CN116476697A - 用于电池串和模块的荷电状态平衡的简化切换 - Google Patents

Abstract

电池系统包括：至少两个电池模块，其中，所述至少两个电池模块中的每个包括三个电池单元串；以及开关控制模块，所述开关控制模块配置成：分别确定电池单元串的荷电状态（SOC）；基于SOC使用模型预测控制来分别确定阶段的时段；基于SOC使用模型预测控制来分别确定在所述阶段期间所述串将连接到第二正端子和负端子的时段，所述串的时段的确定包括：将所述电池模块中的一个的串中的一个的时段设定为在阶段结束之前结束；以及将所述电池模块中的所述一个的其它两个串的时段设定为在阶段结束时结束。

Description

用于电池串和模块的荷电状态平衡的简化切换

技术领域

本公开涉及车辆，且更特别地涉及车辆的电池系统。

背景技术

在本部分中提供的信息是为了总体上呈现本公开的上下文的目的。在本部分中描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在提交时可能不以其它方式作为现有技术的描述的各方面，既不明示地也不暗示地被认为是针对本公开的现有技术。

一些类型的车辆仅包括生成推进转矩的内燃发动机。混合动力车辆包括内燃发动机和一个或多个电动马达两者。与如果仅使用内燃发动机相比，一些类型的混合动力车辆利用电动马达和内燃发动机来试图实现更大的燃料效率。与内燃发动机自身可实现的转矩输出相比，一些类型的混合动力车辆利用电动马达和内燃发动机来实现更大的转矩输出。

一些示例类型的混合动力车辆包括并联混合动力车辆、串联混合动力车辆和其它类型的混合动力车辆。在并联混合动力车辆中，电动马达与发动机并联工作以使发动机的功率和里程优点与电动马达的效率和再生制动优点组合。在串联混合动力车辆中，发动机驱动发电机以生成用于电动马达的电力，并且电动马达驱动变速器。这允许电动马达承担发动机的一些功率职责，这可准许使用更小并且可能更高效的发动机。本申请适用于电动车辆、混合动力车辆和其它类型的车辆。

发明内容

在特征中，一种电池系统，包括：第一正端子、第二正端子和负端子；开关；至少两个电池模块，其中，所述至少两个电池模块中的每个包括三个电池单元串，电池单元串配置成在不同时间：经由开关中的第一开关串联连接并连接到第一正端子；经由开关中的第二开关并联连接并连接到第二正端子；以及从第一正端子和第二正端子两者断开连接；以及开关控制模块，所述开关控制模块配置成：分别确定电池单元串的荷电状态（SOC）；基于SOC使用模型预测控制来分别确定阶段的时段；基于SOC使用模型预测控制来分别确定在所述阶段期间所述串将连接到第二正端子和负端子的时段，所述串的时段的确定包括：将所述电池模块中的一个的串中的一个的时段设定为在阶段结束之前结束；以及将所述电池模块中的所述一个的其它两个串的时段设定为在阶段结束时结束；以及基于阶段的时段和电池单元串的时段来选择性地致动开关。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第一个的第一时段设定为（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第三个的第三时段设定为：（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个；以及（a）大于和（b）小于所述阶段中的第一个的第一时段中的一个。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第一个、第二个和第三个的第一时段、第二时段和第三时段设定为彼此不同的值。

在进一步的特征中，所述开关控制模块进一步配置成：将所述电池模块中的第二个的串中的第二个的时段设定为在第二阶段结束之前结束；以及将所述电池模块中的第二个的其它两个串的时段设定为在第二阶段结束时结束。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成致动开关并且：在电池模块中的一个充电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时大于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成致动开关并且：在电池模块中的一个放电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时小于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成基于最小化电池单元串的SOC之间的误差来确定阶段的时段和串的时段。

在进一步的特征中，误差是电池单元串的SOC之间的平方误差。

在进一步的特征中，电池单元串中的每个包括串联连接的多个电池单元。

在进一步的特征中，所述多个电池单元包括四个3伏电池单元。

在进一步的特征中，所述开关控制模块配置成控制开关，使得电池单元串中的一个不同时连接到第一正端子和第二正端子两者。

在进一步的特征中：第一正端子配置成输出第一参考电势；第二正端子配置成输出第二参考电势；并且第一参考电势大于第二参考电势。

在特征中，一种用于电池的方法，包括：分别确定至少两个电池模块的电池单元串的荷电状态（SOC），其中，所述至少两个电池模块中的每个包括三个电池单元串，电池单元串配置成在不同时间：经由开关中的第一开关串联连接并连接到第一正端子；经由开关中的第二开关并联连接并连接到第二正端子；以及从第一正端子和第二正端子两者断开连接；以及基于SOC使用模型预测控制来分别确定阶段的时段；基于SOC使用模型预测控制来分别确定在所述阶段期间所述串将连接到第二正端子和负端子的时段，所述串的时段的确定包括：将所述电池模块中的一个的串中的一个的时段设定为在阶段结束之前结束；以及将所述电池模块中的所述一个的其它两个串的时段设定为在阶段结束时结束；以及基于阶段的时段和电池单元串的时段来选择性地致动开关。

在进一步的特征中，确定阶段的时段包括：将所述阶段中的第一个的第一时段设定为（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个。

在进一步的特征中，确定阶段的时段进一步包括：将所述阶段中的第三个的第三时段设定为：（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个；以及（a）大于和（b）小于所述阶段中的第一个的第一时段中的一个。

在进一步的特征中，确定阶段的时段包括：将所述阶段中的第一个、第二个和第三个的第一时段、第二时段和第三时段设定为彼此不同的值。

在进一步的特征中，确定串的时段包括：将所述电池模块中的第二个的串中的第二个的时段设定为在第二阶段结束之前结束；以及将所述电池模块中的第二个的其它两个串的时段设定为在第二阶段结束时结束。

在进一步的特征中，选择性地致动开关包括：致动开关并且：在电池模块中的一个充电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时大于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

在进一步的特征中，选择性地致动开关包括：致动开关并且：在电池模块中的一个放电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时小于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

方案1. 一种电池系统，包括：

第一正端子、第二正端子和负端子；

开关；

至少两个电池模块，其中，所述至少两个电池模块中的每个包括三个电池单元串，电池单元串配置成在不同时间：

经由开关中的第一开关串联连接并连接到第一正端子；

经由开关中的第二开关并联连接并连接到第二正端子；以及

从第一正端子和第二正端子两者断开连接；以及

开关控制模块，所述开关控制模块配置成：

分别确定电池单元串的荷电状态（SOC）；

基于SOC使用模型预测控制来分别确定阶段的时段；

基于SOC使用模型预测控制来分别确定在所述阶段期间所述串将连接到第二正端子和负端子的时段，所述串的时段的确定包括：

将所述电池模块中的一个的串中的一个的时段设定为在阶段结束之前结束；以及

将所述电池模块中的所述一个的其它两个串的时段设定为在阶段结束时结束；以及

基于阶段的时段和电池单元串的时段来选择性地致动开关。

方案2. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第一个的第一时段设定为（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个。

