CN102209646A - 包含混合电化学的电池、模块和组件的控制 - Google Patents

包含混合电化学的电池、模块和组件的控制 Download PDF

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Abstract

一种用于混合能量设备的功率管理装置，包含：混合能量设备，所述混合能量设备包含多个单元。所述单元包含电能存储和/或收集电池，所述单元串联或并联形成模块。多个所述模块串联或并联形成组件。所述功率管理装置还包含集中管理装置(CMA)和多个模块管理装置(MMA)，所述集中管理装置通过有线或无线连接将多个MMA互联。每个MMA通过无线或有线通信电路与多个单元管理装置互联。功率管理装置还包含多个单元管理装置(UMA)，每个单元管理装置与单元有线连接，或放置在单元上。此外，功率管理装置包含用于CMA、多个MMA、多个UMA的充电电池电源。

Description

包含混合电化学的电池、模块和组件的控制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年11月7日提交的名称为“包含混合电化学的电池、模块和组件的控制”的美国临时专利申请No.61/112,716的优先权，通过引用将其内容全部包含于此以用于所有目的。
发明内容
根据本发明，提供了涉及能量设备的控制***的技术。更具体地，本发明的实施例涉及用于控制混合能量设备的方法和***。本文描述的方法和***还可应用于多种能量***。
根据本发明的实施例，提供了用于混合能量设备的功率管理装置。所述功率管理装置包含由多个单元构成的混合能量设备。所述单元包含电能存储和/或收集电池，其串联或并联形成模块。此外，将多个模块以串联或并联设置，以形成组件。所述功率管理装置还包含集中管理装置(central management apparatus，CMA)，其通过有线或无线连接将多个模块管理装置(module management apparatus，MMA)互联。所述集中管理装置包含：微型计算机；负责将充电电流分配到每个所述模块的功率模块；跨接在模块管理装置和CMA的端子之间的功率调节电路，用于提供所关联组件的模块的调节过的操作电压；监控每个模块的多个状态参数的多个测量电路；以及当启动后能够在所关联模块周围分流电荷(shunt charge)的旁通电路。功率管理装置还包含多个模块管理装置(MMA)。每个模块管理装置通过无线或有线通信电路与多个单元管理装置互联。所述模块管理装置包含：计算机；负责将充电电流分配到每个所述单元的功率模块；负责对所关联模块的操作电压进行调节的跨接在MMA和CMA之间的两个端子之间的功率调节电路；在单元管理装置的端子之间跨接的功率调节电路，用于提供同一模块内的单元的调节过的操作电压；监控每个单元的多个状态参数的多个测量电路；以及当启动后能够在所关联单元的周围分流电荷的旁通电路。
所述功率管理装置另外包含多个单元管理装置(units management apparatus，UMA)。每个单元管理装置与单元有线连接，或放置在单元上。所述单元管理装置包含：微型计算机；监控多个状态参数的测量电路；以及跨接到MMA中的一个与UMA之间的两个端子上的功率调节电路，负责调节所关联单元的操作电压。此外，功率管理装置包含用于集中管理装置、多个模块管理装置和多个单元管理装置的可充电电池电源。
通过本发明实现了与常规技术相比的多个益处。例如，本发明的实施例提供了用于控制混合能量设备的方法。根据所述实施例，可以实现这些益处中的一个或多个。在整个本说明书中和以下更具体的部分将更详细地描述这些和其它益处。
本发明的这些和其它目的和优点以及实现它们的方式对本领域技术人员将变得明显，并且通过参考结合附图阅读的以下详细说明，本发明本身将被更好地理解。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的用于混合能量设备的功率管理***的功能/目的简化视图；
图2是根据本发明的实施例的用于混合能量设备的功率管理装置的简化示意图；
图3是根据本发明的实施例的用于混合能量设备的控制方案的简化设定；
图4是根据本发明的实施例的用于包含一个模块的混合能量设备的控制方案的简化设定；
图5是根据本发明的实施例的用于包含集中管理装置的混合能量设备的功率管理装置的元件的简化视图；
图6是根据本发明的实施例的用于包含模块管理装置的混合能量设备的功率管理装置的元件的简化视图；
图6A是根据本发明的实施例的用于包含单元管理装置的混合能量设备的功率管理装置的元件的简化视图；
