专利名称：用于持续测量电池(尤其是安装在机动车内的电池)效率的方法以及利用该方法的设备的制作方法
用于持续测量电池(尤其是安装在机动车内的电池)效率的方法以及利用该方法的设备以 FIAMM S.P.A 的名义说明书
本发明涉及一种用于持续测量电池(尤其是安装在机动车内的电池)效率的方法，以及基于该方法的用途的相应设备。更具体地，本发明涉及ー种提供关于电池在机动车中使用期间的电荷状态(SOC)、健康状态(SOH)以及功能状态(SOF)的信息的方法；本发明根据该方法还涉及ー种直接连接至安装在机动车内的电池、能够连续监视上述电池状态并检测不允许发动机重起动的临界条件的趋近的设备。如所知的,机动车中用于发动机起动并用于向电气设备供电的起动器电池倾向于逐渐放电，并且在发动机运行的情况下，交流发电机补偿这些电池的能量损耗。然而，随着时间的流逝，即使在存在来自交流发电机的恒定再充电吋，电池效率也会降低。此效率降低通常无法检测到，也不会用信号通知用户，因此通常导致所述用户需要在为时已晚时解决该问题，即，当电池的电荷和/或功能不足以起动发动机吋。此情形造成了极大的不便，并且还常常因为用户发现自己身处无法容易地获得可用电池更换服务的地方而更为糟糕。还应当考虑到，越来越多的车辆配备有‘怠速熄火’技木。这包括在停止时自动关闭发动机-以便于減少有害气体的大气排放以及降低油耗的设备。在这些情况下，处于不良状况的电池可能在耐受连续的发动机重起动方面有困难，因此实际上会有突发强制停车的危险。在解决此问题的尝试中，相同申请人已经设计了能够检测电池效率的方法和设备，如意大利专利No. I. 357. 179/2003所述。然而，这ー专利权涉及确定电池在开路状况下的电荷状态。由SOH(健康状态)指示的电池的健康状态被作为电池状况的标识參数，且其值确定所述电池是充电的、未充电的还是要更换的。SOH是可直接从电池本身的开路电压及其老化程度确定的电池的电荷状态SOC的函数，电池的老化程度可量化地导致电池内电阻的増大，以上引用专利中所述的方法通过在预定义条件下施加受控电流负载来測量所述电池内电阻。该方法尽管有效却更适于实现工作台设备(bench device)，假定其标识出开路或切断状况下的电荷状态。用于检测接通状况下电池的电荷状态的其它方法和设备也是已知的，但这些方案基于电流的测量，因此导致复杂且昂贵的装备。从例如US 6，453，129和US 6，369，578以及DE 19952693和EP 0908737可知，这种类型的方案是已知的。本发明的目的是克服前面提到的缺陷。更具体地，本发明的目的是提供ー种在开路或切断状态以及闭路或接通状态下都能对电池的SOC、SOF和SOH状态以及各自的变化进行连续监视的方法和设备。本发明的另ー个目的是提供一种用于确定电池的残余自主性的方法和设备。本发明的又ー个目的是提供一种能够检测电池放电的电流率的方法和设备。这些和其它目的通过根据所附权利要求所限定的本发明的用于持续測量电池效率的方法以及利用该方法的设备来实现。
从以下參照应被视为仅具有例示而非限定目的的附图
进行的详细描述，可更佳地理解本发明的用于持续測量电池效率的方法的特征，这些附图分别是图I是有关根据本发明方法的计算电池健康状态SOH的框图；图2、3和4用作根据本发明的方法的參考图。參照附图，根据本发明的用于持续測量电池效率的方法包括至少ー个第一阶段，该第一阶段确定随着车辆发动机关闭(即处于关断状态)电池的电荷状态(SOC)和健康状态(SOH)水平。S0C%由电池的开路电压(OCV)确定，该OCV仅在车辆发动机关闭时车辆停留的时段之后才达到。该OCV值从关系式Vtcv = f(t)获得，该关系式因变于关断时间外插稳定后OCV的值。该开路电压OCV实现初始SOC%的计算，该初始SOC%在被量化时允许确定SOH ；这是通过施加受控电流负载(例如在15A与50A之间)、同时记录在给定时间段发生的电压 降A V(即，所测得的两个电压值之间的差)来实现的。