CN105324907B - 用于控制能量存储系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制能量存储系统(100)的方法，所述能量存储系统(100)包括相互并联电耦合的至少两个电池模块(104、106)，其中所述方法包括下列步骤：接收(S1)指示相应电池模块中的每一个的最大功率容量的信号；相应于从所述电池模块接收的最低的最大功率容量而对所述能量存储系统的所述至少两个电池模块分配(S2)功率阈值限制；以及向所述至少两个电池模块提供(S3)充电电流，所述充电电流具有与所述功率阈值限制成比例的电流水平。

Description

用于控制能量存储系统的方法

技术领域

本发明涉及能量存储系统领域，并且具体涉及一种用于控制具有并联耦合的电池模块的能量存储系统，以便最优化电池模块的功率利用率的方法。本发明也涉及一种适合控制能量存储系统的相应控制单元。

背景技术

在电池系统领域中，在各种应用和技术领域中经常使用能量存储系统。例如，在汽车工业中，能量存储系统可能用于推进车辆以及向车辆的各种系统提供电能。

为了提高能量存储系统的功率容量，可以提供一种能量存储系统的两个或者更多电池模块/电池组在其中被并联地相互耦合的解决方案。因此，个别电池模块能够易于相互连接或者相互分离。同样地，与仅使用单个电池模块/电池组相比，提供了更高的总容量。

然而，采用具有并联耦合的电池模块的能量存储系统的问题在于，多个电池模块需要处于近似相同的物理状态，从而最优化能量利用。然而，通常情况是多个电池模块/电池组不处于相同的物理状态，并且作为示例，如果并联耦合的电池模块老化程度不同，即最近已经以新的并且未使用的电池模块替换了一个电池模块，这将很有可能在不同老化程度的电池模块之间存在功率容量的差，这继而导致最旧的电池模块充电容量和放电容量下降。另一方面，如果其中一个电池模块具有比相同能量存储系统中的其它电池模块更高的温度，具有较高温度的电池模块的阻抗将很有可能低于具有较低温度的电池模块。因此，存在较暖电池模块将接收高于其容量的充电电流的风险。

因此，存在对控制具有并联耦合的多个电池模块的能量存储系统的充电和放电容量的需求。

US 2012/0119746提出了一种解决方案，其中每个蓄电池，即电池，都连接至相应的单元电池控制器。相应的单元电池控制器继而连接至用于测量和存储每个单元电池的参数，诸如温度、电流和电压的处理和控制模块。因此，为了提高多个蓄电池的整体性能而对多个蓄电池进行控制。

虽然US 2012/0119746提出了一种对上述问题的解决方案，但是US 2012/0119746中的能量存储系统在成本效率方面仍需要进一步改进。

发明内容

本发明的目标在于提供一种用于控制能量存储系统的方法，其关于现有技术解决方案具有改进。

根据本发明的第一方面，提供一种用于控制能量存储系统的方法，该能量存储系统包括相互并联电耦合的至少两个电池模块，其中该方法包括下列步骤：接收指示相应电池模块中的每一个的最大功率容量的信号；相应于从电池模块接收的最低的最大功率容量而对能量存储系统的至少两个电池模块分配功率阈值限制；以及向该至少两个电池模块提供充电电流，该充电电流具有与功率阈值限制成比例的电流水平。

在下文中并且贯穿全部说明，都应将措词“功率阈值限制”解释为不超过具有最低的最大功率容量的电池模块的功率限制的功率限制。同样地，也能够通过功率、电流或者电压测量功率容量。因而，不应将本发明理解为限于仅测量功率、电流或者电压其中之一。本领域技术人员应明白，这些变量相互相关，并且在测量其中一个其它变量时接收一个变量的值仅为一种简单的计算方式。

此外，在下文中并且贯穿全部说明，都应将措词“电池模块”解释为也包括电池组，电池组它们本身可能包括一个或者多个电池。又进一步，应将措词“电池模块”理解为也包括下列模块，其可能包括多个电池组。因而，措词“电池模块”可能为单个电池、包括超过一个电池的电池组，以及包括超过一个电池组的模块。

