用于确定电池的实际容量的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用特征曲线族确定电池的实际容量的方法和设备，其中，在放电过程开始时确定电池的起始电压(U开始)、放电电流强度和电池温度，由此通过与特征曲线族中存在的数据相比较来选出特征曲线并且确定电池的起始状态，在放电过程结束时，测量电池的结束电压(U测量)，将该结束电压(U测量)与根据选出的特征曲线所预期的在放电结束时的预期电压(U预期)相比较，如果结束电压(U测量)小于基于充电过程所预期的预期电压(U预期)，则判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
【专利说明】用于确定电池的实际容量的方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用电池特征曲线来确定电池的实际容量的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 在使用电池（可充电电源、二次电池或蓄电池）作为驱动车辆的唯一能源或与内 燃机同时使用的能源的机动车（电动车辆、混合动力车辆）中，电池的容量对于在电池不重 新充电的情况下机动车所能行驶的续驶里程至关重要。
[0003] 随着使用年限和/或充放电周期次数的增加，从例如目前可用的裡离子蓄电池中 所能够取得的能量一也就是所能够取得的电流量会减少已经是公知的事实。
[0004] 对于该种在口语中常被称作老化、W电池在充放电运行（常规使用）中的特性改 变或者随时间老化为特点的容量损耗，目前的确定并不充分。
[0005] 已知的用于确定容量损耗的方法要么非常复杂并且/或者难W参数化（例如在阻 抗测定方面），要么就是所使用的老化模型并不全面或充分参数化，该会给计算造成巨大偏 差。
[0006] 简单的方法通常具有的缺点是；重要的参数（例如在电池的寿命和使用中变化的 消耗功率或效率）不能被考虑或不能简单地确定。
[0007] 因此，不能在连续或标准运行中W简单的方式对当前的能量含量、也就是实际可 供使用的电流量作出专口推断。因为电池容量会因为老化特性而降低，而在未对实际的电 池容量进行准确更新（或更正）的情况下，对可用性的推断会出现错误或者不准确。
[000引许多已知的用于确定电池当前容量的方法都需要确定电池的荷电状态（State Of Charge, S0C)-其基于对电池的开路电压（Open Circuit Voltage, OCV)的测量，W及要 求测量在两个荷电状态之间所取得的电流量。
[000引因此，例如EP 1 314 992 A2描述了一种设备和方法，其用于为驱动电动车的蓄电 池确定容量，其中借助于在空载状态下的开路电压来确定蓄电池的第一荷电状态和蓄电池 的第二荷电状态，由在该两个荷电状态之间所流出的放电率量来确定蓄电池的实际容量。
[0010] DE 10 2007 037 041 Al公开了一种方法和设备，其利用已存储的电池模型来识 别酸电池的电池状态。其中W特征曲线的形式记录了酸电池的开路电压与可从电池获得的 电荷的关系。确定描述由电池老化和电池的酸层引起的电池容量损耗的第一参数。另外， 确定关于特征曲线斜率信息的第二参数。另外，参照第一和第二参数对所存储的特征曲线 进行匹配。
[0011] 根据该公开文本，通过确定开路电压-安培小时-特征曲线来确定可由酸电池取 得的能量和实际容量。与无酸层的新电池相比，在电池老化时，该特征曲线平行地上移，而 当电池带有酸层时，该特征曲线的斜率变大。该开路电压-安培小时-特征曲线可W通过 在放电前后测量电池开路电压而得出。然后在使用实际确定的电压-安培小时-特征曲线 的情况下对所存储的特征曲线进行匹配。
[0012] DE 10 2010 006 965 Al描述了一种用于为车辆的电池确定电池特征曲线的至少 一个区域的方法，其中由所测得的电池参数确定电池的当前荷电状态，由所测得的电池参 数与在参照所确定的荷电状态的情况下由标准-电池特征曲线确定的标准值之间的差确 定出一偏差值，并通过将该偏差值添加到标准电池特征曲线上来确定新的电池特征曲线的 至少一个区域。
