電池管理系統及其驅動方法

電池管理系統及其驅動方法
【專利摘要】本發明公開了一種電池管理系統，其包括感測單元和主控制器單元（MCU）。在一個方面中，感測單元被配置為測量在電池的放電條件下電池的電流值和電壓值。此外，MCU被配置為接收電流值和電壓值并且還被配置為至少部分基于電流值和電壓值來管理電池的容量。此外，MCU包括不可用容量計算單元，其被配置為計算與電池的理論最大容量的在該放電條件下不可使用的部分相對應的不可用容量，其中不可用容量是至少部分基于電流值和在該放電條件下電池的內部電阻值來計算的。
【專利說明】電池管理系統及其驅動方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年4月18日在韓國知識產權局遞交的10-2013-0043023號韓國 專利申請的優先權和權益，這里通過引用將該韓國專利申請的全部內容完全并入。

【技術領域】
[0003] 公開的技術概括而言涉及電池管理系統及其使用方法。更具體而言，公開的技術 涉及用于管理電池的容量的電池管理系統。

【背景技術】
[0004] 由于日漸增長的需求，與使用非水電解質的高功率且高能量的二次電池有關的技 術已取得了巨大的進步。為了形成高容量二次電池模塊，可以串聯或并聯連接多個高功率 二次電池單元。這些模塊進而又可被組裝成高容量電池組。電池單元是可被集成到電池模 塊中的最小單位，一個電池模塊通常包括若干個電池單元。電池組進而又通常包括若干個 電池模塊。雖然可在任何級別的集成上應用本文公開的電池管理系統，但為了簡單起見，電 池單元的集成單位在下文中被簡稱為"電池"。
[0005] 為了最大化對電池的高效使用，經常米用電池管理系統（battery management system，BMS)來通過監視諸如電池在給定放電條件下的電壓、電流和溫度之類的電池參數 來估計電池的各種容量。為了準確地估計一個容量值，也需要準確地估計其他的容量值。例 如，對電池的剩余容量的估計的準確性取決于對電池的其他容量的估計的準確性，例如理 論最大容量和不可用容量，等等。雖然許多BMS被配備來利用諸如開路電壓與充電狀態之 類的固定關聯關系估計這些容量，但它們并沒有考慮到電池的各種特性的變化性(例如，在 充電/放電周期期間或者通過退化的變化性)。例如，諸如電池的內部電阻之類的參數不僅 作為放電深度的函數發生變化，而且作為電池退化的函數發生變化。從而，需要一種能夠準 確地估計電池的各種容量的考慮到了變化的特性的BMS。


【發明內容】

[0006] 公開了被配置為準確地估計電池的容量的電池管理系統。
[0007] 本領域技術人員通過以下實施例將得出本發明的其他目的。
[0008] 在一個方面中，一種電池管理系統包括：感測單元，被配置為測量在電池的放電條 件下電池的電流值和電壓值。此外，該電池管理系統包括主控制器單元（MCU)，該MCU被配 置為接收電流值和電壓值并且還被配置為至少部分基于電流值和電壓值來管理電池的容 量。此外，該MCU包括不可用容量計算單元，該不可用容量計算單元被配置為計算與電池的 理論最大容量的在該放電條件下不可使用的部分相對應的不可用容量，其中不可用容量是 至少部分基于電流值和在該放電條件下電池的內部電阻值來計算的。
[0009] 不可用容量可以指當電壓值達到放電停止電壓從而電池被完全放電時在電池中 剩余的剩余容量。
[0010] 感測單元還可通過測量電池的溫度來獲得溫度值，并且放電條件可以指在當前放 電時刻獲得的電流值的大小和溫度值的大小中的至少一者。
[0011] 不可用容量計算單元可進一步利用預先存儲在MCU中的電流值以及內部電阻與 不可用容量之間的比例系數來計算在放電條件下的不可用容量。
[0012] 不可用容量計算單元可利用根據在放電條件下的電流值的大小確定的校正變量 來校正電池的內部電阻。
