TWI744763B - 定性和管理串聯堆疊式儲能電池的裝置和方法 - Google Patents

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Abstract

一種電化學存儲診斷系統，被配置為執行電測試以測量電池參數。該診斷系統包括電連接到電力多工器、電力轉換器電路和隔離式轉換器電路的電荷管理控制器。該電荷管理控制器程式設計成為執行下述命令：識別被測裝置以執行電測試，該被測裝置選自串聯堆疊的多個電化學電池中的至少一個。然後，通過利用電力多工器在次級儲能裝置與被測裝置之間轉移能量，以將次級儲能裝置中的電荷調節至目標電壓。之後，將電能通過電力多工器和電力轉換器電路傳輸到被測裝置，以執行電測試。最後，完成電測試。

Description

定性和管理串聯堆疊式儲能電池的裝置和方法
本發明是有關於一種用於模組或電池組中串聯連接的儲能電池的電路和管理方法。系統管理包括電池診斷、電池平衡以及電化學電池組中單個電池充電或放電的其他用途。電池定性包括通過使用電化學阻抗譜(EIS)、直流脈衝測試、混合脈衝功率定性(HPPC)或其他需要將信號注入到一個或一組電池中的測試方法來確定電池、模組和/或電池組(也稱為電化學電池、模組和/或電池組，和/或電池單元、模組和/或電池組)的直流電阻、複阻抗、容量或其他參數。
在所公開發明的實施例之前，將需要廣泛的硬體和複雜性來定性由多個串聯電池組成的系統中的各個電池以及執行快速主動平衡。先前的實施例還可能使該儲能電池處於非理想條件下。本公開的發明的實施例解決了這個問題。
本發明試圖通過提供一種實現串聯電池定性和平衡能力的系統來提供針對該問題的解決方案。為了使用常規方法和系統定性電化學電池，將擾動信號注入到被測設備(DUT)中，然後測量後續的回應信號。電池特性(例如DUT的阻抗或內阻)是從測量的回應信號得出的。本發明中的系統允許以減少複雜的擾動和測量電路的數量的方式動態地選擇串聯式能量存儲系統內的電化學儲能電池。
在一個實施例中，該系統包括電耦合至以串聯或並聯配置連接的多個電化學電池的功率多工器、功率轉換器電路、 測量電路、隔離式功率轉換器電路、二次儲能設備以及電荷管理控制器，該電荷管理控制器控制系統中的能量和功率流並管理系統的操作模式。電氣測試包括以下步驟：使用電源電路多工器選擇目標電池或多個電池中的一組電池；使用電源轉換電路注入微擾電流信號；測量回應波形電壓回應；以及通過晶片上或板外後處理中的後處理確定電池的複數阻抗。該系統可針對所有此類所需的頻率範圍、攝動電流水準或反覆運算次數迴圈遍歷這些步驟，以測量所需的阻抗譜、直流內阻或其他所需參數，並可根據需要在模組/電池組的多個電化學電池中重複。
100:多埠電源系統
102:電力轉換器電路
104:測量電路
106:隔離式電源轉換器電路
108:次級儲能裝置(SESD)
110:電力多工器
112A-E:電池
114:電荷管理控制器
116:輔助電路
200-216:步驟流程
302:dc-dc轉換器
304:電流回路
306:功率補償器
402:電流感測電路
404:DUT側濾波電容器
406:電感器
408A-B:同步開關
410:SESD側濾波電容器
502:電流感測電阻器
504:電流感測放大器電路
602:比較器
604:SR觸發器
606:柵極驅動器電路
902A-B:類比放大器電路
904A-B:高速模數轉換器(HSADC)
906:阻抗計算器
1002:延遲補償器
圖1示出了系統硬體架構的實施例；
圖2示出了用於獲取單個電化學電池的阻抗測量值以維持系統穩定性的指令的實施例。
圖3描繪了功率轉換器電路的實施例的框圖版本。
圖4描繪了功率轉換器電路的實施例，其在電流的一個方向上作為升壓轉換器，而在另一方向上作為降壓轉換器。
圖5描繪了電流感測電路的實施例。
圖6描繪了功率轉換器電路電流控制方案的實施例。
圖7示出了根據一個實施例的被測設備和功率轉換器電路的各種電流波形。
圖8示出了根據一個實施例的被測設備的交流電壓和交流電流波形。
圖9示出了使用外部電路來測量DUT電壓和DUT電流的測量電路的實施例。
圖10示出了一種測量電路的實施例，其僅測量DUT電壓並基於該實施例的電流控制方案來推斷DUT電流。
圖11示出了使用兩個EIS系統在鋰錳氧化物電池上的測量阻抗資料：參考現成的Gamry Instruments EIS分析儀以及本發明 的實施例。
圖12描繪了影響次級儲能設備電流和電壓的各種功率轉換器的框圖。
圖13示出了一種系統硬體架構的實施例，其中，電化學電池以並聯和串聯配置電連接。
圖14示出了一種系統硬體架構的實施例，其中，以串聯配置連接的一個以上電化學電池被連接至多埠電力系統的每個埠。
圖15示出了一種系統硬體架構的實施例，其中，與其他實施例不同，將測量電路連接至多個電化學電池。
為了改善系統性能、減小尺寸和降低成本，開發了用於電化學存儲應用的雙電化學電池定性系統和有源平衡系統。解決的主要挑戰是對以串聯配置連接的多個電化學電池執行電池診斷技術，例如電化學阻抗譜(EIS)、直流(dc)脈衝測試、混合脈衝電力定性(HPPC)或其他此類定性技術，其中，該串聯配置具有最小的硬體複雜性和成本，並在寬頻率範圍內向電化學電池注入精確的擾動信號。電化學電池包括但不限於各種化學性質的電池，包括鎳金屬氫化物、鉛酸、鎳鎘、鋰離子、磷酸鐵鋰、鋰硫、鋰金屬和鋰聚合物。電化學電池還可包括其他存儲技術，包括但不限於燃料電池、超級電容器以及其他此類電化學儲能裝置。跟蹤電化學電池的電池參數，例如直流內部電阻(DCIR、IR或等效串聯電阻ESR)和電池阻抗(Zcell)，可以揭示有關電池退化、老化和迴圈效應的豐富知識。提出了一種基於電力電子開關模式電源的多埠電源系統。該多埠電源系統能夠對電化學模組/電池組的串聯電池執行各種電池診斷技術以及逐電池平衡控制。各種診斷技術dc脈衝測試、EIS和HPPC是非破壞性診斷技術，涉及將電壓或電流擾動信號注入目標裝置，並分別測量所得的電流或電壓回應信號。在電化學存儲技術中，這些電池診斷技術用於定性電化學電池、評估荷電狀態(SOC)、評估電化學電池的健康 狀態(SOH)以跟蹤電池中運輸動力學的影響、評估電池的內部溫度等。除電池診斷外，該系統還可用於電化學存儲系統的主動平衡和內部電池加熱。
電化學儲能電池組通常由以並聯配置、串聯配置或並聯與串聯配置的混合組合連接在一起的多個電化學儲能電池組成，以滿足儲能系統的電壓、電力和能量要求。例如，一個特定的汽車電池組可以是96S2P配置，這意味著96個電池串聯電連接，而2個電池並聯電連接。另一個這樣的電池組可以是48S20P配置，它具有48個串聯的電池和20個並聯的電池。在具有多個電池的任何能量存儲或能量產生系統中，單個電池可以表現不同地工作。在電池組的實施例中，電池單元可以隨著老化而不同地執行，並且需要平衡電路來使弱電池與強電池之間的性能平滑。這些包括單個電池串聯電連接在一起的實施例。在具有串聯和並聯電連接的多個電池的實施例中，每個並聯組可被認為是單個“電池”，並且該系統測量多個並聯電池的參數的平均值。
