用于监测能量存储系统的方法与流程

1.本发明从一种用于监测具有多个能量存储线路的能量存储系统的方法，能量存储线路包括多个并联连接的电化学能量存储装置，本发明还涉及一种电化学能量存储系统、一种该能量存储系统的应用以及根据独立权利要求的前序部分的方法的应用。


背景技术：

2.为了能够对电池系统尽可能灵活地匹配确定的要求，经常使用由多个电池单元的并联电路和串联电路构建的电池联合(batterieverbunde)或模块。根据现有技术，在此在许多应用中使用圆柱形电池单元，例如18650型电池单元。除了电池单元外，模块还有自己的监测装置，例如测量电池单元电压的测量装置。
3.根据设计，可以附加地集成其他部件，尤其是用于执行其他功能、例如计算电池状态的控制设备。
4.所述模块既可以单独地集成在电驱动系统中，或者通过这些模块的并联电路和/或串联电路以更大的电池系统的形式来形成。
5.这种模块通常由多个单个电池单元组成。尤其是在存在并联连接的电池单元线路(下面称为并联线路)的情况下，则仅测量并联线路的电压用于监测。测量最初不能够实现以下检查：所有电池单元是否实际上低电阻地电连接到电池单元联合(batteriezellverbund)并且仍然完全有工作能力。
6.这种模块的缺点是，根据现有技术，难以示出(darstellbar)并联线路内的可靠的单个电池单元监测。并联线路中的电池单元数越多，在这种的并联线路内识别所有电池单元是否还功能正常(intakt)且正确电连接就越困难。
7.如果控制设备未识别单个电池单元接通的故障，则在最坏的情况下，这可能会导致单个电池单元的热失控(英语thermal runaway)，因为并联线路中的总电流会分配到较少的电池单元上，并且因此电池单元可能未被识别地超规格运行。
8.文献us 2004/0001996公开一种电池组，该电池组包含多个并联块，所述并联块中的每个具有多个并联连接的电池单元，其中，在放电之前和之后确定该电池组的每个并联块的电压和容量，并且基于每个并联块的电压变化来确定电池单元的异常。
9.文献jp 2009/216448公开了一种用于电池组的异常识别设备，该异常识别设备识别电池单元连接的分离或断开。


