CN110447156B - 电池能量贮存系统、电池管理系统以及控制方法 - Google Patents

电池能量贮存系统、电池管理系统以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于提供一种电池系统，电池单元不超过使用限制温度，使电池系统停止充放电进程的频率下降，并且，即使充放电进程停止，到恢复为止的时间也会缩短。本发明所记载的电池系统具有：多个电池单元；以及控制电路，控制电池单元的充放电电流，控制电路基于电池温度、充放电电流、以及时间窗的时间宽度进行多个温度上升预测，控制电路选择与所述温度上升预测中的不超过所述电池单元的使用限制温度的温度上升预测相对应的充放电电流。

Description

电池能量贮存系统、电池管理系统以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电池能量贮存系统，其具有以将电池单元温度保持在最大值以下的方式来控制充放电处理的电池管理系统及其方法。
背景技术
近年，出于气候变动、全球气候变暖的忧虑，多个国家就温室效应气体排放量削减进行磋商。
用于智能电网用途以及运输用途的电池能量贮存系统(Battery Energy StorageSystem。以下，简称为BESS。)一般具有多个电池单元、电力电子装置、控制电池单元温度的冷却系统以及电池管理系统，并将系统保持在安全的动作状态下。在像这样具有冷却系统的电池系统的情况下，冷却系统以将单元温度保持在规定的最大值以下的方式加以设计及控制。
另外，近年，电池系统的尺寸与重量也谋求更加小型、轻量化。为了该电池系统的小型化及轻量化，削减冷却系统成为1个解决方案。因此，对不具有强制冷却机构(冷却系统)的所谓自然冷却电池系统的需求高涨。
像这样的自然冷却的电池系统中，可想而知，根据动作条件或者周边条件，存在因为冷却性能不充分而导致温度上升至最大容许值的情况。尤其是，如果电池单元的温度达到临界值，则到电池单元的温度下降为止的期间内，需要停止充放电进程，结果，电池系统的利用率会降低。
考虑到上述课题，要求提供一种电池系统，其将电池单元温度保持在使用限制温度以下，使电池系统停止充放电进程的频率下降，并且，即使充放电进程停止，到恢复为止的时间也会缩短。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2009/0085527号说明书
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1中，记载了一种充电系统以及充电方法，能够以电池单元的表面温度不超过使用限制温度的方式对电池单元充电。在采用该方法的情况下，假设为以当前的充电值继续进行充电而进行温度上升预测。因此，如此设定电流的情况下，以推定温度在低于目标温度范围时增加、高于目标温度范围时减少的方式进行控制。
但是，在多个应用中，将来的充电/放电电流是无法预测的，并不一定与当前以及过去相等。因此，在专利文献1中，完全没有考虑到充放电电流有在不久的将来变化的可能性、以及电池单元的温度因各种运转条件或周边条件而动态变化的情况。这有可能导致电池系统突然停止。
考虑到上述课题，本发明的目的在于，作为课题，提供一种电池系统，其使电池单元不超过使用限制温度，使电池系统停止充放电进程的频率下降，并且，即使充放电进程停止，到恢复为止的时间也会缩短。
解决问题的技术手段
为了解决上述课题，本发明所记载的电池系统具有：多个电池单元；以及控制电路，控制电池单元的充放电电流，控制电路基于电池温度、充放电电流、以及时间窗的时间宽度进行多个温度上升预测，控制电路选择与所述温度上升预测中的不超过所述电池单元的使用限制温度的温度上升预测相对应的充放电电流。
发明的效果
通过使用本发明的电池系统，能够使电池单元不超过使用限制温度，使电池系统停止充放电进程的频率下降，并且，即使充放电进程停止，也能够缩短到恢复为止的时间。
附图说明
图1是与负载连接的自然冷却了的电池系统的示意图。
图2是用于自然冷却了的电池系统的温度控制与最佳充放电界限计算的控制框图。
图3是电池状态计算单元的框图。
图4是电池单元等价电路的例子。
图5是本发明所涉及的电流控制运算部的框图。
图6是本发明所涉及的充放电电流限制运算的流程图。
图7是表示多个温度预测与电流限制的选择的图表。
具体实施方式
以下，对本发明进行说明。
《实施例1》
图1表示经由逆变器2而与负载3耦合的自然冷却用电池系统1的示意图，逆变器2及电池系统1双方受上位系统控制器4监视。电池系统1具有电池单元101、电池管理系统102、电流传感器103、测量各电池单元的电压的电压测定电路104、测量多个串联连接的电池单元101的总电压的电压传感器105、温度传感器106以及继电器107。电池系统1经由能够双向发送信息的通信电缆而与上位系统控制器4连接。
