CN111799853A - 多电芯储能装置的电池电芯的电芯电压平衡方法和设备 - Google Patents

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Abstract

由多个电池电芯(Z)组成的储能装置(3)的单个电池电芯(Z)之间进行电芯电压平衡的方法，电池电芯(Z)之间的电芯电压平衡由电子控制设备(2)控制。在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡之前，通过电子控制设备(2)、利用不同数量的同时平衡的电池电芯(Z)来预先确定电芯电压平衡的总效率(1)。在通过电子控制设备(2)符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时，在考虑预先确定的总效率的情况下选择要同时平衡的电池电芯的数量，使得在通过电子控制设备电芯电压平衡的符合生产技术条件下实施时的总效率最大。还涉及电子控制设备(2)，用于控制由多个电池电芯(Z)组成的储能装置(3)的单个电池电芯(Z)之间的电芯电压平衡。

Description

多电芯储能装置的电池电芯的电芯电压平衡方法和设备
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于在由多个电池电芯构成的储能装置的单个电池电芯之间进行电芯电压平衡的方法，以及一种根据权利要求7的前序部分的用于在由多个电池电芯构成的储能装置的单个电池电芯之间进行电芯电压平衡的设备。
尤其是用于电动车辆(例如作为牵引电池)或固定式存储设备中的多电芯的可再充电的储能装置，例如锂离子电池，是普遍公知的。在此，通常多个单个的电池电芯串联连接。由于生产和老化，在这些电芯的容量和内阻中存在波动。在实际使用中，多电芯、串联连接的蓄电池(如通常在电池组中产生足够高的总电压)在没有附加措施的情况下，会导致电芯不同地充电和放电，因此，在储能装置放电时会导致严重的深度放电(各个电池电芯的电芯电压小于放电终了电压)，并且在储能装置充电时，超过单个电芯的充电结束电压，会导致过量充电。这会导致单个电池电芯的不可逆损坏，从而整个储能装置失去容量或者由于其失效必须被替换。
为了缓解这个问题，已经建议了在这种储能装置的充电和/或放电期间，用于电芯电压平衡的不同的方法(在此也称为“Balancing”，其中无源和有源的平衡方法都是已知的)，例如在DE102015202939A1中示例性描述的那样。
电池管理系统(battery management system,BMS)可以监控和/或控制电池电芯和/或电池组的特性或大小，例如电压、电流、温度和绝缘电阻。通过对这些数值的监控和/或控制，可以提高电池电芯或者电池系统的安全性、可靠性和/或寿命，并且保证安全的、可靠的和长寿命的功能。在此，单个电池电芯的充电状态(充电状态，State of Charge，SoC)是重要的参数。
例如，锂离子牵引电池具有大量串联的电池电芯，以便最小化在回收存储在其中的电能时的电损耗。但是，电芯的数量越高，单个电芯之间失衡的概率就越高。根据电芯的数量，多个电芯可以相互平衡。除了平衡单个电池电芯之间的电芯电压，以获得储能装置的尽可能高的容量和寿命之外，在实施电芯电压平衡时，储能装置的充电和/或放电时间也起到重要作用。例如，如果在储能装置的充电过程中，电芯电压未共同达到终点(＝充电结束电压)，则会导致相对较长的所谓顶部平衡阶段(也称为恒定电压阶段)，在该顶部平衡阶段中，这些单个的电池电芯的电芯电压被平衡。
同样，电效率(elektrische Wirkungsgrad或elektrische Effizienz)特别是在多电芯储能装置充电时也非常重要，尤其是在单个电池电芯之间要平衡的能量仅很小时，因为控制储能装置的充电以及电池电芯之间的电芯电压平衡的电子控制电路或控制设备的电损耗，不再是充电过程总效率的可忽略的部分。另外，随着储能装置的充电和放电效率的提高，减少了电池系统中(过度)放热以及随之而来的散热的问题。
在此背景下，本发明所基于的任务是，提供一种用于在由多个电池电芯组成的储能装置的单个电池电芯之间进行电芯电压平衡的方法和设备，从而提高了电池电芯的安全性、可靠性和/或寿命，并因此提高了整个储能装置的安全性、可靠性和/或寿命。此外，该方法和设备还应当在对储能装置进行充电和/或放电时提供更好的效率，显着缩短储能装置直至完全充电的充电时间，并且在对储能装置进行充电和/或放电时将单个电池电芯的负载尽可能均匀地分配给所有的电池电芯。
