CN115666999A - 模块化能量存储*** - Google Patents

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Abstract

一种能量存储***具有至少一个N个模块的串，其中每个模块包括能量存储装置和用于将所述能量存储装置串联连接到所述串中或用于提供短路的开关单元。所述能量存储***还包括控制器，所述控制器被配置为在ESS的带载操作期间执行以下步骤：改变模块的至少一个开关单元的状态；测量所述模块的所述能量存储装置处的电流和电压，以及至少基于通过所述串的电流和在开关单元的状态的改变之前和之后测量的所述电压的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。

Description

模块化能量存储***
技术领域
本发明涉及能量存储***ESS以及用于确定在所述ESS中采用的能量存储装置(例如电池)的特性的方法。这样的特性可以是健康状态SOH、电荷状态SOC或等效电路图元件。
背景技术
基于例如电池的能量存储***具有大范围的应用，诸如电动汽车、便携式电子装置或智能电网应用。这样的能量存储***包括至少一个能量存储装置，例如电池。由于电池是复杂的电化学***，因此难以窥视电池的内部状态。然而，可以通过测量来估计电池的状态，并且预测电池是否可以继续使用、如何使用以及使用多长时间。
为了表征电池动态，使用例如电化学阻抗谱EIS或评估由于矩形电流脉冲引起的电压响应的方法。
电池的健康状态SOH表示电池的仍然可用容量与新电池的标称容量的比率。新电池的可用容量通常是通过根据CC-CV方法测量在一个完全充电和/或完全放电循环期间的总电荷流量获得的，在该CC-CV方法中电池首先以恒定电流CC充电(或替代地放电)，直到达到指定电压。在该时间点处，电压被保持恒定CV，从而允许电流减小。当电流下降到指定阈值以下时，电池被视为被完全充电(放电)，并且充电(放电)过程终止。替代地，使用内部电阻的上升以基于EIS或基于由于矩形电流脉冲引起的电压响应来确定SOH。
由于电池通常包括串联和/或并联硬接线电池单元，因此需要在执行此类表征方法之前将整个电池置于维护模式。
DE 10 2014 110 410 A1公开了一种用于测量模块化多电平转换器MMC中的模块的电容的方法。还暗示MMC构成能量存储***。
US 2011/0089907 A1公开了一种原位电池健康检测器和寿命终止检测器。公开了通过以下方式来确定电池的老化：向电池施加脉冲负载并且通过在脉冲负载期间测量电池的电压来确定电池的阻抗。该***基于该阻抗来评估电池的健康。还公开了脉冲负载被施加到电池，例如，从一个或多个部件、充电器和/或专用负载生成设备或电路。
发明内容
本发明解决的问题是：提供一种能量存储***，该能量存储***允许对在ESS的操作期间的集成能量存储装置进行表征；以及提供该能量存储***的操作方法，该操作方法确定在ESS的操作期间能量存储装置的特性。
在独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
在下文中，提供了概要以便以简化形式介绍精选的代表性概念，下文在详细描述中进一步描述了所述概念。
实施方案涉及一种基于多电平转换器的概念的能量存储***ESS。该ESS包括互连到至少一个串(string)的多个模块。每个模块包括能量存储装置和用于将该能量存储装置切换进该ESS的串的电流路径或切换出该ESS的串的电流路径的开关单元。多个串联连接的能量存储装置提供该ESS的串的输出电压和输出电流，其中该ESS可以包括一个或多个串。每个串具有两个端或端子A和B，而这些端子之间的电压在本文中被命名为VAB。
因此，多个模块和能量存储装置的不同切换星座(constellation，群组)——其中所选择的能量存储装置在电流路径中并且其余的能量存储装置在电流路径之外——导致提供如下输出电压的不同的模块配置：所述输出电压可以随时间改变并且可以是正弦波输出电压的阶梯形(staircase-shaped)近似。
串的N个可用模块中的M个模块的子集(M、N是整数，其中N＞1)可以串联连接到公共电流路径中。串联连接可以包括一个或多个能量存储装置以相反极性的连接。能量存储装置进出电流路径的切换可以由向开关单元提供开关信号的控制器来控制。该控制器可以是ESS的一部分或单独的单元。它可以是中央控制器或包括每个模块内的控制单元的分布式控制器。所述控制器可以被配置为在ESS的正常操作期间(意味着在ESS连接到负载或电源期间)执行以下步骤：通过将模块P的能量存储装置P(P∈N)切换进电流路径或切换出电流路径来改变串联连接，从而限定该串的改变的输出电压；测量通过能量存储装置P的电流I和能量存储装置P处的电压VmP，并且至少基于在切换能量存储装置P之前和之后测量的电流I以及所述电压VmP的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。