[0013] MCU還可包括總可用容量計算單元，該總可用容量計算單元利用電池的最大容量、 電池的未充電容量和不可用容量來計算電池的可用總容量。
[0014] MCU還可包括已用容量計算單元，該已用容量計算單元利用作為在電池穩定時測 量的電壓值的開路電壓（0CV)來計算電池的已用容量。
[0015] MCU還可包括電流積分單元，該電流積分單元計算通過對電流值積分而獲得的積 分電流值。已用容量的計算時刻的積分電流值可以為零。
[0016] MCU還可包括未充電容量計算單元，該未充電容量計算單元利用已用容量和第一 積分電流值來計算未充電容量，該第一積分電流值是通過對從已用容量的計算時刻到電池 的完全充電時刻的電流值進行積分來獲得的。
[0017] 完全充電時刻可以指當所獲得的電壓值的大小不小于預定的完全充電電壓值時 并且當所獲得的電流值的大小小于預定值時的時刻。
[0018] MCU還可包括最大容量計算單元，該最大容量計算單元利用第一放電深度（DoD)、 第二DoD和第二積分電流值來計算電池的最大容量，其中第一 DoD是利用作為就在電池的 最后充電或放電之前的第一穩定時刻獲得的電壓值的第一 0CV來計算的，第二DoD是利用 作為在電池的最后充電或放電之后的第二穩定時刻獲得的電壓值的第二0CV來計算的，第 二積分電流值是通過對從已用容量的計算時刻到第二穩定時刻的電流值進行積分來獲得 的。
[0019] 穩定時刻可以指滿足以下情況中的至少一種情況的時刻：在預定時間期間電池中 放電的電流值的大小小于預定值的情況，以及在預定時間期間電壓值的大小的變化小于預 定值的情況。
[0020] 最大容量計算單元可在第二積分電流值不小于預定值時計算最大容量。
[0021] MCU還可包括剩余容量計算單元，該剩余容量計算單元利用總可用容量、未充電容 量、已用容量和第三積分電流來計算電池的實際可使用的剩余容量，其中第三積分電流是 通過對從已用容量的計算時刻到當前時刻的電流值進行積分來獲得的。
[0022] 可利用參考內部電阻、放電條件下的溫度值和溫度校正值來計算內部電阻。參考 內部電阻可以指利用以下各項中的至少一者來計算的電阻：利用任意點的S0C估計的0CV、 在任意點測量的電流、電壓和溫度值、以及溫度校正值，并且溫度校正值指的是用于標準化 內部電阻值的溫度與內部電阻之間的關系數據。
[0023] 根據本發明的另一方面，提供了一種電池管理系統，包括：感測單元，其通過測量 電池的電流和電壓來獲得電流值和電壓值；以及MCU，其利用電流值和電壓值來管理電池 的容量，其中MCU包括：已用容量計算單元，其利用作為在電池穩定時獲得的電壓值的0CV 來計算電池的已用容量；以及未充電容量計算單元，其利用已用容量和積分電流值來計算 電池的未充電容量，其中該積分電流值是通過對從已用容量的計算時刻到電池的完全充電 時刻的電流值進行積分來獲得的。
[0024] 根據本發明的另外一方面，提供了一種電池管理系統的驅動方法，包括：接收電池 的電流值和電壓值；利用作為在電池穩定時獲得的電壓值的0CV來計算電池的已用容量； 以及利用已用容量和積分電流值來計算電池的未充電容量，其中該積分電流值是通過對從 已用容量的計算時刻到電池的完全充電時刻的電流值進行積分來獲得的。
[0025] 該驅動方法還可包括利用電流值和電池的內部電阻來計算在電池的當前放電條 件下不可使用的不可用容量。
[0026] 該驅動方法還包括利用電池的最大容量、電池的未充電容量和不可用容量來計算 電池的總可用容量。
[0027] 該驅動方法還可包括利用總可用容量、未充電容量、已用容量和通過對從已用容 量的計算時刻到當前時刻的電流值進行積分獲得的積分電流來計算電池的實際可使用的 剩余容量。