该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求7的特征的设备来解决。本发明的其它特别有利的实施方式在各个从属权利要求中公开。
应当指出，在权利要求中单独列出的特征可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出了本发明的其他实施方式。说明书特别是结合附图来附加地表征和详细说明本发明。
此外要注意的是，在下文中使用的、处于两个特征之间的并且将这两个特征相互联系的连词“和/或”始终这样解释，即，在根据本发明的主题的第一实施方式中可以仅存在第一特征，在第二实施方式中可以仅存在第二特征，并且在第三实施方式中不仅存在第一特征，而且也可以存在第二特征。
根据本发明，在用于在由多个电池电芯组成的储能装置的单个的、尤其是串联和/或并联的电池电芯之间进行电芯电压平衡的方法中，例如电动车辆的牵引电池(例如锂离子电池)或固定式存储系统的电池，电池电芯之间的电芯电压平衡由电子控制设备来控制。在此，在符合生产条件的电芯电压平衡实施之前，例如在常规使用之前一次，通过电子控制设备并且利用不同数量的同时平衡的电池电芯来确定用于电池电芯电压平衡的总效率。在通过电子控制设备实施符合生产技术条件的(即常规的)电芯电压平衡时，在考虑预先确定的总效率的情况下，选择要同时平衡的电池电芯的数量，使得通过电子控制设备在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡的总效率达到最大。
总效率可以以本身已知的方式，通过测量例如在给储能装置充电时由控制装置所输送的电压和电流，以及在这种情况下实际存储在储能装置中的能量来确定。例如，这可以在设置电子控制设备和由其控制的储能装置的组合之后预先执行一次，但不限于此。储能装置的单个电池电芯之间的电芯电压平衡可以以前面描述的根据本发明的方式在储能装置的充电和/或放电过程中被执行。
发明人意外地发现，通过控制电芯电压平衡的电子控制设备，在多电芯储能装置的单个电池电芯之间实施电芯电压平衡期间，例如在充电和/或放电过程中，总效率在很大程度上取决于同时平衡的电池电芯的数量。特别是当同时平衡过多的电池电芯时，总效率令人惊讶地显著下降。根据本发明的方法以简单的方式实现了，预先准确地确定了由控制电芯电压平衡的电子控制设备和受控的储能装置构成的最优的，也就是说最大可实现的总效率，并且在符合生产技术条件下实施充电和/或放电过程时考虑该总效率，通过在储能装置的充电和/或放电期间，始终或最大限度地选择预先确定数量的同时平衡的电池电芯。除了能量效率的提高，在储能装置充电和/或放电时的更高的电效率同样导致在这种情况下产生的热量的减少。总之，由此可以改善电池电芯的安全性、可靠性和/或寿命，并且由此改善整个储能装置的安全性、可靠性和/或寿命。
本发明的一个有利的实施方式规定，将预先确定的、不同数量的同时平衡的电池电芯相对应的总效率存储在控制设备中，以便在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡。控制设备可以具有相应的存储单元，例如RAM存储器、ROM存储器、闪存存储器等。在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡期间，这也(暂时地)能够自动选择同时要平衡的电池电芯数量，这可能仅会导致总效率略低，如果该替代选择对于在储能装置充电和/或放电期间特定的，当前存在的运行条件是特别有利的。在可实现的总效率的方面上，可以随时重新选择最优的同时平衡的电池电芯数量。该方法由此可以在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡期间更灵活地，并且全自动地对特别的操作条件做出反应，由此还进一步提高储能装置的电池电芯的安全性、可靠性和/或寿命。
根据本发明的另一种有利的实施方式，用于电芯电压平衡的总效率通过电子控制设备以预定的时间间隔、以有不同数量的同时平衡的电池电芯来重新确定。在此，优选的，在控制设备中进行与不同数量的同时平衡的电池电芯相对应的总效率的存储，如前面已经提及的那样。总效率的重新确定可以在符合生产技术条件下实施的电芯电压平衡的单独的确定步骤中进行(类似于在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡之前对总效率的初步预先确定)。然而，它也可以自行在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡的期间定期地执行，从而节省了为重新确定总效率提供的单独的确定步骤。无论如何，在本发明的实施方式中，例如在储能装置的整个寿命期间，从最佳总效率的意义上，可以完全自动地考虑电池电芯的与年龄有关的影响，该影响对储能装置的充电和/或放电过程的总效率产生影响。
