对串联连接的电池元件中的过度充电事件的响应的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及充电电池组，尤其但并非排外地涉及充电电池组的串联元件的 异常充电事件的检测和补救。
【背景技术】
[0002] 该【背景技术】部分中所讨论的主题并不应当仅由于其在该【背景技术】中被提及就被 假设为现有技术。类似地，在该【背景技术】中所提到或者与该【背景技术】的主题相关联的问题 也并不应当被假设之前已经在现有技术中被认识到。该【背景技术】中的主题仅表示不同的方 法，其中的内容以及其自身也可以构成发明。
[0003] 出于本公开的目的，电池组是串联连接的电池元件。这些元件进而可以包括可充 电能量存储单元的并联、串联或二者组合的集合，上述可充电能量存储单元通常是可重复 充电的电池。所有这些单元共同存储用于该电池组的能量。串联连接的电池元件进而可以 被细分为模块的集合，每个模块包括一个或多个串联连接的电池元件。
[0004] 在许多情况下，电池组可以被视为提供用于操作的能量的整体单元。然而，为了实 现这种处理，对单独的电池、串联元件和模块进行处理以实现所期望的平均整体效果。一个 具体的问题在于，在个体的层面，串联元件并不相同并且存储不同数量的能量和/或以不 同速率进行充电/放电。这些变化是自然的并且被预见到。在某些情况下，该变化可能导 致异常变化。后者在这里被定义为异常充电状态，在异常充电状态中单独的串联元件（与 一些阈值相比较）被过度充电或者过度放电。
[0005] 锂离子电池的过度充电会直接或经由由于化学稳定性的下降而更容易受到的滥 用而导致热逸散。当对包括多于一个的串联元件的电池组进行充电时，即使在电池组的电 压并未指示过度充电时，串联元件电荷状态的初始不平衡也会导致串联元件中的一个或多 个的过度充电。为了消除这种潜在的危险具有常规的解决方案，其监视串联元件电压并且 在充电之前适当确保平衡。然而，由于异常充电事件可能的严重性，尤其是对于过度充电事 件而言，在电压监视和平衡系统出现故障或者可能以其它方式而无法充分解决异常充电事 件的情况下，期望有另外的用于在事件变得严重之前对电池组中的串联元件过度充电进行 识别的系统。
[0006] 需要一种用于识别串联连接的能量存储元件中的异常充电事件，并且对所检测到 的异常充电事件作出适当响应的系统和方法。
【发明内容】
[0007] 公开了一种用于识别串联连接的能量存储元件的异常充电事件并对其作出响应 的系统和方法。提供本发明的以下发明概述以促成对与检测串联连接的元件的异常充电事 件并对其作出响应相关的一些技术特征的理解，而并非意在作为本发明的完整描述。通过 将全部说明书、权利要求、附图和摘要作为整体进行考虑能够获得对本发明各个方面的完 整理解。本发明能够应用于除电动汽车之外的其它应用，诸如提供可再生能源生成（例如， 太阳能和风力发电机）的能量时间变化的存储能量情形，应用于串联连接的能量存储元件 的其它部署形式，并且可以被应用于其它电池化学。
[0008] -种用于具有多个串联连接的电池元件的能量存储系统的异常充电事件的微处 理器实施的响应系统，包括第一充电不平衡检测系统，其使用所述微处理器针对充电不平 衡使用第一检测模态监视所述能量存储系统，所述第一充电不平衡检测系统使用第一响应 模态发起所述充电不平衡的降低；第二充电不平衡检测系统，其使用所述微处理器针对所 述多个电池元件中的特定一个电池元件的异常充电事件使用不同于所述第一检测模态的 第二检测模态监视所述能量存储系统；以及补救系统，其使用不同于所述第一响应模态的 第二响应模态发起针对所述异常充电事件的响应，所述响应降低与所述异常充电事件相关 联的风险。
[0009] 一种针对在具有多个串联连接的电池元件的能量存储系统中的异常充电事件进 行响应的计算机实施的方法，包括使用微处理器针对充电不平衡使用第一检测模态监视所 述能量存储系统；使用第一响应模态发起所述充电不平衡的降低；使用所述微处理器针对 所述多个电池元件中的特定一个电池元件的异常充电事件使用不同于所述第一检测模态 的第二检测模态监视所述能量存储系统；以及使用不同于所述第一响应模态的第二响应模 态发起针对所述异常充电事件的响应，所述响应降低与所述异常充电事件相关联的风险。
[0010] 这里所描述的任意实施例可以单独使用或者以任意组合互相一起使用。涵盖于该 说明书内的发明还可以包括在该简要
【发明内容】
或摘要中仅部分被提及或暗示或者根本并 未被提及或暗示的实施例。虽然本发明的各种实施例已经以现有技术的各种缺陷为动机而 被提出，但是它们可能在该说明书中的一个或多个地方进行讨论或暗示，本发明的实施例 并非必然解决了这些缺陷中的任一个。换句话说，本发明的不同实施例可能解决在说明书 中所讨论的不同缺陷。不同实施例可能仅部分解决了一些缺陷或者仅解决了可能在该说明 书中有所讨论的一个缺陷，而一些实施例则可能并未解决任何这些缺陷。
[0011] 本发明其它的特征、益处和优势将通过回顾包括说明书、附图和权利要求在内的 本公开而是显而易见的。
【附图说明】
