CN103260936B - 一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法以及一种相应的蓄电池管理系统和蓄电池 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于均衡具有N个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法。其中为了均衡n＝1到N单元的个体充电状态(SOCn)，将至少一个单元的充电状态改变到目标充电状态(SOCZiel，n)。根据方程SOCZiel，n＝1-DODk/Capn，此目标充电状态取决于具有最小容量(Capk)的单元的放电深度(DODk)。其中Capn是将被改变的第n个单元的容量。有利地，此方法适于优化一种由多个单元组成的蓄电池的电压和能量容量。

Description

一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法以及一种相应的蓄电池管理系统和蓄电池
技术领域
本发明涉及一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池充电状态的方法、一种包括根据本发明的方法的蓄电池管理系统、一种具有根据本发明的电池管理系统的蓄电池，尤其是锂离子蓄电池以及一种具有根据本发明的蓄电池的汽车。这种蓄电池尤其能够被用于驱动机动车。
背景技术
在将来，无论在固定的应用中(例如风力发电机，应急发电机或者孤岛电网)，还是在车辆中(例如混合动力或者纯电动车辆)能够期望，将增加应用蓄电池系统。这对蓄电池系统提出了关于可使用的能量容量、充放电效率和可靠性的高要求。
为了符合关于可用的能量容量、最大功率和总电压的要求，将多个单个的蓄电池单元串联，并附加地部分地并联。这样将由大量的串联的电化学单元组成的锂离子或者镍氢技术的蓄电池组应用在混合动力车辆和电动车辆上。
一种如此大量的串联的蓄电池单元带来了一些问题。出自安全原因并且为了在电压测量时达到足够的精确性，必须逐一测量单个蓄电池单元的单元电压并且检测是否遵从上下限。由于蓄电池单元的串联，相同的电流流过所有的蓄电池单元，也就是说，对于所有的蓄电池单元，在放电时提取的以及在充电时引入的电荷也是一样的。所以具有最小容量的单元限制了蓄电池组的总电量。因为通常情况下对于电化学单元在容量损失和内阻提高之间存在直接的关系，在通常情况下具有最小容量的单元也具有最小的功率。因此如果一个蓄电池单元的容量例如由于老化而不同于其他蓄电池单元，那么具有较高容量的蓄电池单元只能充电和具有最低容量的蓄电池单元一样多的电量。除此之外，单个的蓄电池单元的故障将导致整个蓄电池的失效，因为再没有电流能够流过故障的蓄电池单元并因此流过蓄电池。
一种对于在蓄电池单元中储存的能量值的度量是所谓的充电状态(State-of-Charge：SOC)。其中应该注意到，在组装成蓄电池时多个蓄电池单元的初始充电状态不会完全相同。此外，由于在制造时的一些生产偏差，蓄电池单元总会在它们的参数上有细微的差别，并因此其充电状态对外加电流的反应亦有差别。通过蓄电池单元的老化这些差别可能会进一步扩大。
已知的是，采用蓄电池管理系统来监控蓄电池的充电状态。除了安全监控，还应该保证蓄电池的尽可能长的寿命，并确保单个单元的充电状态彼此协调。这通过一种合适的单元对称，即所谓的“CellBalancing”来实现。通常情况下，阻性地实现这种充电状态的单元对称或者均衡。此外为了能够有针对地让单个单元放电，为每个单元设置有一个阻抗和一个开关元件。从DE102006022394A1可知一种用于充电均衡具有多个单元的电源的装置，其中为了充电均衡，单元与至少部分地将单元放电的放电单元相连接。根据现有技术，容性地(即，用连接的电容器)或者感性地(即，通过连接的电感)实现单元均衡也是可能的。在这两种情况下，能量能够以受限的效率在单元之间交换，而能量在阻性的单元均衡中只能转换成热并因此有损失。
对于混合动力车辆，无论在用于再生利用的充电方向还是在以加速为目的的放电方向，高的效率总是有利的。已知随着充电状态升高，最大允许的充电功率降低，而最大允许的放电功率升高。基于此，根据现有技术对于混合动力车辆期望混合动力车辆的蓄电池组在50％的充电状态运行，以一直确保高功率。然而通常情况下在实践中应用一种运行窗(例如充电状态在40％和60％之间)。对于所谓的“插电式混合动力车辆”这个运行窗相应的较大(例如充电状态10％到90％)。
与之相反，对于电动车辆，能量容量是最重要的标准。与混合动力车辆不同，这里涉及的短时加速较少，而更多地涉及确保车辆在尽可能长的时段内可运行并且总是提供尽可能大的能量。
现有技术中的均衡策略追求实现所有单元总是达到相同的充电状态。此外通常情况下，将所有单元都均衡至相同的开路电压。这种策略对于具有几乎相同容量的新单元是合理的。对于不同容量的单元，如通过生产偏差和老化出现的，这种均衡策略在均衡时却导致不必要的能量损失。
图1举例说明了由于老化而具有不同容量的六个电化学单元。根据现有技术中用于均衡的这种方法，将所述单元带到各自50％的充电状态。如果将蓄电池组放电，直到具有最小容量的单元(此例中是单元5)几乎完全放电，所有其他的单元各自呈较高的充电状态。根据上述策略，在持续均衡时，所有其它单元会放电直到它们达到单元5的个体的充电状态。这便意味着，除了具有最小容量的单元，在所有的单元中必须消耗不必要的能量。
发明内容
根据本发明提出了一种用于均衡具有N个蓄电池单元的蓄电池充电状态的方法，其中为了均衡n＝1到N单元个体的充电状态，将至少一个单元的充电状态SOCn改变到目标充电状态SOCZiel，n,根据方程SOCZiel，n＝1-DODk/Capn，此目标充电状态取决于具有最小容量Capk的单元的放电深度DODk，在此Capn是将被改变的单元的容量。
优选地，上述内容适用于当均衡是必要的或者是可能的时候，直到均衡的终止标准被满足。这个终止标准能够取决于所涉及单元的当前充电状态和目标充电状态的差的函数。一种终止标准可以是f(SOCn-SOCZiel，n)＞A,其中A是待定的阈值。
借助于所述方法均衡蓄电池中的单个电化学蓄电池单元的充电状态。根据本发明的方法的优点在于，相对于现有技术减小了在均衡充电状态的情况下的能量损失。在此同时优化了单元的能量容量。此外减小了均衡的持续时间。均衡不必应用另外的硬件。作为计算机程序所述方法能够在软件中实现并因此经济地实施。
具体地，首先所述方法具有确定所有的n＝1到N单元的个体单元容量Capn的步骤。接着确定具有n＝1到N单元中最小单元容量Capk的第k个单元并确定所有n＝1到N单元的个体的充电状态SOCn。接着确定所有n＝1到N单元的放电深度DODn。优选地，这能够根据方程DODn＝Capn-SOCn*Capn来实现。然后在下一步骤中确定所有n＝1到N单元的目标放电深度DODZiel，n，其中DODZiel，n＝DODk，也就是目标放电深度和具有最小容量的单元的放电深度相等。由目标放电深度根据SOCZiel，n＝1-DODZiel，n/Capn确定所有n＝1到N单元的目标充电状态SOCZiel，n。然后根据ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n，为所有n＝1到N单元确定单元的充电状态SOCn和目标充电状态SOCZiel，n的偏差。然后在下一步骤中根据ΔSOCmin＝min(ΔSOCZiel，n)确定所有n＝1到N单元中单元的充电状态SOCn和其目标充电状态SOCZiel，n的最小偏差ΔSOCmin。然后接着对n＝1到N单元中ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X成立的至少一个单元放电，其中X是一个X>0的参数。如果对所有n＝1到N单元有ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X成立，则结束此方法。如果所述不成立，即对于至少一个单元ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X，则返回到确定个体的充电状态的步骤并且再重复后面的步骤。
优选地，在所述放电步骤中能够对所有ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X的单元放电，更优选地，同时放电。这进一步减少了均衡的持续时间。
优选地，能够在预先限定的时间间隔中实施返回到确定充电状态的步骤。所述返回也能够连续地实现。
优选地，充电状态以百分数表示并且参数X优选地大于零小于6％，更优选地小于3％。
有利地，所述方法也能够应用于容性和感性地均衡充电状态。在放电步骤之后并在返回确定充电状态步骤之前还包括提供正进行放电的单元的放电电流以充电n＝1到N单元中ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y(其中X＞Y)成立的至少一个单元的步骤。
在一个优选的实施例中充电所有ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y的单元，更优选地同时充电。
相应地，提出了一种用于蓄电池尤其是锂离子蓄电池的蓄电池管理系统，所述系统具有上述的根据本发明的方法。
相似地，给出了具有根据本发明的蓄电池管理系统的蓄电池，尤其是锂离子蓄电池，以及具有根据本发明的蓄电池的机动车。
在从属权利要求中说明并在说明书中描述本发明的有利的改进方案。
附图说明
附图描述了并在下文的说明书中更具体阐释了本发明的实施例。附图中：
图1示出了现有技术中具有六个单个单元且各自充电状态为50％的蓄电池的充电状态和容量；
图2示出了电化学储能器的开路电压对充电状态的依赖性；
图3以示意图示出了用于均衡蓄电池的单个单元的充电状态的根据本发明的方法；
图4示出了依据本发明的方法的具有六个单个单元的蓄电池在100％的组充电状态时的充电状态和容量；并且
图5示出了根据本发明的蓄电池均衡的结果。
具体实施方式
本发明涉及用于均衡蓄电池或蓄电池组，尤其是锂离子蓄电池或锂离子蓄电池组的单个单元的充电状态的方法。
图2示出了电化学单元的开路电压对充电状态的依赖性。描述了锂离子单元的OCV特性曲线(开环电压)。开路电压随着电化学储能系统的充电状态的升高而升高。这根据充电状态而呈不同程度。
对于只能够在小于单元总容量的容量窗中运行的蓄电池组中的单元，根据本发明将容量窗置于上述充电状态范围是有利的。这适用于图1中除了具有最小容量的单元外的所有单元。在所述窗中，单元电压平均上比在其他的每个范围中高。因此在所述窗中可提取的能量最大。此外很多单元类型的内阻会随着充电状态的上升而下降，这会进一步提高而可提取的能量。
在下述方法中，用“SOC”(StateofCharge)以百分数描述充电状态，其中100％代表单元充满电的状态。单元的容量缩写为“Cap”并且在下文中用单位“Ah”来描述。放电深度缩写为“DOD”(DepthofDischarge)并且同样用“Ah”来描述。当放电深度为0Ah时，该单元充满了电。放电深度通过DOD＝(1-SOC)*Cap来计算。
为了使蓄电池组的所有N个单元以能量优化的方式均衡，能够有利地使用下述方法(参照图3)：
S1确定所有n＝1到N单元的个体单元容量Capn；
S2确定具有n＝1到N单元中最小单元容量Capk的第k个单元；
S3确定所有n＝1到N单元的个体的充电状态SOCn；
S4确定所有n＝1到N单元的放电深度DODn；优选地，这根据方程DODn＝Capn-SOCn*Capn实现；
S5根据DODZiel，n＝DODk确定所有n＝1到N单元的目标放电深度DODZiel，n；
S6根据SOCZiel，n＝1-DODZiel，n/Capn确定所有n＝1到N单元的目标充电状态SOCZiel，n；
S7根据ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n为所有n＝1到N单元计算单元的充电状态SOCn和其目标充电状态SOCZiel，n的偏差；
S8根据ΔSOCmin＝minΔSOCZiel，n计算所有n＝1到N单元中单元的充电状态SOCn和其目标充电状态SOCZiel，n的最小偏差ΔSOCmin；
S9对n＝1到N单元中ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X成立的至少一个单元放电，其中X是一个X>0的参数；
S10如果对所有n＝1到N单元有ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X成立，那么就跳到下一步骤S11；如果并非对所有单元成立，那么就返回到步骤S3确定个体的充电状态S3并且重复后面的步骤；
S11方法结束。
在此上文提到的方法首先是关于充电状态的阻性均衡。在阻性均衡中，只能够将单元放电，以使得在阻性均衡中只会进行步骤S9的放电。在另一个实施例中描述了容性或者感性的均衡，此处也能够将单元充电。
