技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于均衡蓄电装置的电池的单体的方法。
[0002] 特别地，本发明涉及对电动车辆或混合动力车辆的电池的管理。
相关背景技术
[0003] 电动车辆、混合动力车辆或甚至可充电的混合动力车辆包括蓄电装置的、由串联和/或并联的大量单体形成的电池。
[0004] 虽然在蓄电装置的电池中，所有的单体都具有类似于其他单体的特性，但是仍然存在尤其是物理离差或差异，比如以安培小时(Ah)为单位的容量离差和以欧姆(Ω)为单位的电阻离差。一般来说，这些单体状态也会发生暂时离差，比如荷电状态(SOC)和/或温度的差异。
[0005] 随着时间的推移和电池的使用，所有这些物理离差和状态差异都会导致单体发生程度不同的老化。单体老化速率的这种差异导致单体之间的健康状态(SOH)有所不同。
[0006] 然而，由于电池的总可用容量会直接受到影响，因此串联安装的单体之间荷电状态的任何差异都是限制性参数。具体地，单体之间的电荷差异越大，电池的总可用容量减少得越多。因此，这对电动车辆的续航里程具有负面影响。
[0007] 这就是需要定期均衡单体的原因。均衡由电池管理系统(BMS)直接且独立地执行。
[0008] 在大多数情况下，这是所谓的“耗散”均衡(也称为“被动”均衡)的问题，其主要在于通过使得单体放电到电阻器中以使其达到目标荷电状态(通常为具有最低荷电状态的单体的SOC)，从而均衡单体的荷电状态。
[0009] 当均衡电路的尺寸合适时(即当均衡电流充足时)，并且当定期使用均衡策略时，单体之间的荷电状态的离差会保持在低于给定的阈值。该阈值尤其取决于单体电压的测量精度。
[0010] 然而，只能在车辆操作期间激活这种均衡策略。
[0011] 因此，这些策略无法在较长驻车阶段期间避免单体失衡。
[0012] 另外，众所周知，常规的单体均衡并不是设计为在驾驶阶段期间为电动车辆均衡足够数量的安培小时。
[0013] 因此，举例来说，在常规均衡的情况下并且对于2.5V的标称单体电压以及130欧姆的均衡电阻器，如果考虑到机动车辆的用户简档为每月使用25天、在最坏的情况下每天通勤20分钟并且每月充电1小时20分钟，则在这种精确的情况下，在考虑单体为140Ah的情况下，主动均衡将只能够重新均衡0.064423077Ah而需求为0.7Ah。
[0014] 因此，为了能够确保无论机动车辆的使用简档如何单体都是均衡的，有必要部署在机动车辆睡眠时实施的独立均衡策略。所谓的睡眠意指关闭机动车辆并关闭其计算机的状态。
[0015] 目的进一步在于不从车辆的车载供电电网汲取电力，因为需要在包括BMS在内的所有计算机都睡眠的情况下执行该操作。
[0016] 因此，需要一种用于均衡单体的独立方法，该方法在机动车辆睡眠时发挥作用，并且不会导致单体过热或过放电。
[0017] 文献US 2018/0354387 A1在现有技术中是特别已知的，其描述了一种用于在机动车辆睡眠时均衡电池单体的方法，该方法实施独立的集成电路，比如专用集成电路(ASIC)。然而，所描述的方法效率相对较低，并且不能优化机动车辆的续航里程。
具体实施方式
[0053] 由于图1和图2涉及本发明的相同的第一实施例，因此将同时对它们进行讨论。
[0054] 电动车辆、混合动力车辆或可充电的混合动力车辆的电气系统1包括蓄电装置的电池2。
[0055] 该蓄电装置的电池2由多个不同的单体20‑35构成，这些单体布置在彼此附近。
[0056] 在该示例中，将这些单体编号成使得它们也可以由奇偶性值来标识，偶数单体与偶数相关联，并且奇数单体与奇数相关联，因此这些单体被排列成使得偶数单体与奇数单体交替。
[0057] 这些单体被分成两个子组201和202，第一子组201包括单体20至27，并且第二子组包括单体28至35。