線上定性技術通常用於確定電化學電池、模組或電池組的相對狀態，並且包括無源和有源技術。在無源技術中，可以不受任何干擾地監視被測裝置(DUT)。可以監視以下參數：電池電壓、電流、溫度、壓力和其他此類測量。在主動定性技術中，以某種方式將擾動應用於DUT，並測量對該DUT擾動的回應。干擾可能包括但不限於：諸如電壓或電流之類的電干擾、溫度、壓力等。使用電干擾的有源定性技術可以進一步分為直流脈衝干擾、雙向直流脈衝干擾(通常稱為混合脈衝電力定性或HPPC)以及在不斷變化的電信號注入DUT時產生的交流(ac)干擾。雙向直流脈衝干擾和HPPC將互換使用。這些主動定性技術在整個文檔中將稱為電測試。
為了執行直流脈衝電測試，將直流電流注入DUT中，並測量所得的電壓回應。直流脈衝電測試的不同實施例包括在固定的預定時間段內施加直流電流脈衝，或施加直流脈衝直至 達到預定電壓。可以使用單個直流脈衝，也可以在單個測試中使用多個脈衝。可變水準的直流電流也可以用作直流脈衝測試的一部分。與直流電流擾動有關的電壓回應特性用於評估電化學電池的性能。電化學電池電壓回應的特性可以包括但不限於初始電壓降、最終電壓降、達到最終電壓的時間以及電壓信號的曲率。
為了執行HPPC，將直流放電電流注入DUT，然後注入直流充電電流。同樣，可將直流充電電流注入DUT，然後再注入直流放電電流。HPPC的不同實施例包括在固定的預定時間段內施加每個直流電流脈衝，或施加每個直流電流脈衝直到達到預定的DUT電壓。可以使用一對雙向直流脈衝，或者可以在單個測試中使用多對雙向直流脈衝。可變水準的直流電流也可以用作HPPC的一部分。與HPPC電流干擾有關的電壓回應特性可用於評估電化學電池的性能。電化學電池電壓回應的特性可以包括但不限於充電脈衝處的初始電壓降、充電脈衝處的最終電壓降、達到最終充電電壓的時間、放電脈衝處的初始電壓降、放電脈衝處的最終電壓降、達到最終放電電壓所需的時間以及電壓信號的曲率。
為了執行交流測試，將交流擾動電流注入DUT中，並測量所得的交流電壓回應信號。可以執行頻率掃描，並且可以針對感興趣的某個頻率範圍收集諸如阻抗之類的社區特性。EIS是一種典型的敏感過程，因為它需要注入和測量小的交流信號。要執行EIS，必須滿足三個條件：線性、穩定性和因果關係。
當施加的交流幅度足夠小以近似或呈現線性電化學行為時，滿足線性條件。通常，標稱值為10mV的5mV至20mV的交流電壓幅度範圍是交流電壓信號的經驗法則範圍，只要滿足線性要求，也可以使用交流電壓信號的其他電壓幅度。這是一個挑戰，因為這意味著電子儀器必須具有非常小的電壓解析度，通常小於10mV。由於頻率範圍較寬，與典型的電池測量裝置相比，該儀器還必須具有相對較高的取樣速率，通常高於10kHz。這些要求使測量儀器昂貴。當整個電池狀態在測試的整個資料獲取期間 內沒有發生顯著變化時，滿足穩定性條件。穩定性要求減小了在可能無法控制環境的實際條件下EIS測量的視窗。當測得的交流回應直接由系統的交流擾動引起時，滿足因果條件，而外部擾動不是一個因素。對於外部擾動和雜訊可能污染測量信號的現實世界系統，這也是一個挑戰。因果關係要求還出於與穩定性要求類似的原因而減小了在現實條件下的EIS測量視窗。
在恆電位EIS系統中，交流電壓是該擾動，並且將產生的交流電流回應作為回應信號進行測量。在恆電流EIS系統中，交流電流是該擾動，並且將所得的交流電壓回應作為回應信號進行測量。電池的阻抗由歐姆定律|Z|∠Φ=V/I決定，其中Z，V和I是複數信號，而
Figure 109100197-A0202-12-0006-19
是V與I之間的相位差，以弧度或度為單位。該術語也可以以笛卡爾或矩形公式表示：
Figure 109100197-A0202-12-0006-1
交流阻抗可以以波特圖或奈奎斯特圖的形式繪製以進行分析。該交流阻抗是在一定頻率範圍內計算的，該範圍取決於頻率。在多個高容量鋰錳氧化物電池單元的實施例中，可能需要關注1mHz至5kHz之間的範圍。在使用鎳錳鈷電池單元的實施例中，在10mHz至100kHz之間的範圍可能是令人感興趣的。頻率範圍取決於確切的化學性質、電化學電池製造商、電池容量、電池結構以及所需的使用情況。對於鋰電池，Zcell通常在1Ω以下，對於低阻抗電池，Zcell可以低至數十μΩ。對於阻抗低於10mΩ的鋰電池，這意味著需要相對較大的交流電流才能產生可測量的交流電壓信號。這些參數強加了EIS系統的約束和要求。本公開的發明的實施例描述了用於阻抗測量的一般系統架構和方法，並且必須應用進一步的工程設計來針對目標應用調整該系統。
電池平衡是一種校正電池單元之間不可避免的失衡的技術。失衡可能源於多種原因。在鋰電池應用中，電池之間的製造公差、電池組兩端的溫度梯度、電池組兩端的電導率梯度 和電池組中的電纜連線以及電池組內電池之間的劣化差異都可能會導致失衡。失衡的影響可能是良性的，例如總體系統效率和總輸出的損失，但是失衡的影響也可能是災難性的，如果失衡足夠大，則會導致單個電池故障。每個系統都有不同的條件，並且該平衡系統必須為每個應用程式和系統適當考慮這些差異。
在電化學存儲系統中，失衡通常導致“強”或“弱”電池，該平衡系統必須補償電池和並聯組性能的變化。舉例來說，該平衡系統可以通過從強電池洩漏能量來“弱化”強電池，以使強電池的性能更接近弱電池。這減少了多個電池之間的失衡，但是效率不高，因為使電池的平均性能降低。作為另一示例，該平衡系統可以通過將能量泵入弱電池來“加強”弱電池，以使弱電池的性能更接近強電池。這通過提高電池的平均性能來減少多個電池之間的失衡，但是需要外部能源，這可能是不切實際的。作為另一示例，混合系統可以通過從強電池獲取能量並將多餘的能量泵送到弱電池來減弱強電池並增強弱電池。在此系統中，電池的平均性能保持不變，但是系統的失衡程度降低了。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在圖1中示出了用於包括五個串聯電池的電化學系統的多埠電源系統100的一個實施例的硬體元件，但是許多其他電池也可以工作。電池112A，112B，112C，112D和112E是多個串聯電池中的電化學電池，並且這些電池以串聯構造電連接。每個電池還可以包含並聯電連接的多個電池。舉例來說，本多埠電源系統100的一個實施例包括電力轉換器電路102、測量電路104、隔離式電源轉換器電路106、次級儲能裝置(SESD)108、電力多工器110、電荷管理控制器114和輔助電路116。電力轉換器電路102，次級儲能裝置(SESD)108和輔助電路116位於浮動的平面上，並且可以根據控制而電連接至各個電池112A，112B，112C，112D或112E。電力轉換器電路102可以通過電力多工器110 將能量注入多個串聯電池112A-E中的至少一個成員電池之中或從其中吸收能量。當電力多工器110電連接時，目標電池變成被測裝置(DUT)。次級儲能裝置108將目標電池連接至電力轉換器電路102。次級儲能裝置108在系統內提供本地能量存儲，以實現快速充電或放電，以用於定性和/或主動平衡。次級儲能裝置(SESD)108可以包括儲能裝置，例如小型輔助鋰電池、大型電容器、超級電容器或燃料電池。隔離式電源轉換器電路106通過某種形式的電流隔離將電力提供給浮動平面，並且具有初級側和次級側。隔離式電源轉換器電路106的初級側可以電連接至多個串聯電池112A-E，或者可以電連接至外部電源。隔離式電源轉換器電路106的次級側可以直接電連接至次級儲能裝置(SESD)108，或者直接電連接至電力多工器110。可以用指令對電荷管理控制器114進行程式設計，使系統以各種模式運行，以實現以下目的：有效地管理系統內的電力和能量傳輸，同時保持各種元件的安全運行限制。輔助電路116包括板載電源和其他介面電子裝置。該硬體實施例可以既充當電池定性系統又充當有源平衡系統。
