CN101199096A - 控制电池的充电/放电电压的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露电池充电与放电的控制方法与装置，是依据电池单元的充电状态来防止过度充电与放电，并且解决因为过度充电/放电而造成电池单元寿命缩短的问题。上述方法是包括估计电池最大功率步骤、测量电压步骤、防止超出预设电压限制范围检查步骤、以及控制充电或放电功率的步骤。其中该预设电压限制范围是依据所估计的最大电池功率而设定，当检查的电压超出该预设电压限制范围时，即可控制充电或放电电压以确保电池单元不会超过充电或放电。

Description

控制电池的充电/放电电压的装置和方法

技术领域

本发明是关于一种依据电池单元的状态来控制功率限制的方法，以避免对使用于混合车辆(HEV)中的电池单元的过度充电以及放电。

背景技术

一般而言，混合车辆(HEV)上会装载电池组，在所述电池组中，数十个电池单元串联在一起。电池组可用的最大充电以及放电功率是依据电池组的充电状态(SOC)以及温度而控制的。以下将基于传统充电和放电控制来描述电池组的最大可用的充电和放电功率的实例，其中所述传统的充电和放电控制利用了由充电和放电内部电阻构成的电池特性模型。

首先，由于电池组的内部电阻是根据其SOC及温度而改变的，通过测试，对于每一SOC在每个温度处测量所述内部电阻。在测量内部电阴的方法中，当电流流过该电池组时，该内部电阻值被确定为由电压变化除以该电流的值。所获得的内部电阻值存储在存储器中。该电池组的实际功率是根据方程式(1)通过该内部电阻而估算的。

$P=I\×\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{R}\×\mathrm{\ΔV}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}^2}{R}$

ΔV＝V_LIMIT-V_CURRENT                   (1)

在方程式(1)中，负值表示放电功率，而正值则表示充电功率。另外，内部电阻R是依据每种状态的SOC以及温度的存储在存储器中的内部电阻值，并且将内部电阻值代入方程式(1)中。

同时，每一电池单元被初始地安装在车辆上时，都具有相同的性能，由此，车上电机的功率可依据电池组的最大功率来控制。

然而，当行车里程数增加时，在各电池单元之间会产生性能偏差。因此当充电及放电过程持续地根据电池组的最大功率来进行时，有些电池会在超过可用的充电及放电功率的情况下被充电或放电，如同图1所示。

上述方法中，车上电机的功率是依据电池组的最大功率来控制的，所以当车辆运行时，部分退化的电池单元会被过度充电或是放电。这将导致加速不同电池单元之间的性能差异，因而急速地减少电池组的寿命。

发明内容

因此，为了解决上述问题而做出了本发明，其目的是提供充电及放电装置与方法，可依据电池单元的状态来防止电池单元的过度充电及放电，以解决由于电池组的部分单元的过度充电与放电而造成通常的电池组的寿命迅速减少的问题。

根据本发明的一方面，提供一种用于控制电池的充电与放电功率的方法。所述方法包括估算电池的最大功率、测量电池组或电池单元的电压、检查电池组或电池单元的电压是否偏离了预设限制范围从而与最大功率相对应、以及当电池组或电池单元的电压偏离了预设限制范围时，控制电池组的充电或放电功率。

附图说明

图1是电池单元处发生的过度充电和过度放电的情况的曲线图。

图2和3示出了根据充电状态(SOC)和温度的充电功率和放电功率的特性。

图4示出了电池退化速率的特性。

图5示出了根据本发明示例性实施例的电池控制器的结构。

图6和8示出了根据本发明的用于控制电池组的充电或放电功率的方法的流程图。

图7示意性地示出了每个部分的电池组中的每个电压的可用电压。

具体实施方式

现将参考本发明的示例性实施例进行说明。

本发明估计电池的最大功率，并且利用所估算的电池的最大功率和电压来调整电池的充电与放电功率。

首先依据本发明的示例性实施例，描述有关获得用于估计电池的最大功率的计算方程式的过程。

测试者依据至少一个电池的充电状态(SOC)提取出电池的最大充电和放电功率，其中利用所述电池驱动车辆，并且检测SOC与上述的最大充电和放电功率之间的相关性。

其后，测试者在可以驱动车辆的多个温度处提取出电池的最大功率，并且检测温度与最大功率之间的相关性。上述测试者在车辆行驶过程中，依据电池的放电，提取出电池功率的退化速率，并检测上述退化速率与放电之间的相关性。

