CN104620462B - 用于电池管理的虚拟单元方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于电池管理的系统、方法和装置。所公开的方法包括基于电池单元的可用电流和容量，由至少一个虚拟单元通过吸收和/或供应电流对电池组中的电池单元进行电流平衡。在一个或更多个实施例中，至少一个虚拟单元能够为至少一个退化的电池单元或至少一个耗尽的电池单元吸收和/或供应电流。

Description

用于电池管理的虚拟单元方法

技术领域

本发明涉及电池管理。具体地，本发明涉及用于电池管理的虚拟单元方法。

背景技术

当前，典型的常规电池组包含并联和串联连接在一起的电池单元阵列。理想地，这些电池单元具有相同的内部特性(即电极和隔板(separator)的各种过电位)和外部特性(即电压和放电容量)。然而，由于电池单元缺陷差异以及由于制造、存储、运输和操作过程引起的电池单元的不同水平的退化，这实际上是不准确的。相比于并联连接到电池单元的其他电池单元，有缺陷的或退化的电池单元具有更高的过电位(即外部呈现为更高的内阻)。有缺陷的或退化的电池单元趋向于产生更多热量，因此引起它自身及其邻近电池单元过热。这种热量过剩会导致电池的加快退化。

发明内容

本发明涉及一种用于电池管理的虚拟单元方法的方法、系统和装置。在至少一个实施例中，公开一种用于电池管理的方法。该方法包括基于电池单元的可用容量(例如，电流(安培)和/或容量(安培小时))，由至少一个虚拟单元通过吸收电流(sinking current)和/或供应电流(sourcing current)对电池组中的电池单元进行电流平衡。在一个或更多个实施例中，至少一个虚拟单元能够为至少一个退化的电池单元或至少一个耗尽的电池单元吸收和/或供应电流。

在一个或更多个实施例中，本发明教导一种用于基于电池单元的容量对电池单元进行电流平衡的电池管理方法。所公开的方法包括由虚拟单元管理控制器接收至少一个电池层的电压和电流。在一个或更多个实施例中，至少一个电池层包含至少一个电池单元。该方法进一步包括由虚拟单元管理控制器接收电池组的电压和电流。在至少一个实施例中，电池组包含所有的电池单元。此外，该方法包括由虚拟单元管理控制器通过分析电池组的电流，确定电池组是否正充电、正放电或空闲。此外，该方法包括在虚拟单元管理控制器确定电池组正充电或正放电时，由虚拟单元管理控制器确定参考电压。此外，该方法包括由至少一个电压控制器提供电池组电压到电池组。进一步地，该方法包括由至少一个电压控制器提供相应的电池层电压到它相关的电池层。在至少一个实施例中，相应的电池层电压取决于参考电压和至少一个电池层的电压。

在一个或更多个实施例中，虚拟单元管理控制器集成在至少一个电压控制器内。在一些实施例中，当至少一个电池层内有多于一个电池单元时，电池单元在电池层(一个或更多个)内并联连接在一起。在至少一个实施例中，当有多于一个电池层时，电池层串联连接在一起。在一个或更多个实施例中，该方法进一步包括由系统控制器记录参考电压、电池组的电压、电池组的电流、至少一个电池层的电压和/或至少一个电池层的电流。

在至少一个实施例中，至少一个电压控制器包含比例积分微分(PID)控制器、脉冲宽度调制(PWM)控制器、门驱动和/或功率级。在一个或更多个实施例中，功率级是直流电/直流电(DC/DC)变换器。在一些实施例中，DC/DC变换器是隔离双向全桥变换器或隔离双向半桥变换器。在一个或更多个实施例中，至少一个电池单元连接到保险丝。

在一个或更多个实施例中，虚拟单元管理控制器通过使用电池层(一个或更多个)的最大电压和电池层(一个或更多个)的最小电压确定参考电压。在一些实施例中，当电池组正在放电时，虚拟单元管理控制器通过进一步使用电池层(一个或更多个)的最小电流确定参考电压。在至少一个实施例中，当电池组正在充电时，虚拟单元管理控制器通过进一步使用电池层(一个或更多个)的最大电流确定参考电压。

