电池测量系统的制作方法

本发明涉及一种电池单体测量单元、一种测量单元配置、一种电池测量系统、一种电池测量系统的应用、一种电动运输工具、一种固定存储设备(例如用于电网频率调节的设备或微电网存储设备)，以及一种提供电池的电池串中的电池单体单元的测量数据集以测定所述电池单体单元状态的方法。

背景技术：

1、通常通过监测电池单体电压、电池单体电流和电池单体温度来测定电池(例如运输工具的电池或固定存储器中的电池)的状态。这个方法通常不准确，因为这个方法未考虑到电池的复杂特性。此外，也未考虑到与老化相关的变化。为实现高度准确的状态检测，可以将电池拆下并且送往测量台。随后，可以在该处测定整个电池的阻抗谱并且与参考值进行对比。这个过程繁琐且昂贵，因而很少实施。在这种情况下，例如，具有以下后果：当前状态并不总是可用的，且对预期的使用寿命了解不足。这可能导致出现危险情况，因此，必须定期更换电池并且提前储备备用电池。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于电池的状态检测的经改进的系统。

2、本发明用以达成上述目的的解决方案为独立权利要求的内容。有利的实施方式参阅从属权利要求、下文的说明书和附图。

3、所描述的实施方式类似地涉及电池单体测量单元、测量单元配置、电池测量系统、所述电池测量系统的应用、电动运输工具、固定存储器和提供电池的电池串中的电池单体单元的测量数据集以测定所述电池单体单元状态的方法。尽管可能未对实施方式进行详细描述，仍可以由这些实施方式的不同组合产生协同效应。

4、还需要注意的是，本发明涉及方法的所有实施方式均可以以所描述的步骤顺序实施，但该顺序不一定是所述方法的步骤的唯一且必不可少的顺序。除非下文中另有说明，本发明所提出的方法可以以所公开步骤的其他顺序实施，且不偏离相应的方法实施方式。

5、根据第一方面，提供一种电池单体测量单元。所述测量单元适于检测电池的电池串中的电池单体单元的测量变量。所述测量单元还适于在电池工作期间检测用于测定电池单体单元的状态的测量变量，并且将测定的测量变量作为测量数据集提供给电池控制单元。

6、由此提供一种例如检测物理或化学测量变量的测量单元，其适于对电池的状态或电池的环境条件进行描述。所述测量单元的一个重要特性是，其适于在电池以预定方式工作期间检测测量变量。例如，这可以指运输工具行驶或飞行期间的情况。需要指出的是，测量单元不检测电池系统整体的状态，而是仅检测电池单体单元的状态。其中，也可以同时检测多个电池单体单元的状态。也就是说，重要之处在于，当前没有进行测量的电池单体单元继续运行，因此，通过这些电池单体单元，电池系统在测量期间仍在使用中或仍可以使用。而测量中的电池单体单元在测量期间暂时脱离工作状态，这样就能如将要在下文的实施方式中详细描述的那样例如在没有测量电流流入或干扰的情况下实施精确测量。

7、例如，状态为充电状态或“健康”状态，或者物理或化学特性，所述物理或化学特性会因为电池的使用或者时间的推移发生变化。电池单体单元为可以“从外部”通过电压测量的最小单元，也就是提供一个共用的正极和负极从而代表该单元的总电位的电池单体单元。其通常是指并联的电池单体，也可以指串联的电池单体。因此，电池单体单元可以具有一个储能元件或者多个并联或串联布置的储能元件。下文将对具有电池单体单元和电池串的电池的结构进行描述。

8、除测量变量之外，测量数据集还可以包含由所述测量单元基于测量变量计算出的其他值，例如阻抗值。测量数据集不一定包含所有测量值。

9、将测得的测量变量作为测量数据集提供给电池控制单元。例如，电池控制单元对测量进行控制，且可以对测量数据进行评价，下文将进行进一步阐述。

10、根据一种实施方式，所述测量单元还适于对以下测量变量进行检测：以不同的频率注入电池单体单元的交流电流，作为测定阻抗谱的激励；关于所注入的交流电流的电压和相位，作为测定阻抗谱的电压应答。其中，测量单元还适于提供具有时间戳的测量变量值和/或阻抗谱，并且将所述测量变量值和/或阻抗谱值作为测量数据集提供给电池控制单元。

11、可以通过测量单元来实施阻抗谱的测定，将测定或计算出的阻抗谱值发送至电池控制单元，或者测量单元将原始数据发送至电池控制单元，随后，电池控制单元由接收到的原始数据测定阻抗谱值。