在一个实施方案中，不同的能量存储装置可以在不同的时间被切换进电流路径中以形成正弦输出电压。由于串的串联连接的所有能量存储装置提供相同的电流，因此单个能量存储装置的负载取决于其接通时间，该接通时间是某个能量存储连接到电流路径中的时间。通过在串的能量存储装置中的某个时间段内均匀地分布可用模块的与特定输出电压对应的接通时间，可以均匀地平衡能量存储装置。通过修改此分布，各个能量存储装置可能不平衡或进入特定的操作状态。
在一个实施方案中，使用四象限开关单元，其进一步允许以相反极性将能量存储装置切换到电流路径中，从而降低ESS的绝对输出电压。因此，输出电压不仅由串联连接的能量存储装置的选择限定，而且由每个串联连接的能量存储装置的极性限定。此附加的自由度允许以与其他相比以相反的方式加载特定模块或同样地加载能量存储装置，这意味着这样的模块可以被充电，而其他模块被放电在负载上。
在一个实施方案中，可以在ESS的带载(on-load)操作期间利用负载状况和/或其他模块的可用能量来完成模块的充电或放电以实现用于确定模块的能量存储装置的特性的必要测量。
在一个实施方案中，至少两个能量存储装置可以并联连接，这不影响输出电压，但是将串电流分布到至少两个能量存储装置。因此，可能存在通过并联连接另一个能量存储装置来控制通过特定能量存储装置的电流幅度的可能性。
简单地说，存在至少三种模块配置可能性可用于生成ESS串的特定的输出电压，并且管理通过一个或多个能量存储装置的负载电流。
通过改变模块配置，可以将电流改变或更确切地说电流转变施加到特定的能量存储装置P，从而产生相应的电压响应。在模块配置被改变之前和之后测量通过能量存储装置P的所述电流和能量存储装置P处的所述电压响应的随时间的改变，以表征所述能量存储装置P的当前状态。在一个实施方案中，可以进行对电流的连续测量。
一个实施方案涉及一种用于确定在能量存储***ESS的带载操作期间所述ESS中包含的至少能量存储装置的特性的方法。该ESS包括多个模块，其中每个模块包括能量存储装置和开关单元。在所述方法的第一步骤中，多个模块的子集可以借助于所述开关单元连接到一个模块配置中，根据该模块配置，模块的子集的相应的能量存储装置串联连接到电流路径中，从而提供该ESS的输出电压。在所述方法的第二步骤中，通过将至少一个模块的能量存储装置P切换进电流路径或切换出电流路径来改变该模块配置。以此方式，可以将电流改变或更确切地说电流转变施加到能量存储装置P，从而产生相应的电压响应。最后，至少基于在切换能量存储装置P之前和之后测量的通过能量存储装置P的电流和在能量存储装置P处测量的电压的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。
特性可以表示所述能量存储装置P的当前状态，诸如等效电路图的参数、内部电阻、SOH、SOC、温度等。
在一个实施方案中，对能量存储装置P的特性的确定可以还基于能量存储装置P的估计的SOC和/或温度。
在一个实施方案中，对电流I和/或电压VmP的测量可以在模块中本地完成。测量值可以例如通过总线、网络或无线电链路转移到控制器。
电流和/或电压可以被连续地测量，并且可以在切换发生之前、在切换发生时和在切换发生之后以更高的测量速率测量。测量可以直接在模块级处或在串级处进行。当在串级处时，可以根据在相应的模块处发生的切换事件的定时(timing，特定时间)来计算模块内的作为时间的函数的电流。
在一个实施方案中，所述控制器可以被配置为基于能量存储装置P的估计的电荷状态SOC来确定该能量存储装置的特性。所述特性可以包括等效电路图的一个或多个参数，所述一个或多个参数可以是基于通过测量由电流转变触发的电压响应而确定的能量存储装置P的阻抗评估的。SOC可以通过安培小时计来估计，其中用于估计的合适的起始点可以通过使能量存储装置P不平衡直到其达到其充电截止或放电截止电压来达到。
在一个实施方案中，所述控制器可以被配置为将所述能量存储装置P切换进串联连接的模块M中或切换出串联连接的模块M，或重复地切换进串联连接的模块中或切换出串联连接的模块。当重复切换时，生成更多的数据，所述更多的数据可以导致对特性的更精确的确定，因为测量噪声和不精确可以被平均化。
在一个实施方案中，串的输出电压是基本上正弦的。电流I可以是基本上正弦的。当串联连接时，通过能量存储装置P的电流对应于所述正弦电流I的部段(section)(也被称为片段(fragment))。
在一个实施方案中，所述控制器可以被适配以控制能量存储装置P充电或放电至预定义的电荷状态SOC水平。当能量存储装置P的串必须递送输出电流时，可以通过将能量存储装置P切换到串中来完成放电。当达到预先确定的SOC时，当必须递送输出电流和/或可以触发测量或评估动作时，能量存储装置P可以不再被切换到串中。充电反之亦然。在一个实施方案中，所述控制器可以被适配以便以与上述类似的方式控制能量存储装置P充电或放电至预定义的电压电平。
