CN105676132A - 电池的功率和电流估计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定储能设备(102)的储能电池单元(103)的最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)的方法和系统。该方法包含提供预定的上限电压值(V_max)或下限电压值(V_min)，以及提供时间范围(Δt)作为当前时间(t)和将来时间(t+Δt)的时间差。在不同于时间范围的重复时间段(ΔT)，重复测量储能电池单元的当前电压水平值(V)；计算介于当前电压水平值和上限电压值(V_max)或下限电压值(V_min)的电压差(ΔV)；以及确定与电压差和模型相对应的最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)，这样评估的电压值在电压限值内。

Description

电池的功率和电流估计

技术领域

本发明涉及一种确定储能电池单元的充电电流或放电电流的方法和系统。

背景技术

电动车和混合动力车近来在全世界的道路上变得越来越常见。它们有个共同点，即，它们都需要巨大的和强劲的可再充电能量储备，例如，可再充电电池。这种可再充电电池每次再充电后具有有限的运行时间，并且使用者通常有监测估计的电池当前可用能量的方法(例如，使用当前可用能量能够到达的估计范围的形式)。

可用功率，或者“功率状态”(SoP)，是车辆运行期间监测的重要特性。车辆的电池管理系统通常持续监测(“在线”)当前可用功率。此外，该电池管理系统尝试在电池充电或放电期间预测电池的将来行为。要监测的最重要的变量是在不违背电池的某些已知的功率限制时能应用的最大充电电流和最大放电电流。

一种在线监测电池功率状态的常规方法是利用电池的等效电路模型。功率状态经常与等效电路参数(例如，电阻和电容)、充电状态(SoC)、开路电压(OCV)等同时评估。这些电路参数、SoC、及OCV相互取决，并且SoP取决于这些电路参数。但是，由于它们动态的时间尺度，同时进行评估的可信度可能存疑。因此，使用例如SoC或OCV来评估电池短期行为取决于对SoC或OCV相对高精度的估计。例如，电流传感器中的差模型化、或者滞后或者偏置导致的开路电压误差可能会导致估计比如电池功率状态方面的误差。

专利US8466684公开了一种确定电池预测功率限制的方法的例子。在US8466684中，基于将来时间段之前的时间段的电池电流和电压可以预测所述将来时间段的最大功率限制。但是，US8466684公开的方法在功率需求变化时不能很好地适应，并且尤其是在电池功率需求快速变化时。

因此，这就需要一种更可靠地、鲁棒的确定电池功率状态的途径。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的基本目的是提供一种用于在不违背储能电池单元(energystoragecell)的电压或功率限制的情况下更精确地估计储能电池单元可用电功率的方法和系统。

根据第一方面，它因此提供了一种用于确定储能电池单元的最大充电电流(i_max)或者最大放电电流(i_min)的方法，该方法包含步骤：

(a)提供储能电池单元的预定上限电压值(V_max)或下限电压值(V_min)；

(b)提供作为从当前时间(t)到将来时间(t+Δt)的时间差的时间范围(Δt)；

其中，具有重复下列步骤的不同于所述时间范围的重复时间段(ΔT)：

(c)测量所述储能电池单元的当前电压水平值(V)；

(d)计算所述当前电压水平值和所述上限电压值(V_max)或所述下限电压值(V_min)之间的电压差(ΔV)；

(e)基于电压差、时间范围、和将充电电流或放电电流与储能电池单元的各自的估计电压值相关联的模型，确定储能电池单元的与电压差相对应的最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)，

其中，所述储能电池单元的相应估计电压值在充电电流的情况下在所述时间范围期间小于或等于所述上限电压值，在放电电流的情况下在所述时间范围期间大于或等于所述下限电压值。

根据本发明，上限电压值可以是为了不使储能设备过充电而设置的电压限值，过充电会对储能设备的储能电池单元有害。类似地，下限电压值被设置以便避免储能电池单元过放电。上限电压值和下限电压值在储能电池单元整个生命周期过程中可能会改变。电压限值可例如根据储能电池单元的温度而改变。

尽管依据本发明的方法被实施在储能电池单元上，应注意到，在通常的情形中，该方法可以被实施在包含了多个储能电池单元的储能设备上，例如，2-200个这样的储能电池单元，或甚至2-10000个这样的储能电池单元。于是该方法可以在多于一个的储能电池单元上被执行，最通常在储能设备的所有储能电池单元上被执行，并且可以利用储能电池单元的最大充电电流中所估计的最大充电电流的最小值去限制所施加的充电电流。类似地，该方法可以利用储能电池单元的最大放电电流中所估计的最大放电电流的最小值去限制排出的(withdrawn)放电电流。

