用于对储能器充电或放电的方法与流程

本发明涉及一种用于借助于流经所有电池单元的串联充电或放电电流对具有至少一个由多个串联的电池单元组成的单元块的储能器充电或放电的方法，其中，至少一些电池单元可以具有不同的电容。

如果储能器(蓄电池)由多个串联的、可再充电的电池单元组成，对于储能器的使用寿命来说重要的是，在储能器充电时每个单个的单元既不过充电也不充电不足，并且所有单元尽可能具有相同的充电状态。这尤其适用于由多个串联连接的锂离子电池、锂聚合物电池和/或磷酸铁锂电池构成的储能器。

通常，这种储能器因此与通常也称为电池管理系统的设备连接，该设备一方面借助于充电控制装置持续地监控各个电池单元的充电状态，另一方面在各个电池单元具有不同的充电状态时试图平衡各个电池单元。电池单元的充电状态可以通过被动或主动平衡来平衡。此外，在已知的电池管理系统中，仅当至少一个电池单元被充满电时才开始电荷平衡，因此单元块的整个充电过程相对耗时。

在被动平衡的情况下，达到其充电结束电压的电池单元首先经由电阻器将过剩能量转换为热，因此致使其在充电过程中损失。

另一方面，在主动平衡的情况下，从具有过高电池单元电压的电池单元中移除的能量不被转换成热能，而是被用于为储能器的其他电池单元充电。然而，即使在主动平衡的情况下，电荷平衡也仅在单元块的电池单元中的至少一个已经达到其充电结束电压时开始。

从ep1941594b1中已知一种用于借助由多个串联的电池单元组成的单元块给储能器充电的方法，其中提出，通过流经所有电池单元的串联充电电流给电池单元充电，并且通过附加的选择性充电过程以限定的方式给所选择的电池单元过充电。然后，将所选择的电池单元的充电状态调整为其他电池单元的充电状态。单元块优选地用于对所选择的电池单元进行选择性充电。对于铅或镍镉电池，对单个电池单元的这种过充电是可能的，但对于锂离子电池、锂聚合物电池和/或磷酸铁锂电池则不是这样，它们会立即被破坏。

由de102010017439a1已知一种用于以多个串联的电池单元对储能器充电的方法，其中，各个电池单元分别通过相应的连接在交流电压网上的辅助充电控制器充电，并且然后借助于这些辅助充电控制器在各个电池单元之间进行电荷平衡。

最后，由de102012020544a1已知一种用于以多个串联的电池单元对储能器充电的方法，其中，为了加速充电过程，除了流过所有单元的串联充电电流之外，还向蓄电池单元提供辅助充电电流，其中，测量相应的预先给定的充电状态的下降。

为了对所选择的电池单元进行选择性充电，该方法优选地使用单独的dc源。

在上述已知方法的情况下，为了确定相应的电池单元的相应的充电状态，测量其相应的单元电压，并且然后如果需要，当单元电压超过或低于预定的单元电压值时，启动不同充电状态的电池单元之间的电荷平衡。然而，存在的问题是，在电池单元的各个充电过程期间，单元电压基本上保持恒定，因此难以从单元电压中得出关于相应电池单元的当前充电状态的结论。仅在达到相应的充电结束或放电结束电压之前不久，相应的电池单元电压才有相对强的上升或下降，其可以用于电荷平衡的相应控制过程。

本发明的任务是，提供一种用于对储能器充电或放电的方法，该方法与已知的方法相比能够实现储能器的更可靠和更快速的充电或放电，尤其是在单元块的各个电池单元具有不同的电容时。还应当可以在充电或放电过程期间的任何时间指示每个电池单元的相应充电或放电状态。

根据本发明，该任务在储能器的充电方面通过权利要求1的特征来实现，并且在储能器的放电方面通过权利要求2的特征来实现。此外，本发明的特别有利的设计在从属权利要求中公开。

