CN109874360B - 能够进行高速单体平衡和节能的充电控制装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于节能和快速单体平衡的充电控制装置和方法。根据本发明，当多个电池单体中的任何一个达到完全充电状态时，暂停充电。另外，具有最低荷电状态的电池单体被确定为用于补充充电的目标，并且剩余的电池单体被确定为用于强制放电的目标。随后，执行包括补充充电和强制放电的单体平衡。当强制放电的电池单体当中的具有与补充充电的电池单体的荷电状态相同的荷电状态的电池单体的数量等于或大于参考数量时，停止单体平衡并且再次执行充电。每当多个电池单体中的任何一个达到完全充电状态时，反复执行单体平衡过程。本发明能够减少在通过强制放电执行单体平衡的过程中的能量浪费，并且减少将电池单体充电到完全充电状态所耗费的时间。

Description

能够进行高速单体平衡和节能的充电控制装置及其方法
技术领域
本公开涉及一种充电控制装置和方法，其在当对包括多个电池单体的高压电池完全充电时涉及的单体平衡期间具有节能和高速平衡的效果。
本申请要求于2017年1月10日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2017-0003759和于2018年1月8日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0002508的优先权，其公开内容通过引用被合并在此。
背景技术
电池在诸如移动电话、笔记本电脑、智能电话和智能面板的移动设备中使用，并且此外，它们的应用范围正在诸如电力驱动的车辆(EV、HEV、PHEV)或者大容量储能系统(ESS)等领域中迅速扩大。
安装在电动车辆中的高压电池包括串联连接的多个电池单体。在一些情况下，每个电池单体可以包括并联连接的多个单元单体。
这里使用的电池单体可以包括一个单元单体或多个并联连接的单元单体。单元单体指的是具有负电极端子和正电极端子的单个独立单体，并且能够物理上分离。例如，袋型锂聚合物电池可以被视为单元单体。
组成高压电池的电池单体不具有相同的电化学性质。另外，当高压电池的充电/放电循环次数增加时，每个电池单体的劣化程度不同，并且电池单体之间的性能差异增加。因此，在高压电池充电直到完全充电状态期间，每个电池单体的荷电状态以不同的速率增加。
这里，荷电状态是数字地指示基于完全充电容量到目前为止电池单体已经充电的容量比的参数。荷电状态被表达为0与1之间的数字或％。随着电池单体的充电/放电循环次数增加，完全充电容量缓慢降低。
在将高压电池充电直到完全充电状态期间，劣化的电池单体在荷电状态上以比较低劣化的电池单体更高的速度增加。这是因为劣化的电池单体的完全充电容量低于未劣化电池单体的完全充电容量。因此，在高压电池充电期间，每个电池单体的荷电状态彼此不同。
传统的高压电池充电技术包括暂时停止充电和执行电池平衡以减小电池单体之间的荷电状态的差异。
存在许多类型的单体平衡技术，并且由于简单电路配置的益处，主要使用强制放电具有较高荷电状态的电池单体的降压平衡技术。
然而，降压平衡具有以下问题；在电池平衡期间消耗能量。另外，当执行降压平衡时，所有电池单体的荷电状态减少，并且对电池单体完全充电所耗费的充电时间也增加。
图1是图示传统降压平衡技术的问题的概念图。
参考图1，n个电池单体被串联连接以形成高压电池。高压电池连接到用于充电的充电电源单元10。
每个电池单体分别连接到包括开关S1-Sn和放电电阻器R1-Rn的放电电路。当任何一个放电电路的开关被接通时，连接到相应的放电电路的电池单体被放电，并且电池单体的荷电状态被降低。
在图1中，在每个电池单体右侧上指示的数值表示荷电状态。第一单体和第n单体的荷电状态为100％，第二单体的荷电状态为90％，并且第n-1单体的荷电状态为80％。在n个电池单体中，第n-1个电池单体的荷电状态最低。每个电池单体中指示的阴影区域的高度表示荷电状态的大小，并且在下面也使用同样的方法。
当如图1中所示，在高压电池的充电期间第一单体和第n单体的荷电状态变成100％时，暂时停止充电并且通过强制放电的降压平衡过程被执行。这是因为，如果继续充电，则第一单体和第n单体被过度充电。
执行降压平衡，直到具有100％荷电状态的第一单体和第n单体的荷电状态和具有90％荷电状态的第二单体的荷电状态达到第n-1单体的最低荷电状态。
在降压平衡期间，包括在连接到第一单体、第二单体和第n单体的放电电路中的开关S1、S2、Sn保持导通状态，并且每个单体的荷电状态减少到80％。
在此过程中，第一单体和第n单体具有对应于20％荷电状态的能量消耗，并且第二单体具有对应于10％荷电状态的能量消耗。另外，因为所有电池单体的荷电状态降低到80％，所以对所有电池单体完全充电所耗费的时间也增加。因为所有电池单体的荷电状态降低到80％，所以完全充电状态(100％)与第一单体、第二单体和第n单体的荷电状态之间的差异大于执行降压平衡之前的差异。
同时，当所有电池单体的荷电状态变成80％时，再次开始充电。然而，即使在再次开始充电之后，再次发生其中某个电池单体的荷电状态首先达到100％的情况。
因此，通过再次对除具有最低荷电状态的电池之外的剩余电池放电，再次重复降压平衡过程以向下平衡荷电状态。在此过程中，再次发生上述问题。
发明内容
技术问题
在如上所述的现有技术的背景下设计本公开，并且因此，本公开针对提供一种改进的充电控制装置和方法，用于减少在高压电池的充电直到完全充电状态期间通过强制放电平衡各个电池单体的荷电状态的过程中的能量消耗并且进一步减少完全充电电池单体所耗费的时间。
