CN105453382A - 平衡包含架单元的电池组的架单元电压的方法 - Google Patents

平衡包含架单元的电池组的架单元电压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及平衡电池组中的每个架单元的充电电压的方法，所述电池组包含串联或并联连接的架单元，每个架单元包含串联连接的多个单位模块。提供一种架单元电压平衡方法，所述方法包括：(a)测量架单元的电压的电压测量步骤；(b)根据架单元的电压以升序对架单元进行布置的布置步骤；(c)比较电压的最大值与最小值之间的差是否大于预设电压的比较步骤；(d)将每个架单元的电压与基准电压进行比较以增加充电或放电计数的充/放电计数步骤；和(e)根据充/放电计数对每个架单元进行充电或放电的充/放电步骤，其中，当在步骤(c)中的电压的最大值与最小值之间的差小于预设电压时，以最大值实施充电而不执行步骤(d)和(e)，并且当电压的最大值与最小值之间的差大于预设电压时，执行步骤(d)和(e)。

Description

平衡包含架单元的电池组的架单元电压的方法
技术领域
本发明涉及平衡包含架单元(rack)的电池组的架单元电压的方法，更特别地涉及平衡构造为具有如下结构的电池组的架单元电压的方法：其中多个架单元相互串联或并联连接，且在每个架单元中多个单位模块相互串联连接。架单元电压平衡方法包括测量架单元的电压的电压测量步骤、基于架单元的电压值以升序对架单元进行排序的排序步骤、将最大电压值与最小电压值之间的差与设定电压进行比较的比较步骤、将架单元的电压值与基准电压进行比较以增加充电或放电计数的充/放电计数步骤和根据充电或放电计数对架单元进行充电或放电的充/放电步骤，其中，在比较步骤中的最大电压值与最小电压值之间的差小于设定电压的情况下，以最大电压值对架单元进行充电而不进行充/放电计数步骤和充/放电步骤，并且在比较步骤中的最大电压值与最小电压值之间的差大于设定电压的情况下，进行充/放电计数步骤和充/放电步骤。
背景技术
近年来，能够进行充电和放电的二次电池已经被广泛用作无线移动设备的能源或辅助电力装置。另外，作为用来解决诸如因使用化石燃料的现有汽油和柴油车辆引起的空气污染的问题而开发的电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)和插电式混合动力车辆(Plug-inHEV)的电源的二次电池已经受到了相当大的关注。
二次电池用于需要高输出的各种移动设备。为此，在电动车辆或混合动力车辆中可以使用包含相互串联连接的多个电池胞的电池组作为电源。
在包含多个电池胞(单位电池胞，unitcell)的中大型二次电池模块中，全部或至少部分构成电池模块的电池胞相互串联连接以提供高输出，且电池胞具有相同的容量和电压标准(voltagestandard)。
另外，基于电动车辆的规格将各自包含多个电池胞的多个电池组安装在电动车辆中。此外，在对电池胞进行充电或放电时提供充电装置和电池管理系统以将电池组的电池胞的电压维持在适宜水平。
然而，尽管电池胞具有相同的容量和电压标准，但由于在电池胞的制造过程中的各种因素而导致电池胞通常具有不同的电压。如果构成电池模块的电池胞具有不同的电压，则电池模块的性能降低。
另外，充电装置和电池管理系统被设计为向电池胞一齐供应电流，使得以所述供应电流对电池胞进行充电而不考虑电池胞之间特性的不同。由于不考虑电池胞之间容量的差异或电池胞之间内阻的差异而以这种一齐充电的方法对电池胞一齐进行充电，有些电池胞可能会过充电，或者有些电池胞可能会没有被完全充电。
此外，在其中包含相互串联连接的多个电池胞的电池组长时间使用的情况下，随着充电和放电循环的增加电池胞的特性因子可能会彼此不同。结果，电池胞的电压可能会不平衡。在电池胞之间的电压偏差过度增加的情况下，电池胞可能会处于危险状况下。例如，电池胞可能会爆炸。
因此，有非常高的必要性来提供能够稳定地初始化和控制构成电池组的电池胞的电池组平衡方法以彻底解决以上问题。
发明内容
技术问题
