CN103779619A - 基于单体容量值来执行电池系统的单体平衡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法。该方法确定电池单体的耗尽目标电量状态。该方法确定一组单体的对应一组耗尽目标电量以及可用电量，其中使用所述对应的电量容量来计算耗尽目标电量，使用对应的实际电量和耗尽目标电量来计算耗尽目标SOC和可用电量。该方法使用一组可用电量来确定电量偏移。该方法由一组可用电量和电量偏移来确定一组单体的对应一组要平衡电量。

Description

基于单体容量值来执行电池系统的单体平衡的方法
技术领域
本发明总体涉及一种用于提高电池中存储的电量的方法，更具体而言，涉及一种确定可用电量的量以平衡各个电池单体以优化电池可用电量的系统和方法。
背景技术
纯电动和混合动力车辆，诸如电池电动车辆、增程式电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和燃料电池混合动力电动车辆正变得越来越普遍。纯电动车辆将具有间或从A/C电网供应的对电池进行充电的功率，并且当车辆被驱动时，电池将放电。混合动力电动车辆通常将可充电的电池系统与功率源（诸如内燃发动机或燃料电池系统）所供应的功率进行组合。
电池系统可以基于不同的化学，包括锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。取决于电池特性，控制系统不应该允许单体的电量下降到电量耗尽下限值之下或者高于过充电极值。当建立耗尽下限值和过充电极值时，电池工程师考虑性能、持久性和安全性。耗尽下限值和过充电极值通常与电量状态（SOC）和电压有关系。
由于产品的差异，各个电池单体容量、自放电电阻和其它的值会不同，导致每个电池单体保持电量容量的差异。此外，由于在电池组或模块中单体的串联连接，实际上使用了单体容量的多少也是不同的。对于单体的串联构造，所有单体的电流充电和放电都是同时的。这导致带有最少电量的单体决定电池系统中可用的电量，其中电池系统中的其它单体中可用的电量保持锁定。
一些电池系统将尝试通过基于单体电压在单体之间重新分配电量而从其它单体获得额外的电量。使用电压获得的改进包括确定多单体的电池系统中的单体的实际电存储容量和电量状态（SOC）。
需要一种精确地确定要平衡电量的算法，即，额外的电流可以被分配（平衡）到其它单体，使得电池将供应最大可用电量并且当第一单体落到电量耗尽下限值时不会将单体中的电量遗落。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于确定平衡多单体电池中的单体所需要的电量的量的方法。该方法确定电池单体的耗尽目标电量状态（SOC）。该方法确定一组单体的对应一组电量容量和实际电量。该方法确定一组单体的对应一组耗尽目标电量以及可用电量，其中使用对应的电量容量和耗尽目标SOC来计算耗尽目标电量，使用对应的实际电量和耗尽目标电量来计算可用电量。该方法使用一组可用电量来确定电量偏移。该方法由一组单体的一组可用电量和电量偏移来确定对应一组要平衡的电量。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法，包括：
确定电池中的单体的耗尽目标电量状态；
接收电池中的一组单体的对应一组电量容量以及对应一组实际电量；
确定该组单体的对应一组耗尽目标电量以及对应一组可用电量，其中使用所述对应的电量容量来确定所述耗尽目标电量，使用所述对应的实际电量和所述对应的耗尽目标电量来确定所述可用电量；
使用所述一组可用电量来确定电量偏移；以及
由所述一组单体的一组可用电量和电量偏移来计算对应的一组要平衡电量。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，确定对应一组实际电量包括使用对应单体的测量值。
3. 如技术方案2所述的方法，其中，所述测量值是电压测量值。
4. 如技术方案1所述的方法，其中，确定对应一组实际电量包括使用流入和流出所述对应单体的电量测量值。
5. 如技术方案1所述的方法，其中，使用一组可用电量来确定电量偏移使用来自一组可用电量的最低可用电量。
6. 如技术方案1所述的方法，其中，确定所述实际电量包括使用以下公式：
Figure 777645DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 757103DEST_PATH_IMAGE002
是单个单体i当前保持的实际电量含量，
