CN102903975B - 电池单体的容量平衡的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池单体的容量平衡的系统和方法。用于车辆的动力系统可包括至少一个控制器及具有多个电池单体的电池。所述至少一个控制器可以针对每个电池单体：确定电池单体的容量；确定供应电池单体负载电流以将电池单体的确定的容量减小到约等于所述确定的容量中的最小容量的值的持续时间；使电池单体供应电池单体负载电流持续所述确定的持续时间，以平衡电池。

Description

电池单体的容量平衡的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种电池单体的容量平衡的系统和方法。
背景技术
执行车辆电池的再平衡，以修正电池单体的不平衡条件。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
一种平衡具有多个电池单体的车辆电池的方法可包括：针对每个电池单体确定电池单体的容量；针对每个电池单体，确定供应电池单体负载电流以将电池单体的确定的容量减小到目标值的持续时间；针对每个电池单体，使电池单体供应电池单体负载电流达到所述确定的持续时间。
附图说明
图1是电池单体及其阻抗电路的示意图。
图2是可变动力车辆的框图。
图3是示出用于确定与图2的电池再平衡相关的时间的算法的流程图。
图4是示出用于图2的电池单体放电的算法的流程图。
具体实施方式
可变动力车辆(例如，电池电动车辆等)的制造商可能期望提供一种车辆，该车辆可在电池再平衡/充电之后被驱动行驶特定距离。电池驱动的车辆的驾驶距离取决于由车辆的电池储存的能量的量。传统的电池再平衡技术在将电池单体充电到目标电压之前尝试着使电池单体的电压相等。然而，对于给定的电池单体的电压来说，由于电池单体老化导致电池单体的能量含量可随着时间改变(例如，减小)。因此，如果电池单体继续被充电到相同的目标电压，则由电池储存的能量的量(并因此产生的车辆行驶距离)可随着时间减小。
在此公开的特定实施例可提供一种系统和技术，该系统和技术将电池单体平衡/充电到目标容量而非目标电压。因此，可满足车辆的特定行驶距离。
电池单体的容量
电池单体的最大容量Ihrmax可根据下面的关系式得到：
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，假设测量的ΔSOC为10％，则根据等式(1)，电池单体的最大容量Ihrmax应该是10A·hrs。
电池单体的能量含量
电池单体的能量含量ε可从下面的一组等式估计得到：
ε＝∫ρ·dt(2)
其中，ρ是供应到电池单体的功率。ρ可写成下面的等式：
ρ＝vm·i (3)
其中，vm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＝∫vm·i·dt(4)
vm可写成下面的等式：
vm＝Δv+vmin(5)
其中，vmin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+vmin)idt(6)
Δv可写成下面的等式：
其中，vmax是处于满荷电状态的电池单体的电压，Ihrmax是电池单体的最大容量，t是电压出现变化的持续时间。(等式(7)可用于通过求解i·t(电池单体的容量)并将Δv设定为等于特定电池单体8的测量电压，而得到特定电池单体8的容量。)将等式(7)代入等式(6)得到下面的等式：
对等式8进行积分得到下面的等式：
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：
获得电池单体的目标容量所需的放电时间
参照图1，电池单体8(及与其相关的阻抗放电电路)可被模拟成标准RC电路。因此，电池单体的测量电压vm与目标电压vt之间的关系可由下面的等式给出：
vt＝vm·(e-t/RC)(12)
其中，t是电路的时间常数，R是阻抗电路的电阻(例如，4kΩ)，C是电池单体的等效电容。C可写成下面的等式：
I·dt可写成下面的等式：
I·dt＝Ihr (14)
Ihr是电池单体8的容量(A·hrs)，dv可写成下面的等式：
dv＝vmax-vmin(15)
其中，vmax是处于满荷电状态的电池单体的电压(例如，4.0V)，vmin是处于0％荷电状态的电池单体的电压(例如，3.1V)。将等式(14)和(15)代入等式(13)得到下面的等式：
重新整理等式(12)得到下面的等式：
可通过对等式(17)求值得到放电时间t，在放电时间t期间，电池单体可供应电池单体负载电流，以获得电池单体的期望容量(该期望容量小于电池单体的当前容量)。R通过设计已知，C可从等式(16)得到，vm可测量得到。vt对应于处于电池单体的期望容量的电池单体的电压。通过对如上所述的等式(7)求值以确定每个电池单体8的容量，可确定多个电池单体的容量中的最小值。在本示例中，该最小值是电池单体的期望容量。可以为每个电池单体再次对等式(7)求值，以通过将Δv设定为等于vt且将i·t设定为等于期望容量而确定对应于期望容量的电池单体的电压。
电池单体的容量平衡
参照图2，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8、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能量源(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2和图3，在操作28，控制器22可确定(例如，测量、读取等)每个电池单体8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8的最大容量。在操作32，控制器22可使用(例如)针对等式(7)描述的技术确定每个电池单体8的容量。在操作34，控制器22可识别具有最小容量的电池单体。在操作36，控制器22可使用(例如)针对等式(17)描述的技术确定放电时间，以将每个电池单体8(除了具有最小容量的电池单体之外)平衡到最小容量。
参照图2和图4，在操作38，控制器22可以为每个电池单体8启用阻抗电路，以使电池单体供应电池单体负载电流，从而使电池单体的容量减小到最小容量。在本示例中，最小容量等于在操作34(图3)中确定的电池单体的容量中的最小容量。在操作40，控制器22可以为每个电池单体8确定电池单体的放电时间是否已经到期。如果在操作40中确定的结果为否，则算法返回操作40。即，对于其放电时间还没有到期的任何电池单体8来说，算法返回操作40。如果在操作40中确定的结果为是，则在操作42，控制器22可停用电池单体的阻抗电路。即，对于其放电时间已经到期的任何电池单体8来说，控制器22停用它们的阻抗电路。
提供特定能量含量所需的电池单体的容量
一旦所有电池单体8的阻抗电路均不起作用，则然后，控制器22可操作以将电池充电到某个期望水平。例如，电池单体8可充电到目标水平，以支持车辆的期望行驶距离，同时使电池性能退化最小化。
例如，假设具有20个电池单体的给定电池组需要储存至少30千瓦小时(kW·hrs)的能量，以支持100英里的行驶距离。即，由电池组的电池单体储存的能量的总和应该至少等于30kW·hrs。然后，可以为每个电池单体对等式(11)求值。可假设Ihr的初始值(例如，1A·hr)，vmax和vmin通过设计已知，Ihrmax可从等式(1)确定。在本示例中，如果电池单体的能量的总和小于30kW·hrs，则Ihr的值可增加(例如)1A·hr，可以针对每个电池单体再次反复地对等式(11)求值，直到电池单体的能量的总和至少等于30kW·hrs为止。由于电池单体的能量的总和至少等于30kW·hrs导致的容量值是电池单体的目标容量值。
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。
虽然已经示出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)