本发明的另一有利的实施方式规定，在储能装置的放电过程中，在单个电池电芯之间进行电芯电压平衡，使得低容量的电池电芯与相对高容量的电池电芯同时达到其各自的放电终了电压，其中，在放电过程之后的储能装置的充电过程中，在放电过程中的电芯电压平衡期间发生的电池电芯之间的电荷重新分配已经被扭转。与高容量的电池电芯相比，低容量的电池电芯通常可以存储较少的电能。通过在储能装置的放电过程中追踪并存储单个电池电芯之间所实施的，所需的电荷重新分配，然后在随后的充电过程中精确地反转方向和电量，几乎所有电池电芯都会同时达到恒定电压阶段(＝充电结束电压)的切换电压。因此，通常在充电过程之后才进行的电池电芯的顶部平衡阶段被显著地缩短。
根据本发明的另一有利的实施方式，在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡之前，事先确定所有在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时要平衡的电池电芯的内部电阻。在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时，测量各个电池电芯的电芯端子电压Uz和电芯负载电流Iz，并且由此确定各个电池电芯的实际的内部电芯电压Ui。然后，利用这样确定的电池电芯的实际内部电芯电压Ui，确定在储能装置的充电过程中各个电池电芯实际的充电结束电压和/或在储能装置的放电过程中各个电池电芯的实际放电终了电压。在此，充电结束电压表示在储能装置的充电过程中电池电芯应该最高达到的最大电芯端子电压Uzmax，放电终了电压表示在储能装置的放电过程中电池电芯应该最高达到的最小电芯端子电压Uzmin。例如，在本发明的该实施方式中，在Uz＝4.2V的电芯端子电压时不能已经进行了充电结束，而是仅在例如Uz＝4.8V或更高的情况下才进行，因为，在这种情况下，电压过剩从电池电芯的内部电阻Ri的0.6V下降,并且电池电芯不会因此损坏。同样的情况适用于放电过程。在此，例如仅在Uz＝2.5V时，而不是Uz＝2.95V时，才可以被断开(＝放电结束)。储能装置可以以有利的方式基本上在没有恒定电压阶段的情况下(在充电过程中)完全地，也就是说以最大容量被充电。在放电时，储能装置能够提供其中储存的最大电能。
本发明的另一有利的实施方式规定，当在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时，确定单个电池电芯之间的容量差，并且在选择要同时平衡的电池电芯时，首先考虑那些具有最大容量差的电池电芯。接着(仅)对预先确定的持续时间，在所选择的电池电芯之间实施电芯电压平衡，也就是说，在所选择的电池电芯之间的电压平衡完全完成之前，电芯电压平衡不是强制性地在一个部件中进行。相反，在确定了持续时间之后，结束首先选择的电池电芯之间的电芯电压平衡。接着，确定电池电芯之间的容量差，选择要平衡的电池电芯，和所选择的电池电芯之间的电芯电压平衡的步骤会重复的执行，直到储能装置的充电过程和/或放电过程结束。这可以通过储能装置的完全充电和/或放电来确定，但是也可以通过任意中断充电和/或放电过程来引起。根据本发明的方法的当前实施方式，尤其是即使在充电/放电过程的任意进行的中断的情况下，也导致所有电池电芯基本上更均匀的负载。单个电池电芯之间的容量差被均匀地平均，并且因此在充电和/或放电时电芯负载均匀地分布在所有电池电芯中。
根据本发明的另一方面，用于控制由多个电池电芯构成的储能装置的单个电池电芯之间的电芯电压平衡的电子控制设备，具有电子计算和存储单元和与其连接的电子控制装置，该电子控制装置用于可选地控制在单个电池电芯之间的电芯电压平衡。电子计算和存储单元被设置为，用于实施根据前述实施方式之一的方法。
关于与设备相关的术语定义以及与设备相关的特征的效果和优点，可以全面参考与本发明方法相关的合理定义、效果和优点的前述解释。在此，关于根据本发明方法的公开内容也应以相应的方式用于定义根据本发明的设备，只要在此没有明确将其排除。同样地，在此关于根据本发明的设备的公开内容也应以相应的方式用于定义本发明的方法，只要这在此同样没有明确的排除。在这方面，为了更紧凑的描述，基本上放弃了重复关于在此公开的根据本发明的设备以及在此公开的根据本发明的方法的有意义的相同的特征、其作用和优点的阐述。
