JP2013538549A

JP2013538549A - 複数のバッテリセルを備えたバッテリの充電状態を平衡化する方法、ならびに、対応するバッテリ管理システムおよびバッテリ

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Publication number: JP2013538549A
Application number: JP2013526389A
Authority: JP
Inventors: ボエム、アンドレ; シュンドラー、フランク
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: WO2012028427A1; DE102010039913A1; CN103260936A; EP2611646A1; US10074876B2; JP5547348B2; EP2611646B1; US20140159665A1; CN103260936B

Abstract

Ｎ個のバッテリセルを有するバッテリの充電状態を平衡化する方法であって、ｎ＝１〜Ｎ個のセルの個別の充電状態（ＳＯＣ_ｎ）を平衡化するために、少なくとも１つのセルの充電状態が、目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）に変更され、目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）は、数式ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝１−ＤＯＤ_ｋ／Ｃａｐ_ｎにしたがって、最小容量（Ｃａｐ_ｋ）を有するセルの放電深度（ＤＯＤ_ｋ）に依存する、上記方法が提示される。その際に、Ｃａｐ_ｎは、変更すべきｎ番目のセルの容量である。有利に、本方法は、複数のセルからなるバッテリの電圧またはエネルギー含有量の最適化のために適している。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数のバッテリセルを備えたバッテリの充電状態を平衡化する方法、本発明に係る方法を含むバッテリ管理システム、本発明に係るバッテリ管理システムを備えたバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ、および、本発明に係るバッテリを備えた車両に関する。バッテリは、特に、車両の駆動のために使用される。

将来的に、例えば、風力発電所、緊急電力機構、または独立型ネットワークのような定置型の用途において、および、例えばハイブリッド車または純粋な電気自動車のような車両において、利用可能なエネルギー含有量、充電・放電効率、および、信頼性への要求が高いバッテリシステムがますます使用されることが予期される。

利用可能なエネルギー含有量、最大出力、および総電圧に関する要求に対応するために、複数の個々のバッテリセルが直列に接続され、部分的に追加的に並列に接続される。したがって、ハイブリッド車および電気自動車内では、直列接続された数多くの電気化学的セルからなる、リチウムイオンまたはＮｉＭＨ（ニッケル水素）技術によるバッテリパックが使用される。

直列接続されたこのような数多くのバッテリセルには、いくつかの問題が伴う。安全性の問題から、および、電圧測定時の十分な精度を得るために、個々のバッテリセルのセル電圧を個別に測定して、上限値および下限値が遵守されているか検査する必要がある。バッテリセルが直列接続されているため、全てのバッテリセルに同じ電流が通り、すなわち、放電時に取り出されまたは充電時に取り込まれる電荷量も、全てのバッテリセルについて同じである。その結果、最小容量を有するセルが、パックの総電荷量を制限する。通常では電気化学的セルについて、容量損失と内部抵抗上昇との間の直接的な関連性が生じるため、最小容量を有するセルは、通常では出力も最小である。したがって、バッテリセルの容量が、例えば劣化のために他のバッテリセルの容量と異なる場合には、より大きい容量を有するバッテリセルを、最小容量を有するバッテリセルと同じ程度にまで充電することが可能である。さらに、個々のバッテリセルの破損は、もはや電流が故障したバッテリセルを通って、したがってバッテリを通って流れられないため、バッテリ全体の故障に繋がる可能性がある。

バッテリセル内に蓄えられるエネルギー量のための基準は、いわゆる充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−Ｃｈａｒｇｅ）である。その際に、バッテリセルの当初の充電状態が、１つのバッテリへと組み立てる際に、決して厳密に同じにはならないことに注意されたい。さらに、バッテリセルは、製造時の或る程度の製造分散化のために、そのパラメータが常に僅かに異なり、したがって、外部から印加される電流に対する充電状態の応答も異なる。バッテリセルの劣化によって、この違いがさらに大きくなりうる。

