专利名称：电化学蓄电池的标定方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学蓄电池的标定方法，以及该蓄电池内可用能量的估算方法。本发明还涉及包括电化学蓄电池的任何装置或系统，所述电化学蓄电池的管理 (gestion)基于上述的标定方法。
背景技术：
为了控制包括至少一电化学蓄电池的任何仪器或系统的运行，了解并控制该蓄电池的性能是重要的，特别是为了管理它的充电和放电阶段，并最终优化仪器或系统的运行。 实际上，在任何时刻了解蓄电池的状态并能预测它的能量储存是否足以提供所需的能量是有利的。因此，这就要求以动态方式了解可用能量。现有技术的传统方法在于，一方面研究蓄电池可提供的电流，另一方面以切断输出电压的方式估算它的输出电压，以便通过电流与电压的乘积推导出它的功率。在该传统方法中，使用Peukert定律，该定律可以确定蓄电池用安培-小时表示的电容Ctd_mes，它相当于可以在td_mes的时间里可提供的电量(quantitScharge)，直到其完全放电，根据下式，它取决于施加的恒定放电电流Id_imp、测量的放电持续时间td__，并取决于常数K和Peukert系数η Ctdjles 一 td—mesX Id—imp 一 K/ (Id imp)然后，通过估算蓄电池的充电状态完成该传统方法，英文叫做“state of charge，，，并且通常更简单地叫做S0C。该参数SOC表示蓄电池在0-100 %的标度上的可用容量。在蓄电池的整个寿命中对施加的不同放电状态建立和了解SOC的值。为此，在Peukert 定律的基础上建立迭代算法，用于考虑不同因素，如蓄电池的老化和温度。该方法实际上非常困难，并且不准确，因为许多因素影响S0C。另外，Peukert系数η也需要有很大的精度， 约10_3，以便得到令人满意的结果，这要求复杂并非常准确的实验。同时需要预测蓄电池的端子处的电压随时间的变化。通过借助模型的计算实现该估算。最后，放电电流与电压的乘积可以得到蓄电池的放电功率，它随时间的积分可以推导出可用能量。图1表示该常规方法，其中一方面通过第一方法Al研究蓄电池1，包括研究它的输出电流，确定Peukert定律和充电状态S0C，然后通过第二方法Al研究蓄电池，该第二方法可以确定它的电特征，以模型化它的电压。最后，可以在最后一方块2中计算对于不同放电功率它的可用能量。如前面已经解释的，现有技术的方法实施起来太复杂，因此不能令人满意。它导致控制不好包括一个或几个电化学蓄电池的系统。
发明内容
因此，本发明的总目标是提出另一种确定电化学蓄电池的可用能量的方法。
为此，本发明基于一种电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，该标定方法包括模型化(moc^lisation)电化学蓄电池中的可用能量Ed的阶段，该能量代表蓄电池基于给定的放电功率和给定的初始能量状态完全放电时得到的能量。标定方法还包括测量至少一可用能量值&的第一阶段，该阶段包括确定至少一放电功率值Pd的第一步骤，和确定至少一初始能量状态值SEOtl的第二步骤，对该初始能量状态值进行可用能量的标定测量。标定方法还可包括测量电化学蓄电池中的可用能量值的步骤，该步骤包括以下子步骤的实施-对蓄电池充满电；-以等于蓄电池的预先确定的额定功率的恒定功率放电，直到由值(I-SOEqWn 限定的放电能量，其中&相当于蓄电池的额定能量；-以等于蓄电池的选择的放电功率Pd的恒定功率完全放电蓄电池；-或者直接测量，或者基于放电时间测量在上一步骤时全部释放的能量&。测量至少一可用能量值&的第一阶段可以包括确定放电功率值Pdi的数量np大于 1的第一步骤，和确定初始能量状态值SOEtlj的数量ns。e大于1的第二步骤，并且可以包括选择ηΡ*η_对(Pdi ；SOEoj)的全部或部分，对它们进行可用能量^ij的标定测量。放电功率值Pdi的数量ηρ可以在5-15之间，初始能量状态值SCEtlj可以在4_12之间。不同放电功率值Pdi可以包括在电化学蓄电池的使用功率范围内，包括预先确定的额定功率IV这些不同功率值可以均勻分布，或者以较大数量向高值和/或低值不均勻分布。