Figure 536840DEST_PATH_IMAGE003
是单体i保持电量的容量，并且
Figure 745098DEST_PATH_IMAGE004
是单体i的实际电量状态。
7. 如技术方案1所述的方法，其中，确定所述耗尽目标电量包括使用以下公式：
Figure 559471DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 381933DEST_PATH_IMAGE006
是单个单体i的耗尽目标电量，是单体i保持电量的容量，并且是电池中的单体的耗尽目标电量状态。
8. 如技术方案1所述的方法，其中，确定要平衡的电量的量包括使用以下公式：
Figure 579062DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 886940DEST_PATH_IMAGE009
是单体i要平衡的电量，是单个单体i当前保持的实际电量含量，
Figure 378281DEST_PATH_IMAGE006
是单个单体i的耗尽目标电量，是在带有最小可用电量的单体达到耗尽目标电量之前的操作期间可以使用的电量的量。
9. 如技术方案1所述的方法，还包括使用一组要平衡的电量来控制电池的平衡电路，使得电池更接近优化的电量状态。
10. 如技术方案9所述的方法，其中确定所述耗尽目标电量包括使用以下公式：
Figure 393828DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 635453DEST_PATH_IMAGE006
是单个单体i的耗尽目标电量，
Figure 723626DEST_PATH_IMAGE007
是电池中单体的耗尽目标电量状态，并且
其中，计算要平衡的电量的量包括使用以下公式：
其中是单体i的要平衡的电量，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是在带有最小可用电量的单体达到耗尽目标电量之前的操作期间带有最低可用电量的单体的可用电量的量。
11. 如技术方案1所述的方法，其中，电池中的一组单体包括电池中的所有单体。
12. 一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法，包括：
确定电池中的第一单体的第一电量容量；
确定电池中的第二单体的第二电量容量；
确定所述第一单体的第一电量状态（SOC）；
确定所述第二单体的第二SOC；
使用所述第一电量容量和所述第一SOC来计算所述第一单体的第一可用电量；
使用所述第二电量容量和所述第二SOC来计算所述第二单体的第二可用电量；
确定用于计算要平衡的电量的电量偏移；以及
使用所述第一电量容量、所述第一SOC和所述第一单体的电量偏移来计算第一要平衡的电量。
13. 如技术方案12所述的方法，其中，确定所述第一可用电量和所述第二可用电量包括使用耗尽目标SOC。
14. 如技术方案12所述的方法，其中，确定电量偏移包括使用所述第一可用电量和所述第二可用电量。
15. 如技术方案12所述的方法，还包括使用要平衡的电量来控制电池的平衡电路，使得电池更接近优化的电量状态。
16. 一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法，包括：
确定所述多单体电池中的第一单体的第一可用电量；
确定所述多单体电池中的第二单体的第二可用电量；
使用所述第一可用电量和所述第二可用电量来确定电量偏移；以及
使用所述电量偏移和所述第一可用电量来计算所述第一单体的要平衡的电量。
17. 如技术方案16所述的方法，其中，确定所述第一或第二可用电量包括测量所述第一或第二单体的保持电量的容量。
18. 如技术方案16所述的方法，其中，确定所述第一可用电量和所述第二可用电量包括使用耗尽目标电量状态。
19. 如技术方案16所述的方法，其中，确定所述第一或第二可用电量包括确定所述第一或第二单体的电量状态。
20. 如技术方案16所述的方法，还包括使用要平衡的电量来控制电池的平衡电路，使得电池更接近优化的电量状态。
本发明的其它特征将从结合附图的以下描述和权利要求变得清楚。
附图说明
图1是包括电池和主功率源的混合动力车辆的简化平面图；
图2是电量平衡算法的示例性流程图；
图3是显示多单体电池中的每个单体的容量、实际电量和耗尽目标SOC处的电量的图；以及
图4是显示图3的多单体电池的要平衡的电量的量的图。
具体实施方式
