DE112011102573T5

DE112011102573T5 - Ladungsausgleich-Kontrollverfahren für ein Antriebsakkupack

Info

Publication number: DE112011102573T5
Application number: DE112011102573T
Authority: DE
Inventors: Fei Liu; Feng Wen; Xusong Ruan
Original assignee: Huizhou Epower Electronics Co Ltd
Current assignee: Huizhou Epower Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-05-29
Also published as: WO2012016442A1; CN101917038B; CN101917038A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich von Antriebsakkupacks, nämlich auf ein Ausgleichskontrollverfahren für ein Antriebsakkupack. Das besagte Verfahren umfasst: Das Bestimmen einer einzelnen Zell mit einer minimalen Kapazität durch Schätzen der maximal vorhandenen Kapazität und des Ladezustands (SOC/State of Charge) jeder Zelle im Akkupack; danach Berechnung der Lade- und Entladekapazität jeder einzelnen Zelle, Berechnung der Ausgleichskapazität, welche für jede einzelne Zelle unter der Bedingung benötigt wird, dass die einzelne Zelle mit der minimalen Kapazität voll geladen und entladen wird; und Ausgleichen jeder einzelnen Zelle auf der Basis der Ausgleichskapazität im Lade- und Entladezustand. Dieses Ausgleichsverfahren realisiert die Ausgleichskontrolle auf der Grundlage der Ausgleichskapazität, so dass das Konsistenz-Evaluationssystem im gesamten Betriebsprozess des Akkupacks eine gewisse Stabilität hat und das ausgeglichene Objekt nicht mit der Spannungsschwangkung einer einzelnen Zelle aufgeladen wird. Das Ausgleichskontrollverfahren kann effektiv die Leistungscharakteristiken des BatterieAkkupacks verbessern, die Energienutzungsrate des Akkupacks erhöhen und die Lebensdauer des Akkupacks stark verlängern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Ausgleichskontrolle für Antriebsakkupacks, insbesondere auf ein Ladungsausgleich-Kontrollverfahren auf der Grundlage einer Energieberechnung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Inkonsistenz eines Antriebsakkupacks ist ein relevantes Merkmal des Leistungsrückgangs des gesamten Akkupacks. Um die Konsistenz des Akkupacks in Reihenschaltung zu verbessern, sind viele ausgleichende Methoden in diesem Gebiet vorgestellt worden, die jedoch alle mangelhaft sind. Das auf dem Markt allgemein erhältliche Widerstands-Shunting-Ausgleichsverfahren: Gemäß dieses Verfahrens wird die Zelle bei Erreichen einer voreingestellten Referenzspannung in dem Akkupack in einer Reihenschaltung während des Betriebs mit einer Shunt-Abzweigung ausgestattet; wobei sich beim Laden oder beim Entladen des Entladungsstroms der Ausgleichsbatterie die Ladung der Shunt-Abzweigung erhöht, sich die chemische Energie in Hitze umwandelt und diese sich dann zerstreut, was natürlich nicht gut für die Einsparung von Energie ist. Das Energietransfer-Ausgleichsverfahren: Das Energie-Speicherelement, wie etwa der Induktor oder Kapazitator, überträgt die Energie einer einzelnen Zelle mit hoher Spannung zu einer Zelle mit niedriger Spannung. Der Kontrollschaltkreis ist relative kompliziert. Außerdem gibt es immer noch keinen Beweis für einen Einfluss dieser Methode auf die Lebensdauer einer Zelle. Das unabhängige Stromversorgungs-Ladeverfahren: Bei diesem Verfahren werden mehrere Sekundärwicklungen eines Transformators verwendet, um mehrere Zellen in einer Reihenschaltung zu verbinden. Die Kosten und die Zuverlässigkeit der Schaltung behindert die Verbreitung und Verwendung dieses Verfahrens. Bei den obigen drei Verfahren ist das Kriterium zur Beurteilung, ob die Batterie einen Ausgleich benötigt, die Spannungsdifferenz einer einzelnen Zelle. Es ist bekannt, dass die Spannung einer Batterie nicht vollständig die Inkonsistenz der Batterie widerspiegelt und die Inkonsistenz der Leistung des Akkupacks wird stark durch den Widerstand, die Polarisation und Kapazitätsvarianz der Batterie im gesamten Betriebssprozess beeinflusst.
Eine umfassende Analyse der Gründe, welche Inkonsistenz des Antriebsakkupacks verursachen, kommt zu der Feststellung, dass der Ausgleichszustand eines Akkupacks sich nicht einfach auf die äußere Spannung der Batterie verlassen kann; daher muss das Urteil über die Inkonsistenz des Akkupacks realistisch und effektiv den Unterschied in der Leistung der Zellen beschreiben. Die Faktoren, welche die Leistungsbewertung beeinflussen, sollen die Konsistenz der Leistungscharakteristik und der Konsistenz der energetischen Nutzung der Zellen sein. Die in Gruppen eingesetzte Akkupacks haben strenge Nachweis- und Screening-Tests vor der Auslieferung bestanden, aber sie werden beim Gebrauch allmählich inkonsistent, wobei sich dieser Effekt auf der Basis der Zunahme des inneren Widerstands, der Kapazitätsvarianz sowie der Unterschiede bei den Alterungs- und Degradation-Spurenschrittweise verstärkt. Um die oben genannten Situationen zu vermeiden, stellt diese Erfindung ein Online-Ladungsausgleichsverfahren in Echtzeit für Antriebsakkupacks auf der Basis von Energieberechnungen zur Verfügung.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Online-Ladungsausgleichverfahrens auf der Basis von Energieberechnungen für ein Antriebsakkupack.
Um das obige Ziel zu erreichen, wählt diese Erfindung die folgende technische Lösung: Ein Ladungsausgleichverfahren für ein Antriebsakkupack, welches die folgendes Schritte umfasst:

(1) Bestimmen einer einzelnen Zelle mit einer minimalen Kapazität durch Schätzen der maximal verfügbare Kapazität und des Ladezustands (SOC/State of Charge) jeder einzelnen Zelle im Akkupack;
(2) Evaluierung des Ladezustands (SOC) der Zelle online durch die Überwachung des Laden- und Entlade-Zustände der Zelle;
(3) Berechnung der Lade- und Entladekapazität jeder einzelnen Zelle im letzten Segment des Ladevorgangs des Akkupacks zur Berechnung der Ausgleichskapazität, welche in jeder einzelnen Zelle erforderlich ist, auf der Grundlage des SOC jeder einzelnen Zelle unter der Bedingung, dass die einzelne Zelle mit der minimalen Kapazität vollständig geladen bzw. entladen ist;
(4) geht weiter zu Schritt (5), wenn der berechnete Wert der erforderlichen Ausgleichkapazität größer als ein bestimmter Schwellenwert ist; andernfalls Rückkehr zu Schritt (1).
(5) Ausgleichen jedes einzelne Zelle im eingestellten Lade- oder Entlade-Zustand auf der Grundlage der berechneten Ausgleichskapazität.

Insbesondere wird in Schritt (5) jede einzelne Zelle im Aufladeverfahren in Schritt (5) ausgeglichen; und im Schritt (3) dauert das letzte Segment des Ladevorgangs vom Beginn des Konstantspannungs-Niedrigstrom-Ladezustands bis zum Ende des Ladezustands.
Dieses Ausgleichsverfahren realisiert die Ausgleichskontrolle auf der Grundlage der Ausgleichskapazität, so dass das Konsistenz-Evaluationssystem im gesamten Betriebsprozess des Akkupacks eine gewisse Stabilität hat und das ausgeglichene Objekt nicht mit der Spannungsschwangkung einer einzelnen Zelle aufgeladen wird. Das Ausgleichskontrollverfahren kann effektiv die Leistungscharakteristik des Akkupacks verbessern, die Energienutzungsrate des Akkupacks erhöhen und die Lebensdauer des Akkupacks stark verlängern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um Fachleuten in diesem Bereich das Verständnis zu erleichtern, wird die vorliegende Erfindung im Folgenden detailliert mit der Referenz auf die Ausführungsformen beschrieben.
n-Zellen, deren maximale Ladekapazität bei Q_max[1], ..., Q_max[n] liegt und deren gegenwärtiger Ladezustand (SOC) SOC[1], ..., SOC[n] ist, werden in Reihe geschaltet, um ein Akkupack zu formen. Die Basisparameter des Akkupacks sind wie folgt:

