预测可通过能量存储器输出到负载的功率的方法

专利名称：预测可通过能量存储器输出到负载的功率的方法
预测可通过能量存储器输出到负载的功率的方法描述本发明涉及用于预测可通过电化学能量存储器输出到负载的功率的方法。在电化学能量存储器的一些应用中，特别是在电动汽车的应用中，电化学能量存储器在特定的时间内可输出的可用功率起着重要的作用。例如，在启动超车之前，电动交通工具驾驶员必须能够确保交通工具的驱动电池在其各自的状态下能够准备好所需要的功率并将其提供到驱动单元，以便按需要的方式进行加速，并使得能够实现安全地超车。DE 10 107 583 Al公开了一种用于通过估计在高电流负载时的电压降随着时间的走势，以确定存储电池的功率的方法。其中，在高电流负载接通后，从存储电池的电压响应中选取电压值，并且由该电压值以及由电池温度和充电状态，通过功能关联构建状态值。比较状态值与预设值，所述预设值至少与存储电池的从属的电池温度和从属的充电状态相关联。DE 102 03 810 Al公开了一种方法，用于以估值为基础确定充电存储器的充电状态和/或功率，其中要考虑到从能量存储器的至少两个不同的操作点或操作条件所获得的估值和信息。该估值通过电荷存储器的当前的和/或未来的充电状态和/或当前的和/或未来的功率来获得。DE 10 2005 050 563 Al公开了一种方法，其用于预测电能存储器的功率。通过用于预测电化学能量存储器的功率的方法和其从属设备将借助关于能量存储器的数学模型来不断地适应其状态量和参数，并因此估计和预测的充电/放电功率。本发明的基本目的在于，提供用于预测可通过电化学能量存储器输出到负载的功率的技术指导，以便能够尽可能地克服已知方法的缺点或限制。该目的是通过按照权利要求1所述的预测可通过电化学能量存储器输出到负载的功率的方法来实现。因此，本发明提供了用于预测可通过电化学能量存储器输出，特别是输出到负载的方法，其中优选地通过处理器设备预先进行对与多次通过时间恒定的功率消耗的放电的电化学能量存储器的结构相同的多个电化学能量存储器的至少一次测量，并优选地，通过信息技术处理在数字存储设备中存储的、根据时间的单元电压的测量值。优选的是，通过处理器设备通过信息技术处理一个或多个测量值，其中所述测量值来自于多个相同结构的电化学能量存储器，所述测量值在电化学能量存储器多次放电时，通过时间恒定的功率消耗被获得，并被存储，以及其中该测量值涉及根据时间的单元电压。与本发明的描述相结合，其中对于可通过电化学能量存储器输出到负载的功率的预测可被理解为产生一种信息，该信息关于在一段时间内通过电化学能量存储器输出功率的可能性，所述可能性在时间上与预测的时间点相关。因此，预测优选地被提供作为对于信息处理系统的询问的响应，其优选为其上消耗功率的负载的控制设备的组成部分。其中询问优选为包含预先给出的功率和时间间隔的说明，在所述时间间隔上应输出预定的功率。在此，电化学能量存储器被理解为一种设备，其以化学形式存储能量并以电的形式输出。因此，其优选为伽伐尼单元或相连的多个并联和/或串联连接的伽伐尼电池，或例如燃料电池。特别优选的是，例如电化学能量存储器是所谓的二次电池，其不仅可以输出能量，而且也可以吸收电形式的能量，并可以按化学形式存储该能量。这种二次电池的重要的例子是锂离子电池。此处，可输出到负载的功率被理解为一种能量流，即电化学能量存储器可输出到负载的每时间单位的能量。因此，负载优选为电动马达或优选地具有这样的电动马达，其可将输出功率输出到机械系统，优选为交通工具的底盘，并使得该系统可用。此处，处理器设备应被理解为能够以信息技术处理数据的任何设备。因此，该术语并不狭义地限于处理器，而是包括特别是任何类型的电子电路，特别是任何逻辑电路、存储器电路和/或这些电路的组合，例如，地址译码器、半导体存储器或其它类似的电路，在上述电路的帮助下能通过信息技术处理至少一个测量值。本发明的优选实施方案提出，输出功率的预测被实现作为对信息技术系统的询问的响应。该询问例如的形式是，给出所需的功率和其中需要该功率的时间间隔，因此处理器设备可以例如是逻辑电路，其由该询问可以产生一个存储地址或多个存储地址，通过其帮助，可以从数字存储设备得到关于可输出的功率的预测或其它的量，其中关于可输出的功率的预测可通过所述其它的量得到。