CN106849212A - 电池储能系统和其控制系统以及其应用 - Google Patents

电池储能系统和其控制系统以及其应用 Download PDF

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CN106849212A CN201611110795.7A CN201611110795A CN106849212A CN 106849212 A CN106849212 A CN 106849212A CN 201611110795 A CN201611110795 A CN 201611110795A CN 106849212 A CN106849212 A CN 106849212A
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Abstract

本发明提供一种电能储存单元和控制系统以及其应用。在一实施例中，电能储存单元(其也可以被称作电池能量储存系统(“BESS”)包括电池系统控制器和电池组。每个电池组具有：电池单体，监视单体的电池组控制器，调整单体中储存的能量的电池组单体平衡器和电池组充电器。电池组控制器操作电池组单体平衡器和电池组充电器以控制单体的荷电状态。在一实施例中，单体是锂离子电池单体。

Description

电池储能系统和其控制系统以及其应用
技术领域
本发明大体而言涉及一种电能储存装置。更特定而言，本发明涉及一种电能储存单元和控制系统以及其应用。
背景技术
电能对于现代国家经济至关重要。然而，增加的电能需求和增加可再生能量资产用来发电的趋势给老化的电力基础设施带来压力，这使得老化电力基础设施更易于出现故障，特别是在峰值需求期间。在某些区域中，需求增加使得峰值需求时段危险地接近超过电力工业能产生和传输的最大供电水平。在本文中描述了允许以更具有经济合算和可靠方式产生和使用电力的新能量存储系统、方法和设备。
发明内容
本发明提供一种电能储存单元和控制系统以及其应用。电能储存单元也可以被称作电池能量储存系统(“BESS”)。在一实施例中，电能储存单元包括电池系统控制器和电池组。每个电池组具有：电池单体，监视单体的电池组控制器，调整单体中储存的能量的电池组单体平衡器和电池组充电器。电池组控制器操作电池组单体平衡器和电池组充电器以控制单体的荷电状态。在一实施例中，单体是锂离子电池单体。
在一实施例中，电池组单体平衡器包括多个电阻器，电阻器用来放出在电池单体中储存的能量。在另一实施例中，电池组单体平衡器包括电容器、感应器或二者，电容器和感应器用来在电池单体之间转移能量。
在一实施例中，安培小时监视器计算由电池组控制器发出的安培小时值来确定电池单体中每一个的荷电状态。
在一实施例中，一种继电器控制器操作继电器，继电器控制电池单体的充电和方法以及其它功能，诸如，冷却风扇的接通和切断、控制电源等。
本发明的特点在于能量储存单元和控制系统是高度可缩放的，从小千瓦时级电能储存单元到兆瓦时级电能储存单元的范围。本发明的特点还在于除了根据单体电压之外，其还能根据单体荷电状态计算来控制和平衡电池单体。
参考附图，在下文中更详细地描述另外的实施例、特点和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。
附图说明
附图并入于本文中并且构成本说明书的部分，附图示出了本发明并且与描述一起进一步用来解释本发明的原理并且使得相关领域技术人员能做出和使用本文所公开的实施例。
图1是根据一实施例的电能储存单元的图；
图2A是结合风车使用的图1的电能储存单元的图；
图2B是结合太阳能电池板使用的图1的电能储存单元的图；
图2C是结合电网使用的图1的电能储存单元的图；
图3示出了根据一实施例的电池组的图；
图4是进一步示出根据一实施例的电池组的图；
图5是示出了根据一实施例的电池组控制器的图；
图6A是示出根据一实施例的电池组单体平衡器的图；
图6B是示出了根据一实施例的电池组单体平衡器的图；
图6C是示出了根据一实施例的电池组单体平衡器的图；
图7是示出根据一实施例的电能储存单元的图；
图8A至图8C是示出了根据一实施例的电池系统控制器的图；
图9是示出根据一实施例的电能储存单元的图；
图10A是示出根据一实施例的电能储存单元的图；
图10B是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图10C是示出根据一实施例的另一电能储存系统的图；
图11是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图12是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图13是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图14是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图15是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图16是示出根据一实施例的电能储存系统的图；
图17是示出根据一实施例的电能储存单元的图；
图18是示出根据一实施例的电能储存单元的图；
图19A至图19E是示出根据一实施例的电能储存单元的示例性用户接口的图；
图20是示出根据一实施例的电能储存单元的图；
图21是用于电能储存单元的实施例中的示例性电池组数据的图；
图22A至图22B是示出了用于电能储存单元的实施例中的示例性电池数据的图；
图23A至图22B是示出了用于电能储存单元的实施例中的示例性电池循环数据的图；
图24A至图24B示出了根据一实施例的电能储存单元的操作的图；
图25是示出根据一实施例的电能储存单元的操作的图；
图26A、图26B、图26C和图26D是示出根据一实施例的示例电池组的图；
图27A是示出由电池组控制器和多个电池模块控制器形成的示例通信网络的图；
图27B是示出用于在电池模块控制器接收指令的示例方法的流程图；
图28是示出根据一实施例的示例电池组控制器的图；
图29是示出根据一实施例的示例电池模块控制器的图；
图30是示出了根据一实施例的示例串控制器的图；
图31A和图31B是示出根据一实施例的示例串控制器的图；
图32是示出用来平衡电池组的示例方法的流程图；
图33是示出了根据一实施例在电流测量值与用来计算质保值的电流系数之间的相互关系的图；
图34是示出了根据一实施例在温度测量值与用来计算质保值的温度系数之间的相互关系的图；
图35是示出了根据一实施例在电压测量值与用来计算质保值的电压系数之间的相互关系的图；
图36是示出了根据一实施例用于使电池组的质保有效的质保阈值的图；
图37是示出根据一实施例的电池组的示例用途的图；
图38是示出了根据一实施例的示例质保跟踪器的图；
图39是根据一实施例用来计算和存储累积质保值的示例方法；
图40是根据一实施例使用质保跟踪器的示例方法；
图41是根据一实施例示出了电池组和相关联的质保信息的图；
图42示出根据一实施例基于自放电率和充电时间的电池组的示例分布的图；
图43示出了根据一实施例在温度与电池组的充电时间之间相互关系的图；
图44示出了根据一实施例用来检测具有操作问题或缺陷的电池组的示例系统的图；
图45示出根据一实施例从电池组阵列集合数据用于分析；
图46示出了根据一实施例用来检测具有操作问题或缺陷的电池组的示例方法的流程图；
图47是描绘了一示例BESS和一个或多个BESS单元的示例部署的截面图的图；
图48A是示出联接到示例能量管理系统的示例BESS的图；
图48B是描绘了示例BESS的截面图的图；
图49A、图49B和49C是示出示例BESS的外壳的图；
图50A、图50B和图50C是示出示例BESS的图，其中移除了BESS的外壳；
图51是示出示例BESS中的空气流动的图。
参考附图描述了实施例。元件首先出现的图通常由相对应附图标记中最左边的一个或多个数字来表示。
具体实施方式
虽然在本文中利用特定应用的说明性实施例描述了本发明，应了解本发明并不限于这些。能取得本文所提供的教导内容的本领域技术人员将认识在本发明的范围内的额外修改、应用和实施例和本发明将具有重要应用的额外的领域。
术语“实施例”或“示例实施例”并不需要所有实施例包括所讨论的特征、优点或操作模式。在不偏离本发明的范围或精神的情况下，可以设计出替代的实施例，并且熟知的元件可能并未详细描述或者可以省略以便不混淆相关细节。此外，本文所用的术语仅仅是出于描述特定示例性实施例的目的且并不意图是限制性的。除非上下文清楚地指示为其它情况，如本文所用的单数形式“一”和“该”预期也包括复数形式。还应了解术语“包括”、“具有”和“包含”当在本发明中使用时，规定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件或其群组的存在。
在一实施例中，电能储存单元(其也可以被称作电池能量储存系统(“BESS”)包括电池系统控制器和电池组。每个电池组具有：电池单体，监视单体的电池组控制器，调整单体中储存的能量的电池组单体平衡器和电池组充电器。电池组控制器操作电池组单体平衡器和电池组充电器以控制单体的荷电状态。在一实施例中，单体是锂离子电池单体。
如本文所描述，本发明的特点在于能量储存单元和控制系统是高度可缩放的，从小千瓦时级电能储存单元到兆瓦时级电能储存单元的范围。
图1是根据本发明的一实施例的电能储存单元100的图。如图1所示，电能储存单元100包括电池单元104a和104b、控制单元106a和106b和逆变器108a和108b。在一实施例中，电能储存单元100容纳于容器102中，容器102类似于货运集装箱。在这些实施例中，电能储存单元100是可移动的并且能由卡车运输。
如图2A至图2C所示，电能储存单元100适合于储存大量电能。
图2A是示出了用作可再生风能系统200的一部分的图1的电能储存单元100的图。风能系统200包括风力涡轮202a和202b。来自风力涡轮202a的能量储存在电能储存单元100a中。来自风力涡轮202b的能量储存在电能储存单元100b中。如相关领域技术人员所理解，电能储存单元100a和100b允许分派所储存的由风力涡轮202a和202b生成的电能。
图2B是示出了用作可再生太阳能系统220的一部分的图1的电能储存单元100的图。太阳能系统220包括太阳能阵列222和电能储存单元100。来自太阳能阵列222的能量储存在电能储存单元100中。电能储存单元100允许分派所储存的由太阳能阵列222生成的电能。
图2C是示出了用作电网能量系统230的一部分的图1的电能储存单元100的图。电网能量系统230包括电力设备232和电能储存单元100。来自电网能量系统230的能量储存在电能储存单元100中。能分派由电能储存单元100所储存的电能。
图3是进一步示出用于电能储存单元100的电池单元104a和104b的图。如图3所示，根据本发明的一实施例，电池单元104a和104b使用多个电池组302形成。在图3中，示出了三个电池组302a-c。电池组302a和302c形成电池单元104a的一部分。电池组302b形成电池单元104b的一部分。
图4是进一步示出根据本发明的实施例的电池组302的图。电池组302包括封壳402、盖子404、电源连接器406和两个信号连接器408a和408b。封壳402和盖子404优选地由强塑料或金属制成。电源连接器406包括用于电池组的正端子和负端子的连接件、用于直流电源的连接件和用于交流电源的连接件。在本发明的实施例中，仅可以使用直流电源或交流电源。信号连接器408a和408b是RJ-45连接器，但是也可以使用其它类型的连接器。信号连接器用于例如在电池组302与电能储存单元100的其它部件之间的CAN(CANBus)通信。
如图4所示，在一实施例中，封壳402容纳电池升降板410，电池升降板410支承两个电池模块412a和412b。电池模块412a和412b各包括多个袋形电池，袋形电池以串联/并联配置连接在一起。在实施例中，电池模块412a和412b可以包括(但不限于)例如布置成1P16S配置、2P16S配置、3P16S配置或4P16S配置的10至50个AH单体。其它配置也是可能的并且构成本发明的范围的一部分。在一实施例中，电池单体使用印刷电路板连接，印刷电路板包括布线和连接件用于对电池单体进行电压和温度监视以及平衡电池单体。
容纳于封壳402中的其它物品包括电池组控制器414、交流电源416、直流电源418、电池组单体平衡器420和熔断器和熔断器保持器422。在本发明的实施例中，仅可以使用交流电源416和直流电源418。
图5是进一步示出根据本发明的一实施例的示例电池组控制器414的图。在一实施例中，电池组控制器414包括电池/直流输入502、充电器开关电路504、DIP-开关506、JTAG连接件508和RS-232连接件510、风扇连接器512、CAN(CANBus)连接件514、微处理器单元(MCU)516、存储器518、平衡板连接器520、电池箱(封壳)温度监视电路522、电池单体温度测量电路524、电池单体电压测量电路528、直流-直流电源530、看门狗计时器532和复位按钮534。电池单体温度测量电路524和电池单体电压测量电路528分别使用复用器(MUX)526a和526b联接到MCU 516。
在一实施例中，电池组控制器414也从存储电池单体中的能量供电。电池组控制器414是由电池/直流输入502连接到电池单体。在其它实施例中，电池组控制器414是从连接电池/直流输入502的直流电源供电。直流-直流电源530然后将输入直流电转换为适合于操作电池组控制器414的各个电部件的一个或多个功率电平。
充电器开关电路504联接到MCU 516。充电器开关电路504和MCU 516用来控制交流电源416和/或直流电源418的操作。如本文所描述，交流电源416和/或直流电源418用来给电池组302的电池单体添加能量。
电池组控制器414包括用于通信的若干接口和连接器。这些接口和连接器联接到MCU 516，如图5所示。在一实施例中，这些接口和或连接器包括：DIP-开关506，其用来设置用于标识电池组控制器414的软件位的一部分；JTAG连接件508，其是用来测试和调试电池组控制器414；RS-232连接件510，其用来与MCU 516通信；CAN(CANBus)连接件514，其用来与MCU 516通信；以及，平衡板连接器520，其用来在电池组控制器414与电池组单体平衡器420之间通信信号。
风扇连接器512联接到MCU 516。风扇连接器512与MCU 516和电池箱温度监视电路522一起用来操作一个或多个可选的风扇，风扇能辅助冷却电池组302。在一实施例中，电池箱温度监视电路522包括多个温度传感器，温度传感器能监视电池组单体平衡器420和/或在电池组302内的其它热源的温度，诸如交流电源416和/或直流电源418。
微处理器单元(MCU)516联接到存储器518。MCU 516用来执行管理电池组302的应用程序。如本文所描述，在一实施例中，该应用程序执行以下功能：监视电池组302的电池单体的电压和温度；平衡电池组302的电池单体，监视并且控制(若需要)电池组302的温度；处置在电池组302与电能存储系统100的其它部件之间的通信；以及生成警告和/或警报，以及采取其它适当措施，以防止电池组302的电池单体过度充电或过度放电。
电池单体温度测量电路524用来监视电池组302的电池单体的单体温度。在一实施例中，个别温度监视通道使用复用器(MUX)526a联接到MCU 516。温度读数用来确保电池单体在其规定的温度极限内操作并且调整由MCU 516上执行的应用程序所计算和/或使用的温度相关值，诸如，多少可放电能量储存在电池组302的电池单体中。
电池单体电压测量电路528用来监视电池组302的电池单体的单体电压。在一实施例中，个别电压监视通道使用复用器(MUX)526b联接到MCU 516。电压读数例如用来确保电池单体在其规定的电压限度内操作并且计算直流功率电平。
看门狗计时器532用来监视和确保电池组控制器414的适当操作。在电池组控制器414操作期间发生不可恢复的错误或者计划外无限软件循环的情况下，看门狗计时器532可以使电池组控制器414复位使得其自动重新开始操作。
复位按钮534用来手动复位电池组控制器414的操作。如图5所述，复位按钮534联接到MCU 516。
图6A是示出根据本发明的一实施例的电池组单体平衡器420a的图。电池组单体平衡器420a包括通过开关606a-d联接到电池单体连接器602a的第一组电阻器604a-d和通过开关606e-h联接到电池单体连接器602a的第二组电阻器604e-h。电池单体连接器602a和602b用来将电池组单体平衡器420a连接到电池组302的电池单体。电池组电子控制单元(ECU)连接器608将开关604a-h连接到电池组控制器414。
在操作时，电池组单体平衡器420a的开关606a-h选择性地断开和闭合以改变储存在电池组302的电池单体中的能量。开关606a-h的选择性断开和闭合允许在电池组的特定电池单体中储存的能量通过电阻器604a-h放电，或者在对电池组302的电池单体充电期间能量绕过选定电池单体。电阻器604a-h的大小适于允许选定能量从电池组302的电池单体在选定时间量放电并且在充电期间允许选定能量绕过电池单体。在一实施例中，当充电能量超过选定绕过能量时，由电池组控制器414禁止闭合开关604a-h。
图6B是示出电池组单体平衡器420b的图。电池组单体平衡器420b包括通过开关622a和622b联接到两个复用器(MUX)620a的第一电容器624a和通过开关622c和622联接到两个复用器(MUX)620c和620d的第二电容器624b。复用器620a和620b连接到电池单体连接器602a。复用器620c和620d连接到电池单体连接器602b。电池组电子控制单元(ECU)连接器608将开关622a-d连接到电池组控制器414。
在操作时，复用器620a-b和开关622a-b首先被配置成将电容器624a连接到电池组302的第一电池单体。在连接后，电容器624a由第一电池单体充电，并且这种对电容器624a的充电减小了在第一电池单体中储存的能量。在充电后，复用器620a-b和开关622a-b然后被配置成将电容器624a连接到电池组302的第二电池单体。此时，在电容器624a中储存的能量被放电到第二电池单体内，从而增加了储存在第二电池单体中的能量。通过继续这个过程，电容器624a在电池组302的各个单体之间来回传递能量，因此平衡电池单体。以类似方式，复用器620c-d、开关622c-d和电容器624b也用来在电池组302的各个单体之间来回传递能量并且平衡电池单体。
