专利名称：用于预测电蓄能器的剩余寿命的方法
技术领域：
本发明涉及一种按照主权利要求的类型的用于预测电蓄能器的剩余寿命的方法以及用于实施根据本发明的方法的装置。
现有技术在诸如蓄电池的电蓄能器中，对直至不能使用所剩下的剩余寿命进行预测尤其在汽车中的铅蓄电池的情况下是具有重要意义的。通过在电池失效即将发生之前给汽车驾驶员一个报警提示，可以及时地更换电池，并且从而可以避免汽车抛锚，或者可以避免电气驱动的尤其是安全性要求高的诸如x-by-wire系统的负载失效。不过由于成本原因，必须避免过早地更换电池。因此，对于电池更换指示而言，为相应应用情况而设置的并且可尽可能精确地计算的、具有可参数化的阈值的使用寿命(Gebrauchstuechtigkeit)的量度是决定性的。
在文献中公开了不同的用于确定蓄能器、尤其是如应用于汽车中的铅蓄电池的使用寿命(SOH＝StateofHealth)的方法。一方面，作为电池老化状态的量度，考虑相对于崭新状态的存储能力的下降，其中这种下降例如是通过监控诸如充电转换、深度放电阶段和环境温度等的运行条件来估计的(US 6.103.408)，或者例如是根据在典型的、重复的加载情况(发动机起动)中电流和电压变化来确定的。另一方面，通过在电池寿命期间在发动机起动时观察电压扰动(DE 19750309A)或者观察经温度和充电状态补偿的动态内阻(DE 3712629C2、DE10049495A)，也将容量的下降用作老化量度。
也即，蓄能器的当前使用寿命要么借助当前的存储能力要么借助与发动机起动有关的容量来进行评估。更详细的在不同的、也被组合的应用情况下(发动机起动、电子/混合汽车、安全性要求高的电气负载的供电、...)可应用的使用寿命的标准在所述文献中没有给出并未被分析。也没有对还剩下的寿命进行预测。
本发明的任务本发明借助于蓄能器、尤其是汽车铅蓄电池的数学模型(例如DE-P10307923、DE-P10303506)通过外推法来确定还剩余的寿命，直至低于在给定的充电状态和温度的边界条件下可任意地预先给定的最小容量和/或最小存储能力。在低于预先给定的阈值的情况下，把剩下的寿命和警报显示给汽车驾驶员。
本发明的优点借助蓄能器的模型，本发明克服了在现有技术中所描述的、用于确定蓄能器使用寿命的已知方法的缺点，其中所述蓄能器的模型的关于寿命的参数连续地匹配于实际值。根据与预定充电状态(例如完全充电)和温度(例如冷起动温度-18℃)有关的容量和/或存储能力的值，并根据相应应用情况所要求的最小值，通过外推法来确定需要估计的剩余寿命，其中所述容量和/或存储能力的值每隔一定时间间隔根据所述模型来加以计算和存储。
与现有技术相比的优点分别是-采用一种数学模型，该数学模型通过以下方式自动地匹配于所使用的蓄能器，即对蓄能器模型的参数连续地进行匹配(例如重要的是在汽车中更换电池之后->不需要所采用的电池的老化状态的特性曲线族)->更精确地确定使用寿命和剩余寿命->降低过早或过晚更换电池的危险，-为相应应用情况而设置的、可简单参数化的、就存储能力和/或容量而言的蓄能器使用寿命的量度->可以简单地应用于不同的应用情况，-通过所计算的涉及确定的充电状态和温度的、存储能力和/或容量的时间曲线的外推，确定还剩余的寿命->在存储能力和/或容量迅速下降的情况下，即使存储能力和/或容量的绝对值当前还足够高时，也及时地报警->例如在夏天已经识别出在冬天条件下不再能冷起动的电池，因此及时更换。
说明/实现
图1示出本方法的基本结构。它被分为3级。首先，在第一级中，数学蓄能器模型的被概括在向量p中的参数借助参数估计器(例如根据R.304628的Kalman滤波器)通过对工作参数电池电流IBatt、电池电压UBatt和电池温度TBatt的连续测量来进行匹配。在铅蓄电池的情况下，p例如包括如欧姆内阻、电容和扩散电阻的参量。重要的是，这些参量是根据预先给定的温度(例如25℃)和充电状态(完全充电)被标准化的，也即在给定的电池的情况下这些参量仅仅由于老化影响而变化。
在第二级中，利用所述的电池参数p来初始化在电压预测器和电荷预测器中所使用的数学电池模型。所述电压预测器通过以下方式来提供电池的当前容量，即借助于所述电池模型在电池状态参量zU1，2，...和电池温度TBattU1，2，...的给定的边界条件下预测对给定的负载电流曲线IBattU1，2，...的电压响应UBatt，pred1，2，...(参照DE-P 10301823)。所述电池模型的需要预先给定的电池状态参量的向量zU1，2，...在铅蓄电池的情况下例如包括如静止电压、浓度极化和穿透极化的参量。IBattU1，2，...、zU1，2，...和TBattU1，2，...可根据蓄能器的应用范围来预先给出。例如，在起动器电池的情况下，对于IBattU来说，起动器在冷起动温度TBattU＝-18℃的情况下所要求的电流曲线连同与完全充电的电池相对应的zU是有意义的预先给定的。
