CN110049896A - 选择用于平衡电能存储组的储能单体的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于选择候选储能单体的方法，该候选储能单体用于平衡包括多个储能单体(3)的电能存储组(1)。该方法包括：计算(S212)对所选择组单体的平衡动作导致未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态低于较低阈值当前荷电状态或高于较高阈值当前荷电状态的概率，该概率指示多余泄漏或过充电。该概率基于所述单体的每个单体的未来荷电状态和统计不准确度。如果该概率指示不太可能发生多余泄漏或过充电，则选择(S214、S214')该组单体作为用于平衡动作的候选者。本发明还涉及对应的系统和车辆。

Description

选择用于平衡电能存储组的储能单体的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种选择用于平衡电能存储组的储能单体的装置/方法和对应的系统以及车辆。

本发明能够被应用在任何混合动力车辆或电动车辆。尽管将关于电动公共汽车描述本发明，但是本发明不限于该特定车辆，而是还可以用在其它混合动力车辆或电动车辆，诸如电动卡车、电气施工设备和电动汽车。

背景技术

电池正变为为车辆提供推进力的更常见的动力源。这种电池通常是可充电电池，并且由多个电池单体组成，这些电池单体可以串联和/或并联形式连接，从而形成用于车辆的完整电池组。电池组的质量很大程度上取决于每个电池单体的质量，这对电池单体的生产质量提出了严格的要求。然而，尽管电池单体的质量很高，但所述电池单体可以具有在一定程度上不同的容量，并且由于例如每个电池单体的不同操作温度，所以电池单体的老化也可以有所不同。另外，单独电池单体的动态特性(例如，单体之间的自放电)的差异导致电池组的不均匀电荷水平分布。

总的来说，电池单体的荷电状态最终将分开，从而导致不均匀的荷电状态分布，这限制了电池组的操作性能。例如，电池组的放电能力将受到具有最低荷电状态的电池单体的限制，这因此限制了整个电池组的性能。

为了避免荷电状态的不均匀分布，可以对所选择的电池单体进行充电或放电，以便均衡电池单体的荷电状态，该过程也被称为平衡。US2006/0097698公开了一种用于单体均衡的方法，所述单体均衡用于均衡电池组的荷电状态，以便使来自该电池组的可用电力最大化。US2006/0097698公开的方法基于对电池单体的荷电状态进行分级，并根据该分级消耗电荷或向电池单体添加电荷。

然而，电池组的电池单体的荷电状态的估计与估计误差相关联，这使得电池组的均衡变得复杂。因此，难以准确地确定电池单体之间的相对荷电状态。在例如US2006/0097698中提出的均衡方法没有考虑这种因素。因此，关于电池组的平衡存在改进的空间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于选择候选储能单体的方法和系统，所述候选储能单体用于平衡电能存储组，由此选择的候选储能单体是基于避免候选单体的多余泄漏或过充电的概率。该目的至少部分地通过根据权利要求1的方法实现。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于选择候选储能单体的方法，所述候选储能单体用于平衡包括用于电动车辆的多个储能单体的电能存储组，该方法包括以下步骤：a)估计所述储能单体中的每个储能单体的荷电状态；b)从所述多个储能单体中选择一组储能单体；c)估计所选组中的储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态，所述未来荷电状态由相应的储能单体的平衡动作所导致；d)计算估计出的未来荷电状态中的每个未来荷电状态的统计不准确度；e)确定所述多个储能单体中的较低阈值当前荷电状态，或者确定所述多个储能单体中的较高阈值当前荷电状态；f)计算对所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态低于较低阈值当前荷电状态的概率，该概率由此指示多余泄漏，该概率基于所述储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度，或者计算对所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态高于较高阈值当前荷电状态的概率，该概率由此指示对至少一个储能单体的过充电，该概率基于所述储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度，其中，g)如果该概率指示不太可能发生多余泄漏或过充电，则选择该组储能单体作为用于平衡作用的候选者，并且对另一组储能单体重复步骤b)至g)，其中，对于多个另外的组重复步骤b)至e)。

因此，选择一组电能存储单体，为其估计未来的荷电状态。根据指示未来荷电状态低于较低阈值荷电状态或大于较高阈值荷电状态的概率条件来检查所选储能单体的未来荷电状态。该概率条件包括估计出的未来荷电状态的统计不准确度。只有当该概率指示所选择的储能单体的未来荷电状态不会导致过充电的储能单体或多余的泄漏时，才选择该组所选择的单体作为用于平衡动作的候选者。在后续过程中确定为实际平衡动作选择哪些单体。

平衡动作可以是储能单体的充电或放电。充电包括添加来自外部能量源或从能量回收系统，或者来自多个储能单体中的电荷重新的分配的电荷。放电包括通过例如放电电路移除电荷或从多个储能单体中的电荷的再分配移除电荷。

本发明基于以下认识：如果存在单体的多余泄漏或过充电的风险，则储能单体可以不经受平衡。多余泄漏意味着最初的高荷电状态单体变为具有比最初的低荷电状态单体低的荷电状态的单体。可以认识到，对可能经受平衡的单体的选择是基于发生多余泄漏或过充电的概率来选择。利用这种方法，即使对于操作中的车辆也能够有利地执行平衡，这在车辆不工作时提供较少的对于平衡的需求，从而为车辆提供增加的操作时间。只要车辆可操作或者储能组可操作用于平衡，该方法就可以连续运行。

