專利名稱：用于持續(xù)測量電池(尤其是安裝在機(jī)動車內(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)測量電池(尤其是安裝在機(jī)動車內(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 的名義說明書
本發(fā)明涉及一種用于持續(xù)測量電池(尤其是安裝在機(jī)動車內(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)動車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)動車內(nèi)的電池、能夠連續(xù)監(jiān)視上述電池狀態(tài)并檢測不允許發(fā)動機(jī)重起動的臨界條件的趨近的設(shè)備。如所知的,機(jī)動車中用于發(fā)動機(jī)起動并用于向電氣設(shè)備供電的起動器電池傾向于逐漸放電，并且在發(fā)動機(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，即使在存在來自交流發(fā)電機(jī)的恒定再充電吋，電池效率也會降低。此效率降低通常無法檢測到，也不會用信號通知用戶，因此通常導(dǎo)致所述用戶需要在為時(shí)已晚時(shí)解決該問題，即，當(dāng)電池的電荷和/或功能不足以起動發(fā)動機(jī)吋。此情形造成了極大的不便，并且還常常因?yàn)橛脩舭l(fā)現(xiàn)自己身處無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，越來越多的車輛配備有‘怠速熄火’技木。這包括在停止時(shí)自動關(guān)閉發(fā)動機(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)動機(jī)重起動方面有困難，因此實(shí)際上會有突發(fā)強(qiáng)制停車的危險(xiǎn)。在解決此問題的嘗試中，相同申請人已經(jīng)設(shè)計(jì)了能夠檢測電池效率的方法和設(shè)備，如意大利專利No. I. 357. 179/2003所述。然而，這ー專利權(quán)涉及確定電池在開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，以上引用專利中所述的方法通過在預(yù)定義條件下施加受控電流負(fù)載來測量所述電池內(nèi)電阻。該方法盡管有效卻更適于實(shí)現(xiàn)工作臺設(shè)備(bench device)，假定其標(biāo)識出開路或切斷狀況下的電荷狀態(tài)。用于檢測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路或切斷狀態(tài)以及閉路或接通狀態(tài)下都能對電池的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電池放電的電流率的方法和設(shè)備。這些和其它目的通過根據(jù)所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的用于持續(xù)測量電池效率的方法以及利用該方法的設(shè)備來實(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輛發(fā)動機(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%由電池的開路電壓(OCV)確定，該OCV僅在車輛發(fā)動機(jī)關(guān)閉時(shí)車輛停留的時(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，所測得的兩個(gè)電壓值之間的差)來實(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)，從而允許通過具體但不是唯一的對車輛中存在怠速熄火設(shè)備的參考來確定是否處于要起動發(fā)動機(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，通過這些測量確定的值必須關(guān)于測量時(shí)記錄的溫度為固定的。通過使用SOC %和A V數(shù)據(jù)，SOH的初始值通過圖2的笛卡爾平面定義，圖2示出在動態(tài)情形下對區(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)動機(jī)起動的限值的兩個(gè)量固定；具體而言，建立S0C%min和A Vmax，低于S0C%min不保證發(fā)動機(jī)起動，而高于A Vmax也不保證發(fā)動機(jī)起動。此時(shí)，在施加負(fù)載之后記錄的AV的值通過以下關(guān)系式在圖2所示的曲線[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[B])與1(曲線[A])之間的數(shù)值03-ム\0/(13-&)，其中“13”表示在特定soc%值下通過施加受控電流負(fù)載出現(xiàn)的電壓降，該電壓降與位于圖2中曲線[B]上的點(diǎn)相對應(yīng)，且超過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[A]上的點(diǎn)相對應(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)評估老化程度，足以通過附加關(guān)系式I-[ (b- A V) /(b-a)]來檢查此點(diǎn)偏離曲線[A]上的對應(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)明的方法是以對狀態(tài)S0C%、SOF和SOH的更為頻繁的監(jiān)視來表達(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值的測量、計(jì)算和存儲。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)正在對電池充電，或者何時(shí)放電階段開始。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)備開始電壓測量的時(shí)刻ti = 0所測量的電池電壓，tn = ti+At,其中A t是在檢測電池電壓時(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)，通過使用本發(fā)明的方法重復(fù)過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)算直到開始第n次計(jì)算的時(shí)間，可以檢測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"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檢測到的電壓Vn來確定。具體而言，y0是通過以下關(guān)系式獲得的電壓Vn的函數(shù)y0 = BI* (-Vn) +B2* (~Vn) 2+B3y0對初始S0C%的依賴性是從參數(shù)B1、B2和B3導(dǎo)出的，這些參數(shù)因變于電池的初始SOC%而線性地變化。在Al的情形下，對電壓Vn的依賴性由以下關(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)。通過以上所述的兩個(gè)參數(shù)Al和y。，可以通過以下關(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)的值用來通過以下關(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。因此可用以下關(guān)系式通過值"m"來計(jì)算時(shí)刻tn時(shí)的S0C% SOC % = m (tn)+S0C% init相關(guān)趨勢在圖4中具體示出，并且作為示例，針對的是初始S0C%, 90%的IOOAh的電池。此趨勢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。安裝在車輛內(nèi)且與電池(車輛通過該電池供電)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)，并且可能向車輛的駕駛員傳送可聽和/或可視信號。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，許多修改和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。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)測量電池(尤其是安裝在機(jī)動車輛內(nèi)的電池)效率的方法，包括以下階段 -在不通過電池電壓的累進(jìn)讀數(shù)直接測量電流的情況下，在有或無電負(fù)載且考慮自每一放電階段開始時(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輛內(nèi)的電池的電荷狀態(tài)SOC % ； -通過施加受控電流負(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； -至少對在所述關(guān)斷階段期間檢測到的初始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)對所述S0C%、SOH和SOF的周期性檢測以及對相應(yīng)數(shù)據(jù)的記錄。
3.如權(quán)利要求I所述的用于持續(xù)測量電池效率的方法，其特征在于，所述對電池電壓的累進(jìn)讀數(shù)用來確定何時(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)測量電池效率的方法，其特征在干，S0C%的變化通過確定所述放電率來估算。
6.如權(quán)利要求5所述的用于持續(xù)測量電池效率的方法，其特征在于，第n次對SOH的確定相關(guān)于第n次時(shí)的S0C%，并且藉由通過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來估算。
7.如權(quán)利要求6所述的用于持續(xù)測量電池效率的方法，其特征在于，通過以下關(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)動機(jī)重起動的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)測量電池效率的設(shè)備，所述設(shè)備安裝在車輛內(nèi)且與所述電池電接觸，通過所述電池向所述設(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)，并且可能向車輛的駕駛員傳送可聽和/或可視信號。
全文摘要
一種用于持續(xù)測量電池(尤其是安裝在機(jī)動車輛內(nèi)的電池)效率的方法，包括以下階段在不通過電池電壓的累進(jìn)讀數(shù)直接測量電流的情況下，在有或無電負(fù)載且考慮自每一放電階段開始時(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輛內(nèi)的電池的電荷狀態(tài)SOC％；通過施加受控電流負(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)斷階段期間檢測到的初始SOC％和SOH的值進(jìn)行記錄。
文檔編號H01M10/48GK102656469SQ201080049802
公開日2012年9月5日 申請日期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 申請人:F.I.A.M.M.股份公司