CN100585941C

CN100585941C - 电池管理系统及其驱动方法

Info

Publication number: CN100585941C
Application number: CN200710147713A
Authority: CN
Inventors: 徐世旭; 崔水石; 李永兆; 太龙准; 尹韩硕; 林启钟; 金范奎
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung Huanxin Xi'an Power Battery Co ltd
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: EP1901413A3; JP4472733B2; US20080065336A1; US7684941B2; JP2008064740A; KR100805116B1; EP1901413A2; CN101141016A

Abstract

本发明涉及一种估计电池充电状态的电池管理系统及其驱动方法，该电池管理系统包括感测单元和微控单元。感测单元测量电池电压。微控单元测量第一时间和第二时间，从电池电压中检测分别与第一时间和第二时间对应的第一电池电压和第二电池电压，由第一电池电压和第二电池电压来估计开路电压，并确定与开路电压对应的充电状态。

Description

电池管理系统及其驱动方法

技术领域

本发明的方面涉及一种电池管理系统。更具体地讲，本发明的方面涉及一种在利用电能的交通工具中使用的电池管理系统。

背景技术

具有利用汽油或重油来运行的内燃机的交通工具已引起严重的空气污染。因此，近来已做出各种努力来开发电动交通工具或混合交通工具，以减少空气污染。

电动交通工具采用电动机，其中，通过由电池输出的电能向电动机提供动力。由于电动交通工具主要利用电池，所以电动交通工具的优势包括无排放气体且噪音较小，其中，所述的电池由包括多个可充电/可放电的二次电池单元的一个电池包来形成。

混合交通工具通常是指利用汽油向内燃机提供动力且利用电池向电动机提供动力的汽油-电动混合交通工具。近来，已开发了利用内燃机与燃料电池的混合交通工具和利用电池与燃料电池的混合交通工具。燃料电池通过在不断地提供氢和氧的同时产生化学反应来直接获得电能。

由于利用电池的电能的交通工具直接受电池性能的影响，所以电池的每个电池单元应该运行良好。另外，电池管理系统(BMS)应该测量整个电池的电压和电流，以有效地对每个电池单元的充电/放电操作进行管理。

一般而言，电池管理系统利用包含开路电压(OCV)与充电状态(SOC)的关系数据的数据表来估计SOC。当利用数据表时，应当精确地测量OCV以精确地计算SOC。

当以固定的速度来驱动交通工具或者使交通工具停止时，不执行对电池的充电和放电的操作，由于电池内阻的极化，所以OCV会得不到精确的测量。为了精确地测量OCV，去除极化的时间应该充足。然而，当混合交通工具被驱动时，难以保证这个时间。因此，在不足的短时间内测量的OCV的误差会导致SOC计算的误差。

此外，由于当出现SOC计算的误差时产生控制电池充电和放电的误差，所以电池会被过充电或被过放电，这严重影响电池性能。

发明内容

本发明的方面致力于提供一种电池管理系统及其驱动方法，该电池管理系统用于更精确地估计开路电压(OCV)并确定充电状态(SOC)。

根据本发明的方面，一种电池管理系统包括感测单元和微控单元(MCU)，其中，所述电池管理系统用于确定在其中使用的电池的充电状态(SOC)。感测单元测量电池电压，而MCU测量第一时间和第二时间，从电池电压中检测分别与第一时间和第二时间对应的第一电池电压和第二电池电压，由第一电池电压和第二电池电压来估计开路电压(OCV)，并确定与OCV对应的SOC。第一时间是电池内阻的影响被消除时的时刻，第二时间是从第一时间经过预定的时间段以去除由电解质的扩散而导致的极化之后的时刻。MCU包括OCV估计器和SOC确定单元。OCV估计器通过利用第一电池电压和第二电池电压来估计OCV，而SOC确定单元接收OCV并确定与OCV对应的SOC。OCV估计器由经过与第一时间对应的坐标(

