CN107123834A - 具有集成电池管理系统的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的实施例涉及一种电池组，电池组可以用于电池能量储存系统。在一实施例中，电池组可以包括集成电池管理系统(BMS)，集成电池管理系统具有隔离的、分布式、菊花链式电池模块控制器。菊花链式电池模块控制器可以联接到电池组控制器，电池组控制器可以使用电池模块控制器和平衡充电器来对电池组进行充电和/或放电。

Description

具有集成电池管理系统的电池组
技术领域
本文所公开的实施例涉及一种电池组，电池组可以用于电池能量储存系统。电池组包括集成电池管理系统。
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应水平。在本文中描述了允许以更具有成本效益和可靠方式产生和使用电力的新能量存储系统、方法和装置。
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做出和使用本发明。
图1A、图1B和图1C是示出示例电池组的图。
图2A、图2B、图2C和图2D是进一步示出示例电池组的图。
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3H是进一步示出示例电池组的图，
图4是示出集成到电池组内的示例电池组控制器的图。
图5A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5B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6是示例电池组控制器的图。
图7A和图7B是示出示例电池模块控制器的图。
图8是进一步示出示例电池模块控制器的图。
图9是示出示例电池能量储存系统的图。
图10是示出用来平衡电池组的示例方法的流程图。
在附图中，相似附图标记可以指示相同或功能相似的元件。
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。
图1A、图1B和图1C是示出根据本发明的实施例的示例电池组100的图。具体而言，图1A和图1B描绘了电池组100的正视图，并且图1C描绘了电池组100的分解图。如图1A至图1C所示，电池组100的外壳可以包括前面板102、盖子或覆盖物112、后面板116和底部118。盖子112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100并且辅助冷却电池组100的内部部件。在一非限制性实施例中，盖子112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。
可以使用图1C所示的紧固件128来组装电池组100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100的外壳还可以包括前手柄110和后手柄114。如图1C所示，前板102可以经由前面板安装件120联接到盖子112和底部118。在一实施例中，电池组100实施为可安装到机架上的设备模块。例如，电池组100可以实施为标准19英寸机架(例如，宽度为19英寸的前面板102，和深度为22与24英寸之间并且高度为4个机架单位或“U”的电池组100，其中U为等于1.752英寸的标准单位)。如图1C所示，电池组100可以包括附连到底部118上的一个或多个安装件122。安装件122可以用来将电池组100固定于机架中以便将多个电池组布置成堆叠配置(在图9中示出)。
在图1A至图1C中，电池组100包括可连接到电池组的负端子的电连接器104和可连接到电池组的正端子的电连接器106。在其它实施例中，电连接器104可以用来连接电池组的正端子，并且电连接器106可以用来连接到电池组的负端子(诸如在下文关于图2A至图2D所讨论的实施例中)。如图1A和图1B所示，电连接器104和106可以设置于电池组100的前板或前面板102上。电缆(未图示)可以附连到电连接器104和106并且用来向电池组100添加能量和从电池组100去除能量。
电池组100的前板102也可以包括状况灯和重置按钮108。在一实施例中，状况按钮108是能按压以重置或重新启动电池组100的按钮。在一实施例中，绕按钮108中心的外环可以被点亮以指示电池组100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108或者为状况按钮108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100处于正常操作状态；闪烁或选通绿光可以指示电池组100处于正常操作状态并且电池组100目前使电池平衡；恒定或稳态黄光可以指示警告或者电池组100处于错误状态；闪烁或选通黄光可以指示警告或电池组100处于错误状态并且电池组100目前使电池平衡；恒定或稳态红光可以指示电池组100处于警示状态；闪烁或选通红光可以指示电池组100需要被替换；以及无光从状况灯发出可以指示电池组100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100或外部控制器中的连接器自动打开以防止电池充电或放电。如对于本领域技术人员显然，点亮以指示电池组100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1C，示出了安置于电池组100的外壳内侧的示例部件，包括(但不限于)平衡充电器132、电池组控制器(BPC)134和电池模块控制器(BMC)138。平衡充电器132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132可以同时向电池组中的所有电池单体提供能量。BMC 138联接到电池模块136并且可以从包括于电池模块136中的电池单体选择性地放能，以及对电池模块136进行测量(例如，电压和温度)。BPC 134可以控制平衡充电器132和BMC 138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/或充电值状态。
