CN104025419B - 用于管理电池的电池单元的电量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对一个电力存储电池的多个以串联和/或并联方式电连接的电池单元的电量的管理，这种管理包括：一个使得这些电池单元的电量状态(SOC)平衡的步骤，所述步骤仅在该电池充电阶段的过程中被执行；以及一个使得这些电池单元所含有的电量的量(Qi)平衡的步骤，所述步骤仅在该电池放电或搁置阶段的过程中被执行。

Description

用于管理电池的电池单元的电量的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于管理电力存储电池的电池单元的电量的方法，这些电池单元是以串联和/或并联的方式电连接的，并且涉及一种包括平衡电子回路的管理系统，该平衡电子回路被控制以用于实施这样的一种方法。

背景技术

在不同工业领域并且尤其是在汽车行业广泛使用的Li-离子(锂离子)电池技术要求使用平衡回路以便确保电池的长期使用。这些平衡回路总体上是电池管理系统的一部分。

事实上，每个Li-离子电池单元(它们以串联和以并联方式的组装使得有可能构建出这种电池)必须保持在窄的电压范围内不失效，从而具有不可逆地损害电池单元性能的风险。如果将大量的电池单元组装在一个电池内(典型地在仍在为电动车辆开发的电池内有96个双电池单元)，不可避免的是这些电池单元会具有不同特性，更还有电池老化：因此在所有这些电池单元之间会观察到对于这些电池单元的电量状态具有直接影响的一些特性的非一致性变化(自放电电流、感应电流的产生、最大电量，等等)。由于穿过电池的主电流在各电池单元处是相同的(对于在汽车行业中使用的传统结构的电池)，就不可能在电池的充电或放电阶段的过程中在不使用额外装置的情况下单独地对一个或多个电池单元充电或放电。

其他类型的电化学电池单元(例如，铅电池单元)就可用电压范围而言没有与基于锂的电池单元相同的局限性。在充电过程中，一旦电池单元已经达到最大电量状态，不损害电池单元性能的寄生反应使得有可能耗散富余的能量。相反，也可能存在非常剧烈的放电过程(直至电池单元中所含有的电量几乎为零)。因此，对于这些类型的电化学电池单元而言，使得电池平衡、也就是说使得所有这些单独的电池单元到达同一个电量状态的最容易的方式在于继续充电直至所有这些电池单元都充满电。

然而，这一策略并非对于所有类型的电池单元都是可能的，尤其是Li-离子电池单元：一旦一个单一电池单元已经达到其上限电压阈值(典型地4.2V)，就势必要中断充电否则将具有损坏该电池单元(或甚至起火)的风险。使用了专用电子回路、称作平衡回路，而使得有可能：

-对最先充好电的电池单元中的能量进行耗散从而能够接着继续对整个电池充电：这称作耗散式平衡，

-或将这些充好电的电池单元的能量在最大程度上传递给其他的电池单元：因而这被称为非耗散式平衡。

非耗散式平衡回路与耗散式系统相比具有多个优点：

-辐射热量较低，已知的是升高的温度既可能损坏Li-离子电池单元又可能损坏这些电子回路，

-有可能在使用电池的的过程中、尤其是在放电的过程中使用这些回路，从而对各电池单元的这些单体电量的分配进行优化，其目标理想地是使得各电池单元同时到达最小电量状态。因而这允许了改善的电池使用，以至这些单体电池单元所含有的所有电量都被利用：首先达到其最小电量阈值状态的电池单元的极限被延迟。

为了能够最大程度地利用这些平衡回路、尤其是非耗散式平衡回路所提供的可能性，必须设计出在充电和放电情况下均适合于避免无用的和甚至不利的电量传递的策略。

已知的平衡策略是基于各电池单元的单体电量状态(“SoC”)或是基于对各电池单元的单体电压的直接测量。使用这些指标不总会允许对电池中所含有的能量的最佳使用。这些策略确实被适配用于耗散式平衡回路(这种平衡回路已经广泛运用了多年)、但并未将非耗散式回路(其现今还未非常广泛地运用)所提供的所有可能性都考虑在内。总体上，仅有的目标是使得这些电池单元在充电结束时的电量状态平衡。相比之下，在放电过程中的能量耗散绝不导致电池使用率的增大：

