用于管理電池的電池單元的電量的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及對一個電力存儲電池的多個以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式電連接的電池單元的電量的管理，這種管理包括：一個使得這些電池單元的電量狀態(tài)(SOC)平衡的步驟，所述步驟僅在該電池充電階段的過程中被執(zhí)行；以及一個使得這些電池單元所含有的電量的量(Qi)平衡的步驟，所述步驟僅在該電池放電或擱置階段的過程中被執(zhí)行。
【專利說明】用于管理電池的電池單元的電量的方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于管理電力存儲電池的電池單元的電量的方法,這些電池單元是以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式電連接的，并且涉及一種包括平衡電子回路的管理系統(tǒng)，該平衡電子回路被控制以用于實(shí)施這樣的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在不同工業(yè)領(lǐng)域并且尤其是在汽車行業(yè)廣泛使用的L1-離子(鋰離子)電池技術(shù)要求使用平衡回路以便確保電池的長期使用。這些平衡回路總體上是電池管理系統(tǒng)的一部分。
[0003]事實(shí)上，每個L1-離子電池單元(它們以串聯(lián)和以并聯(lián)方式的組裝使得有可能構(gòu)建出這種電池)必須保持在窄的電壓范圍內(nèi)不失效，從而具有不可逆地?fù)p害電池單元性能的風(fēng)險。如果將大量的電池單元組裝在一個電池內(nèi)(典型地在仍在為電動車輛開發(fā)的電池內(nèi)有96個雙電池單元)，不可避免的是這些電池單元會具有不同特性，更還有電池老化:因此在所有這些電池單元之間會觀察到對于這些電池單元的電量狀態(tài)具有直接影響的一些特性的非一致性變化(自放電電流、感應(yīng)電流的產(chǎn)生、最大電量，等等)。由于穿過電池的主電流在各電池單元處是相同的(對于在汽車行業(yè)中使用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池)，就不可能在電池的充電或放電階段的過程中在不使用額外裝置的情況下單獨(dú)地對一個或多個電池單元充電或放電。
[0004]其他類型的電化學(xué)電池單元(例如，鉛電池單元)就可用電壓范圍而言沒有與基于鋰的電池單元相同的局限性。在充電過程中，一旦電池單元已經(jīng)達(dá)到最大電量狀態(tài)，不損害電池單元性能的寄生反應(yīng)使得有可能耗散富余的能量。相反，也可能存在非常劇烈的放電過程(直至電池單元中所含有的電量幾乎為零)。因此，對于這些類型的電化學(xué)電池單元而言，使得電池平衡、也就是說使得所有這些單獨(dú)的電池單元到達(dá)同一個電量狀態(tài)的最容易的方式在于繼續(xù)充電直至所有這些電池單元都充滿電。
[0005]然而，這一策略并非對于所有類型的電池單元都是可能的，尤其是L1-離子電池單元:一旦一個單一電池單元已經(jīng)達(dá)到其上限電壓閾值(典型地4.2V)，就勢必要中斷充電否則將具有損壞該電池單元(或甚至起火)的風(fēng)險。使用了專用電子回路、稱作平衡回路，而使得有可能:
[0006]-對最先充好電的電池單元中的能量進(jìn)行耗散從而能夠接著繼續(xù)對整個電池充電:這稱作耗散式平衡，
[0007]-或?qū)⑦@些充好電的電池單元的能量在最大程度上傳遞給其他的電池單元:因而這被稱為非耗散式平衡。
[0008]非耗散式平衡回路與耗散式系統(tǒng)相比具有多個優(yōu)點(diǎn):
[0009]-輻射熱量較低，已知的是升高的溫度既可能損壞L1-離子電池單元又可能損壞這些電子回路，
[0010]-有可能在使用電池的的過程中、尤其是在放電的過程中使用這些回路，從而對各電池單元的這些單體電量的分配進(jìn)行優(yōu)化，其目標(biāo)理想地是使得各電池單元同時到達(dá)最小電量狀態(tài)。因而這允許了改善的電池使用，以至這些單體電池單元所含有的所有電量都被利用:首先達(dá)到其最小電量閾值狀態(tài)的電池單元的極限被延遲。
[0011]為了能夠最大程度地利用這些平衡回路、尤其是非耗散式平衡回路所提供的可能性，必須設(shè)計(jì)出在充電和放電情況下均適合于避免無用的和甚至不利的電量傳遞的策略。