该模型可以是包含电容和电阻的储能电池单元等效电路模型。因此，该模型可以是，但不限于，RC电路模型。

时间范围(timehorizon)的持续时间和重复时间段(repetitiontimeperiod)的持续时间可以交叠(overlap)。因此，时间范围和重复时间段可能同时流逝。此外，术语“重复下列步骤”应当被解释为“下列步骤”重复至少两次，或直到使用者或系统终止该方法，例如，通过关掉正在运行该方法的系统。更进一步，在每次重复中，时间范围随着重复而移动。因此，时间范围是在每次重复中在当前时间上加上重复时间ΔT的时间值。例如，如果在该方法中重复步骤的第一个重复的当前时间为t′，那么时间范围的结束点为t′+Δt，这里Δt为时间范围。在下一个重复中，当前时间为t″＝t′+ΔT，因此时间范围的结束点为t″+Δt＝t′+ΔT+Δt，依次类推。重复时间段与时间范围不同不应被理解为重复时间段的值与时间范围的值不同，而是指它们互相独立。重复时间段例如可以在0.2s到1s范围内，比如0.05s或0.5s。

本发明是基于这样的认识，即，通过预测由充电电流的变化或放电电流的变化造成的电压变化可自动完成对储能电池单元的电流状态的适应。利用本发明，最大充电电流或最大放电电流对于时间范围的每次采样(具有重复时间段)重新计算，使得在时间范围的结束点处的预测电压低于电压限值。但是，因为最大充电电流或最大放电电流在每个采样被重新计算，储能电池单元的实际电压被有效地保持低于电压限值。此外，如果所需求功率大于可用功率，最大充电电流或最大放电电流会向限值收敛。

利用本发明，可以预测在即将到来的时间(因而在该时间范围期间)期间可获得的电流供应。例如对于车辆而言，为了确认比如是否需要从备份储能设备(例如电池或燃料)中获得附加的能量(或附加的功率)以便超过其它车辆，这是重要的。

注意，根据来自储能电池单元或至储能电池单元的电流的方向，放电电流符号为负，充电电流为正。因为放电电流离开储能电池单元，所以放电电流为负。由此，当需要确定“最大”放电电流时意味着放电电流达到最大负值。例如，-10A的放电电流大于-9A的放电电流。

最大充电电流或最大放电电流可以是这样的，即，在时间范围终点的估计电压值分别等于上限电压值或下限电压值。因此，从该模型，最大充电电流或最大放电电流是基于如下假设得出，即，假设估计电压值在时间范围终点等于各自的电压限值。这就意味着，如果充电电流或放电电流以各自最大充电电流或最大放电电流的幅值被供应/排出，在时间范围外会违背电压限值。但是，因为最大充电电流或最大放电电流在每个采样(具有重复时间段)中被重新计算，因此实现对电流状态的适应，从而防止这种违背。

此外，重复时间段可比时间范围短。那么，最大充电电流或最大放电电流在时间范围消逝前被重新计算。这改进了此方法的适应能力。重复时间段和时间范围可以交叠。

在本发明的实施例中，为了评估由储能电池单元的模型预测的估计电压值，可假设最大充电电流或最大放电电流供应给储能电池单元用于整个时间范围充电，或者用于在整个时间范围从储能电池单元排出。因此，当由储能电池单元的模型评估电压值时，假设(作为模型的输入)最大充电电流或最大放电电流在整个时间范围被供应。应注意到，最大充电电流或最大放电电流在具有优选短于时间范围的重复时间的每个采样中被重新计算。

此外，可假定最大充电电流或最大放电电流的幅值在整个时间范围为恒定的。因此，为了由该模型预测估计电压值，可以假设最大充电电流或最大放电电流在整个时间范围期间为恒定的。应注意到，最大充电电流或最大放电电流在具有优选短于时间范围的重复时间的每个采样中被重新计算，因此最大充电电流或最大放电电流在整个时间范围内实际是恒定的是几乎不可能的，仅仅作为假设被用于本发明实施例的模型预测中。

依据本发明的一个实施例，最大充电电流或最大放电电流(i_max；i_min)可以如下表示：

$i_{\max ,\min }=\frac{\mathrm{\Δ}v+R_{0}i\left(t\right)+{\hat{v}}_1\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}{R_0+R_1(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}$

此处，R₁、C₁为第一级RC等效电路的电阻、电容，是第一级RC等效电路两端的估计电压值。

其中，用于最大充电电流(i_max)的Δv是上限电压值和测量电压值之间的差，用于最大放电电流(i_min)的Δv是下限电压值和测量电压值之间的差。

在本发明另一实施例中，最大充电电流或最大放电电流(i_maxi_min)可以如下表示：

$i_{\max ,\min }=\frac{\mathrm{\Δ}v+R_{0}i\left(t\right)+{\hat{v}}_1\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})+{\hat{v}}_2\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_2{C}_2}})}{R_0+R_1(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})+R_2(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_2{C}_2}})}$

此处，R₁、C₁为第一级RC等效电路的电阻、电容，是第一级RC等效电路两端的估计电压值；R₂、C₂为第二级RC等效电路的电阻、电容，是储能电池单元的两阶RC电路模型的第二级RC等效电路两端的估计电压值，并且

其中，用于最大充电电流(i_max)的Δv是上限电压值和测量电压值之间的差，用于最大放电电流(i_min)的Δv是下限电压值和测量电压值之间的差。

此外，本发明同样可以应用于更高阶的RC电路，比如，三、四、五阶电路等。对于本领域技术人员而言将本发明应用到更高阶的RC电路是简单明了的。在两阶电路模型中，或者在更高阶的模型中，RC电路可以是串联结构或者被配置为并联结构。

