本發(fā)明涉及一種用于確定鉛酸蓄電池的剩余電容量的方法和裝置。

背景技術(shù)：

對(duì)蓄電池的狀態(tài)量的了解是極其重要的，例如以便確定運(yùn)行策略和/或其更換，因此首先闡述或者定義一些蓄電池特征量。

蓄電池的電容量是與溫度相關(guān)的并且以安培[ah]為單位說(shuō)明。電容量通過(guò)用確定的電流i20＝額定電容量/20[a]放電至u＝10.5v的斷電標(biāo)準(zhǔn)確定(見dinen50342-1)。下文中定義：

額定電容量k20：表示制造商給出的、名義上的電容量。它是儲(chǔ)存在新的蓄電池中所含有的最小的電容量(單位[ah])，并且在溫度為時(shí)用確定的電流i20放電二十小時(shí)至u＝10.5v的斷電標(biāo)準(zhǔn)的情況下能提供的電容量。

實(shí)際電容量kist：表示在時(shí)在蓄電池的當(dāng)前老化狀態(tài)中的最大的電容量(單位[ah])。

剩余電容量krest：剩余電容量表示在時(shí)在當(dāng)前的電荷和老化狀態(tài)(運(yùn)行狀態(tài))中存有的電容量(單位[ah])。剩余電容量krest小于或者等于實(shí)際電容量。

蓄電池的電荷狀態(tài)(soc，state-of-charge)定義如下：

蓄電池的健康狀態(tài)(soh，state-of-health)定義為：

soc最大可為100％，因?yàn)閗ist表示最大的電容量，其中，soh的值可以是>100％，因?yàn)樾碌男铍姵氐淖畲罂赡艿碾娙萘縦ist大多超過(guò)由制造商給出的額定電容量k20。

為了不放電而確定剩余電容量必須已知soc和soh。

krest＝soc·soh·k20

鉛酸蓄電池的老化效果形成不可逆的損壞，其對(duì)部件功能和soh有負(fù)面作用?；钚晕镔|(zhì)的損失例如造成蓄電池的實(shí)際電容量更小和因而造成可以存儲(chǔ)在蓄電池中的能量更少。實(shí)際電容量的損失由蓄電池的循環(huán)負(fù)載以及由腐蝕引起。尤其通過(guò)蓄電池尤其在高溫情況下較長(zhǎng)時(shí)間處于較低充電狀態(tài)加速腐蝕。通過(guò)循環(huán)或者腐蝕老化的后果例如是正電極的導(dǎo)電格柵的連接片斷裂和表面硫酸鹽化、活性物質(zhì)脫落。低成本的、快速的和可靠的確定蓄電池當(dāng)前剩余電容量對(duì)于在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域中的使用有重要意義、尤其當(dāng)蓄電池必須僅在緊急情況中為設(shè)施或者車輛的安全系統(tǒng)供電時(shí)。若蓄電池不承擔(dān)其他功能，則其當(dāng)前的容量的檢查由于承受負(fù)載情況的缺失的、不可評(píng)價(jià)的歷史而至今還是非常不可靠的或者耗時(shí)費(fèi)錢的。

由專利文獻(xiàn)de10220172a1已知一種用于監(jiān)視電化學(xué)裝置的運(yùn)行狀態(tài)的方法，其中，借助在電化學(xué)裝置的接頭上的測(cè)量裝置測(cè)量阻抗，其中，在分析裝置中根據(jù)測(cè)量的阻抗的虛部的大小監(jiān)視電化學(xué)裝置的運(yùn)行狀態(tài)。在此優(yōu)選地，在至少兩個(gè)頻率的情況下測(cè)量阻抗。通過(guò)在至少兩個(gè)頻率的情況下測(cè)量阻抗可以記錄電化學(xué)裝置的矢量軌跡圖(ortskurve)，該圖示出表征各運(yùn)行狀態(tài)的曲線。通過(guò)評(píng)價(jià)在不同頻率情況下的矢量軌跡圖的阻抗就可以推定電化學(xué)裝置的運(yùn)行狀態(tài)。在此優(yōu)選地，在下述位置分析或者評(píng)價(jià)矢量軌跡圖，即在該位置上矢量軌跡圖以表征各運(yùn)行狀態(tài)的方式變化。

