CN103718054B - 一种用于监控蓄电电池组的装置及相关方法 - Google Patents

一种用于监控蓄电电池组的装置及相关方法 Download PDF

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Abstract

一种用于监控包括串联连接的一组电池(2a、2b、2c)的蓄电电池组(1)的装置(9)包括：‑用于测量由电池组输送的电流强度(I)的模块，‑用于测量每个电池(2a、2b、2c)的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)的模块，‑每个电池(2a、2b、2c)的同一上游连接点和同一下游连接点之间的零电流电压(U0i)的记录器(17)，以及‑电阻估计器(16)，其被配置为以定期方式估计每个电池(2a、2b、2c)的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻(Ri+Rci)。

Description

一种用于监控蓄电电池组的装置及相关方法
技术领域
本发明涉及电源电池组的管理的领域。
背景技术
电源电池组通常包括一组串联连接的独立电池。每个独立电池可以包括一组基本的电化学元件，电化学元件本身串联或并联地互相连接。在每个独立电池内部，电化学元件的布置是相同的。
为了防止化学反应中的任何失控，电池组可以装备有负责单独地监控电池组中的每个电池的系统。通常通过首字母缩写“BMS”(电池组管理系统)来指代的该系统被配置为测量每个电池的独立电压，测量从电池组输出的电流，计算电池组的电荷状态，监控电池组内部的温度水平，并平衡不同的独立电池的电压。
特别地，所述平衡可以在电池组充电步骤之后，通过使用电阻器对具有实质上大于其他电池的电荷水平的电荷水平的电池进行放电来完成。
一些电池组，例如锂电池组，特别无法忍受在某一预定义界限附近摆动的电压或温度。
通常使用温度探头来处理对电池组的温度的监控，温度探头可以被灵活地分布于电池组内部以给出温度的总体信息。
由于探头及相关电子设备的成本，通常提供一个探头来监控多个独立电池。
在某些情况下，这样的布置会导致未检测到恰恰导致了电池的非常局部化过热的故障，由于该故障位于距温度探头的一定距离处。
然后这种局部过热会被反映在电池组上作为总体的高幅度热事件中，甚至被反映在热失控和爆炸中。
发明内容
本发明的目的在于防止电池组的任何电池中的局部过热，而不增大监控电池组所需设备的成本。
为了该目的，本发明提出安装一种监控系统，该系统适用于检测电池组的任何独立电池的内部电阻的异常增大，或在两个电池之间的任何接触故障。通过使用已存在用于向电池组监控系统(BMS)提供数据的传感器来落实该监控。
因此，一种根据本发明的用于监控包括一组串联连接的电池的蓄电电池组的装置，包括：
-用于测量由电池组输送的电流强度的模块，
-用于测量每个电池的上游连接点和下游连接点之间的电压的模块，
-每个电池的所述上游连接点和所述下游连接点之间的零电流电压的记录器，以及
-电阻估计器，被配置用于定期地估计每个电池的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻。
有利地，电阻估计器包括其中存储了对该组电池取平均得到的平均电阻值的存储器，和电阻比较器，该电阻比较器被配置用于将每个电池的电阻与该组电池的平均电阻进行比较，并被配置为如果电池之一的电阻与平均电阻之间的差别的绝对值超过第一阈值则输送警报信号。
有利地，电阻估计器被配置为在当电池组被用于充电模式或放电模式时的全部时间内，以规则的时间间隔不断地重新评定对每个电池的电阻的估计。
换言之，在电池组被用于充电模式或放电模式时的时间段的全部持续时间内执行定期的估计。
因此在电池组被使用时的任何时间，都可以检测出电池之一的故障，或电池之间的连接的故障。
