CN103918153A - 用于管理锂离子电池模块的荷电状态的方法和系统 - Google Patents

Abstract

在电池的放电或充电过程中，包括多个电池的锂离子电池组件的荷电状态通过观测电池的容量微分曲线是超过还是未达到预设的极限值来管理。每个所述变化是该特定电池特有的变化并且与电池的特定荷电状态一致，由此，容量微分曲线变化的序数被用作确定与所述变化一致的电池的荷电状态或者两个以上电池之间的荷电状态差异的基准。由此确定的电池之间的荷电状态差异随后被寻求借助适于使得电荷平衡的平衡系统来平衡。

Description

用于管理锂离子电池模块的荷电状态的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于管理锂离子电池模块的荷电状态的方法和系统，该电池模块包括多个电池单元，或者由多个电池单元组成的电池或电池组。具体地，本发明涉及监控这些电池模块中电池的荷电状态，以及使得这些电池之间的荷电状态差异平衡。

背景技术

为了能够利用电池组件或电池组的全部容量而不会使单个电池在加载时过深放电（深放电），需要将电池中剩余的电荷量保持为基本相等。相应地，必须将未达到满荷电状态或其它期望荷电状态的电荷量在所有电池中保持为基本相等，从而能够将所有电池充电到满容量而不会使单个电池充电过量（过充电）。从使得电池之间的荷电状态差异平衡的立场来看，非常需要能够在充电和加载期间精确地确定所有电池的荷电状态或者至少是它们相互之间的差异，并且需要基于确定出的荷电状态或荷电状态差异来使得电池之间的荷电状态差异平衡。

现有技术公开了用于确定电池的荷电状态从而使得其平衡的多种方案。根据一个方案，借助端电压来尝试确定荷电状态差异。已知的另一个方案为根据内电阻的变化或者根据由电池的加载或充电引起的电池之间的温度差异的变化而确定荷电状态。

然而，现有技术的用于确定电池的荷电状态的方案存在某些问题。例如，电压是一个相当不明确的指标，直到接近主充电周期结束之前都无法可靠地确定电池组件的电荷分布状态。然而，目前为止电池的电力接纳容量受到限制，从而使借助备用电流以使得显著的荷电状态差异平衡将花费过长的时间。另外，例如，锂离子电池如LiFePO₄电池（磷酸铁锂电池）的开路电压未足够强地依赖于荷电状态以使其能够用于确定荷电状态。加载电压也是一个不可靠的荷电状态指标，因为电池的内电阻在SOC=35-100%的范围内几乎是恒定的。然而，电阻很强地依赖于温度，由此，电池组件的未平衡的温度分布可能会使测量结果失真。因此，仅基于电压测量的方法无法用于可靠地确定锂离子电池或电池组中电池的荷电状态或荷电状态差异。

另一方面，仅在电池组件加载有周期性变化的载荷时能够足够精确地确定内电阻，此时具有足够长时间的恒定电流。这种情况在之前未能实际上实现，例如在正常行驶的电动车辆的电源中。电池组件的电阻还可能呈现并非由荷电状态引起的个体差异。因此，基于测量电池之间的温度差异的方法速度非常缓慢并且不可靠，因为温度差异可能是由于电池之间的荷电状态差异以外的原因引起的。

在电池的荷电状态应当例如被充电到满电荷（SOC～100%）以外的任何充电水平的情况下，各个电池中荷电状态的确定以及基于此的电荷平衡将变得特别成问题。例如在大多数混合系统中即是如此，在这样的混合系统中，电池组始终不能被充电到满容量，因为其必须随时用于接纳尤其是负制动能量。如果电池组未被充电到满容量，则平衡需要能够可靠地确定每个电池的荷电状态，甚至是在荷电状态未满时（SOC<100%）。

