CN115733132A - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电源系统。一种电源系统，包括：输出来自被Y连接的U相电池串、V相电池串和W相电池串的交流电力的交流扫描单元；使用逆变器将直流扫描单元的输出转换为交流电力并输出交流电力的第一电源电路，其中直流扫描单元包括第一电池串；以及控制装置。包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池的能量密度高于包括在第一电池串中的电池的能量密度。

Description

电源系统
技术领域
本公开涉及一种电源系统，尤其涉及一种使用多个电池串的电源系统。
背景技术
现有技术说明
日本未审查专利申请公开No.2018-074709(JP 2018-074709 A)公开了一种用于控制电池串的控制电路。电池串包括相互连接的多个电池电路模块。电池串所包括的每个电池电路模块包括：电池；与电池并联连接的第一开关；与电池串联连接的第二开关；以及第一输出端和第二输出端，当第一开关处于关断状态且第二开关处于接通状态时电池电压施加在第一输出端和第二输出端上。控制电路可通过控制包括在电池串中的每个电池电路模块的第一开关和第二开关，将电池串的输出电压调整为期望的大小。
发明内容
JP 2018-074709 A公开了一种使用这种电池串输出直流电力的电源系统。但是JP2018-074709 A根本没有考虑使用电池串来输出交流电力的电源系统。如果可以实现使用电池串来输出交流电力的电源系统，那么将扩大电池串的应用范围，并且可以期待电池串的低成本。
本公开提供一种使用电池串输出交流电力的电源系统。
根据本公开的方案的电源系统包括：交流扫描单元，其输出来自Y连接的U相电池串、V相电池串和W相电池串的交流电力；第一电源电路，其使用逆变器将包括第一电池串的直流扫描单元的输出转换为交流电力并输出交流电力；以及控制装置，控制交流扫描单元和第一电源电路。U相电池串、V相电池串、W相电池串和第一电池串各自包括串联连接的多个电池电路模块。电池电路模块中的每个包括：电池、输出电池的电压的输出端、连接到输出端并与电池并联连接的第一开关、以及与电池串联连接的第二开关。电池电路模块中的每个被配置为：使得当第一开关处于关断状态且第二开关处于接通状态时，电池的电压被施加于输出端。第一电源电路和交流扫描单元被配置为能够与外部电源电连接，并且包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池中的每个的能量密度高于包括在第一电池串中的电池中的每个的能量密度。
根据该配置，可通过控制电池电路模块的第一开关和第二开关的状态来控制电池串的输出电压。因为交流扫描单元的U相电池串、V相电池串和W相电池串被Y连接，所以可通过控制每个电池串的输出电压，将交流电力(例如三相交流电力)输出到外部电源。通过使用逆变器将从第一电池串输出的直流电力转换为交流电力，可将交流电力从第一电源电路输出到外部电源。
因为交流扫描单元通过控制电池电路模块的第一和第二开关来输出交流电力，所以交流扫描单元的效率相对较低。因此，期望降低交流扫描单元的最大输出(最大电力)，并且优选以低速率对交流扫描单元中的电池串的电池进行充电和放电。因为包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池的能量密度高于包括在第一电池串中的电池的能量密度，所以可以高效且稳定地输出交流电力。
在根据上述方案的电源系统中，包括在第一电池串中的电池中的每个的输出密度可以高于包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池中的每个的输出密度。
因为第一电源电路使用逆变器输出交流电力，所以第一电源电路比交流扫描单元更高效。包括在第一电池串中的电池具有高于包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池的输出密度。因此，在请求高输出时，可以从第一电源电路适当地输出交流电力。通过组合具有高输出密度的功率电池(高输出电池)和具有高能量密度的能量电池(高容量电池)，电源系统可以使得各种类型的电池以它们擅长的方式输出电力(高输出或长期输出)。因此，与单独使用能量电池或单独使用电力电池的电源系统相比，可以以低成本提供高输出、高容量的电源系统。
在根据上述方案的电源系统中，包括在第一电池串中的电池中的每个可以是镍氢电池，而包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池中的每个可以是锂离子电池。
在目前广泛使用的电动车辆中，通常使用镍氢电池或锂离子电池作为储存行驶电力的电池。通常，镍氢电池具有高输出低容量电池特性，而锂离子电池具有低输出高容量电池特性。因此，在电动车辆中使用的镍氢电池和锂离子电池可以重新用于形成本公开的电源系统。
在根据上述方案的电源系统中，控制装置可以被配置为：控制交流扫描单元和第一电源电路，从而通过交流扫描单元和第一电源电路的输入和输出电力执行外部电源的电力平衡；当电力平衡请求的电力在预定范围内时，将交流扫描单元连接到外部电源，并通过交流扫描单元执行外部电源的电力平衡；以及当电力平衡请求的电力大于预定范围时，除了交流扫描单元之外还将第一电源电路连接到外部电源，并通过交流扫描单元和第一电源电路执行外部电源的电力平衡。
根据该配置，当电力平衡请求的电力在预定范围内时，通过包括具有高能量密度的电池的U相电池串、V相电池串和W相电池串构成的交流扫描单元执行外部电源的电力平衡。因此可以稳定地执行电力平衡。
当电力平衡请求的电力大于预定范围时，除了交流扫描单元之外还使用第一电源电路来执行外部电源的电力平衡。因此可以处理高输出电力平衡。具体而言，当包括在第一电池串中的电池具有高输出密度时，可以从第一电源电路稳定地输出高输出交流电力。
在根据上述方案的电源系统中，可以通过来自外部电源的电力对包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池进行充电，控制装置可以被配置为控制交流扫描单元，使得U相电池串、V相电池串和W相电池串具有相同的充电水平。
