CN110574252A - 平衡多单元电池 - Google Patents

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Abstract

描述了一种平衡多单元电池的方法。针对多单元电池的每个单元确定对准距离。对准距离基于单元的当前电量来定义达到目标对准点所需的电量的变化。基于所确定的对准距离，识别一个或多个不平衡单元。然后通过根据对准距离调节其当前电量来平衡每个不平衡单元。在一个实施例中，目标对准点是目标充电状态。在另一个实施例中，目标对准点是目标电量。

Description

平衡多单元电池
技术领域
本公开涉及一种平衡诸如在海事工业中使用的可再充电锂离子电池之类的多单元电池的方法。
背景技术
一种类型的可充电电池是锂离子电池，包括多个串联连接的单元。电池通常容纳在外壳中以形成电池模块。在正常操作条件期间，电能在充电期间被转换为化学能并且作为化学能存储，并且在放电期间存储的化学能被转换成电能。
由于可接受的制造公差，模块内的多个单元(cell)在容量和其他参数上略有不同。在使用期间，特别是在电池的反复充电和放电之后(即在重复充电-放电循环之后)，单元之中的微小差异将逐渐导致单元在彼此不同的电压下稳定。由于单元串联排列，所以将导致较低的有效容量，因为当具有最高电压的单元达到其电压上限时必须停止充电，并且当具有最低电压的单元达到其电压下限时必须停止放电。为了克服有效容量的这种限制，众所周知锂离子单元可以不时地“平衡”。这通常借助于永久安装在模块内的平衡电路来实现。为了平衡电池的单元，具有相对较高的开路电压的那些单元中包含的电荷被消散，直到所有单元具有大致相等或“平衡”的开路电压。
开路电压或OCV是单元在静止一段时间后(即没有电流流动或单元不是电路的一部分时)稳定的电压。锂离子单元通常需要10-30分钟的静止时间才能渐渐达到OCV。一些电池设计有串联-并联排列的单元。例如，电池模块可以具有24个单元，布置为12组，每组由2个并联单元组成。这种并联连接的一组单元称为“串联元件”。串联元件内的单元通常具有相等的电压，因为它们直接并联连接。串联元件的电压(即串联元件内所有单元的电压)称为“串联元件电压”或SEV。由于串联的单个单元的电压不同，串联元件的电压不同。因此，电池的仅串联和串联并联布置都需要平衡。在行业的术语中，串联元件可以具有1、2、3或更多个单元。
在持续电力输出很重要的行业中(诸如海事行业)，电池的运行尽可能少的中断是关键。特别地，在诸如船的船舶上的电池组(包括串联连接的多个电池模块)通常全天候运行，以便为船舶的各种功能提供动力。这种电池的操作的一个特殊问题是需要使电池模块(或实际上整个电池组)离线以平衡单元。这是因为，当平衡单元时，通常连续测量每个单元的电压，以便在达到所需电压时可以监控和停止平衡。然而，在电池运行时(即正在放电)测量单元的电压会导致误导电压读数，因为当电流施加到单元时，由于单元的内阻，其SEV偏离其OCV。此外，由于可接受的制造公差和年龄效应，单元的内部电阻不同。因此，充电和放电时的相对SEV与这些单元的相对OCV不同。因此，在平衡单元时通常使电池离线从而其不再提供电力输出。平衡可以是相对缓慢的过程，因此相应的离线时间在某些情况下可能是显着的(在某些情况下超过一天)，这明显是不理想的。
因此，本领域需要新的和改进的平衡单元的方法，旨在解决现有技术的平衡***中的至少一些当前缺点。
发明内容
在本公开的第一方面，提供了一种平衡多单元电池的方法。该方法包括，针对每个单元，基于单元的当前电量(charge quantity)来确定对准(alignment)距离，该对准距离定义达到目标对准点所需的电量变化。该方法还包括基于所确定的对准距离识别一个或多个不平衡的单元。该方法还包括通过根据所确定的对准距离调节每个不平衡单元的当前电量来平衡每个不平衡单元。
电量可以定义为单元内包含的电荷数量。
目标对准点可包括预定的目标充电状态(state of charge)。目标对准点可包括目标电量。确定每个单元的对准距离可以还基于单元的蓄电容量(charge capacity)。
有利地，关于用户确定的对准点平衡电池，尽管单元之间的有效容量不同，但是可以减少对电池的单元平衡的需要。
在对准点包括预定目标充电状态的实施例中，通过调节每个不平衡电池的当前电量来平衡每个不平衡单元可以包括使对准距离彼此接近。使对准距离彼此接近可以包括通过改变每个不平衡单元中的当前电量来减小对准距离之间的差异。具体地，通过改变每个不平衡单元中的当前电量，可以改变对准距离以便接近共同值或预定范围。
在对准点包括目标电量的实施例中，通过调节每个不平衡单元的当前电量来平衡每个不平衡单元可以包括使对准距离最小化，使得它们接近零或者在零的可配置范围内。
因此，尽管现有技术的单元平衡集中在使单元电压相等以使单元的充电状态等同，但是本公开的实施例试图将每个单元所需的电量等同于共同的目标对准点。结果，可以关于目标对准点最小化单元之间的充电状态/电量变化。
目标对准点可以包括在多单元电池的操作范围内。操作范围可以包括一定范围的电量或充电状态，在该电量或充电状态中，在使用时，操作多单元电池的每个单元。因此，可以选择目标对准点以便在单元的特定操作范围内。目标充电状态可以在操作范围的中间或接近中间。这可以最大化单元在目标对准点处花费的时间。通过在充电/电量状态范围的中心而不是极值附近循环，可以使多单元电池的整体寿命最大化。
