CN112366795A - 电力电子化智能电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力电子化智能电池单元，包括：电池模块，所述电池模块包括多个串联的电池芯以及用于测量所述电池芯的电压、电流、压力和/或温度的传感器；以及智能电池接口，所述智能电池接口与所述电池模块的输出侧及传感器相连，并且所述智能电池接口对外界具有功率接口和信息接口，其中所述电池模块监测电池芯的电压、电流、压力和/或温度信息，同时通过所述智能电池接口提供或吸收功率。

Description

电力电子化智能电池单元
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，具体而言，本发明涉及一种安全可靠、高效率及灵活扩容的电力电子化智能电池单元。
背景技术
随着新能源发电装机容量的不断增加和智能电网的不断发展，对于储能***的容量和功能提出了越来越高的要求。其中，电池储能***具有无运动部件、对场地无特殊要求、易于扩容、动态特性好的优势，在电网侧调频调峰、用户侧负荷应急保障、可再生能源功率波动平滑等场合的应用日趋广泛。
典型的大容量电池***由海量电池芯按照图1所示方法组成，单个电池芯经串并联后组成电池模块，多个电池模块组成电池簇，多个电池簇进一步形成大容量电池***，整个大容量电池***以单级式PCS作为功率接口，联接到电网或负荷，实现功率的双向流动。
除了应用于支撑电网的大容量储能***，电池储能在户用型储能领域也有着广泛的应用。图2所示为典型的户用型光储互补并离网一体化功率变换架构，该***中，户用型光伏电池与储能电池构成良好的互补协同关系。其中，通过隔离型双向直流变换器，把48V电池模块接入400V直流母线。特斯拉也推出了应用于工商业的储能***，如图3所示：48V低压电池模块经1.6kW的隔离型双向直流变换器，在直流变换器输出端等效为一个输出电压400V的PowerPod，16组PowerPod经直流母线并联组成一个25kW/4小时的Powerpack，10组Powerpack并联后接入250kW逆变器组成一个250kW/4小时的电池储能***。
由于单个电池芯的电压低、容量小，因此，在各类储能应用场景中，需要将海量的电池芯单体进行串并联。同时，在电池芯的生产制造过程中，难以保证每个电池芯性能的一致性，在电池芯接入储能***，参与充放电循环后，每个电池芯所处的工作环境、每个电池芯的老化速率也不尽相同，从而也导致了电池芯性能不一致性的进一步加剧。而电池芯单体性能的不一致性，使得在同一个储能***中，难以保证每个电池荷电状态的相同。而由于电池芯的开路电压、内阻抗又与电池荷电状态紧密相关，当电池芯荷电状态不一致时，在电池模块内部和并联的电池模块间，都将由于电池电压的不一致而存在环流，这一环流的持续存在，将在电池内阻、线路电阻上产生可观的损耗，使得电池储能***的充放电循环效率显著降低。同时，电池环流的存在也会加速电池的老化，使得电池内阻增大，进一步增加储能***的损耗，也降低了储能***的整体寿命，提高了***成本。
如上所述，由于电池性能不一致性，导致了在储能***充放电循环过程中，每个电池芯单体的荷电状态不一致。对于一系列串联的电池芯，在充电过程中，会存在某一电池电量已充满，而其余电池电量未充满的情况，为了避免对该电池的过充电，其余电池芯的电量将无法进一步充满；同样，在放电过程中，会存在某一电池电量已到达最小容许荷电状态，而其余电池仍可进一步放电的情况，此时，为了避免过放电导致的电池芯损坏，所有串联的电池芯都将停止继续放电。由此可见，电池芯性能的不一致，将导致储能***整体的可用容量受到限制，造成配置容量的浪费，增加储能***的成本。
同时，由于电池不一致性造成的环流也将加速电池的老化与损坏，增加***的维护成本。另一方面，对于一系列串联的电池芯而言，当其中某一电池芯老化损坏，无法继续进行充放电时，所有与该电池串联的电池芯也将无法正常工作。由于大容量高电压的储能***中，串联的电池芯数量往往很大，这一问题也将显著提高电池储能***的成本与效能。
为解决电池芯性能不一致的问题，目前常采用电池筛选和电池均衡两种手段。电池筛选指的是在电池出厂时，对每个电池芯的性能进行测试，挑选性能一致的电池芯进行串并联组成电池模块。这一过程需要耗费大量的时间成本和人力成本，同时，能够通过筛选，符合储能***要求的一致性的电池比例也仅有60％左右，使得电池生产制造和筛选的成本十分庞大。
而电池均衡是在电池形成组串后，通过被动均衡或主动均衡两种方式，使得每个电池芯的荷电状态总是保持一致。被动均衡将荷电状态高的电池芯的电量消耗在电阻或二极管上，产生的损耗大、均流速度慢。主动均衡则利用电容、电感等储能元件，配合开关管的高速切换，将电量从高荷电状态的电池芯向低荷电状态的电池芯进行转移，该方法能够有效对电池芯实现均衡，但硬件成本高、控制复杂。而为了保证电池储能***的安全可靠运行，电池均衡又是不可或缺的功能单元，也进一步增加了电池储能***的损耗和成本。
在传统的电池储能***中，仅有一个总体的电池管理***(BMS)和一个功率变换单元(PCS)，每一个电池模块中，配置了电池监控单元(BMU)。电池监控单元具有采集电池电压、电流、温度信息，以及对电池模块内电池芯进行均衡的功能。由于电池模块自身缺乏功率控制能力，只能被动地进行充电与放电，因此，难以避免发生过充电和过放电。而电池的过充与过放将导致电池容量下降、内阻增加，同时在电池内部造成不可逆转的结构性损伤，进一步发展，将导致电池内短路的发生，造成电池热失控，引发电池储能***的严重事故。
同时，电池模块内的电池监控单元仅能被动地向总体电池管理***提供电池状态信息，电池管理***也缺乏有效的电池故障状态评估手段。对于电池的结构性损伤，特别是潜在的内短路故障而言，在发生初期，电池的电压、电流、表面温度等外特性并不会发生明显的改变，难以被电池监控单元有效、准确识别。而这些损伤与微小故障进一步发展，则会引发严重的内短路故障，造成大范围的热失控。
现有技术中，已有以下一些电池管理和电池安全管控的方法被提出：
(1)申请号为CN111416399A的专利提出了一种主动侦测与控制功能的智能电池及智能控制模块，能实现一种主动侦测与控制的功能，进而取代外部的控制机制。然而由于不能主动估算电池的健康状态，该模块无法预先判断电池的故障信息并提前采取措施，仍然不能有效避免电池故障带来的严重后果。
(2)申请号为CN103944225A的专利提出一种电池智能管理方法及电池智能管理装置，保持电池的最佳工作状态，延长了电池的使用寿命，但同样不能保证电池的安全运行。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种电力电子化智能电池单元，包括：
电池模块，所述电池模块包括多个串联的电池芯以及用于测量所述电池芯的电压、电流、压力和/或温度的传感器；以及
智能电池接口，所述智能电池接口与所述电池模块的输出侧及传感器相连，并且所述智能电池接口对外界具有功率接口和信息接口，
其中所述电池模块监测电池芯的电压、电流、压力和/或温度信息，同时通过所述智能电池接口提供或吸收功率。
在本发明的一个实施例中，所述智能电池接口通过信息接口传送状态信息和故障信息，并从信息接口接收控制信息，
所述智能电池接口根据所连接的电池模块的电池输出侧的电压大小，改变自身的直流电压增益，维持所述电力电子化智能电池单元的功率接口的电压稳定。
在本发明的一个实施例中，所述传感器为以下各项中的一项或多项：
布置在所述电池模块电池芯上的多个电压传感器、温度传感器和压力传感器，用于检测电池模块的电芯电压、温度和压力数据；
布置在所述电池模块内的多个电压传感器和电流传感器，检测所述电池模块输出侧的电压和电流数据。
在本发明的一个实施例中，所述智能电池接口包括：
处理器；
调理电路，所述调理电路连接所述传感器的输出端，将所述传感器输出的电信号进行调理，形成处理器能够读取的电信号；
功率变换器，所述功率变换器与电池模块相连，根据处理器的控制实现功率的双向流动与主动控制，在所述功率接口形成稳定可控的输出电压；和
均衡电路，所述均衡电路布置在各个电池芯单体两端，通过一定的均衡算法，在处理器的控制下，均衡电路通过开关管的切换，实现电池芯单体荷电状态的均衡。
在本发明的一个实施例中，所述功率变换器是双向隔离型直流变换器，所述双向隔离型直流变换器在正向运行和反向运行时，具有不同的电压增益表达式。
在本发明的一个实施例中，所述功率变换器包括：
第一交直流变换电路，包括第一至第四开关管组成的第一全桥电路；
第二交直流变换电路，包括第五至第八开关管组成的第二全桥电路；以及
隔离型双向谐振网络，包括第一电感、变压器、变压器原边一侧的第一交流端口以及变压器副边一侧的第二交流端口，
其中所述第一全桥电路的两个桥臂中点分别连接隔离型双向谐振网络的第一交流端口的第一交流端和第二交流端，所述第二全桥电路的两个桥臂中点分别连接隔离型双向谐振网络的第二交流端口的第一交流端和第二交流端。