技术解决方案
为了实现上述技术目的，根据本公开的高压电池的充电控制装置是用于控制包括串联连接的第一至第n电池单体的高压电池的充电的装置。
根据本公开的充电控制装置包括第一至第n放电电路，该第一至第n放电电路分别连接到第一至第n电池单体；高压充电线，通过该高压充电线向第一电池单体和第n电池单体施加高压充电功率，高压充电线包括高压充电开关单元；补充充电线，通过该补充充电线施加低压充电功率；第一至第n补充充电开关电路，该第一至第n补充充电开关电路分别连接到第一至第n电池单体，以将补充充电线选择性地连接至第一至第n电池单体中的至少一个；以及控制单元，该控制单元与高压充电开关单元、第一至第n放电电路以及第一至第n补充充电开关电路电耦合。
优选地，控制单元被配置成：(a)计算第一至第n电池单体的荷电状态，(b)当在第一至第n电池单体的充电期间第一至第n电池单体中的至少一个达到完全充电状态时，切断高压充电开关单元，(c)将第一至第n电池单体中的具有最低荷电状态的至少一个确定为用于补充充电的目标，并且将剩余的电池单体确定为用于强制放电的目标，(d)操作连接到被确定为用于强制放电的目标的每个电池单体的放电电路，以强制放电相应的电池单体，并且同时，操作连接到被确定为用于补充充电的目标的电池单体的补充充电开关电路，以将相应的电池单体连接到补充充电线以对电池单体进行补充充电，以及(e)当在强制地放电的电池单体当中，出现具有与被补充充电的电池单体相同的荷电状态的任何电池单体时，停止连接到相应的电池单体的放电电路的操作并且操作连接到相应的电池单体的补充充电开关电路。
在一个实施例中，第一至第n放电电路中的每一个可以包括放电开关和放电电阻器，并且第一至第n补充充电开关电路中的每一个可以包括充电开关。
根据另一方面，控制单元可以被配置成，(f)当在强制放电和补充充电期间具有相同的荷电状态的电池单体的数量等于或大于参考数量时，停止所有放电电路和所有补充充电开关电路的操作，并且接通高压充电开关单元。
根据又一方面，控制单元可以被配置成，反复地执行(a)至(f)的控制逻辑，直到第一至第n电池单体的荷电状态达到完全充电状态。
优选地，控制单元可以被配置成，随着要被补充充电的电池单体的数量的增加而增加参考数量。
优选地，根据本公开的控制装置可以包括：电压测量单元，该电压测量单元测量第一至第n电池单体的电压；电流测量单元，该电流测量单元测量第一至第n电池单体的充电电流或放电电流的大小；以及温度测量单元，该温度测量单元测量第一至第n电池单体的温度，并且控制单元可以被配置成，使用第一至第n电池单体的测量的电压值、测量的电流值和测量的温度值来计算和监视每个电池单体的荷电状态。
优选地，根据本公开的充电控制装置还可以包括连接器单元，该连接器单元与充电电源单元相耦合，并且高压充电线和补充充电线连接到该连接器单元，并且补充充电线可以包括变压器以降低通过连接器单元施加的充电电压。
在将变压器包括在连接器单元中不存在限制。
优选地，连接器单元可以包括：输入端子，从充电电源单元延伸的高压充电电缆连接到该输入端子；第一输出端子，高压充电线连接到该第一输出端子；以及第二输出端子，补充充电线连接到第二输出端子。
为了实现上述技术目的，根据本公开的高压电池的充电控制方法是用于控制包括串联连接的第一至第n电池单体的高压电池的充电的方法，并且可以包括：第一步骤，通过向第一电池单体和第n电池单体施加高压充电功率来对高压电池充电；第二步骤，计算和监视第一至第n电池单体的荷电状态；第三步骤，当在第一至第n电池单体的充电期间第一至第n电池单体中的至少一个达到完全充电状态时，停止施加高压充电功率；第四步骤，将第一至第n电池单体中的具有最低的荷电状态的至少一个确定为用于补充充电的目标，并且将剩余的电池单体确定为用于强制放电的目标；第五步骤，操作连接到被确定为用于强制放电的目标的每个电池单体的放电电路，以强制放电相应的电池单体，并且同时，操作连接到被确定为用于补充充电的目标的各个电池单体的补充充电开关电路，以将相应的电池单体连接到补充充电线以对电池单体进行补充充电；第六步骤，识别在强制地放电的电池单体当中的具有与被补充充电的电池单体相同的荷电状态的电池单体；以及第七步骤，停止连接到被识别的电池单体的放电电路的操作并且操作连接到相应的电池单体的补充充电开关电路。
根据另一方面，根据本公开的充电控制方法还可以包括第八步骤，当在强制放电和补充充电被同时执行时，具有相同的荷电状态的电池单体的数量等于或者大于参考数量时，停止所有放电电路和所有补充充电开关电路的操作；和第九步骤，再次施加高压充电功率。
优选地，根据本公开的充电控制方法可以包括反复地执行第一至第九步骤，直到第一至第n电池单体的荷电状态达到完全充电状态。
根据又一方面，根据本公开的充电控制方法还可以包括随着要被补充充电的电池单体的数量的增加而增加参考数量。
本公开的技术目的还可以通过包括根据本公开的充电控制装置的电池组和电池管理系统来实现。
有益效果
根据本公开，随着时间的推移，用于补充充电的目标电池单体的数量增加，同时用于强制放电的目标电池单体的数量减少。最终，所有电池单体的荷电状态达到100％。另外，因为在执行单体平衡时同时执行强制放电和补充充电，随着所有电池单体的荷电状态平均增加来执行单体平衡。因此，能够减少在单体平衡期间通过强制放电消耗的能量的量，并且减少完全充电电池单体所耗费的时间。
附图说明
附图图示本公开的实施例，并且与以下详细描述一起，用作以提供对本公开的技术方面的进一步理解，并且因此，本公开不应被解释为限于附图。
