用于给电蓄能器充电的充电装置和方法与流程

1.本发明涉及用于给电蓄能器充电的一种充电装置和一种方法。


背景技术：

2.us 2014/0091772 a1公开了一种用于对电动车中的电池包或者超级电容中的热进行动态管理的系统。
3.wo 2012/0054864 a1说明了用于给电池超快充电的一种装置和一种方法。
4.us 2013/0179061 a1说明了一种用于对具有用于电动车的充电站的电力网进行管理的系统。
5.论文“design of a model-based fractional-order controller for optimal charging of batteries（用于电池的最佳充电的基于模型的分数阶控制器的设计）”（ifac-在线论文，第51卷，第28号，第97-102页，2018年）说明了一种用于电池的充电装置，所述充电装置使用电热的电池老化模型。
6.论文“a fractional-order electro-thermal aging model for lifetime enhancement of lithium-ion batteries（用于锂离子电池的使用寿命提升的分数阶电热的老化模型）”（ifac-在线论文，第51卷，第2号，第220-225页，2018年）说明了一种用于模拟对输入电流的电压响应的电池模型。


技术实现要素：

7.对于用于电蓄能器的充电装置来说，本发明的核心在于，所述充电装置具有控制单元和调节单元，其中所述充电装置被设立用于在预先给定的充电时间之内将所述电蓄能器充电到所限定的充电状态并且为此而调节所述电蓄能器的充电电流和副反应电流。
8.本发明的背景是，能够同时运行所述控制单元和所述调节单元。借助于所述控制单元来如此控制充电电流，从而能够在预先给定的充电时间之内将所述电蓄能器充电到所限定的充电状态。同时，所述调节单元使用电蓄能器的当前的状态参数，以用于如此调节充电电流，从而使所述电蓄能器的老化最小化。
9.有利的是，所述充电器能够使充电电流快速地与电蓄能器的动态的状态变化相匹配。由此，能够在降低老化的情况下缩短充电时间或者给所述电蓄能器快速充电。
10.本发明的另外的有利的实施方式是从属权利要求的主题。
11.按照一种有利的设计方案，所述充电装置具有测评单元，所述测评单元具有至少一个用于电蓄能器的传感器的接头。由此，所述电蓄能器的状态参数能够由测评单元来测评并且能够由充电装置来调节。有利的是，所述接头适合于温度传感器和/或电压传感器。
12.有利的是，所述测评单元被设立用于：借助于电蓄能器的简化的线性的电热的老化模型、尤其是借助于用伏尔特拉级数来约计的老化模型来至少确定所述电蓄能器的老化。这种模型能够以良好的精度实现老化的快速确定，使得所述充电装置能够快速地对所述电蓄能器的状态变化作出反应。
13.在此有利的是，所述测评单元传导信号地与所述控制单元和/或调节单元相连接。由此，所述充电状态和/或老化状态能够由所述控制单元和/或调节单元来测评，并且所述充电电流能够匹配于或者调节到当前的充电状态或者当前的老化状态上。
14.有利的是，所述控制单元被设立用于如此控制第一充电电流和第一副反应电流，从而在预先给定的充电时间之内将所述电蓄能器充电到所限定的充电状态。
15.按照另一种有利的设计方案，所述控制单元具有优化器件，尤其其中所述优化器件被设立用于优化充电分布、尤其是仿射的充电分布或者多项式的充电分布，方法尤其是：尤其借助于梯度方法以用数字表示的方式确定所述充电分布的参数的损失函数的最小值。有利的是，所述充电分布仅仅具有唯一的参数，所述参数能够由所述优化器件借助于用数字表示的方法、尤其是梯度方法来快速地确定。
16.在此，有利的是，所述控制单元具有充电控制器件，尤其其中所述充电控制器件被设立用于按照经过优化的充电分布来控制第一充电电流。
17.在此，有利的是，所述调节单元被设立用于如此调节第三充电电流，从而使所述电蓄能器的第二副反应电流最小化。由此，能够降低所述电蓄能器的老化。
18.此外，有利的是，所述充电装置具有合计器件，所述合计器件布置在一方面所述控制单元及调节单元与另一方面所述充电装置的输出接头之间，尤其其中所述合计器件被设立用于将来自控制单元的第一充电电流或者第二充电电流与来自调节单元的第三充电电流相加并且作为总和来产生第四充电电流。由此，如果仅仅所述第一或者第二充电电流可用，则其能够用于充电。如果第三充电电流不等于零，则所述第四充电电流能够用于充电。