依据本发明的一实施例，最大充电电流或最大放电电流可以进一步基于包含了收敛因子(convergencefactor)的进一步的模型，其中最大充电电流或最大放电电流的幅值取决于收敛因子的幅值。利用收敛因子，估计电压值到达电压限值(上限值或下限值)的速率与不具有收敛因子时不同。

此外，储能电池单元和控制器可以被模型化为反馈控制系统，其中储能电池单元被模型化为从充电电流变化或放电电流变化到电压变化的转换函数(G)，如下表示：

$G\left(s\right)=R_0+\frac{R_1}{1+\mathrm{\τ}s}$

控制器是包含了积分运算的反馈控制器，具有从电压差到最大充电电流或最大放电电流的第二转换函数。积分运算意味着反馈是基于输入(比如电压差)的积分。该反馈控制可特别在所需充电电流或放电电流大于相应的最大充电电流或最大放电电流时使用。

在一些实施例中，控制器可以是具有第二转换函数(F)的PI控制器，如下所示：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{R_1{C}_{1}s})$

此处，R₁为储能电池单元的RC电路模型中的电阻、C₁为储能电池单元的RC电路模型中的电容，R₀是储能电池单元的内部电阻，τ＝R₁C₁，其中最大充电电流或最大放电电流进一步基于第二转换函数的输出。PI控制器是具有积分运算和比例运算的反馈控制器。换句话说，该输出是基于与输入信号(当前电压差)成比例(“P”)的第一部分和取决于先前信号(比如，先前电压差)的积分“I”的第二部分。该反馈控制可还特别用于当所需充电电流或放电电流大于相应的最大充电电流或最大放电电流时。

此外，收敛因子(γ)可以大于零，其中，当具有收敛因子时，控制器F(s)被表示为：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{{\mathrm{\γR}}_1{C}_{1}s})$

优选地，收敛因子还小于或等于1，尽管这不是必需的。

依据本发明的第二方面，提供了一种用于控制储能电池单元的充电电流和放电电流的方法，该方法包含依据第一方面的步骤，其中该方法进一步包括步骤：

接收来自储能电池单元的所需充电电流或所需放电电流的请求；

其中，如果所需充电电流大于最大充电电流，

则控制储能电池单元以提供最大充电电流；

或者，其中，如果所需放电电流大于最大放电电流，则控制储能电池单元以提供最大放电电流。

因而，依据第一方面的方法可以被实施为主动限制了供应给储能电池单元或包括多个该储能电池单元的储能设备或者由储能电池单元或包括多个该储能电池单元的储能设备提供的充电电流或放电电流。

此外，PI控制器转换函数描述了储能电池单元的控制，尤其是在当所需电流大于最大充电电流或最大放电电流的情况下。在该情况下，储能电池单元和该方法反映PI控制反馈系统。

所提供的电流还可以被不同于最大充电电流或最大放电电流的限制所限制。比如，所提供的电流还可以被储能电池单元本身的最大电流限制所限制，或者被包含储能电池单元的储能设备的充电状态所限制。

本发明的该第二方面的进一步效果和特征与结合本发明第一方面描述的上述内容很大程度上类似。

依据本发明的第三方面，提供一种用于确定储能电池单元最大充电电流(i_max)或者最大放电电流(i_min)的系统，该系统包含：

控制单元；

电压测量设备；和

电流测量设备，

其中，控制单元被配置为：

(a)接收储能电池单元的预定的上限电压值(V_max)或下限电压值(V_min)；

其中，利用不同于预定时间范围(Δt)的重复时间段(ΔT)，预定时间范围是当前时间到将来时间的时间差，该控制单元被配置为重复以下步骤：

(c)从电压测量设备接收储能电池单元的当前电压水平值(V)的测量值；

(d)计算当前电压水平值与上限电压值(V_max)或下限电压值(V_min)之间的电压差(ΔV)；

(e)基于所述电压差、所述时间范围、和将充电电流或放电电流与储能电池单元的相应估计电压值相关联的模型，确定储能电池单元的与电压差相对应的最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)，

其中，最大充电电流或最大放电电流是这样的，即，储能电池单元的相应估计电压值在充电电流的情况下在该时间范围内小于或等于上限电压值，在放电电流的情况下在该时间范围内大于或等于下限电压值。

依据本发明的一个实施例，该控制单元可以进一步被配置为：

接收来自储能电池单元的所需充电电流或所需放电电流的请求；

其中，如果所需充电电流大于最大充电电流，

则控制储能电池单元以提供最大充电电流；

或者，其中，如果所需放电电流大于最大放电电流，则控制储能电池单元以提供最大放电电流。

因此，如果需求的充电电流大于先前确定的最大充电电流，则仅传递最大充电电流到储能电池单元(即，包含有储能电池单元的储能设备)。或者，如果需求的放电电流大于先前确定的最大放电电流，则仅最大放电电流将从储能电池单元(即，包含有储能电池单元的储能设备)中排出。此外，应该理解的是，控制单元确保不违背电流限制(最大充电电流或最大放大电流)，而不是储能电池单元(或储能设备)本身。

