用于表征通过电容效应储存能量的模块的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于表征通过电容效应储存能量的模块的方法和设备
[0001] 本发明涉及用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件的方法和设备。
[0002] 本发明的领域是为通过电容效应的储能装置确定表征指标（indicator)的领域， 更特别地是通过电容效应的电化学储能装置的领域，并且甚至更特别地是通常被称为超级 电容器（supercapacitor或者ultracapacitor)的储能装置的领域。
【背景技术】
[0003] 过去认为通过电容效应的电化学储能元件在理论上物理地表现得像是电容为C 的理想电容器。但是经验已经表明在电化学元件内出现很多干扰现象。经验还已经表明在 储存元件的使用范围处的非常显著的单个干扰效应是由于焦耳效应产生的能量损失。通过 添加与电容为C的理想电容器串联的等效串联电阻（ESR)来对该现象建模。
[0004] 对于使用通过电容效应的一个或更多个电化学储能元件的应用的最优安全工作 来说，重要的是知道表征每个储存元件的指标，例如由每个储存元件储存的能量的量，其也 被称为每个储存元件的充电状态（S0C)或健康状态（S0H)。
[0005] 为每个储存元件确定这些指示取决于很多固有参数，其中最重要的是C和ESR的 值。这些不同值每个都取决于其他物理参数（例如压力、温度等）和储存元件随时间的变 化。
[0006] 然而，确定C和ESR的值需要考虑储存元件的工作波动。
[0007] 因此，为了获得储存元件的工作指示，现有的方法和设备对储存元件于其中具有 "理想地"可预见表现的特定工作范围确定C和ESR的值；在标准工作中所述范围难以产生 或具有随机特性。这就是为什么现有的方法和设备经常应用受控电流转换类型+I/-I或 +1/0的特定程序来测量ESR和在恒定电流I下的受控充电或放电类型的特定程序来测量 C〇
[0008] 然而，在大部分应用中，当使用储存元件的应用、例如机动车应用在工作中时，难 以预想/应用这些程序。此外，这些程序不允许实时并且在实际条件下、即在现场获得测量 值。
[0009] 因此，现有的方法和设备不能在不必停止使用储存元件的应用的情况下不管使用 储存元件的应用是哪种在实际工作条件下都在现场表征电容性储存元件。
[0010] 本发明的目的在于克服上述缺点。
[0011] 本发明的另一个目的在于提出一种方法和设备，其能够在不必停止使用储存元件 的应用或者不必实施特别协议的情况下在实际工作条件下表征用于通过电容效应储存能 量的元件。
[0012] 本发明的再一个目的在于提出一种方法和设备，其能够在现场表征用于通过电容 效应储存能量的元件。
[0013] 最后，本发明的又一个目的在于提出一种方法和设备，其不管使用所述装置的应 用是哪种都能够表征用于通过电容效应储存能量的元件。
【发明内容】
[0014] 使用如下设备，本发明能够实现上述目标中的至少一个，所述设备用于表征通过 电容效应储存能量的至少一个元件、特别是超级电容，并且特别地用于确定与储能元件的 健康状态（S0H)相关的数据项和/或与其充电状态（S0C)相关的数据项，所述设备包括：
[0015] -至少一个电压测量模块，其包括被称为电压传感器的测量所述元件（102)的电 压的至少一个装置；
[0016] -至少一个电流测量模块，其包括被称为电流传感器的测量所述元件（102)的电 流的至少一个装置，所述电压测量模块和电流测量模块被配置为以相同数量级的动态响应 (即所述模块的单位阶跃响应是相同时间数量级的）来执行测量；
[0017] -所述测量模块的至少一个控制装置，其用于对于每个储存元件执行至少一个测 量周期，该测量周期包括：
[0018] 在被称为电压测量时段的时间段内所述储存元件的端子处的一系列电压测量， 和
[0019] 在被称为电流测量时段的时间段内中通过所述储存元件的电流的一系列测量； 和
[0020] -根据在至少一个测量周期中由所述模块进行的测量来统计地计算与每个储存元 件相关的变量的至少一个装置；
[0021] 其中，所述至少一个控制装置还被配置为控制所述测量模块，以使得对于每个储 存元件来说，所述电压测量时段和所述电流测量时段在时间上重叠被称为总时段的时段 (P)的至少70%、特别地至少90%，所述总时段包括所述储存元件的所述测量时段。
[0022] 测量模块的单位阶跃响应指的是响应于通常表示为r(t)的阶跃形式的输入信 号而获得的在模块输出处的测量信号，表示为s(t)。通过定义，如果t〈o,则r(t) =〇并 且如果t彡〇,则r(t) = 1。
[0023] 根据测量模块的构造原理，S(t)趋于被称为稳定或固定测量值的常数S"。该值 充当用于限定单位阶跃响应主要时间特征的参照，主要时间特征例如：
[0024] -响应时间，表示为其被定义为测量信号保持在稳定值S"附近的±5%间隔 内所需要的时间：
[0026] -上升时间，表示为，其被定义为测量信号从稳定值S"的10%达到90%所需要 经过的时间：
[0027] tm= 19〇%-t1(l%，其中S(t1(l%) = 10%S和S(t9〇%) = 90%S〇°，
[0028] -延迟时间，表示为Td，其被定义为测量信号达到稳定值S"的
[0029] 50%所需要的时间：
[0030] Td/S(Td) = 50%S一
