CN112564198B - 电池控制单元和电池系统 - Google Patents

Abstract

一种电池控制单元，包括多个切换单元、控制单元、充电器和充电控制单元，该充电器被配置为对电池充电。多个切换单元分别针对串联连接的多个电池而设置，并且被配置为在连接状态与非连接状态之间切换。连接状态是相应电池与其它电池串联连接的状态，并且非连接状态是相应电池从与其它电池的串联连接断开的状态。控制单元被配置为判定在充电期间多个电池的各自的电压是否达到充电结束电压，并且控制与被判定为达到充电结束电压的电池相对应的切换单元以切换至非连接状态。

Description

电池控制单元和电池系统

技术领域

本发明涉及一种电池控制单元和电池系统。

背景技术

存在一种通过将多个电池串联连接而构成的电池系统。多个电池的劣化由于例如制造的差异或者运行环境的差异而不同。例如，靠近热源的电池快速劣化，而远离热源的电池缓慢劣化。

因此，在充电或放电时已经劣化的电池首先达到充电结束电压。在该情况下，即使在其它电池中还有剩余容量，也不得不停止充电，从而不能完全地使用电池的容量。因此，已经提出了一种系统，其将已经达到充电结束电压的电池旁路，断开对该电池的充电，并且继续对尚未达到充电结束电压的电池进行充电(专利文献1)。

通常地，进行CCCV充电以防止电池过度充电。CCCV充电是指将恒定电流充电(CC：恒定电流)与恒定电压充电(CV：恒定电压)组合的充电。在CCCV充电时，直至电池达到充电切换电压之前都进行恒定电流充电，并且当达到充电切换电压时，将充电切换到恒定电压充电，以减小充电电流。

[专利文献1]JP-A-2013-31249

例如，当通过CCCV充电对三个电池(B1至B3)充电时，假定如下进行充电。当电池B1达到充电结束电压时，仅将电池B1旁路，并且通过CCCV充电对电池B2、B3充电。其后，当电池B2达到充电结束电压时，也将电池B2旁路，并且最终仅电池B3通过CCCV充电而充电。然而，在这样的充电方法中，当电池B1需要从恒定电流充电切换到恒定电压充电以减小充电电流时，尽管电池B2、B3仍处于充电电流不需要减小的状态，但充电电流不得不减小以与电池B1相对应地进行充电。因此，充电时间可能变长。

发明内容

一个以上的实施例提供了一种电池控制单元和电池系统，其能够缩短充电时间。

根据一个以上的实施例，一种电池控制单元，包括多个切换单元、控制单元、充电器和充电控制单元，该充电器被配置为对电池充电。多个切换单元分别针对串联连接的多个电池而设置，并且被配置为在连接状态与非连接状态之间切换。连接状态是相应电池与其它电池串联连接的状态，并且非连接状态是所述相应电池从与所述其它电池的串联连接断开的状态。控制单元被配置为判定在充电期间多个电池的各自的电压是否达到充电结束电压，并且控制与被判定为达到充电结束电压的电池相对应的切换单元以切换至非连接状态。所述充电控制单元被配置为：进行所述电池的恒定电流充电；判定在所述恒定电流充电期间剩余可充电容量是否达到预定的充电切换容量；控制与被判定为达到所述充电切换容量的所述电池相对应的所述切换单元以切换至所述非连接状态；当所有的所述电池的所述剩余可充电容量均达到所述充电切换容量时，控制所有的所述电池以切换至所述连接状态并且切换至恒定电压充电；并且进行所述电池的所述恒定电压充电。

附图说明

图1是示出本发明的电池系统的电路图。

图2A是现有技术中的电池系统的时序图。图2B是图1所示的电池系统的时序图。

图3是示出图1所示的电池系统中包括的控制单元的充电处理步骤的流程图。

具体实施方式

下文将参考附图描述根据本发明的具体实施例。

图1所示的电池系统是例如重复使用已劣化的电池供给电力的装置。

如图1所示，电池系统1包括多个电池2a至2c以及电池控制单元3。虽然本实施例中将描述三个电池2a至2c串联连接的实例以简化说明，但是本发明不限于此。电池2a至2c的数量可以是两个或者四个以上，只要数量是多个即可。多个电池2a至2c中的每个电池都是可充电且可放电的蓄电池，并且可以由一个单元电池构成，或者可以由多个单元电池构成。