技术实现要素：

10.本发明的目的是进一步改善现有技术。该任务通过独立权利要求的特征来解决。
11.本发明的优点
12.具有独立权利要求的区别特征的根据本发明的方法的优点在于，借助根据本发明的用于监测、尤其车载监测能量存储系统的方法实现可靠的监测电化学能量存储。如果各个能量存储器例如由于能量存储器之间的电连接的机械负载而发生故障，如此能够识别。
13.为此，根据本发明的方法具有以下步骤：
14.a.连续地监测当前的充电或放电电流是否对于确定的时间段高于至少一个预给定的电流阈值；
15.b.将检测到的能量存储器线路电压和/或能量存储器线路电压的电压变化过程进行相互比较，和/或将检测到的能量存储器线路电压和/或能量存储器线路电压的电压变化过程与在可比较的充电或放电电流下能量存储器线路的之前的能量存储器线路电压和/或能量存储器线路的之前的电压变化过程进行比较；
16.c.根据能量存储器线路中的电压变化的预给定的标准来识别能量存储器线路中的故障，尤其通过将能量存储器线路的电压变化和能量存储器线路的电压变化的平均值的差值与预给定的阈值进行比较来识别接通故障。
17.其他有利的实施方式是从属权利要求的主题。
18.根据本发明的方法还包括以下步骤：
19.d.采取多个措施，尤其是降低最大允许的充电或放电电流，以确保能量存储系统在允许的运行界限内运行。
20.由此能够将能量存储系统置于安全的运行状态，并且例如能够抵消能量存储器的增强的老化。
21.根据本发明的方法还包括以下步骤：
22.e.当能量存储器线路之间的电荷平衡要求(ladungsausgleichsbedarf)高于预给定的阈值和/或电荷平衡要求突然变化时，识别出故障。
23.由此，能够对根据本发明的方法的步骤a至c所识别的故障进行可信度检验(plausibilisieren)。
24.根据本发明的方法不限于所示的实施方式的顺序。更准确地说，步骤c至e可以以任何顺序、重复地、时间上依次地和/或同时进行。
25.根据电阻式、电容式和/或和电感式的电荷平衡方法来求取能量存储器线路之间的电荷平衡要求。
26.根据发明的具有多个能量存储器线路的电化学能量存储系统包括多个并联连接的电化学能量存储器、用于检测电压的至少一个传感器，以及至少一个装置、尤其是电子电池管理控制设备，该电子电池管理控制设备设置用于执行根据发明的方法的步骤。
27.电池管理控制设备有利地包括一种计算机程序，该计算机程序包括指令，该指令使得电化学能量存储系统执行根据本发明的方法。优选地，计算机程序存储在机器可读的存储介质上。
28.根据本发明的电化学能量存储系统有利地用于电动车辆、混合动力车辆、插电式混合动力车辆、例如具有用于增压(boosten)的能量存储器的燃料电池车辆、电动助力车(pedelec)或电动自行车，用于用于远程通信或数据处理的便携式装置，用于电动工具或厨房机器，以及在固定型存储器中用于存储尤其可再生获得的电能。
29.根据本发明的用于监测能量存储系统的方法有利地用于电化学能量存储系统的带末端控制(band
‑
ende
‑
kontrolle)。由此能够对电化学能量存储系统的制造过程进行质量控制，例如检查电化学能量存储系统之间的电连接的焊接过程。
附图说明
30.本发明的实施例如图所示，并在下面的描述中更详细地解释。
31.通过附图说明根据本发明的主题的其他的优点和有利的构型，并且在下面的描述中对其进行阐述。应注意，附图仅用于描述目的，并且不旨在以任何方式限制本发明。此外，除非上下文另有明确说明，否则下述特征可单独或以任何组合表示发明的主题。附图示出：
32.图1示出根据现有技术的能量存储系统的示意图；
33.图2示出电流变化过程的示意图；
34.图3a示出无故障情况下的能量存储器线路电压的示意图；
35.图3b示出故障情况下的能量存储器线路电压的示意图；
36.图4a示意性示出无故障情况下在充电或放电过程期间的能量存储器线路电压；
37.图4b示意性示出故障情况下在充电或放电过程期间的能量存储器线路电压。
具体实施方式
38.相同的附图标记在所有附图中表示相同的设备部件。
39.图1示出根据现有技术的能量存储器系统的示意图。能量存储器系统100包括多个能量存储器线路101，所述能量存储器线路包括多个并联连接的电化学能量存储器102。借助多个电压传感器u1、u2、u3检测能量存储器线路101的电压。
40.图2示出电流变化过程200的示意图。根据本发明的能量存储器系统100具有例如其自身的电池管理控制设备，该电池管理控制设备设置用于执行根据本发明的方法的步骤。在能量存储器系统100的正常运行中，通常连续监测能量存储器系统电压。因此，在第一实施方式中，只需要分别对于相应的时间段将能量存储器线路电压和/或能量存储器线路电压的电压变化过程存储在电池管理控制设备的存储器中，并在合适的运行条件存在时、例如在充电或放电过程期间对能量存储器线路电压和/或能量存储器线路电压的电压变化过程进行评估。
41.例如，在第一实施方式中，合适的运行条件是当前充电或放电电流201对于确定的时间段δt0、δt1、δt2高于预给定的阈值，即出现跳跃式的电流负载。
42.因为实践中电流跳跃不易重现，并且通常仅出现具有恒定电流的非常短的相位，优选引入根据图2的电流跳跃的有效性的标准。在此可以考虑多个阈值s0、s2，通过电流变化过程i(t)仅须部分地或完全地满足以下：
43.i1‑
δi1≤i(t)≤i1+δi1ꢀꢀꢀ
(1)