现有技术公开了一些用于使得电池之间的荷电状态差异平衡的方案，例如利用所谓的被动方法来使得串联连接的电池单元平衡，在所述被动方法中在接近充电周期结束时，通过借助所谓的分路使一定的充电电流绕过电池来减小已经达到最大电压的电池的充电电流，直到所有的电池达到最大电压。然而，这种方法的前提条件是电池组件被规律性地充电到满容量，充电电流可以被精确地控制，并且系统允许电池组件电压增加到最大电压（例如在LiFePO₄电池的情况下，3.65V/电池）。然而，如果电池组例如连接到变频器的中间电路，则通常无法以足以能够实现所述被动平衡的精度来调节充电电流。

发明内容

本发明的目的在于消除或至少缓和现有技术有关的一些问题。根据一个实施例，本发明寻求提供这样一种方案：其能够在充电和放电期间可靠地确定电池之间的荷电状态差异从而避免尤其是最弱电池在加载周期中的深放电以及相应地在充电周期中的过充电。另外，本发明还寻求提供这样一种方案：其在几乎空（例如SOC<35%）或者满（例如SOC>90%）以外的荷电水平下也能够可靠地确定电池的荷电状态差异。

本发明的一些目的例如通过权利要求1所述的方法来实现。

根据本发明的方法的特征在涉及一种方法的权利要求1中示出。根据本发明的系统的特征在涉及一种系统的权利要求8中示出。另外，根据本发明的装置的特征在涉及一种装置的权利要求15中示出，并且根据本发明的计算机程序产品的特征在权利要求16中示出。

本发明的第一实施例包括在电池组件的放电或充电周期中观测电池组件的电池的容量微分曲线中的变化。尤其是，锂离子电池诸如磷酸铁锂电池（LiFePO₄）在放电和充电周期中、在其容量微分曲线（dQ/dV）中具有可观测的尖峰。这是因为锂离子以特定的顺序占据（occupy）电池阳极的碳能量水平。容量微分曲线中的所述变化（尖峰）是特定的相同电池特有的变化并且通常与电池的特定荷电状态一致，因而在相同的电池中通常具有相同的位置（荷电状态）。根据本发明，基于所述容量微分曲线中的变化序数(ordinal number of a change)来确定电池的荷电状态，其中，所述变化通常与电池中的特定荷电状态一致。

根据本发明，可以观测到容量微分曲线变化是超过还是未达到预设的极限值。根据一个优选实施例，观测到的容量微分曲线变化是容量微分曲线极小值，其表示电池阳极中碳能量水平的占据状态的充满或耗尽。所述极小值的数量通常不小于2，但最优选地为3或甚至更大。根据一个示例，至少一个极小值表示50-70%的电池荷电值水平，更优选地为65-70%，并且在特别优选的情况下为大约68%。

本发明的一个实施例包括以上述方式基于从电池确定出的容量微分的变化来确定电池组件的电池中的荷电状态或者至少多个电池相互的荷电状态差异。根据本发明的一个优选实施例，在电池组件的充电或加载周期中，例如在至少两个不同电池的荷电状态彼此偏离至诸如至少预设的极限值的水平的情况下，其可以应用在例如用于电池组件或电池组的管理系统中以使得电池的荷电状态平衡。

根据本发明的一个示例，在对电池组件进行充电的过程中，通过使充电电流绕过已经达到较高电荷的电池，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡。所述旁路可以例如借助（可控制）的分路来进行，该分路可以例如借助与电池并联连接的齐纳二极管来建立。相应地，在使电池组件加载的过程中，可以通过将一定的电荷传输到荷电状态低于至少一个其它电池的荷电状态的电池中，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡。电荷的传输可以例如借助控制所有的电池或者特定一组电池的平衡单元来进行。平衡处理可以持续直到所有的电池已经达到极大电压或者某一其它期望水平。

然而，应当注意到，还可以其它方式进行电荷平衡，例如通过以电池专用或电池组件专用的方式使用能够实现双向电荷传输的转换器，由此，对于充电和放电二者可以使用同一个方案。在这样的转换器中可以使用初级绕组与一个或多个次级绕组电隔离的变压器。还应该注意到，该转换器可以是能够实现双向电荷/电力传输的任何类型，优选地，例如双向回扫（flyback）转换器。根据本发明的一个示例，与所有转换器的初级绕组相关的电路可以连接到公共电源路径，可以沿着该路径将来自任何电池或电池组件的电荷/电力传输到任何其它电池或电池组件。

本发明相比于现有技术提供了显著的优点，例如可以实时且相当精确地监控单个电池的荷电状态以及除基本空或满以外的荷电状态值。这例如在混合系统中是尤为重要的，在这些系统中电池组不能被充电到满容量，相反，电池的荷电状态应当例如保留在大约60-70%的值。特别地，本发明提供了一种用于电池的有效平衡系统，使得例如一旦充电周期结束，所有电池的荷电状态可以被设定在一定的期望值，例如大约60-70%。

根据本发明的系统能够在充电和放电周期中，通过管理系统来确定所有电池的荷电状态或者至少它们之间的相互差异，其精度足以将电池中保留的电荷量保持为相同。相应地，在充电周期中，在所有电池或电池单元中，未达到满荷电状态的电荷量可以通过本发明的系统保持为相同。事实上，本发明以相当经济且可靠的方式实现了电池组或电池组件的全部容量的使用，而不会使单个电池或电池单元在加载周期中被过深放电或者在充电周期中过充电。

附图说明

在下一部分中，将结合附图略微更详细地描述本发明的优选实施例，其中

图1A-1B示出了根据本发明的一个优选实施例的在LiFePO₄电池被放电时的一些示例性容量曲线，

图1C示出了根据本发明的一个优选实施例的在LiFePO₄电池被放电时的一些示例性容量微分曲线，

图2A-2B示出了根据本发明的一个优选实施例的在LiFePO₄电池被充电时的一些示例性容量曲线，

图2C示出了根据本发明的一个优选实施例的在LiFePO₄电池被充电时的一些示例性容量微分曲线，

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的一种用于电池的荷电状态的示例性管理系统，以及

图4A-4F示出了根据本发明的一些优选实施例的在本发明的用于电池的荷电状态的管理系统中使用的一些示例性电荷平衡系统。

具体实施方式

图1A和1B示出了根据本发明的一个优选实施例的在LiFePO₄电池的电荷被释放时的一些示例性容量曲线，图2A-2B示出了根据本发明的一个优选实施例的在LiFePO₄电池被充电时的一些示例性容量曲线。从图1A和1B可以注意到，在电池被放电时，在输出容量范围内的电压在期望的电池工作范围内仅经历了极小的变化，典型地为0.1V的数量级，例如在混合应用中通常为SOC=30-80%。对于电池被充电时的图2A和2B也可以做出相同的认知，其中电池电压在期望的电池工作范围内仅经历了大约0.1V的数量级的变化。

另一方面，从图1C和2C可以清楚地看出，在放电（图1C）和充电（图2C）周期中，在LiFePO₄电池的容量微分曲线[dQ/dV]中均可以看到三个明显尖峰的示例。其原因在于阳极碳能量水平被锂离子以特定的顺序占据。特别是可以注意到，在相同电池的情况下，尖峰出现在相同的位置（荷电状态），并且由于尖峰位置不依赖于温度，该现象可以用于确定电池的荷电状态或者多个电池之间相互的荷电状态差异。该检测到的现象可以用在例如用于使得荷电状态平衡的锂离子电池的电荷管理系统中。根据本发明的一个实施例，可相对于彼此精确地确定电池的荷电状态足以使得电池模块平衡，完全不需要准确地了解绝对荷电状态。

在图2A-2C所示的示例性情形中，利用恒流恒压的方法（CCCV）进行充电。其中的充电参数为0.5C（电流）、3.65V（电压）和0.03C（出口标准），但是应该注意到，这些仅是一些充电参数的示例，本发明不仅仅限于这些，而是可以自然地使用其它充电参数。

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的一种用于电池的荷电状态的示例性管理系统300，该系统最优选地适于利用由部件建立的工具或者通过程序、或者选择性地利用它们的组合执行下面中的至少一个：

