电池管理系统及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种有效地且精确地估计电池的荷电状态（SOC）的电池管理系统和一种使用该电池管理系统的方法。在一个方面，该电池管理系统包括主控制器单元，主控制器单元被构造为从感测单元接收电流数据和电压数据，并且在确定积分电流值的绝对值之和超过预定值时计算开路电压（OCV）。该电池管理系统还被构造为基于所计算的OCV来估计SOC。
【专利说明】电池管理系统及其使用方法
[0001]本申请要求于2013年2月5日在韩国知识产权局提交的第10-2013-0012886号韩国专利申请的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用包含于此。
【技术领域】
[0002]所公开的技术总地涉及一种电池管理系统和一种使用该电池管理系统的方法。更具体地讲，所公开的技术涉及一种用来有效地且精确地估计电池的荷电状态(SOC)的电池
管理系统。
【背景技术】
[0003]混合动力车辆和电动车辆具有包括二次电池模块的高容量电池组，二次电池模块包括串并联构建的二次电池单体。部分地基于对这些车辆的增加的需求，极大地促进了与使用非水电解质的高功率高能量二次电池有关的技术。可以串联或并联连接多个高功率二次电池单体来形成高容量二次电池模块，进而可以将高容量二次电池模块组装成高容量电池组。电池单体是可以集成为电池模块的最小单位，电池模块通常包括若干电池单体。进而电池组通常包括若干电池模块。尽管可以以任何集成度应用在此所公开的电池管理系统，但是为了简便起见，在下文中将把电池单体的一个集成单位简单地称作“电池”。
[0004]为了保持电池的最佳操作状态，经常采用电池管理系统(BMS)用以通过监测电压和电流来管理电池的充电和放电。
[0005]以最大容量的百分比表征当前电池容量的一个参数是荷电状态(S0C)。一般通过电流积分来计算S0C，以监测电池容量随时间的变化。一些电池管理系统基于开路电压(OCV)来估计S0C。然而，测量精确的OCV最少会花费五小时或更多的时间。另外，利用电流传感器测量电流，电流传感器在测量时经常容易出现误差。此外，测量误差会通过电池的重复充电和放电而扩大，从而使估计出的SOC的精确度受到限制。因此，需要更有效且更精确地估计电池的SOC的电池管理系统。
【发明内容】
[0006]特定实施例涉及一种用来有效地且精确地估计电池的荷电状态(SOC)的电池管理系统(BMS)和一种使用该电池管理系统的方法。在一个方面，该电池管理系统包括主控制器单元，主控制器单元被构造为从感测单元接收电流数据和电压数据，并且在确定积分电流值的绝对值之和超过预定值时计算开路电压(0CV)。该电池管理系统还被构造为基于所计算的OCV来估计SOC。
[0007]根据BMS的一个实施例，一种电池管理系统包括:感测单元，被构造为通过测量电池的电流和电压来获得电流数据和电压数据；主控制器单元(MCU)，被构造为从感测单元接收电流数据和电压数据，在积分电流值的绝对值之和超过预定值时计算开路电压(0CV)，并且估计与所计算的OCV对应的荷电状态(S0C)。
[0008]根据BMS的另一实施例，电流数据包括充电电流和放电电流，积分电流值的绝对值之和为积分充电电流的绝对值与积分放电电流的绝对值的和。
[0009]根据BMS的另一实施例，当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，MCU被构造为将通过对电流数据进行积分而获得的积分电流值重置为零。
[0010]根据BMS的另一实施例，MCU包括电流积分单元，其被构造为通过对电流数据进行积分计算积分电流值并且计算积分电流值的绝对值之和。MCU另外包括OCV计算单元，其被构造为当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，利用电池的电流数据、电压数据和内阻来计算OCV。MCU还包括被构造为利用所计算的OCV来估计SOC的SOC估计单元。
[0011]根据BMS的另一实施例，OCV计算单元被构造为利用电流数据和电压数据中的至少一个来计算0CV，其中，使用在电池被基本完全充满的时刻所测量的电流和电压来获得该电流数据和电压数据。
