CN115917913A - 电池组电池单元荷电状态平衡系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)。系统的电池组(2)包括多个串联连接电池组电池单元(BAT1‑BATn)，其中每一个(BATx)包括一个或更多个并联连接的电池单元。针对每个相应电池组电池单元(BATx)，存在处于电池组电池单元电压水平的串联连接燃料电池组(FCx)。每个相应组(FCx)能够通过闭合相应第一开关(SWx)选择性地并联连接到各个对应电池组电池单元(BATx)，以对电池组电池单元(BATx)电力输出进行充电或升压。每个组(FCx)包括相应DC‑DC转换器，其被布置成将该组(FCx)的工作点调节到其最大功率点或唯一选择的其它工作点，以针对构成所述电池组(2)的所有电池组电池单元(BAT1‑BATn)将相应电池组电池单元(BATx)维持在规定荷电状态。

Description

电池组电池单元荷电状态平衡系统
技术领域
本公开总体上涉及一种电池组电池单元荷电状态平衡系统。
背景技术
电池组(诸如基于锂离子电池的电池组)目前用于许多应用中，诸如用于电动汽车推进系统中。这种电池组通常包括多个串联连接电池组电池单元。每个相应电池组电池单元可以包括一个或更多个并联连接的电池单元，所述多个串联连接电池组电池单元构成电池组。
通常，电池组中的个体电池组电池单元将具有稍微不同的容量并且可以处于不同的荷电状态(SOC)水平。这可能是由于制造和组装的差异以及电池组电池单元之间经历的充电/放电和热暴露历史的差异造成的。
由于这种差异，最小容量的电池组电池单元可能引起问题，因为该最小容量的电池组电池单元可能容易被过度充电或过度放电，而具有较高容量的电池组电池单元仅被部分充电。
由于电池组电池单元串联布置，所以这将导致较低的有效容量，因为当具有最高电压的电池组电池单元达到其上限电压时必须停止充电，而当具有最低电压的电池组电池单元达到其下限电压时必须停止放电。
因此，当任何电池组电池单元首先用完电荷时，即使其它电池组电池单元没有用完电荷，这也可能导致电池组在使用期间停止放电。因此，这将限制可以从电池组获取和返回到电池组的能量。
为了克服有效容量的这种限制，众所周知电池组电池单元可以不时地被“平衡”。对电池组的电池组电池单元进行平衡的典型现有技术实现方式是例如经由电阻放电来耗散包含在具有相对较高荷电状态的那些电池组电池单元中的电荷，直到所有电池组电池单元具有大致相等或“平衡”的共同荷电状态水平。然而，由于作为电阻器上的热的能量的耗散，这种实践还进一步降低了电池组相对于其理论上的全电势的容量。
因此，在本领域中需要对电池组电池单元进行平衡的新的且改进的方法，旨在解决现有技术平衡系统中的至少一些当前缺点。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的电池组电池单元荷电状态平衡系统。
根据第一方面，这通过一种电池组电池单元荷电状态平衡系统来提供，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统包括多个串联连接电池组电池单元，每个相应电池组电池单元包括一个或更多个并联连接的电池单元，所述多个串联连接电池组电池单元构成电池组，并且针对每个相应电池组电池单元，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统包括处于电池组电池单元电压水平的串联连接燃料电池组，所述串联连接燃料电池组还与所述多个串联连接电池组电池单元相对应地串联连接，其中，每个相应串联连接燃料电池组能够通过闭合相应第一开关选择性地并联连接到各个对应电池组电池单元，以对电池组电池单元电力输出进行充电或升压，并且每个串联连接燃料电池组包括相应DC-DC转换器，所述DC-DC转换器被布置成将该串联连接燃料电池组的工作点调节到其最大功率点或唯一选择的其它工作点，以针对构成所述电池组的所有电池组电池单元将相应电池组电池单元维持在规定荷电状态。
上述燃料电池和电池混合系统允许电池组电池单元的荷电状态平衡，同时保持电池组的全电势。
在本文的实施方式中，每个相应串联连接燃料电池组还包括功率控制器，所述功率控制器被布置成相对于最佳发电和热条件调节去往该相应串联连接燃料电池组的燃料电池的氢和气流。
在一些实施方式中，所述串联连接燃料电池组中的燃料电池是开放端(open-end)单质子交换膜燃料电池。
