CN103238264A - 具有不同储能配置的等效快速充电系统及方法 - Google Patents

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battery cell
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鲁本·萨卡尔
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Proterra Inc
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Abstract

本发明提供具有第一多个电池单体的储能系统，每个电池单体具备第一C-速率能力。所述多个电池单体能够以与各自具备第二C-速率能力的第二多个电池单体等效的、基于kWh/分钟的速率充电，所述第二C-速率高于所述第一C-速率。所述第一多个电池单体可具有近似地为所述第二多个单体的储能容量的两倍的储能容量。

Description

具有不同储能配置的等效快速充电系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2010年9月21日的美国临时申请号61/385,114的权益，该申请通过引用而整体并入本文。
背景技术
近年来，作为环保措施已经提议了配备电池的混合动力车辆及电动车辆，其中一些已经付诸实践，从而有效地使用能源，尤其是可再生能源。通常，迄今为止已付诸实践和安装在车辆中的二次电池例如包括铅蓄电池、镍金属氢化物电池或高功率锂离子电池。一些电动车辆，诸如电动汽车等，通过将该电动车辆插入充电站来对其电池充电。其他电动车辆，诸如电气火车和轻轨车等，则通过轨道中的硬件或者架空线而永久连接到电源。
在电动车辆的综合交通运输系统(诸如公交车系统或其他公共交通运输系统)中的最近趋势已脱离对通往电动车辆的永久电连接的使用，这是因为这些系统有碍观瞻、不受欢迎、安装及维护成本高，并且可能不安全。这些系统中的一些系统不支持电动车辆独立于轨道或架空线运行。充电速度对于可能定期在短时间段内再充电的重型车辆(诸如公交车)来说可能非常相关。较新的综合交通运输系统可使用固定式充电站对电动车辆中所使用的重型电池进行快速充电。在一个示例中，电动车辆可能需要在不到十分钟内完成充电，所述充电足以使其能够在需要再充电前完成其一小时内九到十二英里的正常路线。在不到十分钟内对电动车辆进行充电，尤其是对诸如公交车、货车或大型卡车之类庞大、重型的车辆进行充电，通常被认为只有利用具备持续高充电速率(或称C-速率)能力的某些类型的电池化学(诸如，钛酸锂)或超级电容才有可能。然而，超级电容不含有足够的能量密度来提供在无需再充电的情况下完成这一长度的给定路线所必要的续航里程。另外，对具备高C-速率能力的电池进行重复的快速充电和放电可导致电池的损耗增加和寿命减少，因而增加拥有者的操作成本。
因此，需要可在使用不同储能配置的同时迅速充电并提供与具备高C-速率能力的现有高C-速率储能系统等效的性能的储能系统及相关方法。
发明内容
本发明提供用于储能系统的快速充电的系统和方法。本文所述发明的各个方面可应用于下文所阐述的任何特定应用，或用于任何其他类型的车辆或电源，或用于任何需要对储能系统快速充电的应用。本发明可作为独立系统或方法，或者作为综合交通运输系统(诸如公交车系统或其他公共交通运输系统)的一部分来应用。应当理解，本发明的不同方面可单独地、集合地或彼此组合地领会。
本发明的一个方面可涉及一种储能系统。该储能系统可具有第一多个电池单体，每个单体具备第一C-速率能力。该多个电池单体能够以与各自具备第二C-速率能力的第二多个电池单体等效的、基于kWh/分钟的速率充电，所述第二C-速率高于所述第一C-速率。所述第一多个电池单体可具有近似地为所述第二多个单体的储能容量的两倍的储能容量。
本发明的另一方面可涉及一种对储能系统快速充电的方法。该方法可包括提供第一储能系统。所述第一储能系统可具有具备C-速率能力的第一多个电池单体。该方法还可包括以等效于第二储能系统的速率对第一储能系统充电。所述第二储能系统可包括具备第二C-速率能力的第二多个电池单体，所述第二C-速率高于所述第一C-速率。
根据本发明的另一实施方式，提供一种对储能系统进行选择性充电的方法。所述方法可包括提供储能系统和充电装置。该方法还可包括接收与影响储能系统充电条件的一个或多个因素有关的信息。所述方法还可包括利用所述与影响储能系统充电条件的一个或多个因素有关的信息，使用充电装置对该储能系统充电。影响储能系统充电条件的因素可包括以下各项之中的至少一项：储能系统将于一天中操作的时间；储能系统操作地区的当地预报天气；针对向充电装置供电的公共设施的电力需求费率；在耦合于充电装置的公共电网上的负载；储能系统内的剩余电荷水平；以及在可重复对储能系统充电的步骤之前该储能系统的预测消耗。
本发明的另一方面可涉及一种对储能系统充电的方法。该方法可包括将充电站电连接至储能系统。可按第一速率对储能系统充电。继而，可停止按第一速率对该储能系统的充电。可耗费储能系统内的一定量的电荷。继而，可按第二速率对储能系统充电。可通过以下各项中的至少一项来执行在下降周期期间耗费储能系统内一定量电荷的过程：操作与储能系统耦合的一个或多个器件；传送电荷至替代储能器件；通过充电站将电荷传送回去；或操作充电器作为充电槽。
根据本发明的实施方式，提供一种快速充电系统。该系统可包括外部电源，并且还可包括电动车辆。该电动车辆可具有储能系统，该储能系统包含第一多个电池单体，各电池单体具有第一C-速率能力。该第一多个电池单体可按与第二多个电池单体等效的、基于kWh/分钟的速率充电，所述第二多个电池单体中的各电池单体具有第二C-速率能力，该第二C-速率能力高于第一C-速率能力。该系统还可包括耦合至外部电源的充电装置，该充电装置还单独地与所述电动车辆耦合，以对各自具有第一C-速率能力的第一多个电池单体按包括第一C-速率在内的一个或多个C-速率进行充电。
根据本发明的实施方式，提供一种用于电动车辆中的储能系统的快速充电系统。该系统可操作用以确定储能系统的当前充电状态，该储能系统具有充电容量并且包含具备第一C-速率能力的第一多个电池单体。该系统还可操作用以接收与电动车辆的操作有关的信息。该系统还可基于接收到的与电动车辆的操作有关的信息来确定是否需要对储能系统充电以继续电动车辆的操作。该系统还可确定充电事件的持续时间，其中充电事件的持续时间受电动车辆的一个或多个操作参数的约束。还可操作该系统用以在充电事件期间控制对电动车辆的充电，其中以第一C-速率对储能系统充电，该第一C-速率低于在该充电事件期间内对第二储能系统充分充电所需的第二C-速率。该第二储能系统包含具有第二C-速率能力的第二多个电池单体，所述第二C-速率能力高于第一C-速率能力。另外，不将该储能系统充电至其满充电容量。例如，对于正常操作，可将该储能系统充电至其总容量的40％至60％。