在一些實施例中，電荷管理控制器114可以是處理器。合適的處理器包括但不限於微控制器(MCU)、即時操作系統(RTOS)微處理器、數位訊號處理器(DSP)、複雜可程式設計邏輯器件(CPLD)、現場可程式設計閘陣列(FPGA)、專用IC(ASIC)、其他計算裝置或它們的混合組合。在選擇嵌入式處理器或嵌入式處理器組合時，可能要考慮到處理能力和速度、信號路由約束、電力要求、電壓要求、冗余需求和成本等所有因素。舉例來說，電力轉換器控制過程可以嵌入到ASIC中，用於測量、調節和過濾測量信號的高速信號處理任務可以僅在DSP上處理，而能源管理決策可以在MCU上處理。在另一個實施例中，電力轉換器控制、高速信號處理和能量管理決策都可以在FPGA中處理。
電力多工器110包括控制系統中的傳導路徑的多個開關。電力多工器110的每種配置表示從多個電池中的一個電 池到浮動平面的連接。每個開關在不導通時都必須電氣隔離，並由命令該開關導通的“開”或“關”信號控制。該系統在多個串聯電池中選擇目標電池，並且控制信號以使電流能夠從目標電池流到電力轉換器電路102的方式進行操作。該開關必須以不會將電池112A-E中的兩個電池短路在一起或以不會引起不必要的高迴圈電流的任何配置進行控制。通常，多工器開關成對操作以使電流流至多個串聯電池中的單個目標電池，以確保安全操作。電力多工器110開關必須在選定的電池與浮動平面之間提供足夠的隔離。外部半導體電晶體網路控制著該系統的傳導路徑。傳導路徑的選擇和持續時間取決於所需的測試，並且可以由嵌入式軟體代碼控制。必須確保系統的安全運行。適當的安全保障和保護也可以併入本發明的範圍內。
通過啟用系統中的各種傳導路徑，為了安全起見，必須充分保持電力和能量流。不得違反串聯電池和SESD的電壓和電流應力，以免損害系統的安全性。這意味著實施例的某些元件必須保持彼此電隔離。電力轉換器電路102、測量電路104、次級儲能裝置(SESD)108以及電荷管理控制器114和輔助電路116的一些實施例必須與系統接地端GNDstack電隔離。舉例來說，輔助電路116可以包括用於接地電路以及用於系統中的電隔離電路的相關電源。這些隔離的電源通常會從非隔離的電源中獲取電源，並且必須在它們之間保持電氣隔離。作為另一示例，電荷管理控制器114可以由用於專用目的的幾個單獨的積體電路或微處理器組成。電荷管理控制器114的某些元件可以位於接地電路上，並且電荷管理控制器114的其他元件可以位於隔離電路上。在這些情況下，這些各種電荷管理控制器114元件之間的通信需要電隔離。電隔離電路可以包括光耦合器、隔離式電容器電路、變壓器電路或其他數位隔離技術。
多埠電力系統中的電荷的主動管理意味著必須預先確定操作所需的能量，並且必須在板上定性對測試的SESD電壓 響應。在一個實施例中，這可以通過仔細監視系統的顯著電壓並使用即時電壓測量值來指示系統的性能來實現。用於維持安全的次級儲能裝置(SESD)108操作的控制機制包括將次級儲能裝置(SESD)108的電壓保持在最小極限與最大極限之間的安全工作範圍內。SESD的更準確定性可導致對目標SESD電壓進行更具體的計算。在使用諸如鋰離子電池之類的可再充電電池作為次級儲能裝置(SESD)108的實施例中，為了安全操作，可能需要準確測量SESD電池的荷電狀態。在將電容器、超級電容器、甚至某些鋰離子電池用於次級儲能裝置(SESD)108的實施例中，目標SESD充電狀態的準確性對於系統操作可能並不那麼重要，並且將次級儲能裝置(SESD)108保持在電壓範圍內可能就足夠了。通過採用簡單的基於電壓的SESD電壓控制機制，可以顯著降低車載感測器的成本和複雜性，並顯著降低計算量。
在將超級電容器用於SESD的實施例中，電容的大小由執行電測試或執行電池之間的電荷轉移所需的能量大小決定。為了在電化學電池上執行EIS測試，EIS測試的最低頻率要求規定了最小電容，該最小電容由下式給出：
Figure 109100197-A0202-12-0010-2
其中，C是電容，Io是正弦波的峰值電流，fEIS是EIS載波頻率，VSC是超級電容器的電壓。這是從次級儲能裝置(SESD)108超級電容器以特定頻率為EIS發出半波電荷所需的電容。舉例來說，需要5Arms擾動電流和1Hz最小EIS頻率的系統將需要338mF的最小次級儲能裝置(SESD)108超級電容器尺寸，而需要5Arms擾動電流和0.1Hz最小EIS頻率的系統將需要3.38F的最小次級儲能裝置(SESD)108超級電容器的尺寸。然而，實際上，次級儲能裝置(SESD)108電容必須更大以維持最小的SESD工作電壓。實際的最小電壓限值由諸如最小SESD電壓、電池的標稱工作電壓和電子裝置額定值之類的設計參數決定。電壓 元件VSC成為次級儲能裝置(SESD)108的可用電壓範圍。在具有4.5V最小電壓的6V額定超級電容器的實施例中，超級電容器的可用電壓範圍VSC為1.5V。這樣，需要5Arms擾動電流和1Hz最小EIS頻率的系統將需要額定電壓為6V的1.06F最小次級儲能裝置(SESD)108超級電容器，而需要5Arms擾動電流和0.1Hz最小EIS頻率的系統將需要額定值為6V的10.6F最小次級儲能裝置(SESD)108超級電容器電容。
