CN102203626A - 使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备和方法 - Google Patents

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Abstract

所公开的是使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备和方法，其测量每一个电池单体的电压，使用包括当前电压和过去电压的每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的开路电压(OCV)或充电状态(SOC)，并且，通过比较每一个电池单体的估计的OCV或SOC来消除在电池单体之间在OCV或SOC上的偏差。在消除每一个电池单体的OCV中，校正由于IR降导致的输出电压误差。因此，可以精确地估计每一个电池单体的SOC。并且，SOC的精确估计可以使得基本上消除每一个电池单体的SOC偏差。而且，使用输出电压的SOC估计导致即使在电池的充电和放电期间也有效的电池单体平衡，由此最小化每一个电池单体的SOC偏差。

Description

使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备和方法
技术领域
本发明涉及用于平衡在电池(battery)中的多个电池单体(cell)的充电状态(SOC)的设备和方法，特别涉及用于使用每一个电池单体的电压变化模式来平衡在电池中的电池单体的SOC的设备和方法。
背景技术
通常，在诸如电动车辆这样的高输出产品中使用的电池应当向负载供应高压，因此包含串联或并联地连接的多个电池单体。
当包含多个电池单体的电池被放电时，随着电池的使用时间增大，由于在电池单体之间的自放电率上的差别，每一个电池单体的充电状态(SOC)变得不同。如果电池在虽然有不平衡的SOC的情况下被持续放电，则具有较低SOC的特定电池单体被过放电，导致电池的不稳定操作。为了解决不平衡的SOC问题，传统上，在每一个电池单体安装升压或降压电路。升压或降压电路对于具有较低SOC的电池单体充电或对于具有较高SOC的电池单体放电，以平衡电池单体的SOC。
为了平衡电池单体的SOC，必须精确地测量每一个电池单体的SOC。然而，由于电池行为的非线性特性，不可能直接地测量电池单体的SOC。因为这个原因，使用可以测量的电参数来间接地估计电池单体的SOC，该可以测量的电参数例如是开路电压(OCV)和放电电流等。
一种用于使用OCV来估计电池单体的SOC的方法使用电池单体的输出电压来确定电池单体的OCV，并且使用包括基于OCV的SOC数据的查找表来将该OCV映射到对应的SOC。
然而，因为当将电池单体充电或放电时可能发生的IR降，所以测量的电池单体的输出电压与电池单体的实际输出电压不同。结果，通过将电池单体的输出电压作为OCV来估计电池单体的SOC的方法具有低精度的缺点。
作为参考，IR降表示当电池在连接到负载的同时开始被充电或开始被放电时电压迅速改变的现象。即，当放电开始时电池单体电压迅速地降低，并且当充电开始时电池单体电压迅速地升高。
一种通过积分充电/放电电流来估计电池单体的SOC的方法使用电池单体的充电/放电电流的积分量来估计电池单体的SOC。这种方法具有简单估计的优点。然而，电流测量误差随着时间连续地累积，导致低精度。
近来，已经提出了用于使用数学模型来估计电池单体的SOC的各种方法。根据该方法，使用可以测量的各种电参数来估计电池单体的SOC，该可以测量的各种电参数例如是电压、电流和温度等。然而，因为该数学模型较为复杂，所以需要长时间来估计电池单体的SOC，并且需要高级计算硬件来用于复杂的计算。
发明内容
本发明的目的是解决该问题，因此，本发明提供了一种电池单体平衡设备和方法，用于使用每一个电池单体的输出电压来精确地估计每一个电池单体的开路电压(OCV)和充电状态(SOC)，由此消除对于与测量误差的累积相关性的担心的必要。
为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，一种用于平衡在电池中的多个电池单体的SOC的、使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备包括：OCV估计部件，用于测量在所述电池中的每一个电池单体的电压，并且使用每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV，所述每一个电池单体的电压变化模式包括当前电压和过去电压；以及，电池单体平衡部件，用于通过选择要平衡的目标电池单体并且控制与选择的电池单体对应的平衡电路，来平衡每一个电池单体的SOC，其中，经由比较每一个电池单体的所述估计的OCV而选择所述要平衡的目标电池单体。
为了实现本发明的目的，根据本发明的另一个方面，一种用于平衡在电池中的每一个电池单体的SOC的、使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备包括：OCV估计部件，用于测量在所述电池中的每一个电池单体的电压，并且使用每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV，所述每一个电池单体的电压变化模式包括当前电压和过去电压；SOC估计部件，用于从每一个电池单体的所述OCV来估计每一个电池单体的SOC；以及，电池单体平衡部件，用于通过选择要平衡的目标电池单体并且控制与选择的电池单体对应的平衡电路，来平衡每一个电池单体的SOC，其中，经由比较每一个电池单体的所述估计的SOC而选择所述要平衡的目标电池单体。