给定时间段优选在0. I秒与30秒之间。以此方式获得的SOH值是S0C%和AV的函数，g卩SOH = f(S0C%，AV)。该结果指示电池的健康状态，从而允许通过具体但不是唯一的对车辆中存在怠速熄火设备的參考来确定是否处于要起动发动机的状況。这两个參数S0C%和A V(还因此像參数S0H)是温度的函数。因此，通过这些測量确定的值必须关于测量时记录的温度为固定的。通过使用SOC %和A V数据，SOH的初始值通过图2的笛卡尔平面定义，图2示出在动态情形下对区分电池状况的区域的细分。首先，使限定在其内保证发动机起动的限值的两个量固定；具体而言，建立S0C%min和A Vmax，低于S0C%min不保证发动机起动，而高于A Vmax也不保证发动机起动。此时，在施加负载之后记录的AV的值通过以下关系式在图2所示的曲线[A]和[B]所划定的区域内归ー化，以使參数SOH转换成0(曲线[B])与1(曲线[A])之间的数值03-ム\0/(13-&)，其中“13”表示在特定soc%值下通过施加受控电流负载出现的电压降，该电压降与位于图2中曲线[B]上的点相对应，且超过该电压降则所得到的SOH指示电池未处于良好状況。相反，“ a”指示通过施加受控电流负载在特定S0C%值出现的、并且与位于曲线[A]上的点相对应的最小电压降。为了将所述关系式S0H25°C (其中25°指示电池的参考温度)=(b_AV)/(b-a)的值关联于电池的电荷状态并由此相关于该特定电荷状态评估老化程度，足以通过附加关系式I-[ (b- A V) /(b-a)]来检查此点偏离曲线[A]上的对应值达到什么程度，所述附加关系式给出与0和I之间的数相对应的值E3，指示关于给定S0C%值的电池的老化程度。接近0的E3值指具有特定电荷状态的新电池，而接近I的值涉及应当加以更多关注的具有特定老化程度的电池，该更多关注根据本发明的方法是以对状态S0C%、SOF和SOH的更为频繁的监视来表达的。归根到底，实际上，如果E3彡l-[(b- A V) / (b-a)]，电池可被视为有效，否则在连接至电池的特定设备上激活警报(以声音和/或视觉形式)，或者替代地，与此參数有关系的功能将被禁止或者用于确定状态S0C%、S0F和SOH及其可能的变化的计算将以更大频率
重复进行。
上述关断阶段涉及初始S0C%和SOH值的测量、计算和存储。在接通阶段监视电池端子处的电压，以便于区分何时交流发电机正在对电池充电，或者何时放电阶段开始。该电压根据以下模型监视ti = 0和Vi = Vo,其中Vi是在设备开始电压测量的时刻ti = 0所测量的电池电压，tn = ti+At,其中A t是在检测电池电压时的时间间_,并且Vn = Vtn。当遇到以下情形吋Vtn-V(tn_At) > -(0. 05 + 0. 5) V ;Vtn_V(tn_2At) >-(0. 05 + 0. 5)V; Vtn-V(tn_3At) >-(0. 05 + 0. 5)V;电池开始放电，因此有必要设置用于确定放电率的函数。如果已在放电状况下诊断了电池，则藉由初始S0C%、Vn和、这三个參数来确定(在下面详述)放电率或电流率，这三个參数分别表示SOC % =电荷状态,Vn =时刻tn时的电池电压,而tn =从放电阶段开始起以秒计数的时间。此外，基于放电率或所计算的电流率以及电池的初始S0C%值，可以根据该电流率并根据放电期间SOC%的演变来确定相同电池的残余自主性。考虑在正常使用情形中电流持续变化的事实，通过使用本发明的方法重复过程的此阶段以便于持续地更新电池的实际S0C%值。具体而言，通过观察电压，然后持续地更新放电率的计算、以及因此S0C%和剰余电池电力的计算直到开始第n次计算的时间，可以检测电池的放电率的变化。