CN113824173A - 电池控制单元和电池系统 - Google Patents

Abstract

电池控制单元包括切换单元和控制单元。切换单元提供给彼此串联连接的多个电池中的每一个，并且切换对应电池放电的连接状态和对应电池不放电的非连接状态。控制单元从剩余可放电容量达到预定值的电池依次将电池切换到非连接状态。此外，在所有电池的剩余可放电容量达到预定值之后，控制单元将所有电池切换到连接状态，然后从被确定为达到放电终止状态的电池依次将电池切换到非连接状态。

Description

电池控制单元和电池系统

技术领域

本发明涉及电池控制单元和电池系统。

背景技术

存在通过串联连接多个电池而配置的电池系统。多个电池的劣化由于例如制造的变化或操作环境的变化而变化。例如，靠近热源的电池迅速劣化，而远离热源的电池缓慢劣化。

为此，在充电和放电期间已经劣化的电池首先达到充电和放电终止状态。在这种情况下，即使其他电池有剩余容量，也必须停止充电和放电，并且电池容量不能用完。因此，已经提出了一种系统，其中已经达到充电终止状态的电池被旁路并从充电电路断开，并且没有达到充电终止状态的电池的充电被继续(专利文献1)。类似地，在放电期间，可以考虑这样的电池系统，其中已经达到放电终止状态的电池被旁路并且从放电断开，并且没有达到放电终止状态的电池的放电被继续。

顺便提及，为了防止电池的劣化，当电池的充电状态变低时，考虑执行放电电流限制以限制放电电流。当放电电流受到限制时，例如，在电动车辆的情况下，施加限制，使得即使当加速器被压下时加速也减弱。

当在电池系统中采用这种放电电流限制时，会出现以下问题。例如，考虑两个电池串联连接的电池系统。当两个电池中的一个的充电状态变低并且需要放电电流限制时，对两个电池执行放电电流限制。此后，当处于低充电状态的电池达到放电终止状态时，电池被旁路，并且放电电流限制被释放。接下来，当剩余的一个电池的充电状态变低并且需要放电电流限制时，对剩余的一个电池执行放电电流限制。此后，当剩余的一个电池达到放电终止状态时，电池被旁路。由于这个原因，由于每次电池被旁路时放电电流受到限制，所以存在这样的问题，即在不限制放电电流的情况下，获得期望功率的持续时间被缩短。

引文列表

专利文献

专利文献1：JP-A-2013-31249

发明内容

鉴于上述情况做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种能够延长获得期望功率的持续时间的电池控制单元和电池系统。

根据本发明的电池控制单元和电池系统包括：切换单元，被配置为被提供给彼此串联连接的多个电池中的每一个，并且在对应电池放电的连接状态和对应电池不放电的非连接状态之间切换；第一控制单元，被配置为从剩余可放电容量达到预定值的电池依次将电池切换到非连接状态；以及第二控制单元，被配置为在所有电池的剩余可放电容量达到预定值之后，将所有电池切换到连接状态，然后从被确定为达到放电终止状态的电池依次将电池切换到非连接状态。

附图说明

图1是示出根据本发明的电池系统的框图。

图2是示出图1所示电池组和电池控制单元的细节的电路图。

图3是示出构成图1所示电池控制单元的控制单元的放电切换处理过程的流程图。

图4是当最大放电功率连续提供给图1所示电池系统中的负载时，电池的放电电压、放电电流和放电功率的时间图。

具体实施方式

下面将参照附图描述根据本发明的具体实施例。

例如，图1中所示的电池系统1是通过再利用劣化的电池来供应所获得的功率的装置。

如图1所示，电池系统1包括电池组2、电池控制单元3、功率转换器4、电流测量单元8、系统控制器5(放电电流限制单元)、充电器6和负载7。电池系统1经由功率转换器4转换来自电池组2的功率的电压和频率，然后向负载7供应(放电)功率。电池系统1经由功率转换器4转换来自充电器6的功率的电压和频率，然后向电池组2供应功率以对电池组2充电。

如图2所示，电池组2包括多个电池21至23。尽管为了简化描述，将在本实施例中描述三个电池21至23串联连接的示例，但是本发明不限于此。电池21至23的数量可以是两个、或者四个或更多，只要数量是多个。多个电池21至23中的每一个都是可充电和可放电的蓄电池，并且可以由一个电池单元构成或者可以由多个电池单元构成。

电池控制单元3是切换多个电池21至23的连接状态的单元。电池控制单元3包括多个切换单元31至33和控制单元34(第一控制单元和第二控制单元)。多个切换单元31至33分别对应于多个电池21至23设置。多个切换单元31至33具有相同的配置。