图7是示出根据本发明的实施例的用于包含集中管理方法的混合能量设备的功率管理方法的步骤的简化图；
图8是示出根据本发明的实施例的用于包含单元管理方法的混合能量设备的功率管理方法的步骤的简化图；
图9是示出根据本发明的实施例的用于包含单元管理方法的混合能量设备的功率管理方法的步骤的简化图。
具体实施方式
例1
用于混合能量设备的控制方案
本例子演示了用于混合能量设备的控制方案(图3中的20)的设定，其中所述混合能量设备包含并联连接的LixMn2O4/LiPON/Li(图3中的21)和LixFePO4/LiPON/Li(图3中的22)电池，并且对于LixMn2O4，x在0到2之间，对于LixFePO4，x在0到1之间。单元管理装置芯片#1(图3中的6)和#2(图3中的15)放置在LixMn2O4/LiPON/Li(图3中的21)和LixFePO4/LiPON/Li(图3中的22)电池上。因为LiMn2O4/LiPON/Li(图3中的21)和LixFePO4/LiPON/Li(图3中的22)电池的电压和电流性能特征不同，因此单元管理装置#1和#2相应地具有用于这两个电池的不同的控制信号。例如，两个电池的开路电势不同：x从0.2开始时，LixMn2O4(相对于Li)是4.2V，x从0.2开始时，LixFePO4(相对于Li)是3.5V。此外，x从0.2增加到2时，LixMn2O4(相对于Li)的开路电势在4.2V、3.9V和2.95V存在三个平稳时期，但是对于LixFePO4(相对于Li)，它仅仅在3.5V存在一个平稳时期。因此在可以被并联设定之前，需要将LixMn2O4/LiPON/Li放电到3.5V。在0.2≤x≤1时的LixMn2O4/LiPON/Li的较高电压会对LixFePO4/LiPON/Li电池非常有害。
例2
用于混合能量设备的控制方案
本例子演示了用于混合能量设备的控制方案(图4中的100)的设定，其中所述混合能量设备包含一个模块。所述模块包含n个单元(如图4中所示的101到104)。每个单元可以包含锂离子电池、NiMH电池、燃料电池、电容、或那些不同的能量存储/转换设备的组合。每个单元具有放置在其上或与其连接的一个管理装置。为了说明目的，可以假设单元#1(图4中的101)是LixFePO4/LiPON/Li电池，单元#2(图4中的102)是电容，单元#3(图4中的103)是燃料电池。在此例子中，单元#1和单元#2并联，单元#3与单元#2串联。因此，模块管理装置(图4中的109)必须向单元管理装置#1和#2(分别为图4中的105和106)发送信号，以便总是提高或降低单元#1电池(图4中的101)和单元#2电容(图4中的102)的电压，以使两个器件的电压相等。否则，所述电容和LixFePO4/LiPON/Li可以根据两个器件的电势互相充电或放电。为了延长混合能量设备(图4中的100)的寿命，模块管理装置必须监控状态参数，诸如电量、电压、和温度等状态。此外，必须确定如何将放电或充电电流分配到每个单元，从而使全部能量存储/转换设备具有最优性能。为此，需要对于每个设备的多目标功能的优化技术。因为这三个能量存储/转换设备不同，每个设备的目标功能会不同。由于是多目标功能，可能不仅仅有一个优化操作条件，而是一组。因此，需要测试所有可能的条件，以达到所谓的帕累托优化条件。例如，对于LixFePO4/LiPON/Li，单元#1(图4中的101)，电量状态和电量状态的变化都很重要。然而，燃料消耗、电流变化和效率对于燃料电池，单元#3(图4中的103)是重要的。充电的库仑和效率对于电容，单元#2(图4中的102)是重要的。因此，总的来说，必须创立为该混合能量设备设定的目标功能。为此，将采用改进的多目标优化方案，以确定每个单元的优化操作条件。可以采用每个设备的其它限制和可操作范围，以帮助确定可能的优化条件。
应当理解本文描述的例子和实施例仅仅用于说明目的，其各种改进或变化将启发本领域技术人员，并且将被包含在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。

Claims (29)

1.一种用于混合能量设备的功率管理装置，包含：
混合能量设备，所述混合能量设备包含多个单元；其中，所述单元包含电能存储和/或收集电池，所述单元串联或并联形成模块；此外，多个所述模块串联或并联形成组件；
集中管理装置(CMA)，所述集中管理装置通过有线或无线连接将多个模块管理装置(MMA)互联；所述集中管理装置包含：微型计算机；负责将充电电流分配到每个所述模块的功率模块；跨接在模块管理装置的端子和CMA的端子之间的功率调节电路，用于提供所关联组件的模块的调节过的操作电压；监控每个模块的多个状态参数的多个测量电路；以及当启动后能够在所关联模块周围分流电荷的旁通电路；