圖2描繪了一種決策樹的實施例，該決策樹用於管理系統中多個電池112A-E與次級儲能裝置(SESD)108之間的平衡能量流，以進行阻抗測量測試或進行電荷轉移操作。這些指令可以被程式設計到電荷管理控制器114中。在一個實施例中，SESD電壓確定了該系統的充電或放電能力。如果所需的電測試或平衡操作需要的能量多於或少於SESD可以安全提供的能量，則必須首先採取措施以保持SESD的安全運行。該決策樹概述了為維持適當的SESD電壓而採取步驟的實施例。首先，在步驟202中選擇用於測試的目標裝置。給定目標裝置和診斷測試，計算次級儲能裝置(SESD)108的期望電壓電平，並且在步驟204中將次級儲能裝置(SESD)108充電或放電至該期望電壓電平。在步驟204期間，系統還選擇支援裝置或系統以向次級儲能裝置(SESD)108充電/從次級儲能裝置(SESD)108放電/從次級儲能裝置(SESD)108充電/從次級儲能裝置(SESD)108釋放能量。以電池系統為例，如果需要使次級儲能裝置(SESD)108放電，系統可以在多個串聯電池中識別出較弱的電池，以將額外的能量卸載。作為用於相同電池系統的另一示例，如果需要給次級儲能裝置(SESD)108充電，則系統可以在多個串聯電池中識別出較強的電池作為支援裝置以從其提供能量。可以根據系統需求和最終應用選擇其他支援裝置。一旦次級儲能裝置(SESD)108處於期望的電壓電平，則通過電力多工器110將電力轉換器電路102連接到目標電池，這在步驟206中被突出顯示，並且該目標電池成為DUT。隨後，電 力轉換器電路102注入電測試信號，其可以是正弦波形或其他週期性波形或非週期性波形的形式，或者向DUT注入正或負電流。這在步驟208中被捕獲。一旦完成了在那個特定頻率或期望的電荷轉移量的電測試，則步驟212指示系統可以重複步驟204至步驟210，直到所有的電測試或電荷轉移完成。當電測試完成時，可以將DUT與電力多工器110斷開連接，並且該過程可以結束，如步驟212所示。在決策樹的另一實施例中，DUT可以斷在整個過程中開幾次，以實現系統電壓和電荷的適當平衡。這可能需要幾個獨立的支援裝置和電力多工器110的多個操作，以獲得所需的測試結果和總體系統平衡。
在要執行電池平衡或電池加熱的實施例中，可以改變圖2中的步驟以反映對不同目標的需求。舉例來說，對於圖1所示電化學系統的電池平衡，多個串聯電池中最強的電池為112B，多個串聯電池中最弱的電池為112D，並且所有其他電池為支援裝置112A，112C和112E。在這種情況下，步驟202將通過識別最強的電池112B和最弱的電池112D以及支援裝置112A，112C和112E的相對強度而不是識別用於電氣測試的DUT來集中在多個串聯電池單元之間的失衡狀態。步驟204可以包括計算可從最強電池112B放電的能量的量以及給最弱電池112D充電所需的能量的量，以及次級儲能裝置(SESD)108的當前荷電狀態。要求是將次級儲能裝置(SESD)108電壓保持在安全工作範圍內，同時將能量從強電池傳遞至弱電池。最強電池112B和最弱電池112B的識別可以包括簡單的電壓比較，其中，最強電池112B在多個電池中具有最高的電壓，而最弱電池112D在多個電池中具有最低的電壓，或者最強電池112B和最弱電池112D的識別可以包括基於電池的電壓和電流測量的更複雜的荷電狀態計算。電池間比較的複雜性取決於最終應用。步驟206可以包括通過電力多工器110導航至最強電池112B，而步驟208包括根據來自步驟204的決定使最強電池112B放電。在該實施例中，電流波形可以是直流信號， 或者可以是一些週期性或非週期性的交流信號。在次級儲能裝置(SESD)108達到安全操作的最大極限或最小極限的情況下，該過程繼續至步驟210，在此停止電力流，並且系統在步驟212中做出是否重複步驟202至步驟210的決定。
如果電荷平衡操作完成，則電力多工器110可以在步驟214中與最強電池112B斷開連接。如果操作尚未完成，則過程可以迴圈回到步驟202以再次計算系統的失衡狀態。在該過程的這種反覆運算中，步驟204確定是否要向多個串聯電池中的任何一個電池112A-E充電或從中放電。對於步驟206，電力多工器110隨後可以導航至最弱電池112D。然後對於步驟208，次級儲能裝置(SESD)108將放電，並將能量轉移至最弱電池112D中，直到達到預定的目標電壓或充電狀態值為止。如果在最弱電池112D達到其預定目標電壓或充電狀態值之前次級儲能裝置(SESD)108達到安全操作的最小極限，則該過程隨後再次迴圈回到步驟202以繼續平衡操作，以從最強電池112B向次級儲能裝置(SESD)108充電。重複該過程，直到最弱電池112D達到期望的電壓水準或期望的充電狀態水準為止。在該過程的每次反覆運算中，可以識別新的強電池和弱電池，並且以此方式，該平衡操作可能需要在整個過程中接入幾個成員電池112A-E。當平衡操作完成時，可以將所有電池與電力多工器110斷開連接，並且該過程可以結束，如步驟216所示。在決策樹的另一實施例中，由於故障或更高優先順序的操作，DUT可以在測試期間的任何時間斷開。在決策樹的各種實施例中，可以在整個過程中將DUT斷開幾次，以進行其他操作。這可能需要幾個獨立的支援裝置和電力多工器110的多個操作，以執行電測試並實現總體系統平衡。
在自加熱系統的實施例中，可以通過電力多工器110和電力轉換器電路102將非零電流驅動到單個成員電池112A，112B．112C，112D或112E中的任何一個中。產生和吸收非零電流所需的能量來自次級儲能裝置(SESD)108。例如，對於 電化學系統的自發熱，目標電池112C是要加熱的電池，所有其他電池都是支援裝置112A，112B，112D和112E。在這種情況下，步驟202將識別目標電池112C。步驟204可以包括：如果要使用直流電流，則計算非零電流的直流偏移電流；如果要使用交流電流，則計算非零電流的幅度和頻率；如果使用混合的直流+交流的非零電流，則計算直流偏移、幅度和頻率以及自加熱操作的持續時間。所使用的非零電流的類型取決於應用。步驟204還可以包括確定次級儲能裝置(SESD)108是否具有足夠的電荷以完成自熱測試。步驟206包括通過電力多工器110導航到目標電池112C，而步驟208包括基於步驟204的決定將非零電流驅動到電池112C中，以獲得一定的直流偏移、幅度、頻率和持續時間。如果次級儲能裝置(SESD)108達到安全操作的最大限制或最小限制，則過程繼續到步驟210，在步驟210中停止電力流，並且電荷管理控制器114在步驟212中決定是否重複步驟202至步驟210。
如果電池加熱操作完成，則電力多工器110可以在步驟214中與目標電池112C斷開連接。如果操作尚未完成，並且次級儲能裝置(SESD)108的電壓或電荷已達到極限，則電荷管理控制器114可以決定迴圈回到步驟202並進行到步驟214，首先將次級儲能裝置(SESD)108充電或放電至安全水準，隨後第二次返回步驟202並進行到步驟214以繼續進行目標電池的自加熱。重複該過程，直到自加熱目標電池112C達到所需的內部溫度為止。在該過程的每次反覆運算中，可以利用各種支援裝置來從次級儲能裝置(SESD)108獲取電能或向次級儲能裝置(SESD)108汲取電能，並且自加熱操作可能需要在整個過程中接入幾個支援裝置112A-E。當自加熱操作完成時，可以將所有電池與電力多工器110斷開連接，並且該過程可以結束，如步驟216所示。在決策樹的另一實施例中，由於故障或更高優先順序的操作，DUT可以在測試期間的任何時間斷開。在決策樹的各種實施例中，可以在整個過程中將DUT斷開幾次，以進行其他操作。這可能需要幾個 單獨的支援裝置和電力多工器110的多個操作，以完全執行自加熱操作。