本发明的优点在于，所施加的充电电流直接取决于具有最低功率容量的电池模块的最大功率容量，并且与具有最低功率容量的电池模块的最大功率容量成比例。因此，具有最低功率容量的电池模块设定了对充电电流的限制，这降低了提供可能损伤电池模块的充电电流的风险。同样地，通过提供上述充电电流，不需要个别地控制全部至少两个电池模块，即仅控制具有最低功率容量的电池模块，而能量存储系统的其余电池模块对它们的充电电流的接收取决于具有最低功率容量的电池模块。因此，与上述现有技术解决方案相比，因为不需要控制每个电池模块，所以提供了一种有成本效率的方法。

根据示例实施例，该方法之后还接续有下列步骤：测量具有最低的最大功率容量的电池模块的电池充电电平；以及调节充电电流，以减小具有最低的最大功率容量的电池模块的电池的充电电平和功率阈值限制之间的差。

因此，可能采用具有最低功率容量的电池模块为其最佳限制。作为示例，如果以新电池模块替换能量存储系统中的一个电池模块，与新电池模块相比，旧电池的功率容量可能较小。同样地，旧电池的阻抗可能很有可能地大于新电池模块。因此，当向并联耦合的电池模块提供其电平与旧电池模块的功率容量成比例的充电电流时，旧电池可能不接收高达其最大功率容量的功率。为了最优化地利用旧电池模块，调节，即增大充电电流，以便减小旧电池模块的充电电流和功率阈值限制之间的差。当然，能量存储系统的其余电池模块，即具有比旧电池模块更大的最大功率容量的电池模块也将接收更大充电电流。因而，能量存储系统的整体性能将提升。

根据另一示例，如果与其余电池模块相比，能量存储系统的一个电池模块具有更高温度水平，即其比其余电池模块更暖；与其余电池模块相比，更暖电池模块的阻抗将很有可能更低。因此，当施加充电电流时，存在较暖电池模块将接收相应于高于其最大功率容量的功率水平的充电电流，即较暖电池模块可能接收超过其能够处理的充电电流。例如，这可能导致电池模块更快地老化。通过调节充电电流，在该示例中是将充电电流调节为低于原始提供的充电电流，则将向较暖电池模块提供更长的工作寿命，并且防止温度进一步升得更高。同样地，可能增加整体能量存储系统的工作寿命。

根据示例实施例，调节充电电流的步骤可能包括下列步骤：反复地从具有最低的最大功率容量的电池模块接收电池充电水平信息以及调节充电电流，直到具有最低的最大功率容量的电池模块的电池充电水平与功率阈值限制之间的差处于预定限制值内。

通过反复地接收电池模块的电池充电水平信息以及基于所接收的电池充电水平调节所施加的充电电流，使得该方法能够小步骤地，即“渐渐”地增大/减小充电电流。因此，能够进一步精确地得到具有最低的最大功率容量的电池模块的电池充电水平与功率阈值限制之间的差。

应易于理解，能够取决于具有最低的最大功率容量的电池模块的电池充电水平与功率阈值限制之间的所述的差的期望精确度，不同地设定预定阈值。当然，不同应用需要不同的精确度，因此将不再进一步讨论。

根据示例实施例，该方法可能被进一步配置成接收能量存储系统的至少两个电池模块中的每一个的电池参数状态，诸如温度、电压、电流、充电状态和健康状态。

因此，还可能预测应调节，即增大/减小多少充电电流，以便降低具有最低的最大功率容量的电池模块的电池充电水平与功率阈值限制之间的差。

根据示例实施例，存储单元可能连接至能量存储系统，该方法还可能包括向存储单元提供涉及电池参数状态以及经调节的充电电流的信息的步骤。根据示例实施例，该存储单元可能为PID调节器。