[0028] 根據各種方面，可以考慮到當前放電條件來高效地計算電池的容量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 現在在下文中將參考附圖更充分描述示例實施例；然而，這些實施例可以以不同 形式來體現，而不應當被解釋為僅限于本文記載的實施例。更確切地說，提供這些實施例是 為了使得本公開將會透徹且完整，并且將把示例實施例的范圍充分地傳達給本領域技術人 員。
[0030] 在附圖中，為了圖示的清晰起見，可能夸大尺寸。將會理解，當一元素被稱為在兩 個元素"之間"時，其可以是這兩個元素之間的唯一元素，或者也可存在一個或多個居間的 元素。相似的標號始終指代相似的元素。
[0031] 圖1是根據實施例的電池的三維視圖。
[0032] 圖2是示意性圖示出根據實施例的電池管理系統（BMS)的框圖。
[0033] 圖3是圖不出開路電壓（open circuit voltage，0CV)與充電狀態（state of charge，SOC )之間的關系的曲線圖。
[0034] 圖4是圖示出根據實施例的不可用容量、電流、溫度和內部電阻之間的關系的曲 線圖。
[0035] 圖5是圖示出根據實施例的電池的內部電阻與放電深度（depth of discharge, DoD)之間的關系的曲線圖。
[0036] 圖6是圖不出根據實施例的電池的最大容量、總可用容量、未充電容量、已用容 量、不可用容量和剩余容量之間的關系的曲線圖。
[0037] 圖7是圖示出根據實施例的BMS的驅動方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0038] 以下，將參考附圖描述根據本發明的某些示范性實施例。這里，當第一元素被描述 為耦合到第二元素時，第一元素不僅可以直接耦合到第二元素，而且可以經由第三元素間 接耦合到第二元素。另外，為了清晰起見省略了對于完整理解本發明不是必要的一些元素。 另外，相似的標號始終指代相似的元素。
[0039] 圖1是圖示出根據實施例的電池的視圖。
[0040] 參考圖1，作為大容量電池模塊的電池10包括：以預定間隔相繼布置的多個二次 電池11 ;其中容納了多個二次電池11并且其中有冷卻介質移動的外殼13 ;以及管理電池 10的充電/放電的電池管理系統20。
[0041] 電池隔板12可分別布置在二次電池之間以及布置在最外側二次電池11處。電池 隔板12履行如下功能：允許用于溫度控制的空氣移動，同時恒定地維持二次電池11之間的 間隔，并且支撐每個二次電池11的側表面。
[0042] 雖然在圖1中圖示了二次電池 11具有四棱柱結構，但很明顯二次電池 11可具有 圓柱形結構。
[0043] BMS20從安放在電池 10中的電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器接收數據，并 且利用這些數據來管理電池10的容量。
[0044] 計算一般電池10的容量的一些方法同時使用利用電池10的放電效率的積分電流 和利用放電的最后階段的電壓的容量校正。例如，在完全充電的電池10的情況下，利用放 電效率表和放電的初始和中間階段的積分電流值來計算電池的容量，并且利用放電的最后 階段的電池10的電壓來校正計算出的容量。
[0045] 然而，該方法具有如下的三個問題。第一個問題是用于計算電池 10的容量的(放 電效率表和電壓校正表中的)參數被作為固定值來使用。然而，電池10的特性隨著電池10 的退化的發展而改變，因此，該方法的準確度隨著時間的流逝而降低。
[0046] 第二個問題來自于自放電的計算。自放電是電池 10在其未被使用的時段期間被 自然放電的現象。電池10的上述放電的容量不能通過電流測量來測量，因此該方法隨著時 間的流逝而反映任意固定的值。然而，有該方法的準確度降低的問題。