圖3示出了電力轉換器電路102的實施例，其中，dc-dc轉換器302可以將電流充電或放電到目標電池中。在該實施例中，電力轉換器電路102能夠將正弦、直流脈衝或其他擾動電流注入到DUT中，以執行恆電流電化學阻抗譜(EIS)測試、DC脈衝測試、HPPC測試或其他主動特性測試。電力轉換器電路102用於在多個電池或模組中的一個或多個串聯連接的電池112A-E以及諸如電容器或超級電容器之類的電裝置或電源之間進行電力傳輸，以平衡多個串聯連接的電池。另一實施例可以包括單向電力轉換電路，其中，電流只能在一個方向上流動。單向電力轉換電路可以執行直流脈衝測試，但是在需要雙向電流流動的情況下無法執行真正的HPPC和交流信號測試。使用單向電力轉換電路，可以實現某種形式的HPPC和交流測試，其中，某些交流信號可能會疊加到直流偏置信號中，但是，這種方法會導致電池之間的電荷失配，從而使有源平衡更具挑戰性。
在一個實施例中，dc-dc轉換器302由電流回路304控制，該電流回路304從功率補償器306內的波形發生器獲取輸入。功率補償器306可以產生任何波形，無論是正弦波、方波、正弦和波、鋸齒波或其他週期性或非週期性波形，並且該信號充當功率補償器306的輸入。在某些實施例中，電力轉換器可以僅對DUT執行電測試。在另一實施例中，電力轉換器可以僅用於電力傳輸以達到平衡。在另一實施例中，電力轉換器可以同時執行電測試和平衡。
圖4示出了dc-dc轉換器302的實施例，其中，dc-dc轉換器302是開關式電源(SMPS)，並且當電流從DUT流向SESD時用作升壓轉換器。當電流從次級儲能裝置(SESD)108流向DUT時，dc-dc轉換器302用作降壓轉換器。在此系統中，SESD電壓VSESD的大小應大於DUT的電壓VDUT。裝置的方向和選擇取決 於應用。根據應用，dc-dc轉換器302可以是隔離拓撲或非隔離拓撲結構，dc-dc轉換器302可以選自電力電子拓撲集合的至少一個，包括：降壓、升壓、降壓-升壓、同相降壓-升壓、單端初級電感轉換器(SEPIC)、雙有源橋、反激、正向、Cuk、諧振轉換器或其他此類開關式電源。
在SMPS中，半導體開關以高頻率操作，並且用於在電路的電源、負載、電感性元件和電容性元件之間引導電力。控制各種開關的開關頻率fs和占空比可控制系統中的能量平衡，並可用於影響系統參數，例如輸入電流和電壓以及輸出電流和電壓。該半導體開關可以是有源開關，例如場效應電晶體(FET)、雙極結型電晶體(BJT)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)或其他此類有源半導體電晶體，或者可以是無源開關，例如二極體或其他這種無源開關式半導體器件。通常使用具有特定週期和占空比的電壓或電流門控信號來控制開關。功率補償器306在先前已知參數的開環方案中或在回饋方案中根據系統性能參數來主動調整占空比和週期，從而規定轉換器的週期和占空比。
為了在dc-dc轉換器302中實現雙向電流流動，開關必須都是電晶體。同步開關408A和408B以互補的方式導通，並且用於引導雙向電流。電感器406根據由同步開關408A和408B控制的電感器兩端的電壓來限制dc-dc轉換器302的電流，其中，電感器電流IL的變化率由下式給出：
Figure 109100197-A0202-12-0016-3
在系統中，fs是dc-dc轉換器302的開關頻率。以高頻控制同步開關408A和408B影響電感器電流IL的方向和大小。為了嚴格控制電感器電流IL和DUT電流IDUT，可以嚴格控制紋波電流。電感器紋波電流可以通過調整DUT電壓VDUT、SESD電壓VSESD、開關頻率fs或它們的混合組合來管理。
應當確定電感器406的尺寸，以將紋波電流大小減 小到小於目標EIS載波電流，同時還保持在dc-dc轉換器302功率補償器306所允許的開關頻率範圍內。電力電子開關裝置的各種實施例的典型開關頻率值，對於絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)，範圍為1kHz至100kHz，對於基於矽的電晶體為1kHz至300kHz，對於碳化矽電晶體為10kHz至1MHz，並且對於氮化鎵電晶體，為100kHz至高於1MHz。在未描述的各種其他實施例中，也可以使用其他電晶體類型。dc-dc轉換器302的另一個實施例可以是雙向的，非反相的降壓-升壓轉換器，其允許雙向電流流動並且允許在兩個方向上的升壓和降壓操作。拓撲的選擇取決於應用的需求。舉例來說，在使用標稱3.7V鋰電池作為多個電池112A-E的實施例中，其中，DUT電流為5App，矽基晶體管用於同步開關408A和408B，並且使用6V SESD，電感器406的尺寸可設為11.5μH，以維持200kHz的開關操作和1App的電感器紋波電流。應該根據應用的規範調整系統各個元素的值和大小。DUT側濾波電容器404在dc-dc轉換器302的DUT側上過濾高頻交流信號，而SESD側濾波電容器410在dc-dc轉換器302的SESD側過濾高頻交流信號。各種濾波電容器的大小取決於每個應用，並且可以根據最終應用的導電和/或輻射電磁相容性要求進行調整。
濾波電容器的典型值在1μF以下至幾個法拉範圍內，但是根據應用情況可以有所不同。在某些實施例中，可以使用印刷電路板(PCB)元件上的分立元件來構建dc-dc轉換器302。在其他實施例中，可以將dc-dc轉換器302內置到專用積體電路(ASIC)中，或者將二者結合起來，其中，同步開關408A和408B被集成到ASIC中，而電感器406處於晶片外。構建的選擇取決於應用規範。
電感器電流IL用電流感測電路402測量，其中，一個實施例可以包括電流感測電阻器502和電流感測放大器電路504，如圖5所示。電流感測放大器電路504放大電流感測電阻器502兩端的感測電壓，並具有Gcs的增益，其中，Gcs的大小取決 於應用。電流感測放大器電路504的輸出是電壓信號VIsense。在電流感測電路包括磁阻感測器的另一實施例中，磁阻感測器起到類似目的，以測量電感器電流。電流感測電路的又一實施例包括用於電流測量的霍爾效應感測器。
圖6中示出了電流回路304的實施例，其中，來自電流感測放大器電路504的VIsense信號和來自功率補償器306的參考控制信號VIctrl被回饋到比較器602中。儘管可以使用其他類比電壓產生技術，但是來自功率補償器306的信號通常呈現從數模轉換器(DAC)得到的類比電壓信號的形式。所產生的類比電壓用作檢測電流的參考，其形式為電壓信號VIsense。VIctrl信號的包絡是所需電流波形的形狀，無論所需電流信號是正弦波、方波、正弦和波、鋸齒波還是其他週期性或某些非週期性波形。比較器602的輸出被饋送至SR觸發器604的復位埠，其中，SR觸發器604的置位埠來自功率補償器306。為了整形用於電測試的電流，可以使用任何形式的電流。可以使用SMPS的電流模式控制技術，包括峰值電流模式控制、穀值電流模式控制、帶斜率補償的峰值電流模式控制、帶關斷時間發生器的峰值電流模式控制、帶斜率補償的穀值電流模式控制、帶導通時間發生器的穀值電流模式控制、磁滯電流模式控制或平均電流模式控制。每種電流控制技術都有其優點和缺點，並且有利的技術因應用而異。在單獨的實施例中，SR觸發器604的置位元信號和重定信號都可以從並行的VIsense和比較器602電路匯出。SR觸發器604的輸出Q和Q′是互補信號，其被饋送至柵極驅動器電路606中並且被轉換成驅動同步開關408A和408B的柵極信號。在某些實施例中，可以使用分立的半導體元件來構建電流回路304。在其他實施例中，電流回路304可以完全內置在嵌入式控制器內部的固件代碼中或ASIC內部，或者一些混合組合中。構建的選擇取決於應用規範。