バッテリの充電状態を監視するために、バッテリ管理システムを使用することが公知である。このバッテリ管理システムは、安全性監視と並んで、バッテリの可能な限り長い寿命を保証し、個々のセルの充電状態が互いに調整されることを保障するものである。このことは、適切な「セルバランシング」（ＣｅｌｌＢａｌａｎｃｉｎｇ）によって行われる。セルバランシングまたは充電状態の平衡化は、通常では、抵抗的に（ｒｅｓｉｓｔｉｖ）行われる。これに加えて、個々のセルを合目的的に放電しうるために、各セルに対して抵抗および切替素子が設けられる。独国特許出願公開第１０２００６０２２３９４号明細書には、複数のセルを有するエネルギー源の荷電平衡化のための素子が開示されており、ここでは、セルは、荷電平衡化のために、セルを少なくとも部分的に放電させる放電ユニットと接続されている。しかしながら、従来技術によれば、セルバランシングを容量的に（ｋａｐａｚｉｔｉｖ）、すなわち、接続されたコンデンサを用いて行うことが可能であり、または、誘導的に（ｉｎｄｕｋｔｉｖ）、すなわち、接続されたインダクタを用いて行うことが可能である。この２つのケースでは、効率が悪い状態でセル間でエネルギー交換され、抵抗型セルバランシングの場合は、エネルギーが熱に変換される可能性があり、したがってエネルギーが失われる。

ハイブリッド車両にとっては、各時点での、回復（Ｒｅｋｕｐｅｒａｔｉｏｎ）のための充電方向および加速のための放電方向における高い出力は有利である。最大許容充電出力が、充電状態が上がるにつれて下がる一方で、最大許容放電出力が増大することが公知である。この理由から、ハイブリッド車の従来技術によれば、常に高い出力を保障するために、５０％の充電状態でハイブリッド車の電池パックを作動させることが望ましい。しかしながら、実際には、例えば充電状態が４０％〜６０％の間の作動ウィンドウが使用される。いわゆるプラグインハイブリッド（Ｐｌｕｇｉｎ−Ｈｙｂｒｉｄｅ）については、作動ウィンドウが対応してより大きく、例えば、充電状態が１０％〜９０％である。

これに対して、純粋な電気自動車にとっては、エネルギー含有量が最も重要な判定基準である。この場合、ハイブリット車に対して、短時間の加速はあまり問題ではなく、むしろ、可能な限り長い期間の間車両の動作可能状態（Ｂｅｔｒｉｅｂｓｂｅｒｅｉｔｓｃｈａｆｔ）を保障し、各時点に、可能な限り大きなエネルギーを提供することが問題となる。

従来技術によるバランシングストラテジは、全セルが常に同じ充電状態であることを達成しようと試みる。このために、通常では、全セルが同一の開放電圧となるように平衡化される。ほぼ同じ容量を有する新品のセルの場合は、このストラテジが正当化される。ただし、製造分散化および劣化により設定される容量が様々なセルにとっては、このバランシングストラテジは、バランシングによる不必要なエネルギー損失をもたらす。

図１は、このような従来技術によるバランシング方法にしたがって個別の充電状態が５０％にもってこられた、劣化のために充電容量が様々な６個の電気化学的セルを例示している。最小容量を有するセル、本例ではセル５がほぼ完全に放電されるまでバッテリパックが放電される場合に、他の全てのセルは、個別に見てより高い充電状態を有する。したがって、上記のストラテジにしたがって平衡化が続行される際には、他のセルは、自身も同様にセル５の個別充電状態に到達するまで放電される。しかしながら、このことは、最小容量を有するセルを除いた全てのセルにおいて、エネルギーを不要に処分しなければならないことを意味する。

本発明に基づいて、Ｎ個のバッテリセルを有するバッテリの充電状態を平衡化する方法であって、ｎ＝１〜Ｎ個のセルの個別の充電状態を平衡化するために、少なくとも１つのセルの充電状態ＳＯＣ_ｎが、目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}に変更され、目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}は、以下の数式にしたがって、最小容量Ｃａｐ_ｋを有するセルの放電深度ＤＯＤ_ｋに依存する、
ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝１−ＤＯＤ_ｋ／Ｃａｐ_ｎ、
ただし、Ｃａｐ_ｎは変更すべきセルの容量である、
上記方法が提示される。