优选的是，所述OCV估计部件包括电压测量单元，用于测量每一个电池单体的电压；温度测量单元，用于测量每一个电池单体的温度；数据存储单元，用于周期地从所述电压测量单元和所述温度测量单元接收每一个电池单体的所述电压和温度，并且将所述电压和温度存储在存储器单元中；OCV变化估计单元，用于通过使用数学模型从在所述存储器单元中存储的电压变化模式计算每一个电池单体的OCV变化来估计每一个电池单体的当前OCV变化，并且将与每一个电池单体的所述温度对应的校正系数反映在所述计算的每一个电池单体的OCV变化上，其中，所述电压变化模式包括当前电压和过去电压，并且，所述数学模型定义在电压变化模式和所述OCV变化之间的相关性；以及，OCV估计单元，用于通过将所述计算的每一个电池单体的OCV变化反映在每一个电池单体的前一个OCV上来估计每一个电池单体的当前OCV。
在本发明中，所述SOC估计部件可以通过下述方式来估计每一个电池单体的SOC：使用查找表来将每一个电池单体的OCV和温度映射到每一个电池单体的对应的SOC，其中，所述查找表包括对于每一个OCV和每一个温度的SOC数据。
根据本发明的一个方面，所述平衡电路是放电电路，并且，所述电池单体平衡部件将具有比参考电平高的OCV或SOC的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，并且运行与所述选择的电池单体对应的放电电路以降低所述电池单体的SOC。
根据本发明的另一个方面，所述平衡电路是充电电路，并且所述电池单体平衡部件将具有比参考电平低的OCV或SOC的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，并且运行与所述选择的电池单体对应的充电电路以提高所述电池单体的SOC。
根据本发明的另一个方面，所述平衡电路包括充电电路和放电电路，并且所述电池单体平衡部件将具有在参考范围之外的OCV或SOC的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，将与具有比所述参考范围的最大界限大的OCV或SOC的选择的电池单体对应的平衡电路切换到放电电路以降低选择的电池单体的SOC，并且将与具有比所述参考范围的最小界限小的OCV或SOC的选择的电池单体对应的平衡电路切换到充电电路以提高选择的电池单体的SOC。
为了实现本发明的另一个目的，根据本发明的一个方面，一种用于使用每一个电池单体的电压变化模式来平衡在电池中的多个电池单体的SOC的电池单体平衡方法包括步骤：测量每一个电池单体的电压，并且使用每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV，所述电压变化模式包括当前电压和过去电压；以及，通过比较每一个电池单体的估计的OCV来平衡所述电池单体的SOC。
为了实现本发明的另一个目的，根据本发明的一个方面，一种用于使用每一个电池单体的电压变化模式来平衡在电池中的多个电池单体的SOC的电池单体平衡方法包括步骤：测量每一个电池单体的电压，并且使用每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV，所述电压变化模式包括当前电压和过去电压；从每一个电池单体的OCV估计每一个电池单体的SOC；以及，通过比较每一个电池单体的估计的SOC来平衡所述电池单体的SOC。
附图说明
通过下面参考附图描述实施例，本发明的其他目的和方面将变得清楚。
图1是根据本发明的实施例的、使用每一个电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备的框图。
图2是根据本发明的优选实施例的电池单体平衡模块的功能框图。
图3是根据本发明的实施例的、使用每一个电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法的流程图。
图4是图示在应用示例1的充电/放电周期的情况下在通过本发明估计的SOC和通过传统的电流积分方法估计的SOC之间的比较的图形。
图5是图示在应用在示例1中提出的条件的充电/放电周期的情况下在通过本发明估计的OCV和测量的输出电压之间的比较的图形。
图6是图示在应用250秒的充电/放电周期和10分钟的休息时间段的情况下的在通过本发明估计的OCV和测量的输出电压之间的比较的图形。
图7是图示在应用500秒的充电/放电周期和10分钟的休息时间段的情况下的在通过本发明估计的OCV和测量的输出电压之间的比较的图形。
图8是如下的表格，该表格图示在示例2的条件下通过38次试验获得的电池单体温度、测量的OCV、估计的OCV、在测量的OCV和估计的OCV之间的差(误差值)、测量的SOC、估计的SOC和在测量的SOC和估计的SOC之间的差(误差值)的比较和分析结果。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在描述之前，应当明白，在说明书和所附的权利要求中使用的术语不应当被解释为限于通常和词典的含义，而是根据允许发明人适当地定义术语以获得最佳的解释的原则，基于与本发明的技术方面对应的含义和概念来解释。
因此，在此提出的描述只是仅用于说明目的的优选示例，而不意欲限制本发明的范围，因此，应当明白，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对于本发明建立其他等同和修改。
图1是根据本发明的实施例的、使用在电池中的每一个电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备的示意框图。
参见图1，根据本发明的使用在电池中的每一个电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备10包括：电压测量单元11、温度测量单元12、存储器单元13和控制单元14。虽然图1示出包含串联连接的n个电池单体(C1至Cn)的电池，但是可以将该n个电池单体(C1至Cn)并联连接。像传统电池那样，该电池连接到负载15，并且向负载15供电。