如图所示，电池组100包括多个电池模块并且BMC(例如，电池模块控制器138)联接到每个电池模块(例如，电池模块136)。在下文更详细地描述的一实施例中，n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BPC可以通过将一个或多个消息定址到任何所希望的BMC的唯一地址而与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 134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 134可以计算或(从电池组100外侧的控制器)接收电池组100的目标电压，并且可以使用平衡充电器132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100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100的各个部件的电布线从图1C中省略以增强可视性。在图示实施例中，平衡充电器132和电池组控制器134可以连接到底部118或安装于底部118上。虽然被示出安装于电池组100的左侧上，平衡充电器132和电池组控制器134，以及安置于电池组100中的所有其它部件可以安置于电池组100内的任何位置。
电池模块136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136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136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和从电池单体去除能量。
如图1C所示，电池组100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100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100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然，任何数量的电池模块可以连接以形成电池组100的电池组件。在电池组100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1C中，电池模块控制器138联接到电池模块136。电池模块控制器138可以联接到电池模块136的正端子和负端子。电池模块控制器138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136去除能量，测量电池模块136的电压；以及测量电池模块136的温度。如将由本领域技术人员理解到，电池模块控制器138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138实施为安置于印刷电路板上的一个或多个电路。在电池组100中，一个电池模块控制器联接到电池组100中的电池模块中的每一个或安装于其上。替代地，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5A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2A、图2B、图2C和图2D是示出根据本发明的一实施例的示例电池组的图。具体而言，图2A描绘了电池组200的正视图，图2B描绘了电池组200的侧视图，图2C描绘了电池组200的角度后视图，并且图2D描绘了电池组200的角度正视图。电池组200可以以与上文关于图1A至图1C所描述的相同方式操作。
如在上文中关于图1A至图1C所示，电池组200的外壳可以包括前面板202、盖子或覆盖物212、后面板216和底部218。前面板202可以包括：电连接器204，其可以连接到电池组的正端子；电连接器206，其可以连接到电池组的正端子；状况灯和复位按钮208；以及前手柄210。后面板216可以包括后手柄214(在图2C中示出)。
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3H是示出根据本发明的实施例的示例电池组300的图。具体而言，图3A至图3G描绘了根据一实施例安置于电池组300的外壳内侧的示例部件。图3A、图3E和图3G描绘了电池组300的详细侧视图。图3B描绘了电池组300的详细正视图。图3C描绘了电池组300的详细顶视图。图3D描绘了电池组300的放大顶视图，图3F描绘了电池组300的详细角度图。电池组300和其个别部件可以以与上文关于图1A至图1C的电池组所描述的相同方式操作。
如关于图1A至图1C所描述，电池组300的外壳可以包括前面板302、盖子或覆盖物(其可以在图3A至图3G中移除)、后面板316和底部318。前面板302可以包括：电连接器304，其可以连接到电池组的正端子；电连接器306，其可以连接到电池组的正端子；状况灯和复位按钮308；以及前手柄310。后面板316可以包括后手柄314，电池组300也可以包括平衡充电器332、电池组控制器334和多个电池模块336。在此实施例中。平衡充电器332在左侧朝向电池组300的后部安装于电池组300中，并且电池组控制器(BPC)334在左侧朝向电池组300的前部安装于电池组300中。在其它实施例中，平衡充电器332和电池组控制器334可以安置于电池组300中的其它位置。电缆340可以附连到电连接器304和306并且用来向电池组300添加能量和从电池组300去除能量。
在图3A至图3G中所描绘的实施例中，电池组300包括12个电池模块，诸如电池模块336。如上文所解释，电池组300的其它实施可以包括更多或更少的电池模块。电池模块控制器(BMC)诸如电池模块控制器338可以安装于电池模块中每一个上。如上文所解释的那样，BMC可以经由(多个)通信线342以菊花链的方式连接在一起(参看例如图3D)并且联接到BPC334(参看例如图3A、图3F)以形成单线通信网络，其一实施例关于图5A更详细地描述。如先前所描述的那样，每个电池模块可以包括多个电池单体，诸如图3H的18650锂离子单体344。
