CN104184182A

CN104184182A - 电池管理系统及其驱动方法

Info

Publication number: CN104184182A
Application number: CN201410219179.XA
Authority: CN
Inventors: 李守真; 赵永信; 沈煐祐
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2014-12-03
Also published as: EP2808690A1; JP2014228534A; US20140347012A1; KR20140139322A

Abstract

公开了一种电池管理系统(BMS)以及驱动该BMS的方法。在一方面，BMS包括第一荷电状态(SOC)估计器，第一SOC估计器被构造为使用i)电池的充电和放电电流、ii)电池电压以及iii)电池温度中的至少一个来估计电池的SOC。BMS还包括剩余容量估计器，在估计的SOC基本上等于或小于参考SOC时，剩余容量估计器被构造为使用i)由参考SOC计算的参考剩余容量、ii)测量的电池电压、iii)第一参考电压和iv)第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量。BMS还包括第二SOC估计器，第二SOC估计器被构造为至少部分地基于当前剩余容量估计当前SOC。

Description

电池管理系统及其驱动方法

本申请要求于2013年5月27日在韩国知识产权局提交的第10-2013-0059841号韩国专利申请的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用全部包含于此。

技术领域

公开的技术总体上涉及一种电池管理系统及一种驱动该电池管理系统的方法，更具体地讲，涉及一种被构造为精确地估计电池的剩余容量的电池管理系统及一种驱动该电池管理系统的方法。

背景技术

具有高的能量密度并使用非水电解质溶液的二次或可再充电电池近来已有许多发展。多个高输出二次电池可以串联连接以形成大容量二次电池(在下文中称作电池)。大容量二次电池可以用于高功率设备，例如，电动车辆的电机。

通常，控制二次电池的充电和放电操作，使得可以将每个电池维持在合适的操作状态。为此，电池管理系统(BMS)可以被构造为测量二次电池的电压以及电池的电压和电流。BMS还被构造为管理二次电池的充电和放电操作。

典型的电池管理系统通过二次电池的开路电压(OCV)以及电流积分(加和)估计荷电状态(在下文中称作SOC)。然而，为了测量OCV，用户通常需要等一段时间直到测量完成。另外，重复的充电和放电循环可能导致电流之和的误差。这可能降低SOC测量的准确性。

已经有了如下一种方法：预先确定诸如OCV、放电电压、放电电流、内阻和温度的因素与SOC之间的关系，并检测至少两种因素，以估计与检测到的因素对应的SOC。

在上述方法中，由于在放电结束时电流加和的误差或者放电过程中电流或温度的变化，所以可能不能正确地估计SOC。为了解决该问题，当电池单元电压达到预先设定的值时，通常对SOC进行补偿，使得SOC在补偿时间点快速地增大或减小。

发明内容

一个发明方面是一种能够正确地估计电池放电结束时的荷电状态(SOC)的电池管理系统(BMS)以及一种驱动该BMS的方法。

另一方面是一种BMS，该BMS包括感测单元和主控制器单元(MCU)，感测单元被构造为测量和输出电池的充电和放电电流、电池电压以及电池温度，MCU被构造为估计电池的荷电状态(SOC)。MCU可以包括：第一SOC估计单元，被构造为使用从感测单元输入的充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个来估计电池的SOC；剩余容量估计单元，被构造为在估计的SOC基本上等于或小于参考SOC时，使用利用参考SOC计算的参考剩余容量、测量的当前电池电压、第一参考电压和第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量；第二SOC估计单元，被构造为使用当前剩余容量来估计当前SOC。

参考SOC可以在大约5％和大约8％之间。

第一参考电压可以表示电池的放电停止电压，第二参考电压可以表示在估计的SOC和参考SOC相等时的时间点测量的电池电压。

剩余容量估计单元可以估计当前第一剩余容量，当前第一剩余容量与通过将当前电池电压与第一参考电压之间的差值除以第一比例常数而得到的值成比例。第一比例常数可以与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值除以参考剩余容量而得到的值成比例。