在另外的实施方式中，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统还包括开关控制器，所述开关控制器被布置成控制相应第一开关选择性地且独立地闭合以将每个相应串联连接燃料电池组并联连接到其各个对应电池组电池单元，或者断开以关闭每个相应串联连接燃料电池组与其各个对应电池组电池单元的并联连接。
在这些另外的实施方式中的一些实施方式中，所述开关控制器被布置成控制相应第一开关选择性地且独立地将每个相应串联连接燃料电池组并联连接到其各个对应电池组电池单元，以对该电池组电池单元进行充电或升压。
在这些另外的实施方式中的又一些实施方式中，所述开关控制器被布置成选择性地控制所有相应第一开关，以将所有串联连接燃料电池组与其对应电池组电池单元断开，使得相应串联连接燃料电池组仅与其它串联连接燃料电池组串联连接，从而实现直接燃料电池电力输出或直接电池组电力输出。
在另外的实施方式中，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统还包括能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端，所述能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端使得能够选择性地将所述电池组的所述多个串联连接电池组电池单元与所述串联连接燃料电池组并联连接，以实现组合的燃料电池和电池组电力输出。
在又一些实施方式中，所述相应DC-DC转换器包括燃料电池充电控制器功能单元，所述燃料电池充电控制器功能单元被布置成将其相应串联连接燃料电池组的工作点调节到其最大功率点，并且针对所述电池组电池单元的恒定电流充电阶段，遵循所述电池组电池单元的电压并基于所述电池组电池单元荷电状态向所述电池组电池单元或负载供应最大电流。
在一些另外的实施方式中，所述相应DC-DC转换器包括燃料电池串联增强器功能单元(fuel cell series enhancer functionality)，所述燃料电池串联增强器功能单元被布置成使用脉冲宽度调制回路来控制其相应串联连接燃料电池组的输出功率。
在这些另外的实施方式中的又一些实施方式中，所述脉冲宽度调制回路被布置成以预定步长宽度改变工作点电压，以搜索所述最大功率点或唯一选择的其它工作点，并控制其相应串联连接燃料电池组的输出功率，以维持所述最大功率点或唯一选择的其它工作点。
在一些附加实施方式中，所述相应串联连接燃料电池组中的每个燃料电池还配备有旁路功能单元，所述旁路功能单元被布置成如果相应燃料电池不能在该组中的其它燃料电池的工作点工作则提供该相应燃料电池的电流旁路。
在这些附加实施方式中的又一些实施方式中，所述旁路功能单元被布置成在可配置的阈值提供所述燃料电池的旁路，并且在某个可配置的时间段期间已经达到另一可配置的阈值之后取消旁路。
上述实施方式中的一些实施方式具有能够实现电池组电池单元的荷电平衡的有效状态同时保持电池组的全电势的有益效果。
除了允许电池组电池单元的荷电状态平衡之外，上述实施方式中的至少一些实施方式使一系列燃料电池能够将它们的集合最大电力(collective maximum power)传送到宽范围的负载条件。
此外，上述实施方式中的至少一些实施方式能够消除燃料电池系列中的失配，从而消除由此导致的潜在功率损耗。
附图说明
在下文中，将参考附图仅以示例的方式更详细地描述本文的实施方式，其中：
图1示意性地例示了根据本文实施方式的电池组电池单元荷电状态平衡系统。
图2示意性地例示了向第一电池组电池单元提供充电电流同时供应相关联的负载的第一串联连接燃料电池组。
图3示意性地例示了供应相关联的负载的第一串联连接燃料电池组。
图4示意性地例示了供应相关联的负载的第一电池组电池单元，同时第一串联连接燃料电池组的电流被转递以偏置(bias)下一串联连接燃料电池组及其相关联的电池组电池单元。
图5示意性地例示了包括能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端的电池组电池单元荷电状态平衡系统。
图6示意性地例示了根据图1的添加了燃料电池控制系统(FCC)和电池管理系统(BMS)的电池组电池单元荷电状态平衡系统。
具体实施方式
下面将描述改进的电池组电池单元荷电状态平衡系统1的一些示例实施方式。
本文描述的电池组电池单元荷电状态平衡系统1是基于这样的认识的，即，燃料电池可以提供用于促进这种平衡同时保持电池组2的全电势的有效手段。
燃料电池最近吸引了越来越多的关注，因为其适合用于许多应用中，诸如用于旨在将道路车辆能量使用的结果从CO2排放转变为无害的H2O排放(即，水排放)的零排放汽车解决方案的应用。