图4是示出根据本发明的一实施例集成到电池组400内的示例电池组控制器(BPC)434的图。电池组控制器434可以连接到通信线442以与电池模块控制器的菊花链式网络通信，在此实施例中，电池模块控制器安装于电池组400的电池模块的顶部上。电池组400可以以与上文关于图，1A至图1C的电池组100所描述的相同方式操作并且进一步关于图5和图6来描述电池组控制器434的操作。
图5A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200的图。在图5A中，电池组控制器(BPC)510联接到n个电池模块控制器(BMC)520、530、540、550和560。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510以形成通信网络500，通信网络500被称作分布式菊花链式电池管理系统(BMS)。具体而言，BPC 510经由通信线515联接到BMC 520，BMC 520经由通信线525联接到BMC 530，BMC 530经由通信线535联接到BMC 540，以及BMC550经由通信线555联接到BMC 560以形成通信网络。每个通信线515、525、535和555可以是单个线，形成单线通信网络，单线通信网络允许BCM 510与BCM520-560中每一个通信，并且反之亦然。如对于本领域技术人员显然，任何数量的BMC可以在通信系统200中以菊花链的方式连接在一起。
在通信网络500中的每个BMC可以具有唯一地址，BCP 510使用该地址来与个别BMC通信。例如，BMC 520可以具有0002的地址，BMC 530可以具有0003的地址，BMC 540可以具有0004的地址，BMC 350可以具有0005的地址，以及BMC 360可以具有0006的地址。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 510可以与BMC中的每一个通信。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和测量并且报告电池模块的电压。BPC210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 210持续地向BMC轮询测量值从而持续地监视在电池组100中的电池模块的电压和温度。
例如，BPC 510可以设法与BMC 540通信，例如以便获得安装了BMC 540的电池模块的温度和电压测量值。在此示例中，BPC 510生成消息并且发送消息(或指令)，消息定址到BMC 540(例如，地址0004)。在通信网络500中的其它BMC可以将BPC 510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 540)可以响应。在此示例中，BMC540从BPC 510接收消息(例如，消息经过通信线515、525和535到达BMC 540)，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535、525和515到达BPC 210)发送到BPC510。BPC 510可以接收响应并且指导BMC 540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500之外)。诸如RS232或RS485通信网络。
图5B是用于在电池模块控制器诸如图1C的电池模块控制器138或者图5A的电池模块控制器520接收指令的示例方法5000的流程图。关于图5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5A的通信网络500。
图5B的方法500可以实施为可以由处理器执行的软件或固件。即，方法5000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5000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5A的电池模块控制器520)，电池模块控制器安装于电池组(例如，图1A至图1C的电池组)中的电池模块(例如，图1C的电池模块136)上。
由于图5B的描述参考电池组的部件，为了清楚起见，当描述图5B的方法5000的不同阶段时，在图1A至图1C的电池组100的示例实施例中枚举的部件和图5A的示例通信网络用来参考具体部件。然而，图1A至图1C的电池组100和通信网络500只是示例，并且可以使用并非图1A至图1C中所描绘的示例实施例的电池组和并非在图5A中描绘的示例实施例的通信网络500的实施例来实施方法5000。
在开始时(阶段5010)，该方法5000继续到阶段5020，在阶段5020，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5A)以便平衡电池组(例如，在图1A至图1C的5个电池组100)中的电池。可以在电池模块控制器的通信终端处经由通信线(例如在图5A的5个通信线515)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5A所讨论，在通信网络(例如图5A的通信网络500)的每个电池模块控制器(例如，图5A的BMC 520)可以具有唯一地址，电池组控制器(例如，图5A的BPC 510)使用唯一地址来与电池模块控制器通信。因此，在阶段5020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5030，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5000返回至阶段5020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5000前进到阶段5040。
