CN110720167A - 用于平衡储能模块的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于平衡具有多个串联连接的储能电池的储能模块的设备，所述设备包括用于与储能模块的监控电子装置通信的接口、用于基于相应储能电池电压和相应静态电压特性曲线为每个储能电池确定相对电荷量的电荷确定装置、用于通过求取相应储能电池的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池的相对电荷量之间的差为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池确定相应相对平衡需求并且用于为每个储能电池确定绝对平衡需求的平衡需求计算单元、放电电路，其构造用于这样与储能模块连接，使得借助该放电电路可将相应储能电池单独放电，和控制装置，其可这样控制放电电路，使得从相应储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求。

Description

用于平衡储能模块的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于平衡储能模块的设备以及一种用于平衡储能模块的相应方法，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池。此外，本发明涉及一种机动车、尤其是电动车辆或混合动力车辆，其包括储能模块和用于平衡储能模块的设备。
背景技术
电动车辆或混合动力车辆配备有储能模块、如高压储存器，其储存用于驱动电驱动马达所需的电能并提供给电驱动马达。高压储存器包括多个储能电池，所述多个储能电池例如构造为锂离子电池或锂离子蓄电池并且例如可串联连接。
为了给具有串联连接的储能电池的储能模块充电，通过连接到相应的电流源或电压源上从外部向串联连接的储能电池供应电能。在此为避免过电压损坏储能模块，通过监控相应的储能电池电压和相应的充电控制来限制充电，使得储能电池电压均不大于预定上限电压阈值。此外，为了避免储能电池的深度放电，也在储能模块放电时——例如为了将电能供应给耗电器、如电驱动马达——监控相应的储能电池电压并且通过相应的控制来限制放电过程，使得储能电池电压均不小于预定下限电压阈值。
因此，储能模块的最大可用总能量由这样的储能电池决定，其电压在充电和放电情况下首先达到上限电压阈值或下限电压阈值。在充电情况下，具有最高储能电池电压的储能电池首先达到上限电压阈值并且因此基于串联连接限制了所有储能电池的充电。
相应的储能电池电压在负载状态中、即储能电池的主反应电流不为零时由储能电池的相应静态电压和相应储能电池的相应极化过电压组成。静态电压与储能电池的电荷状态直接相关，电荷状态可通过各种已知方式确定并且通常以相对于最大可用总电荷的百分比表示。极化过电压主要取决于储能电池阻抗以及用于充电的充电电流并且在充电情况下与静态电压相加。因此这部分电压也限制储能电池的充电。在放电情况下，极化过电压会降低储能电池的静态电压。因此这部分电压也限制储能电池的放电。
为了增加储能模块的最大可用总能量，可平衡储能模块。在此如果所有储能电池的电荷状态在完全循环时具有相同的值，则通常认为储能模块是平衡的。下面将其称为满足现有技术的平衡条件。
在根据现有技术的平衡中，借助相应的平衡装置通过对各个储能电池进行放电(借助并联连接到相应储能电池的相应电阻)、或者通过各个储能电池之间的电荷转移或通过各个储能电池与整个储能模块之间或各个储能电池和外部电能储存器之间的电荷转移来平衡各个储能电池的电荷状态。
在第一种情况下，各个储能电池的放电从储能模块的静止状态开始进行，在该状态下各个储能电池电压是弛豫的。尤其是在通常的储能模块的平衡中，除了具有最低静态电压的储能电池之外，每个储能电池都放电，直到其电压水平等于具有最低储能电池电压的储能电池的电压水平。在通常的平衡方案中没有考虑到储能电池的阻抗。
为了给具有串联连接的锂离子储能电池的储能模块充电，通常使用CCCV(恒流恒压)充电方法。该CCCV充电方法包括顺序地经过第一CC(恒流)阶段和随后的CV(恒压)阶段。在CC阶段中充电电流首先保持恒定，直到储能模块中的一个储能电池达到上限电压阈值。随后切换到CV阶段，在该阶段中保持上限电压阈值并且为此充电电流呈指数衰减。一旦充电电流降至极限值以下，则CV阶段以及整个充电过程将终止。
在此虽然关于在充电过程终止之后存储在储能模块中的电荷量实现了最佳，但在此除了考虑了限制充电过程的最高储能电池电压之外，没有对各个储能电池的电压水平进行优化。此外，没有考虑到储能电池阻抗的变化，该变化尤其是可由储能电池的生产控制、老化机理、相同储能电池化学物质的混合以及不同储能电池化学物质的混合引起。
图1示出在CCCV充电过程和随后的弛豫期间串联连接的、具有不同储能电池阻抗的七个储能电池的储能电池电压EZS1'、EZS2'、…、EZS7'的时间曲线。为了确保可比性，所有储能电池——在图1中示出其储能电池电压EZS1'、EZS2'、…、EZS7'的时间曲线——具有相同的容量。从图1可以看出，具有最高储能电池阻抗的储能电池电压EZS1'的储能电池限制了设置在串联电路中的所有储能电池的充电过程。出于该原因，对应于储能电池电压EZS2'至EZS7'的储能电池在充电过程于时间t1处终止时未处于上限电压阈值的最高可能电压水平，仅具有图1所示储能电池电压EZS1'的储能电池达到了该电压水平。因此，在CCCV充电终止时，储能模块没有达到最大储能模块电压，该最大储能模块电压通过各个储能电池电压之和获得。图1还示出在CCCV充电终止之后储能电池电压EZS1'、EZS2'、…、EZS7'的弛豫，其随时间增加而接近并且在时间t2处几乎相同。这表明，对于该储能模块在完成CCCV充电过程之后满足现有技术的平衡条件。