根据该配置，包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池通过来自外部电源的电力进行充电。此时，交流扫描单元被控制为使得U相电池串、V相电池串和W相电池串具有相同的充电水平。因此，这些电池串中的每个电池串储存相同的电力量(Wh)，从而可以从交流扫描单元稳定地输出交流电力。
在根据上述方案的电源系统中，可以通过来自外部电源的电力对包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池进行充电，控制装置可以被配置为控制交流扫描单元，使得当包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池为完全充电的电池并且多个电池电路模块包含包括完全充电的电池的电池电路模块时，包括完全充电的电池的电池电路模块的第一开关被切换为接通状态并且包括完全充电的电池的电池电路模块的第二开关被切换为关断状态，从而将包括完全充电的电池的电池电路模块从串联连接断连。
根据该配置，包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池通过来自外部电源的电力进行充电。此时，包括完全充电的电池的电池电路模块的第一开关切换为接通状态并且包括完全充电的电池的电池电路模块的第二开关切换为关断状态，从而将电池电路模块(电池)从串联连接断连。因此，可以降低电池过充电的风险。
在根据上述方案的电源系统中，控制装置可以被配置为检测包括在U相电池串、V相电池串和W相电池串中的电池的劣化等级，并且控制装置可以被配置为控制交流扫描单元，使得包括劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块的第一开关切换为接通状态，并且包括劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块的第二开关切换为关断状态，从而将包括劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块从串联连接断连，其中多个电池电路模块包括包含劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块。
根据该配置，包括具有劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块的第一开关切换为接通状态，并且包括具有劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块的第二开关切换为关断状态，从而将该电池电路模块(电池)从串联连接断连。因此，可以从交流扫描单元稳定地输出交流电力。
本公开可以提供一种使用电池串来输出交流电力的电源系统。
附图说明
下面参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示出根据实施例的电源系统1的配置；
图2示出扫描单元SU的配置；
图3是示出通过栅极信号控制的电池电路模块M的操作的示例的时序图；
图4示出处于驱动状态的电池电路模块M；
图5示出处于延迟时段期间的电池电路模块M的状态；
图6示出处于停止时段期间的电池电路模块M的状态；
图7示出第一逆变器50的配置；
图8示出交流扫描单元3的配置；
图9是示出当从通过服务器200请求输出电力用于电力平衡时通过群组控制单元(GCU)100执行的输出请求处理的示例的流程图；
图10是示出当从服务器200请求电力平衡时通过GCU 100执行的平衡请求处理的示例的流程图；
图11是示出通过GCU 100执行的充电水平控制处理的示例的流程图；
图12是示出通过GCU 100执行的过充电减少控制处理的示例的流程图；以及
图13是示出通过GCU 100执行的劣化控制处理的示例的流程图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本公开的实施例。在附图中，相同或对应的元件通过相同的附图标记表示，并且不再重复其描述。
图1示出根据实施例的电源系统的配置。电源系统1包括第一电源电路2、交流扫描单元3和群组控制单元(GCU)100。
第一电源电路2包括第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20、第三直流扫描单元30、第一逆变器50、第二逆变器60和第三逆变器70。在本实施例中，第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20、第三直流扫描单元30以及交流扫描单元3当中的串控制单元(SCU)D1至D3、A1至A6的配置以及电池串St1至St9的配置相同。因此，参照图2描述这些组件的配置。在下文中，当不单独区分时将电池串St1至St9称为“电池串St”，并且当不单独区分时将SCUD1至D3和A1至A9简称为“SCU”。将包括SCU和电池串St的每个配置称为“扫描单元SU”。
图2示出扫描单元SU的配置。扫描单元SU包括SCU、驱动电路SUA和电池串St。电池串St包括多个电池电路模块M。在本实施例中，电池串St包括22个电池电路模块M。但是，电池串St可包括任何数量的电池电路模块M，该数量可以是5至50，或100或更多。在本实施例中，每个电池串St包括相同数量的电池电路模块M。然而，对于每个电池串St而言，电池电路模块M的数量可以不同。
每个电池电路模块M包括电源电路SUB和电池盒Cg。电池盒Cg包括电池B和监测单元BS。通过连接电源电路SUB和电池B，形成包括电池B的电池电路模块M。驱动电路SUA被配置为驱动包括在电池电路模块M中的开关(更具体而言，以下所述的SW 11和SW 12)。电池B可以是镍氢二次电池或锂离子二次电池。可通过串联连接在电动车辆中使用的二次电池来制造电池B。
如图2所示，电池电路模块M包括电源电路SUB、电池盒Cg和断路器RB1、RB2(下面当不单独区分时称为“断路器RB”)。电源电路SUB和电池盒Cg经由断路器RB1、RB2相互连接。SCU被配置为通过根据来自GCU 100的控制命令控制每个断路器RB的接通和关断，来切换电源电路SUB与电池盒Cg之间的连接状态(电连接或断连)。断路器RB可以是电磁式机械继电器。可将断路器RB配置为由用户手动接通和关断。
在本实施例中，电池盒Cg可从电源电路SUB拆卸。例如，当断路器RB1、RB2处于关断状态(电断连状态)时，用户可以从电源电路SUB移除电池盒Cg。因为即使存在空电池盒，电池串St也可以操作，所以用户可以容易地增减电池串St中的电池盒Cg数量。这种电池串St适合于电池再利用。
电池盒Cg的监测单元BS被配置为检测电池B的状态(例如电压、电流和温度)并将检测结果输出到SCU。监测单元BS包括检测电池B的电压的电压传感器、检测电池B的电流的电流传感器和检测电池B的温度的温度传感器。监测单元BS可以是电池管理系统(BMS)，除了以上传感器功能之外，还具有充电状态(SOC)估计功能、健康状态(SOH)估计功能、电池电压平衡功能、诊断功能和通信功能。SCU基于每个监测单元BS的输出获得每个电池B的状态(例如温度、电流、电压、SOC和内阻)，并将获取的每个电池B的状态输出到GCU 100。
包括在电池串St中的电池电路模块M通过公共电线PL连接。电线PL包括每个电池电路模块M的输出端OT1、OT2。电池电路模块M的输出端OT2连接到它相邻的电池电路模块M的输出端OT1。因此，包括在电池串St中的电池电路模块M相互连接。
电源电路SUB包括第一开关元件11(以下称为“SW 11”)、第二开关元件12(以下称为“SW 12”)、第一二极管13、第二二极管14、扼流线圈15、电容器16、输出端OT1、OT2。SW 11和SW 12中的每个由驱动电路SUA来驱动。根据本实施例的SW 11和SW 12分别是根据本公开的“第一开关”和“第二开关”的示例。
SW 11、电容器16和电池B并联连接在电源电路SUB的输出端OT1、OT2之间。SW 11位于电线PL上，被配置为切换输出端OT1与输出端OT2之间的连接状态(电连接/断连)。输出端OT1经由电线BL1与电池B的正极连接，并且输出端OT2经由电线BL2与电池B的负极连接。断路器RB1、RB2分别设置在电线BL1、BL2上。SW 12和扼流线圈15也被设置在电线BL1上。在电池电路中，当与电池B串联连接的SW 12处于接通状态(电连接状态)并且与电池B并联连接的SW 11处于关断状态(电断连状态)时，电池B的电压施加在输出端OT1、OT2之间。
连接到电线BL1和BL2的电容器16设置在输出端OT1、OT2与电池B之间的位置。电容器16的一端在SW 12与扼流线圈15之间的位置连接到电线BL1。电容器16对电池B的电压进行平滑化，并在输出端OT1、OT2之间输出经过平滑化的电压。
SW 11和SW 12中的每一个例如是场效应晶体管(FET)。第一二极管13和第二二极管14分别与SW 11和SW 12并联连接。SW 12位于输出端OT1与扼流线圈15之间。扼流线圈15位于SW 12与电池B的正极之间。电池B、扼流线圈15和电容器16形成RCL滤波器。RCL滤波器执行电流拉平。SW 11和SW 12中的每一个并不限于FET，也可以是除FET以外的开关。
SCU根据来自GCU 100的控制命令产生栅极信号。驱动电路SUA被设置用于每个电池电路模块M。每个驱动电路SUA包括根据栅极信号驱动SW 11和SW 12的栅极驱动器(GD)81、以及延迟栅极信号的延迟电路82。根据栅极信号来控制包括在电池电路模块M中的SW11和SW 12中的每一个的接通和关断。
图3是示出通过栅极信号控制的电池电路模块M的操作的示例的时序图。在本实施例中，将矩形波信号用作驱动SW 11和SW 12的栅极信号。图3所示的“低”和“高”分别表示栅极信号(矩形波信号)的L电平和H电平。此外，“输出电压”表示在输出端OT1、OT2之间输出的电压。
在电池电路模块M的初始状态下，没有栅极信号被输入到驱动电路SUA(栅极信号为L电平)，并且SW 11和SW 12分别处于接通状态和关断状态。
当栅极信号输入到驱动电路SUA时，GD 81根据所接收的栅极信号驱动SW 11和SW12。在图3所示的示例中，在时刻t1，栅极信号从L电平上升到H电平，并且在栅极信号上升的同时，将SW 11从接通状态切换为关断状态。SW 12在时刻t2从关断状态切换为接通状态，时刻t2为从栅极信号的上升起延迟预定时间量(以下称为“dt1”)的时间。结果，电池电路模块M切换为驱动状态。在下文中，从栅极信号的上升起dt1流逝的时段有时候称为“第一延迟时段”。
图4示出处于驱动状态的电池电路模块M。在处于驱动状态的电池电路中，当SW 11处于关断状态且SW 12处于接通状态时，在输出端OT1、OT2之间施加电池B的电压。当经由电容器16在输出端OT1、OT2之间施加电池B的电压时，在输出端OT1、OT2之间输出电压Vm。
参照图3，当栅极信号在时刻t3从H电平下降到L电平时，SW 12在栅极信号下降的同时从接通状态切换为关断状态。结果，电池电路模块M切换为停止状态。在处于停止状态的电池电路模块M中，当SW 12处于关断状态时，在输出端OT1、OT2之间未施加电池B的电压。然后，SW 11在时刻t4从关断状态切换为接通状态，时刻t4从栅极信号的下降起延迟预定时间量(以下称为“dt2”)。值dt1和dt2可以相同或可以彼此不同。在本实施例中，dt1和dt2为100纳秒。但是，dt1和dt2可以按需设置。
在下文中，从栅极信号的下降起直到dt2流逝的时段有时候称为“第二延迟时段”。从第二延迟时段结束直到电池电路模块M切换为驱动状态为止的时段有时候称为“停止时段”。
图5示出处于延迟时段期间的电池电路模块M的状态。如图5所示，SW 11和SW 12两者在第一延迟时段和第二延迟时段两者中都处于关断状态。
图6示出处于停止时段期间的电池电路模块M的状态。如图6所示，在停止时段期间，SW 11处于接通状态且SW 12处于关断状态，与初始状态相同。
电池电路模块M在延迟时段和停止时段两者中都处于停止状态。在处于停止状态的电池电路模块M中，在输出端OT1、OT2之间未施加电压。设置第一延迟时段和第二延迟时段降低了SW 11和SW12可能同时处于接通状态的可能性(即，电池电路模块M可能被短路的可能性)。
通过如上所述方式控制电池串St中的电池电路模块M，可以调整处于驱动状态的电池电路模块M的数量，并且可以控制电池串St的输出电压。结果(通过调整同时处于驱动状态的电池电路模块M的数量)，将扫描单元SU配置为输出从0V到包括在电池串St中的电池B的总电压的电压。