根据如图2与图3的曲线图所示的温度和SOC来表示充电功率与放电功率。因此，在特定温度下的功率可被近似如以下方程式(2)所示。

Power＝C₀+C₁*SOC¹+C₂*SOC²+C₃*SOC³+C₄*SOC⁴+C₅*SOC⁵(2)

在方程式(2)中，C_x是常数，而SOC^x则表示SOC的第x次方。C_x＝F(temp)_x是依据温度而确定的。

C_x能被近似如下方程式(3)。

C_x＝F(temp)_x＝D₀+D₁*temp¹+D₂*temp²(3)

在方程式(3)中，D_x是不变的常数，且temp^x则表示temp的第x次方。

根据温度与SOC之间的相关性，充电功率以及放电功率可表示电池的最大功率Powermax，如方程式(4)所示。

Powermax＝F(SOC，temp，累计放电Ah)

＝F(SOC，temp)xF(累计放电Ah)(4)

在方程式(4)中，F(累计放电Ah)表示根据车辆行驶的电池退化速率。

一般而言，电池的退化与其使用量成比例，其特性如图4所示，该特性被称为电池退化速率，并且可以利用以下方程式(5)来近似。

F(累计放电Ah)＝C5k5+C4k4+C3k3+C2k2+C1k+C0(5)

在方程式(5)中，C5到C0皆为常数，k落在[0，300000]的范围内，且当被输入函数作为输入值时被变换并输入为[-1，1]范围的值。

以下为根据方程式(5)计算退化速率的实例：

F(累计放电Ah)＝-16.3986k5+15.0026k4+13.3074k3-8.38689k2-7.96289k+82.3028。

因此电池的最大功率可由方程式(6)来近似，如下所示。

Power_max＝{F(temp)₅×SOC⁵+F(temp)₄×SOC⁴+F(temp)₃×SOC³+

F(temp)₂×SOC²+F(temp)₁×SOC+F(temp)₀}×

(C₅k⁵+C₄k⁴+C₃k³+C₂k²+C₁k+C₀)(6)

因此，本发明的示例性实施例将被描述为，根据方程式(6)估算电池的最大功率，且利用所估算的该电池最大功率及电压可以调节电池的充电功率与放电功率。

首先，将参考图5描述应用于本发明的电池控制器的结构。

根据本发明的示例性实施例，控制器100执行调节电池的充电功率与放电功率的处理。换句话说，上述控制器100根据方程式(6)考虑温度、SOC、及退化速率来估算电池的最大功率，测量电池的电压，且可利用电池的最大功率与电压调节电池的充电功率以及放电功率。

