專利名稱：電力拖動用電化學能源剩余使用壽命的評估方法
電力拖動用電化學能源剩余使用壽命的評估方法本發(fā)明涉及一種，例如，電力拖動用的電化學能源剩余使用壽命的估計方法。本發(fā)明尤其涉及汽車領域。更準確地說，本發(fā)明涉及包括電力拖動裝置的汽車領域。它可以涉及電動汽車或者還有混合動力汽車，就是說，為移動而涉及幾種不同能源的汽車。本發(fā)明可以涉及所有電化學能儲存類型。該能源尤其可以是電池組，例如，鋰離子，Ni-MH或Ni-Si型電池組。該能源同樣可以是超級電容，特別是雙層電化學超級電容。當前的能量狀況有利于電動汽車和混合動力汽車工業(yè)的發(fā)展。電化學能源，作為電池組或超級電容，都是這種類型汽車成本高的要素。目前技術上的一個挑戰(zhàn)在于，提供一種其使用壽命接近汽車使用壽命或者在約十年和二十年之間的使用壽命。然而，電化學能源經(jīng)受老化現(xiàn)象。電化學能源老化尤其表現(xiàn)為相對于初始值的容量損失。在電池組中可以儲存的能
量數(shù)量極其重要。老化同樣表現(xiàn)為內阻的提高，它對應于可用功率的損失。已知的老化估計方法針對容量損失或內阻提高的演變。以本申請人名義申報的專利申請書FR 2 826 457尤其描述一種根據(jù)電池組運行時內阻的測量，評估電池組使用壽命的系統(tǒng)。但這樣的一個系統(tǒng)在技術上難以應用于某些裝置，特別是包括與超級電容耦合的電池組的裝置。電化學能源所經(jīng)受的老化有兩種類型。一方面，該老化涉及其利用；另一方面，涉及日歷老化，對應于不使用的周期。日歷老化是一個重要因素，大部分汽車約95%的使用壽命處于停泊模式。日歷老化的兩個主要參數(shù)是溫度和充電狀態(tài)。儲存或使用溫度越低，能源的使用壽命越長。電池組儲存時的充電狀態(tài)越低，電池組的使用壽命越長。更準確地說，術語“充電狀態(tài)”涉及電池組。在超級電容的情況下，人們談論“工作電壓”。超級電容的工作電壓越低，其使用壽命越長。另外，循環(huán)老化，就是說，使用時的老化和日歷老化，這是不使用時的老化之間可能是類似的。事實上，可以認為循環(huán)老化的主要貢獻來源于流過所述能源的電流產生的電化學能源溫度的上升。因而，本發(fā)明的目標是提出一種類似地對待循環(huán)老化和日歷老化，估計電化學能源的總老化的方法。該估計從諸如充電狀態(tài)或工作電壓和溫度等參數(shù)出發(fā)進行。該方法可以基于與這樣一種能源在不同的充電狀態(tài)或工作電壓和溫度的條件下有關日歷老化的數(shù)據(jù)進行。這些數(shù)據(jù)可以從對不同的溫度和充電狀態(tài)或工作電壓的條件下在停泊模式中儲存的這樣的一個能源的預備試驗獲得。這樣一種方法與先前列舉的某些方法相反，特別容易應用于與超級電容耦合的電池組。該評估方法可以，例如，當汽車處于運行時估計所述電化學能源的剩余使用壽命。 另外，該方法還允許根據(jù)電池組在汽車使用壽命的過程中相對于其初始容量減小的真實容
3量評價電池組的充電狀態(tài)。事實上，為了優(yōu)化電池組的運行和保持剩余使用壽命，精確的充電狀態(tài)估計器對于電池組控制系統(tǒng)和有效牽引電路的安裝是需要的。因而，本發(fā)明涉及電力拖動用電化學能源剩余使用壽命的評估方法，包括下列步驟 在瞬間、測量電化學能源的溫度； 在同一瞬間、測量或測定電化學能源的充電狀態(tài)或工作電壓； 確定電化學能源的在測量條件下估計的日歷使用壽命； 根據(jù)在測量條件下估計的日歷使用壽命，計算電化學能源在瞬間ti的健全狀態(tài)。此外，本發(fā)明還涉及一種方法，它還包括一個根據(jù)在基準條件下估計的所述能源的健全狀態(tài)和基準使用壽命，對所述電化學能源在瞬間ti的剩余使用壽命進行評估的計
算步驟。健全狀態(tài)是一個同樣允許估計該能源在瞬間、的真實容量的數(shù)值。本發(fā)明還涉及電力拖動用電化學能源管理設備，包括執(zhí)行上述方法的設備。最后，本發(fā)明涉及配備這樣一種設備的汽車。參照附圖閱讀以下的描述將能更好地理解本發(fā)明。這是為了進行說明而決非限制本發(fā)明而給出的。附圖中