电压测量单元11周期地测量在电池中的每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压，并且向控制单元14输出所测量的输出电压。
温度测量单元12周期地测量在电池中的每一个电池单体(C1至Cn)的温度，并且向控制单元14输出所测量的温度。
存储器单元13是存储介质，用于存储已经通过试验获得的对于每一个温度和每一个OCV的SOC数据、从每一个电池单体(C1至Cn)周期地获得的输出电压和温度、每一个电池单体(C1至Cn)的估计的OCV和SOC、和电池单体平衡程序，该电池单体平衡程序估计每一个电池单体(C1至Cn)的开路电压(OCV)和充电状态(SOC)，并且平衡电池单体。
在此，对于每一个温度和每一个OCV的SOC数据和电池单体平衡程序被存储在存储器单元13的非易失性区域中。因此，虽然不向存储器单元13供电，但是所述数据不消失。
由电压测量单元11和温度测量单元12测量的每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度以及每一个电池单体(C1至Cn)的估计的OCV和SOC被存储在存储器单元13的易失性区域中。因此，仅当向存储器单元13供电时存储和保留所述数据。
当启动该设备时，控制单元14从存储器单元13载入电池单体平衡程序，周期地从电压测量单元11和温度测量单元12接收每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度，在存储器单元13中存储所述数据，基于所存储的数据来估计每一个电池单体(C1至Cn)的OCV和SOC，并且执行电池单体平衡以减少在电池单体(C1至Cn)之间的在OCV或SOC上的偏离。
在本发明中，电池单体(C1至Cn)不限于特定类型，并且可以例如是能够重复地充电和放电的锂离子电池单体、锂聚合物电池单体、镍镉电池单体、镍氢电池单体或镍锌电池单体。
负载15不限于特定类型，并且可以例如是便携电子装置，诸如摄像机、移动电话、便携PC、个人多媒体播放机(PMP)或MP3播放机、电动车辆或混合动力汽车的发动机和直流到直流转换器等。
图2是根据本发明的优选实施例的、与电池单体平衡程序对应的电池单体平衡模块20的功能框图。
参见图2，电池单体平衡模块20包括数据存储单元21、OCV变化估计单元22、OCV估计单元23、SOC估计单元24和电池单体平衡单元25。
数据存储单元21从在图1中示出的电压测量单元11和温度测量单元12周期地接收每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度，并且在存储器单元13中存储所述数据。测量每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度的周期对应于电池单体平衡周期，然而，本发明不限于此。
当数据存储单元21在第n个测量周期(n≥3，n是整数)将每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度存储在存储器单元13时，OCV变化估计单元22估计每一个电池单体(C1至Cn)的OCV变化。
具体地说，OCV变化估计单元22使用每一个电池单体(C1至Cn)的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV变化，即以前一个OCV为基准的OCV变化。即，OCV变化估计单元22估计当前OCV相对于前一个OCV改变了多少。
例如，当在第n个测量周期将每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度全部存储在存储器单元13中时，OCV变化估计单元22从存储器单元13读取每一个电池单体的当前输出电压、前一个输出电压和当前温度。然后，OCV变化估计单元22通过下面的等式1来估计OCV变化ΔOCVn(k)。
[等式1]
ΔOCVn(k)＝OCVn(k)-OCVn-1(k)＝G(V)×F(T)
其中，‘n’是估计OCV变化的顺序指数，并且‘k’是电池单体的顺序指数。因此，ΔOCVn(k)是第k个电池单体的在第n次的估计的OCV变化。
在上面的等式1中，G(V)是OCV变化的计算函数，用于将在当前输出电压和前一个输出电压之间的输出电压变化‘Vn-Vn-1’映射到OCV变化ΔOCVn(k)。F(T)是OCV校正函数，其通过反映由于在电池单体的温度上的改变导致的OCV改变的影响来校正根据电池单体的温度的OCV变化ΔOCVn(k)。在此，Vn和Vn-1是被估计OCV变化的电池单体(Ck)的输出电压。
G(V)是一个函数，其不将输出电压变化直接地转换为OCV变化，而是在校正由IR降引起的输出电压误差(在测量的电压和实际电压之间的差)后将输出电压变化转换为OCV变化。即，当当前输出电压变化趋向于变得大于前一个输出电压变化时，G(V)降低输出电压变化，并且将降低的输出电压变化输出为OCV变化。当当前输出电压变化趋向于保持前一个输出电压变化的电平时，G(V)直接地将该输出电压变化输出为OCV变化。当当前输出电压变化趋向于变得小于前一个输出电压变化时，G(V)略微地提高该输出电压变化，并且将提高的输出电压变化输出为OCV变化。
可以通过如下的数学建模来获得G(V)，即，该数学建模使用在特定的温度条件下在输出电压变化和对应的OCV变化之间的相关性的数值分析。
例如，在其中可以测量电池单体的输出电压和OCV的实验室条件下对于具有与在电池中的电池单体相同条件的参考电池单体充分地充电后，使用变化的放电电流来将参考电池单体放电。在放电期间，以固定的周期来测量参考电池单体的在没有负载条件下的输出电压和OCV。可以通过下述方式来计算G(V)：数学地分析在输出电压Vn、Vn-1和Vn-2之间的输出电压变化和对应的OCV变化之间的函数关系。在此，可以将用于输出电压变化的输出电压的数量扩展到至少4。
可以通过下面的等式2来一般化G(V)。
[等式2]
G(V)＝[Vn-Vn-1]×g(Vn，Vn-1，Vn-2，...)
