CN103855757B - 用于管理电池的装置、以及能量存储系统 - Google Patents

Abstract

公开一种电池管理系统。该系统包括控制器，该控制器被配置为至少部分基于每个电池单元或托盘的参数以及表示每个电池单元或托盘的使用度的因素来确定是否要平衡电池单元或托盘。该控制器还基于是否要平衡电池单元或托盘来平衡电池单元或托盘。

Description

用于管理电池的装置、以及能量存储系统

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月29日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请No.61/731,410的优先权，通过引用将其公开全部合并于此。

技术领域

公开的技术涉及电池管理装置和能量存储系统。

背景技术

环境破坏和自然资源的缺乏被认为是严重的问题，这增加了能够存储能量并高效地使用存储的能量的系统的重要性。此外，对于在产生能量的同时没有污染的新的可再生能源的兴趣正在增加。对于现有的系统，高效地管理能量产生系统、能量存储电池系统、和能量存储系统中的电池是很重要的。电池的高效管理可以导致电池的寿命的增加和电力供应的稳定性的改善。

发明内容

一个发明方面是一种电池管理系统。该系统被配置为管理包括第一和第二电池单元的电池，该系统包括：测量电路，被配置为确定每个电池单元的参数；以及控制器，被配置为至少部分基于所确定的参数和表示每个电池单元的使用度的使用度因素来确定是否要平衡电池单元。该控制器被进一步配置为基于是否要平衡电池单元来平衡电池单元。

另一个发明方面是一种电池管理系统。该系统被配置为管理包括第一和第二电池托盘的电池，并且包括：测量电路，被配置为确定每个电池托盘的参数；以及控制器，被配置为至少部分基于所确定的参数和表示每个电池托盘的使用度的使用度因素来确定是否要平衡电池托盘。该控制器被进一步配置为基于是否要平衡电池托盘来平衡电池托盘。

附图说明

下面参照附图来描述以上和其他特征和优点及其示范性实施例，其中：

图1是根据各种实施例的能量存储系统的框图；

图2是根据各种实施例的电池系统的框图；

图3是根据某些实施例的电池管理系统（BMS）和电池的框图；

图4是根据各种实施例的电池系统的框图；

图5是根据各种实施例的机架的框图；以及

图6是示出根据各种实施例的电池单元平衡方法的流程图。

具体实施方式

参照在其中示出示范性实施例的附图，描述某些优点和特征以及实现优点和特征的方法的某些方面。然而，可以以许多不同的形式实现本发明而不应该认为本发明限于此处阐述的实施例。

在申请中使用的术语仅用来描述讨论的实施例，而不是意在限制本发明。单数的表达包括复数的表达，除非在上下文中它们清楚地不同于彼此。在申请中，应该理解，诸如“包括”和“具有”的术语是用来指示某一特定、数字、步骤、操作、元件、部分或它们的组合的存在，而没有预先排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部分或它们的组合的可能性或补充。虽然诸如“第一”和“第二”的术语可以用来描述各种元件，但是元件不能被术语限制。术语可以用来分类某一元件与另一元件。

参照在其中示出示范性实施例的附图，更全面地描述某些发明方面。附图中相似的参考标号通常表示相似的元件，从而在有些情况下，省略它们的重复描述。

如此处使用的，术语“和/或”包括一个或多个关联的所列项的任意和全部组合。诸如“……的至少一个”的表达当在一列元素之后时，修饰的是整列元素而不是修饰该列中的单个元素。

图1是根据各种实施例的能量存储系统1的框图。参照图1，能量存储系统1与发电系统2和配电系统3一起，向负载4提供电力。

发电系统2是用于从能源产生电力的系统。发电系统2可以向能量存储系统1提供所产生的电力。发电系统2可以包括例如太阳能发电系统、风力发电系统、和潮汐发电系统中的至少一个。然而，它们仅是例证性的，并且发电系统2不限于此。例如，发电系统2可以包括例如通过使用诸如太阳热和地热的可再生能源来产生电力的任何类型的发电系统。具体地，由于可以在诸如家庭和工厂的各种地点容易地安装用于从太阳辐射产生电力的太阳能系统，所以可以在每个家庭或工厂里与能量存储系统1一起使用太阳能系统。发电系统2可以包括通过使用多个发电模块用于产生电力的并行配置的大容量能量系统。

配电系统3可以包括发电厂、电力传输厂、电力传输线等。当配电系统3处于正常状态时，配电系统3可以向能量存储系统1（例如，向负载4和电池系统20的至少一个）提供电力，或者从能量存储系统1（例如，从电池系统20）接收电力。当配电系统3处于异常状态时，切断配电系统3与能量存储系统1之间的电力传输。

负载4可以消耗发电系统2产生的电力、存储在电池系统20中的电力、或从配电系统3接收的电力。家庭和工厂的电气设备可以是负载4的示例。

能量存储系统1可以向电池系统20或向配电系统3提供由发电系统2产生的电力。能量存储系统1可以向配电系统3提供存储在电池系统20中的电力，或者在电池系统20中存储从配电系统3接收的电力。此外，能量存储系统1可以向负载4提供由发电系统2产生的电力或存储在电池系统20中的电力。此外，当配电系统3处于异常状态时，例如，当发生电力故障时，能量存储系统1可以起不间断电源（UPS）的作用，以向负载4提供由发电系统2产生的电力或存储在电池系统20中的电力。

能量存储系统1可以包括电力转换系统（PCS）10、电池系统20、第一开关30、和第二开关40。

PCS10可以转换来自发电系统2、配电系统3、和电池系统20的电力，以向电池系统20、负载4、或配电系统3提供电力。PCS10可以包括电力转换单元11、直流（DC）链路单元12、逆变器13、转换器14、和集成控制器15。

电力转换单元11可以是连接在发电系统2与DC链路单元12之间的电力转换设备。电力转换单元11可以转换由发电系统2产生的电力以便产生DC链路电压，并向DC链路单元12发送转换的DC链路电压。

电力转换单元11可以包括根据发电系统2的类型的电力转换电路，诸如转换器电路、整流电路等。如果发电系统2产生DC电力，则电力转换单元11可以包括用于将发电系统2产生的DC电力转换为用于DC链路单元12的DC电力的DC-DC转换器电路。如果发电系统2产生交流（AC）电力，则电力转换单元11可以包括用于将AC电力转换为DC电力的整流电路。