圖1 示意地描繪一種包括執(zhí)行按照本發(fā)明一種形式的方法的裝置的設備； 圖2 對于不同的充電狀態(tài)電池組損壞系數(shù)隨著溫度的變化。圖1表示包括執(zhí)行按照本發(fā)明一種形式的裝置的設備。該設備1特別是包括電池組管理系統(tǒng)2或BMS (電池組管理系統(tǒng))。該BMS2連接到電池組3。借助于接口 12，BMS 2 特別連接到電池組3的溫度測量裝置4、流過電池組3的電流測量裝置5和電池組3端子電壓測量裝置6。該裝置4測量的溫度、裝置5測量的電流強度和裝置6測量的電壓特別是允許BMS的模塊7計算電池組3的充電狀態(tài)。這樣的測量裝置4，5和6在已知先有技術系統(tǒng)中已經(jīng)存在。同樣，包括超級電容的已知等效系統(tǒng)，都裝有工作電壓測量裝置。BMS 2在瞬間、存儲數(shù)值對(SOCi, Ti)，分別表示電池組3在瞬間、的充電狀態(tài)和溫度。在包括超級電容的按照本發(fā)明的設備中，數(shù)值SOCi表示所述超級電容的工作電壓。BMS 2包括連接數(shù)據(jù)存儲器9的模塊8。數(shù)據(jù)存儲器9存儲類似于電池組3的電池組在不同充電狀態(tài)和溫度(SOCp τρ的條件下的日歷使用壽命的數(shù)值&。這些數(shù)值特別是在類似于電池組3的電池組工作臺上進行試驗時通過測量獲得的。從這些數(shù)值Xj*數(shù)據(jù)對(SOCi, Ti)出發(fā)，該模塊8可以估計對應于數(shù)值對(SOCi, Ti)的日歷使用壽命&。這個評估&可以從存儲在存儲器9中的數(shù)值Xj出發(fā)通過內插進行。從\的評估出發(fā)，該模塊8可以計算電池組3在瞬間、的健全狀態(tài)SOHUi)?？紤]到初始瞬間、，其中電池組3作為新的考慮，健全狀態(tài)SOH(t0)等于100%，該健全狀態(tài)可以用百分數(shù)表達，。在這種情況下，該電池組越老，SOH(t)越小。這個數(shù)值SOHai)可以計算電池組3在瞬間、的剩余使用壽命的評估值Χ(、)。 借助于界面13，數(shù)值SOHai)和/或X(t》可以由BMS 2通知電池組3的管理者10。在任何時刻，用戶都可以借助于進行診斷11獲取這些數(shù)值中的一個或另一個。健全狀態(tài)SOHUi)的計算在考慮到電池組3日歷使用壽命Xi,在瞬間、測量的 (SOCi, Ti)的條件下進行。健全狀態(tài)的計算最好用疊代法進行。SOHai)是在考慮到數(shù)值 SOHaiJ的情況下獲得的，tg對應于上一次對電池組3的溫度和充電狀態(tài)進行測量的瞬間。按照本發(fā)明一個優(yōu)選的形式，健全狀態(tài)SOHai)用下式(I)計算(I) =SOHai) = SOH (tH) I-(AtAi) *A，其中At = ti-tH而A在數(shù)值1和100中間選定。例如，當SOH(V1)和SOHai)用百分數(shù)表達時，選擇A = 100。當SOHD和 SOHai)用絕對值表達時，選擇A = 1。若健全狀態(tài)SOHai)按照公式⑴計算，則電池組3在瞬間、剩余使用壽命的評估X(t》可以根據(jù)基準日歷使用壽命Xref，在基準的條件(S0CMf，i;rf)下獲得。數(shù)值(SOCref, Tref, Xref)同樣儲存在存儲器9中。特別可以用下式(II)計算Χ(、)(II) =Xai) = Xref^SOHai)/A其中A是在公式(I)中選定的數(shù)值。按照本發(fā)明一個方案，該方法包括確定損壞系數(shù)a ”損壞系數(shù)特別是通過在、測量的(SOCpTi)條件下估算的電池組3的日歷使用壽命，和在基準(S0CMf，Tref)條件下的基準日歷使用壽命之間的比較獲得的。例如，可以假定，、等于XrefAitl這時，健全狀態(tài)SOHai)的計算用下式(Γ )進行(I，) =SOHai) = SOHa^^-a ^(At/Xref)其中At = ti-tH，而A在1和100的數(shù)值中間選定。