CN102484376A - 用于智能电池充电的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于管理电池的充电和放电的方法，其中至少一个电池被连接至电池充电器，电池充电器被连接至电源。设置了彼此通信的多个控制器，每一个控制器监测输入变量的亚组。随着输入变量的亚组的变化而变化的一组充电约束条件，随后可为每一个控制器产生。还可以为每一个控制器产生一组目标。使用考虑了每一个控制器的每一个优选充电速率和/或不违背任何充电限制条件的算法，每一个控制器产生随着目标组、充电约束条件组或两者的变化而变化的优选充电速率。随后，以实际充电速率提供电池与电池充电器之间的电流。

Description

用于智能电池充电的方法和装置

根据美国能源部授予的协议DE-AC0676RLO 1830，借助政府支持做出本发明。政府享有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及用于对电池进行充电的方法和装置。更具体地说，本发明涉及用于对电池进行充电的方法和装置，它们通过确定充电速率，同时考虑到将影响充电过程或受充电过程影响的约束条件以及多个用户和多种设备的偏好来改善现有技术的方法。

背景技术

预期电动汽车的广泛使用使得许多研究人员和制造商考虑在多种不同情形下对电池进行充电的需求。这些考虑因素已经带来与不同方面的问题有关的多项革新。例如，广泛使用的电动汽车的一个方面是需要在商用充电站对许多不同类型的电池进行充电。为了适应不同类型的电池，这些商用充电站将需要具有能够与电池相互作用并在安全进行充电之前分析与电池类型有关的任何考虑因素的能力。由广泛使用的电动汽车引起的另一个考虑因素涉及许多这些电动汽车将在用户的家中，使用由公共或私人电力制造商产生的电力进行充电的可能性。供给至这些家庭的电力的供给、需求和成本随时间变化。为了适应这种变化，这些用户家中的电池充电连接装置将最佳地决定最合适于这些公共和私人电力制造商的需求的电池的充电时间和/或充电速率。

但是并不是只有电池类型对充电过程产生约束。由于电动交通工具是移动的，因此当电动交通工具在不同家庭、工作场所和公共充电场所附近行进并在这些场所对其电池进行充电时，并不能够预测电动交通工具可能遇到的电池、电池充电器、充电站和能源服务提供商的每一种排列。因此，需要一种方法来识别并适应可能由每一种电池类型、电池充电器、充电站和能源服务提供商施加的多种约束条件。

虽然已经提出许多革新来适应因电动汽车的广泛充电引起的不同的充电约束条件和充电偏好，但是现有技术通常独立考虑这些不同的约束条件和偏好。虽然当独立地考虑充电约束条件和充电偏好时，许多这些现有的解决方法和革新是合适的，但是当考虑到连接至电池的所有用户和所有设备的不同约束条件和偏好时，这些现有技术并不提供最佳的解决方法。因此，存在一种对电池进行充电的方法和装置的需求，该方法和装置能够考虑到影响充电过程或受充电过程影响的多个用户和多种设备的约束条件和偏好。本发明满足这种需求。

发明内容

本发明是一种用于管理电池的充电和放电的方法。本发明要求将至少一个电池连接至电池充电器并将电池充电器连接至电源。正如本文中使用的，“电池充电器”意指电源与电池之间的接口，其控制电源与电池之间的电流或功率交换。

在一些应用中，电源将是家用发电机、太阳能收集系统或与独立于公共或私人拥有的发电系统的其他一些类型的电源，这使得民用和商用消费者可以经由大规模电力分配系统(下文称为“电网”)获得电力。然而，在其他应用中，电源将是电网。在任一种情形中，可以存在期望电池通过放出存储在电池中的一些或全部电能来向电源提供电力的情形。在其他情形中，将期望电源向电池提供电力，因而对电池进行充电。因此，正如本文中使用的，根据不同的情形，电池的“充电速率”可以意指电池被放电的速率，或电池被充电的速率。

