CN101911429A - 一种平衡高压电池组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压电池组的电池平衡方法，该方法包括以下步骤：a)测量组成所述电池组的各个电池的电动势；b)基于所述所述各个电池的电动势来选择要进行平衡的电池；c)计算用于对所述要进行平衡的电池进行平衡的总电荷量；d)通过在对所述要进行平衡的电池进行平衡时对所述平衡所消耗的电流量进行累积来获得累积电荷量；以及e)当所述累积电荷量等于所述总电荷量时，结束对所述要进行平衡的电池的平衡。

Description

一种平衡高压电池组的方法

技术领域

本发明涉及一种用于高压电池组的电池平衡方法，更具体而言，涉及一种能够防止电池组(其串联/并联了多个电池)中的多个电池之间的充电状态(SOC：state of charge)差异的电池平衡方法。

背景技术

串联/并联了多个电池的高压(至少60V)电池系统会由于电池制造过程、电容差异(capacity difference)和在被驱动之前/之后的自放电效应而在这些电池之间出现电压偏差，并且，会由于在被驱动之后该电池系统内部温度的不规则性和该电池组内的结构差异而在这些电池之间出现电压偏差。

这种电压偏差会随着车辆中安装的电池的操作而妨碍电池电压不规则性，这进一步会导致电池的劣化和寿命的缩短。

因此，这种高压电池系统通过安装电池平衡电路来减小电池之间的电压偏差。电池平衡电路连接到作为电池控制器的电池管理系统(BMS)。电池平衡电路包括采用电阻放电方法的无源电池平衡电路和DC/DC转换器的有源电池平衡电路。

现有的无源电池平衡电路通过实时电压测量来获得电池之间的电压偏差，并基于该信息来确定是否进行平衡操作。换言之，采用电压反馈方法的闭环电路使得能够通过实时电压测量来确定开始和结束平衡。

韩国特许公开No.2005-0003852涉及配备有了多个电池的电池组的电池平衡方法，该方法包括以下步骤：检测多个电池中的各个电池的电压的步骤；计算所检测到的多个电池电压的平均值的步骤；基于所计算的电压平均值来设置平衡目标范围的步骤；确定是否存在所检测到的电池电压位于在所述平衡目标范围内的要进行平衡的电池的步骤；如果确定存在要进行平衡的电池，则选择出要进行平衡的电池中的最高电压电池和最低电压电池的步骤；以及平衡这些电池的步骤，其中，通过将该最高电压电池和该最低电压电池并联，使得该最高电压电池放电并且该最低电压电池相应地充电，直到达到所述电压平均值为止。

韩国专利登记No.0680901涉及一种配备有主模块以及多个从模块的电池管理系统，该系统包括以下步骤：对在主模块中管理各个从模块的电池组模式进行确认的步骤；如果作为确认结果，所述电池组处于充电模式、空闲模式或者放电模式中的任何一种，则通过对设置在所述电池组中的各个电池的电池电压进行监视来选择最低电池电压的步骤；将所选择的最低电池电压与所监视的各个电池的电池电压进行比较，以针对电压差大于预定阈值的电池进行放电达到预定放电时长的步骤；以及通过重复地进行选择所述最低电池电压的步骤、确认所述阈值范围的步骤、和进行放电的步骤，直到所述各个电池之间的电压差不超出所述阈值为止，来对所述电池组进行电池平衡的步骤。

美国专利公开No.2007-0194791涉及一种通过测量内部电阻来对电池状态进行监视的方法，该方法包括以下步骤：在将所述电池连接到第一外部电阻器之后，测量施加于所述电池的电压和施加于所述第一外部电阻器的电压中的各个电压的步骤；在将所述电池连接到第二外部电阻器之后，测量施加于所述电池的电压和施加于所述第二外部电阻器的电压中的各个电压的步骤；利用根据施加于所述第一外部电阻器的电压和施加于所述第二外部电阻器的电压所计算出的电流值、当连接了所述第一外部电阻器时施加于所述电池的电压、以及当连接了所述第二外部电阻器时施加于所述电池的电压来计算所述电池的电阻值，以便将所述电阻值与预定电阻值进行比较的步骤；以及如果所述电池的电阻值异常则发出告警的步骤。

