CN103516006A - 电池组和电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池组和一种电源设备。所述电池组包括可再充电的电池模块和用于控制电池模块的充电和/或放电的电池管理系统。电池模块可包括在电池模块的至少部分充放电循环内的基本线性的充放电电压-时间分布，电池管理系统可被构造成通过利用电池模块的线性的充电和/或放电特性来计算电池模块的充电状态。

Description

电池组和电源设备
技术领域
实施例涉及一种电池组和一种应用于电池组的充电状态（SOC）算法。
背景技术
通常，与不可以再充电的一次电池不同，二次电池是可再充电和可放电的电池。根据应用电池的外部装置的种类，二次电池可用作单个电池或可用作包括作为单元的多个电池的电池模块。
发明内容
实施例涉及一种电池组，所述电池组包括可再充电的电池模块和用于控制电池模块的充电和/或放电的电池管理系统。电池模块可以包括在电池模块的至少部分的充放电循环内的基本线性的充放电电压-时间分布，电池管理系统可被构造成通过利用电池模块的线性的充电和/或放电特性来计算电池模块的充电状态。
电池管理系统可被布置成通过确定电池模块的第一充电状态并然后利用电池模块的线性的充电和/或放电特性来计算电池模块的在充电或放电一段时间之后的第二充电状态。
第一充电状态可以是电池模块的当前充电状态，第二充电状态可以是电池模块的预测的充电状态，或者第一充电状态可以是电池模块的先前充电状态，第二充电状态可以是电池模块的当前充电状态。
电池管理系统可被构造成通过测量电池模块的输出电压来确定电池模块的第一充电状态。
电池管理系统可被构造成确定基本线性的充放电电压-时间分布。
电池管理系统可被构造成确定充电状态的子范围的充放电电压-时间分布，然后利用该充电状态的子范围的充放电电压-时间分布来确定充电状态的较宽范围的基本线性的电压-时间分布。
电池管理系统可被构造成利用确定的基本线性的充放电电压-时间分布来确定基本线性的充放电电压-充电状态分布。
电池模块的充放电电压-充电状态分布在从70%充电状态至90%充电状态的充电状态的范围内可以是线性的。
电池模块可由一个或多个锂离子电池组成。
所述一个或多个锂离子电池均可以包括负极活性材料，所述负极活性材料包括碳黑和软碳。
负极活性材料包括的碳黑和软碳的总重量可由大约54.5%（重量）至99.5%（重量）的软碳和大约0.5%（重量）至45.5%（重量）的碳黑组成。
负极活性材料可包括大约54.5%（重量）至99.5%（重量）的软碳和大约0.5%（重量）至45.5%（重量）的碳黑。
实施例还在于一种用于起动发动机的怠速停止和运行的电源设备，所述电源设备包括根据实施例的电池组、用于对电池组充电的发电模块和布置成通过电池组的放电而被提供动力的起动电机。
在起动发动机时，电池管理系统可被构造成确定基本线性的充放电电压-时间分布，并可以被布置成利用确定的基本线性的充放电电压-时间分布来确定基本线性的充放电电压-充电状态分布。并且电池管理系统被布置成基于逝去的时间利用确定的基本线性的充放电电压-时间分布来确定电池模块的发动机起动电压值，然后利用所述发动机起动电压值和所述确定的基本线性的充放电电压-充电状态分布来确定发动机起动状态的充电值。
附图说明
通过参照附图详细地描述示例性实施例，对于本领域技术人员来说特征将变得明显，在附图中：
图1示出的图示出了根据实施例的电池组的示意性构造和与外围装置的连接状态；
图2中的（a）和（b）示出了普通锂离子电池中的充电/放电电压分布的曲线图和根据实施例的锂离子电池的充电/放电电压分布的曲线图；
图3示出的框图示出了根据实施例的用于获得充电状态（SOC）的电池管理系统（BMS）的内部结构；
图4A至图4C示出了根据实施例的关于锂离子电池的实验数据和曲线图的示图；
图5示出了根据实施例的通过BMS获得SOC的过程的流程图；以及
图6示出了根据实施例的当BMS起动发动机时通过利用输出分布获得SOC的过程的流程图。
具体实施方式
现在在下文中将参照附图更充分地描述示例实施例；然而，它们可以以不同的形式来实施并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是完全的和彻底的，并将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。
例如，在说明书中描述的某些形状、结构和特性可以从公开的实施例中进行修改。另外，各个实施例中的各个组件的位置或布置可进行修改。因此，本发明不意图将实施例限制于实践中的特定模式，并且将理解的是，这里包含不脱离精神和技术范围的所有改变、等同物和替代物。
图1示出的图示出了根据实施例的电池组100的示意性构造和与外围装置的连接状态。
在图1中示出的示例性实施例中，电池组100包括第一端子P1、第二端子P2和连接在第一端子P1和第二端子P2之间以接收充电功率和输出放电功率的电池模块110。电池组100可通过第一端子P1和第二端子P2电连接到并联的发电模块210和起动电机220。另外，如图1中所示，电池组100包括电池管理系统（BMS）120和电池模块110。
电池组100存储由发电模块210产生的充电功率，并可以将放电功率供应到起动电机220。例如，发电模块210可连接到发动机（未示出），并可连接到发动机的驱动轴以将旋转驱动力转换成电输出。由发电模块210产生的充电功率可通过电池组100的第一端子P1和第二端子P2而被存储在电池模块110中。例如，发电模块210可包括直流（DC）发电机（未示出）或交流（AC）发电机（未示出）和整流器（未示出），并可提供大约15V（例如，大约14.6V至14.8V）的DC电压。
例如，电池组100可被用作用于起动用于改善燃料效率的怠速停止和运行（ISG）系统的发动机的电源装置。由于在ISG系统中频繁地重复发动机的停止和再起动，因此重复电池组100的充电和放电。
可能被考虑用于ISG系统的铅蓄电池的寿命可能因频繁重复充电和放电操作而缩短，并且充放电特性劣化，例如，充电容量可能因充电和放电操作的重复而降低，从而降低发动机的起动性（startability）并缩短铅蓄电池的更换周期。
根据本示例性实施例，电池模块110包括在与铅蓄电池相比时具有较少老化并且维持恒定的充放电特性的锂离子电池，因此，电池模块110可合适地应用于发动机的停止和再起动频繁地重复的ISG系统。另外，由于锂离子电池具有比具有相同充电容量的铅蓄电池的重量低的重量，因此可提高燃料效率。另外，可以利用比铅蓄电池的体积小的体积来实现相同的充电容量，并且可以节省安装空间。然而，本实施例的电池模块110不限制于锂离子电池，可以包括例如镍金属氢化物（NiMH）电池。
电池模块110可包括彼此串联连接和彼此并联连接的多个电池单体（未示出），额定充电电压和充电容量可通过结合串联和并联连接来调整。
电池模块110可表示包括多个电池子单元的结构。例如，当电池组100是包括多个电池托盘的电池架时，所述电池架可被称为电池模块110。同样地，当电池托盘包括多个电池单体时，电池托盘可被称为电池模块110。
本实施例的电池模块110包括包含电极组件和容纳电极组件的壳体的锂离子电池，所述电极组件包括包含正极活性材料的正极板、包含负极活性材料的负极板和隔膜。正极活性材料可以是多种正极活性材料的组合，例如，可包括从由LixWO3、LixMoO2、LixTiS2、LixMoS2、LixMnO4、Li1-xMn2O4、Li1-xNiO2、Li1-xCoO2、LiNiVO4、LiF和LixNiyCozAl1-y-zO2的组中选择的至少两种的组合。
另外，负极可由包括碳的材料形成。根据本实施例的电池模块110的负极可包括软碳和碳黑。例如，电池模块110的负极活性材料的碳部分可由大约54.5%（重量）至99.5%（重量）的软碳和大约0.5%（重量）至45.5%（重量）的碳黑组成。
隔膜设置在正极板和负极板之间，是具有高的离子透过性和机械强度的绝缘薄膜。隔膜的孔可具有大约0.01μm至10μm的直径，隔膜的厚度可通常为大约5μm至300μm。隔膜可由例如具有耐化学性和疏水性质的烯烃类聚合物、由玻璃纤维或聚乙烯形成的片或无纺布、或者牛皮纸形成。隔膜可以是例如保护电池类膜（cell-guard based film）、聚丙烯隔膜或聚乙烯类隔膜。
在实施例中，电池模块110可包括包含软碳作为负极活性材料的锂离子电池。根据材料的特性，包括软碳的电池模块110可具有与电池模块110的充电状态（SOC）成线性比例的充放电电压分布。例如，根据本实施例的在负极处包括软碳的锂离子电池具有在主要由车辆使用的70%至90%的SOC段内的线性的充放电电压分布。当因锂离子电池的特性而高速执行充电和放电时，根据本实施例的包括软碳的电池模块110具有线性的充放电分布。
图2中的（a）和（b）示出普通锂离子电池的充放电电压分布的曲线图和本实施例的锂离子电池的充放电电压分布的曲线图。
参照图2中的（a），普通锂离子电池的充电/放电电压分布显示为如曲线图中所示的曲线。即，如曲线图中所示，普通锂离子电池的充电/放电电压分布在充电或放电的初始阶段具有快速变化的斜率并且可能不具有线性。
另一方面，图2中的（b）是示出了根据本实施例的包括软碳作为负极活性材料的锂离子电池的充电/放电电压分布的曲线图。如图2中的（b）的曲线图所示，当锂离子电池包括作为负极活性材料的软碳时，充电/放电电压分布在整个区间中是线性的。具体地讲，即使在主要使用车辆的电池的70%至90%的SOC的区间中维持高输出时，本实施例的锂离子电池仍具有线性充电/放电电压分布。
因此，根据使用软碳作为负极活性材料的锂离子电池，即使当ISG系统的车辆的电池模块110具有高输出特性时，由于线性的充电/放电电压而仍可以在不使用复杂的电流积分算法的情况下容易地控制SOC。因此，由于充电/放电曲线图是线性的，所以可通过开路电压来识别SOC。
然后，BMS120监视电池的状态并控制充电/放电操作。在本实施例中，BMS120通过利用使用软碳作为负极活性材料的锂离子电池的线性充电/放电特性来计算SOC。在下面将详细描述BMS120的功能和操作。
然后，发电模块210可包括车辆的交流发电机。交流发电机将充电功率供应到电池组100，并可在驱动发动机期间将电功率供应到电负载230（在下面描述）。
然后，当起动车辆时驱动起动电机220，起动电机220可供应使发动机的驱动轴旋转的初始旋转动力。例如，起动电机220通过第一端子P1和第二端子P2接收存储在电池组100中的电功率，当起动发动机或在怠速停止后再起动发动机时，起动电机220通过使驱动轴旋转来再驱动发动机。例如，当使用者起动车辆的发动机或在怠速停止后再起动发动机时，起动电机220向发动机提供初始旋转动力。
同时，电负载230可以与发电模块210和起动电机220一起连接到电池组100。电负载230消耗存储在电池组100中的电功率，可以通过第一端子P1和第二端子P2接收存储在电池组100中的放电功率，并且可以包括各种车辆电子装置。
电负载230可包括汽车空调、收音机和远程控制器接收终端；然而，实施例不限于此，电负载230可指当接收来自发电模块210或电池模块110的电功率时被驱动的负载。在图2中的（a）和（b）中示出的充电/放电电压分布中，当使用的电负载230的数量增加时，曲线图的放电梯度变得更大。
在下文中，将描述BMS120的一般功能和通过BMS120获得电池模块110的根据时间的线性SOC特性和SOC与充电/放电电压分布之间的相关特性并且在没有复杂的计算操作情况下根据获得的特性提供电池模块110的SOC的方法。
