CN107863789B - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源系统，被并联连接的多个电池组的每一个具备可充放电的电池列、串联设置在电池列的继电器、以及用于检测电池列的状态的检测部，当循环电流低于解除允许电流时，用于控制各电池组的主控制部关闭电池组的继电器，并且根据检测部的检测结果，使得循环电流最多流入的电池组的与SOC相当的值越高解除允许电流越小。通过使用本发明的电源系统，能够降低再启动时不允许并联连接的可能性。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及一种电源系统。
背景技术
将具有可充放电的电池列和监视控制对电池列进行的充放电的电池监控系统(BMS：Battery Management System)的电池组例如安装在混合动力汽车、电动汽车等上，安装在车辆上的电池组通过由车辆的发电机(再生装置)产生的电力来充电。为了使作为具有电池组的电源系统整体的容量增大，在电源系统内设置多个电池组，并通过接通在各电池组中相对于组电池串联设置的继电器，还进行多个电池组的并联连接。此时，当电池组之间在电池列的合计电压存在电位差ΔV时，与电位差ΔV相应地在电池组之间产生循环电流，当循环电流的强度超过电池组所能承受的最大电流时，可能会导致继电器出现故障。在专利文献1中，公开了只有当电位差ΔV在一定值以下时才允许将电池组相互连接的情况。
当关闭具有并联连接的多个电池组的电源系统时，首先，使设备停止运转，在此之上，最终必须关闭在各电池组中设置的继电器。当在使设备停止运转等而在设备和电源系统之间电流变为0或几乎不再流动的时点在电池组之间在电池列的合计电压产生电位差时，与该电位差相应地会有在电池组间循环的循环电流流动。当以大循环电流流动状态打开各电池组内的继电器时，在电池组间的合计电压的电位差会被保存，这也是产生下次启动电源系统时的上述循环电流的原因。在专利文献2中，公开了如下的情况：为了寻求在关闭设备时使电池组间的电压均等化，在将电源系统从设备方面电断开之后，在一段时间内保持接通各电池组内的继电器，从而使循环电流处于流动状态，在经过了规定时间后再关闭电池组内的继电器。
现有技术文献
专利文献1：日本特表2013-524748号公报
专利文献2：日本特开2011-72153号公报
即使在如专利文献2所述通过在规定时间持续流动循环电流以寻求使多个电池组间的电压均等化的情况下，循环电流也未必会完全消失，当在该状态下关闭继电器时，在组间还会有电位差，有时在下次启动时不能满足可进行并联连接的条件。还有一个问题是，如果将规定时间设定得很长，直到该规定时间结束，无法关闭系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现系统关闭时间最优化及降低在下次启动时不允许并联连接的可能性的电源系统。
根据本发明的一实施方式的电源系统是一种具有将多个电池组并联连接并且对多个电池组进行控制的控制装置的电源系统，其特征在于，电池组具备可充放电的电池列、串联设置在所述电池列的继电器、以及用于检测所述电池列的状态的检测装置，当在多个电池组之间流动的循环电流低于解除允许电流时，控制装置控制将多个电池组的各自的所述继电器关闭，并且根据检测装置的检测结果，使得循环电流最多流入的电池组的与SOC(State of Charge)相当的值越高，解除允许电流越小。
优选与SOC相当的值为循环电流最多流入的电池组的SOC(State of Charge)值或循环电流最多流入的电池组的电压值。优选电池列由多个单位电池串联连接而成，单位电池包括一个电池单元或并联连接的多个电池单元。优选循环电流最多流入的电池组的SOC(State ofCharge)值为该组内的单位电池的SOC值，并且是最大SOC值。优选循环电流最多流入的电池组的电压值为该组内的单位电池的电压值，并且是最大电压值。优选多个电池组的每一个具有监视控制该电池组的电池监控系统，并且在多个电池组中的一个设置的电池监控系统为包括控制装置的主电池监控系统。
根据本发明的电源系统，能够实现系统关闭时间最优化及降低在下次启动时不允许并联连接的可能性。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的电源系统的结构的框图；
图2是说明电源系统的整体动作的流程图；
图3是示出用于防止锂析出的条件的曲线图；
图4A～4D是说明循环电流的图；
图5A～5C是说明停止电源系统的充电的动作的图；以及
图6示出电源系统的其他实施方式。