在至少一个实施例中，公开一种用于基于电池单元的容量对电池单元进行电流平衡的电池管理系统。所公开的系统包含至少一个电池层。在一个或更多个实施例中，至少一个电池层包含至少一个电池单元。该系统进一步包含电池组。在一些实施例中，电池组包含所有的电池单元。此外，该系统包含虚拟单元管理控制器，其用于接收至少一个电池层的电压和电流；接收电池组的电压和电流；通过分析电池组的电流，确定电池组是否正在充电、正放电或空闲；以及在虚拟单元管理控制器确定电池组正充电或正放电时，确定参考电压。进一步地，该系统包含至少一个电压控制器，用于提供电池组电压到电池组；以及提供相应的电池层电压到与电压控制器(一个或更多个)关联的电池层，其中相应的电池层电压取决于参考电压和至少一个电池层的电压。

在一个或更多个实施例中，该系统进一步包含系统控制器，用于记录参考电压、电池组的电压、电池组的电流、至少一个电池层的电压和/或至少一个电池层的电流。

上述特征、功能和优点能够独立地在本发明的各种实施例中实现或者被组合在其他的实施例中。

附图说明

参考下列描述、所附权利要求书和附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中：

图1是示出根据本公开的至少一个实施例的正常的电池单元和退化的电池单元之间的内阻的差别的示意图。

图2是示出根据本公开的至少一个实施例的正常的电池单元和退化的电池单元之间的放电容量的差别的曲线图。

图3是采用电压平衡器的常规电池管理系统的示意图。

图4是采用图3中的电压平衡器的常规电池管理系统的示意图，其中在电池组的放电期间存在退化的电池单元。

图5是采用图3中的电压平衡器的常规电池管理系统的示意图，其中在电池组的充电期间存在退化的电池单元。

图6是根据本公开的至少一个实施例的公开的电池管理系统的示意图，该系统实际上针对每个电池层都采用虚拟电池单元。

图7是图6中公开的电池管理系统的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的虚拟电池单元如何提供电流以保护健康的电池单元和退化的电池单元。

图8是图6中公开的电池管理系统的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的虚拟电池单元如何提供电流以保护健康的电池单元和由于容量衰减而退化的电池单元。

图9是图6中公开的电池管理系统的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的两个虚拟电池单元如何提供电流以补偿两个退化的电池单元。

图10是图6中公开的电池管理系统的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的两个虚拟电池单元如何提供电流以补偿三个退化的电池单元。

图11是根据本公开的至少一个实施例的公开的电池管理系统的示意图，该系统针对每个电池层采用电压控制器并针对虚拟单元采用电压电池管理(VCM)控制器。

图12是示出根据本公开的至少一个实施例的公开的用于图11中的示例性系统的电池管理方法的流程图。

图13是根据本公开的至少一个实施例的图11的公开的电池管理系统采用的示例性电压控制器的示意图。

图14是根据本公开的至少一个实施例的可以被图13中的电压控制器采用的示例性隔离双向全桥变换器的示意图。

图15是根据本公开的至少一个实施例的可以被图13中的电压控制器采用的示例性隔离双向半桥变换器的示意图。

具体实施方式

本文公开的方法和装置提供一种用于电池管理的虚拟单元方法的可操作系统。具体地，该系统针对每个电池层采用电压控制器，而针对虚拟电池单元采用电压电池管理(VCM)控制器。

本发明教导一种基于虚拟单元方法的智能电池管理系统，用于执行：1)电池单元退化和故障状态的实时检测，2)电池单元健康和故障管理，以及3)电池单元寿命管理。该系统集成架构允许所公开的系统并入适合具体电池化学物质的任何充电/放电协议。虚拟单元提供感测和确定电池单元的充电状态和健康状态的手段。虚拟单元还提供根据电池单元的健康状况，通过共享电流负载并通过在电池单元之间分配负载，主动管理电池系统的手段，从而保护健康的电池单元免于过载并保护退化的电池单元不会加快退化过程。本发明的系统增强电池组性能并延长电池组的寿命。如果所公开的系统用于移动或固定功率系统的电池，则能够实现明显的成本节省。