多个模块管理装置(MMA)，其中，每个模块管理装置通过无线或有线通信电路与多个单元管理装置互联，所述模块管理装置包含：计算机；负责将充电电流分配到每个所述单元的功率模块；负责对所关联模块的操作电压进行调节的跨接在MMA和CMA之间的两个端子之间的功率调节电路；在单元管理装置的端子之间跨接的功率调节电路，用于提供同一模块内的单元的调节过的操作电压；监控每个单元的多个状态参数的多个测量电路；以及当启动后在所关联单元周围分流电荷的旁通电路；
多个单元管理装置(UMA)，其中，每个单元管理装置与单元有线连接，或放置在单元上，所述单元管理装置包含：微型计算机；监控多个状态参数的测量电路；跨接到MMA中的一个与UMA之间的两个端子上的功率调节电路，负责调节所关联单元的操作电压；
可充电电池电源，所述可充电电池电源用于集中管理装置、多个模块管理装置和多个单元管理装置。
2.根据权利要求1所述的能量存储电池，包含但是不限于可充电电化学电池和/或一次电化学电池的任何组合。
3.根据权利要求2所述的可充电电化学电池，包含但是不限于锂离子电池、镍金属氢化物电池、镍镉电池、铅酸电池、镍锌电池以及锂硫电池。
4.根据权利要求2所述的一次电化学电池，包含但是不限于锌碳电池、镁和铝电池、碱性二氧化锰电池、氧化银电池、锌空气电池、锂电池和碱性电池。
5.根据权利要求1所述的能量收集电池，包含但是不限于燃料电池、电容和太阳能电池的任何组合。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，包含但是不限于聚合物交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池和直接甲醇燃料电池。
7.根据权利要求5所述的太阳能电池，包含但是不限于非晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。
8.根据权利要求5所述的电容电池，包含但是不限于电介质隔片、固体电介质、电解电容和超级电容。
9.一种用于混合能量设备的功率管理方法，包含：
集中管理方法(CMM)，包含：通过有线或无线连接与每个单独的模块通信的步骤，调节在连接的模块之间的电压的步骤，监控每个模块的一个或多个第一状态参数的步骤，估计在第一和第二预定时间的每个模块的一个或多个第一和第二状态参数的步骤，确定所关联模块的一个或多个第一状态参数的操作条件的步骤，所述所关联模块具有混合能量设备的最优的第二状态参数，当启动后能够在所关联模块的周围分流电荷的步骤，在根据权利要求1所述的连接的各MMA之间通信的步骤，当所述混合能量设备空闲时监控模块的一个或多个第一状态参数的步骤，和当所述混合能量设备空闲时调节连接的模块的步骤；
多个模块管理方法(MMM)，其中，每个模块管理方法包含：通过有线或无线电路与根据权利要求1所述的每个连接的UMA和CMA通信的步骤，调节在连接的单元之间的电压的步骤，监控每个单元的一个或多个第一状态参数的步骤，估计在第一和第二预定时间的一个或多个第一状态参数的步骤，确定所关联单元的一个或多个第一状态参数的操作条件的步骤，所述所关联单元具有所述模块的最优的第二状态参数，当启动后能够在所关联单元周围分流电荷的步骤，当所关联模块是空闲模式时监控单元的一个或多个第一状态参数的步骤，以及当所关联模块是空闲模式时调节连接的单元的步骤；
多个单元管理方法(UMM)，其中每个单元管理方法包含：通过与单元有线连接或放置在单元上，在根据权利要求1的UMA和MMA之间以及在根据权利要求1的两个UMA之间通信的步骤，改变所连接单元的操作电压的步骤，监控多个第一状态参数中的一个或多个的步骤，估计在第一和第二预定时间的一个或多个第一状态参数的步骤，和基于查询所述第一状态参数的列表数据计算第二状态参数的步骤；
负责调节根据权利要求1的电池电源的能量以获得最大操作时间段的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一状态参数包含但是不限于电量状态(SOC)、温度、电压、电阻以及放电或充电电流。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二状态参数包含但是不限于寿命、安全性/机械特性/运力学特性、热学性质、离子浓度、电压曲线、***程度、在各种放电率或放电曲线下的可达容量的程度、***感应应力、体积变化、容量损失、效率以及功率状况。