应该注意的是，有可能仅在多余泄漏情况下独立于过充电情况执行该方法，或者反之亦然。

该组储能单体可以是单个储能单体或多个储能单体。

根据一个实施例，较低阈值当前荷电状态可以是不在所选组中的储能单体中的一个储能单体的当前荷电状态。换句话说，该较低阈值当前荷电状态可以处于不包括在所选组的储能单体中的荷电状态的范围中。特别地，根据本发明的另一个实施例，较低阈值当前荷电状态可以是多个储能单体中的最小当前荷电状态。由此，以较高的确定性避免了多余泄漏。该多余泄漏特别意味着最初的高荷电状态单体变为与最初的最低荷电状态单体相比，具有较低的荷电状态的单体。此外，较高当前荷电状态是所述多个储能单体中的最大当前荷电状态。

替代地，较低阈值当前荷电状态可以是预定的荷电状态阈值水平，其可以是高于最小荷电状态的荷电状态值，或者较低当前荷电状态可以替代地是基于具有储能组的最低荷电状态中的阈值数量的储能单体(例如具有最低的荷电状态的单体的10％)的荷电状态的平均值。

类似地，较高当前荷电状态可以是预定的荷电状态值，其可以低于或高于储能单体的最高荷电状态，或者所述较高当前荷电状态可以基于平均荷电状态，所述平均荷电状态是具有储能组的最高荷电状态的储能单体的荷电状态的平均值，例如，具有最高荷电状态的10％单体的平均值。优选地，较高当前荷电状态低于或等于理论上最高的荷电状态。

根据一个实施例，选择一组储能单体可以包括选择具有最高荷电状态的阈值数量的储能单体。例如，首先根据该方法选择并测试具有最高荷电状态的储能单体。接下来，根据该方法，将具有最高荷电状态的两个单体作为一组进行选择和测试。通过选择具有最高荷电状态的单体避免了对具有比高荷电状态单体更低的荷电状态的单体的不必要测试，从而获得更有效的候选单体选择，这是因为未测试一些单体组合。例如，在不泄漏具有最高荷电状态的单体的同时，泄漏(例如放电)不具有最高荷电状态的单体是不利的。

在一个实施例中，可以替代地随机选择一组储能单体。

根据一个实施例，该方法可以包括：创建二进制字符串，该二进制字符串包括用于所选择的储能单体的一和用于多个储能单体中的未被选择的储能单体的零，并且存储代表被选择作为用于平衡动作的候选者的一组储能单体的二进制字符串。由此，提供了表示在多个单体中的所选单体的有利且直接的方式。例如，二进制字符串为[1 0 0 0 0 .... 0]表示根据概率条件选择仅第一个单体(“1”)进行测试，而[1 1 0 0 0 0 0 .... 0]表示选择第一单体和第二单体作为一组单体。该方法提供了一种找到一组二进制字符串的手段，所有该二进制串都表示用于平衡动作的候选者。

根据一个实施例，该方法可以包括：计算与储能组的平衡相关联的储能组的功率泄漏损失；计算指示电能存储组的平衡状态的罚函数，该罚函数与超过阈值平衡状态的当前平衡状态的平衡状态成比例，从而使成本函数最小化，该成本函数是功率泄漏损失和罚函数的组合。利用所选择的储能单体作为输入，即利用所选择的储能单体的荷电状态作为输入，使成本函数最小化。使成本函数最小化提供了与储能组的平衡相关联的功率损耗与在应当实现的平衡状态之间的平衡。罚函数(ε)可以是用于整个储能组的平衡状态的函数的值。

根据一个实施例，概率可以是对成本函数的最小化的约束，由此仅使用其概率指示不太可能发生多余泄漏的所选择的组的储能单体作为成本函数的输入。换句话说，仅将一个或多个所选择的组用作对于寻找泄漏单体的最佳设定的过程的输入，该设定由成本函数确定。这有利地改进了对单体的过充电或储能组的多余泄漏的避免。所选候选单体可以形成二进制字符串，该二进制字符串用作成本函数的控制变量。

根据一个实施例，根据成本函数平衡储能组。

该目的至少部分地通过根据权利要求10的系统实现。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于选择候选储能单体的系统，所述候选储能单体用于平衡包括用于电动车辆的多个储能单体的电能存储组，该系统包括电池管理单元，该电池管理单元包括用于确定储能单体的荷电状态的装置，其中，电池管理单元被构造成：a)估计所述储能单体中的每个储能单体的荷电状态；b)从所述多个储能单体中选择一组储能单体；c)估计所选组中的储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态，所述未来荷电状态由相应的储能单体的平衡动作所导致；d)计算估计出的未来荷电状态中的每个未来荷电状态的统计不准确度；e)确定所述多个储能单体中的较低阈值当前荷电状态，或者确定所述多个储能单体中的较高阈值当前荷电状态；f)计算对所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态低于较低阈值当前荷电状态的概率，该概率由此指示多余泄漏，该概率基于所述储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度，或者计算对所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态高于较高阈值当前荷电状态的概率，该概率由此指示对至少一个储能单体的过充电，该概率基于所述储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度，其中，g)如果该概率指示不太可能发生多余泄漏或过充电，则选择该组储能单体作为用于平衡作用的候选者，并且h)对另一组储能单体重复步骤b)至g)，其中，对于多个另外的组重复步骤b)至e)。

电池管理单元可以被构造成：创建二进制字符串，该二进制字符串包括用于所选择的储能单体的一和用于未被选择的多个储能单体中的储能单体的零，并且存储代表被选择作为用于平衡动作的候选者的储能单体的组的二进制字符串。

