用于平衡储能模块的设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于平衡具有多个串联连接的储能电池的储能模块的设备，所述设备包括用于与储能模块的监控电子装置通信的接口、用于基于相应储能电池电压和相应静态电压特性曲线为每个储能电池确定相对电荷量的电荷确定装置、用于通过求取相应储能电池的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池的相对电荷量之间的差为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池确定相应相对平衡需求并且用于为每个储能电池确定绝对平衡需求的平衡需求计算单元、放电电路，其构造用于这样与储能模块连接，使得借助该放电电路可将相应储能电池单独放电，和控制装置，其可这样控制放电电路，使得从相应储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求。

Equipment and methods for balancing energy storage modules

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于平衡储能模块的设备和方法
本专利技术涉及一种用于平衡储能模块的设备以及一种用于平衡储能模块的相应方法，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池。此外，本专利技术涉及一种机动车、尤其是电动车辆或混合动力车辆，其包括储能模块和用于平衡储能模块的设备。
技术介绍
电动车辆或混合动力车辆配备有储能模块、如高压储存器，其储存用于驱动电驱动马达所需的电能并提供给电驱动马达。高压储存器包括多个储能电池，所述多个储能电池例如构造为锂离子电池或锂离子蓄电池并且例如可串联连接。为了给具有串联连接的储能电池的储能模块充电，通过连接到相应的电流源或电压源上从外部向串联连接的储能电池供应电能。在此为避免过电压损坏储能模块，通过监控相应的储能电池电压和相应的充电控制来限制充电，使得储能电池电压均不大于预定上限电压阈值。此外，为了避免储能电池的深度放电，也在储能模块放电时——例如为了将电能供应给耗电器、如电驱动马达——监控相应的储能电池电压并且通过相应的控制来限制放电过程，使得储能电池电压均不小于预定下限电压阈值。因此，储能模块的最大可用总能量由这样的储能电池决定，其电压在充电和放电情况下首先达到上限电压阈值或下限电压阈值。在充电情况下，具有最高储能电池电压的储能电池首先达到上限电压阈值并且因此基于串联连接限制了所有储能电池的充电。相应的储能电池电压在负载状态中、即储能电池的主反应电流不为零时由储能电池的相应静态电压和相应储能电池的相应极化过电压组成。静态电压与储能电池的电荷状态直接相关，电荷状态可通过各种已知方式确定并且通常以相对于最大可用总电荷的百分比表示。极化过电压主要取决于储能电池阻抗以及用于充电的充电电流并且在充电情况下与静态电压相加。因此这部分电压也限制储能电池的充电。在放电情况下，极化过电压会降低储能电池的静态电压。因此这部分电压也限制储能电池的放电。为了增加储能模块的最大可用总能量，可平衡储能模块。在此如果所有储能电池的电荷状态在完全循环时具有相同的值，则通常认为储能模块是平衡的。下面将其称为满足现有技术的平衡条件。在根据现有技术的平衡中，借助相应的平衡装置通过对各个储能电池进行放电(借助并联连接到相应储能电池的相应电阻)、或者通过各个储能电池之间的电荷转移或通过各个储能电池与整个储能模块之间或各个储能电池和外部电能储存器之间的电荷转移来平衡各个储能电池的电荷状态。在第一种情况下，各个储能电池的放电从储能模块的静止状态开始进行，在该状态下各个储能电池电压是弛豫的。尤其是在通常的储能模块的平衡中，除了具有最低静态电压的储能电池之外，每个储能电池都放电，直到其电压水平等于具有最低储能电池电压的储能电池的电压水平。在通常的平衡方案中没有考虑到储能电池的阻抗。为了给具有串联连接的锂离子储能电池的储能模块充电，通常使用CCCV(恒流恒压)充电方法。该CCCV充电方法包括顺序地经过第一CC(恒流)阶段和随后的CV(恒压)阶段。在CC阶段中充电电流首先保持恒定，直到储能模块中的一个储能电池达到上限电压阈值。随后切换到CV阶段，在该阶段中保持上限电压阈值并且为此充电电流呈指数衰减。一旦充电电流降至极限值以下，则CV阶段以及整个充电过程将终止。在此虽然关于在充电过程终止之后存储在储能模块中的电荷量实现了最佳，但在此除了考虑了限制充电过程的最高储能电池电压之外，没有对各个储能电池的电压水平进行优化。此外，没有考虑到储能电池阻抗的变化，该变化尤其是可由储能电池的生产控制、老化机理、相同储能电池化学物质的混合以及不同储能电池化学物质的混合引起。图1示出在CCCV充电过程和随后的弛豫期间串联连接的、具有不同储能电池阻抗的七个储能电池的储能电池电压EZS1'、EZS2'、…、EZS7'的时间曲线。为了确保可比性，所有储能电池——在图1中示出其储能电池电压EZS1'、EZS2'、…、EZS7'的时间曲线——具有相同的容量。从图1可以看出，具有最高储能电池阻抗的储能电池电压EZS1'的储能电池限制了设置在串联电路中的所有储能电池的充电过程。出于该原因，对应于储能电池电压EZS2'至EZS7'的储能电池在充电过程于时间t1处终止时未处于上限电压阈值的最高可能电压水平，仅具有图1所示储能电池电压EZS1'的储能电池达到了该电压水平。因此，在CCCV充电终止时，储能模块没有达到最大储能模块电压，该最大储能模块电压通过各个储能电池电压之和获得。图1还示出在CCCV充电终止之后储能电池电压EZS1'、EZS2'、…、EZS7'的弛豫，其随时间增加而接近并且在时间t2处几乎相同。这表明，对于该储能模块在完成CCCV充电过程之后满足现有技术的平衡条件。因此，具有串联连接的储能电池的储能模块不能存储最大可能的能量，因为该能量定义为电流和电压关于时间积分的乘积。因此，储能模块不能通过传统的平衡和传统的充电方法在能量优化方面完全充电。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种用于平衡储能模块的设备和方法，借助该设备和方法可将储能模块置于这样的状态，在其中可通过随后的传统充电过程对储能模块这样充电，使得更多的能量存储在储能模块中。所述任务通过权利要求1和8的特征来解决。本专利技术的有利实施方式和扩展方案由从属权利要求给出。根据一种实施方式，用于平衡具有多个串联连接的储能电池的储能模块的设备，所述设备包括接口，其构造用于与储能模块的监控电子装置通信，所述接口构造用于与监控电子装置的电压检测装置通信，以便从电压检测装置接收关于每个储能电池的相应储能电池电压的信息，并且所述接口构造用于与监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置通信，以便接收关于储能模块的充电正常终止的信息。