电化学蓄电池的标定方法可以包括测量电化学蓄电池中的可用能量值的步骤，该步骤包括对nS(re个选择的初始能量状态值SOEw的每一个相继重复的以下子步骤的实施-对蓄电池充满电；-以等于蓄电池的预先确定的额定功率的恒定功率放电蓄电池，直到由值 (1-SOEoj).En限定的放电能量，其中&相当于蓄电池的额定能量；-以等于蓄电池的选择的放电功率Pdi的恒定功率完全放电蓄电池；-或者直接测量，或者基于放电时间测量在上一步骤时的全部释放的能量^ij；并且上述子步骤进行迭代，直至得到对预先确定的所有np个放电功率值Pdi的测量，然后对新的初始能量状态值SOEcw进行迭代。标定方法可以包括在两个最初的子步骤之间然后在最后的子步骤之后至少十分钟的驰豫阶段。标定方法可以包括第四步骤，其确定与在模型化可用能量的阶段(P》通过外推/ 内插从测量值推导出的与蓄电池的放电功率和初始能量状态对(Pd5SOEtl)的补充值有关的补充的可用能量值。标定方法可以包括根据以下公式通过指数型或幂型回归对蓄电池的初始能量状态SOEtl计算在给定放电功率Pd的可用能量& Ed S0EoJ = aj+bj. exp (-Tj Pd)其中a^b^Tj是指数型回归参数，或者根据以下公式
Ed S0EoJ = Κ/Ρ，·—1)其中Kj和η」(rij > 1)是幂型回归参数。该方法可以包括基于根据初始能量状态的上述回归的指数型或幂型参数，通过线性或分块线性回归计算在初始能量状态SOEtl的可用能量&。标定方法可以通过以下公式建立根据放电功率Pd和初始能量状态SOEtl对蓄电池的可用能量&的计算Ed = Bj (SOE0) +bj (SOE0). exp [-Tj (SOE0) Pd]其中a” b^ Tj是取决于初始能量状态SOEtl的线性或分段线性函数。本发明还涉及一种电化学蓄电池的可用能量的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括如上定义的标定方法的应用。本发明还涉及一种包括至少一电化学蓄电池的装置，其特征在于，所述装置包括通过实施如上所述方法估算可用能量的部件。
在参照附图对一非限定性实施方式的以下描述中，本发明的这些目标、特征和优点将详细示出，附图中图1示意表示根据现有技术的评价电化学蓄电池中的可用能量的方法。图2示意表示根据本发明的评价电化学蓄电池中的可用能量的方法。图3表示根据本发明的实施方式的测量标定值的方法。图4表示根据本发明的实施方式的利用测量值外推的方法。图5示出根据本发明的实施方式的用于几个初始状态值的标定值，这些标定值表示根据放电功率的可用能量。
具体实施例方式本发明基于直接评价电化学蓄电池中可用能量的量的概念，而不切断电流和电压。为此，本发明涉及一种电化学蓄电池1的标定方法，该标定方法可以根据测量能量的第一阶段Pl和模型化可用能量的第二阶段P2结合的方法，对预先确定的恒定放电功率和给定的充电状态确定可用能量，这样不用直接测量就可以推导出用于标定的估算，如这在图2中示意性示出。在详细描述本发明的实施方式的重要步骤前，预先应引入一些定义。首先，可以根据以下两个方法定义蓄电池的功率或额定能量-额定功率位于蓄电池的制造商建议的使用功率范围内，或者由该制造商直接提供，或者例如从由该制造商提供的电流范围通过乘以提供的额定电压推导出；-额定功率应该可以根据测试技术进行尽可能重复的放电。例如，可以通过公式= CN. Un/n从额定电容Cn和额定电压Un推导出额定功率PN，N为放电时间(以小时数计)。该额定功率可以确定当蓄电池在额定时间tN内以额定恒定功率从满负荷放电到完全放电状态时由蓄电池输送的能量限定的额定能量& 这些数据表征额定放电状态
