CN117121326A - 用于现场控制和监测电池系统中的各个电池单体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制和监测电池系统(1)中的各个电池单体(3)的方法，该方法包括以下步骤：提供(101)包括多个电池单体和电路(4)的电池系统(1)，电路(4)被配置为使得多个电池单体中的每个单一电池单体(3)能够被单独旁路；提供(102)电池管理系统(2)；连接(103)电池系统(1)、电路(4)和电池管理系统(2)，其方式为使得电池管理系统(2)能够在操作时选择性地控制电路(4)以单独旁路多个电池单体中的一个或多个单一电池单体(3)；使用电池管理系统(2)确定(104)多个电池单体中的电池单体(3)是否被旁路，并且如果确定电池单体(3)被旁路，则使用电池管理系统(2)确定(105‑108)被旁路的电池单体(3)的开路电压特性。

Description

用于现场控制和监测电池系统中的各个电池单体的系统和 方法
技术领域
本发明涉及一种用于现场或在测试环境中控制和监测比如电动车辆的充电站的电池系统等电池系统中的各个电池单体的方法。本发明进一步涉及一种用于现场或在测试环境中控制和监测电池系统中的各个电池单体的系统，该系统包括电池系统和电池管理系统，该电池系统包括多个电池单体和电路，该电路被配置为使得多个电池单体中的每个单一电池单体能够被单独旁路。
该电池系统可以是用于任何可行应用的电池系统，示例包括电动车辆的充电系统或充电站、风能系统、太阳能系统、水能系统、以及需要或使用电池系统的更多应用。
背景技术
所有已知的(锂基)电池单体共同的一般结构是由两个电化学半单体的组合而成。由于大多数(锂基)电池单体的单一单体标称电压都低于5V直流电(DC)，因此在实际应用中，大多数电池组、电池模块和电池串需要串联连接许多单独的电池单体以满足48VDC与1.500VDC之间的主要标称电池系统电压要求。
这种电池组、电池模块或电池串可以用于许多不同的应用，比如但不限于电动车辆的充电站。
如图1和图2所图示的，由于锂基电池系统的能量密度相对较高，因此这些锂基电池系统尤其需要持续监测和监管其操作范围和参数。根据欧姆电压定律，整个电池系统的安全操作由此取决于每个单独的电池单体的安全操作。这意味着，在模块化和可扩展电池系统中，需要根据图1和图2对每个单独的电池单体的操作范围和参数进行监测和监管。这种监测和监管功能通常由电池管理系统(BMS)承担。
选择(先进)BMS来描述电池单体、电池组、电池模块和电池系统的电气行为的现有技术方法是经由适当的电气等效电路图(EECD)来实现的。所谓的亥姆霍兹-戴维南定理(Helmholtz-Thévenin-Theorem)指出，任何具有两个端子的线性电路都可以被单一等效电压源结合等效串联阻抗来替换。该替换在分析学上是精确的。然而，串联的单一等效阻抗可能具有任意复杂性和非不可约性。
大多数(锂基)电池单体都可以被解释为具有适当的EECD的两端子电路。等效电压源由开路电压(OCV)特性给出，该OCV特性同样是像荷电状态(SoC)、健康状态(SoH)和操作温度等一些电池参数的函数。图5所示的等效串联阻抗是示例并且由若干不同的部件组成。
利用EECD来准确地描述(锂基)电池的挑战是估计等效电路的电气参数。对于实际应用中的典型电池系统，首要挑战是估计数百个电池单体的EECD的参数。即使是同一类型，各个电池单体的电气参数也可能由于原材料、生产和/或组装的公差而不同。随着时间的推移和使用，(锂基)电池通常在可用容量和/或电力方面会退化。这就导致电池的等效电路中的电气参数持续变化。因此，这些参数不仅需要被准确地估计，而且还必须在操作期间进行跟踪。
对利用EECD对(锂基)电池进行基于模型的控制和管理的现有知识状态和实验研究是多方面的。其中大多是基于以下方法中的一个或多个方法。
首先，在大多数实际应用中，如图3所示的一般EECD的复杂性显著降低，这是由于在描述电池单体所需的准确度与估计等效图的参数所需要付出的努力之间的折衷。广泛使用的约简电池等效电路的方式有：
·为了保持通过EECD对(锂基)电池进行建模的整个方法论的活力，出于实际原因，通常通过串联连接的一个或两个RC电路对瓦尔堡阻抗进行建模。
·双层容量Cdl和电荷转移电阻Rct两者通常被完全忽略，其原因是这些参数仅在与实际应用不相关的操作条件下才具有显著性。
·滞后项通常只是通过具有测量值的查找表来约简，或者甚至可能被完全忽略，理由是滞后效应间接地拟合到其他EECD参数中。
有了这些假设，就可以确定(锂基)电池单体在实际应用中的实际等效EECD。图4中示出了这种EECD的示例。
接下来，通过实验研究根据比如以下等具体程序来估计(锂基)电池等效电路中的参数。
·作为(锂基)电池单体的等效电压源形式的开路电压特性是以完整充电/放电曲线的形式在非常低的电流速率(通常在1/25C1速率与1/30C1速率之间，其中，Cn速率定义了在1小时内以xAh的容量对电池充电或放电所需的负载电流量(以安培为单位))下直接测量的。