此外，电池管理单元可以被构造成：计算储能组的、与该储能组的平衡相关联的功率泄漏损失；计算指示电能存储组的平衡状态的罚函数，该罚函数与超过阈值平衡状态的当前平衡状态的平衡状态成比例，使成本函数最小化，该成本函数是功率泄漏损失和罚函数的组合。

根据一个实施例，该系统可以进一步包括放电单元，该放电单元被构造成：对所选择的储能单体进行放电，以将储能组平衡到荷电状态水平。

根据一个实施例，电池管理单元可以包括控制单元和电子存储单元。

储能单体可以是锂离子电池单体，尽管本领域中已知的其它电池单体也同样适用。

本发明第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合第一方面描述的那些效果和特征。

进一步提供了一种包括储能组的车辆，所述储能组包括：多个储能单元；以及根据第二方面的系统。

车辆可以是包括电动发动机的电动、混合动力或插电式混合动力车辆，其中，储能组向电动发动机提供动力，以为电动、混合动力或插电式混合动力车辆提供推进力。

此外，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码装置，用于当程序在计算机上运行时执行第一方面的任何实施例的步骤。

此外，提供了一种承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括程序代码装置，用于在程序产品在计算机上运行时执行第一方面的任何实施例的步骤。

另外，提供了一种控制单元，用于控制选择候选储能单体，所述候选储能单体用于平衡包括用于电动车辆的多个储能单体的电能存储组，该控制单元被构造用以执行第一方面的任何实施例的步骤。

当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征，以创建除了下面描述的那些实施例之外的实施例。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。

在所述附图中：

图1是根据本发明的示例实施例的电动公共汽车形式的车辆；

图2是根据本发明的实施例的方法步骤的流程图。

图3a概念性地示出了开路电压相对于储能单体的荷电状态的关系。

图3b概念性地示出了荷电状态的统计不准确度相对于储能单体的荷电状态的关系。

图4a-b概念性地示出了两个储能单体的包括统计不准确度的荷电状态的比较；

图5是根据本发明的实施例的方法步骤的流程图。

图6概念性地示出了放电电路中的储能单体；

图7概念性地示出了根据本发明的实施例的系统；并且

图8概念性地示出了平衡电池组的用例。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，所述附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应该被解释为限于这里所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底和完整。技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多改变和修改。

在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

图1示出了呈电动公共汽车5形式的车辆，其包括电能存储组，该电能存储组是具有多个电池单体3的电池组1。电池组1被布置成向电动发动机(未示出)提供电力，该电动发动机被布置用于向电动公共汽车5提供推进力。电动公共汽车5进一步包括电池管理单元2，该电池管理单元2被构造成控制电池组的平衡动作。电池管理单元2进一步被构造成监控诸如电池单体3的荷电状态和开路电压这样的电池单体特性。

图2是根据本发明的实施例的方法步骤的流程图。在第一步骤中，估计S202用于车辆的储能组的每个储能单体的荷电状态。从所述多个储能单体中，选择S204一组储能单体。可以基于储能单体的荷电状态来选择该所选择的一组储能单体。例如，该组储能单体可以是具有最高荷电状态的单体。在步骤S206中，估计所选组中的每个储能单体的未来荷电状态，该未来的荷电状态由相应的储能单体的平衡动作产生。所述平衡动作可以是储能单体的充电或放电。此外，针对所估计的未来荷电状态中的每一个计算S208计算不准确度。可以从预定的平衡动作来估计未来的荷电状态，例如，用于放电或充电的预定量的SoC或放电或充电的时间。

接下来，至少两种可能性在本发明的范围内，第一种可能性包括确定S210多个储能单体中的较低阈值当前荷电状态。随后，计算S212对所选择的组的储能单体的平衡动作导致未来荷电状态中的至少一个比所述较低阈值当前荷电状态低的概率，该概率由此指示多余泄漏，该概率基于每个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度。如果该概率指示不太可能发生多余泄漏，则选择S214该组储能单体作为用于平衡动作的候选者。可以存储关于所选择的组的储能单体的信息以用于未来的平衡，或者可以将其直接作为控制变量转发到控制实际平衡的成本函数。优选将多余泄漏的概率设定为接近零，以减少或甚至消除多余泄漏的风险。例如，该概率可以被设定为约0％、0.1％、0.5％、1％、1.5％或2％。

第二种可能性包括在多个储能单体中确定S210'较高阈值当前荷电状态。随后，计算S212'对所选择的一组储能单体的平衡动作导致未来荷电状态中的至少一个是比较高阈值当前荷电状态高的概率，该概率由此指示至少一个储能单体的过充电，该概率基于每个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度。如果该概率指示不太可能发生过充电，则选择S214'该储能单体作为用于平衡动作的候选者。可以存储关于该所选择的组的储能单体的信息以用于未来的平衡，或者可以将其直接作为控制变量转发到控制实际平衡的成本函数。

对多个其它组的储能单体重复该方法。一种可能性是重复该方法直到手动终止为止。另一种可能性是，只要车辆运行，即只要发动机正在运行或者正在通过任何外部装置对储能模块进行充电或放电，就重复该方法。