自然冷却用电池系统1不具备用于将电池单元101的温度维持在使用限制温度Tlimit以下的风扇、冷却板等冷却装置。因此，充放电进程中，电池单元101的温度受到电化学反应、相变、焦耳热以及周边条件影响而大幅度变化。尤其是充放电电流对电池单元的温度产生较大影响。
本发明中，通过限制在电池单元101中流通的电流，而能够减少急遽的温度上升，将电池单元101的温度保持在使用限制温度以内。
接着对电池管理系统102的内容进行说明。图2表示电池管理系统102的框图。电池管理系统102具有电池状态运算部501以及电流控制运算部502。电池状态运算部501从电流传感器103接收实际电流I，从电压传感器105接收闭路电压(Closed Circuit Voltage。以下，简称为CCV。)，从温度传感器106接收电池单元温度信息，并算出开路电压(OpenCircuit Voltage。以下，简称为OCV。)、极化电压Vp、充电状态(State of Charge，以下简称为SOC)、劣化状态(State of Health，以下简称为SOH)等实际的电池状态。然后，实际电流I、闭路电压CCV、电池单元温度、外部温度Tambient以及来自电池状态运算部501的信息被输入至电流控制运算部502中，，以充放电电流指令不超出上限电流值的方式算出Ilimit并发送到上位控制器4。
接着对电池状态运算部501的内容进行说明。图3是电池状态运算部501的框图的一例。电池状态运算部501由电池模型部601与状态检测部602构成。电池模型部601具有电池单元的等价电路，作为其中的信息，包含电池系统1的构成，即串联个数、1串中的连接单元数量、并联串的数量等信息。
另外，电池模型部601从电流传感器103、电压传感器105、温度传感器106接收实际电流值I、总电压值、电池单元的温度值信息，算出电池单元101的开路电压OCV、极化电压Vp以及充电状态SOC。
电池单元101因动作状态及环境条件，而发生容量劣化及内部电阻的增加。因此，状态检测单元602接收与输入到电池模型部601的信息相同的信息(来自电流传感器103、电压传感器105以及温度传感器106的信息)来作为输入信息，而推断电池单元的实际的劣化条件即容量劣化信息(SOHQ)以及内部电阻增加信息(SOHR)并输出。
图4表示实际安装在电池模型部601的电池单元等价电路的一例。电池单元等价电路包含与内部电阻R604串联连接的开路电压源(VOC)603、用于将极化现象模型化的RC并联电路即容量电路605与电阻电路606。本实施例中，使用该电池模型算出开路电压OCV、极化电压Vp以及充电状态SOC。
接着对电流控制运算部502的详情进行说明。本发明的特征在于该电流控制运算部502，通过该部分算出与多个恒流对应的多个温度上升预测(假定信息)。图5是电流控制运算部502的框图。电流控制运算部502具有电池状态计算部607、温度模型部608、存储器部609以及最佳条件运算部610。使用图6对具体的控制、运算进行说明。
图6是详细地说明电流控制运算部502算出最大允许充放电电流Ilimit的步骤的流程图。
首先在第1步骤S1，电流控制运算部502从电流传感器103、电压传感器105、温度传感器106以及电池状态运算部501取得实际的电池信息即实际电压V、实际电流I、电池单元温度Tcell、电池系统的周边温度Tambient、以及由电池状态运算部501运算出的充电状态SOC、容量劣化信息SOHQ、内部电阻增加信息SOHR。
接着，在电池状态计算部607中，决定从0到系统的最大电流Imax之间所包含的多个假定电流Ii(1≦i≦p，i及p为整数，p为任意的固定值)，并以△tj>0(1≦j≦q，j及q为整数，q为任意的固定值)决定多个假定时间窗。因此，在步骤S2及步骤S3将i与j初始化而设为1。然后，将这些值存入存储器部609。
另外，该时间窗变成与流通电流的时间对应，通过该值的取值方法，决定了流通多大电流会达到电池单元101的上限使用温度，因此成为非常重要的值。
接着在步骤S4，除上述的实际电流I、闭路电压CCV、充电状态SOC、劣化状态SOH、电池单元温度Tcell以外，电池状态计算部607还取得从存储器部609输出的假定电流Ii、假定时间窗△tj。接着随后，针对t(现在)到t+△tj(未来)为止的预测值即假定电流Ii与假定时间窗△tj的组合(Ii、△tj)(1≦i≦p，1≦j≦q)，分别计算开路电压OCVi,j、总电压CCVi,j、充电电流SOCi,j、以及极化电压Vpi,j。