如果发电系统2是太阳能发电系统，则电力转换单元11可以包括最大功率点跟踪（MPPT）转换器，用于执行MPPT控制以根据太阳辐射、温度等的变化获得发电系统2产生的最大电力。此外，如果发电系统2不产生电力，则可以停止电力转换单元11以减少电力转换单元11的功耗。

DC链路电压的量值可能由于发电系统2或配电系统3中的瞬间电压下落、或者发生负载4的需求的突然改变而不稳定。然而，对于转换器14和逆变器13的正常操作，DC链路电压优选是稳定的。该实施例中，将DC链路单元12连接在电力转换单元11与逆变器13之间，以保持DC链路电压恒定或基本恒定。在一些实施例中，DC链路单元12包括大容量电容器。

该实施例中，逆变器13是连接在DC链路单元12与第一开关30之间的电力转换设备。逆变器13可以包括用于将从发电系统2和电池系统20的至少一个输出的DC链路电压转换为配电系统3的AC电压的逆变器。此外，逆变器13可以包括用于将从配电系统3输入的AC电压转换为用于DC链路电压的DC电压的整流电路，以在充电模式下将配电系统3的电力存储在电池系统20中。逆变器13可以是能够改变其输入和输出方向的双向逆变器。

逆变器13可以包括滤波器，用于移除将要输出到配电系统3的AC电压的谐波分量。此外，逆变器13可以包括锁相环（PLL）电路，用于将从逆变器13输出的AC电压的相位与配电系统3的AC电压同步，以抑制或限制无功电力的产生。此外，逆变器13可以起作用来限制电压波动范围，改善功率因子，移除DC分量，以及保护或减少瞬时现象。

转换器14可以是连接在DC链路单元12与电池系统20之间的电力转换设备。转换器14可以包括用于将存储在电池系统20中的电力的DC电平转换为DC链路电压的DC-DC转换器。此外，转换器14可以包括用于将从电力转换单元11输出的电力或从逆变器13输出的电力的电压的DC电平转换为具有用于对电池系统20充电的合适的电压电平的电压的DC-DC转换器。转换器14可以是能够改变其输入和输出方向的双向转换器。如果不对电池系统20充电或放电，则可以停止转换器14的操作，从而最小化或减少功耗。

集成控制器15可以监视发电系统2、配电系统3、电池系统20、和负载4的状态。例如，集成控制器15可以监视配电系统3中是否已经发生电力故障、发电系统是否产生电力、以及所产生的电力量、电池系统20的充电状态、负载4的功耗量、时间等。

集成控制器15可以根据监视结果和预定算法控制电力转换单元11、逆变器13、转换器14、电池系统20、第一开关30、第二开关40等的操作。例如，当配电系统3中发生电力故障时，集成控制器15可以控制其他组件以使得向负载4提供存储在电池系统20中的电力或由发电系统2产生的电力。此外，当无法向负载4提供足够的电力时，集成控制器15可以确定负载4的电气设备的优先级，并且控制负载4以使得向具有最高优先级的电气设备提供电力。此外，集成控制器15可以控制电池系统20的充电或放电。

第一开关30和第二开关40串联连接在逆变器13与配电系统3之间，并且通过在集成控制器15的控制下被接通和切断来控制发电系统2与配电系统3之间的电流。根据发电系统2、配电系统3、和电池系统20的状态，可以确定第一开关30和第二开关40的接通和切断状态。

例如，如果向负载4提供来自发电系统2和电池系统20的至少一个的电力，或者如果向电池系统20提供来自配电系统3的电力，则第一开关30处于接通状态。如果向配电系统3提供来自发电系统2和电池系统20的至少一个的电力，或者如果向负载4和电池系统20的至少一个提供来自配电系统3的电力，则第二开关40处于接通状态。

如果配电系统3中发生电力故障，则第二开关40保持在切断状态，并且第一开关30保持在接通状态。即，向负载4提供来自发电系统2和电池系统20的至少一个的电力，并且同时防止向负载4提供的电力流向配电系统3。如上所述，通过将能量存储系统1作为独立系统来操作，可以防止由于来自发电系统2或电池系统20的电力而使在配电系统3的电力线上工作的电工受到电击的事故。

第一开关30和第二开关40的每个可以包括能够耐受或处理强电流的开关设备，诸如继电器。

电池系统20可以接收并存储来自发电系统2和配电系统3的至少一个的电力，并且可以向负载4和配电系统3的至少一个提供所存储的电力。可以通过集成控制器15来控制电池系统20的充电和放电。参照图2更详细地描述电池系统20。

图2是根据本发明的各种实施例的电池系统20的框图。参照图2，电池系统20可以包括电池管理系统（BMS）21和电池22。

BMS21连接至电池22，并且可以根据集成控制器15的控制命令或内部算法来控制电池系统20的一般操作。例如，BMS21可以执行过充电保护功能、过放电保护功能、过电流保护功能、过电压保护功能、过热保护功能、单元平衡功能等。

BMS21可以存储用于过充电、过放电、过电流、过电压、过热、单元平衡等的管理阈值信息。具体地，可以通过平衡容限或单元平衡起始电压差来确定单元平衡的管理阈值。此外，BMS21可以测量和/或计算电池22的电压、电流、温度、剩余电量、寿命、充电状态（SOC）等。例如，BMS21可以通过使用传感器来测量电池22的电压、电流、和温度，并且基于所测量的电压和电流来计算电池22的剩余电量、寿命、SOC等。BMS21可以基于测量阈值信息、测量结果、和计算结果来管理电池22。

例如，BMS21可以测量电池22的温度，并且如果所测量的电池22的温度大于预定阈值温度，则BMS21可以断开到输入和输出端子T+和T-的连接。BMS21可以存储预定阈值温度作为管理阈值信息。

如果电池22的任何一个电池单元具有比其他电池单元大预定阈值电压的单元电压，则BMS21可以执行用于将具有较大单元电压的电池单元放电的单元平衡操作。针对串联连接的电池单元执行单元平衡以具有相同的充电状态。例如，在一些实施例中，如果任何一个电池单元在其他电池单元之前被完全放电，则即使电能在其他电池单元中剩余，也无法使用剩余电能。因此，发生低效率，并且执行单元平衡以防止这种低效率。