图1是图示传统降压平衡技术的问题的概念图。
图2是示出根据本公开的实施例的高压电池的充电控制装置的实施例的框图。
图3是示出根据本公开的实施例的用于通过控制单元控制高压电池的充电的方法的详细流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。在描述之前，应理解，说明书和所附权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于一般和词典含义，而是基于允许发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则基于对应于本公开的技术方面的含义和概念来解释。因此，这里描述的实施例和附图中示出的图示仅仅是本公开的实施例，但是并不旨在完全描述本公开的技术方面，因此应理解，可以在实施本发明时可以进行各种其他的等同和修改。
在下面描述的实施例中，电池指的是锂二次电池。这里，锂二次电池统称为二次电池，其中锂离子在充电和放电期间充当工作离子，在正电极和负电极处引起电化学反应。
同时，应解释为尽管二次电池的名称取决于锂二次电池中使用的电解质或隔膜的类型、被用于封装二次电池的封装类型以及锂二次电池的内部或外部结构而不同，但锂二次电池涵盖使用锂离子作为工作离子的任何二次电池。
本公开还可以应用于除了锂二次电池之外的二次电池。因此，应将其解释为本公开涵盖可以应用本公开的技术方面的任何二次电池，而不管其类型如何，即使工作离子不是锂离子。
另外，应注意，电池单体可以指的是并联连接的单元单体或多个单元单体。
图2是图示根据本公开的实施例的高压电池的充电控制装置的实施例的框图。
参考图2，根据本公开的实施例的充电控制装置20是用于控制高压电池21的充电的装置，该高压电池21包括串联连接的第一至第n电池单体B1、B2、......、Bn-1、Bn。
在一个方面，充电控制装置20包括连接器单元30。连接器单元30可以从外部充电电源单元31拆卸/附接到外部充电电源单元31。
在示例中，当高压电池21是安装在电动车辆中的电池时，连接器单元30可以是设置在电动车辆中的充电连接器。另外，充电电源单元31可以是用于电动车辆的充电器。
优选地，连接器单元30包括输入端子32，从充电电源单元31输出的高压充电功率被施加到输入端子32。
另外，连接器单元30包括第一输出端子33，其输出高压充电功率以在高压电池21的充电期间同时对第一至第n电池单体B1、B2、......、Bn-1、Bn充电。
另外，连接器单元30包括第二输出端子34，其输出补充充电功率，以在高压电池21充电直到完全充电状态期间执行电池平衡时对至少一个未强制放电的电池单体进行补充充电。第一输出端子33连接到高压充电线23，并且第二输出端子34被连接到补充充电线24。
在一方面，从第一输出端子33和第二输出端子24输出的充电功率的大小可以相等。在这种情况下，可选地，补充充电线24可以进一步包括变压器35，以将充电功率降低到能够补充充电至少一个电池单体的水平。可以基于通过补充充电线24补充充电的电池单体的数量事先确定变压器35的功率转换比率。可以在1到n-1的范围内选择能够补充充电的电池单体的数量。这里，n是电池单体的总数。
变压器35可以包括在连接器单元30中，与附图中所示的相反。在这种情况下，变压器35被电连接在输入端子32和第二输出端子34之间，以将通过输入端子32供应的充电功率转换成补充充电功率。
充电控制装置20包括分别连接到第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的第一至第n放电电路D1、D2、......、Dn-1、Dn。
优选地，第一放电电路D1包括放电开关S1和放电电阻器R1。类似地，第二放电电路D2包括放电开关S2和放电电阻器R2。类似地，第n-1放电电路Dn-1包括放电开关Sn-1和放电电阻器Rn-1。类似地，第n放电电路Dn包括放电开关Sn和放电电阻器Rn。尽管未示出，但是第三放电电路D3至第n-2放电电路Dn-2具有相同的配置。
另外，充电控制装置20包括高压充电线23，在高压充电线23上设置高压充电开关单元22，以向第一电池单体B1和第n电池单体Bn施加高压充电功率。高压充电线23与连接器单元30的第一输出端子33电耦合。
另外，充电控制装置20包括补充充电线24，以当通过强制放电方法执行单体平衡时对未被强制放电的至少一个电池单体进行补充充电。补充充电线24与连接器单元30的第二输出端子34电耦合。
另外，充电控制装置20包括分别连接到第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的第一至第n补充充电开关电路C1、C2、...、Cn-1、Cn，以将补充充电线24选择性地连接到从第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn选择的一个或多个电池单体。
优选地，第一补充充电开关电路C1包括分别连接到第一电池单体B1的正电极和负电极的第一开关C1,1和第二开关C1,2。类似地，第二补充充电开关电路C2包括第一开关C2,1和第二开关C2,2。类似地，第n-1个补充充电开关电路Cn-1包括第一开关Cn-1,1和第二开关Cn-1,2。类似地，第n补充充电开关电路Cn包括第一开关Cn,1和第二开关Cn,2。尽管未示出，但是第三补充充电开关电路C3至第n-2补充充电开关电路Cn-2具有相同的配置。