操作范围可以受最大充电状态限制，在该最大充电状态下的第一单元的电量等于100％充电状态下的第二单元的电量。第一单元当处于100％的充电状态时可以具有来自多单元电池的单元中的最大电量。第二单元当处于100％的充电状态时可以具有来自多单元电池的单元中的最小电量。因此，多单元电池的操作范围可以包括单元之间的电量的重叠。
平衡每个不平衡单元可以包括调节每个不平衡单元的当前电量，使得多单元电池的单元的对准距离在对准距离设定点的预定范围内。对准距离设定点可包括所确定的对准距离中的一个或多个的函数。对准距离设定点可包括AhDifference或AhConvergencePoint，如下面更详细描述的。
对准距离设定点可包括所确定的对准距离的平均值。如果多单元电池被配置为通过充电和放电单元电荷来平衡单元，则可能是这种情况。对准距离设定点可包括预设数量的最低确定的对准距离的平均值。如果多单元电池仅被配置为通过漏电单元电荷来平衡单元，则可能是这种情况。对准距离设定点可以等于最低确定的对准距离。
平衡不平衡单元可包括将不平衡单元的当前电量调节一定量，该量AhOutOfBalance＝绝对值(对准距离设定点-对准距离)。这可以对应于对准点是目标充电状态的实施例。
在对准点包括目标电量的实施例中，平衡每个不平衡单元可以包括调节每个不平衡单元的当前电量，使得多单元电池的单元的对准距离在目标电量的预定范围内。目标电量可包括单元的电量的函数。这种平衡可以包括减小对准距离，使得它们接近零，或者达到至少预定的零距离。
目标电量可以包括单元的电量的平均值。
目标电量可以包括预设数量的单元的最低电量的平均值。
平衡不平衡单元可以包括将不平衡单元的当前电量调节达量AhOutOfBalance＝绝对值(目标电量-单元的电量)。这可以对应于对准点是目标电量的实施例。在该实施例中，对准距离实际上是AhOutOfBalance。
该方法还可以包括对于每个不平衡的单元确定AhOutOfBalance是否大于预定的电量阈值，并且如果是，则执行不平衡单元的平衡。因此，如果单元的对准距离从对准距离设定点被充分地移除，则可能仅需要平衡单元。预定电量阈值可以是1安培小时。
该方法可以进一步包括对于每个不平衡单元确定AhOutOfBalance是否大于对准距离设定点的预定部分，并且如果是，则执行不平衡单元的平衡。这可以确保不平衡单元在正确的方向上平衡，因为单元的对准距离离对准距离设定点越远，我们越不确定在正确的方向上平衡单元。预定部分可以是10％。
可以根据下式确定对准距离：(SOC_i-SOC_AlignmentPoint)*SOH_i*NamePlateCapacity，其中SOC_i是单元的当前充电状态，SOC_AlignmentPoint是目标充电状态，SOH_i是单元的健康状态，以及NamePlateCapacity是单元的额定容量。
目标充电状态可以为20％至80％，更特别地可以为50％至60％。
目标充电状态和/或目标电量可以由多单元电池的用户配置。
可以根据下式确定对准距离：(SOC_i*SOH_i*NamePlateCapacity)-AhConvergencePoint，其中SOC_i是单元的当前充电状态，AhConvergencePoint是目标电量，SOH_i是单元的健康状态，以及NamePlateCapacity是单元的额定容量
该方法还可以包括：对于每个不平衡单元，确定从不平衡单元汲取的电流是否在预定电流范围内，并且如果是，则执行不平衡单元的平衡。因此，可以节省存储的能量并且可以使发热最小化。
该方法还可以包括：对于每个不平衡单元，确定不平衡单元的当前充电状态是否大于充电状态阈值，并且如果是，则执行不平衡单元的平衡。因此，通过避免在单元操作范围的极值处的平衡，可以改善多单元电池的寿命。
平衡不平衡电池可以包括使用连接到不平衡单元的平衡电路来耗散包含在不平衡单元中的电荷。
平衡不平衡电池可以包括使用连接到不平衡单元的平衡电路对不平衡单元充电。
该方法还可以包括：在确定对准距离之前，确定在多单元电池的每个单元上测量的电压已经达到稳定状态。电压可以是开路电压。该确定可以包括在测量每个单元上的电压之前等待松弛时间。松弛时间可能在5分钟和30分钟之间。
在单元操作时可确定对准距离。在单元的操作期间，确定的对准距离中的误差可能比开路电压中的误差更可接受(如将使用传统的电压设定点平衡技术确定的)。因此，当单元操作时，根据目标充电状态或目标电量而不是电压设定点(如现有技术)平衡电池可以更准确和适当。
可以在多单元电池的放电电流大于1安培或者在另一实施例中是5安培时确定对准距离。
多单元电池的单元可具有20安培小时和180安培小时之间的最大蓄电容量。
多单元电池可以被配置为提供100kW和800kW之间的最大功率输出。
多单元电池可以被配置为提供高达10000安培的放电电流。
在本公开的另一方面，提供了一种用于平衡多单元电池的***。该***包括与多单元电池的每个单元并联连接的平衡电路。该***还包括一个或多个处理器。对于每个单元，一个或多个处理器被配置为基于单元的当前电量来确定定义达到目标对准点所需的电量的变化的对准距离。一个或多个处理器还被配置为基于所确定的对准距离来识别一个或多个不平衡单元。一个或多个处理器还被配置为通过根据所确定的对准距离调节每个不平衡单元的当前电量来平衡每个不平衡单元。
