电能。后者例如可以通过对位于电能存储***中的所谓的继电器的相应操控来完成。例如，可以由比较得出，状态参量的差位于预定义范围内，这不妨碍电能存储***的继续运行。由此，可以有利地至少在第二预定义的时间段内继续安全地运行电能存储***，其中例如动用另一电能存储单元的测量值。
根据一种设计方案，在检查用于确定至少一个电能存储单元的状态参量的设备的可操作性之前，分别确定至少两个电能存储单元的至少一个老化状态参量。随后，将至少两个电能存储单元的老化状态参量相互比较。在方法步骤中既能使用第一数学模型，也能使用第二数学模型。由此，可以有利地特别是确定至少两个电能存储单元是否具有相似的老化特性。根据状态参量的比较和老化状态参量的比较，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的第一另外的状态参量来运行电能存储***。在此，附加地在第三预定义的时间段之后，和/或在以必要时同样预定义的最大可能的功率输出/接收消耗了第三预定义的能量之后，禁止从电能存储***中提取电能，其中，第三预定义的能量和/或第三预定义的时间段的长度根据状态参量和/或老化状态参量来定义。这例如可以通过对位于电能存储***中的关断装置（例如继电器）的相应操控来完成。例如，可以由比较得出，不仅状态参量的差位于预定义范围内，而且老化状态参量的差在另一预定义范围内。由此，例如确保了，其设备不再正确地起作用以确定状态参量的电能存储单元和另一电能存储单元具有相似的电特性。由此，可以有利地至少在第三预定义的时间段内或在第三预定义的能量的范围内继续安全地运行电能存储***。
根据一种设计方案，第一数学模型和第二数学模型是相同的和/或基于微分方程。因此，可以有利地在模型及其参数和状态之间简单地进行比较。此外，可以通过微分方程或相应离散化的差分方程良好地反映电能存储单元内部的动态过程。
电能存储单元特别是可以理解为电化学电池单元和/或具有至少一个电化学电池单元的电池模块和/或具有至少一个电池模块的电池组。例如，电能存储单元可以是锂基电池单元或锂基电池模块或锂基电池组。电能存储单元尤其可以是锂离子电池单元或锂离子电池模块或锂离子电池组。此外，电池单元的类型可以是锂聚合物蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、铅酸蓄电池、锂空气蓄电池或锂硫蓄电池，或者一般而言是任意电化学组合物的蓄电池。电容器也可以作为电能存储单元。
此外，本发明的主题是一种用于运行电能存储***的设备，其包括至少一个器件，该至少一个器件设置用于执行根据所公开的设计方案之一的方法的步骤。前述优点相应地适用。至少一个器件可以包括例如电池管理控制器和相应的功率电子器件（例如逆变器），以及电流传感器和/或电压传感器和/或温度传感器。电子控制单元，特别是作为电子电池管理器形式的电子控制单元也可以是这种器件。电子控制单元特别是可以理解为电子控制器，其例如包括微控制器和/或专用硬件组件，例如ASIC，但同样可以是个人计算机或可编程逻辑控制器。
此外，本发明的主题是一种电能存储***，其包括多个电能存储单元和上述用于运行电能存储***的设备。所提及的优点相应地适用。
此外，本发明的主题是电能存储***在包含混合动力车辆的电动车辆中、在固定的电能存储设施中、在电动手持工具中、在用于电信或数据处理的便携式装置中以及在家用器具中的用途。所提及的优点相应地适用。
附图说明
本发明的有利的实施方式在附图中示出，并在下文的描述中更详细地说明。
在附图中：
图1示出了根据第一实施方式的根据本发明的方法的流程图；
图2示出了根据第二实施方式的根据本发明的方法的流程图；
图3示出了根据第三实施方式的根据本发明的方法的流程图；
图4示出了根据第四实施方式的根据本发明的方法的流程图；
图5示出了根据本发明的方法计算的充电状态参量的时间曲线图；
图6示出了用于运行电能存储***的设备的示意图。
具体实施方式
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的设备部件或相同的方法步骤。
图1示出了根据第一实施方式的根据本发明的方法的流程图。在第一步骤S11中，针对电能存储***的至少一个电能存储单元确定一个或多个参量，该参量描述当前能够从电能存储单元提取的能量和/或功率。其例如为充电状态值。在此，充电状态值通常在0％和100％之间的范围中浮动，并可以视为当前可用的电荷量。在该确定步骤中，检测在电能存储单元的典型的两个极端子之间存在的电压。随后，在本方法的进一步过程中，在第二步骤S12中检查用于检测电压的设备的可操作性。该可操作性的检查包括检查所检测的电压值是否在合理的电压窗口内，例如在0V和5V之间，特别是在0V和4.3V之间。这取决于分别使用的电能存储单元的类型。此外，可操作性的检查还可以包括所谓的自检，其中检测已知的测试电压，并且将所检测的测试电压值与测试电压的已知值进行比较。若存在相应的偏差，则认为用于检测电压的设备的可操作性是受限的。随后，在第三步骤S13中，在用于检测电压的设备的可操作性受限的情况下，重新确定至少一个电能存储单元的另一充电状态值，其中，该确定步骤基于至少一个电能存储单元的电压特性的第一数学模型以及在第一步骤S11中确定的充电状态值。随后，在第四步骤S14中，使用在第三步骤S13中确定的另一充电状态值来运行电能存储***。