常规电池管理系统使用电压平衡器(也称为“均衡器”)强迫电池单元具有相同的电压。该方法在电池单元同样健康(或同样不健康)时，均衡电池单元电压并减弱退化过程。然而，如果一个或更多个电池单元是有缺陷的，或者比其他的电池单元退化的更严重，则电压平衡器不能保护电池单元(一个或更多个)，因为它利用比正常电流更高的电流，强迫健康的电池单元过载，并且同时利用明显高于其能够运送的电流负荷的电流负荷，恶化退化的电池单元。然后电池单元退化的过程在这些情况下加快。为了缓解电压平衡器的问题，常规方法利用非常严格的设计约束并使用过大型的电池，这带来了成本、重量和体积上的问题。这些现有的方案中的电压平衡器能够分为两组。第一组是无源平衡器，其采用无源组件，例如平衡网络中的电阻器、电容器和电感器。如果无源平衡器是电阻平衡器，它的劣势包括，但不限于，缺乏准确性、响应缓慢以及效率低。第二组是有源平衡器，其采用有源组件，例如平衡网络中的各种电力电子变换器。现有的有源平衡器的主要问题在于，通常情况下，平衡器中使用限流电阻器，其造成功率消耗并限制动态响应。在这两种情况下，平衡器不具备根据电池单元健康的健康状态共享和分配电流的机制。

在电池单元同等健康或同等退化的情况下(这是一种很罕见的情况，并且在实际中可能根本不存在)，不管现有的方案是无源还是有源的，它们都运行良好。当电池单元不是同等健康时，现有的方案利用比健康的电池单元被设计以容纳的电流更高的电流，使得健康的电池单元过载，并且通过使用比不健康的电池单元能够携带的电流更高的电流，使不健康的电池单元恶化。因此，现有的方案加快电池组的退化过程。

本发明的系统能够根据电池单元的健康状况动态地共享电流和分配电流。通过这样做，健康的电池单元的电流不会超过它的规定值，而不健康的电池单元的电流被控制在它的容量之内。因此，健康的和不健康的电池单元两者都受到了保护。整个电池组的退化过程得到抑制，而电池组寿命得到延长。由于本公开的系统能够保护健康的和不健康的电池单元，因此电池组在功率水平和寿命周期方面的性能能够被完全利用和加强。因为所述系统能够明显地减轻电池单元的过大尺寸裕量，并改善常规设计的安全裕量，这直接地转化为成本节省。

在下列描述中，为了提供对本系统的更详尽描述，陈述了很多细节。然而，对于本领域的技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细的情况下实践所公开的系统。在其他情况下，为了避免不必要地混淆系统，对已知的特征不进行详细描述。

电池单元能够经历各种不同的退化和故障模式。具体地，有两种主要的电池单元退化模式。第一种电池单元退化模式是内电阻增加，而第二种电池单元退化模式是容量衰减。图1和图2示出这两种模式。

图1是示出根据本公开的至少一个实施例的正常的电池单元110和退化的电池单元120之间的内电阻130、140的差别的示意图100。在这个图中，正常的电池单元110被示出具有R欧姆的内电阻130，而退化的电池单元120被示出具有R’欧姆的内电阻140。R’大于R，并且因此，退化的电池单元120具有比正常电池单元110更大的内电阻。这种内电阻的增加导致电解质、电极、触点等的欧姆过电位(ohmic over-potential)增加。

图2是示出根据本公开的至少一个实施例的正常的电池单元和退化的电池单元之间的放电容量的差别的曲线图200。在这个图中，曲线图200描绘了正常的电池单元和退化的电池单元在安培小时(Ah)的放电容量上的电压。曲线图200示出退化的电池单元具有比正常的电池单元更低的放电容量。退化的电池单元的这种产生的容量衰减是由活性物质损耗引起的。

应当注意，存在两种主要的电池单元故障模式。第一种电池单元故障模式是，在电池单元故障时，它相当于内部开路。这种模式是更常见的情况，且对于电池组而言是内在安全的。第二种电池单元故障模式是，在电池单元故障时，它相当于内部短路。这种模式能够引起电池组的灾难性损坏。

图3是采用电压平衡器330、350的常规电池管理系统300的示意图。在这个图中，系统300含有两个主要部分：电池阵列360和平衡系统305。电池阵列(也称为电池组)360被示出包含串联连接在一起的多个电池层310a-k(例如，k个电池层)。在每个电池层310a-k内，存在多个电池单元320、340(例如，电池层310a包含电池单元320a-n，而电池层310k包含电池单元340a-n)。电池单元320、340在它们各自的电池层310a、310k内并联连接在一起。平衡系统305被示出包含电压平衡器330、350，每个平衡器都连接到它们各自的电池层310a、310k(例如，电压平衡器330连接到电池层310a，而电压平衡器350连接到电池层310k)。

