CN105934682B - 对多个电池的剩余容量进行估计的方法 - Google Patents

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Abstract

这是一种对连接至配电网络(55)的多个电池(50)的剩余容量进行估计的方法。该方法包括以下步骤：基于所收集(20，25)的、确定这些电池中的每个电池的老化状态的信息和/或基于与对这些电池的使用的计划相关的信息和/或基于一个用户指示，从所述多个电池(50)当中选择(30，35)一个电池(50)，在能量储存阶段过程中，优先对所述选定的电池(50)进行充电直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最大电量水平，在能量去除阶段过程中，如果它在储能阶段过程中达到了该最大电量水平的话，优先对所述选定的电池进行放电直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最小电量水平，然后测量所述选定的电池(50)所抽取的能量水平(EresChk)。

Description

对多个电池的剩余容量进行估计的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对多个连接的电池的剩余容量进行估计的方法。
不管电池类型如何都可以应用本发明。
背景技术
接多个电池来向配电网络供电是已知的。具体地，电动车辆电池可以回收，从而用于固定环境中。由于这些电池不具有足够的能量供车载使用，如电动车辆，它们从另一方面来说可以用于固定环境中，因为它们能够储存能量并根据需要在其他时间将其返回。
在本领域中，存在从US 20120249048已知的一种用于管理自然发电站(例如，风力发电或光伏发电)的电池充电/放电确定装置，该装置包括在产生自然电能期间过程中储存能量的能量储存阶段和在产生阶段以外将这个能量返回的能量释放阶段。US 20120249048描述了使用随时间而变化的电池状态信息，尤其是电池的电量状态、电池的老化状态、以及当被充电或放电时电池的端子处的电压或电流测量结果来控制电池贡献。
已经观察到的是，这种类型的装置呈现出的缺点是并不特别准确并且未考虑对电池的实际可用能量进行估计所必需的所有元素。而且，它还涉及操作者为进行测量来估计电池的如其老化状态的多种不同特点的周期性检查干预。其结果是增加了被连接来向配电网络供电的电池的工作成本(例如，员工和维护设备)，以及检查操作过程中电池不可用的时期。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的是克服上述缺陷中的至少一部分，尤其是优化操作成本。另一目的是保证向配电网络供电的最小能量水平，提高检查每个电池的剩余容量的精确度从而对电池实际可用的能量进行估计，以及考虑组件由于其老化造成的退化。另一目的是减少管理这些电池的剩余容量所需的设备。另一目的是减少与可能违背遵守指令来将这些电池保持在工作状态、以及考虑电池的退化状态相关的成本；换言之，目标是该方法在时间上的工作可靠性和安全性。最后，本发明旨在使该方法自动化并且避免需要将电池与其环境隔离开的重度手动干预。
所提出的方案在于该方法包括以下步骤：收集与多个物理量相关的信息，以便确定所述多个电池中的每个电池的老化状态，
-基于所收集的信息和/或与这些电池的使用计划相关的信息和/或一个用户指令从所述多个电池中选择一个电池，
-在该能量储存阶段过程中，优先对所述选定的电池进行充电，直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最大电量水平，
-在该能量释放阶段过程中，如果所述选定的电池在该储能阶段过程中已经达到该最大电量水平的话，优先对其进行放电直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最小电量水平，或者如果它还仍未达到该预先定义的最大电量水平的话，使所述电池失活，然后测量所述选定的电池产生的能量水平，
-基于对所述电池产生的该能量水平的测量结果计算所述选定的电池的剩余容量。
提供了本方案来克服上述问题。
