CN117157848A - 电池管理方法及电池*** - Google Patents
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Abstract
一种用于管理多个电池单元(2)的电池管理方法，该多个电池单元包括可串联互连以形成电池(5、5’、5”)的至少一组电池单元(2)。该方法包括测量与所述多个电池单元(2)中的每个电池单元(2)的健康状态SoH相关的参数。对所述一组电池单元(2)中的每个电池单元(2)的SoH进行比较，并且识别出具有比其余电池单元(2)更差的健康状态的至少一个电池单元(2)、以及具有比其余电池单元(2)更好的健康状态的至少一个电池单元(2)。如果在充电周期期间具有更好的健康状态的该至少一个电池单元(2)已经达到最大荷电状态SoCmax阈值，则断开该电池单元。如果在放电周期期间具有更差的健康状态的该至少一个电池单元(2)已经达到最小荷电状态SoCmin阈值，则断开该电池单元。
Description
本发明涉及电池***的管理。
所有已知的(基于锂的)二次电池都具有低于5VDC的单电池单元标称电压。这就是为什么实际应用中大多数电池包、模块和串需要将多个单独的电池单元串联连接起来以满足介于48VDC与1.500VDC之间的主要要求的标称电池***电压。出于实际原因，大多数电池***因此都基于模块化且可扩展的方法。
尤其是基于锂的电池***，由于其相对较高的能量密度，需要对其操作范围和参数进行持续监测和监督。根据欧姆(电压)定律，整个电池***的安全操作因此取决于每个单独的电池单元的安全操作。这意味着，在模块化且可扩展的电池***中，每个单独的电池单元都需要对其操作范围和参数进行监测和监督。
这种监测和监督功能通常由电池管理***(BMS)承担。电池管理***(BMS)的控制程序主要基于称为荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)的两种状态估计。这适用于单独的电池单元、电池包和模块以及完整的电池***。
在文献中，SoC和/或SoH的定义可以改变，至少在一些细节上是这样，但是如从下文中将理解的，至少技术人员将认识到这对于本发明来说是无关紧要的。
SoC主要说明电池单元、包、模块或***的可用容量，而SoH则间接说明电池单元、包、模块或***的可用功率，因为描述可用功率的参数通常用于跟踪可用容量随时间推移的发展(退化)情况。因此，有时会定义两种不同的SoH估计；即，描述最大可用容量的下降的能量健康状态(SoHnrg)，以及描述电池单元、包、模块或***的最大可用功率的下降的功率健康状态(SoHpwr)。为了简单起见，本说明书仅考虑单个SoH定义，参见下面的等式(2)，但是本发明可以相应地使用其他定义来实施。
其中，Capacity是实际(即当前)可用容量，并且Capacitymax是最大可用容量。电池的(SoC)是可观察到的阻尼振荡，用于描述其短期性能。
其中，Capacitymax是最大可用容量，并且CapacityBoLmax是电池寿命开始(BoL)时的最大可用容量。电池的健康状态(SoH)是可观察到的持续下降，用于描述其长期性能。
遗憾的是，模块化***中并非所有单独的电池单元都具有相同的SoC和/或SoH，即使它们属于同一类型、来自同一供应商并来自同一生产。同一电池包、模块或***中各个电池单元之间SoC的不均匀性/不平衡的典型原因有：原材料的不均匀性、加工/生产的公差、装配和/或***集成的差异、操作参数和/或范围的变化、处理过程中的不平等对待。
电池***操作期间最明显的是各个电池单元之间SoC的不均匀性/不平衡。SoC的不均匀性/不平衡的一个问题可以通过具有多个串联连接的单独的电池单元的电池包来举例说明。图1和图2中的示例包括十个电池单元以供说明。在放电期间，最弱的电池单元(#4)在首先达到其最小SoC时会限制整个电池包的进一步放电。剩余电池包的进一步放电将使弱电池单元深度放电，这可能会导致严重的欠压问题，参见图1。另一方面，在充电期间，最强的电池单元(#8)在达到其最大SoC时会限制整个电池的进一步充电，参见图2。对剩余电池包的进一步充电将使强电池单元过度充电，这可能会导致严重的过压问题。因此，由于SoC的不均匀性/不平衡，电池包的很大一部分容量无法使用——这适用于电池包的每个充电/放电周期。因此，由于电池单元#4和#8的不均匀性，与每个电池单元的容量相对应的列的阴影区域没有被适当地用于剩余的电池单元。
