用于控制针对电池管理系统的充电电流边界值的方法、电池管理系统与流程

1.本发明涉及一种用于控制针对电池管理系统的充电电流边界值的方法。
2.本发明还涉及一种电池管理系统，该电池管理系统被设立用于执行根据本发明的方法。
3.本发明也涉及一种具有一个或多个电池单池的电池，该电池被设立用于执行根据本发明的方法，且/或该电池包括根据本发明的电池管理系统。
4.本发明此外涉及一种车辆，该车辆被设立用于执行根据本发明的方法，且/或该车辆包括根据本发明的电池管理系统和/或根据本发明的电池。


背景技术：

5.正在变得明显的是，电驱动的机动车在未来将被更多地使用。在这类电驱动的机动车例如混动式车辆和电动车辆中使用可充电的电池，主要用以给电驱动装置供应电能。
6.作为电化学系统，电池单池在充电过程期间仅可以接收确定的充电量。在确定的条件下可能出现非期望的副反应，例如锂镀敷。在充电过程期间，锂被带入到阳极中。然而当充电电流太高时，锂金属在阳极表面上被析出，而不是被嵌入。可能造成锂镀敷的条件例如有：高的充电电流、无暂停的长的充电时间、低温和高的充电状态soc（state of charge）。锂镀敷会造成高的容量损失、电阻的大幅提高和电池单池功率的大幅减少。最终，该效应对可供使用的功率有直接影响且会缩短电池单池的寿命。
7.本发明的目标在于计算充电方向上的不导致锂镀敷的最大允许电流。


技术实现要素：

8.提出一种用于控制针对电池管理系统的充电电流边界值的方法。电池管理系统在此被设立用于监控和控制电池。电池在此可以包括一个或多个串联或并联的电池单池。电池单池在此被构造为锂离子单池。
9.根据本发明，首先针对所测得的温度t
sens
和给定的充电状态soc确定针对不同时长t
ref
的参考电流i
ref
。在此，参考电流i
ref
是在该测得的温度t
sens
和该给定的充电状态soc下针对相应的时长t
ref
的最大允许充电电流。例如针对25℃的所测得的温度t
sens
和给定的充电状态soc确定针对2s、10s和30s的相应的时长t
ref
的参考电流i
ref2s
、i
ref10s
和i
ref30s
。当单池数据表中限定的温度例如是20℃和30℃时，如果该单池数据表允许，可以内插得出这些参考电流。
10.接着针对每个参考电流i
ref
借助于模型计算相应的参考时间常数τ
ref
，该模型借助持续电流i
cont
用于计算充电电流i
req
的平均值i
avrg
，该持续电流对应不发生锂镀敷所允许的最小电流。模型的主要任务在于，针对从单池数据表中给出的时长，允许确定的电流。通过该模型以此对电流边界值的动态行为建模。例如当从单池数据表中得知150a的电流仅允许持续2s时，那么该电流必须允许2s或更少。为此，参考时间常数τ
ref
被适配成，使电流的边界
值在2s或更早时达到。例如针对相应的参考电流i
ref2s
、i
ref10s
和i
ref30s
计算出相应的参考时间常数τ
ref2s
、τ
ref10s
和τ
ref30s
。
11.然后，依据所计算的参考时间常数τ
ref
和所确定的参考电流i
ref
构成针对每个确定的温度t和每个确定的充电状态soc的关于参考时间常数τ
ref
和参考电流i
ref
之间的关系的图表。
12.接着通过将充电电流i
req
的测量值i
sens
与参考电流i
ref
比较来获知预测时间常数τ
pred
。当充电电流i
req
的测量值i
sens
等于参考电流i
ref
时，预测时间常数τ
pred
等于与该参考电流i
ref
对应的参考时间常数τ
ref
。在另外的情况中，预测时间常数τ
pred
通过内插（interpolation）来获知。
13.然后，基于持续电流i
cont
、预测时长t
pred
和预测时间常数τ
pred
来计算充电电流i
req
的预测边界平均值i
pred
。预测时长t
pred
在此对应如下时间，在这些时间中恒定电流可以无限界地通过电池管理系统被使用。预测时长可以是客户特定的。
14.参考电流i
ref
和参考电流i
ref
的时长t
ref
是单池特定的且与温度以及充电状态相关的。这些可以直接从单池数据表中获取或通过测量获得。
15.优选用于计算充电电流i