由專利文獻(xiàn)de102009000337a1已知一種用于確定蓄電池單元的老化狀態(tài)的方法，該方法包括步驟：

a)準(zhǔn)備蓄電池單元，

b)記錄阻抗譜，

c)根據(jù)測(cè)量的阻抗譜確定評(píng)估值，

d)根據(jù)評(píng)估值與參考值的比較確定蓄電池單元的老化狀態(tài)，將用于蓄電池單元的的結(jié)果轉(zhuǎn)移到整個(gè)蓄電池上，其中，各個(gè)電池的老化狀態(tài)的區(qū)別不被考慮。

在此，評(píng)估值a通過(guò)記錄至少兩個(gè)阻抗或者阻抗譜確定。在此優(yōu)選地，評(píng)估值是在確定的低頻情況下的測(cè)量的阻抗(單位：歐姆)，參考量是具有單位為歐姆的實(shí)數(shù)。在此，作為低頻的可以是所有≤10hz、優(yōu)選≤1hz的頻率。尤其優(yōu)選的是從0.1hz至0.3hz的范圍的頻率。在此，在該文獻(xiàn)中說(shuō)明了對(duì)所有常用的蓄電池技術(shù)的原理性的應(yīng)用。

然而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中得出，用建議的方法步驟對(duì)鉛酸蓄電池確定soh不會(huì)得到滿意的結(jié)果。在此要注意，由專利文獻(xiàn)de102009000337a1所述的方法不提供soh作為結(jié)果，因?yàn)閟oh定義為

確切地講，得到的是取決于電荷狀態(tài)(soc)和溫度的剩余壽命(單位：天)。

由專利文獻(xiàn)de69229805t2已知一種用于確定蓄電池單元的剩余電容量的方法。在此測(cè)量電池的至少兩個(gè)阻抗，其中，用在從0.001至1.0hz的大致范圍中的不同頻率測(cè)量每個(gè)阻抗。在此，通過(guò)檢測(cè)阻抗的虛部作為阻抗的實(shí)部的函數(shù)確定的直線的大致的斜率。電池的剩余電容量通過(guò)確定的斜率與斜率的標(biāo)準(zhǔn)曲線的比較作為剩余電容量的函數(shù)確定，其中，標(biāo)準(zhǔn)曲線通過(guò)對(duì)至少兩個(gè)具有不同的剩余電容量值的已知電容量的電池的每個(gè)電池在不同頻率下測(cè)量至少兩個(gè)阻抗測(cè)得。在此，頻率處在0.001至1.0hz的范圍中。

由專利文獻(xiàn)us2003/0074335a1已知一種用于確定鎳金屬氫化物蓄電池的soh值的方法，其中，檢測(cè)至少一個(gè)阻抗值并且借助模糊系統(tǒng)為阻抗值分配soh值。

由專利文獻(xiàn)us2,984,762a已知一種用于確定蓄電池的soc值的方法，其中為此分析蓄電池的阻抗的相位角。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種簡(jiǎn)便的、可靠的和低成本的、用于確定鉛酸蓄電池的剩余電容量的方法，以及為此提供一種適合的裝置。

所述技術(shù)問(wèn)題按照本發(fā)明通過(guò)一種通過(guò)測(cè)量在頻率下的阻抗來(lái)確定鉛酸蓄電池的剩余電容量的方法解決，其中，剩余電容量是在當(dāng)前的電荷狀態(tài)和老化狀態(tài)中在參考溫度下的電容量，所述方法包括以下步驟：

a)在最后一次充電/放電過(guò)程之后以已知的溫度和已知的時(shí)間點(diǎn)，制備具有已知額定電容量的鉛酸蓄電池，

b)在一個(gè)準(zhǔn)確的頻率f下測(cè)得阻抗值，

c)根據(jù)一個(gè)測(cè)得的準(zhǔn)確的阻抗確定兩個(gè)評(píng)估值，其中，確定虛部和相位角作為評(píng)估值，

d)根據(jù)虛部與至少一個(gè)參考值的比較，確定鉛酸蓄電池的soh值，

e)根據(jù)相位角與至少一個(gè)參考值的比較，確定鉛酸蓄電池的soc值，

f)在考慮鉛酸蓄電池的額定電容量的情況下，由確定的soh值和確定的soc值確定剩余電容量。

所述技術(shù)問(wèn)題按照本發(fā)明還通過(guò)一種用于確定鉛酸蓄電池的剩余電容量的裝置解決，其中，剩余電容量是在當(dāng)前的電荷狀態(tài)和老化狀態(tài)中在參考溫度下的電容量，所述裝置包括交流電壓源或者交流電流源、用于與相位相符地測(cè)取電壓和電流的器件以及分析單元，其中，所述分析單元設(shè)計(jì)為由電壓和電流測(cè)得阻抗并且由此確定虛部和相位角作為評(píng)估值，而且通過(guò)將評(píng)估值分別與至少一個(gè)參考值相比較確定soh值、soc值和鉛酸蓄電池的剩余電容量。