(1) Maximale Entladekapazität Q B / dch_max = min{Q_max[i] × SOC[i]} wobei
(2) Maximale Ladekapazität Q B / ch_max = min{Q_max[j] × (1 – SOC[j])} , wobei j = 1, ..., n
(3) Maximale freie Kapazität Q B / max = Q B / dch_max + Q B / ch_max = min{Q_max[i] × SOC[i]} + min{Q_max[j] × (1 – SOC[j])} , i, j = 1, ..., n.

Es ist somit klar, dass, wenn i = j, Q B / max gleich der maximal freien Kapazität der Zelle mit der kleinsten maximal verfügbare Kapazität im Akkupack ist, die nicht die maximal verfügbare Kapazität im Akkupack erhöhen kann, dieses Akkupack keinen Ausgleich benötigt, wenn i ≠ j, Q B / max kleiner als die maximal freie Kapazität der Zelle mit der minimalen Kapazität im Akkupack ist und sich die Kapazität des Akkupacks durch das Ausgleichen erhöht, so ist das Ausgleichen des Akkupacks von Bedeutung.
Daher ist in Hinsicht auf die Kapazitätsauslastung das Kriterium für die Beurteilung, ob das Akkupack einen Ausgleich erfordert, wie folgt: Wenn im Lade- und Entlade-Zustand die Zelle mit der minimalen Kapazität im Voraus voll geladen bzw. entladen werden kann und wenn die volle Ausnutzung der Kapazität realisiert wird.
Um eine volle Auslastung des Akkupacks zu realisieren, erfordert die Zelle mit der minimalen Kapazität volle Aufladung bzw. volle Entladung im Lade- und Entlade-Zustand. Die vorliegende Erfindung wählt eine Ausgleichsstrategie, die auf Kapazitätsanalyse basiert. Da das ursprüngliche Akkupack Inkonsistenz aufweist, muss der Ladezustand des ganze Akkupacks analysiert werden. Zuerst muss die einzelne Zelle, die vollständig entladen worden ist, aber nicht vollständig geladen ist, ausgeglichen werden, um herauszufinden, um die Zelle mit der minimalen Kapazität zu finden und sorgen Sie für ein vollständiges Laden bzw. Entladen der Zelle zu sorgen.
Zweitens, beurteilen Sie, ob das Akkupack einen Ausgleich erfordert und berechnen Sie die ausgleichende Kapazität von jeder einzelnen Zelle durch Umkodierung des SOC und der maximal verfügbare Kapazität aller Zellen im anfänglichen Ladezustand, wobei das Urteil über die Ausgleichbedingungen auf der Grundlage scheller Identifizierung der gepolte Spannung, der Korrektur der maximal verfügbare Kapazität der Zelle und der Analyse des SOC bei im ersten Ladezustand getroffen werden soll.
Deshalb sind die vormaligen drei Schritte des Ladungsausgleichs-Kontrollverfahren für ein Batteriepack wie folgt:

(1) Bestimmen einer Einzelzelle mit der minimalen Kapazität durch Schätzung der maximalen freien Kapazität jeder einzelnen Zelle;
(2) Evaluierung des Ladezustands (SOC) jeder einzelnen Zelle durch die Überwachung der Lade- und Entlade-Zustände der Zelle;
(3) Berechnung der Lade- und Entladekapazität jeder einzelnen Zelle im letzten Segment des Ladevorgangs des Akkupacks zur Berechnung der Ausgleichskapazität, welche in jeder einzelnen Zelle erforderlich ist, auf der Grundlage des SOC jeder einzelnen Zelle unter der Bedingung, dass die einzelne Zelle mit der minimalen Kapazität vollständig geladen bzw. entladen ist;

In Schritt (1) wird die maximal verfügbare Kapazität jeder Einzelzelle mit einem integralen Amperestunden-Verfahren durch Überwachen der Lade- und Entlade-Zustände des Akkupacks und Messung der Lade- und Entladeströme geschätzt, und dann wird er in der einzelnen Zelle mit der Mindestkapazität durch Vergleich bestimmt.
In Schritt (2) kann die äußere Spannung der Batterie in der Zeit gemessen werden, so dass eine Schätzung des SOC der einzelnen Zelle durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Erfindung wird der SOC auf der Grundlage der Leerlaufspannung (OCV) nach dem vollständigen Stillstand beurteilt. Richten Sie zuerst eine OCV-SOC(Leerlaufspannung und Ladezustand)-Kurve, messen nacheinander die OCV-SOC-Kurve der Batterie in Abständen in Experimenten und verarbeiten dann die ganze OCV-SOC-Kurve stückweise linear und nach den Messpunkten, um die folgende Formel zu erhalten:
Diese Formel ist eine abschnittsweise Funktion des SOC, die die OCV-SOC-Kurve abschnittsweise sowie linear beschreibt und somit die Komplikation der Kurve vereinfachen kann; wobei H (i), B (i), i = 0, 1, 2 ... 19 jeweils die Neigung jedes Segments der Kurve und den Schnittpunkt auf der Y-Achse repräsentieren. Messen Sie zweitens OCV nach vollständigem Stillstand und berechnen den SOC für jede einzelne Zelle.
Die maximale freie Kapazität einer einzelnen Zelle ist der gegenwärtige Ladungszustand dieser einzelnen Zelle. In Schritt (3) wird die Kapazität einer einzelnen Zelle, welche die minimale Kapazität aufweist und im ganzen Lade- und Entladeprozess voll geladen bzw. entladen werden kann, ermittelt, welche dann die maximale freie Kapazität des gesamten Akkupacks darstellt. In Schritt (3) wird im letzten Segment der Ladekurve wird der Ladezustand (SOC) einer einzelnen Zelle ermittelt, und zwar auf der Basis der OCV-SOC-Kurve jeder einzelnen Zelle nachdem die Zelle mit der minimalen Kapazität voll aufgeladen ist; danach ist die Ladeausgleichskapazität 1 – SOC.
Der Ladezustand und die maximale freie Kapazität werden unter der Bedingung erhalten, dass die Lade- und Entladeströme klein genug sind. Im tatsächlichen Gebrauch kann der Betriebsstrom der Batterie nicht klein genug gehalten werden, so dass die äußere Spannung der Zelle höher als die tatsächliche Leerlaufspannung während des Ladens ist, was durch den Einfluss des inneren Widerstands der Batterie und der gepolten Spannung verursacht wird; im Falle einer Entladung, ist die Situation umgekehrt. Wenn ein Konstantstrom-Konstantspannungs-Verfahren gewählt wird, fällt die Ohm-Spannung ab und die gepolte Spannung im Konstantspannungszustand kann in einem engen Bereich gehalten werden, so dass in Schritt (3) das letzte Segment des Ladevorgangs von der Konstantspannungs-Niedrigstrom-Ladestufe bis zum Ende des Ladevorgangs dauert. Es existiert kein Niedrigstrom während des Entladevorgangs, so dass die tatsächliche Entladungskapazität der Batterie kleiner als die maximal verfügbare Kapazität ist oder mit anderen Worten, die tatsächliche Entladungskapazität der Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt kleiner als der SOC ist.
Der SOC der Batterie ist definiert als das Verhältnis der Restladung (Q_rem) zur maximalen freien Kapazität (Q_max), nämlich als SOC = Q_rem/Q_max. Im dynamischen Zustand ist die Variation des SOC wie folgt; ΔSOC = SOC₂ – SOC₁ = ΔQ_rem/Q_max, wobei
und die maximale freie Kapazität jeder Zelle erlangt wird.
Das Ausgleichsverfahren, welches durch die vorliegende Erfindung eingebracht wird, beinhaltet auch den Schritt der Beurteilung der berechneten Ausgleichskapazität und den Schritt des Ausführens des Ausgleichs. Wenn die Ausgleichskapazität größer als ein bestimmter Schwellenwert ist, sollte der Ausgleich durchgeführt werden; andernfalls ist eine Entzerrung nicht erforderlich und der Schritt (1) wird kontinuierlich ausgeführt, um die Verwendung des Akkupacks zu überwachen.
Der Schwellenwert kann entsprechend der tatsächlichen Situation bestimmt werden. Wenn zum Beispiel die Kapazität entsprechend der 20 mV Spannungsdifferenz im Endsegment des Ladevorgangs 0,02 HA beträgt, kann 0,02 HA als der Schwellenwert eingestellt werden; die einzelne Zelle wird nur ausgeglichen, wenn der berechnete Wert der Kapazität der einzelnen Zelle größer als 0,02 HA ist. Andernfalls wird die einzelne Zelle nicht ausgeglichen.
Schließlich wird in der vorliegenden Erfindung das Akkupack mit einem konstanten Ladestrom ausgeglichen. Im Betrieb können die beiden Enden jeder einzelnen Zelle des Akkupacks bei einer Konstantstromquelle auf Time-Sharing-Weise unter der Kontrolle einer Steuerung verbunden sein; und dann startet die Steuerung die Konstantstromquelle, um die einzelne Zelle auszugleichen, wobei die Ausgleichszeit gemäß der Ausgleichskapazität der verbundenen einzelnen Zelle berechnet wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die obige Beschreibung sich nur auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht. Jede Änderung und äquivalente Substitution innerhalb des Geistes der vorliegenden Erfindung befindet sich innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung.