方案3. 根据方案2所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第三个的第三时段设定为：

（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个；以及

（a）大于和（b）小于所述阶段中的第一个的第一时段中的一个。

方案4. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第一个、第二个和第三个的第一时段、第二时段和第三时段设定为彼此不同的值。

方案5. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块进一步配置成：

将所述电池模块中的第二个的串中的第二个的时段设定为在第二阶段结束之前结束；以及

将所述电池模块中的第二个的其它两个串的时段设定为在第二阶段结束时结束。

方案6. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成致动开关并且：

在电池模块中的一个充电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时大于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及

将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

方案7. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成致动开关并且：

在电池模块中的一个放电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时小于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及

将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

方案8. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成基于最小化电池单元串的SOC之间的误差来确定阶段的时段和串的时段。

方案9. 根据方案8所述的电池系统，其中，误差是电池单元串的SOC之间的平方误差。

方案10. 根据方案1所述的电池系统，其中，电池单元串中的每个包括串联连接的多个电池单元。

方案11. 根据方案10所述的电池系统，其中，所述多个电池单元包括四个3伏电池单元。

方案12. 根据方案1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成控制开关，使得电池单元串中的一个不同时连接到第一正端子和第二正端子两者。

方案13. 根据方案1所述的电池系统，其中：

第一正端子配置成输出第一参考电势；

第二正端子配置成输出第二参考电势；并且

第一参考电势大于第二参考电势。

方案14. 一种用于电池的方法，所述方法包括：

分别确定至少两个电池模块的电池单元串的荷电状态（SOC），其中，所述至少两个电池模块中的每个包括三个电池单元串，电池单元串配置成在不同时间：

经由开关中的第一开关串联连接并连接到第一正端子；

经由开关中的第二开关并联连接并连接到第二正端子；以及

从第一正端子和第二正端子两者断开连接；以及

基于SOC使用模型预测控制来分别确定阶段的时段；

基于SOC使用模型预测控制来分别确定在所述阶段期间所述串将连接到第二正端子和负端子的时段，所述串的时段的确定包括：

将所述电池模块中的一个的串中的一个的时段设定为在阶段结束之前结束；以及

将所述电池模块中的所述一个的其它两个串的时段设定为在阶段结束时结束；以及

基于阶段的时段和电池单元串的时段来选择性地致动开关。

方案15. 根据方案14所述的方法，其中，确定阶段的时段包括：将所述阶段中的第一个的第一时段设定为（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个。

方案16. 根据方案15所述的方法，其中，确定阶段的时段进一步包括：将所述阶段中的第三个的第三时段设定为：

（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个；以及

（a）大于和（b）小于所述阶段中的第一个的第一时段中的一个。

方案17. 根据方案14所述的方法，其中，确定阶段的时段包括：将所述阶段中的第一个、第二个和第三个的第一时段、第二时段和第三时段设定为彼此不同的值。

方案18. 根据方案14所述的方法，其中，确定串的时段包括：

将所述电池模块中的第二个的串中的第二个的时段设定为在第二阶段结束之前结束；以及

将所述电池模块中的第二个的其它两个串的时段设定为在第二阶段结束时结束。

方案19. 根据方案14所述的方法，其中，选择性地致动开关包括：致动开关并且：

在电池模块中的一个充电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时大于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及

将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

方案20. 根据方案14所述的方法，其中，选择性地致动开关包括：致动开关并且：

在电池模块中的一个放电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时小于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及

将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

本公开的其它应用领域将从详细描述、权利要求和附图变得显而易见。详细描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本公开从详细描述和附图将得到更全面的理解，其中：

图1是示例发动机控制系统的功能框图；

图2是车辆的示例电池系统的功能框图；

图3A-3B是包括电池系统的示例实施方式的示意图；

图4是处于开路（X）配置的一个电池模块的示例实施方式的功能框图；

图5包括处于串联（S）配置的电池模块的示例图示；

图6包括处于并联（P）配置的电池模块的示例图示；

图7是示例开关控制模块的功能框图；

图8包括用于在充电期间以功率模式操作的示例时间序列；

图9是描绘平衡电池的电池串和电池模块的SOC的示例方法的流程图；

图10包括在提前串断开连接以用于平衡的情况下以功率模式操作的示例时间序列；

图11是图示在充电期间通过在阶段结束之前断开连接所述串中的一个来平衡电池模块的串的SOC的示例时间序列；和

图12包括在放电期间使用串和模块平衡的电池串的SOC随时间变化的示例曲线。

在附图中，可以重复使用附图标记来标识类似和/或相同的元件。

具体实施方式

车辆包括电池，电池在电池的壳体上具有用于输出第一操作电压（例如，48 V）的第一端子，并且在壳体上具有用于输出第二操作电压（例如，12 V）的第二输出端子。电池包括多个电池模块和多个开关。每个电池模块包括多个电池串，并且每个电池串包括多个电池单元。所述开关配置成将串一起串联连接或者独立地连接到端子。所述串还可以从第一和第二输出端子断开连接。

根据本申请，模型预测控制（MPC）模块使用电池串的SOC的估计值并且控制开关以使跨过电池串和电池模块的SOC误差最小化。这确保每个电池串尽可能均匀地被充电和放电并使电池寿命最大化。如下文进一步讨论的那样，MPC使用简化控制策略来平衡电池串的SOC，同时还减少计算工作量和相关存储器使用。

现在参考图1，呈现了示例动力传动系统100的功能框图。车辆的动力传动系统100包括发动机102，该发动机燃烧空气/燃料混合物以产生转矩。车辆可以是非自主或者自主的。

空气通过进气系统108被吸入发动机102中。进气系统108可包括进气歧管110和节气门阀112。仅举例来说，节气门阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块（ECM）114控制节气门致动器模块116，并且节气门致动器模块116调节节气门阀112的打开以控制进入进气歧管110中的空气流。

来自进气歧管110的空气被吸入发动机102的气缸中。虽然发动机102包括多个气缸，但是为了图示目的，示出了单个代表性气缸118。仅举例来说，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECM 114可指令气缸致动器模块120在一些情况下选择性地停用一些气缸，这可改进燃料效率。

发动机102可使用四冲程循环或另一个合适的发动机循环来操作。下文所描述的四冲程循环的四个冲程将被称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴（未示出）的每圈回转期间，这四个冲程中的两个发生于气缸118内。因此，气缸118经历全部四个冲程需要两圈曲轴回转。对于四冲程发动机，一个发动机循环可对应于两圈曲轴回转。

当气缸118被激活时，来自进气歧管110的空气在进气冲程期间通过进气阀122被吸入气缸118中。ECM 114控制燃料致动器模块124，该燃料致动器模块调节燃料喷射以实现期望的空气/燃料比。燃料可在中心位置处或在多个位置（例如，每个气缸的进气阀122附近）处被喷射到进气歧管110中。在各种实施方式（未示出）中，燃料可被直接喷射到气缸中或与气缸相关联的混合腔/端口中。燃料致动器模块124可中止至被停用的气缸的燃料喷射。

