CN105489954A - 补偿电池单元的充电状态的方法和执行该方法的电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及补偿电池单元的充电状态的方法和执行该方法的电池系统。本发明涉及一种用于补偿多个电池单元的充电状态的方法,其具有如下方法步骤:a)确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第一方法的潜在误差;b)确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第二方法的潜在误差,其中第二方法与第一方法不同;c)比较在方法步骤a)和b)中所确定的潜在误差;以及d)基于通过具有较低的潜在误差的方法所算出的需求补偿多个电池单元的充电状态。这样的方法允许非常精确的并且对于电池系统的部件而言非常谨慎的对充电状态的补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于补偿(Ausgleichen)多个电池单元、尤其是在一个电池模块中的多个电池单元的充电状态的方法,尤其是用于改进地补偿电池单元的充电状态的方法。此外,本发明还涉及一种电池系统,该电池系统被构建为实施这样的方法。
背景技术
电化学蓄能器、譬如锂离子电池在许多日常应用中广泛流行。这些电化学蓄能器例如在如膝上型电脑的计算机、移动电话、智能电话中和在其他应用中被采用。即使在车辆(如机动车辆)电动化目前迅猛向前推进的情况下,比方说在电动车辆或者混合动力车辆中,这样的电池也显现出优点。
锂离子电池、例如比方说用于汽车使用范围的锂离子电池常常包括多个单个电池单元。为了提高电压水平或者电流水平,这些单元彼此并联地或者串联地接线并且以机械方式被联合成模块。此外,电池管理系统还用于监控电池并且除了安全监控之外还要能够实现尽可能长的使用寿命。
例如,为了延长使用寿命,公知的是,使电池单元的充电状态彼此匹配或彼此补偿,使得电池单元具有相同的充电状态。该过程也被称为单元对称化或单元平衡化(Zell-Balancing)。
从文献US2013/0099746A1中公知了一种用于单元对称化的系统和方法。在这样的方法中,单元对称化基于对充电状态的测量来执行。此外在此还设置,在进行单元对称化时,关于对称化需求所算出的(ermittelt)误差在边界值之下。
此外,文献CN102231546A还描述了一种用于单元对称化的方法,该方法基于对充电状态的测量,并且其中在算出充电状态时应修正误差。
发明内容
本发明的主题是一种用于补偿多个电池单元的充电状态的方法,其中所述电池单元可以存在于一个电池模块中。该方法包括如下方法步骤:
a)确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第一方法的潜在误差(Fehlerpotential);
b)确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第二方法的潜在误差,其中第二方法与第一方法不同;
c)比较在方法步骤a)和b)中所确定的潜在误差;以及
d)基于通过具有较低的潜在误差的方法已算出的需求补偿多个电池单元的充电状态。
在此,前面所描述的方法步骤原则上可以按前面所描述的顺序进行,其中然而该方法在本发明的意义下不必限于上面提到的顺序。
通过前面所描述的方法能够实现的是,基于电池单元的充电状态的单元对称化在未知晓尤其是串联连接的电池单元的容量的情况下也能够实现,使得由于单元对称化引起的充电时的损耗特别小。
前面所描述的方法因此用于补偿多个电池单元的充电状态或使所述多个电池单元的充电状态彼此匹配。这些电池单元在此尤其是以本身已知的方式被布置在一个电池模块中或构造这个,并且在此比方说串联地或者并联地接线。在此,该方法可以涉及多个电池单元的组,即涉及电池模块的电池单元的一部分,或者涉及所有的多个电池单元、即所有的布置在一个电池模块中的电池单元。