现有技术包括用于电池包或模块内的SoC均衡的各种技术解决方案，其存在以限制和/或克服其各个电池单元之间的不平衡和/或不均匀性的问题。不同的电池单元平衡方法彼此表现出不同的优点和缺点，因此适合于和/或适用于电池***的不同应用。总的来说，可以概括为：
电池单元旁路方法，特别是旁路电阻器，由于其成本低、尺寸小且控制简单而被最广泛使用。
电池单元到电池单元、电池单元到模块以及模块到电池单元的方法表现出相对较低的电压和/或电流应力，尤其是在高功率应用中。
电池单元到电池单元的方法，特别是开关电容器和双层开关电容器，是高效且良好的折衷。
有关不同电池单元均衡方法的更详细描述、比较和评估，请参考：Gallardo-Lozano,J.等人的Battery Equalization Active Methods[电池均衡主动方法]；《电源杂志》；2014；doi:10.1016/j.jpowsour.2013.08.026。
作为现有技术的具体示例，US2016/0105042描述了四种SoC平衡***：主动平衡、被动平衡、电荷分流和电荷限制。所有这些都是电池管理***(BMS)领域内定义明确的术语，并且在US2016/0105042中，所有这些都明确地只与SoC的平衡相关，因为US2016/0105042谈到了递送电荷、移除电荷、分流电荷、限制电荷或终止充电。所有这些都直接影响电池的SoC，但不影响其SoH。US2016/0105042简要提到可以监测和估计SoH，但没有建议使用由此获得的关于SoH的知识。
在这一点上，需要提及的是，(较旧的)被动电池单元平衡/均衡方法(例如固定的不可切换旁路电阻器)相对于本发明来说是过时的现有技术。
上述电池单元平衡方法的主要缺点是，这些方法仅试图均衡各个电池单元之间SoC的不均匀性/不平衡，而不考虑电池单元的SoH之间的不均匀性/不平衡。
这是一个严重的因果问题，因为电池包、模块和/或***中的各个电池单元之间SoC的不均匀性/不平衡通常是由各个电池单元的不均匀操作条件(例如操作温度)和/或电池单元的SoH的不平衡引起的。也就是说，通过均衡电池***中各个电池单元之间的SoC，上述平衡方法仅关心任何不均匀性/不平衡所造成的影响，而不关心不均匀性/不平衡的实际原因。
当各个电池单元之间SoC的不均匀性/不平衡是由其SoH的不均匀性/不平衡引起时，上述电池单元平衡方法的情况实际上恰恰相反。如果电池***中的弱电池单元由于其SoH低于其电池包或模块中的平均值而要求(主动)电池单元平衡，则建议不仅要均衡荷电状态SoC的影响，还要卸载该弱电池单元(至少在均衡期间)以免增加SoH的不均匀性/不平衡——这将导致在进一步使用该电池***时对电池单元平衡的要求更高。一些上述电池单元均衡方法，例如模块到电池单元的方法，在均衡期间会对弱电池单元施加更大的负载；这很快就均衡了不平衡的影响，但实际上增加了各个电池单元之间不平衡的根本原因。
如果各个电池单元之间的SoC不平衡是由电池***中的不均匀操作条件(温度和压力梯度等)引起的，则上述现有技术的电池单元均衡方法对操作条件没有直接影响，因此也只关心任何不均匀性/不平衡所造成的影响，而同样不关心不均匀性/不平衡的实际原因。
除了仅均衡电池单元之间SoC的不均匀性/不平衡的一般因果问题之外，上述现有技术的电池单元平衡方法还表现出以下特定的技术缺点。
现有技术的耗散电池单元平衡方法主要受限于均衡功率/速度，并且它们对热管理表现出更高的需求。
现有技术的单向电池单元平衡方法只能在电池***的充电或放电期间使用，因此弱电池单元和强电池单元仍可能限制可用容量和/或功率。