另外，充电控制装置20包括控制单元25，该控制单元25被与高压充电开关单元22；第一至第n放电电路D1、D2、...、Dn-1、Dn以及第一至第n补充充电开关电路C1、C2、...、Cn-1、Cn电耦合。
这里，电耦合指的是其中控制单元25与高压充电开关单元22、第一至第n放电电路D1、D2、...、Dn-1、Dn和第一至第n补充充电开关电路C1、C2、...、Cn-1、Cn电耦合以主动地控制高电压充电开关单元22、第一至第n放电电路D1、D2、...、Dn-1、Dn和第一至第n补充充电开关电路C1、C2、...、Cn-1、Cn的操作的情况。
优选地，控制单元25输出控制高压充电开关单元22的接通或切断的信号。另外，控制单元25输出可以单独地控制在第一至第n放电电路D1、D2、...、Dn-1、Dn中包括的放电开关S1、S2、......、Sn-1、Sn的接通或切断的信号。另外，控制单元25输出可以单独控制在第一至第n补充充电开关电路C1、C2、......、Cn-1、Cn中包括的第一开关C1,1、C2,1、...、Cn-1,1、Cn,1和第二开关C1,2、C2,2、......、Cn-1,2、Cn,2的接通或切断的信号。
优选地，充电控制装置20可以包括存储单元29。存储单元29不限于特定类型，只要它是能够记录和擦除信息的存储介质。
例如，存储单元29可以是RAM、ROM、EEPROM、寄存器、闪存、硬盘、光学记录介质或磁记录介质。
存储单元29还可以例如通过数据总线电连接到控制单元25，以允许控制单元25访问存储单元29。
存储单元29还存储和/或更新和/或擦除和/或发送包括由控制单元25执行的各种控制逻辑的程序，和/或当执行控制逻辑时创建的数据。
存储单元29可以在逻辑上被分成两个或更多个，并且在没有限制的情况下可以包括在控制单元25中。
优选地，充电控制装置20包括电压测量单元26，以测量第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的电压；电流测量单元27，以测量用于第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电电流或者放电电流的大小；以及温度测量单元28，以测量第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的温度。
电压测量单元26与控制单元25电耦合，以发送和接收电信号。电压测量单元26在控制单元25的控制下以一定的时间间隔测量施加在每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的正电极和负电极之间的电压，并且向控制单元25输出指示测量的电压的大小的信号。控制单元25根据从电压测量单元26输出的信号确定每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的电压，并且在存储单元29中存储所确定的电压。
电压测量单元26包括本领域常用的电压测量电路，例如差分放大器。用于测量每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的电压的电压测量单元26的电路配置对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在此省略其详细描述。
电流测量单元27与控制单元25电耦合，以发送和接收电信号。电流测量单元27在控制单元25的控制下以一定的时间间隔反复地测量每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电电流或放电电流的大小，并且向控制单元25输出指示测量的电流的大小的信号。控制单元25根据从电流测量单元27输出的信号确定电流的大小，并且将确定的电流值存储在存储单元29中。
电流测量单元27包括本领域中常用的霍尔传感器或感测电阻器。霍尔传感器或感测电阻器可以安装在其中电流流过的线路上，例如，高压充电线23。当电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn串联连接时，控制单元25使用电流测量单元27测量流过高压充电线23的充电电流或放电电流，并且可以将测量的电流值确定为电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电电流或放电电流。用于测量每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电电流或放电电流的大小的电流测量单元27的电路配置对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在此省略其详细描述。
温度测量单元28与控制单元25电耦合以发送和接收电信号。温度测量单元28以一定的时间间隔反复地测量每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的温度，并将指示测量的温度的标度的信号输出到控制单元25。控制单元25根据从温度测量单元28输出的信号确定每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的温度，并且将所确定的温度值存储在存储单元29中。
温度测量单元28包括本领域常用的热电偶。用于测量每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的温度的温度测量单元28的电路配置对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在此省略其详细描述。
