CN117837049A - 单体平衡方法和提供该方法的电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单体平衡方法和提供该方法的电池系统，并且根据本发明的电池系统包括：电池，其包括多个电池单体；单体监测IC，其测量多个电池单体中的每一个的单体电压；电流传感器，其测量在电池中流动的电池电流；以及主控制电路，其基于单体电压和电池电流来估计多个电池单体中的每一个的单体充电状态(SOC)，在多个电池单体的单体SOC当中提取最小的单体SOC，确定对应于最小单体SOC的平衡参考值，并基于平衡参考值来确定对于多个电池单体中的每一个对于单体平衡的需要。

Description

单体平衡方法和提供该方法的电池系统

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年12月3日在韩国知识产权局提交的第10-2021-0171884号韩国专利申请的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用纳入本文。

本发明涉及一种用于根据单体充电状态(SOC)执行定制单体平衡的单体平衡方法以及提供该方法的电池系统。

背景技术

电动车辆(EV)和混合动力车辆(HV)使用电池组作为驱动电机的能量供应源。在这种情况下，电池组可以包括串联和/或并联的多个电池单体。

当电池组被长时间段使用时，多个电池单体中每一个的老化和内阻值可能会变化，并且多个电池单体当中可能会出现单体偏差。在这种情况下，单体偏差可能表示单体充电状态(SOC)的偏差和单体电压的偏差。随着单体偏差的增加，可能会出现过充电或过放电，从而出现整个电池组的容量减少和电池组的寿命缩短的问题。

为了解决这个问题，电池系统执行单体平衡以减少单体偏差。电池系统可以基于开路电压(OCV)值来计算单体平衡电流值，并可以在基于单体平衡电流值计算的平衡时间内执行单体平衡。

另一方面，单体电压的变化宽度可能根据单体充电状态(SOC)而不同。例如，在电池单体具有非常小的单体SOC或非常大的单体SOC的情况下，根据单体SOC的变化，单体电压值的变化可能很大。也就是说，在执行单体平衡的过程中，具有大(或小)单体SOC的电池单体的单体电压可能显著降低，具有大(或小)单体SOC的电池单体的平衡电流值也可能降低。然后，具有大(或小)单体SOC的电池单体可能无法在预设的平衡时间内执行充分的单体平衡。

发明内容

技术问题

本发明是提供一种单体平衡方法和提供该方法的电池系统，该方法通过根据电池单体的单体充电状态(SOC)执行最佳单体平衡来减少单体偏差。

技术方案

一种根据本发明的一个方面的电池系统包括：电池，其包括多个电池单体；单体监测IC，其测量多个电池单体中的每一个的单体电压；电流传感器，其测量在电池中流动的电池电流；以及主控制电路，其基于单体电压和电池电流来估计多个电池单体中的每一个的单体充电状态(SOC)，在多个电池单体的单体SOC当中提取最小单体SOC，确定对应于最小单体SOC的平衡参考值，并基于平衡参考值来确定对于多个电池单体中的每一个对于单体平衡的需要。

主控制电路可以根据预定准则将单体SOC的整个区段划分为多个SOC区段，可以根据预定准则设置区段参考值，该区段参考值是多个SOC区段中的每一个的单体平衡的开始条件，可以在多个SOC区段当中选择最小单体SOC所属的SOC区段，并且可以确定对应于所选择的SOC区段的区段参考值作为平衡参考值。

主控制电路可基于单体电压与单体SOC的比率发生变化的点，将单体SOC的整个区段划分为多个SOC区段，并可基于比率来设置区段参考值。

主控制电路可以计算多个电池单体中的每一个的单体SOC与最小单体SOC之间的差值，并且可以确定对于超过平衡参考值的电池单体需要单体平衡。

电池系统可以进一步包括单体平衡电路，其包括多个开关和多个电阻器，并且通过根据从单体监测IC供应的至少一个开关信号当中的开关信号控制开关操作来执行电池单体的单体平衡。单体监测IC可以根据从主控制电路发送的单体平衡控制信号，通过单体平衡电路对多个电池单体当中被确定为单体平衡目标的电池单体进行放电。

