CN103733081B - 一种用于确定蓄电池的最大可用的恒定电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定蓄电池在预估时间间隔(T)内最大可用的恒定电流(I_lim)的方法。该方法包括检测(10)蓄电池状态和确定(14)微分方程的解，所述微分方程借助等效电路模型描述在预估时间间隔(T)内蓄电池状态随时间的变化。此外，本发明还涉及一种蓄电池管理单元，其被构造用于执行依据本发明所述的方法。所述蓄电池管理单元能够包括用于检测所述蓄电池状态的装置以及被构造用于确定所述微分方程的解的控制单元。此外，本发明还涉及一种具有依据本发明所述蓄电池管理单元的蓄电池，以及一种包括依据本发明所述蓄电池管理单元或依据本发明所述蓄电池的机动车。

Description

一种用于确定蓄电池的最大可用的恒定电流的方法

技术领域

本发明涉及用于确定蓄电池在预估时间间隔内最大可用的恒定电流的方法、被构造用于实施依据本发明的方法的蓄电池管理单元、包括依据本发明的蓄电池管理单元的蓄电池以及包括依据本发明的蓄电池管理单元或依据本发明的蓄电池的机动车。

背景技术

如果使用蓄电池，尤其在机动车中使用蓄电池的话，就存在这样一个问题，即在特定预估时间间隔内能够利用多大的恒定电流给蓄电池最大限度地充电或放电，同时又不会损伤蓄电池单元的运行参数的限度，特别是不会损伤该蓄电池的限度。根据现有技术已知两种用于确定预估时间间隔内最大可用的恒定电流的方法。

在由现有技术已知的第一种方法中，借助等效电路模型迭代地算出最大可用的恒定电流。在此通过假定确定的恒定电流，在整个预估时间间隔内的每一次迭代中模拟出蓄电池。该迭代从相对低的电流值开始。如果模拟过程中不能达到该蓄电池的电压限度，则提高下次迭代的电流值；如果达到电压限度，则迭代结束。于是能够将最后迭代的电流值作为最大可用的恒定电流使用，通过该最后迭代的电流值在模拟过程中达不到蓄电池的电压限度。该方法的缺点是迭代和模拟要求相当大的计算花费。

在由现有技术已知的第二种方法中，借助于与温度和荷电状态相关的特征映射计算出最大可用的恒定电流。该方法的缺点是该特征映射要求相当大的存储花费。此外，还有如下缺点，即应该根据在使用中被离散地存储的特征映射固有的近似值设置安全间隔，该安全间隔会导致系统超尺寸。

专利文件DE102008004368A1公开了一种用于确定每个时间点蓄电池的可用的功率和/或电运转和/或可取用的电荷量的方法，在该方法中，随时间变化的电荷量曲线被存储作为对于大量的温度曲线之一与大量的功率要求曲线之一或大量的电流要求曲线之一的各个组合的电荷预估特征映射。

发明内容

依据本发明提出一种用于确定蓄电池在预估时间间隔内最大可用的恒定电流的方法。该方法包括检测蓄电池状态以及确定微分方程的解，所述微分方程借助等效电路模型描述在预估时间间隔内所述蓄电池状态随时间的变化。

优选地，所述最大可用的恒定电流被定义为这样的恒定电流，鉴于其在所述预估时间间隔时末端对于所述蓄电池的运行参数的达到限度。其中，特别地，所述运行参数能够是蓄电池单元电压，并且所述限度能够是上限或者下限。

在优选的实施方式中，所述方法还包括通过将对于蓄电池单元电压的限度代入在所述微分方程的解中来计算所述最大可用的恒定电流。

所述等效电路模型能够通过第一电阻和另一个电路组成部分的串联电路给定，其中，所述另一个电路组成部分通过第二电阻和电容的并联电路给定。检测所述蓄电池状态能够包括检测对于所述第一电阻、所述第二电阻、所述电容和所述另一个电路上的电压的合适的数值。

优选地，确定所述微分方程的解的前提条件为：所述第一电阻、所述第二电阻和所述电容在所述预估时间间隔内是恒定的。此外，优选地，确定所述微分方程的解的前提条件为，由所述蓄电池提供的电流在所述预估时间间隔内是恒定的。

此外，本发明还提出一种蓄电池管理单元，其被构造用于执行依据本发明所述的方法。所述蓄电池管理单元能够包括用于检测所述蓄电池状态的装置以及一种控制单元，所述控制单元被构造用于确定所述微分方程的解。

