CN104064831B - 用于平衡多个蓄电池的不同的充电状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过平衡充电状态（SoC）来降低蓄电池单池（16、18）的总电荷损失的方法，其具有下述的方法步骤。首先检查至少一个平衡单元i的温度是否低于可预先选择的温度边界。然后进行蓄电池单池（16、18）的充电过程是否结束并且蓄电池单池的充电状态是否>90%的检查。接着确定蓄电池单池（16、18）之间的最大充电状态差是否高于可调节的界限DELTA_SoC。倘若该些步骤的结果是肯定的，则通过将蓄电池单池（16、18）与平衡电阻R_bal在时间段ti内接通以进行自主的单池平衡步骤，其中，，其中：在时间段t_i结束后断开平衡单元i。

Description

用于平衡多个蓄电池的不同的充电状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于平衡多个蓄电池的不同的充电状态的方法。

背景技术

锂离子技术的蓄电组应用于混合动力车辆和电动车辆中，该蓄电池组由大量串联连接的电化学的蓄电池单池组成。能够借助于蓄电池管理系统来监控这种包括多个蓄电池模块的蓄电池组。蓄电池管理系统一方面监控能够具有多个蓄电池模块的蓄电池组，另一方面确保蓄电池组的蓄电池模块的尽可能高的使用寿命。

为了确保蓄电池组的每个蓄电池模块的高的使用寿命，尽管自放电不同但是每个蓄电池单池的充电状态（State of Charge：SoC）应该相互协调。这通过合适的单池均衡得以实现，单池均衡一般是电阻式的，即在使用至少一个电阻的情况下实现，其也被称作“单池平衡（cell balancing）”。为此，给每个蓄电池单池分配至少一个电阻和至少一个开关元件，以使得每个蓄电池单池能够针对性地通过该至少一个电阻进行放电，该电阻也被称作“平衡电阻”。

除了每个蓄电池单池的不同的自放电率以外，由于生产多样化蓄电池单池的容量也彼此有偏差。这种效应在使用寿命开始时是可忽略的小的，但是在蓄电池单池的使用寿命的进程中由于单元老化的不同能够增大并且导致在蓄电池单池之间的容量差异能够出现若干个百分比。

已知的是，蓄电池管理系统用于监控蓄电池的充电状态。除了安全性监控外还应该确保尽可能高的蓄电池的使用寿命，并且保证每个蓄电池单池的充电状态的相互协调。这通过合适的单池均衡，即所谓的“单池平衡（cell balancing）”实现。单池均衡或者充电状态的平衡一般电阻式地实现。为此给每个蓄电池单池分配电阻和开关元件，以使每个蓄电池单池能够有针对性地放电。由DE10200600022394A1已知一种用于具有多个单池的能量源的荷电平衡的装置，其中，多个单池与用于荷电平衡的放电单元连接，该放电单元为这些蓄电池单池至少部分地放电。但是根据现有技术这也是可能的，即单池平衡电容式地，即通过连接的电容或者电感式地，即借助于连接的电感来实现。在这两种情况下，能量能够在多个单池之间以限制的效率进行交换，而能量在电阻式的单池平衡时只能以热量的形式交换并且因此流失。

已知的是，随着充电状态上升，最大允许的充电功率下降，而最大允许的放电功率升高。出于这种原因，按照背景技术这是值得向往的，用于混合动力车辆和电动车辆的蓄电池组在50%的充电状态下运行。但是通常在实际中使用运行范围，例如在40%和60%之间的充电状态。对于“插入式混合动力（plug-in-hybride）”工作范围相应地更大，例如10%到90%的充电状态。

常见的平衡策略试图实现所有的蓄电池单池的始终相等的充电状态（SoC）。为了达到这个要求，通常所有蓄电池单池被均衡到相等的稳定电压。该策略在具有几乎相等的容量的还很新的蓄电池单池上是合理的。然而但是对于不同容量的蓄电池单池，如由于生产多样化和老化而出现的，这种平衡策略由于平衡会造成不必要的能量损失。

在蓄电池系统中，其中每个蓄电池单池的容量是未知的并且实现用于公共的充电状态（SoC）的电阻式的单池平衡，则整个待平衡的电荷非常大，因为多余的电荷通过平衡电阻被导出，其过分地考虑平衡每个蓄电池单池的不同的自放电。

