CN115250000A - 用于控制电池组放电的***、方法、控制器及介质 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制电池组放电的方法、***、控制器及介质。所述方法包括：接收需要的总电力需求；收集多个电池组中的每个电池组的特性数据，以建立每个电池组的第一电压‑电荷曲线；基于第一电压‑电荷曲线确定每个电池组的电压梯度；通过改变相应电池组的电荷和对应电压来控制每个电池组的所述电压梯度控制低于预定阈值，并建立第二电压‑电荷曲线；基于每个电池组的第二电压‑电荷曲线中的电荷和电压以及总电力需求，计算每个电池组的相应放电份额；以及基于所述相应放电份额，控制多个电池组放电和/或控制特定电池组保持空闲。本发明实现了多个电池组共同供应电力以满足电力需求，同时每个电池组又可以以不同的份额或速率放电。

Description

用于控制电池组放电的***、方法、控制器及介质
优先权要求及交叉引用
本申请要求在2021年4月27日提交的美国临时申请序列号17/241,528的权益，该申请的全部内容通过引用的方式合并于此。
技术领域
本公开一般涉及用于控制电池组的***和方法。更具体地，所公开的主题涉及用于例如在固定式储能应用中控制电池组放电的控制器、***、方法和介质。
背景技术
由于对环境问题如全球变暖的关注增加，清洁能源和可再生能源变得更加重要。这些能源包括太阳能和风能以及蓄电池。可再生能源是不灵活的，因为它们不能在需要满足能量消费者的变化的需求时被调度。储能***预期解决这种灵活性挑战。固定式储能***可以存储能量并且当需要时以电的形式释放能量。
发明内容
本公开提供了一种控制电池组放电的方法，包括：接收需要的总电力需求；收集多个电池组中的每个电池组的特性数据，以建立每个电池组的第一电压-电荷曲线；基于所述第一电压-电荷曲线确定每个电池组的电压梯度；通过改变相应电池组的电荷和对应电压来控制每个电池组的所述电压梯度控制低于预定阈值，并建立第二电压-电荷曲线；基于每个电池组的所述第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及所述总电力需求，计算每个电池组的相应放电份额；以及基于每个电池组的所述相应放电份额，控制所述多个电池组放电和/或控制特定电池组保持空闲。
优选地，所述控制每个电池组的所述电压梯度低于预定阈值包括以下步骤：识别最大电压梯度和所述多个电池组中的对应的第一电池组；通过改变所述对应的第一电池组的电荷和对应电压，最小化所述对应的第一电池组的所述最大电压梯度到低于所述预定阈值；以及在所述多个电池组中的剩余电池组中重复所述识别和所述最小化的步骤，以建立每个电池组的第二电压-电荷曲线。
优选地，所述控制特定电池组保持空闲包括：在特定电池组的相应放电份额趋近于零的情况下，控制所述特定电池组被保持为空闲。
优选地，所述多个电池组是异构电池组，且该异构电池组是新电池、梯次利用动力电池或两者组合形成的电池。
优选地，所述多个电池组被配置为并联连接、串联连接或以两者的组合连接。
优选地，所述控制所述多个电池组放电包括：通过随时间瞬时更新每个电池组的所述相应放电份额或速率来动态地控制所述多个电池组的放电。
本公开还提供一种用于控制电池组放电的控制器，包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个机器可读存储介质，其中所述处理器被配置为执行所述一个或多个程序以实现上述任意的用于控制电池组放电的方法。
优选地，所述控制器被配置为控制所述多个电池组释放电力到电网或负载。
本公开还提供一种用于控制电池组放电的***，该***包括：多个电池组；一个或多个电力变换器，每个电力变换器与所述多个电池组中的至少一个耦合并且被配置为对电池组的输出电流进行交直流变换；以及上述任意的控制器，该控制器耦合到所述多个电池组和所述一个或多个电力变换器，以控制所述多个电池组放电和/或控制特定电池组保持空闲。
优选地，该***还包括一个或多个电池电源管理单元BPMU，每个BPMU与一个或多个电池组连接并且被配置为监视所述一个或多个电池组并且将所述一个或多个电池组的特性数据提供给所述控制器。
优选地，所述***是电储能***，并且所述总电力需求被配置为从上层能量管理***接收。
本公开还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述任意的用于控制电池组放电的方法。
本公开提供了一种用于控制异构电池组的放电的控制器、一种包括这种控制器的蓄电池储能***、以及使用该控制器的方法。根据一些实施例，控制器、***和方法利用电压梯度偏置技术。
根据一些实施例，一种***包括多个电池组、一个或多个电力变换器和控制器。每个电力变换器与多个电池组中的至少一个耦合，并且被配置为将来自一个电池组的直流(DC)转换为交流(AC)或将来自一个电池组的AC转换为DC。控制器耦合到多个电池组和一个或多个电力变换器。在一些实施例中，该***还可以包括多于一个的控制器，并且每个控制器耦合到多个电池组。
多个电池组是异构电池组，其可以选自新电池、二次使用的电动车辆(EV)电池或其组合。多个电池组并联、串联或以其组合连接。在一些实施例中，多个电池组并联连接。
