CN102656470A - 一种用于确定蓄电池组充电状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于确定由N个单独的蓄电池单元组成的蓄电池组的充电状态的方法，其包括以下步骤：在第一个步骤(S1)中，针对所有i＝1，N，确定每个单独的蓄电池单元的充电状态SOC_i。在第二个步骤(S2)中，确定单独的蓄电池单元的充电状态SOC_i的平均值mean(SOC_i)。在第三个步骤(S3)中，根据式子w＝gw(mean(SOC_i))确定权重w，其中对于函数gw(SOC)有：当其自变量趋向完全放电的最小充电状态SOC_min时，函数值趋向最小值w_min；当其自变量趋向完全充电的最大充电状态SOC_max时，函数值趋向最大值w_max；且函数gw()是连续的。最后根据：SOC_p＝w/(w_max-w_min)*max(SOC_i)+(1-w/(w_max-w_min))*min(SOC_i)确定总的蓄电池组的充电状态SOC_p。

Description

一种用于确定蓄电池组充电状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定蓄电池组充电状态的方法，该蓄电池组由多个单独的蓄电池单元组成。本发明的主题还涉及一种蓄电池系统和一种机动车，该蓄电池系统由锂离子蓄电池组和根据上述方法工作的蓄电池管理系统组成，该机动车包含由锂离子蓄电池组和相应的蓄电池管理系统组成的蓄电池系统。此外，本发明的主题还涉及一种计算机程序，当其在计算装置上运行时，其执行依据本发明所述的方法的所有步骤。

背景技术

在各式各样的应用中，如混合动力或电动车辆中，将把储存在蓄电池中的电能作为能量源使用。在此，对于此类蓄电池的运行而言，能够确定蓄电池处于何种状态以及其具有多少容量用于后续运行是至关重要。为此，借助蓄电池管理系统BMS管理蓄电池的运行。此外，此蓄电池管理系统为每个单独的单元确定充电状态SOC或“State-of-Charge”。在此，充电状态能够在完全放电和完全充电之间变化。

在混合动力或电动车辆中，使用锂离子或镍氢技术的蓄电池组，该蓄电池组由大量串联和/或并联连接的电化学单元组成。蓄电池管理系统用于监控蓄电池，且应该除安全监控之外确保尽可能长的使用寿命。

蓄电池组内的各单独的蓄电池单元的充电状态可能有显著的区别。然而，其上级的控制器需要单独的、有意义的且具有代表性的充电状态值的数据，或者为了向使用者显示充电状态，也需要单独的、有意义的且具有代表性的充电状态值的数据。。

现有技术中，已经公开输出各单独的蓄电池单元的充电状态的平均值。在此存在问题：在平均充电状态尚在100％之下时，即低于在完全充电时的最大充电状态时，个别的单元可能过量充电。同样，在平均SOC尚在0％之上时，即高于在完全放电时的最小充电状态时，个别的单元可能欠充电。在此，在电化学蓄电池单元的欠充电或者过量充电的情况下，能够引起蓄电池单元的加速老化甚至损坏，这是不利的。在极端情况下，其能够引起蓄电池失火或爆炸。

此外还公开了指示单独的蓄电池单元的最大和最小值。通过评估这两个值能够避免过量充电和欠充电。然而运用这两个值很困难，比如在显示总充电状态时，或在显示或确定剩余充电时间或可用容量时。此外在由一个值到另一个值的过渡中，跳跃点是不可避免的。

此外还公开了对于高充电状态输出单个蓄电池单元的最大值和对于低充电状态输出单个蓄电池单元的最小值。可是，蓄电池组充电状态在阈值处不连续地跳跃，其能够引起不可预见或不可执行的行为或跳跃的充电状态显示，这是不利的。

发明内容

依据本发明提出了一种用于确定由N个单独的蓄电池单元组成的蓄电池组的充电状态的方法，其包括以下步骤：首先，针对所有i＝1，N，确定每个单独的蓄电池单元的充电状态SOC_i，其中此蓄电池充电状态在完全放电的最小充电状态SOC_min和完全充电的最大充电状态SOC_max之间变化。在第二个步骤中，确定单独的蓄电池单元的充电状态的平均值mean(SOC_i)。之后，根据式子w＝gw(mean(SOC_i))确定此蓄电池组的蓄电池单元的最大的蓄电池充电状态max(SOC_i)的权重(w)或者确定此蓄电池组的蓄电池单元的最小的蓄电池充电状态(min(SOC_i))的权重(1-w)，其中对于函数gw(SOC)有：

