CN104467071A - 用于蓄电池的充电平衡的方法及用于为蓄电池充电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于蓄电池的充电状态平衡的方法，该蓄电池具有多个蓄电池单元。该方法具有以下步骤：在多个蓄电池单元的已发生的充电之后确定每个蓄电池单元的放电深度，在多个蓄电池单元的待进行的充电之前确定每个蓄电池单元的可用的电荷，借助于每个蓄电池单元的所确定的充电深度和所确定的可用的电荷来确定充电状态平衡需求值以及基于所确定的充电状态平衡需求值来控制每个蓄电池单元的放电。本发明还涉及一种用于为蓄电池充电的方法，该蓄电池具有多个蓄电池单元。此外给出了一种计算机程序产品和一种蓄电池管理***，它们被设置用于执行上述方法，以及涉及一种蓄电池和一种机动车，该机动车的驱动***与此类的蓄电池相连接。

Description

用于蓄电池的充电平衡的方法及用于为蓄电池充电的方法

技术领域

本发明涉及一种用于蓄电池的充电平衡的方法，该蓄电池具有多个蓄电池单元。本发明还涉及一种为具有多个蓄电池单元的蓄电池充电的方法。此外，本发明涉及被设置用于执行上述方法计算机程序产品和蓄电池管理***，以及涉及一种蓄电池和一种机动车，该机动车的驱动***与此类的蓄电池相连接。

背景技术

已知了在蓄电池组中的多个蓄电池单元的单独的充电状态(SOC：state of charge)能够相互偏移。由DE 10 2008 002 190 A1中例如已知了一种用于车辆蓄电池的充电状态平衡的方法，其中，在行驶运行期间首先通过确定单个的单池的充电状态然后针对至少两个这样的单池来确定这些单池应该放电的电荷量的方式来执行充电状态平衡。这些单池将依据所计算的电荷量来得以放电。

在DE 10 2009 002 466 A1中也描述了所谓的电阻式均衡方法。在该文献之中替代地也描述了所谓的电感式单池均衡，其中，用于平衡单池电压的电路构思基于在其中所传输的电能的电感式的中间存储装置。

蓄电池单元的充电状态相互偏移的理由在于例如蓄电池单元的不同的自身放电率、不同的充电效率或者不同的容量。这些效应不必相互耦合。蓄电池单元在运行中具有高的自身放电也是可能的，也就是说，在放电时也能够在充电时也具有高的充电效率，也就是说，能够比其他单池作为充电电流的可使用的电荷吸收更多的电荷。在这种情况下，两种效应将部分地单独地加以平衡。当前的充电状态平衡方法并未考虑这种效应并且因此必须必然地平衡更多的电荷。

发明内容

依据本发明的用于具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电平衡的方法包括以下步骤：

a)在所述多个蓄电池单元的已发生的充电之后确定每个蓄电池单元的放电深度；

b)在所述多个蓄电池单元的待进行的充电之前确定每个蓄电池单元的可用的电荷；

c)借助于每个蓄电池单元的所确定的充电深度和所确定的可用的电荷来确定充电状态平衡需求值；以及

d)基于所确定的充电状态平衡需求值来控制每个蓄电池单元的放电。

步骤a)在充电之后进行，优选地在所述蓄电池单元完全充电之后才进行，也就是说当所述蓄电池组已经充电时。在步骤a)和步骤b)之间发生所述蓄电池单元的部分放电或者完全的放电。优选地，步骤b)直接在再次充电之前进行。在进行充电之后的时间点将在以下的表格中以索引1来描述并且在待进行充电之前的时间点将以索引2来描述。

在确定充电状态平衡需求值时将考虑所述蓄电池单元的不同的自身放电率和不同的充电效率。所使用的电荷的份额与所流过的电荷的充电电流的电荷的份额的比值被描述为充电效率。

借助于本发明的解决方案，在总量上将不会有任何电荷不是必须地加以平衡的，而是仅仅对称化关于所有效应的净需求，该些效应将会引起蓄电池单元的不同的单独的充电状态。这将尤其是具有以下优点，即所述充电状态平衡电子装置的构件不会不必要地加热并且快速地老化。典型地，该充电状态平衡时的温度提升能够为约40K。此外，能够避免焊接连接处的快速的老化，该老化是由于由充电状态平衡所引起的温度交替所造成的。