对电池单元彼此间的单元对称化的要求有根据地例如可在于,这些单元可以具有不同的自放电率并且由此在一定的时间段内可以改变单元彼此间的充电状态。此外,各个电池单元的容量也可以比方说由于生产分散性(Produktionsstreuung)而彼此偏差。该效应可能可以在使用寿命开始时被忽略,但是在使用寿命的过程中由于单元老化中的差异而被增大,并且导致电池单元之间的若干百分比的容量差异。
为了防止这一点,通过借助前面所描述的方法执行的单元对称化可以实现,各个电池单元的充电状态(stateofcharge,SOC)尽管自放电不同并且如果有这种情况则容量不同还彼此相协调。在此,尤其是这些单元的充电状态彼此相协调,包括电池单元的电池模块的充电状态比方说可以被限定为在电池单元的所有充电状态上的最小值。
充电状态的补偿或对此的需求的算出在此可以按时间间隔根据电池单元的状态、例如其寿命来进行。通常,可以按为一周或者以上、例如两周的间隔对充电状态进行补偿,其中这些值绝对不是限制性的。原则上,当电池单元的充电状态的差异在阈值之上时,可以对电池单元的充电状态进行补偿。
为了实现这一点,前面所描述的方法根据方法步骤a)包括确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第一方法的潜在误差,并且此外根据方法步骤b)包括确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第二方法的潜在误差,其中第二方法与第一方法不同。在此,可以应用两种方法或大于两种的多种方法,或首先可以将其潜在误差彼此相比较。进而,可是以非限制性的方式关于两种方法来描述本发明,其中随后的说明同样适用于多于两种的方法。
所使用的用于确定单元对称化的需求的方法在此原则上也可从现有技术中公知。单元对称化的需求在此尤其是可以根据具体的事件来选择并且原则上基于电池单元的不同的充电状态。在此,该需求原则上可以是定性的以及尤其是定量的参数,使得不仅算出在各个电池单元中是否必需单元对称化而且也算出在各个电池单元中必需单元对称化多少量。
潜在误差在本发明的意义下此外还应被理解为在确定对单元对称化的需求时在相对应的方法中存在的猜测的或估计的或者算出的模糊性或不精确性。换言之,通过潜在误差可以确定,通过相对应的方法可多精确地算出对单元对称化的需求。在高潜在误差的情况下,对单元对称化的需求因而可以相对地说不精确地被确定,而在相对地说低的潜在误差的情况下可以相对地说精确地确定对单元对称化的需求。
相应的方法的潜在误差在此以本身已知的方式例如通过相应的所使用的参数的误差增大而可算出,如这对本领域技术人员而言没有困难地可看出的那样。在此,在确定潜在误差的情况下尤其是如下误差可以被一同包含在内:这些误差可为了确定对于相对应的方法所需的参数而出现。
当潜在误差根据方法步骤a)和b)来确定时,现在根据方法步骤c)可以进行在方法步骤a)和b)中所确定的潜在误差的比较。由此可以算出,相应的方法的所算出的潜在误差、即第一方法或者第二方法的所算出的潜在误差中的哪个潜在误差是较低的潜在误差或者较高的潜在误差,换言之通过方法步骤c)可算出,利用第一方法或者第二方法中的哪种方法可以最精确地算出对单元对称化的需求。
基于该结果进而还可以执行单元对称化。详细而言根据方法步骤d)基于需求或激活阈值执行单元对称化,该激活阈值通过具有相对地说最小的潜在误差的方法来算出。换言之,单元对称化基于涉及需求的数据来执行,所述需求以较高的精度或较低的误差概率来算出。
前面所描述的方法因此基于选出用于计算或算出对单元对称化的需求的方法,该方法最为适合于当前的应用情况或可以以最高精度实现单元对称化。由此,单元对称化或其激活阈值可以动态地与在相应的时间点存在的条件匹配并且显著地提高精度。
因此可以防止,如对于现有技术而言公知的那样,对于单元对称化使用恒定的激活阈值,所述激活阈值对于所有应用情况并且在整个使用寿命上是恒定的。与此相反,激活阈值在前面所描述的方法中更确切地说动态地与相应的占主导的条件匹配并且根据相对应的计算方法的计算精度来匹配。由此,可以抵制的是,在电池单元的整个使用寿命上或对于任意应用情况所应用的激活阈值可能会导致单元对称化的不精确性。尤其是,在老化的电池模块中能够实现适当的单元对称化。