该***可以被配置为执行结合本公开的第一方面描述的任何步骤。该***还可以包括结合本公开的第一方面描述的任何特征。
在本公开的另一方面，上述方法可以在计算机可读介质中实现。例如，该方法可以经由软件实现。
附图说明
现在将结合附图描述本公开的详细实施例，其中：
图1是根据本公开的实施例的用于平衡多单元电池的***的电路图；
图2是示出根据本公开的实施例的平衡多单元电池的方法所采取的步骤的流程图；
图3A-3D是根据图2的方法进行平衡的单元的充电状态的图解表示；
图4A-4D是根据现有技术方法进行平衡的单元的充电状态的图解表示；
图5是示出根据本公开的实施例的平衡多单元电池的方法所采取的步骤的流程图；和
图6A-6D是根据图5的方法进行平衡的单元的电量的图解表示。
具体实施方式
本公开旨在提供平衡多单元电池的改进方法。虽然以下描述了本公开的各种实施例，但是本公开不限于这些实施例，并且这些实施例的变型可以完全落入本公开的范围内，本公开的范围仅由所附权利要求限制。
转到图1，示出了根据本公开实施例的用于平衡多单元电池的***100的电路图。***100包括具有多个串联连接的锂离子单元110a-d的电池模块105。注意，尽管在本实施例中，单元110a-d表示为单个单元，但是在其他实施例中，单元110a-d中的每一个可以是包括一个或多个并联单元的串联元件。另外，尽管图1的实施例示出了串联布置的四个单元，但是本公开包括具有任何数量的单元的电池模块。
每个单元110a-d并联连接到相应的平衡电路112a-d，该平衡电路112a-d包括相应的晶体管Q1-Q4和相应的电阻器R1-R4。平衡电路112a-d被配置为提供单元110a-d的受控平衡，如下面将更详细描述的。控制电子设备118(包括诸如固件的可编程组件)连接到平衡电路112a-d，并且包括多个组件，诸如处理器120、存储器122和用于控制晶体管Q1-Q4的操作和测量跨单元110a-d的电压V1-V4的其他电子组件。(为了图解清晰，电压拾取未示出，但是在本领域中是公知的)。
为了更好地理解本公开，使用***100作为参考，用于单元平衡的众所周知的过程如下。首先，通常必须停止正极端子124和负极端子126之间的电流流动并等待稳定时间(也称为弛豫时间；通常为5分钟或更长)以精确测量单元电压V1-V4以确定单元是否“平衡”。如果任何单元电压相差预定量，则控制电子设备确定需要单元平衡。如果需要平衡，则通过正极端子124和负极端子126的主电池电流保持非常低，通常低于电池模块105的额定电流的5％。对应于具有高于阈值电压的单元的晶体管被激活，导致电流流过对应于该单元的电阻器。该电流称为“平衡电流”。选择电阻器具有高电阻，使得平衡电流很小并且电压读数保持准确。晶体管保持激活并且平衡电流流动，直到监控电压的控制电子设备检测到平衡完成(即，跨单元的电压已经与跨其他单元的电压平衡)，此时晶体管停用。然后可以再次使用电池模块105。
例如，如果电池模块105静止10分钟并且控制电子设备测量V3为4110mV，而单元1、2和4的电压都被测量为4100mV，则晶体管Q3被激活。平衡电流将开始流过R3和Q3并将慢慢耗尽单元3。这导致电压V3缓慢下降，直到它在电压V1、V2和V4的容差(约5mV)内，此时V3是4105mV，Q3停用。平衡电流停止并且电池模块105可以重复使用。
实际上，对于包括多个电池模块、每个电池模块具有多个单元的电池组，控制电子设备通常选择“电压设定点”，其是整个模块集合中的最低单元电压。然后，同时激活其电压超过电压设定点的所有单元的晶体管，并且所有模块同时缓慢地放电。这种类型的平衡在本领域中称为被动平衡。使用配置成将电荷从一个单元转移到另一个单元而不通过电阻器“漏电”电荷的电路来执行在本公开范围内也考虑到的主动平衡。用于单元主动平衡的电路是本领域技术人员所熟知的，这里不再描述。
现在将描述根据本公开的实施例的平衡多单元电池的方法。这些方法可以由软件执行，其存储在存储器(诸如存储器122)上，并由处理器(诸如处理器120)使用传统的平衡电路(例如上面结合图1描述的那些)执行。与使用电压设定点来平衡单元相反，该方法关于不同的对准点使单元平衡。在结合图2、3A-3D和4A-4D描述的一个实施例中，对准点是预定的充电状态。在结合图5、6A-6D和4A-4D描述的另一实施例中，对准点是电量。
转到图2，现在示出了通过关于预设的目标充电状态平衡单元来平衡多单元电池的方法。该方法开始于图2的步骤202。在步骤204处，控制电子设备检索多个配置参数。例如，可以从存储器122检索配置参数。配置参数包括确定电池模块的任何单元是否需要平衡所需的任何参数。在本实施例中，配置参数包括：SOC_AlignmentPoint；AhOutOfBalanceThreshold；MinCurrentThreshold；MaxCurrentThreshold；和N(计算AhDifference时使用的单元数量)。