[0012] 其中同样的附图标记贯穿各图指代相同或功能相似的要素并且结合于说明书中 并形成其一部分的附图进一步图示了本发明，并且连同本发明的详细描述一起用来对本发 明的原则加以解释。
[0013] 图1图示了能量存储系统；
[0014] 图2图示了对于单个代表性串联元件的负载电压相对于充电状态曲线的图表；
[0015] 图3图示了图2的曲线的导数的图表；
[0016] 图4图示了充电期间的串联元件电压的集合的图形；
[0017] 图5图示了包括异常充电事件检测和响应的系统；
[0018] 图6图示了检测处理的流程图；
[0019] 图7图示了串联电池元件的集合的瞬态放电事件的图形；以及
[0020] 图8图示了串联电池元件的集合的瞬态充电事件的图形。
【具体实施方式】
[0021] 本发明的实施例提供了一种用于识别串联连接的能量存储元件的异常充电事件 的系统和方法。提供以下描述而使得本领域技术人员能够制造并使用本发明，并且在专利 申请及其要求的上下文中进行提供。
[0022] 针对这里优选实施例的各种修改以及这里所描述的一般原则和特征对于本领域 技术人员而言将是轻易显而易见的。因此，本发明并非意在被局限于所示出的实施例，而是 要依据与这里所描述的原则和特征相符的最宽范围。
[0023] 对于尤其是用于存储高能量水平和/或以高能量传输速率进行充电的那些具有 多个串联连接的能量存储元件的可重复充电的能量存储系统而言，尤其是对所识别的个体 串联元件中的异常充电事件进行检测是非常重要的。以下公开内容包括了异常充电事件的 检测以及针对所检测到的异常充电事件的可能响应。该检测涉及到两种不同类型的情形中 的检测："稳定状态"情形和"瞬态"情形。稳定状态被表征为其中能量变化事件趋向于是能 够预测的、持续的、较长时间标度的（几分钟，到几小时，到更长时间段）并且相对较低能量 的那些情形，而"瞬态"情形则趋向于是这种情形的对立面：是不可预测的、变化的、较短时 间标度的（~1秒钟到几分钟）并且能量相对更高。对这些情形进行归类并没有清晰的界 限。有两种凸显这些情形的代表性应用：1)电动汽车（EV)情形和2)静态存储情形。在EV 情形中，外部充电代表了稳定状态情形。而在静态存储情形中，所存储能量的回收或外部电 网充电代表了稳定状态情形。对于EV而言，内部的可再生事件代表了瞬态情形，以及对用 户的驾驶模式和交通/道路状态作出响应的能量使用。对于静态存储情形而言，从风力或 太阳能发电机进行充电代表了瞬态情形。
[0024] 无论被归类为瞬态还是稳定状态操作，系统都在充电期间有利地监视异常充电事 件检测并且能够将异常充电事件检测为过度充电事件。作为比较，在放电期间，系统监视异 常充电事件检测并且能够将任何异常充电事件检测为过度放电事件。基于情形的类型而 使用不同的信息和方法进行检测。宽泛地讲，检测利用了任何对负载电压相对SOC有所影 响的内容。优选实施例的系统和方法在一个或多个电池单元中的能量存储发生变化时（例 如，在充电和放电期间）检测实际SOC和所测量SOC之间的差异。优选实施例能够利用电 池单元之间由于SOC差异而出现的任何能够测量的差。
[0025] 对所检测到的异常充电事件作出响应并不取决于使用，而是取决于该异常充电事 件的属性。也就是说，适当的响应将会取决于所检测到的异常充电事件是过度充电事件还 是过度放电事件。
[0026] 出于本申请的目的，"瞬态"意味着大约1秒、几分钟的时间段或者更短的时间段。 出于本申请的目的，"稳定状态"意味着数分钟、数小时的时间段或者更长的时间段。
[0027] 本申请是针对异常充电事件的检测和响应的各个方面的四份相关申请之 一。除了本申请之外，其它三份申请是与此同时提交的题为"TRANSIENT DETECTION OF AN EXCEPTIONAL CHARGE EVENT IN A SERIES CONNECTED BATTERY ELEMENT" 的 美国专利【申请号】_(代理所卷号20109-7100);与此同时提交的题为 " STEADY STATEdetectionofEXCEPTIONALCHARGEeventina SERIES CONNECTED BATTERY ELEMENT"的美国专利【申请号】_(代理所卷号 20109-7101);以及与此同时提交的题为 "RESPONSE TO DETECTION OF AN OVERDISCHARGE EVENT IN A SERIES CONNECTED BATTERY ELEMENT"的美国专利【申请号】_(代 理所卷号20109-7103)。所有这些申请都出于所有目的而通过引用全文结合于此。
[0028] 图1图示了能量存储系统100(ESS)。ESS 100包括电池元件105i的集合，i = 1 至N，其中N可以为数十到数百到数千个串联耦合的元件。本文中的电池元件105x包括个 体电池单元，但是也包括并联和/或串联连接的元件组合，后者进而与另一个电池元件（流 入，电池元件105X-1和105X+1)串联连接。这里所公开的实施例主要集中于具有锂离子化 学的电池元件105,但是也适于随其它电池化学进行工作。
[0029] 电池管理系统（BMS) 110电连通至ESS 100的组件以便进行监视、数据获取和控 制。因此，其包括传感器