CN115085387A - 能量存储的控制器、包括该控制器的系统及其使用方法 - Google Patents

能量存储的控制器、包括该控制器的系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种电能存储系统、控制器及其使用方法。该系统包括并联连接的电池组、一个或多个电池功率管理单元、一个或多个功率转换器和控制器。所述控制器包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述程序被配置为执行用于放电或充电的步骤。该步骤包括：从每个电池组读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据，将相应的电池组与相应的功率转换器连接；从能量管理系统接收功率命令，基于SOH、SOC的所述数据和所述功率命令，计算每个电池组的相应功率比，以及基于每个电池组的功率比，从电池组放电到电网或充电到电池组。

Description

能量存储的控制器、包括该控制器的系统及其使用方法
技术领域
本公开主要涉及用于能量存储的系统和方法。更具体地，所公开的主题涉及用于固定式能量存储的控制器、包括该控制器的系统以及用于控制固定式能量存储的方法。
背景技术
由于对环境问题(如全球变暖)的关注增加，清洁和可再生能源变得更加重要。这些能源包括太阳能和风能以及可充电电池。可再生能源是不灵活的，因为它们不能在需要时被调度以满足能量消费者的不断变化的需求。能量存储系统预期解决这种灵活性挑战。固定能量存储系统可以存储能量并且当需要时以电的形式释放能量。
发明内容
本公开提供了一种用于电能存储系统的控制器、包括这种控制器的电能存储系统及其使用方法。该系统可以被称为分布式功率能量存储系统(DPESS)。所述控制器使用多源输入智能技术(MIST)，并且可以被称为MIST控制器。
根据一些实施例，电能存储系统包括并联连接的多个电池组、一个或多个电池功率管理单元(BPMU)、一个或多个功率转换器和控制器。每个BPMU与一个或多个电池组连接，并且被配置为监视和控制所述一个或多个电池组或相应的电池组。每个功率转换器或称为功率转换系统(PCS)设备与至少一个电池组耦合，并且被配置为将来自相应电池组的直流(DC)转换为交流(AC)或反之亦然。
所述控制器使用多源输入智能技术(MIST)，并且包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的、非暂时性机器可读介质，所述程序被配置为执行用于放电或充电的步骤。在一些实施例中，这些步骤可以包括：从每个电池组读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据，将相应的电池组与相应的功率转换器连接，从上级能量管理系统(EMS)接收功率命令，基于每个电池组的SOH和SOC以及来自所述EMS的所述功率命令，计算每个电池组的相应的功率比(power rate)，以及基于每个电池组的所述功率比，从多个电池组放电或向多个电池组充电。
在一些实施例中，所述多个电池组是选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合的异质电池组。所用的EV电池可直接用于所述系统中，而无需预先选择或拆卸。每个电池组包括逆变器和在该电池组中的内部电池管理单元(BMU)。
在一些实施例中，所述控制器被配置为从每个电池组的逆变器和BMU读取所述数据并监视每个电池组的逆变器和BMU。这可以通过与每个电池组连接的每个相应BPMU来完成。
在一些实施例中，该系统还包括多个自动断路器。每个断路器可设置在电池组和相应的功率转换器之间，并且被配置为连接或断开相应的电池组和相应的功率转换器。
所述控制器被配置成以将功率从直流的所述多个电池组放电到交流的电网，或者将功率从所述电网充电到所述多个电池组。
在一些实施例中，所述控制器被配置为根据等式(1)和(2)计算每个电池组的相应的功率比(Pi)：
Figure BDA0003523733570000021
和
Pi＝min(PiMax,PT*ai) (2),
其中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC，PT是来自EMS的功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额(dispatch share)的乘数(以百分比计)。下标“i”表示所述多个电池组中的每个相应电池组的编号。每个电池组的各自的功率比(Pi)是包括PiMax和PT*ai的两个值中的最小值(或较小值)。
在一些实施例中，所述控制器被配置为基于每个电池组的相应的功率比，向每个转换器和/或每个电池组发送具有用于放电或充电的指令的信号。或者，所述控制器配置成如果所述功率命令超过所述系统的最大极限，则向所述EMS发送反馈。
在另一方面，本公开提供了一种用于电能存储系统的控制器。所述控制器使用多源输入智能技术(MIST)并且包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的、非暂时性机器可读介质，所述程序被配置为执行用于放电或充电的步骤。在一些实施方案中，这些步骤包括：从并联连接的多个电池组中的每一个读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据，并且将相应的电池组与相应的功率转换器连接。所述读取SOH和SOC数据的步骤可以通过一个或多个电池功率管理单元(BPMU)执行，该电池功率管理单元可以用于监视和控制所述多个电池组中的相应电池组。所述功率转换器与至少一个电池组耦合，并且被配置为将来自相应电池组的直流(DC)转换为交流(AC)，或者反之亦然。所述多个电池组是选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合的异质电池组。