已经完成了本发明以解决以上问题和其它尚未解决的技术问题。
本发明的目的是提供平衡电池组的架单元电压的方法，所述电池组构造为具有多个架单元相互串联或并联连接的结构，所述方法包括测量架单元的电压以确定要对哪个架单元进行充电或放电并且基于确定的结果自动地进行架单元电压平衡，以在无需附加设备、人力和进行通常的架单元电压平衡所需的时间的情况下方便且安全地解决充电时电池胞之间的不平衡，从而提高电池组的性能、容量和寿命。
技术方案
根据本发明的一方面，通过提供平衡电池组的架单元电压的方法可以实现以上和其它目的，所述电池组构造为具有如下结构：多个架单元相互串联或并联连接，且在每个架单元中多个单位模块相互串联连接，所述架单元电压平衡方法包括：(a)测量架单元的电压的电压测量步骤，(b)基于架单元的电压值以升序对架单元进行排序的排序步骤，(c)将最大电压值与最小电压值之间的差与设定电压进行比较的比较步骤，(d)将架单元的电压值与基准电压进行比较以增加充电或放电计数的充/放电计数步骤和(e)根据充电或放电计数对架单元进行充电或放电的充/放电步骤，其中，在步骤(c)中的最大电压值与最小电压值之间的差小于设定电压的情况下，以最大电压值对架单元进行充电而不进行步骤(d)和(e)，并且在步骤(c)中的最大电压值与最小电压值之间的差大于设定电压的情况下，进行步骤(d)和(e)。
因此，在根据本发明的平衡构造为具有多个架单元相互串联或并联连接的结构的电池组的架单元电压的方法中，可以对架单元的电压进行测量以确定要对哪个架单元进行充电或放电，且可以基于确定的结果自动进行架单元电压平衡。因此，可以在无需附加设备、人力和进行通常的架单元电压平衡所需的时间的情况下方便且安全地解决充电时电池胞之间的不平衡，从而提高电池组的性能、容量和寿命。
在具体实施例中，在步骤(b)中，可以基于架单元的电压值使用选自诸如选择性排序和快速排序的各种排序算法中的任一种对架单元进行排序。具体地，步骤(b)可以包括基于架单元的电压值从具有最小电压值的架单元(i＝0)到具有最大电压值的架单元(i＝架单元的总数–1)对架单元进行排序。
同时，如上所述在其中包含相互串联连接的多个电池胞的电池组长时间使用的情况下，随着充电和放电循环的增加电池胞的特性因子可能会彼此不同。结果，电池胞的电压可能会不平衡。由于这一原因，有些电池胞可能会过充电，或者有些电池胞可能会没有被完全充电。在电池胞之间的电压偏差大的情况下(例如20V以上)，电池胞可能会处于危险状况下。例如，电池胞可能会爆炸。
为了确定如上所述在电池胞的性能降低及电池胞爆炸时的电池胞之间的电压偏差，有必要在步骤(c)中设定期望的电压。可以基于电池胞的类型和容量对所述期望的电压值进行不同地设定。例如，设定电压可以具有10～30％荷电状态(SOC)的范围。具体地，设定电压可以具有20％SOC的范围。
另外，在步骤(d)中，可以将架单元的平均电压设定为基准电压。具体地，基准电压可以表示为电压范围值/2+最小电压值，且电压范围值可以表示为最大电压值–最小电压值。
在具体实施例中，在步骤(d)中的架单元的电压值小于基准电压的情况下，可以进行增加放电计数的过程。另一方面，在步骤(d)中的架单元的电压值大于基准电压的情况下，可以进行增加充电计数的过程。
在充电或放电计数步骤中，可以进行基于根据电压值排序的i值从i＝0到i＝架单元的总数–1按顺序增加充电或放电计数的过程。在使充电或放电计数从具有最小电压值的架单元到具有最大电压值的架单元增加后，可以基于增加的充电或放电计数确定是否要对架单元进行充电或放电，如在步骤(e)中一样。
具体地，在放电计数大于充电计数且最小电压值大于基准电压的情况下，步骤(e)可以包括从具有最大电压值的架单元到具有最小电压值的架单元按顺序对架单元进行放电以平衡架单元的电压。或者，在放电计数大于充电计数且最小电压值小于基准电压的情况下，步骤(e)可以包括从具有最小电压值的架单元到具有最大电压值的架单元按顺序对架单元进行充电。