本发明通过提供彼此通信的多个控制器来决定电池的充电速率。控制器是能够监测电力系统的物理方面，诸如电压、电流或功耗的电设备，控制器也能够与其他电设备通信，其他电设备包括但不限于其他控制器，其他控制器还可以能够接收并执行指令，包括交通工具的偏好和充电场所拥有人，这随后限制或建议优选充电速率。

可以通过模拟方法来进行监测，这些模拟方法诸如检测通信电路上的电压的存在或不存在，或通过数字通信协议。类似地，控制器之间的通信可以呈任何常用的通信协议的形式，包括但不限于TCP/IP或类似技术。指令可以被提供为能够基于电信号的输入进行逻辑或其他功能操作的软件或固定电路。逻辑操作的示例包括但不限于，“和/或”和“如果那么”表述。

多个控制器之间的约束条件和优选充电速率的通信特别适合于通过单一模拟电压进行通信，模拟电压的幅度表示可以受到每一个控制器和受到每一个控制器处产生的优选充电速率限制的实际充电速率。

本领域的技术人员将认识到可以配置多种设备以用作控制器。例如，且不意图作为限制，控制器可以由通用目的的个人电脑组成，这些个人电脑能够被配置用于多个用户，而且被配置用于接收来自一个或多个外围设备的输入且进一步被配置为与其他控制器进行通信。可选择地，控制器可以由固件或专门设计且构建的以用作特定目的的控制器的其他电路组成。因此，正如本文中使用的，术语“控制器”意指任何形式的电路，包括但不限于软件、硬件、固件及其组合，它们被配置成监测电力系统的任何方面且还能够与其他电力设备通信，其他电力设备包括但不限于其他控制器。控制器可以被进一步配置成存储和执行逻辑指令和操作。

本发明的方法可以涉及多个输入变量。例如，且并不意图限制，这些输入变量中的一些可以与电源或电池的条件有关，而其他一些变量可以是电源和电池外部的。每一个控制器被分配监测输入变量的一些亚组。

在本发明的一个实施方案中，控制器产生每一个控制器的一组随着由该控制器监测的输入变量的亚组的变化而变化的充电约束条件。例如，且并不意图限制，监测电池充电器的控制器可以设定与安全操作电池充电器相关的最大和最小充电速率和放电速率作为充电约束条件的限值。类似地，且也不意图限值，监测电源的控制器可以设定与当前可从电源获得的电力相关的最大和最小充电速率和放电速率作为充电约束条件的限值。

继续本发明的此实施方案，控制电池充电器的控制器随后界定落入由每一个控制器产生的所有充电约束条件组内的实际充电速率，且接着以实际充电速率提供电池与电池充电器之间的电流。这样，本发明允许电池以考虑了由每一个控制器产生的所有充电约束条件组且因此由控制器监测的所有输入变量的速率进行充电。

虽然不意图限制，但是在本发明的进行前述用于界定落入由每一个充电器产生的所有充电约束条件组内的实际充电速率的方法的实施方案中，产生控制器的实际充电速率的步骤优选通过下述步骤来进行：随时间监测实际充电速率、推测由其他控制器产生的充电约束条件以及使用所推测的信息来产生实际充电速率。

多个控制器之间的通信优选通过共享的电信号。信号幅度优选能够受到每一个控制器的充电约束条件的限制，且信号幅度优选表示实际充电速率。

优选地，但不意图限制，每一个控制器的充电约束条件的组包括但不限于，保护电池、保护电池充电器、保护场所的电力供给、场所拥有人的利益、电池充电器系统拥有人的利益、保护置于场所的电上游的装置、电力服务提供商的运营利益、电力服务提供商的合同利益、电力服务提供商的优先利益及其组合。举个例子，但不意图限制，场所拥有人的利益可以包括在场所拥有人的成本最低时提供电力。举个另外的例子，但不意图限制，电力服务提供商的合同利益可以包括场所拥有人除了在有限的非峰值小时期间之外不对电动交通工具进行充电的需求。因此，技术人员将认识到多种可能的利益能够与场所拥有人、电池充电器系统拥有人和电力服务提供商相关，且所有这些可以被提供为充电速率的约束条件。