44.δi0/δt0≥s0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
45.δi2/δt2≥s2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
46.如果电流跳跃满足该标准，则对该时间间隔内的电流进行平均或者计算出电荷量。
47.关于有效条件的评估，替代的实施方式是能够实现的。于是，考虑由电流跳跃引起的能量存储器线路电压的电压变化过程。
48.图3a示出在能量存储器系统100的无故障情况300a下在电流跳跃301a时能量存储器线路电压302a的示意图。
49.图3b示出在能量存储器系统100的故障情况300b下能量存储器线路电压302b的示
意图，其中，确定的能量存储器线路101中的恰好一个能量存储器102缺失或完全失效。缺失能量存储器102的能量存储器线路101示出：
50.‑
相比于其他线路电压302b，在电流跳跃301b时明显更高的电压降302b(1)，
51.‑
相比于之前的无故障情况下的电压变化过程302a明显的偏差。
52.当分别取出或引入相同或相似的高电荷量时，应在不同时刻的有效电流跳跃下分别进行能量存储器线路101的电压变化过程的比较。在此可以引入阈值，允许电荷量例如可以相差最大10％。
53.然后，既要考虑当前时刻存在的多个并联的能量存储器线路101的潜在的不同电压变化过程的相互比较，又要考虑每个单个能量存储器线路101的电压变化过程的历史变化。
54.在一种实施方式中，例如考虑了电流跳跃开始时的电压降(spannungseinbruch)、电流负载期间的电压变化过程以及电流负载减小后的电压上升。
55.如下地进行评估电压变化过程中的变化是否是由于线路中缺失单个电池单元而引起：
56.‑
如果能量存储器线路101中缺失一个能量存储器102，则该能量存储器线路101的内阻就会发生变化，这在电流跳跃的情况下尤为明显。该能量存储器线路101中的电压降明显大于能量存储器系统100的可比较的能量存储器线路101的电压降。为了确保评估，可能有意义的是计算出在确定时刻t所有能量存储器线路101的电压降du的平均值m(t)。
57.如果先前已经执行在能量存储器线路101之间的电荷平衡，则该平均值特别有意义。如果预给定阈值s，则可以通过比较du
‑
m(t)>s来做出判定：在相应的能量存储线路101中所有能量存储器102是否电接通。
58.‑
如果在能量存储线路101中缺失一个能量存储器102，则相应的能量存储器线路101比能量存储器系统100的其它能量存储器线路101更快地放电或充电。因此，具有较少数量的电接通的能量存储器102的能量存储器线路101的能量存储器线路电压下降得更快。
59.图4a示出在能量存储器系统100的无故障的情况400a下，在充电或放电过程期间能量存储器线路电压402a、402a(1)、402a(4)、402a(6)的示意图，图4b示出在能量存储器系统100的故障的情况400b下，在充电或放电过程期间能量存储器线路电压402b、402b(6)的示意图。
60.因此，在较长的放电或充电过程中，能量存储器线路电压402b(6)的曲线有规律地与其它能量存储器线路电压402b的曲线相交。相交点403(0)、403(1)、403(2)的数量适合作为单个能量存储器102的损失(verlust)的探测方法。优选不必进行能量存储器线路101之间的电荷平衡。
61.在识别出故障时，电池管理控制设备优选采取措施，以响应和抵消能量存储器线路101中的能量存储器102的缺失。因此，通过例如借助权重因子来降低允许的最大电流能够确保能量存储系统100继续在其允许的界限内运行，并且能量存储器线路101中的能量存储器102不会因能量存储器102的数量减少而过载，其中，所述权重因子取决于不再电连接的能量存储器102的数量。这还对相关的能量存储器线路101的其它能量存储器102的老化有积极作用。
62.特别有利的是，在能量存储系统100的实际运行中，在借助外部源充电时，还能够
有针对性地产生限定的电流跳跃，该电流跳跃对于确定的短时间间隔高于最大允许的持续充电电流，并在此基础上应用上述方法。在此还有利的是，如此能够规律地设置合适的运行条件，以便实现连续的监测。充电期间的分析处理是有利的，因为大多最初在较长的阶段借助恒定电流进行充电。如果线路的电压存在偏差的坡度(steigung)，则可以识别出故障。
63.在带末端控制的情况下，使用接近或精确地在最大允许电流值处的电流跳跃，以便因此实现电正确连接的、电不正确连接的或电连接不良的能量存储器102之间最大的分离精度例如，如果能量存储器102之间的电连接是借助焊接实现的，则如此能够执行焊接过程的质量控制。
64.此外，可以考虑将由针对各个能量存储器线路101的电荷平衡要求的时间求取的电荷平衡要求用作故障评估的附加标准，或也可以用作独立的评估标准。为此，电池管理控制设备的存储器中记录在各个能量存储器线路101中进行电荷平衡要求的频率和时间长度，即通过电阻式、电容式或电感式的方法进行线路电压的平衡。
65.在以下情况下识别出故障：
66.‑
各个线路之间的电荷平衡要求多次显著高于对于电池的通常值，或
67.‑
由于电池单元的接通中断，电荷平衡要求非期望地且突然地变化。
68.如果识别出故障，则电池管理系统可以采取措施，尤其是降低最大允许的充电或放电电流，以便确保能量存储系统在允许的运行界限内运行。