因此，存储单元存储经调节的充电电流以及电池模块的各种参数。优点在于，当电池模块之间相同的或者近似相同的情形再次发生时，可能更易于将充电电流调节至期望水平，因为存储单元了解先前调节了多少充电电流。这种情形可能是例如当以新电池模块更换电池模块时。然后，存储单元可能记住当更换电池模块时，先前为期望水平进行调节时施加了多大的充电电流。此外，PID调节器为众所周知的，并且因此可能适合使用。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制能量存储系统的控制单元，其中能量存储系统连接至发电机，并且包括相互并联电耦合的至少两个电池模块，该至少两个电池模块中的每一个被连接至被配置成测量相应的电池模块的电池的充电水平的测量单元，其中控制单元适合于：从至少两个电池模块中的每一个接收信号，该信号指示相应电池模块中的每一个的最大功率容量；相应于从电池模块接收的最低的最大功率容量而对能量存储系统的至少两个电池模块分配功率阈值限制；以及控制发电机，以向至少两个电池模块提供充电电流，该充电电流具有与功率阈值限制成比例的电流水平。

第二方面的效果和特征很大程度上类似于上文关于本发明的第一方面所述的那些效果和特征。

根据示例实施例，控制单元可能被进一步配置成：接收具有最低的最大功率容量的电池模块的测量得到的电池充电水平；以及调节充电电流，以减小具有最低的最大功率容量的电池模块的电池充电水平和功率阈值限制之间的差。

根据示例实施例，控制单元可能被进一步配置成监控能量存储系统的至少两个电池模块中的每一个的电池参数状态，诸如温度、电压、电流、充电状态和健康状态。

根据示例实施例，控制单元可能被进一步配置成取决于被监控的电池参数状态而调节充电电流。

根据示例实施例，控制单元可能进一步连接至存储单元，其中存储单元连接至能量存储系统，并且被配置成接收并存储来自于至少两个电池模块中的每一个的涉及电池参数状态的信息；并且接收并存储来自于控制单元的涉及调节被提供给至少两个电池模块的充电电流的信息。

当研究附加权利要求和下文说明时，将明白本发明的进一步特征和优点。本领域技术人员应明白，不偏离本发明的范围，可能组合本发明的不同特征，以产生与下文所述的那些实施例不同的实施例。

附图说明

通过下文中本发明的例证性实施例的示例性且非限制性详细说明，将更好地理解本发明的上述以及另外的目标、特征和优点，其中：

图1是根据本发明的能量存储系统的示例实施例；

图2示出根据本发明的方法的示例实施例的流程图；并且

图3示出根据本发明的方法的进一步示例实施例的流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参考其中示出本发明的例证性实施例的附图更详细地描述本发明。然而，本发明可能具体化为许多不同形式，并且不应将其理解为限于本文提出的实施例；相反，提供这些实施例是为了完全和完整。贯穿本说明，相同标识符都涉及相同元件。

参考图1，图1示出根据本发明的能量存储系统100的示例实施例。图1中所示的能量存储系统100包括第一102、第二104和第三106电池模块。电池模块102、104、106相互并联耦合，并且进一步连接至被配置成产生电流以对并联耦合的电池模块102、104、106充电的发电机108。在下文中并且贯穿全部说明，都应将措词“电池模块”解释为包括电池组，电池组它们自身之中可能包括一个或者多个电池。又进一步，应将措词“电池模块”理解为也包括下列模块，其包括多个电池组。因而，措词“电池模块”可能为单个电池、包括超过一个电池的电池组，以及包括超过一个电池组的模块。

此外，能量存储系统100连接至测量单元110、控制单元112和存储单元114。虽然图1示出每个电池模块102、104、106耦合至相同的测量单元110、控制单元112和存储单元114，但是本发明同样地适用于具有为每个相应的电池模块102、104、106提供的一个测量单元、一个控制单元和一个存储单元。在这种情况下，相应的测量单元110、控制单元112和存储单元114可能被集成在电池模块102、104、106的每一个中。然而，为了便于理解，下面将通过用于全部电池模块102、104、106的单个外部测量单元110、控制单元112和存储单元114描述附图中的示例实施例。

此外，测量单元110被配置成测量每个电池模块102、104、106的电池充电水平以及最大功率容量。应将最大功率容量理解为每个相应的电池模块能够应对的最大功率。因此，使用测量单元110，可能接收关于电池模块的功率容量的信息，以及连续地接收关于相应的电池模块的充电水平的信息。此外，测量单元110被配置成监控每个电池模块102、104、106的电池参数状态，诸如电池温度、电池电压、电池电流、电池充电状态以及电池的健康程度等等。

