CN104604075A - 用于操作车辆电池的方法和相应的电池布置和车辆 - Google Patents

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Abstract

为操作车辆的具有多个电池单元(Z1-Z4)的电池(1)而依赖于充电量(Q_Max_Charge_Cell_X)执行电池单元(Z1-Z4)的对称化(S)。在这种情况下每一个充电量相应于在电池(1)的当前状态下可充入各电池单元(Z1-Z4)之一的充电量。

Description

用于操作车辆电池的方法和相应的电池布置和车辆
技术领域
本发明涉及操作车辆电池的方法，其中平衡电池的电池单元的充电状态，以及涉及相应构造的电池布置和相应构造的车辆。
背景技术
WO 2011/072295 A2公开一种方法，用以估计具有多个电池单元的电池的状态。
US 2011/0241622A A1说明一种用于平衡多个电池单元的方法，其中为此从一电池单元向其他电池单元传输能量。这里通过电池单元的电压情况确定平衡的需要。
电池单元的充电状态的平衡，也称电池单元对称化，用于使电池系统的单独串联的电池单元的充电状态对称化或者平衡，目的在于能够用相同的充电量对每一个电池单元充电，使得在给电池充电后每一个电池单元都几乎完全充电。这种对称化有时需要，因为相同容量和甚至相同类型的电池单元由于不同的化学过程也具有一定的自放电率，自放电率随电池单元不同而稍微不同。自放电率一方面依赖于各电池单元的温度和充电状态，另一方面受各电池单元的生产分散和寿命影响。所谓电池单元的充电状态在这里应该理解为某个电池单元的当前的充电量对该电池单元的最大可能的充电量的百分比。
由于单个电池单元的不同的自放电率，电池系统在经过一定时间后具有处于不同充电状态的电池单元，即使所有的电池单元至少在开始时具有相同的容量也是如此。然而不同的充电状态不利地导致电池系统不再能够完全充电。当对其电池单元具有相同的容量和不同的充电状态的电池系统充电时，在充电开始时具有最大充电状态的电池单元最先达到它的充电上限。但是只要电池单元的一个达到它的充电上限，则串联的其他电池单元就不再能够继续充电。
在放电的情况下具有相同容量但是不同充电状态的电池单元的电池系统也具有下面的缺点。在放电开始时具有低的充电状态的电池单元首先达到它的放电下限。由于电池单元的串联那时电池的放电必须全体结束，即使其他的电池单元还能够继续放电也是如此。
为应对上述问题，具有多个串联的电池单元的电池根据现有技术随时间不同要对称化。根据按照现有技术的对称化所有的电池单元基本上都具有相同的电压情况或者相同的充电状态。因为电池单元的电压情况或者电压与电池单元的充电状态对应，所以所谓的基于电压的平衡方法实质上等同于基于充电状态的对称化方法。
可区分有源的对称化和无源的对称化，在有源的对称化情况下某个电池单元的过量的能量向具有低充电状态的电池单元传输，在无源的对称化情况下销毁过量的能量。
根据一种已知的用于无源对称化的方法例如检测具有最低电压的电池单元。接着使所有其他的电池单元一直放电，直到它们的电压也相应于该最低的电压。
然而已知的用于对称化的方法在要对称化的电池单元具有不同的容量时具有缺点。因此本发明提出的任务是：如此执行电池的单元的平衡或者对称化，使得接着在对电池充电时所有电池单元都能够同时被充电，即使这些电池单元具有不同的容量也是如此。
发明内容
根据本发明该任务通过根据权利要求1所述的用于操作电池的方法、通过根据权利要求6所述的电池布置和根据权利要求8所述的车辆解决。从属权利要求定义本发明的优选的和有利的实施方式。
在本发明的范围内提供一种操作车辆电池的方法。这里所述电池包括多个特别串联的电池单元。这些电池单元的平衡或者对称化依赖于充电量执行。在这种情况下这些充电量的每一个相应于各个在电池的当前的状态下能够充入各个相应的电池单元内的充电量。换句话说对于每一个电池单元确定尚能在该电池单元内充入的充电量。某个电池单元的可充电的充电量相应于该电池单元的最大的充电量(也就是说当该电池单元被完全充电时该电池单元具有的充电量)扣除当前位于该电池单元内的充电量。在这种情况下用于确定可充电的充电量的最大的充电量也可以相应于实际的最大的充电量的确定的百分数(例如95％)。