主控制电路可以基于被确定为单体平衡目标的电池单体的单体SOC、电池单体的单体SOC和最小单体SOC之间的差值以及电池单体的单体电压的值来计算平衡时间，并且可以将包括关于平衡时间的信息的单体平衡控制信号发送到单体监测IC。

根据本发明的另一个方面的单体平衡方法包括：基于多个电池单体的单体充电状态(SOC)当中的最小单体SOC来确定平衡参考值；计算多个电池单体中的每一个的单体SOC与最小单体SOC之间的差值，并将差值与平衡参考值进行比较，以确定对于多个电池单体中的每一个对于单体平衡的需要；以及当作为确定的结果，对于至少一个电池单体需要单体平衡时，对确定为单体平衡目标的电池单体执行单体平衡。

平衡参考值的确定可以包括：基于多个电池单体中的每一个的单体电压来估计多个电池单体中的每一个的单体SOC；在多个电池单体的单体SOC当中提取最小单体SOC；在通过根据预定准则对单体SOC的整个区段进行分类而配置的多个SOC区段当中选择最小单体SOC所属的SOC区段；以及确定对应于所选择的SOC区段的区段参考值作为平衡参考值。

多个SOC区段可以通过基于单体电压与单体SOC的比率改变的点来对单体SOC的整个区段进行分类而配置，并且区段参考值可以基于对应于多个SOC区段的单体电压与单体SOC的比率来设置。

单体平衡的执行可以包括：基于被确定为单体平衡目标的电池单体的单体SOC、电池单体的单体SOC与最小单体SOC之间的差值以及电池单体的单体电压的值来计算平衡时间；以及在平衡时间期间执行电池单体的单体平衡。

确定对于单体平衡的需要可以包括确定超过平衡参考值的电池单体为单体平衡目标。

有益效果

本发明可根据对应于单体充电状态(SOC)的参考值确定对于单体平衡的需要，以提高单体平衡的准确性。

附图说明

图1是图示用于提供根据实施例的单体平衡方法的电池系统的视图。

图2是用于解释根据实施例的对应于单体充电状态(SOC)确定的参考值的图形的示例图。

图3是图示根据实施例的单体平衡方法的流程图。

图4是用于详细描述确定图3的平衡参考值的步骤的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述本说明书中公开的实施例，在本说明书中，相同或相似的构成元素将用相同或相似的参考数字表示，并且将省略对其的冗余描述。在以下描述中使用的代表构成元素的术语“模块”和/或“单元、部件或部分”只是用于为了使本说明书更容易理解，因此，这些术语本身并不具有区别于它们的含义或作用。此外，在描述本说明书的实施例时，当确定与本发明相关联的公知技术的详细描述可能会掩盖本发明的要旨时，将省略其。此外，提供附图只是为了使本说明书中披露的实施例易于理解，而不应被解释为限制本说明书中披露的精神，应理解为本发明包括不偏离本发明的范围和精神的所有修改、等同物和替代物。

包括序数的术语，诸如第一、第二等，将仅用于描述各种构成要素，而不能被解释为限制这些构成要素。术语仅用于区分一个构成要素与其他构成要素。

应该理解，当一个构成元素被称为与另一个构成元素“连接”或“耦合”时，它可以直接与另一个构成元素连接或耦合，也可以通过介入其间的另外构成元素与另一个构成元素连接或耦合。相反，应该理解的是，当描述元素“直接耦合”或“直接连接”到另一个元素时，该元素和另一个元素之间没有任何元素存在。

在本申请中，应当理解，术语“包括”、“包含”、“具有”或“配置”表示说明书中描述的特征、数字、步骤、操作、构成元素、部件或其组合是存在的，但不排除事先存在或增加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、构成元素、部件或组合的可能性。

图1是图示用于提供根据实施例的单体平衡方法的电池系统的视图，并且图2是用于解释根据实施例对应于单体充电状态(SOC)确定的参考值的图形的示例图。

如图1所示，电池系统1包括电池2、BMS(电池管理系统)3、继电器11和电流传感器12。

电池2可以包括串联/并联的多个电池单体，以向外部设备供应必要的电力。在图1中，电池2包括串联的多个电池单体Cell1-Celln，并且连接在电池系统1的两个输出端OUT1和OUT2之间。此外，继电器11连接在电池系统1的正极和输出端OUT1之间，而电流传感器12连接在电池系统1的负极和输出端OUT2之间。图1中所示的配置以及配置之间的连接关系是实施例，但本发明不限于此。