·串联电阻Rs的值通常从部分荷电状态(pSoC)下的大电流充电/放电脉冲中获得，然后使用拟合方法(例如，线性回归)来近似Rs的斜率。
·瓦尔堡阻抗的两个RC电路的参数通常通过数学方法从交流(AC)电化学阻抗谱(EIS)中提取，通常在100kHz与10Hz之间。
如今还存在并使用许多另外和不同的测试程序。大多数测试程序都用于统计学上具有最佳数量的单独电池单体上。然后，来自这些测量的平均值被用作大型电池系统中所有单独单体的参数值。为了反映参数值在电池系统的整个使用寿命期间的变化(减少或增加)，单独单体通常配备有(平均)退化因子。
现有技术的第一个缺点是用于描述电池行为的EECD被简化了，如例如通过比较图3和图4的示例可以看到的。等效电路可能在分析学上仍然是精确的，但是可能很难执行充分的实验来生成适当的测量结果以提取参数值。例如，如果从这种电路中移除电荷转移电阻器Rtc，则这并不意味着处于实验研究的电池单体不会显示出任何电荷转移相关的电阻特性。取决于用于参数拟合的方法，可能出现将(动态)电荷转移特性拟合到(静态)电解质电阻特性中。在这种情况下，即使是相当精确的参数拟合，也可能导致对电池单体行为的可预测性不是很准确。
除了简化之外，另一个缺点是EECD是1维的，因此其并不表示在实际应用中电池单体的整个维度内的操作条件和/或参数值的梯度。例如，在容量为大约100Ah的较大电池中，电化学活性表面区域的最热点与最冷点之间的热梯度差可以高达10K。在这种情况下，与温度有关的安全裕量始终需要关于最热(最冷)点来选定。然而，这将导致对于电池单体内的大多数其他点过于严格的安全边界。
对电池系统中的所有单独单体使用EECD的参数的平均值不可避免地会导致大多数电池单体严重欠载(在参数非常保守的情况下)或者各种电池单体严重过载(在参数适中的情况下)。在任何情况下，电池系统都无法利用其完整性能并且最有可能由于单一(弱)单体永久过载而比预期更早地发生故障。
此外，这种平均参数估计仍然来自实验室条件下的测量。即使这些实验室条件选择得当，通常也不会考虑到电池系统中的不同单独单体可能会暴露与不同的环境和/或操作条件下。这可能会导致电池单体的短期和长期行为大相径庭，而通过通用(平均)参数无法很好地解决这一问题。
现有知识状态的主要弱势客户主要是电池系统的运营商、所有者和用户；从短期来看，这些客户无法从其电池系统中获得最大容量和/或电力，并且从长期来看，电池可能会导致总拥有成本增加或使用寿命缩短。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于控制和监测电池系统中的各个电池单体的方法，利用该方法，上述优点中的至少一些优点可以被最小化或完全避免。
本发明的另一个目的是提供这样的方法，该方法提供以下中的一项或多项：
-提高对电池单体行为的可预测性的准确度，
-更好地利用单独电池单体的安全边界，以避免对于电池单体内的大多数其他点过于严格的安全边界，
-避免各个电池单体严重过载或欠载，以允许电池系统利用其完整性能，并使得电池系统不会因为单一(弱)单体永久过载而容易比预期更早地发生故障，
-使得能够考虑到电池系统中的不同单独单体可能暴露于不同的环境和/或操作条件，比如以实现电池单体的更稳定的短期和长期行为，以及
-提高了使用的灵活性，特别是比如使得不仅能够在实验室条件下对各个电池单体进行测量，而且还能够在使用条件下进行测量。
本发明由独立权利要求的主题限定。本发明的特定实施例在从属权利要求中加以阐述。
在本发明的第一方面，这些目的和其他目的借助于一种用于控制和监测电池系统中的各个电池单体的方法来实现，该方法包括以下步骤：提供包括多个电池单体和第一电路的电池系统，第一电路被配置为使得多个电池单体中的每个单一电池单体能够被单独旁路；提供包括第二电路的电池管理系统；连接第一电路和第二电路，其方式为使得电池管理系统能够在操作时选择性地控制第一电路以单独旁路多个电池单体中的一个或多个单一电池单体；使用电池管理系统确定多个电池单体中的电池单体是否被旁路；如果确定电池单体被旁路，则使用电池管理系统至少测量被旁路的电池单体的实际标称电压和温度；使用电池管理系统确定被旁路的电池单体的至少一个其他参数；基于被旁路的电池单体的所测量的实际标称电压和温度以及所确定的至少一个其他参数来确定被旁路的电池单体的开路电压特性；以及基于所确定的开路电压特性对电池系统内的每个电池单体执行控制和监测中的至少一项。
作为(锂基)电池单体的等效电压源形式的开路电压特性可以在非常低的电流速率下以完整的充/放电曲线的形式直接测量。开路电压是设备(此处为电池单体)在与任何电路断开连接时的两个端子之间的电势差。没有连接外部负载，并且没有外部电流在电池单体的端子之间流动。开路电压也可以被认为是必须对电池施加以停止电流的电压。
由此，并且尤其是通过配置电路，如上所述连接电池管理系统的第二电路和电池系统的第一电路，并且如上所述通过使用电池管理系统来确定多个电池单体中的电池单体是否被旁路，并且如果确定电池单体被旁路，则使用电池管理系统来确定被旁路的电池单体的开路电压特性，提供了一种方法，利用该方法可以以特别简单且容易的方式对单一电池单体执行相关测量。