19.在此，有利的是，所述充电装置具有低通滤波器，所述低通滤波器布置在控制单元与合计器件之间，尤其其中所述低通滤波器被设立用于将第一充电电流平滑成第二充电电流。
20.有利的是，所述充电装置具有比较器件，所述比较器件布置在一方面所述控制单元及老化测评器件与另一方面所述合计器件之间，尤其其中所述比较器件被设立用于将第一副反应电流和第二副反应电流进行比较。由此，通过所述控制单元引起的副反应电流能够与所述电蓄能器中的当前的副反应电流进行比较，并且所述电蓄能器的老化能够由调节单元来调节。
21.有利的是，所述比较器件被设立用于确定第一副反应电流与第二副反应电流之间的差。
22.对于用于尤其借助于如前所述的充电装置、或者根据与充电装置相关的权利要求中任一项所述的充电装置给电蓄能器充电的方法来说，本发明的核心在于，所述方法具有在时间上并行地进行的控制方法步骤和调节方法步骤，其中在预先给定的充电时间之内将所述电蓄能器充电到所限定的充电状态并且为此而调节所述电蓄能器的充电电流和副反应电流。
23.本发明的背景是，所述调节和控制时间一致地进行。由此，能够使所述充电过程快速地与所述电蓄能器的动态变化相匹配。
24.有利的是，能够在降低老化的情况下缩短所述电蓄能器的充电时间或者给所述电蓄能器快速充电。
25.按照一种有利的设计方案，尤其借助于所述电蓄能器的简化的线性的电热的老化
模型从所述电蓄能器的传感器数据中获取当前的充电状态和当前的老化状态和/或第二副反应电流，尤其所述线性的电热的老化模型借助于伏尔特拉级数来约计。由此，能够以小的开销和良好的精度来快速地确定所述电蓄能器的当前的参数。
26.此外，有利的是，对充电分布、尤其是仿射的或者多项式的充电分布进行优化，方法尤其是：尤其是借助于梯度方法通过用数字表示的方式确定所述充电分布的参数的损失函数的最小值。其中按照经过优化的充电分布对第一充电电流和第一副反应电流进行控制。在此，有利的是，所述充电分布仅仅具有唯一的参数，所述参数能够借助于用数字表示的方法、尤其是借助于梯度方法来快速地并且以良好的精度来确定。
27.在此，有利的是，将所述第一副反应电流与所述第二副反应电流进行比较并且产生第三充电电流，尤其其中如果所述第一副反应电流具有与所述第二副反应电流相同的数值，则所述第三充电电流等于零，并且/或者其中如果所述第一副反应电流和所述第二副反应电流具有不同的数值，则如此确定所述第三充电电流，从而使所述电蓄能器的老化最小化，其中将所述第三充电电流与所述第二充电电流相加并且产生第四充电电流，尤其其中如果所述第三充电电流等于零，则所述第四充电电流具有与所述第二充电电流相同的数值，其中用所述第二充电电流或者第四充电电流给所述电蓄能器充电，尤其其中如果没有第三充电电流可用，则使用所述第二充电电流，并且如果第三充电电流可用，则使用所述第四充电电流。在此，有利的是，一旦开始所述充电过程，则所述第二充电电流可用。所述第三充电电流仅仅推迟地可用，因为所述调节方法步骤比所述控制方法步骤更耗时。一旦所述第三充电电流可用，则能够产生所述第四充电电流并且用所述第四充电电流给所述电蓄能器充电，从而能够降低所述电蓄能器的老化。
28.上述设计方案和改进方案只要有意义就可以任意地彼此组合。本发明的另外的可能的设计方案、改进方案和实现方案也包括本发明的前面或接下来关于实施例所描述的特征的未明确提到的组合。尤其在此本领域的技术人员也会将单个方面作为改进或补充添加到本发明的相应的基本形式上。
附图说明
29.在以下段落中，借助于实施例对本发明进行解释，从所述实施例中能够得出另外的独创性的特征，但是本发明在其范围内不限于所述特征。所述实施例在附图中示出。
30.图1示出了按本发明的、用于借助于按本发明的充电装置1给电蓄能器2充电的方法的示意图，图2作为时间t的函数用总电荷qc、充电时间tch和起始电流iao示出了用于电流ia的仿射的充电分布，图3作为时间t的函数用总电荷qc、充电时间tch和起始电流ipo示出了用于电流ip的多项式的充电分布，并且图4作为优化参数d的函数示出了多项式的充电分布的全局的损失函数f。
具体实施方式
31.在图1中示意性地示出了按本发明的充电装置1和电蓄能器2。