包括在充电之后的充电状态与在充电之前的充电状态的比较的伺服回路此外被适配性地加以构造并且能够在必要时通过老化来适配在容量、自身放电率和所述蓄电池单元的充电效率之上的有条件的改变。

在独立权利要求中所给出的方法的有利的改进方案和变型方案将通过从属权利要求中所列出的措施成为可能。

根据一个优选的实施形式，在步骤a)中以以下步骤来确定所述放电深度：

a1)确定每个蓄电池单元的充电状态；

a2)确定具有最大的充电状态的蓄电池单元；以及

a3)确定相对于具有最大的充电状态的所述蓄电池单元的每个蓄电池单元的第一电荷差值。

特别优选地，在步骤b1)中借助于所述蓄电池单元的充电电流和开放的终端电流积分的确定来确定所述充电状态。特别地，例如能够电脑控制地来计算放电电流积分，进而例如借助于图1中的模块的借助于合适的模块来确定每个蓄电池单元的尚可用的电荷。

在步骤b2)中将确定在本发明的范围之中也称作min_i(Q_2,i)的最小的充电状态，从而确定每个蓄电池单元相对于具有依据步骤b3)所示出的最小充电状态的蓄电池单元的第二电荷差值为：

△Q_2,i＝Q_2,i-min_i(Q_2,i)。

借助于每个蓄电池单元的所确定的放电深度和所确定的可用的电荷依据步骤c)将依据优选的实施形式地确定所述充电状态平衡需求值为：

△Q_i＝△Q_2,i-△Q_1,i。

特别优选地，因为在典型的充电状态平衡方法中诸如电阻式平衡或者电感式平衡来说仅仅能够从蓄电池单元中提取一定的电荷，所以△Q_i持续地大于等于设定值。这将示出为：

△Q_i＝max(△Q_2,i-△Q_1,i，0)。

依据本发明的另一方面，用于为具有多个蓄电池单元的蓄电池充电的方法包括在依据在本发明的公开范围之内所描述的方法的第一步骤中用于充电状态平衡所述蓄电池并且在第二步骤中未所述蓄电池单元充电。

有利地，在所述充电之前建立所述充电状态平衡，从而使得所述蓄电池单元在所述才点之后具有相同量的可用的电荷。由此能够达到：在所述充电之前的充电状态平衡之中已经考虑了由于所述蓄电池单元通过所述充电而形成的不同的充电效率自身所产生电荷非对称性时的比例。所述用于为蓄电池充电的方法相应地包括伺服回路，其在下一次充电状态平衡时反馈所述预报的所达到的充电状态平衡已发生，从而使得经平衡的电荷的总量保持尽可能的小。通过在所述蓄电池充电之前的充电状态平衡能够将在所述充电之后的***带入最大可用的电荷的状态。

根据一个优选的实施形式，在用于为所述蓄电池充电的方法的第二步骤之中通过所述蓄电池单元的有效的放电深度的最小值(有效的DOD，有效的放电深度)来限制所有的蓄电池单元的充电。其中，每个蓄电池单元的所述有效的放电深度将借助于所述蓄电池单元的充电效率和放电深度(DOD)来加以确定。

依据本发明此外提供了一种计算机程序，依据该计算机程序将执行在此所描述的方法，当所述计算机程序在可编程的计算机设备上实施时。该计算机程序尤其是能够涉及一种用于实现蓄电池平衡***的模块或者一种用于实现车辆的蓄电池管理***的模块。

