專(zhuān)利名稱(chēng)：用于持續(xù)測(cè)量電池(尤其是安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)的電池)效率的方法以及利用該方法的設(shè)備的制作方法
用于持續(xù)測(cè)量電池(尤其是安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)的電池)效率的方法以及利用該方法的設(shè)備以 FIAMM S.P.A 的名義說(shuō)明書(shū)
本發(fā)明涉及一種用于持續(xù)測(cè)量電池(尤其是安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)的電池)效率的方法，以及基于該方法的用途的相應(yīng)設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及ー種提供關(guān)于電池在機(jī)動(dòng)車(chē)中使用期間的電荷狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)以及功能狀態(tài)(SOF)的信息的方法；本發(fā)明根據(jù)該方法還涉及ー種直接連接至安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)的電池、能夠連續(xù)監(jiān)視上述電池狀態(tài)并檢測(cè)不允許發(fā)動(dòng)機(jī)重起動(dòng)的臨界條件的趨近的設(shè)備。如所知的,機(jī)動(dòng)車(chē)中用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并用于向電氣設(shè)備供電的起動(dòng)器電池傾向于逐漸放電，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的情況下，交流發(fā)電機(jī)補(bǔ)償這些電池的能量損耗。然而，隨著時(shí)間的流逝，即使在存在來(lái)自交流發(fā)電機(jī)的恒定再充電吋，電池效率也會(huì)降低。此效率降低通常無(wú)法檢測(cè)到，也不會(huì)用信號(hào)通知用戶(hù)，因此通常導(dǎo)致所述用戶(hù)需要在為時(shí)已晚時(shí)解決該問(wèn)題，即，當(dāng)電池的電荷和/或功能不足以起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)吋。此情形造成了極大的不便，并且還常常因?yàn)橛脩?hù)發(fā)現(xiàn)自己身處無(wú)法容易地獲得可用電池更換服務(wù)的地方而更為糟糕。還應(yīng)當(dāng)考慮到，越來(lái)越多的車(chē)輛配備有‘怠速熄火’技木。這包括在停止時(shí)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)-以便于減少有害氣體的大氣排放以及降低油耗的設(shè)備。在這些情況下，處于不良狀況的電池可能在耐受連續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)重起動(dòng)方面有困難，因此實(shí)際上會(huì)有突發(fā)強(qiáng)制停車(chē)的危險(xiǎn)。在解決此問(wèn)題的嘗試中，相同申請(qǐng)人已經(jīng)設(shè)計(jì)了能夠檢測(cè)電池效率的方法和設(shè)備，如意大利專(zhuān)利No. I. 357. 179/2003所述。然而，這ー專(zhuān)利權(quán)涉及確定電池在開(kāi)路狀況下的電荷狀態(tài)。由SOH(健康狀態(tài))指示的電池的健康狀態(tài)被作為電池狀況的標(biāo)識(shí)參數(shù)，且其值確定所述電池是充電的、未充電的還是要更換的。SOH是可直接從電池本身的開(kāi)路電壓及其老化程度確定的電池的電荷狀態(tài)SOC的函數(shù)，電池的老化程度可量化地導(dǎo)致電池內(nèi)電阻的増大，以上引用專(zhuān)利中所述的方法通過(guò)在預(yù)定義條件下施加受控電流負(fù)載來(lái)測(cè)量所述電池內(nèi)電阻。該方法盡管有效卻更適于實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)設(shè)備(bench device)，假定其標(biāo)識(shí)出開(kāi)路或切斷狀況下的電荷狀態(tài)。用于檢測(cè)接通狀況下電池的電荷狀態(tài)的其它方法和設(shè)備也是已知的，但這些方案基于電流的測(cè)量，因此導(dǎo)致復(fù)雜且昂貴的裝備。從例如US 6，453，129和US 6，369，578以及DE 19952693和EP 0908737可知，這種類(lèi)型的方案是已知的。本發(fā)明的目的是克服前面提到的缺陷。更具體地，本發(fā)明的目的是提供ー種在開(kāi)路或切斷狀態(tài)以及閉路或接通狀態(tài)下都能對(duì)電池的SOC、SOF和SOH狀態(tài)以及各自的變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視的方法和設(shè)備。本發(fā)明的另ー個(gè)目的是提供一種用于確定電池的殘余自主性的方法和設(shè)備。本發(fā)明的又ー個(gè)目的是提供一種能夠檢測(cè)電池放電的電流率的方法和設(shè)備。這些和其它目的通過(guò)根據(jù)所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法以及利用該方法的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。