前面所描述的方法由此相对于现有技术可具有显著优点。尤其是,通过前面所描述的方法能够实现的是,可以将非必要的单元对称化减小到最小值,由此被用于单元对称化的相对应的部件的使用寿命可以被延长。此外,这样可以减小基于单元对称化的能量损耗并且提高了持续的容量。
此外,前面所描述的方法可应用地与相对应的事件相匹配,并且在此与功率状况(Leistungsprofil)无关,例如在用于至少部分地电驱动的车辆中时与电池遭受的行驶状况(Fahrzeug)无关。
因此可以防止,单元对称化在例如充电状态的固定限定的阈值的情况下被激活。由此可以防止,在阈值置位得过高时以不是必需的方式降低容量,因为被补偿得过大程度。另一方面,同样可以防止的是,当过多电荷被放电时,太高的电荷量被放电,这比方说在阈值被预调得过低时是这种情况。更确切地说,通过基于要预期的误差调节该方法能够实现以非常高的精度进行单元补偿。
在此,此外还可以设置的是,所算出的潜在误差在方法步骤d)中、即在执行单元对称化时予以考虑。换言之,可以将要预期的或可能的误差从算出的需求中减去,以便这样忍受尽可能小的电荷损耗。
在一种扩展方案的范畴中,在第一方法中可以直接根据电池单元的充电状态算出用于补偿充电状态的需求。在该方法中,测量当前的充电状态SOC,并且计算针对每个电池单元Zellei的单元对称化的需求(ΔSOC(Zellei)),使得在进行单元对称化之后,所有单元正处于统一的电荷水平SOCBAL处。
在此,可以算出电池单元的充电状态,如对于本领域技术人员而言原则上是公知的那样。例如,可以通过如下方式算出电池单元的充电状态:算出相对应的电池单元的单元电压,以便这样基于所存储的放电曲线算出对应于电压的充电状态。
在此可以有利的是,老化状态(健康状态(stateofhealth),SOH(Zellei))被考虑作为修正因子。在此,可以通过如下关系算出每个电池单元的修正因子SOH(Zellei):
,
其中Q为在时间点t1到t2之间的电流积分,并且其中确定Zellei在时间点t1时的电荷状态SOC(Zellei)(t1),以及确定Zellei在稍后的时间点t2时的电荷状态SOC(Zellei)(t2),例如分别在考虑到OCV曲线的情况下使用电压测量的情况下进行确定。
修正因子因此可以基于的是,在老化的电池单元中,单元容量(SOC(Zellei)*SOH(Zellei))与在新电池单元的情况下相比更低。换言之,通过电荷状态与老化状态相乘可以特别精确地调整(Angleichen)电荷状态。
在该扩展方案中或根据这样的第一方法,尤其是通过如下关系来确定对单元对称化的需求(ΔSOC(Zellei)):
,
SOCBal在此是充电状态的值(SOC值),其中所有单元应正在补偿过的电荷状态下,即使所述单元拥有不同的老化状态(SOH)也是如此。如果所述单元具有不同的老化状态或不同的容量,那么仅还存在其正处于的共同的电荷状态。值SOCBal在此是在电荷状态的0%到100%之间可调节的量。
因此,根据单元的当前充电状态、即SOH(Zellei)*(SOC(Zellei)-SOCBal)和(例如来自一个电池模块的)多个电池单元中的具有最低充电状态的单元的当前充电状态、即SOH(Zellemin)*(SOC(Zellemin)-SOCBal)之差得到针对每个电池单元Zellei的单元对称化的需求(ΔSOC(Zellei))。
针对单元对称化的需求确定的误差Δ(ΔSOC)对于每个单元而言根据误差增大定律得到:
。
针对每个电池单元Zellei的误差根据如下关系得到:
。
在此,OCV以本身已知的方式意思是空载电压。此外,以本身已知的方式意思是在恒定的充电状态下充电状态SOC(Zellei)对空载电压的偏导数。
针对具有最小充电状态的电池单元Zellemin的误差等同地根据如下关系得到:
。
在此,这些值如上文要参照每个电池单元Zellei来应用。
此外,在算出老化状态时的误差还通过在时间点t1和t2的电流积分的误差(电流传感器公差)和通过在时间点t1和t2的电压测量时的误差来得到。在测量充电状态时的误差通过在电压测量时的误差(电压传感器公差)来得到。