图6C是示出电池组单体平衡器420c的图。电池组单体电池平衡器420c包括通过开关622a和622b联接到两个复用器(MUX)620a的第一感应器630a和通过开关622c和622联接到两个复用器(MUX)620c和620d的第二感应器630b。复用器620a和620b连接到电池单体连接器602a。复用器620c和620d连接到电池单体连接器602b。电池单体连接器602a和602b用来将电池组单体平衡器420a连接到电池组302的电池单体。感应器630a也由开关632a连接到电池组302的电池单体并且感应器630b也由开关632b连接到电池组302的电池单体。电池组电子控制单元(ECU)连接器608将开关622a-d和开关632a-b连接到电池组控制器414。
在操作时，开关632a首先闭合以允许来自电池组302的电池的能量给感应器630a充电。这种充电从电池组302的电池单体移除能量并且将能量储存在感应器630a中。在充电后，复用器620a-b和开关622a-b被配置成将感应器630a连接到电池组302的选定电池单体。在连接后，感应器630a将其储存的能量放电到选定电池单体内，从而增加了在选定电池单体中储存的能量。通过继续这个过程，感应器630a因此用来从通过开关632a连接到感应器632a的电池组302的电池单体取得能量并且将这个能量仅转移到电池组302的选定电池单体。因此这个过程可以用来平衡电池组302的电池单体。以类似方式，复用器620c-d、开关622c-d和632b和感应器630b也用来转移能量和平衡电池组302的电池单体。
如相关技术领域的技术人员应理解的，通过本文的描述，在图6A至图6C中描述的电路中每一个在其操作方面是有利的，并且在本发明的实施例中，这些电路的元件组合并且一起用来使能量绕开和/或转移能量并且因此平衡电池组302的电池单体。
图7是进一步示出根据本发明的一实施例的电能储存单元100的图。如图7所示，控制单元106包括多个电池系统控制器702a-c。如将在下文中更详细地描述，每个电池系统控制器702监视并且控制构成电池单元104的电池组302的子集(参看图3)。在一实施例中，电池系统控制器702使用CAN(CANBus)通信而联系在一起，CAN(CANBus)通信允许电池系统控制器702一起作为电池系统控制器的总网络的部分操作。这个电池系统控制器的网络可以管理并且操作任何大小的电池系统，诸如多兆瓦时级集中式储存电池系统。在一实施例中，联网电池系统控制器702之一可以指定为主电池系统控制器并且通过发送命令用来控制电池充电和放电操作，命令操作连接到电池系统的一个或多个逆变器和/或充电器。
如图7所示，在一实施例中，电能储存单元100包括双向逆变器108。双向逆变器108能使用例如经由计算机在网络(例如，因特网、以太网等)发出的命令来给电池单元104充电和给电池单元104放电，如在下文中参考图10B和图10C更详细地描述。在本发明的实施例中，可以控制逆变器108的有效功率和无功功率。而且，在实施例中，当电网电力不可用时和/或能量存储单元100与电网断开连接时，逆变器108可以作为备用电源操作。
图8A是进一步示出根据本发明的一实施例的电池系统控制器702的图。如图8A所示，在一实施例中，电池系统控制器702包括嵌入式计算机处理单元(嵌入式CPU)802、安培小时/功率监视器806、低电压继电器控制器816、高压继电器控制器826、熔断器830、分流器832、接触器834和电源836。
如图8A所示，在一实施例中，嵌入式CPU 802经由CAN(CANBus)通信端口804a与安培小时/功率监视器806、低电压继电器控制器816和电池组302通信。在实施例中，如本文所描述，嵌入式CPU 802还使用例如CAN(CANBus)通信与一个或多个逆变器和/或一个或多个充电器通信。
然而，也可以使用其它通信手段，诸如RS 232通信或RS 485通信。在操作中，嵌入式CPU 802执行许多功能。这些功能包括：监视并且控制电池组302、安培小时/功率监视器806、低电压继电器控制器816和高电压继电器控制器826的选定功能；监视并且控制电池组302何时储存能量、储存多少量和以什么速率储存能量和由电池组302何时放出能量、放出多少能量和以什么速率发出能量；防止电池组302的电池单体过度充电或过度放电；配置并且控制系统通信；例如从授权的使用者或者另一联网电池系统控制器702接收并且实施命令；以及向授权的使用者或者另一联网电池系统控制器702提供状况和配置信息。这些功能以及由嵌入式CPU 802执行的其它功能在下文中更详细地描述。
如在下文中更详细描述，由嵌入式CPU 802监视并维持的状况和控制信息的类型的示例包括参考图19A至图19E、图21、图22A至图22E和图23A至图23B标识的那些。在实施例中，嵌入式CPU 802监视并且维持共同电系统信息诸如逆变器输出功率、逆变器输出电流、逆变器交流电压、逆变器交流频率、充电器输出功率、充电器输出电流、充电器直流电压等。通过本文的描述，由嵌入式CPU 802的实施例监视和维持的额外状况和控制信息对于相关领域技术人员也是显而易见的。
如图8A所示，安培小时/功率监视器806包括CAN(CANBus)通信端口804b、微控制单元(MCU)808、存储器810、电流监视电路812和电压监视电路814。电流监视电路812联接到分流器832并且用来确定电流值和监视电池组302的充电和放电。电压监视电路814联接到分流器832和接触器834并且用来确定电压值和监视电池组302的充电和放电。由电流监视电路812和电压监视电路814获得的电流和电压值储存在存储器810中并且例如使用CAN(CANBus)通信端口804b例如通信到嵌入式CPU 802。
在一实施例中，由安培小时/功率监视器806确定的电流和电压值储存在存储器810中并且由在存储器810中储存并且在MCU 808上执行的程序用来导出功率、安培小时和瓦时值。关于安培小时/功率监视器806的这些值和状况信息使用CAN(CANBus)通信端口804b通信到嵌入式CPU 802。
如图8A所示，低电压继电器控制器816包括CAN(CANBus)通信端口804c、微控制单元(MCU)818、存储器820、多个继电器822(即，继电器R0,R1...RN)和场效电晶体(MOSFETS)824(中文是什么)。在实施例中，低电压继电器控制器816也包括温度感测电路(未图示)以监视例如电池系统控制器702的封壳外壳部件、封壳外壳电能储存单元100的温度等。
在操作时，低电压继电器控制器816从嵌入式CPU 802经由CAN(CANBus)通信端口804c接收命令并且相应地操作继电器822和场效电晶体824。此外，低电压继电器控制器816经由CAN(CANBus)通信端口804c向嵌入式CPU 802发送关于继电器和场效电晶体状态的状况信息。继电器822用来执行诸如下列功能：接通和切断冷却风扇、控制电源诸如电源836的输出等。场效电晶体824用来控制高电压继电器控制器826的继电器828以及控制状况灯等。在实施例中，低电压控制器816执行存储于MCU 818上的存储器820中的程序，在嵌入式PU停止操作和/或如所希望的通信的情况下，MCU 818接管CPU 802的操作控制。这个程序然后能关于在等待嵌入式CPU 802恢复时使系统继续操作是否安全或者是否起始系统关机和重启做出判断。
如图8A所示，高电压继电器控制器826包括多个继电器828。这些继电器之一用来操作接触器834，接触器834用来在连接电池组302的载流线中做出连接或断开连接。在实施例中，使用其它继电器828，例如控制一个或多个逆变器和/或一个或多个充电器的操作。继电器828能根据电压和电流考虑直接操作装置或者通过适当控制额外接触器(未图示)而操作。
在实施例中，熔断器830包括于电池系统控制器702中。熔断器830的目的在于中断可能会损坏电池单体或连接线的高电流。
分流器832结合安培小时/功率监视器806用来监视电池组302的充电和放电。在操作中，在分流器832两端形成与通过分流器832流动的电流成比例的电压。这个电压由安培小时/功率监视器806的电流监视电路812感测并且用来生成电流值。
电源836提供直流功率来操作电池系统控制器702的各个部件。在实施例中，到电源836的功率输入为交流线电压、直流电池电压或二者。
图8B和图8C是进一步示出根据本发明的实施例的示例性电池系统控制器702的图。图8B是示例电池系统控制器702的顶部、前侧视图，其中移除了顶部覆盖物以便于示出容纳的部件的布局。图8C是示例性电池系统控制器702的顶部、左侧视图，也移除了顶部覆盖物以示出部件的布局。
如图8B、图8C或者这两个图所示，电池系统控制器702包括封壳840，封壳840容纳嵌入式CPU 802、安培小时/功率监视器806、低电压继电器控制器816、高电压继电器控制器826、熔断器保持器和熔断器830、分流器832、接触器834和电源836。在封壳840内还包括断路器842、电源开关844、第一组信号连接器846(在封壳840的前侧上)、第二组信号连接器854(在封壳840的后侧上)、一组电源连接器856a-d(在封壳840的后侧上)和两个高电压继电器858a和858b。在图8B和图8C中，故意省略了布线以便更清楚地示出部件的布局，然而，通过本文的描述，将这些部件布线的方式将是相关领域技术人员理解的。
嵌入式CPU 802、安培小时/功率监视器806、低电压继电器控制器816、高电压继电器控制器826、熔断器保持器和熔断器830、分流器832、接触器834和电源836的目的和操作已经参考图8A在上文中描述。如相关领域技术人员已知的，断路器842的目的是安全性。断路器842与分流器832串联并且用来中断可能会损坏电池单体或连接线的高电流。其也可以用来在维护期间或者在不使用电能储存单元100期间手动断开将电池组302连接在一起的载流线。同样，电源开关844用来接通和切断到电池系统控制器702的交流功率输入。
第一组信号连接器846(在封壳840的前侧上)的目的是能连接到嵌入式CPU 802而无需将电池系统控制器702从控制单元106取出和/或无需移除封壳840的顶部覆盖物。在一实施例中，第一组信号连接器846包括USB连接器848、RJ-45连接器850和9-引脚连接器852。使用这些连接器，能例如将键盘和显示器(未图示)连接到嵌入式CPU 802。
第二组信号连接器854(在封壳840的后侧上)的目的是能连接到电能储存单元100的其它部件诸如电池组302和逆变器和/或充电器并且与之通信。在一实施例中，第二组信号连接器854包括RJ-45连接器850和9-引脚连接器852。RJ-45连接器850用于例如CAN(CANBus)通信和以太网/因特网通信。9-引脚连接器852用于例如RS-232或RS-485通信。
电源连接器856a-d(在封壳840的后侧上)用来连接电导体。在一实施例中，每个电源连接器856具有两个较大载流连接引脚和四个较小载流连接引脚。电源连接器856之一用来将分流器832的一端和接触器834的一端连接到用来将电池组302连接在一起(例如，使用两个较大载流连接引脚)的电线和用来将输入功率连接到电池组302的电源416或418之一或二者以控制封壳840内侧的一个或多个继电器(例如，使用四个较小载流连接引脚中的两个或四个)。第二电源连接器856用于例如将电网交流电连接到外壳840内的控制继电器。在实施例中，其余两个电源连接器856用来例如将封壳840内侧的继电器诸如继电器856a和856b连接到逆变器和/或充电器的供电载流导体。
在一实施例中，高电压继电器858a和858b的目的在于使连接到电池组302的充电器和/或逆变器的供电载流导体连接或中断。通过中断连接到电池组302的充电器和/或逆变器的供电载流导体，这些继电器能用来防止充电器和/或逆变器操作并且因此保护电池组302防止过度充电或过度放电。
图9是示出根据本发明的一实施例的电能储存单元900的图。如本文所描述的电能储存单元900能作为独立电能储存单元操作或者其可以与其它电能储存单元900组合在一起以构成较大电能储存单元例如电能储存单元100的一部分。
如图9所示，电能储存单元900包括联接到一个或多个电池组302a-n的电池系统控制器702。在实施例中，如在下文中更详细描述，电池系统控制器702还可以联接到在图9中由逆变器/充电器902所表示的一个或多个充电器和一个或多个逆变器。
电能储存单元900的电池系统控制器702包括嵌入式CPU 802、安培小时/功率监视器806、低电压继电器控制器816、高电压继电器控制器826、熔断器830、分流器832、接触器834和电源836。电池组302a-n中每一个包括电池模块412、电池组控制器414、交流电源416和电池组单体平衡器420。
例如，在操作时，在电池充电进展期间，电能储存单元900如下执行。嵌入式CPU802持续地监视由电能储存单元900的各种部件传输的状况信息。如果根据这种监视，嵌入式CPU 802确定该单元正常操作，然后当例如由授权的用户或者由在嵌入式CPU 802(参看下文的图10B)上执行的程序命令时，嵌入式CPU 802向低电压继电器控制器816发送命令来闭合与接触器834相关联的MOSFET开关。闭合这个MOSFET开关启动了在高电压继电器控制器826上的继电器，而这使接触器834闭合。接触器834闭合将充电器(即，逆变器/充电器902)联接到电池组302a-n。
一旦充电器联接到电池组302a-n，嵌入式CPU 802向充电器发送命令以开始对电池组充电。在实施例中，这个命令可以例如是充电器输出电流命令或者充电器输出功率命令。在执行自检后，充电器将开始充电。这种充电将造成电流通过分流器832流动，分流器832由安培小时/功率监视器806来测量。安培小时/功率监视器806也测量电池组302a-n的总电压。除了测量电流和电压之外，安培小时/功率监视器804计算直流功率值、安培小时值和瓦时值。安培小时值和瓦时值用来更新由安培小时/功率监视器806维持的安培小时计数器和瓦时计数器。电流值、电压值、安培小时计数器值和瓦时计数器值由安培小时/功率监视器806持续地传输到嵌入式CPU 802和电池组302a-n。
在充电进展期间，电池组302a-n持续地监视来自安培小时/功率监视器806的传输并且使用安培小时计数器值和瓦时计数器值来更新由电池组302a-n维持的值。这些值包括电池组和单体荷电状态(SOC)值、电池组和单体安培小时(AH)可放电值和电池组和单体瓦时(WH)可放电值，如在下文中参考图21更详细地描述。而且，在充电进展期间，嵌入式CPU802持续地监视来自安培小时/功率监视器806的传输以及来自电池组302a-n的传输并且使用安培小时计数器传输的值和电池组302a-n传输的值来更新由嵌入式CPU 802维持的值。由嵌入式CPU 802维持的值包括电池组和单体SOC值、电池组和单体AH可放电值、电池组和单体WH可放电值、电池和单体电压和电池和单体温度，如在下文中参考图22A和图22B更详细地描述。只要每个装置按照预期工作，充电进展将继续直到满足停止标准。在实施例中，停止标准包括例如最大SOC值、最大电压值或停止时间值。
在充电进展期间，当满足停止标准时，嵌入式CPU 802向充电器发送命令来停止充电。一旦停止充电，嵌入式CPU 802向低电压继电器控制器816发送命令来断开与接触器834相关联的MOSFET开关。断开这个MOSFET开关改变了在与接触器834相关联的高电压继电器控制器826上的继电器状态，而这断开接触器834。断开接触器834使充电器(即，逆变器/充电器902)与电池组302a-n去耦。
如在下文中更详细地描述，电池组302a-n负责维持其相应电池模块412的正常SOC和电压平衡。在一实施例中，由电池组使用其电池组控制器414和/或其交流电源416实现了正常SOC和电压平衡，以使得其电池模块412符合由嵌入式CPU 802传输的目标值，诸如目标SOC值和目标电压值。在充电进展的一部分期间或者在充电进展之后或者既在充电进展的一部分期间也在充电进展之后发生这种平衡。
如相关领域的技术人员通过本文的描述而理解的，电能储存单元900的放电进展以类似于充电进展的方式发生，除了电池组302a-n放电而不是充电。
图10A是进一步示出根据本发明的一实施例的电能储存单元100的图。如图10A所示，通过将若干电能储存单元900a-n组合和联网来形成电能储存单元100。电能储存单元900a包括电池系统控制器702a和电池组302a1-n1。电能储存单元900b包括电池系统控制器702n和电池组302an-nn。电池系统控制器702a-n的嵌入式CPU 802a-n联接在一起并且使用CAN(CANBus)通信而彼此通信。在嵌入式CPU 802a-n之间通信的信息包括在下文中参考图22A和图22B所标识的信息。
在操作中，电能储存单元100类似于上文关于电能储存系统900所描述的那样操作。每个电池系统控制器702监视并且控制其自己的部件诸如电池组302。此外，电池系统控制器702之一作为主电池系统控制器操作并且协调其它电池系统控制器702的活动。这种协调包括(例如)充当电能储存单元100的总监视器并且确定并通信可用来实现适当电池组平衡的目标值例如目标SOC值和目标电压值。关于如何实现这点的更多细节在下文中例如参考图25描述。
图10B是根据本发明的一实施例的电能储存系统1050的图。如图10B所示，在一实施例中，系统1050包括与服务器1056通信的电能储存单元100。服务器1056与数据库/储存装置1058a-n通信。服务器1056受到防火墙1054保护并且被示出经由因特网1052与电能储存单元100通信。在其它实施例中，使用其它通信手段，诸如蜂窝通信或高级量测体系通信网络。电能储存系统1050的用户诸如电力公用设施和/或可再生能源资产操作者使用(多个)用户接口1060与电能储存系统1050互动。在一实施例中，用户接口是图形、基于web的用户接口，例如，其能由直接连接到服务器1056或者因特网1052的计算机访问。在实施例中，由(多个)用户接口1060显示和/或控制的信息包括例如在下文中参考图19A至图19E、图21、图22A至图22B和图23A至图23B所标识的信息。通过本文给出的描述，也可以包括和/或控制对于相关领域技术人员显而易见的的额外信息。
在实施例中，(多个)用户接口1060可以用来更新和/或改变由电能储存单元100所使用的程序和控制参数。通过改变程序和/或控制参数，用户能以任何所希望的方式来控制电能储存单元100。这包括例如控制电能储存单元100何时储存能量、储存多少能量和以什么速率储存能量，以及由电能储存单元100何时放出能量、放出多少能量和以什么速率放出能量。在一实施例中，用户接口能操作一个或多个电能储存单元100使得它们例如就像旋转备用那样做出响应并且可能防止掉电或停电。
