用于表征通過電容效應(yīng)儲存能量的模塊的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于表征通過電容效應(yīng)儲存能量的模塊的方法和設(shè)備
[0001] 本發(fā)明涉及用于表征通過電容效應(yīng)儲存能量的至少一個元件的方法和設(shè)備。
[0002] 本發(fā)明的領(lǐng)域是為通過電容效應(yīng)的儲能裝置確定表征指標(biāo)（indicator)的領(lǐng)域， 更特別地是通過電容效應(yīng)的電化學(xué)儲能裝置的領(lǐng)域，并且甚至更特別地是通常被稱為超級 電容器（supercapacitor或者ultracapacitor)的儲能裝置的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003] 過去認(rèn)為通過電容效應(yīng)的電化學(xué)儲能元件在理論上物理地表現(xiàn)得像是電容為C 的理想電容器。但是經(jīng)驗已經(jīng)表明在電化學(xué)元件內(nèi)出現(xiàn)很多干擾現(xiàn)象。經(jīng)驗還已經(jīng)表明在 儲存元件的使用范圍處的非常顯著的單個干擾效應(yīng)是由于焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的能量損失。通過 添加與電容為C的理想電容器串聯(lián)的等效串聯(lián)電阻（ESR)來對該現(xiàn)象建模。
[0004] 對于使用通過電容效應(yīng)的一個或更多個電化學(xué)儲能元件的應(yīng)用的最優(yōu)安全工作 來說，重要的是知道表征每個儲存元件的指標(biāo)，例如由每個儲存元件儲存的能量的量，其也 被稱為每個儲存元件的充電狀態(tài)（S0C)或健康狀態(tài)（S0H)。
[0005] 為每個儲存元件確定這些指示取決于很多固有參數(shù)，其中最重要的是C和ESR的 值。這些不同值每個都取決于其他物理參數(shù)（例如壓力、溫度等）和儲存元件隨時間的變 化。
[0006] 然而，確定C和ESR的值需要考慮儲存元件的工作波動。
[0007] 因此，為了獲得儲存元件的工作指示，現(xiàn)有的方法和設(shè)備對儲存元件于其中具有 "理想地"可預(yù)見表現(xiàn)的特定工作范圍確定C和ESR的值；在標(biāo)準(zhǔn)工作中所述范圍難以產(chǎn)生 或具有隨機(jī)特性。這就是為什么現(xiàn)有的方法和設(shè)備經(jīng)常應(yīng)用受控電流轉(zhuǎn)換類型+I/-I或 +1/0的特定程序來測量ESR和在恒定電流I下的受控充電或放電類型的特定程序來測量 C〇
[0008] 然而，在大部分應(yīng)用中，當(dāng)使用儲存元件的應(yīng)用、例如機(jī)動車應(yīng)用在工作中時，難 以預(yù)想/應(yīng)用這些程序。此外，這些程序不允許實時并且在實際條件下、即在現(xiàn)場獲得測量 值。
[0009] 因此，現(xiàn)有的方法和設(shè)備不能在不必停止使用儲存元件的應(yīng)用的情況下不管使用 儲存元件的應(yīng)用是哪種在實際工作條件下都在現(xiàn)場表征電容性儲存元件。
[0010] 本發(fā)明的目的在于克服上述缺點。
[0011] 本發(fā)明的另一個目的在于提出一種方法和設(shè)備，其能夠在不必停止使用儲存元件 的應(yīng)用或者不必實施特別協(xié)議的情況下在實際工作條件下表征用于通過電容效應(yīng)儲存能 量的元件。
[0012] 本發(fā)明的再一個目的在于提出一種方法和設(shè)備，其能夠在現(xiàn)場表征用于通過電容 效應(yīng)儲存能量的元件。
[0013] 最后，本發(fā)明的又一個目的在于提出一種方法和設(shè)備，其不管使用所述裝置的應(yīng) 用是哪種都能夠表征用于通過電容效應(yīng)儲存能量的元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 使用如下設(shè)備，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)中的至少一個，所述設(shè)備用于表征通過 電容效應(yīng)儲存能量的至少一個元件、特別是超級電容，并且特別地用于確定與儲能元件的 健康狀態(tài)（S0H)相關(guān)的數(shù)據(jù)項和/或與其充電狀態(tài)（S0C)相關(guān)的數(shù)據(jù)項，所述設(shè)備包括：
[0015] -至少一個電壓測量模塊，其包括被稱為電壓傳感器的測量所述元件（102)的電 壓的至少一個裝置；