其中，g(Vn，Vn-1，Vn-2，...)是模式函数，用于定义参考电池单体的输出电压变化。符号‘...’表示可以通过包括当前输出电压的至少三个输出电压来定义模式函数。模式函数‘g’定义在已经通过试验获得的多个输出电压的输出电压变化和OCV变化之间的相关性。例如，可以将函数‘g’表示为前一个输出输出电压变化与当前输出电压变化的相对比率。然而，本发明不限于模式函数的任何具体等式。
同时，电池单体的内部电阻根据温度来改变。如果改变电池单体的内部电阻，则即使在相同的充电或放电条件下，也改变电池单体的输出电压变化和OCV变化。考虑到上述情况，F(T)校正根据电池单体的温度条件由G(V)确定的OCV变化。换句话说，F(T)是如下的函数，即，该函数用于校正在电池单体的温度与被引用来计算G(V)的温度不同的情况下由G(V)估计的OCV变化。可以通过分析在以固定的间隔改变温度的情况下在输出电压变化和OCV变化之间的相关性来获得F(T)。即，在以诸如1℃的固定间隔改变的每一个测量温度下的每一个输出电压变化模式相等的试验条件下，在量化地测量OCV变化的改变程度后，通过将温度T和OCV变化的改变程度分别用作输入参数和输出参数的数学模型来获得F(T)。所获得的F(T)变为用于使用温度T作为输入参数来输出OCV变化的校正系数的函数。为了更简单地计算校正系数，可构造和引用包括用于每一个温度T的一组校正系数的查找表。
在第n个测量周期计算每一个电池单体(C1至Cn)的OCV变化后，OCV估计单元23从存储器单元13读取在前一个周期估计的每一个电池单体的第n-1个OCV。并且，OCV估计单元23通过下述方式来估计第n个OCV：将由OCV变化估计单元22估计的OCV变化加到第n-1个OCV。
优选的是，在估计每一个电池单体的OCV中，OCV估计单元23通过下面的等式3来计算在当前输出电压Vn和过去的输出电压之间的加权平均Vn(meanvalue)。
[等式3]
Vn(meanvalue)＝(A1*V1+A2*V2+...+An-1*Vn-1+An*Vn)/Atotal
Atotal＝A1+A2+A3+...+An
其中，当p增大时，Ap(1≤p≤n)减小。例如，在n＝10的情况下，Ap可以具有从10以1减少的值。替代地，可以从等式3省略A1*V1+A2*V2+...+An-2*Vn-2。即使在该情况下，Ap仍然具有相同的趋势。可将A1*V1+A2*V2+...+An-2*Vn-2当做0，并且向An-1而不是An分配较大值。例如，可以分别向An-1和An分配90和10。
OCV估计单元23可以通过下述方式来进一步校正每一个电池单体(C1至Cn)的估计的第n个OCV：将在加权平均Vn(meanvalue)和第n-1个OCVn-1之间的差加到每一个电池单体(C1至Cn)的估计的第n个OCV上。如果加权平均用于进一步校正每一个电池单体(C1至Cn)的第n个OCV，则虽然电池单体的输出电压迅速地改变，但是可以减少每一个电池单体(C1至Cn)的估计的第n个OCV上的误差。
在估计了每一个电池单体(C1至Cn)的第n个OCV后，OCV估计单元23在存储器单元13中存储每一个电池单体(C1至Cn)的估计的第n个OCV。
SOC估计单元24将由OCV估计单元23估计的每一个电池单体(C1至Cn)的第n个OCV和当估计第n个OCV时测量的每一个电池单体(C1至Cn)的温度映射到在存储器单元104中存储的对于每一个温度和每一个OCV的SOC数据中的对应的SOC，并且输出映射的SOC。
以查找表的形式记录对于每一个温度和每一个OCV的SOC数据，如在下面的表1中所示。
[表1]
  SOC ....   -30℃   0℃   30℃ ....
  0％ ....   2.7V   2.78V   2.77V ....
  1％ ....   2.82V   ....   .... ....
  2％ ....   2.97V   ....   .... ....
  . .     .   .   . .
  . .     .   .   . .
  . .     .   .   . .