-如果所使用的这种平衡回路是耗散式的，则在放电过程中所使用掉的总电量是与具有最低的最大电量的电池单元中所含有的电量相对应的。其他的电池单元中含有的富余能量在放电过程中被耗散掉、并且因此没有以有生产力的方式被利用，

-如果这种平衡回路是非耗散式的，那么在放电过程中所使用掉的总电量是与具有最低的最大电量的电池单元中所含有的电量、加上其他电池单元所含有一些富余电量相对应的。因此这种富余没有被完全耗散掉来到达最终状态、而是被部分地利用。

文献US 621 5281、US 5631 534、以及US 72451 08阐述了仅依赖于这些电池单元的电量状态而不在充电与放电情况之间进行区分的这种类型的平衡方案，这并非是最优的。

文献US 201 0 194339披露了利用了额外参数、也就是说提供了对这些电池单元的最大充电容量水平的验证的一种平衡方案。

这些方案均不允许对实现最优的管理，尤其是在这些电池单元的某些特性不一致的情况下。在平衡策略中并未考虑电池的运行模式(充电、搁置或放电)。

发明内容

本发明的目标是提出一种克服了以上列出的缺点的、用于管理一个电池的多个电池单元的电量的方案。

具体是，本发明的一个目的是提供在这些电池单元的物理特性存在不一致的情况下避免无用的或不利的能量传递的一种管理方法。

本发明的第二目的是提供不仅基于这些电池单元的电量状态“SoC”、或尤其在电池的放电或搁置状态下还基于它们的单体电压的一种管理方法。

本发明的第一方面考虑了一种用于管理一个电力存储电池的多个以串联和/或并联方式电连接的电池单元的电量的方法，该方法包括：

-一个使得这些电池单元的电量状态平衡的步骤，这一步骤仅在电池充电阶段的过程中执行，以及

-一个使得这些电池单元所含有的电量的量平衡的步骤，这一步骤仅在电池放电或搁置阶段的过程中执行。

该使得这些电池单元所含有的电量的量平衡的步骤可以利用这些电量状态。

所执行的这种平衡可以是通过这些电池单元之间的能量传递而进行的非耗散式类型。

该方法可以包括以下步骤：

-选择性地基于这些电池单元的电量状态或基于这些电池单元所含有的电量的量来建立多个平衡指标，

-取决于所建立的平衡指标来产生用于激活一个使得该电池的这些电池单元平衡的电子平衡回路的激活请求，

-以及将所产生的这些激活请求发送给该平衡回路从而确保根据所建立的指标对该电池进行平衡。

取决于在这些电池单元所含有的电量的量的基础上的该平衡指标的这些激活请求可以是依赖于这些电池单元的电量状态的。

该建立步骤可以利用该电池是或不是处于充电阶段的事实。

该方法可以包括一个确定这些电池单元中的每个电池单元的电量状态、健康状态、和一个布尔(Boolean)信号的先行步骤，该布尔信号代表了该电池是或不是处于充电阶段的事实。

本发明的第二方面考虑了一种用于管理一个电力存储电池的多个以串联和/或并联方式电连接的电池单元的电量的系统，该系统包括一个用于使得这些电池单元的电量平衡的电子平衡回路，所述回路包括硬件和/或软件装置，这些装置控制该平衡回路以便执行一种此类型的管理方法。

该硬件和/或软件装置优选包括一个控制单元，该控制单元确保：

-选择性地基于这些电池单元的电量状态或基于这些电池单元所含有的电量的量来建立多个平衡指标，

-取决于所建立的平衡指标来产生用于激活该使得该电池的这些电池单元平衡的电子平衡回路的多个激活请求，

-以及将所产生的这些激活请求发送给该平衡回路从而确保根据该所建立的指标对该电池进行平衡。

本发明的第三方面考虑了一种数据记录载体，该数据记录载体能够被该控制单元所读取并且其上记录了一种计算机程序，该计算机程序包括用于执行这样一种方法的多个阶段和/或步骤的计算机程序代码装置。

