CN108432083A - 用于平衡个体电储能单元的方法、***和设备 - Google Patents

用于平衡个体电储能单元的方法、***和设备 Download PDF

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Abstract

描述了使得储能***的个体单元电压被监视的方法和***。测得的单元电压可被报告回中央控制器。基于诸如该***的总体健康等参数，该控制器可被适配成决定要平衡哪些单元、在哪一方向上平衡以及可任选地平衡达多久。平衡可由单元监视和平衡装置来执行，这可以用硬件，即作为一个或多个电路来实现。来自控制器的决定信息可作为命令被报告给单元监视和平衡装置。单元监视和平衡装置可以执行该命令，例如不管连接到它的单元的电压或SoC如何。

Description

用于平衡个体电储能单元的方法、***和设备
本公开涉及用于平衡例如电储能***中的个体电储能单元的方法、***和/或设备。
背景技术
电储能***包括诸如静电(电容器)单元或(例如，电池中的)电化学单元等单元。优选地，这些单元是可再充电的。在此类***中，对该***进行充电或放电通常在这些单元中的任一者充满或排空时结束。一些***的确允许对一些单元过充电，但这不是优选的，因为过充电可能损坏单元或降低它们的寿命，并且在铅酸电池的情况下导致生成作为易燃气的氢。因此，为了使***容量最大化，所有单元中的电荷应当被平衡。
各单元中的充电水平可通过单元电压、单元的充电状态[％]和/或放电深度来表征。为了确定这一点，可以采集个体单元电压测量，其可被原样使用，或者可通过将测得值与电流测量相组合以及应用现有技术已知的SoC估计技术来转换成SoC(充电状态)。
在各单元串联连接时，它们看到相等的电流。各单元从不确切地相等并且相等性的缺失可随年限而增加。在最小单元限制充电和放电两者的情况下，这样的串的容量是最大的。因而，每一单元中的充电水平在有必要确信如此时必须被监视和校正。各单元中充电水平的偏差可通过自放电、小绝缘故障、各体连接的组件中的容限而发生。
不对各单元进行平衡可导致各单元被过充电或过放电。在各单元接近它们的电压限制或SoC限制时对它们进行平衡不保证电压限制被遵守，因为平衡电流通常比充电或放电电流小一些量级。
平衡常规上在单元级执行：电压被测量并且在它超过特定阈值时采取动作，例如对个体单元的放电。在电压返回阈值时，该动作停止。在一些情形中，在各单元被充电或放电到相等电压时，平衡是电平衡电路固有的。在其他情形中，各单元可在遵照电压阈值操作的控制器的控制下被充电或放电。在其他情形中，例如，硬件只允许放电到恒定电压。
发明内容
根据本发明的各实施例，提出了使得储能***的个体单元电压被监视的方法、设备和***。测得的单元电压可被报告回中央控制器。基于诸如该***的总体健康等参数，该控制器可被适配成决定要平衡哪些单元、在哪个方向上平衡以及可任选地平衡达多久。平衡可由单元监视和平衡装置来执行，这可以用硬件，即作为一个或多个电路来实现。来自控制器的决定信息可作为命令被报告给单元监视和平衡装置。单元监视和平衡装置可以执行该命令，例如不管连接到它的单元的电压或SoC如何。合适的单元监视和平衡电路(即，用于连接到各单元的硬件)在WO 2011/036147 A2中描述，它通过援引整体纳入于此。
相应地，本发明可提供一种确定***的总体健康的方法步骤和装置。例如，控制器可被适配成通过一个或多个单元的容量来确定健康。
本发明可以提供一种用于决定要平衡哪些单元(例如，针对充电和放电或例如针对电池或电容器单元)的方法步骤和装置。
本发明可以提供一种决定在平衡期间要施加哪个方向(即充电或放电)的方法步骤和装置。这可被适配用于电池或电容器单元。
本发明可以提供一种决定平衡(例如，充电或放电)要执行达多久的方法步骤和装置。
本发明可以提供一种执行平衡的方法步骤和装置，其可通过单元监视来执行，由此平衡装置是用硬件来实现的，即实现为一个或多个电路，例如实现平衡的开关。
本发明可以提供一种将来自控制器的决定信息作为命令报告给单元监视和平衡装置的方法步骤和装置。
本发明可以提供一种提供可例如不管连接到它的单元的电压或SoC如何来执行此类命令的单元监视和平衡的方法步骤和装置。
本发明的各实施例的优点是以下各项中的一者或多者或全部：
●单元平衡可以在任何时间执行。平衡不限于正处于特定状况(例如，近乎满电荷)的单元。因而，平衡时间被延长且平衡功率可被降低。这导致空间和成本节省。
●各单元不关于个体性能被平衡，而是关于最佳***性能来平衡，从而造成较高储能容量。
●各单元上的过压被阻止，因为中央控制器可以基于最高个体电压来计算最大***电压。最大***电压被传达给充电电路。欠压保护按相似方式起作用。这一保护方法允许消除安全边际，从而增加***的实际储存容量。
●单元平衡可甚至在不使用平衡充电器的情况下执行。这在充电由可再生能源或制动能量来执行的情况下尤其有用。
●中央控制器可将单元容量中的差异以及内部电阻纳入考虑，从而作出对电压或SoC的更准确预测。这一信息被用来更好地控制***的块充电和放电，以使得每个个体单元保持在其安全工作区域内。
●负载的控制(例如，放电或充电)避免在各单元未被平衡时损坏它们。负载(例如，充电或放电)可以在监视个体单元电压或电荷状态的情况下完成，但仅仅是总体电池电压或电荷状态。
●电容器的电池的安全工作区域(电压/电荷……)可基于所有单元状态(例如，电压或电荷状态)来确定。
在第一方面，本发明涉及一种用于串联耦合的多个可再充电储能设备或单元的电荷平衡的***，所述***包括：多个平衡单元，每个平衡单元被指派给可再充电储能设备或单元中的一者；诸如AC信号发生器之类的用于将AC信号提供给多个平衡单元的充电设备，每个平衡单元对它们指派的可再充电储能设备或单元上的电荷进行平衡，由此，单元的平衡独立于***作为整体是正通过负载放电或正在充电还是空闲来执行。
通过独立于***作为整体正在通过负载放电或正在充电还是空闲来作出平衡决定并确定平衡时间，意味着各单元的健康可被优化。
可任选地，AC信号发生器与多个平衡单元中的每个平衡单元者之间可存在电容性或电感性耦合以用于共模抑制。一个或多个AC发生器可被指派给多个平衡单元。
在根据本发明的各实施例的***中，特定平衡单元(此后称为第一平衡单元)包括用于传递电荷的多个开关，第一平衡单元一方面传递来自充电设备(诸如AC信号发生器)或者来自指派给另一平衡单元的储能设备或单元的电荷以用于对指派给第一平衡单元的储能设备或单元进行充电，且另一方面用于将电荷传递给充电设备(诸如AC信号发生器)或指派给另一平衡单元的储能设备或单元以用于对指派给第一平衡单元的储能设备或单元进行放电。
在本发明的特定实施例中，每个平衡单元提供有多个开关，如以上针对第一平衡单元所描述的。用于传递来自或去往充电设备(诸如AC信号发生器)的电荷或者来自或去往指派给平衡单元的储能设备或单元的电荷的多个开关可包括或者可以是有源开关。
根据本发明的各实施例的***还可包括包含用于将可再充电储能设备的瞬时电参数(诸如，电压、电荷、电荷状态、健康状态)与对应的参考参数或阈值作比较的比较器。电压可由微控制器测量且可以或传递给主控制器以用于与参考参数值作比较，或者可以在本地与预定阈值作比较。其他参数可通过计算来导出。
电参数可以是导出值，诸如储能设备中的电荷量或者储能设备中剩余的电荷量或者储能设备的SoC。
在特定实施例中，平衡单元确切地包括两个开关。这些平衡单元可包括用于控制开关的控制器，或者控制器可被提供用于各平衡单元的模块。控制器可被适配成基于比较器所生成的信号来控制开关。