该过程移动到步骤206，其中控制电子设备确定电池模块的放电电流是否在由MinCurrentThreshold和MaxCurrentThreshold定义的电流范围内。MinCurrentThreshold可以是-5A(表示5A的放电电流)并且MaxCurrentThreshold可以是C/2，其中C是电池模块的C-速率。在一个实施例中，MaxCurrentThreshold是64A。MinCurrentThreshold和MaxCurrentThreshold可由用户配置。如果电池模块的放电电流在由MinCurrentThreshold和MaxCurrentThreshold定义的范围之外，则该过程进行到步骤208，其中停止正在进行的单元的任何平衡。然后，该过程进行到步骤209，其中该过程结束，并且随后在步骤202循环回到开始。循环的频率可以由用户设置，并且可以处于例如10秒到5分钟之间。可以考虑其他循环频率。
如果电池模块的放电电流在MinCurrentThreshold和MaxCurrentThreshold之间，则过程进行到步骤210，其中控制电子设备对于每个单元确定当前充电状态(SOC)和当前健康状态(SOH)。确定SOC和SOH的方法是本领域技术人员已知的，这里不再详细描述。通常，确定SOC包括从库仑计数和SEV测量以及其他读数中读取数据。通常，SOH可以通过从库仑计数、温度和SOC测量以及其他读数中读取数据来确定。
该方法然后进行到步骤212，其中对于每个单元，控制电子设备确定其对准距离。在该实施例中，单元的对准距离定义或表示达到预定目标充电状态(SOC_AlignmentPoint)所需的电量变化(无论是增加还是减少)。单元的对准距离基于单元中的当前电量(即，单元中剩余多少电荷)和单元的蓄电容量(即，单元可以容纳的电荷总量)。对准距离可以以安培小时或本领域已知的一些其他电荷单位来定义。因此，单元的对准距离表示使单元的当前充电状态等于目标充电状态所需的电量。注意，对准距离可以是负的(在单元的当前充电状态小于目标充电状态的情况下)或者是正的(在单元的当前充电状态大于目标充电状态的情况下)。
对准距离根据以下关系确定：
(SOC_i-SOC_AlignmentPoint)*SOH_i*NamePlateCapacity，
其中SOC是单元的当前充电状态(在步骤210中确定)，SOC_AlignmentPoint是对应于目标充电状态的充电状态，SOH_i是单元的当前健康状态(在步骤210中确定)，和NamePlateCapacity是单元的额定容量(即，单元中可包含的总电量)。SOC_AlignmentPoint可由用户配置，并且优选地被选择为大致在单元的操作范围的中间。例如，如果单元在20％-80％SOC的范围内操作，则优选地选择SOC_AlignmentPoint以使其为约50％。在本实施例中，SOC_AlignmentPoint的默认值是60％。一旦对于每个单元计算了对准距离，该过程就进行到步骤214。
在步骤214处，控制电子设备确定AhDifference。如果电池硬件同时支持主动平衡和被动平衡(即不平衡单元的充电和不平衡单元的放电)，则可以将AhDifference定义为在步骤212处确定的所有对准距离的平均值。如果仅支持被动平衡(即，平衡电路仅允许单元的漏电)，然后可以将AhDifference定义为在最低对准距离的小可配置范围内的N个对准距离的平均值。当电池模块包括许多单元时，其对准距离用于确定AhDifference的单元的数量应该是单元总数的一小部分。例如，在单元数量为240的一个实施例中，N可以是5、6或7。因此，具有最低对准距离的5、6或7个单元将用于确定AhDifference。在另一示例中，如果电池模块包括非常少的单元，并且如果仅支持被动平衡，则可以简单地将AhDifference定义为最低对准距离。
然后，该过程进行到步骤216，其中控制电子设备根据以下关系确定每个单元的AhOutOfBalance：
AhOutOfBalance＝绝对值(AhDifference-对准距离)
一旦对于每个单元确定了AhOutOfBalance，该过程就迭代几个步骤(步骤218-224)，该步骤在平衡单元之前检查是否满足多个预设条件。对于电池模块中的每个单元迭代步骤218-224。特别地，在步骤218处，控制电子设备确定AhOutOfBalance是否大于AhOutOfBalanceThreshold。AhOutOfBalanceThreshold是预设配置参数，并且可由用户配置。在一个实施例中，AhOutOfBalanceThreshold是1安培小时。如果AhOutOfBalance不大于AhOutOfBalanceThreshold，则该过程进行到步骤219，其中如果该单元正在进行平衡，则停止平衡。该过程然后进行到步骤226，其中检查串联的下一个单元以确定AhOutOfBalance是否大于AhOutOfBalanceThreshold(即，步骤218)。
如果AhOutOfBalance大于AhOutOfBalanceThreshold，则过程进行到步骤220，其中控制电子设备确定AhOutOfBalance是否大于AhDifference的预定部分。在一个实施例中，预定部分是AhDifference的10％。预定部分是预设配置参数，并且可由用户配置。如果AhOutOfBalance不大于AhDifference的预定部分，则该过程进行到步骤219，其中如果单元正在进行平衡，则停止平衡。该过程然后进行到步骤226，其中检查该串联的下一个单元以确定AhOutOfBalance是否大于AhOutOfBalanceThreshold(即，步骤218)。