1.当其自变量趋向完全放电的最小充电状态SOC_min时，函数值趋向最小值w_min；

2.当其自变量趋向完全充电的最大充电状态SOC_max时，函数值趋向最大值w_max；以及

3.函数gw()是连续的。

最后根据下式将总的蓄电池组的充电状态SOC_p计算为权重w的值、蓄电池组的蓄电池单元的最大蓄电池充电状态max(SOC_i)以及蓄电池组的蓄电池单元的最小蓄电池充电状态min(SOC_i)的函数：

SOC_p＝w/(w_max-w_min)*max(SOC_i)+(1-w/(w_max-w_min))*min(SOC_i)。

有利地，本发明所述方法允许简单地确定总的蓄电池组的单独的、具有代表性的且有意义的充电状态。其中，各单独的最大和最小充电状态以此方式加权：对于高充电状态，单独单元的最大充电状态起主导作用，且对于低充电状态，单独单元的最小充电状态起主导作用。在此，通过权函数gw()的特殊设计，最小和最大值之间的过渡是连续且稳定的。

在从属权利要求中实施的措施能够有利地改进和改善在独立权利要求中给出的方法。

接下来，采用在从0-100的范围内的充电状态值，其中值“0”对应于完全放电的充电状态“0％”，且“100”对应于完全充电的充电状态“100％”。然而，此种划分是没有限制的。对于本领域技术人员清楚的是，同样能够应用例如0-1的值域。然后，以下函数相应地改比例。

在第一实施例中，权函数gw()包括正切双曲线函数。优选地，权函数为：

gw(SOC)＝[0,5*(1+tanh(α*(SOC-50)))]^p

其中所有充电状态值SOC在0至100的范围内，且“α”在α＞0上变化，且“p”为自然数。

此权函数的特殊设计允许在充电状态的平均值域在值“50”(对应于50％的充电状态)附近的情况下，从最小值“0”过渡至最大值“1”。其中此函数关于此平均值点对称。变量“α”允许在最小和最大值之间调节期望的过渡宽度。与变量“α”的较小的值相比，变量“α”的较大的值允许在最小和最大值之间更快的变换。特别优选地，指数值p＝1。然而，此指数也能够被选择为更大，以再加速在总的充电状态中的在最大的单独单元充电状态和最小的单独单元之间的权重变换。

第二实施例中，权函数包括S形函数(Sigmoidfunktion)，优选地，权函数为：

gw(SOC)＝[1/(1+e^-α*(SOC-50))]^p

其中所有充电状态值SOC在0至100的范围内，且“α”在α＞0上变化，且“p”为自然数。

相较于正切双曲线函数，S形函数的优点在于：其值域直接在期望的值“0”和“1”之间变化，而不必先平移。正切双曲线函数在值“-1”和“1”之间变化。此权函数的特殊设计允许在充电状态的平均值域为值“50”(对应于50％的充电状态)的情况下，从最小值“0”过渡至最大值“1”。其中此函数关于此平均值点对称。变量“α”允许在最小和最大值之间调节期望的过渡宽度。与变量“α”的较小的值相比，变量“α”的较大的值允许在最小和最大值之间更快的变换。特别优选地，指数值p＝1。然而，此指数也能够被选择为更大，以再加速在总的充电状态中的在最大的单独单元充电状态和最小的单独单元充电状态之间的权重变换。

在第三实施例中，权函数由针对充电状态的不同的分段值定义的各线性函数组成。对于在0至100的范围内的所有SOC，优选地，权函数gw(SOC)为：

SOC[0；X]：gw(SOC)＝0；

SOC]X；Y]：gw(SOC)＝(SOC-X)/(Y-X)；

SOC]Y；100]：gw(SOC)＝1

此权函数作为分段线性函数的特殊设计使得能够非常简单地实现对于权函数的要求。其中，充电状态值X和Y的大小确定在最小和最大值之间的过渡的位置和大小。

优选地，关于平均充电状态对称地选择值X和Y。这样使得充电状态值能够被合理地显示和输出。

在一个优选的实施例中，值X相应于20％的充电状态，即X＝20。值Y相应于80％的充电状态，即Y＝80。这样确保了充电状态的图示在中间区域线性减小或线性增加，其中，在完全放电和完全充电之前已经提早输出完全放电和完全充电的极端区域，以避免危险。代替在0和100之间的值，当然也能够通过将值相应地改比例而采用在0和1之间的值。也能够直接采用百分值，另一方面将公式相应地改比例。