多个控制器优选被提供为置于电池处、电池充电器处、电池管理模块处、用户接口处、电源处、电源的电上游的位置处及其组合。

虽然本发明并不限于电池被设置为置于移动的交通工具上且电源被提供为固定的电源的应用中，但是本发明在这样的应用中提供特定的用处。

在本发明的另一个实施方案中，提供了彼此通信的多个控制器，其中每一个控制器监测输入变量的亚组。在本发明的此实施方案中，为每一个控制器确定一组目标。这些目标是由控制器执行的一组逻辑或功能指令。接着确定每一个控制器的随着组的目标和由每一个控制器监测的输入变量的亚组的变化而变化的优选充电速率。接着，使用考虑了每一个优选充电速率的算法界定实际充电速率，且以实际充电速率提供电池与电池组之间的电流或功率交换。

在本发明的一个实施方案中且不意图限制，监测步骤包括监测有关从电源接收的电力条件的至少一个输入变量。合适的变量包括但不限于，电频率、电频率的可变性、电频率的变化率、电压电势、电压电势的可变性、电压电势的变化率及其组合。

虽然不意图限制，但是用于界定实际充电速率的一个示例是通过计算已经由多个控制器产生的优选充电速率的加权平均值并将所述加权平均值分配给实际充电速率。

多个控制器之间的通信优选通过共享的电信号。信号幅度优选能够受到每一个控制器的优选充电速率的影响，且信号幅度优选表示实际充电速率。

产生控制器的优选充电速率的步骤优选通过下述步骤来进行：随时间监测实际充电速率、推测由其他控制器产生的优选充电速率以及使用所推测的信息来产生优选充电速率。

与控制器产生每一个控制器的一组随着由控制器监测的输入变量的亚组的变化而变化的充电约束条件的实施方案一样，在确定每一个控制器的一组随着输入变量亚组的变化而变化的目标的步骤中，优选地，目标组包括但不限于，保护电池、保护电池充电器、保护场所的电力供给、场所拥有人的利益、电池充电器系统拥有人的利益、保护置于场所的电上游的装置、电力服务提供商的运营利益、电力服务提供商的合同利益、电力服务提供商的优先利益及其组合。

本发明的另一个实施方案进行下述两个步骤1)识别每一个控制器的一组目标且确定每一个控制器的随着组的目标和由每一个控制器监测的输入变量的亚组的变化而变化的优选充电速率和2)每一个控制器产生一组随着由那个控制器监测的输入变量亚组的变化而变化的充电约束条件。在本发明的此实施方案中，使用考虑了每一个充电器的每一个优选充电速率的算法来界定实际充电速率，且实际充电速率进一步由充电约束条件限制。接着，电流以实际充电速率在电池与电池充电器之间流动。上面两个步骤1和2的优先性与分别描述步骤的实施方案是相同的。

附图说明

当结合附图阅读时，将更容易理解下面的本发明实施方案的详细描述。

图1是显示了在本发明一个方面的示例性实施例中，随着所测量的电池压力

的变化而变化的施加的充电约束条件的图。充电速率C是本领域的从业人员已知的度量单位且等于使电池从其放电状态开始在1小时内完全充电的充电速率。本领域的技术人员还将认识到可以类似地产生与其他输入变量相关的充电约束条件的图，这些变量包括，但不限于环境温度和电池电压。描述词“低”、“中等的”和“高”用于此函数的精确定义。