好適に、このことは、平衡化が必要でありまたは可能である限りにおいてのみ、すなわち、平衡化の中断基準が満たされるまで有効である。この中断基準は、該当するセルの現在の充電状態と目標充電状態との間の差分の関数に依存しうる。中断基準は、以下のようになるであろう。
ｆ（ＳＯＣ_ｎ−ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）＞Ａ、
ただし、Ａは設定される閾値。

本方法によって、バッテリの個別の電気化学的バッテリセルの充電状態が平衡化される。独立請求項に記載の特徴を備える本発明に係る方法には、従来技術に対して、充電状態の平衡化の枠組みにおけるエネルギー損失が低減されるという利点がある。その際に、同時に、セルのエネルギー含有量が最適化される。さらに、平衡化の時間が短縮される。平衡化のために、さらなる別のハードウェアを使用する必要はない。本方法は、コンピュータプログラムとしてソフトウェアで実現され、したがって安価に実装される。

詳細には、本方法は、最初に、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての個別のセル容量ＣＡＰ_ｎを決定する工程を含む。この後に、ｎ＝１〜Ｎ個のセルの、最小容量Ｃａｐ_ｋを有するｋ番目のセルを決定する工程と、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての個別の充電状態ＳＯＣ_ｎを決定する工程とが続く。その後に、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての放電深度ＤＯＤ_ｎを決定する工程が続く。このことは、好適に、数式ＤＯＤ_ｎ＝ＣＡＰ_ｎ−ＳＯＣ_ｎ ^＊Ｃａｐ_ｎにしたがって行われうる。その後、さらなる別の工程において、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てについて目標放電深度ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}が設定され、その際、ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝ＤＯＤ_ｋであり、すなわち、目標放電深度は、最小容量を有するセルの放電深度に等しい。目標放電深度に基づいて、ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝１−ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}／Ｃａｐ_ｎから、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てについて目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}が決定される。その後、セルの充電状態ＳＯＣ_ｎと、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てのその目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}との偏差が、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝ＳＯＣ_ｎ−ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}にしたがって決定される。その後、さらなる別の工程において、セルの充電状態ＳＯＣ_ｎと、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てのその目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}との最小偏差ΔＳＯＣ_ｍｉｎが、ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＝ｍｉｎ（ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）に基づいて決定される。その後、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＞Ｘ（ただし、ＸはＸ＞０のパラメータ）に当てはまる、ｎ＝１〜Ｎ個のセルのうちの少なくとも１つの放電が行われる。ｎ＝１〜Ｎ個の全セルが、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ≦Ｘに当てはまる場合には、本方法は終了する。しかしながら、ｎ＝１〜Ｎ個の全セルが、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ≦Ｘに当てはまらない場合には、すなわち、少なくとも１つのセルについて、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＞Ｘである場合には、個別の充電状態を決定する工程に戻り、その後に続く工程を繰り返す。

好適に、放電工程において、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＞Ｘに当てはまる全セルが放電され、さらに好適に同時に放電される。このことにより、平衡化に掛かる時間がさらに低減される。

好適に、予め定められた時間間隔で、充電状態を決定する工程に戻りうる。しかしながら、充電状態を決定する工程に戻ることは、継続的に行われてもよい。

好適に、充電状態は百分率で示され、パラメータＸは、好適に０よりも大きく、かつ、６％よりも小さく、さらに好適に３％よりも小さい。

本方法は、有利に、充電状態の容量型均衡化および誘導型均衡化（ｋａｐａｚｉｔｉｖｅｓｕｎｄｉｎｄｕｋｔｉｖｅｓＡｕｓｂａｌａｎｃｉｅｒｅｎ）のためにも利用されうる。本方法は、放電工程の後であって、充電状態の決定に戻る工程の前に、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＜Ｙ（ただし、Ｘ＞Ｙ）に当てはまるｎ＝１〜Ｎ個のセルの少なくとも１つを充電するために、放電されたセルの放電電流を供給する工程をさらに含む。