优选地，控制单元25可以在其充电或放电期间计算和监视第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn中的每一个的荷电状态(SOC)。
在一个方面，控制单元25可以通过对被存储在存储单元29中的每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电电流和放电电流进行积分来估计每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态。
当每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电或放电开始时，可以使用在充电或放电开始之前测量的每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的电压来确定荷电状态的初始值。在充电或放电开始之前测量的电压对应于开路电压。
为此，存储单元29包括开路电压-荷电状态查找表，其定义每个开路电压的荷电状态，并且控制单元25可以从查找表映射对应于每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的开路电压的荷电状态。映射的荷电状态可以被设置为每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态的初始值。
在另一方面，控制单元25可使用扩展卡尔曼滤波器计算每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态。扩展卡尔曼滤波器指的是使用电池单体的电压、电流和温度自适应地估计电池单体的荷电状态的数学算法。
例如，对于使用扩展卡尔曼滤波器估计荷电状态，可以参考Gregory L.Plett的论文“基于LiPB的HEV电池组的电池管理系统的扩展卡尔曼滤波第1、2和3部分”(电源杂志134，2004，252-261)，其公开内容可以通过引用被合并在此。
可以通过用于选择性地使用每个电池单体的电压、温度和电流来估计荷电状态的其他已知方法以及上述的电流积分方法或扩展卡尔曼滤波器来确定每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态。
存储单元29可以存储与每个电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的完全充电容量相关联的数据。完全充电容量被用于计算荷电状态。完全充电容量可以由控制单元25在对高压电池充电直到从完全放电状态到完全充电状态的同时计算，并且存储在存储单元29中。完全充电容量可以通过电流积分方法确定。
可替选地，可以通过本公开所属的技术领域中已知的其他方法来确定完全充电容量。具体地，控制单元25在荷电状态至多改变预设的参考百分比(％)的同时确定通过电流测量单元27的电流总量，。另外，控制单元25可以在荷电状态的变化量是100％的条件下转换所确定的总电流量，并且将转换后的总电流量确定为完全充电容量。
当连接器单元30连接到充电电源单元31时，控制单元25开始对高压电池21充电，并且当将高压电池21充电到完全充电状态同时一起执行下面描述的电池平衡。
图3是示出根据本公开的实施例的用于控制单元25控制高压电池的充电的方法的详细流程图。
如图3中所示，在S10中，当充电开始时控制单元25接通安装在高压充电线23上的高压充电开关单元22(S10)。然后，充电电流流过第一至第n电池单体B1、B2、......、Bn-1、Bn，并且第一至第n电池单体B1、B2、......、Bn-1、Bn的充电开始。
可以根据从充电电源单元31发送的充电发起请求信号来进行充电的开始。为了接收充电发起请求信号，连接器单元30可以包括通信接口(参见图2中的项目36)，并且控制单元25可以电耦合以通过通信接口36发送和接收电信号。可替选地，当控制单元25识别出连接器单元30与充电电源单元31的连接时，可以进行充电的开始。
在S20中，在高压电池21充电期间，控制单元25计算并且监视第一至第n电池单体B1、B2、......、Bn-1、Bn的荷电状态。可以使用电流积分方法或扩展卡尔曼滤波器计算荷电状态。
为了计算荷电状态，控制单元25可以控制电压测量单元26、电流测量单元27和温度测量单元28，以规则的时间间隔获取第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的电压、电流以及温度数据并且将其周期性地记录在存储单元29中。另外，控制单元25可以使用所获取的数据使用电流积分方法或者扩展卡尔曼滤波器计算第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态，并且将其记录在存储单元29中。
在S30中，在第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的充电期间，通过参考第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态，控制单元25确定第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn中的至少一个是否达到其完全充电状态(100％)。