图3a概念性地示出了开路电压(OCV)相对于荷电状态(SoC)的关系，并且图3b概念性地示出了统计不准确度相对于荷电状态的关系。在图3a-b中，指示荷电状态的范围301。在该荷电状态的范围301中，开路电压相对平坦，如图3a所示。这意味着在开路电压的该范围301内取得的荷电状态的精度将与相对大的统计不准确度相关联。这在图3b中示出，其中，指示相同的荷电状态的范围301的统计不准确度(σ_SoC)。例如标准偏差这样的的统计不准确度在开路电压相对平坦的荷电状态的范围301中最高。换句话说，通常难以从相对宽的荷电状态的范围的开路电压中准确地确定荷电状态，该范围覆盖从约10％的荷电状态到约90％的荷电状态或从约30％的荷电状态到约60％的荷电状态的荷电状态范围曲线。

现在转向图4a-b，图4a-b概念性地示出了本发明的实施例的原理。图4a-b各自示出了形成储能组的两个电池单体的荷电状态(SoC)的水平，一个具有高荷电状态(H)，一个具有低荷电状态(L)，并且具有对应的误差区间403、405、403'和405'。首先假设在图4b所示的情况下即将在储能单体H'和L'中进行平衡动作。考虑通过使具有假定的最高荷电状态的单体，单体H'放电来进行平衡的情况。单体H'和L'的确定的荷电状态的统计不准确度导致在这种情况下重叠的误差区间403'和405'，如图4b所示。换句话说，单体H'的荷电状态的最低水平406'在单体L'的误差区间405'内。因此，存在显著的风险，即通过使单体H'放电来平衡包括单体H'和L'的储能组，单体H'在平衡动作之后将具有最低的荷电状态，这被称为多余泄漏，即最初的最高荷电状态的单体H'在平衡之后将具有最低的荷电状态，这是不希望的情况。

仍然参考图4b，相同的推理适用于作为将电荷添加(即充电)到单体L'的平衡动作。因此，由于重叠的误差区间403'和405'，所以存在显著的风险，即通过使充电单体L'充电来平衡单体，单体L'在平衡动作之后将具有最高的荷电状态，这可能导致电池单体的不希望的过充电。

与图4b形成对照，在图4a中，具有高荷电状态H和低荷电状态L的单体的误差区间403和405不重叠。因此，在放电平衡动作的情况下的多余泄漏和在充电平衡动作的情况下的过充电的风险很小或甚至可以忽略不计，所以可以允许执行平衡动作。

图5概念性地示出了本发明的示例性实施例。根据图2中的步骤S204选择储能单体的组可以以几种方式完成，例如通过随机选择待用该方法“测试”的单体。另一种方法是选择具有最高荷电状态的储能单体。在S502中示出了多个所选组的表示。二进制字符串502'-502n'中的每一个二进制字符串都以用于具有最高荷电状态的单体的一(1)表示单体，其中，第一条目具有最高的荷电状态，依此类推。换句话说，可以根据每个单体的荷电状态对储能组的储能单体进行分类。由“1”表示的每个二进制串502'-502n'中的单体是所选择的一组储能单体的一部分(步骤S204)。由“0”表示的单体不是所选择的一组储能单体的一部分。

针对所选择的一组储能单体中的储能单体中的每个储能单体(“j”)，估计S504未来荷电状态(SoC_j(t+Δt))以及未来荷电状态的统计不准确度(σ_j(t+Δt))。在步骤S504中，所选择的组是在二进制字符串502”中用”1”表示的单体。对于避免多余泄漏的情况，找出较低阈值荷电状态。该较低阈值可以是不在所选组中(即，由“0”表示)的储能单体中的一个储能单体的荷电状态。在该特定示例中，在步骤S506中选择储能组的所有储能单体的具有最低荷电状态的单体的荷电状态作为SoC_min。接下来，为了确定所选择的储能单体的组502”是否是用于平衡动作的合适候选者，确定S508多余泄漏的概率。该概率是在未来荷电状态中的至少一个处低于SoC_min的概率。将计算出的概率与阈值概率进行比较，以确定所选择的一组储能单体是否可以是用于平衡动作的候选者，平衡动作在这种情况下是放电平衡动作。该概率可以通过以下公式给出：

1-∏_j∈J(1-P(SoC_j(t+Δt)＜SoC_low))＜P_{dischargethreshold} (1a)

其中，阈值概率P_{dischargethreshold}被有利地设定成接近零，以降低多余泄漏的风险。“j”表示在所选组中的每个储能单体，并且“J”表示在所选组中的所有单体。在一个实施例中SoC_low被设定成最小荷电状态SoC_min(即，具有最低荷电状态的储能单体的荷电状态)。在其它实施例中，SoC_low可以是预定的荷电状态阈值水平，其可以是高于该最小荷电状态的荷电状态值，或者SoC_low可以替代地是基于具有储能组的最低荷电状态中的阈值数量的储能单体(例如，具有最低的荷电状态的单体的10％)的荷电状态的平均值。如果满足等式1a中的概率条件，则选择S510所选组的储能单体作为用于平衡动作的候选者。因此，选择字符串502”作为在未来的平衡动作中使用的候选字符串。接下来，该方法返回S512以在步骤S502中选择另一组。因此，该方法确定哪些可能的储能单体(502'、502”等)的组可以是用于平衡动作的候选者。在该特定示例中，平衡动作是储能单体的放电。