在一实施例中，电能储存系统1050用来学习更多的电池单体行为。服务器1056例如可以用来收集和处理关于构成电能储存单元100的电池单体的行为和关于电能储存单元100本身的大量信息。在一实施例中，所收集的关于电池单体和电能储存单元100的信息可以由制造商用来例如改进未来的电池和用来发展更有效的未来系统。也可以分析信息以确定例如如何以特定方式操作电池单体来影响电池单体和电能储存单元100的使用寿命。通过本文所给出的描述，电能储存系统1050的另外的特点和益处将对于相关领域技术人员是显而易见的。
图10C是根据本发明的一替代实施例的电能储存系统1050的图。电能储存系统1050的用户可以使用计算机1070(用户接口可以设置于计算机1070上)来经由并非因特网的网络连接1080访问电能储存单元100。在图10C中的网络1080可以是本领域中设想到的任何网络，包括以太网或甚至将计算机1070直接连接到电能储存单元100的甚至单根电缆。
图11至图20是进一步示出根据本发明的电能储存单元和采用电能储存单元的各种电能储存系统的图。
图11是示出根据本发明的一实施例的电能储存系统1100的图。电能储存系统1100包括电能储存单元900、发电机1104、蜂窝电话站设备1112和蜂窝电话塔架和设备1114。如在图11中所示，电能储存单元900包括具有十个电池组302a-j的电池1102、电池系统控制器702、充电器1106和逆变器1108。在本发明的实施例中，电池110可以包含多于十个或少于十个电池组302。
在操作中，发电机1104运行并且用来经由充电器1106给电池1102充电。当将电池1102充电到所希望的状态时，发电机1104关机。电池1102然后准备向蜂窝电话站设备1112和/或蜂窝电话塔架上的设备供电。电池系统控制器702监视并且控制电能储存单元900，如本文所描述。
在本发明的实施例中，逆变器1108能在充电器1106操作的同时操作使得在对电池1102充电期间逆变器1108能向设备供电而无需中断。电能储存系统1100可以使用备用电源(例如，当电网电力不可用时)或者其可以持续地用于不存在电网电力的情形(例如，在脱离电网的环境下)。
图12是示出根据本发明的一实施例的电能储存系统1200的图。电能储存系统1200类似于电能储存系统1100，除了电能储存单元900现向负载1202供电。只要电池1102和发电机1104具有相应大小，负载1202可以是任何电负载。
电能储存系统1200适用于例如脱离电网的环境，诸如偏远的医院、偏远的学校、偏远的政府机构等。因为并不需要发电机1104持续地运行以向负载1202供电，能实现明显的燃料节省，以及发电机1104的操作寿命改进。使用电能储存系统1200也能实现其它节省，诸如运输操作发电机1104所需的燃料的成本减少。
图13是示出根据本发明的一实施例的电能储存系统1300的图。电能储存系统1300类似于电能储存系统1200，除了发电机1104由太阳能电池板1302替换。在电能储存系统1300中，太阳能电池板1302用来发电，电力用来给电池1102充电和负载1202供电。
电能储存系统1300适用于例如脱离电网的环境，类似于电能储存系统1200。电能储存系统1300优于电能储存系统1200的一个优点在于不需要燃料。没有发电机和没有燃料需要使得电能储存系统1300比电能储存系统1200更易于操作和维护。
图14是示出根据本发明的一实施例的电能储存系统1400的图。电能储存系统1400类似于电能储存系统1300，除了太阳能电池板1302由电网连接件1402替换。在电能储存系统1400中，电网连接件1402用来提供电力，电力用来给电池1102充电和负载1202供电。
电能储存系统1400例如适用于电网电力可用的环境。电能储存系统1400优于电能储存系统1300的一个优点在于初始购买价格小于电能储存系统1400的购买价格。这是因为其不需要太阳能电池板1302。
图15是示出根据本发明的一实施例的电能储存系统1500的图。电能储存系统1500包括经由电网连接件1402而连接到电网的电能储存单元900。
电能储存系统1500储存来自电网的能量并且将能量供应给电网，例如以帮助公用设施转移峰值负荷并且执行负荷均衡。照此，电能储存单元900可以使用双向逆变器1502，而不是例如单独逆变器和单独充电器。使用双向逆变器是有利的，因为其通常比购买单独逆变器和单独充电器更廉价。
在本发明的实施例中，电能储存系统1500的电能储存单元900使用用户接口和计算机系统远程操作，类似于在上文中参考图10B所描述的那样。这种系统使得在电池1102中储存的能量能以类似于共用设施操作者如何互动以从燃气涡轮分派能量的方式来分派。
图16是示出根据本发明的一实施例的电能储存系统1600的图。电能储存系统1600包括电能储存单元900(容纳于户外封壳1602中)，电能储存单元900联接到太阳能电池板1606(安装于房屋1640的屋顶上)和电网连接件1608。
在操作中，太阳能电池板1606和/或电网连接件1608能用来给电能储存单元900的电池充电。电能储存单元900的电池然后放电以给房屋1604内的负载供电和/或经由电网连接件1608向电网提供电力。
图17是示出根据本发明的一实施例容纳于户外封壳1602中的电能储存单元900的图。如图17所示，电能储存单元900包括电池1102、电池系统控制器702、充电器1106和逆变器1108，以及断路器箱和断路器1704。电能储存单元900以本文所描述的方式操作。
在一实施例中，户外封壳1602是NEMA 3R额定封壳。封壳1602具有安装到封壳1602前侧上的两个门和安装到封壳1602后侧上的两个门以接近在封壳内的设备。封壳的顶面板和侧面板也可以被移除以用于额外接近。在一实施例中，使用受电池系统控制器702控制的风扇来冷却封壳1602。在实施例中，由安装于这些门之一上的空调单元(未图示)来实现冷却风扇。
通过本文的描述，如相关领域技术人员应理解的，本发明并不限于将户外封壳1602用来容纳电能储存单元900。也可以使用其它封壳。
如图18所示，在本发明的一实施例中，计算机1802用来与电能储存单元900互动并且控制电能储存单元900。计算机1802可以是任何计算机，诸如运行Windows或Linux操作系统的个人计算机。在计算机1802与电能储存系统900之间的连接可以是有线连接或无线连接。用来与电能储存单元900互动的这种系统适合于例如居住在房屋1604中希望使用这种系统的用户。对于其它用户，诸如公用设施操作者，可以使用与参考图10B所描述的系统类似的系统，从而提供额外控制和对于可从电能储存单元900得到的信息提供更多接近。
在本发明的实施例中，电能储存单元900可以受到多于一方诸如由房屋1602的居住者和由公用设施操作者监视和/或控制。在这些情况下，可以建立授权用户的不同优先级从而避免任何可能冲突的命令。
图19A至图19E是示出根据本发明的实施例的示例性用户接口1900的图，其适合于例如实施于计算机1802上。示意性接口预期是说明性的并且不限制本发明。
在如图19A所示的一实施例中，用户接口1900包括状况指示器1902、储存能量指示器1904、电能储存单元功率值1906、房屋负荷值1908、太阳能功率值1910和电网功率值1912。状况指示器1902用来指示电能储存单元900的操作状况。储存的能量指示器1904用来示出多少能量可以用来从电能储存单元900放电。四个值1906、1908、1910和1912示出了电能储存系统1600的部件的能量流动的速率和方向。
在图19A中，值1906表示能量以2.8kw的速率流入到电能储存单元900。值1908表示能量以1.2kw的速率流入到房屋1604内以给负载供电。值1910表示能量由太阳能电池板1606以2.8kw的速率生成。值1912表示能量从电网连接件1608以1.2kw的速率汲取。从这些值，能确定系统工作，太阳能电池板发电，电能储存单元的电池被充电，并且能量从公用设施以1.2kw的速率购买。
图19B描绘了在太阳能电池板不产生能量的时间点例如在夜晚的电能功率系统1600的状态。值1906表示能量以2.0kw的速率流入到电能储存单元900。值1908表示能量以1.1kw的速率流入到房屋1604内以给负载供电。值1910表示太阳能电池板1606不生成能量。值1912表示能量从电网连接件1608以3.1kw的速率汲取。从这些值，能确定系统工作，太阳能电池板不发电，电能储存单元的电池被充电，并且能量从公用设施以3.1kw的速率购买。
图19C描绘了在电能储存单元900的电池完全充电并且太阳能电池板发电的时间点电能功率系统1600的状态。值1906表示电能储存单元900消耗电力而不是发电。值1908表示能量以1.5kw的速率流入到房屋1604内以给负载供电。值1910表示能量由太阳能电池板1606以2.5kw的速率生成。值1912表示能量向电网连接件1608以1.0kw的速率提供。
图19D描绘了在太阳能电池板不产生能量的时间点例如在夜晚并且当电能储存单元900生成比用于给房屋1604中的负载供电更多的电力时的电能功率系统1600的状态。值1906表示能量以3.0kw的速率流出电能储存单元900。值1908表示能量以2.2kw的速率流入到房屋1604内以给负载供电。值1910表示太阳能电池板1606不生成能量。值1912表示能量向电网连接件1608以0.8kw的速率提供。
图19E描绘了在太阳能电池板不产生能量的时间点例如在夜晚并且当电力储存单元900受到控制以便生成房屋1604中的负载的电力需要时的电能功率系统1600的状态。值1906表示能量以2.2kw的速率流出电能储存单元900。值1908表示能量以2.2kw的速率流入到房屋1604内以给负载供电。值1910表示太阳能电池板1606不生成能量。值1912表示并无能量从电网连接件1608汲取或者向电网连接件1608供应。
如相关领域的技术人员在审阅了图19A至图19E和本文公开的描述之后应理解的，电能储存系统1600具有用于电力消费者和公用设施的许多优点。这些优点包括(但不限于)公用设施能均衡其负荷，能在电力中断的情况下向客户提供备用电源，支持插电式电动车和部署和可再生能源(例如太阳能电池板)，能提供更好的电网调节和能改进配电线效率。
图20至图25是示出本发明的各种软件特点的图。在实施例中，使用可编程的存储器和不可编程的存储器来实施软件特点。
图20是示出在示例性电能储存单元900的部件之中如何来分配本文所描述的本发明的各种软件特点的图。如图20所示，在一实施例中，电能储存单元900的电池系统控制器702具有三个部件，这三个部件包括软件。使用微控制单元(MCU)来执行软件。这些部件是嵌入式CPU 802、安培小时/功率监视器806和低电压继电器控制器816。
嵌入式CPU 802包括存储器2004，存储器2004存储操作系统(OS)2006和应用程序(APP)2008。这种软件使用MCU 2002执行。在一实施例中，这个软件一起用来使用用户接口从用户接收输入命令，并且其经由用户接口向用户提供关于电能储存单元900的状况信息。嵌入式CPU 802根据所接收的输入命令来操作电能储存单元900，只要命令不将电能储存单元900置于不合需要或不安全状态。输入命令用来控制例如何时对电能储存单元900的电池1102进行充电和放电。输入命令也用来控制例如电池1102充电和放电的速率以及在每次充电-放电循环期间电池1102循环多深。软件通过向充电器1106的充电器电子控制单元(ECU)2014发送命令来控制电池1102充电。软件通过向逆变器1108的逆变器电子控制单元(ECU)2024发送命令来控制电池1102的放电。
除了控制充电器1106和逆变器1108的操作之外，嵌入式CPU 802与电池组302a-302n和安培小时/功率监视器806一起用来管理电池1102。在嵌入式CPU 802上驻留并且执行的软件、电池组302a-n的电池系统控制器414a-n和安培小时/功率监视器806确保了电池1102在所有时间安全操作并且若需要采取适当措施来确保例如电池1102既不被过度充电也不被过度放电。
如图20所示，安培小时/功率监视器806包括存储器810，存储器810存储应用程序2010。这种应用程序使用MCU 808来执行。在实施例中，应用程序2010负责保持在电池充电进展期间跟踪多少电荷进入到电池1102中和跟踪电池放电进展期间多少电荷从电池1102取出。这个信息被通信到嵌入式CPU 802和电池组302的电池系统控制器414。
低电压继电器控制器816包括存储器820，存储器820存储应用程序2012。应用程序2012使用MCU 818来执行。在实施例中，应用程序2012响应于来自嵌入式CPU 802的命令而断开和闭合继电器和MOSFET。此外，其还将关于继电器和MOSFET开关的状态的状况信息发送到嵌入式CPU 802。在实施例中，低电压继电器控制器816还包括温度传感器，使用应用程序2012来监视温度传感器并且在某些实施例中，应用程序2012包括充分功能使得当嵌入式CPU 802如预期那样不操作时低电压继电器控制器816能接管嵌入式CPU 802并且关于使电能储存单元900关机和重启做出判断。
充电器1106的充电器ECU 2014包括存储器2018，存储器2018存储应用程序2020。使用MCU 2016来执行应用程序2020。在实施例中，应用程序2020负责从嵌入式CPU 802接收命令和相应地操作充电器1106。应用程序2020也向嵌入式CPU 802发送关于充电器1106的状况信息。
逆变器1108的逆变器ECU 2024包括存储器2028，存储器2028存储应用程序2030。使用MCU 2026来执行应用程序2030。在实施例中，应用程序2030负责从嵌入式CPU 802接收命令和相应地操作逆变器1108。应用程序2030也向嵌入式CPU 802发送关于逆变器1108的状况信息。
也如图20所示，每个电池组302包括电池系统控制器414，电池系统控制器414具有存储器518。每个存储器518用来存储应用程序2034。每个应用程序2034使用MCU 516来执行。应用程序2034也负责监视每个相应电池组302的单体并且将关于单体的状况信息发送到嵌入式CPU 802。应用程序2034也负责平衡每个相应电池组302的电池单体的电压电平和荷电状态(SOC)水平。
在一实施例中，每个应用程序2034如下操作。在通电时，MCU 518开始执行引导加载器软件。引导加载器软件从闪速存储器向RAM复制应用程序，并且引导加载器软件开始执行应用程序。一旦应用软件正常操作，嵌入式CPU 802询问电池组控制器414来判断其是否包含适用于在嵌入式CPU 802上执行的应用程序2008的适当硬件和软件版本。如果电池组控制器414包含不兼容的硬件版本，命令电池组控制器关机。如果电池组控制器414包含不兼容或者过期的软件版本，嵌入式CPU 802向电池组控制器提供正确或更新的应用程序，并且电池组控制器重启以开始执行新软件。
一旦嵌入式CPU 802确定了电池组控制器414利用正确的硬件和软件操作，嵌入式CPU 802验证电池组414利用正确的配置数据操作。如果配置数据不正确，嵌入式CPU 802向电池组控制器414提供正确的配置数据，并且电池组控制器414保存这些数据以在其下一次启动期间使用。一旦嵌入式CPU 802验证了电池组控制器414利用正确的配置数据操作，电池组控制器414执行其应用软件知道其关机。在一实施例中，应用软件包括主程序，主程序在启动时循环地运行若干过程。这些过程包括(但不限于)：监视单体电压的过程；监视单体温度的过程；确定每个单体SOC的过程；平衡单体的过程；CAN(CANBus)传输过程；以及，CAN(CANBus)接收过程。在应用软件内实施的其它过程包括警报和错误识别过程以及为了获得和管理并未由上述过程之一覆盖的图21中标识的数据的过程。
通过本文的描述，如相关领域技术人员应理解的，在本文中参考图20所描述的其它应用程序以类似方式操作，除了实施的过程获得并且管理不同数据。这些不同的数据在上下文中参考其它图描述。
图21是示出由电池组302的电池组控制器414获得和/或维持的示例性数据的图。如图21所示，这些数据包括：电池组的SOC以及每个单体的SOC；电池组的电压以及每个单体的电压；电池组的平均温度以及每个单体的温度；电池组以及每个单体的AH可放电值；电池组以及每个单体的WH可放电值；电池组以及每个单体的容量；关于电池组的最后校准放电的信息；关于电池组的最后校准充电的信息；关于电池组和每个单体的AH和WI-I效率的信息；以及自放电信息。
图22A至图22B是示出在根据本发明的电能储存单元900的实施例中由嵌入式CPU802获得和/或维持的示例性数据的图。如图22A至图22B所示，这些数据包括：关于电池1102和每个电池组302的SOC信息；关于电池1102和每个电池组302的电压信息；关于电池1102和每个电池组302的温度信息；关于电池1102和每个电池组302的AH可放电信息；关于电池1102和每个电池组302的WH可放电信息；关于电池1102和每个电池组302的容量信息；关于电池1102和每个电池组302的最后校准放电的信息；关于电池1102和每个电池组302的最后校准装料的信息；关于电池1102和每个电池组302的AH和WH效率的信息；以及，自放电信息。
除了在图22A至图22B中标识的数据之外，嵌入式CPU 802也获得并且维持与电池1102的健康或循环寿命有关的数据。这些数据在图23A至图23B中标识。
在一实施例中，在图23A至图23B中示出的数据表示充电和放电计数(即，计数器值)的数量，其如下工作。假定例如电池最初在90％电容，并且其放电到其电容10％。这种放电表示80％电容放电，其中，结束放电状态为10％电容。因此，对于这种放电，在放电10-24％之后并且由于76-90％电池电容放电(即，在图23B中具有值75的计数器)导致的由电池SOC表示的放电计数器将递增。以类似方式，在电池的每次充电进展或放电进展之后，嵌入式CPU 802确定适当计数器要递增并且使之递增。在软件中实施的过程增加计数值，对于不同的计数器值使用不同权重，以确定电池的有效循环寿命。出于本发明的目的，在图23A至图23B中标识的示例性计数器预期是说明性的而不是限制性的。
图24A至图24B是示出根据本发明的一实施例如何来控制电能储存单元的校准、充电和放电进展的图。如本文所描述，基于电池单体电压电平和电池单体荷电状态(SOC)水平来管理电能储存单元的电池。
如图24A所示并且在下文中所描述，四个高电压值2402(即，VH1、VH2、VH3和VH4)和四个高荷电状态值2406(即，SOCH1、SOCH2、SOCH3和SOCH4)用来控制充电进展。四个低电压值2404(即，VL1、VL2、VL3和VL4)和四个低荷电状态值2408(即，SOCL1、SOCL2、SOCL3、和SOCL4)用来控制放电进展。在本发明的实施例中，如在图2A中所示，用于特定电池单体集合的电压2410a(由图24A中的X表示)可能全都低于VH1的值，而用于某些或全部这些单体的SOC值2410b也处于或高于SOCH1的值。同样，如图24B所示，用于电池单体集合的电压2410c(由图24B中的X表示)也可能高于VL1的值，而用于某些或全部这些单体的SOC值2410d也处于或低于SOCL1的值。因此，如在下文中更详细地描述，所有八个电压值和所有八个SOC值如本文所描述用来管理根据本发明的电能储存单元的电池。
