用于管理蓄电池单元的方法和装置的制作方法

专利名称：用于管理蓄电池单元的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对一个以上串联连接的蓄电池单元(battery cell)的状态 进行监测以及在充电、蓄电和放电周期内对蓄电池进行管理。
背景技术：
串联连接的多个单元的容量总是由最弱的单元来决定。典型地讲， 在充电和放电期间测量单元的电压和温度。当测量指示其中一个单元充 满时停止充电而当第一个单元没电(empty)时停止放电。如果这种功能 失败，例如，在对蓄电池进行放电的过程中，则其中一个单元会在其它 单元之前耗尽电量并且被过放电。如果电极反转极性(即使短暂地)或 者重复超出特定限制值，则多数类型的蓄电池会遭受严重破坏。这就是 一般按单元特定的方式来监测由几个单元组成的大蓄电池(即，蓄电池 组)的原因。
现有技术中的解决方案(如US 6373226 Bl (ITOU等人)和EP 0814556 A2 (FORD GLOBALTECHNOLOG正S))、方法以及硬件基于预 设参数和预测的工作模型。另外，后一专利相当清楚地描述了用于控制 铅酸蓄电池的方法，因此它们不适用于锂蓄电池。在两种应用中，仅在 症状可检测之后才采取措施。这些公开的方法不是为了使蓄电池单元的 特性彼此相似，相反，这些方法基于修正不平衡症状并且根据估计的电 荷状态通过对各个单元进行放电或充电来修正这种不平衡。
还证实了 (在US 6373226 Bl要求保护的)锂蓄电池的性态方面的 事实，即，与根据本发明的解决方案相比，其实际上劣化了串联连接的 单元的寿命和安全性。我们还证实了世界各地许多便携式计算机蓄电池 火灾，确切来讲是因为较差的蓄电池管理导致的。
实际上，根据本发明，通过主动的措施和方法来保护单元，在该情况下，即使串联连接了成百个单元，也可安全且经济地实现较长的寿命。
在US 6373226 Bl (ITOU等人)的技术解决方案的状态下，即使超过10 个串联连接单元也不能实现有意义的寿命。这种装置明显是针对轻型消 费者电子设备解决方案而设计的。通过仅对一个单元或一组单元的低荷 电状态作出反应并且将这些单元单独充电至满电荷，这些单元的特性不 会变得相似，这将使得在车辆使用方面能够实现容载(load tolerance)和 快速充电。

发明内容
本发明的目的是提供一种方法和装置，使得串联连接单元的服务寿 命尽可能长并且最小化蓄电池损坏的风险。在车辆使用方面，快速充电 也是非常重要的特性，需要稳定的电池特性在尽可能短的时段内提供相 同的尽量高的容量。
根据本发明，单独地实现对单元的管理。并非仅监测其中一个单元 是否损坏或过度加工作负荷(stressed),取而代之的是，该方法涉及对电 池状态和操作特性的更全面评估。如果工作负荷在所有单元上是相同的， 则最弱的单元将比其它单元更早有缺陷。根据本发明，所有单元都与其 特性成比例地被施加工作负荷，从而为这些单元提供了彼此更均衡的工 作负荷。该方法被用于调整单元的特性，以便相当简单地控制和操作整 个装置。在几百个充电-放电周期之后，蓄电池单元彼此明显更加均衡。 因为这些单元完全相同，所以即使空蓄电池也可以经受充沛的载荷而不 需要电力补偿。
通过使用能够利用从这些单元收集来的统计数据的实验测试获知算 法来实现工作负荷的比例化。如果这样设计电池组，则各个单元的特性 在蓄电池的周期服务寿命进一步前进时会彼此接近。
