CN105917518A - 用于电池组的充电状态平衡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于具有多个电池组单元（2‑1，2‑2）的电池组的充电状态平衡的方法。在此规定：测定至少一个电池组单元（2‑1，2‑2）的充电状态值，测定所述至少一个电池组单元（2‑1，2‑2）的先前的充电状态值是否能够被更新的判定值，如果至少一个电池组单元（2‑1，2‑2）的先前的充电状态值是否能够被更新的判定值超出阈值，则更新所述至少一个电池组单元（2‑1，2‑2）的先前的充电状态值以便获得所述至少一个电池组单元（2‑1，2‑2）的当前的充电状态值，根据当前的充电状态值测定充电状态平衡需求值以及基于所测定的充电状态平衡需求值使至少一个电池组单元（2‑1，2‑2）放电。此外说明被设立用于执行所述方法的计算机程序和电池组管理系统以及电池组和机动车，所述机动车的驱动系统与这种电池组连接。

Description

用于电池组的充电状态平衡的方法
技术领域
本发明涉及用于具有多个电池组单元的电池组的充电状态平衡的方法。
此外说明被设立用于执行所述方法的计算机程序和电池组管理系统，以及电池组和机动车，所述机动车的驱动系统与这种电池组连接。
背景技术
在混合动力车辆和电动车辆中采用用镍金属混合技术或锂离子技术的电池组包，所述电池组包由大量串联的电化学电池构成。电池组管理系统用于监视所述电池组并且应当除了安全监视之外保障电池组的尽可能高的寿命。
电池组管理系统的任务是尽管不同的自放电和不同的充电效率仍使各个电池组单元的充电状态（State of Charge，SOC）相互协调。这例如通过电池组单元的合适的充电状态平衡（battery balancing）来实现，其一般来说电阻式地（resistiv）进行。这种电阻式充电状态平衡方法例如在DE 10 2009 002 466 A1中被描述。在该出版物中，也替代地描述电感式（induktiv）充电状态平衡方法。
DE 10 2008 002 100 A1示出用于车辆电池组的充电状态平衡的方法，其中电池的充电状态值通过优选地在静止阶段中的电压测量被测定。例如直接在动作“点火装置开（Zündung ein）”之后或者在激活执行测量的控制设备之后被视为合适的时间点。由各个电池的充电状态在另一步骤中计算电荷量，必须使每个电池放电所述电荷量，直至充电状态对应于最弱的电池的充电状态。
DE 10 2010 043 912 A1示出用于确定电池组的电池的充电状态的方法，其中交替地相继地实施用于电池平衡的算法和电池组状态识别。用于电池平衡的算法和电池组状态识别的交替的实施根据能够预给定的充电状态被终止。
除了各个电池组电池的不同的自放电速率之外，电池组电池的容量由于生产方差也彼此不同。该影响在寿命开始时是可忽略地小的，但是可能在寿命的过程中由于在电池老化的情况下的差异而变大并且导致多个百分比的容量差异。
发明内容
本发明的优点
在根据本发明的用于具有多个电池组单元的电池组的充电状态平衡的方法中规定：
a）测定至少一个电池组单元的充电状态值，
b）测定所述至少一个电池组单元的先前的充电状态值是否能够被更新的判定值，其中所述判定值至少依赖于所述至少一个电池组单元的先前的充电状态值并且依赖于所述至少一个电池组单元的所测定的充电状态值，
c）如果所述至少一个电池组单元的先前的充电状态值是否能够被更新的判定值超出阈值，则更新所述至少一个电池组单元的先前的充电状态值，以便获得所述至少一个电池组单元的当前的充电状态值，
d）根据当前的充电状态值来测定充电状态平衡需求值，以及
e）使所述至少一个电池组单元基于所测定的充电状态平衡需求值放电，
其中如果所测定的充电状态值比先前的充电状态值的所确定的百分率大，则所述判定值超出所述阈值。
判定值依赖于所测定的充电状态值相对于先前的充电状态值的比例。充电状态值因此不是周期性地而是有条件地被更新。而充电状态平衡可以完全周期性地被执行。替代于此或附加于此，充电状态平衡可以由事件、如状态“充电结束”来触发。大量的方法对于本领域技术人员来说是常见的。充电状态平衡在虽然进行了测量但没有进行更新时根据先前的充电状态值被执行，并且在进行了更新时根据所测定的充电状态值被执行。
另一优点是，所述方法独立于驾驶员概况（Fahrerprofil）、即电池组所遭受的功率概况（Leistungsprofil）来运行。