美国登记专利No.6424157涉及一种对设置在车辆中的电池的状态进行监视的方法，其中，该方法计算电池的动态内部电阻IR、动态极化电阻PR、静态电压(Quiescent voltage)，并且，基于所述计算值、基于当启动发动机时利用测量所述电池电压值的传感器所得到的电压值、并且基于当启动发动机时利用测量所述电池的耗用电流(current drain)的传感器所得到的电流值，来计算正确的充电状态(SOC)。

韩国特许专利公开No.05-055358涉及一种对串联电池进行平衡的方法，其中，该方法包括以下步骤：测量所述串联电池的充电电平的步骤；通过根据所述各个电池的充电电平来调整所述各个电池的充电电流等级来执行平衡步骤的步骤；以及通过重复上述步骤来平衡所述电池的步骤。

然而，如果像韩国特许专利公开No.2005-0003852中一样通过测量电池电压来进行平衡，则该电池电压可能包含电动势、电阻元件电压以及极化电压的特性，这些因素由于对根据进行驱动时的电流量生成非线性电压的反应而引起。换言之，通过对该电动势、IR电压和极化电压进行求和来表示该电池的端电压。然而，该电流在车辆行驶状态中频繁流动，因而，在一个端点处所测得的电压由于IR电压和极化电压的作用而与该电池的电动势不同。即使该电流并不流经车辆，但是由于电池平衡本身，所以平衡电流仍然也会流动，从而不能得到正确的电动势。

电池平衡的主要目标是将电池之间的电动势保持在同一水平。然而，如果平衡电流流动，则难以基于实时端电压通过电池平衡逻辑来将电动势正确地控制在所希望的电平上。

因为可能出现使得失去的电动势大于目标电池电压的逆向现象(reverse phenomenon)(这是由于相对于该电动势而高估了端电压)，所以，处于平衡过程中的电池可能会有不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电池组(其串联、并联、或者串联/并联了多个电池)的、在不受IR电压和极化电压的影响的情况下基于所测量到的电池电动势的电池平衡方法，并且，本发明的另一个目的在于提供一种用于组成电池组的各个电池的、基于通过计算进行平衡所需要的总电荷量而得到的数值而不是基于实时测量的端电压的电池平衡方法。

一种根据本发明的用于高压电池组的电池平衡方法，该方法包括以下步骤：a)测量组成所述电池组的各个电池的电动势；b)基于所述所述各个电池的电动势来选择所述要进行平衡的电池；c)计算用于对所述要进行平衡的电池进行平衡的总电荷量；d)通过在对所述要进行平衡的电池进行平衡时对所述平衡所消耗的电流量进行累积，获得累积电荷量；以及e)当所述累积电荷量等于所述总电荷量时，结束对所述要进行平衡的电池的平衡。

步骤a)中测量所述各个电池的电动势的步骤还包括以下步骤：a1)识别是否存在不从所述电池组向连接到所述电池组的负载提供电流的零电流状态(zero current state)；a2)如果存在所述零电流状态，则当所述零电流状态的持续时长大于第一阈值时长t1时，测量组成所述电池组的各个电池的端电压，以便将所测量到的各个电池的端电压用作所述各个电池的电动势；a3)如果不存在所述零电流状态，则当所述电池组的小于阈值电流量i1的电流的流动时长大于第二阈值时长t2时，测量组成所述电池组的各个电池的端电压，以便将所测量到的各个电池的端电压用作所述各个电池的电动势。

如果将该电流施加于连接到该电池组的负载(例如，如果驱动车辆)，则由于流动的电流较多并且电流量会急剧变化，所以当该电池组向该负载提供该电流时，所测量到的电压很可能不是该电池的真正电动势(开路电压)。

根据本发明的电池平衡方法基于可信的电动势、而不是基于不正确的端电压，来选择要进行平衡的电池，对各个电池进行平衡，并且计算进行平衡所需要的总电荷量。

如上所述，端电压的误差是由IR电压和极化电压所引起的。当保持零电流状态达到预定时长时，将所测量到的端电压作为电池电动势。

此外，如果不存在零电流状态，则当流过该电池组的电流量足够小而可以忽略由IR电压所引起的误差(低电流状态)、并且保持这种低电流量的状态达到预定时长而可以忽略极化电压时，测量该端电压并将其用作电池的电动势。