SOC估计单元24通过下述方式来估计每一个电池单体(C1至Cn)的第n个SOC：使用其中记录了对于每一个温度和每一个OCV的SOC数据的查找表将每一个电池单体(C1至Cn)的OCV和温度映射到对应的SOC，如在表1中所示。例如，如果特定电池单体的OCV是2.97V并且当估计第n个OCV时测量的电池单体的温度是-30℃，则电池单体的第n个SOC是2％。
在估计了每一个电池单体(C1至Cn)的第n个SOC后，SOC估计单元24在存储器单元13中存储每一个电池单体(C1至Cn)的估计的第n个SOC。
在第n个测量周期在存储器单元13中存储了每一个电池单体(C1至Cn)的第n个OCV或第n个SOC后，电池单体平衡单元25计算每一个电池单体(C1至Cn)的SOC偏差。SOC偏差被定义为在每一个电池单体(C1至Cn)的SOC和全部电池单体(C1至Cn)的平均SOC之间的差。然而，本发明不限于用于定义电池单体的SOC偏差的任何具体方法。
在计算每一个电池单体(C1至Cn)的SOC偏差后，电池单体平衡单元25选择要平衡的目标电池单体。可以通过下面的方法来选择要平衡的目标电池单体。
第一方法选择具有比参考电平大的SOC偏差(例如，10％)的电池单体来作为要平衡的目标电池单体。
第二方法选择具有比参考电平小的SOC偏差(例如，-10％)的电池单体来作为要平衡的目标电池单体。
第三方法选择具有在参考范围之外的SOC偏差(例如，-10％至10％)的电池单体来作为要平衡的目标电池单体。
在选择了要平衡的目标电池单体后，电池单体平衡单元25向连接到所选择的电池单体的平衡电路(Bk)施加平衡控制信号，以将平衡电路(Bk)运行预定时间段，由此消除所选择的电池单体的SOC偏差。
根据第一方法，优选的是，平衡电路(Bk)是放电电路。在该情况下，电池单体平衡单元25可以通过下述方式来执行电池单体平衡：预先计算每一个要平衡的目标电池单体的放电时间，并且将每一个平衡电路(Bk)在放电模式中运行所计算的时间。根据平衡电路(Bk)的放电效率和用于消除电池单体的SOC偏差所需要的电池单体的放电量来计算目标电池单体的放电时间。
根据第二方法，优选的是，平衡电路(Bk)是充电电路。在该情况下，电池单体平衡单元25可以通过下述方式来执行电池单体平衡：预先计算每一个要平衡的目标电池单体的充电时间，并且将每一个平衡电路(Bk)在充电模式中运行所计算的时间。根据平衡电路(Bk)的充电效率和用于消除电池单体的SOC偏差所需要的电池单体的充电量来计算目标电池单体的充电时间。在平衡电路(Bk)是充电电路的情况下，可以从外部电源(未示出)或从具有更大SOC的另一个电池单体向平衡电路(Bk)提供充电电流。外部电源可以是直流到直流转换器，然而，本发明不限于此。
根据第三方法，平衡电路(Bk)包括充电电路和放电电路。在该情况下，电池单体平衡单元25可以通过下述方式来执行电池单体平衡：预先计算每一个要平衡的目标电池单体的充电或放电时间，并且将每一个平衡电路(Bk)在充电或放电模式中运行所计算的时间。电池单体平衡单元25将连接到具有比参考电平更高的SOC的电池单体的平衡电路(Bk)切换到放电电路，并且在放电模式中运行平衡电路(Bk)。相反，电池单体平衡单元25将连接到具有比参考电平低的SOC的电池单体的平衡电路(Bk)切换到充电电路，并且在充电模式中运行平衡电路(Bk)。考虑到在平衡电路(Bk)中包括的充电电路的充电效率和用于消除电池单体的SOC偏差所需要的电池单体的充电量来计算目标电池单体的充电时间。并且，考虑到在平衡电路(Bk)中包括的放电电路的放电效率和用于消除电池单体的SOC偏差所需要的电池单体的放电量来计算目标电池单体的放电时间。而且，在平衡电路(Bk)作为充电电路工作时，可以使用与第二方法相同的方式，从外部电源或从具有更大SOC的另一个电池单体向平衡电路(Bk)提供充电电流。
虽然这个实施例示出电池单体平衡单元25基于每一个电池单体(C1至Cn)的SOC偏差来执行电池单体平衡，但是电池单体平衡单元25可以基于每一个电池单体(C1至Cn)的OCV偏差来执行电池单体平衡。在该情况下，电池单体平衡单元25从存储器单元13读取每一个电池单体(C1至Cn)的第n个OCV，计算每一个电池单体(C1至Cn)的OCV偏差，选择其OCV偏差满足平衡标准的电池单体来作为要平衡的目标电池单体，计算用于对所选择的电池单体执行电池单体平衡所需要的充电或放电时间，并且将连接到所选择的电池单体的平衡电路(Bk)在充电或放电模式中运行所计算的时间，以消除目标电池单体的OCV偏差。
在此，以与在上述实施例中用于选择目标电池单体的第一至第三方法类似的方式来选择要平衡的目标电池单体。换句话说，具有比参考电平大(例如，0.5V)的OCV偏差的电池单体、具有比参考电平小(例如，-0.5V)的OCV偏差的电池单体、或具有在参考范围之外的OCV偏差(例如，-0.5V至0.5V)的电池单体被选择为要平衡的目标电池单体。
考虑到平衡电路(Bk)的充电效率和用于消除目标电池单体的OCV偏差所需的目标电池单体的充电量来计算要平衡的目标电池单体的充电时间。并且，考虑到平衡电路(Bk)的放电效率和用于消除目标电池单体的OCV偏差所需的目标电池单体的放电量来计算要平衡的目标电池单体的放电时间。
在电池单体平衡单元25基于每一个电池单体(C1至Cn)的OCV偏差来执行电池单体平衡的情况下，平衡电路(Bk)基本上以与上述实施例相同的方式来运行。因此，省略重复的描述。
在本发明中，对于本领域技术人员显然，可以基于每一个电池单体(C1至Cn)的输出电压和温度来以固定的周期重复地估计OCV和SOC，并且可以基于每一个电池单体(C1至Cn)的SOC偏差和OCV偏差来以固定的周期重复地执行电池单体平衡。
