用于使电池的单池老化最小化的方法以及具有用于使电池的单池老化最小化的装置的电池

摘要

本发明涉及一种用于使电池（1）的单池老化最小化的方法以及一种具有用于使电池（1）的单池老化最小化的装置的电池(1)。在此情况下实施：探测电池参数，其描述电池(1)的当前状态，借助于给定的老化模型和电池参数检查，是否电池(1)的状态是一种老化状态，在该老化状态下电池(1)的单池老化在周期性的充电或放电情况下比在静止状态下较小，在该静止状态下不进行电池(1)的充电或放电，以及如果电池(1)处于这种老化状态下的话，则电池(1)周期性地部分地放电和部分地充电。按照本发明的方法或按照本发明的电池(1)的特征在于被减少的单池老化。这意味着这种电池(1)或对其应用该方法的电池(1)具有提高的寿命。由此尤其导致成本优势、生态优势和改善的用户方便性。

说明书

现有技术

本发明涉及一种用于使电池的单池老化最小化的方法以及一种具有用于使电池的单池老化最小化的装置的电池。

具有电驱动装置的机动车(EV，HEV，PHEV，等等)常常具有所谓的电化学单元电池（单池），例如锂离子单元电池或铁金属氢化物单元电池，作为用于电能充电的储存器。在其作为能量储存器的利用的状态范围中这些单池不是处于稳定的平衡状态下。也就是说，单池一方面以通常在μA或mA范围中的电流放电。另一方面也有单池的不可逆的分解反应。因此结构进行反应导致改变的化学成分，其限制了单池的利用范围。这些反应因此也称为单池老化。单池老化取决于许多因数，所谓的老化或加速因数。其中作为最重要的因数是单池的温度，但是也包括单池的充电状态(S0C-State0fCharge)。这两个因数决定性地确定日历（实际的）老化，也就是说，与电池或单池的使用无关的老化。与使用相关的老化因数(所谓的周期性的老化)例如是流过的充电和放电电流，充电/放电行程，也包括温度和其它的因数。单池老化例如可以针对可利用的电容C表达，即在时间点t0电容C(t0)=C0。在较晚的时间点受老化限定地C(t>t0)<C0。

老化可以按照模型(抽象地)作为与老化因数和状态相关的函数进行描述:

C(t)=f(AF1，AF2，...，Z1，Z2，...C0，t)，

其中，AF1，AF2，等等...是所谓的老化因数。Z1，Z2，等等描述状态，例如贮存，充电，放电，等等和t是时间。

类似的描述也可以针对单池的内电阻的老化或其它的相关特性给出，单池在该特性的基础上设计。

本发明的公开

按照本发明的用于使电池的单池老化减小到最低限度的方法包括探测描述电池的当前的状态的电池参数，依据给定的老化模型和电池参数，检查是否电池的状态是一种老化状态，在该老化状态下电池的单池老化在周期性的充电或放电时比在静止状态下较小，在该静止状态下不进行电池的充电或放电，和如果电池处于一种这样的老化状态下，则电池周期性地部分地放电和部分地充电。

按照本发明的具有使电池的单池老化减小到最低限度的装置的电池包括测量单元，其被设置用于探测描述电池的当前的状态的电池参数，检查单元，其被设置用于依据给定的老化模型和电池参数检查是否电池的状态是一种老化状态，在该老化状态下电池的单池老化在周期性的充电或放电时比在静止状态下较小，在该静止状态下不进行电池的充电或放电，和负载单元，其被设置用于，如果电池处于一种这样的老化状态下，则通过周期性的部分的放电和部分的充电对电池加负载。

按照本发明的方法或按照本发明的电池的特征在于减小的单池老化。这意味着这种电池或对其应用本方法的电池具有提高的寿命。因此产生尤其是成本优势、生态优势和改善的用户方便性。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

尤其地，电池的周期性的部分的放电和部分的充电通过谐振电路（振荡电路）实施。通过谐振电路可以同时实现电池的部分的放电和部分的充电的时间上的同步，由此不需要附加的时钟发生器。尤其地，一种利用一个线圈和一个电容作为振荡元件的谐振电路，与许多其它的适合这种应用的能量储存器不同，本身不经历单池老化。

有利的是，电池参数包括电池电流，电池电压，电池温度，充电状态和/或单池年龄（寿命）。这些参数可以通过简单的传感器装置探测，并且由此也实现成本有利的和可靠的实施。

此外有利的是，电池的周期性的部分的放电和部分的充电仅仅当电池被连接到充电设备上时才实施。在这种情况下电池的能量损失可以被补偿，该能量损失通过电池的部分的充电和部分的充电产生。电池因此在任何时间点都保持可随时使用。

同样有利的是，在放电时由电池放出的能量被中间储存起来用于电池的随后的充电。由此可以减少用于电池的部分的充电所需要的能量。电池可以在较长的时间上储存能量，如果没有充电设备被连接的话，并且能量消耗被减小，如果充电设备被连接的话。