12、阻抗谱显示了电池单元的阻抗与频率的函数关系。阻抗可以表示为幅值和相位，或者表示为实部和虚部。例如，频率范围在几毫赫与几千赫之间。例如，将整数周期的正弦(也为多正弦)电流激励注入每个电池单体单元，并且借助于四点测量来测量电压应答。通过傅里叶变换得到根据幅值和相位(或实部和虚部值)的阻抗复频谱。通过各电池单体单元的测量单元来检测用于阻抗谱分析的交流电流和电压应答。

13、根据一种实施方式，所述测量单元还适于附加地检测以下测量变量中的一个或多个：温度、电池单体单元中的压力、化学和物理参数。

14、这样就能通过可能影响例如电池的充电状态、“健康”状态和/或使用寿命等的各物理和化学状态推断出电池单体单元的整体状态。

15、测量单元还适于，例如根据短距离无线电标准以无线的方式或者经由以太网或can总线以有线的方式将测量数据集提供给电池控制单元。

16、根据另一方面，提供一种测量单元配置，包括多个本公开所描述的用于所述电池中的多个电池单体单元的测量单元。所述电池具有直流总线连接件，包含多个并行布置在这个直流总线连接件上的电池串，其中每个电池串具有一个或多个串联的电池单体单元。电池串的至少一部分分别具有一个或多个测量单元，这些测量单元分别对电池单体单元的测量变量进行检测。这一个或多个测量单元适于同时检测电池串的电池单体单元的测量变量，并且将检测到的测量变量组织起来以作为测量数据集提供给电池控制单元。

17、电池单体单元可以为单个的电池单体，或者可以被组织成串联和/或并联的电池单体，这些电池单体形成电池单体模块。

18、其中，测量单元的数目可以对应于电池单体单元的数目，例如，使得每个电池单体单元均对应于一个测量单元。但也可以是一个电池串的多个电池单体单元对应于一个测量单元。优选地，同时测量一个电池串的所有电池单体单元。其重要之处在于，例如，由此可以如下文中还将详细描述的那样以可切换方式对每个电池串进行测量，从而缩短测量时间。此处需要注意的是，在本公开中，电池单体单元可以包含多个电池单体，所述电池单体在此也被称为储能元件。亦即，测量单元注入电流，并且对具有多个(例如14个)电池单体或储能元件的电池单体单元的值进行测量。在本公开中未对储能元件进一步区分。

19、电池串在其一端终止于直流总线连接件，例如，所述直流总线连接件可以由母线或电缆连接件实现，在所述直流总线连接件上得到或提供来自所连接的所有电池串的电池电压或电流。

20、例如，测量数据可以作为可以包含多个测量变量以及时间参数的测量数据集被组织起来，测量单元将该测量数据集传输至电池控制单元。

21、根据另一方面，提供一种电池测量系统，包括本公开所描述的测量单元配置，所述测量单元配置包含多个布置在至少一个电池串中的测量单元、电池控制单元和用于每个测量单元的电流源，该电流源也可以用作汇流排(senke)。测量单元中的每个均对应于至少一个电池单体单元，且测量单元中的每个均适于将测量数据集发送至电池控制单元。电池控制单元适于接收至少一个电池串的测量单元的测量数据集。电流源适于将以预设频率施加的电流注入对应的测量单元的电池单体单元。

22、换言之，每个测量单元均对应于一个电流源，该电流源将电流注入与该测量单元对应的电池单体单元。其中，电流具有预设频率。其中，电流具有预设频率可以被理解为，其具有至少一个频率，或者为频率不同的电流的叠加或序列。不同频率可以同时或依次出现。电流源可以作为源或汇工作。由此，可以对电流进行例如正弦调制，即以正振幅和负振幅为激励。

23、电池控制单元还配设有可以执行诊断功能的逻辑。诊断功能基于机器学习方法的模型。电池控制单元经由无线端口，或替代地经由有线端口从下文还将详细描述的计算单元接收该模型或模型参数值。该逻辑可以包含硬件和/或软件元件。当然，电池控制单元根据其任务可以具有如处理器、逻辑组件、程序存储器和寄存器、时钟组件等硬件。诊断功能特别是涉及电池内部特征、电流统计等。诊断功能的示例有当前充电状态(state ofcharge，soc)、健康状态(state of health，soh)、电池芯的温度，或者电池系统的即将到来的最大功率输出/功率消耗的预设(推荐)值，以实现保护和使用寿命延长。其中，不一定所有提到的或提供的诊断功能都必须由模型提供。例如，电池单体温度还可以直接通过温度传感器来检测。