12.用于根据权利要求1的CMA、MMA、和UMA中的任何一个的微型计算机，包含：中央处理单元(CPU)；负责从连接的端子接收/向连接的端子发送管理命令的输入/输出端子；用于串联旁通模块/单元的输入和输出电路；在存储***中存储的计算机程序，用于通过查询和推算模块/单元的根据权利要求10的所述第一状态参数的存储的数据表，或通过基于用于所述电池的数学模型的物理学，或通过数学模型计算，来计算根据权利要求11的所述第二状态参数；计算机程序，所述计算机程序负责估计在下个预定时间的所述第一状态参数；用于计算每个模块/单元的所述操作条件的计算机算法；存储所述状态变量和处理过的数据的存储器；以及使所述模块中并联的电池之间不匹配的电池电压平衡的电容。
13.根据权利要求1的CMA、MMA和UMA的测量电路，包含：测量电和热力学状态变量的多个计量电路，以及隔离每个模块/单元以避免模块和单元发生连接效应来实现高精度的多个电路。
14.当两个或多个连接的模块串联时，采用根据权利要求9的CMM调节在连接的模块之间的电压的步骤，其中，所述步骤包含使高电压模块放电或使低电压模块充电。
15.根据权利要求1的功率管理***，其中，CMA、MMA和UMA包含用于启动下次采样的计数电路。
16.根据权利要求9所述的单元管理方法，其中，用于估计所述单元在第一和第二预定时间的一个或多个第一状态参数和一个或多个第二状态参数的步骤包含：(我们的计算机模拟步骤)
一段或多段计算机代码，用于处理与三维电化学***有关的信息，所述三维电化学***包含阳极、阴极、隔离器、电解质以及集电极，所述信息在第一预定时间从所述测量电路以及从所述数学模型获得；
一段或多段计算机代码，用于处理与三维燃料电池有关的信息，所述三维燃料电池包含一个或多个电极、电解质以及催化剂，所述信息在第一预定时间从所述测量电路以及从所述数学模型获得；
一段或多段计算机代码，用于处理与三维太阳能电池有关的信息，所述三维太阳能电池包含负端子、n-型半导体层、p-n结、p-型半导体层以及正端子，所述信息在第一预定时间从所述测量电路以及从所述数学模型获得；
一段或多段计算机代码，用于处理与三维电容有关的信息，所述三维电容包含两个电极以及介电层，所述信息在第一预定时间从所述测量电路以及从所述数学模型获得；
一段或多段计算机代码，用于输出计算机生成的参考一个或多个第二材料特征的一个或多个第一材料特征之间的关系，用于设计三维的所述电化学电池、所述燃料电池、所述太阳能电池或所述电容电池中的三维空间元件的选定的材料组；
一段或多段代码，用于为所述选定的材料组选择一个或多个第一材料特征或第二材料特征；
一段或多段代码，用于执行处理所述一个或多个第一材料特征或第二材料特征的建模程序，以提供在第二预定时间的具有三维几何形状的三维的所述电化学电池、所述燃料电池、所述太阳能电池或所述电容电池；以及
一段或多段代码，用于处理一个或多个选定的第一或第二材料特征，以确定所述一个或多个第一或第二材料特征是否在根据权利要求11所述的第二状态参数的一个或多个可操作范围内。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述一个或多个第一材料特征包含电气特性、热学性质、机械特性、输运特性、或动力学特性。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述一个或多个第二材料特征包含粒子大小、粒子间隔、容积率、密度、阴极/阳极/隔离器/集电极/电解质的组成、阴极/阳极/隔离器/集电极/电解质的尺寸、电解质/阳极或电解质/阴极的界面的相互作用、阴极/阳极/隔离器/电解质的形状、以及材料的类型。
19.根据权利要求16所述的建模程序，包含但是不限于3D有限元模型、1D有限元模型、1D有限差分模型、等效电路模型、与演化模型耦合的电池模型、或查询数据表。
20.根据权利要求16所述的选择的材料组，包含：用于根据权利要求3、4、6、7和8所述的阳极/阴极/隔离器/电解质/集电极/介电材料/p-型材料/n-型材料/p-n结/催化剂的组成材料。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，能够采用3D有限元模型或1D有限元模型，还包含：
用于网格程序的一段或多段代码；以及
用于设定一个或多个边界条件的一段或多段代码。
22.根据权利要求19所述的查询数据表，其中，所述表在根据权利要求1所述的装置外部以任何所述电池模型构建，并且所述表被输入到所述UMA的数据存储设备中，所述表包含一个或多个第一状态参数和一个或多个第二状态参数的历史表。
23.根据权利要求9所述的模块管理方法，其中，在第一和第二预定时间估计所述模块的一个或多个第二状态参数的步骤包含：