继电器11控制电池系统1和外部设备之间的电连接。当继电器11被接通时，电池系统1和外部设备被电连接，从而执行充电或放电。当继电器20关断时，电池系统1和外部设备电分离。外部设备可以是负载或充电器。

电流传感器12串联在电池2和外部设备之间的电流路径上。电流传感器12可以测量流经电池2的电流(即，充电电流和放电电流)，并可以将测量结果发送到BMS 3。

BMS 3包括单体平衡电路10、单体监测IC(或单体监测集成电路)20和主控制电路30。

单体平衡电路10包括多个开关SW1-SWn和多个电阻R1-Rn。多个开关SW1-SWn中的每一个根据从单体监测IC 20供应的多个开关信号SC[1]-SC[n]当中的对应的开关信号执行开关操作。对于多个电池单体Cell1-Celln中的每一个，对应的开关SWi和对应的电阻Ri串联在对应的电池Celli的正电极和负电极之间。当开关SWi被接通时，在对应的电池Celli、开关SWi和电阻Ri之间形成放电路径，并且对应的电池Celli放电。在这种情况下，i是从1到n的自然数中的一个。

单体监测IC 20与多个电池单体Cell1-Celln中的每一个的正电极和负电极电连接，以测量多个电池单体中的每一个的单体电压。由电流传感器12测量的电流值(以下称为电池电流)可被发送到单体监测集成电路20。单体监测集成电路20将关于测得的单体电压和电池电流的信息传送到主控制电路30。具体来说，单体监测IC20在不发生充电和放电的休止时段期间，每预定时段测量多个电池单体Cell1-Celln中的每一个的单体电压，并将测量结果传送到主控制电路30。

单体监测IC 20可以根据从主控制电路30发送的单体平衡控制信号，通过单体平衡电路10对多个单体Cell1-Celln当中的待平衡的单体进行放电。例如，单体监测IC 20可以根据主控制电路30的单体平衡控制信号产生多个开关信号SC[1]-SC[n]。开关信号SC[1]-SC[n]中的每一个可以控制对应的开关SWi的开关操作。当向对应的开关SWi供应接通级开关信号SC[i]时，开关SWi被接通，从而使对应的单体Celli被放电。

主控制电路30基于多个电池单体Cell1-Celln中的每一个的单体充电状态(SOC)(Csoc)当中的最小单体充电状态(min SOC)来确定平衡参考值。在这种情况下，平衡参考值可以是用于确定多个电池单体Cell1-Celln当中的单体平衡的目标的参考值。

主控制电路30可以根据预定准则将单体SOC(Csoc)的整个区段划分为多个SOC区段，并且可以根据预定准则设置区段参考值，其是多个SOC区段中的每一个的单体平衡的开始条件。此外，主控制电路30可以在多个SOC区段当中选择最小单体充电状态(SOC)(minSOC)所属的SOC区段，并且可以确定与所选择的SOC区段对应的区段参考值作为平衡参考值。

参照图2，主控制电路30可以根据预定准则将单体SOC的整个区段从0％到100％分成多个SOC区段A、B和C。例如，在图2中，主控制电路30可以根据SOC-电压相关图形(以下简称S-VCG)的斜率值，将单体SOC的整个区段(0％到100％)划分成第一SOC区段(0％或更多且小于16％)、第二SOC区段(16％或更多且小于51％)和第三SOC区段(51％或更多且100％或更少)。S-VCG是示出对应于单体SOC(Csoc)的单体电压值的图形。

根据一个实施例，主控制电路30可以基于单体电压与单体SOC(Csoc)的比率发生变化的点，将单体SOC的整个区段分成多个SOC区段A、B和C。单体电压与单体SOC(Csoc)的比率发生变化的点可以是S-VCG中斜率值发生变化的点。