因此，可以在不存在由于IR电压所引起的误差以及由于极化电压所引起的误差的情况下，得到电池的正确电动势，因而可以利用该电动势进行平衡。

此处，所述零电流状态所保持的所述第一阈值时长t1优选地是30秒至60秒。如果所述第一阈值时长t1少于30秒，则不能排除由于极化电压而产生的影响，并且，如果所述第一阈值时长t1超过60秒，则可略微提高排除极化电压的效果，但是所述零电流状态的可能性较低，因而难于实现高效的平衡。

并且，所述低电流状态所保持的所述第二阈值时长t2优选地是30秒至60秒。如果所述第二阈值时长t2少于30秒，则不能排除由于极化电压(极化电压取决于所述低电流状态之前流动的电荷量)而产生的影响，并且，如果所述第二阈值时长t2超过60秒，则可略微提高排除极化电压的效果，但是所述零电流状态的可能性较低，因而难于实现高效的平衡。

确定所述低电流状态的所述阈值电流量i1优选地最高为3A。如果所述阈值电流量i1超过3A，则不能排除由于IR电压和极化电压所引起的误差。因为如果流动的电流量有限则所述零电流状态改变为所述低电流状态，因此，所述阈值电流量i1的下限没有意义。实质上，所述阈值电流量i1大于典型的电流传感器所能测量的最小电流0.01A。

按照预定的时间间隔来测量所述电流，以便确定是否保持所述零电流状态或保持所述低电流状态超过了预定时长，并且，优选的是，按照0.01秒至0.1秒的时间间隔来测量所述电流。

通过大量实验和计算，来针对用于需要较高电压及较大电流的电池组(具体地说，锂离子电池组和聚合物锂离子电池组)的电动车辆或混合动力车辆的电池组而确定第一阈值时长t1、第二阈值时长t2、或者阈值电流量i1。

所述步骤b)基于步骤a)中所获得的所述电池的电动势来选择所述要进行平衡的电池，并且优选的是，基于所述电池的最小电动势，来选择出距离该最小电动势的偏差大于所允许的偏差的电池作为要进行平衡的电池。此处，所述偏差是通过将组成所述电池组的所述各个电池的电动势减去该最小电动势的差值除以该最小电动势而得到的百分比。

对偏差超过所允许的偏差的要进行平衡的电池执行所述平衡步骤，以便得到所述允许的偏差之内的偏差。

优选的是，所述所允许的偏差的范围为2％至5％。如果所允许的偏差小于2％，则均衡效果较低、而要进行平衡的电池数量较大，因而，平衡效果降低，并且，如果所允许的偏差超过5％，则不能实现所述均衡。

此处，步骤b)利用所述电动势和充电状态(SOC)的查找表来获得与所述电池的电动势对应的充电状态(SOC)，因而，可以基于所述电池的充电状态(SOC)而不是基于所述电池的电动势来执行步骤b)。如果基于所述SOC而不是基于所述电池电动势来执行步骤b)，则所述偏差成为通过将各个电池的SOC减去最低SOC的差值除以该最低SOC而得到的百分比，并且，可以通过该查找表将所允许的偏差改变为合适SOC的所允许的偏差。

在步骤b)中基于电动势或SOC而选择出所述要进行平衡的电池之后，在步骤c)中计算对所述要进行平衡的电池进行平衡所需要的总电荷量。

优选的是，通过利用所述电动势和SOC的查找表而获得与所述要进行平衡的电池的电动势相对应的要进行平衡的电池的SOC、并且获得与具有最小电动势的电池的电动势相对应的最低SOC，基于所述要进行平衡的电池的SOC和最低SOC来计算所述总电荷量。

优选的是，所述总电荷量是所述要进行平衡的电池的充电状态(SOC)减去最低充电状态(SOC)的差值，或者是满足以下条件的电荷量：在所述要进行平衡的电池的充电状态(SOC)减去所述总电荷量之后，要进行平衡的电池的电荷量数值落入在所允许的偏差之内。

在经由步骤c)计算了所述总电荷量之后，对所述要进行平衡的电池进行平衡。对所述要进行平衡的电池进行的平衡可以是利用电阻器的无源平衡，也可以是利用DC/DC转换器的有源平衡。