本发明的其他特征和优点由本发明的实施例的以下描述得出，该实施例不应被理解为限制性的，并在下面参照附图进行详细解释。在这些附图中示意性地示出：
图1示出用于根据同时平衡的电池电芯的数量在单个电池电芯之间进行电芯电压平衡的电子控制设备的一个实施例的效率变化曲线，
图2示出了电池电芯的等效电路图，和
图3示出了用于在具有多个电池电芯的储能装置的单个电池电芯之间进行电芯电压平衡的电子控制设备的一个实施例。
在不同的附图中，功能相同的部件始终具有相同的附图标记，从而这些部件通常也仅描述一次。
图1示出一实施例的电子控制设备2的效率曲线1，该电子控制设备2用于根据同时平衡的电池电芯Z的数量在单个电池电芯Z(参见图2)之间进行电芯电压平衡(参见图3)。在图1中，在六个不同的部分a、b、c、d、e和f中，分别根据同时平衡的电池电芯Z1..12的数量，绘出由控制设备2和具有总共12个电池电芯Z1..12的储能装置3(参见图3)构成的组合所实现的总效率。
在图1所示的部分a)中，总共两个电池电芯之间实施了同时的电芯电压平衡(即，从一个电池电芯到另一个电池电芯的电荷重新分配，1→1)，在部分b)中，在总共参与的四个电池电芯之间(2→2：同时从两个电芯到另外两个电芯进行电荷重新分配)，在部分c)中，总共参与的六个电池电芯之间(3→3：同时从三个电芯将到另外三个电芯进行电荷重新分配)，在部分d)中，在总共参与的八个电池电芯之间(4→4：同时从四个电芯到另外四个电芯进行电荷重新分配)，在部分e)中，在总共参与的十个电池电芯之间(5→5：同时从五个电芯到另外五个电芯进行电荷重新分配)，在部分f)中，在总共参与的十二个电池电芯之间(6→6：同时从六个电芯到另外六个电芯进行电荷重新分配)。图1中的左侧纵坐标表示以安培为单位的电芯电流，右侧纵坐标表示以百分比为单位的总效率。
根据所确定的总效率的曲线1，可以在图1中清楚地看到，总效率在部分c)中达到其最大值。也就是说，在用于确定效率变化曲线1的控制设备2和由此控制设备控制的多电芯储能装置3中，当同时最多三个电池电芯对参与电芯电压平衡时，实现了用于电芯电压平衡的最佳的总效率。在更少或更多的电池电芯Z之间的电芯电压平衡导致总效率的显著恶化。
图2示出了示例性电池电芯Z的等效电路图。这具有内部电阻Ri和电芯电容C。在电池电芯Z的端子上，可测量的电芯端子电压Uz在电池电芯Z的内部分为内部电芯电压Ui和在内部电阻Ri上下降的电压URi，该电压由电池电芯Z提供的电芯负载电流Iz和内部电阻Ri的乘积得出。从图2中可以得知，对于电池电芯Z的充电和/或放电结束来说，实际上决定性的内部电芯电压Ui始终小于从外部可达到的、可测量的电芯端子电压Uz。
图3示意性地示出了，用于在具有多个电池电芯Z1..12的储能装置3的各个串联连接的电池电芯Z之间进行电芯电压平衡的电子控制设备2的实施例。应理解的是，储能装置3不仅限于串联连接的电池电芯，而且也可以具有并联连接的电池电芯(未示出)。电池电芯Z1..12基本上都具有在图2的等效电路图中示出的元件。控制设备2包括电子计算和存储单元4和与其连接的电子控制装置(未示出)，用于选择性地控制单个电池电芯Z1..12之间的电芯电压平衡。此外，储能装置3具有两个外部的接线端子5，用于取出存储在储能装置3中的电能，并且用于输送要存储在储能装置中的电能。储能装置5在当前所示的情况下是电动车辆的牵引电池(例如锂离子电池)。然而，储能装置例如也能够是固定式存储系统的一部分。
电子控制设备2和储能装置3的设置或组合在此共同形成了电动车辆的电池管理系统6(未示出)。
在此公开的根据本发明的方法以及根据本发明的用于在多电芯储能装置的单个电池电芯之间进行电芯电压平衡的设备不限于在此分别公开的实施方式，而是也分别包括起相同作用的其他实施方式，所述实施方式，从设备以及方法中所描述的特征的技术上有意义的其他组合中得出。尤其是，在上文一般性的描述和附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合，不仅可以分别在这里明确规定的组合中使用，而且也可以在其他组合中或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
