CN111942223A - 大电流快速充电电池的功率管理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大电流快速充电电池的功率管理。使用一种方法例如在具有带有并联电池组的多电池组可再充电能量存储系统(RESS)的动力系统中管理功率流。每个电池组具有对应的最大电气(电流或电压)极限。该方法包括使用对应的最大电气极限来预测每个电池组的对应端电压。该方法包括基于请求的操作模式选择端电压作为选择的电压，包括当请求的操作模式是放电模式时选择端电压的最大值以及当请求的操作模式是充电模式时选择端电压的最小值。使用选择的电压和对应的电池状态空间模型来预测通过每个电池组的电池组电流。使用选择的电压在预定的预测时域内预测RESS的总功率容量，其中操作模式经由控制器在预测时域内被控制。

Description

大电流快速充电电池的功率管理
技术领域
本公开涉及大电流快速充电电池的功率管理。具体地，本公开涉及用于管理多电池组可再充电能量存储系统的功率流的方法和相应的动力系统。
背景技术
可再充电能量存储系统(RESS)是高电压电气系统的核心部件。当RESS被配置为具有多个电池单体的电池时，在给定的操作模式期间，成份电池单体可共同操作用于根据需要存储或释放电化学能量。例如，在放电模式(例如当RESS被用作电气化动力系的一部分时的驱动模式)期间，存储的电能可以被输送到电机或其他电负载。在一些RESS配置中，可以使用非车载充电站选择性地对电池单体进行再充电，其中充电过程可以使用直流快速充电过程来加速。与RESS通信的电池控制器可以用于监测RESS的持续性能，并且管理进出各个电池单体的功率流。
发明内容
本公开涉及用于管理多电池组RESS(即具有两个或更多个并联连接(“P连接”)电池组的RESS)的功率流的改进方法。多电池组RESS的瞬时功率容量是在前瞻性预测时域(例如，未来0.1秒(s)、1s、2s、10s和20s)内估计的。在其最简单的形式中，本文公开的电路拓扑包括一对这样的电池组，每个电池组具有对应的机械或固态开关，该开关将电池组连接到直流(DC)电源总线和从其断开。在其他实施例中，可以使用三个或更多个电池组。如上所述，在充电操作模式期间，多电池组RESS可以选择性地连接到非车载快速充电站，以对电池组再充电。
控制器可以替代地实施为单一控制器或多个控制器，例如，以服务器/客户端关系或其他分级布置来布置的两个或更多个交通工具集成控制模块(VICM)，当多个P连接电池组具有不同的特性时，该控制器用于预测多电池组RESS的总功率容量，所述特性可能包括但不限于不平衡的荷电状态、或不同的电池单体容量、不同的单体化学成分、校准的电压和/或电流极限等。控制器执行电池状态相关逻辑以执行本方法，使得控制器估计多个电池组中的每一个上的电池组电压，然后预测流过每个电池组的对应电池组电流。控制器然后预测多电池组RESS的总功率容量，并随后使用预测的功率容量控制RESS的操作。
用于管理多电池组RESS的功率流的方法的实施例包括经由控制器分别预测第一和第二电池组的对应的第一和第二端电压。这通过使用对应的最大电气极限(例如，最大电流或电压极限)来实现，该极限可以由电池组的制造商提供或以其他方式提供给控制器。该方法包括经由控制器接收多电池组RESS的请求的操作模式，然后基于请求的操作模式选择第一或第二端电压作为选择的电压。当请求的操作模式是放电模式时，可以选择较大/最大的端电压，而当请求的操作模式是充电模式时，可以选择较小/最小的端电压。
该特定实施例中的方法包括：使用选择的电压和对应的电池状态空间模型来预测流过每个P连接电池组的电池组电流；以及使用电池组电流来预测多电池组RESS在预定的预测时域内的总功率容量，这又生成预测功率容量值。该方法还包括使用多个预测功率容量值经由控制器在预定的预测时域内控制请求的操作模式。
该方法可以包括：在快速充电操作期间，经由多电池组RESS从所述非车载快速充电站接收快速充电电压和电流。在这种情况下，请求的操作模式是充电模式。在这样的实施例中，通过经由控制器控制快速充电操作，在充电模式期间进行对请求的操作模式的控制。
请求的操作模式可以是放电模式，并且请求的操作模式可能包括经由多电池组RESS和功率逆变器模块给旋转电机通电。
预定的预测时域可以包括至少五个未来时间点(k)，例如，k = 0.1s、1s、2s、10s和20s。
在某些实施例中，控制器包括分级布置的第一和第二控制器。预测第二端电压和第二电池组电流可以经由第二控制器使用电池状态空间模型中的第二个来完成，并且预测的第二端电压和电池组电流被传送到第一控制器。预测第一端电压和第一电池组电流可以经由第一控制器使用电池状态空间模型中的第一个来完成，并且第一控制器还预测总功率容量并控制请求的操作模式。第一和第二控制器可以实施为机动交通工具的第一和第二交通工具集成控制模块。
在一些实施例中，电池状态空间模型可以各自包括具有第一和第二电池组的多个电池参数的等效电路模型。示例电池参数包括荷电状态、开路电压和电池阻抗，例如，RC电路对。替代地，电池状态空间模型可以使用电化学模型或其他合适的电池状态空间模型。