步骤d)中的累积电荷量通过以下步骤获得：按照规则的时间间隔测量所述要进行平衡的电池的端电压；利用该端电压及充电状态(SOC)的查找表找到在规则时间间隔内所消耗的平衡电荷量；并且累积所述平衡电荷量。

换言之，当发起对所述要进行平衡的电池的无源平衡或有源平衡时，同时按照预定的时间间隔来测量所述要进行平衡的电池的端电压，并且利用该端电压及SOC的查找表来得到与所测量到的端电压相对应的SOC值。因此，位于同特定时刻所测量到的端电压相对应的SOC与同从该特定时刻开始预定时长之后的端电压相对应的SOC之间的差值成为在预定时间间隔内所消耗的平衡电荷量，因而，可以通过累积所述平衡电荷量来获得所述累积电荷量。当所述累积电荷量等于总电荷量时，即已完成对所述要进行平衡的电池进行的平衡。优选的是，按照0.1秒至1秒的时间间隔来测量所述要进行平衡的电池的端电压。

此时，为了补偿由于温度差异所引起的误差，步骤b)或步骤c)中所使用的查找表是所述电动势、所述温度与所述充电状态(SOC)的两维查找表，在该表中，所述电动势位于一个轴，所述温度位于另一个轴。

此外，为了补偿由于温度差异所引起的误差，步骤d)中所使用的查找表是所述端电压、所述温度与所述充电状态(SOC)的两维查找表，在该表中，所述电动势位于一个轴，所述温度位于另一个轴。

所述用于高压电池组的电池平衡方法的优点在于，因为可以通过在不受IR电压和极化电压的影响的情况下测量可信的电池电动势来进行平衡，因此，可以正确地进行平衡，并且，因为可以基于进行平衡所需要的总电荷量来完成平衡，因此，可以在操作有源或无源平衡电路时排除误差，从而可以使得平衡的效果最优，因而可以减小电池之间的偏差，从而可以进一步延长电池寿命。

附图说明

根据以下结合附图所给出的优选实施方式的说明，本发明的上述和其它目的、特征及优点将变得更明显，在附图中：

图1是示出了实现根据本发明的电池平衡方法的装置的一个例子的框图；以及

图2是示出了根据本发明的电池平衡方法的顺序图。

主要元件的详细描述

110：电池组                120：电流传感器

130：电压传感器            140：温度传感器

150：控制单元              160：实时时钟

170：存储器                180：平衡单元

190：负载                  121、131、141：ADC

具体实施方式

此后，将参照附图详细描述根据本发明的适配器类型的电源装置。作为例子而提供这些附图，足以向本领域技术人员传达本发明的构想。

因此，本发明并不限于此后所示的附图，而是可以以另外的形式进行指定。此外，在本发明随后的全部详细描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

此时，如果本文使用的技术术语和科学术语没有任何其它定义，则它们具有本领域技术人员通常所理解的意义。此外，在以下描述和附图中，将省略可能会不必要地模糊本发明主题的已知功能和结构。

图1是示出了实现根据本发明的电池平衡方法的装置的一个例子的框图。该装置配备有连接到电池组110的电流传感器120，以便测量从电池组110流向负载190的电流，其中，电池组110具有串联、并联、或者串联/并联的多个电池(组成电池组的单个电池)，该装置还配备有电压传感器130、温度传感器140、平衡单元180以及控制单元150，其中，电压传感器130测量组成电池组110的各个电池的电压，温度传感器140测量电池组110的温度，平衡单元180对要进行平衡的电池执行平衡，控制单元150的输入是来自电流传感器120、电压传感器130、温度传感器140和实时时钟160的输出以及存储器170中预先存储的数据，控制单元150通过对零电流状态或低电流状态进行区分来获得可靠的电动势，选择要进行平衡的电池，计算进行平衡所需要的电流总量，并控制平衡单元180。如图1所示，如果电流传感器120、电压传感器130或者温度传感器140的输出是模拟输出，则可将传感器120、130、140各个输出连接到模拟-数字转换器(ACD)121、131、141。此时，可以为电压传感器130配备用于测量电压的电压测量电路单元(未图示)以及将各个电池端子连接到该电压测量电路单元的开关部件(未图示)，并且，通过控制单元150来控制电压传感器130的操作。通过控制单元150来分别控制电流传感器120和温度传感器140的操作。平衡单元180配备有包含电阻器的放电电路、包含DC/DC转换器的充电电路、或者包含充电/放电电路的平衡电路(未图示)以及将各个电池端子连接到该平衡电路的开关部件(未图示)，并且，通过控制单元150来控制平衡单元180的操作。