所述控制器被配置为进一步执行以下步骤：从上级能量管理系统(EMS)接收功率命令；基于每个电池组的SOH和SOC以及来自所述EMS的所述功率命令来计算每个电池组的相应功率比；以及基于每个电池组的功率比，从所述多个电池组放电或向所述多个电池组充电。
在一些实施例中，所述控制器被配置为根据上述等式(1)和(2)计算每个电池组的相应的功率比(Pi)。在等式(1)中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC。下标“i”表示所述多个电池组中的每个相应电池组的编号。PT是来自EMS的功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额的乘数。每个电池组的各自的功率比(Pi)是包括PiMax和PT*ai的两个值中的最小值(或较小值)。
所述控制器被配置成将功率从所述多个电池组放电到电网，或将功率从电网充电到所述多个电池组。在一些实施例中，所述控制器被配置为基于每个电池组的相应的功率比，向每个转换器和/或每个电池组发送具有用于放电或充电的指令的信号。所述控制器还被配置成如果所述功率命令超过所述系统的最大限制，则向所述EMS发送反馈。
在另一方面，本公开提供了一种用于通过其中的控制器来操作如所描述的电能存储系统的方法，或者一种使用如所描述的控制器的方法。这种方法包括本文所述的步骤。从并联连接的所述多个电池组中的每一个获得并读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据。在一些实施例中，所述控制器可用于直接从电池组或通过用于监视和控制所述多个电池组的一个或多个电池功率管理单元(BPMU)读取这些数据。
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：将相应的电池组与相应的功率转换器连接；从上级能量管理系统(EMS)接收功率命令；基于每个电池组的SOH和SOC以及来自所述EMS的所述功率命令来计算每个电池组的相应功率比；以及基于每个电池组的功率比，将来自所述多个电池组的功率放电到电网或将来自电网的功率充电到所述多个电池组。每个功率转换器与至少一个电池组耦合，并且可以在放电过程期间将来自相应电池组的直流(DC)转换为交流(AC)，或者在充电过程期间反之亦然。所述多个电池组是选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合的异质电池组。在一些实施例中，所述多个电池组是二次使用的电动车辆(EV)电池。
在一些实施例中，在所述控制器中，根据上述等式(1)和(2)计算每个电池组的相应功率比(Pi)。在等式(1)中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC。下标“i”表示所述多个电池组中的每个相应电池组的编号。PT是来自EMS的功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额的乘数。每个电池组的各自的功率比(Pi)是包括PiMax和PT*ai的两个值中的最小值(或较小值)。
在一些实施例中，该方法还包括从所述控制器向每个转换器和/或每个电池组发送指令，以基于每个电池组的相应功率比进行放电或充电，或者如果所述功率命令超过所述系统的最大极限，从所述控制器向所述EMS发送反馈。
本公开中提供的系统、控制器和方法提供了许多优点。例如，该系统是分散式设计。可以使用具有不同质量的各种新电池组和用过的EV电池组。不需要预先选择或拆除电池组。如果一个电池组和/或一个转换器不能响应，则系统仍然具有供应功率负载以满足功率需求的能力。该系统、控制器和方法延长了每个电池组的寿命，并且它们还提供了维护和升级系统的灵活性。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不一定按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的特征。
图1是示出了根据一些实施例的示例性系统的框图，所述系统是包括多源输入智能技术(MIST)控制器的分布式功率能量存储系统(DPESS)。
图2是示出了在图1的示例性系统中使用的多个电池组的框图。
图3是示出了根据一些实施例的根据图1的设计并包括六个二次使用电动车辆(EV)电池组和三个功率转换系统(PCS)的示例性系统的框图。
图4示出了根据一些实施例的示例性电池组管理单元(BPMU)。
图5是示出了根据一些实施例的用于控制电池组的放电或充电的示例性控制器(例如，MIST控制器)或计算机实现的控制器的框图，该计算机实现的控制器包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的、非暂时性机器可读介质。
图6A-6B是示出了根据一些实施例的用于控制电池组的放电或充电的示例性方法的流程图。
图7是示出了根据一些实施例的用于控制电池组的放电或充电的示例性程序的流程图。
图8示出了使用图3的系统中的六个电池组放电的示例。
图9示出了使用图3的系统中的六个电池组充电的示例。
具体实施方式
对示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在说明书中，诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对术语应被解释为指代如随后描述的或如在所讨论的附图中示出的取向。这些相对术语是为了便于描述，而不要求设备以特定的取向构造或操作。关于附着、耦合等的术语(例如“连接”和“互连”)指的是一种关系，其中结构直接或通过中间结构间接地彼此固定或附着，以及活动或刚性连接或关系，除非另外明确地描述。
为了下文描述的目的，应当理解，下文描述的实施例可以采取替代的变型和实施例。还应当理解，本文所述的具体制品、组合物和/或方法是示例性的，并且不应当被认为是限制性的。
在本公开中，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数引用，并且对特定数值的引用至少包括该特定值，除非上下文另有明确指示。当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，该特定值形成另一个实施方案。如本文所用，“约X”(其中X是数值)优选是指所引用值的±10％，包括端值在内。例如，短语“约8”优选地指7.2至8.8的值，包括端值。当存在时，所有范围都是包括性的和可组合的。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1-2和4-5”、“1-3和5”、“2-5”等。另外，当肯定地提供了备选的列表时，这种列表可以解释为意味着可以排除任何备选，例如，通过权利要求中的否定限制进行排除。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围可以解释为包括其中1、2、3、4或5中的任意者被否定地排除的情况；因此，对“1至5”的叙述可以被解释为“1和3-5，但不是2”，或简单地“其中不包括2”。在此明确引用的任何组件、元件、属性或步骤可以被明确地排除在权利要求之外，无论这些组件、元件、属性或步骤是否作为替代物列出或者无论它们是否单独引用。
中国专利申请CN110518667A公开了一种梯次利用电池并联系统及其控制方法，其包括电池模块和DC/DC电力转换器模块。这种电池模块包括供电电池模块和电池管理模块。该供电电池模块包括多组相互并联的电池组，每组并联电池组分别由若干个电池组串联组成。所述电池组串联连接以在并联连接的相应电池组中提供相似的电压。所述电池管理模块用以监视供电电池模块的充电或放电情况。终端控制模块根据接收电池管理模块发送的数据，判断电池并联系统的工作模式，并向DC/DC电力转换器模块发送充电或放电命令。该DC/DC电力转换器模块根据终端控制模块的控制命令对并联组中的各电池进行充电或放电操作。
CN110518667A中公开的系统利用DC/DC转换器和电池管理模块来控制包括串联连接的电池组的多个并联组的电池系统。这种系统忽略了串联电池组中使用的电池和现有的循环电流的变化。该系统和方法没有提供在DC/DC变换器之间的协调中的详细控制方法。
CN110518667A没有公开系统是否适于与电网连接，并且公开的技术限制了这种系统扩展到电网。DC-DC转换器是将直流(DC)源从一个电压电平转换到另一个电压电平的电子电路或机电装置。如果电池系统连接到电网，则仍然需要附加的AC/DC转换器。如果诸如CN110518667A中公开的系统连接到电网，则添加更多DC/DC转换器将显著提高总DC电流并增加对AC/DC转换器的硬件要求。
本公开提供了一种用于电能存储系统的控制器、包括这种控制器的电能存储系统及其使用方法。该系统可以被称为分布式功率能量存储系统(DPESS)。所述控制器使用多源输入智能技术(MIST)，并且可以被称为MIST控制器。
根据一些实施例，本公开提供了在固定能量存储应用中适当地利用诸如二次使用电动车辆(EV)电池组的电池的系统和方法。每个电池组根据其特性(例如，健康状态(SOH)、充电状态(SOC)和电池组端电压)，单独地操作。不需要预先选择电池组。电池组之间没有串联连接消除了循环电流和损耗。该系统直接使用具有尺寸扩展灵活性的并网AC/DC转换器。并网应用不需要额外的功率转换系统。
根据一些实施例，本发明提供了一种利用二次使用(或使用过的)电动车辆(EV)电池组的分布式功率能量存储系统(DPESS)及其多源输入智能技术(MIST)控制器。在本发明所提供的系统中，MIST控制器最优地估计每个电池组的充电/放电率。DPESS接受来自选定品牌和/或来自其它汽车制造商的二次使用EV电池组的各种条件。
本发明的主要益处是有效地管理电池组的多样性，例如新电池、二次使用的EV电池组或其在固定能量存储应用中的组合。可以提高在多电池组系统中更强(更健康)的电池组的利用率。EV电池组的寿命长度可以被均匀化，并且系统的整体寿命可以被延长。提高了电池储能系统(BESS)的可靠性、稳定性和安全性。不涉及额外的劳动和成本。
除非另外明确说明，否则本文使用缩略语来表示缩写。例如，“DPESS”指的是分布式功率能量存储系统(DPESS)，“BESS”指的是电池能量存储系统，“BPMU”指的是电池组管理单元，以及“MIST”指的是多源输入智能技术。
本公开中提供的控制器、系统和方法适用于不同的电池组，其是异质电池组。本文中提到的“异质电池组”是指具有不同容量、SOC和/或SOH的电池组或模块，并且可以选自新电池(例如，来自不同制造商)、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合。二次使用的EV电池用于说明目的。对多个电池组的“放电”或“充电”的引用被理解为多个电池组共同放电或被充电，同时一些电池组可能保持空闲(没有充电或放电)。
除非另外明确指出，否则本文对“MIST”或“多源输入智能技术”的引用是指云的术语，该术语是基于因特网的计算技术，并且可以本地执行计算。该术语也可被称为“主智能信号转换器(MIST)”。这种技术转换不同源的语言，例如逆变器和BMS语言(例如，CAN、Modbus、DNP3或任何其他合适的语言)。使用这种技术，所述控制器和在此描述的系统中的不同设备或单元可以彼此通信。
除非另外明确指出，否则本文所提及的“健康状态(SOH)”将被理解为是指电池、电池单元或电池组的状况与其理想状况相比的品质因数。SOH以百分比(％)表征。理想状况下与规格匹配的状况是100％。SOH可以随着时间和使用而减少。
除非另外明确指出，否则本文所述的“充电状态”(SOC)被定义为电池相对于其容量的充电水平。SoC的单位是百分点，0％表示空，100％表示满。
这里使用的术语“人机接口(HMI)”被理解为指用户接口(UI)，是人和机器之间发生交互的空间。人机接口(HMI)可以涉及人与具有物理输入硬件的机器之间的接口，所述物理输入硬件诸如键盘、鼠标或基于触觉、视觉或听觉的任何其它人机交互。这样的用户接口可以包括其他层，例如输出硬件，例如计算机监视器、扬声器和打印机。
本文所使用的术语“能量管理系统(EMS)”是指由公用电网的操作者用来监视、控制和优化发电或输电系统的性能的计算机辅助工具的系统。
在本公开中，术语“功率需求”和“功率要求”可互换使用，并且术语“转换器”和“逆变器”可互换使用。每个电池组包括逆变器和其中的电池管理单元(BMU)。为了便于描述，术语“功率逆变器”或“AC/DC功率转换器”用于描述电池组中的内部组件，术语“功率转换器”或“功率转换系统(PCS)”用于描述与一个或多个电池组连接的转换器。术语“电池管理单元(BMU)”或“电池管理系统(BMS)”用于描述电池组中的内部组件。术语“电池功率管理单元(BPMU)”用于描述与一个或多个电池组连接的电池管理单元。
除非另外明确指出，否则本文所使用的术语“连接”或“耦合”被理解为涵盖组件之间的不同连接或耦合，以便传导电力或传输用于通信的信号。这种连接或耦合可以通过有线、无线或基于云的模式。
在图1-5中，相同的项目由相同的附图标记表示，并且为了简洁，不再重复以上参照前面的附图提供的结构的描述。参考图1-5中描述的示例性结构，描述了图6A-6B和7中描述的方法。
参考图1，示出了示例性系统100的框架，其为分布式功率能量存储系统(DPESS)。图2是示出了在图1的示例性系统中使用的多个电池组20的框图。图3是一些实施例中的系统100的示例。这种系统100包括控制器60，其是根据一些实施例的多源输入智能技术(MIST)控制器。在分散设计中，更多的能量可以被用在电池组中。
参考图1-3，根据一些实施例，电能存储系统100包括多个电池组20、一个或多个电池功率管理单元(BPMU)30和控制器60。系统100还包括功率转换器10，其也被称为功率转换系统(PCS)。在图1中被标记为“MIST服务器”的控制器60可以以有线或无线模式与其他组件连接。图1中的虚线22示出了控制器60可以在基于云的模式下工作，并且可以作为实时本地云工作。系统100可用于将功率从电池组20释放到电网85，或用于从电网85充电到电池组20。可使用电线连接12。母线80可存在于系统100和电网85之间。
所述多个电池组20以并联结构50连接。在一些实施例中，所述多个电池组20是二次使用(即，使用过的)电动车辆(EV)电池。所用的EV电池可直接用于系统中，而无需预先选择或拆卸。如图1所示，每个电池组20包括一个或多个电池、内部电池管理单元(BMU)25和逆变器40。EV电池组20从车辆移除并且不被拆卸成模块。可以对这些EV电池组20进行简单的测试以验证它们的SOH。
使用本公开中提供的系统和方法，存储在EV电池组中的能量可以通过它们自身的比率适当地循环，以避免电池组上的不均匀性能。
参照图2，示出了六个电池组20。图2中的条长度示出了每个电池组的健康或容量。当较弱的电池组(例如，电池组20b)已经满/空时，具有更多剩余容量的更好的电池组(例如，电池组20a)可以进一步循环。因此可用能量受到最弱的电池组(例如，电池组20b)的限制。最弱的电池组的容量23是基线。该基线以上的额外功率容量24是系统100中用于放电的获得能量。在较早阶段，系统100将更多地使用较好的电池组，并使它们与较弱的电池组达到相同的状况。系统100将在所有的电池组的相同状况下进行操作。系统的总寿命可以延长。
参考图3，仅出于说明的目的，作为系统100的示例性系统200包括并联连接的六个电池组20。每个BPMU 30与至少一个电池组20连接，并且被配置为监视和控制相应的(一个或多个)电池组20。如图3所示，BPMU 30a在一个端口与一个电池组20连接，并且具有至少五个端口的BPMU 30b与五个电池组20连接。图3中的配置仅用于说明。每个BPMU 30可与任何合适数量的电池组20连接，该合适数量可为2、3、4、6或任何其它合适的整数。在一些实施例中，BPMU 30根据EV电池组的品牌而被开发。
每个功率转换器10与至少一个电池组20耦合，并且被配置为将来自相应电池组20的直流(DC)转换为交流(AC)，或者反之亦然。如图3所示，使用了包括(PCS No.1-3)的三个功率转换器10。它们中的每一个与两个电池组20连接。图3中的配置仅用于说明。每个功率转换器10可以与任何合适数量的电池组10连接。这种合适的数量可以是2、3、4、6或任何其它合适的整数。
在一些实施例中，所述系统100还包括多个自动断路器14。一个或两个断路器14可设置在电池组20和相应的功率转换器10之间，并且被配置为连接或断开相应的电池组20和相应的功率转换器10。
图3示出了示例性系统，其具有二次使用的EV电池组20和它们的相关断路器14、两种类型的BPMU 30(包括一种用于控制五个电池组20，另一种与一个电池组连接)、三个功率转换器10和一个MIST控制器60。该控制器60可通过有线或无线或基于云的模式连接。在图3中，所述控制器60和其它组件之间的所有连接可以是无线的并且基于云的。在一些实施例中，其它组件之间的连接可以是通过导线的。
参照图3，每个EV电池组20通过一组自动DC断路器14连接到单个功率转换器10(或转换器10上的独立DC端口)。转换器10(或DC端口)控制是否对单个EV电池组20充电或放电。所述MIST控制器60被配置为根据EV电池组的状况(例如，SOC、SOH、电压和温度)，调整充电/放电比率。
