CN102897050A - 电池单体的电压平衡的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池单体的电压平衡的系统和方法，该系统和方法用于车辆，该车辆可包括电机、多个电池单体及至少一个控制器，电机产生用于车辆的动力，所述多个电池单体储存用于电机的能量。所述至少一个控制器可使电池单体接收电流达到一定时间段，在所述时间段期间，使至少一些电池单体供应电池单体负载电流，从而在所述时间段到期时，由电池单体储存的能量的量至少等于预定目标能量水平。

Description

电池单体的电压平衡的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电池单体的电压平衡的系统和方法。

背景技术

执行车辆电池的再平衡，以修正电池单体的电压的不平衡条件。例如，测量每个电池单体的电压，并识别具有最小电压的电池单体。所有其他电池单体通过与每个电池单体相关的阻抗电路放电(bleed down)，直到所述其他电池单体的测量电压约等于最小电压为止。在放电过程期间，对电池单体的电压进行连续/周期性的测量，以监测电池单体的电压变化。一旦所有电池单体的电压的读数大致相等，则给电池充电。

发明内容

一种动力系统可包括具有多个电池单体的电池。该动力系统还可包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置成给电池单体充电达到一定时间段，从而在所述时间段到期时，所述多个电池单体的电压大致相等。至少在所述时间段的确定部分期间，在至少一些电池单体中，给电池单体充电的速率可以不相同。

附图说明

图1是可变动力车辆的框图。

图2是示出用于确定与图1的电池再平衡/充电相关的时间的算法的流程图。

图3A和图3B是示出用于图1的电池再平衡/充电的算法的流程图。

具体实施方式

在用于电池的再平衡和充电的总时间中，多达50％的时间(或者更多时间)可能专用于再平衡。例如，具有1.5kw充电器和6千瓦小时(kwhr)的电池(在该电池中，电池单体不平衡，剩余1.5kwhr的能量)的电池电动车辆(BEV)或插电式混合动力电动车辆(PHEV)可在电池的再平衡上花费1.5小时，在电池充电(到满容量)上花费另外3小时。

PHEV或BEV车辆的所有者可期望在车辆电池的再平衡和充电上花费的时间最小化。在此公开的特定实施例可提供一种系统和技术，所述系统和技术试图减少在车辆电池的再平衡和充电上花费的时间。

电池单体的容量

电池单体的最大容量Ihr_max可根据下面的关系式得到：

${\mathrm{Ihr}}_{\max }=\frac{\mathrm{\ΔIhr}}{\mathrm{\ΔSOC}}---\left(1\right)$

其中，ΔIhr是电池单体的容量的改变量，ΔSOC是电池单体的荷电状态的改变量。作为示例，给定的电池单体的SOC可在给该电池单体提供1安培小时(A·hr)容量之前和之后确定。对于该示例，假设ΔSOC为10％，则根据等式(1)，电池单体的最大容量Ihr_max应该是10A·hrs。

电池单体的能量含量

电池单体的能量含量ε可从下面的等式估计得到：

ε＝∫ρ·dt       (2)

其中，ρ是在一定时间内供应到电池单体的功率。ρ可写成下面的等式：

ρ＝v_m·i          (3)

其中，v_m是与储存的功率相关的(测量)电压，i是与储存的功率相关的电流。将等式(3)代入等式(2)得到下面的等式：

ε＝∫v_m·i·dt    (4)

v_m可写成下面的等式：

v_m＝Δv+v_min       (5)

其中，v_min是处于0％荷电状态的电池单体的电压(例如，3.1V)，Δv是与储存的功率相关的电压与处于0％荷电状态的电池单体的电压之差。将等式(5)代入等式(4)得到下面的等式：

ε＝∫(Δv+V_min)idt (6)

Δv可写成下面的等式：

$\mathrm{\Δv}=i\·\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·t---\left(7\right)$