本发明的第四方面考虑了一种计算机程序，该计算机程序包括当在该控制单元上运行该程序时适合于施行这样一种平衡方法的多个阶段和/或步骤的计算机程序代码装置。

附图说明

从对于通过非限制实例的方式给出的并且以附图示出的本发明具体实施例进行的以下说明中，进一步的优点和特征将变得更加清晰，在附图中：

-图1示出了两个同时具有不同的电量状态和最大容量的电池单元的简化实例，

-图2示出了一个绘图，展示了根据本发明的一种管理系统的结构，

-图3展示了根据本发明的管理策略的原理，

-图4示出了图3的框2的详细视图，

-并且图5展示了一个Li-离子电池单元的无负载电压与电量状态SoC之间的典型曲线。

具体实施方式

本发明涉及对一个电力存储电池的多个单体电池单元的电量进行平衡的领域，其中这些电池单元是以串联和/或并联方式组装的。

下文中，平衡的概念应被理解为对形成该电池的所有这些电池单元的电量状态SoC或电量的量Q进行平衡(取决于电池是处于充电阶段、放电阶段还是处于搁置阶段)。这种平衡将这些电池单元在物理特性上的任何可以随时间而形成的差异考虑在内，其目标是在最佳可能的程度上利用所存储的能量而同时确保电池最长的可能使用寿命。

因而本发明是基于已经做出的认定，根据这种认定，在这些不同电池单元之间存在物理特性的差异的情况下，在电池的充电和放电的过程中简单地利用所述电池单元的电量状态来作为平衡指标并非是令人满意的。当这些电池单元在它们自身之间具有最大容量(也称作“最大电量”)上的不一致时情况尤其是如此。

图1展示了最后的这个问题。在这个图中示意性地展示了同时具有不同的电量状态和不同的最大容量的两个单体电池单元。

一个电池单元的电量状态、也称作SoC，对应于在一个给定时刻这一电池单元中所存储的电量与这一电池单元在测量时刻在其通常的工作范围内可以含有的最大容量Q_max之间的比率。

在图1中，电量状态对应于每个电池单元的充填高度与其最大高度之间的比率。电池单元的电量对应于各电池单元的表面(高度保持相同从而对应于同一个电压工作范围，最大容量的差异是由宽度差异所代表的)。图1展示了电池单元2中所含有的电量Q₂大于电池单元1中所含有的电量Q₁的情况(灰色表面代表各电池单元中的电量)，但其SoC是较低的。因而：

Q₂＝SoC₂·SoH₂-Q_{max_init2}>Q₁＝SoC₁·SoH₁·Q_{max_init1}

对于一个单体电池单元i而言，健康状态SoHi被定义为在给定时刻电池单元i中可以含有的最大容量Q_{max i}与同一个电池单元最初(例如在生产线末端)可以含有的初始最大容量Q_{max-init i}之间的比率。例如这个初始容量通常是制造商已知的特性。

在这样一种情况下，一种根据现有技术仅基于这些电量状态SoC的平衡策略趋于将电池单元1的能量传递给电池单元2，因为SoC₁>SoC₂。然后随着该电池放电，SoC₁比SoC₂减小得更快，相同主电流I_C穿过这两个电池单元1和2中的每一者(这两个电池单元以与平衡无关的同一个速率放空)。因而：

其中i＝1或i＝2

存在一个时刻t_imv，从这一时刻起SoC₁变得低于SoC₂。从这一时刻t_imv起，能量传递在相反方向上执行，也就是说从电池单元2传递给电池单元1。

这个已知的策略具有以下缺点：

-较大的能量损失：执行的第一次传递(从电池单元1到电池单元2)是无效的，因为它们最终跟随有反向传递(从电池单元2到电池单元1)。由于这些传递必然伴有能量损失，所以通过施行这个来回的过程就损失掉一些可供使用的能量，