当电池22中包括旧电池单元和新电池单元二者时，即使新电池单元和旧电池单元具有相同的充电状态，新电池单元的电压也可能大于旧电池单元的电压。如果基于单元电压来执行单元平衡，则新电池单元可能被放电以将新电池单元的电压电平减少至旧电池单元的电压电平。新电池单元的放电可能是不必要的，因为就充电状态而言新电池单元的充电状态可能低于旧电池单元的充电状态。此外，由于新电池单元的电压电平大于旧电池单元的电压电平，与只存在新电池单元或旧电池单元的情况下相比，在新电池单元和旧电池单元混合的情况下可能更频繁地执行单元平衡操作。因而，只有存在具有相似使用度的电池单元的情况下应用的单元平衡阈值可以不同于应用于存在不同使用度的电池单元的情况的单元平衡阈值。

在说明书中，“旧电池单元”或“新电池单元”的意思不必要涉及电池单元的年龄，而是可以涉及表示使用度或耗损度的因素，诸如电池单元的频繁或稀少的使用周期、长或短的使用时间、或者早或晚的制造或安装日期。如这里使用的，例如，可以通过诸如使用周期、使用时间、制造日期、和安装日期的各种元素的组合来确定电池单元是旧还是新，或者电池单元有多旧。此外，在说明书中，术语“使用度”具有与“多旧”基本相同的含义，并且如上所述可以通过使用周期、使用时间、制造日期、安装日期等来确定。电池单元的使用周期指示电池单元的充电和放电次数。

例如，如果混合旧电池单元和新电池单元，例如，使用具有不同使用周期的电池单元，则不平衡容限可以较宽。此外，可以将单元平衡起始电压差设置得较大。

例如，如果用新电池单元替换一些恶化的电池单元，则可以延迟单元平衡，直到处于满充电状态的新电池单元的电压电平与处于满充电状态的现有的旧电池单元具有相似的电压电平为止。

单元平衡起始电压差指示单元平衡阈值电压与单元平衡起始电压之间的差。当任何一个电池单元的单元电压与单元平衡阈值电压之间的电压差大于单元平衡起始电压差时，可以确定要为该电池单元执行单元平衡。可以将单元平衡阈值电压确定为例如一组电池单元中的最低单元电压或平均单元电压。

BMS21可以存储关于用于电池22的电池单元的单元平衡管理阈值的信息，即，关于不平衡容限的信息或关于单元平衡起始电压差的信息。单元平衡管理阈值可以根据电池22的电池单元的使用度的差异而不同。例如，当用新电池单元来替换电池22中的一些恶化的电池单元时，电池22可以包括旧电池单元和新电池单元。应用于该情况的单元平衡管理阈值可以不同于在单元替换之前应用的单元平衡管理阈值。

例如，如果BMS21从集成控制器15接收指示已经替换某些电池单元的信息，则BMS21可以修改单元平衡管理阈值。例如，BMS21可以在接收电池单元替换事件指示之后将单元平衡管理阈值从20mV改变为40mV。如果从电池单元替换之后过去了预定时间，则BMS21可以将单元平衡管理阈值返回到20mV。该预定时间可以是表示直到处于满充电状态的替换的电池单元的电压电平减小到类似于处于满充电状态的现有电池单元的电压电平为止的时间的时间。根据另一实施例，BMS21可以在从电池单元替换过去第一预定时间之后将单元平衡管理阈值改变为30mV，并且在从改变过去第二预定时间之后将单元平衡管理阈值改变为20mV。即，BMS21可以在接收电池单元替换事件之后将第一阈值改变为第二阈值，并且可以根据预定时间的流逝从第二阈值逐渐返回到第一阈值。

BMS21可以存储用于确定电池22的电池单元的使用度的信息。例如，BMS21可以存储电池22的每个电池单元的使用周期、总使用时间、制造日期、安装日期的至少一个。BMS21可以基于关于每个电池单元的信息来确定每个电池单元的使用度。BMS21可以基于电池22的电池单元当中的最新电池单元和最旧电池单元的使用度之间的差来确定单元平衡管理阈值。此外，除了电池22的电池单元当中的最新电池单元和最旧电池单元的使用度之间的差之外，BMS21还可以基于电池22的电池单元当中的最新电池单元的使用度来确定单元平衡管理阈值。

此外，当旧电池单元和新电池单元在电池22中混合时，可以基于差阈值来管理旧电池单元和新电池单元。即，可以基于根据电池单元的使用度的差阈值来管理旧电池单元和新电池单元。例如，与旧电池单元相比，对于新电池单元可以将不平衡容限设置得更宽。此外，与旧电池单元相比，对于新电池单元可以将单元平衡起始电压差设置得更大。用于新电池单元的单元平衡管理阈值可以比用于旧电池单元的单元平衡管理阈值更宽容（tolerant）或更不宽容。

BMS21可以分别地存储用于旧电池单元的单元平衡管理阈值和用于新电池单元的单元平衡管理阈值。BMS21可以存储根据电池单元的使用周期、总使用时间、或制造日期、或其组合确定的各种单元平衡管理阈值。此外，为了确定电池单元是旧的还是新的，BMS21可以存储电池单元的安装日期和制造日期的至少一个。根据另一实施例，BMS21可以独立地管理电池单元的使用周期或总使用时间。

BMS21可以基于每个电池单元的使用周期、总使用时间、安装日期、或制造日期或其组合来确定每个电池单元是旧的还是新的，或者确定每个电池单元的使用度。BMS21可以存储根据电池单元的使用度而不同地确定的单元平衡管理阈值。BMS21可以存储根据电池单元的使用度而不同地确定的不平衡容限。此外，BMS21可以存储根据电池单元的使用度而不同地确定的单元平衡起始电压差。

BMS21可以向集成控制器15提供测量结果和计算结果，并且从集成控制器15接收与电池22的控制有关的命令。BMS21可以从集成控制器15接收关于电池22的安装日期和/或制造日期的信息。当电池单元的至少一部分被替换时，BMS21可以从集成控制器15接收用于将替换的电池单元的使用周期和/或总使用时间重置和更新为0的控制命令。