V1)和与第二时间对应的坐标(

V2)的图而产生给出的如

Y = \frac{V 2 - V 4}{\frac{1}{\sqrt{T} 2} - \frac{1}{\sqrt{T 1}}} \times X + A

(其中，X表示参数

Y表示电压参数)的线性方程，并通过利用该线性方程将X轴坐标值为0时的Y轴坐标的值估计为OCV。

在本发明的方面中，一种用于确定在电池管理系统中使用的电池的充电状态(SOC)的电池管理系统的驱动方法包括：当电池不进行充电和放电时，测量第一时间和第二时间，检测与第一时间对应的第一电池电压和与第二时间对应的第二电池电压；产生具有第一时间、第一电池电压、第二时间和第二电池电压的线性方程；通过利用该线性方程来估计开路电压(OCV)。在产生线性方程的过程中，从经过与第一时间对应的坐标(

V1)和与第二时间对应的坐标(

V2)的图或斜线(slope)中产生给出的如

Y = \frac{V 2 - V 1}{\frac{1}{\sqrt{T 2}} - \frac{1}{\sqrt{T 1}}} \times X + A

(其中，X表示参数

Y表示电压参数)的线性方程，将X轴坐标值为0时的Y轴坐标的值估计为OCV。此外，接收所估计的OCV，利用用于对应于OCV的SOC的表，确定SOC。

根据本发明的方面，用于获得可充电电池的充电状态(SOC)的电池管理系统的驱动方法包括：测量两个时间；检测可充电电池的与所述两个时间分别对应的两个电压；基于所述两个时间和两个电压来确定可充电电池的开路电压(OCV)；确定可充电电池的与所确定的OCV对应的SOC。

根据本发明的方面，一种用于获得可充电电池的充电状态(SOC)的方法包括：检测可充电电池的与时间对应的电压；利用时间与电压的相反关系来确定可充电电池的开路电压(OCV)；确定可充电电池的与所确定的OCV对应的SOC。

本发明的另外的方面和/或优点将在下面的描述中部分地提出，且将部分地从描述中变得明显，或者可通过本发明的实践得到了解。

附图说明

以下，通过结合附图对本发明的方面进行描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得清楚且更易于理解，其中：

图1示出了根据本发明的方面的混合交通工具系统的构造的示图。

图2示出了在图1中示出的电池管理系统的MCU 20的示意图。

图3A和图3B示出了表示根据本发明的方面的电池电压与时间之间的关系的图。

图4示出了表示根据本发明的方面的电池管理系统的驱动方法的流程图。

具体实施方式

现在，将详细地解释本发明的方面，在附图中示出了本发明的示例，其中，相同的标号始终表示相同的元件。为了解释本发明，下面通过参照附图描述了本发明的方面。

在整个说明书和权利要求书中，当描述元件“连接”到另一元件时，元件可“直接连接”到另一元件，或者通过第三元件“电连接”到另一元件。此外，除非明确地作出相反的描述，否则将把词语“包括”理解为意味着包括所述的元件但不排除任何其它元件的意思。

图1示出了根据本发明的方面的混合交通工具系统的构造的示图。如图1中所示，混合电动交通工具系统包括电池管理系统1、电池2、电流传感器3、冷却风扇4、保险丝5、主开关6、电机控制单元(MTCU)7、逆变器(inverter)8和电动发电机(motor generator)9。

电池2包括具有多个彼此串连连接的电池单元的多个子包2a至2h、输出端2_out1、输出端2_out2和设置在子包2d与子包2e之间的安全开关2_sw。虽然将8个子包2a至2h作为示例示出，且每个子包为一组多个电池单元，但是本发明的方面并不局限于此。此外，选择性地将安全开关2_sw接通/断开，以保证工作人员在对电池执行操作或更换电池时的安全。在本发明的非限制的方面，将安全开关2_sw设置在子包2d与子包2e之间。将输出端2_out1和输出端2_out2连接到例如逆变器8。

电流传感器3测量电池2的输出电流值并向BMS1的感测单元(sensingunit)10输出所测量的输出电流值。更具体地讲，电流传感器3可为利用霍尔元件的霍尔变流器(hall current transformer)，以测量电流值并输出与所测量的电流值对应的模拟电流信号。然而，应该理解，其它类型的电流传感器在本发明的范围内。