图2是显示了在本发明一个方面的示例性实施例中，随着所测量的电池压力的充电速率

的变化而变化的施加到电池充电速率和放电速率的限值的图，因而不仅显示出所监测的输入，而且还有这些所监测的输入的变化都是用于界定充电约束条件可容许的且有用的输入。而且，本领域技术人员还将认识到，可以类似地产生与其他输入变量的变化有关的充电约束条件的图，这些其他输入变量的变化包括但不限于环境温度和电池电压的变化。

图3是本发明的用于管理电池的充电和放电的方法的示意性表示。

具体实施方式

基于促进理解本发明原理的目的，现在将参考阐释在附图中的实施方案且特定的语言将用于描述这些实施方案。尽管这样，将理解并不由此预期本发明范围的限制，因为本发明的范围应该参考所附的权利要求来评估。设想所阐释的装置的改变和进一步的修改，以及正如本文阐释的本发明原理的这样进一步的应用，正如本发明所涉及领域的技术人员通常所想到的。

图3阐释了本发明的用于管理电池的充电和放电的方法。如图所示，步骤包括将至少一个电池1连接至电池充电器2，将电池充电器2连接至电源3。如图所示，电池可以被设置为置于移动的交通工具4上且电源3可以被设置为固定部件19中的固定部件。当电池充电器2被显示为置于移动的交通工具4上时，其可以置于移动的交通工具4上或在固定部件19中。该方法还提供多个控制器5。多个控制器5被设置为置于电池1上的5c、置于电池充电器2上的5d、置于电池管理模块6上的5g、分别置于交通工具7a上的5a和场所拥有人7a用户接口处的5b、置于电源3上的5e以及置于电源3的电上游的位置8的5f。如所描述的，在连接多个控制器5的线9中，多个控制器5彼此通信。

多个控制器5可以通过共享的电信号进行通信，信号幅度9表示实际充电速率，且信号幅度能够受到每一个控制器5的优选充电速率13、每一个控制器5的充电约束条件11及其组合的影响。每一个控制器5监测输入变量亚组10。在不期望限制本发明的一个实施方案中，输入变量10b包括电频率、电频率的可变性、电频率的变化率、电压电势、电压电势的可变性、电压电势的变化率及其组合，从电设施和从电源3监测这些变量。

如图所示，该方法还产生每一个控制器5的一组随输入变量10的亚组变化的充电约束条件11。该方法还确定每一个控制器5的一组目标12，产生每一个控制器5的随组的目标12和所监测的输入变量10变化的优选充电速率13。

充电约束条件11可以选自由保护电池、保护电池充电器、保护场所的电力供给、场所拥有人的利益、电池充电器系统拥有人的利益、保护置于场所的电上游的装置、电力服务提供商的运营利益、电力服务提供商的合同利益、电力服务提供商的优先利益及其组合组成的组。

产生控制器的优选充电速率13的步骤可以通过下述步骤来进行：随时间监测10a实际充电速率16、推测由其他控制器5产生的充电限制条件11和优选充电速率13以及使用所推测的信息来产生优选充电速率13。界定实际充电速率16的步骤可以通过下述步骤来进行：使用考虑了每一个控制器5的每一个优选充电速率13且并不违背任何充电约束条件11的算法17。

界定实际充电速率16的算法17可以通过计算已经由多个控制器5产生的优选充电速率13的加权平均值并将所述加权平均值分配给实际充电速率16来执行，正如由充电限制条件11进一步限制的。该方法随后以实际充电速率16提供了电池1与电池充电器2之间的电流18。

虽然已经在附图和前面的描述中详细阐释并描述了本发明，但是这些实质上被认为是示例性的，而不是限制性的。仅仅显示和描述了某些实施方案，且期望保护落入本文描述的本发明主旨内的所有变化、等同物和修改。本文提供的任何试验、实验性示例或试验结果都预期是本发明的示例且不应该认为本发明的范围是限制性的或约束性的。此外，本文中陈述的任何理论、操作机制、证据或发现结果意指进一步增强对本发明的理解且绝不是期望将本发明限制到这样的理论、操作机制、证据或发现结果。