[0012]根据BMS的另一实施例，OCV计算单元被构造为利用电流数据和电压数据中的至少一个来计算0CV，其中，使用在电池处于被充电到相对于电池的完全充满状态的90%或大于90%的状态的时刻所测量的电流和电压来获得该电流数据和电压数据。
[0013]根据BMS的另一实施例，感测单元还被构造为通过测量电池温度来获得温度数据。
[0014]根据BMS的另一实施例，OCV计算单元被构造为利用从电池的放电深度(DOD)在大约O和0.7之间的状态下的电池获得的温度数据并且基于存储在MCU中的温度-电阻关系数据来确定内阻。
[0015]根据BMS的另一实施例，MCU还包括被构造为将积分电流值重置为零的电流积分
重置单元。
[0016]根据BMS的另一实施例，SOC估计单元被构造为基于所计算的OCV与存储在SOC估计单元中的SOC-OCV关系数据来估计S0C。
[0017]根据BMS的另一实施例，当积分电流值的绝对值之和不超过预定值时，SOC估计单元利用积分电流值来估计S0C。
[0018]根据BMS的另一实施例，SOC估计单元通过将积分电流值与预定的初始SOC或预先测量的SOC相加来估计SOC。
[0019]根据BMS的另一实施例，所述预定值在电池的电池容量的大约五倍和七倍之间。
[0020]根据一个方面的一种利用电池管理系统(BMS)的方法包括:接收电池的电流数据和电压数据；基于电流数据计算积分电流值的绝对值之和；当确定积分电流值的绝对值之和超过预定值时，利用电池的电流数据、电压数据和内阻计算开路电压(OCV);估计与所计算的OCV对应的荷电状态(SOC )。
[0021]根据另一实施例，该方法包括:计算积分电流值的绝对值之和的步骤包括通过对电流数据进行积分来计算积分电流值。
[0022]根据另一实施例，该方法还包括:当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，将积分电流值重置为零。
[0023]根据另一实施例，利用在电池被基本完全充满的时刻所测量的电流或电压来获得用来计算OCV的电流数据和电压数据中的至少一个。
[0024]根据另一实施例，该方法还包括:当积分电流值的绝对值之和不超过预定值时，利用积分电流值来估计SOC。[0025]如上所述，在特定实施例中，即使积分电流值的误差累积，也能够计算出更精确的SOC。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]附图与说明书一起示出了所公开的技术的示例性实施例，并且附图与描述一起用来解释所公开的技术的原理。
[0027]图1是根据所公开的技术的一个实施例的电池的三维图示。
[0028]图2是示意性地示出了根据所公开的技术的另一实施例的电池管理系统的框图。
[0029]图3是示出了根据所公开的技术的另一实施例的电池的内阻和放电深度(DOD)之间的关系的曲线图。
[0030]图4是示出了根据所公开的技术的另一实施例的开路电压(OCV)和荷电状态(SOC)之间的关系的曲线图。
[0031]图5是示出了根据所公开的技术的另一实施例的使用电池管理系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032]在下文中，将参照附图来描述根据所公开的技术的特定示例性实施例。这里，当第一元件被描述为结合到第二元件时，第一元件不仅可以直接结合到第二元件，而且也可以经由第三元件间接结合到第二元件。此外，为了清晰，省略了一些对完全理解本发明而言不是必需的元件。另外，同样的附图标记始终表示同样的元件。
[0033]图1是示出根据所公开的技术的实施例的电池的示图。
[0034]图1示出了大容量电池模块10，其包括按间隔布置的多个二次电池单体11以及被构造为通过利用冷却剂来保持电池模块10的温度的外壳13。电池管理系统(BMS)20连接到电池模块10并且被构造为管理电池模块10的充电/放电。
[0035]电池模块10另外包括置于相邻的二次电池单体11之间的电池隔离件12。电池隔离件12通过允许二次电池单体11之间的空气流动来执行冷却功能，并且执行支撑每个二次电池单体11的侧表面的结构性功能。
