CN112740504A - 对锂离子电池单体的异常的自放电的探测以及蓄电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过监控每个电池单体的平衡电荷来对在蓄电池系统中的异常的自放电进行探测的方法以及一种蓄电池系统，所述蓄电池系统配置用于使用所述方法。按照本发明的方法能够实现对于对安全关键的状态、例如内部短路的出现的可能性的预测，从而可以及早采取合适的对应措施。

Description

对锂离子电池单体的异常的自放电的探测以及蓄电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于对在蓄电池系统中的锂离子电池单体的异常的自放电的进行探测的方法，以及一种使用该方法的蓄电池系统。
背景技术
蓄电池系统
用于电动运行或混合电动运行的车辆的蓄电池系统包括多个单独的彼此并联和串联连接的二次电池单体、典型地为锂离子电池单体，所述二次电池单体通过蓄电池管理系统(BMS)控制。
BMS主要具有如下功能，即监控运行数据、如电池单体电压、充电状态(SoC)、老化程度(SoH，健康状态)、电流、温度以及控制电池单体的充电或放电。BMS的另外的任务是蓄电池系统的热管理、电池单体的保护以及基于所记录的运行数据对电池单体的剩余使用寿命的预测。
平衡
BMS的重要功能是所谓的平衡、即各个电池单体的充电状态的平衡。可能出现的是，各个电池单体的充电状态(SoC)例如由于基于不均匀的温度分布或制造波动而提高的自放电而与电池单体复合体的其余电池单体的SoC偏离。这样的不平衡可通过电池单体电压的彼此漂移被察觉并且可以导致电池单体的使用寿命的缩短和加强的损耗。在进行平衡时，各电池单体的充电状态彼此均衡，以便再次建立平衡。
一般地在主动的和被动的平衡方法之间进行区分。在主动的平衡方法中，电荷从具有提高的SoC的电池单体传输至具有较小的SoC的电池单体。这可以经由电容器、线圈和/或电压互感器来进行。在被动的平衡方法中，与之相反，在具有提高的SoC的电池单体中，简单地将过量的电荷经由阻抗(分流器)消散，直至充电状态平衡。
对安全关键的运行状态
锂离子电池单体的广泛使用的主要原因是其高的能量密度。然而高的能量密度同时隐藏着在故障情况中的灾难性的损害的潜在性，例如电池单体的热击穿。因此，重要的是，BMS及时探测锂离子电池单体的对安全关键的状态并且可以采取合适的对应措施。
“热击穿”可以通过如下方式实现，即由于异常高的电流流动、例如由于内部的或外部的短路，电池单体的温度强烈地升高，使得不再确保分离器的完整性，并且首先产生局部的缺陷部位，例如由于分离器的局部的变形或局部的熔化，从而阳极(还原剂)和阴极(氧化剂)在这些部位处直接接触或至少能导电地接触。由此能够局部地实现强烈放热的氧化还原反应，这导致分离器的进一步的温度升高和进一步的破坏。首先局部的氧化还原反应可以进一步蔓延开，可以出现电解质的蒸发和分解，这然后可以导致壳体的开裂、与空气中的氧气的接触并且最后导致火灾或爆炸。
外部的短路的危险可以例如通过安装熔断保险装置来应对。当在电池单体内部在阳极和阴极之间产生能导电的连接时，则出现内部的短路。一方面这样的内部的短路可以通过灾难性的外部作用产生，例如基于电池单体的机械变形或由于事故而被金属物体穿透。
另一种内部的短路可以通过在电池单体本身中的过程引起，例如通过在电池单体中基于制造缺陷而包括进的金属颗粒和/或通过金属锂以枝状晶形式在阳极上的沉积引起，所述枝状晶可以“生长穿过”分离器并且可以形成至阴极的能导电的连接。人们认为，这种类型的缺陷不会立即导致“热击穿”。因此，从如下事实出发，即枝状晶首先是非常薄的并且具有相对小的电流负载能力，从而其在短路的情况中自动再次溶解。