因而，此描述和附图的细节不应该被解释为将本发明的范围限制到其细节。相反，本发明的范围应该参考所附的权利要求来评估。在阅读权利要求时，预期当使用诸如“一(a)”、“一(an)”和“至少一个”以及“至少一部分”时，并不期望将权利要求限制到仅一项，除非在权利要求中明确相反陈述。此外，当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，权利要求可以包括一部分和/或整个项目，除非明确相反陈述。最后，本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请在此通过引用并入到与本公开内容不一致的程度，好像每一个被具体且单独表示为通过引用并入且在本文中全文提供一样。

Claims (23)

1.一种用于管理电池的充电和放电的方法，包括下述步骤：

a.将至少一个电池连接至电池充电器，

b.将所述电池充电器连接至电源，

c.提供彼此通信的多个控制器，所述控制器中的每一个监测输入变量的亚组，

d.每一个控制器产生随着由那个控制器监测的所述输入变量的亚组的变化而变化的一组充电约束条件，

e.界定落入由所述控制器中的每一个产生的所有所述充电约束条件的组的实际充电速率，

f.以所述实际充电速率提供所述电池与所述电池充电器之间的电流。

2.如权利要求1所述的方法，其中监测步骤包括来自从所述电源接收的选自下述组中的电力条件的至少一个输入变量：电频率、所述电频率的可变性、所述电频率的变化率、电压电势、所述电压电势的可变性、所述电压电势的变化率及其组合。

3.如权利要求1所述的方法，还包括通过共享的电信号提供所述多个控制器之间的所述通信，信号幅度能够受到每一个控制器的充电约束条件的限制，且所述信号幅度表示所述实际充电速率。

4.如权利要求1所述的方法，还包括通过下述步骤产生所述控制器的实际充电速率的步骤：

a.随时间监测所述实际充电速率，

b.推测由其他控制器产生的所述充电约束条件，和

c.使用所推测的信息来产生实际充电速率。

5.如权利要求1所述的方法，还包括为每一个控制器产生随着所述输入变量的亚组的变化而变化的充电约束条件的组的步骤，所述充电约束条件选自由保护所述电池、保护所述电池充电器、保护场所的电力供给、场所拥有人的利益、电池充电器系统拥有人的利益、保护置于所述场所的电上游的装置、电力服务提供商的运营利益、电力服务提供商的合同利益、电力服务提供商的优先利益及其组合组成的组。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述多个控制器被设置为置于所述电池处、所述电池充电器处、电池管理模块处、用户接口处、电源处、所述电源电上游的位置处及其组合。

7.如权利要求1所述的方法，进一步，其中所述电池被设置为置于移动的交通工具上且所述电源被提供为固定电源。

8.一种用于管理电池的充电和放电的方法，包括下述步骤：

a.将至少一个电池连接至电池充电器，

b.将所述电池充电器连接至电源，

c.提供彼此通信的多个控制器，所述控制器中的每一个监测输入变量的亚组，

d.为每一个控制器确定一组目标，

e.每一个控制器产生随着由每一个控制器监测的所述组的目标和所述输入变量的亚组的变化而变化的优选充电速率，

f.使用考虑了所述优选充电速率中的每一个的算法界定实际充电速率，

g.以所述实际充电速率提供所述电池与所述电池充电器之间的电流。

9.如权利要求8所述的方法，其中监测步骤包括来自从所述电源接收的选自下述组中的电力条件的至少一个输入变量：电频率、所述电频率的可变性、所述电频率的变化率、电压电势、所述电压电势的可变性、所述电压电势的变化率及其组合。

10.如权利要求8所述的方法，其中界定实际充电速率的步骤是通过计算已经由所述多个控制器产生的所述优选充电速率的加权平均值并将所述加权平均值分配给所述实际充电速率。