在一个实施方案中，所述控制器可以被配置为控制借助于串联连接的相应的M个能量存储装置的M个模块的配置被切换到包括不同模块或具有相应的能量存储装置的相应的相反串联连接的模块的另一个模块配置来限定串的输出电压。至少当期望输出电压的阶跃改变时进行这样的切换，其中随时间的不同模块配置的这样的切换被进行，使得随时间以平衡方式使用所有模块，以实现所有能量存储装置的平衡电荷状态SOC，除了包括能量存储装置P的至少一个模块P之外，该能量存储装置P被相对不平衡地使用以相应地实现更快的充电或放电。
在一个实施方案中，所述控制器可以被适配以至少基于测量的电压VmP来控制与能量存储装置P相关联的所述至少一个模块的开关单元。可以将能量存储装置P从第一预定义的阈值电压V1充电到第二预定义的阈值V2。也可以将能量存储装置P从V2放电到V1。电压V1可以对应于基本上完全放电的能量存储装置P。电压V2可以对应于基本上完全充电的能量存储装置P。所述控制器可以被适配以基于随时间的测量电流I来估计所述能量存储装置P的可用存储容量。在一个实施方案中，可以在所有操作时间期间测量通过能量存储装置或通过串的电流，因为检查过电流状况或短路是安全关键的。可以的是在切换事件之前和之后增加进行测量的频率，以具有提高的测量精度，并且因此具有用于特征提取或确定模块的特性的更好的数据基础
在一个实施方案中，所确定的能量存储装置P的特性可以至少包括在一个或多个电荷状态SOC水平处能量存储装置P的等效电路的一个或多个参数。
在一个实施方案中，每个能量存储装置可以是以下中的至少一个：电池、电池单元、电池组、燃料电池、燃料电池堆、固态电池或高能量电容器。通过使能量存储装置循环，还可以确定可用容量和电荷状态。这与电池类型无关。这样的电池类型可以是锂离子电池、铅酸电池、固态电池、高温电池、硫基电池类型、高能量电容器、锂电容器、锂电空气电池或其他。
所述开关单元可以包括以下中的至少一个：三极开关；一个半桥，其中一个半桥包括两个开关；两个半桥；或一个或两个全桥，其中每个全桥包括四个开关。所述开关单元可以包括不形成半桥或全桥但仍然可以串联或并联连接相邻的能量存储装置的开关的配置。
此外，所述开关单元还可以在能量存储装置的至少一个极处具有一个或两个电池开关，以便以更高的安全度使其断开连接。一些安全标准要求这样的附加的安全度，该安全度也可以利用至少一个极处的一个或两个保险丝来达到。开关可以是晶体管(MOSFET、双极型、SiC、GaN、JFET)、IGBT、晶闸管、固态继电器或机电继电器或其组合。
在一个实施方案中，N个模块中的每个模块还可以包括至少一个温度传感器，以测量相应的能量存储装置处的温度。
在一个实施方案中，所述能量存储***可以包括三个串以生成三相输出电压，其中所述三个串可以星形或三角形配置连接。
在一个实施方案中，所述能量存储***可以包括两个串，所述两个串具有连接到单个点以生成三相输出电压的端子，其中连接的端子和两个未连接的端子形成三相输出电压的三个电势。
在一个实施方案中，所述能量存储***可以包括一个或两个串，以创建两相输出电压，因为它可能被用于铁路***，
在一个实施方案中，可以提供任意数目的串以创建任意数目的输出电压相，所述输出电压相可以用在例如具有相同任意数目的串的马达中，或可以被用来连接两个不同的AC电网，而这些AC电网优选地具有一个相、两个相或三个相的数目(因此通常可以使用2个到6个串来将不同的AC电网——例如50Hz和60Hz电网——连接起来)。
在一个实施方案中，至少一个串被配置为提供独立的DC电压，而此DC电压可以是脉冲宽度调制的。
在一个实施方案中，至少在串的一个端子处可以包括滤波器，所述滤波器可以包括形成滤波器类型L、LC或LCL滤波器的电感和/或电容器，而特别是在一个相情况下，耦合电感器可以被用于串的两个端子。
一个实施方案涉及一种确定在能量存储***ESS的带载操作期间所述ESS中包含的能量存储装置的特性的方法。该ESS可以包括多个模块，每个模块包括能量存储装置和开关单元。该方法包括以下步骤：借助于开关单元将所述多个模块的子集M连接到模块配置中，根据该模块配置，模块的子集的相应的能量存储装置串联连接到电流路径中，以提供所述ESS的输出电压；通过将至少一个模块的能量存储装置P切换进电流路径中或切换出电流路径来更改所述模块配置；测量通过所述能量存储装置P的电流I和所述能量存储装置P处的电压VmP；以及至少基于在切换能量存储装置P之前和之后测量的电流I和所述电压VmP的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。
该ESS可以包括至少一个N个模块的串。N可以是整数，其中N＞1。每个模块包括至少一个输入和至少一个输出。在下文中，各个模块通过整数n编号，其中0<n<N。
对于0＜n＜N的每个整数n，第(n)模块的至少一个输出可以连接到第(n+1)模块的至少一个输入。这意味着，一个模块可以连接到在编号中的下一个模块，从而形成模块的链或串。N个模块中的每个模块包括开关单元和能量存储装置。
通过使模块互连，N个模块的M个能量存储装置可以借助于开关单元串联连接。在此，M是N个模块的子集，其中1≤M≤N。M个串联连接的模块生成串的输出电压。
