用于平衡多個(gè)蓄電池的不同的充電狀態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過平衡充電狀態(tài)（SoC）來降低蓄電池單池（16、18）的總電荷損失的方法，其具有下述的方法步驟。首先檢查至少一個(gè)平衡單元i的溫度是否低于可預(yù)先選擇的溫度邊界。然后進(jìn)行蓄電池單池（16、18）的充電過程是否結(jié)束并且蓄電池單池的充電狀態(tài)是否>90%的檢查。接著確定蓄電池單池（16、18）之間的最大充電狀態(tài)差是否高于可調(diào)節(jié)的界限D(zhuǎn)ELTA_SoC。倘若該些步驟的結(jié)果是肯定的，則通過將蓄電池單池（16、18）與平衡電阻R_bal在時(shí)間段ti內(nèi)接通以進(jìn)行自主的單池平衡步驟，其中，其中：在時(shí)間段ti結(jié)束后斷開平衡單元i。
【專利說明】用于平衡多個(gè)蓄電池的不同的充電狀態(tài)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于平衡多個(gè)蓄電池的不同的充電狀態(tài)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子技術(shù)的蓄電組應(yīng)用于混合動力車輛和電動車輛中，該蓄電池組由大量串聯(lián) 連接的電化學(xué)的蓄電池單池組成。能夠借助于蓄電池管理系統(tǒng)來監(jiān)控這種包括多個(gè)蓄電池 模塊的蓄電池組。蓄電池管理系統(tǒng)一方面監(jiān)控能夠具有多個(gè)蓄電池模塊的蓄電池組，另一 方面確保蓄電池組的蓄電池模塊的盡可能高的使用壽命。
[0003] 為了確保蓄電池組的每個(gè)蓄電池模塊的高的使用壽命，盡管自放電不同但是每個(gè) 蓄電池單池的充電狀態(tài)（State of Charge :SoC)應(yīng)該相互協(xié)調(diào)。這通過合適的單池均衡得 以實(shí)現(xiàn)，單池均衡一般是電阻式的，即在使用至少一個(gè)電阻的情況下實(shí)現(xiàn)，其也被稱作"單 池平衡（cell balancing)"。為此，給每個(gè)蓄電池單池分配至少一個(gè)電阻和至少一個(gè)開關(guān)元 件，以使得每個(gè)蓄電池單池能夠針對性地通過該至少一個(gè)電阻進(jìn)行放電，該電阻也被稱作 "平衡電阻"。
[0004] 除了每個(gè)蓄電池單池的不同的自放電率以外，由于生產(chǎn)多樣化蓄電池單池的容量 也彼此有偏差。這種效應(yīng)在使用壽命開始時(shí)是可忽略的小的，但是在蓄電池單池的使用壽 命的進(jìn)程中由于單元老化的不同能夠增大并且導(dǎo)致在蓄電池單池之間的容量差異能夠出 現(xiàn)若干個(gè)百分比。
[0005] 已知的是，蓄電池管理系統(tǒng)用于監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)。除了安全性監(jiān)控外還應(yīng) 該確保盡可能高的蓄電池的使用壽命，并且保證每個(gè)蓄電池單池的充電狀態(tài)的相互協(xié)調(diào)。 這通過合適的單池均衡，即所謂的"單池平衡（cell balancing)"實(shí)現(xiàn)。單池均衡或者充電 狀態(tài)的平衡一般電阻式地實(shí)現(xiàn)。為此給每個(gè)蓄電池單池分配電阻和開關(guān)元件，以使每個(gè)蓄 電池單池能夠有針對性地放電。由DE10200600022394A1已知一種用于具有多個(gè)單池的能 量源的荷電平衡的裝置，其中，多個(gè)單池與用于荷電平衡的放電單元連接，該放電單元為這 些蓄電池單池至少部分地放電。但是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)這也是可能的，即單池平衡電容式地，即 通過連接的電容或者電感式地，即借助于連接的電感來實(shí)現(xiàn)。在這兩種情況下，能量能夠在 多個(gè)單池之間以限制的效率進(jìn)行交換，而能量在電阻式的單池平衡時(shí)只能以熱量的形式交 換并且因此流失。
[0006] 已知的是，隨著充電狀態(tài)上升，最大允許的充電功率下降，而最大允許的放電功率 升高。出于這種原因，按照【背景技術(shù)】這是值得向往的，用于混合動力車輛和電動車輛的蓄電 池組在50%的充電狀態(tài)下運(yùn)行。但是通常在實(shí)際中使用運(yùn)行范圍，例如在40%和60%之間 的充電狀態(tài)。對于"插入式混合動力（Plug-in-hybride ) "工作范圍相應(yīng)地更大，例如10% 到90%的充電狀態(tài)。
[0007] 常見的平衡策略試圖實(shí)現(xiàn)所有的蓄電池單池的始終相等的充電狀態(tài)（SoC)。為了 達(dá)到這個(gè)要求，通常所有蓄電池單池被均衡到相等的穩(wěn)定電壓。該策略在具有幾乎相等的 容量的還很新的蓄電池單池上是合理的。然而但是對于不同容量的蓄電池單池，如由于生 產(chǎn)多樣化和老化而出現(xiàn)的，這種平衡策略由于平衡會造成不必要的能量損失。
[0008] 在蓄電池系統(tǒng)中，其中每個(gè)蓄電池單池的容量是未知的并且實(shí)現(xiàn)用于公共的充電 狀態(tài)（SoC)的電阻式的單池平衡，則整個(gè)待平衡的電荷非常大，因?yàn)槎嘤嗟碾姾赏ㄟ^平衡電 阻被導(dǎo)出，其過分地考慮平衡每個(gè)蓄電池單池的不同的自放電。
[0009] 根據(jù)圖1所示，未詳細(xì)示出的蓄電池模塊的兩個(gè)不同的蓄電池單池16、18初始地 具有充電狀態(tài)10 (SoC)，該充電狀態(tài)為50%，其中第一蓄電池單池16的容量小于第二蓄電 池單池18的容量?；谠撛诘谝徊襟E中觀察的狀態(tài)，在第二步驟中進(jìn)行兩個(gè)蓄電池單池16 和18的充電過程12,在該充電過程期間兩個(gè)蓄電池單池16、18的當(dāng)前的充電狀態(tài)（SoC)上 升，如步驟2表示的那樣。在充電過程中，第一蓄電池單池16的當(dāng)前的充電狀態(tài)24上升， 超過第二蓄電池單池18具有的當(dāng)前的充電狀態(tài)24。因此根據(jù)圖1所示在第2步驟中第一 蓄電池單池16進(jìn)行放電22,從而在第3步驟中相互平衡的蓄電池單池的兩個(gè)充電狀態(tài)24 再次相等。
[0010] 第4步驟示出了，基于兩個(gè)蓄電池單池14、16的對應(yīng)于50%的充電狀態(tài)10進(jìn)行放 電過程14,而第一蓄電池單池16的當(dāng)前的充電狀態(tài)24超過第二蓄電池單池18的當(dāng)前的 充電狀態(tài)24 -定的電荷剩余，因此如根據(jù)圖1的步驟4所示，第二蓄電池單池18進(jìn)行放電 26,從而第一蓄電池單池16和第二蓄電池單池18的兩個(gè)充電狀態(tài)（SoC)再次彼此相當(dāng)且 在步驟5中再次相等。因此，根據(jù)圖1所示得出，在這種長期的電荷平衡即努力實(shí)現(xiàn)目的的 過程中，所有的蓄電池單池16、18具有相等的充電狀態(tài)（SoC)，不僅多余的電荷通過對電阻 式平衡來說必須的平衡電阻導(dǎo)出，而且同時(shí)也會出現(xiàn)平衡單元（BCE)的不必要的很多的，即 可避免的一些開關(guān)過程。這再次導(dǎo)致用于電阻式平衡的BCU的明顯的使用壽命下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明基于該任務(wù)，即通過設(shè)置固定限制的充電狀態(tài)范圍（SoC范圍)，在該范圍內(nèi) 能夠進(jìn)行單池平衡，降低在維持基于SoC的單池平衡的情況下的過多平衡的電荷的總數(shù)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明提出了一種方法，根據(jù)該方法單池平衡僅僅在確定的、甚至是規(guī)定的 充電狀態(tài)范圍（SoC窗)內(nèi)才被允許。優(yōu)選地，該SoC范圍能夠被這樣地規(guī)定，即只有充滿電 的具有大于90%的充電狀態(tài)（SoC)的蓄電池單池被允許用于進(jìn)行均衡。根據(jù)本發(fā)明提出的 用于在明確限定的SoC范圍內(nèi)平衡多個(gè)蓄電池單池的不同的充電狀態(tài)的方法除了需要BCU 夕卜，還需要用于B⑶的開關(guān)邏輯，B⑶僅僅實(shí)現(xiàn)了電阻式的電荷平衡并且包括一定數(shù)目的能 夠被接通到蓄電池單池上的電阻。
[0013] 在根據(jù)本發(fā)明提出的方法中檢查邊界條件，例如，電動車輛或者混合動力車輛當(dāng) 前是否處于停車模式。絕對不允許該車輛處于充電模式或者放電模式。此外，為了實(shí)施本 發(fā)明提出的方法由蓄電池管理系統(tǒng)檢查，蓄電池單池是否被充滿電，即充電過程結(jié)束以及 蓄電池單池的充電狀態(tài)高于90%。此外檢查平衡單元（B⑶）的溫度是否處于可調(diào)節(jié)的溫度 邊界之下，例如能夠給定如40°C或45°C的溫度，借此在執(zhí)行單池平衡過程時(shí)不會出現(xiàn)BCU 的過熱。
[0014] 除了檢查上述三個(gè)邊界條件外，根據(jù)本發(fā)明提出的方法進(jìn)行檢查42,即實(shí)際上是 否存在單池平衡需求。為此必須的是，所有蓄電池單池的最大的充電狀態(tài)之差（SoC之差） 高于可調(diào)節(jié)的界限D(zhuǎn)ELTA_S 〇C，其例如能夠被確定為3%的大小。當(dāng)然還能夠有其他的擴(kuò)展， 即充電狀態(tài)的差在上下文中被規(guī)定。為了確定該差值，確定所有的蓄電池單池的最小的充 電狀態(tài)，即SoC_MIN的值。針對多個(gè)蓄電池單池 i中的最少一個(gè)，其自身的充電狀態(tài)SoC_i 超過DELTA_SoC地大于SoC_MIN，則存在對單池平衡過程的需求。