根据本发明的示例性实施例，存储器102储存了各种信息，包括控制器100的处理程序以及特别是电池单元或电池组的电压限制的信息，上述信息与每个电池的最大功率相对应。

电压表104测量对应于电池组或电池单元的电压，并将结果提供给控制器100。

温度传感器106测量温度，并将结果提供给控制器100。

SOC估算器108估算对应电池的SOC，并且将结果提供给控制器100。

现在，将根据本发明的示例性实施例详细描述适用于电池控制装置的方法。

此外，将参考图6描述利用从电池单元测量的电压的方法。

上述控制器100通过温度传感器106以及SOC估算器108测量温度与SOC(S200)，并且根据上述方程式(6)估算出电池组的最大功率(S200和S202)。

接着，上述控制器100通过电压表104测量出电池单元的电压(S204)。

当测量出电池单元的电压，控制器100将与电池的估算最大功率相对应的电压限制与电池单元的测量的电压限制相比较，其中所述电池的估算最大功率预先存储在存储器102中(S206)。若至少一个测量的电压限制高于预先设定的电压限制，则上述控制器降低电池组的可用充电与放电功率。相对的，若至少一个测量的电压限制低于预先设定的电压限制，则上述控制器将增加电池组的可用充电与放电功率(S208)。可用充电与放电功率的增加或是减少宽度可以预先确定，优选的范围是在2％至10％之间。

进一步说明，由图7逐个部分地说明电池组中的电池单元的可用电压。上述的可用电压考虑了工作期间电池的安全以及寿命。举例来说，如图所示，LG公司的电池组的可用电压范围介于2.5伏到4.3伏的范围之间。该范围依据公司、电池型号、以及电池版本而改变。

当使用估算的电池功率进行充电时，如果单元电压超过4.3伏时，则控制器100会减低充电功率，并且当单元电压低于4.2伏时，控制器100会增加充电功率。反之，在放电时，如果单元电压低于2.5伏时，则控制器100会减低放电功率，并且当单元电压超过2.8伏时，控制器100则会增加放电功率。

此时，依据本发明的示例性实施例，充电和放电期间功率的增加与减少的宽度被控制在2％至10％的范围之内。

用这方式，当电池单元的电压在充电或放电期间偏离电压限制时，电池的功率可根据该偏离而调整。如果串联连接的电池均衡性很好，且准确地测量了SOC及温度，则在进行充电时的估算功率之内，上述单元电压不会超出可用值的范围。然而，倘若电池单元电压超过上述电压限制，则可以判定功率估算由于某种因素而出错了。当电池单元电压持续超过电压限制，则有可能发生爆炸或是起火。因此，上述控制器100降低电池功率，因而降低电池单元电压至电压限制之下。

请参照图8，描述了利用电池单元的测量电压的另一方法。

控制器100通过温度传感器106以及SOC估算器108测量温度与SOC，并且根据上述方程式(6)估算电池组的最大功率(S300和S302)。

接着，控制器100通过电压表104测量电池组的电压(S304)。

当测量出电池组的电压之后，控制器100可将预先存储在存储器102中的电池组的电压限制与电池组的测量电压进行比较(S306)。若测量的电压大于与电池的估算最大功率相对应的电压限制，则控制器100降低电池组的可用充电与放电功率。相对的，若测量的电压低于电压限制，则控制器增加电池组的可用充电与放电功率(S308)。可用充电与放电功率的增加或是减少的宽度可以预先确定，优选的范围是在2％至10％之间。

工业实用性

如同之前所述，依据本发明，由于使用时间超过预定时间而造成电池组的各单元之间性能产生差异，因此当HEV的电池组具有这种防止过度充电与过度放电的方法后，可以依据低性能的电池单元来控制其功率，所以可避免电池单元的过度充电与过度放电。因此，可以防止电池单元的过度充电与过度放电而造成电池的急速退化，并且可增加电池组的寿命。

尽管参考被认为是最实用以及示例性的实施例而呈现了本发明，然而应当理解，本发明不限于所公开的实施例和附图，而相反，旨在覆盖落入本发明的精神和保护范围的各种变化和变形。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1. 一种控制电池的充电或放电功率的方法，所述方法包括下列步骤：

利用电池的SOC(充电状态)、温度以及根据电池累计放电的退化速率作为各因素，来估算电池的最大功率；

测量电池单元或电池组的电压；

检查该电池单元或电池组的测量电压是否偏离了预设的限制范围，从而对应于最大功率；以及

控制电池的充电或放电功率，由此将所测量的电压调节到预设限制范围中。

2. 如权利要求1所述的方法，其中，该电池的最大功率是由如下函数计算的，所述函数是：利用电池SOC、温度和最大功率之间的相关性获得的函数，以及利用根据以下方程式的电池的最大功率和电池的退化速率之间的相关性而获得的函数：