因此，通过实现在单一电池单体水平上的测量，提供了一种方法，利用该方法获得了以下优点：提高对电池单体行为的可预测性的准确度，更好地利用各个电池单体的安全边界，以避免对于电池单体内的大多数其他点过于严格的安全边界，避免各个电池单体严重过载或欠载，以允许电池系统利用其完整性能，并使得电池系统不易因为单一单体永久过载而比预期更早地发生故障，以及使得能够考虑到电池系统中的不同单独的单体可能暴露于不同的环境和/或操作条件，比如以实现电池单体的更稳定的短期和长期行为。此外，这种方法减少了电池管理系统的必要的计算机功率，从而减少了仅基于模型的参数估计的累积误差。
此外，这种方法具有改进的灵活性，因为该方法不仅可以在测试实验室中使用，而且还可以用于现场(即，在电池系统被安装在应用中的现场)控制和监测电池系统中的各个电池单体。
在一实施例中，电池系统可以是电动车辆的充电站的电池系统。
在实施例中，连接第一电路和第二电路的步骤包括：对于多个电池单体中的每个电池单体，将第二电路连接到第一电路的并且与电池单体相关联的第一开关。
由此，获得了能够在单一单体水平上进行测量的特别简单的电气连接。
在实施例中，使用电池管理系统确定多个电池单体中的电池单体是否被旁路的步骤包括：检测由开关(特别是第一开关)断开而引起的电池单体的标称电压中的瞬变，并且如果检测到电池单体的标称电压中的瞬变，则确定电池单体被旁路。
如已经表明的那样，这种瞬变总是在断开电开关时引起的，这种方法提供了特别简单的方式来以高确定度检测电池单体被旁路。
在实施例中，使用电池管理系统确定多个电池单体中的电池单体是否被旁路的步骤包括：检测第一开关是否被断开，并且如果第一开关断开，则确定电池单体被旁路。
这种方法提供了特别简单的方式来以高确定度检测电池单体被旁路。
在实施例中，被旁路的电池单体的其他参数包括以下中的任何一个或多个：电池单体的荷电状态(SoH)、电池单体的部分荷电状态(pSoH)、电池单体的健康状态(SoH)、电流脉冲、电池单体的欧姆电解质电阻、电池单体的瓦尔堡阻抗以及电池单体的电化学阻抗谱。
这些都是提供有关电池单体到给定时间点的状态的重要信息的参数。结合实际标称电压和温度，这些参数中两个最重要的参数是电池单体的欧姆电解质电阻和电池单体的电化学阻抗谱。因此，通过确定电池单体的至少这两个其他参数并且可选地其他其他参数中的一个或多个参数，可以以简单且直接的方式获得有关电池单体的特别详细的信息。
在实施例中，测量被旁路的电池单体的实际标称电压和温度的步骤和确定被旁路的电池单体的其他参数的步骤是在确定电池单体已经被旁路之后的预定弛豫时间流逝后执行的。
当电池单体被旁路时，只有在电池被旁路后经过一段时间后，才认为电池电压处于稳定状态。该时间段被称为电池的弛豫时间。弛豫时间可以在几分钟、几小时或者甚至是几天的范围内，这取决于所需的准确度，因为电池单体以渐近的方式向稳态电压发展。以此方式，通过考虑到电池单体的弛豫时间，测量(尤其是对电池单体的荷电状态的测量)的准确度得以提高，因为避免了因电池单体电压不够接近稳定状态而产生的误差来源。
在实施例中，每当确定电池单体被旁路时重复测量被旁路的电池单体的实际标称电压和温度的步骤。
由此，提供了一种方法，利用该方法，能够尽可能频繁地更新任何给定电池单体的实际标称电压和温度，从而始终保持更新。这进一步提高了在给定时间点的测量结果的准确度。
在实施例中，连接第一电路和第二电路的步骤包括：对于多个电池单体中的每个电池单体，将第二电路连接到第一电路的并且与电池单体相关联的第一开关并且连接到第一电路的并且与电池单体相关联的至少一个其他开关。
由此，获得了能够在单一单体水平上进行测量的特别简单的电气连接，并且还提供了一种方法，利用该方法，可以以直接且确定的方式检测到被旁路的单体，也适用于各个电池单体与多于一个开关相关联的电路构造。
在本发明的第二方面，上述目的和其他目的借助于一种用于控制和监测比如电动车辆的充电站的电池系统等电池系统中的各个电池单体的系统来实现，该系统包括：电池系统，该电池系统包括多个电池单体和第一电路，第一电路被配置为使得多个电池单体中的每个单一电池单体能够被单独旁路；以及电池管理系统，该电池管理系统包括第二电路，第一电路和第二电路被连接成使得电池管理系统能够在操作时选择性地控制第一电路以单独旁路多个电池单体中的一个或多个单一电池单体，电池管理系统被配置为：确定多个电池单体中的电池单体是否被旁路，并且如果确定电池单体被旁路，则测量被旁路的电池单体的实际标称电压和温度，确定被旁路的电池单体的至少一个其他参数，基于被旁路的电池单体的所测量的实际标称电压和温度以及所确定的至少一个其他参数来确定被旁路的电池单体的开路电压特性，并且基于该测量的开路电压特性对电池系统内的每个电池单体执行控制和监测中的至少一项。
该系统可以是用于现场控制和监测电池系统中的各个电池单体的系统。
在系统的实施例中，电池管理系统进一步被配置为通过以下方式确定多个电池单体中的电池单体是否被旁路：
-检测由第一开关断开而引起的电池单体的标称电压中的瞬变，并且如果检测到电池单体的标称电压中的瞬变，则确定电池单体被旁路，或者
-检测第一开关是否断开，并且如果第一开关断开，则确定电池单体被旁路，
在系统的一些实施例中，电池管理系统进一步被配置为进行以下中的任何一项或多项：
在确定电池单体已经被旁路之后的预定弛豫时间流逝后，测量被旁路的电池单体的所述实际标称电压和所述温度并确定被旁路的电池单体的所述至少一个其他参数，并且
每当确定电池单体被旁路时测量被旁路的电池单体的所述实际标称电压和所述温度。
在系统的一些实施例中，第一电路和第二电路被连接成使得：
对于多个电池单体中的每个电池单体，将第二电路连接到第一电路的并且与电池单体相关联的第一开关，或者
对于多个电池单体中的每个电池单体，将第二电路连接到第一电路的并且与电池单体相关联的第一开关并且连接到电路的并且与电池单体相关联的至少一个其他开关。
除了实现上文提及的优点外，电气连接的这种实施例还提供了一种具有特别简单的连接并且因此具有特别简单的电路和构造的系统。
附图说明
在以下说明中，将参考示意图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1和图2示出了图示关于锂基二次电池的操作参数对其安全操作范围、安全裕量和故障区的定性描述的两个图。图1示出了电池单体的电流幅值作为温度的函数。图2示出了电池单体的电压作为温度的函数。
图3示出了示例性电气等效电路图(EECD)，其中，EECD是(锂基)电池单体的通用电气等效电路图，其中，两个RC电路与电阻器Rct之间的虚线指示解析等效阻抗需要无限串联连接RC电路。
图4示出了作为(锂基)电池单体的实际电气等效电路图的示例性EECD，其中，两个RC电路表示动力学行为，并且串联电阻器Rs描述了电池单体处于静止状态的行为。
图5A至图5C示出了对应于电池系统的一部分并且包括两个电池单体的电路图，并且这些电路图示意性地图示了在包括多个电池单体的示例性电池系统中如何旁路或接合给定的单独电池单体。图5A示出了图示这两个电池单体被结合的电路图。图5B示出了图示在旁路记为单体1的电池单体的过程中的中间步骤的电路图。图5C示出了图示记为单体1的电池单体被旁路的电路图。
图6示出了示意性地图示根据本发明的实施例的用于控制和监测电池系统中的各个电池单体的系统的电路图。
图7分别示出了电池电气等效电路图的电势和电流作为时间的函数的绘图，该绘图图示了如何根据由于电流中断而引起的电压响应来推断欧姆电解质电阻和总电阻。
图8A图示了在图6的电池单体i被旁路并且被图6的电池单体i+1替换时的情况下可重构电池系统中的电压瞬变。从上到下，图8A的四个曲线图图示了电池组件的总电压Vbatt、电池单体i的标称电流Ii、电池单体i+1的标称电压Vi+1以及电池单体i的标称电压Vi。
图8B图示了在图6的电池单体i+1被旁路并且被图6的电池单体i替换时的情况下可重构电池系统中的电压瞬变。从上到下，图8B的四个曲线图图示了电池组件的总电压Vbatt、电池单体i的标称电流Ii、电池单体i+1的标称电压Vi+1以及电池单体i的标称电压Vi。
图9示出了阻抗的虚部与阻抗的实部的函数关系的绘图，该绘图图示了电化学阻抗谱(EIS)及其在(锂基)电池单体的电气等效电路图(EECD)中的参数方面的解释。
图10示出了根据本发明的实施例的方法的示意图。
具体实施方式
首先参考图6，示出了图示根据本发明的用于控制和监测电池系统1中的各个电池单体的系统的电路图。根据本发明的系统通常包括电池系统1和具有第二电路5的电池管理系统(BMS)2，该电池系统包括多个电池单体3和第一电路4。
为了简单起见，图6的电路图仅示出了电池系统2的两个相邻的电池单体3。电池单体记为单体i和单体i+1，其中，i表示大于或等于1的整数。换句话说，电池系统2可以包括任意数量的电池单体3。合适的电池系统2的一个非限制性示例是具有多个电池单体的100Ah磷酸铁锂电池单体组件。原则上，电池系统2也可以包括并联连接的几组电池单体，即所谓的电池单体组件。
电池系统1可以是要在需要电池电源为电器供电和/或存储电能的应用中使用的任何可行类型的电池系统。通常，电池系统2是具有可变拓扑的可重构电池系统。例如，电池系统1可以在用于为电动车辆充电的充电站中使用。电池系统1也可以用作安装在电动车辆本身中的电池系统。电池系统1可以包括任意可行数量的电池单体3。因此，根据将在其中使用电池系统1的应用，电池单体3也可以是任何可行类型的电池单体3。
第一电路4通常被配置为使得多个电池单体3中的每个单一电池单体3能够被单独旁路。在图6所示的实施例中，第一电路4以完整的线路示出。在图6所示的实施例中，第一电路4被配置成以并联配置连接电池系统1的电池单体3。第一电路4可以被布置在印刷电路板或类似基板上。第一电路4还可以提供与比如要由电池系统1供电的应用的部件等外部元件的连接。
电池管理系统2可以是任何可行的电池管理系统，比如但不限于例如申请人的WO2018/072799 A1中描述的申请人的Nerve电池管理系统。
电池系统1和电池管理系统2通常被连接成使得对于多个电池单体3中的每个电池单体3，将电池管理系统2连接到与电池单体相关联的第一开关6。第一开关6形成第一电路4的一部分。为此，电池管理系统2包括在图6中以虚线示出的第二电路5。第二电路5包括形成与第一开关6的连接的第一电路元件8。
在图6所示的实施例中，每个电池单体3与被布置在电池单体3的相反侧上的两个开关6和7相关联。开关6和7形成第一电路4的一部分。开关6被布置在电池单体3的负极端子(-)与电路元件10之间，即在电池单体3的入口线路中。开关7被布置在电池单体3的正极端子(+)与电路元件10之间，即在电池单体3的出口线路中。因此，电池系统1和电池管理系统2还被连接成使得对于多个电池单体3中的每个电池单体3，将电池管理系统2连接到电池单体的第二开关7。为此，电池管理系统2的第二电路5包括形成与第二开关7的连接的第二电路元件9。
在仅提供一个开关(通常为开关6)的其他实施例中，仅需要将电池管理系统2连接到电池单体3的或与该电池单体相关联的第一开关6。在提供多于两个开关(例如，三个或四个开关)并且与每个电池单体3相关联的又其他实施例中，可以将电池管理系统2连接到三个或更多个(但通常是全部)这样的开关，这取决于对控制开关的需要。
应当注意，如本文所使用的术语“开关”旨在涵盖两个电子开关，比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和机械开关。
在任何情况下，电池管理系统2被配置为通过检测电池单体3的标称电压中的瞬变来确定多个电池单体3中的电池单体3是否被旁路。这种瞬变通过图8A和图8B中的示例进行图示。图8A图示了在图6的电池单体i被旁路并且被图6的电池单体i+1替换时的情况。图8B图示了在图6的电池单体i+1被旁路并且被图6的电池单体i替换时的情况。如可以看到的，虽然电池组件的总电压Vbatt在电池单体替换之前和之后保持大致恒定，但是可以看到参与替换(从而被接合或旁路)的每个电池单体(单体i和单体i+1)的标称电压和标称电流两者的清晰瞬变。
电池管理系统2被配置为在电池单体3正将状态从接合改变为旁路(和/或反之亦然)的时刻测量电池单体3的标称电压中的这种瞬变。
图5A至图5C示出了对应于电池系统的一部分并且包括两个电池单体的电路图，并且这些电路图详细地图示了在操作期间在将电池单体从接合状态切换成旁路状态的情况下的实际顺序。图5A至图5C示出了每个电池单体与两个开关相关联的电路。在电池系统的其他实施例中，每个电池单体可以仅与一个开关或多于两个开关相关联。
当两个电池单体都接合以用于充电时(图5A)，开关Qx2闭合，而开关Qx1断开。所有电流都流经电池单体，并且没有电流流经旁路二极管Dxx。当收到来自电池管理系统的用于旁路电池单体单体1的控制信号时，开关Q12断开，之后开关Q11闭合，以避免使电池单体短路(图5B)。该操作要求在短时间内允许电流流经旁路二极管D12，以避免电池系统中的电流路径断开。最后，开关Q11闭合，并且所有电流都流经电池单体单体1周围的旁路电路(图5C)。电池单体单体1被旁路(c)。可以使用类似的程序来旁路电池单体单体2。而且，可以使用类似的过程来旁路电池系统中的一个或多个电池单体，其中每个电池单体可以仅与一个开关或多于两个开关相关联。
电池管理系统2进一步被配置为如果确定电池单体被旁路，则测量被旁路的电池单体的开路电压特性。电池管理系统2可以进一步被配置为在确定电池单体3已经被旁路之后的预定弛豫时间流逝后，测量被旁路的电池单体3的所述开路电压特性。电池管理系统2可以进一步被配置为每当确定电池单体3被旁路时重复测量被旁路的电池单体3的开路电压特性。例如，被旁路的电池单体3的开路电压特性可以是电池单体3的实际标称电压。
更详细地，电池管理系统2被配置为不仅驱动电池系统1的场效应晶体管，比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，而且如果并且每当确定电池单体被旁路，则获得对每个单独的电池单体3的实际标称电压和温度的测量。结合由电池管理系统针对每个电池单体3持续估计的比如荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)等其他参数，可以在每当电池单体3被旁路时并且可选地在相应弛豫时间后直接测量开路电压(OCV)特性的特定间隔。以此方式，电池管理系统2在第一完全充电序列期间就已经记录了每个单独的电池单体3的基本OCV特性。通过每个另外的充电(或放电)序列，该OCV特性通过补充性测量间隔而得到完善。而且在可重构电池系统1的整个使用寿命期间，电池管理系统2在考虑到所有电池单体3的衰减的情况下定期更新这些电池单体的OCV特性。因此，电池管理系统2可以进一步包括数据存储元件，以用于存储所获得的测量结果、所确定的另外(多个)参数和所获得的一个或多个电池单体3的OCV特性中的至少一个。
图5和图7示出了可以在电池单体3被旁路时确定的其他参数的示例。其他参数可以通过单独的测量和/或基于所测量的电池单体3的实际标称电压和温度来确定。