使用燃料电池来产生例如用于道路车辆的电动动力的优点在于，与当前纯电池电动车辆的通常相当延长的充电时间相比，这种道路车辆可以使用车载氢存储单元，其可以快速且容易地从氢再充站再供应。
因此，本文提出的电池组电池单元荷电状态平衡系统1是混合电池和燃料电池系统。
根据第一方面，如图1所示，电池组电池单元荷电状态平衡系统1包括多个串联连接电池组电池单元BAT1-BATn。每个相应电池组电池单元BATx包括一个或更多个并联连接的电池单元(未示出)，诸如锂离子电池单元。所述多个串联连接电池组电池单元BAT1-BATn构成电池组2。
针对每个相应电池组电池单元BATx，存在处于电池组电池单元电压水平的串联连接燃料电池组FCx。相应组FC1-FCn中的燃料电池串联连接以获得更高的电势，从而使得组FC1-FCn更容易控制，这将在下面说明。
串联连接燃料电池组FC1-FCn还与多个串联连接电池组电池单元BAT1-BATn相对应地串联连接，使得针对每个串联连接电池组电池单元BATx存在一个串联连接燃料电池组FCx。
通过闭合相应第一开关SWx，每个相应串联连接燃料电池组FCx能够选择性地并联连接到各个对应电池组电池单元BATx，以对电池组电池单元BATx的电力输出进行充电或升压。
为此，每个串联连接燃料电池组FCx包括相应DC-DC转换器(未示出)，该DC-DC转换器被布置成将该串联连接燃料电池组FCx的工作点调节到其最大功率点或唯一选择的其它工作点，以针对构成电池组2的所有电池组电池单元BAT1-BATn将相应电池组电池单元BATx维持在规定荷电状态。
因此，上述燃料电池和电池混合电池组电池单元荷电状态平衡系统1允许有效的荷电平衡，同时保持电池组2的全电势。
本文描述的燃料电池和电池混合电池组电池单元荷电状态平衡系统1的燃料电池系统架构适当地包括氢和空气流动调节、热管理和按照与适当尺寸的电池组2的共生关系的电连接。
因此，在本文的一些实施方式中，每个相应串联连接燃料电池组FCx还包括功率控制器(未示出)，该功率控制器被布置成相对于最佳发电和热条件调节去往其燃料电池的氢和气流。
图1的左上图的曲线示意性地例示了如何调节相应串联连接燃料电池组FCx(即，组FC1至FCn中的一者)以供应其相关联的电池组电池单元BATx(即，电池组电池BAT1-BATn中的一组)。当电池组电池单元BATx电压低于最佳电压VOPT时，相关联的第一开关SWx被控制为闭合，并且相关联的串联连接燃料电池组FCx被调节为提供恒定的充电电流(实线)和增加的充电电压(虚线)，并且如果电池组电池单元BATx电压高于最佳电压VOPT，则相关联的第一开关SWx断开，使得相关联的串联连接燃料电池组FCx的贡献被转递以支持具有低于最佳电压VOPT的电池组电池单元电压的下一电池组电池单元的充电。
图2是第一开关SW1被控制为闭合以向第一电池组电池单元BAT1提供充电电流ICHGx(虚线)同时供应相关联的负载3时，第一串联连接燃料电池组FC1的简化视图。充电电流由实线曲线例示并且充电电压由虚线曲线例示。
图3是第一串联连接燃料电池组FC1的简化视图，其中第一开关SW1被控制为闭合，以向相关联的负载3供应满电流IFCx，第一电池组电池单元BAT1被完全充电。
图4是第一串联连接燃料电池组FC1的简化视图，其中第一开关SW1被控制为断开，并且第一电池组电池单元BAT1供应相关联的负载3，同时第一串联连接燃料电池组FC1的电流IFCx被转递以偏置下一串联连接燃料电池组及其相关联的电池组电池单元。如果所有电池组电池单元BAT1-BATn的所有相应电压高于最佳电压VOPT，则串联连接燃料电池组(FC1-FCn)中的所有燃料电池可以被关断。
针对本文描述的燃料电池和电池混合电池组电池单元荷电状态平衡系统1的实施方式，如果串联连接燃料电池组FC1-FCn中的燃料电池是开放端单质子交换膜燃料电池，则是有利的。
在一些现有技术的燃料电池系统可能非常笨重的情况下，使用小的、扁平的和可塑形的燃料电池(即，微型燃料电池，诸如具有开放端设计的单质子交换膜(PEM)燃料电池，例如申请人为myFC LAMINATM燃料电池)为本文所述的燃料电池和电池混合电池组电池单元荷电状态平衡系统1提供了几何设计和分布布置的改进的自由度，从而在应用(诸如适用于机动车辆的应用)中提供了灵活性。
上文参考的myFC LAMINATM燃料电池使用氢气并将其转化为清洁电力。它全部从具有开放端设计的单质子交换膜(PEM)燃料电池开始。由于myFC LAMINATM燃料电池设计也可以使用被动空气供给并且不包括传统的双极板，所以与包括传统双极板的燃料电池相比，myFC LAMINATM燃料电池提供了成本优势并且需要不太复杂的制造工艺。因此，使用薄的、可塑形的、高功率密度和低成本的可大规模生产的myFC LAMINATM燃料电池(其具有用于本文所述的燃料电池和电池混合系统1的开放端式氢系统)允许在配置和定制燃料电池和电池混合系统方面的可缩放灵活性以用于多种不同应用。