因为根据本发明不确定电池单元的电压或者充电状态，而确定可充入电池单元的充电量并且依赖于该可充电的充电量执行平衡，所以本发明每次(至少间接地)也考虑各电池单元的容量。因此在根据本发明执行的平衡或者对称化后能够完全充电电池的单元，即使这些电池单元具有不同的容量也是如此。
特别本发明的平衡如此执行，使得在对称化后每一个电池单元都具有相同的可充电的充电量。
因为在电池的充电过程中在每一个串联设置的电池单元中仅能够充入相同的充电量，所以该电池仅在那时能够完全充电，即当在充电过程前在每一个电池单元内能够充入相同的充电量时，使得每一个电池单元在它们之内充入相同的充电量之后，接着完全充电。
根据本发明的第一实施方式在电池的当前的状态下为每一个电池单元确定可充入该电池单元的充电量。也就是说为每一个电池单元确定能够把多少充电量充入各电池单元内，直到该电池单元被完全充电。接着确定该可充电的充电量的最大值。使其可充电的充电量小于该最大值的每一个电池单元一直放电，直到在充电后那时可充入各电池单元内的充电量都相应于确定的最大值。
通过电池单元的该平衡或者对称化有利地实现，每一个电池单元在对称化后都具有相同的可充电的充电量。由此每一个电池单元在对称化后需要相同的充电量以便被完全充电。
按照根据本发明的第二实施方式为每一个电池单元确定目标充电状态，其比该电池单元的完全充电状态小预先规定的百分数。例如目标充电状态相应于电池单元的完全充电状态的95％。再次在电池的当前状态下为每一个电池单元确定可充电的充电量。另外在电池的当前状态下为每一个电池单元确定所谓的可供给的充电量，它如此定义：各电池单元在向它们供给该可供给的充电量时达到上述目标充电状态。接着确定可供给的充电量的最大值。使其可充电的充电量小于这个确定的最大值的每一个电池单元一直放电，直到它们的可充电的充电量至少都相应于可供给的充电量的该最大值。在这种情况下也可以考虑安全缓冲区，使得确定的最大值提高该安全缓冲区的数值。
第一根据本发明的实施方式追求那样的目标，即在对称化后每一个电池单元都具有相同的可充电的充电量，而第二实施方式追求这样的目标，在对称化后每一个电池单元都具有相同的可供给的充电量。电池单元的可充电的充电量是该电池单元为完全充电所缺少的充电量，而电池单元的可供给的充电量为该电池单元达到目标充电状态(例如完全充电状态的95％)所缺少的充电量。因此电池单元的可供给的充电量小于它的可充电的充电量。通过第二实施方式负责使电池单元在对称化后通过电池的充电过程至少能够充电到目标充电状态，其比完全充电状态小该安全缓冲值，与第一实施方式相比第二实施方式实质上使用安全缓冲区(例如5％)工作。
根据本发明当满足下面的条件之一时不使电池单元在平衡或者对称化的范围内放电：
●电池单元的当前的充电量小于预先给定的最小充电量，
●电池单元的当前的充电状态小于预先给定的充电状态。
由此有利地避免强烈地放电各电池单元。在这种情况下预先规定的最小的充电量特别可以依赖于各电池单元的容量。
有利的是本发明能够与根据现有技术知晓的电池单元的基于电压的或者基于充电状态的平衡或者对称化组合。在新的电池的情况下，其中全部电池单元都具有几乎相同的容量，能够如此简单地构成算法，使得可以使用缩短计算时间的方法。不过如果电池单元的容量的分散超过预先规定的边界值或者阈值，则执行基于充电量的或者本发明的方法。
在本发明的范围内还提供用于车辆的电池布置。在这种情况下所述电池布置包括具有多个电池单元的电池、控制部件和检测部件。检测部件作为值检测充电量并且把该值传送给控制部件。控制部件依赖于检测的充电量值执行电池单元的对称化或者平衡。在这种情况下每一个充电量相应于在电池的当前状态下能够充入相应的电池单元内的充电量。
本发明的电池布置的优点基本上相应于本发明的方法的优点，这些优点已经在上面详细叙述，以致这里省略重复。
最后在本发明的范围内提供一种车辆，它包括本发明的电池布置。