控制单元可例如接收来自电动车辆引擎的请求。控制单元可以是管理着从储能设备到例如包含了储能设备的车辆的各种负载的电能分布的电池管理系统的控制单元。

依据本发明的又一个实施例，控制单元可以部分被配置为带有积分运算的反馈控制器，使得如果需求电流大于最大电流，则供应电流能被确定为具有积分运算和适当的抗饱和值(anti-windup)以及初始化的反馈控制器的输出，其将电压差作为参考输入。

此外，控制器可以是具有第二转换函数(F)的PI控制器，如下表示：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{{\mathrm{\γR}}_1{C}_{1}s})$

此处，R₁、C₁分别是储能电池单元的RC电路模型中的电阻和电容，γ是介于0和1之间的参数，

其中，最大充电电流或最大放电电流进一步基于由该转换函数提供的输出。

储能电池单元可以是该系统的一部分。可选地，储能设备包含2-200个这样的储能电池单元，甚至2-10000个这样的储能电池单元可作为该系统的一部分。

控制单元优选地是微处理器或其它任何类型的计算设备。该控制单元可以包括计算机可读介质，该计算机可读介质可以是任何类型的存储设备，包括可移动非易失性/易失性随机存取存储器、硬盘驱动器、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、USB存储器、SD存储卡、或者类似的本领域公知的计算机可读介质其中之一。

该系统可有利地被设置于车辆内。比如，该系统可有利地被用于监测能量存储设备，比如电动车辆或混合动力车辆的可充电电池。因而该系统有利地被设置于车辆内。但是，该系统的控制单元可以被设置于车辆外的其它地方。

本发明的第三方面的进一步效果和特征与结合本发明的第一方面和第二方面的描述的上述内容很大程度上类似。

当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征及其优点将变得很明显。本领域技术人员将会意识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以组合，以形成除了下文描述的实施例以外的实施例。

附图说明

根据附图所示的本发明当前的优选的实施例，本发明这些和其它方面将被更详细的描述，其中：

附图1说明了本发明实施例的一个示例性应用；

附图2图解地示出了依据本发明一示例实施例的系统；

附图3示出了储能电池单元的等效电路；

附图4a-b示出了通过储能电池单元的仿真的电压(附图4a)和电流(附图4b)；

附图5a-b示出了通过储能电池单元的仿真的电压(附图5a)和电流(附图5b)；

附图6说明了依据一示例实施例的表示为反馈控制系统的储能电池单元和控制系统。

附图7a-b示出了通过储能电池单元的仿真的电压(附图7a)和电流(附图7b)；

附图8是依据本发明一个示例实施例的方法步骤的流程图；

附图9是依据本发明一个示例实施例的方法步骤的流程图。

具体实施方式

在下面描述中，主要根据电动或混合动力汽车的储能设备来描述本发明，但是应当注意的是，这不意味着限制本发明的范围，该发明同样可应用于在非车辆的设备或装置中所设置的储能设备中。

附图1说明了依据本发明一实施例的系统的示例性应用。附图1示出了一种包含可充电电池102的混合或电动车100形式的车辆100。在车辆100中，进一步有控制可充电电池102和监测该电池102的运行和状态的电池管理系统104。

附图2图解说明了依据本发明一实施例的示例性系统。在附图2中，系统200包含至少一个传感器202和控制单元204，该控制单元是微处理器的形式，与传感器202连接以使得微处理器可以自传感器接收信号。控制单元可以是电池管理系统104的一部分，但也可以是电池管理系统104之外的控制单元，传感器202例如可以是检测通过电池102的电压或电流的传感器。此外，控制单元204也可以直接连接于电池102，用于控制例如电池102的向外的电流供应(因而是放电电流)或充电电流，或者控制单元204可以直接从电池接收关于电池102状态的信息。因而，控制单元204可被配置为监测电池102的状态。特别地，控制单元204被配置为例如通过继电器和转换器来控制和监测电池的放电电流和充电电流。控制单元204可以进一步监测和控制电池102内单个电池单元103的放电电流和充电电流。然后控制单元使用由电池的各单元(比如，电池单元103)确定的最大放电电流的最低值和最大充电电流的最低值作为整个电池的最大放电电流和最大充电电流。确定最大放电电流和最大充电电流的步骤将参考本申请的前述附图来描述。该系统可以进一步包含用于监测电池102的当前功率水平(即容量Q)的必要的电气部件。

附图3示出了储能电池单元(例如储能电池单元103)的等效电路。该等效电路是以电阻R₀串联一RC电路(电阻R₁和电容C₁)的形式，在RC电路上的相应电压是V₁，在内阻R₀两端的电压为V₀，并且V_oc是开路电压。在该电路上应用kirchof(基尔霍夫)定理，给出常微分方程如下：

$\frac{d}{dt}{v}_1\left(t\right)=-\frac{1}{R_1{C}_1}{v}_1\left(t\right)+\frac{1}{C_1}i\left(t\right)---\left(1\right)$