尤其地，电池的周期性的部分的放电和部分的充电仅仅当电池的充电状态高于一个阈值时实施。电池的完全放电或在低于一个通过可能的另外的连接到电池上的部件所需要的能量含量下的电池的放电被避免。

有利的是，按照本发明的电池的负载单元包括谐振电路。通过谐振电路可以同时地实现电池的部分的放电和部分的充电的时间上的同步，由此不需要附加的时钟发生器。尤其地，一种利用一个线圈和一个电容作为振荡元件的谐振电路，与许多其它的适合这种应用的能量储存器不同，本身不经历单池老化。

此外有利的是，具有使电池的单池老化减小到最低限度的装置的电池是机动车电池，尤其是牵引电池。尤其是就此而言对电池提出高的功率要求，其中存在高的成本压力。两个要求通过按照本发明的电池控制。

尤其地，该电池是锂离子单元电池或铁金属氢化物单元电池。这些单元电池（单池）在其单池老化方面具有对于该方法特别有利的特征。

附图简述

以下参照附图详细描述本发明的实施例。附图中:

图1是在一个示例性的实施方式中按照本发明的方法的流程图，和

图2是在一个示例性的实施方式中按照本发明的电池的示意图。

本发明的实施方式

电池的单池老化，即总的老化由日历的老化和周期性的老化产生。日历的老化和周期性的老化在大多数电池中是可以重叠的。单池老化可以按照模型(抽象地)被描述为与老化因数和状态相关的函数(AF1，AF2_…，Z1，Z2_…，C0，t)。在此，AF1，AF2，等等_…是先前所述的老化因数。Z1，Z2，等等描述状态，例如贮存，充电，放电，等等和t是时间。在此，在电池中也具有电化学结构，其中描述电池的单池老化的函数的时间导数在一种运行状态下具有最小值。因此单池老化的速度在这种运行状态下是最小的。

在许多电池中表明，周期(=充电和放电行程)越小，则周期性的老化越小。如果同时通过循环作用，即通过电池的充电和放电，产生对日历老化的抑制，那么纯粹的贮存，如其通常发生的那样，相对于具有小的周期的循环作用是较不利的。通过激发小的周期，也称为微小周期，因此可以对于相应的电化学系统减小老化速度，或提高电池的寿命。

图1示出在一个示例性的实施方式中按照本发明的用于使电池的单池老化最小化的方法的流程图。方法优选周期性地实施。

在第一方法步骤S1中实施探测电池参数，其描述电池1的当前的状态。这种电池参数例如是电池电流，电池电压，电池温度，电池的充电状态和/或单池年龄。通常探测电池参数，其作为描述电池1的单池老化的老化模型的基础。电池参数可以通过合适的传感器装置探测。这种传感器装置在许多电池中已经存在并且可以相应地利用。

在第二方法步骤S2中实施，依据给定的老化模型和电池参数，检查是否电池的状态是一种老化状态，在该老化状态下电池1的单池老化在周期性的充电或放电时比在静止状态下较小，在该静止状态下没有实施电池的充电或放电。这种老化模型可以或者由理论上的考虑或者也借助于试验顺序来确定。因此例如多个结构相同的电池可以在不同的电池参数和状态的框架中运行，以便在限定的时间段之后测量电池的老化(例如通过确定电容或内电阻)和由此接近一个老化函数。

在此处描述的实施方式中老化模型通过老化函数描述，其依据探测的电池参数和至少一个电池状态描述在时间变化上电池的最大电容。电池状态在此处或者是第一状态，在该状态下电池周期性地充电或放电，或是第二状态，在该状态下电池不周期性地充电或放电。形成该老化函数的导数。该老化函数的导数可以被解读为老化速度，即电容随时间减小。基于当前的时间点，探测的电池参数和在假设第一状态下形成一个第一结果值。基于当前的时间点，探测的电池参数和在假设第二状态下形成第二结果值。第一结果值与第二结果值相比较。

如果第一结果值小于或等于第二结果值，那么电池处于一种老化状态下，在该状态下电池1的单池老化在周期性的充电或放电时大于或等于在静止状态下，在该静止状态下没有实施电池的充电或放电。在这种情况下该方法返回到第一方法步骤S1。

如果第一结果值大于第二结果值，那么电池处于一种老化状态下，在该老化状态下电池1的单池老化在周期性的充电或放电时小于在静止状态下，在静止状态下不实施电池的充电或放电。方法转到第三方法步骤S3。

在第三方法步骤S3中实施电池1的周期性的部分的放电和部分的充电。电池因此被带到第一状态，由此电池的单池老化相对于静止状态被减小。电池1的这种周期性的部分的放电和部分的充电可以通过谐振电路实施。其中谐振电路在通过电池输出能量下被激励，和电池1因此稍微地放电。在谐振电路的一种限定的振荡状态下能量又被输入电池。电池因此被再次充电。取代谐振电路也可以利用其它的能量储存器。因此例如可以在一个电池组中在两个电池之间实施充电交换。