参照图1，第一直流扫描单元10是如上所述配置的扫描单元SU，且包括电池串St1和SCU D1。包括在电池串St1中的电池电路模块M的电池B是镍氢二次电池。从第一直流扫描单元10输出的直流电力被输入第一逆变器50。图7示出第一逆变器50的配置。第一逆变器50是三相逆变器，且包括与U相臂串联连接的开关元件q1、q2、与V相臂串联连接的开关元件q3、q4以及与W相臂串联连接的开关元件q5和q6。二极管d1至d6分别反并联连接在开关元件q1至q6的集电极与发射极之间。
第一逆变器50的每个相臂的中间点连接到绝缘滤波器T1并进一步经由继电器R1和配电盘C1(参见图1)连接到电网PG。第一逆变器50的每个开关元件q1至q6通过根据来自GCU 100的控制命令，例如通过脉宽调制(PWM)控制来接通和关断。第一逆变器50将从第一直流扫描单元10输出的直流电力转换为交流电力(三相交流电力)，并将交流电力供应给电网PG。此外，第一逆变器50将从电网PG供应的交流电力(三相交流电力)转换为直流电力，并将直流电力供应给第一直流扫描单元10，以对电池串St1的电池B进行充电。在本实施例中，将用于驱动电动车辆的三相同步电动机的三相逆变器重新用于第一逆变器50。
在图1中，包括电池串St2和SCU D2的第二直流扫描单元20和包括电池串St3和SCUD3的第三直流扫描单元30具有与第一直流扫描单元10相同的配置。连接到第二直流扫描单元20的第二逆变器60和连接到第三直流扫描单元30的第三逆变器70具有与第一逆变器50相同的配置。第一逆变器50、第二逆变器60和第三逆变器70的三相臂的中间点通过电力线连接，并且第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30与绝缘滤波器T1(电)并联连接。因此，第一电源电路2(通过使用第一到第三逆变器50、60、70)输出来自并联连接的第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30的交流电力(三相交流电力)。
图8示出交流扫描单元3的配置。第一U相电池串St4和SCU A1具有与参照图2所述的扫描单元SU中的电池串St和SCU基本上相同的配置。“第二U相电池串St5和SCU A2”、“第一V相电池串St6和SCU A3”、“第二V相电池串St7和SCU A4”、“第一W相电池串St8和SCUA5”、以及“第二W相电池串St9和SCU A6”的情况也是如此。
在本实施例中，包括在第一U相电池串St4、第一V相电池串St6和第一W相电池串St8中的电池电路模块M的电池B是三元(锂镍锰钴氧化物(NMC))锂离子二次电池。此外，包括在第二U相电池串St5、第二V相电池串St7和第二W相电池串St9中的电池电路模块M的电池B是磷酸锂铁(LFP)锂离子二次电池。
在图8中，第一U相电池串St4的正极端和第二U相电池串St5的正极端经由继电器r4和继电器r5连接到电力线PLu。第一V相电池串St6的正极端和第二V相电池串St7的正极端经由继电器r6和继电器r7连接到电力线PLv。第一W相电池串St8的正极端和第二W相电池串St9的正极端经由继电器r8和继电器r9连接到电力线PLw。电池串St4至St9的负极端连接到中性点N1。因此，交流扫描单元3具有如下配置，其中“并联连接的第一U相电池串St4和第二U相电池串St5”、“并联连接的第一V相电池串St6和第二V相电池串St7”和“并联连接的第一W相电池串St8和第二W相电池串St9”被Y连接。
继电器r4至r9可以是电磁式机械继电器。继电器r4至r9由GCU 100或SCU A1至A6控制接通和关断，以将电池串St4至St9与电力线PLu至PLw电连接和从其断连。当SCU A1至A6和电池串St4至St9正常时，继电器r4至r9始终处于接通状态，并将电池串St4至St9与电力线PLu至PLw电连接。当SCU A1至A6或电池串St4至St9中的任何一个中发生异常(故障)时，与SCU A1至A6或电池串St4至St9中的异常的一个相对应的继电器r4至r9切换为关断状态并将对应电池串St从对应电力线电断连。
交流扫描单元3包括电压传感器Vu、电压传感器Vv和电压传感器Vw。电压传感器Vu检测作为第一U相电池串St4和第二U相电池串St5的电压的U相串电压。电压传感器Vv检测作为第一V相电池串St6和第二V相电池串St7的电压的V相串电压。电压传感器Vw检测作为第一W相电池串St8和第二W相电池串St9的电压的W相串电压。
交流扫描单元3还包括电流传感器Ia至If。电流传感器Ia检测第一U相电池串St4的输入和输出电流。电流传感器Ib检测第二U相电池串St5的输入和输出电流。电流传感器Ic检测第一V相电池串St6的输入和输出电流。电流传感器Id检测第二V相电池串St7的输入和输出电流。电流传感器Ie检测第一W相电池串St8的输入和输出电流。电流传感器If检测第二W相电池串St9的输入和输出电流。
SCU A1至A6根据来自GCU 100的控制命令以几十KHz的频率控制电池电路模块M的SW 11和SW 12，从而将电池串St4至St9的串电压(输出电压)控制为使得这些串电压具有图8下部所示的电压波形。在图8中，线L11表示第一U相电池串St4和第二U相电池串St5的串电压。线L12表示第一V相电池串St6和第二V相电池串St7的串电压。线L13表示第一W相电池串St8和第二W相电池串St9的串电压。线L11、线L12和线L13是相位差为120度的正弦波，并且它们的频率是与电网PG兼容的频率的60Hz。
在如上所述控制电池串St4至St9的串电压时，电力线PLu、PLv、PLw的线电压具有图8上部所示的电压波形。在图8中，线L21表示电力线PLu与电力线PLv之间的线电压“Vuv”，线L22表示电力线PLw与电力线PLu之间的线电压“Vwu”，线L23表示电力线PLv与电力线PLw之间的线电压“Vvw”。每个线电压具有正弦交流波形，其极性(正或负)周期性变化。因此，交流扫描单元3输出交流电力(三相交流电力)。
参照图1，从第一电源电路2输出的交流电力经由绝缘滤波器T1、继电器R1和配电盘C1供应给电网PG。从交流扫描单元3输出的交流电力经由绝缘滤波器T2、继电器R2和配电盘C1供应给电网PG。