6的特征。根据蓄电池的技术确定充电状态和放电状态。可以从蓄电池的制造者的建议并一般从阈值电压得到这些状态。最后，称为“Mate Of Energy”S0E的能量状态定义为在蓄电池的额定条件下能量释放的假设中可用能量Ed/PN与额定能量的比值，因此通过公式SOE = Ed/pN/EN定义。该SOE 值在0到1之间，等于1的值相当于完全充电的蓄电池的能量状态，等于0的值为完全放电的状态。本发明的功率标定方法包括表征电化学蓄电池1的功率特征的第一步骤E1。该步骤包括在蓄电池的运行功率的范围内确定几个放电功率Pdi，因此包括额定功率IV如下面将要解释的，这些放电功率的数量np应代表根据这些不同的放电功率Pdi在蓄电池的放电阶段足以得到测量值的要求与不使用蓄电池以便不干扰以后测量的要求之间的折中，其中 i在1到np之间变化。有利的是，选择的放电功率的数量np将在5-15之间，这些值包括在内。这些不同的功率Pdi根据在蓄电池的整个使用范围内均勻分布，或不均勻分布选择，以便细化向最高和/或最低功率的性能。本发明的方法包括确定在0到1之间有几个SOEtlj值的第二步骤E2，SOEoj值表示蓄电池的几个能量负荷状态。这些选定值的数量nS(re也表示良好的折中，以便得到足以很好标定蓄电池的值的数量，但不导致它的过早老化。包含在4-12之间的数量是有利的。然后，本发明的方法包括第三步骤E3的实施，对给定的放电功率值Pdi的每一个和给定的SOE值的每个值SOEtlj最后根据可能的组合的数量np*ns。e实施充电/放电循环。对这些值的每一对(Pdi，SOEoj)，在从初始状态SOEtlj开始以恒定功率Pdi放电的情况下，建立蓄电池中的可用能量^ij。根据本发明的实施方式，图3所示的该测量步骤E3包括对ns。e个SOEtlj值的每一个(即j从1变化到nS(J相继重复的以下步骤的实施E31 根据制造商建议的和/或最适于涉及的蓄电池的技术的程序对蓄电池充满电；E32 以等于蓄电池的额定功率的恒定功率放电，直到由(I-SOEtlj) XEn限定的可以把蓄电池带到初始状态SOEw的放电能量；E33 以等于蓄电池的Pdi的恒定功率完全放电；E34:或者直接、或者例如基于放电时间间接地测量在上一步骤时全部释放的能量。对np个选择的Pdi值中的每一个(即i从1变化到np)相继重复步骤E31-E34。在步骤E31和E32之间，然后在步骤E34之后施加最少10分钟的足够的驰豫阶段(p6riode)。 然后，对下一个SOEcw值进行完整迭代。例如，对锂离子电池的驰豫阶段为10分钟而对铅蓄电池大于1小时。然后，该方法包括最后的计算步骤E4，用于从前面的测量值推导出其它标定值，如用于得到可用能量&或沿着施加给蓄电池的功率剖面的能量状态。已经通过双迭代表示了上述算法，对ns。e个SOEtlj值的每一个进行np个Pdi值的每一次迭代。自然地，通过对np个Pdi值的每一个进行个SOEtlj值的每一次迭代，双迭代可以以类似的方法进行。根据另一变型，可以在任何有组织的或没有组织的顺序中得到所有这些nP*ns。e个可能组合。需要指出的是，这些np*ns。e对可以具有规则的或不规则的步长。根据另一实施变型，可以不考虑所有的np*ns。e对、而是考虑一选择的样本 (echantillon)来实施上述算法。例如，在蓄电池具有稳定性能的某些区域，可以只对二分之一或三分之一的步长进行测量，并且在电池的运行最疑难的(c^licate)区域进行更多测量，即对这些区域的所有对值进行测量。可以通过任何模型化并基于测量值通过外推或内插或任何数学处理得到寻求的值。作为有利的实施例，通过实施回归，从可用能量Ed、放电功率Pd和能量状态SCEtl之间的显式数学关系实施外推。图4表示该原理。为此，在锂-离子蓄电池的情况下，可用能量&与放电功率Pd的相关性与初始能量状态的可用能量&分离。因此，可以通过指数型或幂型回归对每个充电状态SOEtlj建立能量&与放电功率 Pd的第一相关性。例如，该回归可以写为以下指数型公式Ed S0EoJ = aj+bj. exp (-Tj Pd)其中a」、I^Tj是指数回归的参数。作为变型，回归可以写为以下幂型公式Ed S0EoJ = Κ/Ρ，·—1)其中Kj和IijOij > 1)是幂回归的参数。可以基于根据初始能量状态的上述回归的参数，通过线性回归或分段线性回归表示能量对初始状态SOEtl的第二相关性。