此外，控制单元112连接至测量单元110、发电机108和存储单元114。控制单元112适合从测量单元110接收关于每个并联耦合的电池模块102、104、106的最大功率容量，以及它们的相应电池充电水平的信号。又进一步，控制单元112也适合控制发电机108，以便发电机108向电池模块102、104、106提供足够的充电电流。更确切地，控制单元112控制发电机108，以向电池模块102、104、106提供特定的充电电流，并且也控制发电机108，以调节例如增大或者减小充电电流。下面将关于图2和3中所示的方法说明进一步对其描述。

最后，如上所述，能量存储系统100连接至存储单元114。更具体地，存储单元114经由控制单元112连接至能量存储系统100。然而，存储单元不限于连接至控制单元，并且因此可以直接连接至例如电池模块，以及连接至车辆的其它控制手段。存储单元114被配置成存储例如测量单元110测量得到的电池参数状态、发电机108提供给电池模块102、104、106的经调节充电电流、等等。因此，对于电池模块102、104、106的给定状态，存储单元存储由发电机108提供的充电电流。因而，存储单元114接收并且存储或多或少的关于电池模块102、104、106的状态的全部可能信息，以及控制单元112对这种电池模块信息给出的命令，在一个示例实施例中存储单元114是PID调节器。

现在参考图2和3，图2和3示出根据本发明的方法的两个示例实施例。首先，图2示出最近已经以新的、未使用的电池模块替换了两个上述电池模块102、104的示例。因此，第三电池模块106比新更换的第一102和第二104电池模块旧。其次，图3示出与第一102和第二104电池模块相比，第三电池模块106暴露于更高的温度的示例。

现在参考图2，图2示出根据本发明的方法的示例实施例的流程图。如上所述，第三电池模块106比新更换的第一102和第二104电池模块旧。

首先，当测量单元110从每个并联耦合的电池模块102、104、106接收到信号S1时，方法开始。该信号指示每个相应的电池模块102、104、106的最大功率容量202、204、206。如图2中所示的示例实施例中所示，第一102和第二104电池模块的最大功率容量202、204近似相等，而第三电池模块106具有最低的最大功率容量206。由于第三电池模块已经运行了更长的时间段，所以自然是电池模块106的最大功率容量206低于其它新更换电池模块102、104的最大功率容量202、204。

现在，为了降低向具有最低的最大功率容量，即第三电池模块106的功率容量206的电池模块106提供过多功率的风险，控制单元112对功率阈值限制208进行分配S2。功率阈值限制208被设置成不超过第三电池模块106的功率容量206。作为示例，如果第一电池模块102的功率容量202为50W，第二电池模块的功率容量204为50W，并且第三电池模块106的功率容量206为20W，就将功率阈值限制设为20W。

之后，控制单元112控制发电机108向能量存储系统100的并联耦合的电池模块102、104、106提供S3充电电流。为了不超过第三电池模块106的最大功率容量206，在示例实施例中，从发电机108提供给电池模块102、104、106的充电电流优选地被设置成与上述分配的功率阈值限制208成比例。根据上述示例，如果功率阈值限制208被设为20W，因为存在三个并联耦合的电池模块，提供给电池模块102、104、106的充电电流就将是相应于60W的功率水平的充电电流。

当已经向并联耦合的电池模块102、104、106提供充电电流时，测量单元110测量S4每个电池模块102、104、106的电池充电水平210、212、214。因此，做出测量以便确定向每个电池模块102、104、106提供了多少功率。在示例实施例中，因为第三电池模块106比第一102和第二104电池模块旧，所以第三电池模块106的阻抗比第一102和第二104电池模块的阻抗高。由于这个更高的阻抗，第三电池模块106可能不接收将向第三电池模块106提供最大功率的充电电流。因而，将向第三电池模块106提供具有低于电池模块106的功率容量206的充电水平214的功率。第一102和第二104电池模块自然将接收具有低于它们相应的最大功率容量202、204的功率水平210、212的功率。