在图2中，图形的斜率基于单体SOC(Csoc)约16％的值而改变，并且图形的斜率基于约51％再次改变。具体而言，在第一SOC区段(0％或更多且小于16％)和第三SOC区段(51％或更多且100％或更少)中，单体电压变化量(即，图形的斜率)较大，并且当第二SOC区段(16％或更多且小于51％)与第一SOC区段和第三SOC区段相比，第二SOC区段中的单体电压变化量(即，图形的斜率)较小。

区段参考值可以是确定需要单体平衡的电池单体的条件或执行单体平衡的开始条件(或参考值)。也就是说，区段参考值可以是用于确定在多个SOC区段中的每一个中是否需要电池单体的单体平衡的条件。平衡参考值可以是对应于多个SOC区段当中的选定SOC区段的区段参考值。

例如，在图2中，第一SOC区段A和第三SOC区段C中的每一个的区段参考值可以是1.5％，而第二SOC区段B的区段参考值可以是3％。此外，当根据将在下面描述的方法选择第二SOC区段B时，第二SOC区段B的区段参考值(3％)可以被确定为平衡参考值。

主控制电路30可以根据下面要描述的方法确定对于多个电池单体Cell1-Celln中的每一个对于单体平衡的需要，并且如果作为确定的结果存在需要单体平衡的至少一个电池单体(以下称为单体平衡目标)，则可以执行单体平衡。更详细的描述将与下面的图3和图4一起具体地描述。

图3是图示根据示例性实施例的单体平衡方法的流程图，并且图4是用于详细描述确定图3的平衡参考值的步骤S100的流程图。

下面，将参照图1至图4描述单体平衡方法和提供该方法的电池系统。

参照图3，首先，主控制电路30确定作为单体平衡的开始条件的平衡参考值(S100)。

平衡参考值可以是确定对于多个电池单体Cell1-Celln中的每一个是否需要单体平衡的开始条件(或参考值)。根据一个实施例，主控制电路30可以确定对应于多个电池单体Cell1-Celln的单体SOC(Csoc)的平衡参考值，而不是固定的平衡参考值。

参照图3和图4，在步骤S100中，主控制电路30基于每个平衡时段的单体电压和电池电流中的至少一个来估计对于多个电池单体Cell1-Celln的每一个的单体SOC(或SOC)(S110)。

平衡时段可以是作为用于执行单体平衡的时段的预定时间，但是本公开不限于此。平衡时段可以包括电池2不被充电或放电的休止时段。例如，主控制电路30可以针对每个预定的平衡时段或每个休止时段使用各种已知的方法估计多个电池单体Cell1-Celln中每一个的单体SOC(以下简称Csoc)。

在步骤S100中，主控制电路30在多个电池单体Cell1-Celln的SOC(Csoc)当中提取最小单体SOC(min SOC)(S130)。

在步骤S100中，主控制电路30在根据预定准则对单体SOC的整个区段进行分类而配置的多个SOC区段当中选择最小单体SOC(min SOC)所属的SOC区段(S150)。

在步骤S100中，主控制电路30确定对应于所选SOC区段的区段参考值作为平衡参考值(S170)。

例如，假定电池2包括第一至第四电池单体Cell1-Cell4，并且第一至第四电池单体Cell1-Cell4的第一至第四单体SOC(C_{SOC_1}、C _{SOC_2}、C _{SOC_3}和C _{SOC_4})分别为26％、29％、30％和31％。此外，在图2中，假定第一SOC区段A和第三SOC区段C中的每一个的区段参考值是1.5％，第二SOC区段B的区段参考值是3％。主控制电路30提取第一单体SOC(C_{SOC_1})，其是第一至第四单体SOC(C_{SOC_1}、C _{SOC_2}、C _{SOC_3}和C _{SOC_4})当中的最小值，作为最小单体SOC(minSOC)。参照图2，主控制电路30在第一至第三SOC区段A、B和C当中选择第一单体SOC(C_{SOC_1})的值(26％)所属的第二SOC区段B。主控制电路30可以确定与第二SOC区段B对应的区段参考值(3％)作为平衡参考值。

接下来，主控制电路30确定对于多个电池单体Cell1-Celln中每一个的单体平衡的需要(S200)。

主控制电路30计算多个电池单体Cell1-Celln中的每一个的单体SOC与最小单体SOC(min SOC)之间的差值。主控制电路30可以确定具有超过平衡参考值的差值的电池单体作为单体平衡目标。