[0013] 根据该公开文本，通过测量电池在不同的荷电状态下经过较长时间的静止阶段后 的空载电压来确定当前的电池特征曲线。根据在给定荷电状态下对各个开路电压的比较或 者根据在给定开路电压下对各个电池特征曲线的比较来确定当前的电池特征曲线（怠速 电压-当前荷电状态-特征曲线）与"标准-电池"的电池特征曲线的偏差。
[0014] JP 2002-243 813 A公开了一种计算单元，该计算单元基于在积分开始时间点和 积分结束时间点上的空转电压，由蓄电池的关于时间积分的放电率得出蓄电池的荷电状态 的变化，W及空转电压与蓄电池荷电状态之间的校正值。此外该计算单元还在放电率值的 积分基础上计算出蓄电池随时间下降的容量，放电率值的积分是W放电率和荷电状态变化 为基础计算出来的。此外，计算单元还在蓄电池的随时间下降的容量和最初容量的基础上 计算容量下降率。
[001引 DE 39 10 904 Al涉及一种用于监测可充电的封闭式电池的荷电状态的方法，其 中在给电池充电后一在至少充电一次后一测量端电压UKL并将其作为开路电压U。储 存，其中在不同的时间点上测量在接线端处的瞬时电压Uti,并根据开路电压U。与瞬时电压 恥之间的偏差来确定放电状态。
[0016] 由该些公开文本大致可W概括出：在所有上述方法和设备中的测量都需要电池的 开路电压的pen Circuit Voltage, 0CV)。该种开路电压虽然足够精确，但是却仅能够在放 电过程结束后经过相当长的时间后才能够测量出。所W例如从EP 1 314 992 A2的图6可 知，在充电过程结束后，在电压达到静止值之前，可能需要高达3000砂、也就是高达50分钟 的静止阶段。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是，提供一种用于确定电池的实际容量的方法和设备，由此克服现 有技术的所述缺陷。
[001引所述目的和更多的优点由根据权利要求1的方法和根据权利要求8的设备得W实 现。从属权利要求涉及的是本发明具有优点的改进方案。
[0019] 根据本发明的方法利用特征曲线族来确定电池实际容量，在放电过程开始时确定 电池的起始电压放电电流强度和电池温度，由此通过与特征曲线族中存在的数据相 比较来选出一条特征曲线并且确定电池的起始状态。在放电过程结束时，测量电池的结束 电压u?胃，将该结束电压u?胃与根据选出的特征曲线所预期的在放电结束时的预期电压^ JW相比较，如果结束电压^胃小于基于充电过程所预期的预期电压，则判定电池的实际 容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
[0020] 根据本发明的方法的突出之处在于：不需要测量开路电压的pen Circuit Voltage, OCV)来评估电池的老化状况，该方法由于不需要特别的测试方法和步骤，并且不 W复杂的参数和/或模型为基础，所W可W用于常规的使用目的并且简单易用。因此通过 根据本发明的方法可W在持续运行中W简单的方式对电池的当前能量含量作出专口推断。 由于电池实际容量通过根据本发明的方法得到准确更新或更正，所W还可W对电池的实际 可提供的电流量作出准确推断。
[0021] 根据本发明的第一种具有优点的改进方案，通过W下方式对电池的实际容量进行 确定；使上述的各步骤按规定的顺序被依次重复多次，并且对所确定的、在结束电压^?与 预期电压U胃j之间的差进行分析。
[0022] 同样有利的是，在根据本发明的方法中，在使上述的各步骤被依次执行至少五次 后，对电池的实际容量进行确定。
[0023] 为了确定电池的实际容量，可W W有利的方式采取例如如下措施；在二维坐标系 中参照时间与所取得的电量相关地记录下电池的起始电压Ug;苗日结束电压U ，并参照时 间与所取得的电量相关地记录下预期电压U胃j，确定起始电压与结束电压之间的 连线的斜率W及起始电压Ug?^与预期电压U胃之间的连线的斜率，确定该两条连线的斜率 之间的差或该两条连线之间的角度（(P)。该样确定的值可W用于确定实际容量。
[0024] 当然，刚才所述的方法一W及在此公开的所有其他方法一在实践中能够并且 已经可W借助于计算单元和有关的数字式数据或数字化数据来实施。