一段或多段计算机代码，用于处理在第一预定时间从权利要求16获得的和从根据权利要求1所述的测量电路获得的多个单元的信息，其中，所述模块包含串联或并联的多个电化学电池、太阳能电池、燃料电池和电容电池；
一段或多段计算机代码，用于输出计算机生成的所述模块的参考一个或多个第二状态参数的一个或多个第一状态参数之间的关系；
一段或多段代码，用于执行处理所述一个或多个第一状态参数或第二状态参数的建模程序，以提供在第二预定时间的包含多个串联或并联的电化学电池、太阳能电池、燃料电池和电容电池的三维模块；以及
一段或多段代码，用于处理多个单元的一个或多个选定的第一或第二状态参数，以确定在第二预定时间所述模块的所述一个或多个第一或第二状态参数是否在根据权利要求11所述的第二状态参数的一个或多个可操作范围内。
24.根据权利要求23所述的建模程序，包含但是不限于1D有限差分模型、等效电路模型、或与演化模型耦合的模块模型。
25.根据权利要求9所述的集中管理方法，其中，估计在第一和第二预定时间所述组件的一个或多个第二状态参数的步骤包含：
一段或多段计算机代码，用于处理在第一预定时间从权利要求23获得的和从根据权利要求1所述的测量电路获得的多个模块的信息，其中，所述组件包含串联或并联的多个模块；
一段或多段计算机代码，用于输出计算机生成的所述组件的参考一个或多个第二状态参数的一个或多个第一状态参数之间的关系；
一段或多段代码，用于执行处理所述一个或多个第一状态参数或第二状态参数的建模程序，以提供在第二预定时间的包含多个串联或并联模块的组件；以及
一段或多段代码，用于处理多个模块的所述一个或多个选择的第一或第二状态参数，以确定在第二预定时间所述组件的所述一个或多个第一或第二状态参数是否在根据权利要求11所述的第二状态参数的一个或多个可操作范围内。
26.根据权利要求25所述的建模程序，包含但是不限于1D有限差分模型、等效电路模型或与演化模型耦合的组件模型。
27.根据权利要求9所述的集中管理方法，其中，确定每个模块的操作条件的步骤包含：
一段或多段计算机代码，用于处理在所述第一和第二预定时间之间与从外部负荷转换的所需的功耗有关的外部信息；
一段或多段计算机代码，用于产生在第一和第二预定时间之间所述组件中每个模块的一个或多个第一状态参数的可操作范围；
一段或多段计算机代码，用于确定在第一和第二预定时间之间多个采样时间；
一段或多段计算机代码，用于分别确定多个根据权利要求10和11所述的第一和第二状态参数中的一个或多个，所述第一和第二状态参数中的一个或多个基于多个在第一预定时刻估计的每个模块的第一状态参数中的一个或多个在多个采样时刻被估计得到；
一段或多段计算机代码，用于在不同的采样时间基于演化的多目标优化方案建立目标功能；
一段或多段代码，用于选择一个或多个第一状态参数，直到一个或多个所述第一状态参数达到以下为每个模块列出的至少一项标准：最小化所述目标功能，达到每个模块的一个或多个第一状态参数的所述可操作范围的标准，达到每个模块的一个或多个第二状态参数的期望值；以及
一段或多段代码，用于将选定的一个或多个所述第一状态参数赋予所述组件中的每个模块。
28.根据权利要求9所述的模块管理方法，其中，确定每个单元的操作条件的步骤包含：
一段或多段计算机代码，用于处理与通过根据权利要求27所述的步骤为特定模块选定的一个或多个第一状态参数有关的信息；
一段或多段计算机代码，用于如权利要求27所述产生在第一和第二预定时间之间的特定模块中的每个单元的一个或多个第一状态参数的可操作范围；
一段或多段计算机代码，用于确定在第一和第二预定时间之间的多个采样时间；
一段或多段计算机代码，用于分别确定多个根据权利要求10和11所述的第一和第二状态参数中的一个或多个，在多个采样时刻的所述第一和第二状态参数中的一个或多个是基于估计的多个在第一预定时刻的每个模块的第一状态参数中的一个或多个被估计得到；
一段或多段计算机代码，用于在不同的采样时间基于演化的多目标优化方案建立目标功能；
一段或多段代码，用于选择一个或多个第一状态参数，直到一个或多个所述第一状态参数达到以下为每个单元列出的至少一个标准：最小化所述目标功能，达到每个单元的一个或多个第一状态参数的所述可操作范围的标准，达到每个单元的一个或多个第二状态参数的期望值；以及
一段或多段代码，用于将选定的一个或多个所述第一状态参数赋予所述模块中的每个单元。
29.根据权利要求27和28所述的演化的多目标优化方案，包含但是不限于聚集函数、向量估计的遗传算法、多目标的遗传算法、非支配排序遗传算法、小生境遗传算法、目标向量方法、Pareto存档演化策略、强度Pareto演化算法或微遗传算法。
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