剩余容量估计单元可以估计当前第二剩余容量，当前第二剩余容量与通过将当前电池电压与第一参考电压之间的差值除以第二比例常数而得到的值的指数函数成比例。第二比例常数可以与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值除以参考剩余容量的自然对数而得到的值成比例。

剩余容量估计单元可以估计当前第三剩余容量，当前第三剩余容量与通过将当前电池电压与第一参考电压之间的差值的平方根除以第三比例常数而得到的值的指数函数成比例。第三比例常数可以与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值的平方根除以参考剩余容量的自然对数而得到的值成比例。

第二SOC估计单元可以在电池温度小于0℃时使用第一剩余容量来估计当前SOC。

第二SOC估计单元可以在电池温度不小于0℃时使用第三剩余容量来估计当前SOC。

当电池电压基本上等于或小于参考电压时，剩余容量估计单元可以将在测量的电池电压与参考电压相等时的估计的SOC设定为参考SOC，并且可以估计当前剩余容量。

参考电压可以使用预先设定的电压、当前充电和放电电流以及电池的内阻来确定。

另一方面是一种驱动BMS的方法，该方法包括：使用电池的充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个估计电池的SOC；在估计的SOC基本上等于或小于参考SOC时，使用利用参考SOC计算的参考剩余容量、测量的当前电池电压、第一参考电压和第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量；使用当前剩余容量估计当前SOC。

另一方面是一种BMS，该BMS包括：第一SOC估计器，被构造为使用电池的充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个估计电池的SOC；剩余容量估计器，在估计的SOC基本上等于或小于参考SOC时，剩余容量估计器被构造为使用由参考SOC计算的参考剩余容量、测量的电池电压、第一参考电压和第二参考电压中的至少一个估计当前剩余容量；以及第二SOC估计器，被构造为至少部分地基于当前剩余容量估计当前SOC。

根据所公开实施例中的至少一个，能够正确地估计SOC而不发生电池放电结束时的SOC的快速减小。

附图说明

现在将在下文中参照附图更充分地描述若干个示例性实施例。然而，它们可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，这些实施例将把示例实施例的范围充分地传达给本领域技术人员。

在附图中，为了清楚起见，可以夸大尺寸。将理解的是，当元件被称作“在”两个元件“之间”时，它可以是所述两个元件之间的唯一元件，或者也可以存在一个或更多个中间元件。同样的附图标记始终指示同样的元件。

图1是示出根据所描述技术的一个实施例的电池的视图。

图2是示出在通过电流积分估计荷电状态(SOC)过程中通过补偿使SOC快速地减小的情况的示例的视图。

图3是示意性地示出根据所描述技术的实施例的电池管理系统(BMS)的框图。

图4是示出在电池周围的温度基本上等于或大于大约0℃时根据一些实施例的估计SOC的结果和实际电池电压的曲线图。

图5是示出根据所描述技术的一个实施例的在电池周围的温度小于大约0℃时估计剩余容量的结果和实际电池电压的示例性曲线图。

图6是示出根据所描述技术的一个实施例的驱动BMS的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述根据所描述技术的特定示例性实施例。这里，当第一元件被描述为结合到第二元件时，第一元件不仅可以直接结合到第二元件，而且也可以经由第三元件间接地结合到第二元件。同样的附图标记始终指示同样的元件。

在下文中，将参照附图描述所描述技术的示例性实施例。

图1是示出根据所描述技术的一个示例性实施例的电池的视图。

参照图1，作为大容量电池模块的电池10可以包括：多个二次电池11，以基本上一致的间距连续地布置；壳体13，二次电池布置在壳体13中并且冷却介质在壳体13中流通；电池管理系统(BMS)20，被构造为管理电池的充电和放电。

电池隔件12可以布置在相邻的二次电池11之间以及最外面的二次电池11上。电池隔件12可以维持二次电池11之间基本一致的距离，可以使空气流通以控制温度，并且可支撑二次电池11的侧表面。