在另外的实施方式中，电池组电池单元荷电状态平衡系统1还包括开关控制器(未示出)，该开关控制器被布置成控制相应第一开关SWx选择性地且独立地闭合以将每个相应串联连接燃料电池组FCx并联连接至其各个对应电池组电池单元BATx，或者断开以关闭每个相应串联连接燃料电池组FCx与其各个对应电池组电池单元BATx的并联连接。
在这些另外的实施方式的一些实施方式中，开关控制器被布置成控制相应第一开关SWx选择性地且独立地将每个相应串联连接燃料电池组FCx并联连接至其各个对应电池组电池单元BATx，以对该电池组电池单元BATx进行充电或升压。
在这些另外的实施方式的一些实施方式中，开关控制器被布置成选择性地控制所有相应第一开关SW1-SWn，以将所有串联连接燃料电池组FC1-FCn与其对应电池组电池单元BAT1-BATn断开，使得相应串联连接燃料电池组FCx仅与其它串联连接燃料电池组FC1-FCn串联连接，从而实现直接燃料电池电力输出或直接电池组2电力输出。
在另外的实施方式中，如图5所示，电池组电池单元荷电状态平衡系统1还包括能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端4，该能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端使得能够选择性地将电池组2的多个串联连接电池组电池单元BAT1-BATn与串联连接燃料电池组FC1-FCn并联连接，以实现组合的燃料电池和电池组2电力输出，从而允许较高的电流输出作为来自串联连接燃料电池组FC1-FCn和电池组2的累积电流。
在又一些实施方式中，相应DC-DC转换器包括燃料电池充电控制器功能单元。该功能单元被布置成将其相应串联连接燃料电池组FCx的工作点调节到其最大功率点，并且针对电池组电池单元BATx的恒定电流充电阶段，遵循电池组电池单元的电压并基于电池组电池单元BATx荷电状态向电池组电池单元BATx或负载供应最大电流。
燃料电池电控制的核心是从燃料电池汲取适当的功率。这是经由DC-DC转换器完成的。在任何DC-DC转换器设计中，重要的是在达到控制目标的同时仍保持高效率。DC-DC转换器通常在高电流和低电压下具有更大的损耗，确切地说是单个燃料电池产生的损耗。单个燃料电池具有略高于1伏下至0伏的理论工作范围，以及与物理膜面积和供应的氢气量成比例并且容易以安培计的电流。单个燃料电池的低电压使得不可能实现高效率，这是因为它与晶体管端子电压相同。为此，燃料电池的串联连接用于增加DC-DC转换器的电压输入并由此增加其效率。
因此，在一些另外的实施方式中，相应DC-DC转换器包括燃料电池串联增强器功能单元，该燃料电池串联增强器功能单元被布置成使用脉冲宽度调制回路来控制其相应串联连接燃料电池组FCx的输出功率。燃料电池的串联连接产生了对电池单元工作失配的敏感性，从而导致现实条件下的不是最佳的功率和能量产生。燃料电池串联增强器功能单元的使用使得诸如相应串联连接燃料电池组FCx中的一系列燃料电池能够将它们的集合最大电力传送到宽范围的负载条件。这种增强的电灵活性消除了来自相应组FCx的一系列燃料电池中的失配的功率损耗，最终提高了能量生产和系统设计灵活性。
与使用静态选择的燃料电池工作点或标准旁路二极管相比，燃料电池串联增强器功能单元具有减少燃料电池系统工作寿命期间的性能降级从而消除高功率损耗的另外的优点，并且便于建立用于限制相应组FCx的一系列燃料电池的工作电压和电流的工作点。
在这些另外的实施方式的一些实施方式中，脉冲宽度调制回路被布置成以预定步长宽度改变工作点电压，以搜索最大功率点或唯一选择的其它工作点，并控制其相应串联连接燃料电池组FCx的输出功率，以维持最大功率点或唯一选择的其它工作点。
因此，每个相应串联连接燃料电池组FCx被布置成由燃料电池串联增强器功能单元控制，以独立于其它串联连接燃料电池组FC1-FCn并在其自己的唯一最大功率点或唯一选择的其它工作点进行电操作，而与其它串联连接燃料电池组FC1-FCn的工作点无关。
在一些另外的实施方式中，相应串联连接燃料电池组FCx中的每个燃料电池还配备有旁路功能单元，该旁路功能单元被布置成如果相应燃料电池不能在该组FCx中的其它燃料电池的工作点工作则提供该相应燃料电池的电流旁路。这将消除功率损耗对该串联中的其它燃料电池的影响并维持旁路的燃料电池的寿命。优选的旁路功能单元是有源型的，其具有最小的正向偏置功率影响，并因此具有最小的功率耗散影响，该功率耗散影响是由于该串联中的其它燃料电池汲取的电流引起的。