[0025] 由于确定出电池实际容量的降低例如对于电动车辆或混合动力车辆的能量管理 至关重要，并且由于实际的容量例如被应用于续驶里程预测，所W根据本发明的另一种有 利的改进方案提出，如果对实际容量进行确定的结果是实际容量与新电池相比降低，则在 储存装置中存储经降低的标称容量、可得容量、可提供的容量和/或实际容量。
[0026] 该样存储的值例如被提供给其他装置W供其他的计算和/或评估使用，并且可W 例如从储存装置中读取。
[0027] 有利的是，如果对实际容量进行确定的结果是实际容量与新电池相比降低，则在 通过数学公式表达的特征曲线族和/或在通过数学公式表达的特征曲线使标称容量、可得 容量和/或可提供的容量的数值降低一可预先规定的值。
[0028] 出于系统稳定性的原因有利的是，并不将所确定的所有实际容量的变化都计算在 内，而是仅描述沿相应的变化方向的匹配。因此有利的是，所确定的实际容量的降低并非完 全地被用于确定标称容量、可得容量和/或可提供的容量。
[0029] 本发明还包括用于确定电池的实际容量的设备，其包括储存装置、电压测量装置、 电流测量装置、温度测量装置、计算单元W及可在计算单元中执行的计算机程序，其中储存 装置设置用于储存电池的至少一个特征曲线族，电压测量装置设置用于至少测量在放电过 程开始时的电池起始电压Ug;訂日在放电过程结束时的电池结束电压电流测量装置设 置用于至少测量电池的放电电流的强度，温度测量装置设置用于测量至少一个电池部件的 温度，计算单元W及在计算单元上运行的计算机程序设置用于：在考虑到起始电压U结 束电压和根据所选出的特征曲线预期的预期电压U胃j的情况下W如下方式确定电池的 实际容量：如果结束电压扣8?)小于在放电过程基础上所预期的预期电压扣M9)，则则判 定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
[0030] 根据本发明的设备还设置用于能够执行上述任一方法。根据本发明的设备的该种 适用于执行所有根据本发明的方法的设计方案是本领域技术人员基于其知识所能知晓的 或者是能够通过少数实验轻易确定的。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 下面借助附图对本发明进行详细说明。
[0032] 附图中：
[0033] 图1示出一图表，其中示出若干条位于电池的特征曲线族中的特征曲线；
[0034] 图2 出一图表，其中出与所取出的电荷量相关的电池电压关于时间的实际曲 线，和基于所选出的特征曲线所预期的相应的电压曲线，
[003引图3示出类似于图2的图表，但是记录了在U巧始与U测量之间W及在U巧始与U预期之 间的连接直线。
【具体实施方式】
[0036] 附图中的该些图表都是纯示意性的，并非按照比例绘制。
[0037] 下面所述的实施例对本发明的优选实施方案进行说明。本发明当然并不局限于该 些实施方式。
[0038] 在下面的说明中，对下述术语分别给出如下定义：
[0039] 标称容量；根据制造商的说明可W取得的电流量，在标准温度和基准电流下规范 (也称作额定容量）；
[0040] 可得容量；根据温度和电流强度可实际取得的、随电池/蓄电池技术而大小不同 的电流量；
[0041] 可提供的容量：在标准温度和基准电流强度下测得的容量；用于评估与标称容量 的偏差；
[0042] 实际容量；根据温度和电流强度可实际取得的容量。
[0043] 图1所示的图表示出了在给定温度下W不同电流强度放电时电池的电压曲线W 及开路电压U。的大致曲线。
[0044] 在图表中标出的I2CI表示针对标称容量的20小时放电率。如从图表中可见，随着 电流强度的升高（即Iw成倍升高），电池的起始电压（电位）降低。同时，在电流强度较 高时，可得的电流量降低。另一种关系在于与电池温度的关系。简而言之，温度越低，则放 电量越少，电池电压越低。
[0045] 借助于该一知识或者通过测量可W生成或产生一个特征曲线族，在此在考虑到放 电电流强度、温度和电池的可得容量的情况下生成或产生各特征曲线。
[0046] 在特征曲线族的基础上，可W在考虑到放电电流强度和温度的情况下判断电池状 态。可W评估电池的当前状态，可W估计可取得的电量，并在考虑到实际取得的电量的情况 下，通过将实际的电压曲线与根据所选出的特征曲线所期待的电压曲线相比较来评价电池 的老化状况。