控制器包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序被配置为执行用于控制具有多个电池组的***的放电过程的步骤。在一些实施例中，这些步骤包括：接收需要从***调度的总电力需求，收集每个电池组的特性数据以建立每个电池组的第一电压-电荷曲线，基于第一电压-电荷曲线确定每个电池组的电压梯度，以及改变相应电池组的电荷和电压以便控制和/或降低每个电池组的对应电压梯度到低于预定阈值。改变的电荷和电压形成每个相应电池组的第二电压-电荷曲线。
所述步骤还包括：基于每个电池组的第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及需要调度的总电力需求来计算每个电池组的相应放电份额，以及向所述多个电池组和所述一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以用于基于每个电池组的相应放电份额或速率从所述多个电池组释放电力和/或保持特定电池组空闲。
当计算的特定电池组的放电份额或速率大约为零，或者这种电池不能用于放电以满足所需条件时，特定电池组保持空闲而不放电。这种电池组可能需要首先充电或更换。
在一些实施例中，降低和/或控制每个电池组的对应电压梯度的步骤包括以下步骤：识别多个电池组中的最大电压梯度和对应的第一电池组，并通过改变其电荷和对应电压将对应的第一电池组的最大电压梯度降低或最小化到低于预定阈值。假定多个电池组用于放电和电力调度。然后在作为多个电池组的剩余电池组的其他电池组之间重复识别和最小化最大电压梯度的步骤，以建立每个电池组的第二电压-电荷曲线。因此，为多个电池组中的每个电池组建立电压梯度分布曲线。
在一些实施例中，控制器还被配置为通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电份额或速率来动态地控制多个电池组的放电。
该***可以可选地进一步包括一个或多个电池电源管理单元(BPMU)。每个BPMU可与一个或多个电池组连接，并被配置成监视所述一个或多个电池组并将所述一个或多个电池组的特性数据提供给控制器。
在一些实施例中，所述***是电储能***。总电力需求从上级能量管理***(EMS)被提供。在一些实施例中，控制器被配置为将电力从多个电池组放电到电网或负载。在一些实施例中，电网是可选的。电力可以被放电到需要电功率的其他组件。
在另一方面，本公开提供了一种用于控制包括多个电池组的***的放电的控制器。如本文所述，这种控制器包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序被配置为执行本文所述的步骤。控制器被配置成执行以下步骤：接收需要从***调度的总电力需求，收集每个电池组的特性数据以建立每个电池组的第一电压-电荷曲线，基于第一电压-电荷曲线确定每个电池组的电压梯度，以及改变相应电池组的电荷和电压以便控制和/或降低每个电池组的对应电压梯度到低于第二电压-电荷曲线中的预定阈值。控制器还被配置为基于每个电池组的第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及需要调度的总电力需求来计算每个电池组的相应放电份额或速率，并且向多个电池组和/或一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以用于基于每个电池组的相应放电份额来从多个电池组释放电力和/或如本文所述保持特定电池组空闲。
降低和/或控制每个电池组的电压梯度的步骤包括以下步骤：识别多个电池组中的最大电压梯度和对应的第一电池组，并通过改变其电荷和对应电压使对应的第一电池组的最大电压梯度最小化到低于预定阈值。在多个电池组的剩余电池组中重复识别和最小化最大电压梯度的步骤，以建立每个电池组的第二电压-电荷曲线。
多个电池组(控制器被配置为与其耦合)是异构电池组，其选自新电池、梯次利用动力电池(包括梯次利用电动车辆(EV)电池)或其组合。多个电池组并联、串联或以其组合连接。控制器还被配置为通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电份额来动态地控制多个电池组的放电。
控制器被配置用于控制例如电能存储***中的异构电池组的放电。在一些实施例中，控制器被配置为可选地将电力从多个电池组放电到电网或负载。
在另一方面，本公开提供了一种用于通过如本文所述的其中的控制器来控制包括多个电池组的***的放电的方法。该方法包括以下步骤：接收需要从***调度的总电力需求，收集每个电池组的特性数据以建立每个电池组的第一电压-电荷曲线，基于第一电压-电荷曲线确定每个电池组的电压梯度，以及通过改变相应电池组的电荷和对应电压以提供第二电压-电荷曲线，来控制每个电池组的电压梯度低于预定阈值。
该方法还包括以下步骤：基于每个电池组的第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及需要调度的总电力需求来计算每个电池组的相应放电份额，以及基于每个电池组的相应放电份额从多个电池组释放电力。
控制和/或降低每个电池组的对应电压梯度的步骤包括以下步骤：识别多个电池组中的最大电压梯度和对应的第一电池组，并通过改变其电荷和对应电压使对应的第一电池组的最大电压梯度最小化到低于预定阈值。假定多个电池组用于放电和电力调度。然后多个电池组的剩余电池组中重复识别和最小化最大电压梯度的步骤，以建立每个电池组的第二电压-电荷曲线。
在一些实施例中，如果特定电池组的相应放电份额大约为零，或者在条件约束下不能使用，则特定电池组可以保持空闲。
多个电池组是异构电池组，其选自新电池、梯次利用动力电池或其组合。多个电池组并联连接、串联连接或以其组合连接。