电池控制单元3包括多个切换单元4a至4c、多个电压测量单元5a至5c、控制单元6和充电器7。多个切换单元4a至4c分别与多个电池2a至2c相对应地设置。多个切换单元4a至4c具有相同的配置。

切换单元4a至4c能够在连接状态与非连接状态之间切换，在所述连接状态下，相应的电池2a至2c串联连接到其它电池2a至2c，在所述非连接状态下，相应的电池2a至2c与其它电池2a至2c之间的串联连接断开。具体地，通过切换单元4a至4c切换到连接状态的电池2a至2c被串联连接并且用作电源。另一方面，通过切换单元4a至4c切换到非连接状态的电池2a至2c从连接状态下的电池2a至2c断开并且不用作电源。

切换单元4a包括：第一开关SW1a，其串联连接到电池2a；和第二开关SW2a，其并联连接到电池2a和第一开关SW1a。第一开关SW1a的一端T11连接到电池2a的一个电极(例如，正极)。第二开关SW2a的一端T21连接到电池2a的另一个电极(例如，负极)，而第二开关SW2a的另一端T22连接到第一开关SW1a的另一端T12。可以通过分别用“b”和“c”替换在切换单元4a的以上说明中的“a”，而描述切换单元4b、4c，从而省略了它们的详细描述。

第一开关SW1b的另一端T12连接到电池2a的负极，而第一开关SW1c的另一端T12连接到电池2b的负极。即，第一开关SW1b、SW1c分别连接在相邻的电池2a与2b之间以及相邻的电池2b与2c之间。

根据以上配置，当在第一开关SW1a至SW1c接通的同时第二开关SW2a至SW2c断开时，相应的电池2a至2c处于连接状态。当第一开关SW1a至SW1c断开时，相应的电池2a至2c处于非连接状态。此时，当第二开关SW2a至SW2c接通时，形成旁路路径，并且仅处于连接状态下的电池2a至2c串联连接。

多个电压测量单元5a至5c测量相应的电池2a至2c的两端电压，并且将电池2a至2c的两端电压的测量结果输出到下文描述的控制单元6。

控制单元6由已知的CPU、ROM和RAM构成，并且控制整个电池系统1。控制单元6基于电池2a至2c的两端电压控制第一开关SW1a至SW1c和第二开关SW2a至SW2c的接通和断开。

充电器7连接到电池2a至2c的两端，并且对电池2a至2c充电。充电器7能够在恒定电流充电与恒定电压充电之间切换。控制单元6控制充电器7，以在恒定电流充电与恒定电压充电之间切换。

接着，下文将参考图2A和2B描述电池系统1的操作的概要。在图2A和2B所示的实例中，假定由于以电池2c＞电池2b＞电池2a的顺序劣化而导致容量减少。在现有技术中，如图2A所示，首先，控制单元6将充电器7切换到恒定电流充电(CC)，并且电池2a至2c通过恒定电流充电而充电。其后，电池2a最先达到充电切换电压(例如，3.8V)，然后控制单元6将充电器7切换为恒定电压充电(CV)，并且电池2a至2c通过恒定电压充电而充电。当电池2a达到充电结束电压(例如，4.2V)时，控制单元6将电池2a切换为非连接状态，以将电池2a旁路，并且将充电器7切换为恒定电流充电。结果，电池2b、2c通过恒定电流充电。当电池2b达到充电切换电压时，控制单元6将充电器7切换为恒定电压充电，并且电池2b、2c通过恒定电压充电而充电。当电池2b达到充电结束电压时，控制单元6将电池2b旁路，并且将充电器7切换为恒定电流充电。结果，电池2c通过恒定电流充电而充电。当电池2c达到充电切换电压时，控制单元6将充电器7切换为恒定电压充电，并且电池2c通过恒定电压充电而充电。当电池2c达到充电结束电压时，充电结束。

相比之下，在本实施例中，如图2B所示，控制单元6用作充电控制单元，将充电器7切换为恒定电流充电(CC)，并且电池2a至2c通过恒定电流充电而充电。当电池2a的剩余可充电容量(Ah)最先达到预定充电切换容量时，控制单元6将电池2a旁路并且继续电池2b、2c的恒定电流充电。这里，剩余可充电容量表示在电池2a至2c中能够充电的电量，即，其后还能够充多少电。