req
的平均值i
avrg
的模型被构造为pt1环节，该pt1环节也被称为pt1滤波器。pt1环节被理解为调节技术中的lzi（线性时不变系统）传递环节，该lzi传递环节具有带有一阶延迟的比例传递行为。常见的示例为一阶低通器，该一阶低通器例如可以通过rc环节实现。pt1环节有利地易于实施。
16.借助于优选被构造为pt1环节的模型说明根据本发明的方法。在此，根据第一方程如下计算充电电流i
req
的平均值i
avrg
：在此，i
avrg
(t)是充电电流i
req
的当前平均值且是与时间相关的，i
avrg0
是充电电流i
req
的初始平均值，t是时间，τ是pt1环节的时间常数且i
sens
(t)是充电电流i
req
的测量值。
17.然后将充电电流i
req
的平均值i
avrg
(t)借助于第二方程如下与持续电流i
cont
比较，该持续电流与温度和充电状态相关：该持续电流i
cont
对应不发生锂镀敷所允许的最小电流，且可以从单池数据表中获取。持续电流i
cont
对于限界充电电流i
req
是相关的且确保不产生电池单池的锂镀敷。
18.在i
avrg
(t)等于i
cont
的前提下，预测边界平均值i
pred
可以借助于第三方程如下来计算，该预测边界平均值对应第一方程中的充电电流i
req
的测量值i
sens
：在此，t是电池单池的温度且soc是电池单池的充电状态。
19.针对确定的温度t和确定的预测时长t
pred
可以如下导出新的第三方程：
在该情况下，引入常数k。该常数k被如下限定：以此如下由新的第三方程导出简化的新的第三方程：初始的平均值i
avrg0
可以借助参考电流i
ref
和参考电流i
ref
的时长t
ref
通过如下在第四方程中所描述的阶跃响应来获得：依据简化的新的第三方程（3“）和第四方程，针对确定的预测时长t
pred
借助于第五方程如下计算预测边界平均值i
pred
：在i
pred
(t
pred
)等于的i
ref
前提下，如下借助于第六方程导出时间常数τ：以此，针对每个确定的参考电流i
ref
和确定的时长t
ref
计算时间常数τ。借助于第六方程可以针对每个确定的温度t和每个确定的充电状态soc计算新的时间常数τ，该新的时间常数根据充电电流i
req
的测量值i
sens
进行适配。
20.在此，将充电电流i
req
的测量值i
sens
与针对确定的温度t、确定的充电状态soc和确定的时长t
ref
的参考电流i
ref
比较，用以导出合适的预测时间常数τ
pred
。
21.当例如充电电流i
req
的测量值i
sens
等于针对2s的时长t
ref
的参考电流i
ref2s
时，可以借助于第六方程计算预测时间常数τ
pred
。在此，预测时间常数τ
pred
等于针对2s的时长t
ref
的参考电流i
ref2s
的参考时间常数τ
ref2s
。充电电流i
req
于是在2s之后开始降低。
22.优选预测时间常数τ
pred
的获知通过线性内插来实施。预测时间常数τ
pred
因此是动态的且根据充电电流i
req
的测量值i
sens
进行适配。
23.当例如充电电流i
req
的测量值i
sens
大于针对10s的时长t
ref
的参考电流i
ref10s
、但小于针对2s的时长t
ref
的参考电流i
ref2s
时，可以通过针对2s的时长t
ref
的参考电流i
ref2s
的参考时间常数τ
ref2s
和针对10s的时长t
ref
的参考电流i
ref10s
的参考时间常数τ
ref10s
之间的线性内插来获知预测时间常数τ
pred
。
24.借助于所获知的预测时间常数τ
pred
和第三方程可以计算预测边界平均值i
pred
。
25.优选将附加的点[i
min
；τ
relax
]添加到关于参考时间常数τ
ref
和参考电流i
ref
之间的关系的图表中。该点被添加用以限定针对放松（entspannten）或准放松状态中的电池单池
的松弛时间常数（relaxationskonstante）τ
relax
。在此，i
min
是小电流，在该小电流的情况中不出现针对单池的加载。该小电流i
min
可以是小的充电电流或放电电流。借助于该限定，可以选取小的松弛时间常数τ