根据本发明的各实施例的***还可包括主控制器，即并非平衡单元本地的控制器，以用于控制可再充电储能设备中的哪一些储能设备需要被平衡。主控制器随后可被适配成用于确定每个个体平衡单元的参考参数。
在此类实施例中，平衡***还可包括用于平衡单元的本地控制器与主控制器之间、或者模块控制器与主控制器之间、例如优选地在每个平衡单元的本地控制器与主控制器之间的通信的数据总线。根据本发明的各实施例，控制器或主控制器优选地被适配成保护可再充电储能设备或单元免于过压和/或欠压。这可例如针对具有储能***的车辆在电制动期间获得，其中来自制动的能量被用于对储能设备或单元充电。
根据本发明的各实施例的***可包括多个平衡电路共用的单个充电设备，诸如单个AC信号发生器。
根据本发明的第一方面的各实施例的***可被包括在可再充电储能***中。
在第二方面，本发明提供了一种可再充电储能***，包括串联耦合的一串可再充电储能设备以及用于根据本发明的第一方面的各实施例来平衡可再充电储能设备上的电荷的***。在第三方面，本发明涉及一种在串联耦合的多个可再充电储能设备或单元上对可再充电储能设备进行电荷平衡的方法，该可再充电储能设备或单元具有两个端子，所述方法包括：测量储能设备或单元的瞬时参数，该参数是从储能设备或单元放电的电荷量或者储能设备或单元中剩余的电荷量或者导出值(诸如储能设备或单元的SoC)，将测得的参数与预定参数值作比较；以及取决于比较结果，通过独立于***作为整体正放电到负载或者正在充电还是空闲来致动开关，将电荷传递给或传递离开储能设备或单元。
传递电荷可任选地包括将AC信号提供给耦合至可再充电储能设备或单元的平衡单元，该平衡单元取决于比较结果将或不将AC信号施加到可再充电储能设备或单元；传递电荷包括通过电容性或电感性耦合进行共模抑制。
考虑电容器单元：
每个可再充电储能设备或单元具有最大安全电压Vmax，且第n单元的实际测得电压是Vn并且Qn由式(1)给出：
(Vmax–Vn)*Cn＝Qn (1)
其中
Vmax＝最大允许单元电压
Vn＝单元n的电压[V]
Cn＝单元n的电容[F]
Qn＝可被接受的电荷[C]
由此，Qn的值与可被该单元接受以使其达到最大电荷和电压的电荷相关。
具有最低Q值的电压是被放电的。
因此，选择具有最低Q值的单元，这是找出要平衡哪些单元的步骤和用于执行找出操作的装置。
各公式中的任一者中的值Cn与单元的健康相关，因此确定Cn是确定单元的健康的步骤以及通过用于确定健康的装置。
该单元将独立于储能设备正在放电到负载或者正在充电还是空闲来被放电。
Q’是能量单元中剩余的电荷量，Vmin是完全使用放电的最低允许电压状态，且Qn由式(2)给出：
(Vn–Vmin)*Cn＝Q’n (2)
具有最低Q’值的单元将独立于储能设备正在放电到负载或者正在充电还是空闲来被充电。因此，选择具有最低Q’值的单元，这是找出要平衡哪些单元的步骤和用于执行找出操作的装置。
在Vn接近Vmax时可对式(1)求值，或者在Vn接近Vmin时可对式(2)求值。
作为又一步骤，可根据式(3)来计算阈值Vt。
Vt＝Vmax–k*t–S (3)
其中
k＝以V/s表达的衰变常数(例如，0,01V/秒)
t＝自最后求值以来逝去的时间。
S＝安全边际，用于避免不想要的行为，例如紧接着开始之后或单元替换之后，以及
如果Vn超过Vt，则式(1)被求值，t被复位成0且作出平衡决定。
作为又一步骤，可根据式(4)来计算阈值V’t。
V’t＝Vmin+k*t+S (4)
其中
k＝以V/s表达的衰变常数(例如，0,01V/秒)
t＝自最后求值以来逝去的时间。
S＝安全边际，用于避免不想要的行为，例如紧接着开始之后或单元替换之后，以及
如果Vn低于V’t，则式(2)被求值，t被复位成0且作出平衡决定。
考虑电池单元：
另选地，Qn或Q’n可分别通过式(1’)和(2’)来计算：
(1-SoC)*Cn＝Qn (1’)
(SoC)*Cn＝Q’n (2’)
平衡可逐单元地开始达预设时间，如式(5)中所定义的：
tbalance＝Qn/Ibalance或者tbalance＝Q’n/Ibalance (5)
其中tbalance是设定用于平衡的时间，以及
Ibalance是所使用的平衡电流。
这公开了确定平衡应当进行多久(例如，针对电池单元)的装置和方法步骤。
电池单元的单元平衡：
(1-SoC)*Cn＝Qn (1’)
(SoC)*Cn＝Q’n (2’)
其中Cn是以C或As为单位的单元容量。
上述用于电容器的平衡方法可被应用于电池，由此SoC可被用于计算Qn或Q’n，这被用于决定平衡，如上所述。
优选地，在考虑单元的容量的情况下达到最佳***性能。
又一步骤可以是通过对照个体单元电压的上限或下限来检查这些个体单元电压并在电压超出限定时中断充电或放电，来向块负载或充电器传达何时结束充电和/或放电。
又一步骤可以是在去往/来自储存设备的电流被中断时，电压将突变，由此避免振荡行为，在缺少单元电压测量的情况下，将***电压与限定值作比较。
对于电容器单元***，限定值可被如下计算：
如果个体单元容量是未知的，则认为它们是相等的
Vupperlimit＝Vsystem+N*(Vmax–Vn) (6)
其中
Vmax＝单元电压的上限
Vn＝最高个体单元电压
如果个体单元容量是已知的则：
使用(1)，计算Qn，保留最低值：Ql
Vupperlimit＝Σn＝1..N(Vn+Ql/Cn) (7)
对于电池单元***，限定值被如下计算：
如果个体单元容量是未知的，则可认为它们是相等的(作为第一近似)且可以使用式(8)。如果SoC与单元电压之间的关系是未知的，则式可以使用(8)。
Vupperlimit＝Vsystem+N*(Vmax–Vn) (8)
如果个体单元容量是已知的且SoC与单元电压之间的关系是已知的，例如作为确定SoC的算法的一部分则：使用(1’)，计算Qn，保留最低值：Ql
对于每个单元，在增加Q1时计算预期电压：
Vnf＝lookup_EMF(SoC+Ql/Cn)
Vupperlimit＝Σn＝1..NVnf
函数lookup_EMF允许基于单元电压的SoC来确定单元电压。关系一般作为电池单元的数据单的一部分来提供并且有时被称为“电压对SoC”曲线。
本发明的各实施例的优点是它们提供一种电荷平衡设备或方法，这可被用于储能设备或单元的甚至更大串联连接的改善平衡。本发明的各实施例的优点是仅少数单元(其中储能设备具有与平均单元电压偏离的电压)需要被服务。本发明的各实施例的优点是具有低电压的单元电压可独立于***中其他单元中发生的事情被增加且具有高电压的单元电压可被降低。本发明的各实施例的优点是所有单元可朝该串单元的任何平均单元电压被充电或放电。本发明的各实施例的优点是它们提供一种电荷平衡设备或方法，由此一旦达到针对各单元之一的最大电压电平，充电不必停止。本发明的各实施例的优点是多个单元可被同时服务用于电荷平衡，且一些单元可被充电并且同时一些被放电。本发明的各实施例的优点是通过与充电器或负载通信，各单元可被保护免于过压和欠压。
在又一方面，本发明提供了电储能***中的个体电储能单元的平衡，包括：
串联连接的个体电储能单元，
用于测量个体单元的与单元健康、电荷或电荷状态相关的电参数的装置，控制器，
用于向控制器报告测得的参数值的装置，
该控制器被适配成决定一个或多个个体单元是否要被平衡以及在哪个方向上被平衡，该决定基于所测得的参数，