在阶段5040，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5000前进到阶段5050。在阶段5050，电池模块控制器执行指令。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5050之后，方法5000循环回到阶段5020并且电池模块控制器等待新消息。
图6是示出根据本发明的一实施例的示例电池组控制器300的图。图1C的电池组控制器134可以如根据图3的电池组控制器300所描述那样实施。图5A的电池组控制器210可以如根据图6的电池组控制器300所描述那样实施。
如图6所示，示例电池组控制器600包括直流输入602(其可以是隔离的5V直流输入)、充电器切换电路604、DIP-开关606、JTAG连接件608、CAN(CANBus)连接件610、微处理器单元(MCU)612、存储器614、外部EEPROM 616、温度监视电路618、状况灯和重置按钮620、看门狗计时器622和电池模块控制器(BMC)通信连接件624。
在一实施例中，电池组控制器600也从存储电池单体中的能量供电。电池组控制器600可以由直流输入602连接到电池单体。在其它实施例中，电池组控制器600可以从连接到直流输入602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600的各个电部件的一个或多个功率级。
在图6示出的示例性实施例中，充电器切换电路604联接到MCU 612。充电器开关电路604和MCU 612可以用来控制平衡充电器诸如图1C的平衡充电器132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618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600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 612，如图6所示。在一实施例中，这些接口和/或连接器包括：DIP-开关606，其可以用来设置用于标识电池组控制器600的软件比特的一部分；JTAG连接件608，其可以用来测试和调试电池组控制器600；CAN(CANBus)连接件610，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624，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5A)通信。例如，电池组控制器600可以经由BMC通信连接件624联接到通信线，例如图5A的通信线515。
电池组控制器600还包括外部EEPROM 616。外部EEPROM 616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 616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612的可执行代码或指令。
微处理器单元(MCU)612联接到存储器614。MCU 612用来执行管理电池组的应用程序。如本文所述的那样，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100的电池单体的电压和温度；平衡电池组100的电池单体；监视并且控制(若需要)电池组100的温度；处置在电池组100与电能存储系统的其它部件(参看下文图9)之间的通信；以及生成警告和/或警示，以及采取其它适当措施来保护电池组100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 612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622用来监视和确保电池组控制器600的适当操作。在电池组控制器600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622可以重置电池组控制器300使得其正常重新开始操作。状况灯和重置按钮620可以用来对电池组控制器600进行手动重置操作。如图6所示，状况灯和重置按钮620和看门狗计时器622可以联接到MCU 612。
图7A和图7B是示出根据本发明的一实施例的示例电池模块控制器700的图。具体而言，图7A描绘了电池模块控制器700的顶视图并且图7B描绘了电池模块控制器700的底视图，电池模块控制器700可以联接到电池模块诸如图1C的电池模块136，并且可以包括分流电阻器735、温度传感器750、正端子760、负端子765和通信终端770。分流电阻器735可以用来从安装了分流电阻器735的电池模块放能，并且电池模块控制器700可以经由联接到通信终端770的通信线诸如图5A的通信线515与电池组(例如，电池组控制器，诸如图1C的电池控制器134)的其它部件通信。温度传感器750可以测量联接到电池模块控制器700的电池模块的温度。在下文中进一步关于图8描述了电池模块控制器700的操作。
图8示出了根据本发明的一实施例的示例电池模块控制器800的图。图1C的电池模块控制器138可以如根据图8的电池模块控制器800所描述那样实施。图5A的电池模块控制器520、530、540、550和560中每一个可以如根据图8的电池模块控制器800所描述那样实施。电池模块控制器800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；以及测量电池模块的温度；以及从电池模块去除能量(放电)。