在一个实施方案中，控制器可以被配置为通过切换模块P的能量存储装置P使得其串联连接在串中来修改串联连接。否则，模块P可以提供从其至少一个输入到其至少一个输出的桥(bridge)。模块P可以是模块N之一。对所述串联连接的修改可以导致串的修改的输出电压。
所述控制器还可以被配置为测量所述能量存储装置P处的电流I和电压VmP，并且至少基于在切换能量存储装置P之前和之后测量的电流I以及所述电压VmP的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。在一些方面，对电流I和/或电压VmP的测量可以在模块中本地完成。测量值可以例如通过总线、网络或无线电链路转移到控制器。
在该方法的一个实施方案中，能量存储装置P的特性包括以下中的至少一个：电等效电路图的一个或多个参数，所述一个或多个参数包括内部电阻；或能量存储装置P的健康状态SOH。
在该方法的一个实施方案中，确定能量存储装置P的特性还基于能量存储装置P的估计的电荷状态SOC。
在该方法的一个实施方案中，通过对通过能量存储装置P的电流进行积分并且将积分的电流除以能量存储装置P的可用容量Cx来估计SOC。此值可以被从先前的SOC估计中减去。这可以被连续进行以跟踪SOC。用于SOC估计的合适的起始点可以是完全充电的电池(SOC大约100％)或完全放电的电池(SOC大约0％)。
替代地，模块P可以被卸载一段时间，优选地长于1分钟，对于更精确的估计为更长且最长达12小时，以经由能量存储装置的OCV-SOC关系来确定来自能量存储装置的SOC。
在该方法的一个实施方案中，确定能量存储装置P的特性还可以基于能量存储装置P的评估温度。
根据该方法的一个实施方案，在模块级测量所述电流I以获得通过能量存储装置P的电流ImP。
在该方法的一个实施方案中，确定能量存储装置P的特性还包括通过以下方式来确定能量存储装置P的可用容量Cx：对能量存储装置P施加至少一个基本上完全放电和/或充电循环。为了获得在至少一个放电或充电循环期间的总电荷转移，可以对电流I进行积分。
在该方法的一个实施方案中，通过以下中的至少一个来估计SOH：通过将可用容量CX除以新能量存储装置P的标称容量CN来确定可用容量CX的减少，或通过将实际内部电阻除以新能量存储装置P的标称内部电阻来确定内部电阻的增加。
在该方法的一个实施方案中，通过能量存储装置P的电流是被用来在ESS的带载操作期间维持来自电网或负载的功率要求的正弦波电流的部段或片段。
本文所使用的术语ESS的带载操作意味着ESS处于它向电网或向负载(例如电机(electrical machine))递送功率或它从电网或从其他功率源接收功率的操作状态。
附图说明
在下文中，将参考附图在不限制关于实施方案的实施例的一般发明构思的情况下通过实施例的方式描述本发明。
图1A示出了在一个实施方案中能量存储***ESS的基本结构。
图1B示出了根据另一个实施方案的能量存储***ESS的基本结构。
图2A至图2C例示了允许模块和能量存储装置的串联连接可能性的不同类型的开关单元。
图3A示出了在一个实施方案中具有并联连接可能性的模块结构。
图3B至图3E例示了允许模块和能量存储装置的串联和/或并联连接可能性的不同类型的开关单元。
图4示出了不同模块配置集以及它们对串输出电压的影响。
图5A例示了用以生成正弦串输出电压的随时间的不同模块配置的示例性序列。
图5B示出了在多个周期内图5A中所示出的不同模块配置的示例性序列对SOC的影响。
图5C示出了两个模块之间共享的脉冲模式(pulse pattern，脉冲图形)以及输出波形上的结果。
图6A示出了由能量存储装置的具有不同极性的两个连续电流转变触发的能量存储装置处的测量电压响应VmP的时间序列。
图6B示出了在能量存储装置P的不同SOC水平处测量循环的时间序列。
图7例示了电池单元的等效电路图的实施例。
图8示出了在一个实施方案中在确定可用容量期间SOC随时间的行为。
图9示出了一种用于确定能量存储装置的特性的方法的流程图。
图10A至图10D例示了用以生成正弦串输出电压的不同模块配置随时间的示例性序列。
图11A至图11D例示了用以生成正弦串输出电压的在数个正弦波周期内不同模块配置的示例性序列。
图12在图表910中更详细地示出了电流转变和所得到的电池电压随时间的改变。
图13和图14示出了不同的转变模式(transition pattern)。
图1A示出了能量存储***ESS的N个模块的串，其中整数N＞1，在一个实施方案中，该能量存储***生成分级式输出电压VAB。ESS根据模块化多电平转换器MMC来构造，同时配备有多个集成能量存储装置(131-134)。在整个描述中，术语能量存储装置优选地包括基于锂离子的电池单元或电池模块，其中电池模块包括至少两个或更多个并联或串联硬接线电池单元。