在这些另外的实施方式的一些实施方式中，旁路功能单元被布置成在可配置的阈值提供燃料电池的旁路，并且在某个可配置的时间段期间已经达到另一可配置的阈值之后取消旁路。
为了控制本文描述的燃料电池和电池混合电池组电池单元荷电状态平衡系统1，优选地，如图6中示意性示出的，应当添加燃料电池控制系统(FCC)和电池管理系统(BMS)。针对燃料电池和电池混合电池组电池单元荷电状态平衡系统1，FCC适当地被布置成与电池管理系统(BMS)进行通信，以组合燃料电池和电池技术的优势。
因此，通过在如上所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统1的解决方案中组合燃料电池和电池组2，可以利用每种技术的优点并抵消它们的缺点，从而提供最佳可能的电性能。
如上所述，电池组电池单元荷电状态平衡系统1解决了燃料电池的一些限制以及电池并且特别是锂离子电池的一些限制。
受益于以上描述和相关联的附图中呈现的教导，本发明所属领域的技术人员将想到本文阐述的本发明的许多修改例和其它实施方式。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施方式，并且修改例和其它实施方式旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管以上描述和相关联的附图在元件和/或功能单元的某些示例性组合的上下文中描述了示例性实施方式，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以通过另选实施方式来提供元件和/或功能单元的不同组合。在这点上，例如，如可以在一些所附权利要求中阐述的，还考虑了与以上明确描述的元件和/或功能单元不同的元件和/或功能单元的组合。在本文中描述优点、益处或问题的解决方案的情况下，应当理解，这种优点、益处和/或解决方案可以适用于一些示例实施方式，但不一定适用于所有示例实施方式。因此，本文描述的任何优点、益处或解决方案不应该被认为针对所有实施方式或针对本文要求保护的实施方式是关键的、必需的或必不可少的。尽管本文使用了特定的术语，但是它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (12)

1.一种电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统包括多个串联连接电池组电池单元(BAT1-BATn)，每个相应电池组电池单元(BATx)包括一个或更多个并联连接的电池单元，所述多个串联连接电池组电池单元(BAT1-BATn)构成电池组(2)，并且针对每个相应电池组电池单元(BATx)，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统包括处于电池组电池单元电压水平的串联连接燃料电池组(FCx)，所述串联连接燃料电池组(FC1-FCn)还与所述多个串联连接电池组电池单元(BAT1-BATn)相对应地串联连接，
其中，每个相应串联连接燃料电池组(FCx)能够通过闭合相应第一开关(SWx)选择性地并联连接到各个对应电池组电池单元(BATx)，以对电池组电池单元(BATx)电力输出进行充电或升压，并且
每个串联连接燃料电池组(FCx)包括相应DC-DC转换器，所述DC-DC转换器被布置成将该串联连接燃料电池组(FCx)的工作点调节到其最大功率点或唯一选择的其它工作点，以针对构成所述电池组(2)的所有电池组电池单元(BAT1-BATn)将相应电池组电池单元(BATx)维持在规定荷电状态。
2.根据权利要求1所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，每个相应串联连接燃料电池组(FCx)还包括功率控制器，所述功率控制器被布置成相对于最佳发电和热条件调节去往该相应串联连接燃料电池组(FCx)的燃料电池的氢和气流。
3.根据权利要求1或2所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述串联连接燃料电池组(FC1-FCn)中的燃料电池是开放端单质子交换膜燃料电池。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统还包括开关控制器，所述开关控制器被布置成控制相应第一开关(SW1-SWn)选择性地且独立地闭合以将每个相应串联连接燃料电池组(FCx)并联连接到其各个对应电池组电池单元(BATx)，或者断开以关闭每个相应串联连接燃料电池组(FCx)与其各个对应电池组电池单元(BATx)的并联连接。