平衡单元，该平衡单元连接到被测单元且被适配成从控制器接收平衡命令并独立于储能***作为整体是被充电或放电还是空闲执行连接到它的单元的单元平衡。
单元平衡可根据以下中的任一者来执行：
(i)在任何时间，或者
(ii)平衡不被限于所平衡的单元处于特定状况电荷状态，或者
(iii)不考虑个体性能，或者
(iv)关于造成较高储能容量的最佳***性能，或者
(v)通过控制器被适配成分别基于最高或最低个体单元电压来计算最大***或最小***电压以防止各单元上的过压或欠压，或者
(vi)不使用平衡充电器，或者
(vii)控制器在对电压或SoC的预测中将单元容量的差异和内部电阻纳入考虑，或者
(viii)达设定的时间段。
可提供第一平衡单元，它包括用于传递电荷的多个开关，第一平衡单元独立于储能***作为整体正被充电或放电还是空闲，一方面传递来自充电设备或者来自指派给另一平衡单元的储能单元的电荷以用于对指派给第一平衡单元的储能单元进行充电，且另一方面用于将电荷传递到储能设备或指派给另一平衡单元的储能单元以用于对指派给第一平衡单元的储能单元进行放电。
可以提供比较器以用于将储能单元的测得电参数与对应的参考参数或阈值作比较。该电参数可以是导出值，诸如储能单元中的电荷量或者储能设备中剩余的电荷量或者储能设备的SoC。
控制器可被适配成基于比较器所生成的信号来控制开关。控制器可被适配成保护可再充电储能设备免于过压和/或欠压。
在另一方面，提供了一种用于平衡电储能***中的个体电储能单元的方法，该***包括：串联连接的个体储能单元，该方法包括：
测量个体单元的与单元健康、电荷或电荷状态相关的电参数，
决定一个或多个个体单元是否要被平衡以及在哪个方向上被平衡，该决定基于所测得的参数值，以及
独立于储能***作为整体是被充电或放电还是空闲来执行一个或多个单元的单元平衡。
单元平衡可根据以下中的任一者来执行：
(i)在任何时间，或者
(ii)平衡不被限于所平衡的单元处于特定状况电荷状态。(iii)不考虑个体性能，或者
(iv)关于造成较高储能容量的最佳***性能，
(v)通过所述控制器被适配成分别基于最高或最低个体单元电压来计算最大***或最小***电压以防止各单元上的过压或欠压，或者
(vi)不使用平衡充电器，或者
(vii)所述控制器在对电压或SoC预测中将单元容量的差异和内部电阻纳入考虑，或者
(viii)达设定的时间段。
所述方法可包括独立于所述储能***作为整体正被充电或放电还是空闲，一方面传递来自充电设备或者来自指派给另一平衡单元的储能单元的电荷以用于对指派给所述第一平衡单元的储能单元进行充电，且另一方面用于将电荷传递到所述充电设备或指派给另一平衡单元的储能单元以用于对指派给所述第一平衡单元的储能单元进行放电。
该方法可包括将储能单元的测得的电参数与对应的参考参数或阈值作比较。
电参数可以是导出值，诸如储能单元中的电荷量或者储能单元中剩余的电荷量或者储能单元的SoC。
该方法可包括基于比较器所生成的信号来控制开关。又一步骤可以是保护可再充电储能单元免于过压和/或欠压。
本发明的又一方面是一种计算机程序产品，它可被存储在非瞬态信号存储装置上，诸如光盘(CD-ROM或DVD-ROM)、磁盘、磁带、固态存储器(诸如闪存)。计算机程序产品包括软件，所述软件在处理引擎(诸如微处理器或FPGA)上执行时实现本发明的方法中的任一者。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的平衡***的电路图。
图2是图1的电路图的细节。
图3是根据本发明的另一实施例的平衡***的电路图。
图4是根据本发明的一实施例的控制电路的示图。
图5示出了根据本发明的各实施例的在平衡期间的用于垂直轴的电压、电荷或SoC以及沿水平轴的时间的图表。
优选实施例的描述
虽然将关于具体实施例并参考特定附图描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求来限定。所示附图只是示意性而非限制性的。
此外，在说明书中且在权利要求中的术语第一、第二、第三等等用于在类似的元件之间进行区分，并且不一定用于描述顺序次序或时间先后次序。各术语在适当情形下是可互换的，且本发明的各实施例可以按与本文描述或解说的顺序不同的顺序来操作。
此外，在说明书中且在权利要求中的术语顶部、底部、上、下等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。如此使用的各术语在适当情形下是可互换的，且在此描述的本发明的各实施例可以按与本文描述或解说的取向不同的其他取向来操作。权利要求中所使用的术语“包括“不应被解释为限于此后列出的手段；它不排除其他元件或步骤。它应当被解释为指定存在所声明的特征、整数、如所称谓的步骤或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或者它们的组。因此，措词一种“包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味相对于本发明而言，该设备的唯一相关的组件是A和B。类似地，要注意，也在说明书或权利要求书中使用的术语“耦合”不应被解释为仅限于直接连接。因而，表述“设备A耦合至设备B”不应被限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或***。它意味着A的输出与B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其他设备或装置的路径。
对软件的引用可涵盖以能由处理器直接或间接执行的任何语言编写的任何类型的程序。
对逻辑、硬件、处理器、或电路***的引用可涵盖任何种类的逻辑或模拟电路***，可以集成到任何程度，且不限于通用处理器、数字信号处理器、ASIC、FPGA、分立组件或晶体管逻辑门等。
本申请涉及所有形式的电容器或电池单元。某些电池模型使用电容器作为主储存元件。然而，这可能在其中需要精确度(近乎充满，近乎空)的工作区方面是不精确的。
电容器单元的容量能以法拉(等效于安培秒/伏(或即As/V)或库伦/伏(或即，C/V))来表达。
电池单元的容量以安培时(等于3600As或3600库伦或3600C)来表达。然而，在SI单元中，电池容量必须以As或库伦C来表达。这允许使用简单公式，因为不需要转换因子。
第一实施例
根据本发明的第一实施例，一种***和方法以及各组件部分被提供用于平衡例如串联耦合的多个可再充电储能设备上的电荷。
电池(或储存)管理涉及两个要求：
确定总体***的用于接收或递送能量的能力，并将这一点传达给负载/充电器。
按***的总体性能被最大化且个体单元被保护免于滥用的方式来管理(平衡)个体单元。
图1解说了根据本发明的实施例的可再充电储能***10。由该储存***10执行的方法在第三实施例中定义。中央控制器20和控制器18协作以执行这一方法。
可再充电储能***10包括多个储能设备12(也称为单元)的串联串11。储能设备12是可再充电的。每一个储能设备12可以包括单个储能电元或多个储能单元的并联连接(未解说)。串联连接在一起的可再充电储能设备12形成电池、电池组或电池堆。根据本发明的各实施例，可再充电储能设备12可以是任何类型的可再充电储能设备。然而，本发明的设备和方法有利地与超电容器连用，且尤其与锂电容器或锂电池连用。根据本发明的特定实施例，储能设备12可以是超电容器，也被称为超级电容器或者电双层电容器(EDLC)。这些是静电电容器，当与普通电容器相比时，其具有不同寻常的高能量密度；通常在比高容量电解电容器大几千倍的数量级上。典型的电容值的范围可以从几法拉到几千法拉。在替换实施例中，可再充电储能设备12可以是锂电容器或电池，例如高能量密度电池，诸如举例而言锂或锂离子(锂离子蓄电池)电池。锂电容器与电池相比具有低能量密度，并且极易受过压和欠压电压条件两者的损害，从而需要通过充电和通过放电两者来进行精确平衡。同样可以使用其他种类的可再充电储能设备。优选的应用是在能量平滑和即时负载设备的领域中，与平均额定功率相比，其需要非常高的瞬时功率。