电池22可以包括彼此串联、并联、或以串联和并联组合连接的电池单元。电池22可以包括用于将电池单元的节点连接到BMS21的接线，以向BMS21提供电池单元的单元电压。

例如，电池22可以包括彼此串联连接的第一电池单元和第二电池单元。BMS21可以具有彼此不同的第一单元平衡管理阈值和第二单元平衡管理阈值，并且可以基于第一单元平衡管理阈值来执行第一电池单元的单元平衡操作，并且基于第二单元平衡管理阈值来执行第二电池单元的单元平衡操作。例如，第一单元平衡管理阈值可以是用于旧电池单元的单元平衡管理阈值，并且第二单元平衡管理阈值可以是用于新电池单元的单元平衡管理阈值。用于新电池单元的单元平衡管理阈值可以比用于旧电池单元的单元平衡管理阈值更宽松。单元平衡管理阈值可以指示执行单元平衡的规则。即，根据该规则，当电池单元的电压大于单元平衡阈值电压与单元平衡起始电压差之和时，电池单元的单元平衡可以开始。

此外，BMS21可以具有彼此不同的第一不平衡容限和第二不平衡容限。当第一电池单元的单元电压在第一不平衡容限之内时，可以不执行第一电池单元的单元平衡。当第一电池单元具有比第二电池单元更频繁的使用周期、更长的使用时间、更早的安装或制造日期时，第二不平衡容限可以比第一不平衡容限更宽。

例如，可以确定用于旧电池单元的单元平衡管理阈值，以使得当旧电池单元的单元电压比电池22的电池单元的最小单元电压大第一电压时执行单元平衡。可以确定用于新电池单元的单元平衡管理阈值，以使得当新电池单元的单元电压比电池22的电池单元的最小单元电压大第二电压时执行单元平衡。第二电压可以大于第一电压。该情况下，电池22的电池单元的最小单元电压可以被称为单元平衡阈值电压，并且第一电压和第二电压可以被称为单元平衡起始电压差。

根据另一实施例，可以确定用于旧电池单元的单元平衡管理阈值，以使得当旧电池单元的单元电压比电池22的电池单元的平均单元电压大第三电压时执行单元平衡。可以确定用于新电池单元的单元平衡管理阈值，以使得当新电池单元的单元电压比电池22的电池单元的平均单元电压大第四电压时执行单元平衡。第四电压可以大于第三电压。该情况下，电池22的电池单元的平均单元电压可以被称为单元平衡阈值电压，并且第三电压和第四电压可以被称为单元平衡起始电压差。

BMS21和电池22可以被包括在机架（rack）（未示出）中。该情况下，BMS21可以被称为机架BMS，并且电池22可以被称为机架电池。

图2示出电池系统20包括BMS21和电池22。然而，电池系统20可以具有更复杂的结构。例如，电池系统20可以包括多个机架，每个机架包括BMS21和电池22。

图3是根据各种实施例的BMS21和电池22的框图。参照图3，BMS21包括控制器110、存储单元120、测量单元130、和单元平衡电路140。电池22包括多个电池单元BC1至BC5。

虽然图3示出电池22包括彼此串联连接的五个电池单元BC1至BC5，但这仅是说明性的，电池22可以包括更多或更少的电池单元，并且电池单元可以并联或以串联和并联的组合连接。此外，电池22可以包括多个电池模块（未示出）。每个电池模块可以包括串联、并联、或以串联和并联的组合连接的多个电池单元。在下面的描述中，为了易于理解，假定电池22包括五个电池单元BC1至BC5。

第一至第五电池单元BC1至BC5可以包括可再充电的蓄电池。例如，第一至第五电池单元BC1至BC5可以基于镍镉技术、铅电池技术、镍金属氢化物（NiMH）技术、锂离子技术、锂聚合物技术等。

如图3中所示，第一至第五电池单元BC1至BC5可以串联连接。通常可以在串联连接的电池单元之间执行单元平衡，因为在并联连接的电池单元之间单元平衡一般不是必要的。于是，当以串联和并联的组合连接电池22的第一至第五电池单元BC1至BC5时，可以仅在串联连接的电池单元之间执行单元平衡。即，当第一和第二电池单元BC1和BC2串联连接、第三和第四电池单元BC3和BC4串联连接、并且第一和第二电池单元BC1和BC2与第三和第四电池单元BC3和BC4并联连接时，可以在第一和第二电池单元BC1和BC2之间以及在第三和第四电池单元BC3和BC4之间独立地执行单元平衡。然而，根据另一实施例，即使第一和第二电池单元BC1和BC2与第三和第四电池单元BC3和BC4并联连接，也可以在第一至第四电池单元BC1至BC4当中执行单元平衡。

电池22包括第一至第六节点N0至N5。如图3中所示，第一节点N0是第一电池单元BC1的阴极，第六节点N5是第五电池单元BC5的阳极，并且第二至第五节点N1至N4是第一至第五电池单元BC1至BC5的每两个之间的接触点。可以分别用V0至V5来表示第一至第六节点N0至N5处的电压，并且可以分别用ΔV1至ΔV5来表示第一至第五电池单元BC1至BC5的单元电压。虽然电池22的总电压是第一节点N0处的电压V0与第六节点N5处的电压V5之间的差，即，V5-V0，但是可以通过假定第一节点N0是地而使用第六节点N5处的电压V5来表示电池22的总电压。

为了让BMS21获得单元电压ΔV1至ΔV5以及电池22的总电压V5，可以从第一至第六节点N0至N5向BMS21的测量电路130连接连线。控制器110可以通过使用测量电路130参考第一节点N0处的电压V0来测量第二至第六节点N1至N5处的电压V1至V5，并且计算第一至第五电池单元BC1至BC5的单元电压ΔV1至ΔV5。根据另一实施例，控制器110可以通过使用测量电路130测量单元电压ΔV1至ΔV5，并且可以通过累加单元电压ΔV1至ΔV5来获得总电压V5。