在本发明的一个实施例中，所述隔离型双向谐振网络还包括第二电感、第一电容、第二电容、辅助电容器，第一电感和第一电容串联连接，第一电感的一端连接到第一交流端口的第一交流端，第一电容的一端连接到变压器原边的第一交流端，变压器原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端相连，变压器副边的第一交流端连接第二电容的一端，第二电容的另一端接连接第二电感的一端，第二电感的另一端接连接第二交流端口的第一交流端，变压器副边的第二交流端连接第二交流端口的第二交流端；变压器原边的绕组中间引出一抽头，在抽头和变压器原边的第二交流端之间连接有辅助电容器。
在本发明的一个实施例中，所述隔离型双向谐振网络还包括第一电容和辅助电容器，第一电感和第一电容串联连接，第一电感的一端连接到第一交流端口的第一交流端，第一电容的一端连接到变压器原边的第一交流端，变压器原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端相连，变压器副边的两端口连接第二交流端口的两端口，变压器原边的绕组中间引出一抽头，在抽头和变压器原边的第二交流端之间连接有辅助电容器。
在本发明的一个实施例中，所述功率变换器是双向非隔离直流变换器，包括第一至第四开关管、电感和第一电容和第二电容，第一开关管和第二开关管串联形成半桥，同时并联第一电容；第三开关管和第四开关管串联形成半桥，同时并联第二电容，第二开关管和第四开关管的源极相连；电感连接两个半桥的桥臂中点。
在本发明的一个实施例中，所述智能电池接口还包括：
保护装置，所述保护装安装智能电池接口与功率接口的连接端；
散热装置，所述散热器安装在功率变换器与电池模块上，吸收两者产生的热量，增大散热面积，同时所述散热器具有统一的结构，当环境温度过低时，能够将功率变换器额外产生的热量传递到电池模块，避免电池模块由于低温而损坏。
在本发明的一个实施例中，所述功率变换器还包含辅助电源，所述辅助电源为处理器、功率变换器的驱动电路、保护装置、散热装置和均衡电路提供电源。
在本发明的一个实施例中，所述处理器被配置成进行以下操作中的一项或多项：
通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，利用多种参数辨识方法，对电池模块的参数模型进行辨识和校准；
通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，综合电池模块的参数模型，并利用多种荷电状态估算方法，估算并记录电池的荷电状态；
通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，结合电池荷电状态信息，综合多种电池健康状态估算模型，估算电池健康状态；
通过估算得到的电池荷电状态和电池健康状态，更新电池模块当前的等效电路模型，对电池充放电功率转换的控制器参数进行修正；
通过估算得到的电池荷电状态和电池健康状态，估算出电池当前存储的能量及电池当前充放电的功率边界条件，对电池充放电的功率进行控制；
将大量电池模块的电压、电流、温度、压力等状态信息及历史充放电循环记录、故障记录上传至在线计算平台，通过数据挖掘与模型训练，分析不同故障发生前一定时间内电池的状态轨迹，提取判断不同故障发生概率的特征参数，并建立特征参数与故障概率之间的数学模型，建立计算智能电池单元整体可靠性的数学模型，并将模型通过数据总线下发给各个智能电池单元。
评估电池的历史工作轨迹，分析存在的故障隐患，对当前电池的健康状态进行预测，预判可能发生的故障与故障类型，并给出故障预判信息；
利用自身的电压、电流、温度、压力等状态信息、历史充放电循环记录，根据故障预测模型与可靠性模型，计算电池模块当前可靠性，对于可靠性低于要求的智能电池单元，主动预警并减小功率运行；
利用自身的电压、电流、温度、压力等状态信息、历史充放电循环记录，根据故障诊断模型，判断电池当前是否发生故障；当判断电池模块发生故障时，将模块退出运行状态，并采取主动降温措施，避免模块发生热失控，同时通过通讯接口发出故障信息；
比较电压传感器得到电池模块输出侧的电压与电力电子化智能电池模块功率接口的电压，当电池模块的电量随电池放电而降低，电池模块输出侧的电压下降时，提高直流电压增益，使所述功率接口的电压保持不变；当电池模块的电量随电池充电而增加，电池模块输出侧的电压上升时，降低直流电压增益，使所述功率接口的电压保持不变；
通过电压传感器与电流传感器监测所述智能电池接口传输的功率，改变电池模块输出电流的大小与方向，使电力电子化的智能电池模块输出的功率大小和方向满足设定要求。
在本发明的一个实施例中，所述智能电池接口与在线计算平台连接，所述在线计算平台通过与大量电力电子化智能电池模块间的远程通讯，收集大量电力电子化智能电池模块在反复循环运行期间的参数与状态轨迹，通过大数据挖掘与智能算法，对各个不同工作环境下的电池的参数模型、状态估算算法、故障预测算法与充放电控制算法进行修正和优化，并将结果周期性地下发到各个智能电池模块。
根据本发明的另一个实施例，提供一种智能电池接口，所述智能电池接口与电池模块的输出侧及传感器相连，并且所述智能电池接口与功率接口和信息交互接口相连，所述智能电池接口包括：
处理器；
调理电路，所述调理电路连接所述传感器的输出端，将所述传感器输出的电信号进行调理，形成处理器能够读取的电信号；
功率变换器，所述功率变换器与电池模块相连，根据处理器的控制实现功率的双向流动与主动控制，在所述功率接口形成稳定可控的输出电压；和
均衡电路，所述均衡电路布置在各个电池芯单体两端，通过一定的均衡算法，在处理器的控制下，均衡电路通过开关管的切换，实现电池芯单体荷电状态的均衡。
在本发明的另一个实施例中，智能电池接口包括：
保护装置，所述保护装置安装在智能电池接口与功率接口的连接端；
散热装置，所述散热器安装在功率变换器与电池模块上，吸收两者产生的热量，增大散热面积，同时所述散热器具有统一的结构，当环境温度过低时，能够将功率变换器额外产生的热量传递到电池模块，避免电池模块由于低温而损坏。
在本发明的另一个实施例中，智能电池接口还包含辅助电源，所述辅助电源为处理器、功率变换器的驱动电路、保护装置、散热装置和均衡电路提供电源。
根据本发明的又一实施例，提供一种由上述电力电子化智能电池单元构成的电池***，包括：
多个所述电力电子化智能电池单元、直流母线与通讯总线。
其中所述多个电力电子化智能电池单元的功率接口以并联方式连接到所述直流母线，或者所述多个电力电子化智能电池单元的功率接口以串联方式连接后连接到所述直流母线；
所述多个电力电子化智能电池单元的信息交互接口连接到所述通讯总线，上传各个电池的状态信息与故障信息，接收对电力电子化智能电池单元的控制命令，控制电池单元的投入、切出，及传输功率的大小与方向。
在本发明的又一个实施例中，基于多个所述电力电子化智能电池单元提供的电池状态信息，确定各个电力电子化智能电池单元的功率大小，并结合所述电力电子化智能电池单元功率接口控制方法，为各个单元确定控制策略。
在本发明的又一个实施例中，当多个所述电力电子化智能电池单元中某个电池单元发生故障时，其故障信息首先被其自身的电池状态监测单元检测获取，同时其自身的智能电池接口完成故障电池单元的主动故障隔离；
发生故障的电力电子化智能电池单元将电池故障的信息通过信息交互接口上传至通讯总线；
没有发生故障的电力电子化智能电池单元的功率进行重新分配，其接收的控制命令控制电池单元的传输功率的大小与方向。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出现有技术的大容量电池***的组成方法。
图2示出典型的户用型光储互补并离网一体化功率变换架构。
图3示出基于高频DCDC变换器的储能***原理图。
图4示出梯次电池回收检测流程。
图5示出根据本发明的一个实施例的电子化智能电池单元的示意框图。
图6示出根据本发明的一个实施例的智能电池接口的示意框图。
图7示出示出根据本发明的一个实施例的电子化智能电池单元的硬件结构示意图。
图8示出根据本发明的一个实施例的调理电路的电路示意图。
图9示出根据本发明的一个实施例的双向隔离型直流变换器的电路示意图。
图10示出根据本发明的另一个实施例的双向隔离型直流变换器的电路示意图。
图11示出根据本发明又一实施例的双向隔离型直流变换器的电路示意图。
图12示出根据本发明的一个实施例的双向非隔离型直流变换器的电路示意图。
图13示出根据本发明的一个实施例的均衡电路的电路示意图。
图14示出根据本发明的实施例的电池模块的总体流程图。
图15示出根据本发明的一个实施例的参数辨识流程图。
图16示出根据本发明的一个实施例的荷电状态估算流程图。
图17示出根据本发明的一个实施例的在线平台的流程图。
图18示出根据本发明的一个实施例的基于电力电子化智能化电池单元的并联扩容***800的示意图。