多电池组RESS任选地包括经由DC-DC转换器连接到第一和第二电池组的第三电池组，使得第三电池组具有小于第一和第二电池组的电池组电压的电池组电压。在一些配置中，任选的第三电池组可以具有48V的电池组电压，并且第一和第二电池组具有至少370V的电池组电压。
本文还公开了一种动力系统，其具有多电池组RESS、第一和第二开关以及并联连接的第一和第二电池组，每个电池组分别经由第一和第二开关中对应的一个连接到DC电压总线。第一和第二电池组传感器连接到相应的第一和第二电池组，每个传感器可操作用于测量第一和第二电池组的对应的电池组电流、电压和温度。功率逆变器模块(PIM)连接到多电池组RESS，并且连接到PIM的旋转电机具有联接到负载的输出构件。控制器被配置成从传感器接收电池组电流、电压和温度，并使用这些测量值执行上述方法。
本发明提供下列技术方案。
1. 一种用于管理多电池组可再充电能量存储系统(RESS)的功率流的方法，所述多电池组RESS具有并联连接的具有不同特性的第一和第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组具有相应的最大电流极限，所述方法包括：
经由控制器使用相应的最大电流极限分别预测所述第一电池组和所述第二电池组的对应的第一和第二端电压；
经由所述控制器接收所述多电池组RESS的请求的操作模式，其中，所述请求的操作模式是所述多电池组RESS的充电模式或放电模式；
基于所述请求的操作模式选择所述第一端电压或所述第二端电压作为选择的电压；
使用所述选择的电压和对应的电池状态空间模型，分别预测流过所述第一电池组和所述第二电池组的第一电池组电流和第二电池组电流；
使用所述第一电池组电流和所述第二电池组电流预测所述多电池组RESS在预定的预测时域内的总功率容量，从而生成多个预测功率容量值；和
使用所述多个预测功率容量值经由所述控制器在所述预定的预测时域内控制所述请求的操作模式。
2. 根据技术方案1所述的方法，其中，选择所述第一端电压或所述第二端电压包括当所述请求的操作模式是所述放电模式时选择所述第一或第二端电压的最大值。
3. 根据技术方案1所述的方法，其中，并且当所述请求的操作模式是所述充电模式时，选择所述第一或第二端电压的最小值。
4. 根据技术方案1所述的方法，所述方法还包括：
在快速充电操作期间，经由所述多电池组RESS从非车载快速充电站接收快速充电电压和电流；
其中，所述请求的操作模式是所述充电模式，并且在所述充电模式期间通过经由所述控制器控制所述快速充电操作来进行控制所述请求的操作模式。
5. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述请求的操作模式是所述放电模式，并且其中，控制所述请求的操作模式包括经由所述多电池组RESS和功率逆变器模块给旋转电机通电。
6. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述预定的预测时域包括至少五个未来时间点。
7. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述控制器包括分级布置的第一和第二控制器，预测所述第二端电压经由所述第二控制器使用所述电池状态空间模型中的第二个来完成并且传送给所述第一控制器，预测所述第一端电压经由所述第一控制器使用所述电池状态空间模型中的第一个来完成，并且预测所述总功率容量和控制所述请求的操作模式经由所述第一控制器来完成。
8. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述第一和第二控制器是机动交通工具的第一和第二交通工具集成控制模块(VICM)。
9. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述多电池组RESS包括经由DC-DC转换器连接到所述第一和第二电池组的第三电池组，使得所述第三电池组具有小于所述第一和第二电池组的电池组电压的电池组电压。
10. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述第三电池组具有48V的电池组电压，并且所述第一和第二电池组具有至少370V的电池组电压。
11. 一种动力系统，包括：
多电池组可再充电能量存储系统(RESS)，其具有：
并联连接的第一和第二电池组；和
连接到所述相应的第一和第二电池组的第一和第二电池组传感器，所述第一和第二电池组传感器中的每一个被配置成测量所述第一电池组和所述第二电池组的对应的电池组电流、电压和温度；
功率逆变器模块(PIM)，其连接到所述多电池组RESS；
旋转电机，其连接到所述PIM并具有联接到负载的输出构件；和
控制器，其与所述第一和第二电池组传感器通信，并且可操作用于使用所述测量的电池组电流、电压和温度来管理所述多电池组RESS的功率流，其中，所述控制器被编程有所述第一和第二电池组的对应的最大电流极限并且被配置成：
使用所述对应的最大电流极限分别预测所述第一电池组和所述第二电池组的第一和第二端电压；
接收所述多电池组RESS的请求的操作模式，其中，所述请求的操作模式是所述多电池组RESS的充电模式或放电模式；