因此，具有串联连接的储能电池的储能模块不能存储最大可能的能量，因为该能量定义为电流和电压关于时间积分的乘积。因此，储能模块不能通过传统的平衡和传统的充电方法在能量优化方面完全充电。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于平衡储能模块的设备和方法，借助该设备和方法可将储能模块置于这样的状态，在其中可通过随后的传统充电过程对储能模块这样充电，使得更多的能量存储在储能模块中。
所述任务通过权利要求1和8的特征来解决。
本发明的有利实施方式和扩展方案由从属权利要求给出。
根据一种实施方式，用于平衡具有多个串联连接的储能电池的储能模块的设备，所述设备包括接口，其构造用于与储能模块的监控电子装置通信，所述接口构造用于与监控电子装置的电压检测装置通信，以便从电压检测装置接收关于每个储能电池的相应储能电池电压的信息，并且所述接口构造用于与监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置通信，以便接收关于储能模块的充电正常终止的信息。所述设备还包括电荷确定装置，其构造用于在接收到关于储能模块的充电正常终止的信息之后基于关于在储能模块的充电正常终止之后每个储能电池的相应储能电池电压的信息和表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池确定相对电荷量；平衡需求计算单元，其构造用于为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池通过求取相应储能电池的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池的相对电荷量之间的差确定相应相对平衡需求，并且基于相应相对平衡需求和每个储能电池的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池确定相应绝对平衡需求；放电电路，其构造用于这样与储能模块连接，使得借助该放电电路可将相应储能电池单独放电；和控制装置，其构造用于这样控制放电电路，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求。
根据本发明的设备尤其是可设置用于在完成储能模块的CCCV充电过程之后计算储能模块的平衡需求，该平衡需求适合于通过并联平衡电阻这样改变相应储能电池的电荷状态，使得储能模块达到能量优化的平衡。储能模块的能量优化的平衡相应于这样的状态，在其中在CCCV充电过程结束时相应储能电池的储能电池电压都具有上限电压阈值。在此平衡需求可在完成计算之后且在能源优化的CCCV充电之前的任何时候实现。由于在完成CCCV充电过程之后所有储能电池都达到了上限电压阈值，因此储能模块的总电压可在完成CCCV充电过程之后增加。因此，在随后对相同的电荷量放电时，与现有技术的平衡条件相比可从储能模块中提取更多的能量。
尤其是在使用根据本发明的设备时，不需要像传统平衡方法中那样等待直到储能电池电压弛豫才可确定平衡需求。
此外，通过使用根据本发明的用于平衡的设备在计算绝对平衡需求时考虑了储能电池各自的储能电池阻抗，储能电池阻抗可基于生产控制、不同的老化机理、相同储能电池化学物质的混合以及用于储能模块的不同储能电池的不同储能电池化学物质的混合而变化。因此，在储能模块的相应平衡和随后的充电之后，与使用相应的传统方法相比可在储能模块中存储更多的能量。
此外，使用根据本发明的设备计算平衡需求无需事先知道储能电池的其它特性或存储的电池模型，并且不需要采用储能电池状态的易失性估计值、如电荷状态。
此外，不需要等待储能模块的静止状态来计算相应绝对平衡需求。相反，可在储能模块的充电完成之后直接计算相应的相对平衡需求和绝对平衡需求。因此，与使用用于平衡储能模块的传统设备或传统平衡方法相比，不需要等待弛豫阶段。
电荷确定装置可构造用于将在特性曲线中对应于相应储能电池电压的电荷状态值确定为相应相对电荷量，并且通过将所确定的相应相对平衡需求与相应容量相乘来确定相应绝对平衡需求。
因此，例如以百分比给出的相应所确定的相对电荷量相应于虚拟电荷状态，当相应储能电池的静态电压等于在负载状态下测得的或所检测的储能电池电压时，则相应储能电池将具有该虚拟电荷状态，所述储能电池电压是静态电压和动态电压或极化过电压之和。在此可通过下述方式确定相应相对平衡需求(也以百分比表示)：首先确定具有最低相对电荷量的储能电池并且随后为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池求取相应所确定的相对电荷量与具有最低相对电荷量的储能电池的相对电荷量之间的差。接着，可通过将相应求出的差乘以相应储能电池的预定电容量来确定绝对平衡需求。
所述接口优选构造用于与监控电子装置的健康状态确定装置通信，以便从健康状态确定装置接收关于相应储能电池的相应健康状态的信息，并且平衡需求计算单元构造用于基于关于相应储能电池的健康状态的信息和相应储能电池的标称容量计算相应储能电池的容量。
健康状态确定装置例如可将储能电池的相应老化状态(State of Health)确定为相应健康状态(也可以百分比表示)并且将关于相应老化状态的信息发送给用于平衡储能模块的设备。随后平衡需求计算单元可通过将相应老化状态与相应储能电池的预定标称容量相乘来计算相应储能电池的当前容量。
用于平衡储能模块的设备还可包括存储装置，在其中存储表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线。
在此优选在存储装置中对于相应储能电池的不同健康状态存储有多条不同的、分别表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线，电荷确定装置构造用于基于关于在储能模块的充电正常终止之后每个储能电池的相应储能电池电压的信息和与相应健康状态对应的特性曲线确定相应相对电荷量。