好適な実施例において、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＜Ｙに当てはまる全セルが充電され、さらに好適に同時に充電される。

対応して、バッテリ、特にリチウムイオンバッテリのための、上記の本発明に係る方法を含むバッテリ管理システムが提案される。

同様に、本発明に係るバッテリ管理システムを備えたバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ、および、本発明に係るバッテリを備えた車両が示される。

本発明の好適な発展形態は、従属請求項で示され、以下の明細書に記載される。

本発明の実施例が図面に示され、以下の明細書においてより詳細に解説される。
６個のバッテリセルを有する従来技術によるバッテリの充電状態および容量、ならびに、５０％の個別の充電状態を示す。充電状態に対する、電気化学的蓄電池の開放電圧の依存性を示す。バッテリの個々のセルの充電状態を平衡化するための本発明に係る方法を概略的に示す。本発明に係る方法にしたがった、パック充電状態が１００％の際の６個の個別セルを有するバッテリの充電状態および容量を示す。バッテリの本発明に係る平衡化の結果を示す。

本発明は、バッテリまたはバッテリパック、特に、リチウムイオンバッテリまたはリチウムイオンバッテリパックの個別のセルの充電状態を平衡化する方法に関する。

図２は、充電状態に対する、電気化学的セルの開放電圧の依存性を示す。リチウムイオンバッテリのＯＣＶ（ｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅ、開放電圧）特性曲線が示されている。開放電圧は、電気化学的蓄電システムの充電状態と共に上昇するとみなされる。このことは、充電状態にしたがって様々な規模で起こる。

本発明に基づいて、セルの全容量よりも小さい容量ウィンドウ内でのみ作動しうるバッテリパック内のセルにとっては、上記の充電状態の範囲内に容量ウィンドウを置くことは有利である。図１では、このことは、最小容量を有するセルを除く全てのセルに該当する。このウィンドウ内では、セル電圧は平均して、各他の範囲内のセル電圧よりも高い。その結果、取り出すことが可能なエネルギーは、このウィンドウ内で最大である。さらに、多くのセル種の内部抵抗は、充電状態が上がるにつれて上昇し、取り出すことが可能なエネルギーがさらに増大する。

以下の方法では、「充電状態」（ＳＯＣ＝ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）が百分率で示され、その際に、１００％は、セルが完全に充電された状態に相当する。セルの容量は、略して「Ｃａｐ」と示され、以下では、「Ａｈ」という単位で示される。放電深度は、ＤＯＤ（ＤｅｐｔｈｏｆＤｉｓｃｈａｒｇｅ）と略され、同様に「Ａｈ」の単位で示される。放電深度が０Ａｈの場合は、セルが完全に充電されている。放電深度は、ＤＯＤ＝（１−ＳＯＣ）^＊Ｃａｐに基づいて計算される。