接着，当电池2b的剩余可充电容量达到充电切换容量时，控制单元6将电池2b旁路，并且继续电池2c的恒定电流充电。当电池2c的剩余可充电容量达到充电切换容量时，控制单元6将所有的电池2a至2c返回至连接状态，降低充电器7的充电电流，直至电池2a至2c中的任意一者达到充电结束电压，并且将充电切换为恒定电压充电。其后，控制单元6降低充电器7的充电电流从而不超过电池2a至2c，并且当满足预定充电结束条件时结束充电。充电结束条件例如是：所有的电池2a至2c处于基于充电结束电压的预定范围内时，在CV充电期间已经过去了预定的时间段时，或者充电电流等于或小于预定值时。

如从图2A清楚获悉的，在现有技术中，必须进行与电池2a至2c的数量相同的次数的CV充电。另一方面，在本实施例中，能够通过使所有电池2a至2c的剩余可充电容量(Ah)与充电切换容量一致而一次完成恒定电压充电，而不考虑电池2a至2c的数量，使得能够缩短充电时间。

上述充电切换容量在电池2a至2c之间具有相同的值。即，在本实施例中，电池2a至2c的剩余可充电容量(Ah)在充电从恒定电流充电切换到恒定电压充电时是一致的。因此，进行恒定电压充电使得电池2a至2c能够在相同的时间点达到充电结束电压。如图2B所示，能够一次完成恒定电压充电。如果电池2a至2c的达到充电结束电压的时间点不同，则需要将已经达到充电结束电压的电池2a至2c旁路。如在本实施例中，能够通过最终进行一次恒定电压充电而缩短充电时间。

接着，将详细描述利用控制单元6进行的电池2a至2c的剩余可充电容量(Ah)是否达到充电切换容量的判定。当电池2a至2c的两端电压达到针对各个电池2a至2c而设定的阈值时，控制单元6判定剩余可充电容量(Ah)达到充电切换容量。下文将描述设定阈值的方法。

这里，电池2a至2c的初始总容量(Ah)称为Aia、Aib和Aic，电池2a至2c的SOC(％)称为SOCa、SOCb和SOCc，并且电池2a至2c的SOH(％)称为SOHa、SOHb和SOHc。电池2a至2c的剩余可充电容量Ara、Arb、Arc能够根据以下等式(1)至(3)获得。

(1)Ara＝Aia×SOHa×(1-SOCa)

(2)Arb＝Aib×SOHb×(1–SOCb)

(3)Arc＝Aic×SOHc×(1–SOCc)

SOH(％)表示劣化程度，并且表示当前总容量(Ah)与初始总容量(Ah)的比率。SOC(％)表示充电状态，并且表示剩余可充电容量(Ah)与当前总容量(Ah)的比率。

控制单元6获得当以上等式(1)至(3)中示出的剩余可充电容量Ara、Arb、Arc变为相同的充电切换容量A时的SOCa、SOCb、SOCc(％)。充电切换容量A被设定在CC充电期间电池2a至2c均未达到充电结束电压的范围内。获得的SOCa、SOCb、SOCc(％)在以下等式(4)至(6)中示出。

(4)SOCa＝1-(A/(Aia×SOHa))

(5)SOCb＝1-(A/(Aib×SOHb))

(6)SOCc＝1-(A/(Aic×SOHc))

针对例如电池2a至2c的各型号和各制造商，预先确定以上等式(4)至(6)的电池2a至2c的初始总容量Aia、Aib、Aic。由于已知SOH(％)取决于电池2a至2c的内阻，所以通过测量内阻而获得SOH(％)。在本实施例中，例如，控制单元6获得电池2a至2c的当前内阻与电池2a至2c的初始内阻的比率作为SOH(％)。获得SOH(％)的方法不限于此，并且也可以通过使用其它已知的方法而获得SOH(％)。

接着，控制单元6获得当如等式(4)至(6)那样获得SOCa、SOCb和SOCc时的电池2a至2c的开路电压(OCV)，并且将获得的OCV设定为阈值。预先获知电池2a至2c的SOC与OCV(开路电压)之间的关系作为SOC-OCV曲线。控制单元6根据SOC-OCV曲线获得与等式(4)至(6)所获取的SOCa、SOCb、SOCc相对应的OCV。