在根据本发明的均衡方法中将蓄电池组的全部单元如此均衡，以至于在接下来的将蓄电池充电至100％的蓄电池组充电状态时(例如通过插座)，蓄电池组的全部单元各自具有100％的个体的充电状态。这通过目标充电状态SOCZiel，n和具有最小容量的单元“k”的放电深度DODk的依赖关系来实现，并且在图4中针对图1的六个单元示出。因为每个蓄电池单元以这种方式始终运行在尽可能高的SOC-窗并因此运行在尽可能高的电压状态(参照图2)，平均有尽可能高的蓄电池电压可供使用。因此通过根据本发明的方法，将优化单位时间充电量与电压相乘的作为整体的能量容量。
根据本发明的用于均衡的方法不仅能够应用在有负载时，还能够用于通过外部电压的充电过程中。
对于较低的蓄电池组充电状态，根据各自的单元容量，针对每个单元调整不同的个体的充电状态。这在图5中针对具有N＝6蓄电池单元的蓄电池组示例性地示出。
当将具有最小容量的单元，即单元5,完全放电后，根据本发明的用于均衡的方法，所有其他的单元保持它们的充电量并且不会进一步放电。
在优选的实施方式中，根据本发明的方法是蓄电池的蓄电池管理系统的一部分。下文因此示例性地描述，通过蓄电池管理系统实现根据本发明的方法。但是这并不是限制性的，而仅仅是示例性的。
能够在下文中数学地计算或者用其他方式和方法(例如通过记录卡)确定或者测定对于实施该方法必要的各个变量。
优选地，在步骤S1中通过蓄电池管理系统确定或者测定单元容量。然后在步骤S2中根据所得数据确定具有最小单元容量的单元。由于单元的串联，具有最小容量的单元限制了蓄电池组的总充电容量。在根据本发明的方法中，实现与具有最小容量的单元的放电深度相关的均衡。在步骤S3中确定或者测定蓄电池的每个单个的电化学单元的充电状态。优选地，这些又借助于蓄电池管理系统来实现。然后根据个体的充电状态，借助于在步骤S4中描述的方程计算放电深度或者另外确定或者计算放电深度。然后在步骤S5中使得每个单元的理想目标放电深度与具有最小容量的单元的放电深度相等。任何单元都不能放电超过具有最小容量的单元的放电深度。然后根据目标放电深度根据上文在步骤S6中说明的方程计算目标充电状态。为了均衡，在步骤S7中确定或者计算每个单元的当前充电状态和目标充电状态的偏差ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n。然后根据偏差确定最小偏差ΔSOCmin(S8)。如果偏差ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n和最小偏差ΔSOCmin的差比预先定义的或者可选的参数X大，将前述条件成立的那些单元中的至少一个单元放电(S9)。优选地，所有单元同时放电。在步骤S10中检测是否实际上对一单元放电或者是否需要对一单元放电。如果是，则返回跳转到步骤S3并且从那里重新实施该方法。但是如果不再需要对单元放电，则跳转到下一步并结束所述方法(S11)。
此处步骤S10中的返回跳转能够连续实现(当计算时间小于放电过程)或者在固定的时间间隔中离散(例如每秒1-10次)实现。根据方法的精度，几分钟的时间段也是有意义的。因此其是一种迭代方法，其中参数X描述了均衡有多精确。参数X可以是实数或者自然正数中的一个数目。X能够小于10％，优选地，X小于6％，更优选地，小于3％。较高的参数将加速该方法，但是让匹配更不精确。较低的参数导致在均衡后个体的充电状态的带宽低，但是导致匹配持续时间更长。
表格1示出了根据本发明的方法用于阻性地均衡蓄电池，尤其是具有N＝6单个单元的锂离子蓄电池的实施例。在此，用于放电的参数X为4％。从表格1中可以看出，单元3是具有最小容量的单元，这里是18.3Ah，并具有62％的充电状态。然后将所谓的个体单元的目标放电深度DODZiel设置为与具有最小容量的单元的放电深度相等。根据所述方法必须将单元5充电，因为它的目标充电状态达到66％，而实际充电状态只有63％。但是在纯阻性方式中这就不可能了。当偏差X的阈值是4％时，在这里的例子中第一步将单元1、2、4和6放电。没有描述迭代方法的后面过程。
表格1：对于具有6个个体单元的蓄电池的例1，其中X＝4％
在另一个实施例中，所述方法也适用于充电状态的容性和感性的均衡。其中在所述方法的步骤S9中，将放电单元的放电电流用于给其他单元充电。然后将ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y成立的至少一个单元充电，其中X＞Y。优选地，将该关系成立的所有单元一起充电。在与X有关的所述限制中，可以自由选择参数Y。