图19示出根据本发明的一个实施例的基于电力电子化智能化电池单元的串联扩容***900的示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种安全可靠、高效率及灵活扩容的电力电子化智能电池单元，能实现电池模块能更加安全可靠和高效率地运行，同时可以实现多个电池模块的灵活拔插和组合扩容。电力电子化智能电池单元由智能电池接口和电池模块两部分组成。电池模块部分与传统的电池储能***类似，由多个电池芯单体串并联组成一定电压和容量的电池模块。智能电池接口集成了电池管理***和功率变换的功能，能够实现电池模块内各个电池芯单体的电压、温度、压力状况以及整个电池模块输入输出电流的检测与记录，同时，利用采集到的电池状态信息，对电池的内部参数、荷电状态、健康状态进行在线辨识与估算。同时，具有丰富的通信接口，实现与外界的信息交互。同时，智能电池接口也集成了双向功率交换的功能，在外端口提供稳定可控的输入输出电流、端口电压和动态响应特性。同时，智能电池接口和电池模块进行统一的封装和散热管理，对外表现为统一的电力电子化智能电池单元，并具有信息交互接口和功率转换接口。
图5示出根据本发明的一个实施例的电子化智能电池单元的示意框图。
请参考图5，本实施例的电力电子化智能电池单元100包括：电池模块110和智能电池接口120。电池模块110可以由若干个电池芯串联组成，具备能量存储功能。智能电池接口120的一端与电池模块110的输出侧及电池模块110内的若干个电池芯的传感器相连。智能电池接口120的另一端与智能电池单元100的功率接口130和信息交互接口140相连。智能电池接口120具备电池状态监控、电池状态估算、电池安全管理和电池充放电功率转换功能。
图6示出根据本发明的一个实施例的智能电池接口的示意框图。
请参考图6，本实施例的智能电池接口，应用于图1中电力电子化智能电池单元，此智能电池接口通过监测电池模块中所述电池模块和各个电池芯的电压、电流、压力和温度信息，估算电池模块的工作状态、预测电池模块的健康状态和可靠性、设定电池充放电的功率边界条件、监督电池模块的故障情况、通过所述智能电池单元的信息交互接***互电池状态信息。
如图6所示，智能电池接口210的功能可包括电池可靠性预测、健康状态预测、参数模型修正、健康状态估算、荷电状态估算、功率边界条件以及功率控制等等。
智能电池接口210与信息交互接口220相连，向信息交互接口220传送状态信息和故障信息，并从信息交互接口220接收控制信息。
智能电池接口210与功率接口230相连，根据所连接的电池模块的电池输出侧240的电压大小，改变自身的直流电压增益，维持所述电力电子化智能电池单元的功率接口230的电压稳定。
智能电池接口210与布置在电池模块上的电池传感器250相连。电池传感器250可以包括多个电压传感器、温度传感器和压力传感器等。智能电池接口210通过布置在所述电池模块电池芯上的多个电压传感器、温度传感器和压力传感器，检测电池模块的电芯电压、温度和压力数据，通过布置在所述电池模块内的多个电压传感器和电流传感器，检测所述电池模块输出侧的电压和电流数据。
智能电池接口210通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，利用多种参数辨识方法，对电池模块的参数模型进行辨识和校准；
智能电池接口210通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，综合电池模块的参数模型，并利用多种荷电状态估算方法，估算并记录电池的荷电状态；
智能电池接口210通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，结合电池荷电状态信息，综合多种电池健康状态估算模型，估算电池健康状态；
智能电池接口210通过估算得到的电池荷电状态和电池健康状态，更新电池模块当前的等效电路模型，对电池充放电功率转换的控制器参数进行修正；
智能电池接口210通过估算得到的电池荷电状态和电池健康状态，估算出电池当前存储的能量及电池当前充放电的功率边界条件，对电池充放电的功率进行控制；
智能电池接口210利用大量电池模块的电压、电流、温度、压力等状态信息及历史充放电循环记录、故障记录，通过数据挖掘与模型训练，分析不同故障发生前一定时间内电池的状态轨迹，提取判断不同故障发生概率的特征参数，并建立特征参数与故障概率的数学模型，建立计算智能电池单元整体可靠性的数学模型，并将模型通过数据总线下发给各个智能电池单元。
智能电池接口210评估电池的历史工作轨迹，分析存在的故障隐患，对当前电池的健康状态进行预测，预判可能发生的故障与故障类型，并给出故障预判信息；
智能电池接口210利用自身的电压、电流、温度、压力等状态信息、历史充放电循环记录，根据故障预测模型与可靠性模型，计算电池模块当前可靠性，对于可靠性低于要求的智能电池单元，主动预警并减小功率上限；
智能电池接口210利用自身的电压、电流、温度、压力等状态信息、历史充放电循环记录，根据故障诊断模型，判断电池当前是否发生故障；当判断电池模块发生故障时，将模块退出运行状态，并采取主动降温措施，避免模块发生热失控，同时通过通讯接口发出故障信息；
智能电池接口210采集电压传感器得到的电池模块输出侧的电压与电力电子化智能电池模块功率接口的电压，当电池模块的电量随电池放电而降低，电池模块输出侧的电压下降时，提高直流电压增益，使所述功率接口的电压保持不变；当电池模块的电量随电池充电而增加，电池模块输出侧的电压上升时，降低直流电压增益，使所述功率接口的电压保持不变；
智能电池接口210通过电压传感器与电流传感器监测所述智能电池接口传输的功率，改变电池模块输出电流的大小与方向，使电力电子化的智能电池模块输出的功率大小和方向满足设定要求。
智能电池接口210通过故障诊断，实现所述电池模块和所述智能电池接口的故障协同保护；当智能电池接口判断所述电池模块发生过流和/或高温故障，发出故障信号，同时减小功率，消除故障状态；当智能电池接口判断发生短路故障、过压故障、欠压故障、电池内部过压故障中的一种或多种，发出故障信号，同时断开电力电子化智能电池单元的功率接口，使电池模块退出运行，及时隔离故障，避免事故发生。
智能电池接口210具有电池过压监测功能和电池欠压监测功能，当检测到电池模块输出侧电压及各电池模块的电芯电压高于允许的最大值，所述智能电池接口判断为电池过压故障，并发出电池过压故障信号；当检测到电池模块输出侧电压及各电池模块的电芯电压低于允许的最小值，所述智能电池接口判断为电池欠压故障，并发出电池欠压故障信号。
智能电池接口210具有电池过流监测功能，当检测到电池模块输出侧的电流高于允许的最大值，所述智能电池接口判断为电池过流故障，并发出电池过流故障信号。
智能电池接口210具有电池温度监测功能，当检测到电芯温度高于允许的最大值，所述智能电池接口判断为电池温度过高，并发出电池高温故障信号；当通过温度传感器检测的电芯温度低于允许的最小值，所述智能电池接口判断为电池温度过低，并发出电池低温故障信号。
智能电池接口210具有电池短路监测功能，当通过电压传感器检测的电池模块的电芯电压低于短路故障阈值，所述智能电池接口判断为电池模块的电芯内部短路，并发出电池内部短路故障信号。
智能电池接口210具有电池压力监测功能，当通过电池压力传感器检测到的电池内部压力高于允许值，模块的判断为电池内部压力过大，并发出电池内部过压故障信号。
智能电池接口和电池模块进行统一的热量管理策略：电力电子化智能电池模块中电池模块由于环境温度过低发生性能缺陷，低温状态被电池信息监测单元检测获取；智能电池接口通过对功率变换器控制使功率变换的效率降低，产生更多的损耗和热量；智能电池接口与电池模组具有统一的散热封装，智能电池接口产生的热量通过统一的散热结构使得电池模块的温度上升且维持在相对稳定的温度，保证电池模块的可靠运行。
图7示出示出根据本发明的一个实施例的电子化智能电池单元的硬件结构示意图。
电力电子化智能电池单元700可以包括电池模块701、处理器702、多种传感器703-707、调理电路708、功率变换器709、保护装置710、均衡电路711、散热装置712与通讯接口713。
电池模块701由多个电池芯单体经串并联后组成，是电力电子化智能电池单元的硬件基础。
处理器702可以实现模拟-数字转换、计算、控制等功能，连接调理电路708，将控制信号输出到功率变换器709、保护装置710、均衡电路711和散热装置712，并与通讯接口713间进行数据交互。
传感器可包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和压力传感器等。电压传感器703布置在各个电池芯的两端。电压传感器707布置在整个电池模块的两端，用于采集电压信号。电流传感器705、706布置在各个电池芯组成的组串，以及功率变换器两端，用于采集电流信号。温度传感器704与压力传感器(未示出)围绕电池模块各处进行布置，用于采集电池模块各个位置的温度和压力信号，同时，温度传感器(未示出)也布置在功率变换器和散热装置的关键位置，用于采集功率变换器和散热装置的温度信号。本领域的技术人员应该理解，图中仅示意性示出个多个传感器的示例，该示例仅用于解释本发明而非限制本发明，本发明的电子化智能电池单元可包括更多或更少的传感器，传感器的数量和布置方式不限于所示的示例。
