CN102904292A - 电池单体的容量平衡的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池单体的容量平衡的***和方法，该***和方法用于车辆，该车辆可包括电机、多个电池单体及至少一个控制器，电机产生用于车辆的动力，所述多个电池单体储存用于电机的能量。所述至少一个控制器可使电池单体接收电流达到一定时间段，在所述时间段期间，使至少一些电池单体供应电池单体负载电流，从而在所述时间段到期时，由电池单体储存的能量的量至少等于预定的目标能量水平。

Description

电池单体的容量平衡的***和方法

技术领域

本发明涉及一种电池单体的容量平衡的***和方法。

背景技术

执行车辆电池的再平衡，以修正电池单体的电压的不平衡条件。测量每个电池单体的电压，并识别具有最小电压的电池单体。所有其他电池单体通过与每个电池单体相关的阻抗电路放电(bleed down)，直到所述其他电池单体的测量电压约等于最小电压为止。在放电过程期间，对电池单体的电压进行连续/周期性的测量，以监测电池单体的电压变化。一旦所有电池单体的电压的读数大致相等，则给电池充电。

发明内容

一种用于给包括多个电池单体的车辆电池充电的方法可包括：使所述多个电池单体接收电流达到一定时间段；在所述时间段期间，使至少一些电池单体供应电池单体负载电流，从而在所述时间段到期时，每个电池单体的容量大致相等。

一种动力***可包括：多个电池单体；至少一个控制器，被配置成为使电池单体充电达到一定时间段，从而在所述时间段到期时，由每个电池单体储存的安培小时的量大致相等。

附图说明

图1是电池单体及其阻抗电路的示意图。

图2是可变动力车辆的框图。

图3是示出用于确定与图2的电池再平衡/充电相关的时间的算法的流程图。

图4A和图4B是示出用于图2的电池再平衡/充电的算法的流程图。

具体实施方式

可变动力车辆(例如，电池电动车辆等)的制造商可期望提供一种车辆，该车辆可在电池再平衡/充电之后被驱动行驶特定距离。电池驱动的车辆的行驶距离取决于由车辆的电池储存的可用能量的量。用于电池再平衡的传统技术在将多个电池单体充电到目标电压之前尝试着使所述多个电池单体的电压相等。然而，对于给定的电池单体的电压，由于电池单体老化导致电池单体的能量含量可随着时间减小。因此，如果电池单体继续被充电到相同的目标电压，则由电池储存的能量的量(并因此产生的车辆行驶距离)可随着时间减小。

在此公开的特定实施例可提供一种***和技术，该***和技术使电池平衡/充电，以实现特定的车辆行驶距离。

电池单体的容量(cell capacity)

电池单体的最大容量Ihr_max可根据下面的关系式得到：

${\mathrm{Ihr}}_{\max }=\frac{\mathrm{\ΔIht}}{\mathrm{\ΔSOC}}---\left(1\right)$

其中，ΔIhr是电池单体的容量的改变量，ΔSOC是电池单体的荷电状态的改变量。作为示例，给定的电池单体的SOC可在给该电池单体提供1安培小时(A·hr)容量之前和之后确定。对于该示例，假设ΔSOC为10％，则根据等式(1)，电池单体的最大容量Ihr_max应该是10A·hrs。

电池单体的能量含量

电池单体的能量含量ε可从下面的一组等式估计得到：

ε＝∫ρ·dt(2)

其中，ρ是在一定时间内供应到电池单体的功率。ρ可写成下面的等式：

ρ＝v_m·i  (3)

其中，v_m是与储存的功率相关的(测量)电压，i是与储存的功率相关的电流。将等式(3)代入等式(2)得到下面的等式：

ε＝∫v_m·i·dt(4)

v_m可写成下面的等式：

v_m＝Δv+v_min  (5)

其中，v_min是处于0％荷电状态的电池单体的电压(例如，3.1V)，Δv是与储存的功率相关的电压与处于0％荷电状态的电池单体的电压之差。将等式(5)代入等式(4)得到下面的等式：

ε＝∫(Δv+v_min)idt(6)

Δv可写成下面的等式：

$\mathrm{\Δv}=i\·\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·t---\left(7\right)$

其中，v_max是处于满荷电状态的电池单体的电压，Ihr_max是电池单体的最大容量，t是电压出现变化的持续时间。将等式(7)代入等式(6)得到下面的等式：

$\mathrm{\ϵ}=\∫((i\·\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·t)+v_{\min })\mathrm{idt}---\left(8\right)$

对等式8进行积分得到下面的等式：

$\mathrm{\ϵ}=i^2\·\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\frac{t^2}{2}+v_{\min }\·i\·t---\left(9\right)$

i·t可写成下面的等式：

i·t＝Ihr  (10)