当S30中的确定结果为是时，在S40中，控制单元25切断高压充电开关单元22以暂时停止充电。相反，当S30中的确定结果为否时，控制单元25移动到S50以持续保持高压电池21的充电。
当在S40中暂时停止充电时，在S60中，控制单元25比较第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态，并且确定具有最低荷电状态的电池单体作为用于补充充电的目标，并且确定剩余的电池单体作为用于强制放电的目标。
在图2中所示的示例中，如果假设第一电池单体B1、第二电池单体B2、第n-1电池单体Bn-1和第n电池单体Bn的荷电状态分别是100％、90％、80％和100％，可以将第n-1电池单体Bn-1确定为用于补充充电的目标，并且可以将第一电池单体B1、第二电池单体B2和第n电池单体Bn确定为用于强制放电的目标。
随后，在S70中，控制单元25操作连接到被确定为用于强制放电的目标的电池单体的放电电路，以强制地放电相应的电池单体。为了放电电路的操作，控制单元25接通包括在放电电路中的放电开关。
同时，在S80中，控制单元25操作连接到被确定为用于补充充电的目标的电池单体的补充充电开关电路，以将相应的电池单体连接到补充充电线24以执行补充充电。对于补充充电开关电路的操作，控制单元25接通包括在补充充电开关电路中的充电开关。
在S70和S80中，当同时执行强制放电和补充充电时，强制放电的电池单体的荷电状态减少，并且被补充充电的电池单体的荷电状态增加。
在S70和S80之后，在S90中，控制单元25对时间进行计数并且确定预定的时间段是否流逝。当S90中的确定结果为是时，控制单元25执行下一处理，并且当S90中的确定结果为否时，控制单元25保持处理。这里，预定时间段可以对应于在其期间控制单元25反复地计算荷电状态的周期，并且可以设置为数个或数十个毫秒。
当在S90中确定为是时，在S100中，控制单元25通过电压测量单元26、电流测量单元27和温度测量单元28获取第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的电压、电流和温度数据，并且将其记录在存储单元29中，并且使用电流积分法、扩展卡尔曼滤波器等计算和监视第一至第n电池单体B1、B2、...、Bn-1、Bn的荷电状态。
随后，在S110中，控制单元25确定被强制放电的任何电池单体是否具有与被补充充电的电池单体相同的荷电状态。
当在S110中确定为是时，控制单元25将处理移动到S120。相反，当在S110中确定为“否”时，控制单元25将处理移至S90以继续执行强制放电和补充充电。
当在S110中确定为是时，在S120中，控制单元25确定具有相同的荷电状态的电池单体的数量是否等于或大于参考数量。在本步骤中，具有相同的荷电状态的电池单体的数量是2。一个是最初被确定为用于补充充电的目标的电池单体，并且另一个是具有变成等于在强制放电期间补充充电的电池单体的荷电状态的电池单体。考虑到变压器35的性能，在2到n-1的范围内选择参考数量。这里，n是电池单体的总数。优选地，参考数量可以是固定的，以及可以设置为随着在S60中被确定为补充充电的目标的电池单体的数量的增加而增加。例如，参考数量可以被设置为比用于补充充电的目标电池单体的数量至少大1。当参考数量是可变的时，参考数量可以在单体平衡期间逐渐增加。参考数量可以由控制单元250改变。
当S120中的确定结果为否时，在S140中，控制单元25计算所有电池单体的荷电状态并将处理移至S60。相反，当S120中的确定结果为是时，执行S130。在S140中，可以通过使用上述方法来执行荷电状态的计算。同时，当执行S110和S120的时间短于反复计算荷电状态的周期时，可以将在S140中计算的所有电池单体的荷电状态设置为在S100中计算的所有电池单体的荷电状态。
在S120中，当参考数量是2时，当用于补充充电的目标电池单体的荷电状态和用于强制地放电的目标电池单体中的任何一个的荷电状态彼此相等时，控制单元25立即将处理移动到S130。
在S140之后，在S60中，控制单元25再次确定用于强制放电的目标和用于补充充电的目标。因此，在S60中，被强制地放电的电池单体当中的具有变成与被补充充电的电池单体的荷电状态相等的荷电状态的电池单体被另外指定为用于补充充电的目标。在这种情况下，参考数量可以增加到3。该参考数量比用于补充充电的目标电池单体的数量(两个)大1。
在图2中所示的示例的情况下，在S70和S80中，第n-1电池单体Bn-1被补充充电，并且第一电池单体B1、第二电池单体B2和第n电池单体Bn被强制放电。在这种情况下，第二电池单体B2的荷电状态变得等于首先补充充电的第n-1电池单体Bn-1的荷电状态。因此，当再次执行S60时，第二电池单体B2和第n-1电池单体Bn-1被确定为用于补充充电的目标，并且第一电池单体B1和第n电池单体Bn被确定用于强制放电的目标。
随后，控制单元25基本上以与上述相同的方式执行强制放电和补充充电(S70，S80)。另外，控制单元25以规则的时间间隔计算和监视所有电池单体的荷电状态(S100)。另外，控制单元25确定用于强制放电的任何目标电池单体是否具有与用于补充充电的(一个或多个)目标电池单体相同的荷电状态(S110)。另外，控制单元25确定具有相同的荷电状态的电池单体的数量是否等于或大于参考数量(S120)。当S120中的确定结果为否时，处理移至S60。因此，反复地执行上述步骤，直到在强制放电和补充充电期间具有相同的荷电状态的电池单体的数量达到参考数量。参考数量可以固定为一个值，或者可以改变为通过将在S60中确定的用于补充充电的目标电池单体的数量加1而获得的值。