從以下參照應(yīng)被視為僅具有例示而非限定目的的附圖
進(jìn)行的詳細(xì)描述，可更佳地理解本發(fā)明的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法的特征，這些附圖分別是圖I是有關(guān)根據(jù)本發(fā)明方法的計(jì)算電池健康狀態(tài)SOH的框圖；圖2、3和4用作根據(jù)本發(fā)明的方法的參考圖。參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法包括至少ー個(gè)第一階段，該第一階段確定隨著車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉(即處于關(guān)斷狀態(tài))電池的電荷狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)水平。S0C%由電池的開(kāi)路電壓(OCV)確定，該OCV僅在車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)車(chē)輛停留的時(shí)段之后才達(dá)到。該OCV值從關(guān)系式Vtcv = f(t)獲得，該關(guān)系式因變于關(guān)斷時(shí)間外插穩(wěn)定后OCV的值。該開(kāi)路電壓OCV實(shí)現(xiàn)初始SOC%的計(jì)算，該初始SOC%在被量化時(shí)允許確定SOH ；這是通過(guò)施加受控電流負(fù)載(例如在15A與50A之間)、同時(shí)記錄在給定時(shí)間段發(fā)生的電壓 降A(chǔ) V(即，所測(cè)得的兩個(gè)電壓值之間的差)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。給定時(shí)間段優(yōu)選在0. I秒與30秒之間。以此方式獲得的SOH值是S0C%和AV的函數(shù)，g卩SOH = f(S0C%，AV)。該結(jié)果指示電池的健康狀態(tài)，從而允許通過(guò)具體但不是唯一的對(duì)車(chē)輛中存在怠速熄火設(shè)備的參考來(lái)確定是否處于要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況。這兩個(gè)參數(shù)S0C%和A V(還因此像參數(shù)S0H)是溫度的函數(shù)。因此，通過(guò)這些測(cè)量確定的值必須關(guān)于測(cè)量時(shí)記錄的溫度為固定的。通過(guò)使用SOC %和A V數(shù)據(jù)，SOH的初始值通過(guò)圖2的笛卡爾平面定義，圖2示出在動(dòng)態(tài)情形下對(duì)區(qū)分電池狀況的區(qū)域的細(xì)分。首先，使限定在其內(nèi)保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的限值的兩個(gè)量固定；具體而言，建立S0C%min和A Vmax，低于S0C%min不保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，而高于A Vmax也不保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。此時(shí)，在施加負(fù)載之后記錄的AV的值通過(guò)以下關(guān)系式在圖2所示的曲線(xiàn)[A]和[B]所劃定的區(qū)域內(nèi)歸ー化，以使參數(shù)SOH轉(zhuǎn)換成0(曲線(xiàn)[B])與1(曲線(xiàn)[A])之間的數(shù)值03-ム\0/(13-&)，其中“13”表示在特定soc%值下通過(guò)施加受控電流負(fù)載出現(xiàn)的電壓降，該電壓降與位于圖2中曲線(xiàn)[B]上的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，且超過(guò)該電壓降則所得到的SOH指示電池未處于良好狀況。相反，“ a”指示通過(guò)施加受控電流負(fù)載在特定S0C%值出現(xiàn)的、并且與位于曲線(xiàn)[A]上的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的最小電壓降。