バッテリパックのＮ個のセル全体を、エネルギーが最適化されるように平衡化するために、有利に、以下の方法（図３参照）を利用することが可能である。
Ｓ１ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての個別のセル容量Ｃａｐ_ｎを決定し、
Ｓ２ｎ＝１〜Ｎ個のセルの、最小容量Ｃａｐ_ｋを有するｋ番目のセルを決定し、
Ｓ３ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての個別の充電状態ＳＯＣ_ｎを決定し、
Ｓ４ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての放電深度ＤＯＤ_ｎを決定し、このことは好適に、ＤＯＤ_ｎ＝Ｃａｐ_ｎ−ＳＯＣ_ｎ ^＊Ｃａｐ_ｎに基づいて行われ、
Ｓ５ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝ＤＯＤ_ｋに基づいて、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てについて目標放電深度ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}を決定し、
Ｓ６ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝１−ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ，ｎ}／Ｃａｐ_ｎに基づいて、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}を決定し、
Ｓ７セルの充電状態ＳＯＣ_ｎと、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てのその目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}との偏差を決定し、その際、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝ＳＯＣ_ｎ−ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}であり、
Ｓ８セルの充電状態ＳＯＣ_ｎと、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てのその目標充電状態ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}との最小偏差ΔＳＯＣ_ｍｉｎを決定し、その際、ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＝ｍｉｎΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}であり、
Ｓ９ ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＞Ｘ（ただし、Ｘは、Ｘ＞０のパラメータ）に当てはまる、ｎ＝１〜Ｎ個のセルのうちの少なくとも１つを放電し、
Ｓ１０ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てが、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ≦Ｘに当てはまる場合には、次の工程Ｓ１１にとび、全セルが、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ≦Ｘに当てはまらない場合には、個別の充電状態を定める工程Ｓ３に戻り、後続の工程を繰り返し、
Ｓ１１本方法を終了する。

上記の方法は、最初に、充電状態の抵抗型平衡化（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓＡｕｓｂａｌａｎｃｉｅｒｅｎ）に関する。抵抗型平衡化の場合は、セルを放電することのみ可能であり、したがって、抵抗型平衡化の際には、Ｓ９の放電工程のみ重要である。他の実施例で、セルを充電することも可能な容量型平衡化または誘導型平衡化も記載される。

本発明に係る平衡化方法では、例えばコンセントを介して、１００％の充電状態までバッテリを充電する際に、バッテリパックの全セルがそれぞれ１００％の個別充電状態を有するように平衡化される。このことは、最小容量を有するセル「ｋ」の放電深度ＤＯＤ_ｋに対する、目標充電状態ＳＯＣ_{ｚｉｅｌ,ｎ}の依存性によって行われ、図１の６個のセルについて図４に示されている。このようにして、各バッテリセルは常に最大可能なＳＯＣウィンドウ内で、したがって、最大可能な電圧状態で作動されるため（図２参照）、平均して、最大可能なバッテリ電圧が提供される。したがって、本発明に係る方法によって、電圧を乗算した時間当たりの電荷量の積分としての、エネルギー含有量が最適化される。

本発明に係る平衡化方法は、負荷がかかった状態において使用するだけではなく、外部のエネルギー源による充電プロセスの間にも使用することが可能である。

パック充電状態がより低い場合には、セルごとに様々な個別充電状態が、各セル容量にしたがって設定される。このことが、Ｎ＝６個のバッテリセルを有するバッテリパックについて、図５に例示されている。

最小容量を有するセル、すなわちセル５が完全に放電されている場合には、残りの全てのセルは、本発明に係る平衡化方法にしたがってその電荷量を保持し、それ以上は放電しない。

本発明に係る方法は、好適な実施形態において、バッテリのバッテリ管理システムの一部である。したがって、以下では、本発明に係る方法がバッテリ管理システムによって実施されることを例示的に記載することにする。しかしながら、これは、限定的なものではなく、単に例示的なものである。