[0047] 因此根据本发明并不需要判断电池是否处于静止状态。
[0048] 图2和图3的图表分别不出与所取出的电量A Q相关的、电池电压U关于时间t 的实际曲线，和根据所选出的特征曲线所预期的相应电压曲线。如图表所示，在时间t的变 化过程中假设存在基本恒定的电流强度1。1。。
[0049] 根据本发明，根据电池的起始电压放电电流强度和电池温度从特征曲线族 中选出特征曲线相关的特征曲线。
[0050] 在放电过程结束时，测量电池的结束电压U;5"，将结束电压U?胃与根据所选择的特 征曲线预期的、在放电结束时的电压相比较。对于图2和图3所示的在放电过程结束 时结束电压^胃小于预期电压U胃的情况，可W判定；电池的实际容量小于在放电过程开 始时假设的可得容量。
[0051] 为计算实际容量或者为计算实际容量相对于标称的、可得的和/或可提供的容量 的减少量，可W采用已知的经验值或计算方法。
[0052] 如图2和图3所示，可W在二维坐标系中一在使用计算单元的情况下使该二维 坐标系对应于二维数组一记录与所取得的电量相关的、电池起始电压Ug;訂日结束电压 ,关于时间的曲线，W及与所取得的电量相关的预期电压U胃关于时间的曲线。
[0053] 在根据本发明的方法中，在放电过程开始时测量起始电压由于该还与放电 电流强度有关，所W "开始时"应理解为，在必要的情况下在放电过程开始时等待足够长的 时间（例如1、2、4、6、8、10、15、30砂；1、2、3、4、5分钟），直至出现"稳定的"起始电压为止。 本领域技术人员已知的是；在"稳定的"起始电压出现前的时长与放电电流强度相关，即在 低电流强度下（例如在约1 X Iw至约5 X 12。的范围内），时长在分钟的量级内，而在高电流 强度下（例如约IOXlw W上的区域内），小于1分钟的时长就足够了。
[0054] 由于通常在放电过程中并不知道放电过程的何时结束，所W当然可W在放电过程 中持续地或者W预先规定的时间间隔测量电池的电压。如果放电过程结束，那么将在放电 过程中最后测量到的电压作为结束电压
[0055] 如图2和图3所示，可W将在考虑到所使用的特征曲线的情况下所确定的在 与U胃j之间的差用于评估电池的老化状况。
[005引 W图3所示为例，可W确定起始电压Ug;沖结束电压之间的连线的斜率W及 起始电压Ug?和预期电压之间的连线的斜率，可W确定该两个连线的斜率之间的差或 者该两个连线之间的角度聲，并将其用于确定实际容量。
[0057] 如果例如图3所示的角度巧超出了可预先规定的阔值，那么通过老化评估可W将 可得容量减少一特定的值，或者在"较小"电池的基础上计算可提供的容量。
[0058] 根据本发明，对电池的实际容量的确定不应该仅基于一次的测量，而是应该多次、 优选至少5次或者更频繁（如6、7、8、9、10、11、12、14、15次）连续重复测量，并且对- U 8?的偏差或者角度9进行评估。之所W要该样，是因为所要确定的数值大小可能被很多参 数影响，并且通过足够多次的重复和对所确定的测量结果的相应评估（例如形成平均值）， 可W充分准确接近电池实际存在的老化状况。通常适用的是，随着测量次数的增加，在判断 电池的老化状况方面的精度也随之增加。
[0059] 出于系统稳定性的原因，通常还有利的是，并不将所确定的所有实际容量的减小 量都用于对标称的、可得的和/或可提供的容量的计算，而是仅沿相应的变化方向进行匹 配。那么例如可W将所确定的实际容量的减小量乘W可预先规定的小于1 (例如0, 9 ;0, 8 ; 0, 75 ;0, 6 ;0, 5)的系数并将由此得到的所确定的实际容量的减小量的一小部分用于评估 或计算。
[0060] 如果用数学公式表示所使用的特征曲线族或者所使用的特征曲线，那么例如可W 将标称的、可得的和/或可提供的容量的大小减少一规定的Delta。
[0061] 电池的老化W及由此带来的可提供的容量的变化并不是随机引入的，而是逐渐变 化的参量。由此，例如可W使根据本发明的方法连续地重复、W可预先规定的时间间隔重复 和/或在经过可先规定的充放电过程次数后重复。