在一些实施例中，指令从控制器被发送到每个电池组和/或与多个电池组连接的一个或多个变换器，用于基于每个电池组的相应放电份额进行放电。
在一些实施例中，通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电份额或速率来动态地控制多个电池组的放电过程。
本公开中提供的***、控制器和方法给出了许多优点。例如，可以使用具有不同质量的各种新的和使用过的电池组。不需要预先选择或拆除电池组。多个异构电池组共同供应电力负载以满足电力需求，同时每个电池组可以以不同的份额或速率放电。该***、控制器和方法延长了每个电池组的寿命，并且它们还提供了维护和升级***的灵活性。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不一定按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的特征。
图1是示出根据一些实施例的包括异构电池组和控制器的示例性***的框图。
图2是示出根据一些实施例的用于控制多个异构电池组的放电的示例性控制器的框图，该示例性控制器包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质。
图3示出了一些实施例中的示例性电池组的电压(V)和电荷流(Ah)之间的关系。
图4示出了根据一些实施例的电池组(Ωi)的调度份额被迭代地计算以最小化电压梯度，同时满足调度约束。
图5A-5B是示出根据一些实施例的用于控制电池组放电的示例性方法的流程图。
图6是示出根据一些实施例的用于控制电池组放电的示例性程序的流程图。
图7示出了具有不同电压的两个示例性电池组，其利用本公开中提供的程序和算法而被调度。
图8示出了与使用现有技术的相同电池组的电力调度相比，图7中的两个示例性电池组的电力调度随时间的变化。
具体实施方式
对示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在说明书中，诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对术语应被解释为指代如随后描述的或如在所讨论的附图中示出的取向。这些相对术语是为了便于描述，而不要求装置以特定的取向构造或操作。关于附着、耦合等的术语，例如“连接”和“互连”，指的是一种关系，其中结构直接地或通过中间结构间接地彼此固定或附着，以及可移动的或刚性的附着或关系，除非另外明确地描述。
为了下文描述的目的，应当理解，下文描述的实施例可以假定替代的变型和实施例。还应当理解，本文所述的具体制品、组合和/或过程是示例性的，并且不应当被认为是限制性的。
在本公开中，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，并且对特定数值的引用至少包括该特定数值，除非上下文另有明确指示。当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，特定值形成另一个实施例。如本文所用，“约X”(其中X是数值)优选是指所引用值的±10％，包括端值在内。例如，短语“约8”优选地指7.2至8.8的值，包括端值。在存在的情况下，所有范围都是包括在内的和可组合的。例如，当引用“1至5”的范围时，所引用的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1-2”、“1-2及4-5”、“1-3和5”、“2-5”等。另外，当肯定地提供了替代物的列表时，这种列表可以解释为意味着可以排除任何替代物，例如，通过权利要求中的否定限制。例如，当引用“1至5”的范围时，所引用的范围可以解释为包括其中1、2、3、4或5中的任一个被否定地排除的情况；因此，对“1至5”的叙述可以被解释为“1和3-5，但不是2”，或简单地“其中不包括2”。意图旨在：本文明确引用的任何组件、元素、属性或步骤可以明确地排除在权利要求之外，无论这些组件、元素、属性或步骤是否作为替代物列出或者无论它们是否单独引用。
公开号为2010/0285339A1的美国专利申请公开了一种用于对电化学电池***进行充电和放电的方法，所述电化学电池***例如为具有两个电池单元(cell)的锂离子电池***。基于***中定义的电荷状态(SOC)阈值来确定电池放电。在该***中对第二电池单元放电的标准是基于与第一电池单元相关联的标准，而不是其自身的状态。澳大利亚专利申请号AU2018236771B2描述了一种多源分布式储能。然而，在这种***中，在单个时间不可以操作两组电源。
中国专利申请CN110518667A公开了一种梯次利用电池并联***，包括电池模块和DC/DC电力变换模块。在这种电池模块中，多组电池组相互并联，并且每组电池组分别由若干个串联的电池组构成。电池组串联连接以在并联连接的相应电池组中提供相似的电压。该***利用DC/DC变换模块和电池模块中的电池管理模块来控制电池***。
CN110518667A中公开的这种***忽略了新的或用过的电池的种类以及串联电池组之间存在的循环电流。所公开的技术限制了这种***扩展到电网中。DC-DC变换模块是将直流(DC)源从一个电压电平转换到另一个电压电平的电子电路或机电设备。如果电池***连接到电网，则仍然需要附加的AC/DC变换器。如果诸如CN110518667A中公开的***连接到电网，则添加更多DC/DC变换模块将显著提高总DC电流并增加对AC/DC变换器的硬件要求。