被喷射的燃料在气缸118中与空气混合并产生空气/燃料混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞（未示出）压缩空气/燃料混合物。发动机102可以是压缩点火发动机，在这种情况下压缩引起对空气/燃料混合物的点燃。替代地，发动机102可以是火花点火发动机，在这种情况下火花致动器模块126基于来自ECM 114的信号激励气缸118中的火花塞128，这点燃了空气/燃料混合物。一些类型的发动机，例如，均质充气压缩点火（HCCI）发动机，可执行压缩点火和火花点火两者。可相对于活塞处于其最顶部位置（这将被称为上止点（TDC））时的时间来规定火花的正时。

火花致动器模块126可由规定在TDC之前或之后多远生成火花的正时信号来控制。因为活塞位置与曲轴旋转直接相关，所以火花致动器模块126的操作可与曲轴的位置同步。火花致动器模块126可禁止至被停用气缸的火花供应或者将火花提供给被停用气缸。

在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧向下驱动活塞，由此驱动曲轴。燃烧冲程可被定义为在活塞到达TDC和活塞返回到最底部位置（这将被称为下止点（BDC））时的时间之间的时间。

在排气冲程期间，活塞从BDC开始向上移动并且通过排气阀130排出燃烧的副产物。燃烧的副产物经由排气系统134从车辆排放。

进气阀122可由进气凸轮轴140来控制，而排气阀130可由排气凸轮轴142来控制。在各种实施方式中，多个进气凸轮轴（包括进气凸轮轴140）可控制气缸118的多个进气阀（包括进气阀122）和/或可控制多排气缸（包括气缸118）的进气阀（包括进气阀122）。类似地，多个排气凸轮轴（包括排气凸轮轴142）可控制气缸118的多个排气阀和/或可控制多排气缸（包括气缸118）的排气阀（包括排气阀130）。虽然示出并已讨论了基于凸轮轴的阀致动，但是可实施无凸轮的阀致动器。虽然示出了分开的进气凸轮轴和排气凸轮轴，但是可使用具有用于进气阀和排气阀两者的凸角的一个凸轮轴。

气缸致动器模块120可通过禁止进气阀122和/或排气阀130的打开而停用气缸118。进气阀122打开时的时间可相对于活塞TDC由进气凸轮相位器148来改变。排气阀130打开时的时间可相对于活塞TDC由排气凸轮相位器150来改变。相位器致动器模块158可基于来自ECM 114的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在各种实施方式中，可省略凸轮定相。可变阀升程（未示出）也可由相位器致动器模块158来控制。在各种其它实施方式中，进气阀122和/或排气阀130可由除凸轮轴之外的致动器来控制，例如机电致动器、电动液压致动器、电磁致动器等。

发动机102可包括将加压空气提供给进气歧管110的零个、一个或多于一个的增压装置。例如，图1示出了涡轮增压器，其包括由流动通过排气系统134的排气驱动的涡轮增压器涡轮机160-1。机械增压器（supercharger）是另一种类型的增压装置。

涡轮增压器还包括涡轮增压器压缩机160-2，该涡轮增压器压缩机由涡轮增压器涡轮机160-1驱动并且压缩通向节气门阀112中的空气。废气门（WG）162控制通过和旁通涡轮增压器涡轮机160-1的排气流。废气门也可以被称为（涡轮增压器）涡轮机旁通阀。废气门162可允许排气旁通涡轮增压器涡轮机160-1以减小由涡轮增压器提供的进气空气压缩。ECM 114可经由废气门致动器模块164来控制涡轮增压器。废气门致动器模块164可通过控制废气门162的打开来调节涡轮增压器的增压。

冷却器（例如，增压空气冷却器或中间冷却器）可耗散掉被压缩的空气充气中所包含的一些热量，该热量会随着空气被压缩而生成。虽然为了图示目的被分开示出，但是涡轮增压器涡轮机160-1和涡轮增压器压缩机160-2可机械地链接到彼此，从而将进气空气置于紧邻热排气处。被压缩的空气充气可从排气系统134的部件吸收热量。

发动机102可包括排气再循环（EGR）阀170，其选择性地将排气重新引导回到进气歧管110。EGR阀170可从排气系统134中的涡轮增压器涡轮机160-1的上游接收排气。EGR阀170可由EGR致动器模块172来控制。

可使用曲轴位置传感器180来测量曲轴位置。可基于使用曲轴位置传感器180测量的曲轴位置来确定发动机速度。可使用发动机冷却剂温度（ECT）传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可位于发动机102内或位于冷却剂循环所到的其它位置处，例如散热器（未示出）。

可使用歧管绝对压力（MAP）传感器184来测量进气歧管110内的压力。在各种实施方式中，可测量发动机真空，该发动机真空是环境空气压力和进气歧管110内的压力之间的差。可使用空气质量流量（MAF）传感器186来测量流到进气歧管110中的空气质量流率。在各种实施方式中，MAF传感器186可位于壳体中，该壳体还包括节气门阀112。

可使用一个或多个节气门位置传感器（TPS）190来测量节气门阀112的位置。可使用进气空气温度（IAT）传感器192来测量被吸入发动机102中的空气的温度。也可实施一个或多个其它传感器193。其它传感器193包括加速器踏板位置（APP）传感器、制动踏板位置（BPP）传感器，可包括离合器踏板位置（CPP）传感器（例如，在手动变速器的情况下），并且可包括一个或多个其它类型的传感器。APP传感器测量车辆的乘客舱内的加速器踏板的位置。BPP传感器测量车辆的乘客舱内的制动踏板的位置。CPP传感器测量车辆的乘客舱内的离合器踏板的位置。其它传感器193还可包括测量车辆的纵向（例如，前/后）加速度和车辆的横向（latitudinal）加速度的一个或多个加速度传感器。加速度计是加速度传感器的示例类型，但是可使用其它类型的加速度传感器。ECM 114可使用来自传感器的信号来为发动机102做出控制决策。

ECM 114可与变速器控制模块194通信，例如以利用变速器195中的换档来协调发动机操作。ECM 114可与混合动力控制模块196通信，例如以协调发动机102和电动马达198的操作。虽然提供了一个电动马达的示例，但是可实施多个电动马达。电动马达198可以是永磁式电动马达或在自由旋转时基于反电磁力（EMF）来输出电压的另一种合适类型的电动马达，例如直流（DC）电动马达或者同步电动马达。在各种实施方式中，ECM 114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196的各种功能可被集成到一个或多个模块中。

改变发动机参数的每个系统可被称为发动机致动器。每个发动机致动器具有相关联的致动器值。例如，节气门致动器模块116可被称为发动机致动器，并且节气门打开面积可被称为致动器值。在图1的示例中，节气门致动器模块116通过调整节气门阀112的叶片的角度来实现节气门打开面积。

火花致动器模块126也可被称为发动机致动器，而对应的致动器值可以是相对于气缸TDC的火花提前量。其它发动机致动器可包括气缸致动器模块120、燃料致动器模块124、相位器致动器模块158、废气门致动器模块164和EGR致动器模块172。对于这些发动机致动器，致动器值可分别对应于气缸启用/停用序列、加注燃料速率、进气和排气凸轮相位器角度、目标废气门开度和EGR阀开度。