在该优选的实施例中，如果电池组被安装在电动车辆上被配置为提供再生制动的话，则该估计特别地贯穿该类型的制动在电池组再充电阶段期间进行，并且该估计在固定电网上的电池组再充电阶段期间在任何情况下进行。该估计也可以在电池组将电力输送给一个或多个耗能设备时的任何阶段期间进行，而无论连接至电池组的设备的类型如何。
在另一实施例中，对电池组的电池的内部电阻的控制可以在电池组被用于充电模式或放电模式时的大部分时间段期间被执行，但仍排除了一些瞬态操作时间段，例如在该瞬态操作时间段中，电流或电压波动会产生测量误差，导致错误诊断。
根据一优选实施例，电阻估计器被配置为将每个电池的电阻与参考电阻值进行比较，并且当电池之一的电阻与参考电阻值之间的差别超过第二阈值时输送警报信号。
零电流电压的记录器可被配置为每当来自电池组的电流达到零时，更新所记录的值。如果来自电池组的电流的绝对值变得低于一电流阈值，例如，低于0.1A，或优选地低于0.01A时，则认为该电流达到零。
零电流电压的记录器还可以被配置为，当所记录的值在长于最小更新时间段的时间段内没有被更新，则激活过期警告信号。有利地，零电流电压记录器被配置为根据零电流电压的最后更新的日期来确定过期警告布尔变量。
根据另一变型实施例，零电流电压的记录器可被配置为，如果自从记录值被更新后，电池组的电荷状态已提高或降低了一大于电荷状态阈值分数的值，则激活过期警告信号。
当激活了过期警告变量后，电阻估计器被配置为只将每个电池的电阻与电池组的平均电阻进行比较，而不用将每个电池的电阻与参考电阻值进行比较。
所述装置可以包括同步装置，该同步装置适用于使不同电池的上游连接点和下游连接点之间的电压的每个系列测量与从电池组输出的电流强度的测量同步。
根据另一方面，一种电池组装备有前面描述的装置。在该电池组中，除了电池组中的两个端电池之外，用于测量一电池的电压的上游连接点也是用于测量该系列中的邻近电池的电压的下游连接点。
有利地，在每个上游连接点和每个下游连接点之间，存在相同数量的基本电池以及在电池间的相同数量的电阻连接元件。
根据再另一方面，在一种用于监控蓄电电池组的电池的方法中，定期测量电池组的每个电池的上游连接点和下游连接点之间的电压，同时测量从电池组输出的电流强度，并通过将与零电流电压有关的电压差除以从电池组输出的该强度，来计算与上游连接点和下游连接点之间的电池相关联的电阻。
优选地，将每个电池的电阻定期与该组电池的平均电阻进行比较，并且如果电池之一的电阻与平均电阻之间的差别的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号。
有利地，每当来自电池组的电流达到零时，重新估计每个电池的零电流电压值。
根据一优选实施例，如果零电流电压值在大于最小更新时间段的时间段内没有被更新，则激活过期警告布尔变量。
根据另一优选实施例，如果自从零电流电压值被更新之后，电池组的电荷状态已增大或减小了一大于电荷状态阈值分数的值，则激活过期警告布尔变量。
附图说明
在阅读仅仅作为非限制示例给出的下面的描述并参照附图之后，本发明的其他目的、特征及优点将被理解，在附图中：
图1是配备有根据本发明的监控系统的蓄电电池组的简化示意图，
图2是用于监控配备有根据本发明的监控系统的电池组的算法的例子，以及
图3是图2的监控算法的变型。
具体实施方式
如图1所示，电池组1包括通过连接元件3互相连接的电池2a、2b和2c…。电池组1配备有监控装置9，监控装置9包括电子控制单元8和连接7，该连接7针对每个电池，连接电池的上游连接点(例如在这里针对电池2b为点4)和电池的下游连接点(在这里针对电池2b为点5)。
电子控制单元8包括零电流电压的记录器17、电阻估计器16、电阻比较器18，和用于存储平均电阻值的存储器23。
电池的上游和下游的定义在比及后文中应当被理解为，当电池为外部电路供应电能时，与电池内部的电流I的流动方向有关来定义的上游和下游。