[0036]虽然图1中示出的二次电池单体具有矩形形状，但是其它形状和形式是可以的。例如，二次电池单体11可以具有圆柱形形状或任何其它适合的形状。
[0037]BMS20被构造为检测并管理电池模块10中的每个二次电池单体11的电流和电压。
[0038]BMS20从安装在电池模块10中的电流传感器和电压传感器接收数据。BMS20预先存储通过将开路电压和荷电状态(SOC)之间的关系映射到表格而获得的数据，因此，能够从通过传感器获得的测量值来估计S0C。
[0039]一些BMS通过下述步骤来估计实际的SOC:计算电池的初始S0C，通过将所测量的充电和/或放电电流对从电池充电/放电开始时的初始时间开始的时间段进行积分来计算积分电流值，并且将所得的积分电流值与初始SOC相加。将理解的是，对时间段的部分积分可以根据是对充电循环还是对放电循环进行积分而为正的或负的。这是因为:根据一般惯例，在电池的充电循环中测量的充电电流具有正(+)值，而在电池的放电循环中测量的放电电流具有负(-)值。另外，如果积分充电电流的值与积分放电电流的值具有相同的绝对值，则积分电流值为零。
[0040]然而，这些提供实际的SOC的方法会造成不精确的SOC值。这是因为电池的电流是由电流传感器测量的。在由电流传感器测量的值中会引入误差。此外，当长时间地使用电池时，尤其是在没有完全执行电池的充电/放电的时段期间，积分电流值中的误差会扩大。扩大的误差成比例地降低了估计的SOC的精确度。
[0041]为了改善估计的SOC的精确度，在积分充电电流的绝对值与积分放电电流的绝对值的和超过预定值时，根据所公开的技术的实施例的BMS20利用电池模块10的测量的电流值和电压值来计算OCV。然后基于所计算的OCV来估计SOC。另外，BMS20使积分电流值初始化并对估计的SOC的误差进行校正。
[0042]图2是示意性地示出了根据所公开的技术的实施例的BMS的框图。
[0043]如图2所示，BMS20包括感测单元200和主控制器单元(MCU) 300。
[0044]感测单元200通过分别利用电流传感器、电压传感器和温度传感器测量电池的输出电流、电压和温度来获得电流数据、电压数据和温度数据，并将所获得的数据发送到MCU300。
[0045]这里，电流数据可以包括具有正(+ )值的充电电流和具有负(_)值的放电电流。
[0046]根据实施例，MCU300包括电流积分单元301、OCV计算单元303、SOC估计单元305和电流积分重置单元307。
[0047]电流积分单元301通过对电流数据进行积分来计算出积分电流值，并且还计算出积分电流值的绝对值之和。
[0048]更具体地讲，积分电流值的绝对值之和是指积分充电电流的绝对值与积分放电电流的绝对值的和。
[0049]在积分电流值的绝对值之和超过预定值的情况下，OCV计算单元303利用电池的电流数据、电压数据和内阻计算出0CV。
[0050]这里，当因积分电流值的扩大的误差而导致利用积分电流值估计的SOC不精确时，会超过预定值。可以根据实验计算出预定值。
[0051]根据实施例，预定值可以是电池容量的大约五倍至大约七倍。优选地，预定值可以是电池容量的大约六倍。
[0052]S卩，在积分电流值的绝对值之和为电池容量的大约六倍的情况下，OCV计算单元303确定利用积分电流值估计的SOC的精确度低，并且重新计算0CV。
[0053]这里，可以通过下面的等式I来计算0CV。
[0054]Vocv=Vcell -1cellR0 (I)
[0055]这里，Vocv表不OCV, Vcell表不电池的输出电压数据，IceIi表不输出电流数据，R0表示电池的内阻。
[0056]根据实施例，可以利用刚好在电池被完全充满之前(S卩，在电池被基本完全充满时)所测量的电流或电压来获得用来计算OCV的电流数据和电压数据中的至少一个。
[0057]基于刚好在电池被完全充满之前所测量的电流数据和电压数据来计算OCV的原因是因为当电池接近于完全充满时，充电电流变得较低。即，根据等式I，计算OCV的误差随着电流数据的值的减小而减小。因此，OCV计算单元303利用刚好在电池被完全充满之前所测量的电流数据和电压数据来计算0CV。[0058]在一些实施例中，关于计算OCV时的时刻，电池可以被认为是:与完全充满的电池相比，在电池被充电到其容量的90%或更多时被基本完全充满。