然而如果这样的“软”短路重复出现，尤其是在相同的部位处(例如金属颗粒或分离器薄弱部位可以位于所述部位处)重复出现，则从如下事实出发，即在阳极和阴极之间构成越来越强地可负载的电桥并且最后导致“热击穿”。然而在这之前的情况是，“软短路”应通过电池单体的提高的自放电而能被察觉。因此，自放电的监控是一种可能的措施，以便预测对安全关键的状态的出现并且及早采取合适的对应措施。
作为用于监控自放电的方法在US2012/182021中提出，监控在两个并联连接的电池单体之间的差动电流，当自放电相同时，所述差动电流为零，并且在其他情况下，所述差动电流从具有低的自放电的电池单体流动至具有较高的自放电的电池单体。
发明内容
考虑到上述的问题，本发明提出如下任务，即提供一种通过监控锂离子电池单体的自放电的方法，所述方法可以以最小的设备花费集成到现有的蓄电池系统中。
附图说明
图1是具有被动的平衡电路的电池单体复合体的草图。在操作电池单体i的平衡电路时流动的平衡电荷可以确定为Qi＝∫Ii(t)dt＝∫Ui(t)/R dt。
图2示意性示出蓄电池系统的构造，在所述蓄电池系统中可以执行按照本发明的方法。
图3示出用于10个电池单体的复合体的累加的总平衡电荷按时间记录的变化曲线。电池单体5在第10个周期之后具有自放电的2.5倍的提高。
具体实施方式
本发明的说明
本发明的构思在于，通过使用在蓄电池系统中本来就存在的平衡功能来解决该任务。
因此，本发明涉及一种用于通过监控每个电池单体的平衡电荷来对在蓄电池系统中的异常的自放电进行探测的方法以及一种蓄电池系统，所述蓄电池系统被配置用于使用该方法。
按照本发明的方法能够实现用于对安全关键的状态、例如内部短路的出现的可能性的预测，从而可以及早采取合适的对应措施。
蓄电池系统和平衡
其中使用按照本发明的方法的蓄电池系统包括多个锂离子电池单体并且包括蓄电池管理设备(在下文中也称为蓄电池管理系统、即BMS)，其中，所述电池单体分别单独或按组地设有平衡电路。所述蓄电池管理设备设计用于，在预先确定的时间点进行电荷平衡，即实施平衡。为此，在电池单体或电池单体组中操作平衡电路，以便从该电池单体或电池单体组取出电荷，该电池单体或电池单体组的电池单体电压相对于至少一个另外的电池单体或电池单体组是提高的，并且可选地将所取出的电荷输送给具有较低的电池单体电压的另外的电池单体或电池单体组，直至电池单体电压均衡。
所述平衡通常在静止阶段期间实施，例如在充电之后和在如下时间点实施，在所述时间点中，蓄电池系统未被加载。如果蓄电池系统安装在电动车中，则平衡可以在行驶运行外的任意的时间点实施，优选直接在存储器的充电之后实施。在混合电动车辆或插电式混合电动车辆中，也考虑利用内燃机的行驶运行。按照本发明，所述平衡的时间点和确切的方法不被特别限制，只要在平衡时对于每个电池单体转化的电荷可以通过BMS确定。
在被动平衡的最简单的情况中，仅从具有提高的电池单体电压(和因此提高的SoC)的电池单体取出电荷并且在负载阻抗(分流器)上消散。用于N个串联连接的电池单体的情况的这样的被动的平衡电路的简化示意图在图1中示出。对于每个电池单体i由BMS监控电池单体电压Ui。此外，每个电池单体设有分流电路，所述分流电路包括至少一个由BMS控制的开关Si(例如MOSFET)和真正的并联阻抗(分流器)Ri。
用于直接测量平衡电流Ii的可能性如在用于图解的附图中示出的那样在实际中通常被取消，以便使设备花费最小化。取而代之，平衡电流由阻抗值Ri和在平衡期间测量的电压变化曲线Ui(t)计算为Ii(t)＝Ui(t)/R。在时间上的积分提供流动的电荷。