测量产生的能量水平以及从这之后的剩余容量计算的步骤意味着可以优化能量储存系统的工作成本，尤其是关于设备和维护成本。这些步骤提供用于考虑电池的老化状态、这些电池的使用计划(和/或用户指令)来规律地检查这多个彼此连接的电池的工作状态。而且，这些步骤提供用于追踪系统的工作退化以及试图尽可能地对其进行补偿。因此，这些步骤提供用于改善实现所述估计方法的系统的鲁棒性。
在一个实施例中，该方法包括：在测量产生的能量水平的阶段过程中，如果它仍然呈现大于所述预先定义的最小电量水平的电量状态就使所述电池失活，同时系统被返回至储能阶段。
在一个实施例中，该方法包括：固定一个预先确定的放电功率值，以便在该释放阶段过程中对该选定的电池进行放电，所述选定的电池仅以这个预先确定的放电功率值来放电，如果该网络需要小于所述放电功率值的供电功率值的话，该选定的电池停止放电。
在一个实施例中，该方法包括：
-还对所收集的与多个物理量有关的信息进行处理，以便检测该电池中这些物理量的异常的存在，
-优先选择呈现这些物理量的异常的电池来充电，与这些电池的使用计划有关的该信息和/或该用户指令则采取更低的优先级。
在一个实施例中，这些步骤被有规律地、优选周期性地触发。
在一个实施例中，该方法由固定式储能系统来实现。
在一个实施例中，该方法包括：将所述产生的能量水平与该选定的电池的做出保证的最小能量水平进行比较：
·如果产生的该能量水平大于或等于该做出保证的最小能量水平，则将容量不足的检查计数器重置，
·如果产生的该能量水平小于该保证的最小能量水平：
-则将该计数器增加一个单位，
-如果该计数器超过一个预先确定的阈值，则发送替换这个电池的信息，或增加该电池的充电结束电压。
根据第二个目标，另一目的是一种用于对多个电池的剩余容量进行估计的系统，包括用于实施根据前述实施例中任意一个的方法的装置。
根据第三个目标，还提出了一种包括上述系统的建筑物。
附图说明
图1示出了固定式储能系统的示例架构。
具体实施方式
根据本发明，该方法包括将来自配电网络55的能量储存在多个电池50中的第一能量储存阶段，以及将该能量返回至该配电网络55的第二能量释放阶段。该方法包括以下步骤：
-收集与多个物理量相关的信息，以便确定所述多个电池50当中的每个电池50的老化状态，
-基于所收集的信息和/或与这些电池的使用计划相关的信息和/或一个用户指令从所述多个电池50中选择一个电池50，
-在所述第一能量储存阶段，优先对所述选定的电池(50)充电，直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最大电量水平，
-在所述第二能量释放阶段，优先对所述选定电池进行放电直到达到一个预先定义的最小电量水平，或者如果它还未达到取决于老化状态的该预先定义的最大电量水平的话，使所述电池失活，然后测量所述选定的电池(50)产生的能量水平EresChk。该方法可以另外包括以下步骤，在该步骤中，如果所述电池仍然呈现大于所述预先定义的最小电量水平的电量状态必须使所述电池失活，同时系统被返回至储能阶段。
-基于对所述电池50产生的该能量水平EresChk的测量结果计算该选定的电池50的剩余容量。
优选地，上文描述的这组步骤是由固定式储能系统56实现的。
取决于其老化程度，电池50的性能水平在其使用过程中可以显著地不同。固定式储能系统56检查此信息。
固定式储能系统56的主要功能是对关于组成该多个电池50的每个电池50的状态的信息实现管理，以使得该多个电池50能够以其最大能量容量来使用。
该固定式储能系统能够收集与多个物理量有关的信息，以便确定电池的老化状态。此信息可以是以下各项(非详尽列表)：
-电池多个不同点处的温度，
-电池的总电压和电流，
-电池的每个电池单元的电压，
-电池的电量状态，
-放电模式下的剩余可用能量，放电模式下的可用功率。
任何电池50都随时间而退化，即，其总容量随时间稳定地减小，这主要出于两种原因：
-与电池的这些不同电量状态下(0％和100％之间)和它所经历过的温度下的电池使用时间有关的日历退化，
-与电池50的循环有关的、与电池50已经放出的能量有关的退化。
如图1所示，用于多个电池50的剩余容量的固定式储能系统56包括以下元件：
-电池50，
-电池监管系统51，
-固定式储能控制系统52，
-充电器53，
-逆变器54。
这些元件组成了固定式储能系统56。这个固定式储能系统56连接至交流网络55。
用于电池50的监管系统51执行对电池的多个物理量的获取(温度、这些电池单元中的每一个的电压、电流等的测量结果)。这些物理量的目的尤其是确定电池50的老化状态。用于电池50的监管系统51基于这些测量结果进行计算，以例如确定：