本发明实施例提供了一种用于控制例如异构电池组的放电的方法和控制器以及一种包括这种控制器的***(例如电储能***)。根据一些实施例，控制器、***和方法利用电压梯度偏置技术。可以同时对多个电池组放电。多个电池组的放电和调度份额或速率的优先级由本文所述的电压偏置确定。
本发明实施例的目的之一在于建立一种基于从电池组收集的电流(或历史电流的插值)和电池组电压的数据对多个电池组放电的方法。这样的数据被用于建立电压-电荷曲线，每个电池组的电压梯度基于该曲线而被计算。电压梯度提供了对这种电池组的电荷状态及其提供能量的能力的测量。显示较低电压梯度的电池组被优先调度以提供比在较高电压梯度的电池组更高的电力。
电力调度(放电)是电荷流和电压的函数。对于相同量的电荷流，与高电压梯度相比，较低的电压梯度提供更稳定的能量供应。早期的方法没有考虑电压梯度对能量调度的决定的影响。此外，还没有考虑到电池组的电压梯度的不均匀性。
本发明实施例提供了一种在固定式储能应用中适当地利用例如异构电池组的控制器、***和方法，该异构电池组诸如来自不同制造商的新电池或梯次利用动力电池(如梯次利用电动车辆(EV)电池)或两者的结合。每个电池组根据其特性(例如电压梯度)单独工作。不需要预先选择或拆卸电池组。
本发明实施例的一个益处是有效地管理电池组的多样性，例如新电池、梯次利用EV电池或它们在固定式储能应用中的组合。可以提高在多电池组***中更强(更健康)的电池组的利用率。EV电池组的寿命长度可以被均匀化，并且***的整体寿命可以被延长。提高了电池储能***(BESS)的可靠性、稳定性和安全性。
本发明实施例中提供的控制器、***和方法适用于不同的电池组，该电池组例如是异构电池组。本文所提及的“异构电池组”是指具有不同容量、电荷状态(SOC)、健康状态(SOH)和/或电压梯度的电池组或模块，并且可选自新电池(例如，来自不同制造商)、梯次利用动力电池(梯次利用EV电池)、或它们的组合。梯次利用EV电池用于说明目的。对多个电池组的“放电”或“充电”的引用被理解为多个电池组共同放电或被充电，同时一些电池组可以保持空闲(没有充电或放电)是可能的。
除非另外明确指出，否则本文所提及的“健康状态(SOH)”将被理解为是指电池、电池单元或电池组的状况与其理想状况相比的品质因数。SOH以百分比(％)表征。理想条件下与规格匹配的条件是100％。SOH可以随着时间和使用而减少。
除非另外明确指出，否则本文所述的“电荷状态”(SOC)被定义为电池相对于其容量的电荷水平。SOC的单位是百分点，0％表示空，100％表示满。
本文使用的术语“人机接口(HMI)”被理解为指用户接口(UI)，其是人和机器之间发生交互的空间。人机接口(HMI)可以涉及具有物理输入硬件的人机之间的接口，所述物理输入硬件诸如键盘、鼠标或基于触觉、视觉或听觉的任何其他人机交互。这样的用户接口可以包括其他层，例如输出硬件，例如计算机监视器、扬声器和打印机。
本文所使用的术语“能量管理***(EMS)”是指由公用电网的操作者用来监视、控制和优化发电或输电***的性能的计算机辅助工具的***。
在本发明实施例中，术语“电力需求”和“电力要求”可互换使用，并且术语“变换器”和“逆变器”可互换使用。每个电池组包括逆变器和其中的电池管理单元(BMU)。为了便于描述，术语“电力逆变器”或“AC/DC电力变换器”用于描述电池组中的内部组件，术语“电力变换器”或“电力变换***(PCS)”用于描述与一个或多个电池组连接的变换器。术语“电池管理单元(BMU)”或“电池管理***(BMS)”用于描述电池组中的内部组件，并且术语“电池电源管理单元(BPMU)”用于描述与一个或多个电池组连接的电池管理单元。
在本发明实施例中，术语“电力”、“功率”和“能量”可互换使用，并且能量以时间单位描述。能量和电力可以随时间变换。
除非另外明确指出，否则本文所使用的术语“连接”或“耦合”被理解为涵盖组件之间或组件中的不同连接或耦合，以便传导电力或传输用于通信的信号。这种连接或耦合可以通过有线、无线或基于云的模式。
在图1-2中，相同的项由相同的附图标记表示，并且为了简洁，不再重复以上参照前面的附图提供的结构的描述。参考图1-2中描述的示例性结构和图4、7-8中描述的数据绘图或草图来描述图5-6中描述的方法。
参考图1，示例性***100包括一个或多个电力变换器10、多个电池组20和控制器60。图1中的每个组件的数量和配置仅用于说明。该***可以以任何合适组合或配置的形式而具有任何合适数量的每个组件。
每个电力变换器10与多个电池组20中的至少一个耦合，并且被配置为将来自电池组的直流(DC)变换为交流(AC)或将来自一个电池组的AC变换为DC。电力变换器10也可以称为电力变换***(PCS)或逆变器。
控制器60耦合到多个电池组20和一个或多个电力变换器10。在一些实施例中，***还可以包括多于一个的控制器60，并且每个控制器60耦合到多个电池组20。
控制器60可以直接或间接地耦合到多个电池组20。例如，在一些实施例中，示例性***100可以可选地进一步包括一个或多个电池电源管理单元(BPMU)，其也可以被称为电池管理单元(BMU)。每个BPMU 30可与一个或多个电池组20连接，并被配置成监视一个或多个电池组20，并将一个或多个电池组20的特性数据提供给控制器60。在一些实施例中，控制器60被配置成从每个电池组20读取数据。这可通过与每个电池组连接的每个相应BPMU 30来完成。
多个电池组20是异构电池组，其可以选自新电池、梯次利用EV电池或其组合。多个电池组20并联连接、串联连接或以其组合连接。在一些实施例中，多个电池组20并联连接。电池组之间没有串联连接，消除了循环电流和损耗。