在探测到过高的SoC或相对于其他的电池单体提高的电压时，由BMS为了平衡而闭合开关Si，并且平衡电流Ii流过，所述平衡电流在阻抗Ri上转变为热。以这样的方式，电池单体经由分流电路控制而放电，直至电压Ui达到额定值。然后开关Si再次打开并且分流电路与电池单体分开。
在主动平衡中，从一个电池单体取出电荷并且输送给另一个电池单体。电荷的传输经由连接的构造元件来进行，所述构造元件作为能量缓冲存储器起作用。为此可以使用电容器、线圈、变压器或电压互感器(切换调节器)。
在最简单的情况中涉及连接的电容器，其周期地在具有高的SoC(和高的电压)的电池单体上充电、转换，并且在具有低的SoC(和低的电压)的电池单体上放电。所述平衡电荷能够由相应的电压、电容器的容量和切换频率确定。该原理类似也适用于其他和/或较复杂的主动的平衡系统，包括具有感应的构造元件(线圈、变压器)或切换调节器作为传递元件的这样的平衡系统。在每种情况中，平衡电荷可以由在参与的电池单体上的电压、切换频率和相应的传递元件的特性数据来确定。主动的平衡电路的特性通常是预先已知的并且存储在BMS中，从而从电池单体i取出的平衡电荷以及输送给电池单体j的平衡电荷可以由平衡电路的电压变化曲线和操作持续时间来确定。
方法
按照本发明的方法包含如下的步骤(1)、(2)和/或(3)和(4)：
(1)确定电荷qi，其在操作平衡电路时从每个电池单体或电池单体组通过平衡取出或输送给每个电池单体或电池单体组(i＝1...N，其中N是电池单体或电池单体组的数量)，
(2)对于每个电池单体或电池单体组通过累加在步骤(1)中确定的电荷来确定总平衡电荷Qges,i：
Qges，i＝∑x Qi，x
其中，x＝l......n，是用于平衡电路的第x次操作的计数变量，并且n是用于相应的电池单体或电池单体组i的至今的操作的总数量；
(3)作为在步骤(1)中测量的电荷qi和时间间隔Δt的商数来确定平衡率dqi/dt，所述时间间隔是自从平衡电路的在先的操作所经过的；
(4)当Qges,i或dqi/dt关于在更下文所描述的准则过低时，诊断用于电池单体或电池单体组i的异常高的自放电。
如上面说明的那样，步骤(1)包括通过BMS来确定在平衡过程期间从每个电池单体或电池单体组i取出的或在主动平衡的情况中必要时也输送的电荷Qi。在输送电荷的情况中，正负号反转。后续的说明统一地提及取出的电荷，其中，输送的电荷同样地作为具有相反的正负号的取出的电荷。
按照步骤(2)，可以累加对于每个电池单体或电池单体组i在各个平衡过程期间转化的电荷qi。在最简单的情况中足够的是，分别存储当前的累加的值Qges,i。电池单体的年龄tges,i同样已知，从而能够求取商数Qges,i/tges,i，所述商数是每时间单位的总平衡电荷。备选地，相应的累加的值Qges,i可以对于每个平衡过程也在时间上进行记录。
按照步骤(3)可以备选或附加于总平衡电荷也确定平衡率dqi/dt。在这里涉及在平衡时转化的电荷和两个平衡过程之间的时间上的间距Δt的商数。因为平衡率在实际中经受相对强烈的波动，所以对于诊断优选使用平均值，例如以在电池单体的年龄上的总平均值或以移动平均值的形式，在所述移动平均值中，在先前的时段(例如2至10天)的值或例如最后的2至10个平衡过程的值上取平均。
借助这样确定的总平衡电荷和/或平衡率，接着在步骤(4)中确定，是否存在异常高的自放电。为此的准则最后是相比于其余的电池单体或相对于总平衡电荷过低的取出的电荷。如果为了平衡必须从电池单体取出比在其他方面经受相同条件的其余电池单体更少的电荷，则这表明，自放电必须较高地存在。此外，异常高的总平衡电荷也已经可以本身给出过高的自放电的提示，然而在这里与各个电池单体的相配是不可能的。
诊断准则