其中，Ihr是电池单体的容量。将等式(10)代入等式(9)得到下面的等式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\frac{{\mathrm{Ihr}}^2}{2}+v_{\min }\·\mathrm{Ihr}---\left(11\right)$

提供特定能量含量所需的电池单体的容量

例如，假设电池组包括成串的电池单体，由于制造容差、使用年限、温度等使得每个电池单体具有不同的安培小时容量。在串联串的随后的放电期间，相同的电流将通过所有电池单体。从等式(7)得到：当电池单体充电到相同的安培小时时，与在放电开始时具有更大安培小时容量的电池单体相比，在放电开始时具有更小安培小时容量的电池单体将具有更大的电池单体的电压。可从等式(11)看出：假设两个电池单体储存了相同量的安培小时(第一个电池单体比第二个电池单体具有更大的安培小时最大容量)，如果这两个电池单体均放电，则第二电池单体将提供更多的能量。

例如，现在假设具有20个电池单体的给定电池组需要储存至少30千瓦小时(kW·hrs)的能量，以支持100英里的行驶距离。即，由电池组的电池单体储存的能量的总和应该至少等于30kW·hrs。然后，可以针对每个电池单体对等式(11)求值。可假设Ihr的初始值(例如，1A·hr)，v_max和v_min通过设计已知，Ihr_max可从等式(1)确定。在本示例中，如果电池单体的能量的总和小于30kW·hrs，则Ihr的值可增加(例如)1A·hr，可以针对每个电池单体再次反复地对等式(11)求值，直到电池单体的能量的总和至少等于30kW·hrs为止。由于电池单体的能量的总和至少等于30kW·hrs导致的容量值是电池单体的目标容量值。

电池组的总充电时间

来自等式(11)的Ihr可写成下面的等式：

Ihr＝ΔIhr+Ihr_initial(12)

其中，Ihr_initial是(在电池单体平衡/充电之前)电池单体的初始容量，ΔIhr是在电池单体平衡/充电之前的电池单体的容量与在电池单体平衡/充电(到目标Ihr值)之后的电池单体的容量之差。Ihr_initial与电池单体的测量电压成比例。因此，可基于电池单体的初始测量电压使用将电池单体的电压值映射到Ihr的查找表确定Ihr_initial。(等式(7)还可用于通过求解i·t(电池单体的容量)并将Δv设定为等于特定电池单体的测量电压，而得到初始容量。)因此，可从等式(12)得到每个电池单体的ΔIhr。

可根据下面的等式得到电池组的总充电时间t_c(或者电池单体接收电流的持续时间)：

$t_c=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ihr}}_{\max }}{i_{\mathrm{chg}}}---\left(13\right)$

其中，ΔIhr_max是从等式(12)确定的ΔIhr值中的最大值，i_chg是电池组的充电电流。

电池单体的阻抗电路的启用时间

可通过下面的一组等式得到持续时间t_{R_act}，在该持续时间t_{R_act}期间，电池单体的阻抗电路可被启用，以使电池单体供应电池单体负载电流，同时电池单体接收电流(假设t_c大于t_{R_act})以实现目标容量：

$i_{\mathrm{hr}-\mathrm{bleed}}=\∫\frac{v_{\mathrm{cell}}}{R}\·\mathrm{dt}---\left(14\right)$

其中，i_hr-bleed是与电池单体的阻抗电路启用时的阻抗电路相关的放电安培小时，v_cell是电池单体的电压，R是电池单体的阻抗电路的电阻。v_cell可写成下面的等式：

$v_{\mathrm{cell}}=\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\mathrm{Ihr}---\left(15\right)$

其中，v_max是处于满荷电状态的电池单体的电压，v_min是处于0％荷电状态的电池单体的电压，Ihr_max是电池单体的最大容量，Ihr是电池单体的容量。将等式(15)代入等式(14)并进行积分得到下面的等式：

$i_{\mathrm{hr}-\mathrm{bleed}}=\frac{\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\mathrm{Ihr}}{R}\·t_{R\_\mathrm{act}}---\left(16\right)$

重新整理等式(16)得到下面的等式：

$t_{R\_\mathrm{act}}=\frac{i_{\mathrm{hr}-\mathrm{bleed}}\·R}{\frac{v_{\max }-v_{\min }}{{\mathrm{Ihr}}_{\max }}\·\mathrm{Ihr}}---\left(17\right)$

如在上面所讨论的，i_hr-bleed、R、v_max、v_min通过设计已知，可从等式(1)确定每个电池单体的Ihr_max，可从等式(11)得到Ihr。

电池单体的能量含量的平衡/充电

参照图2，插电式混合动力电动车辆(PHEV)10的实施例可包括发动机12、形成牵引电池14的多个电池单体8、电池充电器15及电机16。PHEV10还可包括变速箱18、车轮20、控制器22及电端口24。