在图1中，二次电池11具有基本上方形的形状。然而，二次电池11可是圆柱形或其他多边形(例如，矩形)形状。

BMS20检测电池10中的二次电池11的电流和电压值，并管理检测到的电流和电压值。

BMS20从设置在电池10中的电流传感器和电压传感器接收数据。BMS20存储通过将电池10的开路电压(在下文中称作OCV)与荷电状态(SOC)之间的关系绘制成表格而预先获得的数据，并由传感器获得的测量值来估计SOC。BMS20计算电池10的初始SOC，对从充电和放电开始时间点测量的充电电流值和放电电流值相对于时间进行积分以计算电流积分值，并将电流积分值加到初值SOC以估计实际SOC。

然而，电池10的电流可以通过电流传感器来测量，并且误差可能根据电流传感器的性能而在测量值中产生。因此，当长时间驱动电池10时，具体地讲，当电池10未被完全地充电和/或放电时，大量的误差可能在电流积分值中积累。积累的误差可使SOC的估计的正确性变差。

为了防止误差的产生，通常对SOC进行补偿，使得SOC在电池电压在放电过程中达到预先设定值时的补偿时间点快速地增大或减小。

图2是示出在通过电流积分估计SOC过程中通过补偿使SOC快速地减小的情况的示例的示例性视图。

参照图2，当电池电压达到参考电压时，对SOC进行补偿，使得SOC通过这样的补偿快速地减小。由于SOC的快速减小，可被传输到用户的电池容量快速地减小。

在一些实施例中，当电池电压达到参考电压时，或者当估计的SOC达到参考SOC时，BMS20通过SOC估计模型估计电池的SOC而不是补偿SOC值。

图3是示意性地示出电池管理系统(BMS)的示意性框图。

如图3中所示，BMS20可以包括感测单元(或传感器)200和主控制器单元(MCU)300。

感测单元200使用电流传感器、电压传感器和温度传感器来测量电池的充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个，以将测量的电池的充电和放电电流、电池电压和电池温度传输至MCU300。

MCU300可以包括第一SOC估计单元(或第一SOC估计器)301、剩余容量估计单元303和第二SOC估计单元(或第二SOC估计器)305。

在一些实施例中，第一SOC估计单元301使用从感测单元输入的电池的充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个来估计电池的SOC。

第一SOC估计单元301可以使用作为在电池稳定时的时间点测量的电池电压的OCV来估计SOC，或者可以使用初始SOC和电流积分值来估计SOC，并且可以使用估计SOC的各种传统方法来估计SOC。

当由第一SOC估计单元301估计的SOC基本上等于或小于参考SOC时，剩余容量估计单元303可以使用参考剩余容量(利用参考SOC来计算参考剩余容量)、当前测量的电池电压、第一参考电压和第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量，其中，所估计的SOC未快速减小。

在一些实施例中，与剩余容量估计单元303估计剩余容量时的操作时间点相关的参考SOC可以表示在放电结束时的SOC。

参考SOC可以具有在大约5％和大约8％之间的值。当参考SOC在以上范围内时，由第一SOC估计单元301估计的SOC的误差减小。然而，对本领域技术人员来讲明显的是，可以根据电池的容量、使用电池的装置的种类和使用环境来设定各种参考SOC。

这里，电池的剩余容量与SOC之间的关系可以由式1来表示。

式1

SOC [%] = \frac{RM}{Q_{\max}} \times 100

其中，RM表示电池的剩余容量，Q_max表示电池的全部容量。

因此，剩余容量估计单元303可以使用式1和参考SOC计算参考剩余容量。

第一参考电压表示电池的放电停止电压。为了驱动使用电池的装置，存在最小期望电压。在一些实施例中，当电池的输出电压减小到基本上等于或小于最小期望电压时，装置可能不会被驱动。即，电池的放电停止电压表示用于驱动装置的最小电压。当电池的电压达到放电停止电压时，虽然电池仍可以具有额外的容量，但剩余容量被认为是大约0。