本方法を進行するために必要な各変数が、以下で数学的に計算され、または、他のやり方および形態で、例えばデータシートによって、決定または測定されうる。

好適に、工程Ｓ１では、セル容量が、バッテリ管理システムによって決定または測定される。その後、次の工程Ｓ２で、獲得されたデータから、最小セル容量を有するセルが決定される。セルの直列接続のために、最小容量を有するセルが、パックの総電荷を制限する。本発明に係る方法では、最小容量を有するセルの放電深度に関して平衡化が行われる。工程Ｓ３では、バッテリの各個々の電気化学的セルの充電状態が決定または測定される。このことは、好適にバッテリ管理システムを用いて行われる。その後、個別の充電状態から、工程Ｓ４で示される数式を用いて、放電深度が計算され、または、他の方法で決定もしくは測定される。これに基づいて、工程Ｓ５で、最小容量を有するセルの放電深度に等しい、各セルについての所望の目標放電深度が設定される。したがって、どのセルも、最小容量を有するセルの放電深度を超えて放電することはできない。その後、セル放電深度から、セル充電状態が、先に工程Ｓ６で示された数式を用いて計算される。平衡化のために、工程Ｓ７で、各セルについて、現在の充電状態と、目標充電状態との偏差ΔＳＯＣ_{Ｚｉeｌ,ｎ}＝ＳＯＣ_ｎ−ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ．ｎ}が決定または計算される。これに続いて、この偏差から、最小偏差ΔＳＯＣ_ｍｉｎが決定される（Ｓ８）。偏差ΔＳＯＣ_{Ｚｉeｌ,ｎ}＝ＳＯＣ_ｎ−ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}と、最小偏差ΔＳＯＣ_ｍｉｎとの差分が、所定または選択可能なパラメータＸよりも大きい場合には、これに当てはまる少なくとも１つのセルが放電される（Ｓ９）。好適に、全てのセルが同時に放電される。工程Ｓ１０で、実際にセルが放電されるかまたは放電される予定かどうかが検査される。「はい」の場合には、工程Ｓ３に戻り、本方法はここから再び開始される。しかしながら、もはやどのセルも放電されない場合には、次の工程に飛んで本方法は終了する（Ｓ１１）。

その際に、Ｓ１０でのフライバック（Ｒｕｅｃｋｓｐｒｕｎｇ）は継続的に行われ（放電プロセスに対して計算時間が短い場合）、または、不連続的に（ｄｉｓｋｒｅｔ）固定の時間間隔で、例えば秒あたり１〜１０回行われる。しかしながら、本方法の精度にしたがって、数分間の期間も有効でありうる。すなわち、どの程度正確に平衡化されるのかをパラメータＸが示す反復法が関わっている。パラメータＸは、実数または正の自然数の要素であってもよい。Ｘは、１０％より小さくてもよく、好適に、Ｘは６％よりも小さく、さらに好適に３％よりも小さい。より大きなパラメータは本方法を加速させるが、適合がより不正確になる。より低いパラメータによって、平衡化後の個別充電状態の帯域幅がより低くなるが、適合時間がより長くなる。

表１は、バッテリ、特に、Ｎ＝６個の個々のセルを有するリチウムイオンバッテリの抵抗型平衡化（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅＡｕｓｂａｌａｎｃｉｅｒｕｎｇ）のための本発明に係る方法の一実施例を示している。その際、放電のためのパラメータＸは、例えば４％である。表１から分かるように、セル３は、最小容量、ここでは１８．３Ａｈを有するセルであり、６２％の充電状態を有する。この場合、個別セルのいわゆるセル放電深度ＤＯＣ_Ｚｉｅｌは、最小容量を有するこのセルの放電深度と等しく設定される。セル５は、本方法によれば充電する必要があるであろう。なぜならば、その目標充電状態は６６％であるが実際充電状態は６３％だからである。しかしながら、純粋な反復法では、このことは可能ではない。偏差Ｘの閾値が４％の場合、本例では、最初の工程で、セル１、２、４および６が放電される。反復法のさらなる経過については記載しない。

さらなる別の実施例において、本方法は、充電状態の容量型平衡化および誘導型平衡化のためにも適合されうる。その際に、本方法の工程Ｓ９では、放電されたセルの放電電流が、他のセルの充電のために利用される。その後、ΔＳＯＣ_{ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＜Ｙ（ただし、Ｘ＞Ｙ）に当てはまる少なくとも１つのセルが充電される。好適に、上記関係に当てはまる全てのセルが一緒に充電される。パラメータＹは、パラメータＸに関する示された限界値内で自由に設定されうる。

本発明に係る方法は、好適にソフトウェアとして、バッテリのバッテリ管理システムに実装される。このソフトウェアによる解決策によって、可能な限りコストが安価でフレキシブルな、本発明の実装が可能となる。