[0012]已知的平衡策略是基于各電池單元的單體電量狀態(tài)(“SoC”)或是基于對各電池單元的單體電壓的直接測量。使用這些指標(biāo)不總會允許對電池中所含有的能量的最佳使用。這些策略確實(shí)被適配用于耗散式平衡回路(這種平衡回路已經(jīng)廣泛運(yùn)用了多年)、但并未將非耗散式回路(其現(xiàn)今還未非常廣泛地運(yùn)用)所提供的所有可能性都考慮在內(nèi)?？傮w上，僅有的目標(biāo)是使得這些電池單元在充電結(jié)束時的電量狀態(tài)平衡。相比之下，在放電過程中的能量耗散絕不導(dǎo)致電池使用率的增大:
[0013]-如果所使用的這種平衡回路是耗散式的，則在放電過程中所使用掉的總電量是與具有最低的最大電量的電池單元中所含有的電量相對應(yīng)的。其他的電池單元中含有的富余能量在放電過程中被耗散掉、并且因此沒有以有生產(chǎn)力的方式被利用，
[0014]-如果這種平衡回路是非耗散式的，那么在放電過程中所使用掉的總電量是與具有最低的最大電量的電池單元中所含有的電量、加上其他電池單元所含有一些富余電量相對應(yīng)的。因此這種富余沒有被完全耗散掉來到達(dá)最終狀態(tài)、而是被部分地利用。
[0015]文獻(xiàn)US 621 528UUS 5631 534、以及US 72451 08闡述了僅依賴于這些電池單元的電量狀態(tài)而不在充電與放電情況之間進(jìn)行區(qū)分的這種類型的平衡方案，這并非是最優(yōu)的。
[0016]文獻(xiàn)US 201 O 194339披露了利用了額外參數(shù)、也就是說提供了對這些電池單元的最大充電容量水平的驗(yàn)證的一種平衡方案。
[0017]這些方案均不允許對實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的管理，尤其是在這些電池單元的某些特性不一致的情況下。在平衡策略中并未考慮電池的運(yùn)行模式(充電、擱置或放電)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種克服了以上列出的缺點(diǎn)的、用于管理一個電池的多個電池單元的電量的方案。
[0019]具體是，本發(fā)明的一個目的是提供在這些電池單元的物理特性存在不一致的情況下避免無用的或不利的能量傳遞的一種管理方法。
[0020]本發(fā)明的第二目的是提供不僅基于這些電池單元的電量狀態(tài)“SoC”、或尤其在電池的放電或擱置狀態(tài)下還基于它們的單體電壓的一種管理方法。
[0021]本發(fā)明的第一方面考慮了一種用于管理一個電力存儲電池的多個以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式電連接的電池單元的電量的方法，該方法包括:
[0022]-一個使得這些電池單元的電量狀態(tài)平衡的步驟，這一步驟僅在電池充電階段的過程中執(zhí)行，以及
[0023]-一個使得這些電池單元所含有的電量的量平衡的步驟，這一步驟僅在電池放電或擱置階段的過程中執(zhí)行。
[0024]該使得這些電池單元所含有的電量的量平衡的步驟可以利用這些電量狀態(tài)。
[0025]所執(zhí)行的這種平衡可以是通過這些電池單元之間的能量傳遞而進(jìn)行的非耗散式類型。
[0026]該方法可以包括以下步驟:
[0027]-選擇性地基于這些電池單元的電量狀態(tài)或基于這些電池單元所含有的電量的量來建立多個平衡指標(biāo)，
[0028]-取決于所建立的平衡指標(biāo)來產(chǎn)生用于激活一個使得該電池的這些電池單元平衡的電子平衡回路的激活請求，
[0029]-以及將所產(chǎn)生的這些激活請求發(fā)送給該平衡回路從而確保根據(jù)所建立的指標(biāo)對該電池進(jìn)行平衡。
[0030]取決于在這些電池單元所含有的電量的量的基礎(chǔ)上的該平衡指標(biāo)的這些激活請求可以是依賴于這些電池單元的電量狀態(tài)的。
[0031 ] 該建立步驟可以利用該電池是或不是處于充電階段的事實(shí)。
[0032]該方法可以包括一個確定這些電池單元中的每個電池單元的電量狀態(tài)、健康狀態(tài)、和一個布爾(Boolean)信號的先行步驟，該布爾信號代表了該電池是或不是處于充電階段的事實(shí)。
[0033]本發(fā)明的第二方面考慮了一種用于管理一個電力存儲電池的多個以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式電連接的電池單元的電量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個用于使得這些電池單元的電量平衡的電子平衡回路，所述回路包括硬件和/或軟件裝置，這些裝置控制該平衡回路以便執(zhí)行一種此類型的管理方法。
[0034]該硬件和/或軟件裝置優(yōu)選包括一個控制單元，該控制單元確保:
[0035]-選擇性地基于這些電池單元的電量狀態(tài)或基于這些電池單元所含有的電量的量來建立多個平衡指標(biāo)，