优选在用于平衡储能模块的设备中放电电路包括多个电阻和多个开关并且构造用于与储能模块这样连接，使得一个相应电阻和一个相应开关——它们彼此串联连接——与一个相应储能电池并联连接，所述设备还包括计算单元，其构造用于基于所确定的相应绝对平衡需求为相应储能电池计算相应开关闭合持续时间，所述开关闭合持续时间是必需的，以便在开关闭合时从相应储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求，并且控制装置构造用于根据计算出的开关闭合持续时间来控制相应开关。在此，开关闭合持续时间的计算尤其是可基于所确定的相应绝对平衡需求、相应储能电池电压以及相应电阻的阻抗来进行。
机动车、尤其是电动车辆或混合动力车辆根据一种实施方式包括具有多个串联的储能电池和监控电子装置的储能模块以及用于平衡储能模块的上述设备。
根据一种实施方式用于平衡具有多个串联的储能电池的储能模块的方法包括检测每个储能电池的相应储能电池电压，检测每个储能电池的相应容量，确定储能模块的充电是否正常终止，基于在储能模块的充电正常终止之后检测到的、每个储能电池的相应储能电池电压和表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池确定相应相对电荷量，通过求取相应储能电池的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池的相对电荷量之间的差为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池确定相应相对平衡需求，基于相应相对平衡需求和每个储能电池的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池确定相应绝对平衡需求，并且对储能模块进行放电，以便从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求。
优选将在特性曲线中对应于相应储能电池电压的电荷状态值确定为相应储能电池的相应相对电荷量，并且通过将所确定的相应相对平衡需求乘以相应容量来确定相应绝对平衡需求。
所述方法还可包括检测相应储能电池的相应健康状态，并且基于相应储能电池的相应健康状态和相应储能电池的标称容量计算相应储能电池的容量。
此外，所述方法可包括记录表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线并且将所记录的特性曲线存储在存储装置中。
根据一种实施方式，在存储装置中对于相应储能电池的不同健康状态存储有多条不同的、分别表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线，基于在储能模块的充电正常终止之后每个储能电池的相应储能电池电压和与相应健康状态对应的特性曲线确定相应相对电荷量。
优选用于平衡储能模块的方法还包括提供具有多个电阻和多个开关的放电电路，所述放电电路与储能模块这样连接，使得一个相应电阻和一个相应开关——它们串联连接——与一个相应储能电池并联连接，基于所确定的相应绝对平衡需求为相应储能电池计算相应开关闭合持续时间，所述开关闭合持续时间是必需的，以便在开关闭合时从相应储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求，并且根据计算出的开关闭合持续时间来控制相应开关。
附图说明
下面参考附图示例性阐述本发明的优选实施方式。附图如下：
图1示出借助传统平衡方法平衡后的储能模块在充电过程中以及随后的弛豫期间的相应储能电池电压的时间曲线；
图2示意性示出可借助根据本发明的平衡设备平衡的储能模块的结构；
图3示意性示出根据本发明的平衡设备连同图2所示的储能模块的结构；
图4示出用于说明根据本发明的用于平衡储能模块的方法的流程图；
图5示出使用根据本发明的用于平衡储能模块的方法耗散地平衡的储能模块的相应储能电池的电荷状态的时间曲线；和
图6示出在执行根据本发明的用于平衡储能模块的方法之后，在充电过程和随后的弛豫期间储能模块的相应储能电池的电压的时间曲线。
具体实施方式
图2示意性示出储能模块100的结构，该储能模块可用于向耗电器供应电能并且其可借助根据本发明的平衡装置来平衡。储能模块100可构造为高压储存器，其可构造用于存储用于驱动电动或混合动力车辆的电驱动马达的电能，该储能模块100具有正电极101和负电极102，以便将存储的电能提供给耗电器、如电驱动马达用于其驱动。此外，储能模块100具有多个串联或者说串行连接的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn。这些储能电池EZ1、EZ2、…、EZn优选构造为蓄电池、如锂离子蓄电池。
储能模块100的未示出的监控电子装置——其与储能模块100连接——具有电压检测装置，该电压检测装置构造用于单独且连续地检测每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相应储能电池电压。
为了给储能模块100充电，连接未示出的充电控制器，该充电控制器具有用于供应电能的端子，该电能用于给储能模块100充电。充电控制器构造用于控制储能模块100的充电过程。
在充电期间尤其是可将充电控制器的相应未示出的端子与储能模块100的正电极101和负电极102或储能模块的其它专门为充电过程而设置的端子连接。在此借助充电控制器的未示出的电流测量装置来测量充电电流并且借助未示出的电流调节装置在使用CCCV充电方法的情况下来调节充电电流。此外，在CCCV充电过程的CC阶段中，借助未示出的充电电流控制装置将充电电流保持在最大允许值，直到储能模块中有一个储能电池达到上限电压阈值。随后切换到CV阶段，在该阶段中保持该储能电池的上限电压阈值并且为此借助未示出的充电电流控制装置减小充电电流。一旦减弱的充电电流降至一个极限值以下，则该阶段以及整个充电过程将终止。