电池组1输送或接收电流I，电流I是穿过每个电池2a、2b、2c…的同一电流。在任何情况下，每个电池都以在其上游连接点和下游连接点之间的电压Ui(在此为Ua、Ub、Uc…)为特征。同时，在同样的电荷状态下，每个电池可以空载电压为特征，空载电压也被称为零电流电压U0i，此处被引用为U0a、U0b、U0c…。空载电压是当通过连接至电池组1的两个端子的外部电路被断开或中断时在电池的上游连接点和下游连接点之间构建的电压。
电子控制单元8包括测量模块，使得其能够针对每个电池来确定其上游列接点4和其下游连接点5之间的电压，例如针对电池2b为电压Ui。
电子控制单元8还包括测量模块，使得其能够基本上在执行一系列电压测量的同时，确定流入电池组1或从电池组1流出的强度I，该一系列电压测量包括测量每个电池的电压Ui。为了这一目的，电子控制单元8包括同步模块，使得其能够定期地执行组成电池组1的不同电池的所有电压Ui的一系列采集，并且基本上在执行电压值采集的同时执行电流强度的至少一次采集。
单个连接点被布置在每对相邻电池之间，从而一个电池的上游连接点(例如这里针对电池2b为连接点4)同时也是另一电池(此处针对电池2a)的下游连接点。同样地，这里电池2c包括上游连接点5，上游连接点5同时也是电池2b的下游连接点，并且电池2c自身也包括下游连接点6。
零电流电压记录器17被配置为存储每当电池组电流I达到零时在每个电池的上游连接点和下游连接点之间测得的值U0a、U0b、U0c，…Ui…。
每个电池的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻是根据电池的电化学状态而变化的。该电阻是第一项Ri(在此为Ra，Rb，Rc…)和项Rci(在此为Rca，Rcb，Rcc…)的和，Ri代表了被配置为输送电池所产生的电能的一个或多个电化学元件的内部电阻，Rci代表了用于互连不同电池的至少一个连接元件3的电阻，该至少一个连接元件被插入在电池的上游电压测量点和下游电压测量点之间。
电池的总内电阻Ri+Rci的增大是由电化学事件(其导致了项Ri的增大)造成的，或由于两个相邻电池之间的接触缺陷(导致了项Rci的增大)造成的。
包括电化学项Ri和接触项Rci的电池i的内部电阻也等于：
公式(1)
根据由电子控制单元8获得的值Ui、U0i和I，电阻估计器16被配置为根据公式(1)评估每个电池的电阻Ri+Rci，并将该值发送至电阻比较器18，电阻比较器18检查所计算的电阻是否在被定义为可接受的界限内。
可以针对测量每个电池的电压的每个系列测量来计算电阻Ri+Rci的平均值。该平均值：
可以例如通过在针对每个电池的单独电压测量之后对针对每个电池所估计的电阻进行平均来获得。可替代地，其可以从在针对每个电池的若干电压采集上滤波后的平均值来得到。
如果特定电池的电阻值一方面保持在阈值Rmax之下，且如果另一方面该特定电池的电阻值保持足够接近平均值(从与特定电池的电阻值同时获得的所有电池的电阻值的平均获得)，则可以例如将该特定电池的电阻值认定为可接受的。阈值Rmax可以是例如根据电池的可能最大内阻和电池间的最大可接受接触电阻来初始地定义的。
因此可以定义与电阻的一致性状况相关联的布尔变量Conf(Ri+Rci)。该布尔变量Conf可以表达为下式：
Conf(Ri+Rci)为如果电池I的电阻被认定为正常的则为正的布尔变量。
代表每个电池的空载电压的值U0i取决于电池的电荷状态。其响应于相对低的极化机制，但必须被定期地重新估计。可将过期警告判据flag(U0)与其相关联，该判据指示了根据存储值U0i计算的值可能是不准确的。该过期警告判据flag(U0)可以，例如，被定义为以下的布尔变量，如果电流I在大于最小时间段的时间段内没有达到零，或如果电流I在长到足以使得能够执行所有电池的空载电压U0i的采集的时间段内没有达到零，则该布尔变量变为正的。
除了或独立于对自从U0i的最后更新之后所流逝的时间的监控之外，还可以通过监控自从值U0i的最后更新之后电池组的电荷状态的变化幅度，来激活过期警告指示符flag(U0)。
为此目的，可以使用电池组的电荷状态的各种估计器，该估计器是在现有技术中已知的，并且其通常寻求表示满足下式的理论SOC(电荷状态)值：