[0036]-取決于所建立的平衡指標(biāo)來產(chǎn)生用于激活該使得該電池的這些電池單元平衡的電子平衡回路的多個激活請求，
[0037]-以及將所產(chǎn)生的這些激活請求發(fā)送給該平衡回路從而確保根據(jù)該所建立的指標(biāo)對該電池進(jìn)行平衡。
[0038]本發(fā)明的第三方面考慮了 一種數(shù)據(jù)記錄載體，該數(shù)據(jù)記錄載體能夠被該控制單元所讀取并且其上記錄了一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包括用于執(zhí)行這樣一種方法的多個階段和/或步驟的計(jì)算機(jī)程序代碼裝置。
[0039]本發(fā)明的第四方面考慮了一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包括當(dāng)在該控制單元上運(yùn)行該程序時適合于施行這樣一種平衡方法的多個階段和/或步驟的計(jì)算機(jī)程序代碼裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]從對于通過非限制實(shí)例的方式給出的并且以附圖示出的本發(fā)明具體實(shí)施例進(jìn)行的以下說明中，進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加清晰，在附圖中:
[0041]-圖1示出了兩個同時具有不同的電量狀態(tài)和最大容量的電池單元的簡化實(shí)例，
[0042]-圖2示出了一個繪圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的一種管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，
[0043]-圖3展示了根據(jù)本發(fā)明的管理策略的原理，
[0044]-圖4示出了圖3的框2的詳細(xì)視圖，[0045]-并且圖5展示了一個L1-離子電池單元的無負(fù)載電壓與電量狀態(tài)SoC之間的典型曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0046]本發(fā)明涉及對一個電力存儲電池的多個單體電池單元的電量進(jìn)行平衡的領(lǐng)域，其中這些電池單元是以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式組裝的。
[0047]下文中，平衡的概念應(yīng)被理解為對形成該電池的所有這些電池單元的電量狀態(tài)SoC或電量的量Q進(jìn)行平衡(取決于電池是處于充電階段、放電階段還是處于擱置階段)。這種平衡將這些電池單元在物理特性上的任何可以隨時間而形成的差異考慮在內(nèi)，其目標(biāo)是在最佳可能的程度上利用所存儲的能量而同時確保電池最長的可能使用壽命。
[0048]因而本發(fā)明是基于已經(jīng)做出的認(rèn)定，根據(jù)這種認(rèn)定，在這些不同電池單元之間存在物理特性的差異的情況下，在電池的充電和放電的過程中簡單地利用所述電池單元的電量狀態(tài)來作為平衡指標(biāo)并非是令人滿意的。當(dāng)這些電池單元在它們自身之間具有最大容量(也稱作“最大電量”)上的不一致時情況尤其是如此。
[0049]圖1展示了最后的這個問題。在這個圖中示意性地展示了同時具有不同的電量狀態(tài)和不同的最大容量的兩個單體電池單元。
[0050]一個電池單元的電量狀態(tài)、也稱作SoC，對應(yīng)于在一個給定時刻這一電池單元中所存儲的電量與這一電池單元在測量時刻在其通常的工作范圍內(nèi)可以含有的最大容量Qmax之間的比率。
[0051]在圖1中，電量狀態(tài)對應(yīng)于每個電池單元的充填高度與其最大高度之間的比率。電池單兀的電量對應(yīng)于各電池單兀的表面(高度保持相同從而對應(yīng)于同一個電壓工作范圍，最大容量的差異是由寬度差異所代表的)。圖1展示了電池單元2中所含有的電量Q2大于電池單兀I中所含有的電量Q1的情況(灰色表面代表各電池單兀中的電量)，但其SoC是較低的。因而:
[0052]Q2 = SoC2.SoH2-Qniax initPQ1 = SoC1.SoH1.Qmax initl
[0053]對于一個單體電池單元i而言，健康狀態(tài)SoHi被定義為在給定時刻電池單元i中可以含有的最大容量Qmax i與同一個電池單元最初(例如在生產(chǎn)線末端)可以含有的初始最大容量Qmax_initi之間的比率。例如這個初始容量通常是制造商已知的特性。
[0054]在這樣一種情況下，一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)僅基于這些電量狀態(tài)SoC的平衡策略趨于將電池單元I的能量傳遞給電池單元2，因?yàn)镾oCASoCp然后隨著該電池放電，SoC1比SoC2減小得更快，相同主電流Ic穿過這兩個電池單元I和2中的每一者(這兩個電池單元以與平衡無關(guān)的同一個速率放空)。因而:
【權(quán)利要求】
1.一種用于管理一個電力存儲電池的多個以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式電連接的電池單元的電量的方法，其特征在于，該方法包括: -一個使得這些電池單元的電量狀態(tài)(SoCi)平衡的步驟，這一步驟僅在電池充電階段的過程中執(zhí)行，以及 -一個使得這些電池單元所含有的電量的量(Qi)平衡的步驟，這一步驟僅在電池放電或擱置階段的過程中執(zhí)行。
2.如權(quán)利要求1所述的管理方法，其特征在于，使得這些電池單元所含有的電量的量(Qi)平衡的該步驟利用了這些電量狀態(tài)(SoCi)。
3.如權(quán)利要求1和2之一所述的管理方法，其特征在于，所執(zhí)行的這種平衡是通過這些電池單元之間的能量傳遞而進(jìn)行的非耗散式類型。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的管理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: -選擇性地基于這些電池單元電量狀態(tài)(SoCi)或基于這些電池單元所含有的電量的量(Qi)來建立多個平衡指標(biāo)(ε D， -取決于所建立 的平衡指標(biāo)(ε J來產(chǎn)生用于激活一個使得該電池的這些電池單元平衡的電子平衡回路的多個激活請求(Tu rai), -以及將所產(chǎn)生的這些激活請求(Tij _)發(fā)送給該平衡回路從而確保根據(jù)該所建立的指標(biāo)(ε J對該電池進(jìn)行平衡。
5.如權(quán)利要求4所述的管理方法，其特征在于，取決于在這些電池單元所含有的電量的量(Qi)的基礎(chǔ)上的該平衡指標(biāo)(ε i)的這些激活請求(Tijj^q)是依賴于這些電池單元的電量狀態(tài)(SoCi)的。
6.如權(quán)利要求4和5之一所述的管理方法，其特征在于，該建立步驟利用了該電池是或不是處于該充電階段的事實(shí)。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的管理方法,其特征在于，該方法包括一個確定這些電池單元中的每個電池單元的電量狀態(tài)(SoCi)、健康狀態(tài)(SoHi)、和一個布爾信號的先行步驟，該布爾信號代表了該電池是或不是處于充電階段的事實(shí)。
8.一種用于管理一個電力存儲電池的多個以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式電連接的電池單元的電量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個用于使得這些電池單元的電量平衡的電子平衡回路，其特征在于，該系統(tǒng)包括硬件和/或軟件裝置，這些裝置控制該平衡回路以便執(zhí)行一種如權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的管理方法。
9.如權(quán)利要求8所述的管理系統(tǒng)，其特征在于，該硬件和/或軟件裝置包括一個控制單元，該控制單元確保: -選擇性地基于這些電池單元電量狀態(tài)(SoCi)或基于這些電池單元所含有的電量的量(Qi)來建立多個平衡指標(biāo)(ε D， -取決于所建立的平衡指標(biāo)(ε J來產(chǎn)生用于激活使得該電池的這些電池單元平衡的該電子平衡回路來的多個激活請求(Tu rai), -以及將所產(chǎn)生的這些激活請求(Tij _)發(fā)送給該平衡回路從而確保根據(jù)該所建立的指標(biāo)(ε J對該電池進(jìn)行平衡。
10.一種數(shù)據(jù)記錄載體，該數(shù)據(jù)記錄載體能夠被該控制單元所讀取并且其上記錄了一種計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包括用于執(zhí)行一種如權(quán)利要求1至7之一所述的方法的多個階段和/或步驟的計(jì)算機(jī)程序代碼裝置。
11.一種計(jì)算機(jī)程序，包括當(dāng)在該控制單元上運(yùn)行該程序時適合于施行一種如權(quán)利要求I至7之一所述的方法的 多個階段和/或步驟的一種計(jì)算機(jī)程序代碼裝置。
【文檔編號】G01R31/36GK104025419SQ201280065010
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月31日
【發(fā)明者】M·盧塞亞 申請人:雷諾股份公司