Claims

Ein Ladungsausgleich-Kontrollverfahren für ein Antriebsakkupack, welches die folgendes Schritte umfasst: (1) Bestimmen einer einzelnen Zelle mit einer minimalen Kapazität durch Schätzung der maximalen freien Kapazität jeder einzelnen Zelle im Akkupack; (2) Evaluierung des Ladezustands (SOC) der Zelle online durch die Überwachung der Laden- und Entlade-Prozesse der Zelle; (3) Berechnung der Lade- und Entladekapazität jeder einzelnen Zelle im letzten Segment des Ladevorgangs des Akkupacks zur Berechnung der Ausgleichskapazität, welche in jeder einzelnen Zelle erforderlich ist, auf der Grundlage des SOC jeder einzelnen Zelle unter der Bedingung, dass die einzelne Zelle mit der minimalen Kapazität vollständig geladen bzw. entladen ist; (4) geht weiter zu Schritt (5), wenn der berechnete Wert der erforderlichen Ausgleichkapazität größer als ein bestimmter Schwellenwert ist; andernfalls Rückkehr zu Schritt (1); (5) Ausgleichen jedes einzelne Zelle im eingestellten Lade- oder Entlade-Zustand auf der Grundlage der berechneten Ausgleichskapazität.
Das Ladungsausgleichs-Kontrollverfahren für ein Akkupack nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in Schritt (5) jede einzelne Zelle im Aufladeverfahren ausgeglichen wird.
Das Ladungsausgleich-Kontrollverfahren für ein Antriebsakkupack nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass in Schritt (3) das besagte letzte Segment des Ladevorgangs vom Beginn des Konstantspannungs-Niedrigstrom-Ladezustands bis zum Ende des Ladezustands dauert.