用于平衡多个蓄电池的不同的充电状态的方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过平衡充电状态（SoC）来降低蓄电池单池（16、18）的总电荷损失的方法，其具有下述的方法步骤。首先检查至少一个平衡单元i的温度是否低于可预先选择的温度边界。然后进行蓄电池单池（16、18）的充电过程是否结束并且蓄电池单池的充电状态是否>90%的检查。接着确定蓄电池单池（16、18）之间的最大充电状态差是否高于可调节的界限DELTA_SoC。倘若该些步骤的结果是肯定的，则通过将蓄电池单池（16、18）与平衡电阻R_bal在时间段ti内接通以进行自主的单池平衡步骤，其中，其中：在时间段ti结束后断开平衡单元i。
【专利说明】用于平衡多个蓄电池的不同的充电状态的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于平衡多个蓄电池的不同的充电状态的方法。
【背景技术】
[0002] 锂离子技术的蓄电组应用于混合动力车辆和电动车辆中，该蓄电池组由大量串联 连接的电化学的蓄电池单池组成。能够借助于蓄电池管理系统来监控这种包括多个蓄电池 模块的蓄电池组。蓄电池管理系统一方面监控能够具有多个蓄电池模块的蓄电池组，另一 方面确保蓄电池组的蓄电池模块的尽可能高的使用寿命。
[0003] 为了确保蓄电池组的每个蓄电池模块的高的使用寿命，尽管自放电不同但是每个 蓄电池单池的充电状态（State of Charge :SoC)应该相互协调。这通过合适的单池均衡得 以实现，单池均衡一般是电阻式的，即在使用至少一个电阻的情况下实现，其也被称作"单 池平衡（cell balancing)"。为此，给每个蓄电池单池分配至少一个电阻和至少一个开关元 件，以使得每个蓄电池单池能够针对性地通过该至少一个电阻进行放电，该电阻也被称作 "平衡电阻"。
[0004] 除了每个蓄电池单池的不同的自放电率以外，由于生产多样化蓄电池单池的容量 也彼此有偏差。这种效应在使用寿命开始时是可忽略的小的，但是在蓄电池单池的使用寿 命的进程中由于单元老化的不同能够增大并且导致在蓄电池单池之间的容量差异能够出 现若干个百分比。
[0005] 已知的是，蓄电池管理系统用于监控蓄电池的充电状态。除了安全性监控外还应 该确保尽可能高的蓄电池的使用寿命，并且保证每个蓄电池单池的充电状态的相互协调。 这通过合适的单池均衡，即所谓的"单池平衡（cell balancing)"实现。单池均衡或者充电 状态的平衡一般电阻式地实现。为此给每个蓄电池单池分配电阻和开关元件，以使每个蓄 电池单池能够有针对性地放电。由DE10200600022394A1已知一种用于具有多个单池的能 量源的荷电平衡的装置，其中，多个单池与用于荷电平衡的放电单元连接，该放电单元为这 些蓄电池单池至少部分地放电。但是根据现有技术这也是可能的，即单池平衡电容式地，即 通过连接的电容或者电感式地，即借助于连接的电感来实现。在这两种情况下，能量能够在 多个单池之间以限制的效率进行交换，而能量在电阻式的单池平衡时只能以热量的形式交 换并且因此流失。
[0006] 已知的是，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 升高。出于这种原因，按照【背景技术】这是值得向往的，用于混合动力车辆和电动车辆的蓄电 池组在50%的充电状态下运行。但是通常在实际中使用运行范围，例如在40%和60%之间 的充电状态。对于"插入式混合动力（Plug-in-hybride ) "工作范围相应地更大，例如10% 到90%的充电状态。
[0007] 常见的平衡策略试图实现所有的蓄电池单池的始终相等的充电状态（SoC)。为了 达到这个要求，通常所有蓄电池单池被均衡到相等的稳定电压。该策略在具有几乎相等的 容量的还很新的蓄电池单池上是合理的。然而但是对于不同容量的蓄电池单池，如由于生 产多样化和老化而出现的，这种平衡策略由于平衡会造成不必要的能量损失。
[0008] 在蓄电池系统中，其中每个蓄电池单池的容量是未知的并且实现用于公共的充电 状态（SoC)的电阻式的单池平衡，则整个待平衡的电荷非常大，因为多余的电荷通过平衡电 阻被导出，其过分地考虑平衡每个蓄电池单池的不同的自放电。
[0009] 根据图1所示，未详细示出的蓄电池模块的两个不同的蓄电池单池16、18初始地 具有充电状态10 (SoC)，该充电状态为50%，其中第一蓄电池单池16的容量小于第二蓄电 池单池18的容量。基于该在第一步骤中观察的状态，在第二步骤中进行两个蓄电池单池16 和18的充电过程12,在该充电过程期间两个蓄电池单池16、18的当前的充电状态（SoC)上 升，如步骤2表示的那样。在充电过程中，第一蓄电池单池16的当前的充电状态24上升， 超过第二蓄电池单池18具有的当前的充电状态24。因此根据图1所示在第2步骤中第一 蓄电池单池16进行放电22,从而在第3步骤中相互平衡的蓄电池单池的两个充电状态24 再次相等。
[0010] 第4步骤示出了，基于两个蓄电池单池14、16的对应于50%的充电状态10进行放 电过程14,而第一蓄电池单池16的当前的充电状态24超过第二蓄电池单池18的当前的 充电状态24 -定的电荷剩余，因此如根据图1的步骤4所示，第二蓄电池单池18进行放电 26,从而第一蓄电池单池16和第二蓄电池单池18的两个充电状态（SoC)再次彼此相当且 在步骤5中再次相等。因此，根据图1所示得出，在这种长期的电荷平衡即努力实现目的的 过程中，所有的蓄电池单池16、18具有相等的充电状态（SoC)，不仅多余的电荷通过对电阻 式平衡来说必须的平衡电阻导出，而且同时也会出现平衡单元（BCE)的不必要的很多的，即 可避免的一些开关过程。这再次导致用于电阻式平衡的BCU的明显的使用寿命下降。
【发明内容】