1.一种用于车辆的动力系统，所述系统包括：
电池，包括多个电池单体；
至少一个控制器，被配置成针对每个电池单体：确定电池单体的最大容量，所述最大容量由于电池单体老化而随着时间改变；基于确定的电池单体的最大容量来确定电池单体的容量；确定供应电池单体负载电流以将确定的电池单体的容量减小到约等于确定的电池单体的容量中的最小容量的值的持续时间；使电池单体供应电池单体负载电流达到所述确定的持续时间，以平衡电池。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个控制器还被配置成：给电池单体充电。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，每个电池单体的所述持续时间基于处于满荷电状态的电池单体的电压与处于0％荷电状态的电池单体的电压之差。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个控制器还被配置成：确定每个电池单体的电压，其中，每个电池单体的所述持续时间基于电池单体的电压。
5.一种平衡包括多个电池单体的车辆电池的方法，所述方法包括：
针对每个电池单体，
确定电池单体的最大容量，所述最大容量由于电池单体老化而随着时间改变；
基于确定的电池单体的最大容量来确定电池单体的容量；
确定供应电池单体负载电流以将确定的电池单体的容量减小到约等于确定的电池单体的容量中的最小容量的值的持续时间；
使电池单体供应电池单体负载电流达到所述确定的持续时间，以平衡车辆电池。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定供应电池单体负载电流以将电池单体的确定的容量减小到约等于确定的容量中的最小容量的值的持续时间的步骤包括：确定处于满荷电状态的电池单体的电压与处于0％荷电状态的电池单体的电压之差。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，确定供应电池单体负载电流以将电池单体的确定的容量减小到约等于确定的容量中的最小容量的值的持续时间的步骤包括：确定电池单体的电压。
8.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：给电池单体充电。
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