根据图1所示，未详细示出的蓄电池模块的两个不同的蓄电池单池16、18初始地具有充电状态10（SoC），该充电状态为50%，其中第一蓄电池单池16的容量小于第二蓄电池单池18的容量。基于该在第一步骤中观察的状态，在第二步骤中进行两个蓄电池单池16和18的充电过程12，在该充电过程期间两个蓄电池单池16、18的当前的充电状态（SoC）上升，如步骤2表示的那样。在充电过程中，第一蓄电池单池16的当前的充电状态24上升，超过第二蓄电池单池18具有的当前的充电状态24。因此根据图1所示在第2步骤中第一蓄电池单池16进行放电22，从而在第3步骤中相互平衡的蓄电池单池的两个充电状态24再次相等。

第4步骤示出了，基于两个蓄电池单池14、16的对应于50%的充电状态10进行放电过程14，而第一蓄电池单池16的当前的充电状态24超过第二蓄电池单池18的当前的充电状态24一定的电荷剩余，因此如根据图1的步骤4所示，第二蓄电池单池18进行放电26，从而第一蓄电池单池16和第二蓄电池单池18的两个充电状态（SoC）再次彼此相当且在步骤5中再次相等。因此，根据图1所示得出，在这种长期的电荷平衡即努力实现目的的过程中，所有的蓄电池单池16、18具有相等的充电状态（SoC），不仅多余的电荷通过对电阻式平衡来说必须的平衡电阻导出，而且同时也会出现平衡单元（BCE）的不必要的很多的，即可避免的一些开关过程。这再次导致用于电阻式平衡的BCU的明显的使用寿命下降。

发明内容

本发明基于该任务，即通过设置固定限制的充电状态范围（SoC范围），在该范围内能够进行单池平衡，降低在维持基于SoC的单池平衡的情况下的过多平衡的电荷的总数。

根据本发明提出了一种方法，根据该方法单池平衡仅仅在确定的、甚至是规定的充电状态范围（SoC窗）内才被允许。优选地，该SoC范围能够被这样地规定，即只有充满电的具有大于90%的充电状态（SoC）的蓄电池单池被允许用于进行均衡。根据本发明提出的用于在明确限定的SoC范围内平衡多个蓄电池单池的不同的充电状态的方法除了需要BCU外，还需要用于BCU的开关逻辑，BCU仅仅实现了电阻式的电荷平衡并且包括一定数目的能够被接通到蓄电池单池上的电阻。

在根据本发明提出的方法中检查边界条件，例如，电动车辆或者混合动力车辆当前是否处于停车模式。绝对不允许该车辆处于充电模式或者放电模式。此外，为了实施本发明提出的方法由蓄电池管理系统检查，蓄电池单池是否被充满电，即充电过程结束以及蓄电池单池的充电状态高于90%。此外检查平衡单元（BCU）的温度是否处于可调节的温度边界之下，例如能够给定如40℃或45℃的温度，借此在执行单池平衡过程时不会出现BCU的过热。

除了检查上述三个边界条件外，根据本发明提出的方法进行检查42，即实际上是否存在单池平衡需求。为此必须的是，所有蓄电池单池的最大的充电状态之差（SoC之差）高于可调节的界限DELTA_SoC，其例如能够被确定为3%的大小。当然还能够有其他的扩展，即充电状态的差在上下文中被规定。为了确定该差值，确定所有的蓄电池单池的最小的充电状态，即SoC_MIN的值。针对多个蓄电池单池i中的最少一个，其自身的充电状态SoC_i超过DELTA_SoC地大于SoC_MIN，则存在对单池平衡过程的需求。

如果该需求如上文所述，且满足所述的三个边界条件，则平衡过程自主地发生。这意味着，BCU要求相关的平衡单元，在确定的内将用于电阻式地执行单池平衡步骤所必须的平衡电阻R_bal连接到对应的蓄电池单池上。多个BCU被允许在过热超过确定的温度阈值时被断开，而使多个BCU再次自动接通是不可能的。

最后在进一步的操作中确定每个蓄电池单池的各自的平衡需求。对蓄电池单池导出的电荷i的需求得出Q_i=C_NOM*(SoC_i-SoC_MIN)，其中C_NOM为蓄电池单池的公称电容。