进一步参考图5，对于避免过充电的情况，二进制字符串502'-502n'中的每个二进制字符串都以用于具有最低荷电状态的单体的一(1)表示单体，并且找到较高阈值荷电状态。该较高阈值可以是不在所选组中(即，由“0”表示)的储能单体中的一个储能单体的荷电状态。在该特定示例中，在步骤S506'中将储能单体中的最高荷电状态选择为SoC_max。换句话说，SoC_max是储能组中的储能单体的最高荷电状态。接下来，为了确定所选择的一组502'储能单体是否是用于平衡动作的合适候选者，确定S508过充电的概率。该概率是未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态高于SoC_max的概率。将计算出的概率与阈值概率进行比较，以确定所选择的一组储能单体是否可以是用于平衡动作的候选者，平衡动作在这种情况下是充电平衡动作。该概率可以通过以公式给出：

1-Π_j∈J(1-P(SoC_j(t+Δt)＞SoC_high))＜P_{chargethreshold} (1b)

其中，阈值概率P_threshold被有利地设定成接近零，以降低多余泄漏的风险。在一个实施例中，SoC_high被设定成最大荷电状态SoC_max。在其它实施例中，SoC_high可以是预定的荷电状态值，其可以低于或高于储能单体的最高荷电状态，或者SoC_high可以基于平均荷电状态，平均荷电状态是具有储能组的最高荷电状态的储能单体的荷电状态的平均值，例如，具有最高荷电状态的单体的10％平均值。优选地，SoChigh低于或等于理论上最高的SoC。如果满足等式1b中的概率条件，则选择S510所选择的一组储能单体作为用于平衡动作的候选者。接下来，该方法返回S512以选择另一组。因此，该方法确定哪些可能的组的储能单体(502'、502”等)可以是用于平衡动作的候选者，在该特定示例中，平衡动作是对储能单体的充电。

现在转到图6，图6公开了连接到单体平衡单元109的三个储能单体C1、C2、C3，单体平衡单元109是控制单元108(见图7)和传感器单元106的至少一部分。显然，例如在车辆中使用的储能组1包括更多数量的单体，通常规模为50-500个单体，并且以与图6中所示的那些方式相似的方式设计所有单体。然而，为简单起见，图6仅示出了三个这种储能单体C。此外，在车辆上可以存在多于一个的储能组。该方法可以被用在这些储能组中的一个或多个上。

图6中所示的第一储能单体C1布置有与储能单体C1并联联接的电阻器R1。电阻器R1的目的是在单体平衡过程期间允许电流通过电阻器R1。为了实现这一点，电阻器R1与可控开关S1串联联接。如图6所示，开关S1被连接到单体平衡单元109，单体平衡单元109形成控制单元108的至少一部分(也在图7中示出)。以这种方式，开关S1能够被设定在电流可以通过电阻器R1的闭合状态，或者被设定在没有电流可以通过电阻器R1的打开状态。因此，在开关S1被设定在其闭合状态的情况下，生成漏电流i_leak。因此，电阻器R1边哥被称为“泄漏电阻器”。在单体平衡期间，闭合一个或多个合适的开关，以便改善储能组的总单体平衡。

剩余的储能单体(即，图6中的单体C2、C3)以及储能组1的所有其它单体(图6中未示出)以与所描述的单体C1相同的方式构造，即，构造有包括电阻器和可控开关的电路，该开关与相关联的储能单体并联联接。因此，在对应的开关S闭合的情况下，每个储能单体C都可以导致漏电流i_leak。

所有可控开关S1、S2、S3都被连接到单体平衡单元109。另外，每个开关S1、S2、S3都根据与单体平衡程序有关的某些操作条件而被设定在其打开状态或关闭状态，这将在下面详细描述。

如上所述，期望布置传感器单元106，以便提供反映储能组1的操作状态的至少一个参数的测量值。例如，借助于传感器单元106，提供每个储能单体C的电压U的测量。为此，并且如图6所示，每个储能单体C都被连接到传感器单元106，以便测量每个单体C的电压U。

根据本发明的电池管理单元2(参见图7)可以被构造用于测量除了储能电压之外的其它参数作为储能组1的操作状态的指示。仅作为示例，这种参数能够是每个单体C的储能电流I、储能温度T或电阻R。所有这些参数都能够被用于控制储能组1的状态和单体平衡过程。

如上所述，储能组1的每个单体C1-C3都与电阻器R1-R3(如图3所示)相关联，电阻器R1-R3与对应的储能单体C1-C3并联连接。另外，每个电阻器R1-R3都与可控开关S1-S3串联联接，可控开关S1-S3被连接到单体平衡单元109。单体平衡过程可以基于下述原理：每个开关S1-S3都能够闭合或打开，以便使对应的储能单体C1-C3放电，即，使得在开关闭合时，漏电流i_leak流过相关联的电阻器R1、R2、R3。通过以这种方式使特定的储能单体放电，将迫使储能单体改变其荷电状态(SoC)。通过平衡例如与剩余单体相比具有高得多的SoC的那些单体，或与其余单体相比具有高得多的单体电压的那些单体，整个储能组1将被带到涉及更高水平的单体平衡的条件。如上所述，这导致储能组1的性能改进。

包括单体平衡单元108的上述硬件被构造用于管理在单体平衡过程中涉及的所有储能单体C的泄漏电流。泄漏电流ileak仅在对应的开关S处于其闭合位置时发生。

在已经选择候选单体之后，二进制字符串形成控制变量(u)。单体平衡过程被用于定义特定的“成本函数”，该单体平衡过程对应于与由于泄漏电流被启动而导致的总损耗形式的单体平衡过程相关联的假定“成本”。应使成本函数最小化，以便获得单体平衡过程的最大效率。这对应于等式(2)：