基于所述请求的操作模式选择所述第一或第二端电压作为选择的电压，包括当所述请求的操作模式是所述放电模式时所述第一或第二端电压的最大值以及当所述请求的操作模式是所述充电模式时所述第一或第二端电压的最小值；
使用所述选择的电压和对应的电池状态空间模型，预测流过所述第一电池组和所述第二电池组中的每一个的电池组电流；
使用所述第一电池组和所述第二电池组的所述电池组电流预测所述多电池组RESS在预定的预测时域内的总功率容量，从而生成多个预测功率容量值；和
使用所述多个预测功率容量值在所述预定的预测时域内控制所述请求的操作模式。
12. 根据技术方案11所述的动力系统，其中，所述多电池组RESS被配置成在快速充电操作期间从非车载快速充电站接收快速充电电压和电流，所述请求的操作模式是所述充电模式，并且所述控制器被配置成在所述充电模式期间控制所述快速充电操作。
13. 根据技术方案11所述的动力系统，其中，所述请求的操作模式是所述放电模式，并且其中，所述控制器被配置成通过经由所述多电池组RESS和所述功率逆变器模块给所述旋转电机通电来控制所述请求的操作模式。
14. 根据技术方案11所述的动力系统，其中，所述预定的预测时域包括至少五个未来时间点。
15. 根据技术方案14所述的动力系统，其中，相对于当前时间点(k) = 0秒(s)，所述至少五个未来时间点包括k = 0.1s、1s、2s、10s和20s。
16. 根据技术方案11所述的动力系统，其中，所述控制器包括分级布置的第一和第二控制器，所述第二控制器被配置成使用所述电池状态空间模型中的第二个预测所述第二端电压并将所述第二端电压传送给所述第一控制器，并且所述第一控制器被配置成使用所述电池状态空间模型中的第一个预测所述端电压、预测所述总功率容量并且控制所述请求的操作模式。
17. 根据技术方案16所述的动力系统，其中，所述第一和第二控制器是机动交通工具的相应的第一和第二交通工具集成控制模块(VICM)，并且其中，所述负载是所述机动交通工具的一组负重轮。
18. 根据技术方案11所述的动力系统，其中，所述电池状态空间模型中的每一个分别包括所述第一和第二电池组的多个电池参数，包括荷电状态和开路电压和电池阻抗。
19. 根据技术方案11所述的动力系统，其中，所述多电池组RESS包括经由DC-DC转换器连接到所述第一和第二电池组的第三电池组，使得所述第三电池组具有小于所述第一和第二电池组的电池组电压的电池组电压。
20. 根据技术方案19所述的动力系统，其中，所述第三电池组具有48V的电池组电压，并且所述第一和第二电池组具有至少370V的电池组电压。
以上发明内容并不旨在代表本公开的每个实施例或每个方面。相反，前述发明内容仅仅提供了本文阐述的一些新颖方面和特征的范例。当结合附图和所附权利要求书时，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将从用于实施本公开的以下代表性实施例和模式的详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是经历快速充电操作的示例机动交通工具的示意图，其中机动交通工具具有由多个并联连接电池组构成的多电池组可再充电能量存储系统(“RESS”)，其功率容量在前瞻性时域内实时估计，并由常驻电池控制器在如本文所述的充电和放电操作模式期间应用。
图2是具有示例性双电池组RESS和相关联的电池控制器的机动交通工具的示意图。
图3是替代的多控制器配置的示意图，其中多个控制器以分级布置通信。
图4是示意性简化电路图，总体描述了作为本方法一部分的端电压估计。
图5是描述用于估计图1至图3所描绘的多电池组RESS的总功率容量的示例方法的流程图。
图6和图7是示意性逻辑图，分别描述了在多电池组RESS的放电模式和充电模式期间图3的示例性多控制器拓扑中的基于模型的信息流。
图8是根据本公开的示意性多控制器设置。
本公开易于存在修改和替换形式，其中代表性实施例在附图中以示例的方式示出并在下面详细描述。本公开的发明方面不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的公开范围内的修改、等同物、组合和替代方案。
具体实施方式
参考附图，其中在若干附图中，相同的附图标记指代相同或相似的部件，机动交通工具10在图1中被描绘为具有多电池组可再充电能量存储系统(“RESS”)12的示例电气化系统。多电池组RESS 12包括两个或更多个并联连接(“P连接”)电池组，它们在图1中分别示意性地描绘为第一电池组12A和第二电池组12B。在非限制性示例高电压实施例中，第一电池组12A和第二电池组12B可以各自具有370-400V/60kWh的最大电压/能量能力。这样的实施例对于其中多电池组RESS 12用于为机动交通工具10上的高电压牵引和/或发电功能供电或者当机动交通工具10实施为船舶、飞机、船只、铁路交通工具、动力装置等时为诸如推进器或驱动轴的另一负载供电的应用可能是有益的。为了说明的一致性，机动交通工具10将在下文中被描述为本教导的示例应用，而不是将这种应用限制于所描绘的实施例。
