电池均衡方法、系统、装置及车辆

技术领域

本公开涉及电池技术领域，具体地说，涉及电池均衡方法、系统、装置及车辆。

背景技术

随着能源和环保问题的日益突出，蓄电池组或电池堆(例如，锂离子电池组等)被越来越广泛地采用于各种设备中(例如，风力发电设备、诸如混合动力和电动车辆的车辆等)。蓄电池组通常由不同数量的电池单元串联组成，每个电池单元在制造出来后，受环境温度、湿度等因素影响，初始性能(例如，电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数)本身存在一定差异。随着电池的使用，这些性能差异不断累积，同时由于各电池单元在电池组内的使用环境不完全相同，也导致了电池单元的不一致性逐步放大(例如，引起不同的电池衰减)，造成电池组中的各个电池单元的不平衡。电池单元的这种不平衡使得对电池单元的过度充电或放电将导致电池组不可逆的损坏，因此需要对电池组进行电荷均衡来降低或消除不一致性，提高电池组性能和延长电池组使用寿命。

在现有技术中，电荷均衡方式包括被动均衡、主动均衡或混合均衡。出于成本和复杂度考虑，通常采用被动均衡来实现电荷平衡。例如，现有的被动均衡方法通常将充电较高的电池单元放电到充电较低的电池单元的水平来使各个电池单元具有一致的实时充电状态或电荷状态(SOC，state of charge)。然而，使所有电池单元具有相同的SOC会不必要地使较多的电池放电和对电池单元过冲，这浪费了能量和损伤了电池单元。

因此，需要一种改进的电池均衡方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供了电池均衡方法、系统、装置及车辆。本发明通过结合电池单元的SOC值和实际容量来控制电池单元的被动均衡处理以降低或消除各个电池单元的不一致性，可以减少待均衡的电池单元的数量或放电量，从而避免了能量的浪费，进一步提高电池组性能和延长电池组使用寿命。

根据本发明的第一方面，提供了一种电池均衡方法，包括：获取电池组中多个电池单元的相应的电荷状态(SOC)值和实际容量；基于所述多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定所述电池组中待均衡的电池单元集合及所述电池单元集合的目标均衡参数；以及如果所述电池单元集合不是空集，则基于所述电池单元集合的目标均衡参数对所述电池单元集合进行被动均衡处理。

根据本发明的优选实施方式，获取所述多个电池单元的相应的SOC值包括：对于所述多个电池单元中的每个电池单元：确定所述每个电池单元是否处于充电或放电状态；以及如果所述每个电池单元处于充电或放电状态，则基于所述每个电池单元的电流采样值、电压采样值和采样时间来确定所述每个电池单元的SOC值，或者如果所述每个电池单元未处于充电或放电状态并且所述每个电池单元的充电或放电回路断开，则基于所述每个电池单元的电池开路电压与所述每个电池单元的SOC值的对应关系来确定所述每个电池单元的SOC值。

根据本发明的优选实施方式，获取所述多个电池单元的相应的实际容量包括：通过所述多个电池单元的相应的SOC值和标称容量来确定所述多个电池单元的相应的实际容量。

根据本发明的优选实施方式，确定所述电池组中待均衡的电池单元集合及所述电池单元集合的目标均衡参数包括：基于所述多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定所述各个电池的相应的可用充电容量和可用放电容量；将所述多个电池单元的相应的实际容量中的最小值与所述多个电池单元的相应的可用放电容量中的最小值之差确定为充电容量阈值；将所述多个电池单元中可用充电容量小于所述充电容量阈值的所有电池单元确定为待均衡的电池单元集合；将所述待均衡的电池单元集合中的每个电池单元的目标均衡参数确定为所述充电容量阈值与可用充电容量的差值。

根据本发明的优选实施方式，所述多个电池单元上都并联有由功率耗散元件和开关元件形成的串联回路；其中，基于所述电池单元集合的目标均衡参数，对所述电池单元集合进行被动均衡处理包括：基于所述目标均衡参数来控制所述开关元件的闭合，以通过所述功率耗散元件进行放电。