在步骤(4)中，借助事先在步骤(2)或(3)中确定的总平衡电荷和/或平衡率来确定这样的电池单体，在所述电池单体中，取出的平衡电荷异常地低。为此按照本发明使用一个或多个如下的准则：
(a)Qges,i/tges,i低于预先确定的阈值Qref/tges，其中，tges,i是电池单体或电池单体组i的年龄；
(b)Qges,i/tges,i以预先确定的阈值ΔQ低于在所有电池单体或电池单体组上求平均的值或在除i之外所有电池单体或电池单体组上求平均的值；
(c)通过在步骤(2)中确定的值的在时间上的记录和按照时间的导数可获得的dQges,i/dt低于预先确定的阈值Q'ref；
(d)dqi/dt的通过在所有在步骤(3)中在时间的过程中确定的值上的求平均而可获得的平均值低于预先确定的阈值q'ges,ref；
(e)dqi/dt的通过在步骤(3)中确定的如下那些值上的求平均而可获得的移动平均值低于预先确定的阈值q'ref，所述那些值最多经过预先确定的间隔；
(f)平衡率dqi/dt的通过在步骤(3)中确定的值的在时间上的记录和按照时间的导数而可获得的的变化低于预先确定的阈值q”ref。
因为累加的总平衡电荷随着电池单体的年龄tges升高，所以在准则(a)和(b)中的值应分别除以tges；在这里tges可以代表电池单体的绝对年龄(例如自从投入运行起的天数)或用于已经实施的充电周期的总数。
按照准则(a)的阈值Qref给出用于每个电池单体i的总平衡电荷的允许的下限。如说明的那样，该值应随着电池的年龄tges缩放。
所述阈值可以例如如下确定，其方式为，与其中应实施按照本发明方法的相同类型的蓄电池系统经受现场测试并且平衡电荷被记录。因为平衡电荷的表明提高的自放电的异常按照期待是很少的，所以也考虑，通过记录蓄电池系统本身的平衡电荷来确定阈值。这样对于确定的蓄电池系统获得的值必须在必要时通过具有相同结构型式的其他蓄电池系统的调校来校验。随后可以计算在各个电池单体上的平衡电荷的平均值和分布。所述阈值可以如下确定，其方式为，从平均值减去分布宽度的确定的多倍。
此外，也可以有另外的外部的因数被包括到阈值的定义中，所述因数对于蓄电池管理系统(BMS)是已知的，或者可以基于其他测量变量进行估计。例如可以以这样的方式考虑自放电由于老化过程、例如形成SEI(固体电解质界面)的自然的提高，其方式为，根据期待的老化状态来修改阈值。基于所连接的测量电子装置的有限的输入阻抗，可以此外出现经由泄漏电流的放电，这同样可以被考虑用于形成阈值。
按照准则(b)，Qges,i/tges,i与所有的电池单体的平均值或除电池单体i外的所有的其余电池单体的平均值进行比较。如果用于电池单体i的值以预定的阈值ΔQ低于该平均值，则这可以同样表明过高的自放电。ΔQ可以例如由Qges,i/tges,i在所有电池单体上的分布的宽度或标准偏差σ来确定。关于避免错误地正的结果，ΔQ在该情况中为优选至少1.5σ、较强地优选至少2σ、尤其是至少3σ。为了避免错误地负的结果此外优选不超过5σ。将ΔQ确定为分布宽度的多倍具有如下优点，即，其可以就地基于所确定的数据进行并且不需要参考数据。
按照准则(c)，另一个准则是总平衡电荷的变化率dQges,i/dt。该变化率可以通过在每个平衡中在步骤(2)中确定的总平衡电荷值Qges,i,x的时间上的记录获得，其中，x是用于平衡系统的操作的计数指数。通过施加分析性的拟合曲线(例如多项式)和形成时间上的导数能够确定dQges,i/dt。如果总平衡电荷的变化率随着时间减小，则这同样是用于提高的自放电的标志。低于阈值Q'ref又用作准则，所述阀值又可以由以上所述Qref通过形成导数来确定。
