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CN102782928B - 一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法以及相应的蓄电池管理系统和蓄电池 - Google Patents

一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法以及相应的蓄电池管理系统和蓄电池 Download PDF

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CN102782928B CN201180010942.2A CN201180010942A CN102782928B CN 102782928 B CN102782928 B CN 102782928B CN 201180010942 A CN201180010942 A CN 201180010942A CN 102782928 B CN102782928 B CN 102782928B
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Abstract

本发明提出一种用于均衡蓄电池的N个单独的蓄电池单元的充电状态的方法，其首先包括步骤(S1)确定所有n＝1至N的单元的单独的单元容量Capn。接着确定具有最小的单元容量Capk的第k个单元(S2)，确定单独的充电状态(SOCn)(S3)。随后确定放电深度DODn(S4)。在其他的步骤中，随后以DODZiel，n＝Capn/2+DODk-Capk/2来确定目标放电深度DODZiel，n(S5)。根据放电深度，由式SOCZiel，n＝1-DODZiel，n/Capn来确定目标充电状态SOCZiel，n(S6)。然后由式ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n确定单元的充电状态SOCn与其目标充电状态SOCZiel，n的偏差(S7)。在另一步骤中，由式ΔSOCmin＝min(ΔSOCZiel，n)确定单元的充电状态SOCn与其目标充电状态SOCZiel，n的最小偏差ΔSOCmin(S8)。接着，为满足下式的n＝1至N的单元中的至少一个放电：ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X，其中，X是满足X≥0的参数(S9)。如果当前所有单元满足ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X，则结束方法(S10/S11)。如果并不是所有单元满足，则返回至确定单独的充电状态的步骤(S3)并且重复后续步骤(S4-S9)。

Description

一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法以及相应的蓄电池管理系统和蓄电池
技术领域
本发明涉及一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法、一种包括依据本发明的方法的蓄电池管理系统、一种蓄电池，尤其是锂离子蓄电池，具有依据本发明所述的蓄电池管理系统、具有依据本发明所述的蓄电池的机动车。蓄电池能够尤其用于驱动机动车。
背景技术
对于未来期望既能够在静止的应用(例如在风力机、备用电源装置或独立电力网络)中，又能够在车辆(例如混合动力或纯电动车辆)中，使用更多的蓄电池系统，而对该些蓄电池系统提出了有关可使用的能量储量、充电-放电-效率以及可靠性的较高的要求。
为实现有关可使用的能量储量、最大功率和总电压的要求，将多个单个的蓄电池单元串联，并且部分地附加地并联。在混合动力和电动车辆中采用锂离子或镍氢技术的蓄电池组，该蓄电池组由大量串联的电化学单元组成。