所述控制器60还通过控制功率转换器10和电池组20之间的断路器14来控制系统的安全性。断路器14将保护相应的EV电池组20在启动所述系统时免受涌入电流和电弧的影响。所述控制器60收集电池组20的数据并对转换器10上的DC端口预充电，然后经由功能继电器以及所述断路器上的切换电机来闭合所述断路器14。
参考图4，示出了示例性电池组管理单元(BPMU)30。该示例性BPMU 30包括微控制器32和处理器34，例如外壳36内的个人计算机。所述微控制器32通过数字I/O接口与相应的电池组20连接并通信。通过微控制器32，BPMU 30被配置成通过与控制器60协调来监视和控制相应的电池组20。所述微控制器32和处理器34彼此连接和通信。所述处理器34与控制器60的网络连接。
参考图1，在一些实施例中，系统100可以直接连接到480V 3相电网。系统100中的所有组件(包括HMI、转换器、BPMU和保护继电器)通过TCP/IP网络链接或耦合到MIST。所述控制器60通过TCP/IP 22与所有组件联网。用户90可以接入所述网络。
参考图1、3和5，所述控制器60使用多源输入智能技术(MIST)并且包括一个或多个处理器62和编码有要由一个或多个处理器执行的一个或多个程序74的至少一个有形的非暂时性机器可读介质。所述(一个或多个)处理器62可包括中央MIST控制64，其包括参数输入模块66、模型模块68、参数控制模块70以及信息和指令模块72。所述参数输入模块66与电池组20和HMI或EMS 110协调以从电池组20读取数据并从HMI或EMS 110读取功率需求。所述参数输入模块66还与每个功率转换器10和BPMU 30协调。所述参数控制模块70还与每个功率转换器10、每个电池组20、每个BPMU 30和HMI/EMS 110协调以控制放电或充电的过程。与一个或多个程序74一起，所述模型模块68被配置成基于输入参数执行模拟，以向参数控制模块70和信息和指令模块72提供信息和指令。所述处理器62可以可选地与一个或多个显示器76连接，以用于显示来自模块72的信息和指令并显示给操作者。
具有所述程序74和所述处理器62的控制器60被配置成执行如本文所述的放电或充电步骤。在一些实施例中，这些步骤可以包括：读取包括诸如每个电池组的SOH和SOC的数据状态的数据，将相应的电池组20与相应的功率转换器10连接，从上级能量管理系统(EMS)110接收功率命令，基于每个电池组20的SOH和SOC以及来自EMS 110的所述功率命令，计算每个电池组20的相应功率比，以及基于每个电池组20的功率比，从所述多个电池组20放电或向其充电。在一些实施例中，控制器60被配置为从每个电池组20的BMU 25和逆变器40读取数据并对其进行监视。在一些实施例中，这可以通过与每个电池组20连接的每个相应的BPMU 30来完成。
根据一些实施例，本发明提供了一种分布式功率能量存储系统(DPESS)100(其使用二次使用(或使用过的)电动车辆(EV)电池组20)及其多源输入智能技术(MIST)控制器60。该DPESS包括MIST控制器60、一个或多个二次使用EV电池组20、一个或多个AC/DC电池功率转换系统(PCS)(即，功率转换器10)、一个或多个电池组管理单元(BPMU)30、以及多个自动断路器14，如本文所述。一个单个EV电池组由一个BPMU 30或BPMU 30上的一个通信端口监视和控制，并且它通过一组自动断路器(每个极性一个)连接到一个单个转换器10(或转换器10上的独立DC端口)。一个或多个PCS或转换器10和电池组20集合被容纳为DPESS并连接到电网85。所述MIST控制器60从PCS 10和BPMU 30收集实时数据并估计每个单独的EV电池组20的功率比。在本公开中的DPESS是分散的结构，并且所有EV电池组由它们自己的转换器操作。所述MIST控制器监视和控制所述系统中的所有组件。不需要拆卸EV电池组。消除了电池组之间的环流。二次使用电池的效率和寿命得到延长。
在本发明所提供的系统中，每个电池组20与单独的功率转换器10(或称为PCS)连接，或与PCS上的独立DC端口连接。一个电池组20可以作为单独的系统操作。MIST控制器60用作分散系统和上级能量管理系统(EMS)之间的桥梁。MIST控制器具有双向通信能力。MIST控制器60从功率转换器10和电池组20收集数据，汇总该数据，并发送到上级EMS 110。MIST控制器60还从EMS 110接收充电/放电命令和功率比，计算各个电池组20的适当功率比，然后将动作信号发送到转换器10(和电池逆变器40)。根据电池组的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)值来使用该电池组20。
电池组20连接到它们相应的单个转换器10(或转换器10上的独立DC端口)。所述转换器10(或所述DC端口)被控制以对单个电池组20充电和放电。所述MIST控制器将根据电池组20的状况，例如SOC、SOH、电压和温度，调整充电/放电比率。存储在电池组(例如，EV电池组)中的能量可以通过它们自己的比率适当地循环以避免电池组上的不均匀性能。当较弱的电池组已经满/空时，具有更多剩余容量的更好(或更健康)电池组可以进一步循环。在较早阶段，DPESS将利用较好的电池组并使它们朝向与较弱的电池组相同的状况退化。所述系统将在所有电池组的相同状况下进行操作。系统的总寿命可以延长。
所述分散系统具有优于用于能量存储的集中系统的优点。例如，在集中式电池能量存储系统中，多个电池集/电池组20连接到功率转换系统(PCS)。由于所有的电池被捆绑在一起，系统的性能受到最弱的电池集的限制。另外，由于所有电池连接在同一DC母线上，存在较大的环流。该环流导致电池组中的自放电，这降低了电池的寿命。
作为这种分散系统的一个优点，如果一个电池组(和/或一个转换器)不能响应，则系统仍然具有提供负载的能力。它也在维护和升级系统方面提供了灵活性。