其中t为时间，
I为电池组输送的电流强度，
且Q为在t时刻的电池组的容量，以Ah为单位(安培小时)。
假设对所有的电压U0i的最后更新发生在时间点tactu，过期警告指示符flag(U0)可以例如，被如下定义：
flag(U0)=1
如果t-tactu>Δt的话
或如果|SOC(t)-SOC(tactu)|>ΔSOC1的话 公式(3)
或如果∫actu|dSOC(u)|du>ΔSOC2的话
其中Δt是持续时间阈值，ΔSOC1和ΔSOC2是电荷状态变化阈值。
上面所列的三种情况之一，或在三种情况中的两种之间的替代，或所有三种情况之间的替代，可以被保留作为过期警告判据。
图2示出了电子控制单元8的电阻估计器16的可能操作模式。
图2包括一些与图1相同的附图标记，相同的元件则可以采用相同的附图标记标明。当电池组开始与外部电路交互，当电池组首次被连接至监控装置9时，首先使电阻估计器16执行等待循环11直到来自电池组1的电流I穿过零。
当来自电池组的电流I经过零时，电阻估计器16执行一系列采集，采集该电池组中的每个电池的端子间的电压的一组值U0i。电阻估计器16将所述电压发送至零电流电压记录器17。对此，可以认为当电流I的绝对值低于电流阈值Izero时，即，|I|≤Izero，来自电池组的电流I穿过零(或达到零)。
在步骤12中执行了该采集之后，电阻估计器16执行一些测试13以确定来自电池组的电流I是否变得与零不同，就是说|I|>Izero。如果不是这样，则电阻估计器16重复步骤12，重新更新不同电池的空载电压值U0i并将其发送至记录器17。
当在测试13之后检测出了非零电流I，则在步骤14，电阻估计器16执行所有电池的上游点和下游点之间的电压Ui的采集，并且针对每个电池i，计算其内部电阻Ri+Rci。电阻估计器16然后将所有实时计算出的电阻值Ri+Rci发送给电阻比较器18。
然后在步骤15，电阻估计器16执行过期警告测试以确定零电流电压记录器所存储的空载电压值是否仍相关。过期警告测试15可对应于例如根据公式(3)的条件的布尔变量flag(U0)的激活。
如果过期警告变量被激活，也就是说如果该组值U0i被认为过期了，则电阻估计器16返回步骤11并进行等待直到电流强度I再次到达零。然后电阻估计器16一次重复步骤12、13等等。
在步骤12，电压记录器17接收并存储不同电池的空载电压值。然后在步骤14电压记录器17提供所述值使得能够根据公式(1)计算Ri+Rci值。电阻比较器18在针对每个电池的电压Ui的一系列采集后，存储针对不同电池计算的所有的电阻值Ri+Rci。根据变型实施例，电阻比较器18在所有电池的上游和下游点之间的电压值Ui的若干系列采集后，存储所计算的电阻的值Ri+Rci。一旦针对至少一个系列的采集，存储了对应于所有电池的Ri+Rci之后，电阻比较器18计算这些电阻的平均值并将其存储在存储器23中(图2未示出)。然后电阻比较器18可以针对电池组的每个电池计算一致性布尔变量Conf(Ri+Rci)，例如，根据公式(2)进行计算，并且可以当这些一致性布尔变量中的至少一个为负时，发送警报信号。电阻比较器18可以将所有计算出的电阻值中的任一个发送至其他控制单元(未示出)。根据另一实施例，当函数Conf(Ri+Rci)检测出异常电阻值时，电阻比较器18可以只发送这样的异常电阻值。
图3示出了电阻估计器16的变型操作模式。图3包括与图1和图2相同的元件，相同的元件则通过相同的附图标记标明。如图2中的，在步骤11，电阻估计器16以处于等待循环中开始，直到强度I达到零为止。然后估计器16在步骤22执行一系列采集U0i，并且，当其完成了这一系列采集后，其去激活过期警告指示符flag(U0)。然后其将过期警告指示符的去激活值U0发送给电压记录器17，并还发送电池组中的所有电池的空载电压值。
然后执行测试13以确定电流I是否变为非零。如果否，其重复步骤22。当电流I变为非零时，电阻估计器16在步骤14执行一系列对电池组中的所有电池的上游点和下游点之间的电压Ui的采集，并计算所有的电池的相应电阻Ri+Rci，然后将相应电阻Ri+Rci发送至电阻比较器18。