虽然这个实施例示出电池单体平衡模块20被配置为程序，但是电池单体平衡模块20可以被构造为硬件模块，硬件模块使用诸如ASIC这样的定制的半导体技术。在该情况下，对于本领域技术人员显然，控制单元14包括逻辑电路模块，逻辑电路模块包含电池单体平衡模块20的功能。
图3是根据本发明的一个实施例的、使用在电池中的每一个电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法的流程图。
以下，注意，通过图1的电池单体平衡设备的控制单元14来执行每一个步骤。
在步骤S10中，恰好在电池连接到负载之前，测量每一个电池单体的第一输出电压和温度。在此，第一输出电压是在没有负载条件下的输出电压，因此对应于第一OCV。
在步骤S20中，在步骤S10测量的第一输出电压被分配给每一个电池单体的第一开路电压(OCV1)和第二开路电压(OCV2)。初始化每一个电池单体的第一开路电压(OCV1)和第二开路电压(OCV2)。
同样，在步骤S30中，第一输出电压被分配给每一个电池单体的第一输出电压(V1)和第二输出电压(V2)。初始化每一个电池单体的第一输出电压(V1)和第二输出电压(V2)。
在步骤S40中，确定是否达到了电池的电池单体平衡周期。在此，可以任意地设置电池单体平衡周期。
在步骤S50中，当达到电池单体平衡周期时，每一个电池单体的第n个输出电压和温度被电压测量单元11和温度测量单元12分别测量，并且被存储在存储器单元13中。例如，在步骤S50中，‘n’是3。
在步骤S60中，使用每一个电池单体的电压变化模式和温度来估计每一个单元的第n个OCV变化。上面描述了用于估计第n个OCV的等式。因为‘n’现在是3，所以每一个电池单体的电压变化模式表示在第三、第二和第一输出电压之间的电压变化。然而，如果‘n’等于或大于4，则每一个电池单体的电压变化模式可以表示在至少4个输出电压之间的电压变化。
在步骤S70中，通过将第n个OCV变化加到每一个电池单体的第n-1个OCV来估计每一个电池单体的第n个OCV。在此，因为‘n’现在是3，所以通过向每一个电池单体的第二OCV加上第三OCV变化来估计每一个电池单体的第三OCV。
在步骤S80中，可选地，通过下述方式来进一步校正第n个OCV：计算在第n个输出电压和第n次之前测量的(一个或多个)输出电压之间的加权平均，并且将在所计算的加权平均和第n-1个OCV之间的差加到第n个OCV。上面描述了用于计算加权平均的等式。
在步骤S90中，通过下述方式来估计每一个电池单体的第n个SOC：使用其中相对于每一个温度和每一个OCV记录了SOC数据的查找表来将每一个电池单体的估计的第n个OCV和测量的温度映射到对应的SOC。
在步骤S100中，通过计算每一个电池单体的SOC偏差和OCV偏差来选择要平衡的目标电池单体。此时，如果要平衡的目标电池单体不存在，则终止随后的步骤。上面描述了用于计算每一个电池单体的SOC偏差或OCV偏差的方法。
在步骤S110中，通过控制与被选择为要平衡的目标电池单体的电池单体连接的平衡电路以充电或放电对应的电池单体来消除SOC偏差或OCV偏差。上面描述了用于对所选择的电池单体执行电池单体平衡的方法和用于根据电池单体平衡方法来控制平衡电路的方法。
在步骤S120中，判断电池单体是否仍然连接到负载。
在步骤S130中，在判断电池单体连接到负载的情况下，确定是否达到了电池的电池单体平衡周期。
在步骤S140中，在达到电池的电池单体平衡周期的情况下，处理返回到步骤S50，并且‘n’提高1。然后，估计每一个电池单体的第n+1个OCV变化，通过将估计的第n+1个OCV变化加到每一个电池单体的第n个OCV来估计每一个电池单体的第n+1个OCV，使用在加权平均和第n个OCV之间的差来校正每一个电池单体的第n+1个OCV，使用查找表来估计每一个电池单体的第n+1个SOC，并且使用每一个电池单体的第n+1个SOC偏差或第n+1个OCV偏差来执行电池单体平衡。重复这个过程。
<试验示例>
以下，通过下面的试验示例来详细描述根据本发明的电池单体的估计的SOC大致接近电池单体的实际SOC。然而，下面的试验示例只是用于说明本发明，而不意欲限制本发明的范围。以下，注意，对于在电池中的全部电池单体执行SOC和OCV的估计和测量。
试验示例1
在试验示例1中，在由EPA(环境保护机构)管理的UDDS(城市测力计驾驶计划)、HWFET(公路燃料经济性测试)、NYCC(纽约城市周期)和US06(攻击性驾驶周期)下连续地进行汽车驾驶模拟，其中，UDDS(城市测力计驾驶计划)、HWFET(高速公路燃料经济性测试)、NYCC(纽约城市周期)和US06(攻击性驾驶周期)被用作在电动车辆或混合动力汽车工业中的汽车测试标准，以便对于汽车的电池充电和放电。在此，UDDS和NYCC是模拟汽车的拥塞城市驾驶条件的测试周期。HWFET是模拟汽车的高速公路驾驶条件的测试周期。并且，US06是模拟汽车的高速驾驶条件的测试周期。
图4是图示在应用示例1的充电/放电周期的情况下在通过本发明估计的SOC和通过传统的电流积分方法估计的SOC之间的比较的图形。
参见图4，通过传统的电流积分方法的估计的SOC示出由于电流测量误差的累积导致的不稳定的SOC曲线。然而，通过本发明估计的SOC示出比传统的电流积分方法更稳定的SOC曲线。因此，本发明可以比传统的电流积分方法更稳定地估计电池单体的SOC。
图5是图示在应用在示例1中提出的条件的充电/放电周期的情况下，在通过本发明估计的OCV和实际电池单体输出电压之间的比较的图形。
参见图5，实际输出电压由于IR降而产生急剧的电压变化模式，而通过本发明估计的OCV不产生急剧的电压变化模式。即，本发明允许不被IR降影响的稳定的OCV曲线，由此减小在估计电池单体的SOC中的误差。