根据本发明的优选实施方式，该方法还包括：在执行所述电池均衡方法的各步骤之前，检测所述多个电池单元的温度和电流值；基于所述多个电池单元的温度和电流值，确定所述多个电池单元是否正常工作。

根据本发明的第二方面，提供了一种电池均衡系统，包括：获取单元，被配置为获取电池组中多个电池单元的相应的电荷状态(SOC)值和实际容量；确定单元，被配置为基于所述多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定所述电池组中待均衡的电池单元集合及所述电池单元集合的目标均衡参数；以及均衡单元，被配置为如果所述电池单元集合不是空集，则基于所述电池单元集合的目标均衡参数对所述电池单元集合进行被动均衡处理。

根据本发明的优选实施方式，所述获取单元被配置为：对于所述多个电池单元中的每个电池单元：确定所述每个电池单元是否处于充电或放电状态；以及如果所述每个电池单元处于充电或放电状态，则基于所述每个电池单元的电流采样值、电压采样值和采样时间来确定所述每个电池单元的SOC值，或者如果所述每个电池单元未处于充电或放电状态并且所述每个电池单元的充电或放电回路断开，则基于所述每个电池单元的电池开路电压与所述每个电池单元的SOC值的对应关系来确定所述每个电池单元的SOC值。

根据本发明的优选实施方式，所述获取单元被配置为：通过所述多个电池单元的相应的SOC值和标称容量来确定所述多个电池单元的相应的实际容量。

根据本发明的优选实施方式，所述确定单元被配置为：基于所述多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定所述各个电池的相应的可用充电容量和可用放电容量；将所述多个电池单元的相应的实际容量中的最小值与所述多个电池单元的相应的可用放电容量中的最小值之差确定为充电容量阈值；将所述多个电池单元中可用充电容量小于所述充电容量阈值的所有电池单元确定为待均衡的电池单元集合；将所述待均衡的电池单元集合中的每个电池单元的目标均衡参数确定为所述充电容量阈值与可用充电容量的差值。

根据本发明的优选实施方式，所述多个电池单元上都并联有由功率耗散元件和开关元件形成的串联回路；其中，所述均衡单元被配置为：基于所述目标均衡参数来控制所述开关元件的闭合，以通过所述功率耗散元件进行放电。

根据本发明的优选实施方式，所述电池均衡系统还包括检测单元，所述检测单元被配置为：在执行电池均衡之前，检测所述多个电池单元的温度和电流参数值；基于所述多个电池单元的温度和电流参数值，确定所述多个电池单元是否正常工作。

根据本发明的第三方面，提供了一种电池均衡装置，包括：至少一个处理器；以及存储器，其用于存储计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被执行时使得所述至少一个处理器执行前述第一方面所述的电池均衡方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种车辆，包括：电池组；以及根据前述第二方面所述的电池均衡系统或根据前述第三方面所述的电池均衡装置。

附图说明

本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，其中相同的附图标记表示相同或相似的部件。

图1示出了其中可以应用本公开的实施例的示例性装置或系统的示意图。

图2示出了根据本公开的实施例的示例性电池均衡方法的流程图。

图3示出了根据本公开的实施例的示例性被动均衡处理的电路图。

图4示出了根据本公开的实施例的示例性电池均衡系统的框图。

图5示出了根据本公开的实施例的示例性电池均衡装置的框图。

具体实施方式

如以下所描述的，本公开的一些示例性实施例提供了电池均衡方法、系统、装置及车辆，更具体地，提供了用于对蓄电池组的电池单元进行被动均衡的方法、系统、装置及包括该系统或装置的车辆。

在以下描述中，电池组(battery pack)可以包括但不限于锂离子电池、铅酸蓄电池等。电池组可以由串联的多个电池单元(cell)组成，每个电池单元在制造出来后，受环境温度、湿度等因素影响，初始性能(例如，电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数)本身存在一定差异。如前所述，这种性能差异会随着电池的使用而不断累积，因此需要对电池组进行电荷均衡来降低或消除电池单元之间的不一致性。出于成本和复杂度考虑，通常采用被动均衡来实现电荷平衡。虽然以下描述将涉及被动均衡的解决方案，但是应当理解该解决方案可以单独地执行或者结合主动平衡方案来执行。