-例如通过减小单个电池的放电电流来防止该特定电池的电压下降到预设极限以下，

-例如通过减小单个电池的充电电流来防止该特定电池的电压上升到预设极限以上，

-通过减小通过电池的电流或者通过增强电池冷却来防止电池系统的温度上升，

-防止充电/放电电流超过预设极限，其至少依赖于电池或电池组件的温度和/或SOC值，

-借助数据传输总线，为更高级的系统和/或用户提供关于每个电池或电池组件的相关状态信息，例如关于SOC值。

图3的管理系统可以例如是集中式的，在这种情况下，该系统被包括在单个的电池组件中并且例如借助电缆与电池组件的各个电池通信。该系统还可以是模块化的，在这种情况下，该系统包括多个单元（例如布置在电路卡上），其中一个单元设置为主单元（M）。这些单元例如借助某种数据传输总线诸如借助CAN总线彼此通信，但是从现有技术中已知的其它方案也可以是相关的，诸如作为一些示例的RS232、RS485、以太网或USB。

根据一个优选实施例，系统不仅可以包括主单元（M），还可以包括多个从单元（MU）（如图3所示），每个从单元适于测量例如单个电池或者由多个电池组成的电池组的电压、温度和/或电流或者其它参数，以及将测量数据例如传送到主单元（M）。

根据本发明的一个示例，主单元（M）或者更高级的主系统（HOST）基于所述测量数据，适于尤其是为每个电池组件或者甚至是电池组件的每个单独的电池计算容量微分曲线，以确定它们的荷电状态或荷电状态差异，并且基于此控制例如本文所述的用于电池或电池组件的平衡系统。用于电池或电池组件的荷电状态的平衡系统可以由主单元直接控制或者借助单独的外围设备来控制，该外围设备可以包括例如可控接触器、继电器和电流调节单元，以及用于使电池放电和/或充电的之前已知的其它设备，尤其是用于使得荷电状态平衡的设备。这些设备，尤其是用于使得荷电状态差异平衡的设备，在附图4A-4F中示出。

应该注意到，由主单元、从单元和/或更高级的控制设备（外围设备、HOST）执行的一部分服务可以通过程序进行。

图4A-4F图示了根据本发明的一些优选实施例的在本发明的用于电池的荷电状态的管理系统300中使用的一些示例性电荷平衡系统。图4A示出了一个平衡单元401，其功能在于通过在由控制逻辑确定的时间对一个电池或电池单元充电或放电来使得电池组或其电池组件或电池持续地保持平衡（所有电池中的荷电状态处于同一水平）。该单元的DC/DC转换器可以具有例如连接到电池组的端子的输入端以及至备用的电池或电池单元的输出端。因此，平衡单元的DC/DC转换器以与电池充电器相同的方式工作，其电源由车辆的整个电池组构成。

根据一个实施例，平衡单元的工作可以例如由如图3所示的管理系统控制，或者根据一个实施例由例如基于RISC处理器的中央处理单元控制接口计算机（CIC）控制。机载计算机例如借助CAN总线与平衡单元通信。CIC可以例如通过管理系统300获得关于电池组或电池的状态的测量数据并且基于该测量数据来控制电荷传输（DC/DC转换器和继电器矩阵）以及分路电流，如下述的图4B和4C所示出的。

图4B示出了一个被动旁路元件402，用于输送充电电流至少通过一个电池，由此，该系统适于在电池组件的充电过程中通过借助旁路元件402使一定的充电电流绕过达到较高电荷的电池，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡，例如直到所有的电池达到极大电压或者某一其它期望水平。在图4B的情形中，旁路元件402包括分路，该分路借助可并联连接的齐纳二极管建立，从而能够控制（被动调节）分路电流。在附图中，U_z0是二极管的齐纳电压（击穿电压），R_z是其动态电阻，R_j是分路导线的电阻。

图4C示出了一种主动平衡系统403，其中管理系统具有设置有电阻的分路，由此通过其的电流（I_S）最优选地借助沟道晶体管利用脉宽调制（主动调节）来程序地控制。由此获得的益处是可以例如根据电池类型和温度改变电路的特性曲线。