另一个益处是延长电池组的寿命。如图2所示，最弱的电池组20b控制集中能量存储系统中的放电或充电过程，当最弱的电池组20b充满/空的时候，该放电或充电过程必须停止充电/放电。不能使用区域23上方的能量。大多数电池组不能得到完全的循环，并且在短期运行后寿命减少。使用分散系统，系统的性能不受最弱电池组的限制。每个电池组由其自己的PCS(或独立的DC端口)控制。储存在电池组中的能量可以被充分利用。控制器计算功率比以帮助电池组平衡SOC。
另一个优点是即插即用。系统100不要求所有的电池组具有相同的特性。不同类型的旧的和新的、不同品牌、原始的和重新封装的电池组均可以用于系统100中。这在任何现有的能量存储系统中是不可能的。此外，即使系统的某些部分出现故障，系统100也可以部分地运行。在不将整个系统下架的情况下，可以容易地隔离损坏的部分。
本公开提供了一种用于通过其中的控制器60来操作如所描述的电能存储系统100的方法，或者一种使用如所描述的控制器60的方法。
参考图6A-6B，根据一些实施例示出了用于控制电池组的放电或充电的示例性方法300。这里描述的步骤也是控制器60被配置为通过程序执行的步骤。
在系统100的操作之前和期间，主要过程可以包括以下步骤。多个电池组(例如，二次使用的电动车辆(EV)电池)如在系统中所述的那样并联连接。一个电池组20被配置为通过两个断路器连接到一个功率转换器10或转换器10上的DC端口。所述断路器是电动的，并通过功能继电器连接到MIST。并联连接的一个或多个转换器10连接到电网。一个或多个BPMU30用于激活内部电池BMU 25并解释电池数据并发送到MIST。所述系统的所有组件(包括HMI、转换器10、BPMU 30和保护继电器)通过TCP/IP网络链接到MIST控制器60。MIST控制器60收集数据并从HMI或上级能量管理系统(EMS)接收命令，然后基于电池组的状况和总功率需求进行计算。MIST控制器发出命令以操作电池转换器，并且监视和控制整个系统。当SOH、SOC和电池组电压达到给定阈值时，MIST控制器60修正电池组的功率比。所述MIST控制器60记录所有系统数据并跟踪错误信息
在图6A的步骤302，从并联连接的多个电池组20中的每一个获得并读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据。在一些实施例中，所述控制器60可用于直接从电池组20或通过用于监视和控制所述多个电池组的一个或多个电池功率管理单元(BPMU)30读取这些数据。
在步骤304，相应的电池组20与相应的功率转换器10连接。如上所述，电池组20可以通过两个断路器连接到一个功率转换器10或转换器10上的DC端口。所述断路器是电动的，并通过功能继电器连接到控制器60。
在步骤306，从上级能量管理系统(EMS)110接收功率命令。
在步骤308，基于每个电池组20的SOH和SOC以及来自EMS 110的所述功率命令，计算每个电池组的相应功率比。
在步骤310，基于每个电池组的所述功率比，将功率从多个电池组放电到电网，或者将来自电网的功率充电到多个电池组。所述充电或放电是基于来自EMS 110的需求。每个功率转换器10与至少一个电池组20耦合，并且可以在放电过程期间将来自相应电池组20的DC转换为AC，或者在充电过程期间反之亦然。所述控制器60被配置成将功率从DC的多个电池组20放电到AC的电网，或者从所述电网将功率充电到所述多个电池组。
在一些实施例中，所述控制器被配置为根据等式(1)和(2)计算每个电池组的相应的功率比(Pi)：
Figure BDA0003523733570000181
和
Pi＝min(PiMax,PT*ai) (2),
其中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC，PT是来自EMS的功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额(或比率)的乘数(以百分比计)。下标“i”表示所述多个电池组中的每个相应电池组的编号。每个电池组的各自的功率比(Pi)是包PiMax和PT*ai的两个值中的最小值(或较小值)。
上面的等式(1)包括两个独立的等式，其包括用于充电的1(a)和用于放电的1(b)：
Figure BDA0003523733570000182
和
Figure BDA0003523733570000183
除了上述步骤之外，所述控制器60还被配置成执行其他步骤，例如图6B中所示的步骤312、314和316。
在步骤312，将具有指令的信号发送到每个转换器和/或每个电池组，以基于每个电池组的相应功率比进行放电或充电。
在步骤314，可选地，如果所述功率命令超过所述系统的最大限制，则向所述EMS发送反馈。
在步骤316，每个电池组20的BMU 25和逆变器40被监视，并且从它们读取所述数据。步骤316可以与步骤302重叠。然后，该方法循环回到图6A的步骤302。
MIST控制器60的一个重要功能是在放电期间从电池组调度功率或在充电期间将功率调度到电池组中。由于第一寿命的变化，二次使用的电池组的SOC和SOH在系统100中是不同的。充电/放电功率必须根据电池组的状况来划分。该调度功率比率与存储在电池组中的能量成比例。等式(1)用于计算第i个电池组的调度比率。然后，使用等式(2)计算功率，并且该功率受到功率限制。
参考图7，示例性流程图400示出了在一些实施例中使用的步骤和算法。每个框表示一个步骤或标准。在框92，启动系统。在框94，控制器60与电池组20中的BMU 25和逆变器40通信，以在框96检查BMU 25和逆变器40的状况并读取数据。在框98，如果与一个电池组20的通信失败，控制器60将列出这种故障的BMU 25和/或逆变器40，并检查下一个电池组。如果与一个电池组的通信没有失败，则在框102处，控制器60读取电池组20的电压。在框104处，DC电压被泵送到逆变器40上以闭合电池组20与相应功率转换器10的端口之间的断路器，使得这样的电池组20和相应功率转换器10连接在一起。这些是准备所述系统以执行放电或充电步骤的过程。