给出解：

$v_1\left(t\right)=e^{\frac{t_0-t}{R_1{C}_1}}{v}_1\left(t_0\right)+\frac{1}{C_1}\underset{t_0}{\overset{t}{\∫}}{e}^{\frac{\mathrm{\τ}-t}{R_1{C}_1}}i\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

因而，如果在时间段[t₀，t]上供应恒定电流i，则所估计的t时刻的将来电压值的解析表达式变为：

$v_1\left(t\right)=v_1\left(t_0\right)e^{-\frac{t-t_0}{R_1{C}_1}}+R_{1}i(1-e^{\frac{t-t_0}{R_1{C}_1}})$

如果我们现在让当前时间t为t₀，并且我们想预测在时间范围结束点的电压，如果在时间段[t，t+Δt]上供应的i(t⁺)为恒定电流，因此在是时间范围(Δt)结束点的t+Δt时刻，我们得到：

$v_1(t+\mathrm{\Δ}t)=v_1\left(t_0\right)e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}}+R_{1}i\left(t^{+}\right)(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})$

假设开路电压在该时间段上不变，那么整个电压输出为：

v(t)＝v_OC+R₀i(t)+v₁(t)

v(t+Δt)＝v_OC+R₀i(t⁺)+v₁(t+Δt)

现在，为了确定什么样的恒定充电电流(i_max)将在t+Δt时刻给到允许的最大充电电压(因而为上限，V_max)，我们计算电压差Δv，

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}v=v_{\max }-v\left(t\right)=R_0\left(i_{\max }-i\left(t\right)\right)+v_1\left(t\right)\left(e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}}-1\right)+R_1{i}_{\max }\left(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}}\right)=\\ \left(R_0+R_1-R_1{e}^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}}\right)i_{\max }-R_{0}i\left(t\right)+v_1\left(t\right)\left(e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}}-1\right).\end{array}$

从这个方程，我们现在可以计算，在具有重复时间周期(ΔT)的每个即时时刻，在Δt时长内的最大充电电流i_max：

$i_{\max ,\min }=\frac{\mathrm{\Δ}v+R_{0}i\left(t\right)+{\hat{v}}_1\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}{R_0+R_1(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}---\left(2\right)$

此处，对于最大充电电流(i_max)而言，电压差Δv为上限电压值(Vmax)和测得电压(v(t))的差值，并且，对于最大放电电流(i_min)而言，电压差Δv为下限电压值(V_min)和测得电压(v(t))的差值。电压是附图3示出的模型中标示的V₁的估计值，因而不能作为测量值得到。

对于更复杂的等效电路模型，最大充电电流和最大放电电流也可被类似地确定。例如，一些电池单元由两级或更多级RC电路来更精确的描述。在两阶RC电路的情况下，内阻R₀后面是分别包含R₁，C₁和R₂，C₂的第一级RC电路和第二级RC电路，最大充电电流和最大放电电流将被给出为(并且以如方程(2)一样的方式导出)：

$i_{\max ,\min }=\frac{\mathrm{\Δ}v+R_{0}i\left(t\right)+{\hat{v}}_1\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})+{\hat{v}}_2\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_2{C}_2}})}{R_0+R_1(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})+R_2(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_2{C}_2}})}$

附图4a-b是通过储能电池单元的仿真电压(附图4a)和仿真电流的图表(附图4b)。在时间＝5秒的时刻，充电电流需求的变化从40A增大到100A。在5秒之前的时间，当前电流(i)不会被最大充电电流限制(因而提供40A)，但是，在时间＝5秒之后，电流受限于最大充电电流以便不违背电压约束(因而不能提供100A)。附图4a-b的图示显示了不同时间范围(Δt＝0s，2s，5s)的仿真值，虚线401示出了一种假设情况，即如果电流在整个时间范围内(在Δt＝5s的这种情况)实际保持恒定，如附图4b中恒定的电流405所示的，则电压限值402在10秒处的时间范围结束点404被违背。但是，因为最大充电电流(i_max)由短于时间范围(Δt)的重复时间段ΔT评估，电流(在附图4b中)维持小于或等于i_max，使得在仿真情况406，407，408下电压不违背电压限值402。此外，如附图4a-b所示出的，更长时间范围(Δt)(例如，406标示的电流)意味着最大充电电流比更短时间范围(Δt)(例如，408标示的电流)的更低。在等效电路模型中，电容(C)和电阻(R₀和R₁)的通常值为R₀＝1.2mΩ，R₁＝1.2mΩ，和C＝15kF。

附图5a-b示出了通过储能电池单元的电压(附图5a)和电流(附图5b)的仿真结果。附图5a中示出了作为时间的函数的仿真电压506、上限电压值502和下限电压值504的图表。附图5b说明了通过储能电池单元的相应电流508、最大放电电流510和最大充电电流512，需求电流(I_req)和限制放电电流514(I_lim，d)和限制充电电流516(I_lim，c)。因而，请注意：流过储能电池单元的实际电流(I)可能被比最大充电电流或最大放电电流更多的约束来限制。事实上，来自储能电池单元的电流可以由如下给出：

i(t)＝min(I_req，i_max，I_lim，c，I_SOC，...)