ESS包括串(100)，该串包括串联连接的多个模块N(111-114)。每个模块(111-114)包括开关单元(121-124)，所述开关单元被配置为选择性地将相应的能量存储装置(131-134)放入或放出电流路径，该电流路径生成串输出电压VAB，而该电流路径中的模块的子集将在下文中被命名为M。每个模块还包括相应的模块控制器单元(141-144)，所述模块控制器单元被配置为控制相应的模块(111-114)的开关单元(121-124)。此外，模块(111-114)中的每个包括测量单元(151-154)，以至少测量相应的模块处的电压。优选地，该模块测量单元还可以在模块级上本地测量通过能量存储装置的电流。在一个实施方案中，每个测量单元还包括一个或多个温度传感器，以测量相应的能量存储装置(131-134)处的温度。虽然测量单元(151-154)被示出为单独的部件，但是技术人员将理解测量单元可以被集成到相应的模块控制器单元(141-144)中。
图1B示出了ESS的结构。在包含中央控制器(160)的一个实施方案中，该中央控制器包括多个模块控制器单元(142、144、145)。该***还包括与中央控制器(160)相关联的串测量单元(180)。虽然串测量单元(180)被示出为单独的部件，但是技术人员将理解串测量单元(180)可以被集成到中央控制器(160)中。串测量单元(180)测量通过串(100)的串(100)电流IAB和串(100)处的串输出VAB。在一些方面，模块控制器单元(145)可以与多于一个的开关单元和能量存储装置相关联。ESS还可以包括云服务器(170)，该云服务器可以运行一些计算并且可以存储与该ESS相关联的数据。中央控制器(160)可以与模块控制器单元(141-145)、与串测量单元(180)和/或与云服务器(170)交换信息。
在一个实施方案中，中央控制器(160)可以位于ESS中，或替代地可以位于远程位置处。在一些方面，ESS可以包括通信接口，以经由诸如LAN、WLAN、蓝牙等的通信网络与远程服务器(174)或云(170)通信。在一个实施方案中，中央控制器(160)可以收集所测量的数据并且经由通信网络将其提供给远程服务器(174)或云(170)。
在一些方面，远程用户(172)可以远程控制在中央控制器(160)上执行的操作，例如通过在其上采用软件例程。因此，ESS的操作可以在ESS的操作期间被改变，例如在电动车辆中，使得特定的能量存储装置(131-134)可以如本文所描述的那样被表征。然后可以经由通信网络将结果和/或测量数据发送回到远程用户(172)。替代地，可以经由通信网络将结果和/或测量数据发送到与经由通信网络对ESS的当前状态感兴趣的服务提供商相关联的特定远程服务器(174)，诸如原始装备制造商、供应商、消费者、保险公司等。
图2A至图2C例示了不同类型的开关单元(121-124)，所述开关单元允许实现多个能量存储装置(131-134)的串联连接，以生成串(100)的电流路径。图2A和图2B各自示出了一个双象限模块，以将能量存储装置旁路或将其放入电流路径中，从而使串输出电压增加能量存储装置的电压Vbat。这些模块具有一个输入和一个输出。图2B示出了开关单元的一个简单实施方案。它具有输入(222)和输出(223)。如果串联开关(225)闭合并且并联开关(224)断开，则电池(221)可以连接在输入和输出之间。如果串联开关(225)断开，则电池被断开连接。此外，并联开关(224)闭合以在输入和输出之间提供直接连接(短路)。应避免同时闭合两个开关，因为这可以导致电池的短路。图2C例示了由全桥表示的四象限模块，该四象限模块提供了双象限模块的功能，但是附加地允许能量存储装置(210)被相反地切换到串(100)的电流路径中，从而将串输出电压VAB降低了Vbat，而Vbat是模块的一个能量存储装置的电压。图2C通过虚线示出了在能量存储装置(210)被串联放入到电流路径中的情况下得到的通过模块的电流路径，并且通过虚线示出了在相反串联连接的情况下的电流路径。因此，可以生成在-M·Vbat到M·Vbat之间的范围内的串输出电压VAB，其中M是串联连接的能量存储装置(131-134)的数目。
图3A例示了一个串配置，根据该串配置，多个模块(301、302、303)具有两个输入(306、307)和两个输出(304、305)，以不仅实现模块的串联连接性而且实现模块的并联连接性。这样的多输入多输出MIMO模块可以取代如图1A中所示出的单输入单输出模块(111-114)。
图3B至图3E例示了图3A中所示出的MIMO模块中可以采用的不同类型的开关单元(121-124)。具体地，图3B借助于虚线示出了处于能量存储装置被串联放入电流路径中的状态的双象限MIMO模块。能量存储装置可以通过闭合开关1(310)和2(320)而以并联方式被放入电流路径中。图3C示出了MIMO模块中可以采用的另一种类型的双象限模块。图3D和图3E各自示出了由两个全桥表示的四象限MIMO模块，该四象限MIMO模块提供了双象限MIMO模块的功能，但是附加地允许在相反并联连接的情况下能量存储装置被相反地切换进电流路径中。为了清楚起见，省略了根据开关状态获得的通过图3C至图3D的模块的电流路径的例示。图3C和图3E中所例示的开关单元可以附加地包括电池开关(350、351)，以独立于相应的开关单元内的其他开关的开关状态，将能量存储装置与电流路径分开。这些模块具有两个输入和两个输出。