本实施例的BMS120连接到电池模块110，并控制电池模块110的充电和放电操作。另外，BMS120可执行诸如过充电保护、过放电保护、过电流保护、过电压保护、过热保护和电池单体平衡功能的功能。为此，BMS120可包括用于测量电池模块110的SOC、电压、电流、温度、剩余电功率和寿命的测量单元，并且可以通过基于测量结果产生控制信号来控制外部装置，例如，起动电机220和发电模块210。例如，BMS120可以向起动电机220发送驱动信号（参见图1）。
为了确定SOC，SOC确定方法可使用诸如电压测量方法、电流积分方法以及电流积分和卡尔曼滤波器应用方法的方法。在本实施例中，BMS120可在不使用上述复杂的SOC确定方法的情况下，利用使用软碳作为负极活性材料的锂离子电池的线性充电/放电电压分布来预测电池模块110的SOC。将参照图3来描述示例。
图3示出了根据本实施例的用于获得SOC的BMS120的框图。
在图3中示出的示例实施例中，BMS120包括电池特性获得单元121、监视单元122、SOC预测单元123和输出分布提供单元124。
首先，电池特性获得单元121获得电池模块110的线性的充放电特性。如上所述，根据本实施例，包括软碳作为负极活性材料的锂离子二次电池具有线性的充电/放电电压分布。通过利用以上特性，电池特性获得单元121可得到线性的充放电特性，从而SOC预测单元123预测电池模块110的SOC。电池特性获得单元121可通过参考预先输入的显示电池特性的数据获得电池的SOC，或可以通过参考直接通过重复地执行充电/放电操作的根据时间记录SOC的数据。
图4A至图4C示出的图示出了根据本实施例的关于锂离子电池的实验数据和曲线图。
参照图4A至图4C，图4A示出的数据表示根据时间的具有线性的充电/放电电压分布的锂离子电池的电压值和SOC，图4B是示出了图4A的关于SOC和电压的数据的曲线图，图4C是示出了图4A的关于时间和SOC的数据的曲线图。
图4A示出的数据表示将包括软碳作为负极活性材料的电池模块110以每秒0.2C和1C充电后电池模块110的SOC和电压的数据。作为参照，#1和#2示出了实验的编号，曲线图显示实验#1和实验#2的平均值。参照图4B中的曲线图，除了局部区间之外，电池模块110的电压分布具有线性。具体地讲，曲线图在车辆主要使用的SOC段的70%和90%之间的区间中显示出线性。
如图4B中所示，根据本实施例的包括软碳作为负极活性材料的锂离子电池具有线性的充电/放电电压分布，电池特性获得单元121可通过利用局部区间中的SOC-电压之间的关系来获得整个电压区间的SOC。通过利用以上特征，可基于局部区间的电压值来获得整个区间中的关于电压值的SOC。
另外，参照图4C的曲线图，电池模块110具有与时间成比例的线性SOC特性。通过利用以上特征，可利用局部区间中的SOC-时间来预测与时间成比例的SOC特性。
尽管在图4B和图4C中仅示出了充电电压曲线图，但是电池特性获得单元121获得电池模块110的放电电压特性。在安装有电池模块110的车辆中根据发动机效率和电负载的特性来确定放电电压特性。在ISG系统的车辆中，发动机的起动和再起动频繁发生，因此，根据本实施例可通过利用线性的SOC特性来得到输出分布。
具体地讲，本实施例的锂离子电池在车辆主要使用的70%至90%的SOC段内具有线性，因此，电池特性获得单元121获得70%和90%之间的SOC段的电压。
由于诸如交流发电机的发电机连接到车辆中使用的电池模块110以对电池模块110连续充电，所以电池模块110的SOC通常维持在70%或更高。另外，由于电池模块110因车辆中的起动电机220和电负载230而连续放电，因此电池模块110的SOC通常维持在90%或更低。然而，上述是关于主要使用车辆的电池模块110的SOC区间，并且实施例不限于以上范围。
接下来，监视单元122监视具有线性的充电/放电电压分布的电池模块110的状态。为此，监视单元122连续地检查电池模块110使用的输出电压和输出电流。另外，监视单元122在充电或放电操作期间检查逝去的时间，从而SOC预测单元123和输出分布提供单元124可基于电池特性获得单元121的数据来获得预测值。