根据本发明的各实施例，每个可再充电储能设备12具有有限的工作电压，例如，在2和4V之间。为了获得例如几十到几百伏甚至更多的有用工作电压，例如，用作车辆应用中的能量源，多个且有时是大量的可再充电储能设备12需要被串联耦合。串或者串联耦合中的储能设备12之间的微小差异可造成单元电压中的不平衡，这可极大地降低该串的电荷容量。
为了减轻这一点，根据本发明的各实施例的可再充电储能***10还包括用于在多个可再充电储能设备12上平衡电荷的***13。
用于平衡电荷的***13包括用于对多个可再充电储能设备12中的一者或多者进行充电或放电的AC信号发生器14。此外，***13包括多个平衡单元15。每个平衡单元15被指派给可再充电储能设备12之一。为了最佳性能，每个可再充电储能设备12被指派了平衡单元15。
向串11中的每个储能设备12提供第一端子16(它是其正端子)和第二端子17(它是其负端子)。储能设备12耦合在串11中，使得第一储能设备12的正端子16耦合至第二储能设备的负端子17，以此类推。该串中的头一个储能设备12的负端子17以及该串中的最后一个储能设备12的正端子16是从外部可接入的。
根据本发明的各实施例的平衡单元15在图2中以放大的格式来示意性地解说。它具有第一数据输入端口S+和第二数据输入端口S-。储能设备12的第一和第二端子16、17连接至指派给该储能设备12的平衡单元15的第一和第二数据输入端口S+、S-，以使得储能设备12的正端子16连接至第一数据输入端口S+且储能设备12的负端子17连接至第二数据输入端口S-。平衡单元15被适配成用于测量相关联的储能设备12的瞬时电参数，例如，跨两个数据输入端口S+和S-的电压。为了获得该电压，平衡单元15被提供有合适的测量电路***。在本发明的一实施例中，这一测量电路***是存在于平衡单元15中的本地微控制器18的模数转换器21的模拟输入。根据测得的电压，电荷值可如下所述地计算。或者，要被测量的瞬时电参数可以是电流。根据测得的电流，电荷值可如下所述地计算。
根据本发明的各实施例的平衡模块15进一步包括用于接收输入信号的输入端子P。这一输入端子通过第一开关SW1和第二开关SW2分别电连接至第一和第二数据输入端口S+和S-。输入信号是从AC信号发生器14接收的。平衡单元15被适配成因变于输入端子P处的电压电平来致动第一和第二开关SW1、SW2。开关SW1、SW2的这一致动由控制器18来控制。控制器18可以与主控制器20协作地工作。控制功能可被集中在一个控制器中，或者可以分布在两个或更多个层级上。图1示出了2层控制器，但可以使用更多层。
这一控制器或这些控制器的配置和操作与本发明的各实施例相关。
开关SW1和SW2可由任何合适的实现来实现。开关SW1和SW2可以是有源开关。有源开关的示例可以是TRIAC或晶体管，诸如双极晶体管、MOSFET。取决于充电、放电或留置储能设备不变，开关SW1和SW2确定通过储能设备的电流的方向。在开关SW1和SW2是有源开关的情形中，它们可以根据AC信号发生器14的周期来被控制。作为示例，它们可能必须在50μs期间打开、在50μs期间闭合，等等。这使得通过有源开关的控制电流是灵活的。
在本发明的替换实施例中，开关SW1、SW2可以是无源开关，例如由二极管D1、D2实现的，如图3中解说的。借助于图3中的晶体管T来解说的又一开关(它可以由任何合适的设备来实现)可被提供，以根据充电、放电或留置储能设备不变的指令来改变通过二极管的电流的方向。这公开了用于控制平衡(包括充电或放电)的方法和硬件。这一又一开关的控制不复杂，因为不需要根据AC信号发生器14的二等分周期来控制该又一开关，但仍然具有相同的灵活性。该又一开关(在解说为晶体管T的情形中)一旦充电开始就被接通，且在充电停止(平衡)时被阻塞(切断)。这可例如是一小时后的事情。
根据本发明的各实施例的平衡单元15至少执行以下功能：
测量瞬时参数，例如跨相关联的储能设备12的数据输入端口S+、S-的电压，以及
根据在输入端子P处从AC信号发生器14接收到的电压电平来致动开关SW1、SW2。
致动开关SW1、SW2以便执行第三实施例的方法。
根据本发明的各实施例，用于平衡的***13的所有平衡单元15耦合至AC信号发生器14。该AC信号发生器14可以是块波发生器、正弦信号源、锯齿发生器或任何其他类型的AC信号发生器。在AC信号发生器14是高频信号发生器的情况下是有利的，因为这减小了组件大小。正弦信号发生器是更高效的，具有低峰值电流，因此具有低热量生成，并且基本上不会存在任何开关损耗。然而，块波发生器比正弦信号发生器更易于实现。AC信号发生器14可以从外部电源(未解说)(例如，充电器)或者从储能设备12的串联串11供电。AC信号发生器14可以由主控制器20控制。平衡***13具有单个AC信号发生器14是有利的。这一实施例不同于任何现有技术解决方案，例如现有技术中每个平衡单元中都需要AC信号发生器。
根据本发明的各实施例，提供了多个AC信号发生器(未解说)，且多个平衡单元被编组成各个编组，一个编组的各平衡单元耦合至AC信号发生器之一。同样在这一情形中，可以说用于平衡的***包括单个AC信号发生器，该信号发生器和耦合到该信号发生器的平衡单元编组形成用于平衡的***。在平衡单元中不需要信号发生器。有利地，同步相移信号可被用于降低信号发生器和/或控制器的本地电源中的纹波。
根据本发明的各实施例，平衡单元15借助于电容器19耦合到AC信号发生器。由电容器19提供的电容耦合被用来限制共模电压。这是必要的，因为储能设备12处于不同且变化的电位电平。平衡单元15或因而用于平衡的***13如下起作用。第一实例中的每个平衡单元15测量相关联的储能设备12的本地瞬时电参数，例如跨其第一和第二端子16、17的本地电压，即跨相关联的储能设备12的电压。根据本发明的各实施例，这一测量可以经由WO2006/058394中公开的方法和设备来执行。根据本发明的各实施例，测量可以借助于A/D转换器来执行，例如形成在平衡单元15本地的本地控制器18的一部分的A/D转换器21。根据本发明的各实施例，测量电路可以将测得值(例如，电压)数字化，并且将它们传送给图4中的本地控制器LC1。测得的参数值(例如，电压)确定单元12是否正在需要充电或放电的区域中操作。测得的参数值(例如，电压)与可被存储在本地控制器LC1中、主控制器20中或相关联的存储器中(未解说)的对应的本地参考值(例如，电压)作比较。这一比较标识单元12是否需要充电或放电：如果测得的参数值(例如，电压)超过本地参考值(例如，电压)至少第一预定阈值，则单元12需要放电，并且如果测得的参数值(例如，电压)低于参考值(例如，电压)至少第二预定阈值，则单元12需要充电。第一和第二阈值可以相同。在替换实施例中，它们可以不同。
以上描述的硬件所执行的方法是第三实施例的任何或一些或全部的方法。
第二实施例