图4通过一些实施例例示了不同模块配置对串输出电压VAB的影响。在这些实施例中，假设四个模块可用，并且每个模块可以在四个不同状态——即串联、并联、旁路和相反——之间切换。
根据配置1，模块1和模块2串联连接并且生成输出电压2·Vbat。模块3和模块4被旁路。
虽然假设模块电压为正，但是相反连接的模块可以被例示为具有负电压贡献，如下面所讨论的。
在配置2中，模块1至模块3串联连接并且生成输出电压3·Vbat。模块4被相反串联连接，并且将输出电压降低Vbat至2·Vbat。结果，尽管使用不同的模块配置，但是生成了等于配置1的输出电压的输出电压。
根据配置3，模块1和模块2并联连接并且共享相同绝对值但减半的串电流。另外，模块3串联连接到模块1和模块2，并且一起生成输出电压2·Vbat。模块4被旁路。
根据配置4，模块1和模块2串联连接并且生成输出电压2·Vbat，由此模块1的电压小于模块2的电压。模块3和模块4被旁路。
图5A例示了用以通过电网或马达应用通常所需的分级式/阶梯式输出电压生成近似正弦的串输出电压VAB(t)的随时间的不同模块配置的示例性序列。
在图5A的顶部，以Vbat为单位的串输出电压VAB(511)通过实阶梯线随时间被例示，并且所得到的通过串的电流(512)借助于点划线被示意性地例示。通过串的电流(512)通常由电感负载或滤波器平滑，并且根据所使用的电流控制器、滤波器和负载，可以具有朝向串输出电压的相移。三个下部图表借助于实线示出了相应的三个模块的改变的模块开关状态smn(521、531、541)，所述改变的模块开关状态可以是一起合成图5A的串输出电压(511)的三个特定模块的串联(＝1)、旁路(＝0)和相反(-1)。此外，这些图表通过点划线例示了三个模块看到的相应的电流Imn(522、532、542)。在相应的模块未被旁路的情况下，通过相应的模块的每个电流对应于正弦串电流(512)的一个片段。电流Imn指示通过模块n的电流，并且开关状态smn指示模块n的开关状态，其中n是整数，其中0＜n＜N。
每次模块被放入电流路径中或放出电流路径时，在模块处实现相应的正或负电流转变(543-546)。如果在具有相反极性的两个连续步骤(545、546)中发生切换，则在模块处生成电流脉冲(547)。在MIMO模块的情况下，可以通过并联切换模块来实现电流转变。正或负电流转变的电流幅度可以通过测量串电流来设置，并且通过将串电流与一预定义的电流幅度进行比较来确定将要施加正或负转变的特定时间点。
模块配置可以如下方式被选择：串(100)内的模块的子集或所有模块被基本上均匀地加载，使得它们的SOC被维持在互相非常类似的水平，在下文称为平衡。例如，图5B通过实线示出了由在数个正弦波周期内模块的均匀和平衡加载引起的、模块2和模块3(550)随时间的基本上均匀的SOC。
在一个实施方案中，至少一个被有意地不平衡地加载，以在ESS在一个或多个预定义的SOC水平处的操作期间确定其相应的能量存储装置的某些特性。例如，与图5A中的模块2和模块3相比，模块1在所示出的单个正弦周期期间被更重地加载。简单地说，如果确定特定模块被更重地加载，则可以首先接通所述模块并且最后关断所述模块，或与其他模块相比，可以更频繁地接通所述模块。另外，该模块可以串联连接，但不可以并联连接。相反，如果确定特定模块被不太重地加载，则可以最后接通所述模块并且首先关断所述模块，或与其他模块相比，可以较不频繁地接通所述模块。另外，该模块可以并联连接。因此，模块1的SOC将比模块2和模块3的SOC更快地改变。图5B通过虚线例示了模块1(560)在数个正弦波周期内的不平衡引起的随时间的SOC。
在一个实施方案中，模块配置可以如下方式被选择：至少两个模块可以在相反方向上被加载，以加速使至少一个模块不平衡到预定义的SOC水平所需的时间。例如，如果存在比保持ESS操作所需的更多的模块可用，则一个模块也可以与其他平衡的模块相对地工作(work against)。因此，当平衡的模块正在被放电时，它们不仅可以被放电到电网或负载中，而且可以被放电到所述模块中。对于充电，则相反。作为另一个实施例，如果存在比保持ESS操作所需的多两个模块可用，则一个模块可以被有意地放电，而另一个模块被从所述第一模块移除的负载有意地充电。图5B通过点划线例示了在数个正弦波周期内由与模块1(560)相反的模块4的不平衡引起的模块4(570)的随时间的SOC。在平衡的模块具有较高的SOC(550)并且因此也具有较高的电压使得为了ESS的操作需要不平衡的模块的概率低的情况下，这是特别有利的。因此，可以加速将模块加载到不平衡SOC水平。
根据另一个实施方案，模块可以在一个短得多的周期内被脉冲化(pulse)以生成脉冲宽度调制PWM信号，该PWM信号使串输出的期望的正弦波电压(511)的阶梯式接近(staircase approach)平滑。在一些实施方案中，两个或更多个模块可以互相对抗地脉冲化或互相脉冲化(pulse against or with each other)以生成期望的输出电压。例如，图5C示出了一个实施例，其中两个或更多个模块互相脉冲化(575、580)，而不改变串的输出函数或同样地不改变两个模块的和信号(571)。根据另一个实施方案，交错脉冲化可以被用来生成PWM信号，而不需要每个模块以全PWM频率脉冲化。因此，从***角度来看，PWM频率(572)似乎高于每个模块的PWM频率。在一个实施方案中，电流幅度可以基于与串上的负载电流相关的恰当定时来设置，但是也可以通过设置并联工作的模块的数目来设置。图5C中用虚线例示了在数个PWM周期内对于每个模块1、2以及和信号在一个PWM周期内由PWM信号得到的平均电压。
在一个实施方案中，缩写P被用来指代模块，该模块被有意地不平衡以表征其相应的能量存储装置P。
已经表明，通过将能量存储装置放入串的电流路径或放出串的电流路径，可以生成正或负电流转变。此外，已经表明，模块内的特定能量存储装置可以被有意地不平衡到与其他模块的SOC不同的SOC。
在一个实施方案中，所述两个控制选项被组合以表征能量存储装置P。简单地说，能量存储装置P根据由反映一定的负载改变的电流转变或电流脉冲触发的电压响应表征。基于所述电压响应，可以确定包括等效电路图的元件、内部电阻和SOH的一个或多个特性。由于等效电路图的元件和SOH通常取决于SOC水平，因此能量存储装置P被“不平衡”以达到数个SOC水平。因此，可以在能量存储装置P的不同SOC水平执行相应的测量，从而生成等效电路图的SOC水平相关参数。
由相应的测量结果实现的参数可以被用来更新描述能量存储装置的模型，诸如数字孪生(digital twin)、SOC估计模型或用于在扩展的参数空间中估计能量存储装置的实际老化的模块。参数可以包括等效电路图的元件的值和/或描述等效电路图的元件对SOC、温度和/或电流强度的函数相关性的值。参数和模型可以被用来预测维护，例如能量存储装置的更换要求、保修情况或寿命。
更详细地，图6A示出了在时间t0和t1处由能量存储装置P的具有不同极性的两个连续电流转变(612、614)触发的能量存储装置P处的测量电压响应VmP(620)的时间序列。电流(610)是在周期t0至t1期间通过实线表示的正弦串电流IAB(615)的一个片段。
基于在图6A的下部部分中所示出的电压响应，可以确定能量存储装置P的等效电路图的一个或多个元件。
图7例示了电池单元的等效电路图的实施例。第一等效电路图(710)由电压源(711)、所谓的开路电压OCV和内部电阻(712)组成。替代地，如等效电路图2至4(720、730、740)所示出的，电池单元被更精确地建模有附加的串联连接的RC元件(723、734)。等效电路图4(720)附加地包括表示愈加更精确的电池模型的两个Warburg元件(745、746)。等效电路图的元件可以至少取决于电池的SOC、温度和电流强度。
返回参考图6A，内部电阻(712)可以通过将在t0处由电流转变(612)触发的电压下降(623)除以所述电流转变的测量量值(magnitude)来确定。电压下降(623)本身可以是恰在施加电流转变(612)之前(t0-)和恰在施加电流转变(612)之后(t0+)测量的能量存储装置处的电压。
替代地或附加地，内部电阻(712)可以基于由具有相反极性的电流转变(614)触发的在t1-(626)和t1+(628)之间的电压上升(627)来确定。在一个实施方案中，通过获得两个所述确定的平均值来确定内部电阻(712)，以实现更高的参数准确度。
在t0+和t1-之间的电压下降(625)的不同的和重叠的梯度可以被用来识别等效电路图2至4之一的RC(723、734)和Warburg(745、746)元件。弛豫过程(629)中的不同的和重叠的梯度可以代替地或附加地被用来识别所述RC(723、734)和Warburg(745、746)元件。
可以在施加负电流转变(614)并且能量存储装置的容量已经基本上被放电之后评估新的OCV电压(711)。这样的状态通常在时间t2处的弛豫过程结束时达到。弛豫过程可能需要24小时以上。
在一个实施方案中，可以使用数学方法——诸如以下中的至少一种：曲线拟合、神经网络、机器学***均来使测量误差最小化。
在上文中，已经示出了如何可以基于由正和/或负电流转变触发的测量电压响应来确定等效电路图的一个或多个参数。如先前所讨论的，等效电路图的一个或多个值是SOC相关的。
在一些实施方案中，不仅可以考虑通过能量存储装置的电流和电压来确定一个或多个参数，而且可以考虑已经执行相应的测量的温度。