绝缘滤波器Tl和绝缘滤波器T2中的每个例如包括LCL滤波器和三相变压器。绝缘滤波器T1和绝缘滤波器T2中的每个通过LCL滤波器降低三相交流电力的噪声成分，通过三相变压器将三相交流电力转换为预定电压(例如200V)并将输入侧和输出侧相互绝缘。
继电器R1和继电器R2可以是电磁式机械继电器。通过GCU 100控制继电器R1的接通和关断，进行第一电源电路2与电网PG的连接(并联接通)和断连(并联关断)。通过GCU100控制继电器R2的接通和关断，进行交流扫描单元3与电网PG的连接和断连。
配电盘C1包括漏电断路器和/或断路器，当对包括在第一电源电路2和交流扫描单元3中的电池串St的电池B充电时，将电网PG的电力分配给第一电源电路2和交流扫描单元3。此外，配电盘C1将从第一电源电路2和交流扫描单元3输出的电力供应给电网PG。
当对包括在第一电源电路2中的电池串St的电池B充电时，第一至第三逆变器50至70将从电网PG供应的交流电力转换为直流电力，以对电池B进行充电。当对包括在交流扫描单元3中的电池串St的电池B充电时，SCU A1至A6控制包括在交流扫描单元3中的电池串St的电池B的SW 11和SW 12，使得电池串St的电压变为略低于从电网PG供应的交流电压，以对电池B进行充电。
从第一电源电路2和交流扫描单元3供应给电网PG的交流电力连同来自电网PG的交流电力一起，经由配电盘C2供应给建筑或居所中的线路。
服务器200管理电力公司(电力生产者和输配电运营商)提供的电网PG(电网)的供需。服务器200被配置为与GCU 100通信，并请求GCU100根据需要执行电网PG的电力平衡。响应于来自服务器200的请求，GCU 100控制扫描单元SU的SUC、第一至第三逆变器50至70、继电器R1和继电器R2，以调整第一电源电路2和交流扫描单元3的输入和输出电力。GCU 100可以是计算机。GCU 100例如包括处理器、随机访问存储器(RAM)和存储装置(均未示出)。GCU100通过由处理器执行在存储装置中存储的程序来执行各种处理。然而，GCU 100的各种处理不必由软件执行，并且可以由专用硬件(电子单元)执行。
输出请求处理
图9是示出当从通过服务器200请求输出电力用于电力平衡时通过GCU 100进行的输出请求处理的示例的流程图。GCU 100响应于来自服务器200的输出请求执行本流程图的输出请求处理。当GCU 100从服务器200收到输出请求时，在步骤10(以下将步骤缩写为“S”)中确定请求电力是否为α以下。α表示根据诸如电源系统1中电池串St的数量等规格预先设置的值，例如可以是20kW。当请求电力为α以下时，也就是在S10中为“是”时，处理行进到S11。
在S11中，GCU 100输出来自交流扫描单元3的交流电力，并将交流电力供应给电网PG。GCU 100接通继电器R2，将交流扫描单元3与电网PG连接(并联)，并通过SCU A1至A6控制电池串St4至St9的SW 11和SW 12，以输出来自扫描单元3的交流电力(三相交流电力)。
当请求电力大于α时，也就是在S10中为“否”时，处理行进到S12。在S12中，GCU 100输出来自第一电源电路2以及来自交流扫描单元3的交流电力，并将交流电力供应给电网PG。除了按照上述方式(如同在S11中)输出来自交流扫描单元3的交流电力(三相交流电力)之外，GCU 100还接通继电器R1，将第一电源电路2与电网PG连接(并联)。GCU 100通过SCUD1至D3控制电池串St1至St3的SW 11和SW 12，以输出来自第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30的直流电力。GCU 100使用第一至第三逆变器50至70将直流电力转换为交流电力，并将交流电力(三相交流电力)供应给电网PG。如上所述，当请求电力大于α时，GCU 100输出来自第一电源电路2和交流扫描单元3的交流电力，并将交流电力供应给电网PG。
包括在第一电源电路2中的第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30的电池串St的电池B是镍氢二次电池。交流扫描单元3中的电池串St的电池B是锂离子二次电池。由于电池特性，镍氢二次电池的输出密度(W/kg)高于锂离子二次电池的输出密度。锂离子二次电池的能量密度(Wh/kg)高于镍氢二次电池的能量密度。因此，镍氢二次电池位于拉贡图的左上区域，并且可以说是功率(输出)电池。锂离子二次电池位于拉贡图的右下区域，并且可以说是能量(容量)电池。
交流扫描单元3通过在几十千赫兹下控制电池串St的SW 11和SW12来输出交流电力。因此，交流扫描单元3效率低下(低效率)，并且期望降低交流扫描单元3的最大输出(最大功率)。因此，为了提高交流扫描单元3的输出(功率(W))，需要增加并联电池串St的数量，这导致成本增加。因此，优选使用交流扫描单元3的电池串St的电池B使得电池B以低速率充电和放电。因为期望具有高能量密度的能量电池作为交流扫描单元3中的电池串St的电池B，所以在本实施例中将锂离子二次电池用作交流扫描单元3中的电池串St的电池B。
另一方面，因为第一电源电路2使用逆变器来输出交流电力，所以第一电源电路2效率相对较高，并且对于第一电源电路2而言可以具有高的最大输出。通过使用具有高输出密度的功率电池作为第一电源电路2中的电池串St的电池B(第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30中的电池串St的电池B)，可以从第一电源电路2输出高的输出(功率(W))。因此，在本实施例中将镍氢二次电池用作第一电源电路2中的电池串St的电池B。
根据图9的输出请求处理，当请求电力为α以下时从交流扫描单元3输出交流电力。在这种情况下，因为交流扫描单元3的能量密度(交流扫描单元3中的电池串St的电池B的能量密度)高并且交流扫描单元3的容量大，所以可以长时间稳定输出交流电力。当请求电力大于α并且要从电源系统1输出大电力时，从第一电源电路2以及从交流扫描单元3输出交流电力。因此，可以输出满足请求电力的交流电力。
平衡请求处理
