CN102856949B - 电池单元平衡控制装置和电池单元平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池单元平衡控制装置和电池单元平衡控制方法，该电池单元平衡控制装置包括电池监测单元、电池单元平衡单元和ECU，并且均衡装载到车辆中的电池中的串联连接的可充电电池单元。电池监测单元检测每个电池单元的电压。电池单元平衡单元基于电池监测单元检测到的每个电池单元的电压而均衡多个电池单元的电压。在车辆的空转停止状态开始的时刻、电池的充电操作的时刻以及电池的充电操作终止的时刻中的至少一个时刻触发ECU允许电池单元平衡单元均衡多个电池单元的电压。

Description

电池单元平衡控制装置和电池单元平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于均衡多个电池单元的电压的电池单元平衡控制装置和电池单元平衡控制方法。

背景技术

通过串联连接多个可充电电池单元来实现高电压电池的技术已投入实际使用。近来，这种类型的电池已关注例如对电动车辆或将发动机与电动机结合使用的混合动力车辆的实现。

然而，当在多个电池单元串联连接的情况下对电池充电时，各电池单元的输出电压(或者电池的剩余容量)可能是不均匀的。当电池被装载到电动车辆等中时，重复在电动机驱动期间的放电和在再生期间的充电。因此，重复充电操作和放电操作会引起电池单元的不均匀电压。电池单元的不均匀电压会促使电池单元的一部分退化，并且降低整个电池的效率。生产差异、随着时间流逝的退化等会引起电池单元的电压的不均匀。

一种均衡电池单元的电压的技术例如是如下电池单元平衡装置：其在作为移动对象的驱动电源的电池组中使用，并且在通过串联连接多个电池单元所配置的电池组的电池单元当中均衡剩余容量(例如，参考专利文献1)。电池单元平衡装置包括恒流源、用于检测每个电池单元的电压值的电压传感器和电压监测单元。电压监测单元在移动对象处于停止状态时从电压传感器获取每个电池单元的电压值，基于电压值指定要充电的电池单元以得到辅助电流，并且将来自恒流源的电流提供给要充电的电池单元。

专利文献2至5描述了相关技术。

在传统技术中，仅当移动对象处于停止状态时，才执行对装载到移动对象中的电池单元的电压的均衡(即，电池单元平衡控制)。例如，在可以在点火开启状态下驱动的车辆中，仅在点火关断状态下对电池单元执行均衡。因此，例如，在点火开启状态为主的时段内，每个电池单元的电压或剩余容量呈现宽的差异，从而容易使电池退化。

[专利文献1]日本早期公开专利公布第2006-129577号

[专利文献2]日本早期公开专利公布第2007-244142号

[专利文献3]日本早期公开专利公布第2009-232659号

[专利文献4]日本早期公开专利公布第2001-45670号

[专利文献5]日本早期公开专利公布第2008-54416号

发明内容

本发明旨在提供一种电池单元平衡控制装置和电池单元平衡控制方法，其能够在具有串联连接的多个可充电电池单元的电池装载到移动对象中时，增加均衡电池单元的电压的机会数量。

为了均衡装载到车辆中的电池中的串联连接的多个可充电电池单元，根据本发明的电池单元平衡控制装置包括：电压检测装置，用于检测每个电池单元的电压；电池单元平衡单元，用于基于电压检测装置检测到的每个电池单元的电压而均衡多个电池单元的电压；以及控制单元，用于根据车辆的空转状态或电池的充电操作的状态，允许电池单元平衡单元均衡多个电池单元的电压。

因而，均衡电池单元的电压的机会数量增加。

例如，在车辆的空转停止状态开始的时刻、电池的充电操作开始的时刻以及电池的充电操作终止的时刻中的至少一个时刻触发控制单元允许电池单元平衡单元均衡多个电池单元。

控制单元也可以在车辆处于空转停止状态时或者在电池正在充电时允许电池单元平衡单元均衡多个电池单元。在这种情况下，均衡电池单元的电压的机会数量进一步增加。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的电池单元平衡控制装置的功能框图；

图2是电压传感器和电池单元平衡电路的示例；

图3是电压传感器和电池单元平衡电路的另一示例；

图4A是电池单元平衡控制的说明图(1)；

图4B是电池单元平衡控制的说明图(2)；

图4C是电池单元平衡控制的说明图(3)；

图5是执行电池单元平衡控制的示例的时序图；

图6是启动电池单元平衡控制的处理的示例的流程图；

图7是启动电池单元平衡控制的处理的另一示例的流程图；以及

图8是电池单元平衡控制处理的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的电池单元平衡控制装置的功能的框图。本发明的电池单元平衡控制装置1抑制了电池10中的电池单元11-1至11-n的电压的不平衡。