在本申请中，标称容量是指电池单元在设计和制造电池时，规定电池在一定放电条件下应该放出的容量。

在本申请中，实际容量是指电池单元在一定的放电条件下实际放出的电量。通常使用SOH(state of health)来指示电池单元的健康度，SOH＝实际容量/标称容量。

在本申请中，电荷状态(SOC)用来反映电池单元的剩余容量，其数值上定义为电池单元的剩余容量占电池单元的实际容量的比值，常用小数或百分数表示，其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池单元完全放电，当SOC＝1时表示电池单元完全充满。

参考图1，示出了其中可以应用本公开的实施例的示例性装置或系统100的示意图。装置或系统100可以是车辆或电池储能设备(例如，风力发电设备等)等，并且包括电池组101。电池组101可以包括多个电池单元(例如，图3的电池单元310-1、310-2、……、310-m)。

在装置或系统100为车辆的示例中，示例性车辆可以包括电动汽车(例如，纯电动汽车、混合动力汽车等)、海上交通工具、航空交通工具或其他使用电池的交通工具。车辆100还可以包括与电池组101相连的部件102，例如，由电池组101供电的负载。例如，负载102可以是消耗由电池组101提供的能量来推动车辆100的电机或混合电机等，因此电池组101是动力电池或牵引电池。

在装置或系统100为电池储能设备的示例中，示例性电池储能设备还可以包括与电池组101相连的部件102，例如，储能变换器，作为电池组101与电网的接口。

如前所述，无论是例如车辆还是电网储能设备，现有的被动均衡方法通常将充电较高的电池单元放电到充电较低的电池单元的水平来使各个电池单元具有一致的SOC，然而这样会不必要地使较多的电池放电和对电池单元过冲，这浪费了能量和损伤了电池单元。以下结合图2-图5来描述一种改进的被动均衡的解决方案以解决现有技术的缺陷。

图2示出了根据本公开的实施例的示例性电池均衡方法200的流程图，图3示出了根据本公开的实施例的示例性被动均衡处理的电路图300。该方法200可以适用于图1的装置100(例如，车辆)并由图4的示例性电池均衡系统400或图5的示例性电池均衡装置500执行。方法200包括步骤210～230。

在步骤210，获取电池组101中多个电池单元(例如，电池单元310-1、310-2、……、310-m)的相应的SOC值和实际容量。

在步骤220，基于多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定电池组101中待均衡的电池单元集合及该电池单元集合的目标均衡参数。

在步骤230，如果电池单元集合不是空集，则基于电池单元集合的目标均衡参数对该电池单元集合进行被动均衡处理。

与现有技术中使各个电池单元具有相同的SOC为目标的常规被动均衡处理相比，通过结合电池单元的SOC值和实际容量来控制电池单元的被动均衡处理，可以合适地选择待均衡的电池单元从而减少需要被均衡的电池单元的数量或放电量，从而避免了能量的浪费，进一步提高电池组性能和延长电池组使用寿命。

在一些实施例中，步骤210可以包括：对于多个电池单元中的每个电池单元：确定每个电池单元是否处于充电或放电状态；以及如果每个电池单元处于充电或放电状态，则基于每个电池单元的电流采样值、电压采样值和采样时间来确定所述每个电池单元的SOC值；或者如果每个电池单元未处于充电或放电状态并且每个电池单元的充电或放电回路断开，则基于每个电池单元的电池开路电压与每个电池单元的SOC值的对应关系来确定每个电池单元的SOC值。

例如，可以通过各种方法来确定电池单元的SOC值，这些方法包括但不限于安时积分法(ampere-hour integral method)、开路电压法(open circuit voltage(OCV)method)、内阻法、Kalman滤波法、神经网络法、或其组合。下面以安时积分法和开路电压法进行举例说明。