因为如在本文中所描述，单体电压值和单体SOC值对于根据本发明的电能储存单元的正常操作是重要的，需要周期性地校准该单元使得其适当地确定电池单体的电压电平和SOC水平。使用在软件中实施的校准过程来进行这种操作。
最初当新电能储存单元首次投入使用时执行校准过程。理想地，当电池单体首次安装到电能储存单元中时，电能储存单元电池的所有单体应在大约相同的SOC(例如，50％)。这要求最小化完成初始校准过程所需的时间量。之后，每当满足下列再校准触发标准之一时执行校准过程：标准1：自从最后校准日期经过了可编程的再校准时间间隔，例如六个月；标准2：电池单体被充电和放电(即，循环)了可编程的加权充电和放电循环次数诸如150次完全充电和完全放电循环的加权等效量；标准3：在试图平衡电池单体之后，电能储存单元电池的高SOC单体和低SOC单体以超过可编程的SOC百分比例如2-5％不同；标准4：在电池充电期间，检测到一个单体到达值VH4，而一个或多个单体处于低于VH4的电压的情形(参看图24A)并且这种情形不能通过单体平衡来校正；标准5：在电池放电期间，检测到一个单体到达VL4，而一个或多个单体处于大于VL4的电压的情形，并且这种情形不同通过单体平衡来校正。
当满足了上述再校准触发标准之一时，由嵌入式CPU 802设置电池再校准标志。在设置了电池再校准标志之后执行的第一电池充电是完全对电池的所有单体充电的充电进展。这种充电的目的是为了使电池的所有单体进入已知完全荷电状态。在电池单体处于这种已知的完全荷电状态之后，紧接着的电池放电被称作校准放电。校准放电的目的是确定当完全充电时多少可放电安培小时的电荷储存在电池的每个单体中和多少可放电能量储存在电池的每个单体中。在校准放电之后进行的电池充电被称作校准充电。校准充电的目的在于确定在校准放电之后，多少安培小时的电荷必须供应给每个单体并且多少瓦时的能量必须供应给每个电池单体，以使得所有单体在完全充电结束时回到其已知的条件。在实施这种校准过程期间确定的值由嵌入式CPU 802储存并且用来确定在电能储存单元正常操作期间电池单体的SOC。
在一实施例中，在电池再校准标志之后的第一次充电如下执行：步骤1：以CAL-I的恒定电流率给电池的单体充电直到电池的第一单体到达VH2的电压。步骤2：一旦电池的第一单体到达VH2的电压，减小电池单体充电电流到称作结束-充电-I(END-CHG-I)的值，并且重新开始对电池单体充电。步骤3：继续以结束-充电-I(END-CHG-I)电流对电池单体充电直到电池的所有单体获得在VH3与VH4之间的电压值。步骤4：如果在步骤3期间，任何单体到达VH4的电压：(a)停止对单体充电；(b)例如使用平衡电阻器使所有电压高于VH3的电池单体放电直到这些单体具有VH3的电压；(c)一旦所有单体电压处于或低于VH3，再次以结束-充电-I(END-CHG-I)电流开始对电池单体充电；以及(d)循环回到步骤3。这个程序当实施时将电池的所有单体充电到被称作SOCH3的已知荷电状态(例如，大约98％的SOC)。在实施例中，充电率(CAL-I)应为约0.3C并且结束-充电-I(END-CHG-I)电流应为约0.02至0.05C。
如上文所指出的那样，在上述充电之后的第一放电是校准放电。在实施例中，如下来执行校准放电。步骤1：以CAL-I的恒定电流率使电池的单体放电直到电池的第一单体到达VL2的电压。步骤2：一旦电池的第一单体到达VL2的电压，减小电池单体放电电流到称作结束-放电-I(例如，约0.02-0.05C)的值，并且重新开始电池单体放电。步骤3：继续以结束-放电-I(END-DISCHG-I)电流使电池单体放电直到电池的所有单体获得在VL3与VL4之间的电压值。步骤4：如果在步骤3期间，任何单体到达VL4的电压：(a)停止对单体放电；(b)例如使用平衡电阻器使所有电压高于VL3的电池单体放电直到这些单体具有VL3的电压。在校准放电结束时，确定由每个电池放电的安培小时和由每个单体放电的瓦时，并且记录由图21、图22A和图22B所表示的这些值。如本文所描述，校准放电的目的在于在完全充电时，确定多少可放电安培小时的端个储存在每个电池单体中并且多少可放电能量储存在每个电池单体中。
在校准放电之后，要执行的下一充电被称作校准充电。校准充电的目的在于确定在校准放电之后必须将多少安培小时的电荷供应给每个电池单体和必须将多少瓦时的能量供应给每个电池单体以使得所有单体回到充满电荷。这个过程如下进行：步骤1：以CAL-I的恒定电流率给电池的单体充电直到电池的第一单体到达VH2的电压；步骤2：一旦电池的第一单体到达VH2的电压，减小电池单体充电电流到称作结束-充电-I(END-CHG-I)的值，并且重新开始对电池单体充电。步骤3：继续以结束-充电-I(END-CHG-I)电流对电池单体充电直到电池的所有单体获得在VH3与VH4之间的电压值。步骤4：如果在步骤3期间，任何单体到达VH4的电压：(a)停止对单体充电；(b)例如使用平衡电阻器使所有电压高于VH3的电池单体放电直到这些单体具有VH3的电压；(c)一旦所有单体电压处于或低于VH3，再次以结束-充电-I(END-CHG-I)电流开始对电池单体充电；以及(d)循环回到步骤3。在校准充电结束时，如图21、图22A和图22B所示来记录给每个电池单体再充电所需的确定的安培小时和给每个电池单体再充电所需的确定的瓦时。通过比较校准充电信息与校准放电信息，能确定电能储存单元的AH效率和WH效率。
在本发明的实施例中，当电能储存单元的电池在正常操作期间充电时，其使用以下充电过程来充电。步骤1：从授权的使用者或者在嵌入式CPU 802上运行的应用程序接收命令，命令规定了给电能储存单元电池充电的细节。这个消息可以规定例如电池应被充电的充电电流(CHG-I)、充电器功率(CHG-P)或SOC值。命令也可以规定充电开始时间、充电停止时间或充电持续时间。步骤2：在接收到命令之后，验证命令，并且根据规定的标准来安排充电进展。步骤3：在适当时间，电能储存单元电池根据规定的标准充电，只要并无电池单体到达大于SOCH2的SOC并且并无电池单体到达VH2的电压。步骤4：如果在充电期间，电池单体到达SOCH2的荷电状态或者VH2的电压，充电率减小至不大于结束-充电-I(END-CHG-I)的速率，并且在一实施例中，采用单体的平衡电阻器(即，平衡电阻器开关闭合)来限制给单体充电的速率。步骤5：在步骤4中减小了充电速率之后，电池单体的充电以减小的充电速率继续直到电池的所有单体获得至少SOCH1的SOC或者在VH1与VH3之间的电压值。在电池单体获得SOCH0或VH2的值时，其平衡电阻器用来减小其充电率。步骤6：如果在步骤5期间，任何单体到达SOCH3荷电状态或VH3的电压：(a)停止对电池单体充电；(b)在停止充电后，具有大于SOCH2的荷电状态或者大于VH2的电压的所有电池单体使用平衡电阻器来放电直到这些单体具有SOCH2的荷电状态或者VH2的电压；(c)一旦所有单体电压处于或低于SOCH2和VH2，再次以结束-充电-I(END-CHG-I)电流开始对电池单体充电；以及(d)循环回到步骤3。
在实施例中，在上文所描述的充电过程结束时，检查再校准标准以判断是否应当实施校准过程。如果满足了校准触发标准中的任一个，那么由嵌入式CPU 802来设置再校准标志。
在本发明的实施例中，当在正常操作期间使电能储存单元的电池放电时，其使用以下充电过程放电。步骤1：接收规定电能储存单元电池的放电的细节的命令。这种命令可以规定例如应使电池放电的放电电流(DISCHG-1)、放电功率(DISCHG-P)或SOC。命令也可以规定放电开始时间、放电停止时间或放电持续时间。步骤2：在接收到命令之后，验证命令，并且根据规定的标准来安排放电进展。步骤3：在适当时间，电能储存单元电池根据规定的标准充电，只要并无电池单体到达小于SOCL2的SOC并且并无电池单体到达VL2的电压。步骤4：如果放电期间，电池单体到达SOCL2的荷电状态或者VL2的电压，放电率减小至不大于END-DTSCHG-I的速率，并且在一实施例中，采用单体的平衡电阻器(即，平衡电阻器开关闭合)来限制使单体放电的速率。步骤5：在步骤4中减小了充电速率之后，电池单体的充电以减小的充电速率继续直到电池的所有单体获得至少SOCL1的SOC或者在VL1与VL3之间的电压值。步骤6：如果在步骤5期间，任何单体到达SOCL3荷电状态或VL3的电压：(a)停止对电池单体放电；(b)在停止放电后，具有大于SOCL1的荷电状态或者大于VL1的电压的所有电池单体使用平衡电阻器来放电直到这些单体具有SOCL1的荷电状态或者VL1的电压；(c)在所有单体电压处于SOCL1或VL1之后，断开所有平衡开关并且停止电池单体放电。
在放电过程结束时，检查电池再校准标准以判断是否应实施校准过程。如果满足了校准触发标准中的任何标准，那么由嵌入式CPU 802来设置电池再校准标志。
如本文所描述，嵌入式CPU 802和电池组302持续地监视ESU电池的所有单体的电压电平和SOC水平。如果在任何时间，单体电压或单体SOC超过了或低于规定的电压或SOC安全值(例如，VH4、SOCH4、VL4、或SOCL4)，嵌入式CPU 802立即停止，无论当前正在进行什么操作，并且适当地开始如下文所描述的过度充电预防或过度放电预防过程。
例如在嵌入式CPU 802检测到电池单体具有高于VH4的电压或者大于SOCH4的荷电状态的任何时间，实施过度充电预防过程。在实施例中，当实施过度充电预防过程时，其接通连接电网的逆变器(若可用)并且以被称作OCP-DISCHG-I(例如5Amps)的电流率使电池单体放电直到电池的所有单体处于或低于SOCH3的荷电状态水平和处于或低于VH3的电压电平。如果并未提供连接电网的逆变器来使电池单体放电，那么使用平衡电阻器来使荷电状态水平大于SOCH3或者电压电平高于VH3的任何单体放电直到所有单体处于小于或等于SOCH3的荷电状态水平和小于或等于VH3的电压电平。
如果在操作期间，嵌入式CPU 802检测到电池单体电压小于VL4或荷电状态小于SOCL4，嵌入式CPU 802将立即停止当前执行的操作并且开始实施过度放电预防过程。过度放电预防过程接通充电器(若可用)并且以被称作ODP-CHG-I(例如，5Amps)的电流率给电池充电直到电池的所有单体处于或高于荷电状态水平SOCL3并且处于或高于VL3的电压电平。如果并未提供用来给电池单体充电的充电器，那么个别电池组平衡充电器用来给荷电状态水平低于SOCL3或者电压电平低于VL3的任何单体充电直到所有单体处于大于或等于SOCL3的荷电状态水平和大于或等于VL3的电压电平。
如本文所描述，电池组302的功能之一在于控制其电池单体的电压平衡和SOC平衡。这使用在软件中实施的过程实现。在一实施例中，这个过程如下。嵌入式CPU 802监视并且维持由电池组302传输的电压和SOC信息的拷贝。信息由嵌入式CPU 802用于计算目标SOC值和/或目标电压值，目标SOC值和/或目标电压值通信到电池组302。电池组302然后试图将通信的目标值匹配到规定公差范围。如上文描述，这由电池组302通过使用例如平衡电阻器或能量转移电路元件和平衡充电器来实现。
为了更全面地理解如何来根据本发明的实施例实现平衡，考虑由图25中的顶半部中所描绘的电池单体电压值或单体SOC值2502a所表示的情形。电池组1(BP-1)的单体2504关于值V/SOC2紧密地居中。电池组2(BP-2)的单体2506关于在V/SOC2与V/SOC3之间的值松散地居中。电池组3(BP-3)的单体2508关于值V/SOC1紧密地居中。电池组4(BP-4)的单体2510关于在V/SOC2与V/SOC3之间的值松散地居中。假定由嵌入式CPU 802通信到电池组的目标值是在图25的底半部中示出的值(即，在V/SOC2与V/SOC3之间的值)，由电池组采取以下措施来实现这个目标值。对于电池组1，电池组平衡充电器(例如，交流平衡充电器416)可以接通以向单体2504添加电荷并且因此将其值从图25中顶半部中示出的值增加到图25的底半部中示出的值。对于电池组2，电池组平衡充电器可以接通以向单体2506添加电荷，同时闭合与特定高值单体相关联的平衡电阻器(从而使充电电流通过)，并且然后切断平衡充电器同时仍使平衡电阻器中的某些闭合以从最高值单体放出能量直到单体2506实现图25中的底半部中示出的状态。对于电池组3，电池组平衡充电器可以接通以向单体2508添加电荷，同时闭合与特定高值单体相关联的平衡电阻器(从而使充电电流通过)直到单体2508实现了图25的底半部中示出的状态。对于电池组4，无需平衡，因为单体2510已经符合目标值。
图26A、图26B、图26C和图26D是示出根据本发明的另一个实施例的示例电池组2600的图。具体而言，图26A和图26B描绘了电池组2600的正视图，图26C描绘了电池组2600的分解图；以及图26D描绘了电池组2600的正视图和侧视图。如图26A至图26D所示，电池组2600的外壳可以包括前面板2602、盖子或覆盖物2612、后面板2616和底部2618。盖子2612包括左侧部分和右侧部分，盖子112可以包括多个通气孔以便于空气通过电池组2600和冷却电池组2600的内部部件。在一非限制性实施例中，盖子2612为“U”形并且可以由单件金属、塑料制成或者本领域普通技术人员已知的任何其它材料制成。图48A至图48B的电池组(下文)可以如根据图26A至图26D的电池组2600所描述的那样实施。
可以使用图26C所示的紧固件2628来组装电池组2600的外壳，紧固件可以是螺钉和螺栓或者本领域普通技术人员已知的任何其它紧固件。电池组2600的外壳还可以包括前手柄2610和后手柄2614。如图26C所示，前板2602可以经由前面板安装件2620联接到盖子2612和底部2618。在一实施例中，电池组2600实施为可安装到机架上的设备模块。例如，电池组2600可以实施为标准19英寸机架(例如，宽度为19英寸的前面板2602，和深度为22与24英寸之间并且高度为个机架单位或“U”的电池组2600，其中U为等于1.752英寸的标准单位)。如图26C所示，电池组2600可以包括附连到底部2618上的一个或多个安装件2622。安装件2622可以用来将电池组2600固定于机架中以便将多个电池组布置成堆叠配置(在图47的BESS 4700中示出)。
在图26A至图6D中，电池组2600包括可连接到电池组的负端子的功率连接器2604和可连接到电池组的正端子的功率连接器2606。在其它实施例中，功率连接器2604可以用来连接电池组的正端子，并且功率连接器2606可以用来连接到电池组的负端子。如图26A和图26B所示，功率连接器2604和2606可以设置于电池组2600的前板或前面板2602上。电缆(未图示)可以附连到功率连接器2604和2606并且用来向电池组2600添加能量或者从电池组600去除能量。
电池组2600的前面板2602也可以包括状况灯和重置按钮2608。在一实施例中，状况按钮2608是能按压以重置或重新启动电池组2600的按钮。在一实施例中，绕按钮2608中心的外环可以被点亮以指示电池组2600的操作状况。这种点亮可以由光源诸如一个或多个发光二极管生成，光源联接到状况按钮2608或者为状况按钮608的部分。在此实施例中，不同颜色点亮可以指示电池组的不同操作状态。例如，恒定或稳态绿光可以指示电池组2600处于正常操作状态；闪烁或选通绿光可以指示电池组2600处于正常操作状态并且电池组2600目前正使电池平衡；恒定或稳态黄光可以指示警告或者电池组2600处于错误状态；闪烁或选通黄光可以指示警告或电池组2600处于错误状态并且电池组500目前正使电池平衡；恒定或稳态红光可以指示电池组2600处于警报状态；闪烁或选通红光可以指示电池组2600需要被替换；以及无光从状况灯发出可以指示电池组2600没有电力和/或需要替换。在某些实施例中，当状况灯发出红光(稳态或闪烁)或者无光时，在电池组2600或外部控制器中的连接器自动断开以防止电池充电或放电。如对于本领域普通技术人员显而易见的是，点亮以指示电池组2600的操作状况的任何颜色、选通技术等在本发明的范围内。
转至图26C-6D，示出了安置于电池组2600的外壳内侧的示例部件，包括(但不限于)平衡充电器2632、电池组控制器(BPC)2634和电池模块控制器(BMC)2638。平衡充电器2632可以是电源，诸如直流电源，并且可以向在电池组中的所有电池单体提供能量。在一实施例中，平衡充电器2632可以同时向电池组中的所有电池单体提供能量。BMC 2638联接到电池模块2636并且可以从包括于电池模块2636中的电池单体选择性地放能，以及对电池模块2636进行测量(例如，电压和温度)。BPC 2634可以控制平衡充电器2632和BMC 2638以平衡或调整电池模块的电压和/或充电状态到目标电压和/或充电状态值。
如图所示，电池组2600包括多个电池模块并且BMC(例如，电池模块控制器2638)联接到每个电池模块(例如，电池模块2636)。在下文更详细地描述的一实施例中，nBMCs个BMC(其中n大于或等于2)可以以菊花链连接在一起并且联接到BPC以形成单线通信网络。在此示例布置中，每个BMC可以具有唯一地址并且通过将一个或多个消息定址到任何所希望的BMC的唯一地址，BPC可以与BMC中每一个通信。一个或多个消息(其包括BMC的唯一地址)可以包括以下指令：例如从电池模块去除能量、停止从电池模块去除能量、测量并且报告电池模块的温度以及测量并且报告电池模块的电压。在一实施例中，BPC 2634可以使用轮询技术从BMC中每一个获得测量值(例如，温度、电压)。BPC 2634可以计算或(从电池组2600外侧的控制器)接收电池组2600的目标电压，并且可以使用平衡充电器2632和BMC的网络来调整电池模块中每一个到目标电压。因此，电池组2600可以认为是智能电池组，能自行调整其电池单体到目标电压。
连接电池组2600的各个部件的电布线从图中省略以增强可视性。然而，图26D示出了电池组2600中的示例布线。在图示实施例中，平衡充电器2632和电池组控制器2634可以连接到底部2618或安装于底部618上。虽然被示出安装于电池组2600的左侧上，平衡充电器2632和电池组控制器2634，以及安置于电池组2600中的所有其它部件可以安置于电池组2600内的任何位置。