如果AhOutOfBalance大于AhDifference的预定部分，则过程进行到步骤222，其中控制电子设备确定单元的SOC是否大于MinimumBalanceSOC。在一个实施例中，MinimumBalanceSOC是50％。MinimumBalanceSOC是预设配置参数，并且可由用户配置。如果单元的SOC不大于MinimumBalanceSOC，则该过程进行到步骤219，其中如果单元正在进行平衡，则停止平衡。该过程然后进行到步骤226，其中检查串联的下一个单元以确定AhOutOfBalance是否大于AhOutOfBalanceThreshold(即，步骤218)。
如果单元的SOC大于MinimumBalanceSOC，则该过程进行到步骤224，其中激活单元的平衡。单元的平衡包括对电池充电或漏电(即，放电)，例如通过使用如结合图1所述的放电电路，放电量等于AhOutOfBalance。
在不等待平衡完成的情况下，该过程然后进行到步骤226，其中检查串联的下一个单元以确定AhOutOfBalance是否大于AhOutOfBalanceThreshold(即，步骤218)。对于每个单元重复步骤218-224，直到满足步骤218-224的要求的所有单元平衡。在不等待平衡完成的情况下，该过程进行到步骤228，其中该过程结束。一旦过程在步骤222处结束，则循环地重复该过程，其频率可由用户确定。例如，取决于电池模块的各种参数，该过程可以每10秒或每5分钟循环一次。
在平衡单元之后，每个单元的对准距离将大致等于AhDifference。在仅支持漏电的情况下，每个单元的对准距离将大致等于最低单元的对准距离，或N个最低单元的平均值。在支持单元的充电和漏电两者的情况下，每个单元的对准距离将大致等于所有对准距离的平均值。换句话说，所有单元将相对于SOC_AlignmentPoint进行平衡，这意味着所有单元将具有大致相等的对准距离。因此，电量的相同变化将使所有单元到达相同的预定对准点SOC_AlignmentPoint。
虽然已经描述了平衡多单元电池中的单元的方法的特定实施例，但是本公开的范围不限于该方法。特别地，该方法可以包括更多或更少的步骤，并且可以改变步骤的顺序。
转到图3A-4D，示出了示例性多单元电池中各种单元的充电状态的条形图。出于这些示例的目的，多单元电池包括三个单元：单元A、单元B和单元C。单元A具有70Ah的容量，单元B具有70Ah的容量，单元C具有80Ah的容量。目标充电状态SOC_AlignmentPoint设定为60％。优选地，多单元电池的单元在包括60％充电状态的充电状态范围内操作。
在图3A中，控制电子设备(诸如图1中所示)实施结合图2描述的方法，从步骤202开始。此时，单元A具有30Ah的电量，单元B具有40Ah的电量，而单元C具有40Ah的电量。对于电池A，60％SOC相当于42Ah的电量；对于单元B，60％SOC相当于42Ah的电量；对于单元C，60％SOC相当于48Ah的电量。因此，单元A的对准距离为-12Ah，单元B的对准距离为-2Ah，单元C的对准距离为-8Ah。因此，控制电子设备确定AhDifference为-12Ah(对准距离的最低值)。因此，单元A的AhOutOfBalance为0，单元B的AhOutOfBalance为10Ah，单元C的AhOutOfBalance为4Ah。注意，出于该示例的目的，由于电池被示出为仅具有三个单元，因此将AhDifference设置为等于对准距离的最低值就足够了。另外，在该实施例中，假设电池的平衡电路仅支持单元的漏电。
假设满足步骤218-222中的前提条件，控制电子设备因此确定单元B和C不平衡并且需要通过它们各自的AhOutOfBalance值进行平衡。图3B示出了平衡后的单元，其中单元B的电量减少了10Ah至30Ah，并且单元C的电量减少了4Ah至36Ah。此时，多单元电池中的所有单元相对于60％SOC的对准点平衡。换句话说，所有单元A-C距离60％的充电状态是12Ah。
在多单元电池的充电阶段期间，在单元A-C的充电12Ah之后，每个单元的SOC为60％(如图3C中所示)。在进一步充电26Ah后，单元A的电量为68Ah，单元B的电量为68Ah，单元C的电量为74Ah。每个单元相对于60％SOC的对准点保持平衡(即每个单元距离60％SOC的对准点是26Ah)。
这种平衡方法可以与更传统的平衡方法形成对比，该平衡方法寻求相对于电压设定点平衡单元，如上所述。图4A示出了具有相同的单元A、B和C的类似设置。如现有技术中已知的，可以平衡每个单元的开路电流电压，使得跨每个单元的电压大致相等。
在平衡之后，如图4B所示，单元A、B和C各自处于约43％的SOC(尽管应注意，由于单元之间的温差，电压设定点平衡通常不会导致单元平衡到共同的SOC)。在充电12Ah(图4C)之后，单元C包含46Ah的剩余电荷并且SOC为约57.5％。就电压设定点而言，相对于单元A和B，单元C已经失去平衡(约为2.5％SOC)。因此，如果在图4C的时间点重新平衡单元C，则单元A和B的SOC将下降至57.5％。