同时，当S120中的确定结果为是时，在S130中，控制单元25确定所有电池单体的荷电状态是否为100％。
当S130中的确定结果为是时，控制单元25确定高压电池达到其完全充电状态并且终止充电过程。相反，当S130中的确定结果为否时，控制单元25将处理移至S10以接通高压充电开关单元22以再次开始对所有电池单体充电。因此，当电池单体中的一个达到其完全充电状态时，再次执行根据本公开的一并包括强制放电和补充充电的单体平衡。
根据本公开，随着时间的推移，用于补充充电的目标电池单体的数量增加，同时用于强制放电的目标电池单体的数量减少。最终，所有电池单体的荷电状态达到100％。
另外，因为在执行单体平衡时同时地执行强制放电和补充充电，随着所有电池单体的荷电状态平均增加来执行单元平衡。因此，能够减少在单体平衡期间通过强制放电消耗的能量的量，并且减少完全充电电池单体所耗费的时间。
作为具体示例，假设其中当对四个电池单体充电时的情形，电池单体的荷电状态在特定时间点为100％、90％、80％和85％。
在这种情况下，传统的电池平衡方法强制地放电具有100％、90％和85％的荷电状态的所有电池，以将所有电池单体的荷电状态调节到80％。因此，此过程涉及对应于荷电状态总变化量的35％的能量消耗。消耗的能量通过放电电路转换成热量。另外，随着所有电池单体的荷电状态降低至80％，与完全充电容量的差异平均增加，并且完全充电电池单体所耗费的时间也增加。
相反，根据本公开的实施例，对具有80％荷电状态的电池单体进行补充充电，并且强制地放电具有100％、90％和85％荷电状态的电池单体。另外，当出现具有与被补充充电的电池单体的荷电状态相同的荷电状态的电池单体时，停止强制放电并且对相应的电池单体执行补充充电。另外，随着时间的推移，再次出现具有与被补充充电的电池单体相同的荷电状态相同的电池单体，停止强制放电并且对相应的电池单体执行补充充电。当通过此过程具有相等荷电状态的电池单体的数量达到参考数量时，停止强制放电和补充充电，并且再次开始所有电池单体的充电。每当任何电池单体在充电期间达到完全充电状态时反复地执行该过程，并且结果，所有电池单体的荷电状态达到100％。
在本公开中，控制单元25可以可选地包括本领域已知以执行上述各种控制逻辑的处理器、专用集成电路(ASIC)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器和数据处理设备。另外，当控制逻辑以软件实现时，控制单元25可以实现为程序模块的组件。在这种情况下，程序模块可以存储在存储器中，并且由处理器执行。存储器可以在处理器的内部或外部，并且可以通过各种公知的计算机组件连接到处理器。另外，存储器可以包括在本公开的存储单元29中。另外，存储器统称为其中存储信息的设备，不管设备的类型如何，并且不指代特定的存储器设备。
另外，可以组合控制单元25的各种控制逻辑中的至少一个，并且可以将组合控制逻辑写入计算机可读代码系统中并记录在计算机可读记录介质中。记录介质不限于特定类型，只要其能够由包括在计算机中的处理器访问。例如，记录介质包括从由ROM、RAM、寄存器、CD-ROM、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备组成的组中选择的至少一个。另外，代码系统可以以分布式方式在经由网络连接的计算机上存储和执行。此外，用于实现组合控制逻辑的功能程序、代码和代码段可以由本公开所属的技术领域中的程序员容易地推断。
根据本公开的上述充电控制装置可以包括在电池管理系统中。电池管理系统控制与电池的充电和放电有关的整个操作，并且是本领域中称为电池管理系统(BMS)的计算系统。
另外，根据本公开的充电控制装置可以包括在电池组中。电池组包括至少串联连接的多个电池单体、其中容纳电池单体的壳体、以及其中安装有充电控制装置的框架。在对电池单体充电直到完全充电状态期间，可以通过根据本公开的充电控制装置有效地平衡包括在电池组中的多个电池单体的荷电状态。
在描述本公开的各种实施例时，应理解，由“
Figure BDA0001863566820000221
单元”指定的组件是在功能上而不是在物理上分类的元件。因此，每个组件可以选择性地与其他组件组合，或者可以被划分成子组件，以有效地执行(一个或多个)控制逻辑。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，尽管组合或划分组件，如果确认功能的相同性，被组合或者划分的组件应被解释为在本公开的范围中。
尽管已经关于有限数量的实施例和附图在上文中描述了本公开，但是本公开不限于此，并且应理解，本领域的技术人员可以在本发明的技术方面和随附的权利要求的等同范围内进行各种修改和变化。
工业实用性
根据本公开，随着时间的推移，用于补充充电的目标电池单体的数量增加，而用于强制放电的目标电池单体的数量减少。最终，所有电池单体的荷电状态达到100％。另外，因为在单体平衡被执行时强制放电和补充充电同时地执行，随着所有电池单体的荷电状态平均增加来执行单体平衡。因此，能够减少在单体平衡期间通过强制放电消耗的能量的量，并且减少完全充电电池单体所耗费的时间。

Claims (14)

1.一种充电控制装置，用于控制包括串联连接的第一电池单体至第n电池单体的高压电池的充电，所述充电控制装置包括：
第一放电电路至第n放电电路，所述第一放电电路至所述第n放电电路分别连接到所述第一电池单体至所述第n电池单体；