传统的单元控制和监控是通过不过度加载最弱蓄电池而实现的。一 些系统在放电过程中旁路掉最弱的单元，但通常整个蓄电池的能量恰好 受限于遵从这个最弱的单元。至于充电， 一般实践是仅在第一单元充满 时停止充电过程，至多在其它单元之前停止以最低漏电流对某一单元进行充电，由此每个单元中可能充电太满或不太满。这种类型的现有技术 蓄电池管理方面的下降趋势在于，在这种放电的过程中，最弱的蓄电池 总是受到最大的工作负荷下并且实际上变得更弱。如果最弱的单元遭受 损坏，则几乎确定的是，其替换物就其特性而言与其它单元非常不同， 导致蓄电池不再能像我们希望的那样工作。即使新的单元成功工作，也 因为其更好的效率而成为负担。因而，效率方面的差异在会使其在相对 较短的时间内变得不平衡。替换单个损坏的单元并不经济。下一个单元 因相同的故障机理而很快被替换。这在锂蓄电池中是特别显著的特征， 即，非常短的周期并不对数地提供较长的周期服务寿命。而且，容量窗 的位置也是有关的。作为缺陷周期性的结果，新的明显更强的单元的特 性也快速劣化，但这种劣化不同于其它已经老化的单元。因此，在蓄电 池的整个服务寿命期间非常有可能需要恒定的补偿。这可能会阻碍将蓄 电池作为整体有效地使用。
本发明的方法包括将单元作为个体来跟踪并且操作该单元以使这些 单元的特性彼此永久接近。主要标准是单元各自的容量。在现今存在的 多数高级系统中，确实是将单元作为个体来跟踪的，但是，例如，在发 现一个单元的容量比其它单元高时，并不对所述单元进行与其它单元相 比更深的放电或更轻的过充电，但实际上，容量比其它电池更高的单元 的充电和放电周期与其它单元的本征容量相比，事实上针对其本身的本 征容量变低了。因而，比其它单元更少地成比例地对比其它单元更好的 单元施加工作负荷，并且在多数电池类型的情况下，电池间差异也会进 一步增大。蓄电池的特性强烈变化，导致整个蓄电池的运行不受控制的 情况。变化量例如可以包括阻抗和容量。这些量在所有即将到来的周期 中都无条理地改变。现有技术方法具备补偿症状的能力，但不能修正实 际缺陷。
本发明的系统在充电或放电过程中发现其中一个单元具有比其它单 元更高的容量。并非仅在最弱的单元被充满时停止充电过程，多数强力 单元例如比其它单元稍微多地充电。结果是，多数强力单元遭受轻微损 坏并且其容量降低接近于其它单元。无论何时即使单个单元的电压降低太多都确实停止放电过程，这意味着实际上放电必需始终在被最低充电 状态的单元确定时停止。然而，这个特征因预期而被抵消，在该预期中， 从所有稍微更强力的单元向最弱单元提供一些"虚容量"，使得该最弱单 元比其它单元更慢地放电。例如，可以利用放电电流的1%进行充电，得
到了与其它单元相比99°/。的放电周期。放电周期内的充电降低了单元的 工作负荷而实际上并不对该单元充电。通过根据谨慎收集的统计数据进 行计算来获取预期数据。接着，在随后的放电周期中，可以比其它单元 更缓和地处理最弱单元，S卩，例如，可以利用作用在整个蓄电池的电压 上的单个单元的电气隔离充电器在下一个放电周期内传送用于援助最弱
单元的能量。最弱单元还在充电期间被保存，即，与其内部容量相比， 更少量地充电。这可以例如通过利用其它单元以1°/。的更高电流或者通过 用电阻器或CS电路(CS =切换电容器)旁路掉充电电流的一部分来完成。
因而，在下一个充电和放电周期中，比其它单元稍微少地施加工作 负荷于最弱单元从而使差异平坦。在现有技术的实践中，针对最弱单元 的容量比其它单元更多地在每个周期内施加工作负荷于该最弱单元，由 此更加劣化。根据本发明的方法在充电和放电期间均缓和了较弱单元。 在其最佳方面，现有技术系统按充电周期结束时以较低电荷程度对单元 充电。然而，这使得下一个充电周期比其它单元的充电周期工作负荷更 大。现有技术系统由此通常根据瞬间测量信息对单元性态起反应。根据 本发明的系统根据所收集的历史信息来工作并且预先计划所需的补偿测 量。现有技术在基于单元电压差来管理控制充电和放电的充电放电周期 的深度时没有考虑单元的容量差异。