此处，I_lim，c是取决于储能设备本身电流限制的充电电流限制预设值，例如储能设备的最大容量，I_soc是由储能电池单元或储能设备的当前充电状态设置的电流限制。对于放电情况也存在相应的电流限制(例如附图5b中的I_lim，d514)。在附图5b中，I_lim，c＝120A，并且可以看出，当需求电流超过I_lim，c时(例如，附图5b中在时间为70秒的时刻)，电流(i)不允许超过I_lim，c。在附图5a中相应的电压(即自70秒时刻)接近电压限值V_max502。但是，在接近73秒处，需求电流I_req低于I_max，于是提供的电流(i)直到时间＝100秒时(这时需求电流再次变化)才由最大充电电流512I_max实际限制。

此外，当需要放电电流时，如在附图5b中所示出的，在40秒时刻，随着流过储能电池单元的电流508(i)的减小，在自40秒到60秒流逝的时间内电压506(附图5a)减小，在此时(60秒)电流508持续大约10秒直到70秒时刻都受限于最大放电电流510(注意放电电流为负，因而术语“最大”是指在“最大”负电流情况下)。

附图6图示了在供应最大充电电流的情况下代表反馈控制系统600的储能电池单元602和控制单元604。在这种情况下，需求充电电流I_req比i_max大，从而通过储能设备的电流i＝i_max。从方程(2)，我们可以发现：

$i\left(t\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{-\mathrm{\Δ}t/R_1{C}_1})}\left(v_{\max }-v\left(t\right)\right)+\frac{1}{R_1}{\hat{v}}_1\left(t\right)$

此外，自微分方程(1)，我们可以导出用于储能电池单元602的转换函数(从电流(i)到电压v₁)，由如下给出：

$v_1\left(t\right)=\frac{R_1}{1+\mathrm{\τ}p}i\left(t\right)---\left(3\right)$

此处，p＝d/dt为导数算子和τ＝R₁C₁。换句话说：

$i\left(t\right)=K(v_{max}-v(t\left)\right)+\frac{1}{1+\mathrm{\τ}p}i\left(t\right)$

此处， $K=\frac{1}{R_1(1-e^{-\mathrm{\Δ}t/\mathrm{\τ}})}$

该控制器将v_max-v(t)作为输入从而可以表达为：

$i\left(t\right)=\frac{K(1+\mathrm{\τ}p)}{\mathrm{\τ}p}(v_{max}-v(t\left)\right)$

这可以由具有如下转换函数的PI控制器604(比例运算和积分运算控制器)表示：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{R_1{C}_{1}s})$

由方程(3)，用于储能电池单元602的自电流i到电压v₁+v₀(见附图3)的转换函数为：

$G\left(s\right)=R_0+\frac{R_1}{1+\mathrm{\τ}s}$

在之前描述的实施例中(例如，与附图2-6相关的描述)，时间范围Δt可以被认为是用于改变即时(immediate)最大充电电流(附图4b中610-612)或即时最大放电电流的调节参数，将储能电池单元的电流与电压相关联的模型也可以包含收敛因子。该收敛因子(γ)可以在基于等式(3)估计V₁时调节时间常数，从而估计电压值()的收敛速率、进而初始可获得电流、并且因此可以调节即时最大放电电流或即时最大充电电流。例如，如可以从附图4a-b看出，时间范围越长，在需求电流超过最大充电电流或最大放电电流时就需要更加预防充电或放电电流的突然改变。收敛因子(γ)与附图6所示的控制器(F(S))有关，并且可以以下列方式在控制器中实现：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{{\mathrm{\γR}}_1{C}_{1}s})$

换句话说，调节因子通过使被引入，这里(因而，是F(s)最后一项的分母，不是控制器的静态增益)。G(s)可以描述成为动态模型。

附图7a-b示出了依据本发明一个实施例(包含收敛因子(γ))的方法的结果，模型化的储能电池单元的电压朝着电压限值704收敛，作为对在5秒时刻增大的充电电流(i)的响应。此外，附图7a-b示出了对于γ在0到1之间的不同值的仿真电压(附图7a)和仿真电流(附图7b)。正如附图7a所示，尽管朝着电压限值704的收敛速率取决于收敛因子(γ)的大小，但是电压始终比电压限值704(V_max)低。正如附图7b所示，电流在5秒时刻增大，这里需求电流由40A增大到100A，并且受限于最大充电电流(时间范围Δt＝5s)。但是，由于由收敛因子γ调节的更大的最大充电电流，因此至少在需求电流改变后的初始时刻，电流(I)的幅值允许更高。例如，对比于当收敛因子等于1(γ＝1)的初始电流708，当收敛因子γ＝0.01时，更高的初始电流706被允许(因而最大充电电流更高)。利用收敛因子，更大的初始最大充电电流或更大的最大放大电流被允许，这使得电压朝着电压限值704的更快地收敛。

