用于对储能器进行充电或放电的方法和装置与流程

本发明涉及用于对电化学储能器进行充电或放电的方法和装置，其中通过描述该电化学储能器的放电深度（depthofdischarge，dod）来对该电化学储能器的老化特性建模。此外，本发明还涉及电系统和计算机程序产品。

背景技术：

为了确定在能量系统中的电化学储能器的经济的使用，需要考虑储能器的与运行相关的老化。锂离子电池组的所谓的与使用相关的寿命损耗可以通过下面的公式来予以建模：

在该公式中，f(dod)是与放电深度相关的非线性因子，f(t）是与电池组单池具有的温度相关的非线性因子，f(i）是与电流相关的非线性因子，以及△q表示通过电池组的电荷通量。所谓的soh（stateofhealth，健康状态）表示电池组的健康状态并且描述已经发生了什么程度的电池组老化。soh的老化导致电池组的容量和/或电阻方面的老化，通过这种老化降低了电池组的性能。最后，电池组必须在某个时候被替换。

上面提到的因子可以超越各种电池组化学类型地以类似的方式被确定。在公式（1）中，f(t)和△q被看作是已知的。与温度相关的非线性因子f（t）通过研究来自过去的各种电池组类型（也即电池组化学）而已知。与温度相关的非线性因子f（t）通过阿雷尼乌斯定律来给出：

其中，ea和r是已知参数，t是开氏温度。

电荷通量△q是通过电池组运行给出的参量，该参量可以通过测量技术加以确定。

与电流相关的因子f（i）可以从老化试验来加以确定。对于放电电流和小充电电流来说，小因子是典型的；对于大充电电流来说，大因子是典型的。

因子f（dod）同样从老化试验加以确定。老化不同地取决于充电状态（stateofcharge，soc）的行程（hub）。soc行程、也即放电深度越大，因子f（dod）就越大。一般而言，随放电深度单调上升的因子f（dod）是典型的。

在为确定这些因子要执行的试验中，循环地以不变的soc行程对储能器充电和放电，如在图1中示例性示出的一样。图1示出了充电状态soc关于时间t的变化曲线。如果储能器被充满，则充电状态soc为100%。如果从储能器中不再能够提取电荷，则充电状态soc为0%，该储能器因而是空的。时间t在本实施例中标准化地被标上0至100。充电状态的变化曲线在图1中是这样的，即，电荷存储器以不变的电流从值为大约90%的soc1一直被放电至大约30%的soc值。接着以不变的、但是另一电流进行从soc2至soc1的充电。接着多次重复该过程。在soc2和soc1之间的差表示soc行程或者dod值（dod=soc1-soc2），这通过在图1中的箭头dod来示出。

储能器的如图1所示的循环放电和充电的应用的缺点在于，从这些试验中不能确定soc变化曲线的精确形状对老化的影响。尤其是，不能确定就所考虑的电池组化学类型而言dod的描述是否正确。

因此，代替于计算dod值而使用所谓的“雨流算法”。在此情况下，如在图2中所示的soc变化曲线被解释为不同行程的各种彼此交错的子循环。雨流算法的应用对于许多电池组化学类型来说是良好的近似。对于一些电池组化学类型来说，雨流算法是不恰当的用于确定dod的方法并且因此导致对老化的错误建模。由此从中得到错误导出的充电策略。

因为按照公式（1）的dod具有对储能器老化的影响，因此为了对老化特性正确建模需要对dod的正确描述。

技术实现要素：

本发明的任务是说明一种方法和一种装置，借助它们能够以精确的方式实现电化学储能器的充电或放电，该储能器的老化特性通过对该储能器放电深度的专门描述来予以建模。另一任务在于，说明一种相应的计算机程序产品。

这些任务通过按照权利要求1的特征的方法、按照权利要求11的特征的计算机程序产品、按照权利要求12的特征的装置和按照权利要求14的特征的电系统来解决。有利的扩展由从属权利要求得到。

推荐了一种用于对电化学储能器充电或放电的方法，该储能器的老化特性通过对该储能器的放电深度（depthofdischarge）的描述来予以建模，其中在与时间相关的充电状态变化曲线中给在两个相邻的局部极大值和极小值之间的每个时间段分配一个放电深度值，该放电深度值相应于在两个相邻的局部极大值和极小值的充电状态值之间的充电行程或放电行程。