在框106中，从上级能量管理系统(EMS)110读取所述功率命令。在框108，检查每个电池组的SOC和SOH，并且如上所述例如使用等式(1)和(2)计算每个电池组的功率比。相应地计划分配功率。在框112处，检查电池组20的功率限制。如果电池组20的功率需求超过其限制，则在框114，限制这种电池组以分配功率，然后通过返回到框106和108来重新计算其它电池组的功率比。如果在框112处电池组20的功率需求在其限制内(即，没有违反其功率限制)，则在框118处执行检查以查看总功率需求是否超过系统100的限制。如果来自电池组的总功率不能满足来自EMS 110的功率命令的要求，则在框120，反馈被发送到所述EMS110，并请求新的且较少的功率命令。如果来自电池组的总功率能够满足来自EMS 110的功率命令的要求，则命令和指令被发送到包括逆变器40的电池组20。从图7的框106到框122的步骤可以在框124结束之前循环重复。
如上所述，本公开提供了用于电能存储系统的控制器60。
在一些实施例中，所述MIST控制器60是所述系统的定位控制器。它作为大脑来监督所述系统。所述控制器60检查与所有硬件组件的通信，收集数据，并且如果存在错误则显示错误。控制器60操作转换器和断路器以将电池组连接到转换器DC端口上。它还从HMI或上级EMS接收命令。所述控制器60计算各个电池组的功率比，并将该功率比分配给转换器以进行充电/放电动作。所述控制器60监视每个电池组的状态和状况，并相应地重新估计功率比。所述控制器60将数据记录在本地和/或云数据库中。所述控制器60监视包括每个电池组上的SOH、SOC和电压值的数据，并实时确定新的功率比。所述MIST控制器还操作电池组和转换器之间的断路器以避免过度充电/放电。
实施例
仅为了说明，图3的系统200用于评估。在以下示例中，功率需求为24KW，并且使用恒定调度。
图8和表1示出了使用图3的系统200中的六个电池组放电的示例。
表1
Figure BDA0003523733570000211
图9和表2示出了使用图3的系统中的六个电池组充电的示例。
表2
Figure BDA0003523733570000212
本公开中提供的系统、控制器和方法提供了许多优点。例如，该系统是分散式设计。可以使用具有不同质量的各种电池组，例如使用过的EV电池组。不需要预先选择或拆除电池组。如果一个电池组和/或一个转换器不能响应，则系统仍然具有供应功率负载以满足功率需求的能力。该系统、控制器和方法延长了每个电池组的寿命，并且它们还提供了维护和升级系统的灵活性。
这里描述的方法和系统可以至少部分地以计算机实现的过程和用于实践这些过程的装置的形式来体现。所公开的方法还可以至少部分地以用计算机程序代码编码的有形非瞬态机器可读存储媒体的形式来体现。媒体可以包括例如RAM、ROM、CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM、硬盘驱动器、闪存或任何其它非瞬态机器可读存储介质或这些介质的任何组合，其中，当所述计算机程序代码被加载到计算机中并由计算机执行时，该计算机成为用于实践该方法的装置。所述方法还可以至少部分地以计算机的形式来体现，计算机程序代码被加载到所述计算机中和/或在所述计算机中被执行，使得所述计算机成为用于实践所述方法的装置。当在通用处理器上实现时，计算机程序代码段配置所述处理器以创建特定的逻辑电路。所述方法可以可选地至少部分地在由用于执行所述方法的专用集成电路形成的数字信号处理器中实现。所述计算机或控制单元可以使用基于云的系统远程地操作。
尽管已经根据示例性实施例描述了本主题，但是本主题不限于此。相反，所附权利要求应当被宽泛地解释为包括本领域技术人员可以做出的其他变型和实施例。

Claims (20)

1.一种电能存储系统，包括：
并联连接的多个电池组；
一个或多个电池功率管理单元(BPMU)，每个BPMU与一个或多个电池组连接并且被配置为监视和控制所述一个或多个电池组；
一个或多个功率转换器，每个功率转换器与至少一个电池组耦合并且被配置为将来自所述至少一个电池组的直流(DC)转换为交流(AC)或反之亦然；以及
控制器，其使用多源输入智能技术(MIST)并且包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的、非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序被配置为执行以下步骤：
从每个电池组读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据；
将相应的电池组与相应的功率转换器连接；
接收来自上级能源管理系统(EMS)的功率命令；
基于每个电池组的所述SOH和所述SOC以及来自所述EMS的所述功率命令，计算每个电池组的相应功率比；以及
基于每个电池组的所述功率比，从所述多个电池组放电或向所述多个电池组充电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个电池组是选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合的异质电池组。
