一种用于监控蓄电电池组的装置及相关方法
【专利摘要】一种用于监控包括串联连接的一组电池(2a、2b、2c)的蓄电电池组(1)的装置(9)包括：用于测量由电池组输送的电流强度(I)的模块，用于测量每个电池(2a、2b、2c)的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)的模块，-每个电池(2a、2b、2c)的同一上游连接点和同一下游连接点之间的零电流电压(U0i)的记录器(17)，以及-电阻估计器(16)，其被配置为以定期方式估计每个电池(2a、2b、2c)的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻(Ri+Rci)。
【专利说明】—种用于监控蓄电电池组的装置及相关方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源电池组的管理的领域。
【背景技术】
[0002]电源电池组通常包括一组串联连接的独立电池。每个独立电池可以包括一组基本的电化学元件，电化学元件本身串联或并联地互相连接。在每个独立电池内部，电化学元件的布置是相同的。
[0003]为了防止化学反应中的任何失控，电池组可以装备有负责单独地监控电池组中的每个电池的系统。通常通过首字母缩写“BMS” (电池组管理系统)来指代的该系统被配置为测量每个电池的独立电压，测量从电池组输出的电流，计算电池组的电荷状态，监控电池组内部的温度水平，并平衡不同的独立电池的电压。
[0004]特别地，所述平衡可以在电池组充电步骤之后，通过使用电阻器对具有实质上大于其他电池的电荷水平的电荷水平的电池进行放电来完成。
[0005]一些电池组，例如锂电池组，特别无法忍受在某一预定义界限附近摆动的电压或温度。
[0006]通常使用温度探头来处理对电池组的温度的监控，温度探头可以被灵活地分布于电池组内部以给出温度的总体信息。
[0007]由于探头及相关电子设备的成本，通常提供一个探头来监控多个独立电池。
[0008]在某些情况下，这样的布置会导致未检测到恰恰导致了电池的非常局部化过热的故障，由于该故障位于距温度探头的一定距离处。
[0009]然后这种局部过热会被反映在电池组上作为总体的高幅度热事件中，甚至被反映在热失控和爆炸中。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于防止电池组的任何电池中的局部过热，而不增大监控电池组所需设备的成本。
[0011]为了该目的，本发明提出安装一种监控系统，该系统适用于检测电池组的任何独立电池的内部电阻的异常增大，或在两个电池之间的任何接触故障。通过使用已存在用于向电池组监控系统(BMS)提供数据的传感器来落实该监控。
[0012]因此，一种根据本发明的用于监控包括一组串联连接的电池的蓄电电池组的装置，包括:
[0013]-用于测量由电池组输送的电流强度的模块，
[0014]-用于测量每个电池的上游连接点和下游连接点之间的电压的模块，
[0015]-每个电池的所述上游连接点和所述下游连接点之间的零电流电压的记录器，以及
[0016]-电阻估计器，被配置用于定期地估计每个电池的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻。
[0017]有利地，电阻估计器包括其中存储了对该组电池取平均得到的平均电阻值的存储器，和电阻比较器，该电阻比较器被配置用于将每个电池的电阻与该组电池的平均电阻进行比较，并被配置为如果电池之一的电阻与平均电阻之间的差别的绝对值超过第一阈值则输送警报信号。
[0018]有利地，电阻估计器被配置为在当电池组被用于充电模式或放电模式时的全部时间内，以规则的时间间隔不断地重新评定对每个电池的电阻的估计。
[0019]换言之,在电池组被用于充电模式或放电模式时的时间段的全部持续时间内执行定期的估计。
[0020]因此在电池组被使用时的任何时间，都可以检测出电池之一的故障，或电池之间的连接的故障。
[0021 ] 在该优选的实施例中，如果电池组被安装在电动车辆上被配置为提供再生制动的话，则该估计特别地贯穿该类型的制动在电池组再充电阶段期间进行，并且该估计在固定电网上的电池组再充电阶段期间在任何情况下进行。该估计也可以在电池组将电力输送给一个或多个耗能设备时的任何阶段期间进行，而无论连接至电池组的设备的类型如何。
[0022]在另一实施例中，对电池组的电池的内部电阻的控制可以在电池组被用于充电模式或放电模式时的大部分时间段期间被执行，但仍排除了一些瞬态操作时间段，例如在该瞬态操作时间段中，电流或电压波动会产生测量误差，导致错误诊断。
[0023]根据一优选实施例，电阻估计器被配置为将每个电池的电阻与参考电阻值进行比较，并且当电池之一的电阻与参考电阻值之间的差别超过第二阈值时输送警报信号。
[0024]零电流电压的记录器可被配置为每当来自电池组的电流达到零时，更新所记录的值。如果来自电池组的电流的绝对值变得低于一电流阈值，例如，低于0.1A，或优选地低于0.0lA时，则认为该电流达到零。