描述平衡***的本发明的一实施例可以由具有处理能力的数字设备来实现，该数字设备包括一个或多个微处理器、处理器、控制器或中央处理单元(CPU)和/或图形处理单元(GPU)、用于通信的装置，并且可通过用软件(即，一个或多个计算机程序)编程而被适配成执行相应功能或测试。
此类设备可以具有存储器(诸如非瞬态计算机可读介质、RAM和/或ROM)、操作***、可任选地显示器(诸如固定格式显示器，诸如OLED显示器)、数据输入设备(诸如键盘)、定点设备(诸如“鼠标”)、用于与其他设备通信的串行或并行端口、连接到网络的网卡和连接。
根据这一实施例的可再充电储能***的***架构在图4中示意性地示出。上文已经描述了在中央控制器中实现的允许作出正确平衡决策的过程。
可再充电储能***在图4中未详细示出。它包括多个储能设备(也称为单元)的串联串。储能设备是可再充电的。每个个储能设备可以包括单个储能电元或多个储能单元的并联连接。串联连接在一起的可再充电储能设备形成电池、电池组或电池堆，即物理单元。根据本发明的各实施例，可再充电储能设备可以是任何类型的可再充电储能设备。然而，本发明的设备和方法有利地与超级电容器连用，且尤其与锂电容器或锂电池连用。根据本发明的这一实施例，储能设备可以是超电容器，也被称为超级电容器或者电双层电容器(EDLC)。这些是静电电容器，当与普通电容器相比时，其具有不同寻常的高能量密度；通常在比高容量电解电容器大几千倍的数量级上。典型的电容值的范围可以从几法拉到几千法拉。在替换实施例中，可再充电储能设备可以是电池或锂电容器，例如高能量密度电池，诸如举例而言锂或锂离子(锂离子蓄电池)电池。锂电容器与电池相比具有低能量密度，并且极易受过压和欠压条件两者的损害，从而需要通过充电和通过放电两者来进行精确平衡。同样可以使用其他种类的可再充电储能设备。优选的应用是在能量平滑和即时负载设备的领域中，与平均额定功率相比，其需要非常高的瞬时功率。
在图4中，主控制器(标记为STW)被提供作为中央控制器，它与充电设备、***上用于放电的负载、***的用户以及应用中的任一者或一些或全部进行通信。主控制器STW将单元信息统一到个体平衡决策中，并将单元信息合并到用于充电器、放电负载、用户和应用的过压/欠压保护信息。
诸如微控制器(标记为LC1等，例如，诸如PIC18之类的微控制器)等本地控制器(它可以在链接到主控制器STW的总线上)被提供作为用于将相关数据从单元级重传到顶层或反之的中间网关。它降低了主控制器STW上的通信负载。总线可以是控制器区域网络(或即CAN)的一部分。诸如PIC18等微控制器处于模块级，连同具有其本地控制器(LC)的其他模块一起：微控制器，诸如PIC 18、LC1、LC2、LC3、LC4、……、LC32、……、LCm
电压平衡单元(例如，微控制器(标记为VBU1，诸如微控制器PIC12))在单元级处提供，这是监视和平衡单元(例如，每单元一个)。诸如微控制器PIC12等电压平衡单元VBU1、VBU2、……、VBU32、……、VBUn可通过内部总线链接成串，如同单元12被链接成串一样。在这一实施例中，例如微控制器(诸如PIC12)等电压平衡单元VBU1、VBU2、……、VBU32、……、VBUn不需要包含决策能力，除了提供低级安全性之外。它将信息传送给中间网关LC1，例如微控制器(诸如PIC18)。它包含适配成执行从主控制器STW例如经由LC1(例如，微控制器(诸如PIC18))提供的平衡命令的装置。
STW与LC1、LC2、LC3、LC4、……、LC32、……、LCm(例如，微控制器(诸如PIC18))中的任一者的组合控制器以及平衡单元VBU1、VBU2、……、VBU32、……、VBUn(例如，作为微控制器，诸如PIC12)所执行的方法是根据第三实施例的方法的任一者或全部的。
第三实施例
第三实施例中描述的方法由描述该***的各组件的实施例(诸如第一和第二实施例)中的任一者来实现。
第三实施例的方法可以用在用于平衡根据各实施例中的任一者的电储能***中的个体电储能单元的***中。第三实施例的方法可以与如下各项一起使用：串联连接的个体储能设备，用于测量个体单元的与单元健康、电荷或电荷状态相关的电参数的装置，控制器，用于向控制器报告测得的参数值的装置，控制器被适配成决定一个或多个个体单元是否要被平衡以及在哪个方向上被平衡，该决定基于所测得的参数，平衡单元，该平衡单元连接到被测单元且被适配成从控制器接收平衡命令并独立于储能***作为整体是被充电或放电还是空闲来执行连接到它的单元的单元平衡。
现在将描述本地控制器18(图1、2、3)或LC1(图4)以及主控制器20(图1)或STW(图4)以及平衡单元(诸如图1到4中示出的那些平衡单元，包括VBU1、VBU2、……、VBU32、……、VBUn)和根据本发明的进一步实施例单元的操作。根据本发明的各实施例的平衡策略取决于要平衡的单元的类型。该策略假定作出平衡决定和平衡本身是两个不同过程。
电容器单元的单元平衡：
每个单元具有最大安全电压Vmax。第n单元的实际测得电压是Vn。
(Vmax–Vn)*Cn＝Qn (1)
其中
Vmax＝最大允许单元电压
Vn＝单元n的电压[V]
Cn＝单元n的电容[F]
Qn＝可被接受的电荷[C]
Q的值与可被该单元接受以使其达到最大电荷和电压的电荷相关。
总***(串联单元串)电压并且因此所储存的电荷等于所有单元电压的总和。因此，所有单元同时达到它们的最大电压是优选的。该***可被充电，直至一个单元达到其最大电压Vmax。充电应当在该点处停止。随后，具有最低Q值的单元将被放电。最低Q值意味着最接近完全充电的单元将被放电。因而，最低Q值增加并且因此该***的容量增加。该单元将独立于该***当时正在做什么而被放电，即独立于无论储能设备正被放电到负载还是正被充电。因此，选择具有最低Q值的单元，这是找出要平衡哪些单元的步骤和用于执行找出操作的装置。
类似地，如果储能单元需要接近于最小电压限定来操作，如可能是锂离子电容器的情形，具有最低Q’值的单元将需要充电。Q’是能量单元中剩余的电荷量。Vmin是最低允许电压，即完全使用放电的状态。
(Vn–Vmin)*Cn＝Q’n (2)
因而，需要被充电的单元将独立于该***当时正在做什么而被充电，即独立于无论储能设备正被放电到负载还是正被充电。
注意，需要充电或放电的单元不一定是具有最低或最高电压的单元。如果各单元具有不同容量，则小单元将按与大单元不同的方式来控制。具有最低Cn的单元通常将是用于平衡的候选，因为其Q或Q’值可能更极端。
Cn随年龄降低。如果Cn在正常操作期间不能确定或者不是准确地知悉的，则将发生错误。为了限制这些错误的结果，在式(2)的情形中在Vn接近Vmax或接近Vmin时，公式(1)应当被求值。为了实现这一点，可创建阈值Vt，使得
Vt＝Vmax–k*t–S (3)
其中
k＝以V/s表达的衰变常数(例如，0,01V/秒)
t＝自最后求值以来逝去的时间。
S＝安全边际，用于避免不想要的行为，例如紧接着开始之后或单元替换之后。
如果任何Vn超过Vt，则公式(1)被求值，t被复位成0且作出平衡决定。类似地，对于Vmin：
作为又一步骤，可根据式(4)来计算阈值V’t。
V’t＝Vmin+k*t+S (4)
其中
k＝以V/s表达的衰变常数(例如，0,01V/秒)
t＝自最后求值以来逝去的时间。
S＝安全边际，用于避免不想要的行为，例如紧接着开始之后或单元替换之后，以及
如果Vn低于V’t，则式(2)被求值，t被复位成0且作出平衡决定。
这一方法确保如果***在接近限定处操作，则平衡决定被频繁地作出并且准确度很高。如果***在中间电压范围中操作，则式(1)或(2)将具有较少的准确度，所以该算法依赖于先前决定达更长时间。