因此，在能量&的第一相关性的范围内的前面考虑的指数回归的情况下，参数 、b” L可以用以下线性方式表示Bj = α a χ SOE0+ β abj = α b χ SOE0+ β bTj = α τ χ SOE0+ β τaa、β。ab、i3b、ατ、β τ 为线性回归参数。因此，对锂-离子蓄电池，可以根据放电功率和初始状态建立可用能量的解析关系的回归可以是Ed = Bj (SOE0) +bj (SOE0). exp [-Tj (SOE0) Pd]其中a” b^ Tj是取决于初始能量状态的线性或分段线性函数。图5表示利用根据横坐标表示的放电功率Pd的指数回归和根据SOEtl的线性回归对额定3. 7V和147. Iffh(PN = 150W)的蓄电池实施的一实例。点Edij表示对不同功率Pdi和基于不同能量状态SOEw来自实验的不同能量值。要指出的是，在图5所示的例子中，np = 6和ns。e = 5，图的纵坐标表示对于给定放电功率的可用能量&，并且标定方法可以得到五个曲线11-15，分别对应于能量状态值S0EQ1-S0EQ5。这些不同曲线基于上面解释的模型通过可用能量的不同测量点之间的外推得到。上述标定方法可以实施估算电化学蓄电池在一系统中使用时可用能量的方法，例如通过迭代算法。可以指示在以规定的功率使用电池时的能量状态。为此，包括该蓄电池的系统或装置可以使用一些软件和/或硬件，例如包括由上述标定方法确定的标定数据的存储器和实时计算，以准确了解系统或装置的能量平衡。该方法对例如在电动汽车上的电池的使用、或者对与电网连接的能量储存装置、或者对承受功率振荡的任何类型的储存系统是特别有利的。 本发明的概念适用于任何的电化学蓄电池，例如锂蓄电池、镍蓄电池或铅蓄电池， 或者适用在单个(6l6mentaire)蓄电池上(IOWh)，串联和/或并联蓄电池�？�(IOOWh)上或者在串联和/或并联的组装�？榈耐暾低成�(kWh甚至MWh量级)。
权利要求
1.电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括测量至少一可用能量值 (Ed)的第一阶段(Pl)，该第一阶段包括确定至少一放电功率值(Pd)的第一步骤(El)和确定至少一初始能量状态值(SOEtl)的第二步骤(E2)，对该初始能量状态值进行可用能量的标定测量；并且，所述标定方法包括模型化电化学蓄电池中的可用能量(Ed)的第二阶段 (P2)，该可用能量代表电化学蓄电池基于给定的放电功率和给定的初始能量状态完全放电时得到的能量。
2.如权利要求1所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括测量电化学蓄电池中的可用能量值的步骤(E3)，该步骤包括以下子步骤的实施(E31)对电化学蓄电池充满电；(E32)以等于电化学蓄电池的预先确定的额定功率(Pn)的恒定功率放电电化学蓄电池，直到由值(I-SOEtl). &限定的放电能量，其中&相当于电化学蓄电池的额定能量；(E33)以等于电化学蓄电池的选择的放电功率(Pd)的恒定功率完全放电电化学蓄电池；(E34)或者直接，或者基于放电时间测量在上一步骤时全部释放的能量(Ed)。
3.如权利要求1所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，测量至少一可用能量值(Ed)的第一阶段(Pl)包括确定放电功率值(Pdi)的数量( )大于1的步骤(El)和确定初始能量状态值(SOEtlj)的数量(nsJ大于1的的第二步骤(E》；并且，所述标定方法包括选择np*ns。e对(Pdi ；SOEoj)的全部或部分，对它们进行可用能量(Edij)的标定测量。
4.如权利要求3所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，放电功率值(Pdi)的数量( )在5-15之间；并且，初始能量状态值(SOEtlj)的数量(ns。e)在4_12之间。