调理电路708连接在上述各个传感器的输出端，将上述传感器输出的电信号进行调理，形成处理器能够读取的电信号。
图8示出根据本发明的一个实施例的调理电路的电路示意图。如图8所示，调理电路可包括第一电阻R1、第二电阻R2和比较器801。调理电路的信号输入端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端连接至第二电阻R2的一端及比较器801的同相输入端，第二电阻R2的另一端接地，比较器801的反相输入端与信号输出端相连。
返回图7，功率变换器709连接在电池模块两端。在本发明的一个实施例中，功率变换器709可以采用双向直流变换器，实现功率的双向流动与主动控制，在电力电子化智能电池单元的外端口形成稳定可控的输出电压和动态特性。
本发明中所述的功率变换器709可以采用双向隔离型直流变换器实现。图9示出根据本发明的一个实施例的双向隔离型直流变换器的电路示意图。该功率变换器包括第一交直流变换电路、第二交直流变换电路和隔离型双向谐振网络。第一交直流变换电路包括第一至第四开关管S1、S2、S3、S4组成的全桥电路。第一至第四开关管S1、S2、S3、S4可以是MOS管。第一至第四开关管S1、S2、S3、S4分别具有控制端、第一端和第二端。第一开关管S1和第二开关管S2的第一端彼此连接并连接到第一交直流变换电路的直流端口的第一端。第一开关管S1的第二端与第四开关管S4的第一端相连，其连接节点M1作为第一桥臂中点。第二开关管S2的第二端与第三开关管S3的第一端相连，其连接节点M2作为第二桥臂中点。第三开关管S3和第四开关管S4的第二端彼此连接并连接到第一交直流变换电路的直流端口的第二端。全桥电路两个桥臂中点M1和M2分别连接隔离型双向谐振网络的第一交流端口的第一交流端和第二交流端。
第二交直流变换电路包括第五至第八开关管S5、S6、S7、S8组成的全桥电路。第五至第八开关管S5、S6、S7、S8可以是MOS管。第五至第八开关管S5、S6、S7、S8分别具有控制端、第一端和第二端。第五开关管S5和第六开关管S6的第一端彼此连接并连接到第二交直流变换电路的直流端口的第一端。第五开关管S5的第二端与第八开关管S8的第一端相连，其连接节点M3作为第三桥臂中点。第六开关管S6的第二端与第七开关管S7的第一端相连，其连接节点M4作为第四桥臂中点。第七开关管S7和第八开关管S8的第二端彼此连接并连接到第二交直流变换电路的直流端口的第二端。全桥电路两个桥臂中点M3和M4分别连接隔离型双向谐振网络的第二交流端口的第一交流端和第二交流端。隔离型双向谐振网络包括：第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、辅助电容器C3、第一交流端口、第二交流端口以及变压器T1，第一电感L1和第一电容C1串联连接，第一电感L1的一端连接到第一交流端口的第一交流端，第一电容C1的一端连接到变压器T1原边的第一交流端，变压器T1原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端相连，变压器T1副边的第一交流端连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端接连接第二交流端口的第一交流端，变压器T1副边的第二交流端连接第二交流端口的第二交流端；变压器T1原边的绕组中间引出一抽头，在抽头和变压器T1原边的第二交流端之间连接有辅助电容器C3，变压器T1的励磁电感被抽头分成两个励磁电感：第一励磁电感Lm1和第二励磁电感Lm2，第二励磁电感Lm2和辅助电容器C3并联连接再与第一励磁电感Lm1串联连接组成一条等效励磁支路。
所述双向隔离型直流变换器在正向运行和反向运行时，具有不同的电压增益表达式。所述双向隔离型直流变换器正向运行时的电压增益表达式为：
Figure BDA0002808898660000161
Figure BDA0002808898660000162
其中，V1为第一交直流变换电路直流端口电压，V2为第二交直流变换电路直流端口电压，fn＝fs/f1，fs为工作频率，m＝f1/f2，f1为第一电感和第一电容串联谐振的频率，f2为第二励磁电感和辅助电容器并联谐振的频率，
Figure DA00028088986640534
Figure BDA0002808898660000163
h＝n2L2/L1，g＝C2/(n2C1)，k1＝Lm1/L1，k2＝Lm2/L1，fn为归一化频率，R1为正向负载，n为变压器的原副边匝比。
所述双向隔离型直流变换器反向运行时的电压增益表达式为：
Figure BDA0002808898660000171
Figure BDA0002808898660000172
其中，
Figure BDA0002808898660000173
fn＝fs/f1，m＝f1/f2，f1为第二电感和第二电容串联谐振的频率，f2为第二励磁电感和辅助电容器并联谐振的频率，
Figure BDA0002808898660000174
h＝L1/(n2L2)，g＝n2C1/C2，k1＝Lm1/L2，k2＝Lm2/L2，fn为归一化频率，R2为反向负载。
根据上述电压增益公式，在变换器元件参数确定的情况下，通过改变第一和第二交直流变换电路的开关频率，即能够改变所述双向隔离型直流变换器的电压增益，从而在电池模块端口电压因电池荷电状态而变化时，保持电力电子化智能电池单元功率接口的电压稳定。
图10示出根据本发明的另一个实施例的双向隔离型直流变换器的电路示意图。与图9所示实施例类似，该功率变换器由第一交直流变换电路、第二交直流变换电路和隔离型谐振网络组成，为了简化本说明书，对相似部分仅进行简要描述。第一交直流变换电路由开关管S1、S2、S3、S4组成全桥电路，全桥电路两个桥臂中点连接隔离型双向谐振网络的第一交流端口；第二交直流变换电路由开关管S5、S6、S7、S8组成全桥电路，全桥电路两个桥臂中点连接隔离型双向谐振网络的第二交流端口；隔离型谐振网络包括第一电感L1、第一电容C1、第一交流端口、第二交流端口以及变压器T1，第一电感L1和第一电容C1串联连接，第一电感L1的一端连接到第一交流端口的第一交流端，第一电容C1的一端连接到变压器T1原边的第一交流端，变压器T1原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端相连，变压器T1副边的两端口连接第二交流端口的两端口，变压器T1原边的绕组中间引出一抽头，在抽头和变压器T1原边的第二交流端之间连接有辅助电容器C2，变压器T1的励磁电感被抽头分成两个励磁电感：第一励磁电感Lm1和第二励磁电感Lm2，第二励磁电感Lm2和辅助电容器C2并联连接再与第一励磁电感Lm1串联连接组成一条等效励磁支路。
所述双向隔离型直流变换器在正向运行和反向运行时，具有不同的电压增益表达式。所述双向隔离型直流变换器正向运行时的电压增益表达式为：
Figure BDA0002808898660000181
其中，V1为第一交流端口电压的有效值，V2为第二交流端口电压的有效值，fn为归一化频率，fn＝fs/f1，fs为工作频率，m＝f1/f2，f1为第一电感和第一电容串联谐振的频率，
Figure BDA0002808898660000182
f2为第三电感和第二电容并联谐振的频率，
Figure BDA0002808898660000183
k1＝L2/L1，k2＝L3/L1，R1为正向负载；
计算所述非隔离型谐振网络反向运行的电压增益表达式G2(fn)为：
Figure BDA0002808898660000184
其中，
Figure BDA0002808898660000185
R2为反向负载；
根据上述电压增益公式，在变换器元件参数确定的情况下，通过改变第一和第二交直流变换电路的开关频率，即能够改变所述双向隔离型直流变换器的电压增益，从而在电池模块端口电压因电池荷电状态而变化时，保持电力电子化智能电池单元功率接口的电压稳定。
图11示出根据本发明又一实施例的双向隔离型直流变换器的电路示意图。与图9所示实施例类似，该功率变换器由第一交直流变换电路、第二交直流变换电路和隔离型谐振网络组成，为了简化本说明书，对相似部分仅进行简要描述。第一交直流变换电路由开关管S1、S2、S3、S4组成全桥电路，全桥电路直流端口V1，全桥电路两个桥臂中点连接隔离型双向谐振网络的第一交流端口；第二交直流变换电路由开关管S5、S6、S7、S8组成全桥电路，全桥电路直流端口V2，全桥电路两个桥臂中点连接隔离型双向谐振网络的第二交流端口；隔离型谐振网络包括第一电感L1、变压器T1、第一交流端口、第二交流端口；其中，所述第一电感L1的一端和所述变压器T1原边的第一交流端，所述第一电感的另一端连接到所述第一交流端口的第一交流端，变压器T1原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端连接；变压器T1副边端口与第二交流端口连接。
所述的功率变换器的一种单移相调制模式中，开关S1和S4同时导通或关断，S2和S3同时导通或关断，S5和S8同时导通或关断，S6和S7同时导通或关断；S1和S3互补导通，S2和S4互补导通，S5和S7互补导通，S6和S8互补导通；且定义在一个开关周期内，S1的导通信号领先S5的导通信号相位
Figure BDA0002808898660000191
当变压器变比为n时，可得到该功率变换器两侧电压满足如下关系：
Figure BDA0002808898660000192
其中，P为变换器从V1侧向V2侧传输的功率。
根据上述电压增益公式，在变换器元件参数确定的情况下，通过改变第一和第二交直流变换电路的开关频率和移相角度
Figure BDA0002808898660000193
即能够改变所述双向隔离型直流变换器的电压增益，从而在电池模块端口电压因电池荷电状态而变化时，保持电力电子化智能电池单元功率接口的电压稳定。
本发明中所述的功率变换器也可以采用双向非隔离型直流变换器实现。图12示出根据本发明的一个实施例的双向非隔离型直流变换器的电路示意图。所述的双向非隔离直流变换器包括第一至第四开关管S1、S2、S3、S4，电感L和电容C1、C2。第一开关管S1和第二开关管S2串联形成半桥，同时并联电容C1；第三开关管S3和第四开关管S4串联形成半桥，同时并联电容C2；开关管S2和S4的源极相连；电感L连接两个半桥桥臂中点。
在一个开关周期内，开关管S1和S2互补导通，开关管S3和S4互补导通。定义在一个开关周期内，开关管S1开通时间占一个开关周期的比值为占空比D1，开关管S3开通时间占一个开关周期的比值为占空比D2，根据电感的稳态条件，在电感电流连续模式下，可以计算得到所述双向非隔离型直流变换器的电压增益。
Figure BDA0002808898660000194
根据上述电压增益公式，在变换器元件参数确定的情况下，通过占空比D1和占空比D2，即能够改变所述双向非隔离型直流变换器的电压增益，从而在电池模块端口电压因电池荷电状态而变化时，保持电力电子化智能电池单元功率接口的电压稳定。
以上结合图9至图12描述了本发明的功率变换器的多个实施例，本领域的技术人员应该理解图9至图12所示的具体实施例仅用于示意性示出本发明的功率变换器，而非限制本发明的功率变换器具体电路结构。因此，在本发明的其他实施例中，功率变换器可以采用其他形式的电路结构，只要能够实现类似功能的双向变换器均可以作为本发明中所描述的功率变换器，并落入本发明的保护范围。
返回图7，功率变换器709还可包含辅助电源714。辅助电源714可以为处理器、功率变换器的驱动电路、保护装置、散热装置和均衡电路提供电源。
在本发明的实施例中，保护装置710可以是继电器、保险丝或类似装置。保护装置710可以安装在电力电子化智能电池模块的输出端。当由于内部故障或外界指令需要电力电子化智能电池模块退出运行时，能够通过对继电器的控制，使得电力电子化智能电池模块安全、有效切出。保险丝能够在电流超过阈值后熔断，起到保护作用。
均衡电路711布置在各个电池芯单体两端。通过一定的均衡算法，在处理器的控制下，均衡电路711通过开关管的切换，实现电池芯单体荷电状态的均衡。图13示出根据本发明的一个实施例的均衡电路的电路示意图。电池模块包括N个串联的电池芯。均衡电路可包括2N个开关管和N-1个电容。如图13所示，仅示意性示出三个电池芯B1至B3，开关管Q1a和Q1b串联在第一电池芯B1的正极和负极之间；开关管Q2a和Q2b串联在第二电池芯B2的正极和负极之间；开关管Q3a和Q3b串联在第三电池芯B3的正极和负极之间；电容C1的一端与开关管Q1a和Q1b的连接端子相连，另一端与开关管Q2a和Q2b的连接端子相连；电容C2的一端与开关管Q2a和Q2b的连接端子相连，另一端与开关管Q3a和Q3b的连接端子相连。
返回图7，散热装置712可包括散热器、风扇等散热结构。散热器712安装在功率变换器与电池模块上，吸收两者产生的热量，增大散热面积。同时散热器712具有统一的结构，当环境温度过低时，能够将功率变换器额外产生的热量传递到电池模块，避免电池模块由于低温而损坏。风扇能够在处理器的控制下，调节电力电子化智能电池单元内部散热通道的空气流速，提高散热器与空气之间热量交换的效率，降低智能电池单元温度，避免由于温度过高损坏电池与变换器元件。
通讯接口713起到与外界的信息双向交互功能，能够以有线和无线形式进行本地和远程的信息交互。
在工作过中，电力电子化智能电池单元700的处理器702执行软件，处理器702可以被构造成参数辨识单元721、状态估算单元722、故障预测单元723、充放电控制单元724、均衡控制单元725、变换器控制单元726、故障处理单元727、散热控制单元728、扩容控制单元729。电力电子化智能电池单元700的处理器702通过通信接口713与在线计算平台进行信息交互。图14示出根据本发明的实施例的电池模块软件部分的总体流程图。下面结合图14以及处理器702的各个功能单元对电池模块的工作过程进行描述。
参数辨识单元721根据采集到的电池电压、电流、温度信息，结合多种电池参数模型，利用参数辨识算法，对多种电池参数模型中涉及的电池内部参数进行在线辨识与计算，表征电池性能的变化。图15示出根据本发明的一个实施例的参数辨识流程图。当外部激励施加到电池模块时，参数辨识单元将上一次电池参数的更新值、当前外部激励信号与存储在存储单元内的电池响应历史信息代入到电池电-热参数模型中，计算出电池端电压与温度的预测值，将此预测值与当前电池的电压、温度响应信息比较，得到参数模型的预测误差；进一步利用参数更新优化算法，将减小参数模型预测误差作为优化目标与方向，对电池电-热模型中的参数进行修正与更新，得到新的电池参数更新值，应用到下一次电池参数辨识过程；同时，也将当前的传感器采集到的电池信息存储在存储单元内，在下一次计算电池响应预测值时进行应用。上述参数辨识流程在电池模块运行过程中不断进行，在较短的时间尺度内，认为电池参数稳定不变，通过对参数的更新优化使得参数模型的预测值与实际响应间的误差不断减小到零，从而得到能够反应电池实际特性的准确电池参数；而在较长的时间尺度内，电池参数随着电池充放电与老化而发生改变，参数辨识算法能够跟踪电池参数的变化，从而实现在电池生命周期内对电池参数的辨识，并根据辨识得到的参数进一步进行电池健康状态的估计与电池故障预测。
状态估算单元722根据采集到的电池电压、电流、温度信息，结合参数辨识单元的参数辨识结果，结合状态估算模型，对电池的荷电状态、健康状态进行在线估算，并采用滤波算法消除状态估算过程中的随机噪声与累积误差。
图16示出根据本发明的一个实施例的荷电状态估算流程图。电池荷电状态(Stateof Charge，简写为SOC)，表示电池当前存储电荷占电池最大所能存储电荷的比值。在荷电状态估算流程中，通过电流传感器采集电池电流测量值，带入到荷电状态(SOC)计算模型中，荷电状态计算模型采用电池的状态方程，由荷电状态的历史值与电池电流测量值计算得到当前荷电状态的预测值，由于历史荷电状态与电池测量值存在的误差，计算得到的荷电状态预测值需要进行校正；荷电状态校正方法应用电池的观测方程，代入电压传感器得到的当前电池电压的测量值与荷电状态预测值，得到荷电状态的校正值；由于电池观测方程中的参数会随着荷电状态的变化而变化，因此在计算荷电状态校正值前，先利用得到的荷电状态预测值对电池观测方程进行更新；同样，在计算得到荷电状态的校正值后，将其存储在存储单元内，同时也对下一次荷电状态计算需要的电池状态方程进行参数更新，完成一次荷电状态估算循环。如上所述，在电池运行过程中，电池荷电状态估算流程不断进行，对电池荷电状态进行不断地预测、校正与跟踪，得到的电池荷电状态信息进一步应用于电池的充放电控制与均衡管理。
故障预测单元723根据采集到的电池电压、电流、温度信息，结合参数辨识单元得到的辨识结果和状态估算单元得到的电池状态，对电池当前的可靠性进行评估，预测电池未来发生故障的概率，为电池的安全可靠运行提供参考。
充放电控制单元724根据状态估算单元和故障预测单元得出的结果，给出当前电池模块充放电电流与功率的最大容许值以及充放电计划。
均衡控制单元725根据状态估算单元得出的各个电池芯的荷电状态数据，给出当前均衡电路的工作模式，控制相应的开关管工作，实现电池芯间电压的均衡。
变换器控制单元726根据当前电池模块电压及给出的功率指令，控制变换器的电压增益及功率大小，在电力电子化智能电池模块的输出端口提供稳定可控的输出电压和充放电功率。
故障处理单元727根据采集到的电池电压、电流、温度与压力信息，对电池模块是否发生故障进行判断，当判断电池模块发生故障时，采取对应的故障处理操作，避免电池热失控的发生，同时向外界发出故障信号。
散热控制单元728根据采集到的电池与功率变换器的温度信息，控制当前风扇的转速。而当环境温度过低时，将主动控制变换器产生多余的热量，升高整个电力电子化智能电池模块的温度，避免电池由于低温而损坏。
扩容控制单元729在多个电力电子化智能电池模块串并联扩容时工作，对参与扩容的多个电力电子化智能电池模块起到整体控制作用。扩容控制单元729通过与各个智能电池模块间的信息交互，根据各个智能电池模块充放电控制单元给出的充放电功率边界条件以及各个电池模块的效率曲线，确定各个智能电池模块在扩容***中提供的充放电功率大小，实现整体的安全性最优与效率最优运行。
在线计算平台通过与大量电力电子化智能电池模块间的远程通讯，收集大量电力电子化智能电池模块在反复循环运行器件的参数与状态轨迹，通过大数据挖掘与智能算法，对各个不同工作环境下的电池的参数模型、状态估算算法、故障预测算法与充放电控制算法进行修正和优化，并将结果周期性地下发到各个智能电池模块，提升参数辨识、状态评估和故障预测的准确性和运算速度，提高智能电池模块运行的效益与可靠性。图17示出根据本发明的一个实施例的在线平台的流程图。首先，收集大量电力电子化智能电池模块在反复循环运行器件的参数与状态轨迹，包括电池电压、电流、温度数据、电池荷电状态数据、电池老化退役数据、电池故障数据等。然后，对收集的数据进行预处理、电池运行模式聚类、数据标准化、特征参数提取、划分数据集。接下来，进行回归法建模和神经网络训练，得到健康状态模型、可靠性模型和故障判据等。
通过上述实施例形成的电子化智能电池单元能够将电池管理***和功率变换器在结构与功能上进行深度融合。
第一，电路结构的深度融合。
在硬件架构上，电池管理***的测量电路、均衡电路、功率变换器的低压侧端口，均围绕电池模块进行构建，能够实现电路结构上的统一设计。电池管理***测量电池信息的电压电流传感器与功率变换器实现闭环控制所需要的电压电流传感器能够实现复用。功率变换器能够同时为电池管理***的处理器、测量电路、均衡电路提供辅助电源。电路结构上的深度融合能够减少电力电子化智能电池模块的硬件成本，带来硬件设计的紧凑性与模块化特点。
第二，信息的深度融合和交互。
为实现对电池信息的实时监测，以及对电池的参数辨识、状态估算以及故障预测和判断，电池管理***需要对电池模块的电压、电流与温度信息进行监测。同样，功率变换器为了实现高压侧电压和充放电功率的闭环控制，也需要对电池的电压与电流信息进行检测。而对于控制信息，电池管理***为了实现充放电控制，需要将充放电功率与电流的设定指令传递到功率变换器的控制单元，生成相应的调制波形后驱动功率变换器开关器件，实现对充放电功率的调节；电池管理***在判断需要智能电池模块退出运行时，除了直接控制出口继电器，也需要对功率变换器发送驱动闭锁信号。而功率变换器也需要获取电池参数辨识单元得到的电池模块等效电路参数，从而提高闭环控制的动态性能。因此电池管理***与功率变换器在信息上实现实时共享与交互，两者通过共用处理器或内存单元，能够实现上述信息的高速传递和共用，节约信息通讯开销，提升智能电池模块的信息交互速度和可靠性，对电池模块的状态改变实现实时跟踪，对外界给出的控制指令实现快速可靠的响应。
第三，热管理的深度融合。
电池模块对温度具有较高的敏感性，过高的温度将导致电池模块的加速老化、电极活性材料分解乃至电池热失控；过低的温度将导致电池容量下降、金属晶枝生长乃至隔膜破损与内短路。因此，电池管理***需要对电池模块的温度进行监测，并对出现的高温或低温情况做出及时的反应和处理。在电力电子化智能电池单元运行过程中，电池模块的内阻和功率变换器元件产生的损耗将在智能电池单元内部产生热量，需要安装散热器与风扇进行散热处理。通过硬件上的统一设计和封装，电池模块和功率传输单元能够共用散热器和风扇，减小散热器的体积、重量与成本，同时也增加每一部分的有效散热面积。在热管理上，通过围绕电池模块和功率传感器关键部位布置的温度传感器，热管理单元能够对智能电池模块的温度进行统一的管理，有效避免热量的过度累积。同时，在低温环境下运行时，热管理单元也能够控制功率变换器采用效率较低的工作与调制模式，产生多余热量，通过统一的散热封装将该部分热量提供给电池模块，避免电池模块因低温而损坏。
第四，可靠性管理的深度融合。
传统的电池模块仅具有电池监测单元，本身仅能够实现对电池模块的状态监测，在整个储能***中处于被动运行的地位，由于大容量电池储能***内仅有出口处的PCS作为功率变换器，储能***内部各个电池模块的输出功率由各个电池模块的荷电状态、开路电压和内阻抗自动分配，即使电池监测单元发现电池模块偏离正常运行状态，也无法采取有效措施改变非正常运行状况，因此容易导致电池模块长期处于过充电、过放电和过温运行，进一步加速电池的老化与损坏，降低了整个储能***的寿命和可靠性，提高了故障发生的概率。而电力电子化智能电池模块通过电池管理***和功率变换器的深度融合，使得智能电池模块能够主动地对电池模块的功率、温度进行控制和调节。当智能电池模块检测到电池模块偏离正常运行状态时，能够主动控制功率变换器，减小电池的充放电功率，避免电池处于过充电或过放电状态；当电池模块温度过高时，能够减小智能电池模块的电流，减小功率变换器和电池模块内阻的热损耗，同时提高风扇转速，降低智能电池模块的温度。根据智能电池模块的电池故障预测单元的预测结果，智能电池模块能够实时设定电池模块充放电功率的上限、峰值充放电功率的持续时间，使得电池模块始终按照高可靠性的运行模式工作，避免电池模块的老化加速以及内部损伤的不断加剧，延长电池模块的工作寿命，尽可能避免电池模块故障的发生。根据电池特性和储能电池不易受到机械损伤的特点，储能***中电池的大多数故障来自于过充电、过放电和高温与低温运行导致的电池内部结构性损伤，而这类故障往往有着较长的演变和发展过程，通过有效辨识和预测这类损伤和老化的特征，主动控制电池模块降额运行，能够有效提升电池运行的可靠性。即使当电池发生故障时，由活性材料和电解液分解产生的热量也需要一定的累积过程才会导致热失控的发生。同时，电池在故障过程中释放的总热量与电池内部存储的电量有关。因此，通过智能电池单元的主动控制，在故障发生前主动降低电池模块的运行功率和储存电荷，在故障发生时进行有效散热，控制电池模块的温度和产热量低于阈值，即可避免电池模块的热失控，提升智能电池模块运行的可靠性，避免储能***大规模故障的发生。
第五，电池测试***的深度融合。
随着电池模块在储能***内不断参与充放电循环，电池将不断老化，内部参数也将不断变换，为了避免参数辨识算法产生的误差，电力电子化智能电池模块能够利用深度融合功率变换器的特性，在电池模块在储能***中处于备用状态时，产生可控的充放电电流，模拟离线测试时的测试工况，从而在电池模块生命周期的各个阶段，均可为参数辨识单元提供测试关键参数所需要的测量样本，从而实现对关键参数变换的跟踪和辨识校准，提升智能电池模块参数辨识的准确性，为状态估算、故障预测与判断功能提供可靠的数据支撑。
通过上述实施例形成的电力电子化智能电池单元具有优异的统一性与易扩展性。
当电池模块的荷电状态和老化程度发生变化时，电池模块的开路电压和内阻抗也会相应发生变化，通过电力电子化智能电池接口，当电池模块特性发生变化时，能够主动控制功率变换器调节电压增益和控制参数，通过电池信息的快速交互和功能的深度融合，电力电子化智能电池接口能够对电力电子化智能电池模块对外的功率端口实现快速的闭环控制，保证稳定的端口电压和动态性能。因此，对于不同的电池类型、串并联规模、荷电状态和老化程度，通过电力电子化智能电池接口，能够表现出一致的接口特性。由此，在基于电力电子化智能电池单元的生产过程中，只需要保证模块内电池芯单体的一致性，而对不同模块的电池芯一致性要求则大大降低，能够有效削减电池分拣与匹配的时间成本与人工成本，大幅提高电池产品的可利用率，产生可观的经济效益。
在本发明的一个实施例中，在电力电子化智能电池单元并联扩容时，通过电力电子化智能电池接口的提供的一致的接口特性，即使各个电池模块的电池类型、容量、电压、荷电状态和老化程度不同，也能够以相同的接口电压并联在直流母线上，且由于一致的端口特性，各个智能电池模块间不会存在环流现象，能够有效提升并联扩容***的循环效率，减少功率损耗和电池环流损耗，提升***的整体效益。在并联扩容时，可以由直流母线上的并网逆变器或某一智能电池单元控制直流母线电压，其余智能电池模块按照功率分配算法输出确定的功率，维持直流母线的功率平衡，实现高效、智能的并联扩容。当某一智能电池单元由于维护、更换或故障原因需要退出运行时，其余智能电池单元只需要重新分配功率，即可实现电力电子化智能电池单元并联扩容***的正常运行，为***提供充分的可维护性、冗余性和可靠性。
图18示出根据本发明的一个实施例的基于电力电子化智能化电池单元的并联扩容***800的示意图。