在进一步充电26Ah之后，如图4D所示，单元A和B以及电池C之间的不平衡已经增长。特别地，单元A和B具有68Ah的剩余电荷(相当于大致97％的SOC)，而单元C具有72Ah的剩余电荷，相当于大致90％的SOC。就电压设定点而言，单元C现在相对于单元A和B失去平衡约7％SOC。因此，如果要在图4D的时间点重新平衡单元C，则单元A和B的SOC将下降到90％。
从图4A-4D可以明显看出，使用现有技术的电压平衡方法，只要单元的SOC与单元整体平衡的SOC(即，在这种情况下43％)不同，单元就会被认为是不平衡的。这通常会导致额外的、不必要的平衡，这会不必要地使单元放电，浪费能量。本文公开的方法的优点在于，即使当单元的SOC和电压不同时，也可以发现单元处于平衡状态。
转到图5，示出了根据本公开的实施例的平衡多单元电池的替代方法。该方法可以由软件执行，其存储在存储器(例如存储器122)中并由处理器(诸如处理器120)使用传统的平衡电路(例如上面结合图1描述的那些)执行。与关于包括预定目标充电状态的对准点平衡单元相反，该方法关于目标电量平衡单元。图5的方法与图2的方法大致相同，并且相同的步骤已用相同的附图标记编号。唯一可观的差异如下。
在步骤504中，由控制电子设备检索的配置参数包括：AhOutOfBalanceThreshold；MinCurrentThreshold；MaxCurrentThreshold；和N(计算AhDifference时使用的单元数量)。
在步骤514中，计算AhConvergencePoint。AhConvergencePoint是单元被平衡到的目标电量。例如，可以以诸如安培小时或库仑的电荷单位表示AhConvergencePoint。如果电池硬件同时支持主动平衡和被动平衡(即，不平衡单元的充电和不平衡单元的漏电)，则可以将AhConvergencePoint定义为单元的电量的平均值。如果仅支持无源平衡(即，平衡电路仅允许单元的漏电)，则可以将AhConvergencePoint定义为在最低电量的小可配置范围内的N个电量的平均值。当电池模块包括许多单元时，其电量用于确定AhConvergencePoint的单元数量应该是单元总数的一小部分。例如，在单元数量为240的一个实施例中，N可以是5、6或7。因此，具有最低电量的5、6或7个单元将用于确定AhConvergencePoint。在另一示例中，如果电池模块包括非常少的单元，并且如果仅支持被动平衡，则可以简单地将AhConvergencePoint定义为最低电量。注意，与图2的实施例相反，在该方法中，AhConvergencePoint不是预定的，并且可以根据单元的电量移动。然而，本公开确实考虑了由用户预设AhConvergencePoint的可能性。
在步骤516中，控制电子设备根据以下关系确定每个单元的AhOutOfBalance：
AhOutOfBalance_i＝绝对值(AhConvergencePoint-charge_quantity_i)，其中charge_quantity_i等于(SOC_i*SOH_i*NamePlateCapacity)。SOC_i是单元的当前充电状态，AhConvergencePoint是目标电量，SOH_i是单元的当前健康状态，NamePlateCapacity是单元的额定容量(即，在单元中可包含的总电量)。
可以看出，在图5的实施例中，AhOutOfBalance_i实际上是单元的对准距离。
在平衡单元之后，每个单元的剩余电荷(即，电量)将大致等于AhConvergencePoint。在仅支持漏电的情况下，每个单元的电量将大致等于最低单元的电量，或N个最低单元的平均值。在支持单元充电和放电的情况下，每个单元的电量将大致等于所有电量的平均值。换句话说，所有单元将相对于AhConvergencePoint进行平衡，这意味着所有单元将具有大致相等的电量。注意，在该实施例中，每个单元的对准距离有效地减小到零，或者在零的小可配置范围内，因为每个单元的电量接近AhConvergencePoint。
虽然已经描述了平衡多单元电池中的单元的方法的特定实施例，但是本公开的范围不限于该方法。特别地，该方法可以包括更多或更少的步骤，并且可以改变步骤的顺序。例如，在另一个实施例中，步骤502-528可以精确地反映图2的步骤202-228，除了根据以下公式计算对准距离之外：
(SOC_i*SOH_i*NamePlateCapacity)-AhConvergencePoint。
可以看出，这相当于图2的实施例，其中SOC_AlignmentPoint被选择为0％SOC。
转到图6A-6D，示出了示例性多单元电池中各种单元的电量的条形图。该示例类似于图3A-3D的示例，其中多单元电池包括三个单元：单元A、单元B和单元C。单元A具有70Ah的容量，单元B具有70Ah的容量，单元C具有80Ah的容量。目标电量AhConvergencePoint设置为30Ah。优选地，多单元电池的单元在包括30Ah的电量的电量范围内操作。