附图8是依据本发明一个实施例的示例性方法的步骤的流程图。在第一步S802，提供储能电池单元的预定的上限电压值(Vmax)或下限电压值(V_min)。这些电压限值可以是由储能电池单元自身引入的电压限值。在随后的步骤S804中，提供时间范围(Δt)作为从当前时间(t)到将来时间(t₁＝t+Δt)的时间差值。接着，在步骤S806中，测量储能电池单元的当前电压水平值(V)。随后S810，计算在当前电压水平值和上限电压值(Vmax)或下限电压值(V_min)之间的电压差(ΔV)。基于电压差、时间范围、和将充电电流或放电电流与储能电池单元的相应估计电压值相关联的模型，S812确定储能电池单元的与电压差相对应的充电电流最大改变(i_max)或放电电流最大改变(i_min)，最大充电电流或最大放电电流是这样的，即，使得储能电池单元的估计电压在充电电流的情况下在该时间范围内小于或等于上限电压值，而在放电电流的情况下在该时间范围内大于或等于下限电压值。步骤S806-S814在不同于该时间范围的重复时间段(ΔT)内循环重复。该方法可以由例如使用者或控制单元结束。依据附图8的实施例的方法例如可以在重复时间段内重复两次。

附图8所描述的方法可以进一步包含测量储能电池单元或储能设备的温度的步骤。该温度测量可用于确定诸如R₀，R₁，C₁等相关储能电池单元参数。

附图9为依据关于控制储能设备的充电电流或放电电流的一实施例的另一个流程图。在第一个步骤S902，请求来自储能电池单元的需求充电电流或需求放电电流。如果需求的充电电流比最大充电电流更大，提供S904最大充电电流，或者，其中，如果需求的放电电流比最大放电电流更大，提供S904最大放电电流。注意在放电情况下，“更大”意思为更负，换句话说(数学的)，如果I_req＜i_min，那么最大放电电流i_min将被排出。或者说，在放电情况下，如果|I_req|＞|i_min|，那么最大放电电流i_min将被排出。此外，需求电流I_req与最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)的比较可以包含与更多约束的比较。实际供应的充电电流可以如下给出：

I(t)＝min(I_req，i_max，I_lim，c，I_SOC，...)

这里I_lim，c是取决于储能设备本身的电流限制的充电电流预设限制，例如储能设备的最大容量，并且I_SOC是由储能电池单元或储能设备的当前充电状态设置的电流限制。对于放电情况，也存在相应的电流限制(例如，附图5b中的I_lim，d514)。

此外，通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施所主张的发明时可以理解及实现所公开实施例的变型。例如，本方法可同样很好地被用于确定储能电池单元的最大充电功率或最大放电功率。最大充电功率可以从公式Power_max＝Voltage*i_max得到，并且最大放电功率可以从公式Power_min＝Voltage*i_min得到。

此外，可以在储能电池单元103或储能设备102上安置温度传感器以测量储能电池单元的温度。温度测量可以用来确定相关储能电池单元参数，诸如R₀，R₁，C₁等。

此外，这里描述的模型可以在时间离散或时间连续模式或上述的混合模式中使用。例如，的评估可在时间离散方式下完成，并且在时间范围上储能电池单元的电压预测可在时间连续方式下完成。

本系统可以进一步包含用于控制输至或来自储能设备的功率的电气部件，诸如继电器或转换器。

在权利要求中，词语“包含”不排除其它元素或步骤，并且非特定词“一”或“一个”不排斥多个。唯一的事实是，各个不同的从属权利要求中引用的一些措施并不意味着这些措施的组合不能有利地使用。

Claims (15)

1.一种确定储能电池单元(103)的最大充电电流(i_max)或者最大放电电流(i_min)的方法，所述方法包含步骤：

(a)提供(S802)储能电池单元的预定上限电压值(V_max)或下限电压值(V_min)；

(b)提供(S804)作为从当前时间(t)到将来时间(t+Δt)的时间差的时间范围(Δt)；

其中，具有重复下列步骤的不同于所述时间范围的重复时间段(ΔT)：

(c)测量(S806)所述储能电池单元的当前电压水平值(V)；

(d)计算(S810)所述当前电压水平值和所述上限电压值(V_max)或所述下限电压值(V_min)之间的电压差(ΔV)；

(e)基于所述电压差、所述时间范围、以及所述储能电池单元的包含电容和电阻的将充电电流或放电电流与所述储能电池单元的相应估计电压值相关联的等效电路模型，确定(S812)所述储能电池单元的与电压差相对应的最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)，

其中，所述储能电池单元的相应估计电压值在充电电流的情况下在所述时间范围期间小于或等于所述上限电压值，在放电电流的情况下在所述时间范围期间大于或等于所述下限电压值。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述重复时间段比所述时间范围短。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，所述重复时间段和所述时间范围在时间上交叠。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，当由所述储能电池单元的所述模型预测所述估计电压值时，假定所述最大充电电流或最大放电电流在整个时间范围上幅值为恒定。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述最大充电电流或最大放电电流(i_max；i_min)由如下表示：

$i_{\max ,\min }=\frac{\mathrm{\Δ}v+R_{0}i\left(t\right)+{\hat{v}}_1\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}{R_0+R_1(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})},$

此处，R₁、C₁为第一级RC等效电路的电阻、电容，是所述第一级RC等效电路两端的估计电压值，R₀是所述储能电池单元的内阻，i是流过储能电池单元的电流，t是时间，并且