本发明的其它实施方案提出了插值法，为执行该插值法，处理器设备具有优选为狭义的处理器，特别是适合于数值计算的处理器，其中，通过该技术设备，可以有利地实现该插值法。用于实现根据本发明的方法的处理设备的具体设计依赖于根据本发明的方法的各种使用的实施方案。此处，信息技术处理被理解为借助上述适用于处理数据的处理设备来产生关于可输出的功率的预测。因此，在本发明范畴中的信息技术处理可具有数值意义上的计算操作；然而这不是必须的情况。在本发明的一些实施例中，信息技术处理也可以不限于简单的逻辑操作。关于本发明的描述，相同结构的电化学能量存储器被理解为其有关的物理性能与所述电化学能量存储器在实质上相同、其可输出的功率可被预测的电化学能量存储器。根据本发明，实现了对相同结构的电化学能量存储器的测量，以及可以应用测量值来产生关于电化学能量存储器可输出的功率的预测。为进行测量而应用的电化学能量存储器还可优选地与其功率性能应被预测的电化学能量存储器相同。在本发明的相应的优选的实施方案中提出，在特定的操作阶段中测量值将被收集，在所述操作阶段中电化学能量存储器不被有效地(produktiv)使用，并且在所述操作阶段中可以执行其功率输出恒定的测量。本发明的其它优选的实施方案提出，在有效操作阶段期间执行测量，其中功率输出可实质上被保持恒定或实质上停留在恒定值。另外，在为测量而使用的电化学能量存储器的多次放电操作时，优选地测量单元电压依赖于时间的走势。在这些测量中，在测量期间的功率输出保持恒定。以这种方式，将获得测量曲线的集合，其中每条曲线对应于具有特定值的恒定的功率输出，以及其中每条曲线表示在各功率的放电过程中单元电压依赖于时间的行为。在相同类型的电化学能量存储器上提前实施测量，并优选地储存在数字存储设备中。在本发明的优选的实施方案中，依赖于时间的单元电压的测量值根据电化学能量存储器的操作温度被参数化。这意味着根据时间的单元电压的测量被实现为，关于一系列不同的电化学能量存储器的操作温度被区分开，以及对于每个温度的测量数据的数据记录被存储。以这种方式可能的是，在不同温度下的电化学能量存储器的不同的物理行为，以适当的方式，在预测可获得的功率时被考虑。然而，在确定的功率的稍后的预测中，优选的是，询问将不仅包含输出的功率，而且还优选地包含期间有输出功率的时间间隔，而且还包含输出该功率的电化学能量存储器的当前的操作温度。在这种情况下，为产生相应的预测而对询问进行信息技术处理的处理器设备将所存储的测量数据运用到包含在询问中的电化学能量存储器的当前的操作温度。通过这样的方式，将电化学能量存储器的实际操作温度的预测对应预测建立的时间。正如已经提及的，在本发明的各种实施方案中，电化学能量存储器可输出的功率的预测是对电化学能量存储器的处理器设备的负载或负载的控制设备的信息技术的询问的响应，其指的是要输出的功率和一时间间隔，在该时间间隔上通过电化学能量存储将要输出的功率输出到负载。在本发明的一些实施方案中，询问可还包括查询另外的信息，例如操作温度或其它物理量或可以影响在指定功率下的获得率的影响因子。负载或其控制设备应用于在响应询问的处理器设备处产生和传输询问，优选的是应用通常的通信技术，例如应用数据总线或类似的通用设备。在本发明的另外的优选的实施方案中提供了一种方法，其中，如果要输出的功率与通过测量实现的功率值不一致，将通过在测量值之间的插值得到关于功率值的预测，该预测接近于要输出的功率。在本发明的实施方案中，还可估计(以及优选地询问)这样一类可输出的功率的预测，在数字存储设备中未存储关于这些功率的测量曲线，因为对于该一个或多个功率值没有进行测量。然而通过根据本发明的方法仍可能实现可输出功率的预测，在本实施方案中，本发明提供了通过插值法来确定可输出的功率，其依赖进行预测所需的、接近于功率值的关于功率值而收集的测量数据。在本发明的第一此类的实施方式中，提供了一条插值的测量曲线或多条插值的测量曲线，例如关于不同的参数(例如电化学能量存储器的温度)，通过测量曲线的插值来确定相邻的功率值，并最终借助通过插值确定的测量曲线以当基于实际的一系列测量通过插值确定的测量曲线相同的方式来执行。