[发明专利]一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法以及相应的蓄电池管理系统和蓄电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于均衡具有多个蓄电池单元的蓄电池的充电状态的方法、一种包括依据本发明的方法的蓄电池管理系统、一种蓄电池，尤其是锂离子蓄电池，具有依据本发明所述的蓄电池管理系统、具有依据本发明所述的蓄电池的机动车。蓄电池能够尤其用于驱动机动车。

背景技术

对于未来期望既能够在静止的应用(例如在风力机、备用电源装置或独立电力网络)中，又能够在车辆(例如混合动力或纯电动车辆)中，使用更多的蓄电池系统，而对该些蓄电池系统提出了有关可使用的能量储量、充电-放电-效率以及可靠性的较高的要求。

为实现有关可使用的能量储量、最大功率和总电压的要求，将多个单个的蓄电池单元串联，并且部分地附加地并联。在混合动力和电动车辆中采用锂离子或镍氢技术的蓄电池组，该蓄电池组由大量串联的电化学单元组成。

这种大量串联的蓄电池单元带来了一些问题。基于安全原因和为了实现足够的精确性，在电压测量时，必须单个地测量单个的蓄电池单元的单元电压，并且检验是否遵守上限和下限。由于蓄电池单元是串联的，所以所有的蓄电池单元流过相同的电流，即对于所有的蓄电池单元而言在放电时提取的电荷的数量或在充电时引入的电荷的数量是相同的。因此，具有最小的容量的单元限制了蓄电池组的总电荷。因为通常对于电化学单元，在容量损耗与内阻上升之间存在直接的关系，具有最小的容量的单元通常也具有最小的功率。因此，如果蓄电池单元的容量由于例如老化而偏离另一蓄电池单元的容量，则对具有较高的容量的蓄电池单元充电仅能够达到如对具有较低的容量的蓄电池单元充电一样。此外，单个蓄电池单元的损坏将引起整个蓄电池的故障，因为电流不再能够流过已损坏的蓄电池单元并且因此不再能够流过蓄电池。

关于存储在蓄电池单元中的能量量的度量是所谓的充电状态(State-of-Charge，SOC)。在此，应当注意，在组装成蓄电池时，蓄电池单元的初始的充电状态并不精确地相等。此外，基于在制造时的某个生产偏差，蓄电池单元总是在其参数方面存在轻微的不同，并且由此在其对外部注入的电流的充电状态的反应上也存在不同。由于蓄电池单元的老化，这些不同将进一步扩大。

将蓄电池管理系统用于监控蓄电池的充电状态是已知的。除了安全性监控之外，应当确保和保障尽可能长的蓄电池的寿命，以便将单个单元的充电状态彼此协调一致。这可以通过适合的单元均衡，所谓的“单元均衡(Cell Balancing)”来实现。对充电状态的单元均衡或均衡通常是电阻地进行的。为此，为每个单元设置电阻和电子元件，以便能够有目的地为单个单元放电。根据DE 10 2006 022 394A1，已知一种用于使具有多个单元的能量源电荷均衡的装置，其中单元与放电单元连接以均衡电荷，该放电单元使得单元至少部分地放电。根据现有技术，还能够电容地(即通过连接的电容器的单元)执行单元均衡，也能够电感地(即借助于连接的电感)施行单元均衡。在这两个情况下，能量能够以受限的效率在单元之间交换，而在电阻地单元均衡的情形下能量仅能够转换为热量，并且因此产生损失。

对于混合动力的车辆，在每个时间点，较高的工作效率既在用于回收的充电装置中是有利的，又在用于加速的放电装置中是有利的。已知随着充电状态上升，最大允许的充电功率下降，而最大允许的放电功率上升。基于该原因，根据现有技术，在充电状态为50％时驱动用于混合动力车辆的蓄电池组是令人期望的。然而在实践中，通常使用例如在40％和60％的充电状态之间的驱动窗。对于所谓的“插电混合(Plugin-Hybride)”，驱动窗将相应的变大，例如为10％至90％的充电状态。

通常的均衡策略寻求实现所有的单元总是相同的充电状态。为此，通常将所有的单元均衡化到相同的静止电压。在新的单元具有几乎相等的容量的情况下，这种策略是正确。然而对于具有不同的容量的单元(如由于生产偏差和老化引起的)，通过均衡，这种均衡策略将引起不必要的能量损失。

发明内容