为了如希望那样起作用，该系统保持每个单元的充电、放电、温度、 性态以及其它必需方面的记录。例如，当给定单元被有意地过充电时， 可以期望在随后的放电周期结束时仍具有比其它单元多的电荷。然而， 在单元性态方面，可在恰好下一个周期上检测容量的差异。这是必须考 虑的。这个特定单元可以根据单元状态和其它单元的需要进行放电，以 使所有单元同时获得空和满电荷程度。因为根据本发明，单个单元的某 些容量被有意地丢弃，可取的是，保持算法完全适度，即，渐渐均衡化单元的特性。对蓄电池的工作有影响的最终变化将在其寿命周期的更早 阶段均衡化。然而，只要系统处于服务中，单元的工作和调整就将继续。
跟踪单元的另一重要方面是，蓄电池的温度对其性态有显著的影响。 因此，必须监测并记录每个单元的温度。
为了获知更多有关单元性态的信息，该系统具有逻辑和控制模块， 该模块包括通用中央处理单元，例如计算机。这个中央处理单元监视蓄 电池并且保存控制整个系统的功能所需的信息。该系统的中央处理单元 例如还可以被用于导航和控制期望应用的其它功能。该中央处理单元可 以使用其本身的数据传输链路或者该系统可以设置有用于通信的单独的 终端单元，例如，移动电话。这提供了更新用于单元的管理算法的便利 途径并且使得能够收集相当量的有关用于在线服务器的整个系统的性态 的实验信息。
当例如可以证明工作历史以确保基于使用的账单从而用户无法修改 所收集的工作历史的软件时，集中式服务器还可以充当用于认证远程单 元的装置。同时，因为每个蓄电池的序列号和历史被记录在服务器中， 并且复制的序列号的复制使用信息将被暴露，所以证实了该软件的版权。 基于智能卡的保护可以用来保护该软件和算法。在这种情况下，程序的 一部分可以被加密发送并按非常难以复制和修改的方式将其存储在读保 护存储器中。这使得可以按这样的方式来更新属于大系统的装置，艮P， 蓄电池管理算法的细节可以保持为商业秘密并且还可以收集测量数据而 不会暴露给局外人。而且，例如租用蓄电池的账单可以基于真实使用信 息，该真实使用信息可以按数据安全方式针对账单来收集。
收集的信息可以被例如神经网络中的制造商利用，或者作为用于根 据统计方法进行的分析的材料，以开发更有效的未来系统。这种电信还 可以被用于改变各个单元中的算法。因此，建立研究环境，其覆盖了已 经出售的所有单元并且其提出更多功能系统以有益于消费者。例如，消 费者能够在蓄电池的持续时间期间和系统的大概剩余服务寿命期间获取 有关他/她的驱动例程的检查信息。还可以确定例如如果单元可以更频繁 充电或者如果驱动速度稍微降低则服务寿命为多少。该系统的中央处理单元有利地包括用户界面和操作系统。该用户界 面例如为图形化的。与单元有关的信息为机密的并且被包括在强加密数 据库中，使得在没有加密密钥的情况下不能读取汽车的驾驶历史。数据 库信息使得能够例如读取驾驶速度、功率走向、充电时间、按距离和图 形驾驶的里程、车辆的温度、单元以及环境。因而，应当强调的是，这 种信息必须不违反驾驶员的隐私保护。用户承担遵守操作系统许可条款， 其确保针对用户的充分广泛的保护以及针对系统的最佳操作的充分广泛 的信息量。加密该信息的另一理由是，要确保保修事件中的信息的可靠 性，例如，充电过程的聚合数和施加的能量可以构成保修条款的目标因 此必须是不易修改的。两者都不是允许例如展现地理坐标的信息，地理 坐标可能被用于犯罪意图来定位该系统。除海拔以外，地理坐标与蓄电 池管理无关。
本发明的方法、装置以及程序代码分别由独立权利要求1、 6和7中 要求保护的内容来表征。从属权利要求给出了本发明的优选实施方式。


下面将借助附图，对本发明的系统进行描述。 图1示出了本发明的电路框图。
具体实施例方式
参照图1，该图示出了本发明的系统的简化框图。本发明的对于蓄 电池"C1、 C2、 C3"的管理是通过与设置的数据传输网络"NW"以及 用于收集有关单元的信息的系统内部通信网络"BUS"进行通信的中央 处理单元"CPU"来监测和控制的。相同通信可以被便利地用于系统组 件之间的所有数据传送。与CPU相关联的是用户界面，例如键盘"KB" 或图形触摸屏"SCR"。