实施为车载/常驻电子控制单元的控制器(C) 50用于管理进出多电池组RESS 12的功率流。尽管为了说明清楚起见从图1中省略了控制器50，但是响应于第一电池组12A和第二电池组12B的荷电状态中的阈值不平衡，控制器50可以被配置成使用单体平衡电路(未示出)的断开/闭合状态控制来命令荷电状态的自动平衡，如本领域普通技术人员将理解的那样。控制器50还被配置成使用图6和图7的示例控制逻辑50L、150L、50L*和150L*来执行图5的本方法100，使用图2至图4或图8的公开的控制器配置之一来这样做。
示例机动交通工具10分别包括前驱动轮14F和后驱动轮14R，它们围绕相应的前驱动轴11F和后驱动轴11R旋转。机动交通工具10可以不同地实施为具有多电池组RESS 12(例如，多单体锂离子、锌-空气、镍-金属氢化物或铅酸型电池系统)的插电式电动交通工具，其可以经由DC快速充电电压(VFC)从非车载DC快速充电站30选择性地再充电。在这样的操作期间，多电池组RESS 12经由位于机动交通工具10的车身80的可接近部分处的充电端口100C电连接到非车载DC快速充电站30。充电端口100C连接到设置在一段充电电缆30C的端部处的DC充电连接器(未示出)。这种连接器可以实施为SAE J1772、CHAdeMO充电连接器或另一种合适的地区或国家标准充电插头或连接器。然而，本教导独立于在涉及DC快速充电站30的DC快速充电操作中最终采用的充电标准，因此上述示例仅仅是本教导的说明。
参考图2，机动交通工具10可以包括电气化的动力系统24，其具有上述多电池组RESS 12、功率逆变器模块(PIM) 16、旋转电机(ME) 18和变速器(T) 20。动力系统24包括DC电压总线11和AC电压总线111 (VAC)，并且PIM 16可操作用于例如响应于本领域普通技术人员将理解的脉宽调制信号根据需要将DC电压总线11上的DC电压逆变为AC电压总线111上的AC电压，反之亦然。为此，PIM 16内部的上部和下部开关(未示出)(例如IGBT或MOSFET)具有实时控制的二进制通/断开关状态，以从PIM 16生成期望的输出电压。
附加部件可以连接到DC电压总线11，一个这样的部件是辅助功率模块(APM) 25，即，如图8所示的DC-DC电压转换器125。低电压/辅助电池(BAUX) 26可以经由另一DC电压总线13连接到APM 25，在不同的实施例中，DC电压总线13具有12-15V或48V的电势。AC电压总线111连接到电机18的各个相绕组，电机18的三相实施例如图3所描绘。通电的电机18将马达扭矩(箭头TM)递送到变速器20的输入构件19。输出扭矩(箭头TO)最终经由一个或多个驱动车轴22传递到变速器20的输出构件21，并最终传递到驱动轮14，例如图1所示的前驱动轮14F和/或后驱动轮14R。
关于多电池组RESS 12的操作，多电池组RESS 12的开关状态控制和功率估计由控制器50使用处理器(P)和存储器(M)来执行。开关状态控制经由开关控制信号(箭头CCS)的传输实现。存储器(M)包括有形的、非暂时性的存储器，例如只读存储器，无论是光存储器、磁存储器、闪存还是其他存储器。控制器50还包括足够应用量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等，以及高速时钟、模数和数模电路以及输入/输出电路和设备，以及适当的信号调节和缓冲电路。
控制器50被编程为执行实施本功率估计方法100的指令，其示例性实施例在图5中示出，其中控制器50接收指示动力系统24的驾驶员请求或自主请求的操作模式的输入信号(箭头CCI)，并且包括来自图2和图3的第一电池组传感器S1和第二电池组传感器S2的测量的电池组电压、电流、温度和/或其他测量的电池值。作为响应，控制器50向多电池组RESS12的开关电路120输出开关控制信号(箭头CCS)，并执行方法100。在一些情况下，输入信号(箭头CCI)可以在充电期间作为在机动交通工具10连接到站30时控制器50和图1的快速充电站30之间正在进行的通信的一部分由控制器50接收，诸如当站30向控制器50传送最大充电电压时和在多电池组RESS 12的主动充电事件期间或者在机动交通工具10正在进行的驾驶操作期间。
在图2的非限制性代表性实施例中，开关电路120包括相应的第一开关Sw1和第二开关Sw2，它们可以实施为机械开关、螺线管驱动接触器、继电器或固态/半导体开关。在多电池组RESS 12本身内，示例性的第一电池组12A和第二电池组12B分别具有第一电池组电压V1和第二电池组电压V2。在其中多电池组RESS 12连接到图1的非车载快速充电站30的多电池组RESS 12的高电压快速充电操作期间，控制器50可以例如经由车载测量和/或计算来确定对应的第一电池组电压V1和第二电池组电压V2，如本领域普通技术人员将理解的。电池组传感器S 1和S2可以用于测量这样的电池组电压V1和V2，以及如上所述的对应的电池组电流和电池组温度，所有这些都作为输入信号(箭头CCI)的一部分传送到控制器50。
尽管为了说明的简单性而示意性地示出，但是相应的第一电池组12A和第二电池组12B各自具有对应的电池单体串，这种电池单体的数量是因应用而异的。例如，在一个示例性实施例中可以使用96个这样的电池单体，其中每个电池单体的单体电压为约4.0V至4.5V。每个电池单体可以具有对应的单体平衡电路，使得给定的电池单体可以被选择性地绕过，以使得多余的能量能够从第一电池组12A或第二电池组12B排出，无论哪一个具有较高的电池组电压。
图3描绘了替代的多控制器拓扑，其中根据通信协议，图1和图2的控制器50被实施为第一控制器C1和第二控制器C2，其中第二控制器C2在服务器-客户端或其他分级布置中充当第一控制器C1的客户端设备。在这样的实施例中，第一控制器C1可以从其电池组传感器S1收集描述第一电池组12A的操作的数据，并且可以向第二控制器C2发送和收集数据。这里作为主控制器操作的第一控制器C1也估计第一电池组12A的性能，并管理机动交通工具10和图1的快速充电站30之间的通信控制。
在这种分级布置中的第二控制器C2可以从其相关联的电池组传感器S2收集描述第二电池组12B的操作的数据，从第一控制器C1接收数据并向其发送数据，估计第二电池组12B的性能，然后向第一控制器C1发送第二电池组12B的估计性能。在这样的方案中，第一控制器C1充当主控制器，并因此用作电池系统管理器。如下面将参考图8描述的，图3所示的一般方法可以扩展到具有(n)个控制器的(n)个电池组，使得(n)超过图3的双电池组实施例。
在典型的P连接电池布置中，特别是在新交通工具中，功率估计典型地假设电池组共享共同的电池化学性质，并且在荷电状态方面很好地平衡。例如，在示例性双电池组布置中，假设第一假想电池组的第一荷电状态(SOC1)大约等于第二假想电池组的荷电状态(SOC2)，例如，SOC1 = SOC2。给定这个基线假设，电池控制器可以如下计算限流和限压的功率：
Figure 661892DEST_PATH_IMAGE001
其中，P为功率，I L 为电流极限，V L 为电压极限，并且下标1和2对应于假想第一(1)电池组和第二(2)电池组。使用上面的公式，在时间t i 的限流总系统功率(P I )和限压总系统功率(P V )将典型地估计如下：
Figure 595344DEST_PATH_IMAGE002
或者
Figure 906240DEST_PATH_IMAGE003
然而，当P连接电池组的特性随时间推移开始彼此偏离时，例如，由于不同的单体或电池组化学性质、不同的老化、维修历史或其他因素，这种方法变得非常不准确。因此，本方法100旨在解决该特定问题，从而在多电池组RESS的总体控制中产生更精确的功率估计，诸如在图1和图2中的12处所示的实施例。
简要参考图4，示例性放电情况是其中一个P连接的电池组的荷电状态超出另一个P连接的电池组的荷电状态显著量的情况。应当理解，给定电池组的端电压越高，流过该特定电池组的电池组电流越小。同样，较低的端电压对应于较高的电池组电流。在图4中，示出了具有两个P连接的电池组的简化代表性电路，一个电池组的开路电压表示为VOC 10 ，该电池组具有电池组电阻R 1 和最大电流极限I L1,max 。同样，图4中的并联电池组具有电池组电阻R 2 和最大电流极限I L2,max 。因此，第一电池组12A和第二电池组12B的端电压(V 1T 和V 2T )可以导出如下：
Figure 832608DEST_PATH_IMAGE004
为了使本公开的第一电池组12A和第二电池组12B满足它们相应的最大电流极限(I L1 ,I L2 )，控制器50(例如，第一控制器C1)在采样时间(i)确定选择的电压：
Figure 443717DEST_PATH_IMAGE005
。
其中，V max 是多电池组RESS 12的限流电压。作为示例，如果V 10 比V 20 高得多，则控制器50假设V max = V 1T ，使得多电池组RESS 12(即电池组12A和电池组12B)的限流总功率(P 1 )使用以下方程来确定：
Figure 46606DEST_PATH_IMAGE006
。
其中，
Figure 48060DEST_PATH_IMAGE007
代表在采样时间i用选择的电池电压V max (i)预测的电池组12B电流。通常，第一电池组12A和第二电池组12B的放电电流为负。
图5描绘了描述本方法100的流程图，该方法可以在如图1至图3和图8所示的单控制器或多控制器配置中用来估计多电池组RESS 12在放电操作模式和充电操作模式下的功率容量。为简单起见，控制器50在下文中被描述为执行方法100的各个步骤，而不管在特定实施方式中实际使用了多少个控制器。图5参考图6(放电模式)和图7(充电模式)描述为本教导的示例性说明。
从步骤S101A和S101B开始，采样时间(k)递增。当采样时间(k)对于当前迭代已经递增时，方法100前进到步骤S102。
在步骤S102，控制器50预测相应的第一电池组12A和第二电池组12B的端电压(V 1T ,V 2T )(“PRED.V1T, V2T”)。也就是说，对于P连接的电池组中的每一个存在对应的校准电流极限(I L1 , I L2 )，其可以由电池组12A和12B的制造商提供。给定这样的校准电流极限，控制器50如上所述在采样时间k单独预测每个电池组12A和12B的端电压(V 1T , V 2T )，使用电池状态空间模型来这样做。方法100然后前进到步骤S104。
在步骤S104，控制器50例如使用图1的输入信号(箭头CCI)来确定多电池组RESS12是正在充电(“CHG”)还是正在放电(“DCHG”)。当控制器50确定当前操作模式是放电模式时，方法100前进到步骤S105，并且在当确定当前模式是充电模式时的另一种情况下，前进到步骤S106。