图2是示出了根据本发明的电池平衡方法的顺序图，并且将根据本发明基于图1所示框图的例子来描述所述电池平衡方法。

在获取各个电池电动势的步骤s10中，控制单元150基于电流传感器120所测量到的电流值来对零电流状态或低电流状态进行区分，利用实时时钟160来对零电流状态所保持的时长是否大于存储器170中所存储的第一阈值时长t1进行区分，如果零电流状态所保持的时长大于第一阈值时长t1，则利用电压传感器130来测量单个电池的端电压，并且，将电压传感器130的端电压作为各个电池的电动势。

如果经由电流传感器120输入到控制单元150的电流值小于存储器170中预先存储的阈值电流量i1，则将其确定为低电流状态，并且，确定当按照均匀的时间间隔通过电流传感器120将电流输入到控制单元150时是否保持在低电流状态。如果低电流状态所保持的时长大于存储器170中预先存储的第二阈值时长t2，则利用电压传感器130来测量单个电池的端电压，并将电压传感器130的端电压作为单个电池的电动势。控制单元150按照均匀的时间间隔来驱动电流传感器120，以便区分是否保持在低电流状态，并且优选的是，使用电流传感器120的电流测量时间间隔是0.01秒至0.1秒。

在获得各个电池的电动势(s10)之后，控制单元150基于各个电池的电动势来选择要进行平衡的电池(s20)。

优选的是，选择偏差超过基于最小电动势的所允许的偏差的电池，作为要进行平衡的电池。此时，在存储器170中预先存储所允许的偏差。

可以利用电动势、温度与充电状态(SOC)的查找表(该查找表预先存储在存储器170中)来获取与各个电池的电动势相对应的充电状态(SOC)，以便基于电池的充电状态(SOC)而不是基于电池的电动势来执行选择要进行平衡的电池的步骤(s20)。

此处，优选的是，在步骤s10中测量用作电池电动势的各个电池的端电压之前或之后，通过控制温度传感器140的操作来向控制单元150输入温度，并且，控制单元150从电动势、温度与充电状态(SOC)的查找表中获得对应的充电状态(SOC)。

在通过控制单元选择要进行平衡的电池(s20)之后，在平衡步骤s40之前，计算进行平衡所需要的总电荷量Qt(s30)。利用预先存储在存储器170中的电动势、温度与充电状态(SOC)的查找表，基于与要进行平衡的电池的电动势相对应的要进行平衡的电池的充电状态(SOC)并且基于与具有最小电动势的电池的电动势相对应的最低充电状态(SOC)，来计算总电荷量Qt。通过控制单元150计算得到的总电荷量Qt是该电池的充电状态(SOC)减去最低充电状态(SOC)的差值，或者是满足以下条件的电荷量：在要进行平衡的电池的充电状态(SOC)减去总电荷量Qt之后，要进行平衡的电池的电荷量数值落入在所允许的偏差之内。

在通过控制单元150计算了总电荷量Qt之后，对要进行平衡的电池进行平衡(s40)。此时，在通过控制平衡单元180来对要进行平衡的电池进行平衡的同时，通过控制电压传感器130按照规则的时间间隔来将正被平衡的要进行平衡的电池的端电压输入给控制单元150。控制单元150利用按照规则的时间间隔输入给控制单元150的端电压以及存储器170中预先存储的端电压、温度与充电状态(SOC)的查找表来获取与端电压输入相对应的充电状态(SOC)，并且，基于按照规则的时间间隔所获取的充电状态(SOC)获得针对规则的时间间隔的平衡电荷量(＝在特定时刻所获得的充电状态(SOC)-在所述特定时刻消耗之前所获得的充电状态(SOC))，并且，通过累积平衡电荷量来获得累积电荷量。此时，通过将累积电荷量与总电荷量进行比较，当累计电荷量等于总电荷量时，控制单元150通过控制平衡单元180来完成平衡。优选的是，在平衡过程中，测量端电压的时间间隔是0.1秒至1秒。