CPU还优选地充当娱乐中心、设置有地图的导航装置、车载计算机 等。测试装置的软件能够显示与每个单元的历史有关的详细信息。例如， 有关单元间差异的趋势或者有关在加载情况下几乎耗尽的系统的单元的电压。因此，这实际上使得能够证实本发明的系统。
电气隔离的主充电器或电源"PS"在中央处理单元CPU的控制下生 成对蓄电池充电所需的直流电。单元C1、 C2和C3串联连接并且来自电 源PS和负荷控制器"CON"的电流流经所有这些单元。监测装置"节点 1"、"节点2"、"节点3"与每个单元通信连通。每个单元监测装置节点 (单元控制系统节点，CSS节点)都与通信网络BUS相连接，通过该连 接，中央处理单元CPU能够收集特定单元的信息并且控制每个单元的管 理。与每个监测装置节点通信相连的是针对每个单元的温度计"T"、充 电器"S"以及伏特计"V"。该系统中还可以包括用于测量单元特性的其 它仪器，例如压力计或湿度计。为简单起见，附图没有包括所有附件。 充电器S从整个蓄电池的电压或者直接从电源PS获取其电流。充电器S 是电气隔离的。鉴于测量和数据处理电子装置，示范构造设置有单独的 电源LPS。它从电源PS或从整个蓄电池单元获取其电流。电源LPS还可 以包含其本身的小备用蓄电池，这样例如即使切断主电压，中央处理单
元也能够在维护工作期间工作。
当没有连接电源PS并且系统处于放电周期时，如果需要，设置为与 节点通信连接的充电器S使整个蓄电池放电，并且对与相同监测装置节 点1-3连接的单独单元进行充电。这使得在放电过程中能够在蓄电池均衡 化步骤中提供非常高的效率。通过调节电源PS的输出，在充电过程中补 偿在充电器S与从单元汲取的能量之间的差异。CPU执行补偿计算并且 控制所有充电器的操作。为清楚起见，该图仅示出了三个单元Cl-C3， 实际上，单元数通常为三个以上。
通过例如可以是DC-CD转换器或马达控制器的电路CON来控制向 负荷"M"的电力输入，即，使用充入单元中的电力。电路PS和CON 还可以具有公用于两者的部件，并且可以将功能集成在单一装置中。它 例如还可以在CPU的控制下在制动过程中对蓄电池进行充电。在电动车 辆中，有益的是，向系统返回一些制动能量。因而，如果需要，CON可 以在任一方向起作用。优选的是，与蓄电池工作电动车辆相关联地采用 本发明的装置和方法。在车辆应用中，特别重要的是，使蓄电池能够经受住尽可能多的充电放电周期和高充电放电电力。然而，本发明的方法 和装置同样适于其它应用，如用于不间断电源的管理，或者还用于例如 风能或太阳能环境下的固定蓄电池单元。
在本发明的测试装置中，节点例如是微处理器控制的相当简单且经 济的装置。所有微处理器和逻辑功能的电压源都包括单独的、安全的电 源。因而，该系统的各种部件的工作不依赖于连接至相关节点的单元的 实际充电状态，也不依赖于由于节点的保险丝烧断或者在蓄电池的终端 电压暴跌的情况下造成的电源中断。
节点可以优选地设置有可编程标识装置，用于记录单元的工作历史。 鉴于隐私保护和保护数据，优选地将信息加密或者使其至少难以被局外 人转换和读取。
在正常充电周期过程中，用于对系统充电的可调整的电流和电压是
在CPU的控制下由PS生成的。充电过程典型地例如通过利用可变恒定
电流并且通过监测单元的工作参数而开始。在电压上升至接近于充满了 电荷的单元的值之后，需要执行转换以均衡电荷。这时，恒定电压下的
可变电流根据活动充电器S的数量由系统的PS来提供。通过每个单元跟 踪装置节点来监测状态条件并且由中央处理单元CPU来连续收集这种信 息。按所有充电器S完成分配给它的任务之后电流接近零的方式由CPU
来控制充电。如果需要，系统甚至可以维持在这种状况下达较长时段。
节点的工作是由CPU主动控制的，以使可获得最佳充电。显著功能
例如包括轻微过充电、通过切断单元冷却通过接通加热、通过深度放电 各个单元而升高温度，放电周期相对于讨论的单元的真实容量成比例地 更高或更低。