用于確定剩余電容量的方法包括方法步驟：在最后一次充電/放電過(guò)程之后以已知的溫度和已知的時(shí)間點(diǎn)，制備具有已知額定電容量的鉛酸蓄電池，以及在一個(gè)準(zhǔn)確的頻率f下測(cè)得阻抗值。由測(cè)得的阻抗確定阻抗的虛部作為評(píng)估值，其中，根據(jù)評(píng)估值與至少一個(gè)參考值的比較確定蓄電池的soh值。在此利用實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，尤其鉛酸蓄電池的阻抗的實(shí)部與soh值關(guān)聯(lián)地非線性地變化并且因此在測(cè)量技術(shù)上難于分析。這導(dǎo)致即使在分析總阻抗時(shí)由于不易區(qū)分的實(shí)部而減弱了區(qū)別。按照本發(fā)明，在極為確切的虛部上進(jìn)行區(qū)分，這導(dǎo)致在soh值的確定時(shí)明顯的改進(jìn)。優(yōu)選地，進(jìn)行與多個(gè)參考值的比較，以便盡可能精確地確定soh值。在此，參考值依據(jù)實(shí)驗(yàn)確定和存儲(chǔ)并且被總結(jié)用于定義soh范圍。因此，當(dāng)不同于上文考慮僅一個(gè)值、例如soc＝100％時(shí)，術(shù)語(yǔ)soh值或者soc值也包含一個(gè)范圍、例如soc＝60-70％。例如若虛部z″位于兩個(gè)參考值之間，則為其分配soh范圍。在此要注意，在與用于確定試件的soh范圍的虛部相應(yīng)的條件下記錄參考值。因此，阻抗和其虛部例如取決于溫度、蓄電池最后一次充電/放電之后的時(shí)間和頻率。在此，頻率可以簡(jiǎn)單地保持不變。按照本發(fā)明的確定soh的方法被證實(shí)在優(yōu)選的f＜10hz的頻率范圍中與soc無(wú)關(guān)，從而主要考慮的是溫度和最后一次充電/放電之后的時(shí)間。這也可以通過(guò)修正項(xiàng)進(jìn)行。優(yōu)選地，在與參考件相同的溫度下測(cè)量試件。此外，試件和參考件的測(cè)量?jī)?yōu)選地在蓄電池的休眠狀態(tài)中進(jìn)行，就是說(shuō)最后一次充電/放電之后的至少0.5小時(shí)、優(yōu)選0.5至12小時(shí)。鉛酸蓄電池的休眠狀態(tài)定義為，在充電/放電過(guò)程之后至少0.5小時(shí)不出現(xiàn)由于在電極中和在自由的電解液中酸濃度差引起的顯著的擴(kuò)散過(guò)程。

為了確定蓄電池的soc，在相同頻率下確定測(cè)量的阻抗的相位角作為另外的評(píng)估值并且與至少一個(gè)參考值比較并且分配soc值。在此也適用的是，優(yōu)選地存在多個(gè)參考值，為參考值分別分配soc范圍。

借助由此確定的soh值和soc值就可以在考慮已知的額定電容量時(shí)確定剩余電容量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，不必提供頻率可變的電流源或者電壓源并且也不必確定斜率或者矢量軌跡圖。這既簡(jiǎn)化了構(gòu)造也簡(jiǎn)化了計(jì)算耗費(fèi)。因此，該方法或者裝置甚至可以在機(jī)動(dòng)車中車載使用，以便確定蓄電池的剩余電容量。

在實(shí)施例中作為前置步驟的是將阻抗的虛部在確定的頻率f下與閾值比較。若負(fù)的虛部低于閾值，則soc約為100％。在優(yōu)選的頻率f＝10mhz時(shí)，對(duì)于鉛酸蓄電池閾值約為“-0.14mω”。若確定的頻率選擇為小于f＝10mhz時(shí)，則確定更小的閾值。相反地若不低于閾值，則接著通過(guò)分析相位角確定soc。