在图6A中，控制电子设备(诸如图1中所示)实施结合图5描述的方法，从步骤502开始。此时，单元A具有30Ah的电量，单元B具有40Ah的电量，单元C具有40Ah的电量。AhConvergencePoint是30Ah(最低电量)。单元A的对准距离(AhOutOfBalance)为0Ah，单元B的对准距离(AhOutOfBalance)为-10Ah，单元C的对准距离(AhOutOfBalance)为-10Ah。注意，出于该示例的目的，由于电池被示出为仅具有三个单元，因此将AhConvergencePoint设置为等于电量的最低值就足够了。另外，在该实施例中，假设电池的平衡电路仅支持电池的漏电。
假设满足步骤518和522中的前提条件，控制电子设备因此确定单元B和C不平衡并且需要通过它们各自的AhOutOfBalance值进行平衡。图6B示出了平衡后的单元，其中单元B的电量减少了10Ah至30Ah，并且单元C的电量减少了10Ah至30Ah。此时，多单元电池中的所有单元相对于30Ah的对准点平衡。换句话说，每个单元A-C具有30Ah的电量。所有对准距离都已有效地减小到零。
在多单元电池的充电阶段期间，在单元A-C的12Ah充电之后，每个单元具有42Ah的电量(如图6C中可见)。在进一步充电26Ah后，单元A具有68Ah的电量，单元B具有68Ah的电量，并且单元C具有68Ah的电量。每个单元相对于30Ah的对准点保持平衡(即，每个单元距离30Ah的对准点是26Ah)。
再一次，这种平衡方法可以与图4A-4D的更传统的电压平衡方法形成对比。使用现有技术的电压平衡方法，只要单元的电量与单元整体被平衡到的电量不同，就认为单元不平衡。这通常会导致额外的、不必要的平衡，这会不必要地使单元放电，浪费能量。本文公开的方法的优点在于，即使当单元的电量和电压不同时，也可以发现单元处于平衡状态。
已经出于说明和描述的目的呈现了该描述，但是并非旨在穷举或限于所公开的形式。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以进行许多变化和修改。还预期本说明书中讨论的任何方面或实施例的任何部分可以与本说明书中讨论的任何其他方面或实施例的任何部分一起实现或组合。

Claims (35)

1.一种平衡多单元电池的方法，包括：
针对每个单元，基于所述单元的当前电量来确定对准距离，所述对准距离定义达到目标对准点所需的电量的变化；
基于所确定的对准距离来识别一个或多个不平衡单元；和
通过根据所确定的对准距离调节每个不平衡单元的当前电量来平衡每个不平衡单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标对准点包括预定的目标充电状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其中针对每个单元确定对准距离还基于所述单元的蓄电容量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标对准点包括目标电量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述目标对准点被包括在所述多单元电池的操作范围内，所述操作范围包括电量或充电状态的范围，所述多单元电池的每个单元在使用时在所述电量或充电状态的范围中***作。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述操作范围受最大充电状态限制，在所述最大充电状态下的第一单元的电量等于在100％的充电状态下的第二单元的电量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一单元当处于100％的充电状态时具有在所述多单元电池的所述单元之中的最大电量，并且其中所述第二单元当处于100％的充电状态时具有在所述多单元电池的所述单元之中的最小电量。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其中平衡每个不平衡单元包括调节每个不平衡单元的当前电量，使得所述多单元电池的所述单元的所述对准距离落在对准距离设定点的预定范围内，所述对准距离设定点包括一个或多个所确定的对准距离的函数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述对准距离设定点包括所确定的对准距离的平均值。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述对准距离设定点包括预设数量的最低的所确定的对准距离的平均值。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中平衡不平衡单元包括将所述不平衡单元的当前电量调节一定量，所述量AhOutOfBalance＝绝对值(对准距离设定点-对准距离)。