也将如下点计为与时间相关的充电状态变化曲线的局部极大值或极小值，在这些点处充电电流或放电电流暂时地、也即在短时间段期间具有0值。放电深度的该建模类型（下面也称为dod建模）意味着：大的放电过程通过短的停止或短的充电来被中断并且被分成两个小的子循环。该放电过程的放电深度（dod）由此被减小到更小的值，这些更小的值通过该中断之前或之后的soc行程给出。类似的也适用于充电过程，该充电过程通过短的停止或暂时的放电来被中断并且被分成两个小的子循环。

所描述的建模不适于全部类型的电池组化学类型。但是已经发现，这种dod特性在锂离子蓄电池组、尤其是锂钛蓄电池组中是精确的。

在根据本发明的方法中，储能器从在第一时刻的第一充电状态转移到在第二时刻的第二充电状态，其方式是，在形成于第一时刻和第二时刻之间的时间段内，充电过程或放电过程为了构造带有相应充电行程或放电行程的相应充电子块或放电子块而至少被中断一次，其中相应充电行程或放电行程小于在第一充电状态和第二充电状态之间的总行程。

通过该方法，相比从第一充电状态至第二充电状态的无中断的完整充电或放电，得到具有相应（较短）充电行程的较短充电子块或放电子块。相比从第一充电状态到第二充电状态无中断的恒定充电，通过该方法可以明显减少电池组老化。因为电池组老化导致容量减少和内阻增大，因此通过所推荐的方法提高电池组的寿命。同时，电池组的效率由于内阻的相比较而言更小的增加而得到改善。

在两个充电子块或放电子块之间的中断可以包括值为0的充电电流或放电电流。因此为了将充电过程或放电过程分成至少两个充电子块或放电子块，将充电过程或放电过程中断确定的时间就足够。从而，该中断意味着，充电电流或放电电流包括0值。

在两个充电子块之间的中断可以包括放电区段。代替地，在两个放电子块之间的中断可以包括充电区段。通过该扩展变型，考虑带有如下电池组化学类型的储能器：在其中充电电流或放电电流具有0值的中断是不足以被“识别”为中断的。但是，通过执行带有与先前放电过程或充电过程相反符号的充电电流或放电电流，这种储能器也能够以本发明的方式“识别”中断。

按照另一扩展方案，储能器的充电或放电以规则的间隔被中断。这导致充电子块或放电子块具有相同的长度。代替地，储能器的充电或放电也可以以不规则的间隔被中断。

此外可以规定，这些中断的持续时间是等长的。这些中断的持续时间代替地也可以是不等长的。

按照另一扩展方案，储能器的充电或放电可以在充电子块或放电子块中至少逐个区段地以恒定电流来进行。这意味着，在充电子块或放电子块内，充电电流或放电电流具有相同的大小。代替地，在充电子块或放电子块内，可以设置带有不同充电电流或放电电流的多个区段。同样可以规定：针对放电子块所使用的充电电流或放电电流也在至少一个其他的或者甚至全部其他的充电子块或放电子块中得到使用。上述哪种变型是最好的，一方面取决于在第一充电状态和第二充电状态之间的充电行程的大小，另一方面取决于所考察的储能器的电池组化学类型。

按照另一合乎目的的扩展方案，充电电流的大小针对每个充电子块或放电子块的匹配可以根据先前中断的长度来进行，使得保证在第二时刻达到第二充电状态。

此外，还推荐了一种计算机程序产品，其可以被直接加载到数字计算机的内部存储器中以用于控制电化学储能器的充电和/或放电并且包括软件代码段，当该产品在计算机上执行时，借助所述软件代码段实施上述方法的步骤。

按照本发明的另一方面，推荐了用于对电化学储能器进行充电或放电的装置，该储能器的老化特性通过对该储能器的放电深度的描述来予以建模，其中在与时间相关的充电状态变化曲线中给在两个相邻的局部极大值和极小值之间的每个时间段分配一个放电深度值，该放电深度值相应于在两个相邻的局部极大值和极小值的充电状态值之间的充电行程或放电行程。该装置被构造用于，将储能器从在第一时刻的第一充电状态转移到在第二时刻的第二充电状态，在其中，在形成于第一时刻和第二时刻之间的时间段内，充电过程或放电过程为了构造带有相应充电行程或放电行程的相应充电子块或放电子块而至少被中断一次，其中相应充电行程或放电行程小于在第一充电状态和第二充电状态之间的总行程。

该装置可以包括用于执行该方法的其他机构。

该装置具有与前面结合本发明方法描述的相同的优点。

最后本发明推荐了一种电系统，该电系统包括储能器和上述类型的装置，其中该储能器是锂钛蓄电池组或者具有类似电池组化学类型的储能器。该储能器例如可以是电运行运输工具或混合动力运输工具的牵引电池组，所述混合动力运输工具除了电驱动外还拥有内燃机驱动。所述储能器也可以使用在自给自足的能量供给网络中，例如用于中间存储可再生地产生的能量。这样的能量供给网络也可以具有与常规的联合能量供给网络的连接。