[0047] 第三個問題是為了檢測電池 10的總可用容量需要電池 10的從完全充電到完全放 電的放電經歷。然而，在實際使用環境中幾乎不存在電池10被放電到接近完全放電的情 況。因此，更不太可能能夠計算電池10的總可用容量。上述三個問題成為了造成計算電池 10的容量時的誤差的主要因素。
[0048] 從而，本發明的BMS20在考慮到當前放電條件的情況下計算電池的已用容量、電 池的未充電容量、電池的最大容量、電池的不可用容量、電池的實際可用容量、電池的剩余 容量等等，以便即使在電池被部分充電/放電的環境下也能確切地計算電池的容量。
[0049] 圖2是示意性圖示出根據實施例的BMS的框圖。
[0050] 如圖2所示，BMS20包括感測單元200和主控制器單元（main controller unit, MCU) 300。
[0051] 感測單元200通過分別利用電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器測量電池的輸 出電流、電壓和溫度來獲得電流值、電壓值和溫度值，并且將所獲得的數據發送給MCU300。
[0052] 根據一實施例，MCU300包括已用容量計算單元301、電流積分單元303、未充電容 量計算單元305、最大容量計算單元307、不可用容量計算單元309、內部電阻計算單元311、 總可用容量計算單元313以及剩余容量計算單元315。
[0053] 已用容量計算單元301利用開路電壓（0CV)來計算電池的已用容量，其中開路電 壓是在電池穩定時獲得的電壓值。
[0054] 就本文使用的而言，電池的穩定時刻指的是滿足以下情況中的至少一種情況的放 電條件：在預定時間期間放電的電流的大小小于預定值的情況，以及電池的電壓的變化小 于預定值的情況。
[0055] 更具體而言，已用容量計算單元301根據作為電池穩定時的電壓值的0CV和0CV 與充電狀態（S0C)之間的關系數據來估計S0C。具體而言，MCU300可以預先存儲以實驗方式 從0CV與S0C之間的關系獲得的關系數據。該關系在圖3的曲線圖中示出。如圖3所示， 已用容量計算單元301檢測與OCV (Vocvl)相對應的SOC (S0C1)。隨后，已用容量計算單 元301根據估計的S0C來計算電池的已用容量。
[0056] 例如，當假定電池的最大容量是1000mA/h并且估計電池的S0C是40%時，電池的 已用容量可被計算為600mA/h，即最大容量的60%。
[0057] 電流積分單元303計算通過對感測單元200中獲得的電流值進行積分而獲得的積 分電流值。
[0058] 這里，電流值可包括具有正（+ )值的充電電流和具有負（_)值的放電電流。因此， 如果電池被以相同的量充電和放電，則積分電流值變成零。
[0059] 在本文公開的實施例中，電池的已用容量的計算時刻成為用于對測量到的電流值 積分的參考時刻。也就是說，電流積分單元303將該已用容量的計算時刻的積分電流值設 定為零，并且通過對之后獲得的電流值進行積分來計算積分電流值。
[0060] 未充電容量計算單元305利用在已用容量計算單元301中計算出的電池的已用容 量和在電流積分單元303中計算出的積分電流值來計算電池的未充電容量。
[0061] 一般來說，電池根據溫度和內部電阻而不被充電到最大容量。也就是說，雖然電池 可被認為已完全充電，但出現電池未被充電到的容量。在本發明中，該容量被定義為未充電 容量。
[0062] 因此，用于計算未充電容量的積分電流值可以是通過累積電流值直到電池完全充 電時為止獲得的第一積分電流值。
[0063] 這里，完全充電時刻可以指當在感測單元200中獲得的電壓值的大小大于或等于 預定的完全充電電壓值時并且當在感測單元200中獲得的電流值的大小小于預定值時的 時刻。在此情況下，完全充電電壓值是可取決于電池的容量而變化的值。識別如上所述定 義的完全充電時刻的方法只是實施例，并且本領域技術人員將很清楚在不脫離本發明的精 神的情況下可進行各種改變和修改。