高压充电线，通过所述高压充电线向所述第一电池单体和所述第n电池单体施加高压充电功率，所述高压充电线包括高压充电开关单元；
补充充电线，通过所述补充充电线施加低压充电功率；
第一补充充电开关电路至第n补充充电开关电路，所述第一补充充电开关电路至所述第n补充充电开关电路分别连接到所述第一电池单体至所述第n电池单体，以将所述补充充电线选择性地连接至所述第一电池单体至所述第n电池单体中的至少一个；以及
控制单元，所述控制单元与所述高压充电开关单元、所述第一放电电路至所述第n放电电路以及所述第一补充充电开关电路至所述第n补充充电开关电路电耦合，
其中所述控制单元被配置成：
(a)计算所述第一电池单体至所述第n电池单体的荷电状态，
(b)当在所述第一电池单体至所述第n电池单体的充电期间所述第一电池单体至所述第n电池单体中的至少一个达到完全充电状态时，切断所述高压充电开关单元，
(c)将所述第一电池单体至所述第n电池单体中的具有最低荷电状态的至少一个确定为用于补充充电的目标，并且将剩余的电池单体确定为用于强制放电的目标，
(d)操作连接到被确定为用于强制放电的目标的每个电池单体的放电电路，以强制放电相应的电池单体，并且同时，操作连接到被确定为用于补充充电的目标的电池单体的补充充电开关电路，以将相应的电池单体连接到所述补充充电线以对该电池单体进行补充充电，以及
(e)当在强制地放电的电池单体当中，出现具有与被补充充电的电池单体相同的荷电状态的任何电池单体时，停止连接到相应的电池单体的放电电路的操作并且操作连接到相应的电池单体的补充充电开关电路。
2.根据权利要求1所述的充电控制装置，其中所述第一放电电路至所述第n放电电路中的每一个包括放电开关和放电电阻器，并且
所述第一补充充电开关电路至所述第n补充充电开关电路中的每一个包括充电开关。
3.根据权利要求1所述的充电控制装置，其中所述控制单元被配置成，(f)当在强制放电和补充充电期间具有相同的荷电状态的电池单体的数量等于或大于参考数量时，停止所有放电电路和所有补充充电开关电路的操作，并且接通所述高压充电开关单元。
4.根据权利要求3所述的充电控制装置，其中所述控制单元被配置成，反复地执行(a)至(f)的控制逻辑，直到所述第一电池单体至所述第n电池单体的荷电状态达到完全充电状态。
5.根据权利要求3所述的充电控制装置，其中所述控制单元被配置成，随着要被补充充电的电池单体的数量的增加而增加所述参考数量。
6.根据权利要求1所述的充电控制装置，还包括：
电压测量单元，所述电压测量单元测量所述第一电池单体至所述第n电池单体的电压；
电流测量单元，所述电流测量单元测量所述第一电池单体至所述第n电池单体的充电电流或放电电流的大小；以及
温度测量单元，所述温度测量单元测量所述第一电池单体至所述第n电池单体的温度，
其中所述控制单元被配置成，使用所述第一电池单体至所述第n电池单体的测量的电压值、测量的电流值和测量的温度值来计算和监视每个电池单体的荷电状态。
7.根据权利要求1所述的充电控制装置，还包括：
连接器单元，所述连接器单元与充电电源单元相耦合，并且所述高压充电线和所述补充充电线连接到所述连接器单元，并且
所述补充充电线包括变压器以降低通过所述连接器单元施加的充电电压。
8.根据权利要求7所述的充电控制装置，其中所述连接器单元包括：输入端子，从所述充电电源单元延伸的高压充电电缆连接到所述输入端子；第一输出端子，所述高压充电线连接到所述第一输出端子；以及第二输出端子，所述补充充电线连接到所述第二输出端子。
9.一种电池管理系统，包括根据权利要求1所述的充电控制装置。
10.一种电池组，包括根据权利要求1所述的充电控制装置。
11.一种充电控制方法，用于控制包括串联连接的第一电池单体至第n电池单体的高压电池的充电，所述充电控制方法包括：
第一步骤，通过向所述第一电池单体和所述第n电池单体施加高压充电功率来对所述高压电池充电；
第二步骤，计算和监视所述第一电池单体至所述第n电池单体的荷电状态；
第三步骤，当在所述第一电池单体至所述第n电池单体的充电期间所述第一电池单体至所述第n电池单体中的至少一个达到完全充电状态时，停止施加所述高压充电功率；
第四步骤，将所述第一电池单体至所述第n电池单体中的具有最低的荷电状态的至少一个确定为用于补充充电的目标，并且将剩余的电池单体确定为用于强制放电的目标；
第五步骤，操作连接到被确定为用于强制放电的目标的每个电池单体的放电电路，以强制放电相应的电池单体，并且同时，操作连接到被确定为用于补充充电的目标的各个电池单体的补充充电开关电路，以将相应的电池单体连接到补充充电线以对该电池单体进行补充充电；
第六步骤，识别在强制地放电的电池单体当中的具有与被补充充电的电池单体相同的荷电状态的电池单体；以及
第七步骤，停止连接到被识别的电池单体的放电电路的操作并且操作连接到相应的电池单体的补充充电开关电路。
12.根据权利要求11所述的充电控制方法，还包括：
第八步骤，当在强制放电和补充充电被同时执行时，具有相同的荷电状态的电池单体的数量等于或者大于参考数量时，停止所有放电电路和所有补充充电开关电路的操作；和
第九步骤，再次施加所述高压充电功率。
13.根据权利要求12所述的充电控制方法，其中包括反复地执行所述第一步骤至所述第九步骤，直到所述第一电池单体至所述第n电池单体的荷电状态达到完全充电状态。
14.根据权利要求12所述的充电控制方法，还包括：
随着要被补充充电的电池单体的数量的增加而增加所述参考数量。
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