附图说明

下面，进一步借助在附图中的实施例进一步描述本发明。其中：

图1示出电化学储能器的已经描述的、循环的充电和放电状态变化曲线；

图2示出用于使用已知的“雨流算法”来确定放电深度值的电化学储能器的已经描述的充电曲线；

图3示出由图2已知的充电曲线，借助该充电曲线阐述对其放电深度的按照本发明来使用的描述；

图4示出在电化学储能器充电时按照本发明推荐的充电状态变化曲线，该储能器的老化特性能够通过对其放电深度的本发明描述来予以建模，以及

图5示出了在电化学储能器放电时按照本发明推荐的放电状态变化曲线，该储能器的老化特性能够通过其放电深度的本发明描述来予以建模。

具体实施方式

图3示出了示例性的、与时间相关的充电状态变化曲线。在x轴上标有从0到100的标准化时间t。在y轴上以百分比标有从0到100的充电状态（stateofcharge，soc）。在此，100%的soc值相应于完全充电的储能器，0%的soc值相应于完全放空的储能器。

在图3中所示的示例性充电状态变化曲线中，该曲线在大约90%的soc值soc1处开始，首先被放电到大约50%的soc值soc3。接着进行充电过程到大约65%的soc值soc4。紧接着的是到大约25%的soc值soc5的放电过程，该放电过程一直上升至约30%的soc值soc6，直至最后进行至约10%的soc值soc2的放电。接着，进行充电过程直至soc值soc1，其中该充电过程被两个暂时的放电过程（在图中未详细表示）中断。

属于该示例性充电状态变化曲线的dod值通过如下方式来确定，即首先确定该充电状态曲线的局部极大值和极小值。这样，在所示的充电状态曲线中，局部极小值m3、m5和m2以及局部极大值m4和m6被突出地表示。所述局部极小值m3、m5和m2被分配给soc值soc3、soc5和soc2。局部极大值m4和m6被分配给soc值soc4和soc6。

应当注意到，作为局部极大值和极小值也观察充电状态曲线的如下点，在这样的点处充电电流在事先定义的时间期间取0值。然而，在图3中所示的充电状态变化曲线中没有示出如下“平台”，在这样的平台中充电电流或放电电流在确定的时间期间取0值。

在下一步骤中，为在两个反转点、也即局部极大值和相邻的局部极小值之间的每个时间段分配一个dod值，该dod值相应于在分配给所述局部极大值和极小值的soc值之间的充电行程。在两个反转点之间的相应的dod值示例性地通过箭头来表示。这样，在局部极小值m3和局部极大值m4之间的相应的充电行程相应于从soc值之差soc4-soc3的绝对值得到的dod值dod1。以相应方式确定在局部极大值m4和局部极小值m5之间的充电行程dod2，该充电行程dod2从soc值之差soc4-soc5的绝对值得到。与此类似地，从soc值之差soc6-soc5的绝对值得到在局部极小值m5和局部极大值m6之间的dod值dod3。最后，确定在局部极大值m6和局部极小值m2之间的dod值dod4，其中从soc值之差soc6-soc2的绝对值得到该dod值dod4的行程。出于简单起见，没有标入针对另外的、在充电曲线中包含的局部极大值和极小值的相应dod值。

因为所描述的策略是连续的计算方法，因此出于简单起见没有给soc值soc1分配起始点。然而原则上这也是可能的。

dod建模的该类型意味着:由充电状态值soc1至充电状态值soc2的单纯放电过程一次或多次地通过停止或者在相反方向上的充电过程或放电过程予以中断并且被分成多个小的子循环。从充电状态值soc1至充电状态值soc2的该放电过程的dod由此减小到在相邻的局部极大值和极小值（反转点）之间更小的值，这些更小的值通过中断之前或者中断之后的充电行程给出。

这种建模尤其是适于锂离子蓄电池组以及在此尤其是适于锂钛蓄电池组。

从上面描述的建模出发，得到下面描述的示例性的充电策略和放电策略，这些充电策略和放电策略相比于例如基于按照雨流算法的dod建模的充电和放电策略提高了电池电池组的寿命并且改善了电池组随时间的效率。

图4示出了按照基于本发明的方法的充电状态曲线。为了将储能器从在时刻t0的充电状态soc1转移到在时刻t7的充电状态soc2，用恒定电流进行充电，其中该充电过程以规则的间隔被中断相应的、短时间段dt。该充电电流由下式得到