切换单元31至33在对应的电池21至23能够连接到充电器6或负载7(能够放电)的连接状态和对应的电池21至23不能连接到充电器6或负载7(不能放电)的非连接状态之间切换。也就是说，处于连接状态的电池21至23电连接在设置在电池组2中的一对端子T1和T2之间，并且处于非连接状态的电池21至23与一对端子T1和T2断开。因此，当电池组2的端子T1和T2连接到功率转换器4时，处于连接状态的电池21至23可以由充电器6充电或者可以向负载7放电，并且处于非连接状态的电池21至23不能由充电器6充电或者不能向负载7放电。

切换单元31包括串联连接到电池21的第一开关SW11，以及并联连接到电池21和第一开关SW11的第二开关SW21。第一开关SW11的一端T11连接到电池21的一个电极(例如，正极)。第二开关SW21的一端T21连接到电池21的另一电极(例如，负极)，另一端T22连接到第一开关SW11的另一端T12。切换单元32和33可以通过将切换单元31的描述中的“31”、“SW11”和“SW21”分别替换为“32”和“33”、“SW12”和“SW13”以及“SW22”和“SW23”来描述，并且将省略其详细描述。

第一开关SW12的另一端T12连接到电池21的负极，第一开关SW13的另一端T12连接到电池22的负极。即，第一开关SW12和SW13分别连接在彼此相邻的电池21和22之间以及电池22和23之间。

根据上述配置，当第二开关SW21至SW23断开并且第一开关SW11至SW13接通时，相应的电池21至23处于连接状态。此外，当第一开关SW11至SW13断开时，相应的电池21至23处于非连接状态。此时，当第二开关SW21至SW23接通时，形成旁路路径，并且只有处于连接状态的电池21至23连接在端子T1和T2之间。

控制单元34包括众所周知的CPU、ROM和RAM，并控制整个电池控制单元3。控制单元34基于附接到电池21至23的各个单元的传感器来检测每个电池21至23的电池状态。作为传感器，例如，可以考虑检测每个电池21至23的电池单元电压(端到端电压)的电压传感器、检测流经每个电池21至23的电流的电流传感器、或检测每个电池21至23的温度的温度传感器等。电池状态的例子包括由传感器检测的电池单元电压、电流和温度，以及基于电池单元电压、电流和温度获得的SOC(充电状态)和SOH(劣化状态)。控制单元34用作设定单元，并基于每个电池21至23的电池状态设定最小放电电流限制值。控制单元34将检测到的电池21至23的电池状态和计算出的最小放电电流限制值发送到稍后描述的系统控制器5。

接下来，将描述最小放电电流限制值的计算。电池21至23的下限电压值根据性能设定。当电池21至23的电池单元电压下降到下限电压值以下时，电解液分解，活性材料层塌陷，从而电池21至23被严重损坏。作为放电时电池21至23的电池单元电压的闭路电压(CCV)比开路电压(OCV)低由内阻引起的电压降。因此，即使当OCV没有达到下限电压值时，放电时的CCV也可能达到下限电压值。

例如，将考虑以下示例1)和2)。

1)当OCV＝3.5V，CCV＝3.0V(当I＝1A)，CCV＝2.6V(当I＝3A)

2)当OCV＝3.0V，CCV＝2.6V(当I＝1A)，CCV＝2.0V(当I＝3A)

假设电池单元电压的下限电压值是2.6V，当在1)的情况下将3A设置为放电电流限制值，并且在2)的情况下将1A设置为放电电流限制值时，可以防止CCV下降到2.6V的下限电压值以下。

即，每个电池21至23的CCV达到下限电压值时的放电电流是每个电池21至23的放电电流限制值。电池21至23中处于连接状态的电池21至23的放电电流限制值中最小的一个是最小放电电流限制值。也就是说，控制单元34在处于连接状态的电池21至23中针对电池21至23中的每一个估计CCV达到下限电压值时的放电电流，并将所估计的放电电流中最小的一个设置为最小放电电流限制值。

接下来，将描述设置最小放电电流限制值的示例。CCV、OCV、放电电流I和内阻R之间的关系由以下等式(1)表示。

OCV–R·I＝CCV (1)