32.所述充电装置1具有：-控制单元12，所述控制单元具有优化器件3和充电控制器件11，-低通滤波器4，-测评单元5，所述测评单元具有充电状态测评器件6和老化测评器件7，-合计器件8，-调节器件9以及-比较器件10。
33.所述测评单元5传导信号地与电蓄能器2相连接并且被设立用于接收所述电蓄能器2的传感器、尤其是温度传感器和至少一个单池电压传感器的传感器信号。所述测评单元5被设立用于：对所述传感器信号、尤其是所述电蓄能器2的温度t和至少一个单池电压uc进行测评并且从中借助于第四充电电流i4来确定所述电蓄能器2的状态参数。为此，所述测评单元5具有至少一个充电状态测评器件6和老化测评器件7。
34.所述测评单元7被设立用于借助于传感器信号来确定电蓄能器2的状态参数。在此，所述测评单元7使用电蓄能器2的简化的线性的电热的老化模型，所述线性的电热的老化模型借助于伏尔特拉级数来约计。
35.所述充电状态测评器件6被设立用于确定电蓄能器2的当前的充电状态。所述充电状态测评器件6传导信号地与控制单元12相连接。所述充电状态测评器件6被设立用于将当前的充电状态发送给控制单元12。
36.所述老化测评器件7被设立用于确定电蓄能器2的老化状态和从中产生的第二副反应电流j2。所述老化测评器件7传导信号地与比较器件10相连接。所述老化测评器件7被设立用于将第二副反应电流j2发送给比较器件10。
37.副反应电流在此是一种电流，所述电流由于电蓄能器2的单池中的副反应、像比如阳极上的电解质的枝状增长或分离通过单池的老化而在充电时出现。
38.所述控制单元12被设立用于借助于电蓄能器2的充电状态来控制用于给电蓄能器2充电的第一充电电流i1和从中产生的第一副反应电流j1。
39.为此，所述控制单元12具有优化器件3和充电控制器件11。
40.所述优化器件3被设立用于以电蓄能器2的当前的充电状态、可用的充电时间tch和在充电时间tch之内可达到的限定的充电状态为出发点借助于总电荷qc来确定充电分布的充电参数。
41.在第一种实施例中，如在图2中所示出的那样，所述充电分布被制作为仿射的充电分布ia(t)。所述仿射的充电分布是线性的并且作为唯一的参数具有斜率α，所述斜率计算如下：。
42.在第二种实施例中，如在图3中所示出的那样，所述充电分布被制作为多项式的充电分布ip(t)。借助于所述电流在时刻t=0并且在时刻t=tch是恒定的、也就是说所述电流的时间导数在这些时刻等于零、预先给定了所述总电荷qc并且所述起始电流ipo是正的并且受到所述电蓄能器2的单池电容的限制这些边界条件，可以将所述多项式的充电分布ip(t)描述如下：
。
43.所述多项式的充电分布ip(t)的参数d具有损失函数f(d)，所述损失函数具有向上敞开的抛物线形状，如在图4中所示。所述损失函数f(d)的最小值相应于用于所述参数d的一个数值，所述数值产生多项式的充电分布ip(t)，所述多项式的充电分布引起所述电蓄能器2的最小老化。
44.所述优化器件3被设立用于以用数字表示的方式确定损失函数f(d)的最小值。为此而使用梯度方法：首先在所述损失函数f(d)的外部的极限值dmin和dmax处并且在所述损失函数f(d)的、在外部的极限值dmin与dmax之间的一半上的平均值处确定所述损失函数f(d)的梯度。此后选择所述参数d的以下区间，在所述区间中所述梯度的符号颠倒并且用这个区间的极限值来继续所述约计方法。在图4中，这是平均值dm与上极限值dmax之间的区间，因为用于数值dmin和dm的梯度是负的并且用于数值dmax的梯度是正的。作为结果来确定经过优化的参数dopt，对于所述参数来说所述损失函数f(d)具有最小值。
45.所述优化器件3被设立用于将经过优化的参数dopt输出给所述充电控制器件11。
46.所述充电控制器件11被设立用于确定用于所述第一电流i1的经过优化的充电分布ip(t)和从中产生的第一副反应电流j1，方法是：它使用经过优化的参数dopt并且将其代入到公式（2）中。
47.所述控制单元12导电地与低通滤波器4相连接。所述控制单元被设立用于将第一充电电流i1传导至低通滤波器4。
48.所述低通滤波器4将控制单元12与合计器件8导电地连接起来。所述低通滤波器4被设立用于对第一充电电流i1进行平滑并且转变为第二充电电流i2并且将所述第二充电电流i2传导至合计器件8。