圖7描繪了具有高頻電感器電流IL和平均電感器電流Iavg的示例正弦交流電流波形，未按比例顯示。交流載波電 流波形等效於Iavg和DUT電流IDUT，並且該電流用作電感器電流IL的載波波形。電感器電流是高頻三角電流波形，並且由同步開關408A和408B控制。參考控制信號Ictrl可以採取一些電壓或電流信號或數位表示信號的形式，由功率補償器306生成，並且控制電感器電流的形狀。DUT側濾波電容器404濾除電感器電流波形的高頻三角波，使得IDUT等於平均電感器電流Iavg。裝置電流和電壓的代表性交流波形如圖8所示。電力轉換器電路102還可以使用相同的架構和電路來產生直流脈衝電流和HPPC波形。在直流脈衝的情況下，交流載波電流波形變為直流脈衝載波波形，而Iavg變為直流脈衝。為了執行HPPC測試，交流載波電流波形變為HPPC載波電流波形。
dc-dc轉換器302還可以用於在串聯堆疊中的各個電池與次級儲能裝置(SESD)108之間穿梭能量以用於主動平衡的目的。在dc-dc轉換器302是雙向的實施例中，電化學電池可以被充電和放電。在主動平衡期間，dc-dc轉換器302和電力多工器110的行為與執行串聯電池EIS時的行為非常相似。區別在於dc-dc轉換器302的控制電流Ictrl。在諸如EIS、直流脈衝測試或HPPC之類的電測試中，Ictrl是預定義的直流或交流信號。在平衡期間，通過增強較弱的電池或減弱較強的電池，信號Ictrl可以採用週期交流信號、直流信號或直流與交流信號的混合組合的形式，以減少多個電化學電池之間的差異。另外，在電測試期間，測量電路104是可操作的，而在平衡操作期間，測量電路104可能不處於操作中。在這兩種情況下，電力從DUT傳輸至SESD或從SESD傳輸至DUT。電荷管理控制器114確定是以電測試模式還是以平衡模式執行操作。
測量電路104在定性測試操作期間測量或估計瞬態或週期性電壓信號以及瞬態或週期性電流信號。EIS測試期間測量電路的一個實施例如圖9所示，其中，類比放大器電路902A調節測得的交流電池電壓信號，類比放大器電路902B調節測得的交 流電池電流信號，高速模數轉換器(HSADC)904A和904B分別以高取樣速率將時間序列模擬交流電壓和交流電流資料數位化，並且阻抗計算器906執行計算以確定所測量的交流電壓和交流電流信號的幅度和相位，並確定阻抗的幅度和相位。舉例來說，在需要高達10kHz EIS頻率和每秒20個樣本的時間解析度的實施例中，高速模數轉換器(HSADC)904A-B必須具有每個ADC通道每秒200k樣本的最小採樣頻率。為了在數位域中測量至少20個離散點的10mV峰峰值交流電壓信號，高速模數轉換器(HSADC)904A必須具有500μV的電壓解析度。上述值是如何計算給定系統參數對高速模數轉換器(HSADC)904A-B要求的示例，高速模數轉換器(HSADC)904A-B的實際取樣速率和解析度取決於最終應用中某些交流阻抗的期望精度。
類比放大器電路902A-B可以是許多類比放大器類型之一或組合，包括但不限於濾波器組的至少一個成員，該濾波器組包括：單位增益緩衝器、反相放大器、同相放大器、差分，儀錶和差動放大器。這些類比放大器電路902A-B可以是直流耦合或交流耦合的。這些類比放大器電路902A-B中的每一個都可以基於運算放大器部件及其諸如電阻器和電容器之類的無源濾波器元件的選擇，調整為特定的增益和頻寬。選擇這些電阻器和電容器可過濾掉信號中的有害雜訊，對直通信號施加增益，並在輸入信號與高速模數轉換器(HSADC)904A-B的輸出之間創建一個緩衝器。
舉例來說，圖10示出了用於恆電流系統的測量電路104的實施例，其利用功率補償器306中的電流參考信號Ictrl來消除對圖9的類比放大器電路902B和高速模數轉換器(HSADC)904B的需要。降低了系統的硬體複雜度，從而降低了成本。延遲補償器1002將針對Ictrl與實際EIS電流之間的延遲進行調整，並考慮與諸如DAC和比較器電路回應時間之類的元件相關的延遲以及由於電路板中的傳輸線引起的延遲。可以完全使用分立的IC、 類比濾波器元件和嵌入式控制器來構建圖9和圖10所示的實施例的各種元素，可以將它們完全集成到ASIC中，或者採用兩者的某種組合。在另一實施例中，可以使用模擬方法來計算阻抗相位和幅度，這放棄了對高速模數轉換器(HSADC)904A-904B的需要，但是需要經過特殊調諧的類比電路，以能夠在各種頻率範圍內檢測相位和幅度。
阻抗計算器906可以是類比或數位實現的，並且通常是多級過程。該濾波器也可以是多級濾波、頻率、幅度和相位檢測塊。濾波器級可以包括但不限於依賴於頻率的濾波器，比如低通、高通、巴特沃斯、陷波或帶通濾波器，以及/或者非線性濾波器，比如最大或最小濾波器。頻率、幅度和相位檢測可以通過多種方式實現，包括時域技術，該時域技術包括但不限於斜率檢測、峰值檢測、互相關檢測或零交叉檢測；以及頻域技術，該頻域技術包括但不限於音高檢測演算法和快速傅立葉轉換方法。圖9和圖10顯示了阻抗計算器906的數字表示。
圖11以奈奎斯特圖的形式顯示了在使用兩個不同EIS系統的汽車鋰錳氧化物電池單元的實施例中測得的阻抗資料：參考現成的Gamry Instruments EIS分析儀、Interface 5000E和本發明的實施例。Gamry介面5000E用作參考測量，以比較整個頻譜中阻抗測量的準確性。在0.5Hz至200Hz的臨界頻率範圍內，兩個系統彼此之間的誤差在+/- 100μΩ之內，這顯示出重要的電極老化和電池的電荷轉移動力學。阻抗測量結果的比較顯示了不同系統之間的緊密一致性，並驗證了本發明實施例的準確性。於本實施例中，該醫師診間智慧輔助診斷系統更包括一生理監測單元，係用以即時取得該病患生理資訊。