这里，soc1是时刻t0的充电状态，soc2是时刻t7的充电状态，cap是储能器以安培小时为单位的容量，t是在t7和t1之间的持续时间（t=t7-t1），dt是充电过程的中断持续时间以及n是中断数量。

通过该充电方法得到具有相应充电行程的充电子块的数量

在图4中所示的实施例中，在时刻t0，soc值soc1=10%。在时刻t7，soc值应当达到soc2=90%。示例性地，充电过程包括四个充电子块10l、20l、30l、40l。在两个紧接着的充电子块10l、20l或者20l、30l或者30l、40l之间示出已经提及的长度为dt的中断12、22、32，在这些中断中充电电流i=0。充电行程dod基于相同的充电电流i而在所有充电子块10l、20l、30l、40l和相应的相同充电持续时间中是一样大的。在图4中，充电行程dod通过针对充电子块10l的参考标记11l、针对充电子块20l的参考标记21l、针对充电子块30l的参考标记31l以及针对充电子块40l的参考标记41l来表示。整体上，得到soc2-soc1的充电行程，其中整个充电行程用参考标记50来表示。

以相应的方式，图5示出了放电状态曲线，应当按照该放电状态曲线从时刻t0的soc值soc1=90%达到时刻t7的soc值soc2的放电。类似于先前的实施例，该放电过程仅仅示例性地被分成四个相同长度的放电子块10e、20e、30e、40e，其中在两个放电子块10e、20e或者20e、30e或者30e、40e之间设置相应的中断12、22、32，在这些中断中放电电流i=0。仅仅示例性地，这里中断12、22、32也具有相同的持续时间dt。基于在每个放电子块10e、20e、30e、40e中相同的放电电流（该放电电流从相应区段的相同的负斜率而得到）以及分别相同长度的中断12、22、32，针对每个放电子块10e、20e、30e、40e得到相同大小的放电行程11e、21e、31e、41e。

原则上，在充电过程中充电暂停或者中断12、22、32应当尽可能短，以便将在持续时间t内从第一充电状态soc1到达第二充电状态soc2所需的充电电流保持得低。中断12、22、32被选择得越长，在充电子块中所需的充电电流就越大，也即，充电子块10l、20l、30l、40l的区段延伸得越陡。由此，也可以避免在充电时对储能器的随之而来的损伤。

原则上，根据以下边界条件来得到充电电流的大小：必须在持续时间t内达到待实现的充电状态soc2。另外的边界条件是储能器的以下电池组化学类型，该电池组化学类型允许最大充电电流，而在此过程中不会被负面影响。

与此相对地，在放电过程中，也可以接受更长的中断和相应地更高的放电电流。

虽然在按照图4和5的实施例中示出相同长度的充电子块10l、……、40l或放电子块10e、……、40e,然而这些充电子块或放电子块可以具有带有各自不同的充电电流或放电电流的各自不同的长度。同样，在相应充电子块或放电子块之间的中断12、22、32的长度dt可以被选择为具有不同长度。此外还可能的是：在充电过程或放电过程中，单独地针对每个充电子块或放电子块来选择充电电流或放电电流。甚至在一个充电子块或放电子块内可以改变充电电流或放电电流。这种改变在如下边界条件下进行：能够在持续时间t内实现从第一充电状态soc1到第二充电状态soc2的充电或放电。

在规则的中断情况下，中断间隔dt、也即在t3和t1或者t5和t3或者t7和t5之间的持续时间应该被选择为，使得得到的dod值相对于未中断的充电过程而言足够地减少老化。另一方面，该间隔dt不应被选择得小到以下程度，即，使得充电电流由此在中断12、22、32的持续时间dt固定的情况下变得不必要地高或者保持在预给定的界限内。

通过推荐的充电策略，电池组老化按一阶近似以如下倍数改变：

该倍数典型地小于1，这意味着，储能器老化更少，因为与dod相关的老化针对小dod值典型地小于针对大dod值的情况。如果在使用中预先给定老化的期望的减少或者通过通过优化计算来得到该期望的减少，则可以通过该倍数、必要时考虑充电电流或放电电流的预先给定的界限来计算中断间隔。

如果由于储能器的电池组化学类型的特性而需要短的反充电过程来结束子充电块或子放电块，则中断也可以被这样的充电过程代替。如果执行放电过程的话，则将反充电过程例如理解为短的充电过程。在充电过程的情况下，在中断中执行短的放电过程。在反充电时电流的强度必须被适配为，使得在持续时间t之后仍然实现行程soc2-soc1。