第二参考电压表示在由第一SOC估计单元301估计的SOC与参考SOC基本上相等时的时间点测量的电池电压。

根据示例性实施例，剩余容量估计单元303可以估计当前第一剩余容量，当前第一剩余容量与通过将感测单元200测量的当前电池电压与第一参考电压之间的差值除以第一比例常数而得到的值基本上成比例。此时，第一比例常数可以与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值除以参考剩余容量而得到的值基本上成比例，以上关系可以由式2表示。

式2

{RM}_{1} = \frac{V_{cell} - V_{term}}{a_{1}}

a_{1} = \frac{V_{0} - V_{term}}{{RM}_{0}}

其中，RM₁表示第一剩余容量，V_cell表示当前电池电压，V_term表示第一参考电压，V₀表示第二参考电压，RM₀表示参考剩余容量，a₁表示第一比例常数。

根据式2，当当前电池电压减小时，第一剩余容量线性地减小。

剩余容量估计单元303可以估计当前第二剩余容量，当前第二剩余容量与通过将感测单元200测量的当前电池电压与第一参考电压之间的差值除以第二比例常数而得到的值的指数函数基本上成比例。此时，第二比例常数可以与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值除以参考剩余容量的自然对数而得到的值基本上成比例，以上关系可以由式3表示。

式3

{RM}_{2} = e^{\frac{V_{cell} - V_{term}}{a_{2}}}

a_{1} = \frac{V_{0} - V_{term}}{In ({RM}_{0})}

其中，RM₂表示第二剩余容量，a₂表示第二比例常数。

根据式3，当当前电池电压减小时，第二剩余容量以指数函数的形式减小。

剩余容量估计单元303可以估计当前第三剩余容量，当前第三剩余容量与通过将感测单元200测量的当前电池电压与第一参考电压之间的差值的平方根除以第三比例常数而得到的值的指数函数成比例。此时，第三比例常数可以与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值的平方根除以参考剩余容量的自然对数而得到的值基本上成比例，以上关系可以由式4表示。

式4

{RM}_{3} = e^{\frac{\sqrt{V_{cell} - V_{term}}}{a_{3}}}

a_{3} = \frac{\sqrt{V_{0} - V_{term}}}{In ({RM}_{0})}

其中，RM₃表示第三剩余容量，a₃表示第三比例常数。

根据式4，当当前电池电压减小时，第三剩余容量以指数函数的形式减小。由于平方根的形式，第三剩余容量比第二剩余容量减小得慢。

第二SOC估计单元305使用由剩余容量估计单元303测量的第一至第三剩余容量中的一个以及式1估计当前SOC。

图4是示出在电池周围的温度不小于0℃或在0℃以上时估计SOC的结果和实际电池电压的示例性曲线图。

参照图4，当SOC大于8％时，通过第一SOC估计单元301估计SOC，当SOC基本上等于或小于大约8％时，通过第二SOC估计单元305估计SOC。根据SOC1的曲线示出了使用第一剩余容量估计的SOC，根据SOC2的曲线示出了使用第二剩余容量估计的SOC，根据SOC3的曲线示出了使用第三剩余容量估计的SOC。

如图4中所示，注意到，当电池周围的温度不小于大约0℃时，实际SOC的改变可以与使用第三剩余容量估计的SOC3曲线的改变相似。

因此，在电池温度不小于0℃时，第二SOC估计单元305可以使用式4的第三剩余容量和式1来估计当前SOC。

图5是示出在电池周围的温度小于大约0℃时估计剩余容量的结果和实际电池电压的示例性曲线图。

在一些实施例中，如图5中所示，当SOC大于大约8％时，可以通过第一SOC估计单元301估计SOC，当SOC基本上等于或小于大约8％时，通过第二SOC估计单元305估计SOC。图5示出了关于SOC1的使用第一剩余容量估计SOC的曲线。图5还示出了关于SOC2的使用第二剩余容量估计SOC的曲线。图5也示出了关于SOC3的使用第三剩余容量估计SOC的曲线。