其中，v_max是处于满荷电状态的电池单体的电压，Ihr_max是电池单体的最大容量，t是电压出现变化的持续时间。将等式(7)代入等式(6)得到下面的等式：

$\mathrm{\ϵ}=\∫[(i\·\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·t)+v_{\min }]\mathrm{idt}---\left(8\right)$

其中，i是充电器的电流。对等式8进行积分得到下面的等式：

$\mathrm{\ϵ}=i^2\·\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\frac{t^2}{2}+v_{\min }\·i\·t---\left(9\right)$

i·t可写成下面的等式：

i·t＝Ihr   (10)

其中，Ihr是电池单体的容量。将等式(10)代入等式(9)得到下面的等式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\frac{{\mathrm{Ihr}}^2}{2}+v_{\min }\·\mathrm{Ihr}---\left(11\right)$

提供特定能量含量所需的电池单体的电压

例如，假设电池组包括成串的电池单体，由于制造容差、使用年限、温度等导致每个电池单体具有不同的安培小时容量。此外，假设每个电池单体的电压可由下面的等式估计得到：

v_cell＝(v_max-v_min)SOC+v_min   (12)

其中，v_max是处于满荷电状态的电池单体的电压，v_min是处于0％荷电状态的电池单体的电压(例如，3.1V)，SOC是电池单体的荷电状态，或者可选地：

$v_{\mathrm{cell}}=\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\mathrm{Ihr}+v_{\max }---\left(13\right)$

其中，Ihr_max是电池单体的最大容量，Ihr是电池单体的容量。

如果所有电池单体均充电到相同的电压，则每个电池单体将储存有不同量的安培小时。在串联串的随后的放电期间，相同的电流将通过所有电池单体。从等式(12)或(13)得到：与具有更大安培小时容量的电池单体相比，具有更小安培小时容量的电池单体开始将具有更低的电池单体的电压。如果不允许任何电池单体放电到电压低于V_min，则然后，即使(如果电池单体可被单独地接入)一些电池单体可能仍然含有可用能量(即，SOC＞0)，具有最小安培小时容量的电池单体仍将确定可允许的串起来的电池单体的放电的结束。

根据等式(3)，考虑到由每个电池单体提供的电能构成串起来的电池单体的总输出电能。此外，如果所有电池单体均充电到相同的电压，则每个电池单体将储存有不同量的安培小时。在所有电池单体均具有相同电压的第一瞬时过去之后，具有更大安培小时容量的电池单体将提供更大的电能，具有更小安培小时容量的电池单体将提供更小的电能。从等式(2)得到：具有更大安培小时容量的电池单体将提供更多能量，以满足车辆行程需要。因此，如果假想地假设所有电池单体均具有最小安培小时电池单体的容量(即，如果假想地假设所有电池单体的容量均等于具有最小安培小时容量的电池单体的容量)，且对电池单体充电使得从等式(9)得到的电池单体的能量的总和满足行程需要，则在其中一些电池单体具有更大安培小时容量的实际串起来的电池单体中，那些电池单体将提供更多能量。将从具有最小安培小时容量的电池单体获得比期望的能量更少的能量，且在行程结束时，该电池单体将不会完全放电(即，SOC＞0)。

可选地，如果所有电池单体均充电到基于具有最大安培小时容量的电池单体的电压，则具有最小安培小时容量的电池单体将不会储存有允许完成行程的足够的安培小时。假设在行程结束时得到最终期望的放电电压，则存在一个电压，该电压是使所有电池单体都必须充电到最小安培小时容量的电池单体的假定中的电压与最大安培小时容量的电池单体的假定中的电压之间的电压。

一种确定期望电压的方法可包括：如上所述利用具有最小安培小时容量的电池单体计算电池单体的需要电压；对通过等式(9)计算的串起来的电池单体的能量进行求和；将计算的能量与需要的行程能量(可基于(例如)行程距离、车辆设计参数等以任何合适/公知的方式确定所述行程能量)进行比较。如果需要的行程能量太大，则可使用逐步减小的假定电压并重复求和过程，直到达到期望的能量水平为止。还可从具有最大安培小时容量的电池单体开始使用类似的过程。