图4是采用图3中的电压平衡器330、350的常规电池管理系统的示意图，其中在电池组360的放电期间存在退化的电池单元320a。在这个图中，由于电池组360被示出产生正电流(3I)，因此电池组360正在放电。系统300被示出包含两个电池层310、315，其中每个电池层310、315包含三个电池单元320、340。

在这个图中还示出，电池单元340a是退化的电池单元，而剩余的电池单元320a-c，340b-c是正常的电池单元。如果所有电池单元在它们的电池层内都是健康的，那么正常的电池单元具有I安培(安)的电流。由于电池单元340a是退化的，它现在具有I-△I安的电流。与含有退化的电池单元340a的电池层315关联的电压平衡器350使得该电池层315中的其他电池单元340a、340c的电流增加，以补偿退化的电池单元340a中的电流损耗。因此，电压平衡器350使得电池单元340b、340c的每个都具有I+△I/2安的电流。

图5是采用图3中的电压平衡器330、350的常规电池管理系统300的示意图，其中在电池组360的充电期间存在退化的电池单元340a。在这个图中，由于电池组360被示出正在接收正电流(3I)，因此电池组360正在充电。电压平衡器350被示出类似于图4描绘的情况操作，其中，电池组360正在放电。

应当注意，对于图4和5中示出的这个2×3电池阵列示例，假定常规电压平衡器被用于电压平衡器330、350。电池单元340a是退化的，并且因此具有R+△R的电阻，其中△R是电阻增加值，而R是所有正常的电池单元320a-c、340b-c中的每个电池单元都具有的电阻。因为电压平衡器330、350不能共享电流，这引起电压暂时不平衡。因此，在电池组360放电时，电池层310的电压大于电池层315的电压(V2>V1)；而在电池组360充电时，电池层310的电压小于电池层315的电压(V2<V1)。正如能从这些图中看到的，较低电池层315中的每个正常的单元340b，c过载了△I/2安，其中I安是在电池层中的所有电池单元都正常时的电池单元电流。对于n个电池单元并联连接在一起的电池层，它能够被示出为：

等式(1)

因此，与退化的电池单元并联连接的每个电池单元将过载：

等式(2)

这种电流过载将引起电池单元加速退化。

图6是根据本公开的至少一个实施例的公开的电池管理系统600的示意图，实际上该系统针对每个电池层610、615都采用虚拟电池单元630、650。这个图示出了在电池单元短路故障模式的状况下，虚拟单元650如何保护正常的电池单元620a-c、640b-c免于灾难性故障。

在这个图中，系统600被示出包含两个电池层610、615，其中每个电池层610、615都包含三个电池单元620、640(即电池层610包含电池单元620a-c，而电池层615包含电池单元640a-c)。电池单元620、640被示出在它们各自的电池层610、615内并联连接在一起。电池单元620、640中的每个都被连接到各自的保护电路(例如，保险丝)680、670。电池层610、615被示出串联连接在一起。两个虚拟单元630、650的每个都被连接到它们各自的电池层610、615。应当注意，对于所公开的系统的其他实施例，可以采用比两个更多或更少的电池层610、615；对于每个电池层610、615，可以采用比三个更多或更少的电池单元620、640；电池层610、615可以具有彼此不同数量的电池单元620、640；可以采用比两个更多或更少的虚拟单元630、650；可以采用或不采用保护电路680、670；和/或可以不是所有的电池单元620、640都连接到保护电路680、670。

典型的电池单元故障模式是开路。如果短路故障发生，保护电路(例如，保险丝)激活以断开电池单元，从而使其开路。在两种情况下，耗尽的电池单元不能提供任何电流。在这个图中，电池单元640a正经历内部短路故障，这能够引起电池组660的灾难性损坏。连接到电池单元640a的保护电路670a被激活，以断开电池单元640a，从而使其开路。在这种情况下，虚拟单元650发挥作用，以提供完整电池单元电流I。图6示出所有的电池单元电流和电压是平衡的(即V2＝V1)，并且因此电池单元620a-c、640b-c受到保护而免于灾难性故障并避免加快退化。

图7是图6的公开的电池管理系统600的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的虚拟电池单元650如何提供电流以保护健康的电池单元620a-c、640b-c和退化的电池单元640a。这个图示出了在退化的电池单元(内电阻增加)640a的情况下，虚拟单元650如何提供电流并保护正常的电池单元620a-c、640b-c免于加快退化。