[0016] -至少一個電流測量模塊，其包括被稱為電流傳感器的測量所述元件（102)的電 流的至少一個裝置，所述電壓測量模塊和電流測量模塊被配置為以相同數(shù)量級的動態(tài)響應(yīng) (即所述模塊的單位階躍響應(yīng)是相同時間數(shù)量級的）來執(zhí)行測量；
[0017] -所述測量模塊的至少一個控制裝置，其用于對于每個儲存元件執(zhí)行至少一個測 量周期，該測量周期包括：
[0018] 在被稱為電壓測量時段的時間段內(nèi)所述儲存元件的端子處的一系列電壓測量， 和
[0019] 在被稱為電流測量時段的時間段內(nèi)中通過所述儲存元件的電流的一系列測量； 和
[0020] -根據(jù)在至少一個測量周期中由所述模塊進(jìn)行的測量來統(tǒng)計地計算與每個儲存元 件相關(guān)的變量的至少一個裝置；
[0021] 其中，所述至少一個控制裝置還被配置為控制所述測量模塊，以使得對于每個儲 存元件來說，所述電壓測量時段和所述電流測量時段在時間上重疊被稱為總時段的時段 (P)的至少70%、特別地至少90%，所述總時段包括所述儲存元件的所述測量時段。
[0022] 測量模塊的單位階躍響應(yīng)指的是響應(yīng)于通常表示為r(t)的階躍形式的輸入信 號而獲得的在模塊輸出處的測量信號，表示為s(t)。通過定義，如果t〈o,則r(t) =〇并 且如果t彡〇,則r(t) = 1。
[0023] 根據(jù)測量模塊的構(gòu)造原理，S(t)趨于被稱為穩(wěn)定或固定測量值的常數(shù)S"。該值 充當(dāng)用于限定單位階躍響應(yīng)主要時間特征的參照，主要時間特征例如：
[0024] -響應(yīng)時間，表示為其被定義為測量信號保持在穩(wěn)定值S"附近的±5%間隔 內(nèi)所需要的時間：
[0026] -上升時間，表示為，其被定義為測量信號從穩(wěn)定值S"的10%達(dá)到90%所需要 經(jīng)過的時間：
[0027] tm= 19〇%-t1(l%，其中S(t1(l%) = 10%S和S(t9〇%) = 90%S〇°，
[0028] -延遲時間，表示為Td，其被定義為測量信號達(dá)到穩(wěn)定值S"的
[0029] 50%所需要的時間：
[0030] Td/S(Td) = 50%S一
[0031] 如果對于測量周期的特征時間Stm，即在測量周期中兩次電壓測量之間的時間段 的最小值和兩次電流測量之間的時間段的最小值來說，電壓測量模塊s"(t)的單位階躍響 應(yīng)和電流測量模塊sjt)的單位階躍響應(yīng)通過以下關(guān)系式聯(lián)系，則認(rèn)為兩個單位階躍響應(yīng) 是相同數(shù)量級的：
[C
[0033] 優(yōu)選地，傳感器被選擇為如下：
[0034] _電流傳感器和電壓傳感器的響應(yīng)時間的差值小于20%，特別地小于10%，或者
[0035] -電流傳感器和電壓傳感器的上升時間和延遲時間的相應(yīng)差值小于20%，特別地 小于10%。
[0036] 為了說明時間重疊的概念，示出了一個非限制性的示例，此時，在從t= 0到t= Is的Is的總時段中進(jìn)行一系列測量，控制裝置控制：
[0037] _電壓測量模塊，以在從t= 0到t= 0. 8s的電壓測量時段中執(zhí)行一系列電壓測 量，和
[0038] -電流測量模塊，以在從t= 0.Is到t=Is的電流測量時段中執(zhí)行一系列電流測 量。
[0039] 在這種情況下，對于Is的總時段來說，電壓測量時段和電流測量時段在時間上重 疊了 0. 7s(從t= 0.Is到t= 0.8s)，這提供了總時段70%的重疊。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明的表征設(shè)備能夠?qū)Υ嬖蛘邌为?dú)地對多個儲存元件中的每個儲 存元件執(zhí)行與同一時間段相關(guān)的一系列電壓和電流測量，所述同一時段為該儲存元件的總 測量時段的至少70%。
[0041] 此外，對儲存元件進(jìn)行的電壓和電流測量具有等同的時間范圍。由電壓和電流測 量模塊兩者測量的與同一儲存元件有關(guān)的物理事實在時間方面是等同的。實際上，這意味 著電壓測量和電流測量模塊的輸出數(shù)據(jù)是等同的，并且特別地意味著測量模塊的單位階躍 響應(yīng)是相同時間數(shù)量級的。
[0042] 基于這些標(biāo)準(zhǔn)，因此對給定的儲存元件進(jìn)行的電壓和電流測量是統(tǒng)計學(xué)上相容 的，并且考慮了在儲存元件的工作中自然存在的、儲存元件的工作波動。