如上所述，數(shù)值A的選擇取決于SOHai)和SOH(V1)是按百分數(shù)還是按絕對值表達。這時，電池組3在瞬間、剩余使用壽命Χ(、)的評估可以根據(jù)XMf和SOHai)按照上式(Γ )獲得。按照本發(fā)明的一種形式，BMS 2以數(shù)據(jù)采集頻率fl、周期Δ t存儲數(shù)值對(SOCi, T》。周期Δ可以是恒定的。它同樣可以按照電池組3的運行模式改變。例如，當汽車處于行駛模式時可以設置分鐘數(shù)量級的△〖，而當汽車處于停泊模式時At為小時數(shù)量級。人們同樣可以設置At，令其在汽車進入停泊模式和電池組回到周圍溫度之間逐漸增大。于是， 當冷卻電池組時所述電池組健全狀態(tài)的估計要考慮溫度的變化。有可能在瞬間、每存儲一對(SOCi, Ti)就計算一次健全狀態(tài)SOHai)。其他計算方式同樣是可能的。例如，可以假定的，BMS 2以數(shù)據(jù)采集頻率fl、周期At存儲數(shù)值對 (S0Ck, Tk)。對于每個數(shù)據(jù)對(S0Ck, Tk)，BMS 2都可以在Δ ‘ Xi定義的時間片上，例如，一天、一個月或者一年計算一次損壞系數(shù)ak，諸如ak = XMf/)(k，BMS 2可以計算平均損壞系數(shù)α Δ ‘ t。該系數(shù)α Δ ‘ t對應于根據(jù)在時間片Δ ‘ t的過程中測量的數(shù)值對(S0Ck， Tk)確定損壞系數(shù)(ak)的加權平均值。例如，可以用下式(III)計算(III) α Δ, t = (1/Δ ‘ t) (EakAt)式中EakA' t是所有對應于用兩次測量之間的間隔At加權的Δ' t過程中測量的數(shù)值(S0Ck，Tk)的損壞系數(shù)a k的總和。Δ t的總和等于Δ ‘ t。如上所述，間隔At在整個時間片上可以是恒定的。間隔At也可以根據(jù)電池組的狀態(tài)、運行時，或不運行時的狀態(tài)改變。這時，健全狀態(tài)SOHai)可以根據(jù)SOH(V1)按照下式(1〃 )獲得，式中Δ ‘ t =
t廠tp工(1〃)=SOHai) = SOHD-a Δ, t*(A ‘ t/Xref)*A式中A在χ數(shù)值1和100中間選定。如上所述，數(shù)值A的選擇取決于SOHai)和SOH(V1)是以百分數(shù)還是以絕對值表達。電池組3在瞬間ti的剩余使用壽命的評估值Xai)可以根據(jù)SOHai)用上列公式(II) 獲得。針對時間片Δ ‘ I = W1計算SOHai)之后，把在Δ ‘ t過程中測量的數(shù)值(SOCj, Tj)從BMS 2的存儲器刪除，以免無謂地使所述存儲器超載。按照本發(fā)明的設備可以包括幾個電化學能源3。每個能源3最好都配備溫度、充電狀態(tài)測定或工作電壓的測量裝置0，5，6)。按照本發(fā)明一種形式，健全狀態(tài)SOH可以由BMS 2針對每個能源3進行計算。按照本發(fā)明的另一個形式，針對一套能源3只計算一個健全狀態(tài)S0H。例如，該健全狀態(tài)根據(jù)一套能源3的平均充電狀態(tài)和平均溫度計算。人們同樣可以假定在每個能源3 中測量的溫度最大值平均溫度，代替平均溫度。同樣，人們可以在一套能源3中考慮最大充電狀態(tài)或最大工作電壓。圖2表示不同的充電SOC狀態(tài)下電池組3的損壞系數(shù)α隨著溫度Ti的變化。這些系數(shù)是從某種類型的電池組3的日歷使用壽命出發(fā)根據(jù)變量(S0C，T)計算的。當在類似于電池組3的電池組工作臺上進行試驗時，這些日歷壽命是通過測量值估計的。它們列于表1中。相應的系數(shù)列于表2中進行電化學能源日歷使用壽命的測量之前，固定壽命終點的判據(jù)是適合的?？梢蕴貏e假定電化學能源的壽命終點對應于相對于初始容量定義的容量損失的百分數(shù)。例如， 容量損失30%可以接受為壽命終點的判據(jù)。人們同樣可以假定，相對于初始內阻，電化學能源的壽命終點對應于內阻提高一個確定的百分數(shù)。