电池10包括多个可充电电池单元11-1至11-n。电池单元11-1至11-n串联电连接。串联连接的电池单元的数量n例如是几十至几百。电池10可以输出较大的直流电压。在本实施例中，假设电池10被装载到车辆(诸如，电动车辆、将发动机与电动机结合使用的混合动力车辆、叉式起重机等)中。

电池单元平衡控制装置1包括电池监测单元2、电池单元平衡单元4和ECU7。电池监测单元2监测电池10或电池单元11-1至11-n的状态。另外，电池监测单元2包括作为电压检测单元的电压传感器3。电压传感器3检测电池单元11-1至11-n中的每一个的电压。在这种情况下，电压传感器3检测例如在没有负载连接至电池单元11-1至11-n的状态下、电池单元11-1至11-n中的每一个的输出电压。除了电压传感器3外，电池监测单元2还包括用于检测电池10的状态的各种传感器。例如，尽管未具体示出，但电池监测单元2包括用于检测电池10或电池单元11-1至11-n的温度的温度传感器、用于检测电池10的剩余容量的传感器(例如，电压传感器、电流传感器等)等。

当从ECU7接收到执行电池单元平衡控制的指令时，电池单元平衡单元4抑制电池单元11-1至11-n的电压(或剩余容量)的不平衡。在这种情况下，电池单元平衡单元4基于电池监测单元2的检测结果而执行电池单元平衡控制。实际上，电池单元平衡单元4基于电压传感器3检测到的电池单元11-1至11-n的电压而抑制电池单元11-1至11-n的电压的不平衡。

电池单元平衡单元4包括电池单元平衡控制单元5和电池单元平衡电路6。电池单元平衡控制单元5例如包括处理器和存储器，并且控制电池单元平衡电路6。电池单元平衡控制单元5可以由硬件电路(ASIC(专用集成电路)、FPGA(可编程门阵列)等)来实现。具体地，电池单元平衡电路6根据电池单元平衡控制单元5的控制来控制电池单元11-1至11-n的电压。稍后将描述电池单元平衡电路6的实施例。

ECU(电子控制单元)7在收集电池监测单元2的检测结果的同时控制电池单元平衡单元4和充电器21的操作。在这种情况下，ECU7根据点火信号(IG信号)、空转停止信号(IDL信号)和充电使能信号(CHG信号)来控制电池单元平衡单元4。

点火信号表示车辆的点火状态，例如，当用户(即，车辆的驾驶者)开启点火时、维持开启状态直到执行关断操作为止的状态。空转停止信号表示车辆是否处于空转停止状态。可以基于例如速度传感器在车辆临时停止在十字路口等时的输出来实现空转停止状态。另外，可以基于用户操作实现空转停止状态。例如，充电使能信号表示是否允许对电池10充电。当用户开始充电操作时或者当电源连接至充电器21时，控制充电使能信号以使其为开启状态。

ECU7由例如包括处理器和存储器的配置来实现。此外，ECU7不仅可以对电池单元平衡单元4而且还可以对充电器21执行与车辆的操作相关的另一控制。

图2是电压传感器3和电池单元平衡电路6的示例。图2所示的电池单元11-1至11-n设置在以上参照图1所述的电池10中。

在该实施例中，电压传感器3包括电压传感器3-1至3-n。电压传感器3-1至3-n分别连接至电池单元11-1至11-n的阴极端和阳极端。然后，电压传感器3-1至3-n检测对应的电池单元11-1至11-n的输出电压Vdet(1)至Vdet(n)。

电池单元平衡电路6为电池单元11-1至11-n中的每一个设置电阻器R和开关SW。例如，为电池单元11-1设置电阻器R1和开关SW-1。为电池单元11-2设置电阻器R2和开关SW-2。类似地，电池单元11-3至11-n设置有对应部件。然后，开关SW-1至SW-n中的每一个受电池单元平衡控制单元5生成的开关控制信号控制。