可以在电源工作中或放电周期内执行均衡化。实际上，与节点通信 连接的充电和放电装置可以由低性能且经济的标准组件组成。因为所分 配的处理是尺度适度的，所以不需要高性能。另外，这些处理还可以通 过利用用于向其中一个单元赋予额外电荷的蓄电池总电荷，而在充电过 程以外的其它时间执行。相同方法还可以被用于通过激活除了需要放电
的单元以外的所有其它单元的充电器s来使单个单元放电。如果在蓄电池中原先就存在较大差异，则在第一次充电操作之后立即用具有更一致 性能的单元替换该单元，比尝试均衡化原始单元更可取。在本发明的系 统中，事实上，CPU请求操作员尽可能早地预定售后更换蓄电池的服务 时间，或者可根据任何指定位置按最近的服务点由系统自动预定该时间。 可以通过用户界面联系操作员，以确信该时间是方便的。
能够按可控方式对单个单元进行充电和放电，该系统具有在充电、 蓄电或放电周期内减小或增加这个特定单元上的工作负荷的能力。特定 单元温度测量是必需的，因为电池特性作为温度的函数而波动。而且， 生成的热提供了有关单元状态的信息，更具体地说，有关其内部串联电 阻的信息。对已经完全充满的单元充电导致生成大量的热能，会很快破 坏单元并且引起严重的危险。如果单元温度上升太高，则无法通过外部 手段来防止火灾。这是必须监测单元温度的另一个原因。还可以提供与 软件无关的过热保护，其优于所有其它控制并且除了冷却风扇以外断开 其它蓄电池电路。过热时，蓄电池可短路，在短时间内释放大量的能量。 在许多高级蓄电池技术中，这等同于火灾。
而且，本发明的系统优选地设置有数据传递仪器"MT"，其使得能 够向其他外部介质传送单元状况监测数据，用于产品开发目的的分析。 另外，相同仪器可以被用于更新软件或管理算法。仪器MT可以构成装 置的集成部分，例如，GPRS调制解调器、3G或WLAN。数据传递装置 还可以利用以导线方式建立的通信链路ETH通过例如与维护和充电处理 结合地以线缆方式传输信息。
还可以例如通过Bluetooth链接来使用移动电话，用于数据传递和作 为用户界面。实际上，在不久的将来，电动汽车的维护周期很可能非常 长，即，不能仅通过维护作业而以足够的频率来收集信息。这是由于电 动汽车中的磨损和可修部件的数量明显少于内燃机动力车辆的。例如， 制动蹄块的磨损相当少，传动装置的磨损部件限于车轮轴承，甚至车轮 悬架也可以具有比现今更简单的设计，并且车体结构上更简单。
因为最新的蓄电池技术具有甚至达到300000 km或20年的维护周 期，所以，必须存在更容易的监测蓄电池的状况和收集信息的方式。在正常运行下，汽车可以每隔五年进行维护。对于产品开发的需要来说， 这种周期太长，这就是为什么优选以不同于维护期的方式来收集有关单 元的服务数据的原因。如上指出，目的是建立覆盖销售的所有单位的数 据收集系统，由此，硬件制造商获取重要信息并且可以用预期数据和最 新的维护算法来服务消费者。该系统的用户界面还可以按销售和宣传的 协定方式来使用。
该系统还可以被用于准确地测量每个单元的容量和通过充电器S将
每个蓄电池的每个单元消耗至特定电荷水平。控制中央处理单元CPU能 够基于电源PS、节点以及安培计"AM"提供的信息来计算经过蓄电池 的总电流。安培计被用于测量电流的时间积分，S卩，经过蓄电池的电荷。 在同一安培计AM中实现积分或者通过中央处理单元CPU来计算积分。 另一方面，将负责单个单元的每个节点用于测量或计算要与蓄电池并联 设置的充电器S的电流和蓄电池的电极之间的电压，以及其它必要参数。 CPU能够通过充分利用测出的参数来计算这些单元的总容量和效率。另 外，每个单元相对于其它单元的差异可以根据每个单元的测量结果并且 根据与单元并联连接的充电仪器的数据来计算。差异通常可以比总容量
更准确地测出。这易于单元的精确均衡。实际上，整个系统的特性最好 是评估的，但单元之间的相对差异可以按足够的准确度测出。