储能模块100的监控电子装置除了电压检测装置外还具有电流检测装置，该电流检测装置构造用于检测储能模块100的完全电荷状态并结束充电控制器的充电过程。
此外，储能模块100的监控电子装置具有健康状态(State of Health)确定装置，其基于各个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的不同运行数据——其也由储能模块100的监控电子装置监控——确定无量纲健康状态值，该值以百分比表示并且表示相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的当前健康状态与理想健康状态之间的比值。在此健康状态值尤其是可表示储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的当前容量与理想容量或标称容量的比值。因此，在使用理想容量值的情况下可确定每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的当前容量。
图3示意性示出根据本发明的用于平衡储能模块的设备300，该设备与图2所示的储能模块100连接。
设备300包括具有接口301的壳体310，所述接口构造用于通过未示出的电线或无线地与储能模块100的监控电子装置通信，该设备还包括存储装置302、放电电路304和控制单元307，所述控制单元与接口301、存储装置302和放电电路304通过相应在图中所示的电线连接以进行通信。
接口301构造用于单独从监控电子装置的电压检测装置接收关于每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相应储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn的信息。此外，接口301构造用于从监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置接收关于储能模块100的充电终止的信息。关于充电终止的信息尤其是包括关于在借助CCCV方法充电的CV阶段中减弱的充电电流是否已降至极限值以下并且充电是否因此已正常终止的信息。
此外，接口301构造用于从监控电子装置的健康状态确定装置接收关于储能模块100的健康状态的信息。
存储装置302构造用于存储表征相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的电荷状态与相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的静态电压的关系的特性曲线。
放电电路304包括多个设置在壳体310中的端子305-1、305-2、…、305-n、多个电阻R1、R2、…、Rn、多个开关SC1、SC2、…、SCn以及多根电线306-1、306-2、…、306-n，所述电线分别连接相应开关SC1、SC2、…、SCn和相应端子305-1、305-2、…、305-n。放电电路304构造成，使得其这样与储能模块100连接，以致分别有一个电阻R1、R2、…、Rn和一个开关SC1、SC2、…、SCn——它们串联连接——与每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn并联连接。
在一种未示出的实施方式中，代替多个端子305-1、305-2、…、305-n放电电路304也可仅具有一个端子，多个开关SC1、SC2、…、SCn与该端子这样连接，使得它们可分别独立控制。
控制单元307具有未示出的电荷确定装置，该电荷确定装置构造用于为每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn确定相应绝对平衡需求，该绝对平衡需求适合于在成功实现相应平衡时将储能模块100置于能量优化的平衡状态。在控制单元307通过接口301从监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置获得相应信息从而充电过程正常终止之后，则进行所述确定并且只要在CCCV充电过程终止时储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn的变化超过预定值，则需要以实现能量优化的平衡为目标的平衡。
尤其是电荷确定装置基于所提供的关于每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相应储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn的信息和表征相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的电荷状态与相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的静态电压的关系并且预先存储在存储装置302中的特性曲线为每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn确定相对电荷量。