ECM 114可控制致动器值以便引起发动机102基于转矩请求来输出转矩。ECM 114可例如基于一个或多个驾驶员输入（例如，APP、BPP、CPP和/或一个或多个其它合适的驾驶员输入）来确定转矩请求。ECM 114可确定转矩请求，例如使用将驾驶员输入与转矩请求相关的一个或多个函数或查找表。

在一些情况下，混合动力控制模块196控制电动马达198输出转矩，例如以补充发动机转矩输出。混合动力控制模块196还可控制电动马达198在发动机102被关停时的时间输出转矩用于车辆推进。

混合动力控制模块196将来自电池208的电功率施加到电动马达198以使电动马达198输出正转矩。下文进一步讨论电池。电动马达198可将转矩输出到例如变速器195的输入轴、变速器195的输出轴或另一个部件。离合器200可被实施为将电动马达198联接到变速器195以及使电动马达198从变速器195脱离。一个或多个传动装置可被实施在电动马达198的输出和变速器195的输入之间，以提供电动马达198的旋转和变速器195的输入的旋转之间的一个或多个预定传动比。在各种实施方式中，可省略电动马达198。在车辆（例如，电动车辆和自主车辆）中，可使用电池208将自身冗余功率供应给各种系统，例如，汽车安全完整性等级（ASIL）系统和高级驾驶员辅助系统（ADAS），以及提供多个输出电压（例如，12伏和48伏）。

ECM 114经由起动机马达202来起动发动机102。ECM 114或车辆的另一个合适模块将起动机马达202与发动机102接合以用于发动机起动事件。仅举例来说，当接收到钥匙ON命令时，ECM 114可将起动机马达202与发动机102接合。例如，经由致动车辆或车辆的遥控钥匙的一个或多个点火钥匙、按钮和/或开关，驾驶员可输入钥匙ON命令。起动机马达202可接合联接到曲轴的飞轮或驱动曲轴的旋转的一个或多个其它合适的部件。

ECM 114还可响应于自动停止/起动事件期间的自动起动命令或响应于滑行（sailing）事件的发动机起动命令来起动发动机。自动停止/起动事件包括在车辆停止、驾驶员已压下制动踏板、以及驾驶员还没有输入钥匙OFF命令时关停发动机102。自动起动命令可在发动机102针对自动停止/起动事件被关停时生成，例如，当驾驶员释放制动踏板和/或压下加速器踏板时。

滑行事件可包括在车辆移动（例如，车辆速度大于预定速度，例如50英里/小时）、驾驶员没有将压力施加到加速器踏板、以及驾驶员还没有输入钥匙OFF命令时ECM 114关停发动机102。发动机起动命令可在发动机102针对滑行事件被关停时生成，例如，当驾驶员压下加速器踏板时。驾驶员可例如经由致动所述一个或多个点火钥匙、按钮和/或开关来输入钥匙OFF命令，如上文所讨论的那样。

起动机马达致动器（例如，螺线管）可致动起动机马达202以与发动机102接合。仅举例来说，起动机马达致动器可将起动机小齿轮与联接到曲轴的飞轮接合。在各种实施方式中，起动机小齿轮可经由驱动轴和单向离合器联接到起动机马达202。起动机致动器模块204基于来自起动机控制模块的信号来控制起动机马达致动器和起动机马达202，如下文进一步讨论的那样。在各种实施方式中，起动机马达202可保持与发动机102接合。

响应于起动发动机102的命令（例如，自动起动命令、用于滑行事件的结束的发动机起动命令或者当接收到钥匙ON命令时），起动机致动器模块204将电流供应给起动机马达202以起动发动机102。起动机致动器模块204还可致动起动机马达致动器以将起动机马达202与发动机102接合。在将起动机马达202与发动机102接合例如以允许齿啮合之后，起动机致动器模块204可将电流供应给起动机马达202。

将电流施加到起动机马达202驱动起动机马达202的旋转，并且起动机马达202驱动曲轴的旋转（例如，经由飞轮）。起动机马达202驱动曲轴以起动发动机102的时段可被称为发动机曲柄起动（cranking，或发动）。

起动机马达202从电池208吸取功率以起动发动机102。一旦发动机102在发动机起动事件之后运行，起动机马达202就与发动机102脱离接合或被脱离接合，并且可中断至起动机马达202的电流流动。例如，当发动机速度超过预定速度（例如，预定的怠速速度）时，发动机102可被认为运行。仅举例来说，预定的怠速速度可以是大约700转/分钟（rpm）或另一个合适的速度。当发动机102运行时，发动机曲柄起动可被称为已完成。

发电机206将发动机102的机械能转换成交流（AC）功率。例如，发电机206可联接到曲轴（例如，经由齿轮或皮带）并且通过将负载施加到曲轴来将发动机102的机械能转换成AC功率。发电机206将AC功率整流成DC功率并且将DC功率存储在电池208中。替代地，在发电机206外部的整流器可被实施为将AC功率转换成DC功率。发电机206例如可以是交流发电机。在各种实施方式中，例如在皮带式交流发电机起动机（BAS）的情况下，起动机马达202和发电机206可被一起实施。在各种实施方式中，可实施一个或多个直流（DC）-DC转换器。

图2是车辆的示例电池系统的功能框图。电池208具有至少两个（正）输出端子和一负端子以提供至少两个直流（DC）操作电压。仅举例来说，电池208可具有第一正（例如，48伏（V）标称）端子210、负端子212、以及第二正（例如，12 V标称）端子214。虽然提供了具有48 V标称操作电压和12 V标称操作电压的电池208的示例，但是电池208可具有一个或多个其它操作电压。

电池208包括多个电池模块，例如第一电池模块224-1、...、以及第N个电池模块224-N（“电池模块224”），其中N是大于或等于2的整数。在各种实施方式中，N可等于2、3、4、5、6、8、10、12或另一个合适的数字。

如下文关于图4进一步讨论的那样，电池模块224中的每一个包括多个电池串。每个电池串可以是可独立更换的。独立更换电池串的能力可使得电池208能够包括更短的保修期并且具有更低的保修成本。电池串也可以是可独立隔离的，例如在电池串中发生故障的情况下。在各种实施方式中，电池208可具有标准汽车级12 V电池的形状因数。

电池208包括多个开关，例如第一开关232-1、...、第N个开关232-N（统称为“开关232”）。开关232使得电池模块224的电池串能够串联、并联或以串联和并联的组合连接，以在输出端子处提供目标输出电压和容量。

开关控制模块240控制开关232在输出端子处提供期望的输出电压和容量。如下文进一步讨论的那样，开关控制模块240使用模型预测控制（MPC）来控制开关232，以尽可能接近地平衡电池串的荷电状态（SOC）。