如图1所示，多个电池组20以并联配置连接。在一些实施例中，多个电池组20是梯次利用(即，使用过的)电动车辆(EV)电池。所用的EV电池可直接用于***中，而无需预先选择或拆卸。每个电池组20包括一个或多个电池。每个电池组20可以包括内部电池管理单元(BMU)和内部逆变器。EV电池组20从车辆移除并且不被拆卸成模块。可以对这些EV电池组20进行简单的测试以验证它们的SOH。
在一些实施例中，示例性***100是电储能***。控制器60被配置成接收从上层能量管理***(EMS)110提供的总电力需求。在一些实施例中，控制器60被配置为将电力从以直流形式的多个电池组20放电到以交流形式的电网或负载85。示例性***100可用于将电力从电池组20放电到电网85，或用于从电网85充电到电池组20。可使用电线连接12。图1中的虚线13示出了替代的电力电缆。在变换器10和电池组20之间可以存在多个电力电缆拓扑。***100直接使用具有尺寸扩展灵活性的并网AC/DC变换器10。并网应用不需要额外的电力变换***。
在一些实施例中，电网85是可选的。电力可以被放电到需要电功率的其他组件。
控制器60可以以有线或无线模式与其他组件连接。在图1所示的示例性***100中，控制器60可经由数据电缆或无线连接22与诸如变换器10、BPMU 30和EMS 110的其他组件连接。BPMU 30还可经由数据电缆或无线连接22与电池组20连接。控制器60可在基于云的模式下工作。
每个电池组20可通过一组自动DC断路器(未示出)连接到电力变换器10(或变换器10上的独立DC端口)，该组自动DC断路器激活和控制电池组20和变换器10之间的连接。变换器10通过遵循来自控制器60的指令控制是否对单个EV电池组20充电或放电。
参考图2，控制器60包括一个或多个处理器62和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序被配置为执行用于控制具有多个电池组的***的放电过程的步骤。控制器60、处理器62和/或程序74可以是变换器10的外部设备，或者是变换器10内部的内部设备。
(一个或多个)处理器62可包括中央控制器64，其包括参数输入模块66、模型模块68、参数控制模块70以及信息和指令模块72。参数输入模块66与电池组20相协调，可选地与BPMU 30和HMI或EMS 110相协调，以从电池组20读取数据并从HMI或EMS 110读取电力需求。参数输入模块66还与每个电力变换器10相协调。参数控制模块70与每个电力变换器10和每个电池组20相协调，并且可选地与BPMU 30和HMI或EMS 110相协调以控制放电过程。与一个或多个程序74一起，模型模块68被配置成基于输入参数执行模拟，以向参数控制模块70和信息和指令模块72提供信息和指令。处理器62可以可选地与一个或多个显示器76连接，以用于显示来自模块72的信息和指令，并显示给操作者。
具有程序74的控制器60和处理器62被配置成执行如本文所述的放电或充电步骤。如图5-6中所述，在一些实施例中，控制器60被配置成执行包括以下的步骤：接收需要从***100调度的总电力需求(D)，收集每个电池组20的特性数据以建立每个电池组20的第一电压-电荷曲线，基于第一电压-电荷曲线确定每个电池组的电压梯度，以及改变相应电池组20的电荷和电压以便在第二电压-电荷曲线中控制和/或降低每个电池组的对应电压梯度至低于预定阈值(ε)。该步骤还包括：基于每个电池组20的第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及需要调度的总电力需求来计算每个电池组20的相应放电份额，以及向多个电池组20和一个或多个电力变换器10提供具有指令的信号，以基于每个电池组的相应放电份额或速率从多个电池组20释放电力和/或保持特定电池组空闲。放电或调度份额是指电池组放电的电力或能量在电力需求(D)中的百分比。放电或调度速率是指每单位时间放电的电力或能量。
当计算的特定电池组的放电份额或速率大约为零，或者这种电池不能用于放电以满足所需条件时，特定电池组保持空闲而不放电。这种电池组可能需要首先充电或更换。
在一些实施例中，改变相应电池组20的电荷和电压以便控制和/或降低对应电压梯度的步骤包括以下步骤：识别多个电池组中的最大电压梯度和对应的第一电池组，以及通过改变其电荷和对应电压将对应的第一电池组的最大电压梯度降低或最小化到低于预定阈值(ε)。假定多个电池组20用于放电和电力调度。然后，在作为多个电池组20的剩余电池组的其他电池组之间重复识别和最小化最大电压梯度的步骤，以建立每个电池组20的第二电压-电荷曲线。从而，为多个电池组20中的每个电池组建立电压梯度分布曲线。
在一些实施例中，控制器60还被配置为通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电份额或速率来动态地控制多个电池组的放电。
本发明实施例提供了一种如本文所述的控制器，用于控制包括多个电池组的***的放电。控制器被配置用于控制例如电储能***中的异构电池组的放电。
本发明实施例还提供了一种用于通过如本文所述的其中的控制器来控制包括多个电池组的***的放电的方法。这种方法用于调度具有不同健康状况的电池组，以提供一致且持久的调度简档。该方法依赖于各个电池组的电压梯度加权放电，以在最大化能量输出的同时提供对电荷吞吐量的最小影响。另外，这改进了***的管理，包括对较弱电池(即，在正常放电期间表现出电压急剧下降的电池)的操作。
