CN104272127A - 用于确定二次电池的总容量损失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定由老化过程导致的二次电池、例如蓄电池的总容量损失的方法。由部分容量损失相加来确定总容量损失，借助来自于不同函数的不同参数确定该部分容量损失。在恒定的边界条件下确定部分容量损失。如果边界条件改变，则部分容量损失直接(即在相同的容量损失的情况下)彼此连接。在此移动各个电荷通过量的区间。可以将一个二次电池的总容量损失扩展到多个二次电池的电池组的总容量损失。

Description

用于确定二次电池的总容量损失的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定反映了二次电池的老化过程的二次电池总容量损失的方法。

背景技术

随着在电流产生架构中可再生能源的比例增加，导致了在电网中的产生的电流的量的波动。在电流产生期间必须均衡该波动，以便确保电网中的系统稳定性。

电网中的电流的波动不能被规划并且部分极其强烈。因此需要能量存储器，其能够减小电网中的过电流或者在电流不足时向电网馈入电流。

公知的用于存储或输出电流的可能性是二次电池，特别是可再充电的电池或蓄电池。其提供如下可能性：将电能作为化学能量存储并且在需要时再次将其输出。二次电池还提供如下优点，即，通过应用所谓的电池组(Paket)可以根据需要来调节容量。电池组在此表示至少两个二次电池的联合。

然而二次电池具有老化过程，其导致容量损失。该老化过程涉及二次电池的充电和放电。容量损失尤其取决于温度、时间、电流负载、放电深度和二次电池运行或处于的充电状态。直接通过测量(这在运行时大多是不可能的)或者通过根据数学模型的仿真进行容量损失的确定。在该模型中建立电荷通过量(Ladungsdurchsatz)和容量损失的简单关系。该关系可以以公式1描述。

$Q_{\mathrm{loss}}=B\·\exp \left(\frac{-E_a}{\mathrm{RT}}\right)\·{(I*t)}^z$     公式1

在公式1中R表示通用气体常数，T表示温度，I表示电流并且t表示时间。这些参数是固定的。B表示前因子(Vorfaktor)，E_a表示激活能量并且z表示指数。这些参数是可调整的。其必须与每个特定二次电池的边界条件相匹配，通过例如温度、时间、电流负载、放电深度或当前充电状态的依赖关系来确定。

如果在二次电池运行期间边界条件改变，则确定部分容量损失。然后将部分容量损失相加，以便确定总容量损失。按照这种方式建立部分容量损失的关系，使得在部分容量损失结束时的电荷通过量相应于下一部分容量损失开始时的电荷通过量。

该过程通过图1示出。在那里相对于电荷通过量描绘容量损失。此外，可以看到两个函数，其描述了两个不同的边界条件A和B。对于两个边界条件，容量损失随着通过量的增加而上升。如果边界条件改变，则如下地执行从第一函数至第二函数的变换。

在第一步骤中在边界条件A下二次电池从第一电荷通过量a被损伤至第二电荷通过量b。在第一终点值5处边界条件从A改变至B。在此对于在边界条件B下对于相同电荷通过量的继续运行，确定与对于边界条件B的函数的交点。该交点现在用作对于在边界条件B下的二次电池运行的第二起始值6。

在从第二电荷通过量b运行至第三电荷通过量c到达第二终点值7之后边界条件从B变为A。类似地在恒定的电荷通过量下进行第三起始值8的确定。在y轴上读出对于从a至b和从b至c的电荷通过量区域的第一部分容量损失9和第二部分容量损失10并且将其相加。

该方法的缺点是，老化过程和由此得出的总容量损失在没有充分包含二次电池的预损伤的情况下被确定。此外，特别是由于诸如充电状态的大的变化的事件而造成的损伤没有被考虑。由此得出过小的不足以反映实际情况的总容量损失。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于确定二次电池的总容量损失的方法，该方法接近实际地反映了在运行期间边界条件改变的情况下的预损伤。

上述技术问题通过具有按照权利要求1的特征的方法来解决。从属权利要求涉及本发明的有利扩展。

在按照本发明的方法中，在遍历从电荷通过量的第一起始值至第一终点值的第一区间和在第一区间之后从电荷通过量的第二起始值至第二终点值的第二区间的情况下确定二次电池的总容量损失。总容量损失由部分容量损失组合而成，该部分容量损失相加形成总容量损失。在此，借助描述了电荷通过量和容量损失之间的关系的第一函数对于第一区间确定第一部分容量损失。借助描述了电荷通过量和容量损失之间的关系的第二函数对于第二区间确定第二部分容量损失。在此，对于在第二函数中的应用这样移动第二区间，使得对于第二起始值的第二函数的结果值相应于对于第一终点值的第一函数的结果值。