[0064] 根據一實施例，可如下來表示用于計算未充電容量的式1。
[0065] 式 1
[0066] Qeoc=Qstart-Qccl
[0067] 這里，Qe。。表不未充電容量，Qstart表不已用容量，并且Q eel表不第一積分電流值。
[0068] 例如，在已用容量是600mA/h并且在電壓值變成完全充電電壓值以上的時刻的第 一積分電流值為500mA/h的情況下，未充電容量可以是100mA/h。
[0069] 最大容量計算單元307計算電池的理論最大容量。更具體而言，最大容量計算單 元307可利用第一放電深度（DoD)、第二DoD和第二積分電流值來計算電池的最大容量，其 中第一 DoD是利用第一 0CV來計算的，該第一 0CV是就在電池的最后充電或放電之前的第 一穩定時刻獲得的電壓值，第二DoD是利用第二0CV來計算的，該第二0CV是在電池的最后 充電或放電之后的第二穩定時刻獲得的電壓值，第二積分電流值是通過累積從已用容量的 計算時刻到第二穩定時刻的電流值獲得的。
[0070] 這里，電池的穩定時刻可以指滿足以下情況中的至少一種情況的時刻：電池的電 流在預定時間期間未被放電的情況，以及電池的電壓的變化在預定時間期間小于預定值的 情況。
[0071] 根據一實施例，可如下來表示用于計算未充電容量的式2。
[0072] 式 2
[0073]

【權利要求】
1. 一種電池管理系統，包括： 感測單元，被配置為測量在電池的放電條件下所述電池的電流值和電壓值；以及 主控制器單元（MCU)，被配置為接收所述電流值和電壓值，并且還被配置為至少部分基 于所述電流值和電壓值來管理所述電池的容量， 其中，所述MCU包括不可用容量計算單元，該不可用容量計算單元被配置為計算與所 述電池的理論最大容量的在所述放電條件下不可使用的部分相對應的不可用容量，其中所 述不可用容量是至少部分基于所述電流值和在所述放電條件下所述電池的內部電阻值來 計算的。
2. 如權利要求1所述的電池管理系統，其中，所述不可用容量包括所述理論最大容量 的如下部分：該部分是當所述電壓值的大小達到與足以驅動與所述電池相連的設備的最小 電壓相對應的放電停止電壓時在所述電池中剩余的部分。
3. 如權利要求1所述的電池管理系統，其中，所述感測單元還被配置為測量在所述放 電條件下所述電池的溫度值。
4. 如權利要求3所述的電池管理系統，其中，所述不可用容量計算單元被配置為還基 于所述MCU中預先存儲的電流數據以及內部電阻與不可用容量之間的比例系數來計算所 述不可用容量。
5. 如權利要求4所述的電池管理系統，其中，所述不可用容量計算單元還被配置為基 于根據所述電流值確定的校正變量來對所述電池的內部電阻進行校正調整。
6. 如權利要求1所述的電池管理系統，其中，所述MCU還包括總可用容量計算單元，該 總可用容量計算單元被配置為至少部分基于所述電池的理論最大容量、所述電池的未充電 容量和所述不可用容量來計算所述電池的總可用容量。
7. 如權利要求6所述的電池管理系統， 其中，所述MCU還包括已用容量計算單元，該已用容量計算單元被配置為至少部分基 于在所述電池穩定時測量的開路電壓（OCV)值來計算所述電池的已用容量， 其中，所述電池穩定時對應于滿足以下條件中的至少一者的放電條件：預定時間期間 的電流值小于預定電流值、預定時間期間的電壓值的變化小于預定電壓值。
8. 如權利要求7所述的電池管理系統，其中，所述MCU還包括電流積分單元，該電流積 分單元被配置為通過至少部分通過把計算所述已用容量時的積分電流值設定為零對電流 值進行積分來計算積分電流值。