对于上述配置，电池单元平衡控制单元5参考电压传感器3-1至3-n的输出信号，并且检测电池单元11-1至11-n中的最低电压(下文中，被称为Vmin)。然后，电池单元平衡控制单元5控制电池单元平衡电路6，以使得电池单元11-1至11-n中的每一个的电压可以是电压Vmin。例如，如果电池单元11-1的电压高于电压Vmin，则电池单元平衡控制单元5通过将开关SW-1置于开启(ON)位置和关断(OFF)位置来使电池单元11-1放电，从而将电池单元11-1的电压减小至电压Vmin。在这种情况下，在电阻器R1中消耗从电池单元11-1放电的电流。因此，通过对电池单元11-1至11-n执行上述操作，使电池单元11-1至11-n的电压均衡于电压Vmin。

图3是电压传感器3和电池单元平衡电路6的另一示例。在图2和图3中，电压传感器3-1至3-n基本上是相同的。

图3中所示的电池单元平衡电路6为电池单元11-1至11-n中的每一个设置变压器T和四个开关SW。例如，电池单元11-1设置有变压器T1以及开关SW-1a、SW-1b、SW-1c和SW-1d。电池单元11-2设置有变压器T2以及开关SW-2a、SW-2b、SW-2c和SW-2d。其他电池单元11-3至11-n类似地设置有相应部件。

变压器T1的第一线圈的第一端通过开关SW-1a电连接至电池单元11-1的阴极端。变压器T1的第一线圈的第二端通过开关SW-1b电连接至电池单元11-1的阳极端。开关SW-1c电连接至变压器T1的第二线圈的第一端，并且开关SW-1d电连接至变压器T1的第二线圈的第二端。其他变压器T2至Tn类似地设置有相应部件。第一线圈是初级线圈和次级线圈中的一个，并且第二线圈是初级线圈和次级线圈中的另一个。

各开关SW-1c、SW-2c、SW-3c、…、SW-nc彼此电连接。各开关SW-1d、SW-2d、SW-3d、…、SW-nd彼此电连接。根据电池单元平衡控制单元5生成的开关控制信号控制每个开关SW(SW-1a至SW-1d、…、SW-na至SW-nd)。

对于上述配置，通过电池单元平衡控制单元5控制电池单元平衡电路6中的对应开关SW，电池单元平衡单元4可以将电流从任何电池单元传递至另一电池单元。例如，当电流从电池单元11-1传递至电池单元11-2时，电池单元平衡控制单元5适当地控制开关SW-1a至SW-1d、SW-2a至SW-2d。在这种情况下，通过控制开关SW-1a和SW-1b来使电池单元11-1放电，并且对应于放电电流的能量累积在变压器T1中。通过控制开关SW-1c、SW-1d、SW-2c和SW-2d，变压器T1中所累积的能量传送至变压器T2。此外，通过控制开关SW-2a和SW-2b，将能量传送至电池单元11-2，并且对电池单元11-2充电。

因此，在图3所示的实施例中，通过控制开关SW使指定的电池单元放电，并且使指定的另一电池单元充电。放电/充电等同于电荷从指定的电池单元到指定的另一电池单元的移动。即，通过控制开关SW，可以将电流从指定的电池单元基本上传递至指定的另一电池单元。结果，指定的电池单元的电压下降，同时指定的另一电池单元的电压上升。

图4A至图4C是电池单元平衡控制的说明图。在图4A至图4C中，为了便于说明，假设对三个电池单元11-1至11-3执行电池单元平衡控制。在该示例中，假设不会产生损耗。

图4A表示在电池单元平衡控制之前的状态。分别分配给电池单元11-1、11-2和11-3的值“1.8”、“1.2”和“1.5”表示电池单元的输出电压(或剩余容量)。为了便于说明而分配这些值，并且这些值不表示特定的物理量(即，伏特等)。

对于图2所示的配置，电池单元平衡控制单元5检测电池单元11-1、11-2和11-3中的最低电压Vmin。在图4电池所示的示例中，电池单元11-2的电压最低，并且为Vmin＝1.2。然后，电池单元平衡控制单元5通过控制开关SW-1和SW-3来将电池单元11-1和11-3的电压减小至“1.2”，如图4B所示。结果，电池单元11-1至11-3的电压均衡于“1.2”。