图3A-3B是包括示例电池系统的示意图，该电池系统包括电池208。电池串的组可串联连接（经由开关232中的开关）到第一正端子210和负端子212，以经由第一正端子210提供第一标称输出电压（例如，48 V）。电池串中的各个电池串可以连接（经由开关232中的开关）到第二正端子214和负端子212，以经由第二正端子214提供第二标称输出电压（例如，12V）。有多少个电池串连接到第一正端子210和第二正端子214决定电池208的总容量在正端子中的每一个处可用的部分。

如图3B中所示，第一组车辆电气部件使用电池208的两个或更多个操作电压中的一个来操作。例如，该第一组车辆电气部件可连接到第二正端子214。该第一组车辆电气部件可包括例如但不限于ECM 114和车辆的其它控制模块、起动机马达202和/或其它电负载，例如第一12 V负载304、第二12 V负载308、其它控制模块312、第三12 V负载316和第四12 V负载320。在各种实施方式中，可实施切换装置324。

如图3A中所示，第二组车辆电气部件使用电池208的所述两个或更多个操作电压中的另一个来操作。例如，该第二组车辆电气部件可连接到第一正端子210。该第二组车辆电气部件可包括例如但不限于发电机206和各种电负载，例如48 V负载328。发电机206可被控制为对电池208充电。

开关232中的每一个可以是绝缘栅双极晶体管（IGBT）、场效应晶体管（FET）（例如，金属氧化物半导体FET（MOSFET））或另一种合适类型的开关。

图4是电池模块224中的一个（被编号为电池模块404）和一组开关232的示例实施方式的功能框图。电池模块224中的每一个可与404相同，并且每组开关232可以相同。

电池模块404包括三个电池串408、412和416。电池串408-416是相同的，并且每一个包括四个电池单元420、424、428和432。电池单元420-432串联连接以提供第二操作电压（例如，12 V）。电池单元420-432中的每一个例如可以是3 V电池单元或具有另一个合适的电压，以在电池单元420-432串联连接时提供第二操作电压。电池单元420-432例如可以是磷酸铁锂（LFP）电池单元或具有另一种合适的化学物。

电池串408-416的负端子连接到负端子212。当开关436和440闭合时，电池串408和412的负端子分别经由开关436和440连接到负端子212。开关436和440可以断开以使电池串408和412的负端子从负端子212断开连接。电池串416的负端子可直接连接到负端子212。

电池串416的正端子与电池串412的负端子连接，使得当开关444闭合时电池串412和416串联连接。开关444可以断开以使电池串416的正端子从电池串412的负端子断开连接。电池串412的正端子与电池串408的负端子连接，使得当开关448闭合时电池串412和408串联连接。开关448可以断开以使电池串412的正端子从电池串408的负端子断开连接。

开关452、456和460分别将电池串408、412和416的正端子与第一总线（例如，12 V总线）连接和断开连接，该第一总线连接到第二正端子214。开关464将电池串408的正端子与第二总线（例如，48 V总线）连接和断开连接，该第二总线连接到第一正端子210。

开关控制模块240控制电池模块224中的每一个的开关（开关组）的切换。在任何给定时间，开关控制模块240均可致动与电池模块相关联的开关，使得电池模块处于开路（X）配置、串联（S）配置或并联（P）配置。图4包括处于开路（X）配置的电池模块404的示例图示。当电池模块处于开路（X）配置时，电池模块的所有电池串都从第一正端子210和第二正端子214两者断开连接。

图5包括处于串联（S）配置的电池模块404的示例图示。当电池模块处于串联（S）配置时，电池模块的所有电池串都串联连接并连接到第一正端子210。这通过闭合开关444、448和464并且断开所有其它开关436、440、452、456、460来完成。当电池模块处于串联（S）配置时，所述电池串中的每个都不连接到第二正端子214。

图6包括处于并联（P）配置的电池模块404的示例图示。当电池模块处于并联（P）配置时，电池模块的所有电池串都并联连接到第二正端子214。这通过闭合开关452、456、460、436和440并且断开所有其它开关444、448和464来完成。当电池模块处于并联（P）配置时，所述电池串中的每个都不连接到第一正端子210。

图7是开关控制模块240的示例实施方式的功能框图。切换模块704将信号施加到电池模块224的开关232（开关组）的（例如，栅极端子），以控制开关232的致动并控制电池模块224中的每一个是处于开路（X）状态、串联（S）状态还是并联（P）状态。

切换模块704基于来自模型预测控制（MPC）模块708的输入来施加信号。MPC模块708基于一个或多个操作参数来确定当前功率模式、阶段持续时间、以及串和模块断开连接时间，并基于当前功率模式生成至切换模块704的输出。MPC模块708进一步基于由约束模块716设定的约束712来生成输出。约束712的示例包括例如：当其电池模块处于X连接时，电池串不能连接到第一正端子210或第二正端子214。电池串不能同时连接到第一正端子210和第二正端子214两者。当该电池模块将以并联（P）模式连接时，电池串不能多次连接到第二正端子214。阶段持续时间可被约束以满足第一正端子210处的需求。每个串的连接持续时间可被限制（被约束）到阶段的结束。每个电池模块的通道（电池串）的数量可被约束以满足第二正端子210处的需求。另一个约束是：一个电池模块的仅仅一个电池串可以在该电池模块以并联模式操作期间在阶段结束之前从第二正端子214断开连接，以更好地平衡该电池模块的串的SOC。这一个电池模块的其它两个电池串连接到正端子，直到该电池模块以并联模式操作的阶段结束。该约束可以最小化与切换相关的计算工作量。而且，阶段持续时间可以不被约束（经由约束712）到固定长度或相同长度。因此，MPC模块708可更好地和更快地平衡电池串和电池模块的SOC。

约束712中的一个、多于一个或全部可以是固定的。在各种实施方式中，约束712中的一个或多个可以是可变的。约束模块716可基于一个或多个操作参数714来设定可变的约束。操作参数714的示例包括例如当前功率模式、当前功率模式的预测持续时间、以及其它示例操作参数。

荷电状态（SOC）模块718确定电池串中的每一个的当前荷电状态（SOC）720。换句话说，SOC模块718分别确定电池串的当前SOC 720。SOC模块718可例如基于跨过电池串的电压以及进出该电池串的电流中的至少一个来确定电池串的当前SOC。SOC模块718可使用将电压和/或电流与SOC相关的等式和查找表中的至少一个来确定电池串的当前SOC。在各种实施方式中，SOC模块718可基于电池串的阻抗来确定电池串的SOC，例如以便更精确地将电压和电流与SOC相关。SOC模块718为每个电池串进行此操作。可分别使用电压和电流传感器来测量电池串724的电压和电流。

MPC模块708控制开关的切换（经由切换模块704）以针对当前功率模式分别使电池串的SOC之间的误差（例如，平方误差和）最小化。MPC模块708可进一步基于经由第一正端子210和第二正端子214的当前输出需求以及来自第一正端子210和第二正端子214的预测输出需求来控制开关的切换。当前输出需求和预测输出需求由728图示。由于约束712，MPC模块708允许在充电或放电期间在阶段结束之前仅仅一个电池串断开连接。这简化了切换的控制并减少与切换的控制相关的计算工作量。