所述电荷预测器通过以下方式来提供电池的当前存储能力，即它借助于电池模型针对放电电流IBattQe1，2，...和温度TBattQe1，2，...基于预先给定的电池状态zQe1，2，...来计算可提取的电荷Qe，pred1，2，...，直到电池电压低于预定值UBattQ1，2，...(DE-P10301823)。例如，在预先给定IBattQe＝I20＝K20/20h、TBattQe＝27℃、UBattQe＝10.5V、zQe＝相应的完全充电的情况下，所述电荷预测器提供在额定条件下额定容量K20的起动器电池的当前可提取的电荷。
利用该电荷预测器也可以分析对蓄能器在存储能力和容量方面的组合要求。为此，将放电电流曲线IBattQe扩展相应于用于电压预测的负载电流曲线的负载电流曲线，并且针对UBattQ而在加载所述预定的负载电流曲线时采用最小允许的电池电压(参见DE-P10301823)。因此，在起动器蓄电池的情况下，例如可以计算出在完全充电、预定的放电电流和温度的情况下，直至起动能力界限的电荷储备有多大。
在第三级中，由电压预测器和电荷预测器所计算出的电压UBatt，pred1，2，...的时间曲线和可提取的电荷Qe，pred1，2，...的时间曲线被存储，并且通过外推法来计算直到这些参量中的至少一个小于其所属的预定的最小值UBattmin1，2，...或Qemin1，2，...的持续时间tRest(参见图2)。所述预定的最小值UBattmin1，2，...或Qemin1，2，...标识就对存储能力和/或容量的相应要求而言电池不能使用的界限。
在最简单的情况下，可以根据所存储的在时间点ta，tb的最后2个时间-电压值对或者时间-电荷值对来实施所述的外推tRest，U＝(tb-ta)*(UBattmin-UBatt，predb)/(UBatt，predb-UBatt，preda)或者tRest，Q＝(tb-ta)*(Qemin-Qe，predb)/(Qe，predb-Qe，preda)在存储能力和/或容量的多个预定值的情况下，所得到的剩余寿命tRest通过对单个tRwst，U1，2，...值和tRest，Q1，2，...值的取最小值运算来确定tRest＝min(tRestU1，tRestU2，...，tRestQ1，tRestQ2，...)为了更精确地确定所述的剩余寿命tRest，也可以利用多于2个的时间-电压值对或时间-电荷值对以及例如线性回归的耗费更大的方法或者在非线性曲线的情况下借助多项式或者借助基于神经网络的方法(RBF)来实施所述外推。此外还可以根据已经测量的并因而已知的在电池寿命期间的存储能力或容量的曲线来导出外推规则。
在低于剩余寿命的预先给定的最小值tRest，min的情况下，光和/或声报警信号被输出给驾驶员，该信号请求更换电池。
为了在所预测的电压的时间曲线或可提取的电荷的时间曲线平滑下降或甚至上升的情况下避免过迟的电池更换警报，其中所述时间曲线接近预定的最小值，将低于当前的所预测的电压或可提取的电荷与所属的最小值之间的预定的最小间隔补充作为附加的更换标准报警信号＝(tRest＜tRest，min)或...
(UBatt，pred1，2，...-UBattmin1，2，...)＜ΔUBattmin1，2，...或..
(Qe，pred1，2，...-Qemin1，2，...)＜ΔQemin1，2，...
权利要求
1.用于预测电蓄能器、尤其是汽车中的电池的剩余寿命的方法，其特征在于，借助所述蓄能器的数学模型通过外推法来确定所述剩余寿命，并且所述剩余寿命被定义为直至达到最小容量或最小存储能力的可任意确定的界限值的时间，并且剩下的寿命或剩余寿命被显示，并且在所述剩余寿命低于可预先给定的阈值的情况下发出警报。
2.根据权利要求1所述的用于预测电蓄能器的剩余寿命的方法，其特征在于，使所述蓄能器的关于寿命的参数连续地匹配于实际值。
3.根据权利要求1或2所述的用于预测电蓄能器的剩余寿命的方法，其特征在于，每隔一定的时间间隔借助于所述模型来计算并存储所述蓄能器的容量和/或存储能力的值。
4.根据权利要求3所述的用于预测电蓄能器的剩余寿命的方法，其特征在于，所述蓄能器的容量和/或存储能力的值与可预先给定的充电状态和/或温度有关。
5.根据权利要求4所述的用于预测电蓄能器的剩余寿命的方法，其特征在于，根据所述蓄能器的容量和/或存储能力的值以及根据相应应用情况所要求的最小值，通过外推法来确定需要估计的剩余寿命。
6.用于预测电蓄能器的剩余寿命的装置，其特征在于，利用所述装置实施至少一种根据前述权利要求之一的方法，并且所述装置至少包括处理器装置和存储器装置以及显示装置。
全文摘要
描述了用于预测电蓄能器、尤其是汽车中的电池的剩余寿命的方法以及用于实施这种方法的装置，其中所述剩余寿命借助于蓄能器的数学模型通过外推法来确定。所述剩余寿命被规定为直至达到最小容量或最小存储能力的可任意确定的界限值的时间。在小于可预先给定的阈值的情况下显示剩下的寿命或剩余寿命以及警报。使所述蓄能器的关于寿命的参数连续地匹配于实际值。根据与可预先给定的充电状态和温度有关的容量和/或存储能力的值并根据相应应用情况所要求的最小值，通过外推法来确定要估计的剩余寿命，其中所述容量和/或存储能力的值每隔一定的时间间隔借助所述模型来计算和存储。
文档编号G01R31/36GK1813199SQ200480018029
公开日2006年8月2日 申请日期2004年6月19日 优先权日2003年6月25日
发明者B·弗赖, E·肖赫 申请人:罗伯特.博世有限公司