控制器110可以根据存储在存储单元120中的单元平衡阈值来执行单元平衡操作。单元平衡操作是用于将具有比单元电压ΔV1至ΔV5的最低单元电压更大的单元电压的电池单元放电单元平衡起始电压差。根据另一实施例，单元平衡操作是用于将具有比单元电压ΔV1至ΔV5的平均单元电压更大的单元电压的电池单元放电单元平衡起始电压差。

例如，如果单元电压ΔV1至ΔV5分别是4.180V、4.177V、4.199V、4.183V和4.195V，则最低单元电压是4.177V。如果单元平衡起始电压差是20mV，则根据单元平衡规则应当对具有4.199V的单元电压ΔV3的第三电池单元BC3执行单元平衡。因此，可以将第三电池单元BC3放电，并且可以执行单元平衡操作以使得第三电池单元BC3的单元电压ΔV3在4.197V之下。

控制器110可以通过使用单元平衡单元140将特定电池单元放电来执行单元平衡操作。单元平衡电路140可以包括分别串联连接在第一至第六节点N0至N5之间的第一至第五电阻器R1至R5以及第一至第五开关SW1至SW5。控制器110可以通过短接与将要对其执行单元平衡的电池单元并联连接的开关以形成包括对应电阻器的闭合电路来将需要单元平衡的电池单元放电。例如，在以上示例中，控制器110可以短接与第三电池单元BC3对应的第三开关SW3以通过第三电阻器R3将第三电池单元BC3放电，从而将第三单元电压ΔV3减小至4.197V之下。

根据另一实施例，当对第三电池单元BC3执行单元平衡时，第三电池单元BC3的单元电压ΔV3可以减小到小于预定电压。可以用单元平衡阈值电压与单元平衡结束电压差之和来定义该预定电压，并且单元平衡结束电压差可以根据对应的电池单元的使用周期、使用时间、制造日期、安装日期等而不同。例如，旧电池单元的单元平衡结束电压差可以是10mV。

第一至第五开关SW1至SW5可以由例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）形成。

虽然图3建议单元平衡电路140通过使用通过平衡电阻器（即，电阻器）将具有相对高的充电状态的电池单元的电力放电的被动（passive）单元平衡方法来执行单元平衡，但本发明不限于此。单元平衡电路140可以通过使用向具有相对低的充电状态的电池单元提供具有相对高的充电状态的电池单元的电力的主动（active）单元平衡方法来执行单元平衡。

单元平衡电路140可以对第一至第五电池单元BC1至BC5单独地执行单元平衡，或者可以通过将多个电池单元分组来执行单元平衡。

在以上示例中，第三电池单元BC3和第五电池单元BC5可以比第一、第二、和第四电池单元BC1、BC2、和BC4更新。如此，当旧电池单元和新电池单元混合时，可以修改单元平衡阈值。即，可以将不平衡阈值设置得较宽，或者可以将单元平衡起始电压设置得较大。在当前实施例中，可以将不平衡阈值或单元平衡起始电压差从约10mV改变为约30mV。即，可以改变单元平衡阈值，以使得如果电池单元的单元电压比单元电压ΔV1至ΔV5当中的最低单元电压大不平衡阈值，例如，30mV，则执行单元平衡。

存储单元120可以存储用于第一至第五电池单元BC1至BC5的单元平衡规则和/或单元平衡阈值。可以不仅基于第一至第五电池单元BC1至BC5的最新者和最旧者的使用度之间的差，而且基于最新电池单元的使用度来确定单元平衡规则和/或单元平衡阈值。

此外，在以上示例中，在相同的充电状态下，第三电池单元BC3和第五电池单元BC5可以具有比第一、第二、和第四电池单元BC1、BC2、和BC4更大的输出电压。在以上示例中，具有4.199V的单元电压ΔV3的第三电池单元BC3和具有4.195V的单元电压ΔV5的第五电池单元BC5的充电状态可以类似于第一、第二、和第四电池单元BC1、BC2、和BC4的充电状态。该情况下，对第三电池单元BC3或第五电池单元BC5的单元平衡可能是不必要的。因而，当混合旧电池单元和新电池单元时，可以根据电池单元的使用度来优选地应用不同的单元平衡管理阈值。如上所述，用于旧电池单元的单元平衡起始电压差可以被称为第一单元平衡起始电压差。

在当前实施例中，对于第三电池单元BC3和第五电池单元BC5的单元平衡管理阈值，其中如果单元电压比单元电压ΔV1至ΔV5当中的最低单元电压大第二电压平衡起始电压差（其大于第一单元平衡起始电压差），例如，30mV，则执行单元平衡。即，对于新电池单元，可以使用比旧电池单元更宽松的阈值来确定单元平衡是否必要。在当前实施例中，第二单元平衡起始电压差指示用于新电池单元的单元平衡起始电压差。

存储单元120可以存储用于旧电池单元的单元平衡管理阈值和用于新电池单元的单元平衡管理阈值，其中基于表示使用度的因素的使用度阈值来确定旧和新电池单元。例如，存储单元120可以存储用于旧电池单元的单元平衡起始电压差和用于新电池单元的单元平衡起始电压差。存储单元120可以存储用于区分旧电池单元和新电池单元的阈值、以及电池单元的数据。例如，存储单元120可以存储每个电池单元的使用周期、使用时间、安装日期、或制造日期，或者它们的组合。存储单元120可以存储控制器110的内部算法。存储单元120可以包括非易失性存储器。

控制器110可以具有用于区分每个电池单元是旧还是新的阈值。例如，用户可以每个电池单元上标记关于每个电池单元是旧还是新，并且控制器110可以基于用户的标记确定相应电池单元是否是旧的。用户可以通过集成控制器15在第一至第五电池单元BC1至BC5上标记，并且集成控制器15可以向控制器110发送用户的标记数据。替换地，用户可以通过控制器110直接在存储在存储单元中的每个电池单元上标记关于每个电池单元是旧还是新。

根据另一实施例，可以在存储单元120中存储每个电池单元的安装日期的数据。当安装电池系统20时，当添加电池22时，或者当用新电池单元替换恶化的电池单元时，用户可以在存储单元120中记录每个电池单元的安装日期。根据替换或新安装的单位，可以以电池单元、电池模块、电池托盘、电池机架、或电池组为单位记录安装日期。用户可以通过集成控制器15来输入安装日期，并且集成控制器15可以向BMS21发送日期。替换地，用户可以访问控制器110以直接向存储单元120输入每个电池单元的安装日期。可以在存储单元120中存储每个电池单元的制造日期。