为了平衡串720的SOC，使用MPC，MPC模块708针对三个阶段（阶段1、阶段2和阶段3）中的每一个设定阶段持续时间、当处于P模式时所连接的电池串的数量、以及电池串中的每一个在P模式中连接的持续时间。可基于串和/或模块平衡将所述阶段的持续时间设定为不同的长度。每个功率模式具有用于该功率模式的电池模块224的相关联的一组配置（X模式、P模式或S模式）。下文提供了图示每个阶段的功率模式和电池模块模式的表。MPC模块708重复地循环通过所述阶段（阶段1、阶段2、阶段3，然后返回阶段1等），直到功率模式被改变。

功率模式	阶段1	阶段2	阶段3	情况
					1（XXX模式）	XXX	XXX	XXX	OFF
2（XXP模式）	XXP	PXX	XPX	12 V休眠模式
					3（XXS模式）	XXS	SXX	XSX	带诊断的48 V低功率模式
4（XPP模式）	XPP	PXP	PPX	带诊断的12V中等功率模式
					5（SXP模式）	SXP	PSX	XPS	带诊断的低功率2电压模式
6（XSS模式）	XSS	SXS	SSX	带诊断的48 V中等功率
					7（PPP模式）	PPP	PPP	PPP	12 V高功率曲柄起动模式
8（PPS模式）	PPS	SPP	PSP	正常2电压模式
					9（PSS模式）	PSS	SPS	SSP	正常2电压模式
10（SSS模式）	SSS	SSS	SSS	48 V高功率模式

在上文的示例表中，为每个阶段提供了相应电池模块的电池模块模式。例如，当处于功率模式5（SXP模式）时，在第一阶段（阶段1）期间，第一电池模块以串联（S）模式操作，第二电池模块以开路（X）模式操作，并且第三电池模块以并联（P）模式操作。在第一阶段结束之前，第三电池模块（以P模式操作）的仅1个串可被断开连接以更好地平衡第三电池模块的串。在功率模式5的第二阶段（阶段2）期间，第一电池模块以并联（P）模式操作，第二电池模块以串联（S）模式操作，并且第三电池模块以开路（X）模式操作。在第二阶段结束之前，第一电池模块（以P模式操作）的仅1个串可被断开连接以更好地平衡第一电池模块的串。在功率模式5的第三阶段（阶段3）期间，第一电池模块以开路（X）模式操作，第二电池模块以并联（P）模式操作，并且第三电池模块以串联（S）模式操作。在第三阶段结束之前，第二电池模块（以P模式操作）的仅1个串可被断开连接以更好地平衡第二电池模块的串。

MPC模块708基于每个电池串和每个电池模块的SOC的平衡来设定第一阶段、第二阶段和第三阶段中的每一个的持续时间（长度）。例如，一个电池模块的电池串（例如，平均而言）具有比其它两个电池模块更低的SOC，在充电期间，MPC模块708可将所述一个电池模块以并联（P）模式操作的一个或多个阶段设定为长于其它两个电池模块的一个或多个阶段。这将使其它两个电池模块的SOC比电池模块中的所述一个的SOC增加更少，使得SOC跨过电池模块更加平衡。在放电期间，一个电池模块的电池串（例如，平均而言）具有比其它两个电池模块更低的SOC，MPC模块708可将所述一个电池模块以并联（P）模式操作的一个或多个阶段设定为短于其它两个电池模块的一个或多个阶段。这将使其它两个电池模块的SOC比电池模块中的所述一个的SOC减小更多，使得SOC跨过电池模块更加平衡。

MPC模块708还设定每个电池串连接到第二正端子214的每个阶段的持续时间（长度/时段）以平衡每个模块的电池串的各个SOC。例如，在充电期间，当电池模块的一个电池串具有比该电池模块的其它电池串更低的SOC时，MPC模块708可将电池串中的所述一个连接到第二正端子214的持续时间设定为长于电池模块的其它电池串的持续时间。这将使电池模块的所述一个电池串的SOC比电池模块的其它电池串的SOC增加更多，使得SOC在电池模块内更加平衡。MPC模块708为每个电池模块进行此操作。在放电期间，当电池模块的一个电池串具有比该电池模块的其它电池串更低的SOC时，MPC模块708可将电池串中的所述一个连接到第二正端子214的持续时间设定为短于电池模块的其它电池串的持续时间。这将使电池模块的所述一个电池串的SOC比电池模块的其它电池串的SOC减小更少，使得SOC在电池模块内更加平衡。MPC模块708为每个电池模块进行此操作。

作为另一个示例，在充电期间，当电池模块的一个电池串具有比该电池模块的其它电池串更高的SOC时，MPC模块708可将电池串中的所述一个连接到第二正端子214的持续时间设定为使得电池串中的所述一个在阶段结束之前断开连接（即，短于该阶段）并且其它两个电池串在整个阶段（即，该阶段的长度）内都连接到第二正端子214。这将使电池模块的所述一个电池串的SOC比电池模块的其它电池串的SOC增加更少的程度，使得SOC在电池模块内更加平衡。MPC模块708为每个电池模块进行此操作。在放电期间，当电池模块的一个电池串具有比该电池模块的其它电池串更低的SOC时，MPC模块708可将电池串中的所述一个的持续时间设定为使得电池串中的所述一个在阶段结束之前断开连接（即，短于该阶段）并且其它两个电池串在整个阶段（即，该阶段的长度）内都连接到第二正端子214。这将使电池模块的所述一个电池串的SOC比电池模块的其它电池串的SOC减小更少的程度，使得SOC在电池模块内更加平衡。MPC模块708为每个电池模块进行此操作。

图8包括当电池208通过第二正端子214充电同时通过第一正端子210充电或放电（例如，用小电流）时用于以功率模式5（SXP）操作的示例时间序列。804是第一阶段（阶段1），808是第二阶段（阶段2），并且812是第三阶段（阶段3）。如本文中所使用的那样，MNO模式可意指第一电池模块以模式M操作，第二电池模块以模式N操作，并且第三电池模块以模式O操作，其中M、N和O均为并联（P）、串联（S）或开路（X）中的一个。例如，第一阶段包括SXP模式，其中第一电池模块以串联（S）模式操作，第二电池模块以开路（X）模式操作，并且第三电池模块以并联（P）模式操作。第二阶段包括以PSX模式的操作，其中第一电池模块以并联（P）模式操作，第二电池模块以串联（S）模式操作，并且第三电池模块以开路（X）模式操作。第三阶段包括以XPS模式的操作，其中第一电池模块以开路（X）模式操作，第二电池模块以并联（P）模式操作，并且第三电池模块以串联（S）模式操作。

在图8的示例中，MPC模块708将第二阶段的持续时间设定为长于第三阶段的持续时间并且将第三阶段的持续时间设定为短于第一阶段的持续时间。通过第二正端子214，允许对第一电池模块（其在第二阶段以并联（P）模式连接）的电池串进行比其它电池模块更多的充电，并且允许对第二电池模块（其在第三阶段以并联（P）模式连接）的电池串进行比第三电池模块的电池串更少的充电。第三电池模块在第一阶段以并联（P）模式操作。