图7分别示出了电池电气等效电路图的电势和电流作为时间的函数的绘图。如可以看到的，被测量的电池单体3在10分钟过去后被旁路并在5分钟后再次被接合，总共经过15分钟。在电池单体3被旁路的间隔内，对电压响应进行测量。图7图示了如何根据由于电流中断(即，电池单体3的旁路)而引起的电压响应来推断欧姆电解质电阻(欧姆R)和总电阻(总R)。
更特别地，在电池系统1中的电池单体3正将其状态从接合改变为旁路(和/或反之亦然)的时刻，由于如图8A和图8B所图示的标称电流的突然下降(和/或上升)，电池管理系统2会测量到电池单体3的标称电压中的瞬变。在已知的部分荷电状态(pSoC)和电流脉冲下测量这种电压瞬变，数据可以被电池管理系统2用于近似电池单体3的欧姆电解质电阻和总等效电路电阻值，如图7所图示的。这可以逐渐提供欧姆电解质电阻的斜率，从而为每个单独的电池单体3提供其衰减情况。
图9示出了阻抗的虚部与阻抗的实部的函数关系的绘图，该绘图图示了电化学阻抗谱(EIS)在(锂基)电池单体的电气等效电路图(EECD)中的参数方面的解释。相应的EECD在图9的顶部示出。通过给定频率下的交流电(AC)进行这种深入测量而得到的电池单体3的电压响应的测量结果可以被解释为电池单体3的部分EIS。该部分EIS可以用于估计和/或调整电池单体3的EECD的缺失参数，如图9所图示的。无论专用AC是本地还是集中供应到电池单体，无论该电力由另外的子系统供应还是从现有子系统(例如，控制线路)中获取，这都是可选的。
更一般地，其他参数包括但不一定限于比如电池单体的荷电状态(SoC)、电池单体的部分荷电状态(pSoC)、电池单体的健康状态(SoH)、电流脉冲、电池单体的欧姆电解质电阻、电池单体的瓦尔堡阻抗以及电池单体的电化学阻抗谱等特性。
现在转到图10，图示了根据本发明的用于现场控制和监测电池系统中的各个电池单体的方法。通常，该方法包括以下步骤。
在步骤101中，提供了包括多个电池单体3和第一电路4的电池系统1。第一电路4被配置为使得多个电池单体3中的每个单一电池单体3能够被单独旁路。
在步骤102中，提供了电池管理系统2。电池管理系统2包括第二电路5。
在步骤103中，电池系统1和电池管理系统2，或者更精确地第一电路4和第二电路5被连接成使得对于多个电池单体3中的每个电池单体3，将电池管理系统2连接到电池单体3的至少第一开关6。
在步骤104中，使用电池管理系统2，例如通过检测电池单体3的标称电压中的瞬变来确定多个电池单体3中的电池单体3是否被旁路。
如果确定电池单体被旁路，则该方法继续到步骤105，在该步骤中，使用电池管理系统2测量被旁路的电池单体3的实际标称电压和温度。
在步骤106中，使用电池管理系统2确定被旁路的电池单体3的一个或多个其他参数。
在步骤107中，基于使用电池管理系统2所测量的被旁路的电池单体3的实际标称电压和温度以及所确定的被旁路的电池单体3的一个或多个其他参数来确定被旁路的电池单体3的开路电压特性。
最后，在步骤108中，基于使用电池管理系统2测量的开路电压特性来控制和/或监测电池系统1内的每个电池单体3。
测量被旁路的电池单体3的开路电压特性的步骤105和确定被旁路的电池单体的一个或多个其他参数的步骤106可以进一步是在确定电池单体3已经被旁路之后的预定弛豫时间流逝后执行的。
该方法可以进一步包括可选的另外的步骤，即，每当确定电池单体3被旁路时重复测量被旁路的电池单体3的开路电压特性的步骤105。实际上，这还将涉及至少重复步骤104，以持续监测电池单体3是否被旁路，并且如果电池单体3被旁路，则至少进一步重复步骤105。此外，也可以重复步骤106至108以确保对电池系统1的最佳监测和控制。这通过图10的箭头109进行图示。
最后，步骤103可以进一步包括连接电池系统1和电池管理系统2，其方式为使得对于多个电池单体3中的每个电池单体3，将电池管理系统2连接到电池单体3的第一开关6和电池单体3的第二开关7，以及可选地，至少一个其他开关。
示例
为了例示本发明的效果和优点，考虑了电池串的原型。所考虑的原型由11个电池模块组成，每个电池模块具有27个电池单体3。因此，297个电池单体3为磷酸铁锂(LFP)类型并且具有100Ah的额定标称容量。制造商规定的电池操作电压为2.5VDC至3.65VDC。
利用现有技术系统进行的测量
根据现有技术，电池管理系统2和任何更高级别的控制系统利用电气等效电路图(EECD)对所有297个电池单体进行建模，并且根据先前的实验室测量结果估计所有模型参数。在这种情况下，需要进行三次测试运行来全面测试电池系统，并且将需要以下测量时间。
第一，测量一个电池的开路电压(OCV)特性至少需要25小时；然后进行反向电流测量，并且中间休息2小时以补偿滞后效应。这将导致每个电池52小时。利用设施进行测试运行，以便在5个不同的电池并联的情况下执行这些测量。总之，这导致需要约3.089小时(或129天)的纯测试来估计电池系统的开路电压(OCV)特性。