如果退化的电池单元640a存在，虚拟单元650补充由于退化的电池单元640a引起的电流赤字(current deficit)，并保护健康的电池单元620a-c、640b-c免于加快退化。在这个图中，电池单元640a是退化的电池单元，并且现在具有I-△I’安的电流。虚拟单元650补偿由于退化的电池单元640a引起的电流赤字(△I’)。正如在这个图中示出的，所有正常的电池单元620a-c、640b-c的电流和电压都是平衡的。如果n个电池单元并联连接在一起，则虚拟单元提供的电流能够被示出为：

等式(3)

将等式(3)与适用于常规平衡器的情况的等式(1)比较，由于

等式(4)

我们得到：

ΔI'>ΔI 等式(5)

等式(5)解释了虚拟单元使得退化的单元具有更少的电流负荷，并且因此，退化过程得到抑制。

总体上，虚拟单元650能够即时地平衡电压。这导致所有的正常单元620a-c、640b-c之间的电流平衡，以及退化的单元640a的电流降低，因此保护正常的电池单元620a-c、640b-c免于过载，并保护退化的电池640a免于加快退化。

图8是图6的公开的电池管理系统600的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的虚拟电池单元650如何提供电流以保护健康的电池单元620a-c、640b-c和由于容量衰减而退化的电池单元640a。这个图示出了在退化的电池单元(由于容量衰减)640a的情况下，虚拟单元650如何提供电流以补偿赤字，从而保护正常的单元620a-c，640b-c免于过载，并保护退化的单元640a免于加快退化。

当电池单元640a的容量退化时，相比于正常的电池单元620a-c、640b-c，在相同的外部条件下，它提供电流的能力降低了。因为虚拟单元650能够即时地平衡电压，由于退化的电池单元640a引起的电流赤字被虚拟单元650补偿，并且所有正常的电池单元620a-c、640b-c的电流是平衡的，从而保护正常的电池单元620a-c、640b-c免于过载。在这个图中，电池单元640a是由于容量衰减而退化的电池单元，因此，现在具有I-△I’安的电流。虚拟单元650补偿退化的电池单元640a引起的电流赤字(△I’)。类似于由于内电阻增加而退化的单元的情况，在这种情况中的电流减少量大于常规电压平衡器的情况中的电流减少量。因此，退化的电池340a的退化过程得到抑制。

注意用于补偿容量退化的电池单元的电流赤字的虚拟单元方法独立于容量衰减电流减小的量。电池单元提供电流的能力随着容量衰减而降低。应当注意，在电池组660的平衡的电压的条件下，不管电流赤字是什么情况，虚拟单元简单地提供电流以补偿电流赤字。

图9是图6的公开的电池管理系统600的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的两个虚拟电池单元630、650如何提供电流以补偿两个退化的电池单元620c、640a。以及，图10是图6的公开的电池管理系统600的示意图，其示出根据本公开的至少一个实施例的两个虚拟电池单元630、650如何提供电流以补偿三个退化的电池单元620c、640a、640b。

在多于一个退化的电池单元的情况下(如图9中所示的)以及在退化的电池单元位于电池组660的不同的电池层中的情况下(如图10中所示的)，虚拟单元系统600能够针对每个电池层610、615以及每个正常的电池单元(图9的620a-b、640b-c和图10的620a-b、640c)同时并即时地执行电压和电流平衡。由电阻增加或容量衰减的任一个或两者造成的退化的电池单元(图9的620c、640a和图10的620c、640a-b)引起的电流赤字通过虚拟单元630、650自动补偿。因此，所有正常的电池单元(图9的620a-b、640b-c和图10的620a-b、640c)受到保护免于过载，并且所有退化的电池单元(图9的620c、640a和图10的620c、640a-b)受到保护免于加快退化。

图11是根据本公开的至少一个实施例的公开的电池管理系统1100的示意图，该系统针对每个电池层1110a-k采用电压控制器1130a-k并针对虚拟单元1105采用电压单元管理(VCM)控制器1190。在这个实施方式中，虚拟单元系统1100具有k个电压控制器1130a-k，对应于电池阵列(或者电池组)1160的k个串联连接的电池层1110a-k。每个电压控制器1130a-k都连接到它关联的电池层1110a-k。每个电池层1110a-k包含n个电池单元1120a-n、1140a-n。电池单元1120a-n、1140a-n在它们各自的电池层1110a-k内并联连接在一起。每个电池单元1120a-n、1140a-n都连接到它的各自的保护电路(例如，保险丝)1180a-n、1170a-n。虚拟单元管理(VCM)控制器1190连接到电压控制器1130a-k、电池层1110a-k和电池组1160。