控制单元34可以通过已知的估计方法基于电池21至23的电池状态(电池电压、电流、温度、SOC、SOH等)来估计OCV和内阻R，并且可以通过将估计的OCV和内阻R代入等式(1)来估计CCV达到下限电压值时的放电电流。将每个电池21至23的估计放电电流设定为放电电流限制值，并且将电池21至23中处于连接状态的电池21至23的放电电流限制值中的最小值设定为最小放电电流值。控制单元34可以预先存储用于从电池状态提取放电电流限制值的表，并且可以从该表中读取对应于电池21至23的电池状态的放电电流限制值。

每个电池21至23的放电电流限制值被设定为随着每个电池21至23的OCV(SOC)增加而增加。此外，最小放电电流限制值被设定为随着内阻的增加而减小。控制单元34周期性地检测瞬时变化的电池21至23的电池状态，并且每次检测电池状态时，根据检测到的电池状态设置最小放电电流限制值。控制单元34控制切换单元31至33。

功率转换器4设置在电池组2和充电器6或负载7之间。功率转换器4例如是DC/DC转换器。充电器6和负载7经由功率转换器4连接到电池组2。

电流测量单元8测量从电池组2流向功率转换器4的电流，并将测量的电流输出到系统控制器5。

系统控制器5包括公知的CPU、ROM和RAM，其基于负载7的操作命令、从电池控制单元3接收的电池21至23的电池状态、和最小放电电流限制值来确定负载7的放电输出，并执行功率转换器4的输出控制。系统控制器5根据负载7等的操作获得负载7消耗的放电电流。当最小放电电流限制值降低到负载7消耗的放电电流以下时，系统控制器5向功率转换器4输出最小放电电流限制值的控制值。功率转换器4基于来自系统控制器5的最小放电电流限制值的控制值来减小到负载7的输出电流和电压，从而使得能够使从电池组2输出的电流在最小电流限制值内。当最小放电电流限制值降低到所确定的由负载7消耗的放电电流以下或者预计将降低到所确定的由负载7消耗的放电电流以下时，系统控制器5在限制放电电流之前向电池控制单元3发送指示该事实的限制信号。

接下来，将参考图3和4描述电池系统1的操作。图3是示出构成图1所示电池控制单元3的控制单元34的放电切换处理过程的流程图。图4是当最大放电功率连续提供给图1所示的电池系统1中的负载7时，电池21至23的放电电压、放电电流和放电功率的时间图。

当接收到放电模式指令时，控制单元34周期性地向系统控制器5发送电池21至23的电池状态和最小放电电流限制值。与此并行，当接收到放电模式指令时，控制单元34执行图3所示的放电切换处理。

首先，控制单元34断开所有第一开关SW11至SW13和所有第二开关SW21至SW23(步骤S1)。此后，控制单元34接通所有第一开关SW11至SW13(步骤S2)。结果，电池21至23处于连接状态，并且电池21至23处于可放电状态。为了简单起见，假设电池单元电压和剩余可放电容量按照电池21<电池22<电池23的顺序减小。

此时，最小放电电流限制值被设定为例如与具有最低电池单元电压的电池21对应的值。当电池21的电池单元电压随着放电进行而降低时，最小放电电流限制值也降低。接下来，控制单元34获得处于连接状态的每个电池21至23的剩余可放电容量。剩余可放电容量可以基于初始满充电容量、SOC(剩余容量(Ah)/满充电容量(Ah)×100)和SOH(劣化时的满充电容量(Ah)/初始满充电容量)获得，如下式(2)所示。

剩余可放电容量＝初始满充电容量×SOH×SOC (2)

初始满充电容量对于每个电池21至23是已知值，并且存储在控制单元34中的ROM或RAM中。如上所述，可以通过基于电池21至23的电池状态的已知方法来估计SOC和SOH。控制单元34基于存储在ROM或RAM中的初始满充电容量和估计的SOC和SOH获得电池21至23中的每一个的剩余可放电容量。当存在剩余可放电容量已经达到预定值的电池21至23时(步骤S3中的是)，控制单元34确定是否有一个电池21至23处于连接状态(步骤S4)。当所有电池21至23都处于连接状态时，控制单元34确定处于完全连接状态的电池21至23的数量不是1(步骤S4中的“否”)，将具有最低剩余可放电容量并且已经达到预定值的电池21切换到非连接状态并且旁路电池21(步骤S5)，然后返回到步骤S3。

当执行放电电流限制时，预定值被设定为大于剩余可放电容量。例如，当剩余可放电容量达到预定值时的OCV(SOC)可以被设置为高于当进入放电电流限制时的OCV(SOC)。

结果，电池22和23处于连接状态，电池21处于非连接状态。因此，最小放电电流限制值被设置为与例如处于连接状态的电池22和23中具有最低电池单元电压的电池22对应的值。由于电池22的电池单元电压高于电池21的电池单元电压，所以通过旁路电池21将最小放电电流限制值重置为大值。