为了确定放电率或电流率，在已于放电状况(而非正由交流发电机充电)下诊断电池时，确立以下量Vn, tn，tn-3 At = 0,S0C% init = SOC % tn_3At由此标识"y。"參数和附加Al參数，这两个參数都是电池电压Vn以及电池的初始电荷状态的函数。參数y。是类似于Al系数的数字系数，其数值可从初始S0C%和设备在时刻tn检测到的电压Vn来确定。具体而言，y0是通过以下关系式获得的电压Vn的函数y0 = BI* (-Vn) +B2* (~Vn) 2+B3y0对初始S0C%的依赖性是从參数B1、B2和B3导出的，这些參数因变于电池的初始SOC%而线性地变化。在Al的情形下，对电压Vn的依赖性由以下关系式表达Al = C*exp (_exp (_kl* ((_Vn) _k2)))其中k2和k3是常数，而通过參数C，Al的值因变于初始S0C%得到校正。实际上，C是初始SOC%的函数。通过以上所述的两个參数Al和y。，可以通过以下关系式确定电池放电的电流率i(A)
i ⑷=-k3 In [ (tn-y0) /Al],其中k3是常数，而i (A)对应于以安培计的电流。此时，给定指示电池以何电流率放电的值i (A)，可以计算时刻tn的电池的S0C%值。i(A)的值用来通过以下关系式确定參数m，其指示在放电期间演变的S0C%与时刻tn(如下所述)之间的线性关系的梯度或角度系数m = k4 [i (A)2] +k5 [i (A) ] +k6其中k4，k5和k6是允许电流i (A)与后续用来确定S0C%的变化的角度系数m之间的数学关系的数字系数。这些数字系数k4，k5和k6取决于安装设备的电池的容量而变化。
图3中示出指示角度系数"m"因变于所计算出的电流放电率的变化的趋势。因此可用以下关系式通过值"m"来计算时刻tn时的S0C% SOC % = m (tn)+S0C% init相关趋势在图4中具体示出，并且作为示例，针对的是初始S0C%, 90%的IOOAh的电池。此趋势也可在其它电荷状态以及更低容量电池中得到验证。该电压被系统地监视，并且当检测到指示从初始S0C%值有例如3%至7%的下降时，根据前述方法通过施加受控电流负载计算时刻tn时电池的SOH值，井根据图I的框图进行验证。关于此图，所确立的是在时刻tn计算的新SOH值是否指示仍然能耐受放电率的电池，并且相应的值在输出中传送。以上计算允许估算电池放电时的电流率以及S0C%的逐步演变，该计算允许确定由SOF限定的残余电池自主性。实际上，在放电阶段期间，施加于电池上的电流负载的持续变化涉及S0C%演变率的持续改变。由此，在已设定S0C% min的情况下，SOF将是固定为SOC% min的SOC%值、在时刻tn计算的SOC%以及因此还有所述温度的參数，即i (A)(电池放电的电流率)。SOF = f (i ⑷，SOC% min, S0C%, T0C ).因此，I(A)以及由此S0C%的持续变化将导致残余电池自主性的持续变化，这将由參数SOF表示。安装在车辆内且与电池(车辆通过该电池供电)电接触的所述设备包括带有连接至电池端子的连接线的至少ー个温度传感器和ー个电压传感器；预定和受控的电阻性负载；电监控、记录、处理和数据存储卡，必须能够在输出中传送经处理信息(经编码或不经编码)，并且可能向车辆的驾驶员传送可听和/或可视信号。尽管已具体參照应被视为仅具有例示而非限制目的的一个实施例描述了本发明，但是借鉴以上描述，许多修改和变化对本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明旨在覆盖落在所附权利要求的精神和保护范围内的所有修改和变化。
权利要求