尽管例如比 其它电池弱的单元的工作因在放电过程中对它充电和因 在充电周期内分别更多地对其它单元充电而减轻的事实是存在的，但是 因为该系统的充电器S和PS是通过切换模式技术来实现的并且具有较高 的效率，所以总体效率良好。如果充电器S在充电周期内按相反意义工 作(即，沿充电器PS馈送电流)并由此具有贯穿由引导过去的单元的充 电器S管理的单元的充电电流中的一些并且被递送回去用作所有单元的 充电电流，则还实现了针对单个单元的相同工作负荷缩减。在此，与在 先专利US 6373226 Bl (ITOU等)的差异在于，系统可以同时支持几个 具有不同电力的单元。在前述专利中，偶尔并且仅在达到预编程参数之 后才支持一个单元。这样，就不能实现恰当的电池管理。而且，单元特 有充电器与蓄电池的串联电压之间的单独的隔离切换模式电源向实体提供了显著的安装安全和可靠性。该组件例如可以与PS相关联地集成。于 是，可以使单元特有切换模式电源标准化成指定电压，并且不依赖于蓄
电池的串联电压。较低的电气隔离电压(例如，24V或75V)得到了安 装安全。
因而，比其它单元稍弱的单元可以按照不太深的充电和放电周期而 工作直到其它单元就容量而言接近该较弱单元为止。这使得能够实现具 有良好总效率的均衡化单元而不会不必要地浪费任何单元的容量。实际 上，例如，容量比其它单元低0.5%的单元的充电和放电可以按照深度相 对于其它单元为99°/。的周期进行。结果，其它单元经受稍微高的工作负 荷并且减小了单元间差异。然而，与传统方法相比，更彻底地利用了整 个蓄电池的容量，因为只有比其它单元弱的那个单元的很小一块容量有 意不被使用。
因为较弱单元的工作方面的缓和是通过使用高效、廉价以及低容量 的断路器来实现的，所以不损耗有价值的能量并且不存在不必要生成的 热能。例如，在1000Ah (lQ/。等于10Ah)的蓄电池中，艮卩，例如5h的 放电和充电周期需要2A的平均充电和放电电流，以提供少1%的充电放 电周期。实际上，例如，1000Ah的蓄电池至少在车辆使用方面是很大的， 并且5h的充电时间需要200A的充电电流，并且例如利用IOOV的工作 电压，所需功率为20kW。由此，根据该实施例，利用4V的充电电压， 单一单元的充电器S仅具有8W的功率需求。另外，可以组合各种方法， 即，例如一个单元可以以1A电流放电而其它单元以1A电流充电，或者 可以将温度差用于生成单元之间的不等充电状态，例如，通过降低冷却。 如今的单元能够经受住相当强的充电电流，并且在充电时间非常短的情 况下，可使单元在充电过程中即刻旁路，由此，避免了针对强力充电器S 的需要。另一方面，通过整夜充电或者利用频繁快速充电，通常可以至 少一周几次地执行通过调整电荷来均衡化单元，但可以按许多其它方式 对单元加工作负荷，来实现与本发明一致的最终结果。
比其它单元强的单元的故意过充电可以在放电周期内通过使其它单 元在放电周期内处于充电模式下而放电至比其它单元更大的深度。同样在这种情况下，比其它单元强的单元的电荷在其它单元处于充电过程中 时按适度高的效率被充分利用。即使在这种情况下，比其它单元强的单 元的充电器S也可以在放电周期内按相反意义工作。因此，根据本发明 的优选实施方式，不仅可以使单元间差异均衡化，而且与在没有忽视使 用任何单元的容量或者没有浪费能量之前相比，单元的容量可以更彻底 地耗尽。
根据本发明，能量还可以例如因刚好使用一个电压或电流调整联合 充电器以及单元的输出因电阻耗散而被浪费。在这种情况下，通过利用 较低限制电流对其它单元进行充电，或者简单地说，并不是对单一单元 进行充电，而是通过例如利用电阻来放电所有其它单元的电荷而在充电 过程中旁路单元。然而，在车辆使用方面，这种方法不太有益，因为它 产生了相当大的热量并且无论如何都浪费了有限的容量。浪费能量在例 如用于避暑别墅中的太阳能电池供电充电器的情况下更容易接受，因为 当蓄电池充满电时，无论如何能量的量都超出需求，并且所涉及的充电 功率不是特别高。