电池组的充电时间

可以如上所述地确定电池单体在充电之后的目标电压。可从等式(12)确定电池单体的需要的SOC。例如，如果V_min＝3V且v_max＝4V且电池单体在充电之后的目标电压是3.5V，则从等式(12)得到每个电池单体的SOC可以是50％。此外，可从等式(12)计算初始SOC(在开始充电之前的SOC)。需要的SOC与初始SOC之差是需要的ΔSOC，ΔSOC可代入等式(1)中，以确定给单独的电池单体充电所需的ΔIhr。

给电池组充电所需的时间取决于：电池单体需要的最大ΔIhrs、电池单体需要的最小ΔIhrs、将电池单体平衡到相同电压的方法、为了平衡电池单体选择的充电循环的一部分。例如，通过在选择的电池单体上放置电阻器来考虑平衡。这可在充电期间实现，使得更小的电流通过对象电池单体(通过电阻器使电流分流)，使得电池单体积聚更小的安培小时，或者这可(在传统上在充电结束时)通过使具有更大电压的电池单体的重复放电、然后给串起来的电池单体充电直到所有电池单体均充电到相同电压为止而实现。考虑到在充电期间平衡所需的时间，需要最大的ΔIhrs(即，ΔIhr_max)的电池单体确定给电池充电的时间的量。在这种情况下，充电时间t_c由下面的等式给出：

$t_c=\frac{\mathrm{\ΔIh}{r}_{\max }}{i_{\mathrm{chg}}}---\left(14\right)$

其中，i_chg是充电电流速率(Amps)。

然后，电流通过选择的电池单体所需的时间t_bc可以是ΔIhr_max、选择的电池单体需要的安培小时ΔIhr_cell、分流电流的幅值I_shunt的函数，如下面的等式给出的：

$t_{\mathrm{bc}}=\frac{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ihr}}_{\max }-\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ihr}}_{\mathrm{cell}})}{I_{\mathrm{shunt}}}---\left(15\right)$

如果从等式(15)得到的任意t_bc值大于从等式(14)得到的t_c值，则给串起来的电池单体充电的时间将超过给电池充电的实际需要的时间。在这种情况下，如上所述，在充电结束时(或者在充电开始时)需要进行一部分平衡。可选地，可减小充电电流速率，使得t_bc≤t_c。

电池单体的电压平衡，以实现目标行驶距离

参照图1，插电式混合动力电动车辆(PHEV)10的实施例可包括发动机12、形成牵引电池14的多个电池单体13、电池充电器15及电机16。PHEV10还可包括变速箱18、车轮20、控制器22及电端口24。

发动机12、电机16及车轮20与变速箱18以任何合适/公知的方式机械地连接(如粗实线所指示的)，使得发动机12和/或电机16可驱动车轮20，发动机12和/或车轮20可驱动电机16，电机16可驱动发动机12。诸如电池电动车辆(BEV)构造等的其他构造也是可行的。

电池14可向电机16提供能量或者接收来自电机16的能量(如虚线所指示的)。电池14还可通过电端口24和电池充电器15接收来自公用电网或其他电源(未示出)的能量(如虚线所指示的)。

控制器22与发动机12、电池14、电池充电器15、电机16及变速箱18通信和/或控制发动机12、电池14、电池充电器15、电机16及变速箱18(如细实线所指示的)。