9. 如權利要求8所述的電池管理系統， 其中，所述MCU還包括未充電容量計算單元，該未充電容量計算單元被配置為至少部 分基于所述已用容量和第一積分電流值來計算所述未充電容量，該第一積分電流值是通過 對從所述已用容量的計算時刻到所述電池的完全充電時刻的電流值進行積分來獲得的， 其中，所述完全充電時刻對應于當電壓值大于或等于預定的完全充電電壓值時并且當 電流值小于預定的完全充電電流值時的放電條件。
10. 如權利要求8所述的電池管理系統，其中，所述MCU還包括最大容量計算單元，該最 大容量計算單元被配置為至少部分基于第一放電深度（DoD)、第二DoD和第二積分電流值 來計算所述電池的理論最大容量，其中所述第一 DoD是基于在所述電池的最后充電之前或 最后放電之前的第一穩定時刻獲得的第一 0CV值來計算的，所述第二DoD是基于在所述電 池的最后充電之后或最后放電之后的第二穩定時刻獲得的第二ocv值來計算的，所述第二 積分電流值是通過對從所述已用容量的計算時刻到所述第二穩定時刻的電流值進行積分 來獲得的。
11. 如權利要求10所述的電池管理系統，其中，所述最大容量計算單元被配置為在所 述第二積分電流值大于或等于預定值時計算所述理論最大容量。
12. 如權利要求8所述的電池管理系統，其中，所述MCU還包括剩余容量計算單元，該剩 余容量計算單元被配置為利用所述總可用容量、所述未充電容量、所述已用容量和第三積 分電流值來計算可供使用的剩余容量，其中所述第三積分電流值是通過對從所述已用容量 的計算時刻到計算所述剩余容量時的電流值進行積分來獲得的。
13. 如權利要求3所述的電池管理系統，還被配置為基于參考內部電阻、所述溫度值和 溫度校正值來計算所述內部電阻， 其中，所述參考內部電阻是至少基于利用充電狀態（S0C)值估計的開路電壓（0CV)值、 電流值、電壓值、溫度值和所述溫度校正值之一來計算的，其中溫度校正值是基于溫度值與 內部電阻之間的關系來確定的。
14. 一種電池管理系統，包括： 感測單元，被配置為測量在電池的放電條件下所述電池的電流值和電壓值；以及 主控制器單元（MCU)，被配置為接收所述電流值和電壓值，并且還被配置為至少部分基 于所述電流值和電壓值來管理所述電池的容量， 其中，所述MCU包括： 已用容量計算單元，被配置為至少部分基于在所述電池穩定時獲得的開路電壓（0CV) 值來計算所述電池的已用容量；以及 未充電容量計算單元，被配置為至少部分基于所述已用容量和積分電流值來計算所述 電池的未充電容量，其中所述積分電流值是通過對從所述已用容量的計算時刻到所述電池 的完全充電時刻的電流值進行積分來獲得的。
15. -種電池管理系統的驅動方法，包括： 接收在電池的放電條件下所述電池的電流值和電壓值； 至少部分基于在所述電池穩定時獲得的開路電壓（0CV)值來計算所述電池的已用容 量；以及 至少部分基于已用容量和積分電流值來計算所述電池的未充電容量，其中所述積分電 流值是通過對從所述已用容量的計算時刻到所述電池的完全充電時刻的電流值進行積分 來獲得的。
16. 如權利要求15所述的驅動方法，還包括至少部分基于所述電流值和所述電池的內 部電阻值來計算不可用容量，該不可用容量包括理論最大容量的在所述電池的放電條件下 不可使用的部分。
17. 如權利要求16所述的驅動方法，還包括至少部分基于所述電池的最大容量、所述 電池的未充電容量和所述不可用容量來計算所述電池的總可用容量。
18. 如權利要求17所述的驅動方法，還包括至少部分基于所述總可用容量、所述未充 電容量、所述已用容量和通過對從所述已用容量的計算時刻到計算所述剩余容量時的電流 值進行積分來獲得的積分電流值，來計算可供使用的剩余容量。
【文檔編號】G01R31/36GK104113103SQ201410157848
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2013年4月18日
【發明者】趙永信, 李守真, 沈煐佑 申請人:三星Sdi株式會社