如图5中所示，注意到，当电池周围的温度小于大约0℃时，实际SOC的改变可以与使用第一剩余容量估计的SOC1曲线的改变相似。

因此，当电池温度小于大约0℃时，第二SOC估计单元305可以使用式2的第一剩余容量和式1估计当前SOC。

此外，参照图4和图5，当可以估计SOC时，SOC在放电结束时通常没有快速地减小。

在一些实施例中，当由第一SOC估计单元301估计的SOC基本上与参考SOC相等时，剩余容量估计单元303估计剩余容量。然而，当测量的电池电压基本等于或小于参考电压时，剩余容量估计单元303可以将电池的状态识别为在放电的结束，以估计剩余容量。在这种情况下，参考SOC可以是在电池电压与参考电压相等时测量的SOC。

此时，可以使用预先设定的电压、通过感测单元200测量的当前充电和放电电流以及电池的内阻来确定参考电压。例如，参考电压可以由式5表示。

式5

V_{0} = 3.52 - \frac{IR}{2}

其中，V₀表示参考电压，3.52表示预先设定的电压，I表示电池的充电和放电电流，R表示电池的内阻。

在式5中，为了方便起见，预先设定的电压被表示为3.52V。然而，预先设定的电压不限于以上电压，而是可以随电池容量、电池的环境和连接到电池的装置而改变。

图6是示出根据所描述技术的实施例的驱动BMS的方法的示例性流程图。

在步骤S601，第一SOC估计单元301使用通过感测单元200得到的充电和放电电流、电压以及温度中的至少一个来估计SOC。

然后，在步骤S603，MCU300确定估计的SOC是否基本上等于或小于参考SOC。

当估计的SOC基本上等于或小于参考SOC时，在步骤S605，剩余容量估计单元303使用参考剩余容量(利用参考SOC来计算参考剩余容量)、当前电池电压、第一参考电压以及通过感测单元200测量的第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量。

此时，参考SOC可以在大约5％与大约8％之间。此外，第一参考电压可以表示电池的放电停止电压，第二参考电压可以表示在估计的SOC与参考SOC相等时的时间点测量的电池电压。

最后，在步骤S607，第二SOC估计单元305使用估计的当前剩余容量来估计当前SOC。

这里已经公开了示例实施例，虽然使用特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义被使用和解释，而不是出于限制性的目的。在一些情况下，如对到提交本申请时为止的本领域普通技术人员来讲将明显的是，除非另外明确地表示，否则结合具体实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独地使用或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合地使用。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求阐述的所描述技术的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。

Claims

1.一种电池管理系统，所述电池管理系统包括传感器和主控制器单元，传感器被构造为测量和输出i)电池的充电和放电电流、ii)电池电压以及iii)电池温度中的至少一个，主控制器单元被构造为估计电池的荷电状态，

其中，主控制器单元包括：

第一荷电状态估计器，被构造为使用充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个来估计电池的荷电状态；

剩余容量估计器，当估计的荷电状态基本上等于或小于参考荷电状态时，剩余容量估计器被构造为使用i)由参考荷电状态计算的参考剩余容量、ii)测量的电池电压、iii)第一参考电压和iv)第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量；以及

第二荷电状态估计器，被构造为至少部分地基于当前剩余容量来估计当前荷电状态。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其中，参考荷电状态在5％和8％之间。

3.根据权利要求1所述的电池管理系统，

其中，第一参考电压是电池的放电停止电压，

其中，第二参考电压是在估计的荷电状态和参考荷电状态基本上相等时的时间点测量的电池电压。

4.根据权利要求3所述的电池管理系统，

其中，剩余容量估计器还被构造为估计当前第一剩余容量，当前第一剩余容量与通过将测量的电池电压与第一参考电压之间的差值除以第一比例常数而得到的值基本上成比例，

其中，第一比例常数与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值除以参考剩余容量而得到的值基本上成比例。