根据本发明的实施方式，还提供一种对储能系统充电的方法。该方法包括确定储能系统的当前充电状态，该储能系统具有充电容量并且包含具有第一C-速率能力的第一多个电池单体。该方法还包括接收与电动车辆的操作有关的信息，以及基于接收到的与电动车辆的操作有关的信息来确定是否需要对该储能系统充电以继续电动车辆的操作。该方法还包括确定充电事件的持续时间；其中该充电事件的持续时间受电动车辆的一个或多个操作参数的约束。另外，该方法包括在充电事件期间控制对电动车辆的充电，其中以第一C-速率对储能系统充电，该第一C-速率低于在该充电事件的持续时间内对第二储能系统充分充电所需的第二C-速率，并且该第二储能系统包含具有第二C-速率能力的第二多个电池单体，该第二C-速率能力高于第一C-速率能力。此外，在充电事件期间对电动车辆的充电的控制中，不将储能系统充电至其满充电容量。
当结合以下描述和附图一起考虑时，将会进一步领会和理解本发明的其他目的和优点。虽然下面的描述中可能包含描述本发明特定实施方式的具体细节，但不应将此解释为对本发明范围的限制，而是应解释为优选实施方式的范例。对于本发明的各个方面，本领域普通技术人员已知的、在本文中提出的许多变更都是可能的。在不脱离本发明精神的前提下，可在本发明的范围内做出各种改变和修改。
援引并入
本说明书中提及的所有公开、专利和专利申请均在此通过引用而并入本文，其程度如同各个单独的公开、专利或专利申请被具体地和单独地指示为通过引用而并入。
附图说明
专利或申请文件含有至少一幅以彩色绘制的附图。办事局将根据请求及在支付必要费用的情况下提供具有彩色附图的该专利或专利申请公开的副本。
本发明的新颖特征在所附权利要求中具体阐明。通过参考对在其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐释的以下详细描述和附图，将会获得对本发明特征和优点的更好的理解。
图1示出了具有根据本发明的一个实施方式的各个特征的公交车的示意图。
图2图示了可用于解释本发明实施方式中所使用概念的，填充储能“桶”的简化类比。
图3为使用不同配置来达到等效的＞5kWh/分钟充电速率的两个不同储能系统的快速充电比较。
图4图示了可用于解释本发明实施方式中所使用概念的，填充储能“桶”的第二简化类比。
图5是图示在采用电池单体、模块、包和串的串联配置的储能系统中可能出现的潜在限制的简化图。
图6是根据本发明的实施方式的，不同Ah额定值及不同C-速率的单体的电流限值的比较。
图7是提供根据本发明实施方式的不同设计配置的图表。
图8示出了电池布置的示例。
图9示出了根据本发明的一个实施方式，可作为推进电源使用的电池布置的高层次略图。
图10示出了可用于推进重型车辆的电池组装件的示意图。
图11示出了串中的电池包的示例。
图12示出了电池模块的高层次略图。
图13示出了根据本发明的一个实施方式的模块的示例。
图14示出了根据本发明的实施方式的重型车辆(诸如，公交车)的底盘的略图，其中电池模块储存于车辆的底板内。
图15示出了根据本发明的实施方式的，在模块内的200Ah电池单体的封装布置。
图16示出了根据本发明的实施方式的，在模块内的50Ah电池单体的封装布置。
图17示出了根据本发明的实施方式的，可用于不同充电容量的系统的若干个不同快速充电配置。
图18示出了显示根据本发明的实施方式，在固定路线上的电动车辆的每小时充电的设定安排的SOC循环的图表。
图19示出了显示根据本发明的实施方式，在固定路线上的电动车辆的每小时充电的可变安排的SOC循环的图表。
图20示出了具有可应用于本发明实施方式中电动车辆实时充电的不同考虑的决策矩阵。
图21示出了显示根据本发明的实施方式，在采用分流充电方案的快速充电事件期间的充电水平的图表。
具体实施方式
本发明提供用于对储能系统快速充电的系统和方法。本文所述发明的各个方面可应用于以下所述的任何特定应用、用于电动或混合动力车辆、或用于任何其他类型的车辆。该储能系统可包括使用替代储能配置，该替代储能配置允许等效于现有高-C配置的充电速率，并且可具有多种布置及配置。本文所述发明的各个方面可应用于以下所述的任何特定应用，或用于任何其他类型的车辆或电源，或用于任何需要对储能系统快速充电的应用。本发明可作为独立的系统或方法，或作为综合车辆系统的一部分来应用。应当理解，本发明的不同方面可单独地、集合地或彼此组合地领会。
举例而言，根据本发明的一个实施方式，由该系统供能的电动车辆可包括具有如图1中示意图所示各个特征的运输公交车。所述公交车的特征可应用于其他重型车辆或高乘载率车辆，其中“重型车辆”可包括校车、厢式送货车、班车、拖拉机挂车、5级卡车(重16,001-19,500磅，两轴，六轮单节)、6级卡车(重19,501-26,000磅，三轴单节)、7级卡车(重26,001-33,000磅，四轴或更多轴单节)、8级卡车(重33,000磅及33,000磅以上，四轴或更少轴单节挂车)、车辆总重额定值(GVWR)重达超过14,000磅的车辆、具有15∶1或更大的货物与载具质量比的车辆、具有六个或更多个轮的车辆、具有三个或更多个轴的车辆、或者任何其他类型的高乘载率车辆或重型车辆。
重型车辆可具有推进动力源，该推进动力源包括电池。在本发明的一些实施方式中，重型车辆可具有一个或多个额外动力源，诸如内燃机或燃料电池。重型车辆可以是电池供电式电动车辆或混合动力式电动车辆，并且无论该车辆是全电池车辆还是混合动力车辆，其均可能能够使用相同的基本电池配置、驱动马达和控制器。
用于重型车辆的推进动力源可包括一个或多个电池组装件。电池组装件可通过使用转换器向车辆中的牵引马达、高功率配件及低电压配件提供高压电源。在本发明的一个实现中，可将单体并联以降低电池管理系统的成本，这是因为每个单体电压均可测量。然而，在一些具有较大容量单体的其他实施方式中，可能没有必要在将电池串联安置之前使其并联。使用较大容量的单体可在不增添电池管理系统成本的情况下提高整个组装件的安全性。因此，电池可以串联、并联或以其任何组合来布置。这样的电池连接灵活性还可允许电池安置的灵活性。无论电池分布在车辆上的何处，这样的电池安置灵活性都可以是有益的。
在一些实施方式中，重型车辆可沿预定路线行驶，并在预定点停靠进行再充电。例如，参见美国专利号3,955,657，该文献通过引用而整体并入本文。
在本发明的一个实施方式中，重型车辆的推进动力源可包括磷酸铁锂(LFP)电池单体或硬碳/镍钴锰氧化物(NCM)电池单体。在一些实现中，该推进动力源可包括仅为磷酸铁锂电池或NCM硬碳电池单体的电池单体，而不需要任何其他类型的电池单体。磷酸铁锂或NCM硬碳电池单体可包括本领域中已知的任何样式或组分。
诸如图1中所示运输公交车之类的重型车辆可用作利用电动车辆的综合交通运输系统(诸如公交车系统或其他公共交通运输系统)的一部分。该重型电动车辆可在相对固定的运输路线上操作，在该路线上车辆必须在返回指定地点进行再充电之前完成其整个路线。电动车辆电池的再充电应在短时间内完成，以便最小化车辆“停驶时间”和最大化电动车辆的实地操作时间。例如，电动车辆可能需要在不到十分钟内完成充电，该充电足以使其能够在必须进行再充电之前完成其一小时内九到十二英里的正常路线。在不到十分钟内对车辆进行充电，尤其是对庞大的重型车辆进行充电，通常被认为只有利用高C-速率化学(诸如，钛酸锂)或超级电容才有可能。根据传统观点，可以认为储能系统可充电的速率与该系统中所含电池单体的C-速率成正比。C-速率衡量单体或电池的充电速率或放电速率，以其总储存容量表示，单位为Ah(安时)或mAh(毫安时)。例如，C速率(1C)可以指如果50Ah电池以1C速率放电，则将提供50A达一小时。相同电池以0.5C放电则将提供25A达两小时。以2C放电，该50Ah电池将供给100A达30分钟。以6C放电，相同电池将提供300A，但是仅达10分钟。1C通常称为一小时放电；0.5C为两小时放电，而0.1C为10小时放电。
0.5C(50Ah)＝25A达120分钟
1C(50Ah)＝50A达60分钟
2C(50Ah)＝100A达30分钟
3C(50Ah)＝150A达20分钟
6C(50Ah)＝300A达10分钟
根据常规方法，通常认为含6C电池单体的系统具有较高的“快速”充电速率能力，而认为包含3C电池单体的系统在不导致单体寿命显著损失的情况下达到相似充电速率的能力较低。这是基于储能系统充电速率与该系统内所使用电池单体的C-速率直接相关这一常规范例。尽管这一充电速率定义在单个的单体水平上成立，但当电池单体被设计到包含模块、包、串以及其他相关硬件和软件的储能系统中时，充电速率开始变得依赖于额外变量。
常规方法可能还力图最小化电动车辆上搭载的储能量。通过将车辆系统内电池单体的数目加倍来增加该系统的储能容量可导致电池单体的质量和体积加倍。由于电池单体可能需要安装在车辆的指定位置，诸如在底板空腔内、在公交车底板内的专门隔室中，或集成在电动车辆的其他部分内，并且可能不再适合于指定区域内，因此这可能对电动车辆产生多个问题。此外，增加的电池单体质量可导致阻力增大和减小车辆的加速度，缩短车辆续航里程，以及对车辆性能的其他妨碍。
在电动车辆内电池单体配置的常规方法中，一般会最小化电池单体内剩余的可用充电状态，或SOC。例如，如果较少的储存量可以达到所需的续航里程要求，则扩大储能系统的规模可被视为走向错误的方向。多余的容量如果未得到妥善使用，则可被常规方法视为与储能系统要求无关，并且还可能会对系统增添与额外电池单体的购买和集成有关的额外成本。
本发明的一个实施方式提供一种可在使用不同储能配置的情况下快速充电并提供等效于现有高C-速率储能系统的性能的储能系统。图2中的附图图示了填充储能“桶”的简化类比，其可用于解释本发明实施方式中使用的概念。将系统的储能容量加倍有效地使由快速充电“龙头”所填充的“桶”的大小加倍，区别在于较大的桶在与充满原始桶所需相同的时间量中只能填充一半。左侧的现有“桶”(或储能系统)采用总SOC为55kWh的6C电池单体。相比之下，右侧的较大“桶”采用总SOC为110.4kWh的充电速率较慢的3C单体，其总容量大致为第一桶的两倍。直观地来看，使用快速充电“龙头”在与完全填满55kWh“桶”所需相同的时间量内可将110.4kWh“桶”填充至一半。这允许所述两个“桶”对于相同的SOC量有大致等效的快速充电时间，区别在于110.4kWh“桶”只是半满，而55kWh“桶”则完全充满。
继续以桶作类比，将“桶”的储能容量加倍直观上会导致“桶”所占空间及重量相应地加倍。然而，通过利用不同的单体化学、系统设计、快速充电方案修改以及其他改变，可将利用能量密集型3C电池单体而非功率密集型6C单体的双倍大小的“桶”或储能系统设计成占用与55kWh“桶”或储能系统大致相同的空间量和重量。
图3为两个使用不同配置来达到等效＞5kWh/分钟充电速率的不同储能系统的快速充电比较。6C储能系统利用功率密集型化学，其允许电动车辆的快速充电和长电池寿命。例如，在6C储能系统内可使用钛酸锂化学或本领域中已知的或今后开发的其他电池化学。该6C储能系统可能能够在数分钟内充电至非常高的充电状态。例如，电源可能能够通过在为期10分钟的一段时间内以＞5.0kWh/分钟的速率充电而在十分钟内充电至高于95％的充电状态。这将允许使用该6C储存系统的电动车辆在仅于十分钟或更短时间的中途停留期间内充电的情况下完成九到十二英里的示例运输路线。更多详情参见标题为“Vehicle Battery Systems and Methods”的美国专利申请号61/076,480，该申请通过引用而整体并入本文。
与在6C储能系统中所使用的功率密集型钛酸锂化学相反，3C储能系统利用能量密集型化学来达到等效的充电速率，同时还提供等效的功率和性能来完成与上文所述类似的运输路线。本发明的一个实施方式涉及储能系统中的电池单体使用磷酸铁锂或硬碳/镍钴锰氧化物(NMC)电池化学，但还可使用本领域中已知的或今后开发的具有相似特性的其他电池化学。该3C储能系统通过使用能量密集型化学而在每单位体积中储存更大量的能量，因此允许110.4kWh的示例系统占据可与使用钛酸锂化学的55.2kWh功率密集型系统相比的体积和质量。
本发明的实施方式并不关注于电池单体的特定C-速率作为对充电速率的衡量，而是关注于通过仅对具有更大储能容量的储能系统进行部分充电来达到与现有常规系统等效的快速充电量和时间。虽然单个而言具有较低C-速率能力的电池单体将以慢于具有较高C-速率能力的电池单体的速率充电，但该储能系统作为整体可经重新设计，以适应单个电池单体的较慢充电时间，同时允许该储能系统作为整体快速充电至与使用具有较高C-速率能力的电池单体的储能系统等效的可用水平。例如，具有双倍总储存容量的示例储能系统可快速充电至其可用SOC范围的50％以上，这将会提供与完全充满具有其一半容量的储能系统等效的SOC。确切的系统大小和SOC循环范围可基于该储能系统的特定应用，诸如使用该储能系统的电动车辆的路线范围，以及针对该应用的特定充电要求。
应当理解，尽管图3提供了关于根据本发明实施方式的储能系统配置及设计要求的特定细节，但对此可做出多种修改，且这些修改在本文中已设想到。例如，图3将储能系统描述成利用处于棱柱形单体配置之中的电池单体，但还可使用其他电池单体配置，包括但不限于圆柱形单体、纽扣式单体、袋状单体以及本领域中技术人员已知的其他配置。还可对储能系统的配置做出多种修改，诸如使用不同的C-速率或Ah电池单体、电池化学以及储存容量。另外，尽管图3中储能系统的配置描述了对于行驶在9到12英里示例运输路线上的重型电动车辆的充电要求，但对于系统续航里程、充电时间、可用SOC、在快速充电中所用安培数和电压以及其他方面的修改将为本领域中技术人员所显而易见，并且设想到本发明还将涵盖此类修改、变更和等效项。
图4中的示图示出了可用于解释本发明实施方式中所使用概念的，填充储能“桶”的第二简化类比。与图2中的示图类似，使用快速充电“龙头”来填充具有不同储能配置的储能系统，或“桶”。左侧的现有“桶”(或储能系统)利用总SOC为55kWh的6C电池单体。然而，替代于右侧单一的双倍大小的“桶”，更为准确的类比将会是同时填充两个同等大小的并联“桶”，所述两个“桶”由充电速率较慢的3C电池单体形成。这种改变的原因在于，如果储能系统中所使用的所有电池单体、模块、包和串完全串联或者具有数量有限的并联电路，则3C电池单体的储能系统可能无法快速充电至与利用6C电池单体的储能系统相同的程度。例如，图5为简化图，其图示了在利用电池单体、模块、包和串的串联配置的储能系统中可能出现的潜在限制。在图5中，一组电池单体与负载串联连接。串联连接电池单体提供了与所有电池单体的电压总和等效的电压，但仅提供了一个电池单体的Ah和载流容量。例如，如果图5中的电池单体为12V、20Ah电池单体，则串联的四个电池单体将提供48V，但却具有相同的Ah，这是因为相同的电流等量地流过链中的所有单体。在更大规模上继续该示例，所有在串联配置中的单体都将在快速充电期间遭遇最大电流(不包括电阻损耗)，与所使用系统的规模扩大量无关。类似地，串联安置的模块也将具有遭遇相同电流量的单体。这可能成为一个问题，因为每个单体可承受的电流限值并非不受限制，而是同时取决于其Ah额定值及其C-速率。在对电池单体进行充电中，过度的安培数可导致电池充电过快，使电池处于过度充电、过热或其可用寿命缩短的风险之中。如下文更详细讨论，这种考虑可导致超出仅仅使所讨论的储能系统的储存容量加倍之外的额外设计考虑。尽管如此，仍有可能使用串联的低Ah电池单体来增加储能系统的储存容量，同时达到相似的功率摄取。串联电池单体的添加导致更高的串联电压，这意味着可减小达到特定功率摄取所需的电流量。因此，如果电力车辆能够使用较高的电压，则有可能使用具有较低Ah串联电池组的单一串配置。
图6是根据本发明的实施方式的，不同Ah额定值及不同C-速率的单体的电流限值的比较。左侧公式示出50Ah电池单体的不同C-速率，其中不同的C-速率导致在给定时间量内不同的安培数输出和输入。在3C下，50Ah电池单体将提供150A达20分钟，并且还仅能够在150A或150A以下充电。与之相比，在3C下，20Ah电池单体仅可接收60A的快速充电。由于目前的快速充电系统可使用远高于150A或60A的推荐快速充电安培数，因此可在单体、模块、包或串层次上添加一定程度的并联电路，以帮助将进入各个单体的电流分成较低水平。如50Ah和20Ah电池单体的电流限值比较所示，较低Ah单体的使用可能需要进一步的电流分流，从而向储能系统添加额外的设计考虑。例如，该系统可在单体、模块、包或串层次上采用并联单体配置，以帮助减小快速充电事件期间抵达各单体的电流。
根据本发明的实施方式，还提供一种对储能系统充电的方法。该方法包括确定储能系统的当前充电状态，该储能系统具有充电容量并且包含具有第一C-速率能力的第一多个电池单体。该方法还包括接收与电动车辆的操作有关的信息。该信息可以是路线信息、有关电池当前容量的信息、对电动车辆的使用或操作的短期或长期修改量、路线类型(CBD、COM、ARTERIAL)、路况(平原、丘陵、城市)、基本乘客负载概况、历史HVAC负载、当天时间变化、当周时间变化、期望的SOC储备水平、预期电力成本以及其他信息。该方法还包括基于接收到的与电动车辆的操作有关的信息，确定是否需要对储能系统充电以继续电动车辆的操作。若需要，则该电动车辆可返回充电站以对储能系统充电。该方法还包括确定充电事件的持续时间；其中充电事件的持续时间受电动车辆的一个或多个操作参数的约束。例如，充电事件的持续时间可受限于车辆的路线长度。在一小时长的路线中，可仅分配十分钟或更少的时间给电动车辆，来将其储能系统充电至足以完成其路线的水平。充电事件的持续时间可受其他参数的约束，包括充电站的可用性、车辆操作的安排、储能系统中所使用电池单体的特性以及其他参数。此外，该方法包括在充电事件期间控制对电动车辆的充电，其中以第一C-速率对储能系统进行充电，该第一C-速率低于在充电事件持续时间内对第二储能系统充分充电所需的第二C-速率。例如，储能系统可按3C充电速率充电，而不是按充满等效储能系统所需的6C充电速率，其中该等效储能系统包括具有第二C-速率能力的第二多个电池单体，该第二C-速率能力高于第一C-速率能力。该储能系统可在与将所述等效储存系统充电至满充电容量所需相同的时间内完成在充电事件持续时间内的充电。然而，该储能系统并不充电至其满充电容量，但由于其总充电容量大于所述等效系统的总充电容量，因此可用于电动车辆操作的总充电量保持不变。
本文描述的电池单体的充电速率和放电速率为理想化的，并且还可受到其他因素的影响，这些因素包括温度、电池单体内阻、放电是间歇地还是连续地完成、电池单体的循环寿命以及其他因素。
除了对储能系统中所使用的串联或并联单体、模块、包或串布置的变更之外，本发明的实施方式可涉及重新设计电动车辆或充电装置内所使用的其他组件，以满足连续及最大电流和功率充电/放电要求。图7是提供根据本发明实施方式的不同设计配置的图表。3C系统可使用磷酸铁锂或NCM硬碳化学，并且可使用具有不同Ah额定值的电池单体。在各个实施方式中，储能系统中所使用的所有电池单体可具有相同的Ah额定值，或者不同模块、包或串布置中所使用的电池单体可具有不同的Ah额定值。对于3C系统，额定单体电压可为3.2V，但还可使用更高或更低的电压。例如，在等效Ah额定值下，较高电压单体可允许以较低的附加能量容量来达到电压目标。如果需要额外容量，可通过附加的并联模块、包或串来添加额外容量，以此来减小通往各单体的电流。根据储能系统内以及与之协同使用的其他组件的配置，还可使用更低或更高的系统电压。例如，较低电压策略可使用384V的额定系统电压，而较高电压策略可使用600V至800V之间的较高电压。较高电压单体的使用还可允许在等效单体Ah额定值下以较低增量储能容量达到较高电压。变动系统电压至较高范围可允许使用高电压组件，诸如额定为600V、600A或1200V、300A的高电压马达。在本发明的实施方式中还可使用具有不同电压和安培数额定值及不同额定系统电压的附加高电压马达配置。
可重新设计用于快速充电式低C-速率系统的其他组件包括汇流条及端子、高压(HV)线缆、主动热管理系统、单体耳片焊接、电池管理系统(BMS)、配电接线盒、24V转换器、HVAC、充电尖轨及充电头以及其他组件。本发明的实施方式可使用标题为“FastCharge Stations for Electric Vehicles in Areas with Limited PowerAvailability”和“Charging Stations for Electric Vehicles”的美国专利申请61/328,143和61/077,452中所描述组件或设备的修改版本，所述申请通过引用而整体并入本文。例如，可在电池包或充电站内使用尺寸扩大的汇流条和端子来满足规格要求。高压线缆的大小可扩大至具有120mm2或4/0级的导电横截面，额定在300V至420V之间电压范围内为300A min。还可使用主动热管理系统和额外并联配置来帮助补偿LFP单体在可比水平上相比于LTO单体更高的单体阻抗，并且还限制快速充电事件期间温度上升的程度。扩大储能系统规模可通过因在单体、模块、包或串层次上的额外并联配置而允许电池单体遭遇较低电流和总体降低的系统阻抗，从而帮助减小快速充电期间到达各电池单体的电流，来帮助压低电池单体中在快速充电事件期间的温升。还可在模块或包层次上使用其他热管理技术，包括使用来自主车辆电力冷却系统的集成冷却板或本领域中已知的其他冷却特征(诸如各种散热器布置)，或者使用对流冷却。还可利用主动冷却技术，诸如可利用风扇、空气、液体或其他流体流通的流体冷却。在快速充电储能系统中所使用的电池单体还可使用焊接板来将端子准确定位和固定至模块的外壳，从而减少电池耳片中的疲劳应力裂纹。具备快速充电能力的BMS还可集成到包和/或模块中，以对串内较弱电池单体的潜在问题发出早期预警。该BMS可对模块内的单体电压和温度给出准确反馈以便确保电池包的健康，并且可适用于监控快速充电过程期间增高的电压。如果特定的串存在任何问题，则可自动将这些模块从服务中移除，并且如果有必要，车辆可以靠减少的容量操作直至当天结束。如果检测到故障，则BMS可断开电池串。即使连接整个电池串，该车辆仍能够操作。
本发明的实施方式还可使用多个串配置，以在快速充电事件期间分流高电流水平。单一串配置的使用可意味着即使将储能系统的大小加倍，串内各单体仍遭遇最大电流。更多的串个数还可能更有利于能量密集型系统，但亦可使用其他配置及电池布置。
图8示出了电池布置的示例。模块可装在电池包内，该电池包可装在电池组装件内，该电池组装件可包括串联连接的成串的电池包。
图9示出了根据本发明的一个实施方式，可作为推进动力源使用的电池布置的高层次略图。车辆中的电池组装件可设计成具有任何数目的主电池串。例如，在一个实施方式中，电池组装件可包括三个主电池串。每个串可包含多个电池包。例如，每串可存在两个包。每个串可具有或者可不具有相同数目的包。例如，每个串可具有两个包。在另一示例中，一个串可具有两个包，另一串可具有一个包，而又一串可具有五个包。可布置串使其并联连接。备选地，串可允许包串联连接。
图10示出了根据本发明的一个实施方式，可用于推进重型车辆(诸如公交车)的电池组装件的示意图。在一些情况下，可将包电气地布置于交错配置之中，以匹配布线电阻和确保每个串的相似操作。交错配置的一个示例为布置成两个串的一组四个包(由近到远排列的包1、包2、包3、包4)。第一串可将包1与包4连接在一起，而第二串可将包2与包3连接在一起。每个包可具有连接两个电池的相同量的线，即使每个包处于离接合区域不同的距离。每个包可从车辆下方单个地安装到内建于底板中的一个、两个或更多个空腔之中。
包可包含围封该包的内容物的盒或容器。该容器可具有可使其能够保持电池包内容物的任何形状或配置。该容器可以防水，并且可由在暴露于电弧时将不氧化或燃烧的材料形成。例如，该容器的材料可为3CR12不锈钢以防止路盐造成的腐蚀，在与电弧接触时抑制氧化，以及帮助材料疲劳(help with material fatigue)。可以使用具有相似特征的其他材料，诸如复合材料。
图11示出了串中的电池包的示例。一个电池包可包括一个或多个模块。例如，电池包可各自包含八个模块。电池组装件的每个电池包可包括或者可不包括相同数目的模块。例如，一个电池包可包括六个模块，同时另一电池包可包括八个模块，同时又一电池包也可包括八个模块。
包设计可顾及安全性和大小。在包设计中，可考虑多个因素，包括检测、密闭、隔离及抑爆。这些领域中的每一个可解决可能发生的一组潜在问题，并且可帮助满足所有适用的联邦马达车辆安全标准(Federal Motor Vehicle Safety Standards)。
BMS可以是特定单体、模块、包或串的问题的主要检测方法。该BMS可检测何时发生故障，并且能够指挥电池组装件断开电池组装件可能发生故障的部分，诸如个别电池串，以防止危害该电池组装件的其他部分，并且允许车辆继续操作。该BMS可与各包通信并可在各包内通信，以达到期望的检测和管理层次。
包可防水，并且可提供密闭。可将包容纳在可保护该包免受可损坏包内容物的外部元件伤害的容器或盒内。可设计该包容器来长时间保护该包。除保护包内容物免受外部威胁之外，包的容器可遏制可在包内发生的任何故障，以防止对车辆的其他包或部分的损坏。
模块之间的分隔器可保护模块免受可能具有故障的其他模块之害，从而提供隔离。如果模块发生故障，则分隔器可保护其他模块免受故障模块之害。分隔器可集成到或者可不集成到包容器结构中，并且可由在暴露于电弧或高温时可不氧化的材料制成。图8示出了具有模块分隔器的包容器的示例。
由于壳体内空间非常有限，可无需抑爆。在一些情况下，可添加抑爆配置，该配置可要求提供抑爆材料的排出路径。该排出路径可包含在包的一个区段中钻出的开口，所述区段具有弹簧复位遮罩和用以在不使用该排出开口时将其密封的衬垫材料。
在一些实施方式中，电池包可包括具有集成式散热器的模块、诸如冷却板之类的冷却特征、模块保持器、用以将模块附接在一起的汇流条、以及可容纳BMS板、继电器及保险丝的一个或多个小隔室。所述隔室可与模块基本上热隔离和/或物理隔离，或者可不与之基本上热隔离和/或物理隔离。互联接线可通往能够断开继电器电源的小终端盒内的防水连接器，从而使连接器的端子在主线缆断开时安全。该包可包括除模块的冷却特征之外的集成式冷却特征。在一些实现中，集成式冷却板可从主车辆电气冷却系统提供冷却。在一些实施方式中，对于电池操作，可优选地将冷却板维持在43℃以下。在电池包中可使用本领域中已知的其他冷却特征，诸如各种散热器布置或使用对流冷却。还可利用主动冷却技术，诸如可利用风扇、空气、液体或其他流体流通的流体冷却。
可对暴露于车辆下侧或任何可能担心辐射热的其他地方的包应用包含该包最低点上的喷涂陶瓷涂层的隔热罩。
这样的电池包设计可具有以下益处：低集成成本、设计安全、容易组装、可无需维护以及可具有简单的安装。
图12示出了电池模块的高层次略图。一个电池模块可包括一个或多个电池单体。在优选实施方式中，电池单体可为磷酸铁锂或NCM硬碳电池单体。在其他实施方式中，电池单体可具有本领域中已知的其他电池化学。例如，每个模块可包括十个电池单体。每个模块可包括或者可不包括相同数目的电池单体。例如，一个模块可包括八个电池单体，同时另一模块可包括十二个电池单体，并且又一模块可包括十三个电池单体，而另一模块可包括十三个电池单体。
单体在模块内可具有任何布置或连接。例如，单体可全部串联连接。备选地，单体可并联连接。或者在一些情况下，单体可在模块内以串联或并联的组合连接。
电池单体可具有各种规格，诸如各种电压。例如，对于磷酸铁锂电池，给定160Wh的额定能量，各单体可为3.2Vnominal、50Ah。各单体，诸如锂离子电池或其他类型电池，在其规格方面可改变或可不改变。在一些实施方式中，单体可为棱柱形单体。各棱柱形单体可容纳于专用的聚酯薄膜/箔袋中，并且可能略为脆弱。可设计模块外壳来保护单体免受外部损害，使其更容易处置，以及提供冷却支持。
模块可包括冷却特征。例如，模块可具有放置在各单体之间的集成式铝制散热片。在其他示例中，冷却板可全部联接至阳极化铝背板，该背板可继而得到冷却以支持贯穿模块的均匀冷却。可使用本领域中已知的其他冷却特征，诸如各种散热器布置、强制对流冷却等。
图13示出了根据本发明的一个实施方式的模块的示例。模块的外壳可由ABS材料制成，该ABS材料可易于加工且生产迅速。在其他实现中，模块的外壳可由诸如复合材料、玻璃纤维或碳纤维等其他材料制成。在一些示例中，外壳可由可提供一定程度的隔离的材料制成，诸如由在暴露于电弧时可不燃烧的材料制成。可包含前焊板来将端子准确定位和固定至外壳，以减少单体耳片中的疲劳应力裂纹。在一些情况下，单体耳片可由诸如铝等金属制成。BMS连接器可集成至模块的前部，以便快速连接离板BMS。可将端子偏移和分接，以进行附接螺栓的垂直安装和易于组装。
必须将模块相互隔离以防范潜在的短路。这可以通过散热器的仔细材料选择和后处理来实现。如果通过BMS在任何时候检测到短路，则系统可将串中的每个包断开，这可以隔离故障。万一隔离系统发生重大崩溃或故障，可包含这种程度的安全性。
图14示出了根据本发明的实施方式的重型车辆(诸如，公交车)的底盘的略图，其中电池模块储存于车辆的底板内。根据本发明的一些实施方式，电池模块可安装在车辆的底板空腔内。电池模块可布置成分组，该分组可单个地从公交车底板结构下方或侧方安装到底板空腔内。在本发明的一些实施方式中，重型车辆下方可存在多个空腔，所述空腔可彼此分离并可容纳一个或多个电池模块分组。备选地，车辆下方可存在一个空腔，该空腔可容纳电池模块分组。
在一些实施方式中，各电池包可在公交车底板内具有其自己的隔室。在一些情况下，各电池包可与其他电池包物理隔离。一些电池包可在串内彼此电连接，但是除此之外可彼此电隔离。
在本发明的替代实施方式中，电池可集成至重型车辆的其他部分之中。例如，电池可安装在车辆的前部、尾部、顶部或侧部上。在一些实现中，电池可分布在车辆上的不同位置。例如，一些电池可储存在车辆的底板内，同时一些电池可储存在车辆的顶部上。可使用任何电池储存位置组合。
图15示出了根据本发明的实施方式的，在模块内的200Ah电池单体的封装布置。电池单体可相对于模块的定向而布置成纵向或横向配置，或两者的混合。电池单体还可根据电池单体和模块的相应尺寸而在模块内彼此堆叠，并且允许用于未示出的电池模块内其他元件(诸如电池单体之间的连接、汇流条、电池管理系统或热管理系统)的适当空间。200Ah电池单体可利用不锈钢罐或外壳设计，这在优化单体内的空间利用率的同时还提供良好的散热。不锈钢外壳或罐设计还十分坚固，并且可保护电池单体免受潜在损害，但较其他可比的外壳设计可能更重。
图16示出了根据本发明的实施方式的，在模块内的50Ah电池单体的封装布置。与图15中所示布置类似，电池单体可相对于模块的定向而布置成纵向或横向配置，或两者的混合。电池单体也可根据电池单体和模块的相应尺寸而在模块内彼此堆叠，并且允许用于未示出的电池模块内其他元件(诸如电池单体之间的连接、汇流条、电池管理系统或热管理系统)的适当空间。50Ah电池单体可利用囊状封装，该囊状封装提供比不锈钢罐或外壳设计明显更轻的重量。然而，囊状封装较其他可比的外壳设计可能保留更多热量并且提供更少的散热。虽然未示出，但还有可能配置电池单体以将其直接放置在电池包中，从而移除模块层次。
根据本发明的实施方式，还可在模块内使用额外其他类型的电池单体。例如，可使用棱柱形袋状单体或其他替代类型。额外电池单体还可放置于模块内以适合受重量及尺寸限制的储能系统的特定设计配置。模块还可彼此堆叠，使用冷却板或其他技术来使模块彼此隔离和分离，以提高性能。
通过扩大储能系统规模来实现快速充电速率的一个常见抱怨或缺点在于，如果仅在某一范围要求内循环SOC，则这可导致并未获得实际使用的多余的电池容量。这可被一些人视为对昂贵的储能器的使用上的浪费。然而，利用这样的策略具有潜在的益处。例如，具有宽范围的可用SOC可允许在一天的进程中不同的充电策略。
图17示出了根据本发明的实施方式的，可用于不同充电容量系统的若干个不同快速充电配置。左侧的第一充电配置使用具有相对较少多余SOC的LTO电池化学，这导致在每次快速充电期间几乎完全将该充电配置充满。第二充电配置利用LFP电池化学，但与第一充电配置的相似之处在于两个充电配置之间的SOC循环范围相似，从而允许使用与第一充电配置中所使用的设定充电安排相似的设定充电安排。可将SOC循环范围设定为储能系统中所使用的电池单体的“理想点(sweet spot)”，这将使电池单体的寿命最大化并降低拥有成本。例如，根据储能系统中所使用的电池单体和使用的特定配置，最佳循环范围可为总充电量的10-40％、总充电量的20-60％，或者另一范围。第二充电配置确实具有大得多的多余SOC，这在系统操作期间可获使用或者可不被使用。第三充电配置将SOC循环范围变动至高得多的总充电量水平，这可允许关于电动车辆是否必须返回进行再充电的更大的灵活性。第四充电配置是具有较少充电容量的较小系统，其具有与第一充电配置和第二充电配置相似的SOC循环范围，但其与第二充电配置相比具有较小的多余SOC量。根据本发明的实施方式还可使用其他充电配置，除其他因素外，这取决于系统的总充电容量、系统的期望使用以及系统的特定配置。例如，可将与第三充电配置相似的充电配置用于80kWh系统，尽管由于较小的系统容量而具有降低的SOC下限。
图18示出了显示根据本发明的实施方式，在固定路线上的电动车辆的每小时充电的设定安排的SOC循环的图表。在各预定周期内(在此实例中为一小时)，电动车辆在其路线上行驶并且其储能系统的SOC从SOC循环范围的最高水平消耗至路线结束时的较低水平。车辆每小时可在SOC范围的下半部分的近似30-40％中循环通过其SOC。路线完成之后，电动车辆快速再充电至其最高SOC循环水平，并且可在具有与在其前一路线的开始阶段相似的SOC的路线上继续行驶。可选择SOC循环范围以匹配储能系统中所使用电池单体的“理想点”，这可使电池单体的寿命最大化。使用设定充电安排的额外优势为易于使用，这是因为电动车辆可全体使用单一充电安排而无需额外的充电安排。这可降低充电所需规划设计的复杂度，在下文有更详细的描述。
图19示出了显示根据本发明的实施方式，在固定路线上的电动车辆的每小时充电的可变安排的SOC循环的图表。车辆的多余SOC容量可允许关于何时发生SOC循环以及是否每小时发生充电事件的一些灵活性。例如，如在车辆处于高峰充电的6:00AM充电配置中所示，电动车辆可在夜间充分充电。该6:00AM充电配置示出了最小量的不可用SOC，所述不可用SOC具有大的SOC下限，该下限可根据需要周期性地用于扩展车辆的续航里程而无需返回进行再充电。例如，大能量容量可允许电动车辆在夜间充分充电并以SOC循环范围上半部分内的SOC循环在清晨时间行驶。随着电力需求费率在当天由于公共电网负载的增大而增加，电动车辆可利用携载的多余SOC来最小化或避免在高峰时间充电，从而将SOC循环变动至其范围的下半部分，直到该电动车辆返回进行充电或在当天结束时完成其路线。这与连贯地在当天电力需求费率较高时对车辆充电相比，可通过利用夜间需求较小时较低的电力费率，来降低电动车辆的拥有者的操作成本。
在本发明的另一实施方式中，电动车辆的储存系统中所携带的电荷还可在电力费率特别高时的高峰需求时间回售给公共电网。这要求电动车辆停驻在它们的充电站，并且存在适合的基础设施和逆变器来允许将电荷回售给公共电网。这提供给电动车辆及充电系统的拥有者或操作员的额外灵活性在于，可在较高费率的需求高峰时间将任何多余SOC返回至公共电网，从而降低电动车辆操作的总成本。对于未设计成具有超过其操作需求的SOC的电动车辆，此选项不存在，并且可能需要使用其所有的SOC来完成它们的正常运输路线，只有很少的多余SOC可供回售给公共电网。
图20示出了具有可应用于本发明实施方式中电动车辆实时充电的不同考虑的决策矩阵。电动车辆可使用如在标题为“Systems andMethods for Automatic Connection and Charging of an Electric Vehicleat a Charging Station”的美国专利申请61/328,152中所描述的充电及连接系统，该申请通过引用而并入本文。本发明的实现可使用自动电池充电过程控制系统，该系统以来自驾驶员的最少输入，或在无需驾驶员输入的情况下控制电动车辆的充电。电池充电过程控制系统可位于使用无线信号或有线信号与充电站通信的电动车辆上。备选地，电池充电过程控制系统还可位于与电动车辆所携载的信号发射器及信号传送器通信的充电站中。
实时充电决策矩阵在确定对储能系统充电多少或多快时可考虑数个不同因素。首先，可考虑到当天时间和预报天气。较高温度可导致性能的提高，但是面临电池单体寿命缩短的风险，而在电池单体操作范围内的较低温度可允许电池单体寿命延长。可将预报天气及当天时间的外部热效应作为充电计算中的考虑因素，如果预报天气炎热则进行额外充电，或在夜间或清晨进行额外充电以顾及到当天晚些时候电池寿命缩短。相反，可在温度通常较低的一天结束时或者在预测到凉爽天气的情况下进行较少的充电。改进的热管理可通过保持电池单体操作温度处于可大约为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃的狭小范围或其他范围的最佳范围内，而大幅提高电池单体的寿命。预报的天气还可帮助预测车辆的HVAC负载以及车辆的预估续航里程。
实时充电决策矩阵还可在确定充电多少及多快时考虑到需求费率和公共电网上的负载。如上文关于图19所描述，电池充电过程控制系统可避免在高需求费率的时间充电，以降低操作成本并且让电动车辆替代地依靠过大储能系统内所容纳的多余SOC行驶。如果预报了炎热的天气并且对电网的需求费率很高，则电池充电过程控制系统可减少在各站的充电量，或者完全不充电直到当天晚些时候。例如，如果基于剩余SOC、预报天气条件、预测消耗及其他因素而预计电动车辆的续航里程不足以到达下一充电站，则可做出在公共电网的高峰需求期间充电的决策。如果车辆可到达下一充电站，则可避免较高成本的充电事件。
在确定是否应对电动车辆充电以及应充电多少时，还可考虑剩余SOC。例如，电动车辆可包含充电控制器或其他电路来监控和确定系统中留有的剩余SOC。SOC量可通信至电池充电过程控制系统，以确定是否应对电动车辆充电及适当的充电参数。如果储能系统中留有很少的剩余SOC，则可对电动车辆快速充电以将SOC水平补充至可用容量。如果剩余大量的SOC，则电池充电过程控制系统可决定对系统再充电以将SOC维持在高水平从而为当天晚些时候的操作提供额外的灵活性，或者决定不充电或仅对储能系统进行较少量的充电。在一些情况下，剩余SOC可作为车辆仪表盘上的显示而通信至车辆驾驶员，该仪表盘依照与油量表相似的方式指示电池SOC。例如，充电之后，可显示满油量表。
在一些实施方式中，可考虑直至下次充电机会为止的预计消耗。例如，可基于车辆能量消耗的历史知识来定制总需求电荷(kWh)。可考虑和使用历史使用情况、预测的未来需求、以及电荷及速率安排的知识，来调整充电速率和车辆充电频率以最小化或降低电力需求费用和最高效地利用携载的能量存储。例如，如果预测将在短间隔内发生车辆的下次预测充电，并且电池充电状态足够高，则可期望仅向车辆提供最少的充电。在另一示例中，如果预测下次充电发生在长间隔之后，则可期望对车辆进行更多的充电。还可考虑到电动车辆的路线特性，诸如海拔变化、当天不同时间的交通状况等。
相对于使用设定充电安排，通过使用实时充电决策矩阵可获得若干优势。首先，可通过优化快速充电过程以放弃在高峰时间充电并替代地在公共电网上的需求费率和负载较低时充电，来取得较低成本。还可通过在无需快速充电的时间(诸如对于通常在白天操作的电动车辆为夜间)使用其他充电方法，诸如慢速充电、分流充电、脉冲充电、打嗝(burp)充电、快速充电或其他充电机制，来实现增加电池寿命及降低资金成本。还可通过当电动车辆开始较长路线时或者当直到下次充电机会之前的预测能量消耗很高时对电动车辆充分充电，来取得增大的行驶范围。本文所列出的优势不意味着是排除性的，并且可获得对本领域中技术人员显而易见的其他优势。
本发明的实施方式还可在快速充电期间使用分流充电方案以提高储能系统内所使用的电池单体的寿命。电池单体的寿命可用许多不同方法计算：使用等效充电/放电速率的100％放电深度、使用快速充电/较慢速放电速率的100％放电深度、＜100％放电深度或累计W-h输送量。一般而言，大多数电池单体的寿命根据典型使用中电池的放电深度(DoD)而大大减少。例如，对于多数电池类型，反复将电池放电至其放电深度可大大减少电池单体寿命。通过将电池单体的放电深度限制在较高水平，有可能提高电池单体的寿命。图21示出了显示根据本发明的实施方式，在采用分流充电方案的快速充电事件期间的充电水平的图表。8:00AM时，开始储能系统的快速充电，但是中途中断连续充电。接着，少量减少充电水平，并继而恢复快速充电。这种减少过程可按照在不浪费大量能量的前提下有效地和快速地分流充电的数个不同方法来执行，所述方法包括暂时启动车辆马达、加大车辆的HVAC、输送电荷至超级电容或二次电池、短暂将充电器作为充电槽运行或以上的组合。例如，可将电荷输送至替代储能设备，或者可由充电器收回电荷并将其储存在储能系统之中。例如，可使用与在最初快速充电周期期间相似的充电参数来恢复充电，或者还可使用不同的参数。通过以短暂的减小周期来分流或中断快速充电过程，可重置DoD参考点，从而提高电池单体的寿命。
虽然已在重型电动车辆中所使用的电动车辆充电系统的背景下描述了本发明的实施方式，但本申请的其他实施方式可适用于需要对储能系统快速充电的任何应用。除了在运输系统中的使用之外，本申请的实施方式还可用于在拥有者建议总成本的基础上运行的、在固定路线上运行的、获益于快速充电的、或者对车辆的最初购置价格较少关注的任何车辆应用之中。
从前文所述应当理解，虽然已对特定实现进行了阐释和描述，但本文可做出和设想到多种修改。本发明也不旨在受本说明书内提供的特定示例的限制。虽然已参考前述说明书描述了本发明，但并不意味着要以限制意义解释本文优选实施方式的描述和阐释。此外，应当理解，本发明的所有方面都不限于本文所阐述的取决于各种条件及变量的特定描绘、配置或相对比例。本发明实施方式的形式与细节的各种修改对于本领域中技术人员将显而易见。因此，设想本发明还应涵盖任何此类修改、变更及等同物。
本发明的所有概念可与其他电池管理系统和方法结合或集成，包括但不限于在美国专利公开号2008/0086247(Gu等人)中所描述的系统和方法，该专利公开在此通过引用而整体并入本文。
虽然在本文中已示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域中技术人员而言将显而易见的是，此类实施方式仅仅是以举例的方式提供的。在不脱离本发明的情况下，本领域中技术人员现将想到许多变化、变更和替换。应当理解，在实践本发明时可采用对本文所述的本发明实施方式的各种替代。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且这些权利要求及其等效项范围内的方法和结构因而也被覆盖。
本文所描述的系统和方法的各个方面可实现为编程于多种电路中的任何电路之中的功能，这些电路包括可编程逻辑器件(PLD)，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)器件、电可编程逻辑和存储器件和标准基于单元器件以及专用集成电路(ASIC)。用于实现系统和方法的各方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的各方面可体现于具有基于软件的电路仿真的微处理器、离散逻辑(连续和组合)、定制器件、模糊(神经网络)逻辑、量子器件以及以上任何器件类型的混合之中。当然，底层器件技术能够以多种组件类型来提供，例如，像互补金属氧化物半导体(CMOS)之类的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术、像发射极耦合逻辑(ECL)之类的双极技术、聚合物技术(例如，硅-共轭聚合物以及金属-共轭聚合物-金属结构)、模数混合等。
应当注意，可以将本文所公开的各种功能或过程在其行为、寄存器传输、逻辑组件、晶体管、布局几何结构和/或其他特性等方面描述为体现于各种计算机可读介质之中的数据和/或指令。可在其中体现此类格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式的非易失性存储介质(例如，光学、磁性或半导体存储介质)和可用于通过无线、光学或有线信令介质或者它们的任何组合来传输此类格式化数据和/或指令的载波。用载波传输此类格式化数据和/或指令的示例包括但不限于经由一个或多个数据传输协议(例如，HTTP、FTP、SMTP等)在因特网和/或其他计算机网络上进行传输(上传、下载、电子邮件等)。当经由一个或多个计算机可读介质被接收于计算机系统内时，所述系统和方法下的组件和/或过程的此类基于数据和/或指令的表示可以由计算机系统内的处理实体(例如，一个或多个处理器)连同一个或多个其他计算机程序的执行来加以处理。