与已知的方法不同，其中通过测量单元电压来控制各个电池单元的充电，并且基于所测量的单元电压，仅当至少一个电池单元充满电时才执行各个电池单元之间的电荷平衡，本发明提出以规则的间隔测量单元块的n个电池单元的电容cn，并且基于所测量的电容和预定的c因子(最大充电电流in；max与电容cn的商)来确定每个电池单元的充电电流。然后，这些充电电流被用于在由c因子预定义的充电时间t(t≤1/c)期间同时对n个电池单元充电。在这种情况下，具有与串联充电电流io相当的最大充电电流的电池单元仅由串联充电电流充电；具有比串联充电电流大的最大充电电流in；max的电池单元同时通过串联充电电流和通过辅助充电电流in进行充电，所述辅助充电电流in能够通过辅助充电/放电装置从单元块移除，其中in＝in；max-io；以及具有比串联充电电流io小的最大充电电流in；max的电池单元由串联充电电流充电，其中，超过所述最大充电电流in；max的电流，io-in；max，作为辅助放电电流由辅助充电/放电装置同时提供给单元块。

例如，如果由于能量源的低可用电压，计算的最大充电电流(in；max)都大于可用的串联充电电流(io)，则所有电池单元同时用充电电流进行充电，所有充电电流的值具有与计算的最大充电电流(in；max)相比的相同的比率。

相应地，上述内容适用于储能器的放电。只有电流方向是相反的，即充电电流现在变成放电电流，辅助充电电流变成辅助放电电流，而辅助放电电流变成辅助充电电流。

当使用根据本发明的方法时，所有电池单元在充电或放电期间关于它们各自的有用容量具有相同的充电状态。这使得可以在任何时候指示该单元块的每个电池单元的与该单元块的最大充电或放电状态相关的相应充电状态。

该方法的最大充电或放电时间由关系tmax＝1/c导出，并且对于所有的电池单元是相同的，并且明显比基于已知方法的短。如果观察该充电或放电时间，则不会发生各个电池的过充电或充电不足。

由于所有的电池单元，不管它们各自的电容如何，在最大充电时间之后相对于它们各自的有效容量具有相同的充电状态，因此不需要额外的主动或被动平衡。

在本发明的第一优选实施例中，规定，选择串联充电电流，使得，具有最小电容的电池单元以其最大充电电流充电，并且其他的单元，除了串联充电电流之外，分别以最大辅助充电电流充电，该最大辅助充电电流由相应的电池单元和具有最小电容的电池单元的电容之间的差产生。

在第二实施例中规定，选择串联充电电流，使得，其对应于由所有电池单元确定的平均电容的最大充电电流。在充电过程中，串联充电电流的一部分然后通过为具有比平均电容更低的电容的那些电池单元分配的辅助充电/放电装置被提供回到单元块。另一方面，具有比平均电容高的电容的电池单元同时由串联充电电流和辅助充电电流充电。

在第三实施例中，针对串联充电电流被选择指定规定，使得，具有最高电容的一个或多个电池单元以其最大充电电流被充电。在此，其他的单元仅部分地通过串联充电电流充电，并且串联充电电流的相应的过剩电流份额通过所分配的辅助充电/放电装置输送回单元块。

为了使储能器放电，上述三个实施例再次示出了仅电流方向改变，即，充电电流变为放电电流，辅助充电电流变为辅助放电电流，而辅助放电电流变为辅助充电电流。

为了确保在没有耗时的中断的情况下执行储能器的预期充电和放电以确定电池电容，优选地，以特定时间间隔利用串联连接的电池单元自动执行电容测量。

在第一优选实施例中，为此，电池单元最初由串联充电电流充电，直到达到它们的充电结束电压，其中，通过经由分配给它们的辅助充电/放电装置将过剩份额的电流供应回单元块，防止了对那些最初达到它们的充电结束电压的电池单元的过度充电。然后，以限定的串联放电电流对电池单元放电，直到达到具有最高电容的电池单元的放电结束电压。为了避免在具有最高容量的电池之前已经达到其放电结束电压的那些电池单元的充电不足，在它们已经达到其放电结束电压之后，经由分配给它们的辅助充电/放电装置从单元块向这些电池单元供应电流。