冷却风扇4响应BMS1的控制信号，将由电池2的充电和放电产生的热冷却下来，防止电池2由于温度升高而劣化，并防止电池2的充电和放电效率的劣化。

保险丝5防止可由于电池2的断开或短路造成的过流的电流传输到电池2。即，当产生过电流时，保险丝5断开以截断电流过流并使电池2与过电流绝缘。

当诸如过流电压、过电流和/或过热(高温)的非正常现象发生时，主开关6响应BMS 1的控制信号或MTCU 7的控制信号将电池接通/断开。

在本发明的各方面中，BMS 1包括感测单元10、微控单元(MCU)20、内部电源30、电池单元平衡单元40、存储单元50、通信单元60、保护电路单元70、通电重设单元(power-on reset unit)80和外部接口90。感测单元10测量电池的电压并将所感测的电压传输到MCU 20。在下文中，电池输出端处的电压将被称作电池电压。

基于从感测单元10传输的电池电压，MCU 20检测电池2的充电状态(SOC)，并产生通知电池2的状态的信息。然后，MCU 20将所产生的信息传输到交通工具的MTCU 7。另外，当使交通工具停止或以固定的速度来驱动交通工具且电池不充电和放电时，MCU 20检测第一时间T1的第一电压V1和第二时间T2的第二电压V2，以产生诸如线性方程的方程。MCU 20利用该线性方程来估计开路电压(OCV)，并确定(或估计)与所估计的OCV对应的SOC。

内部电源30通过利用备用电池向BMS 1提供功率(power)。电池单元平衡单元40平衡每个电池单元的充电状态。即，使充电充足的电池单元放电，使充电相对较少的电池单元进一步充电。当BMS 1的电源断开时，存储单元50存储电池的当前SOC和当前健康状态(state of health，SOH)的数据。

通信单元60与交通工具的MTCU 7进行通信。保护电路单元70利用固件(firmware)来保护电池2不受震动(shock)、过流电流、低电压等的影响。当BMS 1的电源接通时，通电重设单元80使整个系统进行重设。外部接口90将诸如冷却风扇4和主开关6的BMS辅助装置连接到MCU 20。虽然将冷却风扇4和主开关6作为示例示出为BMS辅助装置，但是本发明的方面并不局限于此。

MTCU 7基于加速器(accelerator)、制动器(brake)和交通工具的速度的信息确定交通工具的扭矩(torque)的状态(或信息)，并控制电动发电机9的输出，使得该输出对应于扭矩的状态(或信息)。即，MTCU 7控制逆变器8的开关操作(switching operation)，并控制电动发电机9的输出，使得该输出对应于扭矩的状态和/或扭矩的信息。此外，MTCU 7通过通信单元60从MCU 20接收电池2的SOC，并控制电池2的SOC水平(level)为目标水平(例如，55％)。比如，当从MCU 20传输的SOC水平低于55％时，MTCU7控制逆变器8的开关，从而向电池2输出功率并使电池2充电。在这种情况下，电池包电流(I)为正值(+)。当SOC水平高于55％时，MTCU 7控制逆变器8的开关，从而向电动发电机9输出功率并使电池2放电。在这种情况下，电池包电流(I)为负值(-)。应该理解，使电池充电和/或放电的SOC的目标水平可为任意值。

逆变器8响应MTCU 7的控制信号，控制电池2充电和/或放电。基于从MTCU 7传输的扭矩信息，电动发电机9利用电池的电能来驱动交通工具。

在下文中，将参照图2至图4来描述确定电池SOC的方法、电池管理系统及其驱动方法。

图2示出了在图1中示出的电池管理系统的MCU 20的示意图，图3A和图3B示出了表示时间与电池电压之间的关系的图。如图2中所示，MCU 20包括OCV估计器210、数据存储单元230和SOC确定单元220。

