电池系统中的均衡系统的校准的制作方法

1.本发明涉及一种用于校准电池系统中的均衡系统的方法。


背景技术：

2.电池系统：
3.用于电动或混合动力电动运行的车辆的电池系统包括多个并联和串联连接的单个二次电池单体、通常是锂离子电池单体，它们由电池管理系统(bms)控制。
4.bms尤其是具有监控运行数据、如电池单体电压、充电状态(soc)、老化程度(soh)、电流、温度以及控制电池单体充放电的功能。bms的其它任务是电池系统的热管理、电池单体的保护以及根据记录的运行数据预测电池单体的剩余使用寿命。
5.在电池系统中，单个电池单体可串联连接，以达到希望的电压、如200v至400v。作为替代方案，为了增加容量，可将多个电池单体成组地并联连接，并将如此得到的电池组再串联连接。从bms的角度来看，并联连接的电池组在电压或soc监控方面以及在下文更详细描述的均衡方面表现得像单个电池单体。因此，在下文中将单个电池单体和并联连接的单个电池单体的组统称为“电池单体单元”。
6.均衡：
7.bms的一个重要功能是所谓的均衡，即单个电池单体或者说电池单体组的充电状态的平衡。单个电池单体的充电状态(soc)例如可能通过因不均匀的温度分布或制造波动而增加的自放电偏离电池单体组合体的其余电池单体的soc。
8.这种不平衡通过电池单体电压的漂移变得明显并可导致电池单体的使用寿命缩短和磨损加剧。这同样适用于并联连接的单个电池单体的组，它们向外部表现得像具有相应更大容量的单个电池单体。在均衡时使电池单体单元(即单个电池单体或电池单体组)的充电状态彼此相等，以恢复平衡。
9.一般性地，可分为主动和被动均衡方法。在主动均衡方法中，电荷从具有较高soc的电池单体单元转移到具有较低soc的电池单体单元。这可通过电荷转移元件、如电容器、线圈和/或电压转换器来进行。而在被动均衡方法中，在具有较高soc的电池单体中多余的电荷简单地通过电阻(分流器)耗散，直到充电状态达到平衡。
10.在均衡期间为每个电池单体转换(即被消耗以及在主动均衡时也可能由其提供)的电荷及其在电池系统的各个电池单体上的分布提供了关于自放电程度的结论，这又可指示老化状态(soh)并且在必要时也指示产生内部短路的风险。因此，需要用于精确确定均衡电荷的方法。
11.任务提出：
12.原则上，均衡电荷可由电池单体电压、均衡电路的操纵的持续时间和均衡电路本身的特性来确定。在被动均衡的情况下，均衡电流可由负载电阻(分流器)的电阻值r和均衡期间测量的电压曲线u(t)计算，即i(t)＝u(t)/r，并且在均衡系统的操纵的持续时间上的积分提供流过的电荷。
13.然而这里的难点在于，尽管电压曲线和时间都以良好的精确度已知，但电荷确定的精确度取决于负载电阻的容差。出于成本原因，对于大多数使用目的来说不考虑使用高精度负载电阻或单独重新测量精确的电阻值。
14.因此，需要一种用于以高精度确定均衡电荷的校准方法，该方法可在具有被动均衡的预配置电池系统——在其中负载电阻的精确电阻值未知——中实施，而无需实施较大耗费。优选该方法应也可在现场或在进行的运行期间实施，而不需要特殊的实验室级设备。