此时，在完成了对要进行平衡的电池进行的平衡之后，通过重复步骤s10至步骤s50按照连续循环来对电池组进行电池平衡(s60)。当累积电荷量等于总电荷量时，平衡完成，但是，在累积电荷量大于总电荷量Qt的时刻，平衡基本上完成。

在根据本发明的电池平衡方法中，存储有参考参数和查找表的存储器170优选地是ROM。控制单元可以包括临时存储单个电池的端电压、电荷量、温度和时钟(时间)信息、并临时存储在各个步骤中的充电状态(SOC)值、累积电荷量以及总电荷量的存储器(未图示)。

工业应用性

根据本发明，用于高压电池组的电池平衡方法的优点在于，因为可以通过在不受IR电压和极化电压的影响的情况下测量可信的电池电动势来进行平衡，因此，可以准确地进行平衡，并且，所述方法的优势还在于，因为可以基于进行平衡所需要的总电荷量来完成平衡，因此，可以在操作有源或无源平衡电路时排除误差，从而可以使得平衡的效果最优，因而可以减小电池之间的偏差，从而可以进一步延长电池寿命。

本领域技术人员可以理解，以上说明所公开的概念和具体实施方式可以容易地作为修改或设计其它实施方式的基础，以实现本发明的相同目的。本领域技术人员还可以理解，这些等同的实施方式并不脱离所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于高压电池组的电池平衡方法，该方法包括以下步骤：

a)测量组成所述电池组的各个电池的电动势；

b)基于所述各个电池的电动势来选择要进行平衡的电池；

c)计算用于对所述要进行平衡的电池进行平衡的总电荷量；

d)通过在对所述要进行平衡的电池进行平衡时对所述平衡所消耗的电流量进行累积，获得累积电荷量；以及

e)当所述累积电荷量等于所述总电荷量时，结束对所述要进行平衡的电池的平衡。

2.根据权利要求1所述的电池平衡方法，其中，所述步骤a)还包括以下步骤：

a1)识别是否存在不从所述电池组向连接到所述电池组的负载提供电流的零电流状态；

a2)如果存在所述零电流状态，则当所述零电流状态的持续时长大于第一阈值时长t1时，测量组成所述电池组的各个电池的端电压，以便将所测量到的各个电池的端电压用作所述各个电池的电动势；

a3)如果不存在所述零电流状态，则当所述电池组的小于阈值电流量i1的电流的流动时长大于第二阈值时长t2时，测量组成所述电池组的各个电池的端电压，以便将所测量到的各个电池的端电压用作所述各个电池的电动势。

3.根据权利要求2所述的电池平衡方法，其中，所述第一阈值时长t1和所述第二阈值时长t2彼此独立，分别是30秒至60秒。

4.根据权利要求2所述的电池平衡方法，其中，所述阈值电流量i1最高为3A。

5.根据权利要求1所述的电池平衡方法，其中，所述步骤b)包括以下步骤：基于所述电池的最小电动势，来选择出距离该最小电动势的偏差大于所允许的偏差的电池作为要进行平衡的电池。

6.根据权利要求5所述的电池平衡方法，其中，所述所允许的偏差的范围为2％至5％。

7.根据权利要求1所述的电池平衡方法，其中，利用电动势与充电状态SOC的查找表、根据与各个电池的电动势相对应的各个电池的充电状态SOC，来计算步骤c)中的所述总电荷量。

8.根据权利要求1所述的电池平衡方法，其中，通过以下步骤来获得步骤d)中的所述累积电荷量：按照规则的时间间隔测量所述要进行平衡的电池的端电压；利用端电压与充电状态SOC的查找表找到在规则的时间间隔内所消耗的平衡电荷量；并且累积所述平衡电荷量。

9.根据权利要求7所述的电池平衡方法，其中，所述查找表是所述电动势、温度与所述充电状态SOC的两维查找表。

10.根据权利要求8所述的电池平衡方法，其中，所述查找表是所述端电压、温度与所述充电状态SOC的两维查找表。

Images