此后，当电池22的剩余可放电容量随着放电的进行而减小，并且控制单元34确定电池22的剩余可放电容量达到预定值时(步骤S3中的是)，所有电池21至23的剩余可放电容量达到预定值，并且控制单元34确定是否有一个电池21至23处于连接状态(步骤S4)。当电池22和23处于连接状态时，控制单元34确定处于连接状态的电池21至23的数量不是1(步骤S4中的“否”)，将具有最低剩余可放电容量的电池22切换到非连接状态，并旁路电池22(步骤S5)，然后返回到步骤S3。

结果，电池23处于连接状态，电池21和22处于非连接状态。因此，最小放电电流限制值被设置为与处于连接状态的电池23对应的值。此后，当电池23的剩余可放电容量随着放电的进行而减小，并且控制单元34确定电池23的剩余可放电容量达到预定值时(步骤S3中的是)，控制单元34确定是否有一个电池21至23处于连接状态(步骤S4)。当只有电池23处于连接状态时，控制单元34确定处于连接状态的电池21至23的数量为1(步骤S4中的是)，并且接通所有第一开关SW11至SW13(步骤S6)。

此后，控制单元34从电池电压达到放电终止电压(下限电压值)的电池21至23依次旁路(步骤S7、S8中的是)。然后，当所有电池21至23达到放电终止电压并被旁路时(步骤S9中的是)，控制单元34断开所有第一开关SW11至SW13和第二开关SW21至SW23(步骤S10)，并结束处理。

根据上述实施例，控制单元34从剩余可放电容量已经达到预定值的电池21至23依次将电池切换到非连接状态(第一旁路处理：图3中的步骤S1至S5)，然后在所有电池21至23的剩余可放电容量已经达到预定值之后，将所有电池21至23切换到连接状态，然后从确定已经达到放电终止电压的电池21到23依次将电池切换到非连接状态(第二旁路处理：图3中的步骤S6到S10)。因此，在执行第二旁路处理之前，所有电池21至23的剩余可放电容量等于预定值。因此，在第二旁路处理期间，理论上，所有电池21至23应该在相同时刻达到放电终止电压。因此，在电池21至23的剩余容量小的第二旁路处理期间，可以延长所有电池21至23处于连接状态的时间，并且可以延长可以采用期望电池的持续时间。

根据上述实施例，预定值被设置为使得剩余可放电容量在系统控制器5限制放电电流之前达到预定值的值。结果，如图4所示，在第一旁路处理期间，每次电池21至23切换到非连接状态时，放电电流不受限制。另外，如上所述，在第二旁路处理期间，所有电池21至23在相同时刻达到放电终止电压，使得放电电流限制可以被整合到一次中。因此，可以在不限制放电电流的情况下进一步延长可以获得期望功率的持续时间，并且控制单元34可以通过执行第二旁路处理来完全使用电池21至23的剩余可放电容量。

本发明不限于上述实施例，并且可以适当地进行修改、改进等。此外，只要能够实现本发明，上述实施例中的元件的材料、形状、尺寸、数量、布置位置等是可选的并且不受限制。

根据上述实施例，与电池控制单元3分离的系统控制器5限制放电电流，但是本发明不限于此。电池控制单元3可以控制负载7并限制放电电流。

根据上述实施例，控制单元34估计电池21至23的剩余可放电容量，将估计的剩余可放电容量与预定值进行比较，并且确定剩余可放电容量是否已经达到预定值，但是本发明不限于此。例如，控制单元34可获得电池21至23的SOC、电池单元电压或SOH(劣化程度)，并基于所获得的SOC或电池单元电压是否已经达到根据SOH设定的阈值来确定剩余可放电容量是否已经达到预定值。

此外，根据上述实施例，SOC被用作充电状态，但是本发明不限于此。充电状态是指示电池21至23的容量的参数中的一个，除了SOC之外，还可以使用OCV等。

这里，上述根据本发明的电池控制单元和电池系统的实施例的特征将在下面的[1]至[4]中简要总结。

[1]一种电池控制单元(3)，包括：

切换单元(31至33)，被配置为被提供给彼此串联连接的多个电池(21至23)中的每一个，并且在对应的电池(21至23)放电的连接状态和对应的电池(21至23)不放电的非连接状态之间切换；