-这些电池单元的最小电压VCellMin；
-指示充电是否被终止的第一二进制值fEOC＝1或fEOC＝0；
-电池50在不被损坏的情况下可以支持的充电功率PCHG,HVB或放电功率PDCHG,HVB；
-在电池50的端子处测量的电压VHVB和电流IHVB；
-可从电池50获得的能量的量EHVB。
用于电池50的监管系统51将用于确定电池50的老化状态的这些物理量传达给固定式储能控制系统52。
充电器53和逆变器54将可实现的功率(对应地，PBCB和PINV)传达给固定式储能控制系统52。
在一个实施例中，所收集的、与多个物理量有关从而确定电池的老化状态的信息也被处理来检测电池中这些物理量的异常的存在。然后，优先选择呈现这些物理量异常的电池50来充电，与这些电池的使用计划有关的信息和/或用户指令采取更低的优先级。优选地，由固定式储能控制系统56对此收集的信息进行处理。
这个固定式储能控制系统52有从一定的能量限制。例如，固定式储能控制系统52可以请求在峰值外的阶段对电池50充电并且在高载荷的阶段对其进行放电。
如图1所示，固定式储能控制系统52取决于它接收的信息并取决于其能量限制构建充电或放电指令。这些指令被发送给充电器53或逆变器54来实践：电池50被充电或放电。
在服务条款的背景下，向客户保证的最小能量水平是E2nd,MIN。这个程序的目的是检查剩余容量EResChk相对于做出保证的最小能量水平E2nd,MIN是否足够。如果情况不是这样，有必要考虑或者修改固定式储能控制系统52的行为从而保障做出保证的最小能量水平E2nd,MIN，例如通过进一步对电池50充电，或者将连接至该多个其他电池50的电池50换成另一个具有更高的剩余容量的电池50。
作为本发明的一部分，在此固定式储能控制系统52执行感兴趣的大部分计算。
因此，如果这些电池单元的最小电压VCellMin大于或等于结束充电的电压VCellEOC，指明对电池50的充电是否被终止的该第一二进制值等于fEOC2nd＝1。在充电结束后对应于期望的电压值的结束充电电压VCellEOC：可以根据剩余容量检查程序的结果调整电压VCellEOC。根据电池50的老化状态来确定其初始值，以便被充电的电池50(fEOC2nd＝1)具有大于或等于E2nd,MIN的能量的量。
第二二进制值fEODC2nd指明对电池50的放电终止；如果放电功率PDCHG小于或等于阈值，则fEODC2nd＝1。
固定式储能控制系统52可以限制其运行。更确切地，它可以禁止对这些电池50放电，而只能充电。它还可以禁止对这些电池进行充电，而只能放电。当然，固定式储能控制系统52可以被配置成使得充电和放电都是可能的。这些选择是根据配电网络的状态做出的。举例来说，会存在建筑物需要额外电能贡献的时期(该方法于是处于其第二释放阶段)。在这个背景下，本发明的贡献使得这种额外电能贡献成为可能。如果配电网络为该建筑物供电过量，则该多个连接的电池50将处于其第一能量储存阶段。在这个背景下，禁止对该多个电池50充电或放电是有用的。
对每个电池的剩余容量检查程序尤其是由四个步骤构成：
-触发该程序，
-对该电池充电，直到获得该第一二进制值(fEOC＝1或fEOC2nd＝1)，
-对该电池放电，直到获得该第二二进制值fEODC2nd＝1。在放电过程中，测量被放电的能量的量EresChk(以kWh为单位)，
-相对于放电的结果调整该固定式储能控制系统52的行为；例如，如果能量水平EresChk小于电池50的做出保证的最小能量水平E2nd,MIN，就可以例如决定抛弃这个电池50。
若干机制已经就位来触发剩余容量检查过程：
-以下步骤是以确定的频率规律地、优选周期性地触发的：收集与多个物理量相关的信息从而确定所述多个电池50中的每个电池50的老化状态的步骤；基于所收集的信息和/或与这些电池的使用计划相关的信息和/或一个用户指令从所述多个电池50中选择一个电池50的步骤；在所述第一储能阶段优先对所述选定的电池50充电的步骤；在所述第二功能阶段优先对所述选定电池进行放电的步骤；测量所述选定的电池50产生的能量水平EresChk以及基于对所述电池产生的该能量水平EresChk的测量结果计算该选定的电池50的剩余容量的步骤；