[0059]根据实施例，用来计算OCV的电池的内阻是指利用在电池的放电深度(DOD)为O至0.7的区域中的任意点处获得的温度数据以及预先存储在MCU300中的温度与内阻之间的关系数据而确定的电阻。优选地，内阻可以是在电池的DOD为0.4的状态下确定的电阻。如这里所使用的，DOD是指已经放电的电池容量的百分比，表示为最大容量的百分比。通过下面的等式2，DOD与SOC有关。
[0060]SOC[%] = (1-DOD) XlOO (2)
[0061]这里，DOD的范围为O至I。即，完全充电电池的DOD的值大约为0，完全放电电池的DOD的值大约为I。
[0062]图3是示出了根据所公开的技术的实施例的电池的内阻和DOD之间的关系的曲线图。
[0063]参照图3，在DOD为O至0.7的区域中的内阻平稳，并且值比DOD超过0.7时的值小。相应地，计算出的OCV的误差较小。
[0064]SOC估计单元305利用从OCV计算单元303输入的OCV来估计SOC与OCV之间的关系数据中的S0C。具体地讲，SOC估计单元305可以预先存储通过根据实验评估OCV与SOC之间的关系而获得的关系数据。该关系示出在图4的曲线图中。如图4所示，SOC估计单元305检测与从OCV计算单元303输入的OCV Vocvl对应的SOC SOCl。
[0065]当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，电流积分重置单元307将积分电流值重置为零。
[0066]随后，SOC估计单元305利用积分电流值通过将该积分电流值与预先估计的SOC相加来估计S0C，直到积分电流值的绝对值之和超过预定值为止。
[0067]S卩，为了避免使用利用可能会有大量扩大误差的积分电流值获得的估计S0C，所公开的技术的BMS重新计算OCV并利用所计算的OCV来估计S0C。另外，BMS将积分电流值重置为零，从而能够使积分电流值中的误差的扩大最小化。
[0068]图5是示出了根据所公开的技术的实施例的使用BMS的方法的流程图。
[0069]如图5所示，MCU300接收从感测单元200获得的电池的电流数据和电压数据(S501)。
[0070]电流积分单元301计算出通过对电流数据累积而获得的积分电流值，并且还计算出积分电流值的绝对值之和(S503 )。
[0071]MCU300决定积分电流值的绝对值之和是否超过预定值(S505)。
[0072]这里，当因积分电流值的扩大误差而导致使用积分电流值估计的SOC不准确时，会超过预定值。可以根据实验计算出预定值。
[0073]在积分电流值的绝对值之和超过预定值的情况下，OCV计算单元303利用电池的电流数据、电压数据和内阻计算OCV (S507)。电流积分重置单元307将积分电流值重置为零。
[0074]在这种情况下，用来计算OCV的电流数据和电压数据中的至少一个可以是刚好在电池被完全充满之前的时刻所获得的值。
[0075]SOC估计单元305利用计算出的OCV根据SOC与OCV之间的关系数据来估计SOC(S509)。
[0076]在积分电流值的绝对值之和不超过预定值的情况下，SOC计算单元305利用初始SOC或预先估计的SOC与积分电流值来估计SOC (S511)。
[0077]如上所述，根据本发明，当积分电流值的绝对值之和不小于预定值时，BMS计算OCV并估计S0C，从而防止由积分电流值的误差的扩大导致的估计误差。此外，利用刚好在电池被完全充满之前的时刻的电流数据和电压数据，能够计算出误差小的0CV。因此，能够估计出更精确的SOC。
[0078]虽然已经结合特定示例性实施例描述了所公开的技术，但是要理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意图覆盖包括在权利要求及其等同物的精神和范围内的各种修改和等同布置。
【权利要求】
1.一种电池管理系统,所述电池管理系统包括: 感测单元，被构造为通过测量电池的电流和电压来获得电流数据和电压数据；以及 主控制器单元，被构造为从感测单元接收电流数据和电压数据，在积分电流值的绝对值之和超过预定值时计算开路电压，并且估计与所计算的开路电压对应的荷电状态。
2.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，电流数据包括充电电流和放电电流，其中，积分电流值的绝对值之和为积分充电电流的绝对值与积分放电电流的绝对值的和。
3.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，主控制器单元被构造为将通过对电流数据进行积分而获得的积分电流值重置为零。
4.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，主控制器单元包括: 电流积分单元，被构造为通过对电流数据进行积分计算积分电流值并且计算积分电流值的绝对值之和； 开路电压计算单元，被构造为当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，利用电池的电流数据、电压数据和内阻来计算开路电压；以及 荷电状态估计单元，被构造为利用所计算的开路电压来估计荷电状态。
5.如权利要求4所述的电池管理系统，其中，开路电压计算单元被构造为利用电流数据和电压数据中的至少一个来计算开路电压，其中，使用在电池被基本完全充满的时刻所测量的电流和电压来获得该电流数据和电压数据。
6.如权利要求5所述的电池管理系统，其中，开路电压计算单元被构造为利用电流数据和电压数据中的至少一个来计算开路电压，其中，使用在电池处于被充电到相对于电池的完全充满状态的90%或大于90%的状态的时刻所测量的电流和电压来获得该电流数据和电压数据。
7.如权利要求4所述的电池管理系统，其中，感测单元还被构造为通过测量电池温度来获得温度数据。
8.如权利要求7所述的电池管理系统，其中，开路电压计算单元被构造为利用从电池的放电深度在O和0.7之间的状态下的电池获得的温度数据并且基于存储在主控制器单元中的温度-电阻关系数据来确定内阻。
9.如权利要求4所述的电池管理系统，其中，主控制器单元还包括被构造为将积分电流值重置为零的电流积分重置单元。
10.如权利要求4所述的电池管理系统，其中，荷电状态估计单元被构造为基于所计算的开路电压与存储在荷电状态估计单元中的荷电状态-开路电压关系数据来估计荷电状态。
11.如权利要求4所述的电池管理系统，其中，当积分电流值的绝对值之和不超过预定值时，荷电状态估计单元利用积分电流值来估计荷电状态。
12.如权利要求11所述的电池管理系统，其中，荷电状态估计单元通过将积分电流值与预定的初始荷电状态或预先测量的荷电状态相加来估计荷电状态。
13.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，所述预定值在电池的电池容量的五倍和七倍之间。
14.一种使用电池管理系统的方法，所述方法包括下述步骤: 接收电池的电流数据和电压数据；基于电流数据计算积分电流值的绝对值之和； 当确定积分电流值的绝对值之和超过预定值时，利用电池的电流数据、电压数据和内阻计算开路电压；以及 估计与所计算的开路电压对应的荷电状态。
15.如权利要求14所述的方法，其中，计算积分电流值的绝对值之和的步骤包括通过对电流数据进行积分来计算积分电流值。
16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括:当积分电流值的绝对值之和超过预定值时，将积分电流值重置为零。
17.如权利要求15所述的方法，其中，利用在电池被基本完全充满的时刻所测量的电流或电压来获得用来计算开路电压的电流数据和电压数据中的至少一个。
18.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括:当积分电流值的绝对值之和不超过预定值时，利用积分电流值来估计荷电状态。
【文档编号】G01R31/36GK103969590SQ201410044891
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年2月7日 优先权日:2013年2月5日
【发明者】沈煐祐, 李守真, 赵永信 申请人:三星Sdi株式会社