為了將所述關(guān)系式S0H25°C (其中25°指示電池的參考溫度)=(b_AV)/(b-a)的值關(guān)聯(lián)于電池的電荷狀態(tài)并由此相關(guān)于該特定電荷狀態(tài)評(píng)估老化程度，足以通過(guò)附加關(guān)系式I-[ (b- A V) /(b-a)]來(lái)檢查此點(diǎn)偏離曲線(xiàn)[A]上的對(duì)應(yīng)值達(dá)到什么程度，所述附加關(guān)系式給出與0和I之間的數(shù)相對(duì)應(yīng)的值E3，指示關(guān)于給定S0C%值的電池的老化程度。接近0的E3值指具有特定電荷狀態(tài)的新電池，而接近I的值涉及應(yīng)當(dāng)加以更多關(guān)注的具有特定老化程度的電池，該更多關(guān)注根據(jù)本發(fā)明的方法是以對(duì)狀態(tài)S0C%、SOF和SOH的更為頻繁的監(jiān)視來(lái)表達(dá)的。歸根到底，實(shí)際上，如果E3彡l-[(b- A V) / (b-a)]，電池可被視為有效，否則在連接至電池的特定設(shè)備上激活警報(bào)(以聲音和/或視覺(jué)形式)，或者替代地，與此參數(shù)有關(guān)系的功能將被禁止或者用于確定狀態(tài)S0C%、S0F和SOH及其可能的變化的計(jì)算將以更大頻率
重復(fù)進(jìn)行。
上述關(guān)斷階段涉及初始S0C%和SOH值的測(cè)量、計(jì)算和存儲(chǔ)。在接通階段監(jiān)視電池端子處的電壓，以便于區(qū)分何時(shí)交流發(fā)電機(jī)正在對(duì)電池充電，或者何時(shí)放電階段開(kāi)始。該電壓根據(jù)以下模型監(jiān)視ti = 0和Vi = Vo,其中Vi是在設(shè)備開(kāi)始電壓測(cè)量的時(shí)刻ti = 0所測(cè)量的電池電壓，tn = ti+At,其中A t是在檢測(cè)電池電壓時(shí)的時(shí)間間_,并且Vn = Vtn。當(dāng)遇到以下情形吋Vtn-V(tn_At) > -(0. 05 + 0. 5) V ;Vtn_V(tn_2At) >-(0. 05 + 0. 5)V; Vtn-V(tn_3At) >-(0. 05 + 0. 5)V;電池開(kāi)始放電，因此有必要設(shè)置用于確定放電率的函數(shù)。如果已在放電狀況下診斷了電池，則藉由初始S0C%、Vn和、這三個(gè)參數(shù)來(lái)確定(在下面詳述)放電率或電流率，這三個(gè)參數(shù)分別表示SOC % =電荷狀態(tài),Vn =時(shí)刻tn時(shí)的電池電壓,而tn =從放電階段開(kāi)始起以秒計(jì)數(shù)的時(shí)間。此外，基于放電率或所計(jì)算的電流率以及電池的初始S0C%值，可以根據(jù)該電流率并根據(jù)放電期間SOC%的演變來(lái)確定相同電池的殘余自主性?？紤]在正常使用情形中電流持續(xù)變化的事實(shí)，通過(guò)使用本發(fā)明的方法重復(fù)過(guò)程的此階段以便于持續(xù)地更新電池的實(shí)際S0C%值。具體而言，通過(guò)觀察電壓，然后持續(xù)地更新放電率的計(jì)算、以及因此S0C%和剰余電池電力的計(jì)算直到開(kāi)始第n次計(jì)算的時(shí)間，可以檢測(cè)電池的放電率的變化。為了確定放電率或電流率，在已于放電狀況(而非正由交流發(fā)電機(jī)充電)下診斷電池時(shí)，確立以下量Vn, tn，tn-3 At = 0,S0C% init = SOC % tn_3At由此標(biāo)識(shí)"y。"參數(shù)和附加Al參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)都是電池電壓Vn以及電池的初始電荷狀態(tài)的函數(shù)。參數(shù)y。是類(lèi)似于Al系數(shù)的數(shù)字系數(shù)，其數(shù)值可從初始S0C%和設(shè)備在時(shí)刻tn檢測(cè)到的電壓Vn來(lái)確定。具體而言，y0是通過(guò)以下關(guān)系式獲得的電壓Vn的函數(shù)y0 = BI* (-Vn) +B2* (~Vn) 2+B3y0對(duì)初始S0C%的依賴(lài)性是從參數(shù)B1、B2和B3導(dǎo)出的，這些參數(shù)因變于電池的初始SOC%而線(xiàn)性地變化。在Al的情形下，對(duì)電壓Vn的依賴(lài)性由以下關(guān)系式表達(dá)Al = C*exp (_exp (_kl* ((_Vn) _k2)))其中k2和k3是常數(shù)，而通過(guò)參數(shù)C，Al的值因變于初始S0C%得到校正。實(shí)際上，C是初始SOC%的函數(shù)。通過(guò)以上所述的兩個(gè)參數(shù)Al和y。，可以通過(guò)以下關(guān)系式確定電池放電的電流率i(A)