对于图3所示的配置，电池单元平衡控制单元5例如计算电池单元11-1至11-3的电压的平均值作为阈值电压。在这种情况下，在图4A所示的示例中，获取阈值电压(平均电压)＝1.5。然后，电池单元平衡电路6根据电池单元平衡控制单元5的控制将电流从电压高于阈值电压的电池单元传递至电压低于阈值电压的电池单元。即，电池单元平衡控制单元5将电流从电池单元11-1传递至电池单元11-2。结果，如图4C所示，电池单元11-1的电压从“1.8”下降至“1.5”，并且电池单元11-2的电压从“1.2”上升至“1.5”。即，电池单元11-1至11-3的电压均衡于“1.5”。

图5是执行电池单元平衡控制的示例的时序图。在该时序图中，每个信号的高电平表示开启状态，而每个信号的低电平表示关断状态。在该实施例中，将点火在时刻T1从关断状态切换至开启状态，并且在时刻T5从开启状态切换至关断状态。即，在时段T1至T5中，维持点火开启状态。

在时刻T2，假设车辆停止并且停止空转。即，在时刻T2，空转停止信号(IDL)从关断状态改变为开启状态。当ECU7检测到空转停止信号从关断状态到开启状态的改变时，其产生电池单元平衡信号(CEL)的脉冲，从而指示电池单元平衡单元4执行电池单元平衡控制。然后，电池单元平衡单元4执行均衡电池单元11-1至11-n的电压的电池单元平衡控制。此后，ECU7计算电池10的剩余容量。在图5中，ECU7计算电池10的剩余容量的处理被表示为“SOC(电荷状态)计算”。例如，当用户执行开始驾驶车辆的操作时，空转停止状态终止。

在时刻T3和T4，空转停止。然后，当空转在时刻T3和T4停止时，电池单元平衡单元4根据来自ECU7的指令执行均衡电池单元11-1至11-n的电压的电池单元平衡控制。

在时刻T5，通过车辆的用户的操作来将点火从开启状态切换至关断状态。即，在时刻T5，将点火信号(IG)从开启状态改变为关断状态。当ECU7检测到点火信号从开启状态到关断状态的改变时，其指示电池单元平衡单元4执行电池单元平衡控制。然后，电池单元平衡单元4执行均衡电池单元11-1至11-n的电压的电池单元平衡控制，如在空转停止处理中一样。

在时段T6至T7内，通过从充电站等供给的功率对电池10充电。即，充电使能信号(CHG)在时刻T6从关断状态切换至开启状态，并且在时刻T7从开启状态切换至关断状态。当ECU7检测到充电使能信号的改变(包括从关断状态到开启状态的改变以及从开启状态到关断状态的改变)时，其指示电池单元平衡单元4执行电池单元平衡控制。然后，电池单元平衡单元4执行均衡电池单元11-1至11-n的电压的电池单元平衡控制，如在空转停止处理中一样。

图6是启动电池单元平衡控制的处理的示例的流程图。当状态信号(在这种情况下，为空转停止信号、充电使能信号和点火信号)改变时，ECU7执行处理。例如，ECU7始终监测状态信号。

ECU7在步骤S1至S3中确定状态信号的改变对应于哪种情况。

(1)空转停止信号：从关断状态改变为开启状态(步骤S1)

(2)充电使能信号：从关断状态改变为开启状态(步骤S2)

(3)充电使能信号：从开启状态改变为关断状态(步骤S3)

当状态信号的改变对应于以上情况(1)至(3)中的一种时，ECU7在步骤S4中指示电池单元平衡单元4启动电池单元平衡控制。即，当开始车辆的空转停止状态时，当开始电池10的充电操作时，或者当终止电池10的充电操作时，向电池单元平衡单元4发出启动电池单元平衡控制的指令。因此，ECU7用作用于允许电池单元平衡单元4均衡电池单元11-1至11-n的控制单元。

在图6所示的实施例中，当上述三种事件之一发生时，启动电池单元平衡控制，但本发明并不限于该条件。即，可以在其他事件发生时启动电池单元平衡控制。例如，可以当点火从开启状态改变为关断状态时启动电池单元平衡控制。

图7是电池单元平衡控制的处理的流程图。当ECU7发出启动电池单元平衡控制的指令时，执行该处理。

在步骤S11中，电池单元平衡控制单元5启动计时器。该计时器对电池单元平衡控制的执行时间进行计时。

在步骤S12至S14中，电池单元平衡控制单元5使用电池单元平衡电路6执行电池单元平衡控制。当电池单元平衡电路6具有图2所示的配置时，执行图4B所示的均衡。当电池单元平衡电路6具有图3所示的配置时，执行图4C所示的均衡。