[0062] 根据本发明的方法可W应用于常规使用目的中，使用简单，无需特别的测试程序 或步骤，并且不W复杂的参数和/或模型为基础。因此通过根据本发明的方法可W在持续 运行中W简单的方式对电池的当前的能量含量进行专口推断。由于根据本发明的方法能够 对实际的电池含量进行准确更新或更正，所W可W对电池的实际可提供的电量进行准确推 断。根据本发明的方法还具有的优点是，可W不依赖于电池技术被使用，并且无需电流时间 积分（Ah-Integration)。
【权利要求】
1. 一种利用特征曲线族确定电池的实际容量的方法，其中， 在放电过程开始时确定电池的起始电压、放电电流强度和电池温度， 由此通过与特征曲线族中存在的数据相比较来选出特征曲线并且确定电池的起始状 态， 在放电过程结束时，测量电池的结束电压（U3w)， 将该结束电压（U3w)与基于选出的特征曲线所预期的在放电结束时的预期电压（Uh w)相比较， 如果结束电压（U3w)小于基于放电过程所预期的预期电压（Uww),则判定电池的实际 容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式对电池的实际容量进行确定：使根 据权利要求1所述的各步骤按规定的顺序被依次重复多次，并且对所确定的、在结束电压 (U3w)与预期电压（Uww)之间的差进行分析。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，在使根据权利要求1所述的各步骤被依次执行至 少五次后，对电池的实际容量进行确定。
4. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中，在二维坐标系中参照时间与所取得的电 量相关地记录下电池的起始电压（Um&)和结束电压（U3tt),并参照时间与所取得的电量相 关地记录下预期电压（Uira),确定起始电压（Um&)与结束电压（U3w)之间的连线的斜率 以及起始电压（Um&)与预期电压（Urow)之间的连线的斜率，确定这两条连线的斜率之间 的差或这两条连线之间的角度（)并用于确定标称容量、可得容量、可提供的容量和/或 实际容量。
5. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中，如果对实际容量进行确定的结果是实际 容量与新电池相比降低，则在储存装置中存储经降低的标称容量、可得容量、可提供的容量 和/或实际容量。
6. 根据上述权利要求之一所述的方法，其中，如果对实际容量进行确定的结果是实际 容量与新电池相比降低，则在通过数学公式表达的特征曲线族和/或在通过数学公式表达 的特征曲线中使标称容量、可得容量和/或可提供的容量的数值降低一可预先规定的值。
7. 根据权利要求5或6所述的方法，其中，所确定的实际容量的降低并非完全地被用于 评估标称容量、可得容量和/或可提供的容量。
8. -种用于确定电池的实际容量的设备，包括储存装置、电压测量装置、电流测量装 置、温度测量装置、计算单元以及可在计算单元中执行的计算机程序，其中， 储存装置设置用于储存电池的至少一个特征曲线族，或储存装置中存储有电池的至少 一个特征曲线族， 电压测量装置设置用于至少测量在放电过程开始时的电池起始电压（Ufffe)和在放电 过程结束时的电池结束电压（U3w), 电流测量装置设置用于至少测量电池的放电电流的强度， 温度测量装置设置用于测量至少一个电池部件的温度， 计算单元以及在计算单元上运行的计算机程序设置用于：在考虑到起始电压 结束电压（U3w)和根据所选出的特征曲线预期的预期电压（Uww)的情况下以如下方式确 定电池的实际容量：如果结束电压（U3tt)小于基于放电过程所预期的预期电压（Uww),则 判定电池的实际容量小于在放电过程开始时假定的可得容量。
9.根据权利要求8所述的设备，该设备设置用于执行根据权利要求2至7中任一项所 述的方法。
【文档编号】G01R31/36GK104335057SQ201380027639
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月26日
【发明者】A·巴克, R·诺曼 申请人:奥迪股份公司