本发明基于实际在电池单元中存储的充电量并且也在电池单元容量强烈不同的情况下表示出非常好的结果。正如还要根据实施方式参考附图在下面表示的那样，本发明的对称化不常执行，由此减少能量消耗。通过使用基于充电量的对称化防止单个电池单元由于不需要的放电使电池电压降低。由此电池的能量内容被最大化并且由此放大了使用该电池供给它的驱动装置能量的车辆的作用范围。
本发明特别适合电动车辆和混合车辆。不言而喻本发明不限于这些优选的应用领域，因为本发明也可以在轮船、飞机以及轨道车辆中应用。此外可以想到不与运动工具联系的使用自身，例如用于静止的电池(例如为在能量网中使用)的对称化。
附图说明
下面根据本发明的优选的实施例参考附图详细说明本发明。
图1中示意示出基于充电状态的平衡。
图2中示意示出基于充电量的平衡。
图3中示出示意用于基于充电状态的对称化的包括对称化、放电和充电的周期。
图4中示出示意用于基于充电量的对称化的包括对称化、放电和充电的周期。
图5中示出根据本发明的具有根据本发明的电池布置的车辆。
具体实施方式
下面说明本发明的一种实施方式。该实施方式也在例如用于老化或者用于更换单个的电池单元或者模块能够发生的电池单元的容量不相等时负责在平衡(对称化)后保证，可充入电池单元X的充电量Q_Max_Charge_Cell_X(也就是说电池单元X能够接受的充电量)大于任何一个电池单元的最大可供给的充电量Q_Target_Charge_Cell_X。这里电池单元X的可供给的充电量Q_Target_Charge_Cell_X定义电池单元X的那个充电量，其能够从电池单元X的当前的充电量Q_Charge_Cell_X出发供给电池单元X，使得电池单元X，在其用该可供给的充电量充电后，达到充电状态Upper_Limit_SOC_Operating_Range(例如95％)。这里的前提是，电池单元X包含的充电量Q_Charge_Cell_X和电池单元X的充电状态足够，由此能够从电池单元X取出相应的充电量，以便实现上面的目的。
上述比较电池单元的举动下面以伪代码的形式表示。
如果
Q_Max_Charge_Cell_X≤Q_Safty_Margin+Max(Q_Target_Charge_Cell_1，...，Q_Target_Charge_Cell_N)
并且
(Q_Charge_Cell_X＞Q_Min_Charge ODER Cell_SOC_X＞Min_SOC_Sym)
则
使电池单元X一直放电，直到下式成立：
Q_Max_Charge_Cell_X＞Q_Safty_Margin+Max(Q_Target_Charge_Cell_1...Q_Target_Charge_Cell_N)
也就是说当某个电池单元X的可充电的充电量Q_Max_Charge_Cell_X小于或者等于所有电池单元的最大可供给的充电量的和加上安全阈值Q_Safty_Margin和当附加地电池单元X的充电量Q_Charge_Cell_X大于预先给定的第一最小值Q_Min_Charge或者该电池单元的充电状态Cell_AOC_X大于第二最小值Min_SOC_Sym时，相应的电池单元X被放电。一直使电池单元X放电，直到可充电的充电量Q_Max_Charge_Cell_X大于所有电池单元的最大可供给的充电量的和加上安全阈值Q_Safty_Margin。
规定的电池单元的可充电的充电量Q_Max_Charge_Cell_X可以通过下面的等式(1)确定。
Q_Max_Charge_Cell_X＝Capacity_Cell_X＊(Upper_Limit_SOC_Operating_Range-SOC_Cell_X)/100％         (1).
式中Capacity_Cell_X相应于电池单元X的容量。
此外存在为每一个电池单元的个别的充电量安全阈值Q_Safty_Margin_X，它保证，任何电池单元都不会以比从100％中减去充电状态安全阈值SOC_Deviation_Safty_Margin的差大的充电状态充电。该安全阈值Q_Safty_Margin_X可以通过下面的等式(2)确定。
Q_Safty_Margin_X＝(SOC_Deviation_Safty_Margin/100％)＊Capacity_Cell_X  (2).