对应于蓄电池单池的SoC的电压Uocv以及平衡电阻的电阻值R_bal能够在此借助于欧姆定律确定时间段，在该时间段内实施单池平衡方法，根据以下关系：

$t_i=\frac{\frac{Q}{U_{\mathrm{OCV}}}\left({\mathrm{SOC}}_i\right)}{R\_\mathrm{bal}},$ 其中，

R_bal：平衡电阻；

SoC_i：蓄电池单池i的充电状态；

Q：待导出的热量；以及

Uocv：蓄电池单池的电压。

每个平衡单元i在此在上述确定的时间段t_i内被接通，然而最大在可调节的最大的时间内。上面的时间限制用于避免过热。

在根据本发明提出的方法的改进中存在以下的可能，通过调整蓄电池系统的上述参数或者用于蓄电池组的运行策略而采用根据本发明提出的方法。参数DELTA_SoC定义为允许的充电状态差，低于其则平衡步骤的实施是不允许的。这再次意味着，当被平衡到该限制，即SoC_MIN时，蓄电池单池的最大和最小的充电状态（SoC）的差正好为DELTA_SoC。该值在任何情况下均应该如此选择，使得该值大于不安全间隔，在该不安全间隔内能够确定蓄电池单池的充电状态SoC。

在打开平衡过程之前平衡单元的最大温度应该如此选择，使得通过附加的期望的温度变化在实施单池平衡期间不会超过平衡单元的最大的运行温度。

前文提到了，根据本发明提出的方法仅仅从自身的充电状态大于90%的蓄电池单池起允许单池平衡。替代该90%和100%充电状态之间的SoC范围，也能够采用任意其他的SoC范围。在选择在其内进行单池平衡的范围时重要的是，其一方面不会过大，否则丧失关键性的优势，可是另一方面选择该范围足够大，即车辆具有足够大的可能性在该SoC范围内停车。

对于车辆很长时间未处于预设的SoC范围内的情况，为了避免从自身的充电状态SoC_i的严重的偏离，根据本发明提出的方法还能够扩展“紧急单池平衡”。根据这种扩展例如单池平衡还能够额外地从SoC差DELTA2_SoC》DELTA_SoC起进行，其中于是在第一步骤中判断的三个边界条件，要么通过关于更大的充电状态的更大的SoC范围来扩展和/或解除对电动车辆和混合动力车辆的关于停车模式的限制。

根据本发明提出的方法实现了充电状态平衡的实施，即在用于混合动力车辆和电动汽车的蓄电池组的蓄电池模块的多个蓄电池单池之间的单池平衡，其中在没有单个的精确的蓄电池单池电容的明确的认识的情况下，每个蓄电池单池的相互在至少20%的范围内的容量差的电荷平衡是可能的。在不了解实际的系统的容量的情况下，最终能够承受多大的电容差，以不是微不足道的程度依赖于驾驶员的行驶特性。

此外，通过根据本发明提出的方法能够显著地减小电荷损失，该电荷损失通过单池平衡发生。根据本发明提出的方法以有利的方式允许，单池平衡能够通过选择相应的最小时间间隔适合于每个不同的蓄电池单池的自放电特性，并且因此顾忌到每个蓄电池单池的不同的老化周期。

另一个与本发明提出的解决方案相关的优势在于，能够增加用于单池平衡的平衡电阻R_bal的使用寿命。使用寿命的增长能够尤其通过本发明所述的方法可实现的开关周期的数量的限制得以实现。BCU允许如对单池平衡来说必须的且另一方面被充电装置允许的如此多的开关周期。

附图说明

以下根据附图详细地描述本发明。其中：

图1示意性地示出了两个蓄电池单池的长期进行的单池平衡，以达到或者保持相等的充电状态（SoC）；以及

图2示出了在允许的、即批准的90%和100%之间的SoC范围内的单池平衡的方块图。

具体实施方式

根据图1的图示以示意性地方式摘引了蓄电池单池处的电荷差异的持续的平衡，其中根据图1所示在两个相邻的蓄电池单池处执行长期的单池平衡。

图1示出了在两个蓄电池单池16和18之间长期进行的平衡步骤（用于保持相等的充电状态SoC的单池平衡步骤）。基于对应于50%的充电状态（SoC水平）的充电状态10，在图1中描述了在步骤1中，充电过程12在竖直方向上关于充电状态10向上伸展，而对照附图标记14的放电过程在相反的方向上关于充电状态10伸展。