所述设备还包括电荷确定装置，其构造用于在接收到关于储能模块的充电正常终止的信息之后基于关于在储能模块的充电正常终止之后每个储能电池的相应储能电池电压的信息和表征相应储能电池的电荷状态与相应储能电池的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池确定相对电荷量；平衡需求计算单元，其构造用于为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池通过求取相应储能电池的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池的相对电荷量之间的差确定相应相对平衡需求，并且基于相应相对平衡需求和每个储能电池的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池确定相应绝对平衡需求；放电电路，其构造用于这样与储能模块连接，使得借助该放电电路可将相应储能电池单独放电；和控制装置，其构造用于这样控制放电电路，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池之外的每个储能电池提取所确定的相应绝对平衡需求。根据本专利技术的设备尤其是可设置用于在完成储能模块的CCCV充电过程之后计算储能模块的平衡需求，该平衡需求适合于通过并联平衡电阻这样改变相应储能电池的电荷状态，使得储能模块达到能量优化的平衡。储能模块的能量优化的平衡相应于这样的状态，在其中在CCCV充电过程结束时相应储能电池的储能电池电压都具有上限电压阈值。在此平衡需求可在完成计算之后且在能源优化的CC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于平衡储能模块(100)的设备(300)，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)，所述设备包括：/n-接口(301)，所述接口构造用于与储能模块(100)的监控电子装置通信，/n-所述接口(301)构造用于与监控电子装置的电压检测装置通信，以便从电压检测装置接收关于每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息，并且/n-所述接口(301)构造用于与监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置通信，以便接收关于储能模块(300)的充电正常终止的信息，/n所述设备(300)还包括：/n-电荷确定装置(307)，所述电荷确定装置构造用于在接收到关于储能模块(100)的充电正常终止的信息之后，基于关于在储能模块(100)的充电正常终止之后每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息和表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相对电荷量，/n-平衡需求计算单元，所述平衡需求计算单元构造用于为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)通过求取相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量之间的差确定相应相对平衡需求，并且基于相应相对平衡需求和每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相应绝对平衡需求，/n-放电电路(304)，其构造用于与储能模块(100)连接成，使得借助该放电电路能将相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)单独放电，和/n-控制装置(307)，所述控制装置构造用于控制放电电路(304)，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)提取所确定的相应绝对平衡需求。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170728 DE 102017213020.21.用于平衡储能模块(100)的设备(300)，所述储能模块具有多个串联连接的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)，所述设备包括：
-接口(301)，所述接口构造用于与储能模块(100)的监控电子装置通信，
-所述接口(301)构造用于与监控电子装置的电压检测装置通信，以便从电压检测装置接收关于每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息，并且
-所述接口(301)构造用于与监控电子装置的电压检测装置和电流检测装置通信，以便接收关于储能模块(300)的充电正常终止的信息，
所述设备(300)还包括：
-电荷确定装置(307)，所述电荷确定装置构造用于在接收到关于储能模块(100)的充电正常终止的信息之后，基于关于在储能模块(100)的充电正常终止之后每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息和表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线为每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相对电荷量，
-平衡需求计算单元，所述平衡需求计算单元构造用于为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)通过求取相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量与已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相对电荷量之间的差确定相应相对平衡需求，并且基于相应相对平衡需求和每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应容量为除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)确定相应绝对平衡需求，
-放电电路(304)，其构造用于与储能模块(100)连接成，使得借助该放电电路能将相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)单独放电，和
-控制装置(307)，所述控制装置构造用于控制放电电路(304)，使得从除了已针对其确定最低相对电荷量的储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)之外的每个储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)提取所确定的相应绝对平衡需求。