最后，为了提高第三电池模块106的容量利用率，调节S5从发电机108提供给能量存储系统100的并联耦合的电池模块102、104、106的充电电流。在示例实施例中，充电电流随着这种升高充电水平216而升高，使得电池充电水平，即充电水平214加上这个升高了的充电水平216与功率阈值限制208之间的差降低至可接受的功率限制值。当增加来自发电机108的充电电流时，第一102和第二104电池模块也将具有升高了的充电水平216。应注意，由于在示例实施例中，第三电池模块106的阻抗更高，所以与第一102和第二104电池模块相比，第三电池模块106可能接收较小的充电电流，并且因此对于相应的电池模块102、104、106，升高了的充电水平216可能不同。

根据上述示例，如果发电机108向并联耦合的所有电池模块102、104、106提供60W，举例来说，第一102和第二104电池模块可能每个都接收相应于25W的功率水平的充电电流，而第三电池模块106接收相应于10W的功率水平的充电电流。因此，未使用第三电池模块106的全部容量。因此，发电机108提供的充电电流能够对所有电池模块102、104、106都增大，直到第三电池模块接收相应于接近20W的功率水平的充电电流。这可能导致发电机将提供，举例来说，相应于100W的功率水平的充电电流，该电流将向第一102和第二104电池模块的每一个都提供40W的充电水平，并且向第三电池模块提供20W的充电水平。因此，每个电池模块102、104、106以及整个能量存储系统的功率容量都将增大。

应注意，测量S4每个电池模块102、104、106的电池充电水平，以及调节S5从发电机108提供的充电电流，即提高图2的示例实施例中的充电电流的步骤可以反复进行，直到第三电池模块106的充电水平已经达到期望水平。

现在参考图3，如上所述，图3示出本发明的下列示例，其中与第一102和第二104电池模块相比，第三电池模块106暴露于更高温度。因而，第三电池模块106比其余两个电池模块102、104更暖。图3中的示例的前三个步骤S1-S3与上文关于图2所述的那些步骤类似。图2和图3之间的差在于最后两个方法步骤，即S4和S5。因此，下文说明将主要关注于这两个方法步骤S4、S5。

如果电池模块暴露于更高温度，该电池模块的阻抗将很有可能降低。因此，当如上所述提供S3充电电流时，具有更高温度的电池模块，即示例实施例中的第三电池模块将接收相应于高于第三电池模块106的最大功率容量206的功率水平的电池充电水平。因而，当测量S4电池充电水平302、304、306时，第三电池模块的电池充电水平306可能高于第三电池模块106的最大功率容量206。与上述示例中一样，如果发电机108提供相应于60W的功率水平的充电电流，举例来说，第一102和第二104电池模块每个都可能接收相应于15W的功率水平的充电电流，而第三电池模块接收相应于30W的功率水平的充电电流。这种情形可能对第三电池模块产生负面影响，因为其工作寿命将很有可能降低。

为了最优化电池模块的工作寿命，特别是第三电池模块106的工作寿命，调节S5发电机108提供的充电电流。更确切地，在图3中所示的示例实施例中，发电机提供较低的充电水平308。因此，也将向第一102和第二104电池模块提供较低的充电水平308。

根据上述示例，充电电流可能降低至相应于例如40W的水平，使得第一102和第二104电池模块可能每个都接收相应于10W的功率水平的充电电流，而第三电池模块可能接收相应于20W的功率水平的充电电流。

应注意，测量S4每个电池模块102、104、106的电池充电水平，以及调节S5从发电机108提供的充电电流，即降低图3的示例实施例中的充电电流的步骤可以被反复进行，直到第三电池模块106的充电水平已经降低至期望水平。

此外，虽然关于图2和3中所示的示例的说明涉及新更换的电池模块，以及暴露于更高温度的电池模块，但是本发明同样适用于具有例如不同充电状态、健康状态等等的电池模块。

此外，上文关于图2和3中所述的所有步骤可以被优选地在存储单元114中存储。因此，可以在发生存储在存储单元114中的情形的较早阶段，就确定发电机108应提供多少充电电流。