应注意到，高质量系统的单元在特性方面彼此非常接近。制造商能 够测量单元的特性并且为希望的系统选择尽可能相同的单元。因而，实 际上，单元之间的差异应当在小于百分比的量级。这看上去像是较小的 差别，但因为遵照最弱单元工作(如在本领域的可用状态下)而更进一 步劣化了最弱的单元，所以与通过本发明的系统实现的结果相比，最终 结果显著縮减了蓄电池单元的服务寿命。实际上，即使单元的容量超过
1000 Ah，用于与节点通信连接的充电器S的足够功率也是几瓦的功率。 这也不同于本领域的状态，如通过预先预期和计划电池管理，可以避免 即刻需求高功率。
组件V、T、 S以及节点可以被优选地包括在一个且同一个电路板中， 该电路板接合在每个单元上。
即使利用现有技术的最好系统，当前可用的各个单元也能够经受住 用于单独单元(例如，最新的蜂窝电话)的几千个充电放电周期。通常 报告例如额定容量的60 %应当保持达至少2000个充电周期。当串联连接时，现有技术系统的周期服务寿命甚至可能降至小于200次。根据原型 测试，本发明的系统能够延长系统使用年限达至少匹配各个单元的服务 寿命。另外，可以改进系统的负载容量和可用性。
与本发明的系统相配合的电动车辆可以保证达到经济可行的服务寿 命。因为蓄电池的更换成本代表了对于电动车辆来说最显著的特定运行 成本，所以本发明的系统可以在电动车辆的整体经济方面造成较大差别。 本发明的潜在结果可以成为期待达140多年的电动车技术方面的突破。 另外，根据本发明均衡化的蓄电池的特性是精确获知。CON可以考虑甚
至完全没有蓄电池的剧烈加载，而无需担心破坏单元。
至于电动车辆的用户，本发明的实践意义是增加了可用工作范围并 且车辆制造商可以考虑使用更高容量，还可考虑半空单元。必须记住的 是，即使单元的监视逻辑具有用于限制猛烈加速中的容量的时间，但容 量的突然限制可能导致事故。本发明的系统更精确地知道剩余安全可用 容量，由此，减少了驾驶期间的意外风险。而且，要保留备用的容量可 以被用于一路上采取功率峰值直到耗尽。
本发明的结果还存在以下可能性，如果容量即将耗尽，则在耗尽容 量之后将车辆移动至更安全位置。通常，系统在周期的顶端和低端处保 留了某些安全间隙，用于增强蓄电池的服务寿命。这种备用容量可在紧 急情况下使用。
至于技术，可以说，本发明的系统能够允许与制造商更高程度的集 成。换句话说，蓄电池可以按其可维护性在定位蓄电池方面不成为限制 因素的方式内建在车辆的结构中。蓄电池可以构建为车辆的承载结构的 一部分。本方法可以显著降低车辆制造成本。另外，在开发单元时，可 以更快速地完全有益地利用新单元类型，因为可以从大电池组按快速且 容易的方式收集数据，然后还可以更新针对车辆的管理程序，以对应于 新单元的特性。根据本发明的系统非常灵活并且使得可以在车辆模型系 列内部使用不同的单元类型，而不需要改变其电池管理电子装置。
看起来，根据本发明的蓄电池管理将代表在开发适于日常使用的、 综合经济且舒适的电动车辆的过程中一个明显的前进步伐。中央处理单元CPU可以用电池特有装置来代替，其比当前描述的更智能并且能够在
不需要中央处理单元的情况下交互式对话。在递送能量的模式方面，还 可以存在并联或串联的两个或更多个系统，或者釆用完全分离装置的形 式，例如在海轮中，针对移动和照明分离地采用。这种情况涉及更复杂 化的整体系统的均衡化。该系统还可以具有地理上分离的部件，假如数
据传递网络NW按照希望那样起作用的话。
因而，例如，甚至世界各地的几千种不同系统都可以通过单个用户 界面来操作和监测。
另外，该系统可以设置有各种类型的蓄电池单元或可以使用超级电 容器或其它电源来生成高瞬时电流或从系统向系传递电荷。尽管发明申 请的当前文字说明仅说明了简单测试装置的功能，但这多个变型例都属 于本专利的保护范围内。
权利要求