这种大量串联的蓄电池单元带来了一些问题。基于安全原因和为了实现足够的精确性，在电压测量时，必须单个地测量单个的蓄电池单元的单元电压，并且检验是否遵守上限和下限。由于蓄电池单元是串联的，所以所有的蓄电池单元流过相同的电流，即对于所有的蓄电池单元而言在放电时提取的电荷的数量或在充电时引入的电荷的数量是相同的。因此，具有最小的容量的单元限制了蓄电池组的总电荷。因为通常对于电化学单元，在容量损耗与内阻上升之间存在直接的关系，具有最小的容量的单元通常也具有最小的功率。因此，如果蓄电池单元的容量由于例如老化而偏离另一蓄电池单元的容量，则对具有较高的容量的蓄电池单元充电仅能够达到如对具有较低的容量的蓄电池单元充电一样。此外，单个蓄电池单元的损坏将引起整个蓄电池的故障，因为电流不再能够流过已损坏的蓄电池单元并且因此不再能够流过蓄电池。
关于存储在蓄电池单元中的能量量的度量是所谓的充电状态(State-of-Charge，SOC)。在此，应当注意，在组装成蓄电池时，蓄电池单元的初始的充电状态并不精确地相等。此外，基于在制造时的某个生产偏差，蓄电池单元总是在其参数方面存在轻微的不同，并且由此在其对外部注入的电流的充电状态的反应上也存在不同。由于蓄电池单元的老化，这些不同将进一步扩大。
将蓄电池管理系统用于监控蓄电池的充电状态是已知的。除了安全性监控之外，应当确保和保障尽可能长的蓄电池的寿命，以便将单个单元的充电状态彼此协调一致。这可以通过适合的单元均衡，所谓的“单元均衡(Cell Balancing)”来实现。对充电状态的单元均衡或均衡通常是电阻地进行的。为此，为每个单元设置电阻和电子元件，以便能够有目的地为单个单元放电。根据DE 10 2006 022 394A1，已知一种用于使具有多个单元的能量源电荷均衡的装置，其中单元与放电单元连接以均衡电荷，该放电单元使得单元至少部分地放电。根据现有技术，还能够电容地(即通过连接的电容器的单元)执行单元均衡，也能够电感地(即借助于连接的电感)施行单元均衡。在这两个情况下，能量能够以受限的效率在单元之间交换，而在电阻地单元均衡的情形下能量仅能够转换为热量，并且因此产生损失。
对于混合动力的车辆，在每个时间点，较高的工作效率既在用于回收的充电装置中是有利的，又在用于加速的放电装置中是有利的。已知随着充电状态上升，最大允许的充电功率下降，而最大允许的放电功率上升。基于该原因，根据现有技术，在充电状态为50％时驱动用于混合动力车辆的蓄电池组是令人期望的。然而在实践中，通常使用例如在40％和60％的充电状态之间的驱动窗。对于所谓的“插电混合(Plugin-Hybride)”，驱动窗将相应的变大，例如为10％至90％的充电状态。
通常的均衡策略寻求实现所有的单元总是相同的充电状态。为此，通常将所有的单元均衡化到相同的静止电压。在新的单元具有几乎相等的容量的情况下，这种策略是正确。然而对于具有不同的容量的单元(如由于生产偏差和老化引起的)，通过均衡，这种均衡策略将引起不必要的能量损失。
发明内容
依据本发明提出一种用于均衡具有数量为N的蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法，其首先包括确定所有n＝1至N的单元的单独的单元容量Capn的步骤。接着确定n＝1至N的单元中的具有最小的单元容量Capk的第k个单元，并且确定所有n＝1至N的单元的单独的充电状态SOCn。随后确定所有n＝1至N的单元的放电深度DODn。优选地，这能够根据方程DODn＝Capn-SOCn×Capn来实现。在一个其他的步骤中，随后用DODZiel，n＝Capn/2+DODk-Capk/2来确定所有n＝1至N的单元的目标放电深度DODZiel，n。根据放电深度，由式SOCZiel，n＝1-DODZiel，n/Capn来确定所有n＝1至N的单元的目标充电状态SOCZiel，n。然后根据式子ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n来确定所有n＝1至N的单元的单元的充电状态SOCn与其目标充电状态(SOCZiel，n)的偏差。在另一步骤中，由式子ΔSOCmin＝min(ΔSOCZiel，n)来确定所有n＝1至N的单元的单元的充电状态SOCn与其目标充电状态SOCZiel，n的最小偏差ΔSOCmin。接着，为满足下式的n＝1至N的单元中的至少一个放电：ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X，其中，X是满足X≥0的参数。如果对于所有n＝1至N的单元满足ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X，则结束方法。然而，如果并不是所有单元满足，对于至少一个单元ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X，则返回至确定单独的充电状态的步骤并且重复后续步骤。