图2示出了根据第二实施方式的根据本发明的方法的流程图。如上所述，在第一步骤S21中，确定电能存储***的至少一个电能存储单元的充电状态值。随后，在第二步骤S22中，确定至少一个电能存储单元的内电阻值。这例如可以通过求电能存储单元的电压值和电流值的商来完成。随后，在第三步骤S23中，使用所确定的内电阻适配第一数学模型，以便准确地反映至少一个电能存储单元的当前电压特性。有利的是，内电阻值的确定同样使用第一数学模型来进行。随后如上所述，在第四步骤S24中，检查用于检测电压的设备的可操作性。在可操作性受限或缺失的情况下，在第五步骤S25中如上所述地重新确定至少一个电能存储单元的另一充电状态值，其中，确定步骤基于至少一个电能存储单元的第一数学模型以及在第一步骤S21中确定的充电状态值。随后，在第六步骤S26中使用在第五步骤S25中确定的另一充电状态值来运行电能存储***。
图3示出了根据第三实施方式的根据本发明的方法的流程图。在第一步骤S31中，借助于电压检测设备确定电能存储***的至少一个电能存储单元的电压值。电能存储***在此包括多个电能存储单元。在这种情况下，可以将电压视为针对至少一个电能存储单元的充电状态的指示器。随后，在稍晚的时间点，在第二步骤S32中，如上所述地检查电压检测设备的可操作性。在第三步骤S33中，在电压检测设备的可操作性受限或缺失的情况下，确定至少一个电能存储单元的第一另外的电压值，其中这基于电能存储单元的第一数学模型以及至少在第一步骤S31中确定的电压值来进行。在第四步骤S34中，将在第三步骤S33中确定的另外的电压值与第二另外的电压值进行比较，其中，第二另外的电压值基于在多个电能存储单元上下降的电压。该第二另外的电压值例如可以基于所谓的模块电压测量，该模块电压测量检测安装在模块中的电能存储单元的电压，并由此典型地表示在模块中串联连接的电能存储单元上的电势差。如果例如由两个电压值的比较得出它们仅相差了位于预定义的电压差之内的值，则在第五步骤S35中使用在第三步骤S33中确定的、至少一个电能存储单元的第一另外的电压值来运行电能存储***。另外，在第一预定义的时间段之后（例如从5秒至60分钟的范围中选择，特别是在1分钟至10分钟的范围内），禁止从电能存储单元和/或电能存储***中提取电能。例如可以考虑，在存在相应的电部件或电子部件的情况下，将至少一个电能存储单元与电能存储***的电路断开连接，由此不能再从该电能存储单元提取电能。但是电能存储***可以继续运行。
图4示出了根据第四实施方式的根据本发明的方法的流程图。在此，电能存储***包括至少两个电能存储单元。在第一步骤S41中，如上面已经所述，借助于电压检测设备确定至少两个电能存储单元中的第一电能存储单元的电压值。随后，在第二步骤S42中，如上所述，检查电压检测设备的可操作性。如果确定了设备的可操作性受限或完全缺失，则在第三步骤S43中，如上所述，基于第一数学模型和在第一步骤S41中确定的电压值来确定第一电能存储单元的第一另外的电压值。随后，在第四步骤S44中，优选使用相同的第一数学模型来确定至少两个电能存储单元中的另一电能存储单元的第二另外的电压值。随后，在第五步骤S45中，将在第三步骤S43中确定的第一另外的电压值与另一电能存储单元的第二另外的电压值进行比较。如果由两个电压值的比较得出它们仅相差了位于预定义的电压差之内的值，则在第六步骤S46中使用在第三步骤S43中确定的第一另外的电压值继续运行电能存储***，其中，另外在预定义的时间段之后，禁止从电能存储***中提取电能。
图5示出了根据第五实施方式的根据本发明的方法的流程图。在此，电能存储***包括至少两个电能存储单元。在第一步骤S51中，如上所述，借助于电压检测设备确定至少两个电能存储单元中的第一电能存储单元的电压值。随后，在第二步骤S52中，确定至少两个电能存储单元中的每一个的所谓的电容，即电能存储单元的最大可存储电荷量，作为老化状态参量。为此，例如可以使用电能存储单元的数学模型和相应的调节技术结构，例如观测器。随后，如上所述，在第三步骤S53中，检查电压检测设备的可操作性。如果如上所述地确定了设备的可操作性受限或完全缺失，则在第四步骤S54中，基于第一数学模型和在第一步骤S51中确定的另外的电压值来确定第一电能存储单元的第一另外的电压值。在第五步骤S55中，优选使用相同的第一数学模型来确定至少两个电能存储单元中的另一电能存储单元的第二另外的电压值。随后，在第六步骤S56中，将所确定的电容值相互比较。在此，比较的结果可能是，电容值仅相差了位于预定义电容差之内的值，因此电能存储单元具有相似的老化特性。随后，在第七步骤S57中，将在步骤S54中确定的第一另外的电压值与第二另外的电压值进行比较。在此，这两个电压值的比较结果可能是，它们仅相差了位于预定义电压差之内的值。如果不仅电容值而且电压值都这样共同存在，则在第八步骤S58中使用在第四步骤S54中确定的第一另外的电压值来运行电能存储***，其中，另外在预定义的时间段之后和/或在以预定义的最大可能的功率消耗了预定义的能量之后，禁止或限制从电能存储***中提取电能。此外，预定义的能量和/或预定义的时间段的长度根据电压值和/或电容值来定义。由此，可以例如根据电压差和/或电容差，在预定义的最大可能的功率下，针对继续运行而设置较短或较长的预定义的时间段和/或预定义的能量。