同样提出一种计算机程序，当其在诸如蓄电池组控制单元的计算装置上运行时，其执行上述方法的所有步骤。此控制单元也能够与蓄电池组分开安置。

同样提出一种蓄电池管理系统，尤其用于锂离子蓄电池的蓄电池管理系统，其中此蓄电池系统包括上述用于确定充电状态的方法。

相应地提出一种蓄电池系统，其包括由多个单独的蓄电池单元组成的锂离子蓄电池组和用于锂离子蓄电池的蓄电池管理系统，其中此蓄电池系统包含上述用于确定充电状态的方法。

此外提出一种装备有驱动系统的机动车，其包括依据本发明的蓄电池系统。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并在接下来的说明书中进一步阐述。附图中：

图1示出了依据本发明的方法的流程图；

图2示出了根据本发明第一实施例的权函数图；

图3示出了蓄电池组的充电状态，该充电状态根据本发明的第一实施例计算；

图4示出了根据本发明第三实施例所述的权函数图；

图5示出了蓄电池组的充电状态，该充电状态根据本发明的第三实施例计算。

具体实施方式

在图1中示出了依据本发明的、用于确定蓄电池组的充电状态的方法的流程图。优选地，以下蓄电池组由锂离子蓄电池单元组成，但是其也能够应用由多个电化学单元组成的其他蓄电池类型。

在图1中，占位符“A”代表“针对所有i＝1，N确定SOC_i”，占位符“B”代表“确定所有SOC_i的平均值mean(SOC_i)”，占位符“C”代表“确定权重w＝gw(mean(SOC_i))，其中gw(SOC_i)：gw(SOC→0％)→0；gw(SOC→100％)→1；且gw()连续”，占位符“D”代表“确定此蓄电池组的总的充电状态SOC_p，其中：SOC_p＝w*max(SOC_i)+(1-w)*min(SOC_i)”。

依据本发明的用于确定充电状态的方法涉及由数量为“N”的单独的蓄电池单元组成的蓄电池组。

在第一步骤中，针对所有i＝1，N，确定每个单独的蓄电池单元的充电状态SOC_i，其中该蓄电池充电状态在完全放电的最小的充电状态SOC_min和完全充电的最大的充电状态SOC_max之间变化。例如，此最小充电状态能够具有值“0”或者“0％”，此最大充电状态能够具有值“100”或者“100％”。

在第二步骤中，确定单独的蓄电池单元的充电状态的平均值mean(SOC_i)。此平均值通常由mean(SOCi)＝1/N*∑_i＝1，NSOC_i计算。

在第三步骤中，根据式子w＝gw(mean(SOC_i))确定此蓄电池组的蓄电池单元的最大蓄电池充电状态max(SOC_i)的权重“w”，或者确定此蓄电池组的蓄电池单元的最小蓄电池充电状态(min(SOC_i))的权重(1-w)，其中，对于函数gw(SOC)有：

-当其自变量趋向完全放电的最小充电状态SOC_min时，函数值趋向最小值“0”；

-当其自变量趋向完全充电的最大充电状态SOC_max时，函数值趋向最大值“1”；以及

-函数gw()是连续的。

换句话说，为了加权，采用与充电状态SOC有关的数学函数gw＝f(SOC)，此函数具有如下特性：

-gw(SOC→0％)→0            (1)，

-gw(SOC→100％)→1          (2)，

-gw()是连续的               (3)。

在以上的例子中：w_max＝1且w_min＝0。另一方面，本领域技术人员清楚的是，此处最小值“0”和最大值“1”是非限制的，也能够使用其它值，如“0％”用于最小值，或“100％”或者“100”用于最大值。

最后，在第四步骤中将总的蓄电池组的充电状态SOC_p计算为权重w的值、蓄电池组的蓄电池单元的最大蓄电池充电状态max(SOC_i)以及蓄电池组的蓄电池单元的最小蓄电池充电状态min(SOC_i)的函数。这根据以下式子进行：