[0031] 如果对于测量周期的特征时间Stm，即在测量周期中两次电压测量之间的时间段 的最小值和两次电流测量之间的时间段的最小值来说，电压测量模块s"(t)的单位阶跃响 应和电流测量模块sjt)的单位阶跃响应通过以下关系式联系，则认为两个单位阶跃响应 是相同数量级的：
[C
[0033] 优选地，传感器被选择为如下：
[0034] _电流传感器和电压传感器的响应时间的差值小于20%，特别地小于10%，或者
[0035] -电流传感器和电压传感器的上升时间和延迟时间的相应差值小于20%，特别地 小于10%。
[0036] 为了说明时间重叠的概念，示出了一个非限制性的示例，此时，在从t= 0到t= Is的Is的总时段中进行一系列测量，控制装置控制：
[0037] _电压测量模块，以在从t= 0到t= 0. 8s的电压测量时段中执行一系列电压测 量，和
[0038] -电流测量模块，以在从t= 0.Is到t=Is的电流测量时段中执行一系列电流测 量。
[0039] 在这种情况下，对于Is的总时段来说，电压测量时段和电流测量时段在时间上重 叠了 0. 7s(从t= 0.Is到t= 0.8s)，这提供了总时段70%的重叠。
[0040] 根据本发明的表征设备能够对储存元件或者单独地对多个储存元件中的每个储 存元件执行与同一时间段相关的一系列电压和电流测量，所述同一时段为该储存元件的总 测量时段的至少70%。
[0041] 此外，对储存元件进行的电压和电流测量具有等同的时间范围。由电压和电流测 量模块两者测量的与同一储存元件有关的物理事实在时间方面是等同的。实际上，这意味 着电压测量和电流测量模块的输出数据是等同的，并且特别地意味着测量模块的单位阶跃 响应是相同时间数量级的。
[0042] 基于这些标准，因此对给定的储存元件进行的电压和电流测量是统计学上相容 的，并且考虑了在储存元件的工作中自然存在的、储存元件的工作波动。
[0043]因此，根据本发明的设备能够在不必为了考虑电容性储存元件的工作波动而建立 特定程序的情况下执行每个电容性储能元件的表征。此外，由根据本发明的设备进行的电 流和电压测量能够在使用储存元件的应用工作期间在现场进行。
[0044] 因此，根据本发明的设备不管使用所述元件的应用是哪种（包括机动车应用）都 能够在不必停止使用储存元件的应用的情况下于实际工作条件下在现场表征电容性储能 元件。
[0045] 有利地，如果St是总测量时段，则St彡Is能够是可接受的通用值以避免电容 效应的影响，并且以便利用惯用公式U=ESRXI确定ESR。
[0046] 有利地，根据本发明，当电压和电流传感器的性能使得St<0. 2s或甚至<0. 05s 成为可能时，St< 0. 2s或甚至< 0. 05s。
[0047] 控制装置能够被配置为控制电流和电压测量以使得在同一间隔St< 0.Is中进 行至少一次电压和电流测量。
[0048] 有利地，所述设备能够表征多个储存元件。对于每个储存元件，根据本发明的设备 包括电压测量模块和电流测量模块对，它们被配置为分别测量在该储存元件端子处的电压 和通过该储存元件的电流。
[0049] 与储存元件相关联的一对模块中的电流测量模块或电压测量模块能够形成与另 一储存元件相关联的另一对的一部分。
[0050] 有利地，控制模块能够被配置为控制电压测量模块和相应的电流测量模块，以便 以大于或等于10Hz的测量频率执行一系列电压测量和相应的电流测量。
[0051] 优选地，控制模块能够被配置为控制电压测量模块和相应的电流测量模块，以便 以等于200Hz的测量频率执行一系列的电压测量和相应的电流测量。
[0052] 因此，根据本发明的设备能够考虑储存元件状态的快速变化，即使当该储存元件 是能够在短时间内经历显著变化的超级电容器时也是如此。由此，即使电流测量和电压测 量不是严格同步的，它们也不彼此分离。
[0053] 测量模块的传感器能够优选地被选择为具有小于0. 1秒并且优选地小于0. 005秒 的如上定义的响应时间。
[0054] 至少一个电流传感器能够有利地包括：
[0055] -数字电阻式传感器，或者
[0056] -多范围霍尔效应传感器，或者
[0057] -磁通门传感器。
[0058] 数字电阻式传感器，也被称为数字分流器，具有高的动态测量范围。其提供电流的 精确和几乎即时的测量，其典型响应时间小于一毫秒。该数字电阻式传感器必须被布置在 对储存元件供电的电路中，因此除了其他问题以外，还产生额外且不需要的电阻和在工作 电压下的表现方面的另外问题。
[0059] 多范围霍尔效应传感器具有低的动态测量范围。其提供平滑的电流测量，其典型 响应时间为50到100毫秒。借助于不同的测量范围，测量值是精确的。与数字分流器不同， 不需要将多范围霍尔效应传感器布置在对储存元件供电的电路中，因此提供了更多的灵活 性。
[0060] 磁通门传感器具有与数字分流器等同的动态范围和测量精度并且在定位方面具 有与多范围霍尔效应传感器相同的优点。然而，与数字电阻式传感器或者多范围霍尔效应 传感器相比，磁通门传感器更昂贵。
[0061] 电流传感器的推荐列表不是排他的。在使用储存元件的应用的代表性范围（通常 为几毫安到几百毫安）内提供足够精确（精度通常由应用规定，但是整个测量范围的<1% 是典型的需求值）和快速的电流测量（通常< 〇.Is)并且能够按要求迅速承受极值电流 (通常为几千至几万安培）的任何电流传感器是可能的候选者。
[0062] 至少一个电压传感器能够包括被配置为执行在其输入处存在的电压的模数转换 的模数转换器。<