图4D示出了平衡系统的一个示例，其中每个电池都与能够进行双向电荷传输的平衡单元CM链接。电荷传输是通过功率转换器来实现的，该功率转换器具有彼此电隔离的初级电路和次级电路，所述初级电路处于外部电源总线电位P_PB而所述次级电路处于电池电位P_C。

所有的平衡单元CM都可以通过电源总线PB而被链接。电源总线电压优选地与多个串联连接的电池的电压相当，例如与附图所示的四个电池的电压（大约12Vdc）相当。电源总线可以是悬空的，与电池组完全分离，或者其可以借助附图中虚线所示的连接导线1和2连接到一个电池组。总线电压还可以被控制为变得高于所连接的电池组的电压，由此，总线的电荷脉冲不会借助电池组来循环。在这种情况下，可以使用例如附图所示的二极管V_PB，其防止较高的电源总线电压放电到较低的电池组电压。

根据本发明，管理电池组的工作的控制单元CU（因此，根据一个实施例，其可以是图3的管理系统或者是其一部分，诸如主单元和/或从单元）经由作为媒介的控制总线CB来控制平衡单元CM的工作，以使得从电池传输到电源总线的电荷与从电源总线传输到电池的电荷之和的平均值为0。通过该步骤，当电源总线连接到一个电池组时，该特定电池组的电荷平衡由于连接到总线而不会被干扰。电源总线的电荷平衡可以通过例如借助图4D所示的分流电阻R_PB测量连接导线1、2之一的电流来监测。在电源总线与电池组分离或者电源总线处于比借助二极管V_PB而连接的电池组更高的电压时，电荷平衡的相应监测可以通过监控电源总线电压来进行；在平衡的状态下，电压保持在设定的极限内。

图4E示出了平衡系统的又一示例，其中平衡单元CGM专用于一个电池组；附图示出了一公共单元用于四个电池的情形。除此之外，其工作与图4D所示的情形一致，只是在图4E中平衡单元中的次级电路的数量与该单元所连接的电池的数量相等，即，在该情形中为4个次级电路。相比于图4D所示的电池专用的系统，这样的系统提供了成本更低的益处。甚至在图4E的示例中，控制单元CU、控制总线CB、电流测量分流R_PB和电压分离二极管V_PB可以是与在图4D的示例中一样重要的，这些部件在附图中未图示出仅仅是出于清楚的目的。

控制单元CU可以是单独的单元或者其可以优选地与比其它部件更广泛的(extensive)某种平衡单元CGM集成。图4F以简化的形式示出了构成电荷传输转换器的一种优选的可能形式，即所谓的双向回扫转换器，包括初级电路（初级绕组N_P、初级开关V_P）以及一个（参照图4D的示例）或多个（参照图4E的示例）次级电路（次级绕组N_S1-N_SN，次级开关V_S1-V_SN）。所述开关优选为MOSFET晶体管，其内部结构已知还包括二极管。考虑到使初级电路的电源总线连接的电压平衡，可以连接电容器C_PB，其尤其是在电源总线与电池组分离或者其电压高于借助二极管所连接的电池组时具有有益效果。

当附图所示的转换器要用于将来自电源总线的电荷脉冲传输到电池时，初级开关V_P首先被设定在导通状态。因此，回扫转换器的初级绕组电流线性地增加直到开关被设定在非导通状态。转换器T₁的磁路中储存的能量随后被释放到具有最低电压的次级电路中。通过利用沟道电阻低至使得其在导通状态下的电压显著地低于FET的内部二极管的正向电压（大约0.7V）的例如0.2V的功率FET，次级开关的控制可以用于选择转换器的磁路能量将被释放到哪一个电池，而不必考虑电池电压的较小电压差。相应地，当转换器要用于将来自电池的电荷脉冲传输到电源总线时，对应于期望电池的次级开关V_S被设定在导通状态。因此，次级绕组电流线性地增加直到开关被设定在非导通状态。转换器T₁的磁路能量随后借助初级开关的内部二极管被释放到初级电路中（=释放到电源总线中）。