图10是示出当从服务器200请求电力平衡时通过GCU 100执行的平衡请求处理的示例的流程图。响应于来自服务器200的平衡请求，GCU 100执行本流程图的平衡请求处理。服务器200所请求的保持是可以调整为减少频率波动和供需不平衡的诸如发电机输出的输出电力量，并且大致分为频率保持和平衡保持。频率保持是自由调速控制或负载频率控制(LFC)，其中根据从几秒钟直到几分钟的频率波动来控制输出，而平衡保持是经济负载调度控制(EDC)，其消除数分钟或更长的长循环内电力供需的不平衡。在频率保持中，根据命令值的输出变化(响应时间)快，且输出持续时间相对较短。在平衡保持中，响应时间慢，且输出持续时间相对较长。
参照图10，在步骤20中，GCU 100确定平衡请求是否为平衡保持。如果平衡请求是平衡保持，也就是在S20中为“是”时，处理行进到S21。如果没有请求平衡保持，平衡请求为频率保持，也就是在S20中为“否”时，处理行进到S22。
在S21中，GCU 100操作交流扫描单元3。也就是说，GCU 100将继电器R2接通，将交流扫描单元3与电网PG(并联)连接。当平衡请求为向下需求响应(DR)时，通过SCU A1至A6控制电池串St4至St9的SW 11和SW 12，从而输出来自交流扫描单元3的交流电力(三相交流电力)。执行反向电力流动，也就是说，交流电力因此被反向供应给电网PG。当平衡请求是向上DR时，GCU 100通过SCU A1至A6控制电池串St4至St9的SW 11和SW 12，使得电池串St的电压变为略低于从电网PG供应的交流电力压。因此，GCU 100对于交流扫描单元3中的电池串St4至St9的电池B适当地进行充电。
在S22中，GCU 100操作交流扫描单元3和第一电源电路2。也就是说，除了如上所述操作交流扫描单元3之外，GCU 100还接通继电器R1，以将第一电源电路2与电网PG(并联)连接。当平衡请求是向下DR时，GCU 100通过SCU D1至D3控制电池串St1至St3的SW 11和SW12，从而输出来自第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30的直流电力。GCU 100使用第一至第三逆变器50至70将该直流电力转换为交流电力，并将交流电力(三相交流电力)供应给电网PG。当平衡请求是向上DR时，GCU 100使用第一至第三逆变器50至70将电网PG的交流电力转换为直流电力。GCU 100通过SCU D1至D3控制电池串St1至St3的SW 11和SW 12，从而对于包括在第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30中的电池B适当地进行充电。
按照根据命令值的输出从较快到较慢变化(响应时间)和输出持续时间从较短到较长的顺序，在平衡市场中处理的保持分为一级控制保持、二级控制保持(1)、二级控制保持(2)、三级控制保持(1)、三级控制保持(2)。在对应于一级控制保持的自由调速控制中，根据系统频率的变化而增加或减小输出。在对应于二级控制保持(1)的LFC中，控制负载波动所引起的频率波动。在对应于二级控制保持(2)和三级控制保持(1)的EDC中，通过最经济的方式将输出分配给发电机。三级控制保持(2)被视为低速率控制保持。因此，当请求的保持是一级控制保持和二级控制保持(1)时，可将平衡请求视为频率保持。当请求的保持是除了一级控制保持和二级控制保持(1)之外的任何其他控制保持时，可将平衡请求视为平衡保持。
对于具有相对较长平衡时间和长循环负载波动的平衡保持，需要具有相对较大容量的电源系统。对于需要高响应性的快速响应时间的频率保持，需要响应式电源系统。根据图10的平衡请求处理，对于平衡时间长并且需要大容量的平衡保持，操作高能量密度(交流扫描单元3中的电池串St的电池B的能量密度)和大容量的交流扫描单元3，从而稳定地响应平衡请求。对于需要高响应性的短循环负载波动和快速响应时间的频率保持，不仅操作交流扫描单元3，而且操作包括具有高输出密度的电池B(镍氢二次电池)的第一电源电路2，从而响应平衡请求。
当从服务器200请求电网PG(外部电源)的电力平衡时，GCU 100(控制装置)执行图9的输出请求处理和图10的平衡请求处理。在输出请求处理中，当电力平衡所请求的电力为预定值α以下时，从交流扫描单元3输出交流电力。当请求电力大于预定值α时，从交流扫描单元3和第一电源电路2输出交流电力。在平衡请求处理中，当电力平衡请求的电力为平衡保持时，通过交流扫描单元3执行电力平衡。当请求的电力为频率保持时，通过交流扫描单元3和第一电源电路2执行电力平衡。
在平衡保持的情况下，电源系统1请求的输入和输出电力以长循环波动，并且电池串St的电池B以低速率进行充电和放电。在请求的输入输出电力以短循环波动并且需要高响应性的频率保持的情况下，电池串St的电池B以高速率进行充电和放电。在本公开中，“电力平衡请求的电力在预定范围内”的表述包括电力平衡所请求的输入和输出电力以长循环波动并且电池串St的电池B以低速率进行充电和放电的情况。在本公开中，“电力平衡请求的电力大于预定范围”的表述包括电力平衡所请求的输入和输出电力以短循环波动并且电池串St的电池B以高速率进行充电和放电的情况。
充电水平控制
图11是示出通过GCU 100执行的充电水平控制处理的示例的流程图。GCU 100在包括在交流扫描单元3中的电池串St的电池B的充电开始时执行本流程图的充电水平控制处理。例如，当来自服务器200的平衡请求为向上DR时，GCU 100通过SCU A1至A6控制交流扫描单元3中的电池串St的SW 11和SW 12，使得电池串St的电压变为略低于从电网PG供应的交流电压。因此，GCU 100开始交流扫描单元3中的电池串St的电池B的充电，并且还执行S30。
在S30中，GCU 100计算交流扫描单元3中每个电池串St的充电水平(Wh)。例如，GCU100通过下述计算每个电池串St的充电水平(每个电池串St中储存的电力量(Wh))：根据电压传感器Vu、Vv和Vw检测的每个电池串St的电压和电流传感器Ia到If检测的每个电池串St的输入电流获得对每个电池串St的输入电力(W)，并将输入电力对(充电)时间进行积分，。
在后续步骤S31中，GCU 100确定在S30中计算的电池串St的充电水平当中的差是否等于或大于预定值。例如，当最高充电水平与最低充电水平之间的差等于或大于预定值β时，GCU 100确定电池串St的充电水平当中的差等于或大于预定值。预定值β例如可以是500Wh。当电池串St的充电水平之间的差等于或大于预定值时，也就是在S31中为“是”时，处理行进到S32。当最高充电水平与最低充电水平当中的差异小于预定值β时，也就是在S31中为“否”时，例程行进到S33。