例如，可以考慮內阻的提高對應于可用功率損失30%。這個提高數(shù)值隨著電化學能源的技術而變化。因而，電化學能源的健全狀態(tài)SOH可以按照容量判據(jù)或內阻判據(jù)者確定。按照本發(fā)明一種形式，選定這兩個判據(jù)之一來確定健全狀態(tài)。按照本發(fā)明的另一個形式，考慮至少兩個壽命終點判據(jù)。例如，確定兩個健全狀態(tài) SOHrapa。&和S0H_ista_。在這種情況下，有可能借助于診斷11使這兩個數(shù)值變得可用。同樣可能確定一個總的健全狀態(tài)，例如，最小或最大數(shù)據(jù)對(S0H。apa。ite，SOHresistance)或者再加上這兩個數(shù)值的平均值。為了應用在電動汽車上，健全狀態(tài)最好至少根據(jù)容量損失確定。事實上，最重要的因素之一是汽車的自治，因而是電化學能源中儲存的能量數(shù)量。對于在混合動力汽車上的應用，健全狀態(tài)至少根據(jù)內阻的提高確定。事實上，最重要的因素之一是電化學能源中的可用功率。同樣存在所謂混合動力分支或者VH-plug-in汽車。這是可以在電網(wǎng)上再充電的混合動力汽車。對于這種類型的汽車，人們同時力求自治和可用功率。因而，同時考慮容量損失和內阻的提高來確定健全狀態(tài)是有意義的。
表1表示已知類型的電池組3的日歷使用壽命的數(shù)值。這些數(shù)值是通過在工作臺上試驗時進行的測量估計的。按照本發(fā)明的這個形式，日歷使用壽命是在考慮到壽命終點的判據(jù)是考慮相對于初始值容量損失30%的情況下進行估計的?；鶞蕯?shù)值對(S0t;ef，Tref)是這樣選定的，使得SOCref = 50%和TMf = 25°C。從數(shù)值(S0CMf，i;rf)出發(fā)估計的基準日歷使用壽命XMf是19.5年。在不同的條件(SOCp Tj)下實現(xiàn)的一系列試驗得出表1中所列的其他數(shù)值Xp這時，可以對于每個數(shù)據(jù)對(SOCp Tj)計算損壞系數(shù)α j = Xref/%。這些數(shù)值列于表1中。當相應的條件(SOCj, Tj)比基準條件(S0Cref，Tref)損壞更嚴重時，系數(shù)α」可以大于1。反之，當相應發(fā)條件(SOCj, Tj)的損壞小于基準條件(S0C&，Tref)時，系數(shù)α j可以小于1?！悖潆姞顟B(tài)越弱，損壞系數(shù)就越小。同樣，溫度越低，損壞系數(shù)就越小。從表2可以獲得圖2所示的曲線。對于給定的充電狀態(tài)，所述曲線構成損壞系數(shù)根據(jù)溫度的內插。這樣的曲線可以存儲在圖1所示設備的存儲器9中。BMS 2的模塊8利用這些曲線，計算對應于電池組3上測量的數(shù)值(SOCpTi)的損壞系數(shù)α。模塊8可以利用損壞系數(shù)α的其他計算方式。例如，有兩個數(shù)值對(SOCp Tj), (S0Ck，Tk)，使得SOCj = SOCk,而且其中損壞系數(shù)叫和CIk是在工作臺上試驗時估算的。這些數(shù)值存儲在數(shù)據(jù)存儲器9中。為了計算損壞系數(shù)α，在電池組3上測量了數(shù)據(jù)對(SOCi, Ti)，式中SOCi = SOCj,而且Tj ^ Ti ^ Tk,該模塊8，例如，可以取數(shù)據(jù)對(α」，α k)的最大值。同樣可以取較低的數(shù)據(jù)對的數(shù)值或者計算加權平均值。同樣的推理可以應用于充電的變化狀態(tài)。為了設置可靠的內插曲線，在工作臺上試驗時最好進行數(shù)目足夠多的測量，在溫度、充電狀態(tài)和工作電壓的范圍內，可以對應于電池組或超級電容的條件。例如，在
的范圍內，以最大10%的間隔分布充電狀態(tài)，以及針對[10°C，60°C ]的范圍，以最大10°C的間隔分布溫度，對使用壽命和/或損壞系數(shù)進行估計是有利的。系數(shù)α的計算允許模塊8，例如，按照上面詳細描述的公式⑴和(II)計算電化學能源3的健全狀態(tài)SOH(、)和/或評估其剩余使用壽命X (、)。這些數(shù)值可以通過BMS 2 傳遞給管理者10并使用戶通過診斷11加以掌握。