隔離式電源轉換器電路106、電力轉換器電路102和電力多工器110全部用於在各種串聯堆疊的電池112A-E與次級儲能裝置(SESD)108之間創建交流電流路徑，如圖12所示。創建交流電流路徑的目的在於提高電池之間電力流動的靈活性。除 了執行電氣EIS測試外，這還具有許多功能，包括但不限於平衡、自熱和執行其他此類診斷測試。在一個實施例中，隔離式電源轉換器電路106還可以用於向次級儲能裝置(SESD)108提供額外的電荷。隔離式電源轉換器電路106是開關模式電源dc-dc轉換器302，並且在初級側與次級側之間提供電隔離。在一個實施例中，初級側可以是串聯堆疊的多個電化學電池，並且次級側可以連接至次級儲能裝置(SESD)108。隔離式電源轉換器電路106使用串聯堆疊的多個電化學電池作為電源，並將多個電化學電池作為一組進行充電或放電。流經dc-dc轉換器302，次級儲能裝置(SESD)108和隔離式電源轉換器電路106的各種電流受以下因素控制：
-I DUT =-η302．I' DUT =I IPC +I SESD
其中，η302表示dc-dc轉換器302的效率，I'DUT表示代表dc-dc轉換器302的SESD側的電流，IIPC表示隔離式電源轉換器電路106的次級側電流，而ISESD表示次級儲能裝置(SESD)108電流。流入和流出次級儲能裝置(SESD)108的電流量會影響其電壓，因此次級儲能裝置(SESD)108的電壓會受到dc-dc轉換器302和隔離式電源轉換器電路106的工作電流的影響。通過這種方式，控制系統中的各種SMPS的電流直接影響次級儲能裝置(SESD)108的工作電壓。電荷管理控制器114考慮到了這些計算。
在另一實施例中，初級側可以是串聯連接的電池，並且次級側可以連接在電力轉換器電路102的DUT側。在又一實施例中，初級側可以電連接至外部電源以作為系統的電源。根據應用，隔離式電源轉換器電路106可以是單向或雙向的。雙向的隔離式電源轉換器電路106將使得能夠在兩個方向上傳遞電電力流，以例如使次級儲能裝置(SESD)108充電或放電。單向的隔離式電源轉換器電路106只能將電電力傳輸到次級儲能裝置(SESD)108中，或將電電力從次級儲能裝置(SESD)108傳輸出去，但在同一應用中不能同時進行。儘管雙向轉換器在設計中 提供了更大的靈活性，但通常更昂貴。在需要低成本並且不需要電力流的應用中，單向的隔離式電源轉換器電路106將是優選的。如上所述，可以提供其他配置。
電動汽車和固定存儲中的大型電池單元通常具有許多並聯和串聯配置的電池。例如，日產LEAF是96S2P配置，意味著96個串聯電池和2個並聯電池。特斯拉Model S是9674P，具有96個串聯的電池和74個並聯的電池。這表明在多種可能的實施例中存在多電源系統。在圖13中示出了多埠電力系統的實施例，其中多個並聯的單電池組112A-E串聯電連接以構成電池模組中的多個電池。在該模組/電池組配置中，以並聯配置電連接的多個電化學電池被視為單個電池，並連接到電力多工器110中的單個電池抽頭。如圖14所示，其中可以在電力多工器的每個抽頭上連接多個串聯連接的電池。電力多工器110在單個電池抽頭下連接電池112A和112B，使得這些串聯連接的電池被測量為單個電池。圖15示出了多埠電力系統的又一個實施例，其中，測量電路104與電力多工器110、電力轉換電路102、次級儲能裝置(SESD)108和隔離式電源轉換器電路106分開地電連接至多個電池112A-F中的每一個。
雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
100:多埠電源系統
102:電力轉換器電路
104:測量電路
106:隔離式電源轉換器電路
108:次級儲能裝置(SESD)
110:電力多工器
112A-E:電池
114:電荷管理控制器
116:輔助電路

Claims (19)

  1. 一種電化學存儲診斷系統，被配置為在一被測裝置中執行一電測試，該電化學存儲診斷系統包括：一電力多工器，電連接至多個電化學電池；一電力轉換器電路，電連接至該電力多工器；一隔離式電源轉換器電路，具有初級側和次級側；該初級側電連接至初級組構件；該次級側電連接至次級組構件；一測量電路，電連接至一測量組構件；一次級儲能裝置，電連接至一電路設置構件；以及一電荷管理控制器，電連接至該電力多工器、該電力轉換器電路和該隔離式電源轉換器電路；其中，該電荷管理控制器被程式設計為執行以下指令；進行該電測試；通過利用該電力多工器在該次級儲能裝置與該被測裝置之間轉移能量，以將該次級儲能裝置中的電荷調節至該目標電壓；通過該電力多工器和該電力轉換器電路將電能傳輸至被測裝置，以進行電測試；以及完成該電測試。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該初級設置構件是初級組中的至少一個構件，該初級設組包括：外部電源和該多個電化學電池；其中，該次級組構件是次級組的至少一個構件，該次級組包括：該電力轉換器電路和該電力多工器；其中，該測量組構件是測量組的至少一個構件，該測量組包括：該電力轉換器電路和該多個電化學電池；其中，該電路組構件是電路組中的至少一個構件，該電路組包括：該電力轉換器電路和該隔離式電源轉換器電路；以及其中，該支援裝置是該多個電化學電池中的至少一個。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電化學存儲診斷系統，其中，通過利用該電力多工器在該次級儲能裝置與該被測裝置之間轉移能量，以將該次級儲能裝置中的電荷調節至該目標電壓，還包 括：通過將選自串聯的多個電化學電池中至少一個的支援裝置的能量轉移至電源組構件，將該次級儲能裝置充電至期望的電壓或充電狀態，其中，該電源組構件選自由多個串聯的電化學電池和外部電源組成的電源的至少一個構件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該電測試還包括：通過該電力轉換器電路將電壓或電流波形注入該被測裝置；通過該測量電路測量該被測裝置的電壓響應和電流回應。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的電化學存儲診斷系統，其中，通過利用該電力多工器在該次級儲能裝置與該被測裝置之間轉移能量，以將該次級儲能裝置中的電荷調節至該目標電壓，還包括：通過將該能量從該次級儲能裝置轉移至該支援裝置，將該次級儲能裝置放電至所需的電壓水準，從而將其放電至選自包括多個電化學電池的電池組的至少一個構件的電力組構件以及該外部電源。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該電測試還包括：通過該電力轉換器電路將電壓或電流波形注入該被測裝置；通過該測量電路測量該被測裝置的電壓響應和電流回應。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該測量電路還包括以下電路，用於：在該電測試期間測量或估計該被測裝置的電壓；在該電測試期間測量或估計該被測裝置的電流；從測得的電壓信號或估計的電壓信號計算隨時間變化的電壓降；根據測得的電壓或估計的電壓和電流信號計算該被測裝置的直流內部電阻；以及 根據測得的電壓或估計的電壓和電流信號計算該被測裝置的交流阻抗。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該測量電路還包括以下電路，用於：使用參考控制信號估計該被測裝置的電流或電壓，其中，該參考控制信號用於在該電測試期間控制該電力轉換器電路。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該被測裝置是選自該多個電化學電池中的至少一個電化學電池。