49.所述控制单元12传导信号地与比较器件10相连接。所述控制单元12被设立用于将第一副反应电流j1发送给比较器件10。
50.所述比较器件10布置在第二控制器件11与调节单元9之间。所述比较器件10布置在老化测评器件7与调节单元9之间。所述比较器件10被设立用于接收并且比较第一副反应电流j1和第二副反应电流、尤其是形成副反应电流差，所述副反应电流差是第一副反应电流j1与第二副反应电流j2之间的差。所述第一副反应电流j1与所述第二副反应电流j2之间的比较的结果被发送给调节单元9。
51.所述调节单元9布置在合计器件8与比较器件10之间。所述调节单元9被设立用于基于电蓄能器的当前的第二副反应电流j2来产生用于给电蓄能器2充电的第三充电电流i3，所述第三充电电流在所述电蓄能器2中引起副反应电流，所述副反应电流相应于所述电蓄能器2的最小的老化。所述调节单元9与合计器件8导电地连接并且被设立用于将第三充电电流i3传导至合计器件8。
52.所述调节单元9使用调节方法（所述调节方法基于频率并且将分数的差分阶用作参数）、尤其是crone方法。在此，使用非线性的蓄能模型的以数字表示的线性模型。
53.所述合计器件8用作一方面所述低通滤波器4及调节单元9与另一方面所述电蓄能器2及测评单元5之间的节点。所述合计器件8被设立用于将第二充电电流i2和第三充电电流i3相加并且从中作为总和产生第四充电电流，所述第四充电电流用于给电蓄能器2充电。
为此，所述合计器件8与电蓄能器2导电地连接。此外，所述合计器件8传导信号地与测评单元5相连接，以用于将第四充电电流i4发送给测评单元5。
54.所述按本发明的用于给电蓄能器2充电的方法具有同时或者在时间并行地进行的控制方法步骤和调节方法步骤。
55.在第一方法步骤中，确定所述电蓄能器2的当前的充电状态和当前的老化状态，所述当前的老化状态引起所述电蓄能器2中的当前的第二副反应电流j2。在此，使用所述电蓄能器2的简化的线性的电热的老化模型，所述线性的电热的老化模型借助于伏尔特拉级数来约计。
56.在控制方法步骤中，在使用当前的充电状态、借助于充电可达到的所限定的充电状态和可用的充电时间tch的情况下，产生所述电蓄能器2的第一充电电流i1和第一副反应电流j1。
57.在第一控制方法步骤中以数字表示的方式确定多项式的充电分布ip(t)的参数d的损失函数f(d)的最小值。为此而使用梯度方法：首先在所述损失函数f(d)的外部的极限值dmin和dmax处并且在所述损失函数f(d)的、在外部的极限值dmin与dmax之间的一半上的平均值dm处确定所述损失函数f(d)的梯度。此后，选择所述参数d的以下区间，在所述区间中所述梯度的符号颠倒并且用这个区间的极限值来继续所述约计方法。
58.在第二控制方法步骤中，确定用于第一电流i1的经过优化的多项式的充电分布ip(t)和从中产生的第一副反应电流j1，方法是：使用所述经过优化的参数dopt并且将其代入到公式（2）中。
59.在第三控制方法步骤中，将所述第一充电电流i1平滑成第二充电电流i2。
60.在第一调节方法步骤中，将所述第一副反应电流j1与第二副反应电流j2进行比较并且产生第三充电电流i3。在此，如果所述第一副反应电流j1具有与所述第二副反应电流j2相同的数值，则所述第三充电电流i3等于零。如果所述第一副反应电流j1和第二副反应电流j2具有不同的数值，则如此确定所述第三充电电流，从而使所述电蓄能器2的老化最小化。
61.在第二调节方法步骤中，将所述第三充电电流i3和第二充电电流i2相加并且作为总和而产生第四充电电流i4。在此，如果所述第三充电电流i3等于零，则所述第四充电电流i4具有与所述第二充电电流i2相同的数值。
62.在第二方法步骤中，用所述第二充电电流i2或第四充电电流i4给所述电蓄能器2充电，其中如果没有第四充电电流i4可用，则使用所述第二充电电流，并且如果第四充电电流i4可用，则使用所述第四充电电流。
63.此后用所述第一方法步骤来继续所述方法。
[0064]“电蓄能器”在此是指尤其具有电化学的蓄能单池的能充电的蓄能器和/或具有至少一个电化学的蓄能单池的蓄能模块和/或具有至少一个蓄能模块的蓄能包。所述蓄能单池能够制作为基于锂的电池单池、尤其是锂离子电池单池。作为替代方案，所述蓄能单池被制作为锂聚合物电池单池或者镍金属氢化物电池单池或者铅酸电池单池或者锂空气电池单池或者锂硫电池单池。