另外，在充电计数大于放电计数的情况下，步骤(e)可以包括从具有最小电压值的架单元到具有最大电压值的架单元按顺序对架单元进行充电。或者，在充电计数和放电计数彼此相等的情况下，步骤(e)可以包括从具有最大电压值的架单元到具有最小电压值的架单元按顺序对架单元进行放电以使从电网接收的能量最少。可以进行充/放电步骤以减小架单元之间的电压偏差，从而可以稳定地使电池组初始化。
在另一个具体实施例中，在步骤(e)即充电或放电步骤中的架单元的充电过程中，当达到与具有高于当前进行充电的架单元的电压的架单元相同的电压时，可以进行将所述架单元相互并联连接以同时对所述架单元进行充电的过程。具体地，当首先进行充电的具有最小电压值的架单元的电压达到具有第二最小电压值的架单元的电压时，可以将具有最小电压值的架单元和具有第二最小电压值的架单元相互并联连接，然后可以同时进行充电。以相同的方式，可以从具有第三最小电压值的架单元到具有最大电压值的架单元按顺序对架单元进行充电。
另一方面，在步骤(e)中对架单元进行放电的情况下，在放电过程中，当达到与具有低于当前进行放电的架单元的电压的架单元相同的电压时，可以进行将所述架单元相互并联连接以同时对所述架单元进行放电的过程。具体地，当首先进行放电的具有最大电压值的架单元的电压达到具有第二最大电压值的架单元的电压时，可以将具有最大电压值的架单元和具有第二最大电压值的架单元相互并联连接，然后可以同时进行放电。以相同的方式，可以从具有第三最大电压值的架单元到具有最小电压值的架单元按顺序对架单元进行放电。
根据本发明的另一方面，提供的为电池组，所述电池组的电压使用如上所述的架单元电压平衡方法进行平衡。
根据本发明的又一方面，提供的为包含所述电池组作为电源的设备。例如，所述电池组可以用作电动工具，选自电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)和插电式混合动力车辆(PHEV)的电动汽车，电动自行车(E-bike)，电动摩托车(E-scooter)，电动高尔夫球车或电力存储装置。然而，本发明不限于此。
附图说明
参照附图，由下面的详细说明将会更加清楚地理解本发明的上面和其它目的、特征及其它优点，其中：
图1为示出根据本发明实施例的架单元电压平衡方法的流程图；
图2为示出根据图1的步骤S4的架单元电压平衡方法的流程图；且
图3为示出根据图1的步骤S5的架单元电压平衡方法的流程图。
具体实施方式
现在，将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细说明。然而应该注意，本发明的范围不受限于示出的实施例。图1为代表性地显示根据本发明的实施例的架单元电压平衡方法的流程图。
参照图1，在根据本发明的架单元电压平衡方法中，执行用于测量架单元的电压的电压测量步骤(S1)，然后执行基于电压测量步骤(S1)中测得的架单元的电压值以升序对架单元排序的排序步骤(S2)。也即执行排序步骤，以升序从具有最小电压值的架单元(i＝0)到具有最大电压值的架单元(i＝架单元的总数–1)来排序架单元。
随后，执行基于测得的各架单元的电压把最大电压值与最小电压值之间的差与预先设定的电压值进行比较的比较步骤(S3)。具体地，执行把最大电压值与最小电压值之间的差与具有20％荷电状态(SOC)的范围的电压值进行比较以确定是否要执行电压平衡的步骤。在最大电压值与最小电压值之间的差小于设定电压值的情况下，判定架单元之间的电压偏差不影响电池胞，并且执行以最大电压值对架单元进行充电的步骤。
另一方面，在最大电压值与最小电压值之间的差大于设定电压值的情况下，判定架单元之间的电压偏差影响电池胞，并且执行以下步骤以平衡架单元电压。
接下来，执行把各架单元的电压值与基准电压进行比较以增加各个架单元的充电计数或放电计数的充/放电计数步骤(S4)，并且执行基于充/放电计数步骤(S4)中增加的计数确定是要进行充电还是要进行放电并且相应地对各个架单元进行充电或放电的充/放电步骤(S5)以平衡架单元电压。
下文中，将对充/放电计数步骤(S4)和充/放电步骤(S5)进行更详细地说明。
图2为代表性地显示根据图1的步骤S4的架单元电压平衡方法的流程图。