在實(shí)施方式中頻率f小于10hz，因?yàn)楦哂谠擃l率在虛部中的區(qū)別也是很小的。

在此表明，在虛部中的區(qū)別隨頻率降低而更清楚。然而測(cè)量時(shí)間就相應(yīng)地增加。因此在實(shí)施方式中頻率選為小于50mhz并且大于0.1mhz、尤其優(yōu)選10mhz。

為此，所述裝置包括交流電壓源或者交流電流源，借此可以在鉛酸蓄電池上施加電壓或者電流，其中，優(yōu)選施加電流。在此，交流電壓或者交流電流優(yōu)選地是正弦式的。該裝置還包括用于與相位相符地測(cè)取電壓和電流的器件以及分析單元，其中，所述分析單元設(shè)計(jì)為由電壓和電流測(cè)得阻抗并且由此確定虛部和相位角作為評(píng)估值。此外，分析單元還設(shè)計(jì)為，通過(guò)將評(píng)估值分別與至少一個(gè)參考值相比較確定soh值和soc值。然后分析單元借助soh值和soc值以及額定電容量確定蓄電池的剩余電容量。

附圖說(shuō)明

下面根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。在附圖中：

圖1示出用于確定鉛酸蓄電池的阻抗的示意方框圖，

圖2示出鉛酸蓄電池的使用電路圖，

圖3示出鉛酸蓄電池的阻抗的示例性曲線圖(奈奎斯特圖)，

圖4示出對(duì)于不同的soh值或者實(shí)際電容量的實(shí)部相對(duì)頻率的曲線圖，

圖5示出對(duì)于不同的soh值或者實(shí)際電容量的虛部相對(duì)頻率的曲線圖，

圖6示出對(duì)于不同的soc值的相位角相對(duì)頻率的曲線圖。

具體實(shí)施方式

在圖1中簡(jiǎn)化地示出用于確定鉛酸蓄電池2的阻抗的具有交流電壓源3的裝置的方框圖，交流電壓源產(chǎn)生具有頻率f的交流電壓。在此，交流電壓源3串聯(lián)有安培表a，與鉛酸蓄電池2并聯(lián)有伏特表，安培表和伏特表檢測(cè)與相位相符的電流和電壓，以便由此在分析單元4中確定阻抗。備選地，電源也可以構(gòu)造為交流電流源。分析單元4就可以如下所述地確定soh和soc和因而確定鉛酸蓄電池2的剩余電容量。

在圖2中示出鉛酸蓄電池2的常用的示意圖，下文對(duì)其元件簡(jiǎn)短闡述。鉛酸蓄電池的內(nèi)阻ri由下面的部件組成：電極、極橋、(當(dāng)多個(gè)蓄電池串聯(lián)或者并聯(lián)時(shí))電池連接件、電極格柵、活性材料和電解液，其中，這構(gòu)成了最大的部分。由于腐蝕作用、活性材料的損失、微結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化以及電解液濃度和溫度的變化導(dǎo)致內(nèi)阻的增大。

對(duì)于蓄電池，電感作用出現(xiàn)在連接線和連接線的布線、電極連接件和接地結(jié)構(gòu)上，這通過(guò)電感l(wèi)表示。

在鉛酸蓄電池中，在電解液中開始儲(chǔ)存能量。在接入過(guò)壓時(shí)，通過(guò)電流使得載流子的濃度分布由于在雙電層中的電勢(shì)偏移而改變。為了達(dá)到新的、穩(wěn)定的狀態(tài)需要一定的時(shí)間。這種物理現(xiàn)象的建模通過(guò)電容c實(shí)現(xiàn)、在此對(duì)于“雙電層(doublelayer)”稱為cdl。在此對(duì)在雙電層中的狀態(tài),同樣必須將出現(xiàn)的載流子從固體電極向液體電解液的穿越和之后在雙電層內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移作為對(duì)載流子反作用的電阻建模。這可以通過(guò)雙電層電容cdl的并聯(lián)電阻rct實(shí)現(xiàn)。下標(biāo)“ct”表示“電荷轉(zhuǎn)移(chargetransfer)”。