1.一种用于持续测量电池(尤其是安装在机动车辆内的电池)效率的方法，包括以下阶段 -在不通过电池电压的累进读数直接测量电流的情况下，在有或无电负载且考虑自每一放电阶段开始时起所流逝的时间时，确定在关断阶段和接通阶段期间安装在所述车辆内的电池的电荷状态SOC % ； -通过施加受控电流负载并将所得电压降与预定參数作比较，确定相同电池的健康状态 SOH ； -通过估计所述电池因变于放电率或电流率的残余自主性并估计SOC%的演变，确定所述电池的功能状态SOF ； -取决于电池工作温度，对以上所述參数(SOC，SOH和S0F)进行关联和归一化； -至少对在所述关断阶段期间检测到的初始S0C%和SOH的值进行记录。
2.如权利要求I所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在于，包括附加的监视阶段、或重复对所述S0C%、SOH和SOF的周期性检测以及对相应数据的记录。
3.如权利要求I所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在于，所述对电池电压的累进读数用来确定何时所述电池处于放电状态。
4.如权利要求I和2的任一个所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在干，电流率或电流放电率藉由以下參数确定初始S0C%、Vn和tn，它们分别指示电池的初始电荷状态、时刻tn时的电池电压以及从放电阶段开始时起以秒计数的时间。
5.如权利要求I所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在干，S0C%的变化通过确定所述放电率来估算。
6.如权利要求5所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在于，第n次对SOH的确定相关于第n次时的S0C%，并且藉由通过施加受控和恒定的电流负载15 + 50A达预定时间段0.1 + 30秒所确定的电压降AV来估算。
7.如权利要求6所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在于，通过以下关系式所述初始SOH值被转换成0与I之间的数字值(B- AV)/ (b-a) 其中"b"指示通过施加受控电流负载在给定S0C%值出现的电压降，而"a"指示在给定S0C%值通过施加受控电流负载出现的最小电压降。
8.如权利要求I所述的用于持续測量电池效率的方法，其特征在于，所述功能状态SOF一方面相关于通过估算所述放电率确定的电池在所有时间的残余自主性，另一方面相关于同时的S0C%，最终还相关于限定保证发动机重起动的S0C%限值。
9.一种根据前面权利要求的任一项所述的方法的用于持续測量电池效率的设备，所述设备安装在车辆内且与所述电池电接触，通过所述电池向所述设备供电，所述设备包括带有连接至电池端子的连接线的至少ー个温度传感器和ー个电压传感器；预定和受控的电阻性负载；电监控、记录、处理和数据存储卡，所述设备必须能够在输出中传送经处理信息(经编码或不经编码)，并且可能向车辆的驾驶员传送可听和/或可视信号。
全文摘要
一种用于持续测量电池(尤其是安装在机动车辆内的电池)效率的方法，包括以下阶段在不通过电池电压的累进读数直接测量电流的情况下，在有或无电负载且考虑自每一放电阶段开始时起所流逝的时间时，确定在关断阶段和接通阶段期间安装在车辆内的电池的电荷状态SOC％；通过施加受控电流负载并将所得电压降与预定参数作比较，确定相同电池的健康状态SOH；通过估计电池因变于放电率或电流率的残余自主性并估计SOC％的演变，确定所述电池的功能状态SOF；取决于电池工作温度对以上所述参数(SOC，SOH和SOF)进行关联和归一化；将至少在关断阶段期间检测到的初始SOC％和SOH的值进行记录。
文档编号H01M10/48GK102656469SQ201080049802
公开日2012年9月5日 申请日期2010年10月21日 优先权日2009年10月27日
发明者R·阿利贝蒂, S·卡赞蒂 申请人:F.I.A.M.M.股份公司