参照图2和图1，基于在步骤S1中测得的电压值设定基准电压。具体地，将基准电压A表示为电压范围值B/2+最小电压值，且将电压范围值B表示为最大电压值–最小电压值。
执行把各架单元的电压值与步骤S1中获得的基准电压做比较以增加各架单元的充电计数或放电计数的过程。具体地，将从具有最小电压值的架单元(i＝0)到具有最大电压值的架单元(i＝架单元的总数–1)排序的架单元的电压值按顺序从架单元(i＝0)到架单元(i＝架单元的总数–1)与基准电压进行比较。在基准电压–第i架单元的电压值大于0的情况下，增加放电计数。另一方面，在基准电压–第i架单元的电压值小于0的情况下，增加充电计数。对架单元总数重复测量充电计数或放电计数。随后，执行步骤S5。
图3为代表性地显示根据图1的步骤S5的架单元电压平衡方法的流程图。
参照图3及图1和2，在步骤S4中的放电计数等于或大于充电计数的情况下，执行确定最小电压值是否大于具有20％SOC的范围的预先设定电压的步骤。在最小电压值大于设定电压的情况下，执行用于实施放电的放电步骤。另一方面，在最小电压值小于设定电压的情况下，执行用于实施充电的充电步骤。另外，在步骤S4中的充电计数大于放电计数的情况下，执行用于实施充电的充电步骤。
首先，在放电步骤中，从具有最大电压值的架单元(i＝架单元的总数–1)到具有最小电压值的架单元(i＝0)按顺序对架单元进行重复放电。执行放电直至当前正进行放电的第i架单元的电压达到第i–1架单元的电压，所述第i–1架单元具有仅次于第i架单元的电压值。在第i架单元的电压达到第i–1架单元的电压的情况下，通过进一步增加架单元计数的过程确认同时进行放电的架单元的数目，将确认的架单元相互并联连接，然后重复执行上述过程。当各个架单元的电压最终达到最小架单元电压值时，完成架单元电压平衡。
另一方面，在充电步骤中，从具有最小电压值的架单元(i＝0)到具有最大电压值的架单元(i＝架单元的总数–1)按顺序对架单元进行重复充电。执行充电直至当前正进行充电的第i架单元的电压达到第i+1架单元的电压，所述第i+1架单元具有仅高于第i架单元的电压值。在第i架单元的电压达到第i+1架单元的电压的情况下，通过进一步增加架单元计数的过程确认同时进行充电的架单元的数目，将确认的架单元相互并联连接，然后重复执行上述过程。当各个架单元的电压最终达到最大架单元电压值时，完成架单元电压平衡。
尽管已经出于说明目的公开了本发明的示例性实施方式，但本领域的技术人员将会理解，在不背离附属权利要求中公开的发明的范围和主旨的情况下，各种修改、添加和替换都是可能的。
产业实用性
从以上说明可明显看出，在根据本发明的平衡构造为具有多个架单元相互串联或并联连接结构的电池组的架单元电压的方法中，测量架单元的电压以确定要对哪个架单元进行充电或放电，并且基于确定的结果自动地进行架单元电压平衡。因此，可以在无需附加设备、人力和进行通常架单元电压平衡所需的时间的情况下方便且安全地解决充电时电池胞之间的不平衡，从而提高电池组的性能、容量和寿命。

Claims (18)

1.一种平衡电池组的架单元电压的方法，所述电池组构造为具有一种结构，在该结构中多个架单元相互串联或并联连接，并且在每个架单元中多个单位模块相互串联连接，所述架单元电压平衡方法包括：
(a)电压测量步骤，用于测量所述架单元的电压；
(b)排序步骤，用于按照基于所述架单元的电压值的升序对所述架单元排序；
(c)比较步骤，用于把最大电压值与最小电压值之间的差与设定电压比较；
(d)充/放电计数步骤，用于把所述架单元的电压值与基准电压比较以增加充电计数或放电计数；和
(e)充/放电步骤，用于根据所述充电计数或放电计数对所述架单元充电或放电，其中，
在步骤(c)中的所述最大电压值与所述最小电压值之间的差小于所述设定电压的情况下，以所述最大电压值对所述架单元充电而没有步骤(d)和(e)，并且
在步骤(c)中的所述最大电压值与所述最小电压值之间的差大于所述设定电压的情况下，进行步骤(d)和(e)。