根据以伪代码的形式表示的实施方式所述电池单元不充电到100％，而例如充电到95％，以避免加强的老化和保证调节量(例如充电状态)和某个切断阈值之间的间隔。只要检测到的调节量超过该切断阈值，就结束电池的充电。
图1中示范地表示处于对称化A之前的状态和处于对称化B之后的状态的四个在电池内串联设置的电池单元Z1-Z4。这里所有四个电池单元都具有相同的50Ah的容量。电池单元Z1具有85％的充电状态，这相应于42.5Ah的充电量，电池单元Z2具有75％的充电状态，电池单元Z3具有90％的充电状态和电池单元Z4具有70％的充电状态，这相应于37.5Ah或者45Ah或者35Ah的充电量。
在基于充电状态的对称化后所有四个电池单元Z1-Z4都处于对称化B后的相同的70％的充电状态的状态中，其相应于对称化A之前的最小的充电状态。在无源对称化的情况下状态B的该对称化由此使得从电池单元Z1-Z3取出相应的充电量。因为电池单元Z1-Z4具有相同的容量，所以在对称化B后所有的电池单元也都具有相同的15Ah(50Ah-35Ah)的可充电的充电量。
图2中表示本发明的用于对称化或者平衡的方法，其中该对称化依赖于电池单元的可充电的充电量进行。与图1的四个电池单元Z1-Z4不同，四个电池单元Z1-Z4具有从50Ah到80Ah的不同的容量。根据本发明的方法从每一个电池单元确定可充电充电量Q_Max_Charge_Cell_X，其从各电池单元的容量减去当前在各电池单元中存储的充电量Q_Charge_Cell_X的差中产生。
在根据本发明的对称化的情况下确定该可充电的充电量的最大值，其在图2的例子中为21Ah。在根据本发明的对称化S的范围内，使那些它们的可充电的充电量在状态A小于(电池单元Z4的)该21Ah的最大可充电的充电量的电池单元Z1-Z3一直放电，直到它们的可充电的充电量也相应于21Ah。在根据本发明的对称的状态B四个电池单元Z1-Z4虽然都具有同样的21Ah的可充电的充电量，但是具有不同的充电状态，因为这些电池单元具有不同的容量。不管该不同的容量，现在该电池仍然能够完全充电，因为每一个电池单元在充电21Ah后都被充电到100％。相反如果图2中的电池单元借助一种基于充电状态的方法平衡，则它们将达到一种状态，在该状态下它们全部将具有相同的70％的充电状态。但是在该状态下它们不能完全充电，因为这些电池单元具有不同的可充电的充电量。
图3中示出周期，它包括对称化、充电和放电。对其示范地表示该周期的两个电池单元Z1和Z2具有不同的容量。电池单元Z1具有50Ah的容量，而电池单元Z2具有80Ah的较大的容量。在图3中左边表示的状态下电池单元Z1具有42.5Ah的充电量，使得它的可充电的充电量为8.5Ah和它的充电状态为85％。具有较大容量的电池单元Z2当前具有60Ah的充电量，使得它的可充电的充电量为20Ah和它的充电状态为75％。
在基于充电状态的对称化S的情况下，使具有较大充电状态的电池单元Z1一直放电，直到电池单元Z1的充电状态相应于电池单元Z2的75％的较小的充电状态。可以看到，在对称化以后虽然充电状态各为75％，但是可充电的充电量由于不同的容量而不相等。
在放电过程E后，在该过程中每一电池单元Z1或者Z2分别取出27.5Ah的充电量，电池单元Z1尚有20％的充电量，而电池单元Z2尚具有约超过40％的充电状态。由于该关于充电状态的明显的差在基于充电状态的方法的情况下进行另外的对称化S，其导致电池单元Z2取出16.5Ah的充电量，使得电池单元Z2在对称化以后同样具有20％的充电状态。
因为在后继的充电过程(以和放电过程E相似的方式)的情况下由于两个电池单元Z1、Z2的串联设置向电池单元Z1、Z2也始终仅能够充电相同的充电量，所以这两个电池单元在该充电过程后再次具有不同的充电状态，这又导致重新进行对称化。特别可从图3看出，电池单元Z2从而整个电池不能完全充电。
图4中左边表示图3中的相同的输出状态。因为根据本发明的方法不平衡充电状态，而平衡可充电的充电量Q_Max_Charge_Cell_X，所以电池单元Z1取出11.5Ah的充电量，由此两个电池单元都具有相同的20Ah的可充电的充电量。因此在两个电池单元都取出相同的20Ah的可充电的充电量的放电过程E后，两个电池单元一如既往地都具有相同的可充电的充电量40Ah。因此在充电过程L之前不需要另外的对称化，因为两个电池单元的状态在放电过程E后等于两个电池单元在放电过程L前的状态。