本发明的实施例的以下讨论涉及确定平衡电池的各个单体的电量的量的方法，其在本质上仅仅是示例性的，绝非意图限制本发明或其应用或用途。例如，本发明具有用于纯电动车辆或混合动力车辆应用中的多单体电池的特定应用。然而，本领域技术人员应当理解的是，确定平衡各个电池单体的电量的量将具有除了车辆应用之外的其它用途。
图1是包括多单体电池12和主功率源14的混合动力车辆10的简化平面图。该车辆10包括控制器16，其意图代表正确操作和控制多单体电池12和功率源14提供的功率以驱动车辆10所必需的所有控制模块和装置，通过功率源14对多单体电池12充电，以及确定单体的SOC和电量容量，如下所述。功率源14可以是联接到内燃发动机的发电机、燃料电池或者来自A/C电网的电。在一个实施例中，控制器16可包括车辆集成控制模块，其具有一个或多个附属的控制模块，诸如但不局限于，多单体电池控制器。本领域技术人员应当理解的是，图1所示的车辆10的具体构造仅仅是为了示例的目的，并且是可用于实施本文所公开的算法的很多构造中的一个。
在可以由控制器16实现的算法的一个操作中，算法确定单体要平衡的电量，即每个单体中高于电池单体设定的最优电量状态的额外电量，并且过程开始于算法确定每个单体保持电量的容量以及当前在每个单体中的实际电量的量。使用预先确定的耗尽目标电量状态（SOC），算法对于每个单体计算耗尽目标电量，其是电池单体被认为是完全耗尽所处的水平。算法通过获取当前实际电量含量并且减去耗尽目标电量含量而确定每个单体可用电量的量。最后，算法确定带有最小可用电量的单体，并且将其从所有其它单体的可用电量减去，以得到单体要平衡的电量。要平衡的电量是一旦带有最小可用电量的单体到达其耗尽目标电量时将遗落在电池中的额外电量。
图2显示了以上所述算法的示例性流程图18。算法开始于框20，并且在框22，基于电池的设计来设定放电目标电量状态（SOC）。接着，在框24，算法获得每个电池单体保持电量的容量和当前实际单体SOC的信息。在获得所有的容量和实际的SOC后，算法前进到框26，在此处，为每个单体计算放电目标电量和实际电量。放电目标电量使用SOC耗尽目标和单体的容量来确定。使用实际电量和放电目标电量来确定可用电量，或可用于做功的电量。利用放电目标电量和可用的电量，算法在框28处确定电量偏移，在框30，算法利用电量偏移来确定每个单体具有多少额外电量可以被除去（要平衡的电量）以使得电池处于优化的电量状态。然后，在框32，电池供应功率，包括使用平衡电路。每个单体可以具有平衡电路，其提供平行于电池单体的额外的电路径。平衡电路具有限定的电阻，并且该路径可以被算法单独地切换为开启或关闭。平衡算法使用要平衡的电量来控制单体的放电，以使得电池单体更接近优化的电量状态。当对来自电池的功的需要结束后，电池可以在框34被充电。电池可以在框34持续充电，直到需要电池功率或者电池达到充电终止状态，在该点，算法再次在框24测量容量和实际SOC，并且如以上所述地继续。
详细而言，算法首先例如在充电之后确定实际电量含量。可以使用以下方程来计算实际电量：
Figure 493502DEST_PATH_IMAGE014
                   （1）
其中，
Figure 572316DEST_PATH_IMAGE002
是单个单体i当前保持的实际电量含量，
Figure 381878DEST_PATH_IMAGE003
是单体i保持电量的容量，并且
Figure 153525DEST_PATH_IMAGE004
是单体i的电量状态，以百分比%表示。
可以使用实际电池单体的测量值来计算实际电量。例如，当电池在稳态时，电压可以被测量并且用于确定SOC，并且SOC与电量容量一起可以确定实际电量。另一个方法可以是具有关于在电池操作的某个点处的电量的量的知识，并且测量流入和流出电池及其单体的电量。从这些信息，可以确定电池单体中的实际电量。
为了从电池系统得到大部分能量，所有的单体应该在同一时间点完成放电，使得所有的单体一起到达期望耗尽目标电量。如果每个单体同时到达其耗尽目标电量，则在任何一个单体中不留存电量，这将是优化的放电。将单体充电为使得如果持续放电，则所有单体将一起到达它们的耗尽目标电量，这意味着所有单体电量将处于优化的平衡状态。
可以以多种适当方式中的任何一种来确定电量容量。测量电量容量的一个示例可见于2011年5月13日提交的美国专利申请序列号No. 13/107171、题目为“Systems and Methods for determining cell Capacity Values in a Multi-cell  Battery”的专利申请，其受让给本申请的受让人，并且通过引用而结合在本文中，其公开了一种确定车辆电池组的单体容量的系统和方法。