-平衡受损：损失了在一个方向上然后在另一个方向上传递能量所必需的时间。考虑到平衡回路的有限的功率，一旦SoC₂变得大于SoC₁并非总有可能再次平衡这个电池：电池单元1可能在电池单元2的富余电量能够被传递之前就达到其低电压极限或电量状态。

基于这一认定，本发明的目的是提出一种基于不同平衡指标(不仅基于这些电量状态)的管理策略从而确保在这些电池单元之间执行的传递就利用这些电池单元中所存储的电量而言是最优的。这种策略既适用于充电情况又适用于放电情况、而且还适用于电池的搁置状态。具体是，这些平衡指标可以取决于电池是正在充电、正在放电、还是处于搁置状态而不同。

根据本发明的一个重要特征，这种用于管理电池的这些电池单元的电量的方法包括：

-一个使得这些电池单元的电量状态(SoC_i)平衡的步骤，这一步骤仅在电池充电阶段的过程中执行，以及

-一个使得这些电池单元所含有的电量的量(Q_i)平衡的步骤，这一步骤仅在电池放电或搁置阶段的过程中执行。

在电池放电或搁置阶段的过程中，有待平衡的这些电参数因此是这些电池单元的电量的量Q_i。这个平衡步骤是在基于这些电池单元所含有的电量的量Q_i的平衡指标的基础上，以便在可能的情况下对它们自身之间的电量的量进行平衡。在这一步骤过程中，也可以将这些电池单元的电量状态SoC_i考虑在内以便在仅知晓这些电量的量Q_i的情况下控制这种平衡。事实上，不依赖于这些电量状态而仅使用这些电量的量可能具有导致有害地超过一个或多个电池单元的电量状态SoC_i的上限阈值或下限阈值的风险。

相比之下，这些在电池充电的过程中有待平衡的电参数是这些电池单元的电量状态SoC_i。这个平衡步骤是在基于这些电池单元的电量状态SoC_i的平衡指标的基础上的，以便在可能的情况下对这些电池单元在它们自身之间进行平衡。

以一种有利但非限制的方式，所执行的这种平衡是通过在这些电池单元之间的能量传递而进行的非耗散式类型。然而，这种平衡也可以取决于所使用的电子平衡回路的类型而是耗散式类型的。

参见图2，用于电池的管理系统包括一个用于平衡这些电池单元的电子平衡回路，例如为非耗散式类型，以及硬件和/或软件装置，它们控制该平衡回路以便执行以上管理方法。这种硬件和/或软件装置尤其是包括以下控制单元或控制器(ECU或“电子控制单元”)，它能够建立平衡指标ε_i的、能够发送激活请求T_{ij_req}而由该平衡回路执行从一个电池单元到另一个电池单元的能量传递的、并且另外能够接收来源于电池的用来估计某些在构建平衡指标ε_i中使用的变量的不同信号S(像这些电池单元的单体电压和/或电流测量值)。

图3以更多细节展示了由控制单元执行的这种策略的总体原理：

在第一步骤中，在任何其他步骤之前确定针对电池组的所有执行指示电池单元i的电量状态SoC_i、健康状态SoH、以及代表该电池是或不是处于充电状态的事实的一个布尔信号“标记_充电”，并且然后将其收集在图3的框1中。

对于一个单体电池单元i，单体电量状态SoC_i可以是例如基于在电池单元i上执行的电压和电流测量来估计的。

应注意的是这些一般在高电压电池中使用的电池单元、也就是说尤其是锂离子(Li-离子)类型的电池单元，观察到了一种将电量状态SoC与所述电池单元的端子间的开路电压OCV联系起来的规律(见图5)。这种关系作为第一近似是与电池单元中可以含有的最大容量不相关的：如果这个最大容量减小(例如由于电池单元的老化)，最大电压就会在一个较低的所含电量下达到。