在独立权利要求1中所说明的方法的有利的改进方案和改善方案通过在从属权利要求中所提及的措施是可能的。
特别有利地，先前的充电状态值的所测定的百分率是大于或等于100%的固定数。优选100%和200%之间的百分率。
最后的测量的充电状态值因此仅在新的充电状态值高于最后所测量的充电状态值时才被改写。由此，针对充电状态平衡总是使用从最后的充电状态平衡起最高的充电状态值。通过该方法不是在电池组单元的任意的充电状态值的情况下、而是仅在按趋势高的充电状态值的情况下进行充电状态平衡。因此，利用本发明的措施，没有电荷不必要地被平衡。这尤其具有如下优点：充电状态平衡电子设备的器件没有不必要地被加热以及更快地老化。在充电状态平衡的情况下的温度偏移典型地可以为大概40K。此外避免焊接连接的快速的老化，所述老化通过由充电状态平衡造成的温度改变引起。
因此特别有利地在如下系统中采用所述方法，在所述系统中各个电池组单元的容量未知并且充电状态平衡像电阻式电池组充电状态平衡那样来进行。
根据一种优选的实施方式，判定值依赖于至少一个电池组单元的先前的充电状态值，依赖于至少一个电池组单元的所测定的充电状态值以及附加地依赖于所测定的充电状态值的测定时间点。
根据一种优选的实施方式，步骤a）中的充电状态值在电池组的静止阶段之后被测定。判定值对测定时间点的依赖性在此优选地发展为对静止阶段的持续时间的依赖性。由此可以实现：当充电状态值的变化几乎不值得一提时，在短的静止阶段的情况下更老的、更精确的测量不被更差的测量改写。静止阶段此外优选地通过电池组到操作运行状态中、例如到行驶运行中、到充电运行中的过渡或者通过充电状态平衡来终止。
根据一种优选的实施方式，在步骤e）中的放电之后重置电池组单元的当前的充电状态值。为了又具有电池组单元的充电状态值的有效值，可以直接在充电状态平衡之后进行至少一个电池组单元的充电状态值的新的初始的测量。特别有利的是，在电池组的每个功率周期因此也可以测定电池组的最高的充电状态值。
为了计算电池组单元的充电状态值（SOC，state of charge），一般基于电池组单元的模型。在此，例如根据电池组的开端电压（OCV，open circuit voltage（开路电压））和充电电流来测定充电状态值。
根据本发明此外提出一种计算机程序，根据所述计算机程序，当所述计算机程序在可编程的计算机装置上被实施时这里所描述的方法之一被执行。所述计算机程序尤其可以是用于实现电池组充电状态平衡系统的模块或者是用于实现车辆的电池组管理系统的模块。所述计算机程序可以被存储在机器可读存储介质上，例如被存储在永久性或可重写存储介质上或者在分配给计算机装置时，例如被存储在便携式存储器、如CD-ROM、DVD、UBS棒或存储卡上。附加或替代于此，所述计算机程序可以在计算机装置上、比如在服务器或云服务器上例如经由数据网、如因特网、或通信连接、比如电话线路或无线连接被提供用于下载。
根据另一方面，具有多个电池组单元的电池组的电池组管理系统包括：
用于测定至少一个电池组单元的充电状态值的单元，
用于测定至少一个电池组单元的先前的充电状态值能够被更新的判定值的单元，其中所述判定值至少依赖于所述至少一个电池组单元的先前的充电状态值并且依赖于所述至少一个电池组单元的所测定的充电状态值，
用于如果所述判定值超出阈值则更新所述至少一个电池组单元的先前的充电状态值以便获得至少一个电池组单元的当前的充电状态值的单元，
用于根据当前的充电状态值来测定充电状态平衡需求值的单元，
以及用于基于所测定的充电状态平衡需求值来控制所述至少一个电池组单元的放电的单元，
其中如果所测定的充电状态值大于先前的充电状态值的确定的百分率，则所述判定值超出所述阈值。
根据本发明此外提供电池组、尤其锂离子电池组或镍金属混合电池组，所述电池组包括电池组管理系统并且优选地能够与机动车的驱动系统连接，其中所述电池组管理系统如之前所描述的那样被构造和/或被设立用于实施根据本发明的方法。
术语“电池组”和“电池组单元”在本说明书中以与通常的语言惯用法相适配的方式被用于蓄电池或者蓄电池单元。电池组优选地包括一个或多个电池组单元，所述电池组单元可以表示电池组电池、电池组模块、模块支路或电池组包。在空间上被联合并且常常配备外壳或外罩的多个电池在此被称为电池组包。电池组电池在此优选地相互之间固定连接并且在电路技术上相互连接、例如串行地或并行地被接线成模块。多个模块可以被接线成所谓的电池组直接转换器（BDC，battery direct converter）并且多个电池组直接转换器可以被接线成所谓的电池组直接变换器（BDI，battery direct inverter）。