应当注意，在其他实施例中，系统1100可以采用少于k个的虚拟控制器1130a-k，如在图11中示出的。具体地，k个虚拟控制器1130a-k的功能可以由单个虚拟控制器单元1130a-k(即，对于这种情况，系统1100将仅仅具有一个虚拟控制器1130a-k)执行或由少于k个的虚拟控制器1130a-k执行。此外，应当注意，在一些实施例中，VCM控制器1190可以被集成在至少一个控制器1130a-k内。对于这些实施例，VCM控制器1190和至少一个虚拟控制器1130a-k将在单个单元内被集成在一起，该单元被实施到系统1100内。

每个电压控制器1130a-k的输出端子连接到它的对应电池层1110a-k的正极和负极端子，而每个电压控制器1130a-k的输入端子通常连接到电池组1160的正极和负极端子。以这种方式，对于图11中描绘的实施例，所有电压控制器1130a-k的输入电压都等于电池输出电压，而所有电压控制器1130a-k的输出电压都被控制为等于(电池组输出电压)/k。

应当注意，对于各种不同的实施例，所公开的系统1100可以采用各种其他设备(例如，另一个电池、直流电(DC)功率源等)，这些设备连接到电压控制器1130a-k的输入侧。对于这些实施例，所有电压控制器1130a-k的输入电压都等于电池输出电压并且所有电压控制器1130a-k的输出电压都受控等于(电池组输出电压)/k的声明将不准确。

电压控制器1130a-k受到控制，以便它们能够供应或吸收电流。由于输入电压经常为正的，这意味着电压控制器1130a-k能够从电池组1160汲取功率或将功率发送回电池组1160。应当注意，在其他实施例中，其他各种设备可以用于连接到电压控制器1130a-k的输入侧。可以被用于供应电压到电池组160的其他各种设备的示例包括，但不限于，另一电池和直流电(DC)源。

VCM控制器1190从每个对应的电池层1110a-k接收电压和电流信号(Vn，In，n＝1，2，…k)，并从电池组1160接收电压和电流(V0，I0)。VCM控制器1190发送控制信号(Vref)到电压控制器1130a-k。每个电池层1110a-k的状态由VCM控制器1190收集，并被发送1195到系统控制器(未示出)以用于电池健康和寿命管理。

图12是示出根据本公开的至少一个实施例的公开的用于图11的示例性系统的电池管理方法的流程图1200。方法1200在1205处开始，该步骤首先被初始化为零(0)。接着，VCM控制器1190测量电池组1160和每个电池层1110a-k的电流(Ii，其中i＝0,1,2,…k)以及电池组1160的电压和每个电池层1110a-k的电压(Vi，其中i＝0,1,2,…k)。VCM控制器1190接着通过分析电池组1160电流(I0)1220确定电池组1160是否正放电、充电或空闲。如果电池组1160电流(I0)大于零(0)，VCM控制器1190确定电池组1160正在放电(即，电流流出电池组1160)；如果电流(I0)小于零(0)，VCM控制器1190确定电池组1160正在充电(即，电流流入电池组1160)；以及如果电流(I0)等于零(0)，VCM控制器1190确定电池组1160是空闲的(即，没有电流流入或流出电池组1160)。

如果VCM控制器1190确定电池组1160正在放电，VCM控制器1190将确定Vmax、Vmin、△V和Imin 1225。Vmax等于所有电池层1110a-k的最大电压，Vmin等于所有电池层1110a-k的最小电压，△V等于Vmax-Vmin，以及Imin等于所有电池层1110a-k的最小电流。接着，VCM控制器1190确定△V是否小于△Vcrd 1230，其中△Vcrd等于放电期间两个电池层1110a-k之间的最大可允许电压差值，该差值为预定义的正值。

如果VCM控制器1190确定△V小于△Vcrd，VCM控制器1190将确定步骤是否大于零(0)1235。如果VCM控制器1190确定步骤不大于零(0)，那么VCM控制器将设置Vref等于Vmax1240。而且，如果VCM控制器1190确定△V不小于△Vcrd，那么VCM控制器将设置Vref等于Vmax 1240。