对于大多数电池化学，健康电池在正常充电或放电窗口期间表现出很小的电压下降。因此，放电过程中的电压降是电池健康问题的指示。该方法依赖于使用放电过程期间的电压降来动态地评估电池组的健康状况，并利用该梯度来偏置来自每个电池组的调度。通过电池组的使用寿命，降低的吞吐量导致寿命和性能的提高。
图3-4用于说明该方法的原理和控制器60中使用的程序。
参考图3，示出了在放电过程期间示例性电池组的电压与电荷流的曲线。输入参数可以包括电压、电流和时间。从电流和经过的时间计算电荷或电荷流(Q)。电压具有伏特(v)的单位，并且电荷流具有安培乘以小时(Ah)或库仑的单位。如图3所示，Vmax是当这样的电池组被完全充电或处于其最大允许充电电平时它的电压。Vmin是当这样的电池组耗尽电荷或达到其最小允许充电电平时该电池组的电压。
电压-电荷曲线可以在恒定放电电平下经验性地生成，同时在放电周期内监视电流，直到电压下降超过用户定义的最小限制(Vmin)，如图3中的垂直虚线所示。电流和电压随着充电时间的增加而遵循相同或类似的趋势。不同的放电速率可产生用于相同电池组的不同电压放电曲线。当电压在放电期间降低超过Vmin时，这种电池组显示出明显更高的电压梯度并且更快地耗尽。以(V-Vmin)/(Vmax-Vmin)定义的参数V*是电池的放电容量的指标。该参数从0到1变化。参数越高，该电池组能够进一步放电的程度越高。
参照图4，电压梯度
Figure BDA0003505284790000161
由等式(1)定义：
Figure BDA0003505284790000162
电压梯度是电压降除以电池组的对应放电量。这是放电对电池剩余容量的影响的指标。较小的值被认为是较好的。在一般表达式中，电压梯度或电池电压的梯度由以下等式(2)定义：
Figure BDA0003505284790000171
其中ΔQi是来自第i个电池组的放电，而ΔVi是其导致的电压降。
异构电池组具有变化的电压-电荷-时间特性。在本发明实施例中提供的方法中，算法将放电偏置到示出较低电压过充电(voltage-over-charge)梯度的电池组。换句话说，一个目的是使如等式(1)或(2)中定义的电池电压的梯度最小化。具有较低电压梯度的电池组用于以较高优先级放电。对于每个电池组，控制器60被配置为迭代地选择最优放电量(例如，Q2或ΔQ)，其转化为整个***的电力需求(D)中的放电份额(Ωi)，以便降低和/或控制电压梯度
Figure BDA0003505284790000172
)。每个电池组的电压梯度被最小化。这种低电压梯度的这种效果在***中的所有异构电池组上相加。这保证了相同的电荷吞吐量的更好的稳定性，同时使得更容易满足传递到具有多个电池组的***的调度电力命令。
使用等式(3)计算电池组的总电力需求(D)中的放电份额(Ωi)：
Figure BDA0003505284790000173
总电力需求(D)是单位时间内所需的总能量。V是从V1到V2的最小区间中的电压电平。Q2-Q1是放电(ΔQ)。放电份额可以以百分比表示，并且可以基于单位时间和对应的放电量被转换成对应的放电速率。
图4示出了如何迭代地计算调度份额(Ωi)以在满足调度约束的同时最小化电压梯度。通过每次迭代，选择新的Q2，并且计算新的Ωi，直到所有总
Figure BDA0003505284790000174
最小化。以下等式定义了模型和约束。
对于***中的多个电池组(总共n个电池组)，放电份额的总和等于1，如等式(4)所示：
Figure BDA0003505284790000181
降低每个电池组的电压梯度的操作可以以不同的时间间隔迭代多次。在一定次数的迭代下的对应电压梯度可以使用等式(5)来计算：
Figure BDA0003505284790000182
等式(5)是针对第i个电池组和第k次迭代。在特定时间的电池组的放电份额可以使用等式(6)来计算：
Figure BDA0003505284790000183
等式(6)是针对第j个时间的第i个电池组。对于多个电池组，放电的总量等于总电力需求(D)，如等式(7)所示：
Figure BDA0003505284790000184
等式(5)和(6)指示计算各个电池组的调度的方法。在一些实施例中，识别每个电池的最大调度(放电)。等式(7)或等式(4)指示调度约束。放电能量被假定为在单位时间内被递送。因此，出于调度目的，能量与电力同义。输出参数包括每个电池组的放电份额或速率。
***100包括与连接到电网或微电网85的双向变换器(或逆变器)10集成的异构电池组20，其可以使用在本地或基于云的控制器60中运行的智能算法来远程地或本地地调度。假定存在激活/收集来自电池组的数据聚合***，但这不是必需的。
在一些实施例中，算法需要电压-电荷梯度曲线的先验知识，其可以在试运行期间获取并且随后随着电池组由于使用/不使用而老化或磨损而更新。
图5A-图5B示出了根据一些实施例的用于控制***100中的多个电池组20的放电的示例性方法200。多个电池组20例如是异构电池组，其选自新电池、梯次利用EV电池或其组合。多个电池组20并联连接、串联连接或以其组合连接。
参考图5A，在步骤202，控制器60接收需要从***100调度的总电力需求。如本文所述，可从EMS 110接收总电力需求。
在步骤204，收集每个电池组20的特性数据，以建立每个电池组20的第一电压-电荷曲线。该曲线中的电压和电荷可以被称为第一组值或初始值。如上所述，图3中示出了示例性曲线。每个电池组的电压-电荷(Amp-hr)特性可以经验性地获得或针对一组频繁遇到的放电速率导出。这提供了一族曲线，其可以用于跟踪给定调度事件的电池组的电压轨迹。