根据另一个方面，具有多个蓄电池单元的蓄电池的蓄电池管理***包括用于在所述蓄电池单元已发生充电之后确定每个蓄电池单元的放电深度的单元、用于在所述蓄电池单元待进行的充电之前确定每个蓄电池单元的可用的电荷的单元、用于借助于每个蓄电池单元的所确定的充电深度和所确定的可用的电荷来确定充电状态平衡需求值的单元和用于基于所确定的充电状态平衡需求值来控制每个蓄电池单元的放电的单元。

特别优选地，蓄电池管理***此外还具有用于控制所述蓄电池模块的充电特性的单元。

依据本发明此外提供了一种蓄电池，尤其是锂离子蓄电池或者镍金属氢化物蓄电池，其包括衣蛾蓄电池管理***并且优选地于机动车的驱动***相连接，其中，所述蓄电池管理***如之前所描述的那样加以构造和/或被设置用于实施依据本发明的方法。

概念“电池”和“蓄电池单元”在本说明书中与通常的语言用法相适配地用于蓄能器或者蓄能器单元。所述蓄电池优选地包括一个或者多个蓄电池单元，它们能够描述一个蓄电池单池、一个蓄电池模块、一个蓄电池集合或者一个蓄电池组。其中，多个单池描述为蓄电池组，其空间上组装在一起并且通常设置有壳体或者罩子。所述蓄电池单池其中优选地相互固定地连接并且电路技术上相互连接，例如串联或者并联连接至一个模块。多个模块能够连接至所谓的蓄电池直接转换器(BDC：battery direct converter)并且多个蓄电池直接转换器能够连接至所谓的蓄电池直接逆变器(BDI：batterydirect inverter)。

依据本发明此外提供了一种具有此类的蓄电池的机动车，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动***相连接。优选地，所述方法应用于电驱动的车辆之中，其中，将互联多个蓄电池单池以便提供所述车辆所需的驱动电压。

附图说明

在附图中示出并且在接下来的说明书中进一步地阐述了本发明的实施例。附图中：

图1A和图1B示出了蓄电池单元的示例性的等效电路；

图2A和图2B示出了具有充电前后的充电状态的三个蓄电池单元；以及

图3示出了蓄电池管理***的示例性图示。

具体实施方式

图1A和图1B示出了根据一种模型例如蓄电池单池的蓄电池单元1的等效电路。这样的等效电路在文献中详细地加以描述了，例如在Jossen Weydanz的“Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen”(正确使用现代的蓄能器)。蓄电池单元1包括理想的电流源2、在此串联连接的具有相互并联连接的电容器6和电阻8的RC元件4以及另一个在此串联连接的电阻10。该蓄电池单元还包括损耗电阻12，在该损耗电阻之上施加有终端电压U_Kl。终端电流I_Kl分成在另一个电阻10之中的充电电流I_L和在损耗电阻12之中的损耗电流I_Loss。蓄电池单元1的充电效率在该模型中为：

$\mathrm{\η}=\frac{I_L}{I_{\mathrm{Kl}}}=1-\frac{I_{\mathrm{Loss}}}{I_{\mathrm{Kl}}}.$

在图1b中示出了相同的蓄电池单元1，其中，在此放电电流I_D分为终端电流I_Kl和在损耗电阻12之中的损耗电流I_Loss。因为在充电时和在放电时的化学的损耗机制不尽相同，所以在图1A和图1B中所示出的模型之中，损耗电阻12的欧姆值在充电时和在放电时是不一样的，也就是说：