请参考图18，本实施例的基于电力电子化智能化电池单元的并联扩容***800包括：N个电力电子化智能电池单元811、812…81N、直流母线820与通讯总线830。N个电力电子化智能电池单元811、812…81N可以是本发明上述实施例中公开的电力电子化智能电池单元。N个电力电子化智能电池单元811、812…81N的功率接口以并联方式连接到所述直流母线820。N个电力电子化智能电池单元811、812…81N的信息交互接口连接到所述通讯总线830，上传各个电池的状态信息与故障信息，接收对电力电子化智能电池单元的控制命令，控制电池单元的投入、切出，及传输功率的大小与方向。
在本发明的另一个实施例中，在电力电子化智能电池单元串联扩容时，通过电力电子化智能电池接口提供的一致的接口特性，即使各个电池模块的电池类型、容量、电压、荷电状态和老化程度不同，也能够以相同的端口特性实现串联，通过合理分配各个串联智能电池单元的端口电压，改变各个电池单元的功率，避免电池串联的短板效应与电池模块的过充、过放，能够有效提升串联扩容***的有效容量和实际寿命，提升***的整体效益。当某一智能电池单元由于维护、更换或故障原因需要退出运行时，该智能电池单元切除后将自身旁路，其余智能电池单元只需要调节各自的电压增益，保证串联后的母线电压不变，即可实现电力电子化智能电池单元串联扩容***的正常运行，为***提供充分的可维护性、冗余性和可靠性，实现高效、智能的并联扩容。
图19示出根据本发明的一个实施例的基于电力电子化智能化电池单元的串联扩容***900的示意图。
请参考图19，本实施例的基于电力电子化智能化电池单元的串联扩容***900包括：N个电力电子化智能电池单元911、912…91N、直流母线920与通讯总线930。N个电力电子化智能电池单元911、912…91N可以是本发明的上述实施例公开的电力电子化智能电池模块。N个电力电子化智能电池单元911、912…91N的功率接口以串联方式连接后连接到所述直流母线920。N个电力电子化智能电池单元911、912…91N的信息交互接口连接到所述通讯总线930，上传各个电池的状态信息与故障信息，接收对电力电子化智能电池单元的控制命令，控制电池单元的投入、切出，及传输功率的大小与方向。
为基于电力电子化智能电池单元的串并联扩容***设计***协调控制策略，应该满足：***协调控制策略能保证电池运行安全性，基于参与扩容的各个电池单元提供的最大允许充放电功率信息，将分配给各个电池单元的功率限制在其允许值之内；***协调控制策略能提高电池运行总体效率，基于参与扩容的提供的充放电功率与效率的数据，应用优化算法，计算得到使扩容***总体运行效率最高的功率分配方案。
基于智能化电池单元串并联***的故障保护方法，保护逻辑包括：N个电力电子化智能电池单元中某个电池单元发生故障，其故障信息首先被其自身的电池状态监测单元检测获取，同时其自身的智能电池接口完成故障电池单元的主动故障隔离；发生故障的电力电子化智能电池单元将电池故障的信息通过信息交互接口上传至通讯总线；没有发生故障的电力电子化智能电池单元的功率进行重新分配，其接收的控制命令控制电池单元的传输功率的大小与方向，实现储能***的安全可靠运行。
电力电子化智能电池单元的功率端口具有统一可控的端口特性，所以由电力电子化智能电池单元组成的串并联扩容***，具有电池模块间环流抑制能力，消除了电池模块间环流产生的损耗，故基于所述电力电子化智能电池单元的串并联扩容***，具有无模块间环流、高效率的特性。
电力电子化智能电池单元的功率端口具有统一可控的端口特性，不需要保证各个智能电池单元内电池模块的一致性，仅需要保证单个智能电池单元内电池电芯的一致性，由于单个智能电池单元功率电压较小，电芯一致性筛选难度低，故基于所述电力电子化智能电池单元的串并联扩容***，具有低筛选成本、易生产的特性。
本发明的实施例的所公开的电力电子化智能电池单元具有优异的智能化特点。
第一，电力电子化智能电池单元监测、评估的智能化。
电力电子化智能电池单元通过深度融合的传感器和控制器，能够在实际运行工况和模拟测试工况下对电池模块的特性和参数进行检测和采集，并通过先进的参数辨识算法、状态评估算法和故障预测算法对电池模块的内部参数、状态量和可靠性进行快速、准确估算。通过将大量电池数据在云端进行汇总和聚合，能够进一步通过数据挖掘与智能算法，对运行在各种实际复杂工况下的电池模块给出符合相应工况特点的电池参数模型、特征参数、老化曲线和故障预测曲线。随着智能电池单元的运行，能够根据大量数据轨迹对电池模块全生命周期的变化情况进行描绘，实现智能化的检测与评估，以及进一步的控制与管理，并由此提升电池运行的效益和可靠性。
第二，电力电子化智能电池单元故障处理的智能化。
电力电子化智能电池单元故障处理的智能化一方面体现在故障预测与判定的智能化，通过智能化的故障预测与判定算法，以及基于大数据的聚类算法，能够在故障发生的早期和之后各个阶段进行准确及时的预测和识别，特别是对于电滥用和热滥用导致的电池内部微小的结构性损伤，进行尽早的发现与识别，防患于未然。另一方面，电力电子化智能电池单元的故障处理通过与功率变换器的深度融合，能够在故障的各个阶段进行主动的管控与干预。在故障预测单元给出的电池故障概率较高时，能够主动降低智能电池单元在储能***中的充放电功率，延缓电池损伤的进一步发展，提升运行可靠性；进一步能够主动对外放电，减少自身储存电量，减少故障发生时产生的热量，减小可能造成的危害，避免电池热失控的发生，提升***整体的可靠性。同时，根据上述电力电子化智能电池模块的易扩展性，当某一电池单元的可靠性低于阈值时，能够通过扩容***的冗余性控制，迅速安排某一电池单元退出运行，并通知维护人员进行检修与维护，提高***的安全性与可靠性。
第三，电力电子化智能电池单元扩容***的智能化。
传统的电池储能***内，各个电池模块的电压与功率由电池的荷电状态、开路电压和内阻抗决定，无法主动调节与分配。而电力电子化智能电池单元组成的扩容***，除了具有良好的端口一致性与易扩展性，也具有智能化的协同特性。运行安全性与可靠性是电力电子化智能电池单元组成扩容***的首要条件，根据各个智能电池单元对自身的故障预测结果，得到自身安全可靠运行的边界条件，扩容***在进行功率或电压分配时，遵照各个智能电池单元给出的边界条件，保证***整体运行的可靠性，避免电池过充过放的发生。同时，各个智能电池单元能够根据自身辨识得到的内部参数与运行轨迹信息，给出自身在充放电情况下的效率与功率曲线，在扩容***进行功率分配时，能够在保证***安全性与可靠性的前提下，尽可能使得***整体的损耗最小、效率最高，实现安全可靠与经济高效运行的统一与结合。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (19)

1.一种电力电子化智能电池单元，包括：
电池模块，所述电池模块包括多个串联的电池芯以及用于测量所述电池芯的电压、电流、压力和/或温度的传感器；以及
智能电池接口，所述智能电池接口与所述电池模块的输出侧及传感器相连，并且所述智能电池接口对外界具有功率接口和信息接口，
其中所述电池模块监测电池芯的电压、电流、压力和/或温度信息，同时通过所述智能电池接口提供或吸收功率。
2.如权利要求1所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述智能电池接口通过信息接口传送状态信息和故障信息，并从信息接口接收控制信息，
所述智能电池接口根据所连接的电池模块的电池输出侧的电压大小，改变自身的直流电压增益，维持所述电力电子化智能电池单元的功率接口的电压稳定。
3.如权利要求1所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述传感器以下各项中的一项或多项：
布置在所述电池模块电池芯上的多个电压传感器、温度传感器和压力传感器，用于检测电池模块的电芯电压、温度和压力数据；
布置在所述电池模块内的多个电压传感器和电流传感器，检测所述电池模块输出侧的电压和电流数据。
4.如权利要求1所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述智能电池接口包括：
处理器；
调理电路，所述调理电路连接所述传感器的输出端，将所述传感器输出的电信号进行调理，形成处理器能够读取的电信号；
功率变换器，所述功率变换器与电池模块相连，根据处理器的控制实现功率的双向流动与主动控制，在所述功率接口形成稳定可控的输出电压；和
均衡电路，所述均衡电路布置在各个电池芯单体两端，通过一定的均衡算法，在处理器的控制下，均衡电路通过开关管的切换，实现电池芯单体荷电状态的均衡。
5.如权利要求4所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述功率变换器是双向隔离型直流变换器，所述双向隔离型直流变换器在正向运行和反向运行时，具有不同的电压增益表达式。