在耗尽目标SOC处的耗尽目标电量确定如下：
Figure 104164DEST_PATH_IMAGE015
                                         （2）
其中，
Figure 48986DEST_PATH_IMAGE006
是单个单体i的耗尽目标电量，并且
Figure 401470DEST_PATH_IMAGE007
是电池系统中的所有单体的耗尽目标电量状态，以百分比%表示。
Figure 157067DEST_PATH_IMAGE007
是当单体被认为耗尽时应该剩余多少电量的设计目标，已知为SOC耗尽目标。单体的化学性质和其它设计因素决定了SOC耗尽目标
Figure 595002DEST_PATH_IMAGE007
。对于各个单体来说，耗尽目标电量
Figure 15619DEST_PATH_IMAGE006
可能不同，因为每个单体具有不同的电量容量
Figure 488189DEST_PATH_IMAGE003
。
最后，算法确定要平衡的电量的量，即，从单体移除的电量的量使得电池处于优化的平衡状态，其中，如果放电持续，则所有单体将同时达到它们的耗尽目标电量
Figure 663955DEST_PATH_IMAGE006
。单体中可用的电量是实际电量减去耗尽目标电量。可以如下计算要平衡的电量的量：
Figure 589186DEST_PATH_IMAGE016
                                 （3）
其中，
Figure 128008DEST_PATH_IMAGE009
是要平衡的电量，或者平衡电量，即需要从单体i耗散的电量的量使得单体处于优化的电量状态，并且
Figure 189505DEST_PATH_IMAGE010
是在带有最小可用电量的单体达到
Figure 473856DEST_PATH_IMAGE017
之前的操作期间可以使用的电量的量。
电量偏移可以使用以下公式来确定：
Figure 948699DEST_PATH_IMAGE018
                                  （4）
其中电量偏移
Figure 976698DEST_PATH_IMAGE010
是带有最低可用电量的单体的可用电量。
图3和图4提供了对带有12个单体的多单体电池应用该算法的示例。
图3是显示多单体电池中的每个单体的电量容量46、实际电量48和耗尽目标电量50的图40。电量容量46指示单体能够保持多少电量。实际电量48指示单体当前保持多少实际电量。耗尽目标电量50是控制器16将认为单体被耗尽并且不应再提供功率的电量水平。在图40中，水平轴线42指示单体标识符，从1至12，并且纵轴线44表示单位为安培-小时的电量，从0至50安培-小时。
图4是图60，其显示每个单体将要平衡的电量的量66。单体1号保持最大电量以平衡所有单体。在此情况下，单体2号是极限单体，其具有最小量的可用电量，因此其提供公式4中所用的电量偏移。带有要被平衡的最小量电量的单体是2号单体，其没有电量要被平衡。带有要被平衡的第二低电量的单体是10号单体。
当要被平衡的电量已知之后，由控制器16所提供的电池控制可以控制平衡电路，以便优化电池12中的单体的电量，使其处于更平衡的状态。电池12的优化的状况是使要被平衡的电量为零，使得所有的单体将同时达到耗尽目标电量。当了解要被平衡的电量后，电池12可以在不工作期间或者当电池12提供功率时重新分配电量。
现代的电池控制系统可以控制多单体电池中的单体的各个方面。例如，通常控制器16可以为每个电池单体启动单独的平衡电路。使用该架构以及对要平衡的电量的了解，可以基于要平衡的电量来接合平衡电路。通过了解平衡电路的电阻和单体电压，并且通过基于要平衡的电量来控制电路接合的时间量，可以适当地控制单体之间的电量平衡。
平衡电量的一个方法是在放电期间或者在电池不工作时执行。对于具有要平衡的电量的单体接合平衡电路。通过将平衡电路切换为开启，电流从单体的正极终端流到负极终端。基于测量的单体电压和已知的平衡电阻来建立该电流。随时间对该电流积分，单体的要平衡的电量减小已知的量。平衡电路保持接合，直到要平衡的电量减小为零。在该示例中，2号单体以要平衡的电量为零开始，因此，平衡电路一直是关闭的。利用该方法，在下一个充电循环中，带有最少电量的单体将能够具有更多的电量，然后从电池可用的总体电量将增加，假定在2号单体中具有安全地保持更多电量的容量。
本领域技术人员已知多种平衡策略，允许平衡的电量被使用以优化电池的性能。