R_V，L≠R_V，D。

因此，不同的充电/放电效率是可能的。

图2示出了在充电(图2A)之后和在充电(图2B)之前的具有不同的充电状态的三个蓄电池单元1-1、1-2、1-3。

第i个蓄电池单元1-i的充电状态在充电之后以A₁,_i来描述。最高地加以充电的蓄电池为第三蓄电池单元1-3。对于在图2A中所示出的情形来说，在充电之后得出：

max_i(Q_1，i)＝Q_1，3

ΔQ_1，1＝Q_1，3-Q_1，1

ΔQ_1，2＝Q_1，3-Q_1，2

ΔQ_1，3＝Q_1，3-Q_1，3＝0。

在图2B中示出了在充电之前的三个蓄电池单元1-1、1-2、1-3的情形。最低地加以充电的蓄电池单元为第一蓄电池单元1-1。对于所示出的情形来说能够得出：

min_i(Q_2,i)＝Q_2,1

ΔQ_2，1＝Q_2，1-Q_2，1＝0

ΔQ_2，2＝Q_2，2-Q_2，1

ΔQ_2，3＝Q_2，3-Q_2，1。

图3示出了依据本发明的蓄电池管理***14，其被设置用于监控并且控制多个蓄电池单元1。在蓄电池管理***14和多个蓄电池单元1之间的通信通过合适的通信单元26、28作为至通信线缆30的接口来实现，例如CAN-总线。可选地，该蓄电池管理***14也能够通过测量导线直接地连接至蓄电池单元1，从而不必通过总线的任何通信。

该蓄电池管理***14具有用于确定蓄电池单元1的放电深度的单元16。此外，该用于确定蓄电池单元1的放电深度的单元16被设置用于确定蓄电池单元1的已发生的充电的时间点。在充电过后该单元16确定蓄电池单元1的放电深度，例如通过确定每个蓄电池单元的当前的充电状态、通过确定具有最大的充电状态的蓄电池单元并且通过确定每个蓄电池单元相对于具有最大的充电状态的蓄电池单元的第一电荷差值，如其参照图2A所描述的那样。

此外，该蓄电池管理***14具有用于确定每个蓄电池单元在蓄电池单元的待进行的充电之前的可用的电荷的单元18。该单元18被设置用于确定该蓄电池单元待进行充电的时间点。例如在此能够设置，即该单元18分析关于在合适的通信线缆之上的诸如在CAN-总线之上的蓄电池的较低的充电状态和/或关于蓄电池的重要的充电状态的信息并且例如在较低的或者重要的蓄电池状态的信号化方面为车辆的驾驶员确定每个蓄电池单元的可用的电荷。此外，该蓄电池管理***也通过充电器的连接端来识别该***已经充电是可能的。接下来，能够执行以下运算。在此所描述的计算步骤b1)至b3)能够持续地加以执行，然而不是在充电时，并且例如存储在环形存储器之中，其中，该环形存储器具有长度1。如果识别出充电，那么不会复写最后存储的值并且用于该分析。尚可用的电荷的确定将由单元18例如通过确定每个蓄电池单元的充电状态、通过确定具有最小的充电状态的蓄电池单元并且通过确定每个蓄电池单元相对于具有最小的充电状态的蓄电池单元的第二电荷差值来实施，例如参照图2B所描述的那样。

此外，蓄电池管理***14具有用于确定充电状态平衡需求值的单元20，其接收并且处理用于确定可用的电荷的单元18的数据以及用于确定每个蓄电池单元的放电深度的单元16的数据。该用于确定充电状态平衡需求值的单元20能够通过每个蓄电池单元的可用的电荷和每个蓄电池单元的放电深度的差值形成来例如确定充电状态平衡需求值，其中，在此所计算的值被设置在零上，只要其为负的。

该蓄电池管理***14还具有用于基于所确定的充电状态平衡需求值来控制蓄电池单元的放电的单元22，其从单元20接收该充电状态平衡需求值。该蓄电池管理***14还具有用于基于所确定的充电状态平衡需求值来控制蓄电池单元的充电的单元24，其从单元20接收该充电状态平衡需求值。该用于控制蓄电池单元的放电的单元22在该实施例中与用于控制蓄电池单元的充电的单元24相耦合。用于控制蓄电池单元的放电的单元22和用于控制蓄电池单元的充电的单元24被连接至蓄电池单元1相关联的通信单元28。