在上文中已经描述了用于本发明的方案的一些实施例。根据本发明的原理可以在权利要求所限定的例如关于实施细节和使用领域的保护范围内被自然地改进。特别是，根据本发明的用于监控电池的荷电状态的构思可以应用于锂离子电池，例如锂聚合物电池，尤其是具有石墨阳极的LiFePO电池。

Claims (14)

1.一种用于管理包括多个电池的锂离子电池组件（CELLMODULE）的荷电状态的方法，其特征在于所述方法包括：

-在电池的放电或充电过程中，通过确定电池的容量微分曲线的变化是超过还是未达到预设的极限值来确定（M、MU）至少两个不同电池（CELL MODULE）的荷电状态，其中，每个所述变化是特定电池特有的变化并且总是与电池的特定荷电状态一致，并且其中，所述容量微分曲线中的变化序数确定与所述变化一致的电池的荷电状态，以及

-在所述电池的荷电状态彼此偏离的情况下，使得电池之间的荷电差异平衡（M、MU、CGM、HOST）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，观测到的所述容量微分曲线变化是容量微分曲线极小值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述容量微分曲线极小值的数量不小于2，最优选地3，并且至少一个所述极小值表示50-70%的电池荷电值水平，更优选地65-70%，并且在特别优选的情况下为大约68%。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在对电池组件（CELL MODULE）进行充电的过程中，通过例如借助分路使一定的充电电流绕过（403）达到较高电荷的电池，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡（M、MU、CGM、HOST）。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在加载电池组件（CELL MODULE）的过程中，通过例如借助平衡单元（BALANCINGUNIT）将一定的电荷传输到荷电状态低于至少一个其它电池的荷电状态的电池中，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述电池或电池组件被包括在锂离子电池中，例如锂聚合物电池中，尤其是设置有石墨阳极的LiFePO₄电池中。

7.一种用于管理包括多个电池的锂离子电池组件（CELLMODULE）的状态的系统（300、401），其特征在于所述系统包括：

-用于在电池的放电或充电过程中，通过确定电池的容量微分曲线的变化是超过还是未达到预设的极限值来确定至少两个不同电池（CELL MODULE）的荷电状态的装置（M、MU），其中，每个所述变化是特定电池特有的变化并且总是与电池的特定荷电状态一致，并且其中，所述容量微分曲线中的变化序数确定与所述变化一致的电池的荷电状态，以及

-其中，所述系统适于在所述电池的荷电状态彼此偏离的情况下，使得电池之间的荷电差异平衡（M、MU、CGM、HOST）。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，观测到的所述容量微分曲线变化是容量微分曲线极小值，所述极小值的数量不小于2，最优选地3，并且至少一个所述极小值表示50-70%的电池荷电值水平，更优选地65-70%，并且在特别优选的情况下为大约68%。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述系统包括旁路元件（402、403），用于输送充电电流至少通过一个电池，并且其中，所述系统适于在对电池组件充电的过程中，通过借助所述旁路元件使一定的充电电流绕过达到较高电荷的电池，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，用于输送充电电流至少通过一个电池的所述旁路元件（403）包括借助能够并联连接的齐纳二极管建立的分路。

11.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述系统包括平衡单元（CGM），所述平衡单元具有连接到工作在至少两个电池的两端的电池组件端子的输入端，由此，所述系统适于在加载电池组件的过程中，借助所述平衡单元将一定的电荷传输到电荷状态低于至少一个其它电池的电荷状态的电池中，使得至少两个不同电池之间的荷电状态差异平衡。

12.根据前述权利要求7-11中任一项所述的系统，其中，所述电池或电池组件被包括在锂离子电池中，例如锂聚合物电池中，尤其是设置有石墨阳极的LiFePO₄电池中。

13.一种装置，其中，所述装置包括由多个电池和电池组件组成的锂离子电池组，例如锂聚合物电池组，尤其是LiFePO₄电池组，所述装置还包括如权利要求7-12中任一项所述的用于管理所述电池的荷电状态的系统。

14.一种用于管理包括多个电池的锂离子电池组件（CELLMODULE）的荷电状态的计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序代码，其适于当所述计算机程序产品在数据处理设备中实施时，执行如权利要求1-6中的至少一项所述的方法的步骤。