当使交通工具停止或以固定的速度来驱动交通工具且电池不进行充电和/或放电时，OCV估计器210利用从感测单元10输入的电池电压，检测在第一时间T1处的电池电压和在第二时间T2处的电池电压。第一时间T1对应于由电池2的内阻而导致的影响被消除的时刻。第二时间T2对应于在由内阻而导致的电阻的影响被消除之后，为了解决(或去除)由电解质扩散而导致的极化从第一时间经过预定时间的时刻。在非限制的方面，上述时间可通过实验来确定。另一方面，可简单地设定和/或预定时间T1和/或时间T2。如下面所讨论的，OCV估计器210利用所检测的第一电池电压V1和第二电池电压V2来估计OCV。

图3A和图3B示出了表示根据本发明的方面的时间与电池电压之间的关系的图。

如图3A中所示，当电池不进行充电和/或放电时，OCV估计器210在第一时间T1检测第一电池电压V1，在从第一时间T1经过预定的时间之后的第二时间T2检测第二电池电压V2。OCV估计器210取得如图3A表示的所检测的电压-时间信息，并确定或得到的图3B中示出的线性图表示的电压-时间信息。如图3A中所表示的，随着时间t的过去，极化被解决(或被去除)且电池电压得到稳定。当时间t为理想的无限(或接近无穷)时，极化被完全解决(或被去除)，并可精确地测量OCV。

根据本发明的方面，MCU 20产生如上所讨论的线性方程。OCV估计器210利用线性方程，可在无限的时间处(例如，无穷处)估计OCV。在这种情况下，为了在电池最稳定的时间检测(或估计)OCV，OCV估计器210将图3A中示出的图改变为图3B中示出的图。因此，利用经过对应于第一时间T1的坐标(

V1)和对应于第二时间T2的坐标(

V2)的线来产生线性方程。在图3B中，X轴坐标具有参数

Y轴坐标具有电池电压(V)参数。即，在本发明的各方面，电池电压与时间呈反比。即，电压与时间的平方根呈反比。

如下面所示出的，OCV估计器210利用方程1和对应于第一时间T1、第二时间T2的坐标，来检测图3B中示出的线性图的斜率(a)的值。

[方程1]

a = \frac{V 2 - V 2}{\frac{1}{\sqrt{T 2}} - \frac{1}{\sqrt{T 1}}}

此外，如下面所讨论的，OCV估计器210产生具有斜率(a)的图中的如方程2所给定的线性方程，如图3B中所示。

[方程2]

Y = \frac{V 2 - V 1}{\frac{1}{\sqrt{T 2}} - \frac{1}{\sqrt{T 1}}} \times X + A

这里，X表示由时间t通过转换而得到的参数Y表示电压(V)参数。

在OCV估计器210中，如图3B中所示，当时间t趋于无穷时，对应于Y轴坐标值的电压值变为开路电压(OCV)。在这种情况下，当X轴坐标值为0(因为当时间(t)变为无穷时变为0)且电池电压稳定时，将Y轴坐标值估计(或外推)为OCV。数据存储单元230存储电池状态信息。即，数据存储单元230包括对应于OCV的SOC的数据表。SOC确定单元220从OCV估计器210接收OCV，利用对应于OCV的SOC的数据表，确定对应于OCV的SOC。

最初，在操作S100中，BMS 1的MCU 20确定是否将电池充电和/或放电。当在操作S100中确定将电池充电和/或放电时，再次执行操作S100。当在操作S100中确定不将电池充电和/或放电时，在操作S200中，检测第一时间T1和对应于第一时间T1的第一电压V1，检测第二时间T2和对应于第二时间T2的第二电压V2。

在操作S300中，形成经过对应于第一时间T1的坐标(

V1)和对应于第二时间T2的坐标(

V2)的图(或线)，产生如具有相应的坐标的方程2的线性方程。

在操作S400中，根据在操作S300中产生的线性方程，将X轴坐标值为0时的Y轴坐标的值A(Y-截距)估计(或确定)为OCV。接收在操作S400中估计的OCV，在操作S500中，通过利用对应于OCV的SOC的数据表来确定与OCV对应的SOC。