在S32中，GCU 100控制每个电池串St的电压，从而消除电池串St的充电水平当中的差。例如，GCU 100控制每个电池串St的电压，从而降低具有相对较高充电水平的电池串St的输入电力，并增加具有相对较低充电水平的电池串St的输入电力。然后，处理行进到S33。
在S33中，GCU 100确定充电是否完成。例如，当服务器200请求的向上DR的平衡时间结束时，GCU 100可以确定充电完成。当充电未完成时，也就是在S33中为“否”时，处理返回S30，并且GCU 100重复S30及后续步骤。当充电完成时，也就是在S33中为“是”时，当前例程结束。
根据该充电水平控制，当通过来自电网PG(外部电源)的电力对包括在交流扫描单元3中的电池B进行充电时，执行控制，使得第一U相电池串St4、第二U相电池串St5、第一V相电池串St6、第二V相电池串St7、第一W相电池串St8和第二W相电池串St9具有相同的充电水平。因此，每个电池串St中储存的电力量(Wh)变为相同，并且能够从交流扫描单元3稳定地输出交流电力。
在S31中，GCU 100可以确定“第一和第二U相电池串St4、St5的总充电水平”、“第一和第二V相电池串St6、St7的总充电水平”和“第一和第二W相电池串St8、St9的总充电水平”当中的差是否等于或大于预定值。在这种情况下，在S32中，GCU 100控制每个电池串St的电压，从而消除“第一和第二U相电池串St4、St5的总充电水平”、“第一和第二V相电池串St6、St7的总充电水平”和“第一和第二W相电池串St8、St9的总充电水平”当中的差。即使通过这样的充电水平控制，“第一和第二U相电池串St4、St5的总充电水平”、“第一和第二V相电池串St6、St7的总充电水平”和“第一和第二W相电池串St8、St9的总充电水平”变为相同，并且可以从交流扫描单元3稳定地输出交流电力。
过充电减少控制
图12是示出通过GCU 100执行的过充电减少控制处理的示例的流程图。当开始包括在交流扫描单元3中的电池串St的电池B的充电时，GCU 100执行本流程图的过充电减少处理。例如，如同在充电水平控制中，当来自服务器200的平衡请求是向上DR时开始充电。当开始充电时，GCU 100在S40中从交流扫描单元3中的电池串St的电池电路模块M的监测单元BS获取交流扫描单元3中每个电池B的SOC。然后，处理行进到S41。
在S41中，GCU 100根据在S40中获取的每个电池B的SOC确定是否存在任何完全充电的电池B。例如，GCU 100可以确定具有90％以上的SOC的电池B是完全充电的电池。当存在完全充电的电池B时，也就是在S41中为“是”时，处理行进到S42。当不存在完全充电的电池B时，也就是在S41中为“否”时，处理行进到S43。
在S42中，GCU 100将包括完全充电的电池B的电池电路模块M的SW 11切换为接通状态并将该电池电路模块M的SW 12切换为关断状态。然后，处理行进到S43。结果，电池电路模块M切换为停止状态(参见图6)。
在S43中，GCU 100确定充电是否完成。当服务器200请求的向上DR的平衡时间结束时，GCU 100可以确定充电完成。当充电未完成时，也就是在S43中为“否”时，处理返回S40，并且GCU 100重复S40及后续步骤。当充电完成时，也就是在在S43中为“是”时，当前例程结束。
根据该过充电减少控制，在通过来自电网PG(外部电源)的电力对交流扫描单元3中的电池B进行充电期间，当电池串St中的电池B完全充电时，包括完全充电的电池B的电池电路模块M的SW 11被切换为接通状态，并且该电池电路模块M的SW 12被切换为关断状态。因此，该电池B(电池电路模块M)从串联连接断连。结果，完全充电的电池B不再充电，因此可以降低过充电的风险。
劣化控制
图13是示出通过GCU 100执行的劣化控制处理的示例的流程图。GCU 100在交流扫描单元3操作时以预定时间间隔执行本流程图的劣化控制处理。GCU 100首先在S50中从交流扫描单元3中的电池串St的电池电路模块M的监测单元BS获取交流扫描单元3中每个电池B的SOH。然后，处理行进到S51。
在S51中，GCU 100根据在S50中获取的每个电池B的SOH确定是否存在劣化等级等于或高于预定值的任何电池B。在本实施例中，监测单元BS将电池B的容量保持率估计为SOH，并且GCU 100将具有等于或低于预定值γ的SOH(容量保持率)的电池B确定为劣化等级等于或高于预定值的电池B。预定值γ例如可以是50％。当存在劣化等级等于或高于预定值的电池B时，也就是在S51中为“是”时，处理行进到S52。当不存在劣化等级等于或高于预定值的电池B时，也就是在S51中为“否”时，当前例程结束。
在S52中，GCU 100将包括劣化等级等于或高于预定值的电池B的电池电路模块M的SW 11切换为接通状态，并将该电池电路模块M的SW 12切换为关断状态。然后，当前例程结束。
根据该劣化控制，检测交流扫描单元3中的电池串St的电池B的劣化等级，将包括具有等于或高于预定值的劣化等级的电池B的电池电路模块M的SW 11切换为接通状态，并将该电池电路模块M的SW 12切换为关断状态。因此，该电池B(电池电路模块M)从串联连接断连。结果，可以在不使用具有高劣化等级的一个或多个电池B的情况下操作交流扫描单元3。因此，可以从交流扫描单元3稳定地输出交流电力。
在监测单元BS将电池B的内阻增加率估计为SOH的情况下，GCU 100可将具有等于或高于设定值的内阻增加率的电池B确定为具有等于或高于预定值的劣化等级的电池B。
根据本实施例，将具有高输出密度的镍氢二次电池用作使用第一至第三逆变器50至70将第一至第三直流扫描单元10至30的输出转换为交流电力并输出交流电力的第一电源电路2中的电池串St的电池。此外，将具有高能量密度的锂离子二次电池用作输出来自Y连接的第一和第二U相电池串St4和St5、第一和第二V相电池串St6和St7以及第一第二W相电池串St8和St9的交流电力的交流扫描单元3的电池B。因此，通过组合功率电池(镍氢二次电池)和能量电池(锂离子二次电池)，本实施例的电源系统1可以使得每种电池以它们擅长的方式输出电力(高输出或长期输出)。与单独使用能量电池或单独使用功率电池的电源系统相比，可以以更低的成本提供高输出、高容量的电源系统1。