本发明还提出一种蓄电池，其具有依据本发明所述蓄电池管理单元的。特别地，所述蓄电池能够是锂离子蓄电池。

最后本发明还提出一种机动车，特别是电动车，其包括依据本发明所述的蓄电池管理单元或如本发明所述的蓄电池。

本发明的有利的改进方案由从属权利要求给出并在说明书中描述。

附图说明

将依据附图及后续的说明进一步阐述本发明的实施例，其中：

图1示出了用于在依据本发明所述方法的一个实施例中使用等效电路；

图2示出了依据本发明所述方法的实施例的流程示意图；

图3示出了用于比较依据本发明的方法和基于特征映射的方法的电流曲线图；以及

图4示出了用于比较依据本发明的方法和基于特征映射的方法的电压曲线图。

具体实施方式

依据本发明的方法的依据是借助等效电路模型预测蓄电池状态随时间的变化。图1示出的是合适的等效电路的示例。在此，欧姆电阻R_s和另一个电路组成部分串联，其中，该另一个电路组成部分由并联连接的欧姆电阻R_f和电容C_f组成(RC-电路组成部分)。在此，该电阻R_s和R_f、电容C_f和施加在另一个电路组成部分上的电压U_f都依赖于时间。能够选择地使用具有任意数目的、被任意给定参数的欧姆电阻和欧姆电阻与电容的并联电路(RC-电路组成部分)的等效电路。

为了预测蓄电池状态随时间的变化，利用等效电路模型列出微分方程，然后通过简化的假设解析地解出答案。单元电压U_cell在每个时间点都通过：

U_cell(t)＝U_OCV(t)+U_s(t)+U_f(t)

得出。在此，U_OCV(t)＝U_OCV(SOC(t)，θ(t))表示开路电压，其通过荷电状态SOC(t)和温度θ(t)依赖于时间；U_s(t)＝R_s(sOC(t)，θ(t))·I_cell(t)表示电阻R_s上的电压降，其中，该电阻R_s又通过荷电状态SOC(t)和温度θ(t)依赖于时间；I_cell(t)表示在时间t时的充电电流和放电电流以及在等效电路模型中流经电阻R_s和与之串联的另一个电路组成部分的电流；而U_f(t)表示的是另一个电路组成部分上的电压降，其对于t＞t₀和初始值U_f ^o＝U_f(t_o)通过在等效电路模型中有效的微分方程的解给出，

其中，电阻R_f和电容C_f又通过荷电状态SOC(t)和温度θ(t)依赖于时间并且t₀表示预估时间间隔的开始。

由于本发明的目的是确定最大的恒定电流，所以在预估时间间隔内将电流I_cell(t)设置为恒定。受蓄电池荷电状态和温度变化限制的等效电路模型的参数R_s、R_f、C_f的变化在从2s至10s的典型预估时间间隔内很小并能够被忽略不计，以便这些参数能够被视为在预估时间间隔内恒定。预估时间间隔开始时，蓄电池状态检测(BSD)的模型计算提供这些参数的实际值以及电压U_f的实际值；它们构成了预估过程的输入值。

考虑开路电压基于蓄电池的荷电状态的线性近似的变化，而基于温度变化的开路电压的变化却忽略不计：

在此，由电流I_cell和时间t得出用蓄电池的额定电量(总电容)chCap的百分比形式表示的荷电状态：

微分项该开路电压对荷电状态的局部导数，要么计算一次并作为特征场存储，要么在运行状态下通过特征映射U_OCV(SOC)算出。在这两种情况下，该导数近似地通过减法算出，其中例如荷电状态的变化能够被用作减法的增量，而该变化从流过电流I₀＝chCap/3600s＝chCap/1h导出。然后用于减法的SOC(t₀+T)近似为SOC(t₀)+I₀·T·100/chCap：

通过上述假设条件和时间常数τ_f＝C_fR_f得出简化的微分方程：

其中，只有电压U_f(t)还依赖于时间。解为：

因此，在时间点t的全部蓄电池单元电压是：

依据恒定电流I_cell的解答是

在下述条件下，即在预估时间间隔的末端，也就是时间t＝t_o+T时，遵循对于电解池电压U_cell(t)的限度U_lim，通过使用该数值能够算出最大可用的恒定电流I_lim：