在本发明的各实施例中，一旦作出平衡决定，平衡就可逐单元地开始达预设时间：
tbalance＝Qn/Ibalance或tbalance＝Q’n/Ibalance (5)
其中tbalance是设定用于平衡的时间，Qn和Q’n被如上解释，以及
Ibalance是所使用的平衡电流。
这公开了用于确定平衡应当进行多久(例如，针对电容器单元)的装置和方法步骤。
电池单元的单元平衡：
(1-SoC)*Cn＝Qn (1’)
(SoC)*Cn＝Q’n (2’)
其中Cn是以C或As为单位的单元容量。
根据本发明的这一实施例，上述用于电容器的平衡方法可被应用于电池，SoC可被用于计算Qn或Q’n，这被用于决定平衡，如上所述。类似于电容器平衡，在考虑单元的容量的情况下达到最佳***性能。
***优化——总体***容量
电池管理***(BMS)应当能够向块体负载或充电器传达何时结束充电和/或放电。这可以通过对照它们的上限或下限检查个体单元电压并在电压超过限定时中断充电或放电来完成。然而，在去往/来自储存设备的电流被中断时，电压将突变。所有电压将返回它们限定内的值，这可导致接通负载/充电器，从而发现再次立即超出了限定。这一振荡行为不是合乎需要的。为了避免这一行为，在缺少单元电压测量的情况下，***电压可被用来与限定值作比较。
对于电容器单元***，限定值可被如下计算：
如果个体单元容量是未知的，则认为它们相等
Vupperlimit＝Vsystem+N*(Vmax–Vn) (6)
其中
Vmax＝单元电压的上限
Vn＝最高个体单元电压
如果个体单元容量是已知的：
使用(1)，计算Qn，保留最低值：Ql
Vupperlimit＝Σn＝1..N(Vn+Ql/Cn) (7)
对于电池单元***，限定值被如下计算：
如果个体单元容量是未知的，则可认为它们相等(作为第一近似)且可以使用式(8)。如果SoC与单元电压之间的关系是未知的，则式可以使用(8)。
Vupperlimit＝Vsystem+N*(Vmax–Vn) (8)
如果个体单元容量是已知的且SoC与单元电压之间的关系是已知的，例如作为确定SoC的算法的一部分：使用(1’)，计算Qn，保留最低值：Ql
对于每个单元，在增加Q1时计算预期电压：
Vnf＝lookup_EMF(SoC+Ql/Cn)
Vupperlimit＝Σn＝1..NVnf
函数lookup_EMF允许基于其SoC来确定单元电压。关系一般作为电池单元的数据单的一部分来提供并且有时被称为“电压对SoC”曲线。
Q1表示电池***可储存直至最小单元充满的总电荷。它可以用As(安培秒)为单位来表达，使得如果电流是已知的，则剩余充电时间可被计算。如果电池模型被用来估计单元SoC和单元容量，则这一模型通常将允许将测得电压和预测电荷转换成预测电压(内部电阻被纳入考虑)。这一电压被用作上限电压。
清楚的是，根据在前描述，数据和命令需要在各单元与主决策算法之间交换。在本发明的一方面，提供了一种分层体系结构：
1.在第二实施例中，在单元级，提供了能够测量电压和温度并激活充电或放电电路的监视器和平衡单元。
2.在第二实施例中，在模块级，提供了将来自有限数目的单元的数据进行编组并将命令与电荷平衡所需的功率一起提供给它们的控制器。
3.在第二实施例中，在***级，提供了只接收来自模块控制器的相关数据、如上所述地作出平衡决定、将平衡命令重传到模块控制器以及与负载/充电器进行通信的控制器。
4.每个模块取决于所选策略向主控制器重传Vn或Qn的上限值和下限值，从而限制去往主控制器的数据话务。
在本发明的另一方面，提供了一种分层体系结构：
1.在第一实施例中，在单元级，提供了能够测量电压和温度并激活充电或放电电路的监视器和平衡单元。
2.在第一实施例中，在模块级，提供了将来自有限数目的单元的数据进行编组并将命令与电荷平衡所需的功率一起提供给它们的控制器。因此，它如上文针对第二实施例所描述地作出平衡决定，将平衡命令传送给监视器和平衡单元，并与负载/充电器进行通信。
图5示出了根据本发明的各实施例的在平衡期间用于垂直轴的电压、电荷或SoC以及沿水平轴的时间的图表。所允许的最大限定100意味着该***的充电在单元达到这一最大值的情况下终止。存在在作出与平衡有关的决定时的阈值102。
在图5中，较陡斜率意味着电压随电荷被增加到单元或从单元移除而更快地变化。具有较小容量的单元的电压比较大单元的电压变化得更快，所以斜率更陡。
如果***正在充电并且如果存在根据本发明的各实施例的放电平衡，则斜率较小。
单元60具有比平均值更小的容量并且因此变化得更快。因此，它比平均单元70更早地达到决定阈值102，并且对于单元60而言，平衡在步骤104开始。在单元60在步骤106达到最大值时，平均单元70将达到较低电荷或电压或SoC。这意味着***中存在未使用的容量。
当***在步骤114正在放电时，单元60的平衡继续放电，使得斜率更陡且当平衡在步骤112停止时变得更浅。较陡斜率初始意味着在***在步骤116开始再次充电时，单元60达到比平均单元70更低的电压、电荷或SoC。由于单元60从较低电平开始充电并且甚至尽管斜率比平均单元70更陡，在步骤118没有浪费容量。***的充电在步骤116中并且如果平衡已经最佳地完成，由此通过充电或放电进行的平衡可被自由选择，独立于无论整个***正在充电、放电还是空闲，则在最大值118处没有浪费容量。
根据本发明的各实施例，如果附加单元80(一个短划线和两个点)在任何时间点偏离平均单元70并且与阈值102相交，则对于该单元，可以作出与平衡有关的决定。这将在不同的时间点，并且根据本发明的各实施例，平衡时间可以不同，并且充电方向可以不同。例如，平衡在步骤108开始且在步骤110停止。
在这一示例中，存在通过充电进行的一个单元平衡，而同时另一个是使用放电进行的平衡。因此，平衡独立于完整***无论是在充电或放电还是空闲。
实现
描述平衡***的本发明的一实施例可以由具有处理能力的数字设备来实现，该数字设备包括一个或多个微处理器、处理器、控制器或中央处理单元(CPU)和/或图形处理单元(GPU)、通信装置(诸如参考第一和第二实施例描述的那些)，它们中的任一者可被适配成通过用软件(即，一个或多个计算机程序)编码而被适配成执行相应功能或测试。
此类设备可以具有存储器(诸如非瞬态计算机可读介质、RAM和/或ROM)、操作***、可任选地显示器(诸如固定格式显示器，诸如OLED显示器)、数据输入设备(诸如键盘)、定点设备(诸如“鼠标”)、用于与其他设备通信的串行或并行端口、连接到网络的网卡和连接。
软件可被包含在计算机程序产品中，该计算机程序产品被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行用于平衡包括串联连接的个体储能设备的电储能***中的个体电储能设备的以下功能：
测量个体储能设备的与设备健康、电荷或电荷状态相关的电参数。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
决定一个或多个个体储能设备是否要被平衡以及在哪个方向上被平衡，该决定基于所测得的参数值。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
独立于储能***作为整体是被充电或放电还是空闲来执行一个或多个储能设备的平衡。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
根据以下中的任一者执行的平衡：
(i)在任何时间，或者