技术实现要素：

15.本发明涉及一种用于校准电池系统中的被动均衡系统的方法，该电池系统包括多个锂离子电池单体和电池管理装置(bmu)。
16.在根据本发明使用的电池系统中，由单个电池单体或由并联连接的多个电池单体的组形成的电池单体单元分别串联连接成组串(strangweise)。每个电池单体单元(即单个电池单体或并联连接的电池单体的组块)设有放电电路，所述放电电路具有负载电阻ri，其中，ri的值是校准参数。bmu还设置用于，测量每个电池单体单元的电压ui并在可选择的时间点操纵放电电路，以便通过负载电阻ri以受控的方式将电池单体单元i放电。
17.根据本发明的包括以下步骤：
[0018]-在放电持续时间ti上操纵电池单体单元i的放电电路；
[0019]-确定在放电持续时间ti内取出的电荷qi和电压时间曲线ui(t)；
[0020]-确定ri为
[0021][0022]
为了确定qi，作为替代方案尤其是考虑提供已知的电荷并且随后通过均衡系统将其耗散并且借助已知的电池单体的差分电容ci＝dqi/dui由电压进行计算。
[0023]
通过根据本发明的校准方法能够确定负载电阻ri的精确值，这又可精确确定均衡期间流过的电荷量，该电荷量又可用于诊断(例如刚开始的内部微小短路(feinschluesse))。所述校准方法也可在电池系统的整个使用寿命期间反复使用，而无需访问车间。
附图说明
[0024]
图1示意性示出电池单体单元的组串的结构，这些电池单体单元分别设有放电电路和电压测量装置；
[0025]
图2示意性示出在通过提供并且随后耗散预定的电荷来确定qi时的结构。
具体实施方式
[0026]
下面更详细地描述使用根据本发明的方法的电池系统的结构以及根据本发明的方法本身的实施方式。
[0027]
电池系统和均衡：
[0028]
使用根据本发明的方法的电池系统包括多个锂离子电池单体和电池管理装置(bms)，其中，由单个电池单体或由并联连接的电池单体的组形成的电池单体单元分别设有
均衡电路。电池管理装置设置用于，在预定时间点进行电荷平衡，即均衡。为此，在其电池单体电压高于至少一个另外的电池单体或电池单体组的电池单体或电池单体组中操纵平衡电路，以便从该电池单体或电池单体组取出电荷，直到电池单体电压彼此被平衡。
[0029]
均衡通常在静止阶段期间进行，例如在充电之后和在电池系统未被加负载时。如果电池系统安装在电动车辆中，则可在行驶运行之外的任何时间点进行均衡，优选在储能器充电后立即进行。在混合动力电动车辆或插电式混合动力电动车辆中，借助内燃机的行驶运行也考虑在内。根据本发明，均衡的时间点和确切方法没有特殊限制，只要通过bms能够确定在平衡期间为每个电池单体转换的电荷。
[0030]
在被动均衡时，从具有较高电池单体电压(并且因此具有较高soc)的电池单体取出电荷并在负载电阻(分流器)上耗散。在图1中示出对于n个串联连接的电池单体的情况这种被动均衡电路的简化示意图。对于每个电池单体i，由bms监控电池单体电压ui。此外，每个电池单体设有一个分流电路，该分流电路包括由bms控制的至少一个开关si(如mosfet)和本来的并联电阻(分流器)ri。
[0031]
为了保持低的设备成本，没有设置用于直接测量均衡电路中的电流ii的可能性。取而代之，由电阻值ri和在均衡期间测量的电压曲线ui(t)计算均衡电流为ii(t)＝ui(t)/r。关于时间的积分提供流过的电荷。
[0032]
负载电阻的确定：
[0033]
根据本发明的校准方法用于精确确定电阻值ri，以便能够精确确定均衡电流和流过的电荷。在均衡期间流过负载电阻的电流一般为ii＝ui/ri，其中，ui是电池单体单元的充电状态(soci)的函数并且因此不必随时间保持恒定，而是取决于已经流过的电荷qi。因此，电荷计算为:
[0034]
qi＝∫iidt＝1/ri＊∫uidt
[0035]
如上所述，电池管理装置能够以高精度测量ui并在必要时随时间记录ui，以便例如能够监控电池单体单元的充电状态(soc)。
[0036]
本发明基于这样的构思：借助上述公式确定校准参数ri，方式为：确定放电电路的操纵持续时间(放电持续时间)ti、流过的电荷qi和电压曲线ui(t)。因此ri可计算为
[0037]ri
＝1/qi＊∫uidt。
[0038]
为此所需的测量和计算由本来就通过配置用于监控电压和控制放电电路的电池管理装置来进行。
[0039]
