CN100464464C

CN100464464C - 电池管理系统及其驱动方法

Info

Publication number: CN100464464C
Application number: CNB2006101040586A
Authority: CN
Inventors: 徐世旭; 崔水石
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: KR100717789B1; JP2007040991A; CN1909280A; KR20070014652A; US7656124B2; US20070024242A1

Abstract

电池管理系统包括传感单元、控制器、开路电压(OCV)计算器和充电状态(SOC)确定单元。传感单元测量二次电池的总电压。控制器在电源开关接通后在第一段时间内维持二次电池处于开路状态，并在第一段时间结束时将二次电池和外部设备进行连接。OCV计算器接收来自传感单元的测量的总电压，并在第一段时间内计算二次电池的OCV。SOC确定单元接收来自OCV计算器的计算出的OCV，并确定对应于该OCV的SOC。

Description

电池管理系统及其驱动方法

技术领域

本发明涉及二次电池组件的管理系统。具体地说，本发明涉及用于精确计算充电状态(SOC)的二次电池组件管理系统及其驱动方法。

背景技术

最近，已经研发出了使用非水电解液并具有高能量密度的高功率二次电池，将多个高输出二次电池串联形成大容量二次电池，使得二次电池能够操作需要高功率的装置，例如电动车辆的电动机。

如上所述，一个大容量二次电池(为了描述方便，在下文中称作电池组件)包括多个串联的二次电池(在下文中称作单元电池)。

在上述电池组件中，具体地说，在用于混合电动车辆(HEV)的二次电池组件中，几个到几十个单元电池交替地充电和放电，因此需要控制电池组件的充电/放电操作，以便维持单元电池在适当的工作状态。

因此，用于HEV的电池组件检测单元电池的电压、电流和温度，估计充电状态(SOC)，并进行SOC控制操作，以提高车辆的功率消耗效率。在这种情况下，需要控制SOC级别，以便在车辆加速时驱动电动机的功率辅助操作和车辆减速时能量恢复操作(反馈制动)之间保持良好平衡。因此，将电池组件控制为使得SOC级别在50％到70％的范围内。当SOC级别接近70％，而且电池组件还在充电时，控制电池组件使其不被过量充电。另外，当SOC级别变成接近50％，而且电池组件还在放电时，控制电池组件使其不被过量放电。

为了适当地进行SOC控制操作，需要精确地计算正在充电和放电的二次电池的SOC级别。

用于商品化电池的常规SOC计算方法可以根据用于确定SOC的基准值进行分类。

常规的SOC计算方法包括：AH方法，其使用已经使用的电流(安培)和时间的关系计算SOC；电压估算方法，其测量开路电压(OCV)，使用所测量的OCV和SOC的关系计算SOC；电阻估算方法，其使用SOC和电池的内阻降(IR降)之间的关系来计算SOC。

但是，在AH方法中存在一个问题：根据电池组件的负载情况的SOC不能被显示出来，并且充电/放电电流传感误差也增加了SOC级别误差。因此，由于混合电动车辆(HEV)中电流的大小和方向的变化比电动车辆(EV)中电流的大小和方向的变化更频繁，很难在HEV中单独使用AH方法。在电压估算方法中，存在由于例如瞬间电流、温度和电池降解的各种因素而出现变化的问题。

发明内容

本发明致力于提供一种用于精确计算电池的充电状态(SOC)的电池管理系统及其驱动方法。

具有多个单元电池的二次电池的一种示例性管理系统包括传感单元、控制器、开路电压(OCV)计算器和充电状态(SOC)确定单元。传感单元测量二次电池的总电压。控制器在电源开关接通后在第一段时间内维持该二次电池在开路状态，当第一段时间结束时将二次电池连接到外部装置。OCV计算器在第一段时间内接收来自传感单元的测量的电压，并且计算二次电池的OCV。SOC确定单元接收来自OCV计算器的OCV，并确定对应于OCV的SOC。

根据本发明实施例的电池管理系统的一种示例性驱动方法确定具有多个单元电池的二次电池的充电状态(SOC)。在该示例性的驱动方法中，二次电池在电源开关接通后在第一段时间内维持在开路状态。然后在第一段时间内测量开路电压(OCV)，接着确定对应于OCV的SOC。