关于概率P的min cost(u)， (2)

其中，项u对应于向量形式的控制变量，更确切地说是具有Ncells比特(即，具有与总单体数量相同的比特数)的二进制字符串。概率P由等式1a给出，该等式1a提供硬限制，因此只有通过概率条件从而成为用于平衡的候选组的单体的一部分的字符串u被用作成本函数中的输入。在控制变量u中，数字“1”对应于第一单体中的闭合开关(用于平衡的候选单体)(其生成泄漏电流)，而数字“0”对应于另一单体中的开路开关(它不会生成任何泄漏电流)。

在图6中公开的简化示例中，假设所有开关S1-S3都是打开的(如图6中实际所示)，其将对应于根据以下的控制变量：

u＝000

另一方面，如果假设待启动其中第一开关S1闭合的单体平衡过程，则控制变量将是：

u＝100

上述实施例是非常简单的例子，并且在现实生活中，储能单体的数量是200的数量级，这意味着控制变量能够对应于大量的组合。

因此，基于下述假设来定义控制变量u：应该平衡一个或多个储能单体，以便为整个储能组获得较高水平的平衡。控制变量u中的每个元件都确定用于特定储能单体的开关是打开还是关闭。这意味着控制变量能够由单体平衡模块108用于限定应泄漏电流的单体。换句话说，该字符串是“平衡指令”向量，其控制在单体平衡期间应该闭合开关S中的哪一个(些)开关。

对于具有所选择的候选单体的给定控制变量u，应当使上述成本函数最小化。根据等式(3)定义该成本函数：

cost(u)＝P_losses+ε(SoB(t+Δt)) (3)

如上所述，只有包含所选择的候选储能单体的控制变量u被输入到等式(3)中。功率损耗P_losses能够借助于等式(4)来描述：

功率损耗P_losses对应于由流过对应电阻器R_b的特定电流I_Rb导致的每个单体的损耗的总和。另外，成本函数包含项SoB，即平衡状态，其定义了储能单体的平衡程度。SoB值越低，平衡状态越好。这在等式(5)中定义：

SoB＝max(SoC)-min(SoC) (5)

这意味着SoB是储能单体的最高和最低SoC值之间的差。SoB的该定义只是一个选项，并且其它定义可能同样适用，诸如：

SoB＝μ_SoCmax–μ_SoCmin (5b)

其中，μ_SoCmax标注储能单体的荷电状态的最高平均值，并且μ_SoCmin标注储能单体的荷电状态的最低平均值。由于荷电状态可以是统计变量，因此该统计变量的均值可以被用于定义SoB。其它替代方案包括使用标准化SoC，由此，每个单体的荷电状态都被标准化成单体的最大荷电状态(SoC_j,normalized＝SoC_j/SoC_max)，因此在这种情况下平衡状态被定义为：

SoB＝(max(SoC_j,normalized)–min(SoC_j,normalized)) (5c).

另一种可能性是将SoB定义为所有单体的荷电状态的分布的标准偏差，即SoB＝σ_SoCAll。

也可以通过以与上述定义类似的方式考虑开路电压的差异来确定平衡状态。

成本函数还包括被称为罚函数的另一项ε，其能够根据等式(6)来定义：

等式(6)包含项SoB_tar其是阈值。更确切地说，如果SoB值小于或等于该阈值SoB_tar，则项ε为零。在这种情况下，不会生成泄漏电流来平衡储能组。SoB_tar的实际值适合地为百分之几，并且是为了允许某些小的测量误差和类似的变化而选择的。此外，项P_lossmax和α被用于定义项ε如何随SoB变化。

因此，成本函数描述了总功率损耗(由泄漏电流导致)和取决于平衡状态(SoB)的罚函数(项ε)的综合。单体平衡过程包括使成本函数最小化的步骤，即首先对于给定控制变量确定储能组(1)的电流损失和平衡状态的总和，并且然后选择导致最小化的成本函数的控制变量。然后，在单体平衡过程期间使用该特定控制变量，即，在单体平衡过程期间，通过单体平衡模块108使用形成控制变量u的一部分的比特字符串来控制储能单体的哪个(些)开关应该被闭合和打开。

图7概念性地示出了根据本发明示例实施例的系统。该系统适于平衡包括多个储能单体3的电能存储模块1。该系统包括电池管理单元2、用于确定储能单元的荷电状态的装置104和用于确定储能单元的开路电压的装置106以及控制单元108。用于确定开路电压的装置106可以是如参考图6所述的电压传感器106形式的传感器单元，并且荷电状态可以由例如运行在例如控制单元108上的算法104确定。

电池管理单元2可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程设备。因此，电池管理单元2包括电子电路和连接电路(未示出)以及处理电路(未示出)，使得电池管理单元2能够与公共汽车1的诸如制动器、悬架、传动系统(特别是电动机、电机、离合器和变速箱)这样的不同部分通信，以便至少部分地操作公共汽车1。电池管理单元2可以包括硬件模块或软件模块或者部分硬件或软件的模块，并使用已知的传输总线(诸如，CAN总线和/或无线通信能力)进行通信。处理电路可以是通用处理器或特定处理器。电池管理单元2包括用于在其上存储计算机程序代码和数据的非暂时存储器。因此，技术人员认识到电池管理单元2可以由许多不同的结构实现。