其中，用于最大充电电流(i_max)的Δv是所述上限电压值和所述测量电压值之间的差，用于最大放电电流(i_min)的Δv是所述下限电压值和所述测量电压值之间的差。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述最大充电电流或最大放电电流(i_max；i_min)由如下表示：

$i_{\max ,\min }=\frac{\mathrm{\Δ}v+R_{0}i\left(t\right)+{\hat{v}}_1\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})+{\hat{v}}_2\left(t\right)(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_2{C}_2}})}{R_0+R_1(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})+R_2(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δ}t}{R_2{C}_2}})},$

此处，R₁、C₁为所述第一级RC等效电路的电阻、电容，是所述第一级RC等效电路两端的估计电压值；R₂、C₂为第二级RC等效电路的电阻、电容，是所述储能电池单元的两阶RC电路模型的所述第二级RC等效电路两端的估计电压值，R₀是所述储能电池单元的内阻，i是流过储能电池单元的电流，t是时间，并且

其中，用于最大充电电流(i_max)的Δv是所述上限电压值和所述测量电压值之间的差，用于最大放电电流(i_min)的Δv是所述下限电压值和所述测量电压值之间的差。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述最大充电电流或最大放电电流进一步基于包含了收敛因子的模型，其中，所述最大充电电流或最大放电电流的幅值取决于所述收敛因子的幅值。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述储能电池单元和控制器被模型化为反馈控制系统，其中，所述储能电池单元被模型化为从充电电流变化或放电电流变化到电压变化的转换函数(G)，所述转换函数如下表示：

$G\left(s\right)=R_0+\frac{R_1}{1+\mathrm{\τ}s},$

此处，R₁是电阻、R₀是储能电池单元的内阻，和τ＝R₁C₁，C₁是储能电池单元的RC电路模型中的电容，

并且，所述控制器是包含积分运算的反馈控制器，具有从所述电压差到所述最大充电电流或最大放电电流的第二转换函数。

9.根据权利要求8的方法，其中，所述控制器是具有所述第二转换函数(F)的PI控制器，其如下表示：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{R_1{C}_{1}s}),$

此处，R₁、C₁是储能电池单元的RC电路模型中的电阻、电容，R₀是储能电池单元的内电阻，并且τ＝R₁C₁，

其中，所述最大充电电流或最大放电电流进一步基于所述第二转换函数的输出。

10.根据权利要求8和9的方法，其中，所述收敛因子(γ)大于零，其中，利用所述收敛因子，所述控制器F(s)被表示为：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{{\mathrm{\γR}}_1{C}_{1}s}).$

11.一种用于控制储能电池单元(103)的充电电流或放电电流的方法，所述方法包含根据前述任一项权利要求所述的步骤，其中，所述方法进一步包括步骤：

接收来自所述储能电池单元的所需充电电流或所需放电电流的请求；

其中，如果所述所需充电电流大于所述最大充电电流，

控制所述储能电池单元以提供所述最大充电电流，

或者，其中，如果所述所需放电电流大于所述最大放电电流，控制所述储能电池单元以提供所述最大放电电流。

12.一种用于确定储能电池单元的最大充电电流(i_max)或者最大放电电流(i_min)的系统，所述系统包含：

控制单元(204)；和

电压测量设备(202)；

其中，所述控制单元被配置为：

(a)接收储能电池单元的预定上限电压值(V_max)或预定下限电压值(V_min)；

其中，具有不同于预定时间范围(Δt)的重复时间段(ΔT)，所述预定时间范围是从当前时间到一将来时间的时间差，所述控制单元被配置为重复以下步骤：

(c)从所述电压测量设备中接收所述储能电池单元的当前电压水平值(V)的测量值；

(d)计算所述当前电压水平值与所述上限电压值(V_max)或所述下限电压值(V_min)之间的电压差(ΔV)；

(e)基于所述电压差、所述时间范围、以及储能电池单元的包含电容和电阻的将充电电流或放电电流与所述储能电池单元的相应估计电压值相关联的等效电路模型，确定所述储能电池单元的与电压差相对应的最大充电电流(i_max)或最大放电电流(i_min)；

其中，所述储能电池单元的相应估计电压值在充电电流的情况下在所述时间范围期间小于或等于所述上限电压值，在放电电流的情况下在所述时间范围期间大于或等于所述下限电压值。

13.根据权利要求12的系统，其中，所述控制单元被部分地配置为具有积分运算(I)的反馈控制器，使得如果需求电流大于最大充电电流或最大放电电流，供应电流能被确定为具有积分运算且所述电压差作为参考输入的反馈控制器的输出。

14.根据权利要求13的系统，其中，所述控制器是具有第二转换函数(F)的PI控制器，如下表示：

$F\left(s\right)=\frac{1}{R_1(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{R_1{C}_1}})}(1+\frac{1}{{\mathrm{\γR}}_1{C}_{1}s}),$

此处，R₁、C₁是储能电池单元的RC电路模型中的电阻和电容，

以及γ是介于0和1之间的参数，

其中，所述最大充电电流或所述最大放大电流进一步基于由所述转换函数提供的输出。

15.一种车辆，其中设置有根据权利要求12-14中的任一权利要求的系统。