  10. 如申請專利範圍第2項所述的電化學存儲診斷系統，其中，該多個電化學電池佈置在佈置組的一個構件中，該佈置組包括：串聯佈置、並聯佈置以及串聯佈置與並聯佈置的組合。
  11. 一種多埠電力傳輸電路，配置成完成從包括下述各項的操作集合中選擇的電力傳輸操作，該操作集合包括執行電池單元平衡和通過目標裝置中的電荷調整執行電力傳輸，該多埠電力傳輸電路包括：一電力多工器，電連接至串聯堆疊的多個電化學電池；一電力轉換器，電連接至該電力多工器；一隔離式電源轉換器電路，具有初級側和次級側；該初級側電連接至外部電源或多個電化學電池；該次級側電連接至電力轉換器電路或該電力多工器；一次級儲能裝置，電連接至該電力轉換器電路和/或該隔離式電源轉換器電路；一電荷管理控制器，電連接至該電力多工器、該電力轉換器電路和該隔離式電源轉換器電路；其中，該電荷管理控制器被程式設計為執行以下指令：通過在該次級儲能裝置或串聯的該多個電化學電池與從串聯的該多個電化學電池的至少一個中選擇的支援裝置之間轉移能量，來將該次級儲能裝置中的電荷調節至目標電壓；從該次級儲能裝置、該串聯堆疊的電化學電池或該外部電源 向該目標裝置傳輸電能；以及當目標裝置電壓或充電狀態達到所需水準時，完成該電荷調整。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的多埠電力傳輸電路，其中，通過該電力多工器在該次級儲能裝置與至少一個電池之間轉移能量，以將該次級儲能裝置中的電荷調節為該目標電壓，還包括：通過從串聯的該多個電化學電池中的至少一個傳遞電力來將該次級儲能裝置充電到期望的電壓水準或期望的充電狀態水準。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的多埠電力傳輸電路，其中，通過該電力多工器在該次級儲能裝置與至少一個電池之間轉移能量，以將該次級儲能裝置中的電荷調節為該目標電壓，還包括：通過將電力傳遞至串聯的該多個電化學電池中的至少一個，來將該次級儲能裝置放電至期望的電壓水準或期望的充電狀態水準。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的多埠電力傳輸電路，其中，調節該目標裝置中的電荷，包括：通過該電力多工器和該電力轉換器電路，利用來自該次級儲能裝置的能量給該目標裝置充電；通過該電力多工器和該隔離式電源轉換器電路，利用來自該多個電化學電池的能量為該目標裝置充電；通過該電源多工器和該隔離式電源轉換器電路，利用來自該外部電源的能量為該目標裝置充電；以及通過該電力多工器、該電力轉換器電路和該隔離式電源轉換器電路的電力組合，利用來自該次級儲能裝置、作為一組的該多個電化學電池或該外部電源的能量為該目標裝置充電。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的多埠電力傳輸電路，其中，調整該目標裝置中的電荷，包括：通過該電力多工器和該電力轉換器電路，從該目標裝置放電 到該次級儲能裝置中；通過該電力多工器和該隔離式電源轉換器電路，從該目標裝置放電到該多個電化學電池中；通過該電力多工器和該隔離式電源轉換器電路，從該目標裝置放電到該外部電源中；以及通過包括該電力多工器、該電力轉換器電路和該隔離式電源轉換器電路的第二組合中的至少一個構件，從該目標裝置放電到包括該次級儲能裝置，該多個電化學電池和該外部電源的第二組合組的至少一個構件。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的多埠電力傳輸電路，其中，該目標裝置是選自該多個電化學電池中的至少一個電池。
  17. 一種電荷管理控制器元件，配置成維持多個電化學儲能裝置的安全操作，該電荷管理控制器元件還包括：一電力多工器，電連接至串聯堆疊的多個電化學電池；一電力轉換器電路，電連接至該電力多工器和測量電路；一隔離式電源轉換器電路，具有初級側和次級側；該初級側電連接至外部電源或多個串聯電池；該次級側電連接至該電力轉換器電路或該電力多工器；一次級儲能裝置，電連接至該電力轉換器電路和/或該隔離式電源轉換器電路；以及一電荷管理控制器，電連接至該電力多工器、該電力轉換器電路和該隔離式電源轉換器電路，其中，該電荷管理控制器被程式設計為執行以下指令：在電測試期間維持所有電化學電池和該多個電化學儲能裝置安全運行；以及在平衡操作期間維持所有電化學電池和該多個電化學儲能裝置的安全運行。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的電荷管理控制器元件，其中，在該電測試期間維持安全操作，還包括： 在整個該電測試期間至少維持一個系統參數；其中，該至少一個系統參數選自由以下組成的參數組：次級儲能裝置電壓、低於預定最大電壓極限的充電狀態以及最大充電狀態極限；在整個該電測試期間至少維持一個附加系統參數；其中，該至少一個附加系統參數選自附加參數組，該附加參數組包括：整個該電測試期間的次級儲能裝置電壓、高於預定義的最小電壓限值的充電狀態以及預定義的最小充電狀態限值；通過在次級儲能裝置和支撐裝置之間轉移能量來通過電力多工器調節次級儲能裝置中的電荷，該支撐裝置選自多個串聯的電化學電池中的至少一個；以及通過在次級儲能裝置與目標集的一個成員之間轉移能量，通過隔離的電力轉換器電路來調節次級儲能裝置中的電荷，該目標集的成員由多個電化學電池(統稱為次級儲能裝置)和外部電源。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的電荷管理控制器元件，其中在該平衡操作期間維持安全操作還包括：在整個平衡操作過程中，至少要保證一個系統參數的安全；其中，該至少一個系統參數選自由以下組成的參數組：次級儲能裝置電壓，低於預定最大電壓極限的充電狀態和最大充電狀態極限；在整個平衡操作中保持至少一個附加的系統參數；其中，至少一個附加系統參數選自附加參數組，該附加參數組包括：次級儲能裝置電壓，整個電氣系統中高於預定義的最小電壓限值的充電狀態和預定義的最小充電狀態限值測試；通過在次級儲能裝置和支撐裝置之間轉移能量來通過電力多工器調節次級儲能裝置中的電荷，該支撐裝置選自多個串聯的電化學電池中的至少一個；和通過在次級儲能裝置與一組中的多個電化學電池之間和/或在次級儲能裝置與外部電源之間傳遞能量，通過隔離的電力轉 換器電路來調節次級儲能裝置中的電荷。
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