换而言之，均衡蓄电池的N个单独的电化学电池单元的充电状态。带有独立要求要求的特征的依据本发明的方法具有如下优点，即相对于现有技术，根据充电状态的均衡来减少了能量损失。在此，同时优化了目标充电状态下的工作效率。减少了均衡的持续时间。为了均衡不需要使用其他的硬件。该方法能够在软件中被实现为计算机程序，并且因此能够被成本较低地实现。
优选地，在放电步骤中，放电所有满足ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≥X的单元，并且优选地同时进行放电。这进一步减少了均衡的持续时间。
优选地以预定的时间间隔来实现返回至确定单独的充电状态的步骤。但是，也能够连续地实现该返回。
优选地，以百分比描述所述充电状态(SOC)，并且所述参数X优选地大于零且小于6％，更优选地小于3％。
有利地，该方法还能够用于电容地和电感地均衡充电状态。在放电的步骤之后和返回至确定充电状态的步骤之前，该方法还包括引入正在放电的单元的放电电流，来为满足下式的、n＝1至N的单元中的至少一个充电的步骤：ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y，其中，X＞Y。
在优选的实施例中，对满足ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y的所有的单元进行充电，优选地同时进行充电。
相应地，提出了一种用于蓄电池尤其是锂离子蓄电池的蓄电池管理系统，其包括上述依据本发明的方法。
类似地，给出了一种蓄电池，尤其是锂离子蓄电池，其具有依据本发明的蓄电池管理系统，以及给出了一种具有依据本发明的蓄电池的机动车。
在从属权利要求中给出了并且在说明书中描述了本发明的有利的改进方案。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并在接下来的说明书中进一步阐述。附图中：
图1示出了现有技术的蓄电池的、与充电状态有关的放电功率和充电功率；
图2示出了具有六个单个单元的现有技术的蓄电池的充电状态，其中蓄电池的总充电状态为50％；
图3示出了具有六个单个单元的现有技术的蓄电池的充电状态，其中蓄电池的总充电状态为70％；
图4在示意图中示出了依据本发明的、用于均衡蓄电池的单个单元的充电状态的方法；
图5示出了以依据本发明的方法均衡图1中的蓄电池的结果。
具体实施方式
本发明涉及一种用于均衡蓄电池或蓄电池组(尤其是锂离子蓄电池或锂离子蓄电池组)的单个单元的充电状态的方法。
图1示意性地描述了电化学单元的充电状态和放电功率以及电化学单元的充电状态和充电功率之间的关系。在图1中，在X轴上以百分比描述了充电状态SOC。Y轴以瓦特示出了功率。虚线描述了放电功率，实线描述充电功率。标示的区域描述了最优的工作范围。由图1可见，随着充电状态上升，最大允许的充电功率下降，而最大允许的放电功率上升。出于这个原因，在实践中，使用充电状态值为50％左右的驱动窗。
现有技术中的通常的均衡策略寻求实现所有的单元总是相同的充电状态。为此，通常将所有的单元均衡化到相同的静止电压。在新的单元具有几乎相等的容量的情况下，这种策略是正确。然而对于具有不同的容量的单元(如由于生产偏差和老化引起的)，通过均衡，这种均衡策略将引起不必要的能量损失。在图2和图3中示出了这些情况。图2和图3借助于示例示出由六个具有不同的容量的单个单元组成的蓄电池组。图1示出了充电状态为50％时的蓄电池单元，图2示出了70％。如图所示，蓄电池的六个单个单元都具有不同的容量，以所示的长条来表示该些容量。如果所有的单元位于为50％的单独的充电状态(如图2所示)，则总蓄电池组同样具有为50％的充电状态，并且在放电和充电方向上有最大功率可用。然而，如果长时间地在例如为70％的充电状态下运行蓄电池组，则将所有的单元都均衡至为70％的单独的充电状态(如图3所示)。在将蓄电池组放电至例如50％时，根据该策略目前必须将全部的单元均衡至50％，这意味着除了具有最小容量的单元，所有单元中必须舍弃不需要的能量。出于这个原因，这种简单的均衡策略是不够的，尤其对于混合动力和电动车辆而言。