现有技术的非单体(cell-individual)电池单元平衡方法主要受限于它们不能平衡电池***中预期的SoC的所有可能的不均匀性/不平衡。
基于这项现有技术，本发明的目的是提供一种克服以上缺点的改进的电池管理方法。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种电池管理方法来实现，所述方法包括提供可互连以形成电池包的多个电池单元，所述多个电池单元包括可串联互连以形成电池的至少一组电池单元，所述方法包括测量与所述多个电池单元中的每个电池单元的健康状态(SoH)相关的参数，对所述一组电池单元中的每个电池单元的健康状态进行比较，以及在所述一组电池单元中识别出具有比其余电池单元更差的健康状态的至少一个电池单元、以及具有比其余电池单元更好的健康状态的至少一个电池单元，在充电周期期间，如果具有更好的健康状态的所述至少一个电池单元已经达到最大荷电状态(SoCmax)阈值，则选择性地断开该电池单元，和/或在放电周期期间，如果具有更差的健康状态的所述至少一个电池单元已经达到最小荷电状态SoCmin阈值，则选择性地断开该电池单元。
这提供了一种新的电池管理方法，其允许采用新的电池单元平衡方法。通过将电池单元平衡的重点从旨在均衡荷电状态(SoC)的不均匀性/不平衡转变为均衡健康状态(SoH)的不均匀性/不平衡，提供了一种电池管理方法，该方法不仅关心不均匀性/不平衡的影响，而且还关心各个电池单元之间的不均匀性/不平衡的实际原因。
在电池***中所有单独的电池单元的健康状态(SoH)都是永久平衡或受控的情况下，不存在任何会降低电池***的可用容量和/或预期寿命的较弱或较强的电池单元，从而增加***的总拥有成本(TCO)。因此，电池单元通常不会表现出需要均衡的荷电状态(SoC)的不均匀性/不平衡。即使电池***中的各个电池单元表现出荷电状态(SoC)的不均匀性/不平衡，但只要电池单元的健康状态(SoH)仍然平衡/均衡，这也是可以接受的。
换句话说，本发明不仅关心电池包、模块或***内部的各个电池单元之间的不均匀性/不平衡的影响，而且还可以预测性地关心这些不均匀性/不平衡的原因。
根据本发明的第一方面的优选实施例，该方法进一步包括测量指示所述电池单元中每个电池的荷电状态(SoC)的参数，以确定是否已经达到所述最大荷电状态(SoCmax)阈值和/或所述最小荷电状态(SoCmin)阈值。因此，除了健康状态测量、其估计和预测之外，还可以监测荷电状态，以便通过断开所讨论的电池单元来防止过度充电或由过度放电导致的欠压。
根据本发明的第一方面的另一实施例，根据预定方案，在充电周期和/或放电周期期间，每个电池单元还被断开，以执行对与健康状态相关的所述参数的测量。这利用电池网络的可配置拓扑，在电池操作期间***地检查各个电池单元的健康状态，以便在多个充电和放电周期中每隔一段时间检查一次每个电池单元。
根据另一优选实施例，所测量的与健康状态相关的参数包括电池单元电压、电流或温度中的一项或多项。
根据本发明的第二方面，该目的通过一种***来实现，该***包括具有可配置拓扑的电池以及计算机控制件，该计算机控制件适于执行对指示该电池中的电池单元的健康状态的参数的测量并且适于按照根据前述权利要求中任一项所述的方法来配置该电池。
现在将基于非限制性示例性实施例并且参考附图来更详细地描述本发明，在附图中：
图1是在放电期间电池中电池单元的不均匀性对荷电状态的影响的示例，
图2是在充电期间电池中电池单元的不均匀性对荷电状态的影响的示例，
图3是本发明中使用的具有可配置拓扑的电池的简化示例，
图4是展示了电池可以如何控制电池单元以配置可配置拓扑的示例，以及
图5a至图5c是展示了在充电期间电池单元的接合和旁路的示例。