-以下步骤是通过用户所给出的或传达至所述固定式储能系统56(优选地，固定式储能控制系统52)的指令触发的：：收集与多个物理量相关的信息从而确定所述多个电池50中的每个电池50的老化状态的步骤；基于所收集的信息和/或与这些电池的使用计划相关的信息和/或一个用户指令从所述多个电池50中选择一个电池50的步骤；在所述第一储能阶段优先对所述选定的电池50充电的步骤；在所述第二功能阶段优先对所述选定电池进行放电的步骤；测量所述选定的电池50产生的能量水平EresChk以及基于对所述电池产生的该能量水平EresChk的测量结果计算该选定的电池50的剩余容量的步骤；人类操作者则可以或者马上或者在确定的时间给出触发该过程的命令。
从所述多个电池50中选择一个电池50是基于所收集的信息和/或与这些电池的使用计划相关的信息来执行的，上述用户指令可以被添加至该使用计划中。“关于这些电池的使用计划的信息”在此被理解为与顺序有关的信息，该顺序是独立于关于其老化状态的信息预先确定的且任意的或根据标准的，如电池的类型或电池的标称容量。
当固定式储能系统56由若干电池构成时，将会小心地一次在一个电池50上启动该方法。想法是，通过请求系统56的其他电池50接管正在被检查的电池50暂时(例如在第二供能阶段过程中)不能承担的工作，最大程度地维护系统56对用户的可用性。
为了完成对有待检查的电池50的充电，固定式储能控制系统52利用了建筑物的需求是储存能量的时间段。在这些条件下，在第一储能阶段过程中，经受容量检查的电池50将(比整个系统的其他电池)具有优先权并且将利用增大其电量水平的顺序(其中，固定式储能控制系统52驱动电池的充电器)。
相反地，正在被充电并且未超过预先定义的最大电量水平的电池50在该第二供能阶段将被保持失活，其中，用户的需要是供应能量；然后将让系统的其他电池50贡献。这是本发明的关键元素。这就是为什么固定式储能控制系统52会禁止电量水平小于预先定义的最大电量水平的电池放电的原因，并且确立了：
-放电功率PDCHG是零，
-PCHG,MIN＝min(PCHG,LIM,PCHG,HVB,PBCB)，其中，PCHG,MIN是取决于储能系统的测量仪器精度的用于充电的最大可实现的功率；PCHG,HVB是电池在不被损坏的情况下可以支持的充电功率；PBCB是充电器53的可实现的功率；
-PCHG,MAX＝min(PCHG,HVB,PBCB)，其中，PCHG,MAX是用于充电的最大可实现的功率；
-ECHG＝E2nd,MIN-E2nd，其中，ECHG是用于充电的可用能量；E2nd是电池的可用能量；E2nd,MIN是电池的做出保证的最小能量水平；
-放电能量EDCHG是零。
固定式储能控制系统52还取决于其能量需要确立它发送至充电器53的充电指令。如果fEOC2nd＝1或fEOC＝1，这个步骤被终止。
关于有待检查的电池50的放电，程序类似于用于充电的程序。具体地，固定式储能控制系统52将利用用户的需要是供应能量的第二供能阶段来优先地占用经受过剩余容量检查的电池50。
为了保证测量的可重复性和代表性，对所述电池50的放电功率增加了附加限制。该固定式储能控制系统52固定一个预先确定的放电功率值，以便在放电阶段过程中对该选定的电池50进行放电，所述选定的电池50仅在以这个预先确定的放电功率值来放电。优选地，该预先确定的放电功率值是最大放电功率值，如果所述网络需要小于所述最大放电功率值的供电功率值的话，则该选定的电池50停止放电。供电功率对应于网络对与其连接的电力设备供电所需的功率。在这些条件下，只有用户的需要大于这个功率时才会允许所述电池50继续放电。
在这个步骤过程中，固定式储能控制系统52禁止充电并且确立了：
-PDCHG,MIN＝min(PDCHG,HVB,PINV)，其中，PDCHG,MIN是取决于储能系统的测量仪器精度的用于放电的最小可实现的功率；PDCHG,HVB是电池50在不被损坏的情况下可以支持的放电功率；PINV是逆变器54的可实现的功率；
-充电功率是零；
-PDCHG,MAX＝min(PDCHG,HVB,PINV)，其中，PDCHG,MAX是取决于储能系统的测量仪器精度的用于放电的最大可实现的功率；
-充电能量ECHG是零；
-放电能量EDCHG等于电池的可用充电能量E2nd。
固定式储能控制系统52还取决于其能量需要确立它发送至逆变器54的放电指令。为了保证放电测试的可重复性，固定式储能控制系统52(优选地，固定式储能控制系统56)增大最小放电功率，从而使得PDCHG,MIN＝PDCHG,MAX。
每次需要能量允许它授权放电时，固定式储能控制系统52都执行对电池50产生的能量EResChk的计数。如下计算产生的能量水平：
