CN103403993A - 电能存储装置 - Google Patents

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Abstract

电能存储装置(100,900)包括电池系统控制器(702)和多个电池组(302a-n)。每个电池组包括多个电池单元(412)、用于监测多个电池单元的电池组控制器(414)、用于调整存储在多个电池单元中的能量的量的电池组单元平衡器(420)、以及电池组充电器(416)。电池系统控制器操作电池组单元平衡器和电池组充电器，以控制多个电池单元的充电状态。

Description

电能存储装置
技术领域
本发明涉及电能存储技术领域，特别涉及电能存储装置与控制系统及其应用。
背景技术
电能对于现代国家经济至关重要。然而，电能需求的逐渐增加以及日益使用可再生能源资产来发电正在对老化的电力基础设施造成压力，尤其是在需求高峰期间，使其更容易出故障。在一些地区，需求的增加使得高峰期时的电能需求几乎超过电力行业可产生和传输的最高供电电平。
目前需要的是能够通过成本更低和更可靠的方式来发电和用电的新能量存储系统、方法和装置。
发明内容
本发明提供一种电能存储装置与控制系统及其应用。在一实施方式中，电能存储装置包括电池系统控制器和电池组。每个电池组具有电池单元、用于监测单元的电池组控制器、用于调整存储在单元中的能量的量的电池组单元平衡器、以及电池组充电器。电池组控制器操作电池组单元平衡器和电池组充电器，以控制单元的充电状态。在一实施方式中，所述单元是锂离子电池单元。
在一实施方式中，电池组单元平衡器包括电阻器，用于释放存储在电池单元中的能量。在另一实施方式中，电池组单元平衡器包括电容器、电感器、或二者兼而有之，用于在电池单元之间传输能量。
在一实施方式中，安培-小时监测器用于计算安培-小时值，且由电池组控制器使用该值来确定每个电池单元的充电状态。
在一实施方式中，继电控制器操作用于控制电池单元的充电和放电以及其它功能的继电器，所述其它功能例如包括打开和关闭冷却风扇、控制电源等。
本发明的一个特征是能量存储装置和控制系统可高度扩展，范围从小的千瓦时数量级的电能存储装置到兆瓦时数量级的电能存储装置。除单元电压之外，它还可基于单元的充电状态计算来控制和平衡电池单元，这也是本发明的一个特征。
在下文中将结合附图来详细描述本发明的更多实施方式、特征和优点、以及本发明的各种实施方式的结构和操作。
附图说明
并入到本文中且作为说明书的一部分的附图用于说明本发明，且与说明书一同用于进一步说明本发明的原理，以使相关领域技术人员能够制造和使用本发明。
图1显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图2A显示图1中的电能存储装置与风车结合使用。
图2B显示图1中的电能存储装置与太阳能电池板结合使用。
图2C显示图1中的电能存储装置与电网结合使用。
图3显示根据本发明的一实施方式所述的电池组。
图4进一步显示根据本发明的一实施方式所述的电池组。
图5显示根据本发明的一实施方式所述的电池组控制器。
图6A显示根据本发明的一实施方式所述的电池组单元平衡器。
图6B显示根据本发明的一实施方式所述的电池组单元平衡器。
图6C显示根据本发明的一实施方式所述的电池组单元平衡器。
图7显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图8A-C显示根据本发明的一实施方式所述的电池系统控制器。
图9显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图10A显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图10B显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图10C显示根据本发明的一实施方式所述的另一电能存储系统。
图11显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图12显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图13显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图14显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图15显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图16显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统。
图17显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图18显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图19A-E显示示例性用户界面，用于根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图20显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置。
图21显示示例性电池组数据，用于根据本发明所述的电能存储装置的一实施方式中。
图22A-B显示示例性电池数据，用于根据本发明所述的电能存储装置的一实施方式中。
图23A-B显示示例性电池周期数据，用于根据本发明所述的电能存储装置的一实施方式中。
图24A-B显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置的操作。
图25显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置的操作。
结合附图来描述本发明。
含有首次出现元件的附图通常由在相应参考编号中最左边的一位或多位数字来表示。
具体实施方式
本发明提供一种电能存储装置与控制系统及其应用。在本文对本发明的详细描述中，所述“一个实施方式”、“一实施方式”、“一实施例实施方式”等表示所述实施方式可包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施方式都包括特定的特征、结构或特性。此外，这类短语未必指同一实施方式。再者，当结合一实施方式来描述特定的特征、结构或特性时，可结合其他实施方式来实现这样的特征、结构或特性，无论这些实施方式是否被明确地描述过，这在本领域技术人员的知识范围内。
在本发明的一实施方式中，电能存储装置包括电池系统控制器和电池组。每个电池组具有电池单元、用于监测单元的电池组控制器、用于调整存储在单元中的能量的量的电池组单元平衡器、以及电池组充电器。电池组控制器操作电池组单元平衡器和电池组充电器，以控制单元的充电状态。在一实施方式中，所述单元是锂离子电池单元。
如本文所述，本发明的一个特征是能量存储装置和控制系统可高度扩展，范围从小的千瓦时数量级的电能存储装置到兆瓦时数量级的电能存储装置。
图1显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置100。如图1所示，电能存储装置100包括电池装置104a和104b、控制装置106a和106b、以及逆变器108a和108b。在一实施方式中，电能存储装置100位于与集装箱类似的容器102内。在这类实施方式中，电能存储装置100可移动，且可由卡车来运输。
如图2A-2C所示，电能存储装置100适合于存储大量的电能。
图2A显示图1中被用作可再生风能系统200的一部分的电能存储装置100。风能系统200包括风力涡轮机202a和202b。来自风力涡轮机202a的能量存储在电能存储装置100a中。来自风力涡轮机202b的能量存储在电能存储装置100b中。如相关领域技术人员所理解的那样，电能存储装置100a和100b能够使存储的由风力涡轮机202a和202b产生的电能得以调度。
图2B显示图1中被用作可再生太阳能系统220的一部分的电能存储装置100。太阳能系统220包括太阳能电池阵列222和电能存储装置100。来自太阳能电池阵列222的能量存储在电能存储装置100中。电能存储装置100能够使存储的由太阳能电池阵列222产生的电能得以调度。
图2C显示图1中被用作电网能源系统230的一部分的电能存储装置100。电网能源系统230包括电气设备232和电能存储装置100。来自电网能源系统230的能量存储在电能存储装置100中。由电能存储装置100存储的电能可被调度。
图3进一步显示电能存储装置100的电池装置104a和104b。如图3所示，使用根据本发明一实施方式所述的多电池组302来形成电池装置104a和104b。图3显示三个电池组302a-c。电池组302a和302c形成电池装置104a的一部分。电池组302b形成电池装置104b的一部分。