第一控制单元(34)，被配置为从剩余可放电容量达到预定值的电池(21至23)依次将电池切换到非连接状态；和

第二控制单元(34)，被配置为在所有电池(21至23)的剩余可放电容量达到预定值之后将所有电池(21至23)切换到连接状态，然后从被确定为达到放电终止状态的电池依次将电池切换到非连接状态。

[2]根据[1]所述的电池控制单元(3)，进一步包括：

放电电流限制单元(5)，被配置为限制流经处于连接状态的电池(21至23)的放电电流，以便不超过最小放电电流限制值，所述最小放电电流限制值是根据连接状态下的电池(21至23)的每个电池状态确定的放电电流限制值中的最小值，其中

预定值被设定为这样的值，使得在放电电流限制单元(5)限制放电电流之前剩余可放电容量达到预定值。

[3]根据[2]所述的电池控制单元(3)，进一步包括：

设置单元(34)，被配置为估计处于连接状态的多个电池(21至23)中的每一个的电池状态和内阻，基于预定的下限电压值以及所估计的多个电池(21至23)中的每一个的电池状态和内阻来获得多个电池(21至23)中的每一个的放电电流限制值，并且将所获得的放电电流限制值中的最小值设置为最小放电电流限制值。

[4]一种电池系统(1)，包括：

彼此串联连接的多个电池(21至23)；

切换单元(31至33)，其被配置为被提供给多个电池(21至23)中的每一个，并且在对应的电池(21至23)放电的连接状态和对应的电池(21至23)不放电的非连接状态之间切换；

第一控制单元(34)，被配置为从剩余可放电容量达到预定值的电池(21至23)依次将电池切换到非连接状态；和

第二控制单元(34)，被配置为在所有电池(21至23)的剩余可放电容量达到预定值之后，将所有电池(21至23)切换到连接状态，然后从被确定为达到放电终止状态的电池(21至23)依次将电池切换到非连接状态。

根据具有上述[1]和[4]配置的电池控制单元和电池系统，当第二控制单元将所有电池切换到连接状态时，所有电池的剩余可放电容量等于预定值。因此，在电池的剩余容量小的第二控制单元的控制时段期间，可以延长所有电池处于连接状态的时间，并且可以延长可以获得期望功率的持续时间。

根据具有上述[2]的配置的电池控制单元，第一控制单元不在每次电池切换到非连接状态时施加放电电流限制，并且可以进一步延长在不施加放电电流限制的情况下获得期望功率的持续时间。

根据具有上述[3]的配置的电池控制单元，可以容易地设置最小放电电流限制值。

根据本发明，可以提供电池控制单元和电池系统，其能够延长能够获得期望功率的持续时间。

Claims (4)

1.一种电池控制单元，包括：

切换单元，其被配置为被提供给彼此串联连接的多个电池中的每一个，并且在对应电池放电的连接状态和对应电池不放电的非连接状态之间切换；

第一控制单元，其被配置为从剩余可放电容量达到预定值的所述电池依次将所述电池切换到所述非连接状态；和

第二控制单元，其被配置为在所有所述电池的所述剩余可放电容量达到所述预定值之后，将所有所述电池切换到所述连接状态，然后从被确定为达到放电终止状态的所述电池依次将所述电池切换到所述非连接状态。

2.根据权利要求1所述的电池控制单元，还包括：

放电电流限制单元，其被配置为限制流经处于所述连接状态的所述电池的放电电流，以便不超过最小放电电流限制值，所述最小放电电流限制值是根据处于所述连接状态的所述电池的每个电池状态确定的放电电流限制值中的最小值，

其中，所述预定值被设置为这样的值，使得在所述放电电流限制单元限制所述放电电流之前，所述剩余可放电容量达到所述预定值。

3.根据权利要求2所述的电池控制单元，进一步包括：

设置单元，其被配置为估计处于所述连接状态的所述多个电池中的每一个的电池状态和内阻，基于预定的下限电压值以及所述多个电池中的每一个的所估计的电池状态和内阻来获得所述多个电池中的每一个的所述放电电流限制值，并且将所获得的放电电流限制值中的最小值设置为最小放电电流限制值。

4.一种电池系统，包括：

彼此串联连接的多个电池；

切换单元，其被配置为提供给所述多个电池中的每一个，并且在对应电池放电的连接状态和对应电池不放电的非连接状态之间切换；

第一控制单元，其被配置为从剩余可放电容量达到预定值的所述电池依次将所述电池切换到所述非连接状态；和

第二控制单元，其被配置为在所有所述电池的所述剩余可放电容量达到所述预定值之后，将所有所述电池切换到所述连接状态，然后从被确定为达到放电终止状态的所述电池依次将所述电池切换到所述非连接状态。

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