例如，当第一至第四单体SOC(C_{SOC_1}、C _{SOC_2}、C _{SOC_3}和C _{SOC_4})为26％、29％、30％和31％时，多个电池单体Cell1-Celln的单体SOC与最小单体SOC之间的差值为0％、3％、4％和5％。主控制电路30可以确定其差值超过平衡参考值(3％)的第二至第四电池单体Cell2-Cell4作为单体平衡目标。在这种情况下，平衡参考值(3％)是在步骤S100中确定的平衡参考值。

接下来，如果作为确定的结果需要单体平衡(在S200中“是”)，则主控制电路30对被确定为单体平衡目标的电池单体执行单体平衡(S300)。

在步骤S300中，主控制电路30基于被确定为单体平衡目标的电池单体的单体SOC、电池单体的单体SOC与最小单体SOC之间的差值以及电池单体的单体电压的值来计算平衡时间(T_B)。

平衡时间(T_B)是执行电池单体的平衡所需的时间。平衡时间(T_B)可以通过以下公式1和公式2计算。例如，主控制电路30可以根据以下公式1计算平衡电流(I_B)的值，并且可以根据以下公式2计算平衡时间(T_B)。

[公式1]

根据公式1，主控制电路30可以基于单体电压(V_C)的值和平衡电阻R_B的值来计算平衡电流(I_B)的值。参照图1，单体电压(V_C)可以对应于多个电池单体Cell1-Celln中每一个的单体电压，而平衡电阻R_B可以对应于多个电阻R1-Rn中的每一个。也就是说，当多个电池单体Cell1-Celln中的每一个的单体电压的值彼此不同时，多个电池单体中的每一个的平衡电流(I_B)的值也可能不同。

[公式2]

根据公式2，主控制电路30可以基于单体SOC(Csoc)的值、平衡电流(I_B)的值和SOC减少量(Dsoc)来计算平衡时间(T_B)。单体SOC(Csoc)可以对应于多个电池单体Cell1-Celln中每一个的单体SOC。平衡电流(I_B)的值可以是由上述公式1计算的平衡电流(I_B)的值。SOC减少量(Dsoc)可以是多个电池单体Cell1-Celln中的每一个的单体SOC与最小单体SOC(minSOC)之间的差值。也就是说，容量减少量(Dsoc)可以对应于在单体平衡过程期间从电池单体放出的SOC值。

在步骤S300中，主控制电路30将包括关于平衡时间(T_B)的信息的单体平衡控制信号发送到单体监测IC 20，以便主控制电路控制单体监测IC对确定为单体平衡目标的电池单体执行单体平衡。

例如，当如上所述的第二至第四电池单体Cell2-Cell4被确定为单体平衡目标时，主控制电路30可以计算第二至第四电池单体中的每一个的平衡时间(T_B)。主控制电路30可以控制单体监测IC 20以根据与第二至第四电池单体Cell2-Cell4中的每一个对应的平衡时间(T_B)来执行单体平衡。

单体监测IC 20可以根据从主控制电路30发送的单体平衡控制信号，通过单体平衡电路10对多个单体Cell1-Celln当中被确定为单体平衡目标的电池单体进行放电，从而使单体监测IC执行单体平衡。

接下来，如果作为确定的结果而不需要单体平衡(S200中“否”)，或者如果单体平衡被终止，则主控制电路30计算下一个平衡时段。当平衡时段到来时，主控制电路30可以从步骤S100重复方法(S400)。

根据一个实施例，主控制电路30可以在确定是否执行单体平衡时新确定平衡参考值。例如，主控制电路30可以为电池2的每个预定时段或每个休止时段(例如，不进行充电和放电的时段)确定平衡参考值，并且可以基于确定的平衡参考值来确定是否执行单体平衡。

虽然本发明已经结合目前被认为是实用的实施例进行了描述，但应当理解，本发明并不限于所披露的实施例，相反，旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (11)