因此，测量曲线的插值将优选地通过邻近的功率值的测量曲线的测量值的数学平均化来确定。在该数学平均化中，要确定的测量值优选地通过加权因子被加权，所述加权因子与基于标称(Iegenden)功率的预测和功率值之间的差值(即距离)相对应，来进行基于插值的测量。用于插值的第二实施方案提供了可输出所需功率的预测值，即例如概率，通过预测值的插值来确定邻近的功率值。在另外的实施方案中提供了，通过时间间隔的差值来确定的预测的时间间隔，在该时间间隔内，邻近被询问的功率值的功率值可被输出到负载。用于插值的另外的数值的和非数值的方法，如所谓的模糊方法(Fuzzy-Verfahren)可由技术人员容易地借助于其一般的专业知识来发现。本发明的另外的实施方案提出以概率说明的方式实现关于功率P在时间间隔At内是否可被输出到负载的询问的响应。该概率说明可以优选为在O和I之间的实数形式的定量的概率说明。本发明的其它优选的实施方案提出以定性说明的形式实现概率说明，优选的形式是，从多个可能的形式响应选择出一个形式响应，其中的每一个形式响应代表了能够在时间间隔At内将功率P输出到负载的概率、可靠性或确定性。用于根据本发明的实施方案预测可输出的功率的方法包括下列步骤a)确定要输出的功率P的测量曲线的MK (P)上的第一测量点MP1，其单元电压Ul尽可能接近电化学能量存储器的当前电压；b)确定单元电压U2，其属于要输出的功率P的测量曲线MK (P)上的第二测量点MP2，其时间坐标t2=tl+At是从第一测量点MPl的时间坐标tl推移一时间间隔At ;以及c)依赖于单元电压U2确定响应。因此，在放电过程结束时的单元电压U2到最小单元电压Umin之间的距离越小，响应越缓和，其中所述最小单元电压Umin应低于所述单元电压U2，以便不会造成电化学能量存储器的永久性损坏。当U2低于Umin，然后响应会变为逆向，或者至少设有所需的功率在任何情况下应当只在紧急情况下被提供的警告。只要U2大于Umin，优选为在放电过程结束时的单元电压U2到最小单元电压Umin之间的差别越小，响应越缓和。同时,其中单元电压等于Umin的时间点tmax越接近时间点t2,则响应越缓和。tmax小于t2，则响应变为逆向，或至少设有所需的功率在任何情况下应当只在紧急情况下被提供的警告。在响应或预测给出的概率、可靠性或确定性(根据其提供所需的功率，即可输出到负载的功率)越低，或者将响应或预测被回馈给所询问的信息技术系统的、关于功率输出的决定性的时间间隔越短，则响应或预测缓和。

根据另外的优选的实施方案，所确定的单元电压U2在产生或计算响应之前还被纠正了幅度AU，其应当考虑从电化学能量存储器工作开始，特别是通过电化学能量存储器的老化所导致的内阻的可能的或实际的变化。因此，纠正值AU将优选地获得自纠正值的表，其优选为被存储在数字存储介质中，并且在类似的电化学能量上所测得的纠正值依赖于其老化，即特别是依赖其关于电化学能量存储器通过功率提取所具有的负荷的历史值(Vorgeschichte)0优选的是，为计算纠正值Δ U应用例如以参数化的曲线的形式存放的、数值式的电池模型，这使得借助可测量的电池参数来计算纠正值成为可能。因此优选的是，要输出到目前所需的基本负荷的功率被解释为可以由多个单元所构成的整个电池的额外输出。因此优选的是，计算每个单独的单元的负荷。因此可能的是，考虑整个电池的功率容量的限制，例如根据不同的单元的内阻的强温度依赖性的限制，其中单元可具有不同的温度，使得单个单元在其它单元之前低于最低单元电压。因此，优选的是应用一准则，在该准则中要输出的功率和其中要输出功率的时间段的乘积必须小于或等于单元电压或单元电流的乘积的时间积分。如果单元电压的时间特征和在功率输出时流动的电流是已知的，则该标准用于通过数值的方式来进行预测。这些数据可优选地事前通过测量同类型的电化学能量存储器而得到，并被存储在数字存储器中。在本发明另外的优选的实施方案中提出，则输出被询问的功率之后的单元电压和最低的允许单元电压之间存在的差值越大，则就越有可能给出关于时间间隔At的被询问的功率P的许可。本发明的不同的实施方案的特征，也可以有利地彼此结合。下面将根据优选的实施方案并参考附图更详细地描述本发明。其中示出了


图1以示意性的方式示出了测量曲线的集合，其中每条测量曲线对应于在电化学能量存储器的放电过程中，在特定的功率条件下的单元电压的时间走势；图2根据在第一功率输出下的实施例以示意性的方式示出了根据本发明的方法；图3根据在第二功率输出下的实施例以示意性的方式示出了根据本发明的方法；图4根据在第三功率输出下的实施例以示意性的方式示出了根据本发明的方法。图1中所示的测量曲线示出了在不同的功率P1、P2或P3下所测量的单元电压U依赖于时间的典型的走势。所有四条被示出的测量曲线在实质上相同的电压下(对应于电化学能量存储器的最大充电)从坐标的坐标原点开始。在放电过程期间恒定输出的功率P1、P2或P3越大，单元电压U随着时间t的下降通常越陡。因此属于功率P3的曲线具有比明显属于更大的功率值的所有其它的测量曲线更加平滑的走势。特别地，属于功率Pl的测量曲线比属于功率P3的测量曲线更陡地下降，然而其走势比属于功率P2的测量曲线更平滑。因此适用的是，测量曲线下降得越陡，电压U通常更早地等于最低可承受的单元电压Umin。虽然在图1中所示的测量曲线具有连续的走势，优选地仅关于离散时间值存储实际的测量曲线，因此使得在实践中，可仅由有限量的测量值替换连续时间点上的连续性的电压值，以用于预测可获得的功率效率。优选的是，将由该有限数量的测量值，通过与合适的曲线走势相匹配，可得到连续的测量值，由此可由相应的曲线走势计算出属于任意时间点的电压值U (t)而无需进行实际测量。图2中所示的功率预测的实施方案中，从预先给定的、例如对相关功率Pl的询问得出功率预测，其从属的测量曲线U(t ；pl)在图2中强调的示出。在该实施例中假设，在功率预测的时间点，即预测要输出的可用功率的时间点，其功率要被预测的单元具有电压U1。从属于功率Pl的测量曲线在时间tl的电压值呈U1。进一步假设，功率Pl对于时间间隔Δ t是必须的。由图2中所示的测量曲线可知，时间t2=tl+A t时的单元电压在输出恒定的功率Pl时为电压值U2。从图2中还示出，电压值U2仍远远超出最小单元电压值Umin。此夕卜，测量曲线U (t ;P1)为电压值Umin的时间tmax与放电过程将终止的时间t2距离非常远。基于对图2中所示的测量曲线走势的考虑，因此可以说，电化学单元的电化学特性通过在图2中的测量曲线U (t ;pl)的走势表示，以及在所讨论的放电过程的开始时有电压Ul，而有一定概率在放电过程之后在功率Pl时有电压值U2，其距离最小单元电压值Umin足够远，使得由此可具有足够的概率、可靠性和确定性，使得相关的电化学能量存储器可以在所需的时间间隔At内输出所需的功率Pl。因此，如果需要关于询问的定性响应，即关于电化学能量存储器是否能够在时间区间△ t内输出功率P1，能够对此询问响应定性的“是”或“有足够的概率”或类似的答案。为了能够得到定量的响应，例如给出数字形式的概率，需要一系列的测试，这些测试将在相关的电化学能量存储器或类似的电化学能量存储器上执行，并且在其中所讨论的情况被连续多次执行。此处，可优选将电化学能量存储器的年龄、其温度或其历史，例如深度放电(即低于最低单元电压Umin)已 经发生的次数纳入考虑因素。优选的是，还可基于模型概率分布，预测的有效性的概率依赖于U2和Umin之间的差异和/或t2和tmax之间的差异而被考虑。因此，该模型概率分布的自由参数优选为在一系列测量中确定。