接下来，SOC预测单元123基于电池特性获得单元121的数据来预测电池模块110的当前的SOC。如上所述，尽管锂离子电池具有高输出性质，但是因ISG系统的车辆的频繁输出而难以通过每次的电流积分算法来得到SOC。因此，SOC预测单元123可通过利用电池模块110的线性的充电/放电特性来预测SOC。
例如，由于根据本实施例包括软碳的锂离子电池在车辆主要使用的70%至90%的SOC段内维持线性电压分布，所以可基于这样的主要使用的区间中的充电/放电电压分布而仅通过利用时间信息来得到SOC。
如上所述，根据本实施例的包括软碳的锂离子电池即使在ISG系统的车辆中的高输出条件下仍具有与电压分布成比例且与时间成比例的线性SOC特性。因此，SOC预测单元123可通过电压分布信息或时间信息来预测SOC。
另外，本实施例的SOC预测单元123可基于随后将描述的输出分布提供单元124提供的充电/放电电压分布来获得SOC。由于本实施例的锂离子电池还具有与时间成比例的线性的充电/放电电压分布，因此SOC预测单元123可预测与充电/放电电压值对应的仅通过时间信息进行预测的SOC。
输出分布提供单元124通过利用具有根据时间呈线性的充电/放电电压分布特性来向SOC预测单元123提供输出分布。由于本实施例的锂离子电池具有线性的充电/放电电压分布，因此可在监视单元122不进行电压的实时监视的情况下，基于电池特性获得单元121的数据来提供根据时间的充电/放电输出分布。例如，由于本实施例的电池模块110具有与时间相关的线性的充电/放电电压特性，所以可以仅通过利用时间信息来预测在从发动机停止开始过去预定时间之后的电压值。另外，即使当电池模块110在高输出条件下运行时，输出分布提供单元124也可通过利用线性来在起动发动机时快速提供输出分布。通过输出分布提供单元124获得的输出分布用于SOC预测单元123以基于充电/放电电压来预测SOC。
图5示出了根据实施例的通过BMS120获得SOC的过程的流程图。
参照图5，BMS120获得电池模块110的线性充电/放电特性（S11）。本实施例的电池模块110包括包含软碳作为负极活性材料的锂离子电池，电池模块110具有线性的充电/放电特性。在其它实施例中，可以使用其他类型的具有线性的充电/放电特性的电池。
接下来，获得电池模块110的与时间成比例的SOC特性（S12）。
接下来，接收想要得到SOC时的时间的输入（S13）。换句话说，接收期望预测新的SOC时的时间。
然后，通过利用线性的特性的简单的计算来输出电池模块110的与输入的时间的对应SOC（S14）。这里，根据图5的流程图，BMS120可利用简单的计算方法来预测新的SOC。
图6示出了当起动发动机时通过BMS120得到SOC的过程的流程图。
参照图6，获得电池模块110的与时间成比例的充电/放电电压分布（S21）。
然后，获得电池模块110的与充电/放电电压分布成比例的SOC（S22）。换句话说，得到SOC相对电压的分布。
接下来，当使用者起动发动机时，通过利用操作S21的信息来获得电池模块110的与逝去的时间对应的电压值（S23）。
接下来，通过利用操作S22的信息来获得电池模块110的与电压值对应的SOC（S24）。
通过总结和回顾，可以考虑以铅蓄电池作为起动发动机的电源装置。怠速停止和运行（ISG）可用于改善燃料效率。支持作为用于限制怠速驱动的系统的ISG系统的电源装置应维持用于起动发动机的强大的高输出性质、与频繁的发动机停止/再起动无关的再充电和放电性质、以及长寿命。然而，对于普通的铅蓄电池，因在ISG系统下的频繁的发动机停止和再起动操作，可再充电和可放电性质可能劣化并且电池可能不能长时间可用。因此，锂离子二次电池在ISG系统中的使用可以是期望的，并且锂离子二次电池可能够产生高输出。
附图标记的说明
100：电池组
110：电池模块
120：BMS
121：电池特性获得单元
122：监视单元
123：SOC预测单元
124：输出分布提供单元
210：发电模块