2.根据权利要求1所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，其中，所述电荷确定装置(307)构造用于将在所述特性曲线中对应于相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的电荷状态的值确定为相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的相应相对电荷量，并且通过将所确定的相应相对平衡需求与相应容量相乘来确定相应绝对平衡需求。


3.根据权利要求1或2所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，其中，所述接口(301)构造用于与监控电子装置的健康状态确定装置通信，以便从健康状态确定装置接收关于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应健康状态的信息，并且
所述平衡需求计算单元构造用于基于关于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的健康状态的信息和相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的标称容量来计算相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的容量。


4.根据权利要求3所述的用于平衡储能模块(100)的设备，所述设备还包括存储装置(302)，在该存储装置中存储表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的所述特性曲线。


5.根据权利要求4所述的用于平衡储能模块(100)的设备，其中，在所述存储装置(302)中对于相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的不同健康状态存储有多个不同的、分别表示相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的电荷状态与相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的静态电压的关系的特性曲线，
所述电荷确定装置(307)构造用于基于关于在储能模块(100)的充电正常终止之后每个所述储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)的相应储能电池电压(EZS1、EZS2、…、EZSn)的信息和与相应健康状态对应的特性曲线来确定相应相对电荷量。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于平衡储能模块(100)的设备(300)，其中，所述放电电路(304)包括多个电阻(R1、R2、…、Rn)和多个开关(SC1、SC2、…、SCn)并且构造用于与储能模块(100)连接，使得串联连接的一个相应电阻(R1、R2、…、Rn)和一个相应开关(SC1、SC2、…、SCn)与一个相应储能电池(EZ1、EZ2、…、EZn)并联连接，
并且所述设备还包括计算单元，所述计算单元构造用于基于所确定的相应绝对平衡需求为相...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·霍尔韦格，J·库茨，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE