用于电池的健康状态估计的制作方法

本发明涉及电池的充电的领域。特别地，本发明涉及用于确定可再充电电池的健康状态的方法和控制器，以及涉及用于确定可再充电电池的队列（fleet）的健康状态的方法和系统。

背景技术：

可再充电电池正越来越多地被用来增加经由逆变器的太阳能光伏功率的自用，以及被用于诸如像汽车和列车之类的电动交通工具的其它应用中。由于可再充电电池通常具有比它们被采用在其中的装置更短的寿命，因此何时必须更换可再充电电池的确定是重要的任务。例如，电池的健康状态可被定义为电池的实际最大容量和初始最大容量的商。当健康状态已达到特定阈值时，可更换电池。

世界的许多地区不允许小规模（诸如小于10kw）电池系统的所有者放电到电力网中，因为它可能破坏电力网的控制。这对于理解电池的健康可能是问题，因为用来测量健康状态的最准确方法可以是进行完全放电，因为电池的充电通常限于诸如来自光伏和太阳能的逆变器动力总成（powertrain）的可变充电功率。

此外，电池特性通常随温度、老化（age）、电荷状态和电流而强烈地改变。在确定健康状态时，这些变量中的每个变量可增加误差。

wo2012166489a2涉及用于估计交通工具电池的电池健康的方法和系统。

us2010121587a1涉及可再充电电池的健康管理。

us2004162683a1描述用于电池电荷状态和健康状态的广义递归最小二乘法过程的方法和设备。

us2013038292a1描述通过库仑计数的电池充电的管理。

us2014/052396a1涉及用于测量电池的容量退化的方法和装置。通过用滑动窗口平均电池的容量值并且除以标称容量来确定健康状态，所述电池的容量值在预确定的电荷状态窗口期间被确定。

wo2010/055271a1涉及用于确定电化学功率源的剩余寿命的方法。通过从先前的健康状态减去值来迭代地确定健康状态，所述值取决于最后的时间跨度（timespan）期间电池的温度条件。

us2014/009123a1涉及用于估计电池的健康状态的方法。通过将基于对电池的测量的安培计数值与从具有已知退化的电池来确定的这样的值进行比较来确定健康状态。

技术实现要素：

本发明的目的是提供在电池的正常操作期间确定可再充电电池的健康状态的简单且准确的方法。

此目标通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和以下描述，进一步的示例性实施例是显然的。

本发明的方面涉及用于确定可再充电电池的健康状态的方法。可再充电电池可以是用于存储光伏系统的能量的电池、不间断电源的电池或电动交通工具的电池。通常，健康状态可以是数字，诸如百分比值，其指示：在健康状态可以是100％的情况下电池是完全健康的（即，起作用的），在健康状态可以是0％的情况下电池完全不可用，以及在两者之间的状态。

所述方法可由包括电池的电池系统的控制器来执行，所述控制器还可适于控制电池的充电和放电。例如，控制器还可控制电池被连接到其的光伏系统或其它系统。

根据本发明的实施例，所述方法包括：确定在充电状态窗口的上边界和下边界内的电荷的变化，通过对充电状态窗口内测量的电流值求和来确定所述电荷的变化。电荷的变化可通过“库仑计数”，即通过对流入电池或从电池流出的电流离散地求积分来被确定。此积分或求和在充电状态窗口中（即在当电池的充电或放电已达到充电状态窗口的第一边界（上边界或下边界），直到达到充电状态窗口的第二边界（上边界和下边界中的另一个）的时间期间）被执行。边界可作为百分比值被提供。

执行所述方法的控制器可适于接收电池电流的电流测量值，并且可适于处理这些值以便确定电荷的变化。

此外，执行所述方法的控制器可适于确定是否已经进入或者离开充电窗口。为此，控制器可利用不依靠库仑计数的方法来确定电池的电荷状态（或充电状态）。例如，可基于实际电池电压和/或电池的其它物理参数和/或其它方法来确定电荷状态，所述其他方法基于统计评估和/或基于评估电池的计算模型，所述电荷状态可被定义为电池的充电能量的实际量与可充电能量的实际最大可能量的商。

根据本发明的实施例，所述方法还包括：通过利用充电状态窗口的宽度来按比例缩放电荷的变化并除以电池的初始充电容量而确定实际健康状态。通过将电荷的变化扩展到100％充电状态窗口，即通过将电荷的变化除以充电状态窗口的宽度来确定实际健康状态（即，健康状态值），所述充电状态窗口的宽度可以是上边界和下边界之间的差。然后将此按比例缩放的电荷的变化除以初始充电容量，所述初始充电容量例如已经在电池的第一充电周期中被测量。

必须注意的是，实际健康状态可利用可取决于充电期间电池的其它物理状态的另外的因素（如电池温度、电池电流的量级等）来被校正。这将在下面被描述。

根据本发明的实施例，所述方法还包括：通过计算实际健康状态与至少一个先前确定的健康状态（诸如先前确定的平均健康状态或先前确定的健康状态（其在那时曾经是实际健康状态））的滑动平均来确定平均健康状态。可基于实际健康状态值和先前确定的健康状态值来确定平均健康状态值。滑动平均可具有以下优点：由极端温度或电流引起的误差可更小，从而提供更准确的估计。此外，通过使用滑动平均可避免大的变化。

例如，平均窗口可包括两个或多于两个健康状态值。情况可以是，以使得更实际健康状态值具有比更旧的健康状态值更高权重的这样的方式将健康状态值加权。

情况可以是，当通过完成将电池充电或将电池放电并且确定实际充电容量和初始充电容量的商来计算健康状态时，用所述方法确定的健康状态与将会是结果的健康状态不同。然而，用所述方法确定的平均健康状态可以是用于决定电池老化程度如何的良好指示。

利用所述方法，可在通过充电功率源（诸如光伏系统和太阳能逆变器）或通过放电负载（诸如住宅或工业负载）的使用期间来确定健康状态。此外，放电到本地电网中不是必要的和/或与电池连接的源和负载可以是波动的。

对于诊断步骤不需要电池停机时间，也不需要本地电力网由于电池的放电而经历功率增加。接近电池的寿命的终点，退化可以是快速的并且可更经常地（例如，几乎每个充电周期）像通常仅每100-200天采用的常规方法那样来确定健康状态。

根据本发明的实施例，基于关于电池的附加测量来确定用于确定是否已经进入以及是否已经离开充电状态窗口的充电状态。如已经提到的，可基于电池电压（即，跨电池两端的电压）、电池温度和/或诸如压力的其它量的测量来确定这样的电荷状态。也许可能的是，基于电池的计算模型和/或统计方法来确定电荷状态。

根据本发明的实施例，当电池的充电状态正在增加时，在电池的充电期间来确定电荷的变化，和/或当电池的充电状态正在减小时，在电池的放电期间来确定电荷的变化。情况可以是，每次当达到充电状态窗口的下边界或上边界时，开始健康状态确定。情况也可以是，每个充电周期、或者以定期的间隔（诸如每第10个充电周期）执行健康状态确定。

根据本发明的实施例，在电荷的变化的确定期间，确定平均温度和/或平均电流，其中初始充电容量乘以取决于平均温度和/或平均电流的校正因子以用于使初始充电容量适于平均温度和/或平均电流。初始充电容量可已经针对参考温度和/或参考电流或者在参考温度和/或参考电流被确定。由于充电容量通常取决于电池的温度和/或充电曲线，这可通过关于当确定电荷的变化的充电或放电期间的温度和/或电流来适配初始充电容量而被解释。

根据本发明的实施例，从通过温度和/或电流引用的查找表取得校正因子。可为特定类型的电池生成这样的查找表。备选地，校正因子也可作为函数被提供。

根据本发明的实施例，通过测量电池温度值和/或电池电流值并计算这些值的平均来确定平均温度和/或平均电流。平均温度和/或平均电流可以是对应测量值的算术平均数。

根据本发明的实施例，充电状态窗口的边界是固定值。可在控制器中预设这些固定值。例如，上边界可被设置在充电容量的90％和50％之间，诸如70％。下边界可设置在充电容量的70％和30％之间，诸如40％。

备选地，情况可以是，动态地确定充电状态窗口的边界。例如，边界可取决于关于电池的充电和/或放电的历史数据。

根据本发明的实施例，充电状态窗口具有充电容量的至少25％（诸如30％）的宽度。充电状态窗口越宽，健康状态确定可以越准确。

根据本发明的实施例，定期地重复健康状态的确定。情况可以是，当已经经过特定时间间隔（诸如10天）时，可重复确定。

根据本发明的实施例，至少每10个充电周期重复健康状态的确定。情况也可以是，基于充电周期来重复确定。充电周期可以是其中电池（事实上）被完全充电和放电（即当已经将实际的最大容量充电到电池中并已经从电池将实际的最大容量放电时）的周期。由于可在电池的正常操作期间执行用于健康状态的确定方法，因此可非常经常地（诸如每10个充电周期、或甚至每个充电周期）重复所述确定方法。

根据本发明的实施例，仅当在确定电荷的变化期间的温度高于最低温度时执行健康状态的确定。由于非常低的实际电池温度可引起实际健康状态的高误差，所以当电池温度低于阈值时可省略这样的值。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：从平均健康状态来确定用于电池的上阈值温度；控制电池的充电和放电，使得电池的温度低于上阈值温度。控制器可在临界温度下执行电池的有健康意识（health-conscious）的降额。这可通过应用取决于健康状态的降额温度限制来进行，例如以便减缓进一步的退化。例如，当电池的实际温度高于上阈值温度时，可降低最大充电和/或放电电流。这样的降额可延长电池的寿命。

例如，上阈值温度和对应健康状态值可被存储在控制器中的查找表中，所述控制器执行所述方法。

本发明的另外的方面涉及适于执行如上文中和下文中所描述的方法的电池充电控制器。例如，所述方法可作为计算机程序被实现，所述计算机程序由控制器中的处理器来运行。

本发明的另外的方面涉及用于确定可再充电电池的队列的健康状态的方法。可再充电电池的队列可以是相同类型和/或在相同类型的应用中采用和/或由相同公司拥有的多个可再充电电池。利用用于确定一个电池的平均健康状态的方法，可监测队列的所有电池的健康。

根据本发明的实施例，所述方法包括：接收中央数据库中的电池的队列的电池中的一个电池的健康状态，所述健康状态利用如上文中和下文中所描述的方法来确定；将健康状态与阈值进行比较，并且当健康状态低于阈值时，调度电池的替换；以及将与调度的替换有关的信息发送到电池供应商和/或发送到电池的所有者。

因为例如由于最终用户具有不同的电池使用习惯的事实，电池的替换的日期可能是不可提前预测的，因此所述方法可提供对于仅在电池确实不再可用时更换电池的可能性。所述方法允许现场中的电池的健康状态的几乎实时远程监测。

中央数据库可与电池控制器例如经由因特网以通信方式连接。电池的队列的健康状态值可被发送到中央数据库并被存储在那里。为了对于电池替换的调度和队列监测的目的，可将健康状态值装入到中央数据库中。例如，可通知电池所有者可能必须替换电池和/或可通知电池供应商需要新电池。这样的网络可确保满足电池所有者的需要并且提供及时的电池替换。

本发明的另外的方面涉及电池管理系统，所述电池管理系统包括适于执行如上文中和下文中所描述的方法的中央服务器。例如，所述方法可在计算机程序中被实现，所述计算机程序由中央服务器的处理器来运行。中央服务器也可容纳中央数据库。电池管理系统可为电池所有者提供监测电池的健康的能力并确保及时替换电池。对于电池供应商，该系统提供进行以下操作的能力：监测区域中所有电池的健康、调度替换、减少库存（onstock）电池、和/或监测电池的状态对比于例如如保修协议中所描述的电池的预期寿命。

必须理解的是，如上文中和下文中所描述的用于确定电池的健康状态的方法的特征可以是如上文中和下文中所描述的电池充电控制器的特征和/或按照如上文中和下文中所描述的电池管理系统的特征，并且反之亦然。

从下文中所描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见，并且参考下文中所描述的实施例，本发明的这些和其它方面将被阐明。

附图说明

将参考附图中图示的示例性实施例，在以下文本中更详细地解释本发明的主题。

图1示意性地示出根据本发明的实施例的电池充电和管理系统。

图2示出根据本发明的实施例的用于确定一个或多个电池的健康状态的方法的流程图。

附图中使用的参考符号及它们的含义在参考符号的列表中以总结形式被列出。原则上，同样的部分在附图中被提供有相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出电池充电和管理系统10，所述电池充电和管理系统10包括具有可再充电电池14的电池系统12。电池系统12包括适于控制电池14的充电和放电的控制器16。控制器16可适于测量电池电压、电池电流、电池温度和与电池14有关的其它物理量。

电池系统12可包括诸如光伏板18的与电池互连的另外的装置，和/或可连接到电网20。通常，电池系统12还可以是电动交通工具的部分、不间断功率源的部分。

控制器16可与中央服务器22以通信方式连接，所述中央服务器22包括中央数据库24。例如，可经由因特网提供通信连接。如上文和下文所述，控制器16适于确定电池14的健康状态soh并且可将它发送到中央服务器22，所述中央服务器22可将所述电池14的健康状态soh存储在关于与电池14有关的信息的中央数据库24中。

多个电池系统12可以以这样的方式连接到中央服务器22，所述中央服务器22可存储与所有这些电池系统12的电池的健康状态有关的信息。

中央服务器22还可与电池供应商26以通信方式连接，所述电池供应商26可接收与所供应的电池14有关和/或与要被替换的电池14有关的信息。

图2示出可由图1的系统10执行的健康状态确定方法和电池管理方法的流程图。

在步骤s10中，针对电池14确定初始充电容量q1。可针对每个电池14初始地测量初始容量，或者可为每种类型的电池提供初始容量。例如，电池供应商26可针对其提供给系统10的每个电池测量初始充电容量q1。初始充电容量可经由通信连接从中央数据库24被提供给控制器16。

可关于特定温度t1和特定充电电流i1来确定初始充电容量q1（t1，i1）。

在步骤s12中，控制器16确定已进入充电状态窗口并收集多个电池电流值直到离开充电状态窗口。可在使用期间，即电池14的正常操作期间执行测量。无需向电网20中进行特殊的“诊断”放电。

充电状态窗口的进入和离开可用充电状态或“电荷状态”soc来确定，所述充电状态或“电荷状态”soc由控制器16基于关于电池14的附加测量来另外确定。例如，所述附加测量可包含跨电池14两端的电压和/或电池14的温度。

充电状态soc可被提供为百分比值，并且例如，充电状态窗口可以是从上边界socu=80％到下边界socl=50％的固定间隔。然而，也许还可能的是，仅宽度∆soc=socu-socl和/或仅边界中的一个是固定的并且其它量被动态地确定。

当电池14的充电状态正在增加时或者当电池14的充电状态正在减小时，可确定测量值。

从测量的电池电流值，通过对电流值求和来确定电荷的变化qx。这可被视为充电状态窗口中的“库仑计数”。可以以ah提供电荷的变化qx。

此外，在充电状态窗口期间，可确定电池温度值和电池电流值，由此计算平均温度tx和平均电流ix。

借助于平均温度tx和平均电流ix，确定校正因子k（tx，ix）。例如，校正因子k可从查找表取得，所述查找表被存储在控制器16中。校正因子k被用于修改实际充电容量（即，电荷的变化qx除以充电窗口的宽度∆soc），因此可将它与初始充电容量q1进行比较，所述初始充电容量q1具有参考温度t1和参考电流i1。

然后，如下计算实际健康状态sohx

sohx=qx（tx，ix）/（k（tx，ix）*∆soc*q1（t1，i1））

电荷的变化qx除以校正因子k、充电窗口的宽度∆soc以及电池14的初始充电容量q1。

在步骤s14中，通过计算实际健康状态sohx与至少一个先前确定的健康状态的滑动平均来确定平均健康状态sohi。利用滑动平均计算，可降低由于极端电流和温度引起的误差的机会。

例如，可从实际健康状态和上一次的平均健康状态来确定平均健康状态sohi：

sohi=b*sohx+（1-b）*sohi-i

b是无量纲参数，例如，b可以是0.9。较高的值使历史测量权重超过当前测量，而较低的b值使现有测量权重更大。

然后可在不同的应用中采用平均健康状态sohi，如用可选步骤s16和s18所提出的那样。

在步骤s16中，在控制器16中内部使用平均健康状态sohi。例如，可从平均健康状态sohi确定用于电池14的上阈值温度。此上阈值温度可从查找表取得并且可用于电池14的取决于soh的降额。阈值温度可用于控制电池14的充电和放电，使得电池14的温度总是低于上阈值温度。

还可能的是，更新控制器16中的实际完全充电容量fcc，所述实际完全充电容量fcc可被用来重新校准soc计算。这可基于实际健康状态或平均健康状态来进行。

fcc=q1(t1，i1)*sohx或fcc=q1(t1，i1)*sohi

在步骤s18中，平均健康状态sohi用于管理多个电池14，即电池的队列。

平均健康状态sohi被发送到中央服务器22，所述中央服务器22将它存储在中央数据库24中。

将健康状态sohi与临界阈值进行比较，并且当健康状态低于阈值时，可调度电池14的替换。例如，与调度的替换有关的信息可被发送到电池供应商26和/或发送到电池14的所有者。

还可能的是，当电池几乎已经达到其寿命的结束时，已经订购新电池和/或调度替换。新电池可存储在库存中，基于电池的队列的健康状态sohi来维护所述库存。

如由回到步骤s12的箭头所指示的，可定期地，例如以定期的时间间隔或者相对于电池14的充电周期定期地重复健康状态sohi的确定。

例如，至少每10个充电周期和/或至少每10天重复健康状态sohi的确定。由于所述方法可在电池14的正常操作期间被执行，因此它可比常规方法被经常得多地执行。

此外，健康状态sohi的确定可被限制于特定的电池温度。可仅当在步骤s12中电荷的变化qx的确定期间的温度高于最低温度时，执行所述方法。以这样的方式，可避免可取决于与初始充电温度t1大为不同的温度的大的误差。

虽然已经在附图和前述描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被认为是说明性或示例性的并且不是限定性的；本发明不限于所公开的实施例。从研究附图、本公开和随附权利要求，由本领域技术人员和实践所要求保护的发明的人员可理解和实现对所公开实施例的其它改变。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考记号不应被解释为限制范围。

参考符号的列表

10电池充电和管理系统

12电池系统

14可再充电电池

16控制器

18光伏板

20电网

22中央服务器

24中央数据库

26电池供应商

q1初始充电容量

qx电荷的变化

soh健康状态

sohx实际健康状态

sohi平均健康状态

k校正因子