首先转向图3，示出了具有可配置拓扑的电池包1的示例。为了说明的目的，该示例被简化并且仅示出了可互连以形成电池包1的有限数量的电池单元2。在申请人目前优选的实施方式中，电池包1中有11组27个电池单元，即总共297个电池单元2。如将看到的，所展示的电池单元可通过单独控制的开关4串联连接成三个串，因此任何串3可以限定可串联互连以形成第一电池5的第一组电池单元2，并且另一组限定可串联互连以形成与第一电池并联的至少一个另外的电池5’的至少一个另外数量的电池单元2。可以看出，还存在限定又一个电池5”的第三串。第一电池5和所述另外的电池5’、5”与所述第一电池5并联连接或可并联连接，以形成电池包1。单独控制的开关4不需要是用于每个电池单元的单个开关(如图3所示)，而是针对每个电池单元2可以包括两个(如图4中的两个电池单元所示)、三个或四个开关，比如金属氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管或其他固态开关，以便不仅允许对电池单元进行分流而不使其短路，而且还允许出于测试目的对其进行隔离。这种可配置的电池包1本身可以从申请人的在先申请EP3529874中获知，该在先申请通过引用并入本文。
从图3中可以看出，一些电池单元2’通过其相关联的开关4而被断开，而大多数电池单元2在这三个电池的每个电池中串联连接。
这可以作为用于测试电池单元2的健康状态或用于防止电池单元2在电池放电期间欠压或在电池充电期间过度充电的例行断开的一部分。
由于电池中有大量电池单元，因此可以在一个放电或充电周期期间例行断开一个电池单元2以进行测量，而不会对输出电压造成实质性影响，然后在下一个放电或充电周期期间断开另一个电池单元2，依此类推，以例行或定期对每个电池单元2执行测量，从而允许例如知道每个电池5的健康状态。这种测量可能涉及电池单元电压、最大电流、电池单元温度，还可能涉及切换进出电池单元2时的瞬态响应、以及电池单元被隔离时对注入探针电流的响应。这允许确定例如电池单元2的等效电路并评估电池单元2的健康状态。以这种方式，对于包括电池包1(其具有11组电池单元2，每组电池单元形成各自具有27个电池单元2的电池5)的***，将至少每第27个放电或充电周期检查一次每个电池单元。如果一次可以断开多于一个电池单元2，则更为频繁，并且如果在放电和充电周期期间均执行测量，则更为频繁。该时间将与电池包是仅包括形成单个电池5的单组电池单元2、如图所示的三组电池5、5’、5”还是如所提及的11组无关。
应当指出的是，用于确定各个电池单元的性能的参数(比如电压、最大电流、温度、电阻和容量)的测量本身是已知的。在这方面，EP2660924披露了一种基本的电池管理***，其中监测各个电池单元，并且在劣化时简单地逐个地与电池断开，直到需要更换电池单元为止。没有建议选择性地暂时断开，以平衡和保护各个电池单元。
由于知道每个电池单元2的健康状态(例如如上所述获得)，根据本发明的电池管理***6将能够在电池5的放电周期的一部分内选择性地将电池单元2’从电池5中切换出来，如图3至图5中的简化示例所示，从而在电池5的充电周期的各部分期间分别保护健康状态最差的电池单元2’(即最弱的电池单元2’)、以及健康状态最好的电池单元(即最强的电池单元2’)。这显然增加了其余电池单元2的压力，从而在电池5的寿命期间均衡了健康状态的差异，并且因此电池5中的所有电池单元2都得到了更好的利用。
也就是说，如果在放电期间达到了与给定电池单元2的已知健康状态相对应的最小荷电状态阈值，则电池单元2被断开，即被旁路，使得其不再进一步放电并因此不再承受任何压力，而其余电池单元2继续放电。由于它们的放电不受最弱的电池单元2的限制，因此它们的容量得到了更好的利用。随着时间的推移，这会使得电池单元2得到更好的利用。
类似地，在充电期间，当健康状态最好的电池单元2达到最大荷电状态阈值时，例如充满电，其被断开，参见图5a和图5c，而其余电池单元2继续充电，进而允许它们进一步充电，而不受健康状态最好的电池单元2的阻碍。
这是由电池管理***6控制的，该电池管理***形成包括具有可配置拓扑的电池5、5’、5”的整个***的一部分。电池管理***6优选地是计算机或在另外的情况下是微处理器控制的电池管理***6，其适于执行对指示电池5、5’、5”中的电池单元2的健康状态的参数的测量，并且适于根据电池单元2的健康状态来配置电池5、5’、5”或者适于进行测量。电池管理***6还包括或具有用于数据的相关联存储设备，该数据比如是来自每个电池单元2的测量的数据、健康状态值、关于电池单元2的劣化的历史数据等。特别地，以便能够考虑到每个电池单元2的所确定的健康状态(SoH)来设置荷电状态(SoC)的预定阈值。