安时积分法

如果充放电起始状态记为SOC

其中，μ为库仑效率或放电效率(Coulombic Efficiency，CE)，C

应当理解，还可以利用除了上述公式(1)之外的其他公式来计算SOC值。

开路电压法

开路电压法是利用电池单元的开路电压与电池单元的SOC之间的对应关系，通过测量电池单元的开路电压来估计SOC。例如，可以通过充放电实验或建立电池模型来获得SOC-OCV曲线，并根据测量到的开路电压来确定相应的SOC值，通过以下公式来计算当前时间下的SOC(t)：

SOC＝f(U

其中，Uoc为当前测量到的开路电压，f表示SOC-OCV曲线中SOC和开路电压的对应关系。

应当理解，还可以利用除了上述公式(2)之外的其他对应关系来计算SOC值。

除了前述列出的各种参数(例如，流采样值、电压采样值、采样时间、开路电压等)，上述方法可以利用更多的其他参数(例如，温度等)进行修正来获得SOC值。

如前所述，除了安时积分法、开路电压法以外，本发明的解决方案可以适用于利用各种现有或将来开发的各种方法来获得的SOC值。

在一些实施例中，步骤210可以包括：通过多个电池单元的SOC值和标称容量来确定多个电池单元的实际容量。

例如，可以根据SOC值的变化、充放电量的变化和标称容量来计算实际容量。

又例如，可以建立关于电池单元的半经验容量衰减模型或基于电化学的容量模型，通过SOC值、电压采样值、电流采样值利用该模型来计算电池单元的SOH值，并通过将SOH值与标称容量值相乘来获得实际容量。

除了前述列出的各种参数，上述方法可以利用更多的其他参数(例如，温度等)进行修正来获得实际容量。

在一些实施例中，步骤220可以包括：基于多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定各个电池的相应的可用充电容量和可用放电容量；将多个电池单元的相应的实际容量中的最小值与多个电池单元的相应的可用放电容量中的最小值之差确定为充电容量阈值；将多个电池单元中可用充电容量小于充电容量阈值的所有电池单元确定为待均衡的电池单元集合；将待均衡的电池单元集合中的每个电池单元的目标均衡参数确定为充电容量阈值与可用充电容量的差值。

在该步骤中，不同于以使所有电池单元具有相同SOC为目标，利用最小实际容量和最小放电容量来获得目标均衡参数，可以减少需要均衡的电池单元的放电量，同时可以充分使用可用放电容量，从而避免了能量的浪费，进一步提高电池组性能和延长电池组使用寿命。

在一些实施例中，多个电池单元上都并联有由功率耗散元件和开关元件形成的串联回路；并且步骤230可以包括：基于目标均衡参数来控制开关元件的闭合，以通过功率耗散元件进行放电。

例如，如图3所示，电池组101的多个电池单元(例如，310-1、310-2、……、310-m)上都并联有由功率耗散元件(例如，320-1、320-2、……、320-m)和开关元件(例如，330-1、330-2、……、330-m)形成的串联回路。功率耗散元件可以是例如功率电阻，在串联回路闭合时通过电流流过功率耗散元件来耗散功率以降低电池单元中的电量。开关元件可以是例如继电器(例如，光继电器、机械继电器、固态继电器等)或半导体开关装置(例如，场效应管、三极管等)，其中，开关元件的控制端可以响应于信号来控制开关元件的闭合(close)或断开(open)。

例如，可以获取电池单元的电流采样值和/或电压采样值，并通过目标均衡参数来估计放电所需的时间，以控制开关元件的闭合(例如，向开关元件的控制端发送控制信号)来对电池单元进行放电。

在一些实施例中，在执行步骤210～230之前，方法200还可以包括以下步骤：检测多个电池单元的相应的温度和电流值；基于多个电池单元的相应的温度和电流值，确定多个电池单元是否正常工作。

在该步骤中，当检测到电池单元的温度和电流值不在正常范围时(例如，超出正常阈值等)，表示电池单元未正常工作，为了安全起见，此时不应对电池单元进行均衡处理，而是需要进行维修或更换，从而避免意外状况的发生(例如，在电池故障下的充放电引起的火灾等)。

