[发明专利]用于表征通过电容效应储存能量的模块的方法和设备

说明书

本发明涉及用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件的方法和设备。

本发明的领域是为通过电容效应的储能装置确定表征指标(indicator)的领域，更特别地是通过电容效应的电化学储能装置的领域，并且甚至更特别地是通常被称为超级电容器(supercapacitor或者ultracapacitor)的储能装置的领域。

背景技术

过去认为通过电容效应的电化学储能元件在理论上物理地表现得像是电容为C的理想电容器。但是经验已经表明在电化学元件内出现很多干扰现象。经验还已经表明在储存元件的使用范围处的非常显著的单个干扰效应是由于焦耳效应产生的能量损失。通过添加与电容为C的理想电容器串联的等效串联电阻(ESR)来对该现象建模。

对于使用通过电容效应的一个或更多个电化学储能元件的应用的最优安全工作来说，重要的是知道表征每个储存元件的指标，例如由每个储存元件储存的能量的量，其也被称为每个储存元件的充电状态(SOC)或健康状态(SOH)。

为每个储存元件确定这些指示取决于很多固有参数，其中最重要的是C和ESR的值。这些不同值每个都取决于其他物理参数(例如压力、温度等)和储存元件随时间的变化。

然而，确定C和ESR的值需要考虑储存元件的工作波动。

因此，为了获得储存元件的工作指示，现有的方法和设备对储存元件于其中具有“理想地”可预见表现的特定工作范围确定C和ESR的值；在标准工作中所述范围难以产生或具有随机特性。这就是为什么现有的方法和设备经常应用受控电流转换类型+I/-I或+I/0的特定程序来测量ESR和在恒定电流I下的受控充电或放电类型的特定程序来测量C。

然而，在大部分应用中，当使用储存元件的应用、例如机动车应用在工作中时，难以预想/应用这些程序。此外，这些程序不允许实时并且在实际条件下、即在现场获得测量值。

因此，现有的方法和设备不能在不必停止使用储存元件的应用的情况下不管使用储存元件的应用是哪种在实际工作条件下都在现场表征电容性储存元件。

本发明的目的在于克服上述缺点。

本发明的另一个目的在于提出一种方法和设备，其能够在不必停止使用储存元件的应用或者不必实施特别协议的情况下在实际工作条件下表征用于通过电容效应储存能量的元件。

本发明的再一个目的在于提出一种方法和设备，其能够在现场表征用于通过电容效应储存能量的元件。

最后，本发明的又一个目的在于提出一种方法和设备，其不管使用所述装置的应用是哪种都能够表征用于通过电容效应储存能量的元件。

发明内容

使用如下设备，本发明能够实现上述目标中的至少一个，所述设备用于表征通过电容效应储存能量的至少一个元件、特别是超级电容，并且特别地用于确定与储能元件的健康状态(SOH)相关的数据项和/或与其充电状态(SOC)相关的数据项，所述设备包括：

-至少一个电压测量模块，其包括被称为电压传感器的测量所述元件(102)的电压的至少一个装置；

-至少一个电流测量模块，其包括被称为电流传感器的测量所述元件(102)的电流的至少一个装置，所述电压测量模块和电流测量模块被配置为以相同数量级的动态响应(即所述模块的单位阶跃响应是相同时间数量级的)来执行测量；

-所述测量模块的至少一个控制装置，其用于对于每个储存元件执行至少一个测量周期，该测量周期包括：

■在被称为电压测量时段的时间段内所述储存元件的端子处的一系列电压测量，和

■在被称为电流测量时段的时间段内中通过所述储存元件的电流的一系列测量；和

-根据在至少一个测量周期中由所述模块进行的测量来统计地计算与每个储存元件相关的变量的至少一个装置；

其中，所述至少一个控制装置还被配置为控制所述测量模块，以使得对于每个储存元件来说，所述电压测量时段和所述电流测量时段在时间上重叠被称为总时段的时段(P)的至少70％、特别地至少90％，所述总时段包括所述储存元件的所述测量时段。

测量模块的单位阶跃响应指的是响应于通常表示为Γ(t)的阶跃形式的输入信号而获得的在模块输出处的测量信号，表示为S(t)。通过定义，如果t<0，则Γ(t)＝0并且如果t≥0，则Γ(t)＝1。

根据测量模块的构造原理，S(t)趋于被称为稳定或固定测量值的常数S_∞。该值充当用于限定单位阶跃响应主要时间特征的参照，主要时间特征例如：