用附图标记16标记第一蓄电池单池，另外的第二蓄电池单池12以附图标记18标记。在第一步骤中根据图1所示两个蓄电池单池16、18有相等的大约50%的充电状态10。在第二步中骤可见，两个蓄电池单池16、18的电荷根据充电过程12实现了超过50%的充电状态10。对于该增长，从第二步到第三步的过渡中第一蓄电池单池16稍微地放电，直到，参考第三步骤，第一蓄电池单池16和第二蓄电池单池18的两个当前的充电状态24再次彼此对应。根据图1所示在第四步骤中两个蓄电池单池16、18的放电过程14如此地进行，使得当前的充电状态24下降到低于50%的充电状态。为了将两个蓄电池单池16和18再次带到相等的充电状态，如第四步骤中表示的一样，需要第二蓄电池单池18的电阻式的部分放电，由附图标记26在根据图1的第四步中表示。在步骤5中两个蓄电池单池16、18再次平衡，即具有彼此对应的当前的充电状态24，其低于50%的充电状态10。

根据图1描绘的蓄电池单池的平衡，即平衡至少两个蓄电池单池16、18之间的不同的充电状态，一方面能够通过出现的平衡单元（BCU）的较多的开关过程来描述，其导致平衡单元的明显的充电状态降低，像对于电阻式平衡所需要的平衡电阻一样。如果如图1中表示的蓄电池长期地这样平衡，即所有蓄电池单池有相等的充电状态，那么此外还通过用于电阻式单池平衡的平衡电阻导出多余的电荷。

实施变型：图2示出了用于执行蓄电池单池的单池平衡的根据本发明提供的工作步骤，即通过BCU在最小化电荷损失以及最小化用于执行单池平衡所必须的开关周期之间平衡不同的充电状态。

根据本发明提出的方法关于设置的蓄电池管理系统包括以下组件。设置了蓄电池控制单元（BCU），其能够确定所有串联连接的蓄电池单池16、18的实时的充电状态（SoC）。为多个蓄电池单池i或16、18中的每个设置平衡单元i，该平衡单元包括大量的平衡电阻R_bal，此外还具有开关逻辑，其中每个平衡电阻R_bal能够接通到蓄电池单池i上。

根据在图2中根据方块图30示出的根据本发明提出的方法，首先进行检查，是否满足确定的边界条件。因此首先在询问32中弄清，电动车辆或者混合动力车辆是否处于停车模式。然后进行如下的询问34，多个蓄电池单池i是否充满电，即可能的之前发生的充电过程已经结束并且在与-连接36的范围内该询问与此相结合，即是否每个蓄电池单池i的充电状态均大于90%。此外，进行如下的询问38，包括平衡单元i的蓄电池控制单元的温度是否可靠地处于可调节的温度边界，例如40℃或者50℃以下。

之后进行每个蓄电池单池i之间的充电状态差的确定40。检查所有电池单元i的最大的充电状态差是否高于可调节的界限DELTA_SoC。该最大的可调节的界限DELTA_SoC能够处于例如3%的数量大小。在确定是否存在平衡需求时，所有单元的最小的充电状态确定为SoC_MIN。如果拒绝平衡需求，那么该拒绝50导致该方法的不活跃的终止状态46。

对于至少一个蓄电池单池i，其自身的充电状态SoC_i超过DELTA_SoC地大于SoC_MIN，那么存在平衡需求。如果根据上文所述的检查认为存在单池平衡需求，其在方块图中以附图标记48标记，以及满足另外的上文讨论的边界条件，那么进行单池平衡步骤44，其中遵循以下边界条件：

单池平衡自主地进行，即蓄电池控制单元（BCU）向有关平衡单元i发送请求，在一段确定的时间里平衡电阻R_bal 被接通到对应的蓄电池单池16、18或i上。因此电阻式单池平衡在预先确定的时间段t_i内进行。启动了的平衡单元i被允许在加热超过规定的温度阈值时断开，但是不允许相应的平衡单元i再次自主地启动。

进行自身的平衡需求的确定。这由此实现，即确定每个蓄电池单池i待导出的电荷的需求，也就是待导出的电荷量Q_i。根据以下关系确定待导出的电荷量Q_i：

其中，

蓄电池单池i的标称容量。

对应于蓄电池单池i的自身的充电状态SoC_i的情况下的电压U_OCV以及平衡电阻的值R_bal根据以下关系确定时间段t_i，在该时间段t_i期间应当进行平衡步骤：