接着，下文将参考图3描述在以上概要中描述的电池系统1的具体操作。图3是示出图1所示的控制单元6的充电处理步骤的流程图。

在接收到充电命令时，控制单元6开始图3所示的充电处理。首先，控制单元6断开所有的第一开关SW1a至SW1c以及所有的第二开关SW2a至SW2c(步骤S1)。其后，控制单元6接通所有的第一开关SW1a至SW1c(步骤S2)，并且将所有的电池2a至2c串联连接。接着，在将充电器7切换至恒定电流充电(步骤S3)之后，控制单元6将充电器7连接到电池2a至2c以开始恒定电流充电(步骤S4)。

接着，控制单元6用作劣化程度计算单元，并且测量电池2a至2c的内阻，以获得SOCa、SOCb、SOCc(步骤S5)。作为内阻的测量，例如，充电器7被控制为使两种不同类型的充电电流流入电池2a至2c，并且能够根据此时所检测到的两端电压获得内阻。控制单元6用作阈值设定单元，并且基于获得的SOCa、SOCb、SOCc如上所述地设定每个电池2a至2c的阈值Va、Vb、Vc(步骤S6)。

接着，控制单元6获取通过电压测量单元5a至5c测量的电池2a至2c的两端电压，并且将获得的电压与阈值Va、Vb、Vc比较(步骤S7)。作为比较的结果，如果在连接状态下在电池2a至2c之中没有电池2a至2c达到阈值Va、Vb、Vc，则控制单元6判定没有充电要被切换的电池2a至2c(步骤S7中否)，并且返回到步骤S7。

另一方面，作为比较的结果，如果电池2a至2c之中有电池已经达到阈值Va、Vb、Vc，则控制单元6判定电池2a至2c中有电池的充电要被切换(步骤S7中是)，并且判定是否所有的电池2a至2c已经达到阈值Va、Vb、Vc(步骤S8)。如果不是所有的电池2a至2c都已经达到阈值Va、Vb、Vc(步骤S8中否)，则控制单元6将在步骤S7中判定为已经达到阈值Va、Vb、Vc的电池2a至2c旁路(步骤S9)，并且返回到步骤S7。

如果所有的电池2a至2c都已经达到阈值Va、Vb、Vc(步骤S8中是)，则控制单元6将所有的电池2a至2c切换为连接状态(步骤S10)，并且将充电器7切换为恒定电压充电(步骤S11)。

接着，控制单元6获取由电压测量单元5a至5c测量出的电池2a至2c的两端电压，并且将获取的电压与充电结束电压(4.2V)比较(步骤S12)。作为比较的结果，如果不满足上述充电结束条件(步骤S12中否)，则控制单元6返回到步骤S12。

另一方面，作为比较的结果，如果满足充电结束条件(步骤S12中是)，则控制单元6停止充电(步骤S13)。

其后，控制单元6断开所有的第一开关SW1a至SW1c和所有的第二开关SW2a至SW2c(步骤S14)，而后接通所有的第一开关SW1a至SW1c(步骤S15)，并且结束处理。

本发明不限于上述实施例并且可以适当地修改、改进等。上述实施例中的构成元件的材料、形状、尺寸、数量、布置位置等是可选的而不受限制，只要能够实现本发明即可。

虽然根据上述实施例切换单元4a至4c包括第一开关SW1a至SW1c和第二开关SW2a至SW2c，但是本发明不限于此。切换单元4a至4c可以包括：被配置为选择电池2a至2c中的一个电池的切换开关，或者与电池2a至2c并联连接的旁路电路。

虽然根据上述实施例设定电池2a至2c的两端电压的阈值，但是本发明不限于此。还可以设定电池2a至2c的SOC的阈值。在该情况下，控制单元6根据电池2a至2c的两端电压获得SOC，并且判定当获得的SOC达到阈值时，电池2a至2c的剩余可充电容量(Ah)达到充电切换容量。