图4进一步显示根据本发明的一实施方式所述的电池组302。电池组302包括机箱402、盖子404、电源连接器406以及两个信号连接器408a和408b。机箱402和盖子404优选由坚固的塑料或金属制成。电源连接器406包括用于电池组正极和负极端子的接线、用于DC电源的接线、以及用于AC电源的接线。在本发明的实施方式中，只可使用DC电源或AC电源。信号连接器408a和408b是RJ-45连接器，但也可使用其他类型的连接器。信号连接器例如用于电池组302与电能存储装置100的其他元件之间的CAN(CANBus)通信。
在一实施方式中，如图4所示，机箱402容纳用于支承两个电池模块412a和412b的电池升降板410。电池模块412a和412b中的每个包括多个串联/并联的袋型电池。在实施方式中，电池模块412a和412b可包括但不局限于例如布置在1P16S构造、2P16S构造、3P16S构造、或4P16S构造中的10-50AH单元。其他构造也是有可能的，且构成本发明范围的一部分。在一实施方式中，使用印刷电路板来连接电池单元，该印刷电路板包括用于监测电池单元的电压和温度以及用于平衡电池单元的布线和接线。
其他容纳在机箱402中的元件包括电池组控制器414、AC电源416、DC电源418、电池组单元平衡器420以及保险丝和保险丝座422。在本发明的实施方式中，只可使用AC电源416或DC电源418。
图5进一步显示根据本发明的一实施方式所述的电池组控制器414。在一实施方式中，电池组控制器414包括电池/DC输入端502、充电器开关电路504、DIP-开关506、JTAG接线508和RS-232接线510、风扇连接器512、CAN(CANBus)接线514、微处理器单元(MCU)516、存储器518、平衡板连接器520、电池盒（机箱）温度监测电路522、电池单元温度测量电路524、电池单元电压测量电路528、DC-DC电源530、看门狗计时器532、以及重置按钮534。电池单元温度测量电路524和电池单元电压测量电路528分别通过复用器(MUX)526a和526b而被耦合到微处理器单元(MCU)516。
在一实施方式中，电池组控制器414由存储在电池单元中的能量来供电。电池组控制器414通过电池/DC输入端502而被连接到电池单元。在其他实施方式中，电池组控制器414由连接到电池/DC输入端502的DC电源来供电。然后，DC-DC电源530将输入DC功率转换成一或多个适合于操作电池组控制器414的各种电气元件的功率电平。
充电器开关电路504耦合到微处理器单元(MCU)516。充电器开关电路504和微处理器单元(MCU)516用于控制AC电源416和/或DC电源418的操作。如本文所述，AC电源416和/或DC电源418用于将能量补充到电池组302的电池单元中。
电池组控制器414包括一些用于通信的界面和连接器。这些界面和连接器耦合到微处理器单元(MCU)516，如图5所示。在一实施方式中，这些界面和连接器包括：DIP-开关506，用来设定用于识别电池组控制器414的软件位部分；JTAG接线508，用于测试和调试电池组控制器414；RS-232接线510，用于与微处理器单元(MCU)516通信；CAN(CANBus)接线514，用于与微处理器单元(MCU)516通信；平衡板连接器520，用于在电池组控制器414与电池组单元平衡器420之间传输信号。
风扇连接器512耦合到微处理器单元(MCU)516。连接器512连同微处理器单元(MCU)516和电池盒温度监测电路522一起用于操作一或多个可有助于冷却电池组302的可选风扇。在一实施方式中，电池盒温度监测电路522包括多个温度传感器，它们可监测在电池组302内的电池组单元平衡器420和/或其他热源的温度，所述其他热源例如包括AC电源416和/或D电源418。
微处理器单元(MCU)516耦合到存储器518。微处理器单元(MCU)516用于执行用来管理电池组302的应用程序。如本文所述，在一实施方式中，应用程序完成下列功能：监测电池组302的电池单元的电压和温度，平衡电池组302的电池单元，监测和控制（如果需要）电池组302的温度，处理在电池组302与电能存储系统100的其他元件之间的通信，并发出警告和/或报警，以及作出其他适当的动作，以避免电池组302的电池单元的过充电或过放电。
电池单元温度测量电路524用于监测电池组302的电池单元的单元温度。在一实施方式中，各个温度监测通道通过使用复用器(MUX)526a而被耦合到微处理器单元(MCU)516。温度读数用于确保电池单元在其指定的温度范围内运行，并用于调整由在微处理器单元(MCU)516上执行的应用程序计算和/或使用的温度相关值，例如用于计算有多少可释放能量存储在电池组302的电池单元中。
电池单元电压测量电路528用于监测电池组302的电池单元的单元电压。在一实施方式中，各个电压监测通道通过使用复用器(MUX)526b而被耦合到微处理器单元(MCU)516。电压读数例如用于确保电池单元在其指定的电压范围内运行，且用于计算DC功率电平。
看门狗计时器532用于监测和确保电池组控制器414的适当操作。当在电池组控制器414的运行期间出现了不可恢复的错误或意外的无限软件循环时，看门狗计时器532可重置电池组控制器414，以恢复正常运行。
重置按钮534用于手动重置电池组控制器414的运行。
如图5所示，重置按钮534耦合到微处理器单元(MCU)516。
图6A显示根据本发明的一实施方式所述的电池组单元平衡器420a。电池组单元平衡器420a包括通过开关606a-d而被耦合到电池单元连接器602a的第一组电阻器604a-d、以及通过开关606e-h而被耦合到电池单元连接器602b的第二组电阻器604e-h。电池单元连接器602a和602b用于将电池组单元平衡器420a连接到电池组302的电池单元。电池组电子控制装置(ECU)连接器608将开关604a-h连接到电池组控制器414。
在运行中，电池组单元平衡器420a的开关606a-h选择性地打开和关闭，以改变在电池组302的电池单元中存储的能量的量。选择性地打开和关闭开关606a-h可允许存储在电池组的特定电池单元中的能量通过电阻器604a-h而被释放，或允许能量在电池组302的电池单元的充电期间绕过选定的电池单元。电阻器604a-h的尺寸允许选定量的能量在选定的时间范围内从电池组302的电池单元中释放，且允许选定量的能量在充电期间绕过电池组302的电池单元。在一实施方式中，当充电能量超过选定的旁路能量的量时，电池组控制器414禁止关闭开关604a-h。
图6B显示电池组单元平衡器420b。电池组单元平衡器420b包括通过开关622a和622b而被耦合到两个复用器(MUX)620a和620b的第一电容器624a、以及通过开关622c和622d而被耦合到两个复用器(MUX)620c和620d的第二电容器624b。复用器620a和620b连接到电池单元连接器602a。复用器620c和620d连接到电池单元连接器602b。电池组电子控制装置(ECU)连接器608将开关622a-d连接到电池组控制器414。
在运行中，复用器620a-b和开关622a-b首先用于将电容器624a连接到电池组302的第一电池单元。一旦连接，电容器624a就由第一电池单元来充电，由此减少了存储在第一电池单元中的能量的量。在充电之后，复用器620a-b和开关622a-b随后用于将电容器624a连接到电池组302的第二电池单元。此时，存储在电容器624a中的能量被释放到第二电池单元内，由此增加了存储在第二电池单元中能量的量。通过该过程的持续进行，电容器624a在电池组302的各个单元之间传输能量，由此平衡电池单元。类似地，复用器620c-d、开关622c-d和电容器624b也用于在电池组302的各个单元之间传输能量以及平衡电池单元。
图6C显示电池组单元平衡器420c。电池组单元平衡器420c包括通过开关622a和622b而被耦合到两个复用器(MUX)620a和620b的第一电感器630a、以及通过开关622c和622d而被耦合到两个复用器(MUX)620c和620d的第二电感器630b。复用器620a和620b连接到电池单元连接器602a。复用器620c和620d连接到电池单元连接器602b。电池单元连接器602a和602b用于将电池组单元平衡器420a连接到电池组302的电池单元。电感器630a也通过开关632a而被连接到电池组302的电池单元，且电感器630b通过开关632b而被连接到电池组302的电池单元。电池组电子控制装置(ECU)连接器608将开关622a-d和开关632a-b连接到电池组控制器414。
在运行中，开关632a首先关闭，以允许来自电池组302的电池的能量为电感器630a充电。该充电移走了电池组302的电池单元的能量，且将该能量存储在电感器630a中。在充电之后，复用器620a-b和开关622a-b用于将电感器630a连接到电池组302的选定电池单元。一旦连接，电感器630a就将其存储的能量释放到选定的电池单元内，由此增加存储在选定电池单元中的能量的量。通过该过程的持续进行，电感器630a由此用于通过开关632a而从与电感器632a连接的电池组302的电池单元中取出能量，并将该能量只传输给电池组302的选定电池单元。该过程由此可用于平衡电池组302的电池单元。类似地，复用器620c-d、开关622c-d和632b、以及电感器630b也用于传输能量和平衡电池组302的电池单元。
如相关领域技术人员对本说明书所理解的那样，图6A-C所示的每个电路在其运行中都具有优势，且在本发明的实施方式中，这些电路的元件结合在一起和一同使用，以绕过和/或传输能量，由此平衡电池组302的电池单元。
图7进一步显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置100。如图7所示，控制装置106包括多电池系统控制器702a-c。如在下文中所作的更详细的描述，每个电池系统控制器702都监测和控制构成电池单元104的电池组302的子集（参见图3）。在一实施方式中，电池系统控制器702通过CAN(CANBus)通信而连接在一起，由此使电池系统控制器702能够作为电池系统控制器的总网络的一部分而一起运行。电池系统控制器的这一网络可管理和操作任何大小的电池系统，例如多兆瓦时集中蓄电池系统。在一实施方式中，网络电池系统控制器702之一可被指定为主电池系统控制器，且通过发送用于操作一或多个连接到电池系统的逆变器和/或充电器的指令来控制电池的充电和放电操作。
在一实施方式中，如图7所示，电能存储装置100包括双向逆变器108。通过使用例如由计算机经由网络（例如因特网、以太网等）而发出的指令，双向逆变器108既能为电池单元104充电，又能使电池单元104放电，如下文结合图10B和10C所作的更详细的描述。在本发明的实施方式中，逆变器108的实际功率和无功功率均可被控制。此外，在实施方式中，当没有可利用的电网电力和/或电能存储装置100从电网上断开时，可将逆变器108用作备用电源。
图8A进一步显示根据本发明的一实施方式所述的电池系统控制器702。在一实施方式中，如图8A所示，电池系统控制器702包括嵌入式计算机处理单元（嵌入式CPU）802、安培-小时/功率监测器806、低压继电控制器816、高压继电控制器826、保险丝830、分流器832、电流接触器834、以及电源836。
在一实施方式中，如图8A所示，嵌入式CPU802通过以下部件来通信：具有安培-小时/功率监测器806的CAN(CANBus)通信端口804a，低压继电控制器816，以及电池组302。如本文所述，在实施方式中，嵌入式CPU802也可例如通过使用CAN(CANBus)通信而与一或多个逆变器和/或一或多个的充电器进行通信。不过，也可使用诸如RS232通信或RS485通信的其他通信方式。
在运行中，嵌入式CPU802执行许多功能。这些功能包括：监测和控制电池组302、安培-小时/功率监测器806、低压继电控制器816以及高压继电控制器826的选定功能；监测和控制何时有多少能量以多高速率存储在电池组302中、以及何时有多少能量以多高速率通过电池组302而释放；避免电池组302的电池单元的过充电或过放电；配置和控制系统通信；收到和执行例如来自授权用户或另一网络电池系统控制器702的指令；以及向授权用户或另一网络电池系统控制器702提供状况和配置信息。将在下文中更详细地描述这些功能以及通过嵌入式CPU802而执行的其他功能。
如在下文中所作的更详细的描述，由嵌入式CPU802监测和运用的状况类型和控制信息的实施例包括通过结合图19A-E、21、22A-B和23A-B而确认的状况类型和控制信息。在实施方式中，嵌入式CPU802监测和运用共同的电力系统信息，例如逆变器输出功率、逆变器输出电流、逆变器AC电压、逆变器AC频率、充电器输出功率、充电器输出电流、充电器DC电压，等等。对于相关领域技术人员而言，通过嵌入式CPU802的实施方式来监测和运用附加的状况和控制信息也将是显而易见的。
如图8A所示，安培-小时/功率监测器806包括CAN(CANBus)通信端口804b、微控制单元(MCU)808、存储器810、电流监测电路812、以及电压监测电路814。电流监测电路812耦合到分流器832，且用于确定电流值以及监测电池组302的充电和放电。电压监测电路814耦合到分流器832和电流接触器834，且用于确定电压值以及监测电池组302的电压。由电流监测电路812和电压监测电路814而获得的电流和电压值存储在存储器810中，且例如通过CAN(CANBus)通信端口804b而传输给嵌入式CPU802。
在一实施方式中，由安培-小时/功率监测器806确定的电流和电压值存储在存储器810中，且被存储在存储器810中的程序使用，并在微控制单元(MCU)808上执行，以取得功率、安培-小时和瓦时的数值。这些数值连同与安培-小时/功率监测器806相关的状况信息通过CAN(CANBus)通信端口804b而传输给嵌入式CPU802。
如图8A所示，低压继电控制器816包括CAN(CANBus)通信端口804c、微控制单元(MCU)818、存储器820、若干继电器822（即继电器R0、R1...RN）、以及MOSFETS824。在实施方式中，低压继电控制器816也包括温度传感电路（未显示），例如用于监测容纳有电池系统控制器702的元件的机箱的温度、容纳有电能存储装置100的机箱的温度，等等。
在运行中，低压继电控制器816通过CAN(CANBus)通信端口804c而接收来自嵌入式CPU802的指令，并相应地操作继电器822和MOSFETS824。此外，低压继电控制器816通过CAN(CANBus)通信端口804c而向嵌入式CPU802发送与继电器和MOSFETS的状态有关的状况信息。继电器822例如用于完成下列功能：打开和关闭冷却风扇、控制诸如电源836的电源的输出，等等。MOSFETS824用于控制高压继电控制器826的继电器828，以及例如用于控制状况指示灯，等等。在实施方式中，低压继电控制器816执行存储在微控制单元(MCU)818上的存储器820中的程序；且当嵌入式CPU如预期那样停止运行和/或通信时，该程序接管对于嵌入式CPU802的操作控制。然后，该程序例如可对下列事项作出决定：当等待嵌入式CPU802恢复时，使系统继续运行是否是安全的，或是否启动系统关机和重启。
如图8A所示，高压继电控制器826包括若干继电器828。这些继电器之一用于操作电流接触器834，该电流接触器834用于建立或断开载流电线与电池组302之间的连接。在实施方式中，其他继电器828例如用于控制一或多个逆变器和/或一或多个充电器的运行。继电器828可直接对装置进行操作，或在适当情况下基于电压和电流而通过控制另外的电流接触器（未显示）来对装置进行操作。
在实施方式中，保险丝830被包括在电池系统控制器702之中。保险丝830的作用是中断可能会损坏电池单元或连接电线的高电流。
分流器832与安培-小时/功率监测器806结合，用于监测电池组302的充电和放电。在运行中，在分流器832的两端施加与流过分流器832的电流成比例的电压。该电压由安培-小时/功率监测器806的电流监测电路812来感测，且用于产生电流值。
电源836提供DC功率，以操作电池系统控制器702的各种元件。在实施方式中，电源836的输入功率是AC线电压、DC电池电压、或二者兼而有之。
图8B和8C进一步显示根据本发明的一实施方式所述的示例性电池系统控制器702。图8B是示例性电池系统控制器702的俯视正视图，且去掉顶盖，以显示所容纳的元件的布局。图8C是示例性电池系统控制器702的俯视左视图，且去掉顶盖，以显示元件的布局。
如图8B、8C或二者所示，电池系统控制器702包括用于容纳嵌入式CPU802的机箱840、安培-小时/功率监测器806、低压继电控制器816、高压继电控制器826、保险丝座和保险丝830、分流器832、电流接触器834、以及电源836。在机箱840内还容纳有断路器842、电源开关844、第一组信号连接器846（在机箱840的前侧）、第二组信号连接器854（在机箱840的后侧）、一组电源连接器856a-d（在机箱840的后侧）、以及两个高压继电器858a和858b。在图8B和8C中已有意地省去布线，以便更清楚地显示元件的布局。然而，相关领域技术人员会了解如何将元件连接在一起。
在上文中已结合图8A而描述了下列元件的作用和操作：嵌入式CPU802、安培-小时/功率监测器806、低压继电控制器816、高压继电控制器826、保险丝座和保险丝830、分流器832、电流接触器834、以及电源836。如相关领域技术人员所知，断路器842的作用是保障安全。断路器842与分流器832串联，用于中断可能会损坏电池单元或连接电线的高电流。它例如也可用于在电能存储装置100的维护或非使用期间手动打开用于将电池组302连接在一起的载流电线。类似地，电源开关844用于打开和关闭通向电池系统控制器702的AC电源输入。
第一组信号连接器846（在机箱840的前侧）的作用是能够与嵌入式CPU802连接，而无需从控制单元106中取出电池系统控制器702和/或无需除去机箱840的顶盖。在一实施方式中，第一组信号连接器846包括USB连接器848、RJ-45连接器850、以及9针连接器852。在使用这些连接器时，有可能例如将键盘和显示器（未显示）连接到嵌入式CPU802。
第二组信号连接器854（在机箱840的后侧）的作用例如是能够与诸如电池组302和逆变器和/或充电器的电能存储装置100的其他元件连接，且与其通信。在一实施方式中，第二组信号连接器854包括RJ-45连接器850和9针连接器852。RJ-45连接器850例如用于CAN(CANBus)通信和以太网/因特网通信。9针连接器852例如用于RS-232或RS-485通信。
电源连接器856a-d（在机箱840的后侧）的作用是为了连接电源导体。在一实施方式中，每个电源连接器856具有两个较大的载流连接销和四个较小的载流连接销。电源连接器856之一用于将分流器832的一端和电流接触器834的一端连接到用于将电池组302连接在一起的电源线上（例如使用两个较大的载流连接销），以及用于将输入功率连接到电池组302的电源416或418中的一或两个上，以控制在机箱840内的一或多个继电器（例如使用四个较小载流连接销中的两个或四个）。第二电源连接器856例如用于将电网AC电源连接到在外壳840内的控制继电器上。在实施方式中，剩余的两个电源连接器856例如用于将在机箱840内的诸如继电器856a和856b的继电器连接到逆变器和/或充电器的功率承载导体上。
在一实施方式中，高压继电器858a和858b的作用是用于建立或断开充电器和/或逆变器的功率承载导体与电池组302之间的连接。通过断开充电器和/或逆变器的功率承载导体与电池组302之间的连接，这些继电器可用于阻止充电器和/或逆变器的运行，从而避免电池组302的过充电或过放电。
图9显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置900。如本文所述，电能存储装置900可作为一个独立的电能存储装置，或可与其他电能存储装置900结合，例如形成诸如电能存储装置100的较大电能存储装置的一部分。
如图9所示，电能存储装置900包括耦合到一或多个电池组302a-n的电池系统控制器702。如在下文中所作的更详细的描述，在实施方式中，电池系统控制器702也可通过逆变器/充电器902而被耦合到图9所示的一或多个充电器和一或多个逆变器上。
电能存储装置900的电池系统控制器702包括嵌入式CPU802、安培小时/功率监测器806、低压继电控制器816、高压继电控制器826、保险丝830、分流器832、电流接触器834、以及电源836。每个电池组302a-n包括电池模块412、电池组控制器414、AC电源416、以及电池组单元平衡器420。
在运行中，例如在电池充电进程期间，电能存储装置900运行如下。嵌入式CPU802持续监测由电能存储装置900的各种元件传输的状况信息。如果嵌入式CPU802基于这种监测而确定单元运行正常，则当例如被授权用户或在嵌入式CPU802上执行的程序命令时（例如参见下文中的图10B），嵌入式CPU802向低压继电控制器816发送指令，以关闭与电流接触器834相关的MOSFET开关。关闭该MOSFET开关可启动在高压继电控制器826上的继电器，由此又关闭了电流接触器834。关闭电流接触器834可将充电器（即逆变器/充电器902）耦合到电池组302a-n。
一旦充电器与电池组302a-n耦合，嵌入式CPU802就向充电器发送指令，以开始为电池组充电。在实施方式中，该指令例如可以是充电器输出电流指令或充电器输出功率指令。在进行自检后，充电器将开始充电。该充电使得电流流经分流器832，并由安培-小时/功率监测器806来测量该电流。安培-小时/功率监测器806也用于测量电池组302a-n的总电压。除了测量电流和电压之外，安培-小时/功率监测器806还用于计算DC电源值、安培-小时值、以及瓦时值。安培-小时值和瓦时值用于更新由安培-小时/功率监测器806运用的安培-小时计量器和瓦时计量器。电流值、电压值、安培-小时计量值、以及瓦时计量值不断地由安培-小时/功率监测器806传输给嵌入式CPU802和电池组302a-n。
在充电进程期间，电池组302a-n持续地监测来自安培-小时/功率监测器806的传输，且使用安培-小时计量值和瓦时计量值来更新由电池组302a-n运用的值。这些值包括电池组和单元的充电状态(SOC)值、电池组和单元的安培-小时(AH)放电值、以及电池组和单元的瓦时(WH)放电值，如在下文中结合图21所作的更详细的描述。此外，在充电进程期间，嵌入式CPU802持续地监测来自安培-小时/功率监测器806的传输、以及来自电池组302a-n的传输，且使用安培-小时计量器的传输值和电池组302a-n的传输值来更新由嵌入式CPU802运用的值。由嵌入式CPU802运用的值包括电池组和单元的SOC值、电池组和单元的AH放电值、电池组和单元的WH放电值、电池和单元的电压、以及电池和单元的温度，如在下文中结合图22a和22b所作的更详细的描述。只要一切按预期进行，充电进程将会继续下去，直到满足停止条件。在实施方式中，停止条件例如包括最大SOC值、最大电压值、或停止时间值。
在充电进程期间，当满足停止条件时，嵌入式CPU802向充电器发送指令，以停止充电。一旦停止充电，嵌入式CPU802就向低压继电控制器816发送指令，以打开与电流接触器834相关的MOSFET开关。打开MOSFET开关可改变位于与电流接触器834相关的高压继电控制器826上的继电器的状态，由此又打开了电流接触器834。打开电流接触器834可使充电器（即逆变器/充电器902）从电池组302a-n上解耦。
如在下文中所作的更详细的描述，电池组302a-n负责维护其各自电池模块412的适当SOC和电压平衡。在一实施方式中，适当的SOC和电压平衡是由电池组通过使用其电池组控制器414和/或其AC电源416而获得的，从而获得其电池模块412，以符合目标值，例如由嵌入式CPU802传输的目标SOC值和目标电压值。该平衡可发生在一部分充电进程期间、在充电进程之后、或在二者时。
如相关领域技术人员所理解的那样，除了电池组302a-n被放电而非充电以外，由电能存储装置900进行的放电进程以与充电进程相似的方式发生。
图10A进一步显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储装置100。如图10A所示，电能存储装置100通过将一些电能存储装置900a-n结合并联网而形成。电能存储装置900a包括电池系统控制器702a和电池组302ai-ni。电能存储装置900n包括电池系统控制器702n和电池组302an-nn。电池系统控制器702a-n的嵌入式CPUs802a-n耦合在一起，且通过使用CAN(CANBus)通信而相互通信。也可使用其他通信协议。在嵌入式CPUs802a-n之间的信息通信包括在下文中通过参考图22a和22b而确认的信息。
在运行中，电能存储装置100以类似于本文中所描述的电能存储系统900的方式来运行。例如，每个电池系统控制器702监测和控制其自身的诸如电池组302的元件。此外，电池系统控制器702被用作主电池系统控制器，且协调其他电池系统控制器702的活动。该协调例如包括用作电能存储装置100的总监测器，且确定和输送目标值，例如可用于达到适当的电池组平衡的目标SOC值和目标电压值。将在下文中例如通过参考图25而给出更多的关于如何达到此目的的细节。
图10B显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1050。在一实施方式中，如图10B所示，系统1050包括与服务器1056通信的电能存储装置100。服务器1056与数据库/存储装置1058a-n通信。服务器1056由防火墙1054保护，且显示出与电能存储装置100通过互联网1052来通信。在其他实施方式中，例如使用其他诸如蜂窝通信或先进计量基础设施通信网络的通信手段。例如，电能存储系统1050的用户，比如电力部门和/或可再生能源资产运营商，通过使用用户界面1060而与电能存储系统1050交互作用。在一实施方式中，用户界面例如是图形化的基于Web的用户界面，可通过与服务器1056或互联网1052直接连接的计算机而对其进行访问。在实施方式中，由用户界面1060显示和/或控制的信息例如包括在下文中通过参考图19A-E、21、22A-B和23A-B而确定的信息。也可包括和/或控制在本文中给出的对于相关领域技术人员而言显而易见的附加信息。
在实施方式中，用户界面1060可用于更新和/或改变由电能存储装置100使用的程序和控制参数。通过改变程序和/或控制参数，用户可通过任何所需的方式来控制电能存储装置100。这例如包括控制电能存储装置100在何时以多高速率来存储多少能量，以及电能存储装置100在何时以多高速率来释放多少能量。在一实施方式中，用户界面可操作一或多个电能存储装置100，以便其例如像旋转预备般作出回应，从而有可能避免功耗掉电或断电。
在一实施方式中，电能存储系统1050用于获悉更多有关电池单元行为的信息。服务器1056例如可用于收集和处理相当大量的有关用来构成电能存储装置100的电池单元的行为的信息、以及有关电能存储装置100自身的信息。在一实施方式中，所收集的有关电能存储装置100的电池单元和操作的信息例如可由制造商用于改善未来的电池以及开发出更有效的未来系统。也可分析所述信息，以确定例如如何以特定的方式来操作电池单元，才能影响电能存储装置100的电池单元和使用寿命。电能存储系统1050的其它特征和优点对于相关领域技术人员而言将是显而易见的。
图10C显示根据本发明的另一实施方式所述的电能存储系统1050。电能存储系统1050的用户可使用计算机1070（其上可提供用户界面）通过除互联网之外的网络连接1080来访问电能存储装置100。图10C中的网络1080可以是本领域中的任何网络，包括以太网，或者甚至是将计算机1070直接与电能存储装置100连接的单一电缆。
图11-20进一步显示示例性电能存储装置、以及使用根据本发明所述的电能存储装置的各种电能存储系统。
图11显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1100。电能存储系统1100包括电能存储装置900、发电机1104、蜂窝电话基站设备1112、以及蜂窝电话塔和设备1114。如图11所示，电能存储装置900包括由十个电池组302a-j构成的电池1102、电池系统控制器702、充电器1106、以及逆变器1108。在本发明的实施方式中，电池1102可包括更多的十个或十个以下的电池组302。
在运行中，发电机1104通过充电器1106而运行，且用于为电池1102充电。
当电池1102被充电到所需的状态时，发电机1104关机。然后，电池1102准备向蜂窝电话基站设备1112和/或在蜂窝电话塔上的设备提供电源。电池系统控制器702监测和控制本文所述的电能存储装置900。
在本发明的实施方式中，逆变器1108可同时操作充电器1106，从而可使逆变器1108在电池1102的充电期间无干扰地为设备供电。电能存储系统1100可用于储备电力（例如当无电网电力时），或可在无电网电力的情形下连续使用（例如在离网环境中）。
图12显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1200。除了由电能存储装置900目前为负荷1202供电外，电能存储系统1200与电能存储系统1100类似。只要电池1102和发电机1104进行相应的尺寸调整，负荷1202可以是任何电负荷。
电能存储系统1200例如对于诸如偏远医院、偏远学校、偏远政府设施的离网环境而言是有用的。由于不要求发电机1104持续运行来为负荷1202供电，可显著节省燃料，且延长发电机1104的工作寿命。通过使用电能存储系统1200也可节省其他方面的开支，例如降低运行发电机1104所需的燃料的运输成本。
图13显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1300。除了发电机1104已被太阳能电池板1302代替外，电能存储系统1300与电能存储系统1200类似。在电能存储系统1300中，太阳能电池板1302用于发电，以用于为电池1102充电和为负荷1202供电。
电能存储系统1300例如在类似于电能存储系统1200的离网环境中是有用的。电能存储系统1300优于电能存储系统1200的一点是无需燃料。无发电机和无燃料需求使得电能存储系统1300比电能存储系统1200更易于操作和维护。
图14显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1400。除了太阳能电池板1302已被电网连接1402代替外，电能存储系统1400与电能存储系统1300类似。在电能存储系统1400中，电网连接1402用于提供电力，从而为电池1102充电和为负荷1202供电。
电能存储系统1400例如对于存在电网电力的环境而言是有用的。电能存储系统1400优于电能存储系统1300的一点是其最初的购买价格低于电能存储系统1300。这是因为无需太阳能电池板1302。
图15显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1500。电能存储系统1500包括通过电网连接1402而与电网连接的电能存储装置900。
电能存储系统1500存储来自电网的能量，且将能量例如供应给电网，以帮助公用设施转移峰值负荷并使负荷均衡。因此，电能存储装置900可使用双向逆变器1502，而非例如单独的逆变器和单独的充电器。使用双向逆变器是有利的，因为它通常比购买单独的逆变器和单独的充电器要便宜些。
在本发明的实施方式中，通过使用用户界面和与本文中图10B所示的类似的计算机系统，对电能存储系统1500的电能存储装置900进行远程操作。这样的系统使得存储在电池1102中的能量得以调度，其调度方式类似于公用设施运营商交互作用而调度来自燃气涡轮机的能量的方式。
图16显示根据本发明的一实施方式所述的电能存储系统1600。电能存储系统1600包括耦合到太阳能电池板1606（安装在外壳1640的顶部）和电网连接1608的电能存储装置900（容纳在室外机箱1602中）。
在运行中，太阳能电池板1606和/或电网连接1608可用于为电能存储装置900的电池充电。然后，电能存储装置900的电池可放电而向在房子1604内的负荷供电，以及/或通过电网连接1608而向电网供电。
图17显示根据本发明的一实施方式所述的容纳在室外机箱1602中的电能存储装置900。如图17所示，电能存储装置900包括电池1102、电池系统控制器702、充电器1106和逆变器1108、以及断路器盒和断路器1704。电能存储装置900以本文所述的方式运行。
在一实施方式中，室外机箱1602是EMA3R额定机箱。
机箱1602具有两个安装在机箱1602前侧的门和两个安装在机箱1602后侧的门，用于访问机箱内的设备。也可除去机箱的顶板和侧板而得到另外的通路。在实施方式中，使用由电池系统控制器702控制的风扇来冷却机箱1602。在实施方式中，也可通过安装在上述门之一上的空调单元（未显示）来进行冷却。
如相关领域技术人员所理解的那样，本发明不局限于使用室外机箱1602来容纳电能存储装置900。也可使用其他机箱。
在本发明的一实施方式中，如图18所示，计算机1802用于与电能存储装置900交互作用并对其进行控制。计算机1802例如可以是诸如运行Windows或Linux操作系统的个人计算机的任何计算机。在计算机1802与电能存储系统900之间的连接可以是有线连接或无线连接。用于与电能存储装置900交互作用的系统例如适合于居住在房子1604内的想要使用该系统的用户。例如，对于诸如公用设施运营商的其他用户，可使用与图10B所示类似的系统，由此对由电能存储装置900得到的信息提供附加的控制和更多的访问。
在本发明的实施方式中，可通过超过一方的方面，例如房子1604的居民和公用设施运营商，对电能存储装置900进行监测和/或控制。在这类情形下，可确立对于授权用户的不同优先水平，以避免任何潜在的冲突指令。
图19A-E显示根据本发明一实施方式所述的示例性用户界面1900，其适合于例如在计算机1802上实施。示例性界面旨在说明而非限制本发明。
在一实施方式中，如图19A所示，用户界面1900包括状况指示器1902、存储能量指示器1904、电能存储装置功率值1906、外壳负荷值1908、太阳能功率值1910、以及电网功率值1912。状况指示器1902用于指示电能存储装置900的运行状况。存储能量指示器1904用于指示可由电能存储装置900释放出多少能量。四个值1906、1908、1910和1912表示电能存储系统1600的元件的能量流的速率和方向。
在图19A中，值1906表示能量以2.8kw的速率而流入到电能存储装置900内。值1908表示能量流入到房子1604内且以1.2kw的速率为负荷供电。值1910表示太阳能电池板1606以2.8kw的速率来产生能量。值1912表示以1.2kw的速率而从电网连接1608取得能量。由这些值可确定系统在运行、太阳能电池板在发电、电能存储装置的电池在被充电、以及能量在以1.2kw的速率从公用设施处购得。
图19B显示当太阳能电池板例如在夜间无能量产生时，电能电力系统1600在一时间点时的状态。值1906表示能量以2.0kw的速率流入到电能存储装置900内。值1908表示能量流入到房子1604内且以1.1kw的速率为负荷供电。值1910表示太阳能电池板1606未产生能量。值1912表示由电网连接1608以3.1kw的速率来提供能量。由这些值可确定系统在运行、太阳能电池板未在发电、电能存储装置的电池在被充电、以及能量在以3.1kw的速率从公用设施处购得。
图19C显示电能电力系统1600在一时间点时的状态，此时电能存储装置900的电池完全充电，且太阳能电池板在发电。值1906表示电能存储装置900既未消耗电力也未产生电力。值1908表示能量流入到房子1604内且以1.5kw的速率为负荷供电。值1910表示由太阳能电池板1606以2.5kw的速率来产生能量。值1912表示以1.0kw的速率向电网连接1608提供能量。
图19D显示当太阳能电池板例如在夜间无能量产生时，以及当电能存储装置900在产生比为房子1604中的负荷供电更多的电力时，电能电力系统1600在一时间点时的状态。值1906表示能量以3.0kw的速率从电能存储装置900中流出。值1908表示能量流入到房子1604内且以2.2kw的速率为负荷供电。值1910表示太阳能电池板1606未产生能量。值1912表示以0.8kw的速率向电网连接1608提供能量。
图19E显示当太阳能电池板例如在夜间无能量产生时，以及当电力存储装置900受控而只产生在房子1604中的负荷的电力需求时，电能电力系统1600在一时间点时的状态。值1906表示能量以2.2kw的速率从电能存储装置900中流出。值1908表示能量流入到房子1604内且以2.2kw的速率为负荷供电。值1910表示太阳能电池板1606未产生能量。值1912表示无能量在从电网连接1608取得或向其供应。
如相关领域技术人员在参阅了图19A-E和本发明的描述后所理解的那样，电能存储系统1600对于电力消费者和公用设施都具有许多优点。这些优点包括但不局限于公用设施均衡其负荷的能力、在电力中断时为客户提供后备电力的能力、对插入式电动汽车和部署以及可再生能源（例如太阳能电池板）的支持、提供更好电网调节的能力、以及提高配电线路效率的能力。
图20-25是本发明的各种软件特征的图表。
在实施方式中，使用可编程存储器和不可编程存储器来实现软件的特征。
图20显示在本文中描述的本发明的各种软件特征如何在示例性电能存储装置900的元件间分配。在一实施方式中，如图20所示，电能存储装置900的电池系统控制器702具有包括软件的三个元件。软件是通过使用微控制单元(MCU)而被执行的。这些元件是嵌入式CPU802、安培小时/功率监测器806、以及低压继电控制器816。
嵌入式CPU802包括用于存储操作系统(OS)2006和应用程序(APP)2008的存储器2004。使用微控制单元（MCU）2002来执行该软件。在一实施方式中，该软件一同工作，以从使用用户界面的用户那里接收输入指令，且其通过用户界面而向用户提供有关电能存储装置900的状况信息。只要指令未将电能存储装置900置于不期望或不安全的状态，嵌入式CPU802就会根据接收到的输入指令而操作电能存储装置900。输入指令例如用于控制电能存储装置900的电池1102何时被充电和放电。输入指令例如也用于控制电池1102以多高速率而被充电和放电，以及电池1102在每个充放电周期期间循环有多深。软件通过向充电器1106的充电器电子控制装置(ECU)2014发送指令而控制电池1102的充电。软件通过向逆变器1108的逆变器电子控制装置(ECU)2024发送指令而控制电池1102的放电。
除了控制充电器1106和逆变器1108的操作之外，嵌入式处理器802与电池组302a-302n和安培-小时/功率监测器806一同工作，以管理电池1102。在嵌入式CPU802上常驻和执行的软件、电池组302a-n的电池系统控制器414a-n、以及安培-小时/功率监测器806始终确保电池1102的安全操作，且在必要时作出适当的动作，例如确保电池1102既未过充电也未过放电。
如图20所示，安培-小时/功率监测器806包括存储有应用程序2010的存储器810。使用微控制单元(MCU)808来执行该应用程序。在实施方式中，应用程序2010负责跟踪在电池充电进程期间有多少电被充入到电池1102内，或在电池放电进程期间有多少电从电池1102中被释放出来。该信息被传送给嵌入式CPU802和电池组302的电池系统控制器414。
低压继电控制器816包括用于存储应用程序2012的存储器820。使用微控制单元(MCU)818来执行应用程序2012。在实施方式中，应用程序2012响应来自嵌入式CPU802的指令而打开和关闭继电器和MOSFET开关。此外，它也向嵌入式CPU802发送有关继电器和MOSFET开关的状态的状况信息。在实施方式中，低压继电控制器816也包括通过使用应用程序2012而受到监测的温度传感器，且在一些实施方式中，应用程序2012包括足够的功能性，以使低压继电控制器816在其未如预期那样运行时能够接管嵌入式CPU802，且确定是否关机和重启电能存储装置900。
充电器1106的充电器电子控制装置（ECU）2014包括用于存储应用程序2020的存储器2018。使用MCU2016来执行应用程序2012。在实施方式中，应用程序2020相应地负责接收来自嵌入式CPU802和工作充电器1106的指令。应用程序2020也向嵌入式CPU802发送有关充电器1106的状况信息。
逆变器1108的逆变器电子控制装置（ECU）2024包括用于存储应用程序2030的存储器2028。使用MCU2026来执行应用程序2012。在实施方式中，应用程序2030相应地负责接收来自嵌入式CPU802和工作逆变器1108的指令。应用程序2030也向嵌入式CPU802发送有关逆变器1108的状况信息。
也如图20所示，每个电池组302包括具有存储器518的电池系统控制器414。每个存储器518用于存储应用程序2034。使用微处理器单元(MCU)516来执行每个应用程序2034。应用程序2034负责监测各个电池组302的单元、以及向嵌入式CPU802发送有关这些单元的状况信息。应用程序2034也负责平衡各个电池组302的电池单元的电压电平和充电状态(SOC)电平。
在一实施方式中，每个应用程序2034运行如下。通电后，存储器518开始执行引导加载软件。引导加载软件将来自快闪存储器的应用软件复制到RAM，且引导加载软件开始执行应用软件。一旦应用软件正常运行，嵌入式CPU802就查询电池组控制器414，以确定其是否包括对于在嵌入式CPU802上执行的应用程序(APP)2008而言适当的硬件和软件版本。如果电池组控制器414包括不相容的硬件版本，则电池组控制器被命令关机。如果电池组控制器414包括不相容的或过时的软件版本，则嵌入式CPU802向电池组控制器提供正确的或更新的应用程序，且电池组控制器重启，以开始执行新的软件。
一旦嵌入式CPU802确定电池组控制器414在使用正确的硬件和软件，嵌入式CPU802就证实电池组414在使用正确的配置数据。如果配置数据不正确，嵌入式CPU802则向电池组控制器414提供正确的配置数据，且电池组控制器414保存该数据，以用于其下次启动。一旦嵌入式CPU802证实电池组控制器414在使用正确的配置数据，电池组控制器414就执行其应用软件，直到其关机。在一实施方式中，应用软件包括在一连续的while回路中运行几个过程的主程序。这些过程包括但不局限于下列过程：用于监测单元电压的过程；用于监测单元温度的过程；用于确定每个单元的SOC的过程；用于平衡单元的过程；CAN(CANBus)传输过程；以及CAN(CANBus)接收过程。而且在应用软件中执行的其他过程包括报警和错误识别过程，以及为获得和管理在图21中识别的尚未被上述过程之一所涵盖的数据而所需的过程。
如相关领域技术人员所理解的那样，除了所执行的过程用于获得和处理不同的数据以外，在本文中通过参考图20而描述的其他应用程序以类似的方式运行。在本文的上下文中结合其他附图描述了这些不同的数据。
图21显示由电池组302的电池组控制器414获得和/或运用的示例性数据。如图21所示，这些数据包括：电池组的SOC以及每个单元的SOC；电池组的电压以及每个单元的电压；电池组的平均温度以及每个单元的温度；电池组以及每个单元的AH放电；电池组以及每个单元的WH放电；电池组以及每个单元的容量；有关电池组的最后校准放电的信息；有关电池组的最后校准充电的信息；有关电池组和每个单元的AH和WH效率的信息；以及自放电信息。
图22A-B显示在根据本发明所述的电能存储装置900的一实施方式中通过嵌入式CPU802而获得和/或运用的示例性数据。如图22A-B所示，这些数据包括：有关电池1102和每个电池组302的SOC信息；有关电池1102和每个电池组302的电压信息；有关电池1102和每个电池组302的温度信息；有关电池1102和每个电池组302的AH放电信息；有关电池1102和每个电池组302的WH放电信息；有关电池1102和每个电池组302的容量信息；有关电池1102和每个电池组302的最后校准放电的信息；有关电池1102和每个电池组302的最后校准充电的信息；有关电池1102和每个电池组302的AH和WH效率的信息；以及自放电信息。
除了在图22A-B中识别的数据之外，嵌入式CPU802还获得和运用与电池1102的正常运行或循环寿命有关的数据。该数据示于图23A-B中。
在一实施方式中，图23A-B所示的数据表示若干充电和放电计量值（即计量器的值），具体如下：例如，假设电池最初使用90%的容量，且它放电至其容量的10%。该放电表示80%的容量放电，其中终止放电状态为容量的10%。因此，对于该放电，由电池SOC表示的放电计量值在由于76-90%电池容量放电（即图23B所示的计量值，数值为75），而放电10-24%后，会递增。类似地，在电池的每个充电进程或放电进程之后，嵌入式CPU802确定适当的计量值来递增和使其递增。在软件中实施的过程通过对于不同计量值使用不同的权重而使计量值增加，以确定电池的有效循环寿命。对于本发明的目的，图23A-B所示的示例性计量值旨在用于说明而非限制。
图24A-B显示如何根据本发明的一实施方式而控制电能存储装置的校准、充电和放电进程。如本文所述，电能存储装置的电池是根据电池单元的电压电平和电池单元的充电状态(SOC)电平而被管理的。
如图24A所示和下文所述，四个高压值2402（即VH1、VH2、VH3和VH4）和四个高充电状态值2406（即SOCH1、SOCH2、SOCH3和SOCH4）用于控制充电进程。四个低压值2404（即VL1、VL2、VL3和VL4）和四个低充电状态值2408（即SOCL1、SOCL2、SOCL3和SOCL4）用于控制放电进程。在本发明的实施方式中，如图24A所示，一特定组的电池单元（由图24A中的X表示）的电压2410a可全部低于VH1值，而SOC值2410b对于这些电池中的一些或全部而言等于或高于SOCH1值。类似地，如图24B所示，一组电池单元（由图24B中的X表示）的电压2410c可全部高于VL1值，而SOC值2410d对于这些电池中的一些或全部而言等于或低于SOCL1值。因此，如在下文中所作的更详细的描述，所有八个电压值和所有八个SOC值对于管理根据本发明所述的电能存储装置的电池都是有用的。
如本文所述，由于单元电压值和单元SOC值对于根据本发明所述的电能存储装置的适当操作是重要的，因而有必要定期校准该装置，以使其适当地确定电池单元的电压电平和SOC电平。这是通过使用在软件中实施的校准过程而实现的。
当新电能存储装置首次投入使用时，首次执行校准过程。理想地，当电池单元首次安装在电能存储装置中时，电能存储装置电池的所有单元都应具有大致相同的SOC（例如50%）。这要求尽量缩短完成首次校准过程所需的时间。之后，每当满足下列再校准触发标准之一时，就执行校准过程：标准1：可编程再校准时间间隔，例如从上一次校准日期之后已过去六个月；标准2：电池单元已充电和放电（即循环）达可编程数量的加权充电和放电周期，例如加权充电和放电周期相当于150个完全充电和完全放电周期；标准3：电能存储装置电池的高SOC单元与低SOC单元之间的差值超过可编程的SOC百分比，例如在试图平衡电池单元之后的2-5%；标准4：在电池充电期间，检测到一种情形，其中一个单元到达VH4值，而一或多个单元的电压低于VH1（参见图24A），且这种情形不能由单元平衡来校正；标准5：在电池放电期间，检测到一种情形，其中一个单元到达VL4，而一或多个单元的电压高于VL1，且这种情形不能由单元平衡来校正。
当满足上述再校准触发标准之一时，由嵌入式CPU802来设定电池再校准标志。在电池再校准标志设定之后执行的首次电池充电是使电池的所有单元都完全充电的充电进程。充电的作用是将电池的所有单元都置于一已知的完全充电状态。在电池单元处于这种已知的完全充电状态之后，紧随的电池放电被称为校准放电。校准放电的作用是确定有多少可放电的安培-小时充电量存储在电池的每个单元中，以及当完全充电时有多少可放电的能量存储在电池的每个单元中。在校准放电之后进行的电池充电被称为校准充电。校准充电的作用是确定在校准放电之后有多少安培-小时充电量必须供应给每个电池单元，以及有多少瓦时能量必须供应给每个电池单元，以使所有单元在完全充电结束时都恢复到其已知的状况。在该校准过程实施期间确定的值由嵌入式CPU802存储，且在电能存储装置的正常操作期间用于确定电池单元的SOC。
在一实施方式中，在电池再校准标志设定后的首次充电是按照下列步骤进行的。步骤1：以恒定电流率CAL-I来为电池单元充电，直到电池的第一单元达到电压VH2。步骤2：一旦电池的第一单元达到电压VH2，就将电池单元的充电电流降低至END-CHG-I值，且恢复对电池单元的充电。步骤3：继续以END-CHG-I电流来为电池单元充电，直到电池的所有单元的电压值都介于VH3与VH4之间。步骤4：如果在步骤3期间所有单元都达到电压VH4：则(a)停止为单元充电；(b)例如使用平衡电阻器来使所有的电压高于VH3的电池单元都放电，直到这些单元的电压为VH3；(c)一旦所有单元电压都等于或低于VH3，就开始再次以END-CHG-I电流来为电池单元充电；以及(d)循环返回到步骤3。该过程的实施可将电池的所有单元都充电到被称为SOCH3的已知充电状态（例如SOC约98%）。在实施方式中，充电率(CAL-I)应约为0.3C，且END-CHG-I电流应约为0.02至0.05C。
如上所述，在上述充电之后的首次放电是校准放电。在实施方式中，校准放电是按照下列步骤进行的。步骤1：以恒定电流率CAL-I来为电池单元放电，直到电池的第一单元达到电压VL2。步骤2：一旦电池的第一单元达到电压VL2，就将电池单元的放电电流降低至被称为END-DISCHG-I的数值（例如约0.02-0.05C），且恢复对电池单元的放电。步骤3：继续以END-DISCHG-I电流来为电池单元放电，直到电池的所有单元的电压值都介于VL3与VL4之间。步骤4：如果在步骤3期间所有单元都达到电压VL4：则(a)停止为单元放电；以及(b)例如使用平衡电阻器来使所有的电压高于VL3的电池单元都放电，直到这些单元的电压为VL3。在校准放电结束时，确定由每个单元放电的安培-小时值以及由每个单元放电的瓦时值，且记录这些数值，如图21、22A和22B所示。如本文所述，校准放电的作用是确定有多少可放电的安培-小时充电量存储在每个电池单元中，以及当完全充电时有多少可放电的能量存储在每个电池单元中。
在校准放电之后，接下来的充电被称为校准充电。校准充电的作用是，在校准放电之后确定有多少安培-小时的充电量必须供应给每个电池单元，以及有多少瓦时的能量必须供应给每个电池单元，以使所有单元都恢复到完全充电时的状况。该过程的工作步骤如下：步骤1：以恒定电流率CAL-I来为电池单元充电，直到电池的第一单元达到VH2电压。步骤2：一旦电池的第一单元达到VH2电压，就将电池单元的充电电流降低至ED-CHG-I值，且恢复对电池单元的充电。步骤3：继续以END-CHG-I电流来为电池单元充电，直到电池的所有单元的电压值都介于VH3与VH4之间。步骤4：如果在步骤3期间所有单元都达到电压VH4：则(a)停止为单元充电；(b)例如使用平衡电阻器来使所有的电压高于VH3的电池单元都放电，直到这些单元的电压为VH3；(c)一旦所有单元电压都等于或低于VH3，就开始再次以END-CHG-I电流为电池单元充电；以及(d)循环返回到步骤3。在校准充电结束时，记录为每个电池单元再充电所需的确定安培-小时值以及为每个电池单元再充电所需的确定瓦时值，如图21、22A和22B所示。通过将校准充电信息与校准放电信息作比较，可确定电能存储装置的AH效率与WH效率。
在本发明的实施方式中，当电能存储装置的电池在正常运行期间充电时，可使用下列充电步骤对其充电。步骤1：接收指定有详细信息的指令，用于由授权用户或在嵌入式CPU802上运行的应用程序来为电能存储装置的电池充电。该信息例如可指定充电电流(CHG-I)、充电功率(CHG-P)或电池应充电达到的SOC值。该指令也可指定充电开始时间、充电停止时间或充电时段。步骤2：在收到指令之后，验证指令，且根据指定标准来安排充电进程。步骤3：适当时，只要无电池单元的SOC高于SOCH2且无电池单元的电压达到VH2，就根据指定标准来为电能存储装置的电池充电。步骤4：如果在充电期间电池单元达到充电状态SOCH2或电压VH2，就将充电率降低至不大于ED-CHG-I，且在一实施方式中对单元使用平衡电阻器（即关闭平衡电阻器的开关），以将速率限制在单元充电时的速率。步骤5：在步骤4中降低充电速率之后，继续以降低后的充电速率来对电池单元充电，直到电池的所有单元的SOC都至少为SOCH1或其电压值都介于VH1与VH3之间。在电池单元获得SOCH2或VH2值时，使用它们的平衡电阻器来降低其充电速率。步骤6：如果在步骤5期间所有单元都达到充电状态SOCH3或电压VH3：则(a)停止对电池单元的充电；(b)在充电停止之后，所有的充电状态高于SOCH2或电压高于VH2的电池单元都通过平衡电阻器而被放电，直到这些单元具有充电状态SOCH2或电压VH2；(c)一旦所有单元电压都等于或低于SOCH2和VH2，就开始再次以END-CHG-I电流来为电池单元充电；以及(d)循环返回到步骤3。
在实施方式中，在上述充电过程结束时，检查再校准标准，以确定是否应实施校准过程。如果满足所有校准触发标准，则由嵌入式CPU802来设定再校准标志。
在本发明的实施方式中，当电能存储装置的电池在正常运行期间放电时，可使用下列充电步骤对其放电。步骤1：接收指定有细节的指令，用于使电能存储装置的电池放电。该指令例如可指定放电电流(DISCHG-I)、放电功率(DISCHG-P)或电池应放电达到的SOC值。该指令也可指定放电开始时间、放电停止时间、或放电时段。步骤2：在收到指令之后，验证指令，且根据指定标准来安排放电进程。步骤3：适当时，只要无电池单元的SOC低于SOCL2且无电池单元的电压达到VL2，就根据指定标准为电能存储装置的电池放电。步骤4：如果在放电期间电池单元达到充电状态SOCL2或电压VL2，就将放电率降低至不大于END-DISCHG-I，且对单元使用平衡电阻器（即关闭平衡电阻器的开关），以将速率限制在单元放电时的速率。步骤5：在步骤4中降低放电速率之后，电池单元继续以降低后的放电速率来放电，直到电池的所有单元的SOC都至少为SOCLI或其电压值都介于VLI与VL3之间。步骤6：如果在步骤5期间所有单元都达到充电状态SOCL3或电压VL3：则(a)停止对电池单元的放电；(b)在放电停止之后，所有的充电状态高于SOCL1或电压高于VL1的电池单元都通过平衡电阻器而被放电，直到这些单元具有充电状态SOCL1或电压VL1；(c)一旦所有单元电压都等于或低于SOCL1或VL1，就打开所有平衡开关，且停止对电池单元的放电。
在放电过程结束时，检查电池再校准标准，以确定是否应实施校准过程。如果满足所有校准触发标准，则由嵌入式CPU802来设定电池再校准标志。
如本文所述，嵌入式CPU802和电池组302继续监测ESU电池的所有单元的电压电平和SOC电平。只要单元电压或单元SOC超过或低于指定的电压或SOC安全值（例如VH4、SOCH4、VL4或SOCL4），嵌入式CPU802就随即停止当时在执行的任何操作，且在适当时开始如下文所述的过充电预防或过放电预防过程。
例如，只要嵌入式CPU802检测到电池单元的电压高于VH4或充电状态高于SOCH4，就执行过充电预防过程。在实施方式中，当执行过充电预防过程时，它打开电网连接逆变器（如果有），且以被称为OCP-DISCHG-I的电流率（例如5安培）来使电池单元放电，直到电池的所有单元的充电状态电平都等于或低于SOCH3且其电压电平都等于或低于VH3。如果无电网连接逆变器来使电池单元放电，则使用平衡电阻器来使所有的充电状态电平高于SOCH3或电压电平高于VH3的单元放电，直到所有单元的充电状态电平都低于或等于SOCH3且电压电平都低于或等于VH3。
如果在操作期间嵌入式CPU802检测到电池单元的电压低于VL4或充电状态低于SOCL4，嵌入式CPU802就将立刻停止当时在执行的操作，且开始实施过放电预防过程。过放电预防过程打开充电器（如果有），且以被称为ODP-CHG-I的电流率（例如5安培）为电池充电，直到电池的所有单元的充电状态电平都等于或高于SOCL3且电压电平都等于或高于VL3。如果无充电器用于为电池单元充电，则使用各个电池组平衡充电器来为所有的充电状态电平低于SOCL3或电压电平低于VL3的单元充电，直到所有单元的充电状态电平都高于或等于SOCL3且电压电平都高于或等于VL3。
如本文所述，电池组302的功能之一是控制其电池单元的电压平衡和SOC平衡。这是通过在软件中实施的过程而实现的。在一实施方式中，该过程如下：嵌入式CPU802监测和运用由电池组302传输的电压和SOC信息的副本。由嵌入式CPU802使用这些信息来计算传输到电池组302的目标SOC值和/或目标电压值。然后，电池组302尝试将传输的目标值匹配到指定的公差范围内。如上所述，这是由电池组302例如通过使用平衡电阻器或能量传输电路元件和平衡充电器而完成的。
为了更全面地了解如何根据本发明的实施方式而达到平衡，考虑由电池单元电压值表示的情形或由图25中的上半部所示的单元SOC值2502a。电池组1(BP-1)的单元2504非常接近值V/SOC2。电池组2(BP-2)的单元2506稍微远离在V/SOC2与V/SOC3之间的值。电池组3(BP-3)的单元2508非常接近值V/SOC1。电池组4(BP-4)的单元2510非常接近在V/SOC2与V/SOC3之间的值。假设通过嵌入式CPU802而传输到电池组的目标值如图25中的下半部所示（即介于V/SOC2与V/SOC3之间的值），则可由电池组作出下列动作来达到该目标值。对于电池组1，电池组的平衡充电器（例如AC平衡充电器416）可被打开，以向单元2504充电，由此将其从图25中的上半部所示的值增大至图25中的下半部所示的值。对于电池组2，可打开电池组平衡充电器，以向单元2506充电，同时关闭与某些高值单元相关的平衡电阻器（由此通过使充电电流流经其中），并随后关闭平衡充电器，且仍使一些平衡电阻器关闭，以释放来自最高值单元的能量，直到单元2506达到图25中下半部所示的状态。对于电池组3，可打开电池组平衡充电器，以向单元2508充电，同时关闭与某些高值单元相关的平衡电阻器（由此通过使充电电流流经其中），直到单元2508达到图25中的下半部所示的状态。对于电池组4，由于单元2510已符合目标值而不要求平衡。
虽然上述平衡实施例只讨论了平衡四个电池组，但是所述平衡过程可用于平衡任何数量的电池组。此外，由于所述过程可用于SOC值和电压值，因而可在根据本发明所述的电能存储装置中的任何物体上实施所述过程，且其不受电能存储装置的电池的充电或放电时段的限制。
如相关领域技术人员所理解的那样，本发明的各种特征可通过使用处理硬件、固件、软件和/或其组合来实现，例如专用集成电路(ASICs)。使用硬件、固件和/或软件来实施这些特征对于相关领域技术人员而言是显而易见的。此外，虽然已在上文中描述了本发明的各种实施方式，但应理解的是，它们是通过实施例而非限制性的方式给出的。对相关领域技术人员显而易见的是，可在其中作出各种改变而无需脱离本发明的范围。
应理解的是，在本文的非“发明内容”和“摘要”部分中对本发明所作的详细描述旨在用于解释权利要求。“发明内容”和“摘要”部分可阐述本发明的如本发明人所设想的一或多个而非所有的示例性实施方式。

Claims (20)

1.一种电能存储装置，包括：
电池组控制器，用于监测多个电池单元；
电池组单元平衡器，其与所述电池组控制器耦合，用于调整存储在各个电池单元中的能量的量；以及
电池组充电器，其与所述电池组控制器耦合，用于为所述电池单元充电；
其中所述电池组控制器控制所述电池组单元平衡器和所述电池组充电器的操作，以调整每个所述电池单元的充电状态。
2.根据权利要求1所述的电能存储装置，其中所述电池单元是锂离子电池单元。
3.根据权利要求1所述的电能存储装置，其中所述电池组单元平衡器包括用于释放存储在各个电池单元中的能量的多个电阻器。
4.根据权利要求1所述的电能存储装置，其中所述电池组单元平衡器包括电容器和电感器之一，用于将存储在第一电池单元中的能量传输给第二电池单元。
5.根据权利要求1所述的电能存储装置，其中所述电池组控制器控制所述电池组单元平衡器和所述电池组充电器的操作，以调整每个所述电池单元的电压。
6.根据权利要求1所述的电能存储装置，其中所述电池组充电器是恒流充电器。
7.根据权利要求1所述的电能存储装置，还包括：
第二电池组控制器，用于监测第二多个电池单元；
第二电池组单元平衡器，其与所述第二电池组控制器耦合，用于调整存储在所述第二多个电池单元的各个电池单元中的能量的量；以及
第二电池组充电器，其与所述第二电池组控制器耦合，用于为所述第二多个电池单元充电；
其中所述第二电池组控制器控制所述第二电池组单元平衡器和所述第二电池组充电器的操作，以调整所述第二多个电池单元的每个所述电池单元的充电状态。
8.根据权利要求7所述的电能存储装置，还包括：
电池系统控制器，其与所述第二电池组控制器耦合，其中所述电池系统控制器计算目标充电状态值，且由所述第二电池组控制器使用该值来控制所述第二电池组单元平衡器和所述第二电池组充电器的操作。
9.根据权利要求8所述的电能存储装置，其中所述电池系统控制器将电压值传输给所述第二电池组控制器，且由所述第二电池组控制器使用该值来控制所述第二电池组单元平衡器和所述第二电池组充电器的操作。
10.根据权利要求7所述的电能存储装置，还包括：
安培-小时监测器，其与所述第二电池组控制器耦合，
其中所述安培-小时监测器计算安培-小时值，且由所述第二电池组控制器使用该值来确定所述第二多个电池单元的每个所述电池单元的充电状态。
11.一种电能存储装置，包括：
电池系统控制器，用于计算目标充电状态值；以及多个电池组，其与所述电池系统控制器耦合，其中每个电池组包括：
多个电池单元；
电池组控制器，用于监测所述多个电池单元；电池组单元平衡器，其与所述电池组控制器耦合，用于调整存储在所述多个电池单元中的能量的量；以及
电池组充电器，其与所述电池组控制器耦合，用于为所述多个电池单元充电；
其中所述电池组控制器使用所述目标充电状态值来控制所述电池组充电器的操作。
12.根据权利要求11所述的电能存储装置，其中所述多个电池单元是锂离子电池单元。
13.根据权利要求11所述的电能存储装置，其中所述电池组单元平衡器包括用于释放存储在所述多个电池单元中的能量的多个电阻器。
14.根据权利要求11所述的电能存储装置，其中所述电池组单元平衡器包括电容器和电感器之一，用于将存储在第一电池单元中的能量传输给第二电池单元。
15.根据权利要求11所述的电能存储装置，其中所述电池组控制器控制所述电池组单元平衡器和所述电池组充电器的操作，以调整每个所述多个电池单元的电压。
16.根据权利要求11所述的电能存储装置，其中所述电池组充电器是恒流充电器。
17.根据权利要求11所述的电能存储装置，还包括：
安培-小时监测器，其与所述电池系统控制器耦合，
其中所述安培小时监测器用于计算安培小时值，且由所述电池组控制器使用该值来确定每个所述多个电池单位的充电状态。
18.根据权利要求17所述的电能存储装置，还包括：
继电控制器，其与所述电池系统控制器耦合。
19.根据权利要求17所述的电能存储装置，还包括：
充电器，其与所述多个电池组耦合。
20.根据权利要求17所述的电能存储装置，还包括：
逆变器，其与所述多个电池组耦合。
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