在另一扩展方案的范畴中,在第二方法中可以基于电池单元的自放电率算出用于补偿充电状态的需求。
针对单元对称化的需求ΔSOC针对每个电池单元Zellei借助自放电测量和无单元对称化的持续时间来确定:
。
因此,单位时间的自放电率(ΔSOCentladung(Zellei))/tentladung)被测量并且依据没有单元对称化的时间tNoBal可以估计单元对称化的需求。
针对单元对称化的需求确定的误差Δ(ΔSOC)针对电池单元的每个电池单元Zellei根据误差增大定律由对所有测量误差平方的总和开方得到。时间测量的误差为此可以被忽略,其中SOC1(Zellei)是起始值,而SOC2(Zellei)是最终值并且Zelleref是参考单元,其中参考单元是在电池中可自由选择的单元。关于该参考单元,接着可确定所有单元的相对自放电,并且接着由此可以算出单元对称化的需求。平衡化需求在此尤其是在电池单元之间的相对自放电:
。
每个电池单元Zellei的充电状态的相应测量的误差与OCV曲线在充电状态SOCx的测量点处的斜率有关,并且与通过电压测量造成的测量精度有关:
。
在此,x代表在时间点1的测量1或者在时间点2的测量2。
在另一扩展方案的范畴中,此外还可以设置的是,在电池系统启动时算出用于补偿电池单元的充电状态的需求。例如,在电池单元在某一时间中没有或者仅有限地放电或充电之后,因此可以对电池单元的充电状态进行补偿。在该扩展方案中,可以特别有利地运行电池单元,因为这些电池单元基本上在每次运行时都具有统一的充电状态。此外,在该扩展方案中可以直接实施单元对称化,因为这在电池单元的静止状态下可以是特别有利的。
在另一扩展方案的范畴中,可以设置的是,通过有针对性地经由放电电阻使至少一个电池单元放电来进行方法步骤d)。在该扩展方案中,在对电池单元的充电状态的这样的电阻性补偿中有利地可以为每个电池单元配设电阻和开关元件,以便有针对性地能够经由该放电电阻使各个电池单元放电并且这样调整充电状态。在此,所存储的能量基本上被转换成热,并且这样电池单元被放电直至到一水平,这对应于具有最低的充电状态的电池单元的水平。在此,通过前面所描述的方法基于高精度可以将电池单元的充电状态的补偿减小到最小程度,如这在上文中详细描述的那样,可以同样显著地减小用于接入放电电阻的开关操作循环的数目,使得(例如)开关单元的使用寿命以及补偿电阻的使用寿命也可以显著地提高。由此,前面所描述的尤其是与用于补偿电池单元的充电状态的可接入的放电电阻相组合的方法是有利的。
就根据本发明的方法的另外的技术特点和优点而言,对此明确地参阅结合根据本发明的电池系统、附图以及附图说明的阐述。
本发明的主题此外还是一种电池系统,其具有电池模块,所述电池模块具有多个电池单元,其中通过该电池系统此外还可算出电池单元的使用寿命和电池单元的自放电率,并且其中通过该电池系统此外还可补偿电池单元的充电状态。前面所描述的电池系统的特征在于,该电池系统具有控制单元,该控制单元被构建为实施如前面详细描述的方法。
这样的电池系统因此以本身已知的方式具有电池模块,该电池模块具有多个串联或者并联连接的电池单元。所述电池单元可以以本身已知的方式被构建并且比方说是锂离子电池,但并不限于此。
此外,在前面所描述的电池系统中设置,通过电池系统可算出电池单元的充电状态和电池单元的自放电率。为此,尤其是以本身已知的方式可以设置用于对相应电池单元的输出电压进行电压测量的装置,以便这样基于所存储的放电曲线算出对应于该电压的充电状态。相同的装置同样可以得到应用,以便算出自放电,因为在此例如可以算出每时间单位在没有连接负载的情况下的充电状态的下降。
在前面所描述的电池系统中,此外还设置,通过电池系统可补偿电池单元的充电状态。为此,电池系统例如可以具有用于选择性地使各个电池单元放电的放电电阻。这些放电电阻因此经由开关逻辑装置可连接到各个电池单元上,使得各个电池单元可以通过放电电阻来放电。
此外,为了补偿电池单元的充电状态,电池单元的放电可以通过前面所描述的方法来执行。为此,可以设置控制单元,如大多数本来就存在的电池管理系统,该电池管理系统被构建用于执行这样的方法。为此,控制系统可以与相对应的部件连接,并且在此调拨(auswerfen)相对应的控制指令。此外,该控制系统还可以被配备有相对应的控制逻辑装置和/或软件实施装置。