然后执行过期警告测试15，例如根据公式(3)。如果测试15表明空载电压值过期了，则电阻比较器16执行测试21以确定电流强度I是否为零。如果该电流I为零或大致为零，即|I|≤Izero，则估计器重复采集不同电池的空载电压的步骤22，并去激活过期警告指示符flag(U0)。
如果电流I不为零，则电阻估计器16在步骤19发送过期警告指示符的激活值至电压记录器17，并返回到步骤14，在步骤14中执行一系列对电池组中的所有电池的上游点和下游点之间的电压的采集。
电阻估计器16还使用从电压记录器17可获得的U0i值，从该系列的采集值推导出所有电池的电阻Ri+Rci。电阻估计器16将这些值Ri+Rci发送给电阻比较器18，电阻比较器18还从电压记录器17接收过期警告指示符flag(U0)的值。
甚至当过期警告指示符被激活时，电阻比较器18可以对所有Ri+Rci值执行一致性测试，其中所有Ri+Rci值是从每个电池的上游点和下游点之间测得的电压值的最近系列采集中计算得到的。电阻比较器18可以例如执行取决于过期警告指示符flag(U0)的值而不同的一致性测试。如果过期警告指示被激活，则电阻比较器18可以被配置为将每个电池的每个电阻值与在同一系列采集期间计算得到并且存储在存储器23中的该组电池的平均电阻的唯一值进行比较。如果过期警告指示被激活，则电阻比较器18不会将这些电阻与绝对值Rmax进行比较。
本发明的目的并不限于所描述的实施例，且可根据很多不同的实施例而变化，该不同的实施例尤其与过期警告判据的估计模式、电池的内部电阻的一致性的判据的估计模式有关，或与每个电池的上游连接点和下游连接点之间的排列构成有关。根据一特定实施例，可以通过监控每个电池电阻的变化梯度，并将其与可接受的最大梯度进行比较，来定义一致性判据。
每个单独的电池可以包括串联或并联地安装但在各个电池间相同地布置的多个电化学元件和多个接触元件。
根据本发明的监控装置使得可以，甚至在电池的显著过热风险可被测得之前，通过使用在电池组监控系统中已有的传感器，来单独监控每个电池的过热风险，并识别导致过热的原因。凭借零电流电压的定期重新估计，该监控在电池组的常规操作期间被连续执行，而不需要对监控方法所特定的充电或放电循环。提供一种退化(degraded)的操作模式，以使得其可以当零电流电压暂时处于不再相关的风险中时，持续监控而不产生不必要的警报。
此外，该监控系统很少或完全不受电池组的平均温度影响。

Claims (12)

1.一种用于监控蓄电电池组的装置，所述蓄电电池组包括串联连接的一组电池(2a、2b、2c)，所述装置包括：
-用于测量由所述电池组输送的电流强度(I)的模块，
-用于测量每个电池(2a、2b、2c)的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)的模块，其特征在于所述装置(9)还包括：
-零电流电压(U0i)的记录器(17)，其被配置为每当由所述电池组(1)输送的所述电流强度(I)达到零时，记录每个电池(2a、2b、2c)的同一上游连接点和同一下游连接点之间的所述电压，并且其中，所述记录器(17)被配置为每当来自电池组的电流达到零时，更新所记录的值，以及
-电阻估计器(16)，其被配置为定期估计每个电池(2a、2b、2c)的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻(Ri+Rci)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)包括存储器(23)和电阻比较器(18)，在所述存储器(23)中存储了该组电池的平均电阻(<Rj+Rcj>)，所述电阻比较器(18)被配置为将每个电池的所述电阻(Ri+Rci)与该组电池的所述平均电阻(<Rj+Rcj>)进行比较，并且被配置为如果所述电池之一的电阻与所述平均电阻(<Rj+Rcj>)之间的差值的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)被配置为将每个电池的所述电阻(Ri+Rci)与参考电阻进行比较，并且如果所述电池之一的电阻与所述参考电阻之间的差值超过第二阈值时，输送警报信号。