2.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中步骤(b)包括基于所述架单元的电压值从具有所述最小电压值的架单元(i＝0)到具有所述最大电压值的架单元(i＝架单元的总数–1)对架单元排序。
3.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中步骤(c)的所述设定电压具有20％荷电状态(SOC)的范围。
4.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中步骤(d)的所述基准电压被表示为A(电压范围值/2+最小电压值)，且所述电压范围值被表示为B(最大电压值–最小电压值)。
5.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中在所述架单元的电压值小于所述基准电压的情况下，步骤(d)包括增加放电计数。
6.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中在所述架单元的电压值大于所述基准电压的情况下，步骤(d)包括增加充电计数。
7.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中步骤(d)包括：从i＝0到i＝架单元的总数–1，按顺序增加充电或放电计数。
8.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中在所述放电计数大于所述充电计数且所述最小电压值大于所述基准电压的情况下，步骤(e)包括从具有所述最大电压值的架单元到具有所述最小电压值的架单元按顺序对架单元进行放电。
9.根据权利要求8所述的架单元电压平衡方法，还包括当在放电过程期间达到了较之当前放电的架单元具有更低电压的架单元的相同电压时，把所述架单元相互并联连接以同时对所述架单元进行放电。
10.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中在所述放电计数大于所述充电计数且所述最小电压值小于所述基准电压的情况下，步骤(e)包括从具有所述最小电压值的架单元到具有所述最大电压值的架单元按顺序对架单元充电。
11.根据权利要求10所述的架单元电压平衡方法，还包括当在充电过程期间达到了较之当前充电的架单元具有更高电压的架单元的相同电压时，将所述架单元相互并联连接以同时对所述架单元进行充电。
12.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中在所述充电计数大于所述放电计数的情况下，步骤(e)包括从具有所述最小电压值的架单元到具有所述最大电压值的架单元按顺序对所述架单元充电。
13.根据权利要求12所述的架单元电压平衡方法，还包括当在充电过程期间达到了较之当前充电的架单元具有更高电压的架单元的相同电压时，把所述架单元相互并联连接以同时对所述架单元充电。
14.根据权利要求1所述的架单元电压平衡方法，其中在所述充电计数和所述放电计数彼此相等的情况下，步骤(e)包括从具有所述最大电压值的架单元到具有所述最小电压值的架单元按顺序对所述架单元放电。
15.根据权利要求14所述的架单元电压平衡方法，还包括当在放电过程期间达到了较之当前放电的架单元具有更低电压的架单元的相同电压时，把所述架单元相互并联连接以同时对所述架单元放电。
16.一种电池组，所述电池组的电压使用根据权利要求1至15中任一项的架单元电压平衡方法进行平衡。
17.一种包含根据权利要求16的电池组的设备。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述设备选自：电动工具，选自电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)和插电式混合动力车辆(PHEV)的电动汽车，电动自行车(E-bike)，电动摩托车(E-scooter)，电动高尔夫球车和电力存储装置。
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