除非另有特别说明，如从以下讨论中显而易见，应当认识到在本说明书各处，利用诸如“处理”、“估算”、“计算”、“确定”等术语的讨论可以完全地或部分地指处理器、计算机或计算系统或者类似的电子计算设备的如下动作和/或过程：所述动作和/或过程操纵被表示为系统的寄存器和/或存储器内的物理(诸如电子)量的数据并且/或者将其变换成被类似地表示为系统的存储器、寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。本领域中技术人员还将认识到，在本文中提及的术语“用户”可以是个人以及公司和其他法人实体。此外，本文提出的过程并不固有地与任何特定计算机、处理设备、制品或其他装置相关联。根据以下描述，用于多种此类系统的结构的示例将显而易见。另外，本发明的实施方式并非是关于任何特定处理器、编程语言、机器代码等而描述的。应当认识到，可以使用多种编程语言、机器代码等来实现如本文所描述的本发明的教导。
除非上下文另有明确要求，否则在说明书和权利要求中各处，‘包括’、‘包含’等词语应以包括性意义而非排他性或穷举性意义来解释；也就是说，以‘包括，但不限于’的意义解释。使用单数或复数的词语还相应地包括复数或单数。另外，词语‘在本文中’、‘在下文’、‘以上’、‘以下’以及类似含义的词语指本申请整体，而非本申请的任何特定部分。当关于两个或更多个项目的列表使用词语‘或’时，该词语覆盖所述词语的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任何组合。
所述系统和方法的所示实施方式的以上描述并不旨在是排他性的，或旨在将所述系统和方法局限于公开的精确形式。虽然在本文中出于说明性目的描述了所述系统和方法的特定实施方式及其示例，但如相关领域技术人员将认识到那样，在所述系统和方法的范围内可能有各种等效修改。在本文中提供的系统和方法的教导可应用于其他处理系统和方法，而不仅仅用于上述系统和方法。
可以将上述各实施方式的元素和动作相结合以提供其他实施方式。根据以上详细描述，可以对所述系统和方法做出这些更改和其他更改。
总之，在以下权利要求中，不应将所使用的术语解释为将系统和方法局限于说明书和权利要求中所公开的特定实施方式，而是应当解释为包括根据权利要求而操作的所有处理系统。因此，所述系统和方法不受本公开的限制，而是完全由权利要求来确定系统和方法的范围。
虽然下面以某些权利要求形式提出了系统和方法的某些方面，但本发明人以任何数目的权利要求形式设想到系统和方法的各个方面。因此，本发明人保留在提交本申请之后增添附加权利要求的权利，以寻求针对系统和方法的其他方面的此类附加权利要求形式。

Claims (22)

1.一种储能系统，该系统包括：
第一多个电池单体，每个电池单体具有第一C-速率能力；其中所述第一多个电池单体能够以与各自具有第二C-速率能力的第二多个电池单体等效的、基于kWh/分钟的速率充电，所述第二C-速率能力高于所述第一C-速率能力。
2.如权利要求1所述的储能系统，其中在不损坏所述第一多个电池单体的情况下以所述等效速率对所述第一多个电池单体进行充电。
3.如权利要求1所述的储能系统，其中所述第一多个电池单体具有第一储能容量，该第一储能容量大于所述第二多个单体的第二储能容量。
4.如权利要求2所述的储能系统，其中所述第一储能容量近似地为所述第二储能容量的两倍。
5.如权利要求1所述的储能系统，其中所述第一多个电池单体具有磷酸铁锂或镍钴锰氧化物/硬碳化学。
6.如权利要求1所述的储能系统，其中所述第一C-速率能力为3C。
7.如权利要求1所述的储能系统，其中所述第二多个电池单体具有钛酸锂氧化物化学。
8.如权利要求1所述的储能系统，其中所述第二C-速率能力为6C。
9.如权利要求1所述的储能系统，其中一组电池单体形成一个电池模块，并且一组电池模块形成一个电池包，并且一组电池包形成一个串，并且所述储能系统中包含可变数目个串。
10.如权利要求9所述的储能系统，其中所述储能系统包含至少两个串。
11.如权利要求1所述的储能系统，其中所述储能系统用于电动车辆。
12.如权利要求1所述的储能系统，其中所述等效速率大于5kWh/分钟。
13.一种对储能系统快速充电的方法，该方法包括：
提供第一储能系统，该第一储能系统包括具有第一C-速率能力的第一多个电池单体；以及
以与第二储能系统等效的速率对所述第一储能系统充电，所述第二储能系统包括第二多个电池单体，该第二多个电池单体具有第二C-速率能力，所述第二C-速率能力高于所述第一C-速率能力。
14.如权利要求13所述的方法，其中在十分钟或更短时间内完成对所述第一储能系统充电的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第一储能系统具有第一储能容量，该第一储能容量大于所述第二储能系统的第二储能容量。
16.如权利要求15所述的方法，其中对所述第一储能系统充电的过程将所述第一储能系统充电至与以等效周期及等效速率对所述第二储能系统充电所会造成的储能水平相同的储能水平。
17.如权利要求15所述的方法，还包括对所述第一储能系统放电和再充电，以使储能水平在零与所述第一储能容量的一半之间的范围内循环。
18.一种选择性地对储能系统充电的方法，该方法包括：
提供储能系统和充电装置；
接收与影响所述储能系统充电参数的一个或多个因素有关的信息；以及
利用所述充电装置对所述储能系统充电，所述充电装置使用所述与影响所述储能系统充电条件的一个或多个因素有关的信息，其中影响所述储能系统充电条件的所述因素包括以下至少一个：
操作所述储能系统的一天中的时间；
操作所述储能系统的地区的预报天气；
供给所述充电装置的电力的需求费率；
耦合至所述充电装置的公共电网上的负载；
所述储能系统内的剩余电荷水平；或者
在可重复对所述储能系统充电的步骤之前所述储能系统的预测消耗。
19.如权利要求18所述的方法，其中对所述储能系统充电的步骤确定将会向所述储能系统添加多少电荷以及应使用什么充电速率。
20.一种对储能系统充电的方法，包括：
将储能系统电连接至充电站；
以第一速率对所述储能系统充电；
停止以第一速率对所述储能系统充电；
在下降周期期间耗费所述储能系统内的一定量的电荷；以及
以第二速率对所述储能系统充电，
其中通过以下步骤中的至少一个步骤来进行在下降周期期间耗费所述储能系统内的一定量的电荷的过程：
操作耦合至所述储能系统的一个或多个器件；
将电荷传送至替代储能器件；
通过所述充电站将所述电荷传送回去；或者
操作充电器作为充电槽。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述第一速率与所述第二速率相同。
22.如权利要求20所述的方法，其中耗费所述储能系统内一定量的电荷的过程重置放电深度参考点。
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