控制器110可以基于当前日期与安装日期之间的差来确定电池单元是新还是旧。根据另一实施例，控制器110可以基于当前日期与安装日期之间的差来确定电池单元的使用度。例如，自从使用电池单元之后30天或更短可以被确定为使用度处于第一阶段。此外，自从使用电池单元之后100天或更短可以被确定为使用度处于第二阶段。此外，自从使用电池单元之后1年或更短可以被确定为使用度处于第三阶段。此外，自从使用电池单元之后3年或更短可以被确定为使用度处于第四阶段。此外，自从使用电池单元之后超过3年可以被确定为使用度处于第五阶段。

该情况下，可以在存储单元120中存储根据使用度的阶段的单元平衡管理阈值。例如，用于处于第五阶段的电池单元的单元平衡起始电压差可以是10mV，用于处于第四阶段的电池单元的单元平衡起始电压差可以是15mV，用于处于第三阶段的电池单元的单元平衡起始电压差可以是20mV，用于处于第二阶段的电池单元的单元平衡起始电压差可以是25mV，而用于处于第一阶段的电池单元的单元平衡起始电压差可以是30mV。

根据另一实施例，可以定义当前日期与安装日期之间的差和单元平衡起始电压差之间的关系等式，并且可以使用通过该关系等式确定的单元平衡起始电压差。

根据另一实施例，可以在存储单元120中存储每个电池单元的使用周期的数据。当安装电池系统20时，当添加电池22时，或者当用新电池单元替换恶化的电池单元时，用户可以将相应的电池单元的使用周期重置为0。控制器110可以在存储单元120中记录电池单元的使用周期。

控制器110可以基于电池单元的使用周期来确定每个电池单元的使用度。例如，当使用周期少于100次时，对应的电池单元可以被确定为新电池单元。根据另一实施例，控制器110可以基于电池单元的使用周期来确定每个电池单元的使用度。此外，可以在存储单元120中存储根据使用度的不同的单元平衡管理阈值。此外，可以定义电池单元的使用周期与单元平衡起始电压差之间的关系等式，并且可以使用通过该关系等式确定的单元平衡起始电压差。

根据另一实施例，可以在存储单元120中存储每个电池单元的使用时间的数据。当安装电池系统20时，当添加电池22时，或者当用新电池单元替换恶化的电池单元时，用户可以将相应电池单元的使用时间重置为0。控制器110可以在存储单元120中记录直到现在的电池单元的使用时间。如果用已使用的电池单元替换恶化的电池单元，则用户可以在存储单元120中记录已使用的电池单元的使用时间。

控制器110可以基于电池单元的使用时间来确定每个电池单元的使用度。例如，当使用时间少于1000小时时，对应的电池单元可以被确定为新电池单元。根据另一实施例，控制器110可以基于电池单元的使用时间来确定每个电池单元的使用度。此外，可以在存储单元120中存储根据使用度的不同的单元平衡管理阈值。此外，可以定义电池单元的使用时间与单元平衡起始电压差之间的关系等式，并且可以使用通过该关系等式确定的单元平衡起始电压差。

在下面的描述中，用于确定每个电池单元是旧还是新的基本信息，即，每个电池单元的使用周期、使用时间、安装日期、制造日期等，可以被称为每个电池单元的使用信息或使用度。此外，在以上示例中建议的所有定量值是说明性的，并不限制本发明。

在以上描述中，虽然已经描述在用于确定是否执行第一至第五电池单元BC1至BC5的单元平衡的单元平衡规则中考虑第一至第五电池单元BC1至BC5的使用信息和电压，但这是为了易于说明。单元平衡规则可以更加复杂。例如，可以考虑充电状态（SOC）用于单元平衡规则。

控制器110可以从测量电路130的测量结果计算第一至第五电池单元BC1至BC5的SOC。控制器110可以检测第一至第五电池单元BC1至BC5的开路电压，并且从指示开路电压和SOC的数据中计算第一至第五电池单元BC1至BC5的SOC。存储单元120可以存储显示开路电压与SOC之间的关系的数据表。然而，计算第一至第五电池单元BC1至BC5的SOC的方法不限于从开路电压计算第一至第五电池单元BC1至BC5的SOC的方法。例如，可以使用诸如电流累积方法的计算SOC的各种方法。

图4是根据各种实施例的电池系统20的框图。参照图4，电池系统20可以包括系统BMS201、多个机架200a至200m、以及用于数据通信的第一总线203。多个机架200a至200m可以分别包括多个机架BMS210a至210m以及多个机架电池220a至220m。在下面的描述中，为了便于描述，多个机架200a至200m、多个机架BMS210a至210m、以及多个机架电池220a至220m可以分别被称为机架200、机架BMS210、和机架电池220。

图4示出电池系统20包括多个机架200a至200m的情况。机架200中的机架BMS210和机架电池220可以分别与图3中所示的BMS21和电池22对应。

系统BMS201可以控制电池系统20的一般操作。系统BMS201可以根据集成控制器15的控制命令或内部算法向多个相应的机架BMS210a至210m发送用于控制多个机架200a至200m的命令。例如，系统BMS201可以向多个对应的机架BMS210a至210m发送用于控制多个机架200a至200m的开/关（on/off）状态的命令。此外，系统BMS201可以命令多个机架BMS210a至210m发送通过测量多个机架电池220a至220m的状态而获得的数据。系统BMS201可以从多个机架BMS210a至210m接收多个机架电池220a至220m的状态的数据，例如，温度、输出电压、输出电流等，并且向集成控制器15发送所接收的数据。

系统BMS201和多个机架BMS210a至210m可以形成主从系统，如图4中所示。系统BMS201可以控制多个机架BMS210a至210m，并且多个机架BMS210a至210m可以基于系统BMS201的控制执行各种类型的处理。根据另一实施例，可以省略系统BMS201，并且执行系统BMS201的功能的第一机架BMS210a可以控制电池系统20的一般操作。例如，第一机架BMS210a可以控制其他机架BMS210b至210m，并且其他机架BMS210b至210m可以基于第一机架BMS210a的控制来执行各种类型的处理。该情况下，第一机架BMS210a也可以执行关于第一机架电池220a的处理。