在第一阶段804期间，MPC模块708将第三电池模块的第三电池串824连接到第二正端子214，总持续时间小于第三电池模块的第一电池串816和第二电池串820。这允许第三电池模块的第一电池串816和第二电池串820比第三电池模块的第三电池串824充电更多，以平衡第三电池模块的第一电池串816、第二电池串820和第三电池串824的SOC。

在第二阶段808期间，MPC模块708将第一电池模块的第一电池串828连接到第二正端子214，总持续时间小于第一电池模块的第二电池串832和第三电池串836。这允许第一电池模块的第二电池串832和第三电池串836比第一电池模块的第一电池串828充电更多，以平衡第一电池模块的第一电池串828、第二电池串832和第三电池串836的SOC。

在第三阶段812期间，MPC模块708将第二电池模块的第二电池串844连接到第二正端子214，总持续时间小于第二电池模块的第一电池串840和第三电池串848。这允许第二电池模块的第一电池串840和第三电池串848比第二电池模块的第二电池串844充电更多，以平衡第二电池模块的第一电池串840、第二电池串844和第三电池串848的SOC。

假定功率模式没有改变，则控制然后返回到第一阶段。换句话说，控制从阶段1继续到阶段2到阶段3，之后按相同顺序重复阶段1-3。

虽然在图示充电时讨论了图8，但类似内容同样适用于放电的情况。例如，如果第一电池模块、第二电池模块和第三电池模块的第三串的SOC分别低于第一至第三电池模块的第一串和第二串的SOC，则MPC模块708可在相应阶段期间将第一至第三电池模块的第三串连接到第二正端子214，总时段短于第一至第三电池模块的第一串和第二串。这使第三串比第一串和第二串放电更少并且平衡了电池串的SOC。

图9是描绘平衡电池208的电池模块的电池串的SOC的示例方法的流程图。控制以904开始，其中SOC模块718确定电池208的电池模块224（第一、第二和第三）中的每一个的电池串（第一、第二和第三）的SOC。

在908处，SOC模块718可分别基于电池模块的电池串来确定电池模块（第一、第二和第三）的SOC。例如，SOC模块718可基于第一电池模块的电池串（第一、第二和第三）的SOC平均值来确定第一电池模块的SOC。SOC模块718可基于第二电池模块的电池串（第一、第二和第三）的SOC平均值来确定第二电池模块的SOC。SOC模块718可基于第三电池模块的电池串（第一、第二和第三）的SOC平均值来确定第三电池模块的SOC。

在912处，MPC模块708确定功率模式，例如上文所描述的那样。MPC模块708可选择以上功率模式中的一个，例如，SXP模式、XPP模式、XXP模式，或以上模式中的另一个。

在916处，MPC模块708基于功率模式和电池模块的SOC来确定阶段持续时间（第一阶段、第二阶段和第三阶段的时段）。例如，对于放电，当电池模块的SOC小于其它电池模块的SOC时，MPC模块708可将当该电池模块将以并联（P）模式连接时的阶段的持续时间设定为短于其它阶段的持续时间。MPC模块708使用MPC来确定阶段持续时间，并且所述阶段持续时间可能不同。换句话说，阶段持续时间未被约束（经由约束712）为相同。

在920处，MPC模块708确定每个电池模块的每个串在所述阶段内连接的持续时间。如上文所讨论的那样，在一阶段期间将以P模式操作的电池模块的仅一个串可在该阶段结束之前被断开连接。例如，在充电期间，当两个电池串具有比另一电池串更低的SOC时，MPC模块708可对这两个电池串进行比另一电池串（在阶段结束之前断开连接）更长的充电（直到阶段结束）。在放电期间，当电池串具有比另一电池串更高的SOC时，MPC模块708可对所述电池串进行比另一电池串更长的放电。MPC模块708使用MPC来确定电池串持续时间，并且可以经由约束712将电池模块的电池串中的仅一个设定为在阶段（在该阶段期间，该电池模块将以P模式操作）结束之前断开连接。

在各种实施方式中，912和916可由MPC模块708同时执行。当所有串SOC都相等时，优化成本准则可为零，并且随着SOC之间的差越大，优化成本准则可变得越大。这种成本准则的一个可能公式是在包括所有串的循环链中相邻对的SOC之间的平方差的加权和，该和是在由通过三个阶段的一个或多个完整循环组成的计划范围内取得的。为了避免使任何串过热的目的，可添加附加的惩罚（penalty），例如串的总连接时间上的成本。优化中的变量是阶段的持续时间和每个串以P配置连接的持续时间。成本准则的最小化受制于约束712。违反约束增加了可能性的成本并因此阻止了该可能性被选择和使用。给定输出需求和预测728，可由MPC模块708针对任一组连接持续时间来评估成本准则。最小化问题的解决方案是在计划范围内最近乎地平衡串SOC的一组阶段持续时间和串连接持续时间，这受制于约束712并考虑任何附加的惩罚项。

在924处，切换模块704根据功率模式、阶段持续时间和电池串持续时间来致动开关232。控制返回到904以进行下一个循环。

图10包括当电池208充电时以功率模式8（PPS）中操作的随时间1002变化的示例曲线。1004是第一阶段（阶段1），1008是第二阶段（阶段2），1012是第三阶段（阶段3）。行1016代表第一电池模块，行1020代表第二电池模块，行1024代表第三电池模块。所述行中的1、2和3是该电池模块的第一、第二和第三串。

如所图示的那样，在第一阶段1004期间，第一和第二电池模块1016和1020以P模式操作，第三模块1024以S模式操作。在第一阶段1004期间，仅仅第一电池模块1016的第三串（3）在第一阶段1004结束之前断开连接。第一阶段1004的结束在图10中由1028图示。

在第二阶段1008期间，第二和第三电池模块1020和1024以P模式操作，并且第一模块1016以S模式操作。在第二阶段1008期间，仅仅第二电池模块1020的第一串（1）在第二阶段1008结束之前断开连接。第二阶段1008的结束在图10中由1032图示。

在第三阶段1012期间，第一和第三电池模块1016和1024以P模式操作，第二模块1020以S模式操作。在第三阶段1012期间，仅仅第三电池模块1024的第二串（2）在第三阶段1012结束之前断开连接。第三阶段1012的结束在图10中由1036图示。

图11是图示在充电期间通过在一阶段结束之前断开连接所述串中的一个来平衡电池模块的串的SOC的示例时间序列。允许在一阶段结束之前断开连接所述串中的一个简化控制并减少了 MPC 模块708的计算工作量。

最初，在时间1104处，电池模块的第一和第三串（A1和A3）具有比电池模块的第二串（A2）更低的SOC。在1108处，在电池模块以P模式操作期间的阶段的开始时开始将第一、第二和第三电池串（A1、A2和A3）连接到第二正端子214，从而对第一、第二、第三电池串充电。

在1112处，在阶段结束之前，开关控制模块240将第二串（A2）从第二正端子214断开连接以平衡第一、第二和第三串的SOC。第一和第三串（A1和A3）在1112期间继续充电。在1116处，开关控制模块240已将所有第一、第二和第三串（A1、A2和A3）从第二正端子214断开连接。如所图示的那样，串的SOC比它们最初在1104处时更加平衡。