电池模块2636包括多个电池单体。任意多个电池单体可以包括于电池模块2636中。示例电池单体包括(但不限于)锂离子电池单体，诸如18650或26650个电池单体。电池单体可以是圆柱形电池单体、棱柱形电池单体或者袋式电池单体，仅给出几个例子。电池单体或电池模块可以例如高达100个AH电池单体或电池模块。在某些实施例中，电池单体连接成串联/并联配置。示例性电池单体配置包括(但不限于)：1P16S配置、2P16S配置、3P16S配置、4P16S配置、1P12S配置、2P12S配置、3P12S配置以及4P12S配置。本领域普通技术人员已知的其它配置也在本发明的范围内。电池模块2636包括正端子和负端子用来向包括于其中的多个电池单体添加能量或者从电池单体去除能量。
如图26C所示，电池组2600包括形成电池组件的12个电池模块。在另一实施例中，电池组2600包括形成电池组件的包括16个电池模块。在其它实施例中，电池组2600包括形成电池组件的20个电池模块或25个电池模块。如对于本领域普通技术人员显而易见的是，任何数量的电池模块可以连接以形成电池组2600的电池组件。在电池组2600中，被布置为电池组件的电池模块可以布置为串联配置。
在图26C中，电池模块控制器2638联接到电池模块2636。电池模块控制器2638可以联接到电池模块2636的正端子和负端子。电池模块控制器2638可以被配置成执行下列功能中的一个、某些或全部功能：从电池模块2636去除能量；测量电池模块2636的电压；以及测量电池模块2636的温度。如本领域普通技术人员应理解的，电池模块控制器2638并不限于执行刚刚描述的功能。在一实施例中，电池模块控制器2638实施为安置于印刷电路板上的一个或多个电路。在电池组2600中，一个电池模块控制器联接到电池组2600中的电池模块中的每一个或安装于其上。此外，每个电池模块控制器可以经由布线而联接到一个或多个相邻的电池模块控制器以便形成通信网络。如图27A所示，n个电池模块控制器(其中n是大于或等于二的整数)可以以菊花链连接在一起并且联接到电池组控制器从而形成通信网络。
图27A是示出根据本发明的一实施例由电池组控制器和多个电池模块控制器形成的示例通信网络2700的图。在图27A中，电池组控制器(BPC)2710联接到n个电池模块控制器(BMC)2720、2730、2740、2750和2760。换言之，n个电池模块控制器(其中n上大于或等于二的整数)以菊花链连接在一起并且联接到电池组控制器2710以形成通信网络2700，通信网络700被称作分布式菊花链式电池管理系统(BMS)。具体而言，BPC 2710经由通信线2715联接到BMC 2720，BMC 2720经由通信线2725联接到BMC 2730，BMC 2730经由通信线2735联接到BMC 2740，以及BMC 2750经由通信线2755联接到BMC 2760以形成通信网络。每个通信线2715、2725、2735和2755可以是单个线，形成单线通信网络，单线通信网络允许BCM 2710与BCM720-2760中每一个通信，并且反之亦然。如对于本领域技术人员显而易见的是，任何数量的BMC可以在通信系统2700中以菊花链的方式连接在一起。
在通信网络2700中的每个BMC可以具有唯一地址，BCP 2710使用该地址来与个别BMC通信。例如，BMC 2720可以具有0002的地址，BMC 2730可以具有0003的地址，BMC 2740可以具有0004的地址，BMC 2750可以具有0005的地址，以及BMC 2760可以具有0006的地址。BPC 2710可以通过将一个或多个消息定址到任何所希望的BMC的唯一地址，与BMC中每一个通信。一个或多个消息(其包括BMC的唯一地址)可以包括以下指令：例如从电池模块去除能量、停止从电池模块去除能量、测量并且报告电池模块的温度以及测量并且报告电池模块的电压。BPC 2710可以轮询BMC以获得关于电池组的电池模块的测量值，诸如电压和温度测量值。可以使用本领域技术人员已知的任何轮询技术。在某些实施例中，BPC 2710持续地向BMC轮询测量值从而持续地监视在电池组中的电池模块的电压和温度。
例如，BPC 2710可以设法与BMC 2740通信，例如以便获得安装了BMC 2740的电池模块的温度和电压测量值。在此示例中，BPC 2710生成消息并且发送消息(或指令)，消息定址到BMC 2740(例如，地址0004)。在通信网络2700中的其它BMC可以将BPC 2710发送的消息的地址解码，但是仅具有消息的唯一地址的BMC(在此示例中，BMC 2740)可以响应。在此示例中，BMC 2740从BPC 2710接收消息(例如，消息经过通信线2715、2725和2735到达BMC2740)，并且生成响应并且经由单线通信网络(例如，响应经过通信线2735、2725和2715到达BPC 2710)发送到BPC 2710。BPC 2710可以接收响应并且指导BMC 2740执行功能(例如，从其所安装的电池模块去除能量)。在其它实施例中，可以使用其它类型的通信网络(除了通信网络2700之外)。诸如RS232或RS485通信网络。
图FIG.27B是用于在电池模块控制器诸如图26C的电池模块控制器2638或者图7A的电池模块控制器2720接收指令的示例方法27000的流程图。27A.关于图27B所描述的电池模块控制器可以包括于通信网络中，通信网络包括多于一个隔离、分布式、菊花链式电池模块控制器，诸如图7A的通信网络2700。
图7B的方法27000可以实施为可以由处理器执行的软件或固件。即，方法27000的每个阶段可以实施为存储于非暂时计算机可读存储装置上的一个或多个计算机可读指令，计算机可读指令当由处理器执行时造成处理器实施一个或多个操作。例如，方法27000的可以实施为一个或多个计算机可读指令，计算机可读指令存储于电池模块控制器的处理器中并且由电池模块控制器的处理器执行(例如，图1C的电池组模块控制器138或者图7A的电池模块控制器2720)，电池模块控制器安装于电池组(例如，图26A至图26D的电池组2600)中的电池模块(例如，图26C的电池模块2636)上。
由于图7B的描述参考电池组的部件，为了清楚起见，当描述图7B的方法27000的不同阶段时，在图26A至图26D的电池组2600的示例实施例中枚举的部件和图27A的示例通信网络用来参考具体部件。然而，图26A至图26D的电池组2600和通信网络2700只是示例，并且可以使用并非图26A至图26D中所描绘的示例实施例的电池组和并非在图27A中描绘的示例实施例的通信网络2700的实施例来实施方法27000。
在开始时(阶段27100)，该方法27000继续到阶段27200，在阶段7020，电池模块控制器接收消息。例如，电池组控制器可以与菊花链式电池模块控制器的网络通信(例如图27A)以便平衡电池组(例如，在图26A至图26D的5个电池组2600)中的电池。可以在电池模块控制器的通信端子处经由通信线(例如在图27A的5个通信线2715)接收消息。这个通信可以包括(但不限于)指导电池模块控制器的网络提供安装了电池模块控制器的电池模块的电压和/或温度测量值，并且指导电池模块控制器从分别安装了电池模块控制器的电池模块去除能量或者停止去除能量。
如关于图27A所讨论，在通信网络(例如图27A的通信网络2700)的每个电池模块控制器(例如，图27A的BMC 2720)可以具有唯一地址，电池组控制器(例如，图27A的BPC 2710)使用唯一地址来与电池模块控制器通信。因此，在阶段27200接收的消息可以包括其计划用于的电池模块控制器的地址和将由电池模块控制器执行的指令。在阶段27300，电池模块控制器判断包括于该消息中的地址是否匹配电池模块控制器的唯一地址。如果地址并不匹配，方法27000返回至阶段27200并且电池模块控制器等待新消息。即，电池模块控制器响应于判断出与该消息相关联的地址并不匹配电池模块控制器的唯一地址而忽略与该消息相关联的指令。如果地址并不匹配，方法27000前进到阶段27400。
在阶段27400，电池模块控制器将包括于该消息中的指令解码并且该方法27000前进到阶段27500。在阶段27500，向电池模块轮询电压测量值。同样，指令可以(但不限于)测量并且报告电池模块的温度，测量并且报告电池模块的电压，从电池模块去除能量(例如在电池模块的端子上施加一个或多个分流电阻器)，停止从电池模块去除能量(例如，停止向电池模块的端子施加一个或多个分流电阻器)，或者在测量电池电压之前校准电压测量值。在各种实施例中，温度和电压测量值可以作为实际温度和电压值发送，或者作为编码数据发送，可以在报告了测量值之后对编码的数据进行解码。在阶段27500之后，方法27000循环回到阶段27200并且电池模块控制器等待新消息。
图28是示出根据本发明的一实施例的示例电池组控制器2800的图。图26C和图26D的电池组控制器2634可以如根据图28的电池组控制器2800所描述那样实施。图27A的电池组控制器2710可以如根据图28的电池组控制器2800所描述那样实施。
如图28所示，示例电池组控制器2800包括直流输入2802(其可以是隔离的5V直流输入)、充电器开关电路2804、DIP-开关2806、JTAG连接件2808、CAN(CANBus)连接件2810、微处理器单元(MCU)2812、存储器2814、外部EEPROM 2816、温度监视电路2818、状况灯和重置按钮2820、看门狗计时器2822和电池模块控制器(BMC)通信连接件2824。
在一实施例中，电池组控制器2800也从存储电池单体中的能量供电。电池组控制器2800可以由直流输入2802连接到电池单体。在其它实施例中，电池组控制器2800可以从连接到直流输入2802的交流至直流电源供电。在这些实施例中，DC-DC电源然后可以将输入直流电转换为适合于操作电池组控制器2800的各个电部件的一个或多个功率级。
在图28示出的示例性实施例中，充电器开关电路2804联接到MCU 2812。充电器开关电路2804和MCU 2812可以用来控制平衡充电器诸如图26C的平衡充电器2632的操作。如上文所描述，平衡充电器可以向电池组的电池单体添加能量。在一实施例中，温度监视电路2818包括一个或多个温度传感器，温度传感器可以监视在电池组内的热源温度，诸如用来向电池组的电池单体添加能量的平衡充电器的温度。
电池组控制器2800也可以包括若干接口和/或连接器用于通信。这些接口和/或连接器可以联接到MCU 2812，如图28所示。在一实施例中，这些接口和/或连接器包括：DIP-开关2806，其可以用来设置用于标识电池组控制器2800的软件比特的一部分；JTAG连接件2808，其可以用来测试和调试电池组控制器2800；CAN(CANBus)连接件2810，其可以用来与电池组外侧的控制器通信；以及，BMC通信连接件2824，其可以用来与一个或多个电池模块控制器诸如电池模块控制器的分布式菊花链式网络(例如，图27A)通信。例如，电池组控制器2800可以经由BMC通信连接件2824联接到通信线，例如图27A的通信线2715。
电池组控制器2800还包括外部EEPROM 2816。外部EEPROM 2816可以存储电池组的值，测量值等。当切断电池组的电源时这些值、测量值等可以持续(即，将不由于失去电力而丢失)。外部EEPROM 2816也可以存储可执行的代码或指令，诸如用来操纵微处理器单元2812的可执行代码或指令。
微处理器单元(MCU)2812联接到存储器2814。MCU 2812用来执行管理电池组的应用程序。如本发明所述的那样，在一实施例中，该应用程序可以执行以下功能(但不限于这些功能)：监视电池组2600的电池单体的电压和温度；平衡电池组2600的电池单体；监视并且控制(若需要)电池组2600的温度；处置在电池组2600与电能存储系统的其它部件之间的通信；以及生成警告和/或警报，以及采取其它适当措施来保护电池组600的电池单体。
如上文所描述，电池组控制器可以从电池模块控制器获得温度和电压测量值。温度读数可以用来确保电池单体在其规定的温度限度内操作并且调整由MCU 2812上执行的应用程序计算和/或使用的温度相关值。同样，电压读数例如用来确保电池单体在其规定的电压限度内操作。
看门狗计时器2822用来监视和确保电池组控制器2800的适当操作。在电池组控制器2800操作期间发生不可恢复错误或者计划外无限软件循环的情况下，看门狗计时器2822可以重置电池组控制器2800使得其正常重新开始操作。状况灯和重置按钮2820可以用来对电池组控制器2800进行手动重置操作。如图28所示，状况灯和重置按钮2820和看门狗计时器2822可以联接到MCU 2812。
图29示出了根据本发明的一实施例的示例电池模块控制器2900的图。图26C和图26D的电池组控制器2638可以如根据图29的电池组控制器2900所描述那样实施。图27A的电池模块控制器2720、2730、2740、2750和2760中每一个可以如根据图9的电池模块控制器2900所描述那样实施。电池模块控制器2900可以安装于电池组的电池模块上并且可以执行以下功能(但不限于此)：测量电池模块的电压；测量电池模块的温度；以及从电池模块去除能量(放电)。
在图29中，电池模块控制器2900包括处理器2905、电压参考2910、一个或多个电压测试电阻器2915、电源2920、故障安全电路2925、分流开关2930、一个或多个分流电阻器2935、极性保护电路2940、隔离电路2945和通信线2950。处理器2905控制电池模块控制器2900。处理器905经由电源2920从电池模块控制器900所安装的电池模块接收电力。电源2920可以是直流电源。如图29所示，电源2920联接到电池模块的正端子并且向处理器2905提供电力。处理器2905也经由极性保护电路2940联接到电池模块的负端子，极性保护电路940在电池模块控制器不当地安装于电池模块上的情况下保护电池模块控制器2900(例如，在图29中原本要联接到正端子的电池模块控制器2900的部件被不当地联接到负端子并且反之亦然)。
电池模块控制器2900可以经由通信线2950(其可以单个线)与电池组的其它部件(例如，电池组控制器，诸如图26C的电池组控制器2634)通信。如关于图27A的示例通信网络所描述，通信线2950也可以用来以菊花链方式将电池模块控制器2900连接到电池组控制器和/或一个或多个其它电池模块控制器从而形成通信网络。通信线2950可以经由安置于电池组控制器2900上的通信端子联接到电池组控制器2900。照此，电池模块控制器2900可以经由通信线2950来发送和接收消息(包括从电池组控制器发送的指令)。当充当通信网络的部分时，电池模块控制器2900可以被分配唯一网络地址，唯一网络地址可以存储于处理器2905的存储装置中。
电池模块控制器2900可以经由隔离电路2945与联接到通信线的其它部件(例如，电池组控制器、其它电池模块控制器，在电池组外部的计算系统)电隔离。在图29中，隔离电路2945安置于通信线2950与处理器2905之间。同样，通信线2950可以经由安置于电池组控制器2900上的通信端子联接到电池组控制器2900。这个通信端子可以安置于通信线2950与隔离电路2945之间，或者可以是隔离电路2945的部分。隔离电路2945可以将处理器2905电容联接到通信线2950或者可以提供本领域技术人员已知的其它形式的电隔离。
如上文所解释，电池模块控制器2900可以测量其所安装的电池模块的电压。如图29所示，处理器2905联接到电压测试电阻器2915，电压测试电阻器915联接到电池模块的正端子。处理器2905可以测量在测试电阻器2915两端的电压并且比较这个测量电压与电压参考2910来确定电池模块的电压。如关于图27A所描述，可以由电池组控制器来指导电池模块控制器2900测量电池模块的电压。在执行了电压测量值之后，处理器2905可以经由通信线2950向电池组控制器报告电压测量值。
电池模块控制器2900也可以从其所安装的电池模块去除能量。如图29所示，处理器2905联接到故障安全电路2925，故障安全电路925联接到分流开关2930。分流开关2930也经由极性保护电路2940联接到负端子。分流电阻器2935安置于电池模块的正端子与分流开关2930之间。在此实施例中，当分流开关2930断开时，分流电阻器2935并不施加到电池模块的正端子和负端子，并且当分流开关2930闭合时，分流电阻器2935施加到电池模块的正端子和负端子以便从电池模块去除能量。处理器2905可以指导分流开关2930以将电阻器2935选择性地施加到电池模块的正端子和负端子以便从电池模块去除能量。在一实施例中，处理器2905以有规律的间隔(例如，每30秒一次)指导分流开关2930施加分流电阻器2935以便使电池模块持续地放电。
故障安全电路2925可以防止分流开关2930从电池模块去除太多能量。在处理器2905故障的情况下，故障安全电路2925可以指导分流开关2930停止将分流电阻器835施加到电池模块的正端子和负端子。举例而言，处理器2905以有规律的间隔(例如每30秒一次)指导分流开关2930施加分流电阻器2935以便使电池模块持续地放电。安置于处理器2905与分流开关2930之间的故障安全电路2925可以监视处理器2905发送给分流开关2930的指令。在处理器2905向分流开关2930发送安排指令失败(这可能是由于处理器2905故障造成)的情况下，故障安全电路2925可以指导或造成分流开关2930断开，防止电池模块进一步放电。处理器2905可以指导故障安全电路2925防止分流开关2930使电池模块放电低于阈值电压或充电状态水平，阈值电压或充电状态水平可以在电池模块控制器2900或者外部控制器(例如，电池组控制器)中存储或计算。
图29的电池模块控制器2900还包括温度传感器2955，温度传感器955可以测量电池模块控制器2900所连接的电池模块的温度。如图29所描绘，温度传感器2955联接到处理器2905并且可以向处理器2905提供温度测量值。本领域技术人员已知的任何温度传感器可以用来实施温度传感器2955。
示例串控制器
图30是示出示例串控制器3000的图。具体而言，图30示出了串控制器3000的示例部件。在图30中所描绘的示例部件可以用来实施图48A的公开的串控制器4804。串控制器3000包括串控制板3024，串控制板1124控制串控制器3000的总操作。串控制板可以作为安装于印刷电路板(例如，图31A的串控制板3130)上的一个或多个电路或集成电路。串控制板3024可以包括或者实施为处理单元，诸如微处理器单元(MCU)3025、存储器3027和可执行代码。在串控制板3024中示出的单元3026、3028、3030和3042可以实施于硬件、软件或硬件与软件的组合中。单元3026、3028、3030、3032和3042可以是安装于印刷电路板或单个集成电路上的个别电路。
由串控制器3000执行的功能可以包括(但不限于)下列功能：发出电池串接触器控制命令，测量电池串电压；测量电池串电流；计算电池串安培小时计数；在系统控制器(例如，在充电站)与电池组控制器之间分程传递询问；处理询问响应消息；集合电池串数据；执行对电池组的软件装置ID分配；检测在电池串中的接地故障电流；并且检测警报和警告条件并且采取适当校正措施。MCU 3025可以通过执行存储于存储器3027中的代码而实行这些功能。