示例

该方法将例如举三个具有不同的自身放电率并且具有不同的充电效率但是具有相同的容量的单池来加以阐述。这三个单池的具体参数如下：

单池	1	2	3
				自身放电率	0	0.01	0.02
充电效率[100％]	0.9	0.95	1
				容量[Ah]	10	10	10

在将下来的表格中示出了四个放电/充电过程：

^*)每个单池提供的电荷为有效的DOD(放电深度)的最小值。

在启动(开始)时，所有三个单池均充电至10Ah。接着进行以7A来放电一小时，其中，由于自身放电而得出单池1、单池2和单池3之上的不同的单池电荷，即在单池1上为3Ah，在单池2上为2.99Ah以及在单池3上为2.98Ah。这样的状态依据本发明应当在该些单池的带进行的充电之前确定，例如在这样的时间点重要的蓄电池状态的信号输出至驾驶员，接着该些蓄电池被充电。在充电之前执行电荷平衡。为此，首先确定具有最小的电荷的单池，其在这种情况下为具有2.98Ah的单池3并且针对每个单池在本发明的范围内描述为第二电荷差值的值△Q_2,i计算为该单池电荷与最小的单池电荷的差。对于第一单池来说得出0.02Ah的电荷差；对于第二单池来说得出0.01Ah的电荷差以及对于第三单池来说未得出任何电荷差。在接下来的步骤中计算充电状态平衡需求值，该充电状态平衡需求值对于以下情况即在开始时总的单池的单池电荷是相同的，与第二电荷差值相一致。每个单池如今基于所确定的充电状态平衡需求值来放电，使得在每个单池的平衡之后得到相同的单池电荷2.98。

在接下来的步骤中确定单池的放电深度，其对于所有的三个单池来说为7.02Ah。因为这三个单池然而具有不同的充电效率，即单池3具有100％的充电效率，单池2具有95％的充电效率并且单池1具有90％的充电效率，所以单池的有效的放电深度为7.80，单池2为7.39并且单池3为7.02。为了避免过度充电，这三个单池在充电时提供有效的放电深度的最小值，在这种情况下为7.02。在这些单池充电过后，仅第三单池充电至10Ah。在依据本发明的方法的步骤a)进行充电之后确定每个蓄电池单元的放电深度，其对于第一单池为0.7Ah，对于第二单池为0.35Ah以及对于第三单池为0Ah。

在第二周期之中将再次进行以7A来放电一小时，由于在充电之后的这些单池的不同的电荷以及不同的自身放电率使得单池1的情况下为2.3Ah的单池电荷，单池2的情况下为2.64Ah的单池电荷以及在单池3的情况下为2.98Ah的单池电荷。单池1如今为最小充电的单池。单池2具有0.34Ah的电荷差并且单池3具有0.68Ah的电荷差。因为充电状态平衡需求值根据之前所确定的放电深度和每个蓄电池单元的可用的电荷的差来得出，所以在这种配置之下得到单池1和单池2未被放电。在单池2的情况下得出充电状态平衡需求值为△Q₂＝0.34Ah-0.35Ah＝-0.01Ah。因为仅仅能够被放电但是未完全放电，所以充电状态平衡需求值被置于等于零。仅仅单池3以0.68Ah来放电。在蓄电池单元放电之后基于所确定的充电状态平衡需求值得出这些单池具有不同的单池电荷，单池2具有2.64Ah的电荷而单池1和3具有2.3Ah的电荷。围绕有效的放电深度的最小值的单池的充电在第二充电周期结束。

该充电状态平衡需求值的和在第一周期之中得出为0.35Ah的总充电状态平衡需求值，在第二周期中为0.68Ah。在第三周期之中，其再次包括以7A来放电一小时，得出总充电状态平衡需求值为1.44Ah。在第四周期之中，其在相同的条件下运行，得出总充电状态平衡需求值为0.83Ah。

在接下来将示出，当在相同的边界条件之下时如前所述借助于每个蓄电池单元的可用的电荷来确定该充电状态平衡需求值是如何实现的。该边界条件包括四个分别具有以7A来放电1小时的周期之后的平衡和长度，其中，该充电限于有效的放电深度的最小值。

^*)每个单池提供的电荷为有效的DOD的最小值。

由此可见，在蓄电池单元的每次已发生的放电之后基于所确定的充电状态平衡需求值该些单池具有统一的电荷，在第一周期之中为2.98Ah；在第二周期为2.30Ah；在第三周期为2.23Ah并且在第四周期为2.22Ah。