5.根据权利要求3所述的电池管理系统，

其中，剩余容量估计器还被构造为估计当前第二剩余容量，当前第二剩余容量与通过将测量的电池电压与第一参考电压之间的差值除以第二比例常数而得到的值的指数函数基本上成比例，

其中，第二比例常数与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值除以参考剩余容量的自然对数而得到的值基本上成比例。

6.根据权利要求3所述的电池管理系统，

其中，剩余容量估计器还被构造为估计当前第三剩余容量，当前第三剩余容量与通过将测量的电池电压与第一参考电压之间的差值的平方根除以第三比例常数而得到的值的指数函数基本上成比例，

其中，第三比例常数与通过将第二参考电压与第一参考电压之间的差值的平方根除以参考剩余容量的自然对数而得到的值基本上成比例。

7.根据权利要求4所述的电池管理系统，其中，第二荷电状态估计器还被构造为当电池温度小于0℃时至少部分地基于第一剩余容量来估计当前荷电状态。

8.根据权利要求6所述的电池管理系统，其中，第二荷电状态估计器还被构造为在电池温度基本上等于或大于0℃时至少部分地基于第三剩余容量来估计当前荷电状态。

9.根据权利要求1所述的电池管理系统，其中，当测量的电池电压基本上等于或小于参考电压时，剩余容量估计器被构造为：i)将在测量的电池电压与参考电压基本上相等时的估计的荷电状态设定为参考荷电状态；以及ii)估计当前剩余容量。

10.根据权利要求9所述的电池管理系统，其中，参考电压被构造为至少部分地基于预先设定的电压、测量的充电和放电电流以及电池的内阻来确定。

11.一种驱动电池管理系统的方法，包括：

基于电池的充电和放电电流、电池电压以及电池温度中的至少一个估计电池的荷电状态；

在估计的荷电状态基本上等于或小于参考荷电状态时，基于使用参考荷电状态计算的参考剩余容量、测量的电池电压、第一参考电压和第二参考电压中的至少一个估计当前剩余容量；以及

至少部分地基于当前剩余容量估计当前荷电状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，参考荷电状态在5％和8％之间。

13.根据权利要求11所述的方法，

其中，第一参考电压是电池的放电停止电压，

其中，第二参考电压是在估计的荷电状态与参考荷电状态基本上相等时的时间点测量的电池电压。

14.一种电池管理系统，包括：

第一荷电状态估计器，被构造为使用i)电池的充电和放电电流、ii)电池电压以及iii)电池温度中的至少一个估计电池的荷电状态；

剩余容量估计器，在估计的荷电状态基本上等于或小于参考荷电状态时，剩余容量估计器被构造为使用i)由参考荷电状态计算的参考剩余容量、ii)测量的电池电压、iii)第一参考电压和iv)第二参考电压中的至少一个来估计当前剩余容量；以及

第二荷电状态估计器，被构造为至少部分地基于当前剩余容量估计当前荷电状态。

15.根据权利要求14所述的电池管理系统，所述电池管理系统还包括传感器，传感器被构造为测量i)电池的充电和放电电流、ii)电池电压以及iii)电池温度中的至少一个。

16.根据权利要求14所述的电池管理系统，其中，参考荷电状态在5％和8％之间。

17.根据权利要求14所述的电池管理系统，其中，第一参考电压是电池的放电停止电压，其中，第二参考电压是在估计的荷电状态与参考荷电状态基本上相等时的时间点测量的电池电压。

18.根据权利要求14所述的电池管理系统，其中，当测量的电池电压基本上等于或小于参考电压时，剩余容量估计器被构造为：i)将在测量的电池电压与参考电压基本上相等时的估计的荷电状态设定为参考荷电状态；以及ii)估计当前剩余容量。

19.根据权利要求18所述的电池管理系统，其中，参考电压被构造为至少部分地基于预先设定的电压、测量的充电和放电电流以及电池的内阻来确定。

20.根据权利要求14所述的电池管理系统，其中，第一荷电状态估计器、第二荷电状态估计器和剩余容量估计器被包括在控制器中。