试验示例2
在试验示例2中，在与试验示例1相同的汽车驾驶模拟下重复第一和第二充电/放电周期。第一充电/放电周期是250秒，并且第二充电/放电周期是50秒。在充电/放电周期之间给出10分钟的休息时间段，以便稳定电池单体的输出电压。在休息时间段结束后，充电/放电周期重新开始。
图6和7分别是图示在设置250秒的第一充电/放电周期和10分钟的休息时间段的情况下，和在设置50秒的第二充电/放电周期和10分钟的休息时间段的情况下，在通过本发明估计的OCV和实际输出电压之间的比较的图形。
参见图6和7，虽然在充电/放电周期之间设置了休息时间段以稳定电池单体的输出电压，但是实际输出电压由于IR降而波动，并且根据本发明的OCV估计可以减小由IR降引起的误差。因此，本发明可以比现有技术更精确地估计电池单体的SOC。
图8是图示通过在示例2的条件下的38次试验获得的电池单体温度、测量的OCV、估计的OCV、在测量的OCV和估计的OCV之间的差(误差值)、测量的SOC、估计的SOC、和在测量的SOC和估计的SOC之间的差(误差值)的比较和分析结果的表格。
在图8中，在250秒的充电/放电周期和10分钟的休息时间段的条件下获得情况编号1至25，并且在50秒的充电/放电周期和10分钟的休息时间段的条件下获得情况编号26至38。
参见图8，通过分析在OCV和SOC上的误差而获得的RMSE(均方根误差)1-4％和MEA(平均绝对误差)1.14％比在本领域中规定的可允许误差小得多。
工业上的适用性
本发明可以通过下述方式来更精确地估计电池单体的SOC：在校正由IR降和在温度上的改变引起的输出电压误差后，估计电池单体的OCV。具体地说，本发明使用电池单体的输出电压而不是传统的电流积分方法来估计电池单体的SOC。因此，本发明允许比现有技术更精确的SOC估计，导致基本上消除了电池单体的SOC偏差，并且本发明使得即使在充电/放电期间也提供有效的电池单体平衡，导致消除了SOC偏差。
虽然以上已经描述了本发明，但是应当明白，仅通过例示来给出了指示本发明优选实施例的详细描述和具体示例，因为在本发明的精神和范围内的各种改变和修改对于阅读了详细说明书的本领域技术人员变得显而易见。

Claims (16)

1.一种使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，所述电池单体平衡设备平衡在电池中的多个电池单体的充电状态(SOC)，所述电池单体平衡设备包括：
开路电压(OCV)估计部件，用于测量在所述电池中的每一个电池单体的电压，并且使用每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV，所述每一个电池单体的电压变化模式包括当前电压和过去电压；以及，
电池单体平衡部件，用于通过选择要平衡的目标电池单体以及控制与所选择的电池单体对应的平衡电路来平衡每一个电池单体的SOC，其中，经由比较每一个电池单体的估计的OCV而选择所述要平衡的目标电池单体。
2.一种使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，所述电池单体平衡设备平衡在电池中的多个电池单体的充电状态(SOC)，所述电池单体平衡设备包括：
OCV估计部件，用于测量在所述电池中的每一个电池单体的电压，并且使用每一个电池单体的电压变化模式来估计每一个电池单体的OCV，所述每一个电池单体的电压变化模式包括当前电压和过去电压；
SOC估计部件，用于根据每一个电池单体的OCV来估计每一个电池单体的SOC；以及，
电池单体平衡部件，用于通过选择要平衡的目标电池单体以及控制与所选择的电池单体对应的平衡电路来平衡每一个电池单体的SOC，其中，经由比较每一个电池单体的估计的SOC而选择所述要平衡的目标电池单体。
3.根据权利要求1或2所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中所述OCV估计部件包括：
电压测量单元，用于测量每一个电池单体的电压；
温度测量单元，用于测量每一个电池单体的温度；
数据存储单元，用于周期地从所述电压测量单元和所述温度测量单元接收每一个电池单体的电压和温度，并且将所述电压和所述温度存储在存储器单元中；
OCV变化估计单元，用于使用数学模型根据所述存储器单元中存储的电压变化模式计算每一个电池单体的OCV变化，并且把与每一个电池单体的温度对应的校正系数反映在所计算的每一个电池单体的OCV变化上，由此来估计每一个电池单体的当前OCV变化，其中，所述电压变化模式包括当前电压和过去电压，并且所述数学模型定义在输出电压变化模式和OCV变化之间的相关性；以及，
OCV估计单元，用于通过把所计算的每一个电池单体的OCV变化反映在每一个电池单体的前一个OCV上来估计每一个电池单体的当前OCV。
4.根据权利要求3所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述SOC估计部件通过下述方式来估计每一个电池单体的SOC：使用查找表来把每一个电池单体的OCV和温度映射到每一个电池单体的对应的SOC，其中，所述查找表包括对于每一个OCV和每一个温度的SOC数据。
5.根据权利要求1所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述平衡电路是放电电路，并且，
其中，所述电池单体平衡部件把较之参考电平具有更高OCV的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，并且运行与所选择的电池单体对应的放电电路以降低该电池单体的SOC。