i ⑷=-k3 In [ (tn-y0) /Al],其中k3是常數(shù)，而i (A)對(duì)應(yīng)于以安培計(jì)的電流。此時(shí)，給定指示電池以何電流率放電的值i (A)，可以計(jì)算時(shí)刻tn的電池的S0C%值。i(A)的值用來(lái)通過(guò)以下關(guān)系式確定參數(shù)m，其指示在放電期間演變的S0C%與時(shí)刻tn(如下所述)之間的線(xiàn)性關(guān)系的梯度或角度系數(shù)m = k4 [i (A)2] +k5 [i (A) ] +k6其中k4，k5和k6是允許電流i (A)與后續(xù)用來(lái)確定S0C%的變化的角度系數(shù)m之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的數(shù)字系數(shù)。這些數(shù)字系數(shù)k4，k5和k6取決于安裝設(shè)備的電池的容量而變化。
圖3中示出指示角度系數(shù)"m"因變于所計(jì)算出的電流放電率的變化的趨勢(shì)。因此可用以下關(guān)系式通過(guò)值"m"來(lái)計(jì)算時(shí)刻tn時(shí)的S0C% SOC % = m (tn)+S0C% init相關(guān)趨勢(shì)在圖4中具體示出，并且作為示例，針對(duì)的是初始S0C%, 90%的IOOAh的電池。此趨勢(shì)也可在其它電荷狀態(tài)以及更低容量電池中得到驗(yàn)證。該電壓被系統(tǒng)地監(jiān)視，并且當(dāng)檢測(cè)到指示從初始S0C%值有例如3%至7%的下降時(shí)，根據(jù)前述方法通過(guò)施加受控電流負(fù)載計(jì)算時(shí)刻tn時(shí)電池的SOH值，井根據(jù)圖I的框圖進(jìn)行驗(yàn)證。關(guān)于此圖，所確立的是在時(shí)刻tn計(jì)算的新SOH值是否指示仍然能耐受放電率的電池，并且相應(yīng)的值在輸出中傳送。以上計(jì)算允許估算電池放電時(shí)的電流率以及S0C%的逐步演變，該計(jì)算允許確定由SOF限定的殘余電池自主性。實(shí)際上，在放電階段期間，施加于電池上的電流負(fù)載的持續(xù)變化涉及S0C%演變率的持續(xù)改變。由此，在已設(shè)定S0C% min的情況下，SOF將是固定為SOC% min的SOC%值、在時(shí)刻tn計(jì)算的SOC%以及因此還有所述溫度的參數(shù)，即i (A)(電池放電的電流率)。SOF = f (i ⑷，SOC% min, S0C%, T0C ).因此，I(A)以及由此S0C%的持續(xù)變化將導(dǎo)致殘余電池自主性的持續(xù)變化，這將由參數(shù)SOF表示。安裝在車(chē)輛內(nèi)且與電池(車(chē)輛通過(guò)該電池供電)電接觸的所述設(shè)備包括帶有連接至電池端子的連接線(xiàn)的至少ー個(gè)溫度傳感器和ー個(gè)電壓傳感器；預(yù)定和受控的電阻性負(fù)載；電監(jiān)控、記錄、處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡，必須能夠在輸出中傳送經(jīng)處理信息(經(jīng)編碼或不經(jīng)編碼)，并且可能向車(chē)輛的駕駛員傳送可聽(tīng)和/或可視信號(hào)。盡管已具體參照應(yīng)被視為僅具有例示而非限制目的的一個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是借鑒以上描述，許多修改和變化對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明旨在覆蓋落在所附權(quán)利要求的精神和保護(hù)范圍內(nèi)的所有修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于持續(xù)測(cè)量電池(尤其是安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)輛內(nèi)的電池)效率的方法，包括以下階段 -在不通過(guò)電池電壓的累進(jìn)讀數(shù)直接測(cè)量電流的情況下，在有或無(wú)電負(fù)載且考慮自每一放電階段開(kāi)始時(shí)起所流逝的時(shí)間時(shí)，確定在關(guān)斷階段和接通階段期間安裝在所述車(chē)輛內(nèi)的電池的電荷狀態(tài)SOC % ； -通過(guò)施加受控電流負(fù)載并將所得電壓降與預(yù)定參數(shù)作比較，確定相同電池的健康狀態(tài) SOH ； -通過(guò)估計(jì)所述電池因變于放電率或電流率的殘余自主性并估計(jì)SOC%的演變，確定所述電池的功能狀態(tài)SOF ； -取決于電池工作溫度，對(duì)以上所述參數(shù)(SOC，SOH和S0F)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和歸一化； -至少對(duì)在所述關(guān)斷階段期間檢測(cè)到的初始S0C%和SOH的值進(jìn)行記錄。