在步骤206，基于第一电压-电荷曲线确定每个电池组20的电压梯度。如图4中所述，等式(1)或(2)可以用于计算电压梯度。
在步骤210，通过改变各个电池组的电荷和对应电压，每个电池组的电压梯度可以被控制和/或降低到低于预定阈值(ε)。该电荷和电压与初始值相比可以被称为第二电荷和第二电压，其提供第二电压-电荷曲线。所得到的电压梯度可以被称为第二或最终电压梯度。
在一些实施例中，用于控制和/或降低每个电池组的对应电压梯度的步骤210包括如图5B所示的步骤222、224和226。
在步骤222，假定***100中的所有多个电池组20都用于放电和电力调度。在多个电池组中识别最大电压梯度和对应的第一电池组。
在步骤224，通过改变其电荷和对应电压，对应的第一电池组的最大电压梯度被降低或最小化。例如，在一些实施例中，电压梯度被控制为低于预定阈值(ε)。
在步骤226，然后在多个电池组20的剩余电池组中重复识别最大电压梯度和最小化最大电压梯度的步骤(步骤222和224)，以建立每个电池组的第二电压-电荷曲线。如图4所述，可以使用等式(5)、(6)和(7)。
预定阈值(ε)可以是基于电池组类型的任何合适的数值。如图3所示，适当的放电范围在Vmax到Vmin的范围内。在一些实施例中，当电压为伏特且电荷为安培*小时(Ah)时，合适的预定阈值(ε)可在小于2的范围内，例如0-1.5、0-1、0-0.5。
返回参考图5A，在步骤212，基于每个电池组的第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及需要调度的总电力需求来计算每个电池组的相应放电份额。可以如上所述使用等式(3)或(6)。
在步骤214，基于每个电池组的相应放电份额，从多个电池组释放电力。从控制器60向每个电池组20和/或与多个电池组20连接的一个或多个变换器10发送指令，以基于每个电池组20的相应放电份额进行放电。在一些实施例中，如果特定电池组20的相应放电份额大约为零，或者在条件约束下不能使用，则该特定电池组20可以保持空闲，。
在一些实施例中，通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电份额或速率来动态地控制多个电池组的放电过程。
参考图6，示例性框图300示出了在一些实施例中根据方法200使用的步骤和算法。每个框表示一个步骤或标准。
在框或步骤302中，接收总电力需求(即，总调度电平)(D)。在框304中，对于一组频繁遇到的放电速率，获得或导出每个电池组的电压-电荷特性。对于***100中的多个(n个)电池组，将获得一族(N)这样的曲线。在框306中，假定在所有多个电池组之间的调度分布。
在框308中，计算曲线中每个电池组的电压梯度。在框310中，创建所有电池组的电压梯度分布图，并且识别具有最大电压梯度的电池组。并且，电压梯度降低到适合放电的合适等级，这也有利于电池寿命。通过基于在框304中获得的曲线改变电荷和对应电压，最大电压梯度被降低或最小化到低于特定阈值(ε)。在框312中，如果这种电池的电压梯度被降低或最小化到低于特定阈值(ε)，则电池组针对调度份额或速率(图5A的步骤212)而被分配。从框306到框312的过程可以循环重复(图5A的步骤210和图5B的步骤222到226)。这种方法用于降低其他电池组的梯度，除非它们低于阈值(ε)，保持如等式(7)所示的调度约束。换句话说，控制器60中的程序搜索放电速率的组合，使得
Figure BDA0003505284790000211
低于阈值(ε)。
作为输出，调度份额被分配给每一和每个电池组。如果放电速率改变，则将使用替代曲线来生成电压分布。
如图6所示，在一些实施例中，在电池组管理***获得调度能量需求之后，假定调度在各电池组之间的初始分布。通过在维持固定的总调度的同时在电池组之间重新分布调度，最大梯度被最小化到低于用户定义的参数(ε)。一旦最大电压梯度被最小化，则计算各个电池组调度能量。即使电池组很大，由于较高的电压梯度，其调度能量也可能很低。而如果较小电池的电压梯度较低，则来自该较小电池的调度能量可能较高。在任何情况下，控制器60中的程序确保每个电池组的最大调度容量从未被违反。
在某些情况下，在电压大幅下降的情况下，特定于电池组的时间约束可用于迫使特定电池组以更快或更慢的速率调度或停止放电。在一些实施例中，为了降低由于电压变化引起的电池组内的调度分布的突然变化，可以使用窗口平均(而不是瞬时)来计算Ωi：
Figure BDA0003505284790000212
在一些实施例中，为了降低由于快速移动电压曲线而引起的波动，可以应用窗口平均来计算可以使用预定义移动窗口上的平均电压。
如图6所示，对于每个新的调度重复这些步骤。
所有电池组需要以不同的放电速率循环以获得特性曲线。大多数电池***收集(或提供)电压和电流读数。这些用于计算电荷和能量流。
图7示出了两个示例性电池组，电池组A和电池组B，其中不同的电压-电荷特征由本发明实施例中提供的程序和算法来调度。两个电池组是相同的品牌。
图8示出了两个示例性电池组的电力调度随时间的变化。电力需求是6000瓦。虚线A1和B1示出了使用现有技术的相同电池组，其中两个电池组首先以几乎相同的份额放电，直到弱的电池组A消失并且电池组B必须执行所有的放电需要。以这种方式放电导致两个电池组的大的应力和退化。