前述论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本发明技术人员将从该论述以及附图和权利要求容易地懂得，在不偏离以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变，变换和变形。
给予权利要求中使用的所有术语以它们最宽泛的合理解释，以及本领域技术人员所理解的它们普通的含义。诸如“一”、“该”、“所述”等单数冠词的使用应当被解读为记载一个或多个所指元件。

Claims (10)

1.一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法，包括：
确定电池中的单体的耗尽目标电量状态；
接收电池中的一组单体的对应一组电量容量以及对应一组实际电量；
确定该组单体的对应一组耗尽目标电量以及对应一组可用电量，其中使用所述对应的电量容量来确定所述耗尽目标电量，使用所述对应的实际电量和所述对应的耗尽目标电量来确定所述可用电量；
使用所述一组可用电量来确定电量偏移；以及
由所述一组单体的一组可用电量和电量偏移来计算对应的一组要平衡电量。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定对应一组实际电量包括使用对应单体的测量值。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述测量值是电压测量值。
4.如权利要求1所述的方法，其中，确定对应一组实际电量包括使用流入和流出所述对应单体的电量测量值。
5.如权利要求1所述的方法，其中，使用一组可用电量来确定电量偏移使用来自一组可用电量的最低可用电量。
6.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述实际电量包括使用以下公式：
Figure 2013104972440100001DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 11166DEST_PATH_IMAGE002
是单个单体i当前保持的实际电量含量，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是单体i保持电量的容量，并且是单体i的实际电量状态。
7.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述耗尽目标电量包括使用以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 81945DEST_PATH_IMAGE006
是单个单体i的耗尽目标电量，
Figure 477154DEST_PATH_IMAGE003
是单体i保持电量的容量，并且是电池中的单体的耗尽目标电量状态。
8.如权利要求1所述的方法，其中，确定要平衡的电量的量包括使用以下公式：
Figure 353843DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是单体i要平衡的电量，
Figure 989355DEST_PATH_IMAGE002
是单个单体i当前保持的实际电量含量，
Figure 256388DEST_PATH_IMAGE006
是单个单体i的耗尽目标电量，是在带有最小可用电量的单体达到耗尽目标电量之前的操作期间可以使用的电量的量。
9.一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法，包括：
确定电池中的第一单体的第一电量容量；
确定电池中的第二单体的第二电量容量；
确定所述第一单体的第一电量状态（SOC）；
确定所述第二单体的第二SOC；
使用所述第一电量容量和所述第一SOC来计算所述第一单体的第一可用电量；
使用所述第二电量容量和所述第二SOC来计算所述第二单体的第二可用电量；
确定用于计算要平衡的电量的电量偏移；以及
使用所述第一电量容量、所述第一SOC和所述第一单体的电量偏移来计算第一要平衡的电量。
10.一种用于计算多单体电池中的单体的要平衡电量的方法，包括：
确定所述多单体电池中的第一单体的第一可用电量；
确定所述多单体电池中的第二单体的第二可用电量；
使用所述第一可用电量和所述第二可用电量来确定电量偏移；以及
使用所述电量偏移和所述第一可用电量来计算所述第一单体的要平衡的电量。
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