具有并聯(lián)電阻rd的電容cd為擴(kuò)散過(guò)程建模。當(dāng)電極反應(yīng)由于缺少反應(yīng)物而被抑制時(shí)，擴(kuò)散過(guò)程就是重要的。這例如出現(xiàn)在每次蓄電池充電結(jié)束，當(dāng)在電極表面上僅有少量可轉(zhuǎn)化的pbso4時(shí)，使得通過(guò)鉛離子向雙電層中的較低的擴(kuò)散率確定充電電流并且在增加充電電壓時(shí)幾乎不升高。

在圖3中示出鉛酸蓄電池的阻抗z＝z'+jz″的示例性曲線，在此可以看到，負(fù)的z″值記錄在y軸上。在此記錄有按照?qǐng)D2的電路圖的各主要部分。在此，z'是阻抗的實(shí)部，z″是阻抗的虛部。若通過(guò)阻抗值繪出基準(zhǔn)線，則在基準(zhǔn)線與x軸之間的角是相位角

在圖4中示出在休眠狀態(tài)中不同程度老化的蓄電池的關(guān)于頻率的實(shí)部z'，其中，溫度和soc分別都是相同的(t＝20℃，soc＝40％)。在此看到，曲線在大于1000hz的范圍內(nèi)僅有微小的區(qū)別。從1000hz至約0.1hz，只有環(huán)化最大的蓄電池kist＝22.15ah能相對(duì)其他蓄電池區(qū)分。在頻率小于0.1hz的情況下曲線比較明顯地相互分開，其中，最大的區(qū)別在f＝10mhz時(shí)。然而在此可以看出，在10mhz時(shí)實(shí)際電容量隨實(shí)部的增加而非線性地減小。

在圖5中示出相同的蓄電池的測(cè)量結(jié)果，其中，在此示出關(guān)于頻率f的負(fù)的虛部z″。

在圖中可以看出，直至約10hz的頻率虛部都不能提供實(shí)際電容量的區(qū)別。從小于10hz的頻率起，曲線明顯有比圖4更大的區(qū)別。最大的區(qū)別同樣出現(xiàn)在10mhz時(shí)。在此可以看出，虛部減小的情況下實(shí)際電容量也減小。在此情況中處于近似線性的順序中。

這在此按照本發(fā)明被用于確定soh值，方法是虛部z″的值的范圍對(duì)應(yīng)soh值范圍。通過(guò)使用足夠大的范圍排除測(cè)量異常值的影響。在此，在評(píng)估值(虛部z″)和參考值之間在蓄電池的休眠狀態(tài)中在確定的頻率(例如10mhz)和相同的溫度情況下進(jìn)行比較。

優(yōu)選地，在分析單元中進(jìn)行分析，在分析單元中由電流和電壓值確定和比較虛部z″，其中，參考值儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中。然后可以顯示確定的soh值并且必要時(shí)在更換蓄電池時(shí)給出建議。此外，確定的soh值可以導(dǎo)入其他的控制裝置、例如蓄電池管理系統(tǒng)。

在圖6中示出關(guān)于頻率f(單位hz)的相位角其中，用對(duì)數(shù)記錄頻率f。在此記錄有用于不同的soc值的不同的相位角曲線。從實(shí)驗(yàn)確定的soc值可以推導(dǎo)出參考值，參考值同樣在圖6中示出。因此，例如的相位角范圍對(duì)應(yīng)100％的soc值，的相位角對(duì)應(yīng)從80％至100％的soc范圍，的相位角對(duì)應(yīng)從60％至80％的soc范圍，的相位角對(duì)應(yīng)從40％至60％的soc值，的相位角對(duì)應(yīng)40％的soc值。在此可以規(guī)定，僅分配導(dǎo)致用于剩余電容量的范圍信息的soc范圍。不過(guò)也可以為在范圍中的各相位角分配soc值。例如為相位角分配soc值80°，為相位角分配soc值70°，為相位角分配soc值60°，其中，線性地內(nèi)插中間值。在此注意的是，按經(jīng)驗(yàn)確定的參考值必須僅在確定的頻率f(例如10mhz)下確定。虛部z″可以事先與閾值s比較，其中，在低于閾值s時(shí)將soc確定為100％，并且在超過(guò)閾值時(shí)通過(guò)按照?qǐng)D6的相位角與參考值的比較進(jìn)行。