该电池系统可以被布置在至少部分地可电驱动的车辆中。这样的车辆例如可以是完全电驱动的车辆或者是混合动力车辆。
通过前面所描述的电池系统能够实现的是,以基于电池单元的充电状态的方式对充电状态的补偿或单元对称化在未知晓尤其是串联连接的电池单元的容量的情况下也能够实现,使得由于单元对称化引起的充电时的损耗特别小。
就根据本发明的电池系统的另外的技术特征和优点而言,对此明确地参阅结合根据本发明的方法、附图以及附图说明的阐述。
附图说明
根据本发明的主题的其他优点和有利的扩展方案通过附图来阐明并且在后续的描述中予以阐述,其中所描述的特征单独地或者任意组合地可以是本发明的主题,只要从本上下文中没有明确地得到相反含义。在此要注意的是,附图仅具有描述性特征而不能被认为以任何形式限制本发明。在附图中:
图1示出了具有不同容量的两个电池单元的单元对称化的示意图;
图2示出了根据本发明的方法的子步骤,其包括选出用于确定单元对称化的需求的方法;
图3a示出了根据本发明的方法的另一子步骤,其示出了具有算出的误差的单元对称化的需求;以及
图3b示出了根据本发明的方法的另一子步骤,其示出了没有算出的误差的单元对称化的需求。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了两个各具有不同的容量的电池单元的单元对称化。在此,第一电池单元具有比第二电池单元更小的容量。这在图1中通过轴10、10'的高度来示出,其应分别表示充电状态。在此,在级别I中示出了如下状态:在该状态中,两个电池单元具有为50%的充电状态,因为当前充电状态A、A'恰好在最大值B、B'(比方说充满电)与最小值C、C'(比方说完全放电的电池单元)之间。
朝状态II对电池单元进行充电,其中在输送相同的电荷量的情况下,电池单元但是由于容量差异而不再具有相同的充电状态。这可以通过如下方式来识别:这两个充电状态A、A'不再在线12上,该线12应表明统一的充电状态。
为了朝状态III补偿充电状态,因此从具有较小容量的电池单元引离电荷,以便这些电池单元具有相同的充电状态。
如果电池单元现在朝状态IV以相同电荷量放电,则又由于电池单元的不同容量导致,充电状态不再是统一的。
为了朝状态V调整充电状态,在单元对称化的范畴中又可以电阻性地使电池单元放电。在此,通过前面执行的朝状态III的单元对称化而部分地提供了朝状态V的单元对称化的需求。
因此能识别出,在各个电池单元的容量未知并且单元对称化尤其是电阻性地朝向电池单元的共同的充电状态进行的系统中,整个要补偿的电荷可以是相对地说高的,因为常常不能排除经由补偿电阻引离不必要的电荷,该电荷远超过对不同的自放电的纯补偿。
为了防止这一点或者至少显著地降低这一点,根据前面所描述的方法基于关于所计算的对每个单元的单元对称化的需求ΔSOC(Zellei)的绝对误差Δ(ΔSOC(Zellei)),可以选择具有最小的绝对误差的计算方法。因此,可以选择如下方法:该方法的最大绝对误差在所有单元中是最小的。这在图2中示出。
图2在此平行于X轴纯示意性地示出了在如下条件之间的分界线:在所述条件中,方法1或2可有利地被应用。换言之在此应表示:存在其中方法1最佳地工作的区域I,并且存在其中方法2最佳地工作的区域II。对于“SOCBal”被设置到100并且在100%SOC的情况下确定电荷状态的补偿需求的情况,那么老化状态的测量误差没有意义(SOH*SOC-SOCBal)。如果在充电状态的值较小的情况下确定电荷状态的补偿的需求,那么测量误差对老化状态的确定的影响越来越有意义。
在图2中,第一方法可以基于如下的关系:
。
前面所描述的关系在此尤其是应描述电阻性的电荷补偿。为此,具有最小电荷Qmin的单元应被确定。所有其他单元接着被放电到该单元的水平,SOCmin和SOHmin因而是具有Qmin的单元的值,其余单元被放电到该值。
此外,第二方法可以基于如下关系:
。
从确定的SOC阈值起,方法2接着比方法1更精确,其中前面的描述仅为示例性的。