根据本发明此外提供具有这种电池组的机动车，其中所述电池组与所述机动车的驱动系统连接。优选地，所述方法被应用在电驱动的车辆中，在所述车辆中为了提供车辆的必要的驱动电压进行大量电池组电池的联接。
附图说明
本发明的实施例在附图中被示出并且在随后的描述中进一步被解释。
图1示出在经历过根据现有技术的充电状态平衡方法的情况下不同容量的两个电池组单元的示意图，
图2示出在两个示例性的行驶周期中充电状态关于时间的示意图，以及
图3示出电池组管理系统的示意图。
具体实施方式
图1示出两个电池组单元2-1、2-2，所述电池组单元具有不同的容量4。电池组单元2-1、2-2在五个不同的时间点t1,t2,…,t5被示出，所述电池组单元在所述时间点一般具有不同的充电状态值6。为了示出根据本发明的方法步骤的背景，在图1中示出了在经历过根据现有技术的充电状态平衡方法的情况下不同容量4的电池组单元2-1、2-2的示意图。电池组单元2-1、2-2在此沿着多个模型辅助线8、10、12、15、17被排成行，所述模型辅助线放射状地从参考点13出发。电池组单元2-1、2-2在此具有不同的充电状态值6。
在第一时间点t1，第一模型辅助线8经过容量4的50%的高度的充电状态值6，第二模型辅助线10经过容量4的100%的高度的充电状态值并且第三模型辅助线12经过容量4的0%的高度的充电状态值6。
在第一时间点t1，两个电池组单元2-1、2-2具有50%的高度的充电状态值6。在第一时间点t1和第二时间点t2之间进行两个电池组单元2-1、2-2的充电数值14的充电。因为电池组单元2-1、2-2具有不同的容量4，所以所述电池组单元在第二时间点t2具有不同的充电状态值6。这根据第四模型辅助线15变得明显，所述第四模型辅助线说明不同的电池组单元2-1、2-2的相同的充电状态6。
在第二时间点t2和第三时间点t3之间进行充电状态平衡。为此，第一电池组单元2-1电阻式地被部分放电，直到电池组单元2-1、2-2的两个充电状态值6位于第四模型辅助线15上，所述第四模型辅助线说明不同的电池组单元2-1、2-2的相同的充电状态值6。
在第三时间点t3和第四时间点t4进行电池组的操作运行，所述操作运行实际上意味着放电。使两个电池组单元2-1、2-2放电相同的放电数值（未示出）。因为两个电池组单元2-1、2-2具有不同的容量4，所以其充电状态值6相对地来看与通过第五模型辅助线17所表明的不相同，所述第五模型辅助线说明不同的电池组单元2-1、2-2的相同的充电状态值6。
在第四时间点t4和第五时间点t5之间又进行充电状态平衡。在此情况下，第二电池组单元2-2部分地被放电，以便达到统一的充电状态值6，这在第五时间点t5被示出。
根据图1可以看出：在时间点t5的第二充电状态平衡的情况下的平衡需求已部分地通过在时间点t3的第一充电状态平衡的情况下的平衡需求被完成。要平衡的总电荷在如下系统中是非常高的，在所述系统中各个电池组单元2-1、2-2的容量4未知并且朝着共同的充电状态值6进行电阻式充电状态平衡，因为电荷不必要地经由充电状态平衡电阻被排出，所述电荷远超过不同的自放电的纯平衡。如果电池组不断被平衡，使得全部的电池组单元2-1、2-2具有相同的充电状态值6，则电荷不仅仅不必要地经由平衡电阻被排出。同时也发生充电状态平衡单元的不必要地多的切换过程，所述不必要地多的切换过程导致电子设备的明显的寿命减少。
与此相反，根据本发明，仅当新的充电状态值6高于最后所测量的充电状态值时，最后的测量的充电状态值6才被改写。由此针对充电状态平衡总是使用从最后的充电状态平衡起最高的充电状态值6。充电状态平衡因此不是在电池组包的任意的充电状态值6的情况下进行，而是仅在按趋势高的充电状态的情况下进行，由此减少虚假需求充电状态平衡。在充电状态平衡之后先前的充电状态值测量应当是无效的。为了具有有效值，直接在充电状态平衡之后执行新的初始的测量。
因此，所述方法根据一种优选的实施方式包括步骤：
1、每个电池组单元的有条件的充电状态测量SOCi和SOCMIN=min(SOCi)i，
2、基于SOC测量来测定充电状态平衡需求值。
电池组单元i的要平衡的电荷：
Qi=Cnom*(SOCi-SOCMIN)，