此外，布尔信号“标记_充电”指明了该车辆是否正在充电。这种信号总体上是由另一个控制器发送给该控制单元的。例如，如果车辆是处于再充电阶段则这个信号为1，如果不是则为0。

能够理解的是，由一个ECU形成的这种控制单元总体上可以被整合到全局电池管理系统(BMS)中。

在一个第二步骤中，然后在图3的框2中选择性地基于这些电池单元的电量状态SoC_i或基于这些电池单元中所存储的电量的量Q_i而建立这些平衡指标ε_i。这些就是之后的平衡算法将会基于的平衡指标。在图4中详细展示的框2执行了取决于电池是否正在充电而建立和应用多个指标的一个步骤：

如果“标记_充电”为1(电池正在充电的情形)，最适合于使得该电池平衡的指标ε_i是这些电池单元中的每个电池单元i的单体电量状态SoC_i。这种平衡的目标因而是将这些电池单元中的每个电池单元i都充电到最大程度以存储可能的最多能量。图3的框2因而输出该电池的所有这N个电池单元的SoC_i。因而：

相比之下，如果“标记_充电”为0(电池并非正在充电的情形)，最适合于使得该电池平衡的指标ε_i是这些电池单元中的每个电池单元i所含有的电量Q_i。各电池单元i的单体电量Q_i是基于其SoC_i及其SoH_i并且基于最大初始容量的值来获得的。因而：

在一个第三步骤中，接着在图3的框3中产生了多个激活请求T_{ij_req}，这个框在输入处接收由框2所建立的指标ε_i而且还接收直接来源于框1而越过了框2的这些电量状态SoC_i，以便选择将激活该使得电池的这些电池单元平衡的电子平衡回路所用的方式。这些请求T_{ij_req}取决于在框2中建立的平衡指标并且将该平衡回路的拓扑结构和限制因素考虑在内。由于框3基本上取决于所使用的平衡回路的具体特征，所以将不以更多的细节来进行阐述。这些在输出处产生的请求T_{ij_req}使得有可能通过该回路基于所选择的指标ε_i来确保电池的平衡(无论是这些电量的量Q_i的平衡或者是这些电量状态SoC_i的平衡)。如先前指明的，取决于在这些电池单元i所含有的电量的量Q_i的基础上的平衡指标ε_i的这些激活请求还可能将这些电池单元的电量状态SoC_i考虑在内。

在一个第四步骤中，图3的框4于是包含由框3产生的这些请求T_{ij_req}形成的输出。这些输出或请求然后被发送给该平衡回路以便确保根据所建立的指标ε_i对电池进行平衡。

在电池的充电过程中，目标是存储最多能量。并不希望使得这些电池单元所含有的电量的量Q_i平衡，而是将各电池单元充填至其最大值。因此相关的指标是考虑了这些电池单元的工作范围极限的单体电量状态SoC_i。

在电池放电或搁置阶段的过程中，或一旦该电池已经部分放电，相比之下目标则是在可能的情况下使得这些电池单元所含有的电量的量Q_i平衡，已知的是在放电的过程中，所有这些电池单元i都会经历跨过该电池施加的同一个主电流I_C(如果这些电池单元是以串联组装的)。这些电池单元因此以同一个速率放空并且在电量的量Q_i上经历一致的变化。然而必需尊重这些电池单元的工作范围极限，这可能对平衡电量的量Q_i的该方法产生某些限制：如果寻求的是电量的量Q_i的平衡的话，它不可能超过电池单元i的电压上限，对应于SoC_i＝100％。这些电池单元的单体SoC_i因此也越过框2而发送给图3的框编号3，这样使得在这种基于这些电量的量Q_i的指标ε_i的平衡过程中仍然能够将对于电池单元的工作范围的这些约束考虑在内。

以上阐述的平衡策略使得有可能补偿与插入非耗散式回路相关联的额外成本并且确保对电池中所含有的能量的最优使用，即便在这些电池单元的单体最大充电容量存在不一致的情况下也是如此。