串控制器3000包括电池串端子3002和3004以分别联接到电池串(也被称作电池组的串)的正端子和负端子。电池串端子3002和3004联接到串控制板3024上的电压感测单元3042，电压感测单元1142可以用来测量电池串电压。
串控制器3000还包括分别联接到电力控制系统(PCS)的正端子和负端子的PCS端子3006和3008。如图所示，正电池串端子3002经由接触器3016联接到正PCS端子3006并且负电池串端子3004经由接触器3018联接到负PCS端子3008。串控制板3024分别经由接触器控制单元3026和3030而联接到负PCS端子1108。串控制板1124分别经由接触器控制单元1126和1130来控制接触器3016和3018(以断开和闭合)，允许电池串向PCS提供能量(放电)或者当接触器3016和3018闭合时从PCS接收能量(充电)。熔断器3012和3014保护电池串避免过大电流流动。
串控制器3000还包括用来联接到其它装置的通信端子3010和3012。在一实施例中，通信端子3010可以将串控制器3000联接到电池串的电池组控制器，允许串控制器3000发出询问、指令等。例如，串控制器3000可以发出指令，指令由电池组用于单体平衡。在一实施例中，通信端子3012可以将串控制器3000联接到阵列控制器，诸如图48A的阵列控制器4808。通信端子3010和3012可以允许串控制器3000在阵列控制器(例如，图48A的阵列控制器4808)与电池组控制器之间分程传递询问，集合电池串数据，执行到电池组的软件装置ID分配，检测警报和警告条件并且采取适当校正措施，以及其它功能。在并不包括阵列控制器的系统中，串控制器可以联接到系统控制器。
串控制器3000包括电源单元3022。图31A的电源3120可以如关于图30的电源单元3022所描述那样实施。在此实施例中，电源单元3022可以提供多于一个直流电源电压。例如，电源单元3022可以向功率串控制板3024提供一个电源电压并且提供另一电源电压来操作接触器3016和3018。在一实施例中，+5V DC电源可以用于串控制板3022，并且+12V DC可以用来闭合接触器3016和3018。
串控制板3024包括电流感测单元3028，电流感测单元1128从电流传感器3020接收输入，电流传感器1120可以允许串控制器测量电池串电流，计算电池串安培小时计数以及其它功能。此外，电流感测单元3028可以提供用于过电流保护的输入。例如如果过电流(电流水平高于预定阈值)由电流传感器3020感测到，电流传感器单元3028可以向MCU 3025提供值，该值指导接触器控制单元3026和3030以分别断开接触器3016和3018，切断电池串与PCS。同样，熔断器3012和3014也可以提供过电流保护，当超过阈值电流时，断开电池与PCS。
串控制器3000包括电池电压和接地故障检测(例如，图31A的电池电压和接地故障检测3110)。端子3038和3040可以将串控制器3000联接到电池组串中间的电池组。例如，在22个电池组的串中，端子3038可以连接到电池组11的负端子并且端子3040可以连接到电池组12的正端子。考虑图48B，SC1可以经由端子3038和3040联接到BP 11和BP 12。接地故障检测单元3032使用电阻器3034测量在电池串中间的电压并且提供接地故障保护。熔断器3036提供过电流保护。
图31A至图31B是示出示例串控制器3100的图。如图31A所示，串控制器3100保持电池电压和接地故障检测单元3110、电源3120、串控制板3130、正极熔断器3140和正极接触器3150。图31B示出了串控制器3100的另一角度并且描绘了负极熔断器3160、负极接触器3170和电流传感器3180。这些部件在下文中关于图30更详细地描述。
示例电池组平衡算法
图32是示出用于平衡电池组诸如图26A至图26D的电池组2600的示例方法3200，电池组600包括多个电池模块、平衡充电器、电池组控制器和隔离、分布式菊花链电池模块控制器的网络。方法3200可以实施为可以由处理器执行的软件或固件。即，方法3200的每个阶段可以实施为存储于非暂时计算机可读存储装置上的一个或多个计算机可读指令，计算机可读指令当由处理器执行时造成处理器实施一个或多个操作。例如，方法3200可以实施为一个或多个计算机可读指令，计算机可读指令存储于电池组(例如，图26A至图26D的电池组2600)中的电池组控制器(例如，图26C的电池组控制器2634)中存储和执行。
由于图32的描述参考电池组的部件，为了清楚起见，当描述图32的方法3200的不同阶段时，在图26A至图26D的电池组2600的示例实施例中枚举的部件图的示例用来参考具体部件。然而，图26A至图26D的电池组2600仅是一示例，并且方法3200可以使用并非图26A至图26D中描绘的示例性实施例的电池组的实施例来实施。
在开始时，方法3200前进到阶段3210，在阶段1310，由电池组控制器诸如电池组控制器2634接收目标电压值。目标值可以用于平衡电池组中的每个电池模块(例如电池模块2636)的电压和/或充电状态并且可以从外部控制器诸如关于图48A或图或图31A至图31B所描述的串控制器接收。在阶段3215，向电池模块轮询电压测量值。例如，电池组控制器2634可以从安装到电池模块上的电池模块控制器(例如，电池模块控制器2638)中每一个请求电压测量值。同样，一个电池模块控制器可以安装于电池模块中每一个上。每个电池模块控制器可以测量安装了电池模块控制器的电池模块的电压，并且将测量的电压通信给电池组控制器2634。并且，如关于图27A所讨论，电池组控制器和多个隔离、分布式菊花链式电池模块控制器可以联接在一起以形成通信网路。可以依序执行轮询(例如，轮询BMC 2720、之后BMC2730，之后BMC 2740，以此类推)。在一实施例中，目标充电值状态可以在阶段1010接收，而不是目标电压值。
在阶段3220，关于每个轮询的电池模块电压是否处于可接受范围做出判断。这个可接受范围可以由高于和/或低于所接收的目标电压的一个或多个阈值电压来确定。例如，电池组控制器2634可以使用开始放电值、停止放电值、开始充电值和停止电压值，使用这些值判断是否应执行电池模块的平衡。在一实施例中，开始放电值可以大于停止放电值(二者可以大于目标值)并且开始充电值可以小于停止充电值(二者可以都小于目标值)。通过将存储的偏移值添加到所接收的目标电压值，可以导出这些阈值。在一实施例中，可接受范围可以在开始放电值与开始充电值之间，指示可能不需要平衡的范围。如果所有电池模块电压在可接受范围内，方法3200继续到阶段3225。在阶段3225，平衡充电器(例如，平衡充电器2632)切断(如果接通)并且已经施加的每个电池模块控制器2638的分流电阻器诸如图29的分流电阻器2935断开以停止从电池模块去除能量。例如，电池组控制器2634可以指导平衡充电器2632以停止向电池组2600的电池模块提供能量。电池组控制器2634也可以指导每个电池模块控制器(每个电池模块控制器向其所安装的电池模块施加分流电阻器)停止施加分流电阻器并且因此从电池模块去除能量。方法3200然后返回到步骤3215，其中再次向电池组的电池模块轮询电压值。
返回至阶段3220，如果所有电池模块电压都不在可接受范围内，这些方法继续到阶段3230。在阶段3230，对于每个电池模块，判断电池模块电压是否高于开始放电值。如果电压高于开始放电值，方法3200继续至阶段3235，在阶段1335，施加联接到电池模块的电池模块控制器(例如，电池模块控制器2638)的分流电阻器以便从模块移除(排放)能量。该方法然后继续到阶段3240。
在阶段3240，对于每个电池模块，判断电池模块电压是否高于开始放电值。如果电压低于停止放电值，方法3200继续至阶段3245，其中联接到电池模块的电池模块控制器(例如电池模块控制器2638)的分流电阻器断开以便停止从模块放能。即，电池模块控制器停止(多个)将分流电阻器施加到其所安装的电池模块的端子上。这防止电池模块控制器从电池模块去除能量。该方法然后继续到阶段3250。
在阶段3250，判断出至少一个电池模块电压低于开始放电值。如果任何电压低于开始充电值，方法3200继续到阶段3255，在阶段1355，接通平衡充电器以向所有电池模块提供能量。例如，电池组控制器2634可以指导平衡充电器2632接通，向电池组2600的电池模块中每一个提供能量。方法3200然后继续到阶段3260。
在阶段3260，判断出所有电池模块电压高于停止充电值。如果所有电压高于停止充电值，方法3200继续到阶段3265，其中切断(如果在先前接通)平衡充电器以停止对电池组的电池模块充电。例如，电池组控制器2634可以指导平衡充电器2632以停止向电池组2600的电池模块提供能量。方法3200然后返回到阶段3215，在阶段1315，再次向电池模块轮询电压测量值。因此，如先前所描述，方法3200的阶段3215至3260可以持续地平衡电池组诸如电池组2600内的电池模块的能量。
虽然上述平衡示例仅讨论了平衡四个电池组，平衡过程可以应用于平衡任何数量的电池组。而且，由于这个过程可以适用于SOC值以及电压值，能在根据本发明的电能储存单元中在任何时候实施这个过程，并且并不限于当电能储存单元的电池充电或放电时的时间段。
用于电池组的示例质保跟踪器
在一实施例中，基于电池组诸如图26A至图26D的电池组2600的电池使用的质保可以考虑与电池组相关联的各种数据，诸如(但不限于)充电和放电率、电池温度和电池电压。如对于本领域技术人员显而易见的是，下文所公开的质保跟踪器可以实施和适用于上文所描述的系统和方法中。嵌入于电池组中的质保跟踪器可以使用这条数据来计算表示电池使用了一段时间的质保值。计算的质保值可以在电池寿命中集合，并且累积值可以用来确定质保范围。利用这种方案，质保不仅可以将电池组的中放电考虑进来，而且也考虑使用电池组的方式。根据一实施例，关于图33至图36进一步讨论用来计算质保值的各种数据。
电池组的充电和放电率与流动进出电池组的电流量相关并且可以基于该电流量来近似或确定，可以测量流动进出电池组的电流量。一般而言，更高的充电和放电率可以产生更多热(比较低速率更多)，这可能会在电池组上造成应力，缩短了电池组的寿命和/或导致意外的故障或其它问题。图33是示出了根据一实施例用来计算质保值的、在电流测量值与电流系数之间的示例相互关系的图。对于电池组，诸如图26A至图26D的电池组2600，可以直接测量电流，并且可以提供电池组的充电和/或放电率。
不同容量的电池的正常充电和放电率可以变化。因此，在一实施例中，电流测量值可以规范化以便采用不同电池组的正常充电和放电率。本领域技术人员将认识到测量的电流可以基于电池组的容量规范化，产生充电率。作为一示例，1C的规范化放电率将在一小时递送电池组额定容量，例如，1,000mAh电池将提供1,000mA放电电流一小时。充电率可以允许采用相同标准来确定正常充电和放电，无论电池组额定在1,000mAh或100Ah或者本领域普通技术人员已知的任何其它额定值。
仍考虑图33，根据一实施例，示例曲线图3302示出了作为规范化充电率3304的函数的电流系数3306。通过将测量电流转换为相对应的电流系数，电流测量值可以用来计算质保值。在一实施例中，测量电流首先规范化以产生充电率。充电率指示电池组的充电或放电率并且允许一致的质保计算，与电池组的容量无关。充电率然后可以映射到电流系数用于质保计算。例如，图1C的规范化充电率可以映射到电流系数2，而3C的充电率可以映射到电流系数10，指示更高的充电或放电率。在一实施例中，对于充电和放电率，可以维持单独的映射集合。在一实施例中，这些映射可以存储于查找表中，查找表存在于电池组内的计算机可读存储装置中。在另一实施例中，映射和电流系数可以存储于电池组外部的计算机可读存储装置中。替代地，在一实施例中，预先限定的数学函数可以映射到充电率或电流测量值以产生相对应的电流系数，而不是明确存储映射和电流系数。
在一实施例中，高于最大充电率质保阈值3308的计算的充电率可以立即使电池组的质保失效。这个阈值可以预先限定或者由质保跟踪器动态设置。在一非限制性示例中，最大质保阈值3308可以设置为2C的充电率。高于最大质保阈值3308的计算的充电率可以指示不当地使用电池组，并且因此质保可能并不涵盖因此所产生的问题。在一实施例中，对于电池组的充电率和放电率，可以限定最大质保阈值，而不是维持用于充电和放电二者的单个阈值。
温度是可能会影响到电池性能的另一因素。一般而言，更高的温度可能由于生成更高的内部温度而会造成电池组以更快的速率老化，更高的内部温度造成在电池组上增加的应力。这可能会缩短电池组的寿命。另一方面，较低的温度可能会在给电池组充电时造成损坏。
图34是示出了根据一实施例用来计算质保值、在电温度测量值与温度系数之间的示例相互关系的图。电池组，诸如图26A至26D的电池组2600可以包括一个或多个电池温度测量电路，电池温度测量电路测量在电池组内的个别电池单体或个别电池模块的温度。示例曲线图3402示出了根据一实施例作为测量温度3404的函数的温度系数3406。通过将测量的温度转换成相对应温度系数，温度测量值可以用来计算质保值。在一实施例中，温度测量值可以映射到温度系数以用于质保计算。例如，20℃的正常操作温度可以映射到1的温度系数，而40℃的更高的温度将映射到更高的温度系数。更高的温度系数可以指示电池损耗以更快的速率发生。在一实施例中，这些映射可以存储于查找表中，查找表存在于电池组内的计算机可读存储装置中。在另一实施例中，映射和温度系数可以存储于电池组外部的计算机可读存储装置中。替代地，在一实施例中，预先限定的数学函数可以适用于温度测量值以产生相对应的温度系数，而不是明确地存储映射和温度系数。
质保阈值也可以是电池温度的函数，诸如当温度低于预先限定的值时对电池组进行充电。在一实施例中，低于最低温度质保阈值3408或者高于最大温度质保阈值3410的操作温度可以立即使电池组的质保失效。这些阈值可以预先限定或者由质保跟踪器动态设置。低于最小质保阈值3408或者高于最大质保阈值3410的计算的操作温度可以指示不当地使用电池组，并且因此质保可能并不涵盖因此所产生的问题。在一实施例中，可以限定电池组的充电和放电的最大和最小质保阈值，而不是维持充电和放电的相同阈值。
电压和/或充电状态是可能影响电池性能的额外因素。电池组的电压(其可以测量)可以用来计算或者以其它方式来确定电池组的充电状态。一般而言，很高或很低充电状态或电压造成在电池组上的应力增加。而这会缩短电池组的寿命。
图35是示出了根据一实施例用来计算质保值的、在电压测量值与电压系数之间的示例相互关系的图。电池组，诸如图26A至26D的电池组2600可以包括一个或个电池电压测量电路，电池电压测量电路测量在电池组内的个别电池单体的电压或电池模块的电压。这些电压测量值可以集合或平均化以用于计算电池组的质保值。在一实施例中，可以计算电池组的充电状态并且用来计算质保值；然而，这种计算并非总是准确的并且必须小心地确定质保计算系数。在一实施例中，电池组的测量电压可以是包含于电池组内的每个电池单体或每个电池模块的平均测量电压。
在图35中，示例曲线图3502示出了根据一实施例作为测量电压3504函数的电压系数3506。通过将测量电压转换成相对应电压系数，电压测量值可以用来计算质保值。在一实施例中，电压测量值可以映射到电压系数以用于质保计算。这些映射可以针对于包含于电池组中的电池的特定类型。例如，包括一个或多个锂离子电池单体的电池组可以具有电压测量值3.2V为的平均单体，3.2V的电压测量可以映射到电压系数1。相比而言，在3.6V或2.8V的电压测量可以映射到更高的电压系数。在一实施例中，这些映射可以存储于查找表中，查找表存在于电池组内的计算机可读存储装置中。在另一实施例中，映射和电压系数可以存储于电池组外部的计算机可读存储装置中。替代地，在一实施例中，预先限定的数学函数可以适用于电压测量以产生相对应的电压系数，而不是明确地存储映射和电压系数。
在一实施例中，低于最低电压质保阈值3508或者高于最大电压质保阈值3510的测量电压可以立即使电池组的质保失效。这些阈值可以预先限定或者由质保跟踪器动态设置。在一非限制性示例中，最低质保阈值3508和最大质保阈值3510可以设置为分别指示电池单体的过度放电和过度充电。低于最小质保阈值3508或者高于最大质保阈值3510的测量电压可以指示不当地使用电池组，并且因此质保可能并不涵盖因此所产生的问题。
图36是示出了根据一实施例用于使电池组的质保失效的示例质保阈值的图。如先前所描述，不当地使用电池组可能造成质保自动失效。例如，极端操作温度、电压或充电/放电率可以使质保立即失效。
在各种实施例中，电池组可以存储在电池组的寿命中的最低记录电压3601、最大记录电压3602、最低记录温度3603、最大记录温度3604、最大记录充电电流3605、以及最大记录放电电流3606。这些值可以由能测量或计算前述数据的任何装置或装置组合来记录，诸如(但不限于)分别地，一个或多个电池电压测量电路、电池温度测量电路和电流测量电路，这些装置将关于图35至图36进一步描述。在一替代实施例中，电池组可以在计算机可读存储装置中最大记录电流，而不是最大充电和放电电流。在一实施例中，数据测量可以在电池寿命期间周期性地记录于计算机可读存储装置中。对于最小值3601和3603，如果新记录的值小于存储的最小值，那么先前存储的值被新记录的值重写。对于最大值3602、3604、3605和3606，如果新记录的值大于存储的最小值，那么先前存储的值被新记录的值重写。
在一实施例中，每个电池组可以在计算机可读存储装置中保持质保阈值列表，例如，阈值3611-3616。在另一实施例中，质保阈值列表可以保持在电池组外部的计算机可读存储装置中。质保阈值可以指示用来确定质保范围外部的电池组的使用的最小和最大限度。质保跟踪器可以周期性地比较最小和与最大值3601-3606与质保阈值3611-3616以判断电池组的质保是否将失效。
在一实施例中，电池组可以将质保状况存储于计算机可读存储装置中。质保状况可以是能表示状况的任何类型的数据。例如，质保状况可以是二进制标志，二进制标志判断质保是否失效。质保状况也可以例如是具有一组可能值的枚举类型，诸如(但不限于)有效、到期和失效。
如图36所示，质保状况基于所记录的最小和最大值3601-3606与预先限定的质保阈值3611-3616来设置。例如，最小记录电压3601是1.6V并且最低电压阈值3611是2.0V。在此示例中，最小记录电压3601小于最低电压阈值3611，并且因此质保失效，如在框3621中所示。这将在质保状况中反映出来并且存储。在各种实施例中，当质保失效时，可以生成电子通信并且由电池组和/或系统来发送，其中，电池组用来向选定个人通知质保已经失效。电子通信也可以包括关于造成质保失效的条件或使用的细节。