在图8中，电池模块控制器800包括处理器805、电压参考810、一个或多个电压测试电阻器815、电源820、故障安全电路825、分流开关830、一个或多个分流电阻器835、极性保护电路840、隔离电路845和通信线850。处理器805控制电池模块控制器800。处理器805经由电源820从电池模块控制器800所安装的电池模块接收电力。电源820可以是直流电源。如图8所示，电源820联接到电池模块的正端子并且向处理器805提供电力。处理器805也经由极性保护电路840联接到电池模块的负端子，极性保护电路840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800(例如，在图8中原本要联接到正端子的电池模块控制器800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800可以经由通信线850与电池组的其它部件(例如，电池组控制器，诸如图1C的电池组控制器134)通信。如关于图5A的示例通信网络所描述，通信线850也可以用来以菊花链方式将电池模块控制器800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850可以经由安置于电池组控制器800上的通信终端联接到电池组控制器800。照此，电池模块控制器800可以经由通信线450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800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805的存储装置中。
电池模块控制器800可以经由隔离电路845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8中，隔离电路845安置于通信线850与处理器805之间。同样，通信线850可以经由安置于电池组控制器800上的通信终端联接到电池组控制器800。这个通信终端可以安置于通信线850与隔离电路845之间，或者可以是隔离电路845的部分。隔离电路845可以将处理器805电容联接到通信线850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800可以测量其所安装的电池模块的电压。如图8所示，处理器805联接到电压测试电阻器815，电压测试电阻器815联接到电池模块的正端子。处理器805可以测量在测试电阻器815两端的电压并且比较这个测量电压与电压参考810来确定电池模块的电压。如关于图5A所描述，可以由电池组控制器来指导电池模块控制器800测量电池模块的电压。在执行了电压测量值之后，处理器805可以经由通信线850向电池组控制器报告电压测量值。
电池模块控制器800也可以从其所安装的电池模块去除能量。如图8所示，处理器805联接到故障安全电路825，故障安全电路825联接到分流开关830。分流开关830也经由极性保护电路840联接到负端子。分流电阻器835安置于电池模块的正端子与分流开关830之间。在此实施例中，当分流开关830打开时，分流电阻器835并不施加到电池模块的正端子和负端子，并且当分流开关830闭合时，分流电阻器835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805可以指导分流开关830以将电阻器835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805以有规律的间隔(例如，每30秒一次)指导分流开关830施加分流电阻器835以便使电池模块持续地放电。
故障安全电路825可以防止分流开关830从电池模块去除太多能量。在处理器805故障的情况下，故障安全电路825可以指导分流开关830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805以有规律的间隔(例如每30秒一次)指导分流开关830施加分流电阻器835以便使电池模块持续地放电。安置于处理器805与分流开关830之间的故障安全电路825可以监视处理器805发送给分流开关830的指令。在处理器805向分流开关830发送安排指令失败(这可能是由于处理器805故障造成)的情况下，故障安全电路825可以指导或造成分流开关830打开，防止电池模块进一步放电。处理器805可以指导故障安全电路825防止分流开关830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800或者外部控制器(例如，电池组控制器)中存储或计算。
图8的电池模块控制器800还包括温度传感器855，温度传感器855可以测量电池模块控制器800所连接的电池模块的温度。如图8所描绘，温度传感器855联接到处理器805并且可以向处理器805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855。
图9是示出了根据本发明的一实施例的电池能量储存系统900的图。电池能量存储系统900可以作为独立系统操作，或者其可以与其它电池能量储存系统组合在一起形成较大电池能量储存系统的一部分。电池能量储存系统900可以高度可扩展的，从小千瓦时级电池能量储存系统到兆瓦时级电池能量储存系统。在图9中示出的实施例中，电池能量储存系统900容纳于容器(类似于船运集装箱)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在本发明的范围内。
如图9所示，电池能量储存系统900包括多个电池组，诸如电池组910。电池组910可以如上文关于图1至图8所描述实施。如上文所解释，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去除能量。如所解释的那样，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充电状态或电压。
电池能量存储系统900的电池组可以安装于机架上。多个电池组可以串联，其可以被称作电池组的串或者电池组串。例如，电池组910可以与其它电池组串联以形成电池组串920。图9示出了三个电池组串920、930和940。多个电池组串可以并联以形成电池能量储存系统。