在某些情况下也能够将开路电压变化的近似值忽略不计，该公式简化为：

图2根据实施例示出了依据本发明所述方法的流程。基于图1所示的等效电路模型，在蓄电池状态检测10时确定参数R_s、R_f、C_f和U_f的实际值。为此，能够使用有关蓄电池的所有的可用的信息，例如蓄电池的健康状态(SOH)，自适应的参数和/或动态参数的实际值。该参数R_s、R_f、C_f和U_f是预估过程12的输入值。首先在步骤14中，基于该些参数R_s、R_f、C_f和U_f确定微分方程的解。在电子的控制单元中，在这一步骤中例如能够将参数R_s、R_f、C_f和U_f代入解析解的一般形式里，其中，该结果是蓄电池单元电压U_cell(t)依赖于时间t和电流I_cell的符号表达式。除确定最大可用的恒定电流外，该电压曲线的符号表达式还能够被用作其他用途，例如用于确定在预估时间间隔的持续时间T内取平均值的电压。为了确定最大可用的恒定电流，在步骤16中，将预估时间间隔的持续时间T＝t-t_o和需要遵循的电压限度U_lim代入到在步骤14中所确定的微分方程的解里，由此确定出最大可用恒定电流I_lim。在电子的控制单元中，例如在这一步骤中能够在依据电流I_cell算出来的U_cell(t)、I_cell和t的关系式中将数值U_lim代入U_cell(t)以及将数值T代入t-t_o，由此确定出预估时间间隔的最大可用的恒定电流I_lim。如图所示，所有观察到的数值都取决于时间；然而R_s、R_f、C_f在预估时间间隔内被视为恒定，并且最大可用的恒定电流I_lim、需要遵循的电压限度U_lim以及预估时间间隔的时间期限T依照定义在预估时间间隔内是恒定的，但在连续的预估时间间隔内能够是不同的数值。

图3示出了用于比较依据本发明的方法和基于特征映射的方法的电流曲线图。该预估时间间隔分别包括持续时间T。曲线18表示的是蓄电池中实际获得的电流I根据时间t的变化曲线。曲线20和22表示的是每个时间点的值，对于从该时间点开始的且长度为T的预估时间间隔内在该时间点执行的最大可用的恒定电流的确定给出该值。在此，曲线20示出了依据本发明的方法计算出的数值，以及曲线22示出了依据特征映射的方法计算出的数值。依据本发明的方法所确定的最大的恒定电流能够分别在时间间隔T内在蓄电池中持续地得出，然后调整到当前的计算结果，由此得到曲线18的阶梯形变化。

图4中示出的是用于比较依据本发明的方法和基于特征映射的方法的电压曲线图。如图3，该预估时间间隔分别包括时间段T。24表示的是不应超出的电压限度。曲线26表示的是使用依据本发明所述方法时，蓄电池电压U随着时间t的变化曲线。曲线28表示的是使用基于特征映射的方法时，蓄电池电压U随着时间t的变化曲线。

传统电流预估相比，该曲线解释了电流限度地动态调整。该动态方法通过考虑另一个电路组成部分(RC-电路组成部分)上电压的指数项来确保其保留在电压限度范围内，并且分别考虑到下一个预估时间间隔的累积负荷，而在第一预估时间间隔结束时，对于下一个时间间隔，传统计算方法会得出过高的最大电流，这是因为它不能对实际的系统状态做出反应。

提供具有任意应用限制的电流限度或电压限度是可能的。不管是时间间隔还是电压限度在运行时间内都是可使用的。所预估的电流值既能够用于汽车运动过程中的电流预估，也可用于充电控制。

Claims (14)

1.一种用于确定蓄电池在预估时间间隔(T)内的最大可用的恒定电流(I_lim)的方法，

其特征在于，

所述方法包括如下步骤：

检测(10)蓄电池状态；并且

确定(14)微分方程的解，所述微分方程借助于等效电路模型描述在所述预估时间间隔(T)内所述蓄电池状态随时间的变化，

其中在确定所述最大可用的恒定电流(I_lim)时，考虑开路电压基于蓄电池的荷电状态的线性近似的变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最大可用的恒定电流(I_lim)是这样的恒定电流，鉴于其在所述预估时间间隔(T)的末端达到所述蓄电池的运行参数的限度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述蓄电池的运行参数为单元电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括：

通过将单元电压的限度(U_lim)代入(16)到所述微分方程的所述解中来计算所述最大可用的恒定电流(I_lim)。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过第一电阻(R_s)和另一个电路组成部分的串联电路来给定所述等效电路模型，其中，通过第二电阻(R_f)和电容(C_f)的并联电路来给定所述另一个电路组成部分。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，检测(10)所述蓄电池状态包括检测所述第一电阻(R_s)、所述第二电阻(R_f)、所述电容(Cf)和所述另一个电路组成部分上的电压(U_f)的合适的数值。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述微分方程的所述解的前提条件为：所述第一电阻(R_s)、所述第二电阻(R_f)和所述电容(C_f)在所述预估时间间隔(T)内是恒定的。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述微分方程的解的前提条件为：由所述蓄电池提供的电流在所述预估时间间隔(T)内是恒定的。

9.一种蓄电池管理单元，其被构造用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

10.根据权利要求9所述的蓄电池管理单元，其包括：

用于检测所述蓄电池状态的装置；以及

控制单元，其被构造用于确定所述微分方程的解。

11.一种蓄电池，其具有权利要求9或10所述的蓄电池管理单元。

12.根据权利要求11所述的蓄电池，其中，所述蓄电池是锂离子蓄电池。

13.一种机动车，其包括权利要求9或10所述的蓄电池管理单元或权利要求11或12所述的蓄电池。

14.根据权利要求13所述的机动车，其特征在于，所述机动车为电动车。