然而，如果VCM控制器1190确定步骤大于零(0)：如果Imin大于零，则VCM控制器1190将设置Vref等于Vref-△Vd(其中△Vd等于预定义的正值以在放电期间调整电压)；如果Imin小于零，则VCM控制器1190将设置Vref等于Vref+△Vd；以及如果Imin等于零，VCM控制器1190将设置Vref等于Vref 1245。接着，VCM控制器1190将设置所有电压控制器1130a-k(编号1到k)的Vref 1250。

如果VCM控制器1190确定电池组1160正在充电，则VCM控制器1190将确定Vmax、Vmin、△V和Imax 1260。Vmax等于所有电池层1110a-k的最大电压，Vmin等于所有电池层1110a-k的最小电压，△V等于Vmax-Vmin，以及Imax等于所有电池层1110a-k的最大电流。接着，VCM控制器1190确定△V是否小于△Vcrc 1265，其中△Vcrc等于充电期间两个电池层1110a-k之间的最大可允许电压差值，该差值为预定义的正值。

如果VCM控制器1190确定△V小于△Vcrc，则VCM控制器1190将确定步骤是否大于零(0)1270。如果VCM控制器1190确定步骤不大于零(0)，那么VCM控制器将设置Vref等于Vmin 1275。并且，如果VCM控制器1190确定△V不小于△Vcrc，那么VCM控制器将设置Vref等于Vmin 1275。

然而，如果VCM控制器1190确定步骤大于零(0)：如果Imax大于零，则VCM控制器1190将设置Vref等于Vref-△Vc(其中△Vc等于预定义的正值，以在充电期间调整电压)；如果Imax小于零，则VCM控制器1190将设置Vref等于Vref+△Vc；以及如果Imax等于零，则VCM控制器1190将设置Vref等于Vref 1280。接着，VCM控制器1190将设置所有电压控制器1130a-k(编号1到k)的Vref 1285。

在设置了所有电压控制器1130a-k的Vref后，可选地，电压和/或电流数据(例如，参考电压(Vref)、电池组的电压(V0)、电池组的电流(I0)、至少一个电池层的电压(V1-Vk))和/或至少一个电池层的电流(I1-Ik))被发送并被系统控制器记录1290。接着，步骤数增加一(1)1295。在步骤数增加一之后，方法1200从步骤1215开始重复。

图13是根据本公开的至少一个实施例的图11的公开的电池管理系统1100所采用的示例性电压控制器1130的示意图。在这个图中，Vref和电池层的电压(Vi，其中i＝1,2，…k)被示出输入到电压控制器1130。Vref和电池层的电压接着被求和1310(注意到，在实际中，求和器1310执行减法操作)。产生的信号接着输入到比例积分微分(PID)控制器1320。PID控制器1320输出的信号接着被输入到脉冲宽度调制(PWM)控制器1330。接着，PWM控制器1330输出的信号被输入到门驱动1340。门驱动1340接着发送电压到功率级1350的晶体管。功率级1350接着提供电压(V0)到电池组1160并提供电压(Vi，i＝1,2，…k)到每个电池层1110a-k。

应当注意，对于k个电压控制器1130中的每个电压控制器，仅需要两个电压作为输入(即，一个是参考电压(Vref)，而另一个是对应于与电压控制器1130关联的电池层的电压(Vi))。因此，每个电压控制器1130不会将Vref和所有的电池层电压(即，Vi，其中i＝1,2，…k)求和1310。相反，电压控制器1130仅仅将Vref和对应于电压控制器1130的电池层的电压(Vi)求和1310。例如，对于电池层2，Vref和V2用作电压控制器的输入，并在随后由电压控制器1130求和1310。

图14是根据本公开的至少一个实施例可以被图13中的电压控制器1130采用的示例性隔离双向全桥变换器1400的示意图。并且，图15是根据本公开的至少一个实施例的可以被图13中的电压控制器1130采用的示例性隔离双向半桥变换器1500的示意图。具体地，图14和15中描绘的变换器1400、1500可以用于图13中的电压控制器1130的功率级1350。应当注意，在其他实施例中，所公开的系统可以使用图14和15中示出的变换器以外的其他变换器以用于电压控制器1130的功率级1350。

尽管特定的说明性实施例和方法已经被本文公开，但根据前面公开的内容，对于本领域技术人员能够明显的是，在不脱离本发明的实质精神和范围的情况下，这种实施例和方法的变形和修改能够被做出。存在所公开的本发明的很多其他示例，每个仅仅在细节问题上不同于彼此。相应地，所公开的本发明应当仅仅受限于所附权利要求书所要求保护的范围和适用法律的规则和原理。