步骤S105需要定义并联的最大电压
Figure 387906DEST_PATH_IMAGE008
作为上述预测的两个端电压的最大值，即：
Figure 587943DEST_PATH_IMAGE009
。
方法100然后前进到步骤S107。
在步骤S106，控制器50接下来定义最小并联电压
Figure 378044DEST_PATH_IMAGE010
作为在步骤S102中上述预测的两个端电压的最小值，即：
Figure 700748DEST_PATH_IMAGE011
。
方法100然后前进到步骤S108。
步骤S107包括使用来自步骤S105的最大电压
Figure 968919DEST_PATH_IMAGE012
来预测通过第一电池组12A和第二电池组12B的电池组电流。步骤S107可能需要为相应的第一电池组12A和第二电池组12B中的每一个使用单独的电池状态空间模型，即：
Figure 226725DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 187727DEST_PATH_IMAGE014
。
方法100然后前进到步骤S109。
步骤S108包括使用来自步骤S106的最小电压
Figure 976823DEST_PATH_IMAGE015
来预测通过第一电池组12A和第二电池组12B的电池组电流。与步骤S107一样，步骤S108可能需要为第一电池组12A和第二电池组12B中的每一个使用单独的电池状态空间模型，即：
Figure 783105DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 957734DEST_PATH_IMAGE017
。
方法100然后前进到步骤S109。
在步骤S109，控制器50接下来针对因应用而异的前瞻预测时域(例如，0.1s、1s、2s、10s、20s等)预测在时间k的总系统功率，即Pk，这又使得控制器50能够实时做出前瞻性的动力系控制决策。作为通用公式：
Figure 27321DEST_PATH_IMAGE018
。
由于第一电池组12A和第二电池组12B的不平衡，电池组电流可以具有正符号或负符号，正符号指示从第一电池组12A和第二电池组12B中较强的电池组汲取电流的较弱的电池组。
步骤S110需要预测充电情况的总系统功率P k 。该公式类似于上文针对步骤S109表述的公式，但是针对最小电压(V k,min )：
Figure 287401DEST_PATH_IMAGE019
。
由于第一电池组12A和第二电池组12B的不平衡，电池组电流可以具有正符号或负符号，负符号指示第一电池组12A和第二电池组12B中较强的电池组对第一电池组12A和第二电池组12B中较弱的电池组充电。
放电情况：参考图6进一步详细描述图5的放电(DCHG)步骤S105、S107和S109，图6描绘了使用图3的示例性多控制器拓扑的本方法100的实施方式。也就是说，第一控制器C1(例如图1的代表性机动交通工具10中的第一交通工具集成控制模块(VICM))经由控制器局域网(CAN)总线或其他通信信道与服务器-客户端布置中的第二控制器C2(例如第二VICM)通信。如上所指，第一控制器C1和第二控制器C2分别接收第一电池组12A和第二电池组12B的最大电流极限(I L1,max )和(I L2,max )或用它们编程。这种校准值可以由第一电池组12A和第二电池组12B的制造商提供，或者以其他方式提供给第一控制器C1和第二控制器C2。
第一控制器C1和第二控制器C2用相应的控制逻辑50L和150L编程。第一控制器C1的控制逻辑50L包括逻辑块60、62、64和66，而第二控制器C2的控制逻辑150L包括逻辑块70和72。总的来说，各种逻辑块形成电池状态空间模型，其可以不同地实施为电池组12A和12B的等效电路模型、基于电化学物理的模型或其他合适的代表性模型。
第一控制器(C1)：图6的逻辑块60可以用于确定第一电池组12A在时间点k的端电压，即，V 1T,k 。在示例公式中：
Figure 146642DEST_PATH_IMAGE020
应当理解，电池状态空间模型中的电池参数(这里表示为参数A 1 、B 1 和C 1 ，以及下述F 1 、G 1 和H 1 )可以使用卡尔曼滤波器周期性地更新和/或使用参数估计技术导出。第一电池组12A和第二电池组12B的相应电池状态空间模型中使用的各种电池参数的标识可以随着应用而变化。说明性示例参数包括欧姆损耗、电路电阻、荷电状态、开路电压、电容、温度等。逻辑块60的输出(即端电压
Figure 175778DEST_PATH_IMAGE021
)馈送到逻辑块62中。
使用逻辑块62，第一控制器C1从如下所述第二控制器C2的逻辑块70接收计算的端电压(V 2T )，并确定采样时间k处的最大电压V k,max ，即：
Figure 478583DEST_PATH_IMAGE022
最大电压V k,max 然后被馈送到逻辑块64中，并且也作为输入被馈送到第二控制器C2。