SOC_p＝w*max(SOC_i)+(1-w)*min(SOC_i)。        (4)

对于此式也并不限制于w_max＝1和w_min＝0。

最后一个步骤也能够如此地描述：确定总的蓄电池组的充电状态SOC_p实现为权重w的值、蓄电池组的蓄电池单元的最大蓄电池充电状态max(SOC_i)以及蓄电池组的蓄电池单元的最小蓄电池充电状态min(SOC_i)的函数，其中：对于权重“w”趋向其最大值时，有：SOC_p≤max(SOC_i)；且对于权重“w”趋向其最小值时，有：SOC_p≥min(SOC_i)。总的蓄电池组的充电状态SOC_p能够被计算为权重w的值、蓄电池组的蓄电池单元的最大蓄电池充电状态max(SOC_i)以及蓄电池组的蓄电池单元的最小蓄电池充电状态min(SOC_i)的线性回归。

在第一实施例中，对于权函数的优选的可用函数为：

gw(SOC)＝0,5*(1+tanh(α*(SOC-50％)))。    (5)

这个式子满足所给出的要求，且在50％SOC左右的范围内具有从最小值“0”至最大值“1”的过渡。此过渡的宽度能够通过参数α调节。例如，当α＝1/20时得出图2中所示的函数gw(SOC)的曲线。另外此图示出了1-gw(SOC)的曲线。此函数因为其特性化的曲线也能够被称作S函数或费米函数。此处，较大的“α”值能够得到在最小和最大值之间较快的过渡。

借助此函数gw₁(SOC)，根据单元的各个SOC_i计算总的蓄电池组充电状态SOC_p，如下：

w＝gw₁(mean(SOC_i))                        (6)

SOC_p＝w*max(SOC_i)+(1-w)min(SOC_i)，         (7)

其中mean(SOC_i)、max(SOC_i)和min(SOC_i)分别为各单独的单元SOC的平均值、最大值和最小值。

在上述的实施例中，权函数还能够是式子(5)的平方或者其他次幂。幂的选择也允许在总的蓄电池组充电状态中权重能够更快地从最大过渡到最小单独充电状态。

图3示出了式子(5)至(7)的示例性应用并以百分数示出了充电曲线。此处的蓄电池组由6个单独单元组成，其充电状态相差+/-10％，且在图3中用数字“1”至“6”标记。数字“1”的曲线相应于蓄电池单元1的充电状态。此外示出了标记为SOC_p的总的充电状态的曲线。在所示时间曲线开始时，单元5达到将近100％的充电状态。所确定的总的充电状态SOC_p取此最大值。大约1300秒之后，平均充电状态位于约50％。此总的蓄电池组充电状态SOC_p相应于最大和最小单独单元充电状态的平均值。在接下来的曲线中，各单独单元充电状态进一步下降，从而总的蓄电池组充电状态SOC_p取最低单元的充电状态值，例如单元3。

在第二实施例中(附图中未示出)，权函数由S形函数构成，优选地由：

gw(SOC)＝[1/(1+e^-α*(SOC-50))]^p

其中所有充电状态值SOC在0至100的范围内，且“α”在α＞0上变化，且“p”为一自然数。同样，参数“p”和“α”使得权函数能够根据其大小较快或较慢地从最小值过渡至最大值。相较于正切双曲线函数，S形函数的优点在于：其已提供“0”和“1”之间的理想的值域，而正切双曲线函数则必须平移。因为除此之外这两个函数很相似，所以不再另外示出此权函数以及由此得到的总的蓄电池组的充电状态SOC_p。

图4同时示出了替代的权函数gw和1-gw的值。这里选择权函数gw如下：

SOC[0-20％]：gw(SOC)＝0                  (9)，

SOC[20-80％]：gw(SOC)＝(SOC-20)*1/60     (10)，

SOC[80％-100％]：gw(SOC)＝1。            (11)。

此函数同样满足对于权函数所要求的必要条件。图5又以百分数的形式示出了关于六个单独单元和总的蓄电池组的SOC_p的充电曲线。如图所示，改变了的权函数gw同样适合于确定总的蓄电池组充电状态SOC_p。再一次地，对于高充电状态，最大单独充电状态起主导作用，且对于低充电状态，最小充电状态起主导作用，其中，此过渡是连续的。