24、根据一种实施方式，每个电池串均具有用于将该电池串与其他电池串隔离的开关或可切换的转换器，其中仅向对应于这个电池串的测量单元提供测量变量和测量数据集。

25、这样就能将实施测量的电池串与直流总线连接件进而例如与负载、用电设备或能量源以及与其他电池串隔离或解耦。可以通过开关(如继电器)或半导体(如变换器中的晶体管)实施电隔离，或通过切换变换器的阻抗使得电池串仅高阻连接母线。

26、术语“转换器”等同于术语“变换器”。转换器的示例有dc/dc转换器或者dc/ac转换器或ac/dc转换器，其中“dc”表示直流，“ac”表示交流。

27、换言之，在一个时间点优选仅测量一个电池串的电池单体单元，或所选的电池串的电池单体单元。其他电池串与这个电池串高阻隔离或电隔离。由此，从源/汇注入的电流可以完全流入连接在电池串的测量单元上的电池单体，并且防止其他电池串的干扰。电池串例如可以以旋转的方式“激活”以进行测量，或者与直流总线连接件隔开。

28、基于变换器的高阻抗所产生的隔离，作为一替代实施方式，也可以对电池串进行并行测量，且电池串不会相互影响。此外，可以利用双向工作的变换器来与电池串的充电状态无关地将隔开的电池串随时与直流母线连接器重新耦合。

29、根据一种实施方式，所述电池控制单元适于，基于测量单元的测量数据集分别生成特征数据集，为该特征数据集印上时间戳，并将包含时间戳在内的特征数据集暂存。

30、除时间戳外，例如，特征数据集还包含频率节点处的阻抗值、电流值和电压值、与测得的电流和电压范围相关的统计信息、通过求上次测量与当前测量之间的时间间隔的电流积分计算出的soc、温度等。

31、为存储特征数据集，电池测量系统具有本地存储器。电池测量系统还包括用于测量电池单体单元的温度的传感器，或用于检测环境的环境参数，如温度、湿度、机械应力等的其他传感器。

32、根据另一实施方式，所述电池测量系统具有计算单元和通信端口，这些通信端口可以是本地或有线的，如以太网，或者无线的，如wifi、蓝牙、lte、5g、无线电、云端，其适于将暂存的特征数据集传输至计算单元，如服务器，其中计算单元适于接收暂存的特征数据集，并且基于当前特征数据集循环或动态地计算出机器学习系统的模型，其中该模型分别针对每个测量单元提供诊断功能，且计算单元还适于通过通信端口将该模型传输至电池控制单元。

33、计算单元，如云计算机、服务器或控制器，将包含时间戳的所有特征数据集存储在数据库中。由此产生数字的生活/健康文件，其可以用来对电池系统最重要的特征进行无缝监控。在这个阶段的数据状况下，已经可以通过简单地检查范围边界来识别出电池系统中在电池单体单元层面的异常。云计算机还可以基于最新的(如最近6个月的)特征数据集借助于机器学习方法来训练更新模型。

34、亦即，计算单元定期训练模型，并且将由此得到的模型重新发送回电池控制单元。随后，电池控制单元将当前的特征数据集输入模型。这样电池控制单元就能提供周期性更新的重要诊断功能。诊断功能的示例有当前充电状态(state of charge，soc)、健康状态(state of health，soh)、电池芯的温度，或者电池系统的即将到来的最大功率输出/功率消耗的预设(推荐)值，以实现保护和使用寿命延长。其中，不一定所有提到的或提供的诊断功能都必须由模型提供。

35、在电池控制单元具有足够的计算能力和特别是足以用来存储电池单元的历史记录的存储空间的情况下，电池控制单元可以承担计算单元的功能。在这种情况下，不需要通信端口和通信单元。

36、根据一种实施方式，所述电池测量系统适于将隔离的电池串短时间隔离以用于测量，而其他电池串按照电池的正常工作方式继续工作。

37、亦即，将待测量的电池串短时间地断开以进行测量，而其他电池串继续工作以实现电池的正常工作，而无需在长达数小时的弛豫时间后再实施测量。“正常工作”是指电池按照其预期用途工作，不同于测量工作。正常工作可以包含放电或输电，或者静止阶段。