在这样的比较之中，两种方法在所有的周期之中导致不同的总充电状态平衡需求值，除了在第一周期之外。在第一周期之中，其中，该些单池具有统一的单池电荷，在这两种情况下得出0.0.3Ah的总充电状态平衡需求值。在第二周期之后在第一情况下得出0.68Ah的值并且在第二情况下得出1.03Ah的值。在第三周期之后在第一情况下得出1.44Ah的值并且在第二情况下得出1.13Ah的值。在第四周期之后在第一情况下得出0.83Ah的值并且在第二情况下得出1.14Ah的值。

不是以下的情况，即在多个周期之上来平衡所提出的方法的总充电状态平衡需求值的值。虽然在第三周期之中该第一方法的值高于第二方法的值，但是在第一方法中第二和第三周期的和2.12Ah与在第二方法中的2.16Ah是不同的。在第四周期之中，依据第一方法的值再次处于依据第二方法的值之下。

本发明并不限于在此所描述的实施例和其中所涉及的方面。与之相反地，在由权利要求所给出的范围之内能够实现多种变型方案，这些变型方案处于技术人员的处理的范围之中。

Claims (11)

1.一种用于蓄电池的充电状态平衡的方法，所述蓄电池具有多个蓄电池单元(1)，该方法具有以下步骤：

a)在所述多个蓄电池单元(1)的已发生的充电之后确定每个蓄电池单元(1)的放电深度；

b)在所述多个蓄电池单元(1)的待进行的充电之前确定每个蓄电池单元(1)的可用的电荷；

c)借助于每个蓄电池单元(1)的所确定的放电深度和所确定的可用的电荷来确定充电状态平衡需求值；以及

d)基于所确定的充电状态平衡需求值来控制每个蓄电池单元(1)的放电。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中借助于以下步骤来确定所述放电深度：

a1)确定每个蓄电池单元(1)的充电状态；

a2)确定具有最大的充电状态的蓄电池单元；以及

a3)确定每个蓄电池单元(1)相对于具有最大的充电状态的所述蓄电池单元的第一电荷差值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤a1)中借助于所述蓄电池的充电电流和开放的终端电压的确定来确定所述充电状态。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中借助于以下步骤来确定尚可用的电荷：

b1)确定每个蓄电池单元(1)的充电状态；

b2)确定具有最小的充电状态的蓄电池单元；以及

b3)确定每个蓄电池单元(1)相对于具有最小的充电状态的所述蓄电池单元的第二电荷差值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤b1)中借助于所述蓄电池的充电电流和开放的终端电压的确定来确定所述充电状态。

6.一种用于为蓄电池充电的方法，所述蓄电池具有多个蓄电池单元(1)，其中，在第一步骤之中实施根据权利要求1至5中任一项所述的方法，并且在第二步骤之中进行所述多个蓄电池单元(1)的充电。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述第二步骤之中通过所述多个蓄电池单元的有效的放电深度中的最小值来限制所有的蓄电池单元的充电。

8.一种计算机程序产品，当所述计算机程序在可编程的计算机设备上实施时，其用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种蓄电池的蓄电池管理***(14)，所述蓄电池具有多个蓄电池单元(1)，所述蓄电池管理***具有用于在所述多个蓄电池单元(1)已发生充电之后确定每个蓄电池单元的放电深度的单元(16)、用于在所述多个蓄电池单元(1)待进行的充电之前确定每个蓄电池单元(1)的可用的电荷的单元(18)、用于借助于每个蓄电池单元(1)的所确定的充电深度和所确定的可用的电荷来确定充电状态平衡需求值的单元(20)和用于基于所确定的充电状态平衡需求值来控制每个蓄电池单元(1)的放电的单元(22)。

10.一种蓄电池，其包括多个蓄电池单元(1)和根据权利要求9所述的蓄电池管理***(14)。

11.一种机动车，其具有根据权利要求10所述的蓄电池，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动***相连接。