在该方法的在此处描述的实施方式中，该方法在一个预先限定的时间之后返回到第一方法步骤S1。在第三方法步骤中实施的部分充电或部分放电的周期的数量基本上取决于这些周期的持续时间，如果部分的充电或部分的放电通过谐振电路实施，那么一个周期的持续时间通常可以通过设计在谐振电路中的电容或电感的尺寸来实施。

该方法此外可以包括一个开始的方法步骤，在该步骤中监控，是否电池1被连接到充电设备上。该方法仅仅当充电设备被连接上才继续实施。在电池1的周期性的部分的放电和部分的充电时在实际中产生损失。因此电池的充电状态可以通过电池1的周期性的部分的放电和部分的充电降低。为了防止这一点，因此有利的是，这些损失通过经由充电设备对电池的充电来补偿。为此例如可以经由充电设备向谐振电路输入能量。

备选地或附加地，该方法可以包括第四方法步骤，在该步骤中监控，是否电池的充电状态高于一个阈值，其中，电池的周期性的部分的放电和部分的充电仅仅当该条件满足时才实施。这种阈值例如可以为最大充电状态的90%(90%SOC)。由于在电池1的周期性的部分的放电和部分的充电时在实际中产生损失并且电池1的充电状态可以通过电池的周期性的部分的放电和部分的充电降低，因此防止，电池陷入一种状态中，在该状态下可能需要的电池充电不再可供使用。此外也防止电池1的深度放电。

图2示出在一个示例性的实施方式中的按照本发明的电池1的示意图。在这个实施方式中电池1包括一个单独的电池单池6，其具有正的和负的触头。但是在其它的实施方式中，电池1也可以具有多个并联或串联的电池单池。

用于使电池1的单池老化减小到最低限度的装置5连接到电池单池6的两个触头上。在此，电池1的单池老化尤其是电池单池6的单池老化。

装置5包括测量单元2，其被设置用于探测电池参数，其描述电池单池6的当前的状态。为此测量单元2包括电压传感器，电流传感器和温度传感器。测量单元2此外可以包括用于探测时间的计时器。通过位于测量单元2中的逻辑电路可以由通过电压传感器探测的电压和通过电流传感器探测的电流确定电池1的充电状态。测量单元2因此适合于实施在按照本发明的方法的示例性的实施方式中描述的第一方法步骤S1。探测的电池参数，即电压，电流，温度和时间，被传输到检查单元3上。

装置包括检查单元3，其被设置用于，依据给定的老化模型和电池参数检查，是否电池1的状态是一种老化状态，在该老化状态下电池1的单池老化在周期性的充电或放电时比在在静止状态下较小，在该静止状态下没有实施电池1的充电或放电。为此在按照本发明的方法的示例性的实施方式中描述的第二方法步骤S2通过一个由检查单元包括的计算单元实施。老化函数在此可以作为数学函数被储存在一个数字式储存器中。如果通过检查单元3确定，电池1的单池老化在周期性的充电或放电时比在静止状态下较小，那么由检查单元输出一个激活信号。检查单元3因此是一个单元，其测量该单池的状态和老化因数并且由此按照预先参数化的老化模型确定，是否在外部的条件下(给定的电池参数)电池的周期性的部分的放电和部分的充电或纯粹日历老化意味着整体上较低的单池老化。如果电池1的周期性的部分的放电和部分的充电意味着整体上较低的单池老化，那么负载单元4被连接到电池1上，其负责电池1的这种周期性的部分的放电和部分的充电。

装置此外包括负载单元4，其被设置用于，通过周期性的部分的放电和部分的充电使电池1加载，如果电池1处于一种老化状态下的话，在老化状态下电池1的周期性的部分的放电和部分的充电意味着整体上较低的单池老化。负载单元这样地与检查单元3连接，即检查单元可以通过激活信号激活。如果通过激活信号实施激活，那么由负载单元包括的电磁谐振电路与电池单池6的正触头和负触头这样地连接，即谐振电路通过由电池单池6放出的能量被置于振荡中。在向后振荡时谐振电路通过充电电路这样地与电池单池6的正触头和负触头连接，即电池单池6通过谐振电路被充电。

这种谐振电路在它的最简单的形式下由一个电容和一个电感，以及一个尽可能小地选择的欧姆电阻组成。谐振电路可以通过一个开关与电池单池6连接。电池单池6在谐振电路中放电。接下来，电池单池6通过谐振电路被再次充电。振荡被阻尼。因此为了避免电池放电，电池1的周期性的部分的放电和部分的充电仅仅在连接到电气充电设备上时实施。在这种情况下例如可以通过测量单元2检测充电电流并且在不存在或者过小的充电电流情况下阻止激活负载单元4。如果电池1的充电状态低于一个剩余充电阈值(例如S0C的90%)，同样可以阻止激活负载单元4。通过相应地选择电容和电感可以确定周期幅值和周期频率，其与电池单池6的特定的老化特性相匹配。在此周期幅值通过能量数量描述，该能量数量由电池单池6在周期性的部分的放电和部分的充电时放出或吸收。周期频率描述周期性的部分的放电和部分的充电的周期性的运行的持续时间。

除了上述文字公开内容以外，还明确地参见图1至2的公开内容。