图37是示出根据一实施例的电池组的示例使用的图。除了如关于图36所描述记录最小数据值和最大数据值之外，也可以收集使用频率统计。例如，使用统计可以基于电池电压测量值、电池温度测量值和/或充电/放电电流测量值来记录。
在一实施例中，对于每种类型的记录数据，可以限定一个或多个值范围。在图37所示的示例中，限定的测量电压范围是2.0V-2.2V、2.2V-2.4V、2.4V-2.6V、2.6V-2.8V、2.8V-3.0V、3.0V-3.2V、3.2V-3.3V、3.3V-3.4V、3.4V-3.5V、3.5V至3.6V和3.6V-3.7V。这些范围可以是锂离子电池常见的，例如以便俘获与这些电池相关联的典型电压。每个限定的范围可以与计数器相关联。在一实施例中，每个计数器存储于电池组内的计算机可读存储装置中。在其它实施例中，计数器可以存储于电池组外部，例如在电存储单元的串控制器、阵列控制器或系统控制器中(例如，参看图48A)。这可以允许在多个电池组上进一步集合使用统计。
在一实施例中，可以周期性地取得电压测量值。当测量值在限定范围内时，相关联的计数器可以递增。那么，每个计数器的值表示属于相关联值范围内的测量频率。然后使用频率统计来创建直方图，直方图显示在电池组的寿命中或者在一段时间中的使用测量分布。同样，对于其它测量值或计算的数据，诸如(但不限于)电池温度测量值和充电/放电电流测量值，可以记录频率统计。
例如，电池使用3702表示在电池组寿命期间进行的电压测量值分布。电池使用3702可以指示电池组的普通或正常使用，具有在3.0V与3.2V之间的最高测量频率。相比而言，电池使用3704可能指示更不利的使用。
直方图，诸如在图37中显示的那些，可以适用于制造商或销售商确定电池组的不当或未覆盖使用的范围。在一实施例中，分布数据也可以用来分析和诊断电池组缺陷和质保索赔。
图38是示出了根据一实施例的示例质保跟踪器的图。质保跟踪器3810包括处理器3812、存储器3814、电池电压测量电路3816和电池温度测量电路3818。电池电压测量电路3816和电池温度测量电路3818可以实施为安置于印刷电路板上的单个电路或单独电路。在某些实施例中，诸如在上文中详细描述的那些，安置于电池组中的每个电池模块可以联接到电池模块控制器，电池模块控制器包括电池电压测量电路以及电池温度测量电路。在这些实施例中，示例质保跟踪器3810的处理器3812和存储器3814可以是电池组控制器(诸如图28的电池组控制器2800)的一部分或者实施为电池组控制器内。例如，质保跟踪器可以实施为存储器2814中的可执行代码，可执行代码由电池组控制器2800的MCU 2812执行以提供质保跟踪器的功能。
在各种实施例中，电压可以测量为包含于电池组内的电池单体或电池模块的集合电压或平均电压。电池温度测量电路3818可以包括一个或多个温度传感器以周期性地测量在电池组内的电池单体温度或电池模块温度并且将集合或平均温度测量值发送到处理器3812。
在一实施例中，处理器3812也从电池电流测量电路3822接收周期性电流测量值。电池电流测量电路3822可以在质保跟踪器3810的外部。例如，电池电流测量电路3822可以存在于串控制器3820(例如图30的串控制器3000)内。在另一实施例中，电池电流测量电路3822可以是质保跟踪器3810的部分。
处理器3812可以基于所接收的电压、温度和电流测量值来计算质保值。在一实施例中，每个质保值表示在记录所接收的测量时的电池使用。一旦接收，测量值可以转换为用于计算质保值的相关联的系数。例如，从电池电压测量电路3816接收的电压测量值可以转换为相对应的电压系数，如关于图35所描述。同样，所接收的温度测量值和电流测量值可以转换为相对应温度和电流系数，如关于图33和图34所描述。
在一实施例中，处理器3812可以通过将电压系数、温度系数和电流系数乘在一起来计算质保值。例如，当电池组不充电也不放电时电流系数可为0。计算的质保值因此将也为0，指示未发生使用。在另一实例中，当电池温度和电压在最佳水平时，相对应温度和电压系数可以为1。所计算的质保值然后将等于对应于测量电流的电流系数。当所有系数大于零时，质保值基于电压、温度和电流测量值指示电池使用。
如先前所描述，额外测量值或计算数据也可以用于计算质保值。根据一实施例，质保值也可以基于任何组合电压、温度和电流系数来计算。
虽然质保值表示在一时间点的电池使用，电池组的质保基于电池组寿命的电池使用(其可以由电池组的制造商限定)。在一实施例中，存储器3814存储累积质保值，累积质保值表示在电池组的寿命期间的电池使用。每次计算质保值时，处理器3812可以向存储器3814中存储的累积质保值添加质保值。然后使用累积质保值来判断电池质保值有效还是到期。
图39是根据一实施例用来计算和存储累积质保值的示例方法。示例方法的每个阶段可以表示存储于计算机可读存储装置上的计算机可读指令，计算机可读指令由处理器执行，造成处理器执行一个或多个操作。
方法3900始于阶段3904，测量电池组内的电池单体电压。在一实施例中，用于不同电池单体或电池模块的电池单体电压测量值可以在电池组上集合或平均化。在阶段3906，可以测量电池单体温度。在一实施例中，不同电池单体或电池模块的电池单体温度测量值可以在电池组上集合或平均化。在阶段3908，可以接收充电/放电电流测量值。阶段3904、3906和3908可以以同时或以任何次序执行。
在阶段3910，使用测量的电池电压、测量的电池温度和所接收的电流测量值来计算质保值。在一实施例中，每个质保值表示在记录所接收的测量值时的电池使用。一旦接收，测量值可以转换为用于计算质保值的相关联的系数。例如，电压测量值可以转换为关于图所描述的相对应的电压系数。35.同样，所接收的温度测量值和电流测量值可以转换为相对应温度和电流系数，如关于图33和图34所描述。
在一实施例中，可以通过使电压系数、温度系数和电流系数乘在一起来计算质保值。例如，当电池组不充电也不放电时电流系数可为0。计算的质保值因此将也为0，指示未发生使用。在另一实例中，当电池温度和电压在最佳水平时，相对应温度和电压系数可以为1。所计算的质保值然后将等于对应于测量电流的电流系数。当所有系数大于零时，质保值基于电压、温度和电流测量值指示电池使用。
如先前所描述，额外测量值或计算数据也可以用于计算质保值。根据一实施例，质保值也可以基于任何组合电压、温度和电流系数来计算。
在阶段3912，所计算的质保值添加到存储的累积质保值。在一实施例中，累积质保值可以存储于电池组内。在其它实施例中，累积质保值可以存储于电池组外部。然后可以使用累积质保值来判断电池组质保是有效的或到期的，如将在下文中关于图40和图41进一步讨论。
图40是根据一实施例使用质保跟踪器的示例方法。图40可以由计算机或者人操作者在能量管理系统诸如图3的能量管理系统处执行。图40始于阶段4002，此时接收指示电池组具有操作问题或者在其它方面具有缺陷的警告或警报。在一实施例中，警报可以作为电子邮件其它电子通信向负责监视电池组的操作者发布。在其它实施例中，警告或警报可以是听觉或视觉警报，例如在有缺陷电池组上的闪烁红光，诸如在上文中关于图26A和图26B的状况按钮2608所描述的警告。
在阶段4004，比较存储于有缺陷的电池组中的累积质保值与预先限定的阈值。这个阈值可以设置为基于电池组的正常使用而提供特定质保阶段。例如，阈值可以设置为使得电池组可以基于正常使用而涵盖10年的质保。以此方式，电池组的野蛮使用可以减小电池组的有效质保期。
在阶段4006，判断所存储的累积质保值是否超过预先限定的阈值。如果存储的累积值超过了预先限定的阈值，方法4000继续进行到阶段4008。在阶段4008，判断电池组的质保到期。如果存储的累积值并不超过阈值，方法结束，指示电池组质保并未到期。
图41是示出根据一实施例的示例电池组和相关联的质保信息的图。当电池组被报告为有缺陷时，可以执行对质保信息的分析。如图41所示，电池组4104存在于电存储单元4102中，类似于图48A和图48B的电存储单元4802的电池组。响应于电池组4104有操作问题，从电存储单元4102移除电池组4104用于分析。
在一实施例中，电池组4104可以连接到具有显示器4106的计算装置。以此方式，电池组操作者、销售商或者制造商能查看各种质保信息和状况从而确定哪一方在经济上负责维修电池组4104。在图41所示的示例中，质保阈值可以设置为500,000,000并且电池组的累积质保值为500,000,049。由于累积质保值超过了质保阈值，电池组质保确定到期，并且电池组操作者或拥有者应在财务上负责维修。
在一实施例中，可以查看电池组4104的质保信息，而无需从电存储单元4102物理地去除电池组4104。例如，存储的质保信息可以经由可以访问的网络发送到电池组4104外部的装置以进行分析。
对具有操作问题或缺陷的电池组的示例检测
图42是示出根据一实施例基于自放电率和充电时间的电池组的示例分布的图。曲线4202示出了在一段时间基于每个电池组的自放电率4206的电池组的示例分布。轴线4204指示具有特定自放电率的电池组的数量。曲线4202指示正常分布，其中某些电池组具有更高或更低的自放电。
曲线4208示出了基于每个电池组的充电时间4210，电池组的类似分布。在一实施例中，计时器可以跟踪平衡充电器诸如图26C的平衡充电器2632的操作时间来确定在一段时间电池组的充电时间。轴线4212指示在一段时间具有类似充电时间的电池组的数量。
如图42所示，电池组的自放电率和充电时间预期相似。在一实施例中，可以在一段时间收集多个电池组的数据以便确定电池分布4202和4208。多个电池组的平均充电时间可以提供健康电池组，例如在可接受的公差内操作的电池组的预期充电时间的可靠指示。可以从这些分布中选择高于平均充电时间的最大预期方差4214。例如，可以将最大方差4214设置为与多个电池组的平均充电时间的标准偏差。在一实施例中，超过最大方差4214的充电时间可以表示电池组具有操作问题或缺陷。本领域技术人员将认识到最大方差4214可以是高于电池组的预期充电时间的任何值并且可以是静态的或者随着收集额外数据而动态更新。
图43是根据一实施例的电池组(诸如图26A至图26D的电池组2600)的温度与充电时间之间的关系的图。曲线4302示出了基于每个电池组的充电时间4306，电池组的类似分布。轴线4304指示在一段时间具有类似充电时间的电池组的数量。如图43所示，曲线4302表示对于电池组中的每个电池组，基于20℃的一致电池温度的电池分布。在实施例中，电池温度可以是例如包含于电池组内的每个电池单体或者每个电池模块的平均温度。温度对于电池组的性能具有显著影响。
例如，更高的温度可能会提高电池的自放电率。在一非限制性实施例中，电池组可以每个月自充电2％并且在30℃增加到每个月10％。曲线4310示出了基于充电时间4306的电池组的分布，其中每个电池具有30℃的温度。在30℃，每个电池组的充电时间维持正常分布，但是平均和预期充电时间转移。
因为分布在不同温度转移，最大方差4308可以更新补偿温度波动。在一实施例中，一个或多个温度传感器可以监视电池组的平均电池单体或者电池模块温度。温度传感器可以在电池组的内部或外部。最大方差4308然后可以响应于温度变化而动态地调整。例如，如果电池组的平均电池模块温度经确定为30℃，最大预期方差可以调整为最大方差4312。这可以防止替换健康电池组，例如当电池组的充电时间在30℃温度处降低到最大方差4308与最大方差4312之间时。在其它实施例中，可以监视环境温度，作为电池模块温度的替代或组合，并且可以响应于环境温度变化来动态地调整最大方差4308。
图44是示出了，根据一实施例用来检测具有操作问题或缺陷的电池组的示例系统的图。在一实施例中，系统4400包括电池组4402和分析器4408。对于本领域技术人员显而易见的是，下文所公开的检测技术可以实施和使用于上文所描述的系统和方法中。电池组4402可以包括平衡充电器4404，诸如图26C的平衡充电器2632和计时器4406。电池组4402可以联接到电网4410。这使得平衡充电器4404在适当时接通和切断以向电池组4402的单体充电。
在一实施例中，计时器4406记录平衡充电器4404操作时的时间量。计时器4406嵌入于电池组内，作为电池组控制器的部分，诸如图28的电池组控制器2800。替代地，计时器4406可以单独于电池组控制器。在一实施例中，计时器4406可以在特定时段之后或者在特定时间间隔重置。例如，计时器4406可以在每个月的第一天重置以便记录平衡充电器4404在这个月期间操作的时间量。替代地，计时器4406可以维持累积操作时间或者在规定时段，例如在最后30天操作的时间。
在一实施例中，计时器4406可以向分析器4408周期性地发送所记录的操作时间。在一实施例中，分析器4408可以是电池组4402的一部分。例如，分析器4408可以集成到电池组2808的电池组控制器内，诸如图28的电池组控制器2800。在其它实施例中，分析器4408可以在电池组4402外部并且可以实施于任何计算系统上。在其中电池组4408是BESS诸如图48A和图48B的BESS 4802的一部分的一实施例中，分析器2808可以是如关于图48A所描述的串控制器、阵列控制器或者系统控制器的部分。
在一实施例中，分析器4408可以选择一时间段并且比较选定的时间段的记录操作时间与阈值时间。阈值时间可以只是从平衡充电器4406的预期操作时间的最大确定方差。预期操作时间可以表示对于选定时间段，电池组的预期充电时间，考虑到诸如(但不限于)下列因素：电池使用和自放电率。分析器4408可以基于从多个电池组收集的数据的统计分析来设置预期操作时间和阈值时间并且可以随着收集额外数据而进行调整。如果电池组4402是电池组阵列的一部分，可以基于阵列中电池组的全部或子集的分析来确定预期和阈值操作时间。此外，在一实施例中可以基于平均电池单体或者或者电池组的电池模块温度或者电池组周围的环境温度来动态地确定阈值时间，如在上文中关于图43所描述。在一实施例中，一个或多个温度传感器可以监视电池组温度或者环境温度并且向分析器4408提供测量值。分析器4408然后可以使用接收的温度测量值以调整阈值时间。
在一实施例中，如果记录的操作时间超过了阈值时间，分析器4408可以确定电池组具有操作问题或缺陷并且可能需要维护和/或替换。在此情况下，分析器4408可以向适当方诸如负责监视电池组的操作者发布警报。在一实施例中，可以作为电子邮件或其它电子通信来发出警报。在其它实施例中，发出的警报可以是声响或视觉的，例如在电池组上闪烁的红灯，诸如上文关于图26A和图26B的状况按钮2608所描述的警告。
在一实施例中，分析器4408也可以响应于确定电池组具有操作问题或缺陷而中止电池组的操作。这可以充当用来排除操作具有操作问题或缺陷的电池组而发生到任何不利效果的机构。
图45是示出，根据一实施例从电池组阵列集合数据以进行分析的图。如所解释的那样，能量系统，诸如图48A(below)的电存储系统4802包括多个电池组4502。每个电池组4502可以包括计时器用来记录电池组充电的时间量。记录的时间可以存储于每个电池组中，如在图4504所示。在一实施例中，每个计时器可以集成到每个电池组的电池组控制器内，诸如图28的电池组控制器2800，包括处理器和用来存储所记录的时间的存储器。
在一实施例中，可以由一个或多个串控制器(诸如图48Abelow的串控制器4804)来集合每个电池组的记录时间，如在4506所示。和/或由阵列控制器(诸如图48A的阵列控制器4808)和/或由系统控制器(诸如图48A的系统控制器4812)控制，如在4508处所示。如图45所示，每个串控制器可以管理多个电池组的子集。
在一实施例中，可以由一个或多个串控制器或者阵列或系统控制器将集合的记录时间发送到一个或多个分析器4510，诸如图28的分析器4408。分析器4510可以收集关于多个电池组的数据以便检测并且识别具有操作问题或缺陷的电池组，如关于图所描述。在一实施例中，分析器4510可以是每个串控制器和/或阵列或系统控制器的部分。以此方式，分析可以定位于成组的电池组上，或者对于整个系统执行。在一实施例中，分析器4510可以在多个电池组、串控制器、阵列控制器和系统控制器外部。
图46是示出了根据一实施例用来检测具有操作问题或缺陷的电池组的示例方法的图。示例方法的每个阶段可以表示存储于计算机可读存储装置上的计算机可读指令，计算机可读指令由处理器执行，造成处理器执行一个或多个操作。
方法4600始于阶段4602，记录平衡充电器操作的时间量。平衡充电器可以是电池组的诸如图26C的平衡充电器2632的部分并且被配置成给电池组的单体充电。
在阶段4604，比较特定时间段的记录的操作时间与阈值时间。阈值时间可以指示与平衡充电器的预期操作时间的确定的方差。预期操作时间可以表示对于选定时间段，电池组的预期充电时间，考虑到诸如(但不限于)下列因素：电池使用和自放电率。
在阶段4606，判断记录的操作时间是否超过阈值时间。这可以指示电池组充电长于预期并且可能需要维护和/或替换。在阶段4608，如果记录的操作时间超过阈值时间，警报可以提供给适当方，诸如负责监视电池组的计算机或人操作者(例如，能量管理系统)。在一实施例中，可以作为电子邮件或其它电子通信来发出警报。在其它实施例中，发出的警报可以是音响或视觉的，例如在电池组上的红灯。返回至阶段4606，如果记录的操作时间并不超过阈值时间，方法结束。
图47示出了示例电池能量储存系统(“BESS”)4700。具体而言，图47示出了BESS4700的截面图。BESS 4700能作为独立系统(例如，商业实施例4720)操作或者其可以与BESS单元组合在一起形成较大系统(例如，公用设施4730)的一部分。在图47中示出的实施例中，BESS 4700容纳于容器(类似于货运集装箱)中并且可以移动(例如，由卡车运输)。本领域技术人员已知的其它外壳也在本发明的范围内。
如图47所示，BESS 4700包括多个电池组，诸如电池组4710。如图所示，电池组能堆叠在BESS 4700中的机架上。这种布置允许操作者易于接近电池组中每一个用于替换、维护、测试等。多个电池组可以串联，其可以被称作一串电池组或者电池组串。
在一实施例中(在下文中更详细地解释)，每个电池组包括：电池单体(其可以布置于电池模块中)；电池组控制器，其监视电池单体；平衡充电器(例如，直流电源)，其向电池单体中每一个添加能量；以及，电池模块控制器的分布式菊花链式网络，其可以对电池单体进行某些测量并且从电池单体移除能量。电池组控制器可以控制电池模块控制器的网络和平衡充电器以控制电池组的荷电状态或电压。在此实施例中。包括于BESS 4700中的电池组被认为是“智能”电池组，“智能”电池组能接收目标电压或荷电状态值并且自行平衡到目标水平。