權利要求
1.電力拖動用的電化學能源C3)剩余使用壽命的評估方法，包括下列步驟 在瞬間(ti)測量該電化學能源的溫度(Ti)；眷在同一瞬間(ti)測量或測定該電化學能源的充電狀態(tài)或工作電壓(SOCi)； 在(SOCpTi)的條件下進行估計，確定該電化學能源不使用時使用壽命(Xi)； 根據(jù)在(SOCi, Ti)的條件下估計的該電化學能源不使用時的使用壽命(Xi),計算該電化學能源在瞬間(、)的健全狀態(tài)(SOHai))。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，健全狀態(tài)(SOHai))按照下式(I)計算(I)^OHai) = SOH(Th)-( Δ νχρ*Α式中At = ti-tg，而A在數(shù)值1和100中間選定。
3.按照權利要求1的方法，其特征在于，它還包括確定損壞系數(shù)、=XrefAi的步驟，是在基準(S0Cref，Tref)條件下估計的電化學能源不使用時基準使用壽命，健全狀態(tài) (SOHai))按照下式(I')計算(Γ ) =SOHai) = SOH Ui-D-SOCi* ( Δ t/Xref)*A式中At = ti-tg，而A在數(shù)值1和100中間選定。
4.按照權利要求1的方法，其特征在于，它還包括確定損壞系數(shù)ai = XrefZXi的步驟， Xref是在基準(S0C&，Tref)條件下估計的電化學能源不使用時的基準使用壽命，健全狀態(tài) (SOHai))按照下式(I")計算(1〃 ) =SOHai) = SOHaiJ-Q Δ ‘ t*(A' t/Xref)*A式中A在數(shù)值1和100中間選定，而α Δ' t是根據(jù)在周期Δ' t =、-、―的過程中測量的數(shù)值對(SOCp Tp確定的損壞系數(shù)(a P的加權平均值。
5.按照上述權利要求中一項的方法，其特征在于，它還包括根據(jù)電化學能源健全狀態(tài) SOHai)和在基準(S0Cref，Tref)條件下估計的不使用時基準使用壽命(X,ef)，計算能源(3) 在瞬間、的剩余使用壽命Xai)的評估值。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于，能源(3)在瞬間、的剩余使用壽命評估值 Xai)是按照下式(ID計算的(II):X(ti) =XrJSOHaiVA式中A具有為了計算SOHai)而選定的數(shù)值。
7.按照上述權利要求中一項的方法，其特征在于，為了估計不使用時的使用壽命(Xi, Xref)，電化學能源C3)壽命終點的判據(jù)，在相對于初始容量定義百分數(shù)容量損失和相對于初始內阻定義百分數(shù)內阻提高中間選定。
8.按照權利要求7的方法，其特征在于，至少考慮兩個壽命終點判據(jù)，包括容量損失和內阻提高。
9.電力拖動用的電化學能源管理設備，包括執(zhí)行按照上述權利要求中一項的方法的裝置。
10.配備按照權利要求9的設備的汽車。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力拖動用電化學能源(3)剩余使用壽命的評估方法。具體地說，該方法包括測定在(SOCi，Ti)條件下估計的不使用時電化學能源的使用壽命(Xi)。該方法還包括根據(jù)使用壽命(Xi)計算電化學能源在瞬間(ti)的健全狀態(tài)(SOH(ti))。該健全狀態(tài)可以根據(jù)在基準(SOCref，Tref)條件下估計的不使用時的基準使用壽命(Xref)，估計該電化學能源的剩余使用壽命(X(ti))。
文檔編號G01R31/36GK102216794SQ200980145943
公開日2011年10月12日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權日2008年11月17日
發(fā)明者D·波爾切拉托 申請人:標致·雪鐵龍汽車公司