为了确定流过的电荷qi，例如考虑提供已知电荷并且随后通过放电电路取出该电荷，或者由差分电容和放电期间的电压曲线计算电荷。
[0040]
通过提供已知电荷来确定qi：
[0041]
确定qi的第一种可能性是提供已知电荷q，这基于电池单体单元的充电状态的增加而导致电压ui增加。然后操纵放电电路，直到增加的电压再次下降到初始值。因此电池单体单元的充电状态(soc)也再次与提供电荷前相同，即放电期间流过的电荷qi相应于提供的电荷q。示意性结构在图2中示出。
[0042]
根据本发明的方法的该实施方式包括以下步骤：
[0043]
(1)通过电池管理装置确定组串中的每个电池单体单元i的初始电压u
i,0
；
[0044]
(2)在预定的时间t
l
上向组串施加预先已知充电电流i，以便为每个电池单体单元
提供已知电荷q＝∫idt；
[0045]
(3)取出先前提供的电荷qi＝q，方式为：操纵放电电路，直到再次达到初始电压u
i,0
，使得放电持续时间ti满足条件ui(ti)＝u
i,0
；
[0046]
(4)确定ri为
[0047][0048]
其中ti(u＝u
i,0
)是放电持续时间，在该时间之后电压再次下降到初始值u
i,0
。
[0049]
首先，在步骤(1)中测量电压u
i,0
，所述电压u
i,0
是电池单体单元的初始soc的度量，所述初始soc也必须等于后续步骤(3)结束时的最终soc。
[0050]
然后，在步骤(2)中在限定的时间段内以限定的充电电流为整个组串充电。该步骤可借助传统的充电器进行并且与正常充电的不同之处仅在于所述电池系统没有被完全充电，而只是提供已知的电荷q，该电荷通过充电电流的时间积分来计算。
[0051]
充电方法没有特殊限制。例如可以恒定电流或以恒定电压进行充电。仅需要测量充电电流i的时间曲线，以便能够计算电荷。为了控制充电过程，电池系统或充电装置本来就设有电流测量装置，该电流测量装置可用于确定电荷。在图2中简要示出的实施方式中，电流测量装置集成到电池系统(“s盒”，s-box)中。必要时可在充电电路中引入高精度的电流测量装置，以便以高精度确定电荷。
[0052]
步骤(2)不需要对单个电池单体单元进行物理访问，而是可在使用常见的充电设备的情况下在现场利用已安装的电池系统进行实施。最多可能需要高精度电流测量装置作为附加设备。
[0053]
由于组串仅由串联连接的电池单体单元形成，因此流过每个电池单体的电流相同并且因此近似地为每个电池单体单元提供的电荷也相同并且可计算为q＝∫idt。
[0054]
在充电结束之后，由于电池单体电压略有不同，在各电池单体之间可能会发生缓慢的电荷交换，从而电荷会随着时间的推移而彼此漂移。然而在根据本发明的方法中基于缓慢的时间标度这种影响可忽略不计，尤其是如果步骤(3)接着步骤(2)立即实施。
[0055]
通过基于所提供的q增加soc，在步骤(2)之后，电池单体单元中的电池单体电压相对于u
i,0
增加。在步骤(3)中，通过操纵放电电路对电池单体单元进行放电，直到再次达到u
i,0
和因此初始soc。在此，耗散的电荷qi因而等于步骤(2)中提供的电荷。
[0056]
通过记录在放电期间的电压曲线并关于时间积分，然后在步骤(4)中计算负载电阻ri的值为：
[0057][0058]
不需要特殊的实验室设备，也不需要对电池系统本身采取任何外部措施。
[0059]
借助已知的差分电容来确定qi：
[0060]
作为替代方案，qi也可由存储在电池管理装置中的差分电容ci＝dqi/dui确定或者由存储的、确定soc本来就需要的电荷/电压相关数据qi(ui)通过根据电压进行微分来计算。
根据本发明方法的这种在使用差分电容ci的情况下的实施方式包括以下步骤：
[0061]
(1)操纵放电电路，以便在预定的时间ti上通过电阻ri将每个电池单体单元i放电，同时测量放电期间的电压ui(t)以获得电压时间曲线；
[0062]
(2)由ci和ui(t)确定在预定时间ti期间取出的电荷qi为:
[0063][0064]
(3)确定ri为：
[0065][0066]
在步骤(1)中，再次以受控方式将电池单体放电并且测量放电期间的电压曲线。然而与第一种方案相比，取出的电荷不是预先已知的，而是必须在步骤(2)中由预先已知的差分电容ci和测量的电压曲线ui(t)计算出来。差分电容ci要么本身存储在电池管理系统中，要么由预先已知的空载特性曲线动态(on-the-fly)计算出来。
[0067]
最后，在步骤(3)中，以类似于第一种实施方式的方式确定ri。