然后在步骤S5，温度模型部608接收这些预测结果，预测施加假定电流Ii的情况时的电池单元101的热运动。
此时，温度模型部608计算温度Ti,j(t)＝T(Ii,t+△tj)与温度的时间变化的微分值(温度梯度)即T’i,j(t)＝dT/dt。
然后，以实际的温度作为初始值，计算在假定时间窗△tj期间施加假定电流Ii(恒流)的情况时的热运动。作为一例，电池单元101的热运动能够通过对(式1)的能量平衡方程求解而获得。
[式1]
接着，进入步骤S6，将温度Ti,j与温度梯度T’i,j存储到存储器部609。然后进入步骤S6a，比较j与q，在j小于q(不满足j+1>q)的情况下返回步骤S4之前，对j的值代入j+1并再次重复进行步骤S4到步骤S6。另一方面，在j大于q(满足j+1>q)的情况下，进入步骤S6b，对于i的值也按照与j同样的计算(i的情况下是否满足i+1>p)计算。然后，将所有预测结果Ti,j(t)、T’i,j(t)、1≦i≦p、1≦j≦q存储到存储器部609中。另外，步骤S6a与步骤S6b的处理也能够互换，处理装置的能力较高的情况下还能同时处理步骤S6a与步骤S6b的处理。
接着，说明最佳条件运算部610的处理。从步骤S6b进入步骤S7，对最佳条件运算部610输入所有预测结果与使用限制温度Tlimit。然后，最佳条件运算部610从存储在存储器部609中的所有组合(Ii、△tj)(1≦i≦p≦j≦q)之中选择1个组合(Ii0、△tj0)，例如以满足下述式2的方式计算Ii0。
[式2]
然后，将绝对充放电电流限制Ilimit设定成等于Ii0。
最后，在步骤S8，从存储器部609清除所有温度Ti,j(t)、温度梯度T’i,j(t)、1≦i≦p、1≦j≦q而结束本流程。
图7是表示应用本发明的情况的结果的图。分别为表示从t到t”为止的电流限制的变化(上图)与当时的电池单元101温度的变化(下图)的图。图7的(a)表示现在的时刻t时的图，实线部分表示至今为止的电流历史、温度历史，双点划线表示使用限制温度。采用图6所说明的控制，表现使现在时刻t的电流值I按照假定电流I1、Ii、…Ip变化的假定值(虚线部分)的情况时的电池单元101的温度变化。另外，假定电流I1与假定的温度变化T1,1(t)对应，假定电流Ii与假定的温度变化Ti,j(t)对应，假定电流Ip与假定的温度变化Tp,q(t)对应。
图7的(a)中示出在时间t时，由最佳条件运算部610根据所期望的输出要求(例如到t+△t1为止想要流通大电流这一要求)得出的最佳解变成(I1，△t1)的情况。然后，到图7的(b)的t’为止的短暂期间内，充放电电流被限制成I1。
另一方面，根据充放电模式，即使在电流被限制成I1的情况下，也存在内部电阻超出预期地增加而温度开始急遽上升的可能性。该情况下，如果把限制电流设为I1，则电池单元101的温度会超过使用限制温度Tlimit。因此，如图7的(b)所示，在时刻t’再次进行图6的处理，在要求到时刻t’+△tj为止流通电流的情况下，以不超过使用限制温度Tlimit的方式选择假定电流I’i，将充放电电流暂时限制为I’i。然后，也同样，在到t”为止的期间内电池单元101的温度超出预期地急遽上升的情况下(例如外部温度急遽上升的情况等)，如果把限制电流设为I’i则电池单元101的温度会超过使用限制温度Tlimit。因此，如图7的(c)所示，在时刻t”再次进行图6的处理，在要求到时刻t”+△tq为止流通电流的情况下，以不超过限制温度Tlimit的方式选择假定电流I”p，将充放电电流暂时限制为I”p。以后，通过该重复，能够提供一边极力输出高输出、一边不超过限制温度Tlimit的电池控制。通过使用本发明的电流限制方法，温度梯度降低，由此，限制达到限制值Tlimit的风险。另外，在该图7中，设为选择电池单元101的利用率变成最大的假定电流，但依据要求，并非必须选择利用率变成最大的假定电流。该情况下，因为电池发生意外温度上升而导致电池101停止的可能性会降低。
以上，简单对本发明进行总结。
本发明的电池系统1具有：多个电池单元101；以及电池管理系统102，控制电池单元101的充放电电流，电池管理系统102基于温度信息(Tcell以及Tambient)、充放电电流(I、Ii)、以及时间窗的时间宽度(△tj)来进行多个温度上升预测，该电池管理系统102选择与所述温度上升预测中的不超过所述电池单元的使用限制温度的温度上升预测相对应的充放电电流(Ii)。通过设为像这样的构成，能够提供一种电池系统，即使不能预测将来的充电/放电电流，电池单元101也不会超过使用限制温度，使电池系统停止充放电进程的频率下降，并且，即使充放电进程停止，到恢复为止的时间也会缩短。