图6示出了用于运行电能存储***的设备62的示意图。在此，通过相应的传感器61读取相应的测量值，例如电流测量值和电压测量值，其使用在设备上待实施的根据本发明的方法中。由根据本发明的方法产生的相应的控制命令由设备62输出至相应的电部件或电子部件63，例如逆变器和/或继电器。

Claims (14)

1.用于运行电能存储***的方法，所述电能存储***包括至少一个电能存储单元，该方法包括以下步骤：
a)确定所述至少一个电能存储单元的状态参量；
b)检查用于确定所述至少一个电能存储单元的状态参量的设备(61)的可操作性；
c)在用于确定状态参量的所述设备(61)的可操作性受限或缺失的情况下，基于第一数学模型和至少在步骤a)中已确定的状态参量来确定所述至少一个电能存储单元的第一另外的状态参量；
d)使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的所述第一另外的状态参量来运行所述电能存储***；
e)确定所述电能存储单元的至少一个老化状态参量；
f)基于所述至少一个老化状态参量适配所述第一数学模型；
g)将在步骤c)中在用于确定状态参量的所述设备(61)的可操作性受限或缺失的情况下所确定的、所述至少一个电能存储单元的所述第一另外的状态参量与基于在多个电能存储单元上下降的电压的第二另外的状态参量相比较；
h)根据所述状态参量的比较，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的所述第一另外的状态参量来运行所述电能存储***，其中，附加地在第一预定义的时间段之后和/或在消耗或接收了第一预定义的电能量之后，禁止从所述电能存储单元和/或所述电能存储***中提取或接收电能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤d)中这样运行所述电能存储***，即，不超过所述状态参量的第一极限值和/或不低于所述状态参量的第二极限值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电能存储***包括至少两个电能存储单元，还包括以下步骤：
i)基于第二数学模型确定至少一个另外的电能存储单元的第三另外的状态参量；
j)将在步骤c)中在用于确定状态参量的所述设备(61)的可操作性受限或缺失的情况下所确定的所述至少一个电能存储单元的所述第一另外的状态参量与所述另外的电能存储单元的所述第三另外的状态参量进行比较；
k)根据所述状态参量的比较，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的所述第一另外的状态参量来运行所述电能存储***，其中，附加地在第二预定义的时间段之后和/或在消耗或接收了第二预定义的电能量之后，禁止从所述电能存储***中提取或接收电能。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
l)在步骤b)之前，分别确定所述至少两个电能存储单元的至少一个老化状态参量；
m)将所述至少两个电能存储单元的所述老化状态参量相比较；
n)根据所述状态参量的比较和所述老化状态参量的比较，使用在可操作性受限或缺失的情况下所确定的所述第一另外的状态参量来运行所述电能存储***，其中，附加地在第三预定义的时间段之后和/或在消耗或接收了第三预定义的电能量之后，禁止从所述电能存储***中提取或接收电能，其中，所述第三预定义的能量和/或所述第三预定义的时间段的长度根据所述状态参量和/或所述老化状态参量来定义。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一数学模型和所述第二数学模型是相同的，和/或基于微分方程。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述状态参量是或包括充电状态参量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述充电状态参量是电压。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设备包括电压检测设备。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其中，所述至少一个老化状态参量是电阻。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个老化状态参量是电阻。
11.用于运行电能存储***的设备，其包括至少一个器件，所述至少一个器件设置用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤。
12.根据权利要求11所述的用于运行电能存储***的设备，其中，所述至少一个器件是电子电池管理器。
13.电能存储***，包括多个电能存储单元和根据权利要求11所述的用于运行电能存储***的设备。
14.根据权利要求13所述的电能存储***的用途，在包含混合动力车辆的电驱动车辆中、在固定的电能存储设施中、在电动手持工具中、在用于电信或数据处理的便携式装置中以及在家用器具中的用途。
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