通常地，式子(9)-(11)的中间区域的下限和上限值能够变化且采用值x％和y％，其中对于下限和上限有：0＜x＜50且50＜y＜100：

SOC[0；X]：gw(SOC)＝0；                  (12)

SOC]X；Y]：gw(SOC)＝(SOC-X)/(Y-X)；      (13)

SOC]Y；100]：gw(SOC)＝1。                (14)

此处，总是关于充电状态平均值50％对称地选择中间区域。在此，根据下限和上限的选择实现权函数在其最小值和最大值之间的较快的(x和y的差别相对小)或较慢的(x和y的差别相对大)过渡。再一次地，以上的例子并不受限于权函数的最小和最大值“0”和“1”。也能够在函数(7)相应地改比例的情况下选择其它值。

优选地，此方法应用在用于锂离子蓄电池组的蓄电池管理系统之中。

在一个特别优选的实施例中，在用作机动车的动力的锂离子蓄电池中使用蓄电池管理系统。在此，此蓄电池管理系统能够在车辆的控制单元中运行。

Claims (11)

1.一种用于确定由N个单独的蓄电池单元组成的蓄电池组的充电状态的方法，包括以下步骤：

(S1)针对所有i＝1，N，确定每个单独的蓄电池单元的充电状态(SOC_i)(S1)，其中所述蓄电池充电状态在完全放电的最小充电状态(SOC_min)和完全充电的最大充电状态(SOC_max)之间变化；

(S2)确定所述单独的蓄电池单元的所述充电状态的平均值(mean(SOC_i))；

(S3)确定所述蓄电池组的蓄电池单元的最大的蓄电池充电状态(max(SOC_i))的权重(w)或者确定所述蓄电池组的蓄电池单元的最小的蓄电池充电状态(min(SOC_i))的权重(1-w)，其中：

w＝gw(mean(SOC_i))，

其中对于函数gw(SOC)有：

-当其自变量趋向所述完全放电的最小充电状态(SOC_min)时，函数值趋向最小值“w_min”；

-当其自变量趋向所述完全充电的最大充电状态(SOC_max)时，函数值趋向最大值“w_max”；以及

-所述函数gw()是连续的；

(S4)根据下式将总的蓄电池组的充电状态(SOC_p)确定为所述权重(w)的值、所述蓄电池组的蓄电池单元的最大的蓄电池充电状态(max(SOC_i))以及所述蓄电池组的蓄电池单元的最小的蓄电池充电状态(min(SOC_i))的函数：

SOC_p＝w/(w_max-w_min)*max(SOC_i)+(1-w/(w_max-w_min))*min(SOC_i)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述权函数gw(SOC)：

-包括正切双曲线；或者

-包括S形函数；或者

-是分段线性函数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，对于所述权函数gw(SOC)有：

gw(SOC)＝[0,5*(1+tanh(α*(SOC-50)))]^p

其中所有充电状态值(SOC)在0至100的范围内，且“α”在α＞0上变化，且“p”为一自然数，且w_max＝1以及w_min＝0。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，对于所述权函数gw(SOC)有：

gw(SOC)＝[1/(1+e^-α*(SOC-50))]^p

其中所有充电状态值(SOC)在0至100的范围内，且“α”在α＞0上变化，且“p”为一自然数，且w_max＝1以及w_min＝0。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中p＝1。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，对于所述权函数gw(SOC)有：

SOC[0；X]：gw(SOC)＝0；

SOC]X；Y]：gw(SOC)＝(SOC-X)/(Y-X)；

SOC]Y；100]：gw(SOC)＝1；

其中所有充电状态值(SOC)在0至100的范围内。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，关于所述平均充电状态对称地选择所述值X和Y。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述值X相应于20％的充电状态，其中X＝20，且所述值Y相应于80％的充电状态，其中Y＝80。

9.一种计算机程序，当其在计算装置上运行时，其执行根据权利要求1至8之一所述的方法的所有步骤。

10.一种蓄电池系统，其包括由多个单独的蓄电池单元组成的锂离子蓄电池组和用于锂离子蓄电池的蓄电池管理系统，所述蓄电池管理系统包括根据权利要求1至8之一所述的方法。

11.一种具有驱动系统的机动车，其包括根据权利要求10所述的蓄电池系统。

Images