relax
，以便例如允许大的再生电流（rekuperationsstrom）。这个新的点在此可以与温度t和充电状态soc相关。
[0026]
优选基于边界平均值i
pred
计算针对短预测时长t
preds
的第一预测边界值i
preds
、针对长预测时长t
predl
的第二预测边界值i
predl
和针对永久预测时长t
predp
的第三预测边界值i
predp
。例如少于2s的时长可以被限定为短预测时长t
preds
。长预测时长t
predl
例如可以等于2s，而持久（permanente）预测时长t
predp
可以等于10s。这些预测时长可以是客户特定的。这些预测时长一般是固定的值。预测时长t
pred
在此对应如下时间，在这些时间中恒定电流可以无限界地通过电池管理系统被使用。该恒定电流例如可以被用于计算第三预测边界值i
predp
。
[0027]
优选常数在计算第一预测边界值i
preds
时被确定。通过确定常数k和改变时间常数τ，该时间常数也被称为短预测时间常数τ
preds
，第一预测边界值i
preds
也是动态的，因为该第一预测边界值根据电池单池的当前的热加载以及针对锂镀敷的加载进行适配。
[0028]
在计算第二预测边界值i
predl
和第三预测边界值i
predp
时应满足两个前提。
[0029]
一个前提是：在此，ks是针对第一预测边界值i
preds
的常数，该常数是固定值，k
l
(t,soc)是针对第二预测边界值i
predl
的常数且k
p
(t,soc)是针对第三预测边界值i
predp
的常数。常数k
l
(t,soc)和k
p
(t,soc)在此是与温度和充电状态相关的。
[0030]
另一前提是，当pt1环节是零时，针对长预测时长t
predl
的预测边界值i
predl
应代表电池单池的针对该长时长t
predl
和针对当前温度t的参考电流i
ref
。“pt1环节是零”被理解为充电电流i
req
的平均值i
avrg
等于零。在此，针对第二预测边界值i
predl
的常数k
l
(t,soc)被如下限定：在考虑这两个前提的情况下，借助第七和第八方程如下计算针对第二预测边界值i
predl
的常数k
l
和长预测时间常数τ
predl
(t,soc)：在此，i
cont
(t,soc)是持续电流，该持续电流对应不发生锂镀敷所允许的最小电流且可以从单池数据表中获取。在此，i
ref,predl
是针对该长预测时长t
predl
的参考电流i
ref
。
[0031]
然后借助第九方程如下计算第二预测边界值i
predl
，该第九方程也从第三方程导出：
第三预测边界值i
predp
的计算遵循与用于第二预测边界值i
predl
的计算相同的前提。在此适用：k
l
(t,soc) ≥ k
p
(t,soc)。以此可以如下借助第十方程计算第三预测边界值i
predp
：在此，τ
predp
(t,soc)是针对第三预测边界值i
predp
的持久预测时间常数。
[0032]
还提出一种电池管理系统，该电池管理系统被设立用于执行根据本发明的方法。
[0033]
也提出一种具有一个或多个电池单池的电池，该电池被设立用于执行根据本发明的方法，且/或该电池包括根据本发明的电池管理系统。
[0034]
此外提出一种车辆，该车辆被设立用于执行根据本发明的方法，且/或该车辆包括根据本发明的电池管理系统和/或根据本发明的电池。
[0035]
本发明的优点利用本发明可以在电池管理系统中有效率地实施算法，该算法从单池规格（zellenspezifikationen）中限界电流且以此确保满功率可用性和保护部件及保护电池单池不受锂镀敷的影响。
[0036]
在此，电池单池的数据被直接用于计算时间常数。利用根据本发明的方法，在此可以针对不同的预测时长计算充电电流的预测边界平均值和充电电流的预测边界值。这些参量有利地一方面用于识别电池单池的潜在的提前老化且另一方面用于适配车辆的功率策略和行驶策略。
[0037]
借助于根据本发明的方法，除此之外可以实现用于量化单池使用的压力水平且实现快速地校准。
[0038]
此外，可以利用根据本发明的方法计算充电电流i
req
的平均值i