Powermax＝F(SOC，temp)x F(累计放电Ah)。

3. 如权利要求1所述的方法，其中，该控制电池的充电或放电功率的步骤包括如下子步骤：

当至少其中一个测量电压高于预设限制范围的电压时，降低电池组的可用充电或放电功率；以及

当至少其中一个测量电压低于预设限制范围的电压时，提高电池组的可用充电或放电功率。

4. 一种电池控制装置，其包括：

温度传感器；

充电状态(SOC)估算器，用于估算电池的SOC；

电压表，用于测量电池组或电池单元的电压；以及

控制器，用于：

利用温度、SOC和根据电池累计放电的退化速率作为各因素，来估算该电池的最大功率；

利用电压表来测量电池组或电池单元的电压；

检查所测量的电压是否偏离了预设限制范围，从而对应于最大功率；以及

当所测量的电压偏离了预设限制范围时，控制电池的充电或放电功率。

5. 如权利要求4所述的电池控制装置，其中，该电池的最大功率是由如下函数计算的，所述函数是：利用电池的SOC、温度和最大功率之间的相关性而获得的函数，以及利用电池的退化速率和根据下列方程式的电池最大功率之间的相关性而获得的函数：

Powermax＝F(SOC，temp)x F(累计放电Ah)。

6. 如权利要求4所述的电池控制装置，其中通过：

当至少其中一个测量电压高于预设限制范围的电压时，降低该电池组的可用充电或放电功率；以及

当至少其中一个测量电压低于预设限制范围的电压时，提高该电池组的可用充电或放电功率，

从而执行电池的放电或充电功率控制。

Claims (6)

1.一种控制电池的充电或放电功率的方法，所述方法包括下列步骤：

估算该电池的最大功率；

测量电池单元或电池组的电压；

检查该电池单元或电池组的电压是否偏离了预设的限制范围，从而对应于最大功率；以及

当电池单元或电池组的电压偏离了预设的限制范围时，控制电池的充电或放电功率。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该电池的最大功率是由下列方程式计算得到的，该方程式是根据电池的充电状态(SOC)、电池的最大充电和放电功率、以及温度之间的相关性而近似的，电池的最大功率：

Powermax＝F(SOC，temp，累计放电Ah)

        ＝F(SOC，temp)×F(累计放电Ah)。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该控制电池的充电或放电功率的步骤还包括如下子步骤：

当至少其中一个测量电压高于预设限制范围的电压时，降低电池组的可用充电与放电功率；以及

当至少其中一个测量电压低于预设限制范围的电压时，提高电池组的可用充电与放电功率。

4.一种电池控制装置，其包括：

温度传感器；

充电状态(SOC)估算器，用于估算电池的SOC；

电压表，用于测量电池组或电池单元的电压；以及

控制器，用于：

利用温度与SOC来估算该电池的最大功率；

利用电压表来测量电池组或电池单元的电压；

检查电池组或电池单元的电压是否偏离了预设限制范围，从而对应于最大功率，以及

当电池组或电池单元的电压偏离了预设限制范围时，控制电池的充电或放电功率。

5.如权利要求4所述的电池控制装置，其中，该电池的最大功率是由如下方程式计算得到的，该方程式是根据电池的SOC、电池的最大充电和放电功率、以及温度的相关性而近似得到的，电池的该最大功率：

Powermax＝F(SOC，temp，累计放电Ah)

        ＝F(SOC，temp)×F(累计放电Ah)。

6.如权利要求4所述的电池控制装置，其中：

当至少其中一个测量电压高于预设限制范围的电压时，降低该电池组的可用充电与放电功率；以及

当至少其中一个测量电压低于预设限制范围的电压时，提高该电池组的可用充电与放电功率，

从而执行电池的放电或充电功率的控制。

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