[0043]因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠在不必為了考慮電容性儲存元件的工作波動而建立 特定程序的情況下執(zhí)行每個電容性儲能元件的表征。此外，由根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行的電 流和電壓測量能夠在使用儲存元件的應(yīng)用工作期間在現(xiàn)場進(jìn)行。
[0044] 因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備不管使用所述元件的應(yīng)用是哪種（包括機(jī)動車應(yīng)用）都 能夠在不必停止使用儲存元件的應(yīng)用的情況下于實際工作條件下在現(xiàn)場表征電容性儲能 元件。
[0045] 有利地，如果St是總測量時段，則St彡Is能夠是可接受的通用值以避免電容 效應(yīng)的影響，并且以便利用慣用公式U=ESRXI確定ESR。
[0046] 有利地，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)電壓和電流傳感器的性能使得St<0. 2s或甚至<0. 05s 成為可能時，St< 0. 2s或甚至< 0. 05s。
[0047] 控制裝置能夠被配置為控制電流和電壓測量以使得在同一間隔St< 0.Is中進(jìn) 行至少一次電壓和電流測量。
[0048] 有利地，所述設(shè)備能夠表征多個儲存元件。對于每個儲存元件，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備 包括電壓測量模塊和電流測量模塊對，它們被配置為分別測量在該儲存元件端子處的電壓 和通過該儲存元件的電流。
[0049] 與儲存元件相關(guān)聯(lián)的一對模塊中的電流測量模塊或電壓測量模塊能夠形成與另 一儲存元件相關(guān)聯(lián)的另一對的一部分。
[0050] 有利地，控制模塊能夠被配置為控制電壓測量模塊和相應(yīng)的電流測量模塊，以便 以大于或等于10Hz的測量頻率執(zhí)行一系列電壓測量和相應(yīng)的電流測量。
[0051] 優(yōu)選地，控制模塊能夠被配置為控制電壓測量模塊和相應(yīng)的電流測量模塊，以便 以等于200Hz的測量頻率執(zhí)行一系列的電壓測量和相應(yīng)的電流測量。
[0052] 因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠考慮儲存元件狀態(tài)的快速變化，即使當(dāng)該儲存元件 是能夠在短時間內(nèi)經(jīng)歷顯著變化的超級電容器時也是如此。由此，即使電流測量和電壓測 量不是嚴(yán)格同步的，它們也不彼此分離。
[0053] 測量模塊的傳感器能夠優(yōu)選地被選擇為具有小于0. 1秒并且優(yōu)選地小于0. 005秒 的如上定義的響應(yīng)時間。
[0054] 至少一個電流傳感器能夠有利地包括：
[0055] -數(shù)字電阻式傳感器，或者
[0056] -多范圍霍爾效應(yīng)傳感器，或者
[0057] -磁通門傳感器。
[0058] 數(shù)字電阻式傳感器，也被稱為數(shù)字分流器，具有高的動態(tài)測量范圍。其提供電流的 精確和幾乎即時的測量，其典型響應(yīng)時間小于一毫秒。該數(shù)字電阻式傳感器必須被布置在 對儲存元件供電的電路中，因此除了其他問題以外，還產(chǎn)生額外且不需要的電阻和在工作 電壓下的表現(xiàn)方面的另外問題。
[0059] 多范圍霍爾效應(yīng)傳感器具有低的動態(tài)測量范圍。其提供平滑的電流測量，其典型 響應(yīng)時間為50到100毫秒。借助于不同的測量范圍，測量值是精確的。與數(shù)字分流器不同， 不需要將多范圍霍爾效應(yīng)傳感器布置在對儲存元件供電的電路中，因此提供了更多的靈活 性。
[0060] 磁通門傳感器具有與數(shù)字分流器等同的動態(tài)范圍和測量精度并且在定位方面具 有與多范圍霍爾效應(yīng)傳感器相同的優(yōu)點。然而，與數(shù)字電阻式傳感器或者多范圍霍爾效應(yīng) 傳感器相比，磁通門傳感器更昂貴。
[0061] 電流傳感器的推薦列表不是排他的。在使用儲存元件的應(yīng)用的代表性范圍（通常 為幾毫安到幾百毫安）內(nèi)提供足夠精確（精度通常由應(yīng)用規(guī)定，但是整個測量范圍的<1% 是典型的需求值）和快速的電流測量（通常< 〇.Is)并且能夠按要求迅速承受極值電流 (通常為幾千至幾萬安培）的任何電流傳感器是可能的候選者。
[0062] 至少一個電壓傳感器能夠包括被配置為執(zhí)行在其輸入處存在的電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。<