逻辑块64然后用于估计第一电池组12A的功率容量，使用来自逻辑块62的最大电压来这样做。例如：
Figure 960380DEST_PATH_IMAGE023
第一控制器C1将第一电池组12A的估计功率容量(即P 1k 值)馈送到逻辑块66中。
第一控制器C1然后使用逻辑块66将在每个时间点k处的多电池组RESS 12的总功率容量估计为P k = P 1k + P 2k ，其中值P 2k 由第二控制器C2如下所述确定。图6中描绘的过程重复所需的多个预测时域，例如k = 0.1s、0.2s、1s、2s、10s、20s等。
第二控制器(C2)：逻辑块70和72类似于逻辑块60和62，其使用电池状态空间参数A 2 、B 2 、C 2 、F 2 、G 2 和H 2 ，并允许第二控制器C2估计第二电池组12B的端电压V 2T,k 。在放电情况下，对于具有预测的最大端电压的特定第一电池组12A或第二电池组12B，可以不考虑使用电压来计算电池组电流的所述逆模型。为此，逻辑块70可以用第二电池组12B的状态空间模型来编程，诸如：
Figure 124776DEST_PATH_IMAGE024
端电压V 2T,k 然后被馈送到第一控制器C1的逻辑块62中，并如上所述使用。
第二控制器C2的逻辑块72类似于第一控制器C1的逻辑块64，并且将第二电池组12B的功率容量最终估计如下：
Figure 8419DEST_PATH_IMAGE025
与上述电池组电流I 1k 一样，值I 2k 使用逆模型导出，该逆模型估计当两个电池组12A和12B连接时(即当图2的开关Sw1和Sw 2闭合时)有多少电流通过第二电池组12B。第二电池组12B的估计峰值功率P 2k 然后被馈送到逻辑块66中，以计算多电池组RESS 12的估计功率P k 。
充电情况：参考图7描述图5的充电(CHG)步骤S106、S108和S110，其类似于图1，使用图2的多控制器配置发生。图7描绘了控制逻辑50L*和150L*，它们是图6所示的控制逻辑50L和150L的变型。在充电情况下，对于具有预测的最小端电压的第一电池组12A或第二电池组12B，涉及使用从电压计算电流的逆模型的最大限流功率预测可以被忽略。控制逻辑50L*包括上面参考图7描述的逻辑块60，以及逻辑块162、164和166。
第一控制器(C1)：使用逻辑块162，第一控制器C1从第二控制器C2的逻辑块70接收计算的端电压(V 2T,k )，并确定采样时间k处的最小电压V k,min ，即：
Figure 482125DEST_PATH_IMAGE026
最小值V k,min 然后被馈送到逻辑块164中，并且也作为输入被馈送到第二控制器C2的逻辑块172。
逻辑块164然后用于估计电池组12A的功率容量，使用来自逻辑块162的最小电压来这样做。例如：
Figure 451218DEST_PATH_IMAGE027
第一控制器C1然后将第一电池组12A的估计电池组电流I 1k 馈送到逻辑块166中。
第一控制器C1然后使用逻辑块166将在时间点k处的电池的总功率容量估计为P k = I 1k V k,min +P 2k ，其中值P 2k 由第二控制器C2如下所述确定。图7中描绘的过程然后重复所需的多个预测时域，例如k = 0.1s、0.2s、1s、2s、10s、20s等。
第二控制器(C2)：第二控制器C2的逻辑块172将第二电池组12B的功率容量(P 2k )最终估计如下：
Figure 655191DEST_PATH_IMAGE028
然后在逻辑块73处计算第二电池组12B的估计峰值功率P 2k ，然后将其馈送到第一控制器C1的逻辑块166中，以计算多电池组RESS 12的估计功率P k 。
就本文应用的最大电气极限而言，电池制造商或交通工具原始设备制造商可以为充电或放电操作模式指定最大电压极限或最小电压极限，而不是如前述说明性示例中所使用的那样为第一电池组12A和第二电池组12B指定最大电流极限。因此，在本方法100的范围内，步骤S105和S106可以被修改，其中电池组端电压V 1T 和V 2T 被给定的电池组电压极限代替。在充电情况下选择的电压取电池组12A和12B两者的指定最大电压极限的最小值。在放电情况下选择的电压取电池组12A和12B两者的指定最小电压极限的最大值。方法100的剩余步骤然后用于预测总功率容量。
参考图8，上述架构和基本方法非常适合于使用两个并联电池组(例如，第一电池组12A和第二电池组12B)的拓扑。然而，鉴于前述公开，本领域普通技术人员将理解，可以使用多于两个电池组。例如，在示例(n)电池组配置(其中(n)是三个或更多个电池组)中，DC-DC转换器125可以用于将电压电平降低，例如，在非限制性示例性实施例中，从标称400V(例如，370V)降低到48V。多控制器架构可以用在这样的实施例中，其中示例性的第一控制器C1和第二控制器C2由(n)个附加的控制器诸如附加的VICM接合。