为了避免不必要的单元对称化,有利地使用针对单元对称化的需求ΔSOC(Zellei)的所算出的误差Δ(ΔSOC(Zellei)),用于激活单元对称化。
例如,当仅仅充电状态的偏差ΔSOC(Zellei)Bal被补偿时,基本上可以完全排除不必要的单元对称化,所述偏差的测量不可靠性Δ(ΔSOC(Zellei))完全被从需求测量ΔSOC(Zellei)Mess中减去。这在图3中示出并且可以通过如下等式来描述:
。
在此,在图3a中为了表示对用于单元对称化的激活阈值的确定而在x轴上示出了八个电池单元,其中在y轴上说明了单位为%的充电状态SOC。在此用画阴影线的框示出了算出单元对称化的需求的相对应的误差Δ(ΔSOC(Zellei)),并且在单元对称化的需求的误差ΔSOC(Zellei)Bal之上,其中两个框一起示出了包括误差ΔSOC(Zellei)Mess+Δ(ΔSOC(Zellei))在内的需求。
在图3b中又在x轴上示出了八个电池单元,其中在y轴上说明了单位为%的充电状态SOC。在此,现在仅示出了没有相应误差的要补偿的充电状态ΔSOC(Zellei)Bal。
测量中的不可靠性或潜在误差Δ(ΔSOC(Zellei))也可以经加权地被包括到需求的计算中,比方说借助于加权因子来包括:
ΔSOC(Zellei)Bal=ΔSOC(Zellei)Mess-Δ(ΔSOC(Zellei))*因子。
如果将小于1且大于0的因子选择作为加权因子,则以与该因子成比例的风险进行对称化,并且其中容忍有限程度的不必要的电荷补偿。然而,该风险可被减弱并可以被考虑用于补偿电阻的使用寿命预测。
Claims (10)
1.一种用于补偿多个电池单元的充电状态的方法,其具有如下方法步骤:
a)确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第一方法的潜在误差;
b)确定用于算出多个电池单元的充电状态的补偿需求的第二方法的潜在误差,其中第二方法与第一方法不同;
c)比较在方法步骤a)和b)中所确定的潜在误差;以及
d)基于通过具有较低的潜在误差的方法所算出的需求补偿多个电池单元的充电状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在第一方法中直接根据电池单元的充电状态算出用于补偿充电状态的需求。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在第二方法中基于电池单元的自放电率算出用于补偿充电状态的需求。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法,其特征在于,考虑修正因子,该修正因子基于电池单元的老化状态。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法,其特征在于,根据误差增大的方法来确定潜在误差。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法,其特征在于,在电池系统启动时算出针对补偿电池单元的充电状态的需求。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法,其特征在于,通过有针对性地使至少一个电池单元经由放电电阻放电来进行方法步骤d)。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法,其特征在于,在方法步骤d)中考虑所算出的潜在误差。
9.一种电池系统,其具有带有多个电池单元的电池模块,其中通过所述电池系统此外还能够算出电池单元的充电状态并且能够算出电池单元的自放电率,并且其中通过所述电池系统此外还能够补偿电池单元的充电状态,其特征在于,所述电池系统具有控制单元,该控制单元被构建为实施根据权利要求1至8之一所述的方法。
10.根据权利要求9所述的电池系统,其特征在于,所述电池系统具有用于选择性地使各个电池单元放电的放电电阻。
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