更具体地说，电荷确定装置以下述方式为每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn确定相对电荷量，即代替相应静态电压所述电荷确定装置将在充电过程结束后测得的相应储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn——其由静态电压和动态电压组成——作为参数***相应表征相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的电荷状态与相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的静态电压的关系的特性曲线中并且将来自该特性曲线的相应返回值、即相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的虚拟电荷状态确定为相对电荷量。
换句话说，无量纲并且以百分比表示的相对电荷量相应于这样的电荷状态，储能电池EZ1、EZ2、…、EZn在其静态电压等于在充电过程完成后测得的储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn时具有该电荷状态。
为了提高相对电荷量的确定精度，优选对于不同的老化或健康状态在存储装置302中存储不同的特性曲线，其分别表征相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的电荷状态与相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的静态电压的关系。在此情况下，电荷确定装置构造用于从健康状态确定装置接收关于健康状态的信息或从电压检测装置接收关于相应储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn的信息，并且将相应的相对电荷量确定为与相应健康状态对应的特性曲线中的这样的电荷状态值，其相应于等于充电过程完成后测得的储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn的静态电压。
此外，控制单元307具有平衡需求计算单元，该平衡需求计算单元构造用于为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn之外的每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn通过求相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量之间的差确定相对平衡需求。
由于相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相应相对电荷量以百分比表示，因此通过两个相对电荷量之间的差定义的相应相对平衡需求也以百分比表示。
例如如果储能电池EZ1、EZ2、…、EZn中的第一储能电池的相对电荷量为98％并且已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量为95％，则第一储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对平衡需求为3％。
平衡需求计算单元还构造用于通过使用相应当前储能电池容量——其由电荷确定装置基于通过储能模块100的监控电子装置的健康状态确定装置发送到接口301的健康状态值和例如存储在存储装置302中的相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的容量理想值或者说标称容量来确定——以及相应相对平衡需求为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn之外的每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn确定相应绝对平衡需求、即必须从这些储能电池EZ1、EZ2、…、EZn提取的电荷量，以便使所有储能电池EZ1、EZ2、…、EZn达到能量优化的平衡状态并且因此使所有储能电池EZ1、EZ2、…、EZn在后续的CCCV充电终止时达到上限电压阈值。
相应绝对平衡需求尤其是这样计算：将相应相对平衡需求、在上例中为3％、即0.03与相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相应标称容量并且与健康状态值、如SOH值相乘。如果标称容量的单位是Ah，则该值必要时还必须乘以3600，以获得单位为As的相应绝对平衡需求。
在为相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn确定了相应绝对平衡需求后，将其存储在存储装置302中，以便随后进行储能模块100的平衡。
为了平衡储能模块100，控制单元307的控制装置还构造用于这样控制放电电路304，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn之外的每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn提取所确定的相应绝对平衡需求。
尤其是控制单元307可具有计算单元，该计算单元构造用于为相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn基于所确定的相应绝对平衡需求和其它参数、如相应电阻R1、R2、…、Rn的电阻值和储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn计算相应开关闭合持续时间，这是必需的，以便在开关SC1、SC2、…、SCn闭合时从相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn提取所确定的相应绝对平衡需求。在此情况下，控制装置可构造用于根据计算出的开关闭合持续时间控制相应开关SC1、SC2、…、SCn，使得相应开关SC1、SC2、…、SCn仅在等于计算出的开关闭合持续时间的时间段内闭合，以便引起相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn放电。