参照图1和图2，在操作28，控制器22可确定(例如，测量、读取等)每个电池单体13的电压。在操作30，控制器22可使用(例如)针对等式(1)描述的技术确定每个电池单体13的最大容量。在操作32，控制器22可使用(例如)在以“提供特定能量含量所需的电池单体的电压”为题目的章节中描述的技术来确定每个电池单体为了支持目标行驶距离(例如，100英里)而需要的公共电压。在操作34，控制器22可使用(例如)在以“电池组的充电时间”为题目的章节中描述的技术来确定电池组14的充电时间。在操作36，控制器22可使用(例如)在以“电池组的充电时间”为题目的章节中描述的技术来确定每个电池单体的阻抗电路的启用时间。

参照图1和图3A，在操作38，控制器22可确定在操作34(图2)中确定的电池组的充电时间是否大于在操作36(图2)中确定的阻抗电路的启用时间中的最大值。如果在操作38中确定的结果为否，则在操作40，控制器22可使用任何合适/公知的技术首先平衡电池组14的多个电池单体13，然后给所述多个电池单体13充电。如果在操作38中确定的结果为是，则参照图1和图3B，在操作42，控制器22可以为每个电池单体13启用阻抗电路，并启用电池充电器15。在操作44，控制器22可以为每个电池单体13确定电池单体的阻抗电路的启用时间是否已经到期。如果在操作44中确定的结果为否，则算法返回操作44。即，对于其阻抗电路的起作用时间还没有到期的任何电池单体13来说，算法返回操作44。如果在操作44中确定的结果为是，则在操作46，控制器22可停用电池单体的阻抗电路。即，对于其阻抗电路的起作用时间已经到期的任何电池单体13来说，控制器22可停用它们的阻抗电路。

一旦所有电池单体13的阻抗电路均已停用，则在操作48，控制器22可确定电池组的充电时间是否已经到期。如果在操作48中确定的结果为否，则算法返回操作48。如果在操作48中确定的结果为是，则在操作50，算法可停用电池充电器15。因此，电池组14的电池单体13已经平衡/充电到足以支持期望行驶距离的目标电压。

在此公开的算法可传输到处理装置/由处理装置实施，所述处理装置诸如电池充电器15或控制器22，并可包括任何现存的电子控制单元或专用电子控制单元，所述处理装置以各种形式包括但不限于：永久地存储在不可写入存储介质(例如，ROM装置)上的信息、可变地存储在可写入存储介质(例如，软盘、磁带、CD、RAM装置、其他磁介质和光介质)上的信息。所述算法还可以以软件可执行对象实现。可选地，可使用合适的硬件组件(例如，特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、或者其他硬件组件或装置、或者硬件、软件和固件组件的组合)完全或部分地实施所述算法。

虽然已经说明并描述了本发明的实施例，但是不意在使这些实施例说明和描述本发明的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。

Claims (8)

1.一种车辆，包括：

电机，被配置成产生用于车辆的动力；

电池，包括多个电池单体，所述多个电池单体被配置成储存用于电机的能量；

至少一个控制器，被配置成：使电池单体接收电流达到一定时间段；在所述时间段期间，使至少一些电池单体供应电池单体负载电流，从而在所述时间段到期时，所述多个电池单体的电压大致相等，且由所述多个电池单体储存的能量的量不小于预定目标能量水平。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置成：为所述多个电池单体中的至少一些电池单体中的每个电池单体确定使电池单体供应负载电流的持续时间。

3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置成：为每个电池单体确定电池单体的初始容量，其中，使电池单体供应负载电流的持续时间基于电池单体的初始容量。

4.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置成：确定每个持续时间是否小于所述时间段。

5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置成：确定所述时间段。

6.一种动力系统，所述系统包括：

电池，包括多个电池单体；

至少一个控制器，被配置成：给电池单体充电达到一定时间段，从而在所述时间段到期时，所述多个电池单体的电压大致相等，其中，至少在所述时间段的确定部分期间，在所述多个电池单体中的至少一些电池单体中，给电池单体充电的速率不相同。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个控制器还被配置成：确定所述时间段。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，在所述时间段到期时，由电池单体储存的能量的量不小于预定目标能量水平。

Images