机架电池220可以存储来自发电系统2和配电系统3的至少一个的电力，并且可以向配电系统3和负载4的至少一个提供所存储的电力。机架电池220可以包括串联、并联、或以串联和并联的组合连接的至少一个托盘。虽然图4示出多个机架电池220a至220m并联连接，但是根据电池系统20的需求，多个机架电池220a至220m也可以串联或以串联和并联的组合连接。

机架BMS210可以监视机架电池220的状态，例如，温度、电压、电流等，并且测量数据。机架BMS210可以根据所测量的数据或预定算法来控制包括在机架电池220中的电池单元的单元平衡操作。当多个机架电池220a至220m串联连接时，可以对包括在多个机架电池220a至220m中的电池单元执行单元平衡。该情况下，系统BMS201可以收集所有电池单元的数据并且控制单元平衡操作，并且多个机架BMS201a至210m可以例如根据系统BMS201的控制命令被动地执行单元平衡操作。

机架BMS210可以经由第一总线203向系统BMS201发送测量的数据，并且系统BMS201可以经由第一总线203向机架BMS210发送用于执行预定义或特定操作的命令。第一总线203是系统BMS201与多个机架BMS210a和210m之间的路径，用于通过其发送数据或命令。第一总线203可以是控制器区域网络（CAN）总线。然而，第一总线203不限于此，并且用于通过总线发送数据或命令的所有合适的通信协议都可以适用。

图4中所示的电池系统20的配置是说明性的。虽然图4中已经描述系统BMS201和多个机架BMS210a至201m使用第一总线203彼此通信，但本发明不限于此。例如，可以将系统BMS201与多个机架BMS210a至210m彼此串联连接，以在彼此接近的系统BMS201与多个机架BMS210a至210m之间发送数据或命令。该情况下，仅仅任何一个特定的机架BMS，例如第一机架BMS210a，可以与系统BMS201通信。

图5是根据各种实施例的机架200的框图。参照图5，机架200可以包括机架BMS210、多个电池托盘223、以及用于数据通信的第二总线213。

电池托盘223处于机架200的下层，并且可以存储电力并向配电系统3和负载4提供所存储的电力。多个电池托盘223的每个可以包括托盘BMS221和托盘电池222。

托盘电池222存储电力，并且可以包括彼此串联、并联、或以串联和并联的组合连接的多个电池单元。可以根据需要的输出电压来确定包括在托盘电池222中的电池单元的数目。

托盘电池222可以包括彼此串联、并联、或以串联和并联的组合连接的至少一个电池模块。电池模块可以包括彼此串联、并联、或以串联和并联的组合连接的多个电池单元。电池模块可以包括串联连接的电池单元，并且可以是替换单位以便于管理。即，可以用新电池模块来替换恶化的电池模块。托盘电池222可以被称为电池模块。

托盘BMS221可以控制用于包括在托盘电池222中的电池单元的单元平衡操作。托盘电池222可以类似于图3的电池22。

托盘BMS221可以监视托盘电池222的状态，例如，温度、电压、电流等，并且向机架BMS210发送测量的数据。此外，托盘BMS221可以响应于机架BMS210的单元平衡控制命令而执行托盘电池222的单元平衡。

可以在托盘BMS221中包括图3的测量电路130和单元平衡电路140。此外，可以在机架BMS210中包括图3的控制器110和存储单元120。托盘221可以通过使用测量单元130来测量或计算电池单元的单元电压。托盘BMS221可以向机架BMS210发送所测量或计算的电池单元的单元电压。机架BMS210可以基于存储在存储单元120中的电池单元的使用信息、单元电压、和单元平衡管理阈值来确定需要对其执行单元平衡的电池单元。机架BMS210可以向托盘BMS221发送关于所确定的将要对其执行单元平衡的电池单元的信息，并且托盘BMS221可以通过使用平衡电路140将电池单元放电来执行单元平衡操作。

图5示出所有的托盘电池222串联连接。如果多个托盘电池222中的所有电池单元串联连接，则作为多个电池托盘223的上层的配置的机架200来负责单元平衡的控制将是合适的。该情况下，可以通过机架BMS210来执行单元平衡的控制。即，可以在机架BMS210中包括图3的控制器110。

然而，也可以通过托盘BMS221来执行单元平衡的控制。即，可以在托盘BMS221中包括图3的控制器110。例如，当多个托盘电池222并联连接时，可以仅对每个托盘电池222中的电池单元执行单元平衡。于是，托盘BMS221可以负责控制托盘电池222的单元平衡，并且确定将要对其执行单元平衡的电池单元。该情况下，托盘BMS221的描述可以参照图3的BMS21的描述。

第二总线213是机架BMS210与多个托盘BMS221之间的路径，通过其发送数据或命令。可以在机架BMS210与多个托盘BMS221之间使用CAN通信。然而，第二总线213不限于此，并且用于通过总线发送数据或命令的所有通信协议都可以适用。

图6是示出根据各种实施例的电池单元平衡方法的流程图。

参照图3和6，在操作S10中，控制器110通过使用测量电路130来测量电池单元的单元电压。

基于电池单元的单元电压，控制器110在操作S20中确定是否要执行单元平衡。根据存储在存储单元120中的单元平衡管理阈值来确定是否执行单元平衡。根据实施例，可以在存储单元120中存储至少两个单元平衡管理阈值。例如，存储单元120可以存储当旧电池单元和新电池单元混合时应用的单元平衡管理阈值、以及当仅存在旧电池单元或新电池单元时应用的单元平衡管理阈值。存储单元120可以存储根据电池单元的使用度而不同的多个单元平衡管理阈值。可以根据最旧电池单元的使用度与最新电池单元的使用度之间的差和/或最新电池单元的使用度来确定多个不同的单元平衡管理阈值。

单元平衡管理阈值可以包括单元平衡阈值电压和单元平衡起始电压差。可以通过一组单元电池的最小单元电压、平均单元电压、中间单元电压等来定义单元平衡阈值电压。单元平衡起始电压差可以根据电池单元的使用度之间的差而不同。例如，当旧电池单元和新电池单元混合时应用的单元平衡起始电压差可以大于当存在具有类似使用度的电池单元时应用的单元平衡起始电压差。使用电池单元的使用度作为指示电池单元是旧或新或者电池单元有多旧的术语。