示例充电幅度仅出于图示目的而示出，并且充电幅度可以与所示不同。

图12包括根据上文讨论的串和模块平衡在放电期间电池串的SOC 1204随时间1208变化的示例曲线。如所图示的那样，尽管SOC最初不同，但SOC相对快地变得大约相等。更高的电流可以导致串和模块平衡更快地实现。10,000秒时标在图12中仅作为示例提供，并且不应暗示串和/或模块平衡将花费那么长时间。

前述描述本质上仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或使用。本公开的宽泛教导可以以各种形式实施。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求后，其它修改将变得显而易见。应当理解的是，在不改变本公开的原理的情况下，方法内的一个或多个步骤可以以不同的顺序（或同时）执行。此外，虽然上文将实施例中的每一个描述为具有某些特征，但参考本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可在其它实施例中的任一个的特征中实施和/或与其它实施例中的任一个的特征组合，即使未明确地描述所述组合也是如此。换句话说，所描述的实施例不是相互排斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍然在本公开的范围内。

使用各种术语描述元件之间（例如，模块、电路元件、半导体层等之间）的空间和功能关系，包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“紧挨着”、“在顶部上”、“上方”、“下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接的”，否则当在以上公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一和第二元件之间不存在其它中间元件的直接关系，但是也可以是在第一和第二元件之间（在空间上或功能上）存在一个或多个中间元件的间接关系。如本文使用的那样，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑（A或B或C），并且不应当被解释为意指“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。

在图中，如箭头所表示的箭头的方向通常表示图示感兴趣的信息流（例如数据或指令）。例如，当元件A和元件B交换各种信息，但是从元件A传输到元件B的信息与图示相关时，箭头可从元件A指向元件B。该单向箭头并非暗示没有其它信息从元件B传输到元件A。此外，对于从元件A发送到元件B的信息，元件B可向元件A发送对信息的请求或对信息的接收确认。

在本申请中，包括下面的定义，术语“模块”或术语“控制器”可用术语“电路”代替。术语“模块”可指代以下各项、作为以下各项的一部分或者包括以下各项：专用集成电路（ASIC）；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器电路（共享、专用或组）；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路（共享、专用或组）；提供所述功能的其它合适的硬件部件；或者以上的一些或全部的组合，例如在芯片上系统中。

模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可包括连接到局域网（LAN）、因特网、广域网（WAN）或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可允许负载平衡。在另外的示例中，服务器（也称为远程或云）模块可代表客户端模块完成一些功能。

如上文所使用的那样，术语“代码”可包括软件、固件和/或微代码，并且可指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语“共享处理器电路”涵盖执行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器电路。术语“组处理器电路”涵盖与附加处理器电路组合执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用涵盖分立管芯上的多个处理器电路、单个管芯上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核、单个处理器电路的多个线程、或以上的组合。术语“共享存储器电路”涵盖存储来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器电路。术语“组存储器电路”涵盖与附加存储器组合存储来自一个或多个模块的一些或所有代码的存储器电路。

术语“存储器电路”是术语“计算机可读介质”的子集。如本文所使用的那样，术语“计算机可读介质”不涵盖通过介质（例如在载波上）传播的暂态性电信号或电磁信号；术语“计算机可读介质”因此可被认为是有形的和非暂态性的。非暂态性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器电路（例如闪存存储器电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路）、易失性存储器电路（例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路）、磁存储介质（例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器）和光存储介质（例如CD、DVD或蓝光光盘）。

本申请中描述的设备和方法可部分地或全部地由通过配置通用计算机以执行计算机程序中实施的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实施。上述功能框、流程图部件和其它元件用作软件规范，其可以通过熟练技术人员或程序员的例行工作转换成计算机程序。

计算机程序包括存储在至少一个非暂态性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可涵盖与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统（BIOS）、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用、后台服务、后台应用等。

计算机程序可包括：（i）要解析的描述性文本，例如HTML（超文本标记语言）、XML（可扩展标记语言）或JSON（JavaScript对象符号化）（ii）汇编代码，（iii）由编译器从源代码生成的目标代码，（iv）由解释器执行的源代码，（v）由即时编译器编译和执行的源代码，等等。仅作为示例，可以使用来自包括C、C++、C#、Objective-C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Java®、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、Javascript®、HTML5（超文本标记语言第5次修订）、Ada、ASP（活动服务器页面）、PHP（PHP：超文本预处理器）、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Flash®、Visual Basic®、Lua、MATLAB、SIMULINK和Python®的语言的语法来编写源代码。

Claims (10)

1.一种电池系统，包括：

第一正端子、第二正端子和负端子；

开关；

至少两个电池模块，其中，所述至少两个电池模块中的每个包括三个电池单元串，电池单元串配置成在不同时间：

经由开关中的第一开关串联连接并连接到第一正端子；

经由开关中的第二开关并联连接并连接到第二正端子；以及

从第一正端子和第二正端子两者断开连接；以及

开关控制模块，所述开关控制模块配置成：

分别确定电池单元串的荷电状态（SOC）；

基于SOC使用模型预测控制来分别确定阶段的时段；

基于SOC使用模型预测控制来分别确定在所述阶段期间所述串将连接到第二正端子和负端子的时段，所述串的时段的确定包括：

将所述电池模块中的一个的串中的一个的时段设定为在阶段结束之前结束；以及

将所述电池模块中的所述一个的其它两个串的时段设定为在阶段结束时结束；以及

基于阶段的时段和电池单元串的时段来选择性地致动开关。

2.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第一个的第一时段设定为（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个。

3.根据权利要求2所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第三个的第三时段设定为：

（a）大于和（b）小于所述阶段中的第二个的第二时段中的一个；以及

（a）大于和（b）小于所述阶段中的第一个的第一时段中的一个。

4.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成：使用模型预测控制，将所述阶段中的第一个、第二个和第三个的第一时段、第二时段和第三时段设定为彼此不同的值。

5.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块进一步配置成：

将所述电池模块中的第二个的串中的第二个的时段设定为在第二阶段结束之前结束；以及

将所述电池模块中的第二个的其它两个串的时段设定为在第二阶段结束时结束。

6.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成致动开关并且：

在电池模块中的一个充电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时大于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及

将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

7.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成致动开关并且：

在电池模块中的一个放电期间基于电池模块中的所述一个的串中的一个的SOC在阶段开始时小于电池模块中的所述一个的其它串的SOC，将电池模块中的所述一个的串中的所述一个在该阶段结束之前断开连接；以及

将电池模块中的所述一个的其它串在该阶段结束时断开连接。

8.根据权利要求1所述的电池系统，其中，所述开关控制模块配置成基于最小化电池单元串的SOC之间的误差来确定阶段的时段和串的时段。

9.根据权利要求8所述的电池系统，其中，误差是电池单元串的SOC之间的平方误差。

10.根据权利要求1所述的电池系统，其中，电池单元串中的每个包括串联连接的多个电池单元。