(ii)平衡不被限于所平衡的储能设备处于特定状况电荷状态，或者
(iii)不考虑个体性能，或者
(iv)关于造成较高储能容量的最佳***性能，
(v)通过控制器被适配成分别基于最高或最低个体单元电压来计算最大***或最小***电压以防止各单元上的过压或欠压，或者
(vi)不使用平衡充电器，或者
(vii)控制器在对电压或SoC预测中将单元容量的差异和内部电阻纳入考虑，或者
(viii)达设定的时间段。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
独立于储能***作为整体正被充电或放电还是空闲，一方面传递来自充电设备或者来自指派给另一平衡单元的储能设备的电荷以用于对指派给第一平衡单元的储能设备进行充电，且另一方面用于将电荷传递到充电设备或指派给另一平衡单元的储能设备以用于对指派给第一平衡单元的储能设备进行放电。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
将储能设备的测得的电参数与对应的参考参数或阈值作比较，和/或
电参数可以是导出值，诸如储能设备中的电荷量或者储能设备中剩余的电荷量或者储能设备的SoC。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
将储能设备的测得的电参数与对应的参考参数或阈值作比较，和/或
基于根据测得的电参数生成的信号来控制开关。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
保护可再充电储能设备免于过压和/或欠压。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
计算Qn：
每个可再充电储能设备或单元具有最大安全电压Vmax，且第n单元的实际测得电压是Vn并且Qn由式(1)给出：
(Vmax–Vn)*Cn＝Qn (1)
其中
Vmax＝最大允许单元电压
Vn＝单元n的电压[V]
Cn＝单元n的电容[F]
Qn＝可被接受的电荷[C]
由此，Qn的值与可被该单元接受以使其达到最大电荷和电压的电荷相关。
具有最低Q值的电压是被放电的。
因此，选择具有最低Q值的单元，这是找出要平衡哪些单元的步骤和用于执行找出操作的装置。
各公式中的任一者中的值Cn与单元的健康相关，因此确定Cn是确定单元的健康的步骤以及提供确定健康的装置。
该单元将独立于储能设备正在放电到负载还是正在充电还是空闲来被放电。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
计算Q’n：
Q’是能量单元中剩余的电荷量，Vmin是完全使用放电的最低允许电压状态，且Qn由式(2)给出：
(Vn–Vmin)*Cn＝Q’n (2)
具有最低Q’值的单元将独立于储能设备正在放电到负载或者正在充电还是空闲来被充电。
因此，选择具有最低Q值的单元，这是找出要平衡哪些单元的步骤和用于执行找出操作的装置。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
在Vn接近Vmax时可对式(1)求值，或者在Vn接近Vmin时可对式(2)求值。
作为又一步骤，可根据式(3)来计算阈值Vt。
Vt＝Vmax–k*t–S (3)
其中
k＝以V/s表达的衰变常数(例如，0,01V/秒)
t＝自最后求值以来逝去的时间。
S＝安全边际，用于避免不想要的行为，例如紧接着开始之后或单元替换之后，以及
如果Vn超过Vt，则式(1)被求值，t被复位成0且作出平衡决定。
作为又一步骤，可根据式(4)来计算阈值V’t。
V’t＝Vmin+k*t+S (4)
其中
k＝以V/s表达的衰变常数(例如，0,01V/秒)
t＝自最后求值以来逝去的时间。
S＝安全边际，用于避免不想要的行为，例如紧接着开始之后或单元替换之后，以及
如果Vn低于V’t，则式(2)被求值，t被复位成0且作出平衡决定。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
另选地，Qn或Q’n可分别通过式(1’)和(2’)来计算：
(1-SoC)*Cn＝Qn (1’)
(SoC)*Cn＝Q’n (2’)
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
平衡可逐单元地开始达预设时间，如式(5)中定义的：
tbalance＝Qn/Ibalance或tbalance＝Q’n/Ibalance (5)
其中tbalance是用于平衡的时间，以及
Ibalance是所使用的平衡电流。
这公开了用于确定平衡应当进行多久的装置和方法步骤。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
电池单元的单元平衡：
(1-SoC)*Cn＝Qn (1’)
(SoC)*Cn＝Q’n (2’)
其中Cn是以C或As为单位的单元容量。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
上述用于电容器的平衡方法被应用于电池，由此SoC可被用于计算Qn或Q’n，这被用于决定平衡，如上所述，和/或
在考虑单元的容量的情况下达到最佳***性能。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
通过对照个体单元电压的上限或下限来检查这些个体单元电压并在电压超出限定时中断充电或放电，来向块负载或充电器传达何时结束充电和/或放电。
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
在去往/来自储存设备的电流被中断时，电压将突变，由此避免震荡行为，在缺少单元电压测量的情况下，将***电压与限定值作比较，和/或
对于电容器单元***，限定值可如下计算：
如果个体单元容量是未知的，则认为它们相等
Vupperlimit＝Vsystem+N*(Vmax–Vn) (6)
其中
Vmax＝单元电压的上限
Vn＝最高个体单元电压
如果个体单元容量是已知的：
使用(1)，计算Qn，保留最低值：Ql
Vupperlimit＝Σn＝1..N(Vn+Ql/Cn) (7)
软件被体现在计算机程序产品中且被适配成在软件被加载到相应的一个或多个设备上并且在一个或多个处理引擎(诸如微处理器、ASIC、FPGA等)上执行时执行以下功能：
对于电池单元***，限定值被如下计算：
如果个体单元容量是未知的，则可认为它们相等(作为第一近似)且可以使用式(8)。如果SoC与单元电压之间的关系是未知的，则式可以使用(8)。
Vupperlimit＝Vsystem+N*(Vmax–Vn) (8)
如果个体单元容量是已知的且SoC与单元电压之间的关系是已知的，例如作为确定SoC的算法的一部分则：使用(1’)，计算Qn，保留最低值：Ql
对于每个单元，在增加Q1时计算预期电压：
Vnf＝lookup_EMF(SoC+Ql/Cn)
Vupperlimit＝Σn＝1..NVnf
函数lookup_EMF允许基于其SoC来确定单元电压。关系一般作为电池单元的数据单的一部分来提供并且有时被称为“电压对SoC”曲线。
计算机程序产品可被储存在非瞬态信号存储装置(诸如光盘(CD-ROM或DVD-ROM)、磁盘、磁带、固态存储器(诸如闪存))上。

Claims (28)

1.一种用于平衡电储能***中的个体电储能单元的***，包括：