avrg
，该平均值可以被用作针对电池加载的标尺。该充电电流i
req
的平均值i
avrg
可以被画上，用以可视化单池的压力水平。
[0039]
此外，根据本发明的方法的实施是高效的，因为仅需要少量的工作存储器用于电池管理系统的处理器。根据本发明的方法利用唯一的积分器考虑单池所经受的压力。
[0040]
除此之外，该方法的功能灵活。在此，可以视客户的需求而定改变预测水平线或者说预测时长。
附图说明
[0041]
本发明的实施方式依据附图和下面的描述予以详述。
[0042]
其中：图1示出充电电流边界值的预期行为的示意图，图2示出用于获知预测时间常数τ
pred
的图表的示意图，
图3.1示出边界平均值i
pred
的时间走向的示意图，图3.2示出相应于图3.1的充电电流i
req
的平均值i
avrg
的时间走向的示意图，图3.3示出相应于图3.1的预测时间常数τ
pred
的时间走向的示意图，图4.1示出充电电流i
req
的时间走向的示意图，图4.2示出相应于图4.1的电池单池的所测得的电压u
sens
的时间走向的示意图，图4.3示出相应于图4.1的充电电流i
req
的带有其平均值i
avrg
限界（begrenzung）的时间走向的示意图，图5.1示出根据第一示例的充电电流i
req
的带有其平均值i
avrg
限界的时间走向的示意图，图5.2示出相应于图5.1的预测时间常数τ
pred
的时间走向的示意图，图5.3示出相应于图5.1的充电状态soc的时间走向和所测得的温度t
sens
的时间走向的示意图，图6.1示出根据第二示例的充电电流i
req
的带有其平均值i
avrg
限界的时间走向的示意图，图6.2示出相应于图6.1的预测时间常数τ
pred
的时间走向的示意图，图6.3示出相应于图6.1的充电状态soc的时间走向和所测得的温度t
sens
的时间走向的示意图以及图7示出根据本发明的方法的流程。
具体实施方式
[0043]
在下面的本发明的实施方式的描述中，相同或相似的元件利用相同的附图标记表示，其中，在个别情况中舍弃这些元件的重复描述。附图仅示意性地示出本发明的技术方案。
[0044]
图1示出电池单池的充电电流边界值的预期行为的示意图。预期的是：通过使用用于监控和控制电池单池的电池管理系统的动态边界值id，充电电流i
req
的初始值在例如持续30s的第一阶段12中不被降低且该动态边界值id接着在第二阶段14中收敛到连续边界值ic。在第三阶段16中，充电电流i
req
然后通过连续边界值ic被限界。
[0045]
图2示出用于获知预测时间常数τ
pred
的图表的示意图。接下来借助于具有pt1环节的用于计算充电电流i
req
的平均值i
avrg
的模型来解释该图表。
[0046]
如上面所实施，针对每个确定的参考电流i
ref
和确定的时长t
ref
以及确定的温度t和确定的充电状态soc计算时间常数τ。当前在图2中针对确定的温度t，计算出针对持续30s的参考电流i
ref30s
的参考时间常数 τ
ref30s
、 针对持续10s的参考电流i
ref10s
的参考时间常数τ
ref10s
、和针对持续2s的参考电流i
ref2s
的参考时间常数τ
ref2s
。
[0047]
借助于这些数据在图2中构成关于时间常数τ和参考电流i
ref
之间的关系的图表。
[0048]
在此，将充电电流i
req
的测量值i
sens
与针对确定的时长t
ref
的参考电流i
ref
比较，用以导出合适的预测时间常数τ
pred
。
[0049]
当例如充电电流i
req
的测量值i
sens
等于参考电流i
ref2s
时，计算出预测时间常量τ
pred
等于针对参考电流i
ref2s
计算出的参考时间常数τ
ref2s
。于是充电电流i
req
在2s之后开始降低。
[0050]
当例如充电电流i
req
的测量值i
sens
大于参考电流i
ref10s
、但小于参考电流i
ref2s
时，通过参考时间常数τ
ref10s
和参考时间常数τ
ref2s
之间的线性内插来获知预测时间常数τ
pred
。
[0051]
此外，附加的点[i
min
；τ
relax