2.如權(quán)利要求I所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在于，包括附加的監(jiān)視階段、或重復(fù)對(duì)所述S0C%、SOH和SOF的周期性檢測(cè)以及對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的記錄。
3.如權(quán)利要求I所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在于，所述對(duì)電池電壓的累進(jìn)讀數(shù)用來(lái)確定何時(shí)所述電池處于放電狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求I和2的任一個(gè)所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在干，電流率或電流放電率藉由以下參數(shù)確定初始S0C%、Vn和tn，它們分別指示電池的初始電荷狀態(tài)、時(shí)刻tn時(shí)的電池電壓以及從放電階段開(kāi)始時(shí)起以秒計(jì)數(shù)的時(shí)間。
5.如權(quán)利要求I所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在干，S0C%的變化通過(guò)確定所述放電率來(lái)估算。
6.如權(quán)利要求5所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在于，第n次對(duì)SOH的確定相關(guān)于第n次時(shí)的S0C%，并且藉由通過(guò)施加受控和恒定的電流負(fù)載15 + 50A達(dá)預(yù)定時(shí)間段0.1 + 30秒所確定的電壓降A(chǔ)V來(lái)估算。
7.如權(quán)利要求6所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在于，通過(guò)以下關(guān)系式所述初始SOH值被轉(zhuǎn)換成0與I之間的數(shù)字值(B- AV)/ (b-a) 其中"b"指示通過(guò)施加受控電流負(fù)載在給定S0C%值出現(xiàn)的電壓降，而"a"指示在給定S0C%值通過(guò)施加受控電流負(fù)載出現(xiàn)的最小電壓降。
8.如權(quán)利要求I所述的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的方法，其特征在于，所述功能狀態(tài)SOF一方面相關(guān)于通過(guò)估算所述放電率確定的電池在所有時(shí)間的殘余自主性，另一方面相關(guān)于同時(shí)的S0C%，最終還相關(guān)于限定保證發(fā)動(dòng)機(jī)重起動(dòng)的S0C%限值。
9.一種根據(jù)前面權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法的用于持續(xù)測(cè)量電池效率的設(shè)備，所述設(shè)備安裝在車(chē)輛內(nèi)且與所述電池電接觸，通過(guò)所述電池向所述設(shè)備供電，所述設(shè)備包括帶有連接至電池端子的連接線(xiàn)的至少ー個(gè)溫度傳感器和ー個(gè)電壓傳感器；預(yù)定和受控的電阻性負(fù)載；電監(jiān)控、記錄、處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡，所述設(shè)備必須能夠在輸出中傳送經(jīng)處理信息(經(jīng)編碼或不經(jīng)編碼)，并且可能向車(chē)輛的駕駛員傳送可聽(tīng)和/或可視信號(hào)。
全文摘要
一種用于持續(xù)測(cè)量電池(尤其是安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)輛內(nèi)的電池)效率的方法，包括以下階段在不通過(guò)電池電壓的累進(jìn)讀數(shù)直接測(cè)量電流的情況下，在有或無(wú)電負(fù)載且考慮自每一放電階段開(kāi)始時(shí)起所流逝的時(shí)間時(shí)，確定在關(guān)斷階段和接通階段期間安裝在車(chē)輛內(nèi)的電池的電荷狀態(tài)SOC％；通過(guò)施加受控電流負(fù)載并將所得電壓降與預(yù)定參數(shù)作比較，確定相同電池的健康狀態(tài)SOH；通過(guò)估計(jì)電池因變于放電率或電流率的殘余自主性并估計(jì)SOC％的演變，確定所述電池的功能狀態(tài)SOF；取決于電池工作溫度對(duì)以上所述參數(shù)(SOC，SOH和SOF)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和歸一化；將至少在關(guān)斷階段期間檢測(cè)到的初始SOC％和SOH的值進(jìn)行記錄。
文檔編號(hào)H01M10/48GK102656469SQ201080049802
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者R·阿利貝蒂, S·卡贊蒂 申請(qǐng)人:F.I.A.M.M.股份公司