因为两个电池单元Z1、Z2在充电过程L前具有相同的可充电的充电量，所以两个电池单元在充电过程L中都充电到100％，使得电池单元Z1在充电过程L后具有50Ah的充电量和电池单元Z2具有80Ah的充电量。应该指出，这在根据现有技术知晓的基于充电状态的对称化中不可能。例如在每一个电池单元Z1、Z2中在第一对称化后(图3中左边)仅能够向每一个电池单元内充电12.5Ah，使得电池单元Z2仅具有72.5Ah(60+12.5)的充电量。
最后在图5中表示本发明的车辆10，它包括根据本发明的电池布置20。根据本发明的电池布置20在它那一方面包括具有四个电池单元Z1-Z4的电池1、控制部件2和检测部件3。检测部件从各电池单元Z1-Z4每次检测可充电的充电量并且将该可充电的充电量的值向控制部件2传输。控制部件2确定该可充电的充电量的最大值并且在平衡或者对称化中如此控制那些具有较小可充电的充电量的电池单元，使得这些电池单元一直放电，直到其可充电的充电量也相应于最大的可充电的充电量。
应该明确指出，本发明能够为任意数目的电池单元执行，虽然在附图中仅表示两个或者四个电池单元Z1-Z4。

Claims (8)

1.用于操作车辆(10)的电池(1)的方法，
其中所述电池(1)包括多个电池单元(Z1-Z4)，
其中依赖于充电量(Q_Max_Charge_Cell_X)执行电池单元(Z1-Z4)的平衡(S)，和
其中每一个充电量相应于在所述电池(1)的当前的状态下能够充入各电池单元(Z1-Z4)之一内的充电量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在平衡(S)后在每一个电池单元内可充入相同的充电量(Q_Max_Charge_Cell_X)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在电池(1)的当前的状态下为每一个电池单元(Z1-Z4)确定可充电的充电量(Q_Max_Charge_Cell_X)，
确定所述可充电的充电量的最大值，和
为平衡而使其可充电的充电量小于所述最大值的每一个电池单元(Z1-Z4)一直放电，直到每一个电池单元(Z1-Z4)的可充电的充电量都相应于所述最大值。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
为每一个电池单元确定目标充电状态，所述目标充电状态比所述电池单元的完全充电状态小预先规定的百分数，
在电池(1)的当前状态下为每一个电池单元(Z1-Z4)确定可充电的充电量(Q_Max_Charge_Cell_X)，
在电池(1)的当前状态下为每一个电池单元(Z1-Z4)确定可供给的充电量，其中各电池单元(Z1-Z4)在其充电可供给的充电量时达到所述目标充电状态，
确定可供给的充电量的最大值，和
为平衡而使其可充电的充电量小于可供给的充电量的最大值的每一个电池单元(Z1-Z4)一直放电，直到每一个电池单元(Z1-Z4)的可充电的充电量至少都相应于所述最大值。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
当电池单元(Z1-Z4)的当前的充电量(Q_Charge_Cell_X)小于预先给定的最小充电量时或当当前的充电状态(SOC_Cell_X)小于预先给定的最小充电状态时，不对电池单元(Z1-Z4)充电以用于平衡。
6.用于车辆(10)的电池布置，
其中所述电池布置(20)包括具有多个电池单元(Z1-Z4)的电池(1)、控制部件(2)和检测部件(3)，
其中检测部件(3)构造用于作为值检测充电量(Q_Max_Charge_Cell_X)并且把这个值传递给控制部件(2)，
其中控制部件(2)构造用于依赖于所述充电量执行电池单元(Z1-Z4)的平衡，和
其中每一个充电量相应于在电池(1)的当前状态下可充入各电池单元(Z1-Z4)之一内的充电量。
7.根据权利要求6所述的电池布置，其特征在于，所述电池布置(20)构造用于执行根据权利要求1-8之一所述的方法。
8.车辆，具有根据权利要求6或7所述的电池布置(20)。
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