如上所述，示出了通过估计OCV来确定SOC的方法的电池管理系统以及该电池管理系统的驱动方法。根据本发明的方面，检测第一时间T1和对应的第一电池电压V1，检测第二时间T2和对应的第二电池电压V2，产生对应的线性方程。然后利用所产生的线性方程来估计OCV。通过利用对应于OCV的SOC的数据表来确定SOC。

根据本发明的方面，可在短时间内快速地估计OCV。因此，可以提供用于精确估计SOC的电池管理系统及其驱动方法。

此外，由于防止了由于测量OCV中的误差而导致的SOC估计误差，所以可以提供用于防止电池过充电和过放电的电池管理系统及其驱动方法。

虽然不是在所有方面需要，但是所述方法的元件可以实现为与一个或多个处理器和/或计算机一起使用的软件和/或固件。而且可以采用用于执行该方法的计算机和/或处理器可执行指令来对处理器和/或计算机可读介质进行编码。

此外，虽然将本发明的方面实现为交通工具的电池管理系统，但是可以以任意可充电电池系统来实现本发明的方面。

另外，虽然将本发明的方面实现为检测第一时间数据和第二时间数据，但是本发明的方面可以检测可充电电池的与至少一个时间对应的至少一个电压，以基于所述至少一个时间和所述至少一个电压来确定可充电电池的开路电压(OCV)，并确定可充电电池的与所确定的OCV对应的SOC。

虽然已经示出和描述了本发明的一些方面，但是本领域技术人员应该了解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对本发明的方面做出改变，本发明的范围限定在权利要求及其等同物中。

Claims

1、一种电池管理系统的驱动方法，其中，所述电池管理系统用于确定在电池管理系统中使用的电池的充电状态，该驱动方法包括：

当电池不进行充电和放电时，测量第一时间和第二时间，检测与第一时间对应的第一电池电压和与第二时间对应的第二电池电压，其中，第一时间对应于由电池的内阻而导致的影响被消除的时刻，第二时间对应于在由内阻而导致的电阻的影响被消除之后，为了去除由电解质扩散而导致的极化从第一时间经过预定时间的时刻；

产生包括第一时间、第一电池电压、第二时间和第二电池电压的线性方程；

通过利用线性方程来估计电池的开路电压；

接收所估计的开路电压；

利用用于确定与开路电压对应的充电状态的表；

确定充电状态。

2、如权利要求1所述的驱动方法，其中，产生线性方程的步骤包括由经过与第一时间对应的坐标(V1)和与第二时间对应的坐标(

V2)的斜线产生给出的如

Y = \frac{V 2 - V 1}{\frac{1}{\sqrt{T 2}} - \frac{1}{\sqrt{T 1}}} \times X + A

的线性方程，当X轴坐标值为0时将Y轴坐标值估计为开路电压，其中，X表示参数

Y表示电压参数。

3、一种用于获得可充电电池的充电状态的电池管理系统的驱动方法，该驱动方法包括：

当可充电电池不进行充电和放电时，测量两个时间，其中，在电池的内阻的影响被消除时、经过预定的时间段以去除由电解质的扩散而导致的极化之后，测量所述两个时间；

检测可充电电池的与所述两个时间中的每个对应的两个电压；

基于所测量的两个时间和所检测的两个电压产生线性方程；

通过利用所述线性方程来估计可充电电池的开路电压；

确定可充电电池的与所确定的开路电压对应的充电状态。

4、如权利要求3所述的电池管理系统的驱动方法，其中，开路电压为所述线性方程的Y-截距。

5、一种用于获得可充电电池的充电状态的方法，该方法包括：

当可充电电池不进行充电和放电时，测量第一时间和第二时间，从电池电压中检测分别与第一时间和第二时间对应的第一电池电压和第二电池电压，其中，第一时间对应于由电池的内阻而导致的影响被消除的时刻，第二时间对应于在由内阻而导致的电阻的影响被消除之后，为了去除由电解质扩散而导致的极化从第一时间经过预定时间的时刻；

利用所述线性方程表示出的电压与时间的平方根呈反比的关系来确定可充电电池的开路电压；

确定可充电电池的与所确定的开路电压对应的充电状态。