线A2和B2示出了基于本发明实施例中提供的控制器和方法实现的新轨迹，以演示电池组的性能。该方法基于电压差来管理调度的按比例份额。具有较低电压的电池组A以较低的电力份额被调度。降低的放电导致较低的退化和电池组之间的平衡性能。
本发明实施例中提供的***、控制器和方法提供了许多优点。例如，可以使用具有不同质量的各种电池组，例如使用过的EV电池组。不需要预先选择或拆除电池组。如果一个电池组和/或一个变换器不能响应，则***仍然具有供应电力负载以满足电力需求的能力。该***、控制器和方法延长了每个电池组的寿命，并且它们还提供了维护和升级***的灵活性。
本文描述的方法和***可以至少部分地以计算机实现的过程和用于实践这些过程的装置的形式来体现。所公开的方法还可以至少部分地以用计算机程序代码编码的有形非暂时性机器可读存储介质的形式来体现。介质可以包括例如RAM、ROM、CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM、硬盘驱动器、闪存或任何其他非暂时性机器可读存储介质或这些介质的任何组合，其中，当计算机程序代码被加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实践该方法的装置。所述方法还可以至少部分地以计算机的形式来体现，计算机程序代码被加载到所述计算机中和/或在所述计算机中被执行，使得所述计算机成为用于实践所述方法的装置。当在通用处理器上实现时，计算机程序代码段配置处理器以创建特定的逻辑电路。所述方法可以可选地至少部分地在由用于执行所述方法的专用集成电路形成的数字信号处理器中体现。计算机或控制单元可以使用基于云的***远程地操作。
尽管已经根据示例性实施例描述了本主题，但是本主题不限于此。相反，所附权利要求应当被宽泛地解释为包括本领域技术人员可以做出的其他变型和实施例。

Claims (12)

1.一种控制电池组放电的方法，其特征在于，所述方法包括：
接收需要的总电力需求；
收集多个电池组中的每个电池组的特性数据，以建立每个电池组的第一电压-电荷曲线；
基于所述第一电压-电荷曲线确定每个电池组的电压梯度；
通过改变相应电池组的电荷和对应电压来控制每个电池组的所述电压梯度控制低于预定阈值，并建立第二电压-电荷曲线；
基于每个电池组的所述第二电压-电荷曲线中的电荷和电压以及所述总电力需求，计算每个电池组的相应放电份额；以及
基于每个电池组的所述相应放电份额，控制所述多个电池组放电和/或控制特定电池组保持空闲。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制每个电池组的所述电压梯度低于预定阈值包括以下步骤：
识别最大电压梯度和所述多个电池组中的对应的第一电池组；
通过改变所述对应的第一电池组的电荷和对应电压，最小化所述对应的第一电池组的所述最大电压梯度到低于所述预定阈值；以及
在所述多个电池组中的剩余电池组中重复所述识别和所述最小化的步骤，以建立每个电池组的第二电压-电荷曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制特定电池组保持空闲包括：
在特定电池组的相应放电份额趋近于零的情况下，控制所述特定电池组被保持为空闲。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个电池组是异构电池组，且该异构电池组是新电池、梯次利用动力电池或两者组合形成的电池。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个电池组被配置为并联连接、串联连接或以两者的组合连接。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述控制所述多个电池组放电包括：
通过随时间瞬时更新每个电池组的所述相应放电份额或速率来动态地控制所述多个电池组的放电。
7.一种用于控制电池组放电的控制器，其特征在于，包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个机器可读存储介质，其中所述处理器被配置为执行所述一个或多个程序以实现权利要求1至6中任意一项所述的方法。
8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述控制器被配置为控制所述多个电池组释放电力到电网或负载。
9.一种用于控制电池组放电的***，其特征在于，该***包括：
多个电池组；
一个或多个电力变换器，每个电力变换器与所述多个电池组中的至少一个耦合并且被配置为对电池组的输出电流进行交直流变换；以及
权利要求7或8所述的控制器，该控制器耦合到所述多个电池组和所述一个或多个电力变换器，以控制所述多个电池组放电和/或控制特定电池组保持空闲。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，该***还包括一个或多个电池电源管理单元BPMU，每个BPMU与一个或多个电池组连接并且被配置为监视所述一个或多个电池组并且将所述一个或多个电池组的特性数据提供给所述控制器。
11.根据权利要求9或10所述的***，其特征在于，所述***是电储能***，并且所述总电力需求被配置为从上层能量管理***接收。
12.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求1至6中任意一项所述的方法。
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