38、根据一种实施方式，所述电池测量系统还包括传感器，其适于检测环境测量变量，如物理和化学测量变量，以及包括本地存储器，其适于存储特征数据集和检测到的其他环境测量变量。

39、其他环境测量变量例如有环境温度、空气湿度等。

40、根据一种实施方式，所述模型为根据已知或未来的类型的循环(编码器/解码器)神经网络的方法、根据强化学习方法(如分布的分布式/深度确定性策略梯度(d4dpg/ddpg)方法)和/或根据演员/评论家方法的模型，其中强化学习方法利用奖励在环境模型内学习。

41、根据一种实施方式，所述模型为人工智能(如神经网络)模型，其适于利用时间戳从特征数据集生成每个时间戳。

42、这个实施方式描述了学习soc诊断模型的奖励函数。神经网络的代理对0-100％之间的未来诊断变量进行连续估计。由此，同样可以在紧邻的时间戳之间分别估计一个差值δsoc。δsoc可以采用-100％至100％之间的值。这个δsoc值也可以在库仑计中作为非常精确的测量变量提供给电池控制单元(电流值的积分)。估计的δsoc与测得的δsoc的对比可以在环境模型中用于待估计诊断变量“绝对soc”的评价/奖励。由于soc在技术上限制在0-100％之间，该学习方法不仅持续改善对δsoc的估计，还(间接地)改善对绝对soc的估计。

43、根据一种实施方式，所述模型为人工智能模型，其还适于对soc状态值、soh状态值、温度方面的状态值、化学和/或物理特性进行估计。

44、人工智能在此同样可以理解为神经网络或机器学习。

45、在一个技术变体中，也可以通过模拟来辅助学习。在此过程中，例如在pc或笔记本电脑上运行的软件浏览过如叉车或其他运输工具的预定的典型功率配置文件。其中，功率单元具有代表功率源并且提供充电电流的驱动器，或代表负载并且消耗电池电流的单元。如上所述，将测量数据发送至计算单元以计算出模型或模型的参数值。可以在学习阶段后将模型传输至电池控制单元，并且将该电池控制单元用于例如运输工具的实际工作，从而用于在工作期间对电池进行持续监控。

46、根据另一方面，提供一种提供电池的电池串的电池单体单元的测量数据集以测定所述电池单体单元状态的方法，具有以下步骤：

47、获取电池单体单元在电池工作期间的测量变量；

48、提供获取的测量变量作为电池控制单元的测量数据，所述测量数据用于通过预先训练好的人工智能模型测定电池单体单元状态。

49、根据另一方面，提供一种本公开所提出的电池测量系统在电动运输工具、电能固定存储器中的应用，例如用于电网频率调节或微电网。

50、术语运输工具在此例如指机动车、火车、船只和船舶、飞机、直升机等。

51、根据另一方面，提供一种具有本公开所描述的电池测量系统的电动运输工具或电能固定存储器。

52、因此，可以说所生成的模型是“活着”的，并且随着电池系统独立的工作而进一步发展。因此，模型生成在工作过程中进行，与所使用的电池单体化学成分和安装情况以及布线特性无关，因而与接触电阻无关。可以通过电池控制单元中的模型和其中的映射诊断函数快速且可靠地识别异常。这例如可以通过简单地检查范围边界在电池系统中的电池单体单元层面进行。可以针对每个电池创建和记录数字的生活/健康文件，其可以用来对电池系统最重要的特征进行无缝监控，具体方式例如为计算单元将包含时间戳的特征数据集相应地存储在数据库中。

53、可以通过在一个或多个处理器上执行的计算机程序元素至少部分地实施所述方法。计算机程序元素可以为计算机程序的一部分，但也可以为整个程序本身。例如可以应用计算机程序元素来更新现有的计算机程序，从而实现本发明。

54、可以将计算机可读介质视为存储介质，例如u盘、cd、dvd、数据存储设备、硬盘或其他任意一种可以存储上述程序元素的介质。

55、本领域技术人员可以在请求保护的发明的实施过程中通过研究图纸、公开内容和所附权利要求来理解和执行所公开的实施方式的其他技术变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。单独一个处理器或另一单元可以执行权利要求书中列出的多个主题或步骤的功能。在彼此相关的权利要求中给出某些措施的事实并不表示无法有利地利用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的合适的介质(如光存储介质或半导体介质)上，但也可以例如通过互联网或者其他有线或无线的远程通信系统以其他形式分布。权利要求中的附图标记不应限制权利要求的范围。