在特别优选的实施方式中，用于具有多个电池电芯的储能装置的单个电池电芯之间的电芯电压平衡的方法和设备，用作电动车辆和/或固定式存储设备的牵引电池的电池管理系统的一部分。
参考符号列表
1 效率变化曲线
2 电子控制设备
3 多电芯储能装置
4 计算和存储单元
5 接线端子
6 电池管理系统
C 电芯电容
Iz 电芯负载电流
Ri 内部电阻
Ui 内部电芯电压
URi 内部电阻的电压
Uz 电芯端子电压
Z 电池电芯
Z1..12 电池电芯1至12

Claims (7)

1.在由多个电池电芯(Z)组成的储能装置(3)的单个电池电芯(Z)之间进行电芯电压平衡的方法，其中，电池电芯(Z)之间的电芯电压平衡由电子控制设备(2)控制，
其特征在于，
在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡之前，通过电子控制设备(2)并且利用不同数量的同时平衡的电池电芯(Z)来预先确定电芯电压平衡的总效率(1)，并且在通过电子控制设备(2)符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时，在考虑预先确定的总效率(1)的情况下，选择要同时平衡的电池电芯(Z)的数量，使得总效率(1)在通过电子控制设备(2)在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时变为最大。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将预先确定的，相对应于不同数量的同时平衡的电池电芯(Z)的总效率(1)存储在控制设备(2)中，用于在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
通过所述电子控制设备(2)以不同数量的同时平衡的电池电芯(Z)以预定的时间间隔重新确定用于电芯电压平衡的总效率(1)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述储能装置(3)的放电过程中，在单个电池电芯(Z)之间进行电芯电压平衡，使得低容量的电池电芯(Z)与相对高容量的电池电芯(Z)同时达到其各自的放电终了电压，其中，在放电过程之后的储能装置(3)的充电过程中，放电过程中的电芯电压平衡期间发生的电池电芯(Z)之间的电荷重新分配已经被扭转。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡之前，预先确定所有符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时要平衡的电池电芯(Z)的内部电阻(Ri)，其中在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时测量各个电池电芯(Z)的电芯端子电压(Uz)和电芯负载电流(Iz)，并且由此确定各个电池电芯(Z)的实际的内部电芯电压(Ui)，利用所述内部电芯电压确定在储能装置(3)的充电过程中各个电池电芯(Z)的实际的充电结束电压和/或在储能装置(3)的放电过程中各个电池电芯(Z)的实际的放电终了电压。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在符合生产技术条件下实施电芯电压平衡时，确定单个电池电芯(Z)之间的容量差，并且在选择同时要平衡的电池电芯(Z)时首先考虑那些具有最高容量差的电池电芯(Z)，其中，随后在预先确定的持续时间实施在所选择的电池电芯(Z)之间的电芯电压平衡，并且随后重复实施确定所述电池电芯(Z)之间的容量差、选择要平衡的电池电芯(Z)、以及在所选择的电池电芯(Z)之间的电芯电压平衡的步骤，直至所述储能装置(3)的充电过程和/或放电过程结束。
7.用于控制由多个电池电芯(Z)构成的储能装置(3)的单个电池电芯之间的电芯电压平衡的电子控制设备，具有电子计算和存储单元和与其连接的电子控制装置(3)，所述电子控制装置用于可选地控制在单个电池电芯(Z)之间的电芯电压平衡，
其特征在于，
电子计算和存储单元(4)被设置为，用于实施根据上述权利要求任一项所述的方法。
CN202010249487.2A 2019-04-02 2020-04-01 多电芯储能装置的电池电芯的电芯电压平衡方法和设备 Pending CN111799853A (zh)

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