1.一种电池系统，包括：

电池，所述电池包括多个电池单体；

单体监测IC，所述单体监测IC测量所述多个电池单体中的每一个的单体电压；

电流传感器，所述电流传感器测量在所述电池中流动的电池电流；以及

主控制电路，所述主控制电路基于所述单体电压和所述电池电流来估计所述多个电池单体中的每一个的单体充电状态(SOC)，在所述多个电池单体的单体SOC当中提取最小单体SOC，确定与所述最小单体SOC对应的平衡参考值，并基于所述平衡参考值来确定对于所述多个电池单体中的每一个对于单体平衡的需要。

2.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述主控制电路根据预定准则将所述单体SOC的整个区段划分为多个SOC区段，根据预定准则设置区段参考值，所述区段参考值是所述多个SOC区段中的每一个的所述单体平衡的开始条件，在所述多个SOC区段当中选择所述最小单体SOC所属的SOC区段，并确定与所选择的SOC区段对应的所述区段参考值作为所述平衡参考值。

3.根据权利要求2所述的电池系统，其中，所述主控制电路基于所述单体电压与所述单体SOC的比率变化的点，将所述单体SOC的所述整个区段划分为所述多个SOC区段，并基于所述比率来设置所述区段参考值。

4.根据权利要求3所述的电池系统，其中，所述主控制电路计算所述多个电池单体中的每一个的所述单体SOC与所述最小单体SOC之间的差值，并确定对于超过所述平衡参考值的所述电池单体需要所述单体平衡。

5.根据权利要求4所述的电池系统，进一步包括单体平衡电路，所述单体平衡电路包括多个开关和多个电阻，并且通过根据从所述单体监测IC供应的至少一个开关信号当中的开关信号控制开关操作来执行所述电池单体的所述单体平衡，

其中，所述单体监测IC根据从所述主控制电路发送的单体平衡控制信号，通过所述单体平衡电路对所述多个电池单体当中被确定为单体平衡目标的所述电池单体进行放电。

6.根据权利要求5所述的电池系统，其中，所述主控制电路基于被确定为所述单体平衡目标的所述电池单体的单体SOC、所述电池单体的所述单体SOC与所述最小单体SOC之间的差值，以及所述电池单体的单体电压的值来计算平衡时间，并将包括关于所述平衡时间的信息的所述单体平衡控制信号发送到所述单体监测IC。

7.一种单体平衡方法，包括：

基于多个电池单体的单体充电状态(SOC)当中的最小单体SOC来确定平衡参考值；

计算所述多个电池单体中的每一个的所述单体SOC与所述最小单体SOC之间的差值，并将所述差值与所述平衡参考值进行比较，以确定对于所述多个电池单体中的每一个对于单体平衡的需要；以及

当作为所述确定的结果对于至少一个电池单体需要所述单体平衡时，对被确定为单体平衡目标的电池单体进行所述单体平衡。

8.根据权利要求7所述的单体平衡方法，其中，所述平衡参考值的所述确定包括：

基于所述多个电池单体中的每一个的单体电压，估计所述多个电池单体中的每一个的所述单体SOC；

在所述多个电池单体的所述单体SOC当中提取所述最小单体SOC；

在通过根据预定准则对所述单体SOC的整个区段进行分类而配置的多个SOC区段当中选择所述最小单体SOC所属的SOC区段；以及

确定对应于所选择的SOC区段的区段参考值作为所述平衡参考值。

9.根据权利要求8所述的单体平衡方法，其中，所述多个SOC区段是通过基于所述单体电压与所述单体SOC的比率变化的点来对所述单体SOC的所述整个区段进行分类而配置的，并且基于对应于所述多个SOC区段的所述单体电压与所述单体SOC的比率来设置所述区段参考值。

10.根据权利要求9所述的单体平衡方法，其中，所述单体平衡的所述执行包括：

基于被确定为所述单体平衡目标的所述电池单体的单体SOC、所述电池单体的所述单体SOC与所述最小单体SOC之间的差值以及所述电池单体的单体电压的值来计算平衡时间；以及

在所述平衡时间期间对所述电池单体执行所述单体平衡。

11.根据权利要求9所述的单体平衡方法，其中，对于所述单体平衡的所述需要的所述确定包括确定超过所述平衡参考值的所述电池单体为所述单体平衡目标。