符号说明
1负荷/再生设备
10电源系统
11，12电池组
21，22电池列
30，31，32BMS(电池监控系统)
34主控制部(控制装置)
41，42继电器
50集成控制单元
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是示出本发明的一实施方式的电源系统的框图。图1所示的电源系统10例如与为负荷并且具有发电功能(或电力再生功能)的负荷/再生设备1连接，向负荷/再生设备1供给电力并通过来自负荷/再生设备1的电力充电。负荷/再生设备1与电源系统10通过一对电力线3，4连接。图中，向负荷/再生设备1供给的电力或流向电源系统的充电电流流过的路径用粗线表示。为了使负荷/再生设备1与电源系统10可电断开，在电力线3，4分别插入有继电器5，6。为了减少将电源系统10与负荷/再生设备1连接时的突入电流，将预充电继电器7与预充电阻8串联连接，但相对于继电器5并联设置。经由信号线52与电源系统10连接有设备控制单元2，该设备控制单元2控制安装有该电源系统10的整体设备(例如车辆等)，特别是控制负荷/再生设备1。设备控制单元2还控制继电器5，6和预充电继电器7的开关。
在电源系统10中，设置有相互并联连接并与电力线3，4连接的多个电池组。在此，电池组是指包括电池列和BMS，不必包括外壳或冷却装置等。所示图中设置有两个电池组11，12，但电池组的数量也可以为3个以上。电池组11具备电池列21和主BMS(电池监控系统)31，电池组12具备电池列22和从BMS32。电池列21，22具有将多个单体电池串联连接的结构。作为单体电池可以使用任何种类的二次电池单元，但在以下的说明中，将各单体电池设为锂离子二次电池单元。由于将电池组11，12并联连接，所以各电池组11，12中所包含的电池列21，22中的单体电池的串联级数相同。优选将电池组11，12的标称容量也设为相同。
BMS(Battery Management System)31，32具有监视具备该BMS31，32的电池组11，12内的电池列21，22并对每个电池组11，12进行控制的功能。特别是主BMS31还对电源系统10中所包含的电池组11，12的整体进行控制。当将在电源系统10设置的电池组的数量设为3个以上时，第三个以后的电池组与电池组12同样，具备电池列和从BMS。从BMS32通过信号线51与主BMS31连接。来自设备控制单元2的信号线52也与主BMS31连接。
在电池组11中，除了电池列21和主BMS31以外，还设置有继电器41、继电器42、电流传感器(A)43、电压传感器(V)44、以及温度传感器(T)45。继电器41与电力线3和电池列21的正侧端子可断开地连接,继电器42与电力线4和电池列21的负侧端子可断开地连接，电流传感器(A)43测量在电池列21中流动的电流，电压传感器(V)44测量电池列21的每个单体电池的端子电压，温度传感器(T)45测量电池列21的每个单体电池或每一组单体电池的温度。传感器43～45的测量值被送至主BMS31，主BMS31根据被送来的测量值控制电池组11的继电器41，42的开关。同样，在电池组12中也设置有继电器41，42、电流传感器43、电压传感器44、以及温度传感器45。在电池组12中，传感器43～45的测量值被送至从BMS32，电池组12的继电器41，42由接受了主BMS31的指令的从BMS32的输出来控制。
接着，使用图2并参照图1和图5A对电源系统10的整体动作进行说明。在此，对安装在车辆上的电源系统10进行说明。在步骤91，当车辆的点火开关接通时，各BMS31，32根据控制设备单元2的指令进行启动处理，以启动电源系统10。主BMS31和从BMS32通过各从控制部33测量电池组的总电压并将测量结果发送至主控制部34。主控制部34测量各电池组间的电位差，并在判断为电位差小于规定值的情况下，向各从控制部33发送接通继电器41，42的指令。BMS31，32接通(导通)继电器41，42，并将其状态信号发送至控制设备单元2，从而控制设备单元2接通(导通)预充电继电器7、继电器5，6。之后，在步骤92，BMS31，32测量各电池组11，12的电池列21，22的充电/放电电流、构成电池列21，22的各单体电池的电压和温度，在步骤93，根据测量结果计算电池列21，22的SOC(State ofCharge：充电状态)、SOP(StateofPower：电力状态)以及OCV(Open Circuit Voltage：开放电路电压)，在步骤94，将这些数据发送至上位系统(例如设备控制单元)。在步骤95，为了在车辆的点火开关处于接通状态期间重复步骤92～94的处理，判断点火开关是否处于关闭状态。如果判断点火开关保持在接通状态，则处理返回至步骤92，如果点火开关处于关闭状态，则在步骤96执行各BMS31，32的停止处理。执行停止处理结束后，电源系统10变成完全停止状态，从而一系列的处理结束。步骤91～96的处理伴随点火开关的接通和关闭的动作重复执行。