优选地，在蓄电池的蓄电池管理系统中，以软件实施根据本发明的方法。所述软件解决方案尽可能经济地和灵活地实现所述方法。
具有相应的蓄电池管理系统的蓄电池能够是机动车的一部分。优选地，它是机动车的驱动系统的一部分并且与机动车的发动机耦合。

Claims (12)

1.一种用于均衡具有N个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的的方法，其中为了均衡n＝1到N单元的个体的充电状态(SOCn)，将至少一个单元的充电状态改变到目标充电状态(SOCZiel，n)，根据方程SOCZiel，n＝1-DODk/Capn，所述目标充电状态取决于具有最小容量(Capk)的单元的放电深度(DODk)，其中Capn是将改变的第n个单元的容量。
2.根据权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
(S1)确定所有n＝1到N单元的个体单元容量(Capn)；
(S2)确定具有n＝1到N单元中最小单元容量(Capk)的第k个单元；
(S3)确定所有n＝1到N单元的个体的充电状态(SOCn)；
(S4)确定所有n＝1到N单元的放电深度(DODn)；
(S5)根据DODZiel，n＝DODk确定所有n＝1到N单元的目标放电深度(DODZiel，n)；
(S6)根据SOCZiel，n＝1-DODZiel，n/Capn确定所有n＝1到N单元的目标充电状态(SOCZiel，n)；
(S7)根据ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n为所有n＝1到N单元确定单元的充电状态(SOCn)和其目标充电状态(SOCZiel，n)的偏差；
(S8)根据ΔSOCmin＝min(ΔSOCZiel，n)确定所有n＝1到N单元中单元的充电状态(SOCn)和其目标充电状态(SOCZiel，n)的最小偏差(ΔSOCmin)；
(S9)对n＝1到N单元中ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X成立的至少一个单元放电，其中X是一个X>0的参数；
(S10)如果对所有n＝1到N单元有ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X成立，那么就跳到下一步骤(S11)；如果并非对所有单元成立，那么就返回到步骤(S3)确定所述个体的充电状态(S3)并且重复后面的步骤；
(S11)所述方法结束。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述放电步骤(S9)中，将所有ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X的单元放电。
4.根据权利要求2或者3所述的方法，其中在预先限定的时间间隔中实施返回到确定所述个体的充电状态的步骤(S3)。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述充电状态(SOC)是以百分数表示的并且所述参数X大于零小于6％。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述参数X大于零小于3％。
7.根据权利要求2或3所述的方法，其中为了容性和感性地均衡充电状态，所述放电步骤(S9)还包括：
提供正进行放电的单元的放电电流以充电n＝1到N单元中ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y成立的至少一个单元，其中X＞Y。
8.根据权利要求7的方法，其中同时充电ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y的所有单元。
9.一种用于蓄电池的蓄电池管理系统，包括根据权利要求1到8中任意一项所述的方法。
10.一种蓄电池，具有根据权利要求9所述的蓄电池管理系统。
11.根据权利要求10所述的蓄电池，其中，所述蓄电池是锂离子蓄电池。
12.一种机动车，具有根据权利要求10或11所述的蓄电池。
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