每个电池组串可以由控制器控制，控制器可以被称作串控制器。例如，电池组串920可以由串控制器950控制。顾名思义，串控制器可以监视并控制串的电池组。在一实施例中，多个串控制器可以使用CAN(CANBus)通信而联系在一起，CAN(CANBus)通信允许串控制器一起作为电池串控制器的总网络的部分操作。这个电池串控制器的网络可以管理并且操作任何大小的电池系统，诸如多兆瓦级集中式电池能量储存系统。在一实施例中，网络化电池串控制器(诸如电池串控制器950)之一可以指定为主电池串控制器并且用来通过发送命令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。替代地，计算机或系统控制器960可以联接到并且控制电池能量储存系统中的串控制器。串控制器可以与其串中的电池组中每一个中的电池组控制器通信(例如，串控制器950可以与电池组910中的BPC通信)以监视并且控制电池组的充电和放电。在一实施例中，串控制器向其串中的每个电池组发送目标电压，并且电池组将电池单体调整到目标电压。串控制器和BPC也可以通信测量值(例如，电压、温度、电流值)并且执行诊断程序、启动程序等。
在一实施例中，电池能量储存系统900包括或以其它方式连接到双向电力转换器。双向电力转换器可以使用例如经由计算机在网络(例如，因特网、以太网)上发布的命令来给电池组充电和放电。在一实施例中，在公用事业(utility)的操作者可以使用网络化计算机来控制电池能量储存系统900。可以控制双向电力转换器的有效功率和无功功率。而且，在某些实施例中，当不能提供电网电力和/或电池能量存储单元与电网断开连接时，双向电力转换器可以作为备用电源操作。
电池能量储存系统900可以用作可再生风能系统的部分，可再生风能系统包括风力涡轮。来自风力涡轮的能量可以存储于电池能量储存系统900中并且从电池能量系统900选择性地放电。同样，电池能量储存系统900可以用作可再生太阳能系统的部分，可再生太阳能系统包括太阳能阵列。来自太阳能阵列的能量可以存储于电池能量储存系统900中并且从电池能量系统900选择性地放电。此外，电池能量储存系统900可以用作电网能量系统(电网)的一部分，电网能量系统包括电气设备。来自电网能量系统的能量存储于电池能量储存系统900中并且从电池能量系统900选择性地放电。
图10是示出用于平衡电池组诸如图1A至图1C的电池组100的示例方法1000，电池组100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1000可以实施为可以由处理器执行的软件或固件。即，方法5000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1000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1A至图1C的电池组100)中的电池组控制器(例如，图1C的电池组控制器134)中存储和执行。
由于图10的描述参考电池组的部件，为了清楚起见，当描述图10的方法5000的不同阶段时，在图1A至图1C的电池组100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1A至图1C的电池组100仅是一示例，并且方法1000可以使用并非图1A至图1C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1000前进到阶段1110，在阶段1110，由电池组控制器诸如电池组控制器134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136)的电压和/或充电状态并且可以从外部控制器诸如关于图9所描述的串控制器接收。在阶段1015，向电池模块轮询电压测量值。例如，电池组控制器134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138)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134。并且，如关于图5A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 520、之后BMC 530，之后BMC 540，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。然后通过基于每个轮询的电压值估计或计算充电状态来比较这个目标充电状态与轮询的电压值。
在阶段1020，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134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)。这些阈值可以作为绝对值存储或者通过将存储的偏移值添加到所接收的目标电压值而导出。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1000继续到阶段1025。在阶段1025，平衡充电器(例如，平衡充电器132)切断(如果接通)并且已经施加的每个电池模块控制器138的分流电阻器诸如图7A的分流电阻器735打开以停止从电池模块去除能量。例如，电池组控制器134可以指导平衡充电器132停止向电池组1000的电池模块提供能量。电池组控制器134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1000然后返回到步骤1015，其中再次向电池组的电池模块轮询电压值。
返回至阶段1020，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1030。在阶段1030，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1000继续至阶段1035，在阶段1035，施加联接到电池模块的电池模块控制器(例如，5个电池模块控制器138)的分流电阻器以便从模块移除(放出)能量。该方法然后继续到阶段1040。
在阶段1040，对于每个电池模块，判断电池模块电压是否低于停止放电值。如果电压低于停止放电值，方法1000继续至阶段1045，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I38)的分流电阻器打开以便停止从模块放能。即，电池模块控制器停止(多个)分流电阻器施加到安装了分流电阻器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1050。