相应绝对平衡需求的确定或计算——其包括求取相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量和已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量之间的差并且必须从相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn提取该相应绝对平衡需求，以使储能模块100平衡——尤其是仅借助直接测量变量进行，即不需要采用具有误差的估计变量、如相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的电荷状态。
此外，无需为了计算相应绝对平衡需求而等待储能模块100的静止状态。相反，可在储能模块100的充电过程完成之后直接计算相应相对平衡需求和绝对平衡需求。因此，与使用传统得用于平衡储能模块的设备或传统的平衡方法相比，无需等待弛豫阶段。
在使用根据本发明的用于平衡储能模块的设备300如此平衡储能模块100的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn之后，可通过使用充电控制器以传统方式通过CCCV充电过程来给储能模块100充电。
下面参考图4说明用于平衡储能模块100的方法。
该方法例如可通过使用上述储能模块100、用于平衡储能模块的设备300和用于储能模块100的监控电子装置来执行，这些装置如上所述彼此连接、尤其是通信连接。
在步骤S1中，例如在CCCV充电过程期间借助监控电子装置连续地检测或测量所有储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相应储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn。
同时确定充电过程是否正常终止。如果确定充电没有正常终止(步骤S2中为“否”)，则在步骤S3中放弃测量。相反，如果确定充电正常终止(步骤S2中为“是”)，则流程进入步骤S4。
在步骤S4中，例如通过使用设备300的电荷确定装置从相应储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZSn和静态电压特性曲线、即表征相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的电荷状态与相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn如上所述计算相对电荷量。
之后，在步骤S5中为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn之外的每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn例如通过使用平衡需求计算单元通过求取在相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的相对电荷量之间的差来确定相对平衡需求。
然后，在步骤S6中为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池EZ1、EZ2、…、EZn基于相应当前储能电池容量以及相应相对平衡需求如上述那样确定绝对平衡需求、即必须从这些储能电池EZ1、EZ2、…、EZn中提取的电荷量，以便使这些储能电池EZ1、EZ2、…、EZn达到能量优化的平衡状态并且因此使所有储能电池EZ1、EZ2、…、EZn在随后的CCCV充电过程终止或正常终止时都达到上限电压阈值。
在完成确定相应绝对平衡需求之后，在步骤S7中存储确定结果以用于随后的平衡过程。
在随后的平衡过程期间，在步骤S8中例如通过使用上述放电电路304这样平衡储能模块100，使得从相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZn提取所确定的相应绝对平衡需求。
图5示出储能模块100的七个储能电池EZ1、EZ2、…、EZ7的电荷状态的时间曲线，这些储能电池串联连接并且通过使用根据本发明的用于平衡储能模块的方法或根据本发明的用于平衡储能模块的设备300耗散地平衡。从图5可以看出，相应储能电池的电荷状态随时间变化几乎是恒定的，各个储能电池EZ1、EZ2、…、EZ7的电荷状态处在大约83.4％到大约87.3％的范围内并且因此具有很大的分散性。相反，如果在充电之前借助传统的平衡方法对储能模块进行平衡，则相应电荷状态和因此储能电池电压在弛豫状态中将几乎相同，尽管储能电池电压在充电过程刚结束时基于电池阻抗最高的电池对充电的限制而显著不同。
通过根据本发明的平衡和随后的充电过程虽然可从各个储能电池提取的电荷量与通过传统平衡方法平衡的并且随后被充电的储能模块相同，但储能电池的电荷状态的平均值更高，因此可提取更多的能量。
图6示出在执行根据本发明的用于平衡储能模块的方法之后，在CCCV充电过程期间以及随后的弛豫期间储能模块100的相应储能电池EZ1、EZ2、…、EZ7的储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZS7的时间曲线。从图6可以看出，在充电过程结束时的时间点t1处，所有储能电池EZ1、EZ2、…、EZ7具有几乎相同的电压，该电压相应于上限电压阈值。与在传统平衡方法之后进行的充电相比，现在具有最高阻抗的储能电池EZ1、EZ2、…、EZn不再限制串联线路中所有其它储能电池EZ1、EZ2、…、EZn达到最高可能的电压水平。从图6可以看出，在CCCV充电于时间点t1结束之后，储能电池电压EZS1、EZS2、…、EZS7弛豫到不同的电压水平上，这反映了根据本发明的平衡与现有技术的平衡条件的偏差。在根据本发明的平衡之后的时间点t2处储能电池EZ1、EZ2、…、EZn的静态电压高于在传统平衡的储能模块的类似CCCV充电之后的静态电压。因此储能模块100在时间点t2的状态允许随后提取最大可能的能量。