[0011] 本发明基于该任务，即通过设置固定限制的充电状态范围（SoC范围)，在该范围内 能够进行单池平衡，降低在维持基于SoC的单池平衡的情况下的过多平衡的电荷的总数。
[0012] 根据本发明提出了一种方法，根据该方法单池平衡仅仅在确定的、甚至是规定的 充电状态范围（SoC窗)内才被允许。优选地，该SoC范围能够被这样地规定，即只有充满电 的具有大于90%的充电状态（SoC)的蓄电池单池被允许用于进行均衡。根据本发明提出的 用于在明确限定的SoC范围内平衡多个蓄电池单池的不同的充电状态的方法除了需要BCU 夕卜，还需要用于B⑶的开关逻辑，B⑶仅仅实现了电阻式的电荷平衡并且包括一定数目的能 够被接通到蓄电池单池上的电阻。
[0013] 在根据本发明提出的方法中检查边界条件，例如，电动车辆或者混合动力车辆当 前是否处于停车模式。绝对不允许该车辆处于充电模式或者放电模式。此外，为了实施本 发明提出的方法由蓄电池管理系统检查，蓄电池单池是否被充满电，即充电过程结束以及 蓄电池单池的充电状态高于90%。此外检查平衡单元（B⑶）的温度是否处于可调节的温度 边界之下，例如能够给定如40°C或45°C的温度，借此在执行单池平衡过程时不会出现BCU 的过热。
[0014] 除了检查上述三个边界条件外，根据本发明提出的方法进行检查42,即实际上是 否存在单池平衡需求。为此必须的是，所有蓄电池单池的最大的充电状态之差（SoC之差） 高于可调节的界限DELTA_S 〇C，其例如能够被确定为3%的大小。当然还能够有其他的扩展， 即充电状态的差在上下文中被规定。为了确定该差值，确定所有的蓄电池单池的最小的充 电状态，即SoC_MIN的值。针对多个蓄电池单池 i中的最少一个，其自身的充电状态SoC_i 超过DELTA_SoC地大于SoC_MIN，则存在对单池平衡过程的需求。
[0015] 如果该需求如上文所述，且满足所述的三个边界条件，则平衡过程自主地发生。这 意味着，BCU要求相关的平衡单元，在确定的内将用于电阻式地执行单池平衡步骤所必须的 平衡电阻R_bal连接到对应的蓄电池单池上。多个BCU被允许在过热超过确定的温度阈值 时被断开，而使多个BCU再次自动接通是不可能的。
[0016] 最后在进一步的操作中确定每个蓄电池单池的各自的平衡需求。对蓄电池单池导 出的电荷i的需求得出Q_i=C_NOM*(SoC_i-SoC_MIN)，其中C_N0M为蓄电池单池的公称电 容。
[0017] 对应于蓄电池单池的SoC的电压Uocv以及平衡电阻的电阻值R_bal能够在此借 助于欧姆定律确定时间段，在该时间段内实施单池平衡方法，根据以下关系：
【权利要求】
1. 一种用于通过平衡充电状态（SoC)来降低蓄电池单池（16、18)的总电荷损失的方 法，其具有下述的方法步骤： a) 检查以下边界条件： -至少一个平衡单元i的温度是否低于可预先选择的温度边界； -所述蓄电池单池（16、18)的充电过程是否结束并且所述蓄电池单池（16、18)的所述 充电状态是否>90% ; b) 确定所述蓄电池单池（16、18)的最大的充电状态差是否高于可调节的界限DELTA_ SoC ； c) 倘若所述方法步骤a)和b)是肯定的，则通过将所述蓄电池单池（16、18)与平衡电 阻R_bal在时间段t_i内连接以进行自主的单池平衡步骤，其中，
以及， d) 在时间段&结束后断开所述平衡单元i。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据方法步骤c)所导出的所述蓄电池单 池 i的电荷Q i根据以下关系式来确定：
C_N0M S所述蓄电池单池 i的标称容量。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当对于至少一个蓄电池单池 i的自身的充电状态SoC_i满足超过DELTA_SoC地大于SoC_MIN时，根据关于平衡需求的方 法步骤b)其是肯定的。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述平衡单元i在加热超过 温度阈值Ttenz时自主地断开并且保持断开。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述平衡单元i以所述时间 t保持连接，但是最大为可调节的最大的时间tmax。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，参数S〇C_MIN，即单个的蓄电 池单池 i的最小的充电状态处于期望的电荷余量之上。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，参数DELTA_S〇C被限定为允 许的SoC-差，低于所述SoC-差则不实施平衡步骤。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在平衡过程中被平衡到所述 参数DELTA_SoC并且所述蓄电池单池（16、18)的最大的和最小的充电状态SoC的差别对应 于值 DELTA_SoC。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述平衡单元i的最大的循 环次数和可能的均衡需求的满足通过平衡步骤的持续时间t来彼此适配。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据前述的方法单独地平衡 单个的蓄电池单池 i或者多个蓄电池单池 i的子集。
【文档编号】H01M10/44GK104064831SQ201410103167
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】A·施特科, C·科恩, M·海茨曼, A·格莱特 申请人:罗伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式会社