EResChk＝0.001·∫VHVB·IHVB·dt
VHVB是电池放电的电压。IHVB是电池放电的强度。如果fEODC＝1，这个步骤被终止。这些是在电池端子测量的电压和电流值。
因此，在选定的电池被完全放电之后，固定式储能系统计算选定的电池50产生的能量的水平EresChk。将产生的能量水平EresChk与电池50的所述做出保证的最小能量水平E2nd,MIN进行比较。
如果产生的能量水平EresChk大于或等于电池50的做出保证的最小能量水平E2nd,MIN，配备有固定式储能控制系统52的、包括容量不足的检查计数器的固定式储能系统56将这个计数器重置。
如果产生的能量水平EresChk小于该电池50的该做出保障的最小能量水平：
-每次将产生的能量水平EresChk与该做出保障的最小能量水平E2nd,MIN进行比较时，计数器被增加一个单位；
-如果该计数器超过一个预先确定的阈值，则储能系统52发送替换这个电池50的信息，和/或增加该电池50的充电结束电压。

Claims (10)

1.一种用于对连接至配电网络(55)的多个电池(50)的剩余容量进行估计的估计方法，所述估计方法包括将来自该网络(55)的能量储存在该多个电池(50)中的一个储能阶段以及将该能量返回至该网络(55)的一个释放阶段，该估计方法包括以下步骤：
-收集(20，25)与多个物理量相关的信息，以便确定所述多个电池(50)中的每个电池(50)的老化状态，
-基于所收集(20，25)的信息和/或与这些电池的使用计划相关的信息和/或一个用户指令从所述多个电池(50)中选择(30，35)一个电池(50)，
-在该能量储存阶段过程中，优先对所述选定的电池(50)充电，直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最大电量水平，
-在该能量释放阶段过程中，如果所述选定的电池在该储能阶段过程中已经达到该最大电量水平的话，优先对其进行放电直到达到取决于老化状态的一个预先定义的最小电量水平，或者如果所述选定的电池还仍未达到该预先定义的最大电量水平的话，使所述电池失活，然后测量所述选定的电池(50)产生的能量水平(EresChk)，
-基于对所述电池产生的该能量水平(EresChk)的测量结果计算所述选定的电池(50)的剩余容量。
2.如权利要求1所述的估计方法，其特征在于，所述估计方法包括：在测量产生的能量水平(EresChk)的阶段过程中，如果所述电池仍然呈现大于所述预先定义的最小电量水平的电量状态就使所述电池失活，同时系统被返回至储能阶段。
3.如以上权利要求中任意一项所述的估计方法，其特征在于，所述估计方法包括固定一个预先确定的放电功率值，以便在该释放阶段过程中对该选定的电池(50)进行放电，所述选定的电池(50)仅以这个预先确定的放电功率值来放电，如果该网络(55)需要小于所述放电功率值的供电功率值的话，该选定的电池(50)停止放电。
4.如权利要求1或2所述的估计方法，其特征在于，所述估计方法包括：
-还对所收集的与多个物理量有关的信息进行处理，以便检测该电池中这些物理量的异常的存在，
-优先选择呈现这些物理量的异常的电池(50)来充电，与这些电池的使用计划有关的该信息和/或该用户指令则采取更低的优先级。
5.如权利要求1或2所述的估计方法，其特征在于，这些步骤被有规律地触发。
6.如权利要求1或2所述的估计方法，其特征在于，所述估计方法由固定式储能系统实现。
7.如权利要求5所述的估计方法，其特征在于，所述估计方法包括将所述产生的能量水平(EresChk)与该选定的电池(50)的做出保证的最小能量水平(E2nd,MIN)进行比较：
·如果产生的该能量水平大于或等于该做出保证的最小能量水平，则将容量不足的检查计数器重置，
·如果产生的该能量水平小于该保证的最小能量水平：
-则将该计数器增加一个单位，
-如果该计数器超过一个预先确定的阈值，则发送替换这个电池(50)的信息，或增加该电池(50)的充电结束电压。
8.如权利要求5所述的估计方法，其特征在于，这些步骤被周期性地触发。
9.一种用于对多个电池(50)的剩余容量进行估计的系统，包括用于实施如以上权利要求中任一项所述的估计方法的装置。
10.一种包括如权利要求9所述的系统的建筑物。
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