在图4中示意性地示出了依据本发明的、具有n＝1至N的单元的蓄电池的单个单元的充电状态的方法。本发明的核心在于以如下方式均衡蓄电池组的全部的单元，即在蓄电池组的充电状态为50％时，尽管有不同的容量，各个单元都具有为50％的单独的充电状态。在另一充电状态时，根据单元容量，得出了不同的单独的充电状态，以便仅须承担较小的均衡消耗。
在下述方法中，以百分比形式的“SOC”(充电状态)描述了充电状态，其中100％相应于如下状态，在该状态中单元为完全充满。以“Cap”来缩写单元的容量，并且下文中以“Ah”为单位。以DOD(Depth of Discharge)来缩写放电深度，并且同样以“Ah”为单位。在放电深度为0Ah时，单元为完全充满。根据DOD＝(1-SOC)×Cap来计算放电深度。
以如下方式来均衡蓄电池组的全部N个单元，即，尽管具有不同的容量，但是各个单元在总蓄电池组的50％充电状态下一直具有为50％的单独的充电状态，能够有利地使用下述方法：
S1确定所有n＝1至N的单元的单独的单元容量Capn；
S2确定n＝1至N的单元中的具有最小的单元容量Capk的第k个单元；
S3确定所有n＝1至N的单元的单独的充电状态SOCn；
S4确定所有n＝1至N的单元的放电深度DODn，优选地根据下式来实现：
DODn＝Capn-SOCn×Capn；
S5根据下式确定所有n＝1至N的单元的目标放电深度DODZiel，n：DODZiel，n＝Capn/2+DODk-Capk/2；
S6根据下式确定所有n＝1至N的单元的目标充电状态SOCZiel，n：SOCZiel，n＝1-DODZiel，n/Capn；
S7根据下式计算所有n＝1至N的单元的单元的充电状态SOCn与其目标充电状态SOCZiel，n的偏差：
ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n；
S8计算所有n＝1至N的单元的单元的充电状态SOCn与其目标充电状态SOCZiel，n的最小偏差ΔSOCmin：
ΔSOCmin＝min(ΔSOCZiel，n)；
S9为满足下式的n＝1至N的单元中的至少一个放电：
ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＞X，
其中，X是满足X≥0的参数；
S10如果对于所有n＝1至N的单元，ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X成立，则跳至步骤S11；如果ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin≤X并不对于所有单元成立，则返回至确定单独的充电状态S3的步骤S3并且重复后续步骤；
S11结束所述方法。
在此，上述方法首先涉及对充电状态的电阻地均衡。在电阻地均衡时，能够仅对单元进行放电，以便在电阻地均衡时仅取决于步骤S9的放电。在另一实施例中，将描述电容地或电感地均衡，其中还能够对单元进行充电。
在优选的实施例中，依据本发明的方法是蓄电池的蓄电池管理系统的一部分。因此下文将示例性地描述由蓄电池管理系统来实施依据本发明的方法。这并不是限制性的，而仅仅是示例性的。
能够接着数学地计算对于方法的进行所需要的各个量，或以其他方法和方式，例如通过数据记录纸来确定或测量该些量。
优选地，在步骤S1中，通过蓄电池管理系统确定或测量单元容量。随后，根据获取的数据在下一步骤S2中，确定具有最小的单元容量的单元。基于单元是串联的，具有最小的容量的单元将限制蓄电池组的总充电。因为通常对于电化学单元，在容量损耗与内阻上升之间存在直接的关系，具有最小的容量的单元通常也具有最小的功率。因此，在依据本发明的方法中，基于具有最小的容量的单元的容量或放电深度来进行均衡。在步骤S3中，确定或者测量蓄电池的每个单个电化学单元的充电状态。这优选地又借助于蓄电池管理系统来进行。根据单独的充电状态，随后借助于步骤S4中描述的方程来计算或另外确定或测量放电深度。由此，随后在步骤S5中，计算每个单元的期望的目标放电深度。在此，可根据具有最小的容量的单元的容量和放电深度来计算该目标放电深度。根据目标放电深度，随后根据在步骤S6中描述的方程来计算目标充电状态。为了均衡，在步骤S7中将确定或计算每个单元的当前的充电状态与目标充电状态的偏差ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n。接着，根据该偏差确定最小偏差ΔSOCmin(S8)。如果偏差ΔSOCZiel，n＝SOCn-SOCZiel，n和最小偏差ΔSOCmin的差别大于参数X(其可以是预定义的或是可选择的)，则为满足上述条件的至少一个这种单元放电(S9)。优选地，同时放电所有的单元。在步骤S10中，检验是否实际上已经对一个单元进行了放电或将对单元进行放电。如果是，在回跳至步骤S3，并且从那里重新进行该方法。然而，如果没有单元将进行放电，则跳至下一步步骤，并且结束方法(S11)。
在此能够连续地进行步骤S10中的回跳(当计算时间相对于放电过程较短时)，或也能够以固定的时间间隔，例如每秒1-10次来离散地进行步骤S10中的回跳。根据方法的精确度，若干分钟的时间段能够是有意义的。这里涉及一种迭代的方法，其中参数X描述了均衡的精确性。参数X能够是实数或包括零的自然数中的一个元素。X能够小于10％，优选地X小于6％，更优选地小于3％。较高的参数加速了方法，这使得匹配较不精确。较低的参数引起了在均衡后的单独的充电状态的较小的带宽，但需要较长的匹配时间。
表1示出了依据本发明的、用于电阻地均衡蓄电池，尤其是具有六个单个单元的锂离子蓄电池的方法的实施例。在此，用于放电的参数X例如为4％。如表1所示，单元3是具有最小容量的单元，在此为4.3Ah，并且具有为64％的充电状态。然后，单独的单元的所谓的目标放电深度DODZiel是该最小的容量和具有最小的容量的相关的单元的当前的充电深度的函数。在所示的例子中，单元5具有相对于单元3的64％而言较低的为60％的充电状态。因此，单元5还具有与目标充电状态的最小的偏差的值，即负偏差-3％。因为对于单元5，目标充电状态和实际充电状态的偏差和最小偏差的差别为零，所以将不对该单元进行放电。在偏差阈值X为4％时，在本例中，在第一步骤中，对单元1、2、4和6进行放电。没有示出该迭代方法的其他过程。
表1：X为4％的具有6个单个单元的蓄电池的示例1
图5示意性地示出了表1的本发明的实施例的结果，即依据本发明的优化的方法对表1的蓄电池的n＝1至N单个单元的充电状态进行均衡后的结果。如图5所示，蓄电池的六个单个单元都具有不同的容量，其由示出的长条表示。单元1和6具有最大的容量，以单独的容量的下降的顺序接着是单元4、单元2、单元5和单元3。在应用了用于均衡单个单元的充电状态的方法之后，单元的单独的充电状态与为70％的总蓄电池组的充电状态不同。
为了比较，图3示出了均衡后的具有六个单个单元的蓄电池，根据现有技术的方法，在总蓄电池组的充电状态为70％的情况下所有的单元具有相同的单独的充电状态。在此，为了实现这种相同的充电状态，相较于依据本发明的方法，这将非常困难。
在使用相应的较小的偏差阈值X的值的情况下，在放电至50％的总蓄电池组的充电状态之后，n＝1至N的单元全部同样具有50％的充电状态。如果将表1这种的具有最小的容量的单元的充电状态改变为50％，则如表2所示，对于所有的单元目标充电状态同样为50％。这得出了，放电深度DOD是充电状态SOC的函数。根据DOD＝(1-SOC)×Cap，对于具有最小的容量和充电状态为50％的单元k，放电深度正好为容量的一半，即DODk＝Capk/2。因此，然后对于每个其他的单元的目标充电深度，DODZiel，n＝Capn/2成立。该目标充电深度也具有单独的容量的一半的值。因此如所期望地该目标充电状态也为50％。
表2：X为1％的具有6个单个单元的蓄电池的示例1
在其他的实施例中，该方法可适于电容地和电感地均衡充电状态。在此，在方法的步骤S9中，将正在放电的单元的放电电流用于其他的单元的充电。随后，为满足ΔSOCZiel，n-ΔSOCmin＜Y的单元中的至少一个充电，其中，X＞Y。优选地，为所有满足该关系的单元一起充电。可以在有关参数X的描绘的边界中自由地选择参数Y。
依据本发明的方法优选地在蓄电池的蓄电池管理系统中被实现为软件。该软件解决方案使得能够尽可能低成本地并且灵活地实施该方法。
具有相应的蓄电池管理系统的蓄电池能够是机动车的一部分。优选地，该蓄电池是机动车的驱动系统的一部分，并且与机动车的发动机相耦合。

Claims (12)

1.一种用于均衡具有数量为N的蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法，包括以下步骤：
(S1)确定所有n＝1至N的单元的单独的单元容量(Capn)；
(S2)确定所述n＝1至N的单元中的具有最小的单元容量(Capk)的第k个单元；
(S3)确定所有n＝1至N的单元的单独的充电状态(SOCn)；
(S4)确定所有n＝1至N的单元的放电深度(DODn)；
(S5)根据下式确定所有n＝1至N的单元的目标放电深度(DODZiel,n)：
DODZiel,n＝Capn/2+DODk-Capk/2；
(S6)根据下式确定所有n＝1至N的单元的目标充电状态(SOCZiel,n)：
SOCZiel,n＝1-DODZiel,n/Capn；
(S7)根据下式确定所有n＝1至N的单元的单元的充电状态(SOCn)与其目标充电状态(SOCZiel,n)的偏差：
ΔSOCZiel,n＝SOCn-SOCZiel,n；
(S8)确定所有n＝1至N的单元的单元的充电状态(SOCn)与其目标充电状态(SOCZiel,n)的最小偏差(ΔSOCmin):
ΔSOCmin＝min(ΔSOCZiel,n)；
(S9)为满足下式的n＝1至N的单元中的至少一个放电：
ΔSOCZiel,n-ΔSOCmin>X，
其中，X是满足X≥0的参数；
(S10)如果对于所有n＝1至N的单元，ΔSOCZiel,n-ΔSOCmin≤X成立，则跳至步骤(S11)；如果ΔSOCZiel,n-ΔSOCmin≤X并不对于所有单元成立，则返回至所述确定所述单独的充电状态(S3)的步骤(S3)并且重复后续步骤；
(S11)结束所述方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述放电步骤(S9)中，还放电所有满足ΔSOCZiel,n-ΔSOCmin＝X的单元。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以预定的时间间隔来实施至所述确定所述单独的充电状态的步骤(S3)的返回。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，连续地实施至所述确定所述单独的充电状态的步骤(S3)的返回。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以百分比描述所述充电状态(SOC)，并且所述参数X大于零且小于6％。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述参数X大于零且小于3％。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为了电容地和电感地均衡充电状态，所述放电的步骤(S9)还包括：
引入正在放电的单元的放电电流，来为满足下式的、所述n＝1至N的单元中的至少一个充电：
ΔSOCZiel,n-ΔSOCmin<Y，其中，X>Y。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，同时充电所有满足ΔSOCZiel,n-ΔSOCmin<Y的单元。
9.一种用于蓄电池的蓄电池管理系统，包括根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.一种蓄电池，具有根据权利要求9所述的蓄电池管理系统。
11.根据权利要求10所述的蓄电池，其中，所述蓄电池是锂离子蓄电池。
12.一种具有根据权利要求10或11所述的蓄电池的机动车。
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