因此，单、双或多VICM通信架构可以被设想用于最佳电池管理系统，该系统使用用于DC快速充电和其他高功率应用的P连接电池组。本方法能够利用单独或组合的电压和电流极限对两个或更多个P连接的电池组进行瞬时、短期和长期功率预测。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实施所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所描述的要素和特征的组合和子组合。详细描述和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于管理多电池组可再充电能量存储系统(RESS)的功率流的方法，所述多电池组RESS具有并联连接的具有不同特性的第一和第二电池组，其中，所述第一电池组和所述第二电池组具有相应的最大电流极限，所述方法包括：
经由控制器使用相应的最大电流极限分别预测所述第一电池组和所述第二电池组的对应的第一和第二端电压；
经由所述控制器接收所述多电池组RESS的请求的操作模式，其中，所述请求的操作模式是所述多电池组RESS的充电模式或放电模式；
基于所述请求的操作模式选择所述第一端电压或所述第二端电压作为选择的电压；
使用所述选择的电压和对应的电池状态空间模型，分别预测流过所述第一电池组和所述第二电池组的第一电池组电流和第二电池组电流；
使用所述第一电池组电流和所述第二电池组电流预测所述多电池组RESS在预定的预测时域内的总功率容量，从而生成多个预测功率容量值；和
使用所述多个预测功率容量值经由所述控制器在所述预定的预测时域内控制所述请求的操作模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述第一端电压或所述第二端电压包括当所述请求的操作模式是所述放电模式时选择所述第一或第二端电压的最大值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，并且当所述请求的操作模式是所述充电模式时，选择所述第一或第二端电压的最小值。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在快速充电操作期间，经由所述多电池组RESS从非车载快速充电站接收快速充电电压和电流；
其中，所述请求的操作模式是所述充电模式，并且在所述充电模式期间通过经由所述控制器控制所述快速充电操作来进行控制所述请求的操作模式。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述请求的操作模式是所述放电模式，并且其中，控制所述请求的操作模式包括经由所述多电池组RESS和功率逆变器模块给旋转电机通电。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定的预测时域包括至少五个未来时间点。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制器包括分级布置的第一和第二控制器，预测所述第二端电压经由所述第二控制器使用所述电池状态空间模型中的第二个来完成并且传送给所述第一控制器，预测所述第一端电压经由所述第一控制器使用所述电池状态空间模型中的第一个来完成，并且预测所述总功率容量和控制所述请求的操作模式经由所述第一控制器来完成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二控制器是机动交通工具的第一和第二交通工具集成控制模块(VICM)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多电池组RESS包括经由DC-DC转换器连接到所述第一和第二电池组的第三电池组，使得所述第三电池组具有小于所述第一和第二电池组的电池组电压的电池组电压。
10.一种动力系统，包括：
多电池组可再充电能量存储系统(RESS)，其具有：
并联连接的第一和第二电池组；和
连接到所述相应的第一和第二电池组的第一和第二电池组传感器，所述第一和第二电池组传感器中的每一个被配置成测量所述第一电池组和所述第二电池组的对应的电池组电流、电压和温度；
功率逆变器模块(PIM)，其连接到所述多电池组RESS；
旋转电机，其连接到所述PIM并具有联接到负载的输出构件；和
控制器，其与所述第一和第二电池组传感器通信，并且可操作用于使用所述测量的电池组电流、电压和温度来管理所述多电池组RESS的功率流，其中，所述控制器被编程有所述第一和第二电池组的对应的最大电流极限并且被配置成：
使用所述对应的最大电流极限分别预测所述第一电池组和所述第二电池组的第一和第二端电压；
接收所述多电池组RESS的请求的操作模式，其中，所述请求的操作模式是所述多电池组RESS的充电模式或放电模式；
基于所述请求的操作模式选择所述第一或第二端电压作为选择的电压，包括当所述请求的操作模式是所述放电模式时所述第一或第二端电压的最大值以及当所述请求的操作模式是所述充电模式时所述第一或第二端电压的最小值；
使用所述选择的电压和对应的电池状态空间模型，预测流过所述第一电池组和所述第二电池组中的每一个的电池组电流；
使用所述第一电池组和所述第二电池组的所述电池组电流预测所述多电池组RESS在预定的预测时域内的总功率容量，从而生成多个预测功率容量值；和
使用所述多个预测功率容量值在所述预定的预测时域内控制所述请求的操作模式。
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