由此具有优势地实现了，将二次电池的预损伤更好地包含在总容量损失的确定内。在区间的进一步移动的情况下类似地进行该过程，其中将第二区间看作第一区间并且将第三区间看作第二区间。于是，即使在低的电荷通过量的情况下，也接近实际地，即足够高地描述了总容量损失。此外，可以在y轴处读出总容量损失，因为部分容量损失直接彼此连接。

在本发明的优选的构造和扩展中，将二次电池的总容量损失扩展到至少由两个二次电池组成的电池组的总容量损失。由此可以确定二次电池的电池组的总容量损失。于是如下地简化该总容量损失的分析，使得其仅对于一个二次电池进行。该构造关于电流、时间、放电深度和充电状态是完全可能的。特别是关于温度必须以合适的方式形成平均值，或应用各个电池的加权平均值或最大值，因为其更好地反映了电池组的老化特性。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，直至C率(C-Rate)的阈值使用第一函数并且从超过C率的阈值起使用第二函数。优选地对于在使用多个区间的情况下C率的多个不同的阈值也使用多个不同的函数。C率是关于如下的度量：通过相对于其最大容量的哪个速度来对二次电池进行充电或放电。C率为1意味着，放电电流在一个小时内将二次电池放电。特别地对于C率<0.2，为了确定总容量损失，对于边界条件的检查选择大的时间区间。相反，特别地对于C率>3，对于总容量损失的确定必须对于边界条件(特别是温度、充电状态、电压位置)的检查选择小的时间区间，因为边界条件明显更快速且更频繁地变化。由此可以对于小的C率减小计算步骤的数量。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，直至与当前运行温度偏离的温度变化的阈值(特别是温度变化>2℃)使用第一函数并且从超过阈值起使用第二函数。优选地对于在使用多个区间的情况下温度的多个不同的阈值也使用多个不同的函数。低于温度变化的阈值可以取边界条件的保持不变的参数，从而使计算步骤的数量最小化。该也适用于绝对温度。从第一阈值起，特别是从30℃起，取决于温度地取第二老化函数。同样对于另外的函数可以取另外的温度界限值，优选朝着更高的温度(但低于允许的温度界限)。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，将相加之前的部分容量损失分别与匹配到部分容量损失的加权系数相乘。该加权系数描述了二次电池的损伤。使用该加权系数能够有利地实现，将没有被函数采集的参数包含在总容量损失内。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，加权系数包括第一参数，该第一参数描述了由于部分充电和/或部分放电的第一损伤。在此，部分电放或部分充电描述了循环深度。在运行中向二次电池特别是在充电方向上施加定义的电荷，直至电池随后被放电。其被测量技术地采集。由此可以确定对于循环深度的值。在此在另一种实施方式中，可以忽略直至低于预定的阈值而对电池施加的放电。由此在“相反方向”上的最小波动不被理解为在该方向上的部分循环。界限值在此尤其可以处于SOC的0.1％-1.0％。该第一参数优选地包含在总容量损失内。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，加权系数包括第二参数，该第二参数描述了在低充电状态的边界区域中由于充电状态的第二损伤。在本发明的另一种优选的构造和扩展中，加权系数包括第三参数，该第三参数描述了在最大充电状态的边界区域中由于充电状态的第三损伤。低的和最大的充电状态的边界区域强烈取决于所使用的二次电池的化学性质。特别地对于阴极是磷酸金属锂(金属优选是元素Fe、Co、Mn)的锂离子电池，存在低充电状态<20％并且最大充电状态>90％的边界区域。对于具有氧化物阴极的锂离子电池，出现强烈取决于电势在以上充电状态区域中突出的损伤。对于铅酸电池、NiCd和NiMH电池以及高温电池(ZEBRA电池、NaS电池)或金属空气电池也可以类似地定义充电状态的典型区域。此外，区域受到阳极化学性质的影响。损伤的强度对于不同的区域在充电状态中可以是不同的。第二和第三参数优选地包含在总容量损失内。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，加权系数包括第四参数，该第四参数描述了由于充电状态的强烈改变的第四损伤。强烈改变在此涉及充电状态多于5％的改变。该第四参数由此优选地包含在总容量损失内。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，加权系数包括第五参数，该第五参数描述了由于运行状态错误，特别是超过最大运行温度的第五损伤。这也可以在二次电池没有运行的情况下，特别是由于外部加热实现。优选地，在此尽可能接近实际地在总容量损失中反映了二次电池的损伤。