例如在电池组包括由多个锂离子二次电池单元构成的电池列的情况下，作为多个电池组的并联连接的可能条件，有通过再启动时的循环电流充电的电池组的任一个单体电池都不会发生锂析出这样的条件。已知电流流入的(即被充电的)电池组的SOC(StateofCharge：充电状态)值越大，锂析出在越小的电流中发生，所以SOC值越大，连接条件变得越严格。在本实施方式中，设定为循环电流流动量最大的电池组(由循环电流最大程度充电的电池组)的SOC值越大，关闭继电器的条件变得越严格，由此，即通过将循环电流充分减小而使电池组间的电位差ΔV变小，降低了下次启动时当将电池组相互并联连接时因电压差而导致不允许并联连接的可能性。具体而言，在本实施方式的电源系统10中，为了在下次点火开关接通时的步骤91的启动处理中能够将电池组11，12相互并联连接，设定为在步骤96的停止处理中，在多个电池组11，12之间流动的循环电流Ic最多流入的电池组的SOC值越高，解除允许电流Is的值越小，当循环电流Ic低于解除允许电流Is时，控制将各电池组11，12的各自的继电器41，42关闭。对继电器41，42的关闭的控制由主BMS31进行，针对电池组12内的继电器41，42，进行用于接受来自主BMS31的指令，从而从BMS32关闭的操作。
接着，对单体电池为锂离子二次电池单元的情况下，在本实施方式中成为用于确定解除允许电流Is的必要条件的、锂向负极的析出进行说明。当电流I沿充电方向向单体电池流动时，根据条件不同，有时锂向负极析出。锂析出是否会发生能够根据充电电流I与单元的SOC的关系进行判断。一般来说，只要充电电流I大，即使是小SOC也会发生锂析出。如图3中粗线所示，只要将横轴设为充电电流I，将纵轴设为SOC，当使温度为一定时，不发生锂析出的范围的上限表示为向右下降的曲线或直线。将该曲线或直线称为析出界限线。另外，因为温度T越高，锂析出越不容易发生，所以，在将横轴设为充电电流I，将纵轴设为端子电压V的曲线图中，温度越高，析出界限线越位于上侧。在此，通过单体电池的SOC进行考虑，但由于具有当SOC増加时，单元的端子电压(严密地说，开放电路电压(OCV))也单调増加的关系，所以取代SOC，通过单元的端子电压考虑亦为相同。在低温侧，析出界限线向低SOC侧移动，这表明即使电流I相同并且SOC也相同，也可能会发生因温度变化而出现锂析出。
图4A～4D是说明电池组11，12并联连接时的循环电流的图，将图1所示的电路简化为等价电路图示出。在图4A～4D中，将继电器5，6和预充电继电器7一起用主开关MS表示，将电池组11内的继电器41，42一起用开关SW1表示，将电池组12内的继电器41，42一起用开关SW2表示。将电池列11，12的内部电阻分别作为电阻R1，R2来表示。因此，电池组11通过将电阻R1、电池列21和开关SW1串联连接来表示，电池组12通过将电阻R2、电池列22和开关SW2串联连接来表示。包括电源系统10和负荷/再生设备1的结构表示为经由主开关MS将电池组11和电池组12并联连接于负荷/再生设备1的结构。此外，在图4B～4D中，为避免附图繁杂，未示出表示电源系统10和电池组11，12的框线。
图4A示出通过合上(接通)主开关MS和开关SW1，SW2，从外部即从负荷/再生设备1用充电电流I向电源系统10充电的状态。此时，在电池组11的充电电流是I1，在电池组12的充电电流是I2，I＝I1+I2成立。当在内部电阻R1，R2出现不均衡时，充电电流I1，I2也会变得不均衡，在电池列11，12，SOC也会变成不同，电池列11，12的OCV也会变成不同。在此，如图4B所示，当将主开关MS打开(关闭)时，来自负荷/再生设备1的充电停止。将在此时点的电池列21，22的端子电压分别设为E1，E2，当设为因内部电阻R1，R2的不均衡而导致E1≠E2时，通过Ic＝(E2－E1)/(R1+R2)表示的循环电流Ic在电池组11，12之间流动。循环电流Ic随着时间的经过逐渐变小。