[0058] 尽管在本示例中，每个子组201、202包括8个单体，但是本发明不限于这个单一的示例。特别地，已知子组可以包括6到12个电池，但是本领域技术人员同样可以创建更小或更大的子组，但是本发明的有效性可能会因此下降。
[0059] 具有单体的每个子组201、202与一个独立的从设备4、4’相关联，在该实施例中，该独立的从设备是专用集成电路(ASIC)。但是，独立的从设备4、4’并不限于这种单一类型的部件。作为非限制性示例，它们也可以是现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、微处理器。
[0060] 独立的从设备4、4’进一步包括针对每个单体的受控开关60‑75和电阻器80‑95，例如电阻在50欧姆至150欧姆之间的电阻器，在该实施例中电阻为100欧姆。
[0061] 因此，对于每个单体20‑35，在相关联的从设备4、4’中都存在电路，从而允许均衡单体20‑35。该电路包括串联在一起的电阻器80‑95和受控开关60‑75。
[0062] 当对单体20‑35进行均衡时，它向与其相关联的电阻器80‑95放电，这种放电导致了均衡。换句话说，通过向相关联的电阻器80‑95放电来减少单体20‑35的电荷，以使其电荷回到均衡电荷水平。然而，这种情况导致相关联的电阻器80‑95明显发热。
[0063] 独立的从设备4、4’中的电阻器80‑95的常规布置是布置成一排，也就是说，这些电阻器在所讨论的每个独立的从设备中在空间上彼此并排布置，如图1所示。
[0064] 每个独立的从设备4、4’被配置为分别控制与它们的单体20‑27和28‑35中的每一个相关联的开关60‑67和68‑75。
[0065] 通过控制开关60‑75闭合，独立的从设备4、4’因此使得相关联的单体20‑35相对于相同子组201、202中的另一个单体20‑35实现均衡。
[0066] 然而，当对单体20‑35进行均衡时，相关联的电阻器80‑95发热。因此，建议避免同时使两个相邻的单体20‑35放电，因为这可能导致相邻的电阻器80‑95过热和故障。
[0067] 电气系统1包括主管理单元5，其控制独立的从设备4、4’的操作。换句话说，主管理单元5是独立的从设备4、4’的主单元。
[0068] 主管理单元5例如可以是车载计算机或任何其他计算设备，其能够传送和接收来自电池单体的测量信息，并控制给予独立的从设备4、4’的命令。
[0069] 该主管理单元5和独立的从设备4、4’形成通常称为电池管理系统(BMS)的组件。
[0070] 主管理单元5实施方法30，以控制独立的从设备4、4’来均衡电池2的单体20‑35，使得当实际执行这种均衡时，该主管理单元可以被关闭。
[0071] 在该实施例中，当主管理单元5接收到关闭或待机命令时，触发该方法30。因此，当将用于关闭机动车辆或使其睡眠的命令传输到主管理单元5时，该主管理单元实施以下方法30，以便在机动车辆的关闭或睡眠时段期间组织电池的均衡。
[0072] 该方法30包括针对每个子组201、202并行或串行实施的步骤。
[0073] 因此，对于每个子组201、202，首先实施步骤301：接收对于与所述独立的从设备4、4’相关联的每个单体20‑35而言要均衡的电荷量。
[0074] 在该实施例中，所谓的电荷意指以安培小时(通常写为Ah)或以库仑C为单位的电荷值。
[0075] 接下来，确定302该独立的从设备4、4’的该组单体20‑35中具有要均衡的最大电荷量的单体。
[0076] 然后，选择304相同子组中的允许电压相对于所述确定的单体302均衡的单体。
[0077] 为此，在该实施例中，实施基于与单体的相关联电阻器80‑95的奇偶性值来选择单体的步骤。具体地，这种解决方案使得从要实施的算法的角度来看可能相对快速。
[0078] 在该示例中，单体20‑35各自都与一个电阻器80‑85相关联，这些电阻器的附图标记具有相同的单位。因此，例如，单体21与电阻器81相关联，它们二者都是奇数值。