附图说明

由于当结合附图并参考下面的详细描述可以更好地理解本发明，因此对本发明以及其附带优点的更完整的评价将会变得更明显。附图中相似的参考符号表示相似或者相同的元件，其中：

图1为根据本发明示例性实施例的二次电池组件的结构图；

图2为根据本发明示例性实施例的电池管理系统(BMS)的结构图；

图3为根据本发明示例性实施例的BMS的驱动方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行具体描述，以便本领域技术人员能够实施本发明。正如本领域技术人员所知，所描述的实施例可以以各种不同的方式进行修改，而不超出本发明的精神和范围。

图1是根据本发明示例性实施例的二次电池组件和电池管理系统(BMS)的结构图。

参看图1，根据本发明示例性实施例的二次电池组件10是一个大容量电池组件，包括至少一个电池堆和容纳至少一个电池堆以及从中穿过的散热剂的外壳13，其中电池堆具有多个顺序排列的空间分隔的单元电池11。

每个单元电池11包括多个膜电极组件，各个膜电极组件分别包括阳极板和阴极板，其中相邻的膜电极组件被隔板分开。每个单元电池11为常规的二次电池，用于预定能量级别的充电和放电。根据本发明示例性实施例的电池堆包括串联排列的单元电池11。

根据本发明示例性实施例，电池堆以具有矩形的各个单元电池11竖直布置的方式形成(每个矩形是宽的，这样在本发明示例性实施例中提供了一对长边和一对短边)。每个单元电池可以是圆柱形，而不是矩形。

电池堆包括在各个电池11之间和最外边的单元电池11处的隔板12。隔板12便于单元电池11之间具有均匀间距，允许空气流通以进行温度控制，并支撑着各个单元电池11的侧边。

根据本发明示例性实施例的BMS 20测量电池组件10的各个单元电池11的温度、电流和电压，并且使用所测量的值管理该二次电池。另外，根据车辆点火开关的接通信号，BMS 20在预定时间内维持电池组件10在开路状态，而不是立即将电池组件和包括电动机的外部设备连接。充电/放电电流在开路状态不流到电池组件10，在电流还没有流动的时候，计算出开路电压(OCV)。根据本发明示例性实施例，上述预定时间被设置得足够长，以便能计算出OCV。在下文中，预定时间被称作开路维持时间。

电源开关(例如车辆的点火开关)30与BMS 20电连接。当电源开关30接通时，该信息被通知给BMS，BMS在开路维持时间内维持电池组件10处于开路状态。

下面参考图2更详细地描述BMS。

图2为根据本发明示例性实施例的BMS20的结构图。

如图2所示，BMS 20包括传感单元21、OCV计算器22、数据库23、SOC确定单元24和控制器25。

传感单元21测量电池组件10的总电压。另外，当电源开关30接通时，传感单元21在开路维持时间内反复测量电池组件10的总电压，并将测量的电压传送给OCV计算器22。

OCV计算器22使用从传感单元21接收的总电压计算OCV。另外，OCV计算器22接收传感单元21在开路维持时间内反复测量的电压，并使用其平均值计算OCV。

数据库23用波耳兹曼(Boltzmann)公式生成电池组件10的OCV和对应于OCV的SOC值之间的关系，并且将计算结果作为映射数据保存在表中。公式1是用于计算对应于OCV的SOC值的波耳兹曼公式。

公式1：

SOC [%] = \frac{A_{1} - A_{2}}{1 + e^{\frac{V_{ocv} - V_{o}}{V_{W}}}} + A_{2}

在公式1中，A₁表示当OCV值是-∞时的SOC值，A₂表示当OCV值是+∞时的SOC值。V_ocv表示所测量的OCV值，V_o表示作为(A₁+A₂)/2的中间值。V_w表示以V_o为中心的预定范围内的值，预定范围在表映射处理中得到。A₁、A₂、V_w和V_o的值是预定值。由于OCV值为测量得到，对应于OCV的SOC值通过公式1计算得到，OCV值和SOC值可以映射在一个表中。

SOC确定单元24接收由OCV计算器22计算的电池组件10的OCV，并从数据库23中找到对应于OCV的SOC值。

控制器25得到电源开关30接通的通知，在预定时间内维持电池组件10处于无负载状态，并在开路维持时间结束时将电池组件10和例如电动机的外部设备连接。依据本发明示例性实施例的BMS 20的预定时间可以设置为一秒，但本发明不限于此。另外，控制器25包括用于检测预定时间的定时器。