之后，如图4C所示，在循环电流Ic的值下降到某一值的时点，将开关SW1，SW2关闭，从而结束在步骤96(图2)所示的停止处理。将即将关闭开关SW1，SW2之前的循环电流的值设为Ik。通过关闭开关SW1，SW2，电池组11，12的并联连接被解除，从而循环电流停止，但电池组11，12之间的电位差保持不变，SOC也保持不变。当在下次接通点火开关，开始如步骤91(图2)所示的启动处理时，如图4D所示，接通开关SW1，SW2，从而将电池组11，12并联连接。电池组11，12的各自的电压或SOC从结束上一次的停止处理的时点开始实质上没有变化，所以，当接通开关SW1，SW2时流动的循环电流与即将接通之前关闭开关SW1，SW2时流过的电流Ik几乎相等。
在此，对在从关闭开关SW1，SW2时到再次接通之间周围温度从T1降低到T2的情况进行考虑。即将关闭开关SW1，SW2之前的SOC为SOCk、循环电流为Ik，在图3所示的曲线图中由SOCk和Ik所定的点A即使处于在温度T1的析出界限线以下，该点A也有可能处于在温度T2的析出界限线的上侧。析出界限线的上侧是在负极有可能会发生锂析出的区域，所以其结果是，由于电源系统10的周围温度下降，再启动时有可能会发生锂析出。在本实施方式的电源系统10，考虑到启动时能想到的最差温度(低温侧的温度)，将在停止处理中关闭继电器41，42(即开关SW1，SW2)时的解除允许电流设定为Is，从而使得即使在这种最差温度下，也不会因循环电流而发生锂析出。
图5A～5C示出电源系统10的停止处理的具体动作。图5A简化示出图1所示的电路，与图4A～4D同样，将继电器5，6和预充电继电器7一起用主开关MS表示，将电池组11内的继电器41，42一起用开关SW1表示，将电池组12内的继电器41，42一起用开关SW2表示。主BMS31具备从控制部33和主控制部34，从控制部33是进行只与电池组11相关的监视和控制的部分，主控制部34是对电源系统10的整体进行控制的部分。从BMS32只对设置有该从BMS32的电池组12进行监视和控制即可，所以只具备与在主BMS31设置的从控制部同样的从控制部33。电池组12的电流传感器43、电压传感器44和温度传感器45的测量值被提供给电池组12的从控制部33。
如图5B所示，当点火开关被关闭时，设备控制单元2对电池组11以及经由电池组11对电池组12下达执行用于关闭开关SW1，SW2的计算的指令。
如图5B的步骤101所示，各从控制部33根据每个电池列21，22的电流值、各单元的电压和温度，计算对应的电池组的各单元的SOC。然后，各从控制部33将对应的电池组中的电流值I、对应的电池组中所包含的各单元的SOC中的最大值SOCmax发送至主控制部34。在步骤102，主控制部34确定电流流入的电池组(充电电池组)，并且利用充电电池组中的SOCmax设定解除允许电流Is。具体而言，如图5C所示，利用将解除允许电流Is设定成SOCmax越大则变得越小的映射。接着，在步骤103，利用电流计43测量循环电流Ic，在步骤104，判断是否循环电流Ic低于解除允许电流Is。如果Ic＜Is，在步骤105，主控制部34经由电池组11，12的从控制部33进行关闭继电器41，42的控制，从而结束停止处理，若非如此，则返回至步骤101重复处理。
图5C是说明本实施方式中的解除允许电流Is的确定方法的图，与图3同样，通过将横轴设为充电电流I、将纵轴设为单元的SOC示出析出界限线。析出界限线根据温度沿图示上下方向移动，但如图中粗实线所示，能够考虑根据目前的温度的析出界限线或在下次启动时假定的最差温度(换而言之，假定的最低温度)的析出界限线。因此，在本实施例中，考虑将在下次启动时假定的最差温度的析出界限线上又添加了边线的、在图中用粗波浪线示出的析出界限线作为阈值计算用析出界限线，将使SOCmax与阈值计算用析出界限线相切得到的电流设为解除允许电流Is。阈值计算用析出界限线也表示为SOC越大电流I越小的曲线，所以SOCmax越大则可获得越小的解除允许电流Is。主控制部34将表示每个温度的析出界限线的数据以映射或表格的形式保持，通过计算并使用在与最差温度对应的析出界限线上又添加了边线的阈值计算用析出界限线，确定解除允许电流Is。
如以上所作的说明，在本实施方式中，确定解除允许电流Is，当循环电流Ic低于解除允许电流Is时关闭继电器41，42，并且设定为因循环电流Ic而变成充电状态的电池组的单元中具有最大SOC值的单元的SOC值越高，解除允许电流Is(关闭的阈值)越小(越严格)，通过如此设定，能够减小组间的电压差，从而在对进行下次启动时的并联连接进行判断时，难以变得不允许。另外，通过设定为变成充电状态的电池组的SOC越低，解除允许电流Is变得越大(缓和)，能够缩短直至继电器关闭为止的时间。此外，在根据电池组的最大SOC求出解除允许电流Is时，也考虑到电池组的温度，因此，能够控制因温度变化而导致的锂析出。