220：起动电机
230：电负载
这里已经公开了示例实施例，尽管采用了特定的术语，但是仅以一般性的和描述性的含义而不是出于限制的目的来使用和解释这些特定的术语。在某些示例中，如本领域普通技术人员将清楚的，自提交本申请之时起，除非另外具体的指出，否则结合具体实施例描述的特征、特性和/或元件可以被单独地使用或者与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如权利要求所阐述的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (14)

1.一种电池组，所述电池组包括：
可再充电的电池模块；以及
电池管理系统，用于控制电池模块的充电和/或放电，其中：
电池模块包括在电池模块的至少部分的充放电循环内的基本线性的充放电电压-时间分布，
电池管理系统被构造成通过利用电池模块的线性的充电和/或放电特性来计算电池模块的充电状态。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，电池管理系统被构造成通过确定电池模块的第一充电状态并然后利用电池模块的线性的充电和/或放电特性来计算电池模块的在充电或放电一段时间之后的第二充电状态。
3.根据权利要求2所述的电池组，其中：
第一充电状态是电池模块的当前充电状态，第二充电状态是电池模块的预测的充电状态，或者
第一充电状态是电池模块的先前充电状态，第二充电状态是电池模块的当前充电状态。
4.根据权利要求2所述的电池组，其中，电池管理系统被构造成通过测量电池模块的输出电压来确定电池模块的第一充电状态。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中，电池管理系统被构造成确定基本线性的充放电电压-时间分布。
6.根据权利要求5所述的电池组，其中，电池管理系统被构造成确定充电状态的第一范围中的充放电电压-时间分布，然后利用该充电状态的第一范围中的充放电电压-时间分布来确定充电状态的比第一范围宽的第二范围的基本线性的电压-时间分布。
7.根据权利要求5所述的电池组，其中，电池管理系统被构造成利用确定的基本线性的充放电电压-时间分布来确定充电分布的基本线性的充放电电压-充电状态分布。
8.根据权利要求1所述的电池组，其中，电池模块的充放电电压-充电状态分布在从70%充电状态至90%充电状态的充电状态的范围内是线性的。
9.根据权利要求1所述的电池组，其中，电池模块由一个或多个锂离子电池组成。
10.根据权利要求9所述的电池组，其中，所述一个或多个锂离子电池各自包括负极活性材料，所述负极活性材料包括碳黑和软碳。
11.根据权利要求10所述的电池组，其中，负极活性材料包括的碳黑和软碳的总重量由54.5%（重量）至99.5%（重量）的软碳和0.5%（重量）至45.5%（重量）的碳黑组成。
12.根据权利要求10所述的电池组，其中，负极活性材料包括54.5%（重量）至99.5%（重量）的软碳和0.5%（重量）至45.5%（重量）的碳黑。
13.一种电源设备，该电源设备用于起动发动机的怠速停止和运行系统，所述电源设备包括：
根据权利要求1所述的电池组；
发电模块，用于对电池模块充电；以及
起动电机，被构造成通过电池模块的放电提供动力。
14.一种电源设备，该电源设备用于起动发动机的怠速停止和运行系统，所述电源设备包括：
根据权利要求7所述的电池组；
发电模块，用于对电池模块充电；以及
起动电机，被构造成通过电池模块的放电而被提供动力，
其中，在起动发动机时，电池管理系统被构造成基于逝去的时间利用确定的基本线性的充放电电压-时间分布来确定电池模块的发动机起动电压值，然后利用发动机起动电压值和确定的基本线性的充放电电压-充电状态分布来确定发动机起动状态的充电值。
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