发动机12、电机16及车轮20与变速箱18以任何合适/公知的方式机械地连接(如粗实线所指示的)，使得发动机12和/或电机16可驱动车轮20，发动机12和/或车轮20可驱动电机16，电机16可驱动发动机12。诸如电池电动车辆(BEV)构造等的其他构造也是可行的。

电池14可向电机16提供能量或者接收来自电机16的能量(如虚线所指示的)。电池14还可通过电端口24和电池充电器15接收来自公用电网或其他电源(未示出)的能量(如虚线所指示的)。

控制器22与发动机12、电池14、电池充电器15、电机16及变速箱18通信和/或控制发动机12、电池14、电池充电器15、电机16及变速箱18(如细实线所指示的)。

参照图2和图3，在操作28，控制器22可确定(例如，测量、读取等)每个电池单体8的电压。在操作30，控制器22可使用(例如)针对等式(1)描述的技术确定每个电池单体8的最大容量。在操作32，控制器22可使用(例如)针对等式(11)描述的技术确定每个电池单体为了支持目标行驶距离而需要的安培小时。在操作34，控制器22可使用(例如)针对等式(13)描述的技术确定电池组14的充电时间。在操作36，控制器22可使用(例如)针对等式(17)描述的技术确定每个电池单体的阻抗电路的启用时间。

参照图2和图4A，在操作38，控制器22可确定在操作34(图3)中确定的电池组的充电时间是否大于在操作36(图3)中确定的阻抗电路的启用时间中的最大值。如果在操作38中确定的结果为否，则在操作40，控制器22可使用任何合适/公知的技术首先平衡电池组14的多个电池单体8，然后给所述多个电池单体8充电。如果在操作38中确定的结果为是，则参照图2和图4B，在操作42，控制器22可以为每个电池单体8启用阻抗电路，并启用电池充电器15。在操作44，控制器22可以为每个电池单体8确定电池单体的阻抗电路的启用时间是否已经到期。如果在操作44中确定的结果为否，则算法返回操作44。即，对于其阻抗电路的启用时间还没有到期的任何电池单体8来说，算法返回操作44。如果在操作44中确定的结果为是，则在操作46，控制器22可停用电池单体的阻抗电路。即，对于其阻抗电路的启用时间已经到期的任何电池单体8来说，控制器22可停用它们的阻抗电路。

一旦所有电池单体8的阻抗电路均停用，则在操作48，控制器22可确定电池组的充电时间是否已经到期。如果在操作48中确定的结果为否，则算法返回操作48。如果在操作48中确定的结果为是，则在操作50，算法可停用电池充电器15。因此，已经将电池组14的电池单体8平衡/充电到足以支持期望行驶距离的目标容量。

在此公开的算法可传输到处理装置/由处理装置实施，所述处理装置诸如电池充电器15或控制器22，并可包括任何现存的电子控制单元或专用电子控制单元，所述处理装置以各种形式包括但不限于：永久地存储在不可写入存储介质(例如，ROM装置)上的信息、可变地存储在可写入存储介质(例如，软盘、磁带、CD、RAM装置、其他磁介质和光介质)上的信息。所述算法还可以以软件可执行对象实现。可选地，可使用合适的硬件组件(例如，特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、或者其他硬件组件或装置、或者硬件、软件和固件组件的组合)完全或部分地实施所述算法。

虽然已经示出并描述了本发明的实施例，但是不意在使这些实施例说明和描述本发明的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。

Claims (9)

1.一种动力***，所述***包括：

电池，包括多个电池单体；

至少一个控制器，被配置成使电池单体充电达到一定时间段，从而在所述时间段到期时，由每个电池单体储存的安培小时的量大致相等。

2.根据权利要求1所述的***，其中，在所述时间段的至少一部分时间内，在至少一些电池单体中，电池单体的充电速率不同。

3.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个控制器还被配置成：确定所述时间段。

4.根据权利要求1所述的***，其中，所述时间段基于每个电池单体的目标安培小时与所述多个电池单体的初始安培小时中的最小值之差。

5.根据权利要求1所述的***，其中，在所述时间段到期时，由电池单体储存的能量的量不小于预定目标能量水平。

6.一种用于给包括多个电池单体的车辆电池充电的方法，所述方法包括：

使所述多个电池单体接收电流达到一定时间段；

在所述时间段期间，使至少一些电池单体供应电池单体负载电流，从而在所述时间段到期时，所述多个电池单体的容量大致相等。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：确定所述时间段。

8.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：为所述多个电池单体中的至少一些电池单体中的每个电池单体确定电池单体供应电池单体负载电流的持续时间。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述时间段到期时，由电池单体储存的能量的量不小于预定目标能量水平。

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