12.根据权利要求4所述的方法，其中平衡每个不平衡单元包括调节每个不平衡单元的当前电量，使得所述多单元电池的所述单元的所述对准距离落在所述目标电量的预定范围内，所述目标电量包括所述单元的电量的函数。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述目标电量包括所述单元的电量的平均值。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述目标电量包括预设数量的所述单元的最低电量的平均值。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中平衡不平衡单元包括将所述不平衡单元的当前电量调节一定量，所述量AhOutOfBalance＝绝对值(目标电量-所述单元的电量)。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，还包括：针对每个不平衡单元确定AhOutOfBalance是否大于预定的电量阈值，如果是则执行所述不平衡单元的平衡。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，还包括：针对每个不平衡单元确定AhOutOfBalance是否大于所述对准距离设定点的预定部分，如果是则执行所述不平衡单元的平衡。
18.根据权利要求2或3所述的方法，其中根据下式确定对准距离：
(SOC_i-SOC_AlignmentPoint)*SOH_i*NamePlateCapacity，
其中SOC_i是所述单元的当前充电状态，SOC_AlignmentPoint是目标充电状态，SOH_i是所述单元的健康状态，NamePlateCapacity是所述单元的额定容量。
19.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述目标充电状态为20％至80％。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述目标充电状态为50％至60％。
21.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述目标充电状态和/或所述目标电量能够由所述多单元电池的用户配置。
22.根据权利要求4所述的方法，其中，根据下式确定对准距离：
(SOC_i*SOH_i*NamePlateCapacity)-AhConvergencePoint，
其中SOC_i是所述单元的当前充电状态，AhConvergencePoint是目标电量，SOH_i是所述单元的健康状态，NamePlateCapacity是所述单元的额定容量。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，还包括：针对每个不平衡单元确定从所述不平衡单元汲取的电流是否在预定的电流范围内，如果是则执行所述不平衡单元的平衡。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，还包括：针对每个不平衡单元确定所述不平衡单元的当前充电状态是否大于充电状态阈值，如果是则执行所述不平衡单元的平衡。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中平衡不平衡单元包括使用连接到所述不平衡单元的平衡电路来耗散包含在所述不平衡单元中的电荷。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中平衡不平衡单元包括使用连接到所述不平衡单元的平衡电路对所述不平衡单元充电。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，还包括：在确定所述对准距离之前，确定跨所述多单元电池的每个单元测量的电压已经达到稳定状态。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中所述对准距离在所述单元处于操作中时被确定。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述对准距离在所述多单元电池的放电电流大于1安培时被确定。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述对准距离在所述多单元电池的放电电流大于5安培时被确定。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其中所述多单元电池的所述单元具有在20安培小时与180安培小时之间的蓄电容量。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述多单元电池被配置为提供在100千瓦与800千瓦之间的最大功率输出。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述多单元电池被配置为提供高达10,000安培的放电电流。
34.一种用于平衡多单元电池的***，包括：
平衡电路，其并联连接到所述多单元电池的每个单元；和
一个或多个处理器，其被配置为：
针对每个单元，基于所述单元的当前电量来确定对准距离，所述对准距离定义达到目标对准点所需的电量的变化；
基于所确定的对准距离来识别一个或多个不平衡单元；和
通过根据所确定的对准距离调节每个不平衡单元的当前电量来平衡每个不平衡单元。
35.一种非暂时性计算机可读介质，在其上存储有计算机可读指令，所述指令被配置为在由计算机读取时使得执行权利要求1至33中任一项所述的步骤。
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