现在将给出一组5个电池单元2的工作示例。
表1总结了参考电池***的单个放电-充电周期的结果。荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)的前值表明电池***在测试周期开始时几乎是充满电的，并且相较于***平均值，电池单元#1稍强一些，而电池单元#3则稍弱一些。电池单元的额定标称容量为1300mAh，使用的负载电流标准约为0.8C1(约1.05A)，并且105mA的平衡电流相对较高(约0.08C1)。从表1中可以看出，所有单独的电池单元在测试周期之后最终都充满电(SoC(之后)和SoH(之后)的值相等)，并且强/弱电池单元分别保持强和弱。然而，完全平衡使测试周期持续时间增加了约25％(约28分钟)，并且由于平衡和/或剩余不平衡而损失了约3％(约0.46Wh)的充入电池***的能量。
表1-参考电池***的单个放电-充电周期的结果。通过仿真获得结果并通过实验对其进行验证。
为了验证所提出的发明，示出了具有可变拓扑的可重新配置电池。
表2总结了具有可变拓扑的5电池单元可重新配置电池***的单个放电-充电周期的结果。选择1050mAh的单个电池单元容量，使得可重新配置电池***的总容量优选地接近4电池单元参考电池***的总容量。附加的第5个电池单元在荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)方面一开始就被选为平均电池单元，因此可重新配置电池***也具有较强的电池单元(电池单元#1)和较弱的电池单元(电池单元#3)。所施加的电压限制和负载电流与参考电池***相同。从表2中可以看出，所有单独的电池单元在测试周期之后最终都充满电(SoC(之后)和SoH(之后)的值相等)，并且强/弱电池单元分别保持强和弱。但是，与参考电池***的测试周期相比，可重新配置电池***的充电周期不受平衡时间和几乎可以忽略的能量损失(约0.01Wh)的限制。与参考电池***的5.200mAh相比，可重新配置电池***中充入的总能量略高是由于总容量(约5.250mAh)略高。
表2-5电池单元可重新配置电池***的单个放电-充电周期的结果，这些结果是通过仿真获得的并通过实验进行验证。
对参考电池***与可重新配置电池***的单个放电-充电周期的比较已经证明了传统电池单元平衡方法(特别是使用电池单元旁路电阻器)的损失和/或局限性。然而，表11和表2中的健康状态(SoH)值对于两个电池***在放电-充电周期之前和之后基本上相同。测试周期重复1000次后，情况看起来非常不同。
表3总结了参考电池***的1000个放电-充电周期的结果。与表1中的单个测试周期的结果相比，可以看出总(可用)能量约为13.63kWh，比预期低约1.68kWh。这是由于***的健康状态(SoH)总体下降，以及由于每个放电-充电周期中荷电状态(SoC)的不均匀性/不平衡(增加)而导致的不可用能量。此外，平衡时间和能量损失分别比其预期值增加了约34hrs和65Wh。这主要是由于随着测试周期数量的增加，分流电阻器的使用频率越来越高，使用时间也越来越长。比较1000个测试周期前后各个电池单元的健康状态(SoH)值表明，在参考***中，强电池单元(电池单元#1)仍然是强电池单元，而弱电池单元(电池单元#3)仍然是弱电池单元。然而，健康状态(SoH)的变化却明显变大。从1000个测试周期中可以看出，弱电池单元(电池单元3)比强电池单元(电池单元#1)承受的压力更大。事实上，弱电池单元(电池单元#3)已经接近其寿命终止(EoL)(其通常定义为健康状态(SoH)的约80％)，因此进一步使用参考电池***可能由于其最弱的电池单元(电池单元#3)的健康状态(SoH)而具有很高的故障风险。
表3-参考电池***的1000个放电-充电周期的结果。这些结果是通过模拟获得的。