变化率的考虑具有如下优点，即可以除去静态的效果、例如基于测量电子装置的输入阻抗的微小区别的不同高的测量电流，并且只考虑电池单体的自放电的改变(增加)，所述静态的效果同样可以导致不同的平衡电荷，但在时间上恒定。
备选或附加于总平衡电荷，也可以考虑平衡率dqi/dt作为准则。所述平衡率可以作为在步骤(1)中确定的电荷和在平衡系统的两个操作之间的时间间隔的商数来确定。因为这样获得的单值通常可以相对强烈地波动，所以首先计算平均值(准则(d))。该平均值又与阈值q'ref,ges比较，所述阈值例如可以以类似于Qref的方式获得，或由Qref通过形成时间上的导数来计算。
备选于总平均值，也可以按照准则(e)确定移动平均值，例如作为平衡系统的最后的2至10次操作的平均值或作为平衡过程的平均值，所述平衡过程经过少于确定的时间间隔、例如1至20天。所述移动平均值又与阈值q'ref比较。
最后也可以按照准则(f)考虑平衡率的时间上的变化曲线，这对应于平衡电荷qi的在时间上的二阶导数。平衡率随着时间的低于预先确定的阈值q”ref的减少同样表明提高的自放电。
执行
数据的测量、记录和分析在步骤(1)至(4)中如说明的那样由BMS实施，其中，执行的准确类型和参与的控制器不被特别限制。优选这些功能可以通过在蓄电池系统中本来就存在的控制器承担。
在最简单的情况中，BMS在单个控制器(BCU，蓄电池控制单元)中执行，其同时或依次以倍增方法监控所有电池单体的运行数据。所述电池单体可以在此也按组连接成模块。在该情况中，所有监控和控制功能由BCU实施，从而按照本发明的方法适宜地同样在BCU中实施。
备选地，可以对于每个模块或对于每个电池单体设置单独的控制器(电池单体监控单元、CSC)，其承担在模块层面上对电池单体的监控并且将接收的数据经由通讯系统(例如CAN总线)传输给BCU。这样的布置结构在图3中示出。
如果CSC关于可供使用的存储器和计算能力被对应地装备，则可以将所有的方法步骤(1)至(4)、包括数据的可选的时间上的记录在CSC上实施，所述CSC然后仅将具有提高的自放电的电池单体的存在或不存在传输给BCU。备选地，步骤(1)的电荷的计算和必要时步骤(2)的每个电池单体的累加也可以在CSC上实施，并且BCU承担时间上的记录、步骤(3)的导数的形成和步骤(4)的分析。在另一种备选方案中，CSC仅将电压在平衡期间的时间上的变化曲线传输给BCU，在BCU上然后实施真正的方法步骤(1)至(4)。
如果探测到具有异常的自放电的电池单体，则按照事件历史记录和/或与期待的值的偏差的强度，不同的反应是可能的。在一次的或偶尔的偏差中，可以仅将记录存储在BCU的故障存储器中，所述记录标出用于在蓄电池系统的下一次维修中检查的电池单体。在经常出现的较强的偏差中，所述电池单体可以例如被标出以用于尽快的替换，并且BMS将对应的报告经由通讯信道(例如CAN总线)传输给系统，蓄电池系统安装在所述系统中(例如电动运行的车辆)。在最坏的情况下，在与额定值非常大的偏差和/或持续变强的偏差的情况下，BMS可以此外将电池单体或安装有电池单体的模块停用，以便阻止进一步恶化和内部短路的产生。

Claims (8)

1.一种用于对在蓄电池系统中的异常的自放电进行探测的方法，所述蓄电池系统包括多个锂离子电池单体并且包括蓄电池管理设备，
其中，所述电池单体分别单独或按组地设有平衡电路，
并且蓄电池管理设备设计用于，在预先确定的时间点在电池单体或电池单体组中操作平衡电路，以便从该电池单体或电池单体组中取出电荷，该电池单体或电池单体组的电池单体电压相对于至少一个另外的电池单体或电池单体组是提高的，并且可选地将所取出的电荷输送给具有较低的电池单体电压的另外的电池单体或电池单体组，直至电池单体电压均衡，
其中，所述方法包括如下的步骤：