対応するバッテリ管理システムを備えたバッテリは、車両の構成要素でありうる。好適に、バッテリは、車両の駆動システムの構成要素であり、車両のエンジンと接続されている。

Claims

Ｎ個のバッテリセルを有するバッテリの充電状態を平衡化する方法であって、
ｎ＝１〜Ｎ個の前記セルの個別の前記充電状態（ＳＯＣ_ｎ）を平衡化するために、少なくとも１つのセルの前記充電状態が、目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）に変更され、
前記目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）は、以下の数式にしたがって、最小容量（Ｃａｐ_ｋ）を有する前記セルの放電深度（ＤＯＤ_ｋ）に依存する、
ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝１−ＤＯＤ_ｋ／Ｃａｐ_ｎ、
ただし、Ｃａｐ_ｎは、変更すべきｎ番目のセルの容量である、
方法。
（Ｓ１）ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての個別のセル容量（Ｃａｐ_ｎ）を決定する工程と、
（Ｓ２）ｎ＝１〜Ｎ個の前記セルの、最小容量（Ｃａｐ_ｋ）を有するｋ番目のセルを決定する工程と、
（Ｓ３）ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての前記個別の充電状態（ＳＯＣ_ｎ）を決定する工程と、
（Ｓ４）ｎ＝１〜Ｎ個のセル全ての前記放電深度（ＤＯＤ_ｎ）を決定する工程と、
（Ｓ５）ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝ＤＯＤ_ｋに基づいて、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てについて目標放電深度（ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）を決定する工程と、
（Ｓ６）ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝１−ＤＯＤ_{Ｚｉｅｌ，ｎ}／Ｃａｐ_ｎに基づいて、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てについて目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）を決定する工程と、
（Ｓ７）セルの前記充電状態（ＳＯＣ_ｎ）と、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てのその目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）との偏差を決定する工程であって、その際、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}＝ＳＯＣ_ｎ−ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}である、前記決定する工程と、
（Ｓ８）セルの前記充電状態（ＳＯＣ_ｎ）と、ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てのその目標充電状態（ＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）との最小の前記偏差（ΔＳＯＣ_ｍｉｎ）を決定する工程であって、その際、ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＝ｍｉｎ（ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}）である、前記決定する工程と、
（Ｓ９）以下の条件に当てはまるｎ＝１〜Ｎ個の前記セルのうちの少なくとも１つを放電する工程であって、
ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＞Ｘ、
ただし、Ｘは、Ｘ＞０のパラメータである、
前記放電する工程と、
（Ｓ１０）ｎ＝１〜Ｎ個のセル全てが、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ≦Ｘに当てはまる場合には、次の工程（Ｓ１１）にとび、全セルが、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ≦Ｘに当てはまらない場合には、前記個別の充電状態を決定する工程（Ｓ３）に戻り、その後に続く工程を繰り返す工程と、
（Ｓ１１）本方法を終了する工程と、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記放電する工程において、ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＞Ｘに当てはまる全セルが放電される、請求項２に記載の方法。
予め定められた時間間隔で、前記個別の充電状態を決定する工程（Ｓ３）に戻る、請求項２または３に記載の方法。
前記充電状態（ＳＯＣ）は百分率で示され、前記パラメータＸは、０よりも大きく、かつ、６％よりも小さく、好適に３％よりも小さい、請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
充電状態の容量型均衡化および誘導型均衡化のために、前記放電する工程（Ｓ９）は、以下の条件に当てはまるｎ＝１〜Ｎ個の前記セルの少なくとも１つを充電するために、前記放電されたセルの放電電流を供給する工程、
ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＜Ｙ、
ただし、Ｘ＞Ｙ
をさらに含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法。
ΔＳＯＣ_{Ｚｉｅｌ,ｎ}−ΔＳＯＣ_ｍｉｎ＜Ｙに当てはまる全セルが同時に充電される、請求項６に記載の方法。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を含む、バッテリのためのバッテリ管理システム。
請求項８に記載のバッテリ管理システムを備えたバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ。
請求項９に記載のバッテリを備えた車両。