其中Cnom为电池组单元2-1、2-2的标准容量。
3、在要放电的电荷Qi的持续时间内接通充电状态平衡单元。
图2示出运行中的电池组的充电状态SOC的示例性的变化过程20。在第一示例A）中首先设置了电池组的两个操作运行阶段22，在所述操作运行阶段之内电池组的充电状态降低。充电阶段24紧接操作运行阶段并且充电状态平衡阶段26紧接该充电阶段。在第二示例B）中进行第一操作运行阶段22、充电状态平衡阶段26、第二操作运行阶段22、充电阶段24和第二充电状态平衡阶段26。
在所介绍的方法中规定：在静止阶段结束之前测定充电状态值6。静止阶段的特色在于，除了自放电电流之外没有电流流经电池组单元2-1、2-2。充电阶段和行驶阶段因此不属于静止阶段，而是属于电池组的运行阶段。由此有利地充分使用：电池组单元处于静止状态中越久，则充电状态测量精度越低。
时间点t6至t10示例性地是如下时间点，在所述时间点中电池组单元2-1、2-2的充电状态值6被测定。第六时间点t6是第一操作运行阶段22的开始。第七时间点t7是充电状态平衡阶段26的开始。第七时间点t7同时是充电阶段24的结束。在第八时间点t8第一操作运行阶段22开始。在第九时间点t9第二操作运行阶段22开始或者第一充电状态平衡阶段26结束。在第十时间点t10第二充电状态平衡阶段26开始或者充电阶段24结束。
图3示出根据本发明的电池组管理系统28的示例性的图示，所述电池组管理系统被设立用于监视以及控制多个电池组单元2-1,2-2,…2-n。电池组单元2-1,2-2,…2-n和电池组管理系统28之间的通信经由作为到其通信信道32、例如到CAN总线的接口的合适的通信单元34、36来进行。电池组管理系统28替代地也可以通过测量线路直接连接到电池组单元2-1,2-2,…2-n上，使得经由总线的通信不是必需的。
电池组管理系统28具有用于测定至少一个电池组单元2-1,2-2,…2-n的充电状态值6的单元38。用于测定充电状态值6的单元38例如周期性地或通过该电池组管理系统通过命令被促使这样做来测定电池组单元2-1,2-2,…2-n的充电状态值6。
电池组管理系统28具有用于测定判定值的单元40。用于测定判定值的单元40接收用于测定电池组单元2-1,2-2,…2-n的充电状态值6的单元38的数据以及用于测定电池组单元2-1,2-2,…2-n的当前的充电状态值6的单元42的数据。单元40通过所测定的充电状态值6和当前的充电状态值6的比较以及在考虑测定时间点t6,…,t10或者先前的充电状态值6和所测定的充电状态值6的测定时间点t6,…,t10的差的情况下计算当前的充电状态值6是否能够被更新。如果情况如此，则用于测定判定值的单元40调用用于更新先前的充电状态值6的单元44，所述单元44更新先前的充电状态值6。
电池组管理系统28具有另外的用于测定充电状态平衡需求值的单元46，所述单元46根据当前的充电状态值6测定各个电池组单元2-1,2-2,…2-n的充电状态平衡需求值。当用于测定充电状态平衡需求值的单元46获得用于充电状态平衡的命令时，所述单元46通过在用于测定当前的充电状态值6的单元42处询问来测定充电状态平衡需求值。
用于测定充电状态平衡需求值的单元46在当前示例中此外与用于更新先前的充电状态值6的单元44耦合，例如以便考虑充电状态值6的更新的时间点。
电池组管理系统28此外具有用于基于所测定的充电状态平衡需求值来控制所述电池组单元2-1,2-2,…2-n的放电的单元48。用于控制电池组单元2-1,2-2,…2-n的放电的单元48接收用于测定充电状态平衡需求值的单元46的数据。用于控制放电的单元48被连接到与电池组单元2-1,2-2,…2-n通信的通信单元36上。
本发明不受限于这里所描述的实施例以及在其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求所说明的范围之内大量位于本领域技术人员的处理的范围中的修改是可能的。

Claims (9)

1.用于具有多个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的电池组的充电状态平衡的方法，所述方法具有下列步骤：
a）测定至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的充电状态值（6），