在本实施方式中，对设置有两个电池组11，12的情况下的控制进行了详细说明，但在将三个以上的电池单元并联连接的情况下，根据这些电池单元中循环电流最多流入的电池组内的单元的SOC，进行使得该SOC值越高则解除允许电流值越小的控制即可。另外，在本实施方式中，对设定为SOC值越高则解除允许电流值Is越小的情况进行了说明，但由于单元电压与SOC值之间存在SOC越大则单元电压也单调变大的关系，所以也能够取代SOC值，进行使用单元电压的控制。如果从单元电压与SOC的关系来看，也可以说着眼于单元电压的控制亦为着眼于SOC的控制，因此，在本实施方式中，使得在多个电池组之间流动的循环电流最多流入的电池组的与单元最大SOC相当的值越高则解除允许电流值越小的设定中，也包括使得在多个电池组之间流动的循环电流最多流入的电池组的电池单元最大端子电压越高则解除允许电流值越小的设定。
在图1和图5A～5C所示的电源系统10中，在电源系统10内设置的多个电池组11，12中的一个电池组11配置了主BMS31，在剩下的电池组12配置了从BMS32，但应用本发明的电源系统不限于此。图6示出了应用本发明的电源系统10的其他例。在图6所示的电源系统10中，在各电池组11，12配置了只具有从控制部33的功能的BMS30，与电池组11，12分开地设置了集成控制单元50。集成控制单元50具有作为主控制部34的功能，通过信号线51与各BMS30连接，并且还与来自设备控制单元2的信号线52连接。在图6所示的电源系统10，当执行图5B所示的处理时，BMS30执行步骤10的处理，集成控制单元50执行步骤102～105的处理。
在至此所述的实施方式中，对利用继电器5～7(或主开关MS)将负荷/再生设备1电断开之后停止电源系统10的流程进行了说明，但同样适用于通过停止负荷/再生设备1而实质上在电源系统10和负荷/再生设备1之间电流为0或电流几乎消失之后停止电源系统10的情况。另外，以串联连接为例对电池列22进行了说明，但只要每组的内部电阻大致相同，即使是将串联连接和并联连接进行组合的串并联连接也可以适用。例如，也可以利用如下通过该串并联连接而成的电池列：将多个单位电池串联连接，单位电池由一个电池单元(上述的一实施方式)或并联连接的多个电池单元构成。在这种情况下，循环电流最多流入的电池组的SOC(State ofCharge)值优选为该组内的单位电池的SOC值，并且是最大的SOC值。另外，关于循环电流最多流入的电池组的电压值，优选为该组内的单位电池的电压值，并且是最大的电压值。

Claims (6)

1.一种具有将多个电池组并联连接并且对所述多个电池组进行控制的控制装置的电源系统，其特征在于，
所述电池组具备可充放电的电池列、串联设置在所述电池列的继电器、以及用于检测所述电池列的状态的检测装置，
当在所述多个电池组之间流动的循环电流低于解除允许电流时，所述控制装置控制将所述多个电池组的各自的所述继电器关闭，并且根据所述检测装置的检测结果，使得所述循环电流最多流入的电池组的与SOC(State of Charge)相当的值越高，所述解除允许电流越小。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，
所述与SOC相当的值是所述循环电流最多流入的电池组的SOC(State of Charge)值或所述循环电流最多流入的电池组的电压值。
3.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，
所述电池列由多个单位电池串联连接而成，所述单位电池包括一个电池单元或并联连接的多个电池单元。
4.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于，
所述循环电流最多流入的电池组的SOC(State of Charge)值是该组内的所述单位电池的SOC值，并且是最大SOC值。
5.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于，
所述循环电流最多流入的电池组的电压值是该组内的所述单位电池的电压值，并且是最大电压值。
6.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，
所述多个电池组的每一个具有监视控制该电池组的电池监控系统，并且在所述多个电池组中的一个设置的电池监控系统是包括所述控制装置的主电池监控系统。
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