[0015] 如果該需求如上文所述，且滿足所述的三個(gè)邊界條件，則平衡過程自主地發(fā)生。這 意味著，BCU要求相關(guān)的平衡單元，在確定的內(nèi)將用于電阻式地執(zhí)行單池平衡步驟所必須的 平衡電阻R_bal連接到對應(yīng)的蓄電池單池上。多個(gè)BCU被允許在過熱超過確定的溫度閾值 時(shí)被斷開，而使多個(gè)BCU再次自動接通是不可能的。
[0016] 最后在進(jìn)一步的操作中確定每個(gè)蓄電池單池的各自的平衡需求。對蓄電池單池導(dǎo) 出的電荷i的需求得出Q_i=C_NOM*(SoC_i-SoC_MIN)，其中C_N0M為蓄電池單池的公稱電 容。
[0017] 對應(yīng)于蓄電池單池的SoC的電壓Uocv以及平衡電阻的電阻值R_bal能夠在此借 助于歐姆定律確定時(shí)間段，在該時(shí)間段內(nèi)實(shí)施單池平衡方法，根據(jù)以下關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于通過平衡充電狀態(tài)（SoC)來降低蓄電池單池（16、18)的總電荷損失的方 法，其具有下述的方法步驟： a) 檢查以下邊界條件： -至少一個(gè)平衡單元i的溫度是否低于可預(yù)先選擇的溫度邊界； -所述蓄電池單池（16、18)的充電過程是否結(jié)束并且所述蓄電池單池（16、18)的所述 充電狀態(tài)是否>90% ; b) 確定所述蓄電池單池（16、18)的最大的充電狀態(tài)差是否高于可調(diào)節(jié)的界限D(zhuǎn)ELTA_ SoC ； c) 倘若所述方法步驟a)和b)是肯定的，則通過將所述蓄電池單池（16、18)與平衡電 阻R_bal在時(shí)間段t_i內(nèi)連接以進(jìn)行自主的單池平衡步驟，其中，
以及， d) 在時(shí)間段&結(jié)束后斷開所述平衡單元i。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)方法步驟c)所導(dǎo)出的所述蓄電池單 池 i的電荷Q i根據(jù)以下關(guān)系式來確定：
C_N0M S所述蓄電池單池 i的標(biāo)稱容量。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，當(dāng)對于至少一個(gè)蓄電池單池 i的自身的充電狀態(tài)SoC_i滿足超過DELTA_SoC地大于SoC_MIN時(shí)，根據(jù)關(guān)于平衡需求的方 法步驟b)其是肯定的。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述平衡單元i在加熱超過 溫度閾值Ttenz時(shí)自主地?cái)嚅_并且保持?jǐn)嚅_。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述平衡單元i以所述時(shí)間 t保持連接，但是最大為可調(diào)節(jié)的最大的時(shí)間tmax。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，參數(shù)S〇C_MIN，即單個(gè)的蓄電 池單池 i的最小的充電狀態(tài)處于期望的電荷余量之上。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，參數(shù)DELTA_S〇C被限定為允 許的SoC-差，低于所述SoC-差則不實(shí)施平衡步驟。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在平衡過程中被平衡到所述 參數(shù)DELTA_SoC并且所述蓄電池單池（16、18)的最大的和最小的充電狀態(tài)SoC的差別對應(yīng) 于值 DELTA_SoC。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述平衡單元i的最大的循 環(huán)次數(shù)和可能的均衡需求的滿足通過平衡步驟的持續(xù)時(shí)間t來彼此適配。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)前述的方法單獨(dú)地平衡 單個(gè)的蓄電池單池 i或者多個(gè)蓄電池單池 i的子集。
【文檔編號】H01M10/44GK104064831SQ201410103167
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月20日
【發(fā)明者】A·施特科, C·科恩, M·海茨曼, A·格萊特 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社