]被添加到根据图2的图表中。该点被添加用以限定针对放松或准放松状态中的电池单池的松弛时间常数τ
relax
。在此，i
min
表示小电流。借助于该限定，可以选取小的松弛时间常数τ
relax
，以便允许例如大的再生电流。这个新的点在此可以与温度t和充电状态soc相关。
[0052]
图3.1示出边界平均值i
pred
的时间走向的示意图。在此，检测到充电电流i
req
的测量值i
sens
为60a。60a的充电电流i
req
仅允许2s的时长，才不会导致锂镀敷。以此，按照根据本发明提出的方法计算边界平均值i
pred
。然后在2s之后充电电流i
req
开始降低。边界平均值i
pred
最终收敛成持续电流i
cont
，该持续电流与最大允许的连续充电电流i
req
对应。
[0053]
图3.2示出相应于图3.1的充电电流i
req
的平均值i
avrg
的时间走向的示意图，而图3.3示出相应于图3.1的预测时间常数τ
pred
的时间走向的示意图。从图3.3中得知，预测时间常数τ
pred
根据充电电流i
req
的测量值i
sens
进行适配。
[0054]
图4.1示出充电电流i
req
的时间走向的示意图。充电电流i
req
是脉冲形的且具有两个电流脉冲，这两个电流脉冲具有相等的60a的测量值i
sens
。在此，相应的电流脉冲的时长为2s。在时间点t1发送第一电流脉冲且该第一电流脉冲在时间点t2结束。在时间点t3发送第二电流脉冲且该第二电流脉冲在时间点t4结束。
[0055]
图4.2示出相应于图4.1的电池单池的所测得的电压u
sens
的时间走向的示意图。电池单池的所测得的电压u
sens
在初始处具有空载电压u
ocv
。通过加载充电电流i
req
，电池单池的所测得的电压u
sens
上升。自时间点t2起，电池单池的所测得的电压u
sens
才下降。在第一和第二电流脉冲之间即时间点t2和时间点t3之间的中间时间t
relax
中，所测得的电压u
sens
以例如1mv/min的速度下降到空载电压u
ocv
。该中间时间t
relax
也被称作松弛时间。
[0056]
图4.3示出充电电流i
req
的带有其平均值i
avrg
限界的时间走向的示意图。在此，在中间时间t
relax
或者说松弛时间期间所计算出的边界平均值i
pred
也上升，以便允许第二电流脉冲。在以最大允许功率给出其他的电流脉冲之前，有必要使单池放松或松弛。静置的单池意味着，所测得的电压对应空载电压u
ocv
。出于该原因，重要的是考虑充分长的松弛时间，以便实现第二电流脉冲。该松弛时间对应所测得的电压需要的用以达到单池的空载电压的时间。这样就可以设定没有锂镀敷的风险的最大功率。视温度t、充电状态soc和之前使用的脉冲的电流强度而定，该参数可能是不同的。
[0057]
图5.1示出根据第一示例的充电电流i
req
的带有其平均值i
avrg
限界的时间走向的示意图，而图5.2示出相应于图5.1的预测时间常数τ
pred
的时间走向的示意图且图5.3示出相应于图5.1的充电状态soc的时间走向和所测得的温度t
sens
的时间走向的示意图。
[0058]
在此示出具有85％的初始充电状态soc的经放松的电池单池的时间走向。在此，电池单池的初始温度t为-10℃。电池单池在此针对30s的时长以175a的充电电流i
req
被充电。充电状态soc和所测得的温度t
sens
在此保持不变。
[0059]
从图5.1中得知，在时间点t=10s，表示充电电流i
req
的第一电流脉冲以175a的测量值i
sens
被发送到电池单池上。第一电流脉冲持续30s。从电池单池的数据表可知，175a的电流脉冲在-10℃的温度t和85％的充电状态soc下仅允许10s。在此计算预测时间常数τ
pred
和边界平均值i
pred
，该边界平均值收敛成持续电流i
cont
。从图5.1中还得知，在时间点t=20s，也
就是在第一电流脉冲发送10s之后，第一电流脉冲开始降低。第一电流脉冲被降低到持续电流i
cont
上。在第一电流脉冲终止处，边界平均值i
pred
才开始再次上升，以便允许其他的电流脉冲。在时间点t=100s，与第一电流脉冲相同的第二电流脉冲被发送到电池单池上。基于电池单池被加载的状态，第二电流脉冲更早地开始降低。