与已知的、仅使用各电池单元的单体电量状态SoC_i的平衡策略相比，实施以上阐述的这种管理策略允许了对电池中所含有的总能量的最优使用，尤其是在这些电池单元的最大充电容量(换言之这些电池单元能够含有的最大电量)存在不一致的情况下。

本发明使得有可能将这些电池单元之间的物理特性差异考虑在内并且进行有效应对从而对它们的差异至少部分地作出补偿(取决于平衡回路的功率限制)。最大电量的不一致性可以具有多种不同的来源：从一个电池单元到另一个电池单元的不同感应电流的产生、从一个电池单元到另一个电池单元不相同的最大容量和/或自放电电流不同。

在充电的过程中，感应电流的产生是由该电池单元所存储的电量与已经提供给它的电量之间的比率来限定的。自放电电流对应于一个电池单元在没有连接在其端子处的任何电荷的情况下进行放空的速度。最后，最大容量代表一个电池单元所能够存储的最大电量。

本发明还涉及一种数据记录载体，该数据记录载体能够被控制单元所读取并且其上记录了一种计算机程序，该计算机程序包括用于执行本平衡方法的多个阶段和/或步骤的计算机程序代码装置。

本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包括当在该控制单元上运行该程序时适合于施行本平衡方法的多个阶段和/或步骤的计算机程序代码装置。

本发明可以有利地用于汽车行业，尤其是在具有电力牵引的、实现了在锂离子(Li-离子)型单体电池单元的基础上构建的电池的机动车辆的范围内。然而，本管理策略可以应用于任何类型的平衡，优选非耗散式平衡(虽然这绝非进行限制)，而被用于不同汽车领域中并且针对与Li-离子不同的电池单元化学性质所使用。

Claims (7)

1.一种用于管理一个电力存储电池的多个以串联和/或并联方式电连接的电池单元的电量的方法，其特征在于，该方法包括：

-一个使得这些电池单元的电量状态(SoC_i)平衡的步骤，这一步骤仅在电池充电阶段的过程中执行，以及

-一个使得这些电池单元所含有的电量的量(Q_i)平衡的步骤，这一步骤仅在电池放电或搁置阶段的过程中执行，

其中在平衡过程中：

-选择性地基于这些电池单元电量状态(SoC_i)或基于这些电池单元所含有的电量的量(Q_i)来建立多个平衡指标(ε_i)，

-取决于所建立的平衡指标(ε_i)来产生用于激活一个使得该电池的这些电池单元平衡的电子平衡回路的多个激活请求(T_{ij_req})，

-以及将所产生的这些激活请求(T_{ij_req})发送给该平衡回路从而确保根据该所建立的指标(ε_i)对该电池进行平衡。

2.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，使得这些电池单元所含有的电量的量(Q_i)平衡的该步骤利用了这些电量状态(SoC_i)。

3.如权利要求1和2之一所述的管理方法，其特征在于，所执行的这种平衡是通过这些电池单元之间的能量传递而进行的非耗散式类型。

4.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，取决于在这些电池单元所含有的电量的量(Q_i)的基础上的该平衡指标(ε_i)的这些激活请求(T_{ij_req})是依赖于这些电池单元的电量状态(SoC_i)的。

5.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，该建立步骤利用了该电池是或不是处于该充电阶段的事实。

6.如权利要求1或2所述的管理方法，其特征在于，该方法包括一个确定这些电池单元中的每个电池单元的电量状态(SoC_i)、健康状态(SoH_i)、和一个布尔信号的先行步骤，该布尔信号代表了该电池是或不是处于充电阶段的事实。

7.一种用于管理一个电力存储电池的多个以串联和/或并联方式电连接的电池单元的电量的系统，该系统包括一个用于使得这些电池单元的电量平衡的电子平衡回路，其特征在于，该系统包括硬件和/或软件装置，这些装置控制该平衡回路以便执行一种如权利要求1至6中任一项所述的管理方法。