在本实施例中，交流扫描单元3通过Y连接电池串St来输出交流电力(三相交流电力)。因为交流扫描单元3不使用任何逆变器，所以可以降低成本。
在本实施例中，在第一电源电路2中，第一直流扫描单元10、第二直流扫描单元20和第三直流扫描单元30并联连接。第一至第三直流扫描单元10至30对应于本公开的“直流扫描单元”，电池串St1至St3对应于本公开的“第一电池串”。在本实施例中，三个直流扫描单元并联连接。但是，直流扫描单元的数量可以是一个，或可以是四个以上。
在本实施例中，交流扫描单元3使用第一和第二U相电池串St4和St5作为U相电池串，使用第一和第二V相电池串St6和St7作为V相电池串，使用第一和第二W相电池串St8和St9作为W相电池串。U相电池串、V相电池串和W相电池串的数量可以是一个，或可以是三个以上。
在本实施例中，将三元(锂镍锰钴氧化物(NMC))锂离子二次电池用作第一U相电池串St4、第一V相电池串St6和第一W相电池串St8的电池B，并且将磷酸锂铁(LFP)锂离子二次电池用作第二U相电池串St5、第二V相电池串St7和第二W相电池串St9的电池B。然而，每个电池串St的电池B可以使任何类型的锂离子二次电池，并且可以在每个电池串St中混合不同类型的锂离子二次电池。
无论如何，本文所公开的实施例应视为说明性而非限制性的。本公开的范围通过权利要求的范围而非实施例的以上描述来给出，并且意图涵盖落入权利要求范围的等同含义和范围的所有修改。

Claims (7)

1.一种电源系统，其特征在于，包括：
交流扫描单元，所述交流扫描单元输出来自Y连接的U相电池串、V相电池串和W相电池串的交流电力；
第一电源电路，所述第一电源电路使用逆变器将直流扫描单元的输出转换为交流电力并输出所述交流电力，所述直流扫描单元包括第一电池串；以及
控制装置，所述控制装置控制所述交流扫描单元和所述第一电源电路，其中：
所述U相电池串、所述V相电池串、所述W相电池串和所述第一电池串各自包括串联连接的多个电池电路模块；
所述电池电路模块中的每个包括：
电池，
输出端，所述输出端输出所述电池的电压，
第一开关，所述第一开关连接到所述输出端并与所述电池并联连接，以及
第二开关，所述第二开关与所述电池串联连接；
所述电池电路模块中的每个被配置为：使得当所述第一开关处于关断状态且所述第二开关处于接通状态时，所述电池的电压被施加于所述输出端；
所述第一电源电路和所述交流扫描单元被配置为能够与外部电源电连接；以及
包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的所述电池中的每个的能量密度高于包括在所述第一电池串中的所述电池中的每个的能量密度。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，包括在所述第一电池串中的所述电池中的每个的输出密度高于包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的所述电池中的每个的输出密度。
3.根据权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于：
包括在所述第一电池串中的所述电池中的每个为镍氢电池；以及
包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的所述电池中的每个为锂离子电池。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，其特征在于，所述控制装置被配置为：
控制所述交流扫描单元和所述第一电源电路，从而通过所述交流扫描单元和所述第一电源电路的输入和输出电力执行所述外部电源的电力平衡；
当所述电力平衡请求的电力在预定范围内时，将所述交流扫描单元连接到所述外部电源，并通过所述交流扫描单元执行所述外部电源的所述电力平衡；以及
当所述电力平衡请求的电力大于所述预定范围时，除了所述交流扫描单元(3)之外，还将所述第一电源电路连接到所述外部电源，并通过所述交流扫描单元和所述第一电源电路执行所述外部电源的所述电力平衡。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电源系统，其特征在于：
通过来自所述外部电源的电力对包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的电池进行充电；以及
所述控制装置被配置为控制所述交流扫描单元，使得所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串具有相同的充电水平。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电源系统，其特征在于：
通过来自所述外部电源的电力对包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的电池进行充电；以及
所述控制装置被配置为控制所述交流扫描单元，使得当包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的电池为完全充电的电池并且所述多个电池电路模块包含包括完全充电的电池的电池电路模块时，包括完全充电的电池的所述电池电路模块的所述第一开关被切换为接通状态并且包括完全充电的电池的所述电池电路模块的所述第二开关被切换为关断状态，从而将包括完全充电的电池的所述电池电路模块从串联连接断连。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电源系统，其特征在于，所述控制装置被配置为：
检测包括在所述U相电池串、所述V相电池串和所述W相电池串中的电池的劣化等级；以及
控制所述交流扫描单元，使得包括劣化等级高于预定值的电池的电池电路模块的所述第一开关切换为接通状态，并且包括劣化等级高于所述预定值的所述电池的所述电池电路模块的所述第二开关切换为关断状态，从而将包括劣化等级高于所述预定值的所述电池的所述电池电路模块从串联连接断连，所述多个电池电路模块包括包含劣化等级高于所述预定值的所述电池的所述电池电路模块。
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