单元平衡管理阈值可以包括单元平衡结束电压差。单元平衡结束电压差也可以根据电池单元的使用度之间的差而变化。

根据另一实施例，可以在存储单元120中存储至少两个单元平衡管理阈值。例如，存储单元120可以存储用于旧电池单元的单元平衡管理阈值和用于新电池单元的单元平衡管理阈值。根据另一实施例，可以在存储单元120中存储根据电池单元的使用度而不同的多个单元平衡管理阈值。

单元平衡起始电压差可以基于电池单元的使用度。例如，用于旧电池单元的单元平衡起始电压差可以低于用于新电池单元的单元平衡起始电压差。单元平衡管理阈值可以包括单元平衡结束电压差。单元平衡结束电压差也可以基于电池单元的使用度。

存储单元120可以存储用于区分电池单元的使用度的数据。例如，存储单元120可以存储关于每个电池单元的使用周期、使用时间、安装日期、或制造日期、或者它们的组合的信息。控制器110可以考虑电池单元的使用周期、使用时间、安装日期、和/或制造日期来确定每个电池单元的使用度。此外，控制器110可以从存储单元120读取与使用度对应的单元平衡管理阈值，并且基于所读取的单元平衡管理阈值来确定电池单元是否需要单元平衡。

如果确定不要执行单元平衡，则控制器110通过使用测量电路130来测量电池单元的单元电压。如果确定要执行单元平衡，则控制器110在操作S30中通过使用单元平衡电路140来执行要针对其执行单元平衡的电池单元的单元平衡。

已经参照附图描述了一些非限制性的特征和方面。为了说明书的简明，可以省略常规的电子配置、控制系统、软件和系统的其他功能方面的公开。此外，图中所示的组件之间的连接或线路连接件示出功能连接和/或物理或电路连接，并且在实际的装置中可以用可替换或附加的各种功能连接、物理连接或电路连接来表现所述连接或连接件。在一些替换实施例中，可以省略某些特征和方面。

说明书中（特别是权利要求中）术语“所述”或类似术语的使用可以与单数和复数两者对应。此外，在以上讨论中公开的范围包括属于范围的个别值。对于形成所述方法的步骤，可以按没有具体描述的次序来执行步骤。所有说明或说明性术语（例如，“例如”、“等”等）的使用仅仅是为了描述发明方面和原理，并且本发明的范围不被说明或说明性术语所限制。此外，本领域普通技术人员将理解，可以进行各种修改、组合和改变。因此，本发明不应该限于上述实施例或由上述实施例所定义。

Claims (18)

1.一种电池管理系统，被配置为管理包括第一和第二电池单元的电池，该电池管理系统包括：

测量电路，被配置为确定每个电池单元的参数；以及

控制器，被配置为至少部分基于所确定的参数和表示每个电池单元的使用度的使用度因素来确定是否要平衡电池单元，其中该控制器进一步被配置为基于是否要平衡电池单元来平衡电池单元；

其中是否要平衡电池单元是至少部分基于用于第一电池单元的参数的值与用于第二电池单元的参数的值的第一差是否大于阈值，其中该阈值的量值是基于第一电池单元的使用度与第二电池单元的使用度之间的第二差的量值。

2.如权利要求1所述的电池管理系统，其中该参数包括电压。

3.如权利要求1所述的电池管理系统，其中该参数包括充电状态(SOC)。

4.如权利要求1所述的电池管理系统，其中表示每个电池单元的使用度的使用度因素包括每个电池单元的使用周期、使用时间、安装日期、或制造日期中的至少一个。

5.如权利要求1所述的电池管理系统，其中如果第二差的量值较大，则该阈值的量值较大。

6.如权利要求1所述的电池管理系统，进一步包括存储单元，被配置为存储该阈值。

7.如权利要求1所述的电池管理系统，其中是否要平衡电池单元是至少部分基于用于第一电池单元的参数的值与用于第二电池单元的参数的值的第一差是否大于阈值，其中该阈值的量值是基于用于第一和第二电池单元的使用度因素是否大于使用度阈值。

8.如权利要求1所述的电池管理系统，进一步包括存储单元，被配置为存储规则，其中基于该规则来确定是否要平衡电池单元。

9.如权利要求8所述的电池管理系统，其中该规则是基于所确定的参数和使用度因素。

10.一种电池管理系统，被配置为管理包括第一和第二电池托盘的电池，该电池管理系统包括：

测量电路，被配置为确定每个电池托盘的参数；以及

控制器，被配置为至少部分基于所确定的参数和表示每个电池托盘的使用度的使用度因素来确定是否要平衡电池托盘，其中该控制器进一步被配置为基于是否要平衡电池托盘来平衡电池托盘；

其中是否要平衡电池单元是至少部分基于用于第一电池单元的参数的值与用于第二电池单元的参数的值的第一差是否大于阈值，其中该阈值的量值是基于第一电池单元的使用度与第二电池单元的使用度之间的第二差的量值。

11.如权利要求10所述的电池管理系统，其中该参数包括电压。

12.如权利要求10所述的电池管理系统，其中该参数包括充电状态(SOC)。

13.如权利要求10所述的电池管理系统，其中表示每个电池托盘的使用度的使用度因素包括每个电池托盘的使用周期、使用时间、安装日期、或制造日期中的至少一个。

14.如权利要求10所述的电池管理系统，其中如果第二差的量值较大，则该阈值的量值较大。

15.如权利要求10所述的电池管理系统，进一步包括存储单元，被配置为存储该阈值。

16.如权利要求10所述的电池管理系统，其中是否要平衡电池托盘是至少部分基于用于第一电池托盘的参数的值与用于第二电池托盘的参数的值的第一差是否大于阈值，其中该阈值的量值是基于用于第一和第二电池托盘的使用度因素是否大于使用度阈值。

17.如权利要求10所述的电池管理系统，进一步包括存储单元，被配置为存储规则，其中基于该规则来确定是否要平衡电池托盘。

18.如权利要求17所述的电池管理系统，其中该规则是基于所确定的参数和使用度因素。