[0060]
图6.1示出根据第二示例的充电电流i
req
的带有其平均值i
avrg
限界的时间走向的示意图，而图6.2示出相应于图6.1的预测时间常数τ
pred
的时间走向的示意图且图6.3示出相应于图6.1的充电状态soc的时间走向和所测得的温度t
sens
的时间走向的示意图。
[0061]
在此示出具有85％的初始充电状态soc的经放松的电池单池的时间走向。在此，电池单池的初始温度t为-10℃。电池单池在此针对30s的时长以175a的充电电流i
req
被充电。充电状态soc在此保持不变，而所测得的温度t
sens
在电流脉冲的时长期间上升。
[0062]
从图6.1中得知，在时间点t=10s，表示充电电流i
req
的电流脉冲以175a的测量值i
sens
被发送到电池单池上。该电流脉冲持续30s。从电池单池的数据表可获悉，175a的电流脉冲在-10℃的温度t和85％的充电状态soc下仅允许10s。在此计算预测时间常数τ
pred
和边界平均值i
pred
，该边界平均值收敛成持续电流i
cont
。因为在电流脉冲的时长期间电池单池的所测得的温度t
sens
改变，所以动态地计算预测时间常数τ
pred
。从图6.1中还得知，该电流脉冲的降低开始得更迟一些。电流脉冲被降低到持续电流i
cont
上。在此，持续电流i
cont
也根据温度t进行适配。
[0063]
图7示出根据本发明的方法的流程。在此，在步骤s1中针对所测得的温度t
sens
和给定的充电状态soc确定针对不同时长t
ref
的参考电流i
ref
。例如针对25℃的所测得的温度t
sens
和给定的充电状态soc确定针对2s、10s、30s的相应的时长t
ref
的参考电流i
ref2s
、i
ref10s
、i
ref30s
。当单池数据表中限定的温度t例如是20℃和30℃时，如果该单池数据表允许，可以内插得出这些参考电流i
ref
。
[0064]
在步骤s2中，针对每个参考电流i
ref
依据模型计算相应的参考时间常数τ
ref
，该模型借助持续电流i
cont
用于计算充电电流i
req
的平均值i
avrg
，该持续电流对应不发生锂镀敷所允许的最小电流。例如当从单池数据表中得知150a的电流仅允许持续2s时，那么该电流必须被允许2s或更少。为此，参考时间常数τ
ref
被适配成，使得电流的边界值在2s或更早时达到。例如针对相应的参考电流i
ref2s
、 i
ref10s
和i
ref30s
，计算相应的参考时间常数 τ
ref2s
、τ
ref10s
和 τ
ref30s
。优选该模型被构造为pt1环节。
[0065]
在步骤s3中，依据所计算的参考时间常数τ
ref
和所确定的参考电流i
ref
针对每个确定的温度t和每个确定的充电状态soc构成关于参考时间常数τ
ref
和参考电流i
ref
之间的关系的图表。
[0066]
在步骤s4中，通过将充电电流i
req
的测量值i
sens
与参考电流i
ref
比较来获知预测时间常数τ
pred
。当充电电流i
req
的测量值i
sens
等于参考电流i
ref
时，预测时间常数τ
pred
等于与该参考电流i
ref
对应的参考时间常数τ
ref
。在另外的情况中，预测时间常数τ
pred
通过内插来获知。
[0067]
在步骤s5中，基于持续电流i
cont
、预测时长t
pred
和预测时间常数τ
pred
计算充电电流i
req
的预测边界平均值i
pred
。预测时长可以是客户特定的。
[0068]
在步骤s6中，基于边界平均值i
pred
计算针对短预测时长t
preds
的第一预测边界值i
preds
、针对长预测时长t
predl
的第二预测边界值i
predl
和针对持久预测时长t
predp
的第三预测
边界值i
predp
。例如少于2s的时长可以被限定为短预测时长t
preds
。例如长预测时长t
predl
可以等于2s，而持久预测时长t
predp
可以等于10s。
[0069]
本发明不限于这里所描述的实施例和其中所强调的方面。相反，在通过权利要求给出的范围内，大量的位于本领域技术人员的处理框架中的变型都是可以的。