下面描述依据本发明示例性实施例的用于计算电池组件10的初始SOC的BMS 20的驱动方法。

图3为根据本发明示例性实施例的BMS的驱动方法的流程图。

当电源开关30在步骤S100中接通时，控制器25得知电源开关30接通，延迟将电池组件和外部设备进行连接。接着在步骤S110中，电池组件10在预定时间内被维持在开路状态。当电池组件10处于开路状态时，电流被中断。尽管根据本发明实施例的BMS 20产生的延迟时间可以被设置为一秒，但并不局限于此。另外，当电池组件10处于开路状态，并且与外部设备的连接延迟一秒时，可以通过如下的处理确定SOC。

在步骤S120中，传感单元21在开路维持时间内测量电池组件的总电压，并将总电压值传送给OCV计算器22。

在步骤S130中，OCV计算器22使用从传感单元21接收的电池组件的总电压计算OCV。

随后在步骤S140中，SOC确定单元24接收来自OCV计算器22的OCV，从在数据库23中保存的数据表搜索与接收的开路电压相关的数据。

然后在步骤S150中，SOC确定单元24根据数据搜索结果获取对应于OCV的SOC，并确定SOC。

如上所述，当电源开关30接通时，在预定时间内，流向电池组件10的电流被中断，并且在延迟的时间内，计算出无负载状态下的OCV值，以便能计算出更准确的SOC值。

另外，在步骤S160中，在开路维持时间之后，控制器25将电池组件10和外部设备进行连接。

因此，在步骤S170中，电池组件10被连接到包括电动机的外部设备，并进行了适当的充电或放电操作。

依据本发明示例性实施例的电池组件可以有效地运用于要求高输出和大容量性能的HEV中，但本发明不局限于此。

尽管结合当前认为实用的示例性实施例对本发明进行了描述，但应该理解本发明并不局限于所公开的实施例，相反，应该理解覆盖了附带权利要求的精神和范围内的对本发明的各种修改和同等替换。

依据本发明示例性实施例，因为在电源开关接通时准确地测量了OCV值，因而可以准确地获得对应于OCV值的SOC值。另外，因为得到了精确的SOC值，可以提高电池的稳定性，并且可以进行更适当的充电/放电操作。

Claims

1.一种具有多个单元电池的二次电池的电池管理系统，包括:

适于测量该二次电池的总电压的传感单元；

适于当电源开关接通时在第一段时间内维持该二次电池处于开路状态，并在该第一段时间结束时将该二次电池和外部设备进行连接的控制器；

适于在该第一段时间内接收来自该传感单元的所测量的总电压，并计算该二次电池的开路电压OCV的OCV计算器；和

适于接收来自该OCV计算器的计算出的OCV，并确定对应于该OCV的充电状态SOC的SOC确定单元。

2.如权利要求1所述的电池管理系统，其中该第一段时间大于或等于计算该OCV所需的时间段。

3.如权利要求1所述的电池管理系统，进一步包括适于以表的形式存储对应于该OCV的SOC的数据的数据库。

4.如权利要求3所述的电池管理系统，其中该数据库适于使用波耳兹曼公式计算对应于该OCV的SOC的数据，并存储使用波耳兹曼公式计算对应于该OCV的SOC的数据所得到的计算结果。

5.如权利要求1所述的电池管理系统，其中该控制器包括适于测量该第一段时间的定时器。

6.如权利要求1所述的电池管理系统，其中该传感单元适于在该第一段时间内反复测量该总电压，该OCV计算器适于用反复测量的总电压的平均值计算该OCV。

7.一种驱动电池管理系统以确定具有多个单元电池的二次电池的充电状态SOC的方法，该方法包括:

a)在电源开关接通后，在第一段时间内维持该二次电池处于开路状态；

b)在第一段时间内测量开路电压OCV；和

c)确定对应于该OCV的SOC。

8.如权利要求7所述的方法，其中对应于所测量的OCV的SOC是使用预先存储的对应于该OCV的SOC的数据来确定的。

9.如权利要求7所述的方法，其中该第一段时间对于测量该OCV来说足够长。

10.如权利要求9所述的方法，其中该二次电池的总电压在该第一段时间内被反复测量，其中该OCV用多个测量的电压的平均值来计算。