5.如权利要求3或4所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，确定的不同放电功率值(Pdi)在电化学蓄电池的使用功率范围内，包括预先确定的额定功率(Pn)；并且，这些不同功率值均勻分布，或者以较大数量向高值和/或低值不均勻分布。
6.如上述权利要求中任一项所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括测量电化学蓄电池中的可用能量值的步骤(Ε； )，该步骤包括对nsoe个选择的初始能量状态值(SOEw)的每一个相继重复的以下子步骤的实施(E31)对电化学蓄电池充满电；(E32)以等于电化学蓄电池的预先确定的额定功率(Pn)的恒定功率放电电化学蓄电池，直到值(I-SOEw)^n限定的放电能量，其中&相当于电化学蓄电池的额定能量；(E33)以等于电化学蓄电池的选择的放电功率(Pdi)的恒定功率完全放电电化学蓄电池；(E34)或者直接，或者基于放电时间测量在上一步骤时全部释放的能量(Edij)；并且，上述子步骤(E31)-(E34)进行迭代，直至得到对预先确定的所有np个放电功率值(Pdi)的测量，然后对新的初始能量状态值(S0Ew+1)进行迭代。
7.如权利要求6所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括在两个最初的子步骤(E31，E32)之间、然后在最后的子步骤(E34)之后至少十分钟的驰豫阶段。
8.如权利要求6或7所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括第四步骤(E4)，该第四步骤确定在模型化可用能量的阶段(P》通过外推/内插从测量值推导出的与电化学蓄电池的放电功率和初始能量状态对(Pd5SOEtl)的补充值有关的补充的可用能量值。
9.如权利要求8所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括根据以下公式通过指数型或幂型回归对电化学蓄电池的初始能量状态(SOEtl)计算在给定放电功率(Pd)的可用能量(Ed)Ed soEoj = aj+bj. exp (-Tj Pd) 其中…、bp L是指数回归参数， 或者根据以下公式 F = K /P (njM)[dSOEoj lvj/ rd其中和1^.( > 1)是幂型回归参数。
10.如权利要求9所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括基于根据初始能量状态的上述回归的指数型或幂型参数，通过线性或分段线性回归计算在初始能量状态(SOEtl)的可用能量(Ed)。
11.如权利要求10所述的电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，所述标定方法通过以下公式建立根据放电功率(Pd)和初始能量状态(SOEtl)的电化学蓄电池的可用能量(Ed) 的计算Ed = Bj (SOE0) +bj (SOE0) · exp [-Tj (SOE0) Pd]其中…、bp L是取决于初始能量状态(SOEtl)的线性或分段线性函数。
12.电化学蓄电池的可用能量的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括根据权利要求1-11中任一项所述的标定方法的应用。
13.包括至少一电化学蓄电池的装置，其特征在于，所述装置包括通过实施根据权利要求12的估算方法估算可用能量的部件。
全文摘要
电化学蓄电池的标定方法，其特征在于，该标定方法包括模型化电化学蓄电池中的可用能量(Ed)的阶段(P2)，该可用能量代表蓄电池基于给定的放电功率和给定的初始能量状态完全放电时得到的能量。
文档编号G01R31/36GK102472800SQ201080035939
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月1日
发明者A·德莱尔, K·马玛多 申请人:原子能及能源替代委员会
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