b）测定所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）是否能够被更新的判定值，其中所述判定值至少依赖于所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）并且依赖于所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的所测定的充电状态值（6），
c）如果所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）是否能够被更新的判定值超出阈值，则更新所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）以便获得所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的当前的充电状态值（6），
d）根据所述当前的充电状态值（6）来测定充电状态平衡需求值，以及
e）基于所测定的充电状态平衡需求值来使所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）放电，
其特征在于，如果所测定的充电状态值（6）比先前的充电状态值（6）的所确定的百分率大，则所述判定值超出所述阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述先前的充电状态值的所确定的百分率是大于或等于100%的固定数。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤a）中的充电状态值（6）在所述电池组的静止阶段之后被测定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述判定值依赖于所述静止阶段的持续时间。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤e）中的放电之后重置所述电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的当前的充电状态值（6）。
6.计算机程序，用于当所述计算机程序在可编程的计算机装置上被实施时执行根据权利要求1至5之一所述的方法之一。
7.具有多个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的电池组的电池组管理系统（28），所述电池组管理系统具有：
a）用于测定至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的充电状态值（6）的单元（38），
b）用于测定所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）是否能够被更新的判定值的单元（40），其中所述判定值至少依赖于所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）并且依赖于所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的所测定的充电状态值（6），
c）用于如果所述判定值超出阈值则更新所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的先前的充电状态值（6）以便获得所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的当前的充电状态值（6）的单元（44），
d）用于根据所述当前的充电状态值（6）来测定充电状态平衡需求值的单元（46），以及
e）用于基于所测定的充电状态平衡需求值来控制所述至少一个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）的充电状态的单元（48），
其中如果所测定的充电状态值（6）比先前的充电状态值（6）的所确定的百分率大，则所述判定值超出所述阈值。
8.电池组，所述电池组包括多个电池组单元（2-1,2-2,…2-n）和根据权利要求7所述的电池组管理系统（28）。
9.具有根据权利要求8所述的电池组的机动车，其中所述电池组与所述机动车的驱动系统连接。
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