在阶段1050，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1000继续到阶段1055，在阶段1055，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134可以指导平衡充电器132接通，向电池组100的电池模块中每一个提供能量。方法1000然后继续到阶段1060。
在阶段1060，判断出所有电池模块电压高于停止充电值。如果电压高于停止充电值，方法1000继续到阶段1065，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134可以指导平衡充电器132以停止向电池组100的电池模块提供能量。方法1000然后返回到阶段1015，在阶段1015，再次向电池模块轮询电压测量值。因此，如先前所描述，方法1000的阶段1015至1060可以持续地平衡电池组诸如电池组100内的电池模块的能量。
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)

1.一种电池组包括：
多个电池模块；
平衡充电器，其被配置成向所述多个电池模块添加能量；以及
电池组控制器，其联接到多个菊花链式电池模块控制器以形成通信网络，
其中所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个安装于所述多个电池模块之一上并且被配置成从其所安装的所述电池模块去除能量。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括处理器，所述处理器被配置成测量上面安装了所述处理器的所述电池模块的电压，并且向所述电池组控制器报告所述测量的电压。
3.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括处理器，所述处理器被配置成测量上面安装了所述处理器的所述电池模块的温度，并且向所述电池组控制器报告所述测量的温度。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括：
第一端子，其联接到安装了所述电池模块控制器的所述电池模块的正端子；
第二端子，其联接到安装了所述电池模块控制器的所述电池模块的正端子；以及
分流电阻器，其被配置成选择性地施加到所述第一端子和第二端子以放出安装了所述电池模块控制器的所述电池模块的能量。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括：
极性保护电路，其被配置成响应于所述第一端子和第二端子分别联接到所述电池模块的所述负端子和正端子而保护所述电池模块控制器。
6.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括：
故障安全电路，其被配置成防止所述分流电阻器使安装了所述电池模块控制器的所述电池模块放电低于阈值能量水平。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括：
隔离电路，其被配置成使所述电池模块控制器与联接到所述电池模块控制器的其它部件隔离。
8.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述多个电池模块中每一个包括多个电池单体。
9.根据权利要求9所述的电池组，其中，所述多个电池单体是圆柱形单体、棱柱形单体或者袋式单体。
10.根据权利要求9所述的电池组，其中，所述多个电池单体是18650锂离子单体。
11.一种电池组包括：
多个电池模块；
平衡充电器，其被配置成向所述多个电池模块添加能量；以及
电池组控制器，其联接到多个菊花链式电池模块控制器以形成通信网络，
其中所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个安装于所述多个电池模块之一上并且包括：
分流电阻器，其被配置成使安装了所述分流电阻器的所述电池模块放电；
处理器，其被配置成指导所述分流电阻器使安装了所述分流电阻器的所述电池模块放能；以及
通信终端，其被配置成从所述电池组控制器接收指令以从上面安装了所述电池组控制器的所述电池模块放能。
12.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括在通信网络中的唯一地址。
13.根据权利要求12所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个被配置成从所述电池组控制器接收消息并且判断所述消息是否包括其唯一地址。
14.根据权利要求10所述的电池组，其中，所述电池组控制器被配置成向所述多个菊花链式电池模块控制器轮询安装了所述电池模块控制器的所述电池模块的电压测量值和温度测量值。
15.根据权利要求14所述的电池组，其中，所述多个电池模块控制器中每一个被配置成测量安装了所述电池模块控制器的所述电池模块的电压和温度并且向所述电池组控制器报告所述测量的电压和所述测量的温度。
16.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括：
隔离电路，其被配置成使所述电池模块控制器与联接到所述电池模块控制器的其它部件隔离。
17.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块控制器中每一个包括：
故障安全电路，其安置于所述处理器与所述分流开关之间并且被配置成防止所述分流电阻器使安装了所述电池模块控制器的所述电池模块放电低于阈值能量水平。
18.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述多个菊花链式电池模块中每一个包括多个单体。
19.根据权利要求18所述的电池组，其中，所述多个电池单体是圆柱形单体、棱柱形单体或者袋式单体。
20.根据权利要求18所述的电池组，其中，所述多个电池单体是18650锂离子单体。
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