第二，对于一个电池(无滞后补偿)，用于估计欧姆电解质电阻的测量至少花费16小时。由于这些测量需要较高的电流负载，使用现有技术的测试系统和用于比较的方法，只能并行测试两个不同的电池。总之，这加起来需要约2.376小时(或99天)的测试来测量电池系统中的欧姆电解质电阻Rs。
第三，对于额定标称容量为约100Ah的电池，认真的电化学阻抗谱(EIS)需要花费约3小时。由于这些测量所需的测量设备很昂贵，因此通常一次仅可以测试一个电池。对于所有297个电池，需要约891小时(或37天)来获得整个电池系统的所有电化学阻抗谱(EIS)。
假设上文描述的三个不同的测试运行的大部分是并行执行的，对于具有共计297个电池单体3的类型的一个完整的电池串，用于足够的模型参数估计的测量仍需花费约4个月。不过，投入这4个月的测试将能够对电池系统进行相当准确和精确的监测和控制。然而，随着时间的推移，这种准确度和精确度将会降低，因为电池正在退化，并且对于每个单独的电池来说，退化过程看起来不同。在不可能进行现场单独单体测量的情况下，电池管理系统(BMS)必须通过单独建模来近似由于退化而引起的电池的参数衰减。这需要足够的计算资源，并且易受估计误差的影响。
如果现在在电气等效电路图(EECD)中使用平均模型参数，则可以仅对3到5个示例性电池执行测量。这至少在由于电池的数量相对较小而导致并行执行测量不可行的情况下将总体测试时间减少到约107小时(或5天)。然后，使用根据这些测量估计的参数的算术平均值或加权平均值来对完整串中的所有297个电池进行建模。该方法的优点是一般平均模型参数也可以重用于具有相同类型的电池单体的其他电池串。然而，实际上，这些平均模型参数与实际(单独单体)值存在相当大的偏差。这297个电池的实际标称容量在100Ah与115Ah之间的约15％范围内变化，而欧姆电解质电阻Rs在0.30mΩ与0.55mΩ之间偏离至多80％。这仅仅是由于模型参数估计不足就已经导致在控制新的电池系统方面出现很大的误差。将需要相当先进的电池管理系统(BMS)硬件通过基于模型的参数校正来补偿该误差。
使用根据本发明的系统和方法进行的测量
如果现在替代地使用根据本发明的系统，则使得可以像在先前的段落中那样从每个电池的广义平均模型参数开始，或者完全不使用电气等效电路图(EECD)中的参数的任何起始值。假设所考虑的电池串在约750VDC的标称系统电压下使用，则在每个完全充电或放电循环期间，每一个电池平均被接合/旁路约10次，并在其开路电压(OCV)下保持旁路约25分钟。这允许以在第一完全充电循环后已经存在约+/-10％的误差的情况下来估计各个电池单体3的欧姆电解质电阻Rs。可以以约+/-15％的误差来估计每个电池的OCV特性和实际标称容量。此处，这些是每个电池的误差，而不是整个电池系统的偏差。当然，这些误差取决于标称电流。在较高电流的情况下，对欧姆电解质电阻Rs的估计更加准确，而对OCV特性的估计较不准确，并且反之亦然。在任何情况下，由于扩展的测量数据库，参数估计中的误差随着每个充电/放电序列而变小。而且随着时间的推移，参数估计的准确度和精确度的这种增加也会随着电池退化而继续，因为参数估计会持续跟踪参数衰减。
利用根据本发明的系统及其根据本发明配置的相关联的电池管理系统，可以使用另外的专用电源以在任何电池单体处于旁路状态时根据需要以1kHz的固定频率向该电池单体提供例如100mA的交流负载(从通信线路获取)。测量电池的OCV中的瞬态响应并将其用于根据图9所示的关系确定图4所示的RC电路的缺失参数。
因此，显然，通过根据本发明的系统和方法，对于给定数量的电池单体，可以相当快地执行这三个必要的测试运行，而不会损失测量的精确度和准确度。
本领域的技术人员认识到，本发明决不会局限于上文描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。
附图标记清单
1 电池系统
2 电池管理系统
3 电池单体
4 电池系统的电路
5 电池管理系统的电路
6 开关
7 开关
8 电路元件
9 电路元件
10 电路元件
101-109 方法步骤。

Claims (10)

1.一种用于控制和监测比如电动车辆的充电站的电池系统等电池系统(1)中的各个电池单体(3)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供(101)包括多个电池单体和第一电路(4)的电池系统，所述第一电路被配置为使得所述多个电池单体中的每个单一电池单体能够被单独旁路，
提供(102)包括第二电路(5)的电池管理系统(2)，
以如下方式连接(103)所述第一电路(4)和所述第二电路(5)，所述方式为使得所述电池管理系统能够在操作时选择性地控制所述第一电路以单独旁路所述多个电池单体中的一个或多个单一电池单体(3)，
使用所述电池管理系统确定(104)所述多个电池单体中的电池单体(3)是否被旁路，
如果确定电池单体被旁路，则使用所述电池管理系统测量(105)被旁路的电池单体(3)的实际标称电压和温度，
使用所述电池管理系统确定(106)所述被旁路的电池单体(3)的至少一个其他参数，