应易于理解，应将上述本发明的特定实施例的公开以及附图视为本发明的非限制性示例，并且保护范围由附加权利要求限定。例如，本发明不限于使用并联耦合的三个电池模块。能量存储系统当然可能包括更多或者更少的电池模块。权利要求中的任何标识符都不应被解释为限制其范围。

Claims (11)

1.一种用于控制能量存储系统(100)的方法，所述能量存储系统(100)包括相互并联电耦合的至少两个电池模块(104、106)，其中所述方法包括下列步骤：

-S1：接收指示相应电池模块(104、106)中的每一个的最大功率容量(204、206)的信号；

-S2：相应于从所述电池模块接收的最低的最大功率容量而对所述能量存储系统的所述至少两个电池模块(104、106)分配功率阈值限制(208)；

-S3：向所述至少两个电池模块(104、106)提供充电电流，所述充电电流具有与所述功率阈值限制(208)成比例的电流水平；

-S4：测量具有最低的最大功率容量的所述电池模块(106)的电池充电水平；以及

-S5：调节所述充电电流，以减小具有所述最低的最大功率容量的所述电池模块的所述电池充电水平和所述功率阈值限制(208)之间的差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节S5所述充电电流的步骤包括下列步骤：反复从具有所述最低的最大功率容量的所述电池模块(106)接收电池充电水平信息以及调节S4所述充电电流，直到具有所述最低的最大功率容量的所述电池模块的所述电池充电水平与所述功率阈值限制(208)之间的差处于预定限制值内。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步被配置成接收所述能量存储系统(100)的所述至少两个电池模块(104、106)中的每一个的电池参数状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其中存储单元(114)被连接至所述能量存储系统(100)，其中所述方法进一步包括下列步骤：

-向所述存储单元(114)提供涉及电池参数状态以及经调节的充电电流的信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述存储单元(114)为PID调节器。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述电池参数状态包括选自如下的至少一个参数：温度、电压、电流、充电状态和健康状态。

7.一种用于控制能量存储系统(100)的控制单元(112)，其中所述能量存储系统(100)连接至发电机(108)并且包括相互并联电耦合的至少两个电池模块(104、106)，所述至少两个电池模块(104、106)中的每一个被连接至被配置成测量相应电池模块(104、106)的电池充电水平的测量单元(110)，其中所述控制单元(112)适合于：

-从所述至少两个电池模块(104、106)中的每一个接收信号，所述信号指示相应电池模块(104、106)中的每一个的最大功率容量；

-相应于从所述电池模块(104、106)接收的最低的最大功率容量而对所述能量存储系统(100)的所述至少两个电池模块(104、106)分配功率阈值限制(208)；

-控制所述发电机(108)，以向所述至少两个电池模块(104、106)提供充电电流，所述充电电流具有与所述功率阈值限制(208)成比例的电流水平；

-接收具有最低的最大功率容量(206)的所述电池模块(106)的测量得到的电池充电水平；以及

-调节所述充电电流，以减小具有所述最低的最大功率容量(206)的所述电池模块(106)的所述电池充电水平和所述功率阈值限制(208)之间的差。

8.根据权利要求7所述的控制单元(112)，进一步被配置成监控所述能量存储系统的所述至少两个电池模块中的每一个的电池参数状态。

9.根据权利要求8所述的控制单元(112)，其中所述电池参数状态包括选自如下的至少一个参数：温度、电压、电流、充电状态和健康状态。

10.根据权利要求8所述的控制单元(112)，其中所述控制单元(112)被配置成取决于所述被监控的电池参数状态而调节所述充电电流。

11.根据权利要求7至10任一项所述的控制单元(112)，进一步被连接至存储单元(114)，其中所述存储单元被连接至所述能量存储系统(100)，并且被配置成：

-接收并存储来自于所述至少两个电池模块(104、106)中的每一个的涉及电池参数状态的信息；以及

-接收并存储来自于所述控制单元的涉及调节被提供给所述至少两个电池模块(104、106)的充电电流的信息。