11.如权利要求8所述的方法，还包括通过共享的电信号提供所述多个控制器之间的所述通信，信号幅度能够受到每一个控制器的优选充电速率的限制，且所述信号幅度表示所述实际充电速率。

12.如权利要求8所述的方法，还包括通过下述步骤产生控制器的优选充电速率的步骤：

a.随时间监测所述实际充电速率，

b.推测由其他控制器产生的所述优选充电速率，和

c.使用所推测的信息来产生优选充电速率。

13.如权利要求8所述的方法，还包括确定每一个控制器的随着所述输入变量的亚组的变化而变化的所述目标的组，所述组的目标选自保护所述电池、保护所述电池充电器、保护场所的电力供给、场所拥有人的利益、电池充电器系统拥有人的利益、保护置于所述场所的电上游的装置、电力服务提供商的运营利益、电力服务提供商的合同利益、电力服务提供商的优先利益及其组合组成的组。

14.如权利要求8所述的方法，其中所述多个控制器被设置为置于所述电池处、所述电池充电器处、电池管理模块处、用户接口处、电源处、所述电源电上游的位置处及其组合。

15.如权利要求8所述的方法，进一步，其中所述电池被设置为置于移动的交通工具上且所述电源被提供为固定电源。

16.一种用于管理电池的充电和放电的方法，包括下述步骤：

a.将至少一个电池连接至电池充电器，

b.将所述电池充电器连接至电源，

c.提供彼此通信的多个控制器，所述控制器中的每一个监测输入变量的亚组，

d.每一个控制器产生一组随着所述输入变量的亚组的变化而变化的充电约束条件，

e.为每一个控制器确定一组目标，

f.为每一个控制器产生随着所述组的目标和所监测的输入变量的变化而变化的优选充电速率，

g.使用考虑了每一个所述控制器的每一个所述优选充电速率且不违背所述充电限制条件中的任一个的算法来界定实际充电速率，

h.以所述实际充电速率提供所述电池与所述电池充电器之间的电流。

17.如权利要求16所述的方法，其中监测步骤包括来自从所述电源接收的选自下述组中的电力条件的至少一个输入变量：电频率、所述电频率的可变性、所述电频率的变化率、电压电势、所述电压电势的可变性、所述电压电势的变化率及其组合。

18.如权利要求16所述的方法，其中界定实际充电速率的步骤是通过计算已经由所述多个控制器产生的所述优选充电速率的加权平均值并将所述加权平均值分配给所述实际充电速率，正如进一步由所述充电限制条件所限制的。

19.如权利要求16所述的方法，还包括通过共享的电信号提供所述多个控制器之间的所述通信，信号幅度表示所述实际充电速率，且所述信号幅度能够受到每一个控制器的优选充电速率、每一个控制器的充电约束条件及其组合的限制。

20.如权利要求16所述的方法，还包括通过下述步骤产生所述控制器的优选充电速率的步骤：

a.随时间监测所述实际充电速率，

b.推测由其他控制器产生的所述充电约束条件和所述优选充电速率，和

c.使用所推测的信息来产生优选充电速率。

21.如权利要求16所述的方法，还包括为每一个控制器产生一组随着所述输入变量的亚组的变化而变化的充电约束条件的步骤，所述充电约束条件选自由保护所述电池、保护所述电池充电器、保护场所的电力供给、场所拥有人的利益、电池充电器系统拥有人的利益、保护置于所述场所的电上游的装置、电力服务提供商的运营利益、电力服务提供商的合同利益、电力服务提供商的优先利益及其组合组成的组。

22.如权利要求16所述的方法，其中所述多个控制器被设置为置于所述电池处、所述电池充电器处、电池管理模块处、用户接口处、电源处、所述电源电上游的位置处及其组合。

23.如权利要求16所述的方法，进一步，其中所述电池被设置为置于移动的交通工具上且所述电源被提供为固定电源。

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