另外，本发明所记载的电池系统1中，具有温度传感器106、电流传感器103、以及电压传感器105，电池管理系统102具有：电池状态运算部501，用于计算电池单元的充电状态SOC、劣化状态SOH以及其它电池参数。通过设为像这样的构成，能够比使用电池模型更准确地预测热运动。
另外，本发明所记载的电池系统1中，作为一具体例，电池管理系统102具有：存储器部609，具有多个电流信息和多个时间窗的时间宽度，所述电池管理系统102基于电流信息I、时间窗的时间宽度△t以及当前的动作状况进行多个温度上升预测。
另外，本发明所记载的电池系统1中，电池管理系统102具有：最佳条件运算部610，在多个温度上升预测当中选择将电池单元101保持在使用限制温度以下、且使电池单元101的利用率增加的温度上升预测。如此一来，能够一边将电池单元101的利用率最大化，一边不达到使用限制温度，能够获得将电池101的利用率最大化和不达到使用限制温度的平衡。
《实施例2》
接着对实施例2进行说明。混合动力电动汽车等运输用途中，有时能够从汽车导航系统利用到预测驾驶时间、驾驶模式、用户驾驶风格、平坦/斜面道路、气象信息等追加信息。
这些信息数据能够发送到电流控制运算部502的存储器部609，而能够使用于从多个温度预测中更好地选择应考虑到的△tj的组合。
通过使用这样的信息，能够使运算最佳条件的精度进一步提高。
《实施例3》
接着对实施例3进行说明。例如，在为了使太阳电池发电所的输出电力平滑化而设置电池系统的电力网应用中，能够提前1天预测太阳光发电输出，而能够预测电池系统的充放电要素。
能够基于不同的电流限制值与时间窗时间值来执行多个温度预测并最优化。其结果，能够取得电流限制日程表，并进行更准确的温度控制。
以上，对本发明进行简单总结。
本发明特征在于，电流限制值根据动作条件以及周边条件动态地变化。即，电流限制值不仅依存于Tlimit与Tcell的差，依据于控制的时间窗的时间宽度最佳条件也会变化。因此，本发明中，通过根据最佳条件运算部与其时间窗逐次选择最佳条件，从而能够更准确地进行电池单元101的温度控制。另外，本发明在不进行冷却控制的自然冷却系统中尤其能发挥功效。
另外，本发明并不受限于上述实施方式。本发明可考虑若干变形。
作为一例，温度模型部608也可使用(式1)的本发明所示的温度模型以外的模型。
另外，电池状态计算部607并非必须与电池状态运算部501不同，例如也可仅使用电池状态运算部501。
另外，对温度模型部608必要的输入并不限于本发明所记载的，也可使用与电池信息相关联的其它输入值。
另外，本发明并不限定于自然冷却的电池系统。该方法也能够在强制冷却的电池系统中实施，能够在通过冷却系统进一步提高电池控制系统的可靠性的情况、或为了减少系统的运转成本而使用。
依据本发明，电池管理系统中，能够将BESS的利用率最大化，并且将电池单元温度保持在使用限制温度以下。
以上，虽然对本发明的实施方式进行了详细叙述，但本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离权利要求书的范围所记载的本发明的构思的范围内，进行各种设计变更。例如，上述的实施方式是为了便于理解地说明本发明而进行了详细说明，并不限定于必须包括所说明的全部构成。另外，能将某一实施方式的构成的一部分置换为另一实施方式的构成，还可以对某一实施方式的构成添加另一实施方式的构成。进而，能对各实施方式的构成的一部分，添加、删除、置换其它构成。
符号说明
1 电池系统
2 逆变器
3 负载
4 上位控制器
101 电池单元
102 电池管理系统
103 电流传感器
104 电压测定电路
105 电压传感器
106 温度传感器
107 继电器。

Claims (1)

1.一种电池系统，具有：多个电池单元；温度传感器；电流传感器；电压传感器；以及控制电路，控制所述电池单元的充放电电流，所述电池系统的特征在于，
所述控制电路具有
运算部，其用于基于来自所述温度传感器、所述电流传感器、所述电压传感器的信息，计算所述电池单元的充电状态、劣化状态以及其它电池参数；
存储器部，其存储不同的电流限制值以及不同的时间窗宽度；以及
最佳条件运算部，其在所述电流限制值以及所述时间窗宽度的各组合中选择最佳组合，
所述最佳条件运算部在所选择的最佳组合中的所述时间窗宽度结束时，基于该时间点的温度信息以及充放电电流，再次选择最佳组合，
所述最佳组合为将所述电池单元保持在使用限制温度以下、且使所述电池单元的利用率增加的组合。
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