[0079] 如前所解释的，必须避免相邻电阻器80‑95的发热。
[0080] 因此，首先执行标识在先前步骤302中所确定的单体的电阻器80‑95的奇偶性值的步骤。
[0081] 为此，子组201、202中的每个单体20‑35和每个相关联的电阻器80‑95与一个数值(例如在该示例中是其附图标记)相关联，并且检查该值除以2的欧几里德除法的余数为零(在这种情况下该数字是偶数)还是为非零(在这种情况下该数字是奇数)。
[0082] 然而，本发明不限于确定单体的奇偶性的这种单一方式，并且实施看起来合适的任何方法在本领域技术人员的能力范围之内。特别地，可能地将奇偶性指示符(例如二进制值)与每个单体相关联，从而不必多次再计算单体的奇偶性。
[0083] 此外，尽管该实施例的第一示例是基于奇偶性选择的，但是也可以规定通过选择其值与在步骤302中确定的单体的电阻器的值模N>2同余的电阻器来选择不相邻的单体电阻器。例如，尤其可以每隔两个其他电阻器选择一个电阻器，或者换句话说，每三个中选择一个电阻器，并且因此该电阻器的值与步骤302中确定的电阻器的值模3同余。
[0084] 然后，选择304进行均衡的一组候选单体，该组候选单体包括该子组中的所有单体，这些单体的相关联电阻器80‑95的奇偶性与为要均衡的单体的电阻器确定的奇偶性相同。
[0085] 然后，从这组候选单体中排除305要均衡的电荷小于预定阈值的单体。
[0086] 通过计算这些独立的从设备4、4’的最大工作时间乘以最大均衡电流的乘积来计算预定阈值。
[0087] 在ASIC的情况下，最大时间例如被定义为在一小时到两小时的范围内——例如，3640秒的持续时间——并且最大均衡电流例如在从20mA到100mA的值范围内。
[0088] 然而，本发明不限制选择步骤304和排除步骤305的这种精确的实施顺序。例如，可以规定首先排除305要均衡的电荷小于预定阈值的所有单体，然后在所有剩余单体中选择奇偶性与为要均衡的单体确定的奇偶性相同的单体。选择结果仍然是相同的。
[0089] 然后，实施命令与该子组201、202相关联的独立的从设备的步骤，使得它通过控制相关联的受控开关来均衡具有要均衡的最大电荷量的单体与所述候选单体的选择中的单体。
[0090] 接下来，一旦所有的独立从设备4、4’已经接收到均衡命令，就关闭主管理单元5或使其睡眠。
[0091] 如此描述的方法30有利地允许，一旦主管理单元5(例如，BMS)已经处于睡眠，就能单独控制独立的从设备4、4’(例如，ASIC)中的每一个，使得它们在确定的时间内驱动所配置的受控均衡开关60‑75，该确定的时间是预定的或者可根据需要配置的。
[0092] 该方法被进一步配置为：
[0093] ‑通过选择不相邻的要均衡的单体20‑35使得不引起电阻器80‑95的异常发热，[0094] ‑通过定义最小阈值使得单体不会过放电，
[0095] 在丝毫不降低机动车辆的性能的同时，该方法的操作是完全独立的。
[0096] 根据第二实施例，使用不同于第一实施例的奇偶性选择的技术来选择304相同的子组201、202中的单体，以便相对于所述确定的单体302均衡电压。在该第二实施例中，选择与要均衡的单体不相邻的所有单体。为此，相关联的独立从设备可以包括允许这种确定的任何类型的数据组织——例如，子组201、202中的单体的布置图可以被存储在存储器中。
[0097] 这种用于在“睡眠”模式下控制电池单体均衡的方法可以应用于监测多单体电池的任何其他系统，以便限制单体之间的失衡，从而不仅在汽车领域、而且在实施涉及电子器件的任何其他领域保持自主性。
[0098] 例如，该方法可以被实施为限制膝上型计算机的电池的单体之间的失衡。
[0099] 在系统的电池管理单元的供电受到消耗约束的情况下，该方法还可以在固定系统中实施。