(1)确定电荷Qi，其在操作平衡电路时从每个电池单体或电池单体组通过平衡取出或输送给每个电池单体或电池单体组(i＝1......N，其中，N是电池单体或电池单体组的数量)，
(2)对于每个电池单体或电池单体组通过累加在步骤(1)中所确定的电荷来确定总平衡电荷Qges,i：
Qges，i＝∑x Qi，x
其中，x＝l......n，是用于平衡电路的第x次操作的计数变量，并且n是用于相应的电池单体或电池单体组i的至今的操作的总数量；
(3)将平衡率dQi/dt确定为在步骤(1)中测量的电荷Qi和时间间隔Δt的商数，所述时间间隔是自从平衡电路的在先的操作所经过的；
(4)当Qges,i或dQi/dt满足至少一个以下的准则时，诊断用于电池单体或电池单体组i的异常高的自放电：
(a)Qges,i/tges,i低于预先确定的阈值Qref/tges，其中，tges,i是电池单体或电池单体组i的年龄；
(b)Qges,i/tges,i以预先确定的阈值ΔQ低于在所有电池单体或电池单体组上求平均的值或在除i之外的所有电池单体或电池单体组上求平均的值；
(c)通过在步骤(2)中确定的值的在时间上的记录和通过按照时间的导数可获得的dQges,i/dt低于预先确定的阈值Q'ref；
(d)dqi/dt的通过在所有在步骤(3)中的在时间过程中确定的值上的求平均而可获得的平均值低于预先确定的阈值q'ges,ref；
(e)dqi/dt的通过在步骤(3)中确定的如下那些值上的求平均而可获得的移动平均值低于预先确定的阈值q'ref，所述那些值最多经过预先确定的间隔；
(f)平衡率dqi/dt的通过在步骤(3)中确定的值的在时间上的记录和按照时间的导数而可获得的变化低于预先确定的阈值q”ref。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述平衡电路是被动的平衡电路，其具有开关和负载阻抗Ri，并且电荷确定为Qi＝∫Ui(ti)/Ri dti，其中，Ui(ti)是在平衡电路的操作期间的电池单体电压，并且ti是操作时间。
3.按照权利要求1所述的方法，其中，所述平衡电路是主动的平衡电路，其具有在先已知的电荷取出或输出特性Qentn(Ui(ti)，ti)或Qentn(Uj(tj)，tj)，其中，i代表从中取出电荷的电池单体或电池单体组，j代表被输送电荷的电池单体或电池单体组，并且Ui,j和ti,j是电池单体电压和操作时间。
4.按照权利要求3所述的方法，其中，所述主动的平衡电路包括电容器、线圈、变压器和电压互感器之中的至少一个。
5.按照权利要求1至4中的至少一项所述的方法，其中，每个电池单体都设有平衡电路。
6.按照权利要求1至5中的至少一项所述的方法，其中，不仅确定总平衡电荷Qges,i而且确定平衡率dQi/dt。
7.按照权利要求1至6中的至少一项所述的方法，其中，在时间上记录在步骤(2)和/或(3)中确定的用于Qges,i或dQi/dt的值。
8.一种蓄电池系统，其包括多个锂离子电池单体和蓄电池管理设备，
其中，所述电池单体分别单独或按组地设有平衡电路，
并且蓄电池管理设备设计用于，在预先确定的时间点在电池单体或电池单体组中操作平衡电路，以便从该电池单体或电池单体组取出电荷，该电池单体或电池单体组的电池单体电压相对于至少一个另外的电池单体或电池单体组是提高的，并且可选地将取出的电荷输送给具有较低的电池单体电压的另外的电池单体或电池单体组，直至电池单体电压均衡，
其特征在于，蓄电池管理设备配置用于实施按照权利要求1至7中的至少一项所述的方法。
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