相反，如果检测到电池单元的温度和电流值在正常范围内，则可以执行前述的步骤210～230。此外，在该检测步骤获得的温度值可以作为参数用于例如SOC值或实际容量的计算以考虑温度对SOC值或实际容量的影响，从而更精确地获得SOC值和实际容量。

图4示出了根据本公开的实施例的示例性电池均衡系统400。电池均衡系统400可以是图1的装置100(例如，车辆)的电池管理系统(BMS)或包括在其中。电池均衡系统400可以包括获取单元410、确定单元420和均衡单元430。

获取单元410被配置为：获取电池组101中多个电池单元(例如，电池单元310-1、310-2、……、310-m)的相应的SOC值和实际容量。

确定单元420被配置为：基于多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定电池组101中待均衡的电池单元集合及该电池单元集合的目标均衡参数。

均衡单元430被配置为：如果电池单元集合不是空集，则基于该电池单元集合的目标均衡参数对该电池单元集合进行被动均衡处理。

在一些实施例中，获取单元410可以被配置为：对于多个电池单元中的每个电池单元：确定每个电池单元是否处于充电或放电状态；以及如果每个电池单元处于充电或放电状态，则基于每个电池单元的电流采样值、电压采样值和采样时间来确定所述每个电池单元的SOC值；或者如果每个电池单元未处于充电或放电状态并且每个电池单元的充电或放电回路断开，则基于每个电池单元的电池开路电压与每个电池单元的SOC值的对应关系来确定每个电池单元的SOC值。

在一些实施例中，获取单元410可以被配置为：通过多个电池单元的相应的SOC值和标称容量来确定多个电池单元的相应的实际容量。

在一些实施例中，确定单元420可以被配置为：基于多个电池单元的相应的SOC值和实际容量，确定各个电池的相应的可用充电容量和可用放电容量；将多个电池单元的相应的实际容量中的最小值与多个电池单元的相应的可用放电容量中的最小值之差确定为充电容量阈值；将多个电池单元中可用充电容量小于充电容量阈值的所有电池单元确定为待均衡的电池单元集合；将待均衡的电池单元集合中的每个电池单元的目标均衡参数确定为充电容量阈值与可用充电容量的差值。

在一些实施例中，多个电池单元上都并联有由功率耗散元件和开关元件形成的串联回路；并且均衡单元430可以被配置为：基于目标均衡参数来控制开关元件的闭合，以通过功率耗散元件进行放电。

在一些实施例中，电池均衡系统还可以包括检测单元404，检测单元404被配置为：在执行电池均衡之前，检测多个电池单元的相应的温度和电流参数值；基于多个电池单元的相应的温度和电流参数值，确定多个电池单元是否正常工作。

图5出了根据本公开的实施例的示例性电池均衡装置500的框图。装置500包括至少一个处理器501和与该至少一个处理器501耦合的存储器502。存储器502用于存储计算机可执行指令，当计算机可执行指令被执行时使得处理器501执行以上实施例中的方法(例如，前述的方法200中的任何一个或多个步骤)。

参考回到图1，装置100可以是由电池供电的车辆，其包括电池组101，并且装置100还可以包括如参考图2-图5所描述的电池均衡系统400或电池均衡装置500。

以下给出一些示例以便更好地理解本发明的原理和优势，这些示例仅为举例说明而非对本发明进行限制。

为了方便描述，假设电池组包括串联的m个电池单元，对于第i个电池单元，实际容量为Cap_i，SOC值为SOC_i，可用放电容量为DchCap_i，可用充电容量为ChCap_i，并定义m个电池单元的最小实际容量为MinCap＝min{Cap_i,i＝1,…,m}，最小可用放电容量为MinDchCap＝min{DchCap_i,i＝1,…,m}，充电容量阈值为MinChCap＝MinCap–MinDchCap。

示例1

电池组包括串联的m＝3个电池单元，获得各个电池单元的SOC值和实际容量如下：

电池单元1：Cap_1＝40Ah，SOC_1＝50％，DchCap_1＝20Ah，ChCap_1＝20Ah

电池单元2：Cap_2＝43Ah，SOC_2＝42％，DchCap_2＝18Ah，ChCap_2＝25Ah

电池单元3：Cap_3＝46Ah，SOC_3＝48％，DchCap_3＝22Ah，ChCap_3＝24Ah

1)根据现有的被动均衡方式，这3个电池单元的SOC值的最小值SOC_2为42％，因此需要对电池单元1和电池单元2放电以使其SOC值下降到42％，电池单元1需要被放电3.2Ah，电池单元2需要被放电2.76Ah。