基于所述被旁路的电池单体(3)的所测量的实际标称电压和温度以及所确定的至少一个其他参数来确定(107)所述被旁路的电池单体(3)的开路电压特性，以及
基于所测量的开路电压特性对所述电池系统内的每个电池单体(3)执行控制和监测(108)中的至少一项。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，连接(103)所述第一电路和所述第二电路的步骤包括：对于所述多个电池单体中的每个电池单体(3)，将所述第二电路(5)连接到所述第一电路(4)的并且与所述电池单体相关联的第一开关(6)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用所述电池管理系统(2)确定(104)所述多个电池单体中的电池单体是否被旁路的步骤包括：
检测由所述第一开关断开而引起的所述电池单体(3)的标称电压中的瞬变，并且如果检测到所述电池单体的标称电压中的瞬变，则确定所述电池单体被旁路，或者
检测所述第一开关(6)是否断开，并且如果所述第一开关断开，则确定所述电池单体被旁路。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述被旁路的电池单体(3)的至少一个其他参数包括以下中的任何一个或多个：所述电池单体的荷电状态、所述电池单体的部分荷电状态、所述电池单体的健康状态、电流脉冲、所述电池单体的欧姆电解质电阻、所述电池单体的瓦尔堡阻抗和电化学阻抗谱。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，测量(105)所述被旁路的电池单体的实际标称电压和温度的步骤和确定(106)所述被旁路的电池单体的其他参数的步骤是在确定所述电池单体已经被旁路之后的预定弛豫时间流逝后执行的。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，每当确定所述电池单体被旁路时，重复测量(105)所述被旁路的电池单体的实际标称电压和温度的步骤。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，连接(103)所述第一电路和所述第二电路的步骤包括：对于所述多个电池单体中的每个电池单体，将所述第二电路(5)连接到所述第一电路(4)的并且与所述电池单体相关联的第一开关(6)以及所述第一电路的并且与所述电池单体(3)相关联的至少一个其他开关(7)。
8.一种用于控制和监测比如电动车辆的充电站的电池系统等电池系统(1)中的各个电池单体的系统，所述系统包括：
电池系统(1)，所述电池系统包括多个电池单体(3)和第一电路(4)，所述电路被配置为使得所述多个电池单体中的每个单一电池单体能够被单独旁路；以及
电池管理系统(2)，所述电池管理系统包括第二电路(5)，
所述第一电路(4)和所述第二电路(5)以如下方式被连接，所述方式使得所述电池管理系统(2)能够在操作时选择性地控制所述电路(4)以单独旁路所述多个电池单体中的一个或多个单一电池单体(3)，
所述电池管理系统(2)被配置为：
确定所述多个电池单体中的电池单体是否被旁路，并且
如果确定电池单体被旁路，则测量所述被旁路的电池单体(3)的实际标称电压和温度，
确定所述被旁路的电池单体(3)的至少一个其他参数，
基于所述被旁路的电池单体(3)的所测量的实际标称电压和温度以及所确定的至少一个其他参数来确定所述被旁路的电池单体(3)的开路电压特性，以及
基于所测量的开路电压特性对所述电池系统内的每个电池单体(3)执行控制和监测中的至少一项。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电池系统和所述电池管理系统(2)以如下方式被连接：
对于所述多个电池单体中的每个电池单体，将所述第二电路连接到所述第一电路的并且与所述电池单体(3)相关联的第一开关(6)，或者
对于所述多个电池单体中的每个电池单体，将所述第二电路连接到所述第一电路的并且与所述电池单体相关联的第一开关(6)以及所述第一电路的并且与所述电池单体(3)相关联的至少一个其他开关(7)。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述电池管理系统(2)进一步被配置为进行以下中的任何一项或多项：
通过以下方式确定所述多个电池单体中的电池单体(3)是否被旁路：
-检测由所述第一开关(6)断开而引起的所述电池单体的标称电压中的瞬变，并且如果检测到所述电池单体的标称电压中的瞬变，则确定所述电池单体被旁路，或者
-检测所述第一开关(6)是否断开，并且如果所述第一开关断开，则确定所述电池单体被旁路，
在确定所述电池单体已经被旁路之后的预定弛豫时间流逝后，测量所述被旁路的电池单体(3)的所述实际标称电压和所述温度，并且
每当确定所述电池单体被旁路时测量所述被旁路的电池单体(3)的所述实际标称电压和所述温度。
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