在本发明的另一种优选的构造和扩展中，借助对至少一个二次电池的测量来确定参数。然后参数优选地可以被归入表格。该表格被存储在存储装置中，由此可以在运行二次电池期间访问数据。由此可以减小测量的数量。

附图说明

下面参考附图结合实施例对本发明作进一步说明。

图2示出了两个函数，其描述了容量损失与电荷通过量的依赖关系。

具体实施方式

两个函数3、4反映了两个不同的边界条件A和B。在第一步骤中在边界条件A下将二次电池从第一电荷通过量a运行至第二电荷通过量b。在第一终点值5处边界条件从A改变至B。从边界条件A至B的改变在该示例中描述了与原始运行温度偏离了5℃的温度变化。

对于在边界条件B下对于与边界条件A的第一终点值5相同的容量损失的继续运行，确定与对于边界条件B的函数的交点。该交点现在用作对于在边界条件B下的二次电池运行的第二起始值6。现在在边界条件B下将二次电池从第二电荷通过量b运行至第三电荷通过量c。第二电荷通过量b随着第二起始值6移动至第四电荷通过量b2。第三电荷通过量c也移动至第五电荷通过量c2。在到达第二终点值7之后，边界条件又从B改变为A。类似地在恒定的容量损失1下进行第三起始值8的确定。优选地可以在y轴上直接读出对于从a至b和从b至c的电荷通过量区域的第一部分容量损失9和第二部分容量损失10。

对于从a至b的电荷通过量确定第一部分容量损失9。二次电池同时在充电状态>90％的边界区域中运行。因此以系数1.2来加权第一部分容量损失，从而总容量损失高于未加权的第一和第二部分容量损失9和10的相加。

Claims (12)

1.一种用于在遍历从电荷通过量(2)的第一起始值至第一终点值(5)的第一区间和在所述第一区间之后从电荷通过量(2)的第二起始值(6)至第二终点值(7)的第二区间的情况下确定二次电池的总容量损失的方法，其中，

-借助描述了电荷通过量(2)和容量损失(1)之间的关系的第一函数(4)对于具有第一终点值(5)的所述第一区间确定第一部分容量损失(9)，

-借助描述了电荷通过量(2)和容量损失(1)之间的关系的第二函数(3)对于所述第二区间确定第二部分容量损失(10)，

-借助部分容量损失(9，10)的相加确定总容量损失，其中

对于在所述第二函数(3)中的应用如下移动所述第二区间，使得第二函数对于第二起始值(6)的结果值相应于第一函数对于第一终点值(5)的结果值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将二次电池的总容量损失扩展到包括至少两个二次电池的电池组的总容量损失。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，直至C率的阈值使用所述第一函数(4)并且从超过C率的阈值起使用所述第二函数(3)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，直至与运行温度偏离的温度变化的阈值使用所述第一函数(4)并且从超过所述阈值起使用所述第二函数(3)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将相加之前的部分容量损失(9，10)分别与匹配到所述部分容量损失的加权系数相乘，该加权系数描述了二次电池的损伤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述加权系数包括第一参数，该第一参数描述了由于部分充电和/或部分放电的第一损伤。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述加权系数包括第二参数，该第二参数描述了在低充电状态，特别是小于20％的充电状态的边界区域中由于充电状态的第二损伤。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述加权系数包括第三参数，该第三参数描述了在最大充电状态，特别是大于90％的充电状态的边界区域中由于充电状态的第三损伤。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，所述加权系数包括第四参数，该第四参数描述了由于充电状态的强烈改变，特别是多于5％的改变的第四损伤。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，如下构造，使得所述加权系数包括第五参数，该第五参数描述了由于运行状态错误的第五损伤。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，如下构造，使得至少两个部分容量损失包括至少一个保持相同的参数。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，如下构造，使得借助对至少一个二次电池的测量来确定参数。