Claims (13)

1.用于平衡储能模块(100)的设备(300)，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)，所述设备包括：
-接口(301)，所述接口构造用于与储能模块(100)的监控电子装置通信，
-所述接口(301)构造用于与监控电子装置的电压检测装置通信，以便从电压检测装置接收关于每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息，并且
-所述接口(301)构造用于与监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置通信，以便接收关于储能模块(300)的充电正常终止的信息，
所述设备(300)还包括：
-电荷确定装置(307)，所述电荷确定装置构造用于在接收到关于储能模块(100)的充电正常终止的信息之后，基于关于在储能模块(100)的充电正常终止之后每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息和表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相对电荷量，
-平衡需求计算单元，所述平衡需求计算单元构造用于为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)通过求取相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量之间的差确定相应相对平衡需求，并且基于相应相对平衡需求和每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相应绝对平衡需求，
-放电电路(304)，其构造用于与储能模块(100)连接成，使得借助该放电电路能将相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)单独放电，和
-控制装置(307)，所述控制装置构造用于控制放电电路(304)，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)提取所确定的相应绝对平衡需求。
2.根据权利要求1所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，其中，所述电荷确定装置(307)构造用于将在所述特性曲线中对应于相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的电荷状态的值确定为相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的相应相对电荷量，并且通过将所确定的相应相对平衡需求与相应容量相乘来确定相应绝对平衡需求。
3.根据权利要求1或2所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，其中，所述接口(301)构造用于与监控电子装置的健康状态确定装置通信，以便从健康状态确定装置接收关于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应健康状态的信息，并且
所述平衡需求计算单元构造用于基于关于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的健康状态的信息和相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的标称容量来计算相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的容量。
4.根据权利要求3所述的用于平衡储能模块(100)的设备，所述设备还包括存储装置(302)，在该存储装置中存储表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的所述特性曲线。
5.根据权利要求4所述的用于平衡储能模块(100)的设备，其中，在所述存储装置(302)中对于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的不同健康状态存储有多个不同的、分别表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线，
所述电荷确定装置(307)构造用于基于关于在储能模块(100)的充电正常终止之后每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息和与相应健康状态对应的特性曲线来确定相应相对电荷量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，其中，所述放电电路(304)包括多个电阻(R1、R2、…、Rn)和多个开关(SC1、SC2、…、SCn)并且构造用于与储能模块(100)连接，使得串联连接的一个相应电阻(R1、R2、…、Rn)和一个相应开关(SC1、SC2、…、SCn)与一个相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)并联连接，