6.如权利要求5所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述功率变换器包括：
第一交直流变换电路，包括第一至第四开关管组成的第一全桥电路；
第二交直流变换电路，包括第五至第八开关管组成的第二全桥电路；以及
隔离型双向谐振网络，包括第一电感、变压器、变压器原边一侧的第一交流端口以及变压器副边一侧的第二交流端口，
其中所述第一全桥电路的两个桥臂中点分别连接隔离型双向谐振网络的第一交流端口的第一交流端和第二交流端，所述第二全桥电路的两个桥臂中点分别连接隔离型双向谐振网络的第二交流端口的第一交流端和第二交流端。
7.如权利要求6所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述隔离型双向谐振网络还包括第二电感、第一电容、第二电容、辅助电容器，第一电感和第一电容串联连接，第一电感的一端连接到第一交流端口的第一交流端，第一电容的一端连接到变压器原边的第一交流端，变压器原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端相连，变压器副边的第一交流端连接第二电容的一端，第二电容的另一端接连接第二电感的一端，第二电感的另一端接连接第二交流端口的第一交流端，变压器副边的第二交流端连接第二交流端口的第二交流端；变压器原边的绕组中间引出一抽头，在抽头和变压器原边的第二交流端之间连接有辅助电容器。
8.如权利要求6所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述隔离型双向谐振网络还包括第一电容和辅助电容器，第一电感和第一电容串联连接，第一电感的一端连接到第一交流端口的第一交流端，第一电容的一端连接到变压器原边的第一交流端，变压器原边的第二交流端与第一交流端口的第二交流端相连，变压器副边的两端口连接第二交流端口的两端口，变压器原边的绕组中间引出一抽头，在抽头和变压器原边的第二交流端之间连接有辅助电容器。
9.如权利要求4所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述功率变换器是双向非隔离直流变换器，包括第一至第四开关管、电感和第一电容和第二电容，第一开关管和第二开关管串联形成半桥，同时并联第一电容；第三开关管和第四开关管串联形成半桥，同时并联第二电容，第二开关管和第四开关管的源极相连；电感连接两个半桥的桥臂中点。
10.如权利要求4所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述智能电池接口还包括：
保护装置，所述保护装置安装在/于智能电池接口与功率接口的连接端；
散热装置，所述散热器安装在功率变换器与电池模块上，吸收两者产生的热量，增大散热面积，同时所述散热器具有统一的结构，当环境温度过低时，能够将功率变换器额外产生的热量传递到电池模块，避免电池模块由于低温而损坏。
11.如权利要求10所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述功率变换器还包含辅助电源，所述辅助电源为处理器、功率变换器的驱动电路、保护装置、散热装置和均衡电路提供电源。
12.如权利要求10所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述处理器被配置成进行以下操作中的一项或多项：
通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，利用多种参数辨识方法，对电池模块的参数模型进行辨识和校准；
通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，综合电池模块的参数模型，并利用多种荷电状态估算方法，估算并记录电池的荷电状态；
通过测量、采集和记录的电池电压、电流、压力和温度信息，结合电池荷电状态信息，综合多种电池健康状态估算模型，估算电池健康状态；
通过估算得到的电池荷电状态和电池健康状态，更新电池模块当前的等效电路模型，对电池充放电功率转换的控制器参数进行修正；
通过估算得到的电池荷电状态和电池健康状态，估算出电池当前存储的能量及电池当前充放电的功率边界，对电池充放电的功率进行控制；
将大量电池模块的电压、电流、温度、压力等状态信息及历史充放电循环记录、故障记录上传至在线计算平台，通过数据挖掘与模型训练，分析不同故障发生前一定时间内电池的状态轨迹，提取判断不同故障发生概率的特征参数，并建立特征参数与故障概率的数学模型，建立计算智能电池单元整体可靠性的数学模型，并将模型通过数据总线下发给各个智能电池单元。
评估电池的历史工作轨迹，分析存在的故障隐患，对当前电池的健康状态进行预测，预判可能发生的故障与故障类型，并给出故障预判信息；
利用自身的电压、电流、温度、压力等状态信息、历史充放电循环记录，根据故障预测模型与可靠性模型，计算电池模块当前可靠性，对于可靠性低于要求的智能电池单元，主动预警并减小功率运行；
利用自身的电压、电流、温度、压力等状态信息、历史充放电循环记录，根据故障诊断模型，判断电池当前是否发生故障；当判断电池模块发生故障时，将模块退出运行状态，并采取主动降温措施，避免模块发生热失控，同时通过通讯接口发出故障信息；
比较电压传感器得到电池模块输出侧的电压与电力电子化智能电池模块功率接口的电压，当电池模块的电量随电池放电而降低，电池模块输出侧的电压下降时，提高直流电压增益，使所述功率接口的电压保持不变；当电池模块的电量随电池充电而增加，电池模块输出侧的电压上升时，降低直流电压增益，使所述功率接口的电压保持不变；
通过电压传感器与电流传感器监测所述智能电池接口传输的功率，改变电池模块输出电流的大小与方向，使电力电子化的智能电池模块输出的功率大小和方向满足设定要求。
13.如权利要求1所述的电力电子化智能电池单元，其特征在于，所述智能电池接口与在线计算平台连接，所述在线计算平台通过与大量电力电子化智能电池模块间的远程通讯，收集大量电力电子化智能电池模块在反复循环运行期间的参数与状态轨迹，通过大数据挖掘与智能算法，对各个不同工作环境下的电池的参数模型、状态估算算法、故障预测算法与充放电控制算法进行修正和优化，并将结果周期性地下发到各个智能电池模块。
14.一种智能电池接口，所述智能电池接口与电池模块的输出侧及传感器相连，并且所述智能电池接口与功率接口和信息交互接口相连，所述智能电池接口包括：
处理器；
调理电路，所述调理电路连接所述传感器的输出端，将所述传感器输出的电信号进行调理，形成处理器能够读取的电信号；
功率变换器，所述功率变换器与电池模块相连，根据处理器的控制实现功率的双向流动与主动控制，在所述功率接口形成稳定可控的输出电压；和
均衡电路，所述均衡电路布置在各个电池芯单体两端，通过一定的均衡算法，在处理器的控制下，均衡电路通过开关管的切换，实现电池芯单体荷电状态的均衡。
15.如权利要求14所述的智能电池接口，其特征在于，还包括：
保护装置，所述保护装置安装在智能电池接口与功率接口的连接端；
散热装置，所述散热器安装在功率变换器与电池模块上，吸收两者产生的热量，增大散热面积，同时所述散热器具有统一的结构，当环境温度过低时，能够将功率变换器额外产生的热量传递到电池模块，避免电池模块由于低温而损坏。
16.如权利要求15所述的智能电池接口，其特征在于，还包含辅助电源，所述辅助电源为处理器、功率变换器的驱动电路、保护装置、散热装置和均衡电路提供电源。
17.一种由权利要求1至16中的任一项所述的电力电子化智能电池单元构成的电池***，包括：
多个所述电力电子化智能电池单元、直流母线与通讯总线。
其中所述多个电力电子化智能电池单元的功率接口以并联方式连接到所述直流母线，或者所述多个电力电子化智能电池单元的功率接口以串联方式连接后连接到所述直流母线；
所述多个电力电子化智能电池单元的信息交互接口连接到所述通讯总线，上传各个电池的状态信息与故障信息，接收对电力电子化智能电池单元的控制命令，控制电池单元的投入、切出，及传输功率的大小与方向。
18.如权利要求17所述的电池***，其特征在于，基于多个所述电力电子化智能电池单元提供的电池状态信息，确定各个电力电子化智能电池单元的功率大小，并结合所述电力电子化智能电池单元功率接口控制方法，为各个单元确定控制策略。
19.如权利要求17所述的电池***，其特征在于，当多个所述电力电子化智能电池单元中某个电池单元发生故障时，其故障信息首先被其自身的电池状态监测单元检测获取，同时其自身的智能电池接口完成故障电池单元的主动故障隔离；
发生故障的电力电子化智能电池单元将电池故障的信息通过信息交互接口上传至通讯总线；
没有发生故障的电力电子化智能电池单元的功率进行重新分配，其接收的控制命令控制电池单元的传输功率的大小与方向。
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