4.根据组合的权利要求3所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)包括存储器(23)和电阻比较器(18)，在所述存储器(23)中存储了该组电池的平均电阻(<Rj+Rcj>)，所述电阻比较器(18)被配置为将每个电池的所述电阻(Ri+Rci)与该组电池的所述平均电阻(<Rj+Rcj>)进行比较，并且被配置为如果所述电池之一的电阻与所述平均电阻(<Rj+Rcj>)之间的差值的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号，所述零电流电压记录器(17)被配置为根据所述零电流电压(U0i)的最近更新的日期，来激活过期警告布尔变量(flag(U0))，并且当所述过期警告变量被激活时，所述电阻估计器(16)被配置为只考虑每个电池的所述电阻(Ri+Rci)与该组电池的所述平均电阻(<Rj+Rcj>)的比较。
5.根据权利要求1所述的装置，包括同步装置，所述同步装置适于使不同电池(2a、2b、2c)的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)的每个系列测量与由所述电池组(1)输送的电流强度(I)的值的测量同步。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)被配置为在所述电池组被用于充电模式或放电模式时的全部时间内，以规则的时间间隔不断重新评估每个电池(2a、2b、2c)的电阻值(Ri+Rci)。
7.一种配备有根据权利要求1所述的装置的蓄电电池组，其中，除了所述电池组(1)中的两个端部电池之外，用于测量电池的电压的上游连接点(4、5)也是用于测量该串联中的相邻电池的电压的下游连接点。
8.根据权利要求7所述的电池组，其中，在每个上游连接点和每个下游连接点之间，存在相同数量的基本电池以及相同数量的位于电池之间的阻性连接元件(3)。
9.一种用于监控蓄电电池组的电池(2a、2b、2c)的方法，其中，以规则的时间间隔测量所述电池组的每个电池的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)，同时测量由所述电池组输送的电流强度(I)，并且通过将与零电流电压(U0i)有关的电压差(Ui)除以由所述电池组输送的所述电流强度(I)，来计算在所述上游连接点和所述下游连接点之间的、与所包括的电池相关联的电阻值(Ri+Rci)，每当来自所述电池组(1)的所述电流(I)达到零时，重新估计每个电池(2a、2b、2c)的零电流电压值(U0i)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将每个电池的所述电阻(Ri+Rci)定期地与该组电池的平均电阻(<Rj+Rcj>)进行比较，并且如果所述电池之一的电阻与所述平均电阻之间的差值的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，如果在长于最小更新时间段的时间段内仍未更新所述零电流电压值(U0i)，则激活过期警告布尔变量(flag(U0))。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中，如果自所述零电流电压值(U0i)被更新之后，所述电池组的电荷状态已增大或减小了比电荷状态阈值分数大的值时，则激活过期警告布尔变量(flag(U0))。
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