串联连接的个体储能设备，
用于测量个体单元的与单元健康、电荷或电荷状态相关的电参数的装置，
控制器，
用于向所述控制器报告测得的参数值的装置，
所述控制器被适配成决定一个或多个个体单元是否要被平衡以及在充电或放电中的哪个方向上被平衡，所述决定基于所测得的参数，
平衡单元，所述平衡单元连接到被测单元且被适配成从所述控制器接收平衡命令并独立于所述储能***作为整体是被充电或放电还是空闲来执行连接到它的单元的单元平衡。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，进一步包括用于确定所述***的总体健康的装置，其中所述控制器被适配成通过一个或多个个体储能设备的容量来确定健康。
3.如任何前述权利要求所述的***，其特征在于，进一步包括用于决定要平衡哪个体储能设备的装置，其中要平衡哪个体储能设备取决于充电和放电或所述个体储能设备的类型是电池还是电容器单元。
4.如任何前述权利要求所述的***，其特征在于，进一步包括用于决定在平衡期间所述方向应当是充电还是放电的装置，其中所述方向应当是充电还是放电被适配成用于电池或电容器单元。
5.如任何前述权利要求所述的***，其特征在于，进一步包括用于决定要执行所述平衡达多久的装置。
6.如任何前述权利要求所述的***，其特征在于，所述平衡单元被适配成通过监视个体储能设备来执行平衡，其中所述平衡单元是用硬件来实现的。
7.如任何前述权利要求所述的***，其特征在于，进一步包括用于将来自所述控制器的决定信息作为命令报告给所述平衡单元的装置，其中所述命令的执行不管连接到所述平衡单元的所述个体储能设备的电压或SoC如何。
8.一种根据任何前述权利要求的平衡***，其中单元平衡是根据以下中的任一者来执行的：
(i)在任何时间，或者
(ii)平衡不被限于所平衡的单元处于特定状况电荷状态，不考虑个体性能，或者
(iii)关于导致较高储能容量的最佳***性能，通过所述控制器被适配成分别基于最高或最低个体单元电压来计算最大***或最小***电压以防止各单元上的过压或欠压，
(iv)不使用平衡充电器，或者
(v)所述控制器在对电压或SoC的预测中将单元容量中的差异和内部电阻纳入考虑，或者
(vi)达设定的时间段。
9.如任何前述权利要求1所述的平衡***，其特征在于，第一平衡单元包括用于传递电荷的多个开关，所述第一平衡单元独立于所述储能***作为整体正被充电或放电还是空闲，一方面传递来自充电设备或者来自指派给另一平衡单元的储能单元的电荷以用于对指派给所述第一平衡单元的所述储能单元进行充电，且另一方面用于将电荷传递给储能设备或指派给另一平衡单元的储能单元以用于对指派给所述第一平衡单元的所述储能单元进行放电。
10.如任何前述权利要求所述的平衡***，其特征在于，进一步包括用于将储能设备的测得的电参数与对应的参考参数或阈值作比较的比较器。
11.如任何前述权利要求所述的平衡***，其特征在于，所述电参数能是导出值，诸如所述储能设备中的电荷量或者所述储能设备中剩余的电荷量或者所述储能设备的SoC。
12.如权利要求10或11所述的平衡***，其特征在于，所述控制器被适配成用于基于所述比较器所生成的信号来控制所述开关。
13.如任何前述权利要求所述的平衡***，其特征在于，所述控制器被适配成用于保护所述可再充电储能设备免于过压和/或欠压。
14.一种用于平衡包括串联连接的个体储能设备的电储能***中的个体电储能设备的方法，所述方法包括：
测量个体储能设备的与设备健康、电荷或电荷状态相关的电参数，
决定一个或多个个体储能设备是否要被平衡以及在充电或放电中的哪个方向上被平衡，所述决定基于所测得的参数值，以及
独立于所述储能***作为整体是被充电或放电还是空闲来执行所述一个或多个储能设备的平衡。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括通过一个或多个个体储能设备的容量来确定所述***的总体健康的步骤。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，进一步包括取决于充电或者放电还是针对电池或电容器单元来决定要平衡哪个个体储能设备的步骤。
17.如权利要求14到16中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括用于取决于所述个体储能设备是电池还是电容器单元来决定在平衡期间要应用充电或放电中的哪个方向的步骤和装置。
18.如权利要求14到17中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括决定充电或放电的平衡要执行多久的步骤。
19.如权利要求14到18中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括通过使用开关启用平衡以进行单元监视来执行平衡的步骤。
20.如权利要求14到19中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括报告用于单元监视和平衡的决定信息来作为命令以及用于执行所述命令而不管要被平衡的个体储能设备的电压或SoC如何的步骤。
21.如权利要求14到20中的任一项所述的方法，其特征在于，平衡是根据以下中的任一者执行的：
(i)在任何时间，或者
(ii)平衡不被限于所平衡的储能设备处于特定状况电荷状态，或者
(iii)不考虑个体性能，或者
(iv)关于造成较高储能容量的最佳***性能，或者
(v)通过所述控制器被适配成分别基于最高或最低个体单元电压来计算最大***或最小***电压以防止各单元上的过压或欠压，或者
(vi)不使用平衡充电器，或者
(vii)所述控制器在对电压或SoC的预测中将单元容量的差异和内部电阻纳入考虑，或者
(viii)达设定的时间段。
22.如权利要求14到21中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
独立于所述储能***作为整体正被充电或放电还是空闲，一方面传递来自充电设备或者来自指派给另一平衡单元的储能设备的电荷以用于对指派给所述第一平衡单元的所述储能设备进行充电，且另一方面用于将电荷传递到所述充电设备或指派给另一平衡单元的储能设备以用于对指派给所述第一平衡单元的所述储能设备进行放电。
23.如权利要求14到22中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括将储能设备的测得的电参数与对应的参考参数或阈值作比较。
24.如权利要求14到23中的任一者所述的方法，其特征在于，所述电参数能是导出值，诸如所述储能设备中的电荷量或者所述储能设备中剩余的电荷量或者所述储能设备的SoC。
25.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所比较的测得的电参数来控制所述开关。
26.如权利要求14到25中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括保护所述可再充电储能设备免于过压和/或欠压。
27.一种计算机程序产品，当在处理引擎上执行时,所述计算机程序产品实现权利要求14到26所述的方法中的任一种方法。
28.一种非瞬态信号存储装置，所述非瞬态信号存储装置可任选地储存所述计算机程序产品。
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