$t_i=\frac{Q\_i\·R\_\mathrm{bal}}{U\_\mathrm{OCV}\·(\mathrm{SoC}\_i)},$ 其中，

平衡单元i中的每个在根据上文确定的时间段t_i内被接通，然而最大只是可调节的最大的时间。可调节的最大的时间用于避免单个平衡单元i的过热。用于实施本发明提出的方法的相关的参数能够适应于蓄电池模块或蓄电池组的对应的蓄电池系统或者蓄电池策略。值DELTA_SoC定义允许的充电状态差，低于该值则不允许进行平衡。但是如果以该值进行平衡，那么蓄电池单池i的最大的和最小的充电状态差正好为DELTA_SoC。在任何情况下该值都应该这样地选择，即其比不安全区间大，在该不安全区间中确定蓄电池单池的SoC_i。

在打开单池平衡之前平衡单元i的最大温度这样地选择，使得额外预期的、在单池平衡方法期间产生的温度升高不超过对应的平衡单元i的最大的工作温度。在结束单池平衡步骤44之后为了结束该方法进入不活跃的终止状态46。

在本发明提出的方法的设计方案中，能够代替上文提到的在边界条件的范围内描述的在90%和100%之间的SoC充电状态而采用任何其他的充电状态范围。在选择该范围时重要的是，其一方面不能选得过大。另一方面要选得足够大，使得车辆具有足够高的可能性以在该充电状态范围内停车。

对于车辆很长时间未处于预设的SoC范围内的情况，为了避免蓄电池单池的自身的充电状态SoC_i偏离，该方法能够扩展紧急平衡：从而还能够额外地从充电状态差DELTA2_SoC>>DELTA_SoC起实施对单个的蓄电池单池i的单池平衡。在紧急平衡时要么能够通过更大的允许的充电状态范围放宽边界条件，要么能够放宽限制，根据该限制汽车处于停车模式并且因此不能处于充电模式或者放电模式。

Claims (10)

1.一种用于通过平衡充电状态(SoC)来降低蓄电池单池(16、18)的总电荷损失的方法，其具有下述的方法步骤：

a)检查以下边界条件：

-至少一个平衡单元i的温度是否低于可预先选择的温度边界；

-所述蓄电池单池(16、18)的充电过程是否结束并且所述蓄电池单池(16、18)的所述充电状态是否>90％；

b)确定所述蓄电池单池(16、18)的最大的充电状态差是否高于参数DELTA_SoC，其中，所述参数DELTA_SoC定义了可调节的界限；

c)倘若所述方法步骤a)和b)是肯定的，则通过将所述蓄电池单池(16、18)与平衡电阻R_bal在时间段t_i内连接以进行自主的单池平衡步骤，其中，

其中：

所述蓄电池单池i的待导出的电荷

在开路时的蓄电池单池电压

所述蓄电池单池i的充电状态

所述平衡电阻的电阻值

以及，

d)在时间段t_i结束后断开所述平衡单元i。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据方法步骤c)所导出的所述蓄电池单池i的电荷Q_i根据以下关系式来确定：

其中：

所述蓄电池单池i的标称容量。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当对于至少一个蓄电池单池i的自身的充电状态SoC_i满足超过所述参数DELTA_SoC地大于SoC_MIN时，根据关于平衡需求的方法步骤b)其是肯定的。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述平衡单元i在加热超过温度阈值T_Grenz时自主地断开并且保持断开。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述平衡单元i以所述时间t_i保持连接，但是最大为可调节的最大的时间t_max。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于,参数SoC_MIN，即单个的蓄电池单池i的最小的充电状态处于期望的电荷余量之上。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述参数DELTA_SoC被限定为允许的SoC-差，低于所述SoC-差则不实施平衡步骤。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在平衡过程中被平衡到所述参数DELTA_SoC并且所述蓄电池单池(16、18)的最大的和最小的充电状态SoC的差别对应于所述参数DELTA_SoC的值。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述平衡单元i的最大的循环次数和可能的均衡需求的满足通过平衡步骤的持续时间t_i来彼此适配。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据前述的方法单独地平衡单个的蓄电池单池i或者多个蓄电池单池i的子集。