表4总结了可重新配置电池***的1000个放电-充电周期的结果。与表2中的单个测试周期的结果相比，可以看出总(可用)能量也比预期低约0.8kWh。尽管如此，与表3中的参考***的损失相比，损失减少了约50％；对于可重新配置电池***，这些损失可以完全归因于整个电池***的日历和循环老化，因为在每个放电-充电周期中，可重新配置电池***中几乎没有未使用的能量。此外，能量损失保持在约10Wh，与可重新配置电池***的单个测试周期的能量损失处于相同的低水平。比较可重新配置电池***的1000个测试周期前后各个电池单元的健康状态(SoH)值也表明，所有单独的电池单元不仅在其荷电状态(SoC)方面几乎是均衡的，而且在其健康状态(SoH)方面也几乎是均衡的。仍然有迹象表明电池单元#1最强，而电池单元#3最弱，但这种变化可能会在接下来的放电-充电周期期间完全均衡。更有趣的是，5个单独的电池单元2中没有一个电池单元的健康状态(SoH)下降到低于80％；在此，进一步使用可重新配置电池***而发生故障的风险并不像参考电池***那样高。表4中的数字还表明，可重新配置电池***中的所有5个单独的电池单元可能几乎同时达到其寿命终止(EoL)。因此，当整个电池***由于单个电池单元故障而发生故障时，一些电池单元2中不会留下(可用)寿命容量。
表4-可重新配置电池***的1000个放电-充电周期的结果。这些结果是通过模拟获得的。
有趣的是，需要指出，两种不同类型的电池***的各个电池单元2之间的平均健康状态(SoH)彼此非常接近(约83％)。因此，采用传统电池单元平衡方法的参考电池***的主要缺点和/或局限性完全是由各个电池单元2之间健康状态(SoH)梯度的增加引起的。
现在已经基于示例性实施例描述了本发明。应当理解的是，技术人员将理解存在本发明的许多其他实施例和变型。特别地，本发明不限于每个电池中的任何特定数量的电池单元2，并且同样不限于整个***的电池包中的任何特定数量的电池。还应该注意的是，防止弱电池过度放电原则上与防止强电池过度充电无关。然而，为了随着时间的推移实现尽可能好的电池单元均衡和平衡，同时实施这两方面是最有意义的。
Claims (5)
1.一种电池管理方法，所述方法包括提供可互连以形成电池包的多个电池单元，所述多个电池单元包括可串联互连以形成电池的至少一组电池单元，
所述方法包括测量与所述多个电池单元中的每个电池单元的健康状态SoH相关的参数，
对所述一组电池单元中的每个电池单元的健康状态进行比较，以及
在所述一组电池单元中识别出具有比其余电池单元更差的健康状态的至少一个电池单元、以及具有比其余电池单元更好的健康状态的至少一个电池单元，
在充电周期期间，如果具有更好的健康状态的所述至少一个电池单元已经达到最大荷电状态SoCmax阈值，则选择性地断开该电池单元，和/或在放电周期期间，如果具有更差的健康状态的所述至少一个电池单元已经达到最小荷电状态SoCmin阈值，则选择性地断开该电池单元。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括测量指示所述电池单元中每个电池的荷电状态(SoC)的参数，以确定是否已经达到所述最大荷电状态(SoCmax)阈值和/或所述最小荷电状态(SoCmin)阈值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据预定方案，在充电周期和/或放电周期期间，每个电池单元还被断开，以执行对与该健康状态相关的所述参数的测量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所测量的与该健康状态相关的参数包括电池单元电压、电流或温度中的一项或多项；在电池单元断开时和期间测量这些参数允许确定各个电池单元的健康状态。
5.一种***，包括具有可配置拓扑的电池以及计算机控制的电池管理***，该计算机控制的电池管理***适于执行对指示该电池中的电池单元的健康状态的参数的测量并且适于按照根据前述权利要求中任一项所述的方法来配置该电池。
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