系统100被构造成使用用于确定荷电状态的装置104估计所述储能单体的每个储能单体的荷电状态，并从多个储能单体中选择一组储能单体。此外，系统估计所选组中的储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态，控制单元108计算估计出的未来荷电状态中的每个未来荷电状态的统计不准确度。控制单元108进一步确定所述多个储能单体中的较低阈值当前荷电状态或者所述多个储能单体中的较高阈值当前荷电状态。控制单元108计算对所选择的一组储能单体的平衡动作导致未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态低于较低阈值当前荷电状态的概率，该概率由此指示多余泄漏，该概率基于所述储能单体中的每个蓄能单体的未来荷电状态和统计不准确度。替代地或补充地，控制单元108计算对所选择的一组储能单体的平衡动作导致未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态高于较高阈值当前荷电状态的概率，该概率由此指示至少一个储能单体的过充电，该概率基于所述储能单体中的每一个储能单体的未来荷电状态和统计不准确度。如果该概率指示不太可能发生多余泄漏或过充电，则控制单元108选择该组储能单体作为用于平衡动作的候选者。

该系统可以进一步包括充电单元(未示出)，其被构造成对电能存储模块1的电能存储单元3进行充电。此外，该系统可以进一步包括放电单元(图7中未示出，参见图6)，其被构造成对电能存储模块1的电能存储单元3进行放电。参考图6描述这种放电单元，由此，放电单元包括用于每个储能单体的开关S和泄漏电阻器R。该放电单元由控制单元108控制。该类型的平衡在本领域中称为被动平衡。然而，可以以本领域已知的各种方式执行该平衡。

充电单元被构造成当通过电池管理单元2(例如，通过控制单元108)确定需要能量来对储能单体3(或单个单体)充电时，将能量引导到储能单体3。充电单元可以适用于重定向来自车辆的能量回收系统的能量，或者接收来自充电站的能量并将所接收的能量输送到储能单元3。

图8概念性地示出了经历平衡的四个储能单体(例如电池单体)的荷电状态相对于时间的关系。参考图8解释的示例是被高度简化的，实际上包括前面提到的更大数量的储能单体。在时间0时，储能单体804中的一个储能单体具有大约15％的荷电状态，而其它储能单体801、802、803具有少于10％的荷电状态。最小荷电状态在此是储能单体801的荷电状态。在该简化示例中，所选择的一组储能单体可以由二进制字符串[1 0 0 0]、[1 1 0 0]、[1 11 0]中的一(“1”)给出，其中，单体已经在最高荷电状态之后被排序。由于储能单体804从时间0到大约1700分钟的时间被放电，所以在候选组的储能单体中至少选择了储能单体804。在成本函数(等式3)中输入作为控制变量的二进制字符串[1 0 0 0]之后，确定可以对单体804放电。注意，与例如字符串[1 1 0 0]对应的另外的组的储能单体可以已经被选择作为用于平衡的一组候选单体，但是该字符串可能已经通过成本函数被拒绝用于进行平衡。在大约1700分钟的时间(由806指示)处，两个单体804和803已经开始平衡动作。因此，基于多余泄漏的概率的结果(等式1a，和例如图2和图5)，至少选择对应于二进制字符串[1 1 0 0]的一组储能单体作为候选组。此处也可能已经选择其它组作为候选者(例如[1 1 0 0])，然而，该组通过成本函数被拒绝用于进行平衡。在由808指示的大约2000分钟的时间之后，不再执行平衡。

本公开的控制功能可以使用现有的计算机处理器来实施，或者通过用于为此目的或另一目的而并入的用于适当系统的专用计算机处理器来实施，或者通过硬线系统来实施。本公开的范围内的实施例包括程序产品，该程序产品包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质能够是能够由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质能够包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备，或能够被用于以机器可执行指令或数据结构的形式承载或存储期望的程序代码并且能够由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何其它介质。当在网络或其它通信连接(硬连线、无线，或硬连线或无线的组合)向机器传送或提供信息时，机器将该连接正确地视为机器可读介质。因此，任何这种连接都被适当地称为机器可读介质。上述的组合也被包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如导致通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行特定功能或一组功能的指令和数据。

尽管附图可以示出次序，但是步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。还可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样地，软件实施方式能够利用标准编程技术来完成，该技术具有基于规则的逻辑和其它逻辑，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。另外，即使已经参考本发明的具体例示实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变和修改等将变得显而易见。

应该理解，本发明不限于上面所描述并在附图中示出的实施例；相反，技术人员将认识到可以在所附权利要求书的范围内进行许多改变和修改。例如，尽管主要关于电动公共汽车描述本发明，但是应该理解本发明同样适用于任何类型的电动车辆。

Claims (21)

1.一种用于选择候选储能单体、用于平衡包括用于电动车辆(5)的多个储能单体(3)的电能存储组(1)的方法，所述方法的特征在于以下步骤：

a)估计(S202)所述储能单体中的每个储能单体的荷电状态；

b)从所述多个储能单体中选择(S204)一组储能单体；

c)估计(S206)所选组中的所述储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态，所述未来荷电状态由相应的储能单体的平衡动作产生；

d)计算(S208)每个所述估计出的未来荷电状态的统计不准确度；

e)确定(S210)所述多个储能单体中的较低阈值当前荷电状态(502)，或者确定(S210')所述多个储能单体中的较高阈值当前荷电状态；

f)计算(S212)作用在所选组的储能单体组的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态低于所述较低阈值当前荷电状态的概率，所述概率由此指示多余泄漏，所述概率基于所述储能单体中的每个储能单体的所述未来荷电状态和所述统计不准确度，或者