3.根据权利要求1所述的系统，其中每个电池组包括逆变器和内部电池管理单元(BMU)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器被配置成从每个电池组的所述逆变器和所述BMU读取所述数据并监视每个电池组的所述逆变器和所述BMU。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括多个自动断路器，每个断路器被配置为连接或断开相应的电池组和相应的功率转换器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为将功率从所述多个电池组放电到电网，或者将功率从所述电网充电到所述多个电池组。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为根据等式(1)和(2)计算每个电池组的相应的功率比(Pi)：
Figure FDA0003523733560000021
和
Pi＝min(PiMax,PT*ai) (2),
其中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC，PT是来自所述EMS的所述功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额的乘数。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为基于每个电池组的相应的功率比，向每个转换器和/或每个电池组发送具有用于放电或充电的指令的信号。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为如果所述功率命令超过所述系统的最大限制，则向所述EMS发送反馈。
10.一种用于电能存储系统的控制器，所述控制器使用多源输入智能技术(MIST)并且包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序被配置为执行以下步骤：
通过用于监视和控制多个电池组的一个或多个电池功率管理单元(BPMU)从并联连接的该多个电池组中的每一个读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据；
将相应的电池组与相应的功率转换器连接，所述功率转换器与至少一个电池组耦合并且被配置为将来自相应的电池组的直流(DC)转换为交流(AC)或反之亦然；
接收来自上级能源管理系统(EMS)的功率命令；
基于每个电池组的所述SOH和所述SOC以及来自所述EMS的所述功率命令，计算每个电池组的相应功率比；以及
基于每个电池组的所述功率比，从所述多个电池组放电或向所述多个电池组充电。
11.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述多个电池组是选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合的异质电池组。
12.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述控制器被配置为根据等式(1)和(2)计算每个电池组的相应的功率比(Pi)：
Figure FDA0003523733560000031
和
Pi＝min(PiMax,PT*ai) (2),
其中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC，PT是来自所述EMS的所述功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额的乘数。
13.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述控制器被配置为将功率从所述多个电池组放电到电网或负载，或者将功率从所述电网充电到所述多个电池组。
14.根据权利要求10所述的控制器，其中所述控制器被配置为基于每个电池组的相应的功率比，向每个转换器和/或每个电池组发送具有用于放电或充电的指令的信号。
15.根据权利要求10所述的控制器，其中所述控制器被配置成如果所述功率命令超过所述系统的最大限制，则向所述EMS发送反馈。
16.一种用于通过其中的控制器操作电能存储系统的方法，包括：
从并联连接的多个电池组中的每一个读取包括健康状态(SOH)和充电状态(SOC)的数据；
将相应的电池组与相应的功率转换器连接，所述功率转换器与至少一个电池组耦合并且被配置为将来自相应的电池组的直流(DC)转换为交流(AC)或反之亦然；
接收来自上级能源管理系统(EMS)的功率命令；
基于每个电池组的所述SOH和所述SOC以及来自所述EMS的所述功率命令，计算每个电池组的相应功率比；以及
基于每个电池组的所述功率比，从所述多个电池组放电到电网或从所述电网充电到所述多个电池组。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个电池组是选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合的异质电池组。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，每个电池组的相应的功率比根据等式(1)和(2)来计算：
Figure FDA0003523733560000051
和
Pi＝min(PiMax,PT*ai) (2),
其中，SOHi和SOCi分别是每个电池组的SOH和SOC，PT是来自所述EMS的所述功率命令，PiMax是每个电池组的最大容量，并且ai是表示每个电池组的调度份额的乘数。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：将指令从所述控制器发送到每个转换器和/或每个电池组，以基于每个电池组的所述相应的功率比进行放电或充电。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：如果所述功率命令超过所述系统的最大限制，则从所述控制器向所述EMS发送反馈。
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