图47示出了BESS 4700是高度可缩放的，从小千瓦时级系统到多兆瓦时级系统。例如，图47的商业实施例4720包括单个BESS单元，其能提供400kWh能量(但是并不限于此)。商业实施例4720包括功率控制系统(PCS)4725，功率控制系统(PCS)4725在BESS单元的背部安装到外壳上。PCS 4725可以连接到电网。PCS 4725包括一个或多个双向功率转换器，其能使用例如由能量监视站的操作者经由计算机通过网络(例如，因特网、以太网等)发出的命令来使多个电池组充电和放电。PCS 4725能控制双向功率转换器的有效功率和无功功率。而且，在某些实施例中，当电网不可用和/或BESS 4720与电网断开连接时，PCS 4725能作为备用电源操作。
另一方面，图47的公用设施实施例4730包括六个BESS单元(标记为4731-4736)，其中的每一个能提供400kWh的能量(但是并不限于此)。因此，公用设施实施例4730一起可以提供2.4MWh能量。在公用设施实施例中，BESS单元中每一个一起连接到中央PCS 4737，其包括一个或多个双向功率转换器，双向功率转换器能使用例如由能量监视站的操作者经由计算机通过网络(例如，因特网、以太网等)发出的命令来使多个电池组充电和放电。PCS 4737能控制双向功率转换器的有效功率和无功功率。PCS 4737可以联接到电网。而且，在某些实施例中，当电网不可用和/或BESS与电网断开连接时，PCS 4737能作为备用电源操作。
图48A是示出了根据一实施例的示例BESS 4802的框图。BESS 4802可以经由通信网络4822联接到能量管理系统(EMS)4826。通信网络4822可以是任何类型的通信网络，包括(但不限于)因特网、蜂窝电话网等。联接到通信网络4822的其它装置，诸如计算机4828，也可以与BESS 4802通信。例如，计算机4828可以安置于BESS 4802的制造商处以维护(监视、运行诊断测试等)BESS 4802。在其它实施例中，计算机4828可以表示对BESS 4802执行维护的现场技术人员的移动装置。如图48A所示，至BESS 4802和自BESS 4802的通信可以被加密以增强安全性。
现场监视装置4824也可以经由通信网络4822联接到EMS 4826。现场监视装置4824可以联接到替代能源(例如，太阳能设备、风力设备等)以测量由替代能源生成的能量。同样，监视装置4818可以联接到BESS 4802并且测量由BESS 4802生成的能量。虽然在图48A中示出了两个监视装置，本领域技术人员将认识到监视由能源(常规和/或替代能源)生成的能量的额外监视装置可以以类似方式连接到通信网络4822。在EMS 4826处的人操作者和/或计算机化系统能分析并且监视连接到通信网络4822的监视装置的输出并且遥控BESS4802的操作。例如，EMS 4826可以指导BESS 4802根据需要(例如为了满足需求、稳定线路频率等)充电(经由PCS 4820从电网汲取能量)或放电(经由PCS 4820向电网提供能量)。
BESS 4802包括用来控制BESS 4802的控制层次的等级。始于顶层的BESS 4802的控制层次为系统控制器、阵列控制器、串控制器、电池组控制器和电池模块控制器。例如，系统控制器4812可以联接到一个或多个阵列控制器(例如，阵列控制器4808)，阵列控制器中的每一个可以联接到一个或多个串控制器(例如，串控制器4804)，串控制器中的每一个可以联接到一个或多个电池组控制器，电池组控制器中的每一个可以联接到一个或多个电池模块控制器。电池组控制器和电池模块控制器与电池组4806(a)-4806(n)安装在一起，如在上文中关于图26至图29详细地讨论。
如图48A所示，系统控制器4812经由通信链路4816(a)联接到监视装置4818并且经由通信链路4816(b)联接到通信网络4822，并且经由通信链路4816(c)联接到PCS 4820。在图48A中，通信链路4816(a)-(c)是MOD总线，但是可以使用任何有线和无线通信链路。在一实施例中，系统控制器4812也通过TCP/IP连接4817而连接到通信网络4822。
系统控制器4812能监视BESS 4802的操作并且将BESS 4802的操作报告给EMS4826或者连接到通信网络4822并且被配置成与BESS 4802通信的任何其它装置。系统控制器4812也可以从EMS 4826接收指令并且处理指令，并且将指令转发到适当阵列控制器(例如，阵列控制器4806)以执行。系统控制器4812也可以与PCS 4820通信，PCS 4820可以联接到电网，以控制BESS 4802的充电和放电。
尽管在图48A中，系统控制器4812被示出安置于BESS 4802中，在其它实施例中，系统控制器4812可以安置于BESS 4802外侧并且通信地联接到BESS 4802。再次考虑图47，商业实施例4720可以是由企业、公寓、酒店等使用的单独单元。系统控制器可以安置于商业实施例4720的BESS内，例如以经由通信网络与EMS或者在企业、公寓、酒店等的计算机通信。
在其它实施例中，诸如公用设施实施例4730中，BESS单元4731-4736中的仅一个可以包括系统控制器。例如，在图47中，BESS单元4731可以包括系统控制器而BESS单元4732-4736可以不包括系统控制器。在这种情形下，BESS 4731被认为是主单元并且用来控制BESS单元4732-4736，BESS单元4732-4736被认为是从单元。而且，在此情形下，包括于BESS单元4732-4736中每一个内的最高控制层次是阵列控制器，阵列控制器联接到BESS单元4731内的系统控制器并且与系统控制器通信。
再次考虑图48A，系统控制器4812经由通信链路4814联接到阵列控制器4808。阵列控制器4808经由通信链路4810联接到一个或多个串控制器诸如串控制器4804。虽然图48A描绘了三个串控制器(SC(1)-(3))，更多或更少串控制器可以联接到阵列控制器4808。在图48A中，通信链路4810是CAN总线并且通信链路4814是TCP/IP链路，但是也可以使用其它有线或无线通信链路。
在BESS 4802中的每个串控制器联接到一个或多个电池组。例如，串控制器4804联接到电池组4806(a)-(n)，这些电池组串联以形成电池组串。任何数量的电池组可以连接在一起以形成电池组串。电池组串能在BESS 4802中并联。并联的两个或更多个电池组串可以被称作一阵列电池组或者电池组的阵列。在一实施例中，BESS 4802包括电池组阵列，电池组阵列具有六个并联的电池组串，其中电池组串中每一个具有22个串联的电池组。
顾名思义，串控制器可以监视并未控制串中的电池组。由串控制器执行的功能可以包括(但不限于)下列：发出电池串接触器控制命令；测量电池串电压；测量电池串流；计算电池串安培小时计数；在系统控制器(例如在充电站)与电池组控制器之间分程传递询问；处理询问响应消息；集合电池串数据；执行软件装置ID到电池组的分配；检测在电池串中的接地故障电流；以及，检测警报和警告条件并且采取适当校正措施。串控制器的示例实施例在下文中关于图30、图31A和图31B展开描述。
同样，阵列控制器可以监视并且控制电池组阵列。由阵列控制器执行的功能可以包括(但不限于)下列：向电池组串发送状况询问；从电池组串接收并且处理询问响应；执行电池组串接触器控制；将电池组阵列数据广播到系统控制器；处理警报消息以确定所需措施，对于来自命令线接口的手动命令或询问做出响应(例如，在EMS处)，允许技术人员使用命令线接口来设置或改变配置设置，运行由命令线解释器所理解的相同命令和询问组成的测试脚本；以及将测试脚本所生成的数据广播到数据服务器以用于收集。
图48B示出了示例BESS的截面图。图48B示出了三个电池组串(“串1”、“串2”和“串3”)，其中的每一个包括串控制器(分别地，“SC1”、“SC2”、和“SC3”)和22个串联的电池组。串1-3可以并联并且受到阵列控制器4808控制。
在串1中，标记22个电池组中每一个(“BP1”至“BP 22”)，示出了电池组串联的次序。即，BP1连接到串控制器(SC1)的正端子和BP 2，BP 2连接到BP1和BP3，BP3连接到BP 2和BP4，以此类推。如图所示，BP 22连接到SC1的负端子。在图示实施例中，SC1可以接入串1的中部(即，BP11和BP12)。在一实施例中，中点接地并且包括接地故障检测装置。
BESS 4802包括一个或多个照明单元4830和一个或多个风扇4832，它们可以以有规律的间隔安置于BESS 4802的天花板中。照明单元4830可以向BESS 4802的内部提供照明。风扇4832定向成使得它们从天花板向BESS 4802的地板吹风(即，它们吹入到BESS 4802的内部)。BESS 4802也可以包括拆分式空调单元，其包括容纳于BESS 4802的外壳内的空气处置装置4834和容纳于BESS 4802的外壳外侧的冷凝器4836。空调单元和风扇4832可以受到控制(例如，由阵列控制器4808控制)以形成空气流动系统并且调节容纳于BESS 4802内的电池组的温度。
示例BESS外壳
图49A、图49B和图49C是示出示例BESS 4900的外壳(例如，定制货运集装箱)的图。在图49A至图49C中，标出了BESS 4900的外壳的背部和前部。如图所示，一个或多个PCS4910可以安装于BESS 4900的背部上，其将BESS 4900联接到电网。BESS 4900的前部可以包括一个或多个门(未图示)，门可以提供到外壳内侧的接近。操作者可以通过门进入BESS4900并且接近BESS 4900的内部部件(例如，电池组、计算机等)。图49A描绘了BESS 4900，其中其外壳顶部就位。
图49B描绘了BESS 4900，其中移除了其外壳顶部。可以看出，BESS 4900包括一个或多个天花板4920、一个或多个照明单元4930和一个或多个风扇4940。照明单元4930和风扇4940可以以有规律的间隔安置于天花板4920中。照明单元4930能向BESS 4900的内部提供照明。风扇4940定向成使得它们从天花板4920向BESS 4900的地板吹风(即，它们吹入到BESS 4900的内部)。在容纳于BESS 4900中的电池组齿架上方的开口4950允许暖风向上吹到外壳顶部与天花板4920之间的空间，在天花板4920上方形成热空气区域。图49C描绘了移除了天花板4920的BESS 4900。可以看出，在容纳于BESS 4900中的电池组齿架上方设有开口4950。
图50A、图50B和图50C是示出没有外壳的示例BESS 5000的图(即，BESS 5000的内部结构)。图50A和图50B示出了从不同角度观察的容纳于BESS 5000内的电池组的齿架。图50C示出了BESS 5000的正视图。这是可以由在BESS 5000前方开门并且进入BESS 5000以执行维护或测试的操作者可以看到的视图。图50C示出了在BESS 5000的背部的拆分式空调单元5010。空调单元5010受到控制(例如，受到阵列控制器控制)以调节BESS 5000的温度。空调单元5010向BESS 5000的内部提供冷空气并且在BESS 5000的走道中形成冷空气区域。
图51示出了示例BESS 5100的另一正视图并且描绘了在BESS 5100中的空气流动。如关于图49A至图49C和图50A至图50C所解释，在BESS 5100的天花板中的风扇将来自天花板上方的热空气区域5100的热空气吹向BESS 5100的地板。在BESS 5100的背部的A/C单元将热空气从BESS 5100抽出并且将冷空气提供到BESS 5100内部，形成冷空气区域5120。冷空气调节容纳于BESS 5100内的电池组的温度，并且随着其冷却电池组，上升到热空气区域5110。
通过本文给出的描述，如相关领域的技术人员应理解的，能使用处理硬件、固件、软件和/或其组合诸如专用集成电路(ASIC)来实施本发明的各种特点。使用硬件、固件和/或软件来实施这些特点将对于相关领域的技术人员是显而易见的。而且，虽然在上文中描述了各种实施例，应了解它们可以以举例说明的方式给出并且无限制意义。对于相关领域的技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围的情况下能做出各种变化。
应意识到详细描述部分而非发明内容和摘要部分预期用于解释权利要求。发明内容和摘要部分可以陈述了(多个)发明者设想到的本发明的一个或多个示例性实施例而不是所有示例性实施例，并且因此预期并不以任何方式限制本发明和权利要求。
在上文中借助于功能构建块描述了本发明的实施例，功能构建块示出了所规定的功能和其关系的实施。这些功能构建块的边界在本文中任意地限定以便于描述。也可以限定替代边界，只要适当地执行规定的功能和其关系。而且，标识符诸如“(a)”、“(b)”、“(i)”、“(ii)”等有时用于不同的元件或步骤。这些标识符出于清楚目的而使用并未未必指定元件或步骤的次序。
具体实施例的前文的描述也将全面地披露本发明的一般性质，其它人通过采用本领域技术内的知识能够易于修改和/或调适以用于各种应用诸如具体实施例，无需过度实验，而不偏离本发明的一般构思。因此，基于本文中展示的教导内容和引导，这些调适和修改预期在所公开的实施例的意义和范围内。应了解本文中的短语或术语是出于描述目的并且并无限制意义，使得本说明书的术语或短语将由本领域技术人员根据教导内容和指导来解释。
本发明的范畴和范围不应限于上文所描述的实施例，而是应仅根据以下权利要求和其等效物来限定。

Claims (20)

1.一种电能储存单元，包括：
电池组控制器，其被配置成监视多个电池单体；
电池组放电器，其联接到所述电池组控制器，被配置成从所述多个电池单体中每一个单独地放能；以及
电池组充电器，其联接到所述电池组控制器，被配置成给所述多个电池单体充电，
其中所述电池组控制器接收目标平衡值并且通过至少以下步骤来控制所述电池组放电器和所述电池组充电器的操作来调整所述多个电池单体中每一个的荷电状态朝向所述目标平衡值：
响应于所述多个电池单体中至少一个的荷电状态低于所述目标平衡值有关的第一阈值来指导所述电池组充电器给所述多个电池单体充电；以及
响应于所述一个或多个电池单体的所述荷电状态高于所述目标平衡值有关的第二阈值来指导所述电池组放电器使所述多个电池单体中一个或多个单独地放电。
2.根据权利要求1所述的电能储存单元，其中，所述多个电池单体是锂离子电池单体。
3.根据权利要求1所述的电能储存单元，其中，所述电池组放电器包括多个电阻器，所述电阻器用来放出在所述多个电池单体中储存的能量。
4.根据权利要求1所述的电能储存单元，其中，所述电池组放电器包括电容器和感应器之一，所述电容器和感应器之一用来将储存在第一电池单体中的能量转移到所述多个电池单体的第二电池单体。
5.根据权利要求1所述的电能储存单元，其中，所述电池组控制器控制所述电池组放电器和所述电池组充电器的操作以调整所述多个电池单体中每一个的电压。
6.根据权利要求1所述的电能储存单元，其中，所述电池组充电器是恒流充电器。
7.根据权利要求1所述的电能储存单元，还包括：
第二电池组控制器，其被配置成监视第二多个电池单体；
第二电池组放电器，其联接到所述第二电池组控制器，被配置成从所述第二多个电池单体中每一个单独地放能；以及
第二电池组充电器，其联接到所述第二电池组控制器，被配置成给所述第二多个电池单体充电，
其中所述第二电池组控制器接收目标平衡值并且通过至少以下步骤来控制所述第二电池组放电器和所述第二电池组充电器的操作来调整所述第二多个电池单体种每一个的荷电状态朝向所述目标平衡值：
响应于所述第二多个电池单体中至少一个的荷电状态低于所述目标平衡值有关的第一阈值来指导所述第二电池组充电器给所述第二多个电池单体充电；以及
响应于所述一个或多个电池单体之一的所述荷电状态高于所述目标平衡值有关的第二阈值来指导所述第二电池组放电器使所述第二多个电池单体中的一个或多个单独地放电。
8.根据权利要求7所述的电能储存单元，还包括：
电池系统控制器，其联接到所述第一电池组控制器和所述第二电池组控制器，
其中所述电池系统控制器计算所述目标平衡值并且将所述目标平衡值传输到所述第一电池组控制器和所述第二电池组控制器。
9.根据权利要求8所述的电能储存单元，其中，所述电池系统控制器将电压值通信到所述第二电池组控制器，并且所述第二电池组控制器至少基于所述电压值来控制所述第二电池组放电器和所述第二电池组充电器。
10.根据权利要求7所述的电能储存单元，还包括：
安培小时监视器，其联接到所述第二电池组控制器，
其中所述安培小时监视器计算安培小时值，并且所述第二电池组控制器至少基于所述安培小时值来确定所述第二多个电池单体中每一个的荷电状态。
11.一种电能储存单元，包括：
电池系统控制器，其计算目标平衡值；以及
多个电池组，其联接到所述电池系统控制器，其中每个电池组包括：
多个电池单体；
电池组控制器，其被配置成监视多个电池单体；
电池组放电器，其联接到所述电池组控制器，被配置成从所述多个电池单体中每一个单独地放能；以及
电池组充电器，其联接到所述电池组控制器，被配置成给所述多个电池单体充电，
其中所述电池组控制器接收目标平衡值并且通过至少以下步骤来控制所述电池组放电器和所述电池组充电器的操作来调整所述多个电池单体中每一个的荷电状态朝向所述目标平衡值：
响应于所述多个电池单体中至少一个的荷电状态低于所述目标平衡值有关的第一阈值来指导所述电池组充电器给所述多个电池单体充电；以及响应于所述一个或多个电池单体之一的所述荷电状态高于所述目标平衡值有关的第二阈值来指导所述电池组放电器使所述多个电池单体中的一个或多个单独地放电。
12.根据权利要求11所述的电能储存单元，其中，所述多个电池单体是锂离子电池单体。
13.根据权利要求11所述的电能储存单元，其中，所述电池组放电器包括多个电阻器，所述电阻器用来放出在所述多个电池单体中储存的能量。
14.根据权利要求11所述的电能储存单元，其中，所述电池组放电器包括电容器和感应器之一，所述电容器和感应器之一用来将储存在第一电池单体中的能量转移到所述多个电池单体的第二电池单体。
15.根据权利要求11所述的电能储存单元，其中，所述电池组控制器控制所述电池组放电器和所述电池组充电器的操作以调整所述多个电池单体中每一个的电压。
16.根据权利要求11所述的电能储存单元，其中，所述电池组充电器是恒流充电器。
17.根据权利要求11所述的电能储存单元，还包括：
安培小时监视器，其联接到所述电池系统控制器，
其中所述安培小时监视器计算安培小时值，并且所述电池组控制器至少基于所述安培小时值来确定所述多个电池单体中每一个的荷电状态。
18.根据权利要求17所述的电能储存单元，还包括：继电器控制器，其联接到所述电池系统控制器。
19.根据权利要求17所述的电能储存单元，还包括：充电器，其联接到所述多个电池组。
20.根据权利要求17所述的电能储存单元，还包括：逆变器，其联接到所述多个电池组。
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