计算(S212')作用在所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态高于所述较高阈值当前荷电状态的概率，所述概率由此指示至少一个储能单体的过充电，所述概率基于所述储能单体中的每个储能单体的所述未来荷电状态和所述统计不准确度，其中，

g)如果所述概率指示不太可能发生多余泄漏或过充电，则选择(S214、S214')所述组的储能单体作为用于平衡动作的候选者，并且

h)对另一组储能单体重复步骤b)至g)，其中，对多个其它组重复所述步骤b)至e)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述较低阈值当前荷电状态是不在所选组中的所述储能单体中的一个储能单体的所述当前荷电状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述较低阈值当前荷电状态是所述多个储能单体中的最小当前荷电状态，并且所述较高当前荷电状态是所述多个储能单体中的最大当前荷电状态。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，选择所述组的储能单体包括选择具有最高荷电状态的阈值数量的储能单体。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，随机选择所述组的储能单体。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：

创建(S502)二进制字符串(502')，所述二进制字符串包括用于所选择的储能单体的一和用于未被选择的所述多个储能单体中的储能单体的零，并且

存储代表被选择作为用于平衡动作的候选者的所述组的储能单体的所述二进制字符串。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：

计算与所述储能组的平衡相关联的所述储能组的功率泄漏损失(P_losses)；

计算指示所述电能存储组的平衡状态的罚函数(ε)，所述罚函数与超过阈值平衡状态的当前平衡状态的所述平衡状态成比例，

使成本函数最小化，所述成本函数是所述功率泄漏损失和所述罚函数的组合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述概率是对所述成本函数的所述最小化的约束，由此，仅使用所述概率指示不可能发生多余泄漏的所选组的储能单体作为所述成本函数的输入。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，根据所述成本函数平衡所述储能组的另一个步骤。

10.一种用于选择候选储能单体、用于平衡包括用于电动车辆(5)的多个储能单体(3)的电能存储组(1)的系统(100)，所述系统包括电池管理单元(2)，所述电池管理单元(2)包括用于确定所述储能单体的荷电状态的装置(104)，其特征在于，所述电池管理单元被构造成：

a)估计所述储能单体的每个储能单体的荷电状态；

b)从所述多个储能单体中选择一组储能单体；

c)估计所选组中的所述储能单体中的每个储能单体的未来荷电状态，所述未来荷电状态由相应的储能单体的平衡动作产生；

d)计算所述估计出的未来荷电状态中的每个估计出的未来荷电状态的统计不准确度；

e)确定所述多个储能单体中的较低阈值当前荷电状态(502)，或所述多个储能单体中的较高阈值当前荷电状态；

f)计算作用在所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态低于所述较低阈值当前荷电状态的概率，所述概率由此指示多余泄漏，所述概率基于所述储能单体中的每个储能单体的所述未来荷电状态和所述统计不准确度，或者

计算(S208')作用在所选组的储能单体的平衡动作导致所述未来荷电状态中的至少一个未来荷电状态高于所述较高阈值当前荷电状态的概率，所述概率由此指示至少一个储能单体的过充电，所述概率基于所述储能单体中的每个储能单体的所述未来荷电状态和所述统计不准确度，其中，

g)如果所述概率指示不太可能发生多余泄漏或过充电，则选择所述组的储能单体作为用于平衡动作的候选者，并且

h)对另一组储能单体重复步骤b)至g)，其中，对多个其它组重复所述步骤b)至e)。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述较低阈值当前荷电状态是不在所述所选组中的所述储能单体中的一个储能单体的所述当前荷电状态。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，所述较低阈值当前荷电状态是所述多个储能单体中的最小当前荷电状态。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的系统，其特征在于，选择所述组的储能单体包括选择具有最高荷电状态的阈值数量的储能单体。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的系统，其特征在于，所述电池管理单元被构造成：

创建二进制字符串，所述二进制字符串包括用于所选择的储能单体的一和用于未被选择的所述多个储能单体中的储能单体的零，并且

存储代表被选择作为用于平衡动作的候选者的所述组的储能单体的所述二进制字符串。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的系统，其特征在于，所述电池管理单元被构造成：

计算与所述储能组的平衡相关联的所述储能组的功率泄漏损失；

计算指示所述电能存储组的所述平衡状态的罚函数，所述罚函数与超过阈值平衡状态的当前平衡状态的所述平衡状态成比例，

使成本函数最小化，所述成本函数是所述功率泄漏损失和所述罚函数的组合。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括单体平衡单元(109)，所述单体平衡单元(109)被构造成：

使所选择的储能单体放电，以使所述储能组平衡到根据所述成本函数的荷电状态的水平。

17.根据权利要求10至16中的任一项所述的系统，其特征在于，所述电池管理单元包括控制单元(108)和电子存储单元。

18.一种车辆(5)，包括：

电能存储组，所述电能存储组包括多个储能单体；以及

根据权利要求10至17中的任一项所述的系统。

19.一种计算机程序，包括程序代码装置，用于当在计算机上运行所述程序时执行权利要求1-9中的任一项所述的步骤。

20.一种承载计算机程序的计算机可读介质，包括程序代码装置，用于当在计算机上运行所述程序产品时执行权利要求1-9中的任一项所述的步骤。

21.一种用于控制选择候选储能单体的控制单元，所述候选储能单体用于平衡包括用于电动车辆(5)的多个储能单体(3)的电能存储组(1)，所述控制单元被构造成执行根据权利要求1-9中的任一项所述的方法的所述步骤。