如果在步骤S11中所启动的计时器对所流逝的时间计时为α(秒)，则电池单元平衡单元4在步骤S15中停止电池单元平衡控制。即，在该实施例中，电池单元平衡单元4在经过时间α时，停止电池单元平衡控制，甚至在电池单元11-1至11-n的电压被充分均衡之前也是如此。另外，甚至在所经过的时间达到α(秒)之前，如果电池单元11-1至11-n的电压之差收敛于β(V)内，则电池单元平衡单元4在步骤S15中停止电池单元平衡控制。此后，ECU7在步骤S16中计算电池10的剩余容量。

如上所述，在根据本发明的实施例的电池单元平衡控制方法中，当停止空转时，均衡电池单元11-1至11-n的电压，并且开始以及终止充电。即，与现有技术相比，均衡电池单元11-1至11-n的电压的频率更高。因此，可以减小电池单元11-1至11-n的退化。

尽管图6和图7的流程图中未描述，但是当终止空转停止时(例如，当用户开始驾驶车辆，并且将电流从电池10供给至附图中未示出的电动机时等)，ECU7可以生成停止电池单元平衡控制的指令。在这种情况下，尽管图7中的流程图的处理未结束，但是电池单元平衡单元4停止电池单元平衡控制。

图8是电池单元平衡控制的处理的另一示例的流程图。ECU7周期性地执行该处理。

在步骤S21中，ECU7确定点火信号是否处于开启状态。如果点火信号处于开启状态，则ECU7在步骤S22中确定空转停止信号是否处于开启状态。当空转停止信号处于开启状态时，ECU7在步骤S23中指示电池单元平衡单元4启动电池单元平衡控制。此外，当点火信号处于关断状态时，ECU7指示电池单元平衡单元4启动电池单元平衡控制。如果点火信号处于开启状态，并且空转停止信号处于关断状态，则不启动电池单元平衡控制。

因此，在图8所示的方法中，如果点火信号处于关断状态，则执行电池单元平衡控制，无论电池10是否正在充电。可以通过适当地设置图7所示的“α”来使得执行电池单元平衡控制所需的时间比充电时间短。因此，即使当电池10正在充电时，电池单元平衡单元4也可以执行电池单元平衡控制。可以通过适当地设置图7所示的“α”来使得执行电池单元平衡控制所需的时间比空转停止时间短。因此，甚至在空转停止状态下，电池单元平衡单元4也可以执行电池单元平衡控制。例如周期性地执行图8所示的流程图的处理。因此，当点火信号处于关断状态时，周期性地执行电池单元平衡控制。

在上述实施例中，分别为电池单元11-1至11-n设置电压传感器(3-1至3-n)，但可以为多个电池单元设置一个电压传感器。在这种情况下，电压传感器以分时系统顺序地检测多个电池单元的输出电压。

另外，在上述实施例中，电池单元平衡控制单元5设置在电池单元平衡单元4中，但本发明并不限于该配置。即，电池单元平衡控制单元5还可以设置在例如ECU7中。

根据本发明，当包括串联连接的多个可充电电池单元的电池被装载到移动对象中时，可以增加均衡电池单元的机会数量。因此，可以抑制电池单元的电压或剩余容量的差异，并且可以防止电池单元的退化。

Claims (2)

1.一种电池单元平衡控制装置，其均衡装载到车辆中的电池中的串联连接的多个可充电电池单元，所述电池单元平衡控制装置包括：

电压检测单元，检测每个电池单元的电压；

电池单元平衡单元，基于所述电压检测单元检测到的每个电池单元的电压而均衡所述串联连接的多个可充电电池单元的电压；以及

控制单元，当所述车辆的点火处于开启状态并且所述车辆处于空转停止状态时，允许所述电池单元平衡单元均衡所述串联连接的多个可充电电池单元的电压，

其中，当经过了比空转停止时间短的指定时段时，所述控制单元使得所述电池单元平衡单元停止对所述串联连接的多个可充电电池单元的电压的均衡。

2.一种均衡装载到车辆中的电池中的串联连接的多个可充电电池单元的电池单元平衡控制方法，包括以下步骤：

检测每个电池单元的电压；以及

当所述车辆的点火处于开启状态并且所述车辆处于空转停止状态时，基于所检测到的每个电池单元的电压均衡所述串联连接的多个可充电电池单元的电压，

其中，所述方法还包括：当经过了比空转停止时间短的指定时段时，停止对所述串联连接的多个可充电电池单元的电压的均衡。