5.根据权利要求4所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述开关控制器被布置成控制相应第一开关(SW1-SWn)选择性地且独立地将每个相应串联连接燃料电池组(FCx)并联连接到其各个对应电池组电池单元(BATx)，以对该电池组电池单元(BATx)进行充电或升压。
6.根据权利要求4所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述开关控制器被布置成选择性地控制所有相应第一开关(SW1-SWn)，以将所有串联连接燃料电池组(FC1-FCn)与其对应电池组电池单元(BAT1-BATn)断开，使得相应串联连接燃料电池组(FCx)仅与其它串联连接燃料电池组(FC1-FCn)串联连接，从而实现直接燃料电池电力输出或直接电池组(2)电力输出。
7.根据权利要求6所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述电池组电池单元荷电状态平衡系统还包括能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端，所述能够选择性工作的旁路二极管电池组输出端使得能够选择性地将所述电池组(2)的所述多个串联连接电池组电池单元(BAT1-BATn)与所述串联连接燃料电池组(FC1-FCn)并联连接，以实现组合的燃料电池和电池组电力输出。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述相应DC-DC转换器包括燃料电池充电控制器功能单元，所述燃料电池充电控制器功能单元被布置成将其相应串联连接燃料电池组(FCx)的工作点调节到其最大功率点，并且针对所述电池组电池单元(BATx)的恒定电流充电阶段，遵循所述电池组电池单元(BATx)的电压并基于所述电池组电池单元(BATx)荷电状态向所述电池组电池单元(BATx)或负载供应最大电流。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述相应DC-DC转换器包括燃料电池串联增强器功能单元，所述燃料电池串联增强器功能单元被布置成使用脉冲宽度调制回路来控制其相应串联连接燃料电池组(FCx)的输出功率。
10.根据权利要求9所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述脉冲宽度调制回路被布置成以预定步长宽度改变工作点电压，以搜索所述最大功率点或唯一选择的其它工作点，并控制其相应串联连接燃料电池组(FCx)的输出功率，以维持所述最大功率点或唯一选择的其它工作点。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述相应串联连接燃料电池组(FCx)中的每个燃料电池还配备有旁路功能单元，所述旁路功能单元被布置成如果相应燃料电池不能在该组(FCx)中的其它燃料电池的工作点工作则提供该相应燃料电池的电流旁路。
12.根据权利要求11所述的电池组电池单元荷电状态平衡系统(1)，其中，所述旁路功能单元被布置成在可配置的阈值提供所述燃料电池的旁路，并且在某个可配置的时间段期间已经达到另一可配置的阈值之后取消旁路。
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6781343B1 (en) * 2000-09-20 2004-08-24 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Hybrid power supply device
CN102856612B (zh) * 2011-06-30 2015-01-21 清华大学 混合动力电源系统
JP2014212580A (ja) * 2011-08-31 2014-11-13 三洋電機株式会社 電力連系システム
GB201310213D0 (en) * 2013-06-07 2013-07-24 Imp Innovations Ltd A segmented fuel cell-battery passive hybrid system

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