Claims (20)

1.一种用于基于电池单元的容量对所述电池单元进行电流平衡的电池管理方法，所述方法包含：

由虚拟单元管理控制器接收至少一个电池层的电压和电流，其中所述至少一个电池层包含所述电池单元的至少一个；

由所述虚拟单元管理控制器接收电池组的电压和电流，其中所述电池组包含所有的所述电池单元；

由所述虚拟单元管理控制器通过分析所述电池组的电流，确定所述电池组是否正充电、正放电或空闲；

在所述虚拟单元管理控制器确定所述电池组处于正充电和正放电中的一个时，由所述虚拟单元管理控制器确定参考电压；

由至少一个电压控制器提供电池组电压到所述电池组；以及

由所述至少一个电压控制器提供相应的电池层电压到与所述至少一个电压控制器关联的所述至少一个电池层；其中所述相应的电池层电压取决于所述参考电压和所述至少一个电池层的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中当所述至少一个电池层内存在多于一个的所述至少一个电池单元时，所述电池单元在所述至少一个电池层内并联连接在一起。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当存在多于一个的所述至少一个电池层时，所述电池层串联连接在一起。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包含由系统控制器记录所述参考电压、所述电池组的电压、所述电池组的电流、所述至少一个电池层的电压和所述至少一个电池层的电流中的至少一个。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一个电压控制器包含比例积分微分控制器即PID控制器、脉冲宽度调制控制器即PWM控制器、门驱动和功率级中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述虚拟单元管理控制器通过使用所述至少一个电池层的最大电压和所述至少一个电池层的最小电压确定所述参考电压。

7.根据权利要求6所述的方法，其中当所述电池组正放电时，所述虚拟单元管理控制器通过进一步使用所述至少一个电池层的最小电流确定所述参考电压。

8.根据权利要求6所述的方法，其中当所述电池组正充电时，所述虚拟单元管理控制器通过进一步使用所述至少一个电池层的最大电流确定所述参考电压。

9.一种用于基于电池单元的容量对所述电池单元进行电流平衡的电池管理系统，所述系统包含：

至少一个电池层，其中所述至少一个电池层包含至少一个所述电池单元；

电池组，其中所述电池组包含所有的所述电池单元；

虚拟单元管理控制器，其接收所述至少一个电池层的电压和电流；接收所述电池组的电压和电流；通过分析所述电池组的电流，确定所述电池组是否处于正充电、正放电和空闲中的一个；以及在所述虚拟单元管理控制器确定所述电池组处于正充电和正放电中的一个时，确定参考电压；和

至少一个电压控制器，其提供电池组电压到所述电池组；以及提供相应的电池层电压到与所述至少一个电压控制器关联的所述至少一个电池层，其中所述相应的电池层电压取决于所述参考电压和所述至少一个电池层的电压。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述虚拟单元管理控制器被集成在所述至少一个电压控制器内。

11.根据权利要求9所述的系统，其中当所述至少一个电池层内存在多于一个的所述至少一个电池单元时，所述电池单元在所述至少一个电池层内并联连接在一起。

12.根据权利要求9所述的系统，其中当存在多于一个的所述至少一个电池层时，所述电池层串联连接在一起。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统进一步包含系统控制器，其记录所述参考电压、所述电池组的电压、所述电池组的电流、所述至少一个电池层的电压和所述至少一个电池层的电流中的至少一个。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个电压控制器包含比例积分微分控制器即PID控制器、脉冲宽度调制控制器即PWM控制器、门驱动和功率级中的至少一个。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述功率级是直流电/直流电变换器，即DC/DC变换器。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述DC/DC变换器是隔离双向全桥变换器和隔离双向半桥变换器中的一个。

17.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个电池单元中的至少一个被连接到保险丝。

18.根据权利要求9所述的系统，其中所述虚拟单元管理控制器通过使用所述至少一个电池层的最大电压和所述至少一个电池层的最小电压确定所述参考电压。

19.根据权利要求18所述的系统，其中当所述电池组正在放电时，所述虚拟单元管理控制器通过进一步使用所述至少一个电池层的最小电流确定所述参考电压。

20.根据权利要求18所述的系统，其中当所述电池组正在充电时，所述虚拟单元管理控制器通过进一步使用所述至少一个电池层的最大电流确定所述参考电压。