然而，使所有电池单元具有相同SOC会导致最小可用放电容量的下降，导致不能充分使用可用放电容量。

2)根据本发明的示例性方法，计算得到，

最小实际容量MinCap＝min{Cap_i}＝40Ah

最小可用放电容量MinDchCap＝min{DchCap_i}＝18Ah

充电容量阈值MinChCap＝MinCap–MinDchCap＝22Ah

由于仅有电池1的ChCap_1小于MinChCap，仅需对电池单元1进行被动均衡，目标均衡参数＝MinChCap-ChCap_1＝2Ah，根据该目标均衡参数仅需对电池单元1放电且放电量为2Ah。在被动均衡后，电池单元1具有最小的实际容量、最小的可用放电容量和最小的可用充电容量，这可以有效防止对电池单元过冲。

在该示例中，与使所有电池单元具有相同SOC为目标的现有被动均衡方式相比，本发明的被动均衡解决方案可以减少需要均衡的电池单元的数量和放电量，同时可以充分使用可用放电容量，从而避免了能量的浪费，进一步提高电池组性能和延长电池组使用寿命。

示例2

电池组包括串联的m＝4个电池单元，获得各个电池单元的SOC值和实际容量如下：

电池单元1：Cap_1＝60Ah，SOC_1＝55％，DchCap_1＝33Ah，ChCap_1＝27Ah

电池单元2：Cap_2＝65Ah，SOC_2＝55％，DchCap_2＝35.8Ah，ChCap_2＝29.2Ah

电池单元3：Cap_3＝63Ah，SOC_3＝48％，DchCap_3＝30.2Ah，ChCap_3＝32.8Ah

电池单元4：Cap_3＝61Ah，SOC_3＝52％，DchCap_3＝31.7Ah，ChCap_3＝29.3Ah

1)根据现有的被动均衡方式，这4个电池单元的SOC值的最小值SOC_3为48％，因此需要对电池单元1、电池单元2和电池单元4放电以使其SOC值下降到48％，电池单元1需要被放电4.2Ah，电池单元2需要被放电4.6Ah，电池单元4需要被放电2.4Ah。

然而，使所有电池单元具有相同SOC会导致最小可用放电容量的下降，导致不能充分使用可用放电容量。

2)根据本发明的示例性方法，计算得到，

最小实际容量MinCap＝min{Cap_i}＝60Ah

最小可用放电容量MinDchCap＝min{DchCap_i}＝30.2Ah

充电容量阈值MinChCap＝MinCap–MinDchCap＝29.8Ah

由于ChCap_1,ChCap_2和ChCap_4小于MinChCap，需对电池单元1、电池单元2和电池单元4进行被动均衡，目标均衡参数分别为2.8Ah、0.6Ah、0.5Ah，根据这些目标均衡参数需对电池单元1放电2.8Ah、对电池单元2放电0.6Ah、对电池单元4放电0.5Ah。在被动均衡后，电池单元1、电池单元2和电池单元4将具有最小的可用充电容量，其中，电池单元1具有最小的实际容量和可用放电容量，这可以有效防止对电池单元过冲。

在该示例中，与使所有电池单元具有相同SOC为目标的现有被动均衡方式相比，本发明的被动均衡解决方案可以减少需要均衡的电池单元的放电量，同时可以充分使用可用放电容量，从而避免了能量的浪费，进一步提高电池组性能和延长电池组使用寿命。

如同以上所讨论的，尽管本申请中讨论了车辆应用中的电池均衡，然而本公开的电池均衡方法、系统和装置也适用于需要电池均衡的其他布置中。

前面的论述仅仅是对本发明的示例性实施方式的公开和描述。通过这些论述以及附图和权利要求，本领域技术人员将会容易地认识到，在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、修改和变型。