1、一种通过单独测量和应用统计来管理可充电串联连接单元(Cl 、C2、C3)的方法，其特征在于，在每个单元的充电、蓄电或放电周期的过程期间监测每个单元以测量单元特性，并且按照在充放电周期期间对比其它单元更好的单元施加更多工作负荷的方式来对待它们，或者通过按照使多个单元的特性彼此永久接近的方式对比其它单元弱的单元施加更少的工作负荷来减缓它们的劣化。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按针对每个单元确定 充电和放电程度或温度范围的方式在已用容量窗中为每个单元确定一个 最佳工作区，其结果是单元特性彼此接近并且最终各个单元性态彼此接 近，并且改善了充电窗的整个区域中的整体蓄电池性态，使得蓄电池可 以在该充电窗的末端以更高的电流进行充电和放电，而不存在安全或损 坏风险。
3、 一种作为根据权利要求1所述的方法的一部分的用于均衡蓄电池 单元容量的方法，其特征在于，根据测量出的值，按照所述多个单元并 不总是完全充电而是使这些单元中的一些单元比其它单元的电荷更低以 减缓单元活性材料劣化由此将相对较弱单元的容量均衡到其它单元的程 度的方式，将单元电荷程度维持在针对整个系统的最佳状态下。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过比其它单元更多 地充电、比其它单元更深地放电、比其它单元更多地发热，或者按照与 其它单元不同的其它方式对单个单元施加工作负荷来使这些单元之间的 差异减小，从而单个单元或一组单元的特性恒定地劣化。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过放松比其它单元 弱的单元的工作条件，例如，通过在放电周期期间对它们进行充电并且 在根据权利要求3所述的充电周期期间按照单元所需的方式对它们分别 进行充电，来调节单个单元或一组单元的特性。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照与其它单元有关 的方式在可用容量窗中为每个单元指派一个最佳工作区。
7、 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括这样的步骤从几个蓄电池单元收集单元测量信息来开发和测试该管理 算法。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括这样的步骤以远程方式向电池管理装置组提供所述管理算法的更新。
9、 一种用于管理单元的设备，所述设备包括用于测量串联连接的蓄 电池单元的装置，其特征在于，该设备包括用于测量蓄电池中的单元间 不一致性的装置，和用于至少在充电和放电周期期间单独操纵这些单元 以便在今后的充放电周期期间永久地减轻特性的单元间差异的装置。
10、 根据权利要求9所述的设备，其特征在于，与单个单元并联连接的电荷调节装置是针对小电流设定的，该小电流是主充电器或负荷所导致的电流的最大2%。
11、 用于蓄电池管理的软件，其特征在于，该软件连续记录多个单 元的特性，并且有意地使比其它单元更好的单元局部劣化，或者对比其 它单元弱的单元施加更少的工作负荷。
12、 一种用于蓄电池管理的系统，其特征在于，最高控制级的逻辑 设置在电信连接的远端中的外部服务器中的管理设备外部，在此情况下， 该外部服务器可以认证该蓄电池管理设备或其用于管理、登记或防备伪 造或复制的管理算法的数据。
全文摘要
本发明提供了一种通过单独测量来管理可充电串联连接单元(C1、C2、C3)的方法和装置，通过在单元充电、蓄电或放电周期的过程期间监测每个单元来测量单元特性并且通过操纵不一致的单元来调节它们特性从而减轻单元间差异。
文档编号H01M10/42GK101438452SQ200780016305
公开日2009年5月20日 申请日期2007年5月7日 优先权日2006年5月5日
发明者尤卡·耶尔维宁 申请人:芬兰电动车辆技术有限公司