[0025]零电流电压的记录器还可以被配置为，当所记录的值在长于最小更新时间段的时间段内没有被更新，则激活过期警告信号。有利地，零电流电压记录器被配置为根据零电流电压的最后更新的日期来确定过期警告布尔变量。
[0026]根据另一变型实施例，零电流电压的记录器可被配置为，如果自从记录值被更新后，电池组的电荷状态已提高或降低了一大于电荷状态阈值分数的值，则激活过期警告信号。
[0027]当激活了过期警告变量后，电阻估计器被配置为只将每个电池的电阻与电池组的平均电阻进行比较，而不用将每个电池的电阻与参考电阻值进行比较。
[0028]所述装置可以包括同步装置，该同步装置适用于使不同电池的上游连接点和下游连接点之间的电压的每个系列测量与从电池组输出的电流强度的测量同步。
[0029]根据另一方面，一种电池组装备有前面描述的装置。在该电池组中，除了电池组中的两个端电池之外，用于测量一电池的电压的上游连接点也是用于测量该系列中的邻近电池的电压的下游连接点。
[0030]有利地，在每个上游连接点和每个下游连接点之间，存在相同数量的基本电池以及在电池间的相同数量的电阻连接元件。
[0031]根据再另一方面，在一种用于监控蓄电电池组的电池的方法中，定期测量电池组的每个电池的上游连接点和下游连接点之间的电压，同时测量从电池组输出的电流强度，并通过将与零电流电压有关的电压差除以从电池组输出的该强度，来计算与上游连接点和下游连接点之间的电池相关联的电阻。
[0032]优选地，将每个电池的电阻定期与该组电池的平均电阻进行比较，并且如果电池之一的电阻与平均电阻之间的差别的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号。
[0033]有利地，每当来自电池组的电流达到零时，重新估计每个电池的零电流电压值。
[0034]根据一优选实施例，如果零电流电压值在大于最小更新时间段的时间段内没有被更新，则激活过期警告布尔变量。
[0035]根据另一优选实施例，如果自从零电流电压值被更新之后，电池组的电荷状态已增大或减小了一大于电荷状态阈值分数的值，则激活过期警告布尔变量。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]在阅读仅仅作为非限制示例给出的下面的描述并参照附图之后，本发明的其他目的、特征及优点将被理解，在附图中:
[0037]图1是配备有根据本发明的监控系统的蓄电电池组的简化示意图，
[0038]图2是用于监控配备有根据本发明的监控系统的电池组的算法的例子，以及
[0039]图3是图2的监控算法的变型。
【具体实施方式】
[0040]如图1所示，电池组I包括通过连接元件3互相连接的电池2a、2!^P 2。…。电池组I配备有监控装置9，监控装置9`包括电子控制单元8和连接7，该连接7针对每个电池，连接电池的上游连接点(例如在这里针对电池2b为点4)和电池的下游连接点(在这里针对电池2b为点5)。
[0041]电子控制单元8包括零电流电压的记录器17、电阻估计器16、电阻比较器18，和用于存储平均电阻值的存储器23。
[0042]电池的上游和下游的定义在比及后文中应当被理解为，当电池为外部电路供应电能时，与电池内部的电流I的流动方向有关来定义的上游和下游。
[0043]电池组I输送或接收电流I，电流I是穿过每个电池2a、2b、2。...的同一电流。在任何情况下，每个电池都以在其上游连接点和下游连接点之间的电压Ui(在此为ua、ub、u。...)为特征。同时，在同样的电荷状态下，每个电池可以空载电压为特征，空载电压也被称为零电流电压Utli，此处被引用为U.Uc^ Utl。…。空载电压是当通过连接至电池组I的两个端子的外部电路被断开或中断时在电池的上游连接点和下游连接点之间构建的电压。
[0044]电子控制单元8包括测量模块，使得其能够针对每个电池来确定其上游列接点4和其下游连接点5之间的电压，例如针对电池2b为电压Ui。
[0045]电子控制单元8还包括测量模块，使得其能够基本上在执行一系列电压测量的同时，确定流入电池组I或从电池组I流出的强度I，该一系列电压测量包括测量每个电池的电压Ui。为了这一目的，电子控制单元8包括同步模块，使得其能够定期地执行组成电池组I的不同电池的所有电压Ui的一系列采集，并且基本上在执行电压值采集的同时执行电流强度的至少一次采集。[0046]单个连接点被布置在每对相邻电池之间，从而一个电池的上游连接点(例如这里针对电池2,为连接点4)同时也是另一电池(此处针对电池2a)的下游连接点。同样地，这里电池2。包括上游连接点5，上游连接点5同时也是电池2b的下游连接点，并且电池2。自身也包括下游连接点6。
[0047]零电流电压记录器17被配置为存储每当电池组电流I达到零时在每个电池的上游连接点和下游连接点之间测得的值Utla、Utlb、队。，…Ui…。
[0048]每个电池的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻是根据电池的电化学状态而变化的。该电阻是第一项Ri (在此为Ra, Rb，Rc-)和项K在此为Rca, Rcb, Rcc-)的和，Ri代表了被配置为输送电池所产生的电能的一个或多个电化学元件的内部电阻，Rci代表了用于互连不同电池的至少一个连接元件3的电阻，该至少一个连接元件被插入在电池的上游电压测量点和下游电压测量点之间。