在图3中所示的例子指的是其中需要功率P2其次在时间间隔At内的情况。电化学能量存储器的当前的单元电压Ul在图3中所示的属于功率P2的测量曲线的时间点tl的位置。在时间点t2=tl+At时，具有功率P2的单元电压在放电过程中下降为电压U2，其明显位于最小单元电压Umin下方。因此放电时，具有功率P2的放电过程是不可能的，或仅在相关的单元的遭受损伤或至少显著的老化过程的情况下是可能的。因此，关于在时间间隔At内的可用功率P2的预测必须是负面的，或至少具有警告，即该功率仅可在单元上遭受损伤的情况下在该时间间隔内获得。对于询问的其他可能的响应还可以是关于小于预定义的时间At的预测时间tmax-tl内的功率P2。图4示出了其它的实施方案，在提取功率P3时的单元电压下降到值Umin的时间tmax,其明显偏离时间t2=tl+A t,其中时间tl还对应于一时间,在该时间中属于功率P3的测量曲线处，电压值为U1，其对应于当前的电化学能量存储器的单元电压。在这种情况下，关于被询问时间段At的被询问功率P3被具有很高的概率、确定性和可靠性地确认。相应的预测因此也相应地被肯定。
权利要求
1.一种用于预测可通过电化学能量存储器输出的功率的方法，其中预先进行对多个与以时间恒定的功率输出进行多次放电的所述电化学能量存储器的结构相同的电化学能量存储器的至少一次测量，并通过信息技术处理所存储的随时间而变的单元电压的测量值。
2.如权利要求1所述的方法，其中根据所述电化学能量存储器的操作温度参数化的所述单元电压的多个测量值中的至少一个测量值根据时间进行信息技术处理。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述预测是对负载或负载的控制设备的信息技术询问的响应，其与要输出的功率P和时间间隔At相关，在所述时间间隔At上所述要输出的功率通过所述电化学能量存储器输出到所述负载。
4.如权利要求3所述的方法，其中如果所述要输出的功率与所进行测量的功率值不一致，将通过在测量值之间插值得到与所述要输出的功率接近的功率值来获得所述预测。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中能够以概率说明形式来给出关于所述要输出的功率P是否可在时间间隔At内输出的询问的响应。
6.如权利要求3或4所述的方法，其中能够以形式响应的形式来给出关于所述要输出的功率P是否可在时间间隔At内输出的询问的响应，所述形式响应是从多个响应形式中选出的，其中的每一个形式响应代表了能够在所述时间间隔At内输出所述功率P的概率、可靠性或确定性。
7.如要求3到6中任一项所述的方法，其中为进行所述预测，执行下列步骤 a)确定所述要输出的功率P的测量曲线MK(P)上的第一测量点MP1，所述第一测量点MPl的单元电压Ul尽可能接近所述电化学能量存储器的当前单元电压； b)确定单元电压U2，所述单元电压U2属于所述要输出的功率P的测量曲线MK(P)上的第二测量点MP2,所述第二测量点MP2的时间坐标t2=tl+A t,是从所述第一测量点MPl的时间坐标tl推移所述时间间隔At ;以及 c)根据所述单元电压U2确定所述响应。
8.如权利要求7所述的方法，其中，在产生所述响应之前，以幅度ΛU来校正所确定的单元电压U2，所述幅度AU应当考虑从所述电化学能量存储器工作开始，特别是通过所述电化学能量存储器的老化所导致的内阻的可能的或实际的变化。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中，所预测的输出所需的功率之后的所述单元电压与最低的允许单元电压之间差值越大，就越有可能给出关于在时间间隔At期间输出所需的功率P的许可。
10.一种用于电化学能量存储器的控制设备，其被配置成实现根据权利要求1至9中任一项所述的、预测可通过所述电化学能量存储器输出的功率的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于预测可通过电化学能量存储器输出到负载的功率的方法，其中优选为预先进行对多个与以时间恒定的功率输出进行多次放电的电化学能量存储器的结构相同的电化学能量存储器的至少一次测量，并通过信息技术处理在数字存储设备存储的、根据时间的单元电压的测量值。
文档编号G01R31/36GK103069291SQ201180040993
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月1日 优先权日2010年8月25日
发明者罗兰·拉斯曼, 克劳斯-鲁伯特·霍恩桑纳, 蒂姆·谢弗, 乔格·凯瑟 申请人:锂电池科技有限公司