控制单元6可以根据通过测量电池2a至2c的两端电压和内阻而获得的SOH来计算当前可充电容量，并且将计算出的可充电容量与充电切换容量比较。

在方面[1]中，电池控制单元(3)包括多个切换单元(4a至4c)、控制单元(6)、充电器(7)和充电控制单元(6)，所述充电器(7)被配置为对电池(2a至2c)充电。多个切换单元(4a至4c)分别针对串联连接的多个电池(2a至2c)设置，并且被配置为在连接状态与非连接状态之间切换。所述连接状态是相应电池(2a至2c)与其它电池(2a至2c)串联连接的状态，并且所述非连接状态是所述相应电池(2a至2c)从与所述其它电池(2a至2c)的串联连接断开的状态。所述控制单元(6)被配置为判定在充电期间所述多个电池的各自的电压是否达到充电结束电压，并且控制与被判定为达到所述充电结束电压的电池(2a至2c)相对应的所述切换单元(4a至4c)以切换至所述非连接状态。充电控制单元(6)被配置为进行电池(2a至2c)的恒定电流充电，判定在所述恒定电流充电期间剩余可充电容量是否达到预定的充电切换容量，控制与被判定为达到所述充电切换容量的所述电池(2a至2c)相对应的所述切换单元(4a至4c)以切换至所述非连接状态，当所有的所述电池(2a至2c)的所述剩余可充电容量均达到所述充电切换容量时，控制所有的所述电池(2a至2c)以切换至所述连接状态并且切换至恒定电压充电，并且进行所述电池(2a至2c)的所述恒定电压充电。

在方面[2]中，根据方面[1]所述电池控制单元可以还包括：劣化程度计算单元，该劣化程度计算单元被配置为计算所述多个电池(2a至2c)中的每个电池的劣化程度；设定单元，该设定单元被配置为根据由所述劣化程度计算单元计算出的所述劣化程度，针对每个所述电池(2a至2c)设定充电状态或者两端电压的阈值。当所述电池(2a至2c)的所述充电状态或者所述两端电压达到与所述电池(2a至2c)相对应地设定的所述阈值时，所述充电控制单元(6)可以判定可充电容量达到所述充电切换容量。

在方面[3]中，电池系统(1)可以包括串联连接的多个电池(2a至2c)以及根据[1]或[2]所述的电池控制单元(3)。

根据方面[1]和[3]，充电控制单元进行电池的恒定电流充电，判定在所述恒定电流充电期间剩余可充电容量是否达到预定的充电切换容量，控制与被判定为达到所述充电切换容量的所述电池相对应的所述切换单元以切换至所述非连接状态，当所有的所述电池的所述剩余可充电容量均达到所述充电切换容量时，控制所有的所述电池以切换至所述连接状态并且切换至恒定电压充电，并且进行所述电池的所述恒定电压充电。即，能够进行恒定电流充电，直至所有的电池的剩余可充电容量达到充电切换容量，并且当达到充电切换容量时能够将充电切换为恒定电压充电，使得能够缩短多个电池的充电时间。基于剩余可充电容量是否达到充电切换容量而进行恒定电压充电与恒定电流充电之间的切换，并且最后仅一次完成恒定电压充电。

根据方面[2]，能够基于劣化程度精确地判定可充电容量是否已经达到充电切换容量。

根据一个以上的实施例，能够提供一种可以缩短充电时间的电池控制单元和电池系统。

Claims (3)

1.一种电池控制单元，包括：

多个切换单元；

控制单元；

充电器，该充电器被配置为对电池充电；以及

充电控制单元，

其中，分别针对串联连接的多个电池而设置所述多个切换单元，并且所述多个切换单元被配置为在连接状态与非连接状态之间切换，

其中，所述连接状态是相应电池与其它电池串联连接的状态，并且所述非连接状态是所述相应电池从与所述其它电池的串联连接断开的状态，

其中，所述控制单元被配置为判定在充电期间所述多个电池的各自的电压是否达到充电结束电压，并且控制与被判定为达到所述充电结束电压的所述电池相对应的所述切换单元以切换至所述非连接状态，并且

其中，所述充电控制单元被配置为：进行所述电池的恒定电流充电；判定在所述恒定电流充电期间剩余可充电容量是否达到预定的充电切换容量；控制与被判定为达到所述充电切换容量的所述电池相对应的所述切换单元以切换至所述非连接状态；当所有的所述电池的所述剩余可充电容量均达到所述充电切换容量时，控制所有的所述电池以切换至所述连接状态并且切换至恒定电压充电；以及进行所述电池的所述恒定电压充电。

2.根据权利要求1所述的电池控制单元，还包括：

劣化程度计算单元，该劣化程度计算单元被配置为计算所述多个电池的各自的劣化程度；以及

设定单元，该设定单元被配置为根据由所述劣化程度计算单元计算出的所述劣化程度而设定每个所述电池的充电状态的阈值或两端电压的阈值，

其中，当所述电池的所述充电状态或者所述两端电压达到与所述电池相对应地设定的所述阈值时，所述充电控制单元判定可充电容量达到所述充电切换容量。

3.一种电池系统，包括：

多个电池，该多个电池串联连接；以及

根据权利要求1或2所述的电池控制单元。