[0049]电池的总内电阻RfRcd的增大是由电化学事件(其导致了项Ri的增大)造成的，或由于两个相邻电池之间的接触缺陷(导致了项Rcd的增大)造成的。
[0050]包括电化学项Ri和接触项Rcd的电池i的内部电阻也等于:
[0051 ]
【权利要求】
1.一种用于监控蓄电电池组的装置，所述蓄电电池组包括串联连接的一组电池(2a、2b、2c),所述装置包括: -用于测量由所述电池组输送的电流强度(I)的模块， -用于测量每个电池(2a、2b、2c)的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)的模块，其特征在于所述装置(9)还包括: -零电流电压(Utli)的记录器(17)，其被配置为每当由所述电池组(I)输送的所述电流强度(I)达到零时，记录每个电池(2a、2b、2c)的同一上游连接点和同一下游连接点之间的所述电压，以及 -电阻估计器(16)，其被配置为定期估计每个电池(2a、2b、2c)的在其上游连接点和其下游连接点之间的电阻(Ri+Rj。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)包括存储器(23)和电阻比较器(18)，在所述存储器(23)中存储了该组电池的平均电阻(〈Rj+R。」〉)，所述电阻比较器(18)被配置为将每个电池的所述电阻(Ri+Rj与该组电池的所述平均电阻(〈Rj+R。」〉)进行比较，并且被配置为如果所述电池之一的电阻与所述平均电阻之间的差值的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)被配置为将每个电池的所述电阻(Ri+Rj与参考电阻进行比较，并且如果所述电池之一的电阻与所述参考电阻之间的差值超过第二阈值时，输送警报信号。
4.根据组合的权利要求2和3所述的装置，其中，所述零电流电压记录器(17)被配置为根据所述零电流电压(Ut·li)的最近更新的日期，来激活过期警告布尔变量(Hag(Utl))，并且当所述过期警告变量被激活时，所述电阻估计器(16)被配置为只考虑每个电池的所述电阻(Ri+Rj与该组电池的所述平均电阻(〈Rj+R。」〉)的比较。
5.根据前述权利要求中的一项所述的装置，包括同步装置，所述同步装置适于使不同电池(2a、2b、2c)的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)的每个系列测量与由所述电池组⑴输送的电流强度⑴的值的测量同步。
6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述电阻估计器(16)被配置为在所述电池组被用于充电模式或放电模式时的全部时间内，以规则的时间间隔不断重新评估每个电池(2a、2b、2c)的电阻值(Ri+Rj。
7.—种配备有根据前述权利要求中的任一项所述的装置的蓄电电池组，其中，除了所述电池组(I)中的两个端部电池之外，用于测量电池的电压的上游连接点(4、5)也是用于测量该串联中的相邻电池的电压的下游连接点。
8.根据前述权利要求所述的电池组，其中，在每个上游连接点和每个下游连接点之间，存在相同数量的基本电池以及相同数量的位于电池之间的阻性连接元件⑶。
9.一种用于监控蓄电电池组的电池(2a、2b、2c)的方法，其中，以规则的时间间隔测量所述电池组的每个电池的上游连接点和下游连接点之间的电压(Ui)，同时测量由所述电池组输送的电流强度(I)，并且通过将与零电流电压(Utli)有关的电压差(Ui)除以由所述电池组输送的所述电流强度(I)，来计算在所述上游连接点和所述下游连接点之间的、与所包括的电池相关联的电阻值(Ri+Rj，每当来自所述电池组(I)的所述电流(I)达到零时，重新估计每个电池(2a、2b、2c)的零电流电压值(Utli)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将每个电池的所述电阻(Ri+Rj定期地与该组电池的平均电阻进行比较，并且如果所述电池之一的电阻与所述平均电阻之间的差值的绝对值超过第一阈值，则输送警报信号。
11.根据权利要求8-10中的一项所述的方法，其中，如果在长于最小更新时间段的时间段内仍未更新所述零电流电压值(Utli),则激活过期警告布尔变量(Hag(Utl))。
12.根据权利要求8-10中的一项所述的方法，其中，如果自所述零电流电压值(Utli)被更新之后，所述电池组的电荷状态已增大或减小了比电荷状态阈值分数大的值时，则激活过期警告布尔变量(flag(%))。`
【文档编号】G01R31/36GK103718054SQ201280029440
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月15日
【发明者】G·帕加内利, T·奥盖 申请人:米其林企业总公司, 米其林研究和技术股份公司