然后，从在电池单元的充电状态和相应的电池单元达到放电结束电压之间的放电电流的时间进程中导出相应的电池单元的电容((cn)＝放电电流io’)×放电时间(t))，该放电结束电压然后用于单元块的进一步的最优的充电和放电过程。

当然，充电过程的时间进程也可用于确定电容，或者可使用在电池的放电和充电期间确定的电容值之间的平均值。

第二优选实施例考虑到当电池单元串联连接时，整个单元块的充电结束电压通常低于单个电池单元的充电结束电压的总和。

因此，在电容测量的情况下，首先将单元块充电至其充电结束电压，然后借助于其所分配的辅助充电/放电装置对每个单独的电池单元进一步充电，直到达到其充电结束电压。

然后，根据在电池单元的充电状态和相应的电池单元达到放电结束电压之间的放电电流的时间进程来确定相应的电池单元的电容。首先，整个单元块通过串联放电电流放电到80％的放电深度(dod)(即单元块仍具有20％的剩余电容)。然后，每个单独的电池单元再次通过分配给它的辅助充电/放电装置放电到其相应的放电结束电压。

在这种情况下，也可以使用各个充电过程的时间进程来测量电池单元的电容，或者可以使用在电池的充电和放电期间确定的电容值之间的平均值。

本发明的进一步细节和优点可以在以下以框图为基础描述的实施方式的示例中看到。

在图中，1表示用于对标示为2的储能器进行充电和放电的设备，该储能器例如用于向建筑物的供应网络供应能量，并且可以由用于生成可再生能量的系统(光伏设施、风力涡轮机、沼气厂等)例如经由双向ac/dc转换器100进行充电和放电。

在所示的实施方式的示例中，储能器2包括具有五个串联连接的可再充电的电池单元3-7的单元块20，并且可以由可控制的主充电/放电装置8充电和放电。

此外，电池单元3-7中的每一者通过配属于它的可控制的辅助充电/放电装置9-13与单元块20连接。辅助充电/放电装置9-13优选为可控双向dc/dc转换器。

为了检查各个电池单元3-7的充电或放电状态，设置了监测和控制设备14，其通过相应的数据导线15既与辅助充电/放电装置9-13相连又与主充电/放电装置8相连。

下面更详细地描述根据本发明的设备1的储能器2的充电过程：

首先，测量各个电池单元3-7的电容cn，并将其存储在监测和控制设备14的存储器中(例如，电池单元3、5和6的电容c3、c5和c6约为2ah，电池单元4的电容c4约为2.5ah，电池单元7的电容c7约为3ah)。

如果各个电池单元3-7稍后要被充电，例如，以1c的充电电流(c因子形成最大充电电流in；max与电容cn的商)，则监视和控制设备14然后针对各个电池单元3-7计算最大充电电流in；max(对于上述电容，具有in；max＝c×cn，对于电池单元3、5和6，这些均为2a，对于电池单元4和7，为2.5a和3a)，并且还将这些值存储在相应的存储器中。

一旦未显示的控制装置确定例如用于产生可再生能的设备的能量大于供应网所需的能量，则至少一部分过剩能量经由ac/dc转换器100到达根据本发明的设备1的主充电/放电装置8。设备1然后生成预定强度的串联充电电流io。

为了现在以分配给所有电池单元3-7的最大充电电流in；max同时对所有电池单元3-7充电，监视和控制设备14确保具有相当于串联充电电流io的最大充电电流in；max的电池单元3-7仅由串联充电电流io充电。具有相比较大于串联充电电流io的最大充电电流in；max的电池单元3-7通过串联充电电流io和辅助充电电流in同时充电，辅助充电电流in可以通过适当的辅助充电/放电装置9-13从单元块20移除，其中：in＝in；max-io。最后，具有小于充电电流in的最大充电电流in；max的电池单元3-7由第一充电电流io充电，而超过最大充电电流in；max的电流，io-in；max，作为放电电流同时提供给单元块20。