并且所述设备还包括计算单元，所述计算单元构造用于基于所确定的相应绝对平衡需求为相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)计算相应开关闭合持续时间，所述开关闭合持续时间是必需的，以便在开关(SC1、SC2、…、SCn)闭合时从相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)提取所确定的相应绝对平衡需求，并且控制装置(307)构造用于根据计算出的开关闭合持续时间来控制相应开关(SC1、SC2、…、SCn)。
7.机动车、尤其是电动车辆或混合动力车辆，包括储能模块(100)以及根据权利要求1至6中任一项所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)和具有监控电子装置。
8.用于平衡储能模块(100)的方法，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)，所述方法包括：
检测每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)，
检测每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应容量，
确定储能模块(100)的充电的正常终止，
基于在储能模块(100)的充电正常终止之后检测到的、每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)和表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相应相对电荷量，
通过求取在相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量之间的差为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相应相对平衡需求，
基于相应相对平衡需求和每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相应绝对平衡需求，
对储能模块(100)进行放电，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)提取所确定的相应绝对平衡需求。
9.根据权利要求8所述的用于平衡储能模块(100)的方法，其中，将在特性曲线中对应于相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的电荷状态的值确定为相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的相应相对电荷量，并且通过将所确定的相应相对平衡需求与相应容量相乘来确定相应绝对平衡需求。
10.根据权利要求8或9所述的用于平衡储能模块(100)的方法，还包括检测相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应健康状态，并且
基于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应健康状态和相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的标称容量来计算相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的容量。
11.根据权利要求10所述的用于平衡储能模块(100)的方法，所述方法还包括记录表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线并且将所记录的特性曲线存储在存储装置中(302)。
12.根据权利要求11所述的用于平衡储能模块(100)的方法，其中，在所述存储装置(302)中对于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的不同健康状态存储有多个不同的、分别表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线，并且
基于在储能模块(100)的充电正常终止之后每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)和与相应健康状态对应的特性曲线来确定相应相对电荷量。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的用于平衡储能模块的方法，所述方法还包括提供具有多个电阻(R1、R2、…、Rn)和多个开关(SC1、SC2、…、SCn)的放电电路(304)，
将所述放电电路(304)与储能模块(100)连接，使得彼此串联连接的一个相应电阻(R1、R2、…、Rn)和一个相应开关(SC1、SC2、…、SCn)与一个相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)并联连接，
基于所确定的相应绝对平衡需求为相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)计算相应开关闭合持续时间，所述开关闭合持续时间是必需的，以便在开关(SC1、SC2、…、SCn)闭合时从相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)提取所确定的相应绝对平衡需求，并且
根据计算出的开关闭合持续时间来控制相应开关(SC1、SC2、…、SCn)。
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