6.根据权利要求1所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述平衡电路是充电电路，并且
其中，所述电池单体平衡部件把较之参考电平具有更低OCV的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，并且运行与所选择的电池单体对应的充电电路以提高该电池单体的SOC。
7.根据权利要求1所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述平衡电路包括充电电路和放电电路，并且
其中，所述电池单体平衡部件把具有参考范围之外的OCV的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，把与具有比所述参考范围的最大界限大的OCV的选择的电池单体对应的平衡电路切换到放电电路以降低该电池单体的SOC，并且将与具有比所述参考范围的最小界限小的OCV的选择的电池单体对应的平衡电路切换到充电电路以提高该电池单体的SOC。
8.根据权利要求2所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述平衡电路是放电电路，并且，
其中，所述电池单体平衡部件把较之参考电平具有更高SOC的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，并且运行与所选择的电池单体对应的放电电路以降低该电池单体的SOC。
9.根据权利要求2所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述平衡电路是充电电路，并且
其中，所述电池单体平衡部件把较之参考电平具有更低SOC的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，并且运行与所选择的电池单体对应的充电电路以提高该电池单体的SOC。
10.根据权利要求2所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡设备，
其中，所述平衡电路包括充电电路和放电电路，并且
其中，所述电池单体平衡部件将具有参考范围之外的SOC的电池单体选择为要平衡的目标电池单体，把与具有比所述参考范围的最大界限大的SOC的选择的电池单体对应的平衡电路切换到放电电路以降低该电池单体的SOC，并且把与具有比所述参考范围的最小界限小的SOC的选择的电池单体对应的平衡电路切换到充电电路以提高该电池单体的SOC。
11.一种使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法，所述方法平衡在电池中的多个电池单体的SOC，所述方法包括步骤：
测量在所述电池中的每一电池单体的电压，并且使用每一电池单体的电压变化模式来估计每一电池单体的OCV，所述电压变化模式包括当前电压和过去电压；以及，
通过比较每一电池单体的估计的OCV来平衡该电池单体的SOC。
12.一种使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法，所述方法平衡在电池中的多个电池单体的SOC，所述方法包括步骤：
测量在所述电池中的每一电池单体的电压，并且使用电压变化模式来估计每一电池单体的OCV，所述电压变化模式包括当前电压和过去电压；
根据每一电池单体的OCV估计每一电池单体的SOC；以及，
通过比较每一电池单体的估计的SOC来平衡该电池单体的SOC。
13.根据权利要求11或12所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法，
其中，所述OCV估计步骤包括步骤：
测量每一个电池单体的电压和温度；
使用数学模型根据所述电压变化模式计算每一电池单体的OCV变化，所述数学模型定义输出电压变化模式和OCV变化之间的相关性；
通过把与每一电池单体的温度对应的校正系数反映在所计算的每一电池单体的OCV变化上来估计每一电池单体的当前OCV变化；以及
通过把所计算的每一电池单体的OCV变化反映在每一电池单体的前一个OCV上来估计每一电池单体的当前OCV。
14.根据权利要求13所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法，
其中，所述SOC估计步骤通过下述方式来估计每一个电池单体的SOC：使用查找表来把每一电池单体的OCV和温度映射到每一电池单体的对应的SOC，其中，所述查找表包括对于每一个OCV和每一个温度的SOC数据。
15.根据权利要求11所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法，
其中，所述电池单体平衡步骤把较之参考电平具有更高OCV的电池单体放电，把较之参考电平具有更低OCV的电池单体充电，或在电池单体具有参考范围之外的OCV的情况下，把具有比所述参考范围的最大界限大的OCV的电池单体放电，并且把具有比所述参考范围的最小界限小的OCV的电池单体充电。
16.根据权利要求12所述的使用电池单体的电压变化模式的电池单体平衡方法，
其中，所述电池单体平衡步骤把较之参考电平具有更高SOC的电池单体放电，把较之参考电平具有更低SOC的电池单体充电，或在电池单体具有参考范围之外的SOC的情况下，把具有比所述参考范围的最大界限大的SOC的电池单体放电，并且把具有比所述参考范围的最小界限小的SOC的电池单体充电。
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