例如，如果串联充电电流io被以这样的方式选择，即，具有最低电容的电池单元3、5和6(在上述示例的情况下，每个2ah)以它们的最大充电电流(imax＝2a)被充电(io因此是2a)，则其他电池单元4和7，除了串联充电电流io之外，也必须以来自分配给它们的辅助充电/放电装置10和13的最大辅助充电电流(0.5a或1a)被充电，该最大辅助充电电流由相应电池单元(4、7)和具有最低电容的电池单元(这里是电池单元3、5和6)之间的电容差产生。

通过监测电池单元3-7处的充电结束电压，监测和控制设备14监测充电时间，在该充电时间期间，电池单元3-7可以以其最大充电电流充电而不对相应的电池单元过度充电(在以上示例中，tmax＝1/c＝60min)。

例如，如果由于能量源的低可用电压，计算的最大充电电流(in；max)都大于可用的串联充电电流(io)，则所有电池单元同时用充电电流进行充电，所有充电电流的值具有与计算的最大充电电流(in；max)相比的相同的比率。因此，如果在上述实施例串联充电电流io仅为1a，则电池单元3、5和6以1a充电，电池单元4以1.25a充电，电池单元7以1.5a充电。

为了自动地以预先给定的时间间隔(例如在每100个充电/放电周期之后)确定电池单元3-7与串联的电池单元3-7的电容，首先将单元块20充电到其充电结束电压，并且然后借助于分配给它的辅助充电/放电装置9-13对每个单个电池单元3-7进一步充电，直到达到其充电结束电压。

一旦所有的电池单元3-7都已经充电，则通过设备1发生电池单元3-7的限定放电。首先，以主充电/放电装置8设定的串联放电电流io’将整个单元块20放电至80％的放电深度(dod)。然后，每个单独的电池单元3-7经由分配给它的辅助充电/放电装置9-13放电到其相应的放电结束电压。

然后，可以从所有电池单元3-7开始放电和相应的电池单元达到放电结束电压之间的串联放电电流io’的测量过程来确定对应电池单元的电容cn。

然而，相应充电过程的时间进程也可用于测量电池单元的电容，或者可使用在电池的充电和放电期间确定的电容值之间的平均值。

当然，本发明并不限于本实施方式的示例。

例如，也可通过首先借助于由主充电/放电装置8产生的串联充电电流io对所有电池单元3-7充电直到达到它们的充电结束电压来确定电池单元3-7的电容。为了防止具有比具有最大电容的电池单元(在上面的示例中的电池单元7)低的充电结束电压的那些电池单元的过充电，通过分配给它的/它们的辅助充电/放电装置9-13向单元块20提供过剩电流。

一旦所有的电池单元3-7都已经充电，则通过设备1发生电池单元3-7的限定放电。为此，电池单元3-7以主充电/放电装置8设置的串联放电电流io’放电，直到达到具有最高电容的电池单元的放电结束电压。为了避免在具有最高电容的电池之前已经达到其放电结束电压的那些电池单元的充电不足，在它们已经达到其放电结束电压之后，由分配给它们的辅助充电/放电装置从单元块20向这些电池单元提供辅助充电电流。

然后，可以从所有电池单元3-7开始放电和相应的电池单元达到放电结束电压之间的串联放电电流io’的测量过程来确定对应电池单元的电容cn。

此外，不是所有的电池单元的电容都需要在一个充电/放电周期中确定。相反，在多个充电/放电循环中一个接一个地确定电池单元的电容也可能是有利的。

此外，串联充电或放电电流不必一定以这种方式被选择，即，其与具有最低电容的电池单元的最大充电或放电电流相当。相反，例如，它也可以被选择为使得它与具有平均电容的电池单元或具有最高电容的电池单元的最大充电或放电电流相当。

最后，储能器也可以由多个包括串联的电池存储器的单元块组成。

参考标记列表

1一种新型器具

2储能器

20单元块

3-7电池单元，单元

8主充电/放电装置

9-13辅助充电/放电装置

14监测和控制设备

15数据线

io串联充电电流

io’串联放电电流