在一些实施方案中，不仅可以考虑通过能量存储装置的电流和电压来确定一个或多个参数，而且可以考虑已经执行相应的测量的SOC。在一个实施方案中，可以以5％SOC间隔执行测量，以提高SOC相关参数的模型准确度。图6B示出了能量存储装置P如何被充电至预定义的SOC水平(55％、60％等)。在达到预定义的SOC水平之后，执行相应的测量或同样地执行测量循环。具体地，图6B通过虚线示出了在55％和60％SOC处施加到能量存储装置的具有不同电流幅度和脉冲持续时间的不同电流转变或同样地电流脉冲(690、692)以参数化能量存储装置P的等效电路的一个实施例。对于每个测量循环，模块P的切换可以被不止一次并且重复地执行。还可以利用不同极性和不同时间周期的电流脉冲加载能量存储装置P。这些脉冲模式可以被重复地施加到能量存储装置P，以通过求平均或曲线拟合方法补偿测量误差。通过变化脉冲模式，可以从时间序列测量中提取的信息量增加。如果脉冲模式类似于准噪声模式，则可以提取大多数信息，其中脉冲持续时间、脉冲的极性和脉冲的幅度至少看起来不具有规律性或相互依赖性。由于SOC可能是不可直接测量的，因此可以如下文所示出的那样对其进行估计。
SOC表示与能量存储装置的可用容量Cx相关的剩余容量。可以借助于安培小时计根据下式来估计SOC：
Figure BDA0003967890260000181
用以确定可用容量的方法被示出在图8中。替代地，可以使用新能量存储装置的额定或标称容量CN。
通过不平衡能量存储装置P直到其达到其充电截止电压或放电截止电压——分别对应于其完全(SOC＝100％)或放电状态(SOC＝0％)，可以达到用于估计的合适的起始点。
SOC的替代估计在先前由电池单元制造商为新能量存储装置估计或提供的SOC/OCV数学模型上使用弛豫过程(629)期间的测量电压。
在一个实施方案中，电荷估计器可以被设计为经典安培小时计数器，所述经典安培小时计数器具有扩展例如查找表或更复杂的估计方法例如卡尔曼滤波器(扩展的、无迹的等)，如呈粒子滤波器形式的广义卡尔曼滤波器，该设计经由神经网络等。事实上，如果基础参数(underlying parameter)——能量存储装置的可用容量Cx——尽可能精确地被确定，则估计将更精确。根据SOC估计器的所需的计算能力，可以在模块控制器单元(141-145)上计算该估计。替代地，可以在中央控制器(160)上或在云(170)中计算该估计。
在上文中，已经描述了SOC估计模型。此外，已经表明SOC估计可以取决于能量存储装置的可用容量。可用容量随着能量存储***随时间老化而降低。因此，可以通过用新确定的可用容量替换可用容量的值来更新SOC估计模型，以改进SOC估计。
图8例示了用以确定能量存储装置P的可用容量Cx的能量存储装置P的一个完全充电和放电循环一个实施例。在一个实施方案中，使能量存储装置P从其当前SOC状态(SOC＝60％)(805)充电(810)到与充电截止电压对应的基本上完全电荷状态(SOC＝100％)(815)。在达到完全电荷状态(815)之后，使能量存储装置放电到其与放电截止电压相关联的完全放电状态(SOC＝0％)(825)。通过测量和积分在t1和t2之间的放电循环(820)期间的流过能量存储装置P的测量电流来确定可用容量Cx。
替代地，可以通过施加并且使用用于测量和确定的一个完全循环(850)来确定可用容量Cx。可以通过使能量存储装置从放电状态(825)充电(830)回到其完全电荷状态(835)来施加一个完全循环，从而测量并且积分在t2至t3之间的充电循环(830)期间流过能量存储装置P的测量电流。从而通过计算可用放电和充电容量测量的平均值来确定可用容量Cx。替代地，可用放电和充电容量的较小值可以被用来指示可用容量Cx。能量存储装置P可以被充电或放电到另一个SOC，或再次被分配到平衡算法和策略，这使其回到其他平衡的模块的SOC。
在上文中，已经表明，可以通过测量在一个放电、充电或完全循环之一期间转移的总电荷来更新SOC估计模型。此外，已经指出，可用容量Cx随着能量存储***随时间老化而降低。
能量存储***的老化优选地由健康状态SOH表示，并且可以基于可用容量Cx与新能量存储装置的标称容量CN的比率根据下式来估计：
Figure BDA0003967890260000191
替代地，可以基于内部电阻(712)相对于新状态的内部电阻的上升来估计SOH。替代地，SOH可以考虑上文所提及的比率二者和/或还包括另外的实施方案。
在一个实施方案中，可以通过均衡两个SOH等式基于随时间的内部电阻(712)来确定可用容量Cx。
图9示出了用于确定在能量存储***ESS的操作期间所述ESS中包含的至少一个能量存储装置的特性的方法的流程图。ESS包括多个模块，其中每个模块包括能量存储装置和开关单元。在一些实施方案中，可以省略、重复和/或以不同的顺序执行步骤中的一个或多个。
最初，多个模块的子集可以借助于开关单元连接到模块配置中，根据该模块配置，模块M的子集的相应的能量存储装置串联连接到一个电流路径中以提供ESS的输出电压(901)。接下来，通过将至少一个模块的能量存储装置P切换进所述电流路径中或切换出所述电流路径来改变所述模块配置(902)。以此方式，电流改变或更确切地说电流转变被施加到特定的能量存储装置P，从而产生相应的电压响应。接下来，测量能量存储装置处的电流I和电压VmP(903)。随后，至少基于在能量存储装置P处在切换之前和之后测量的电流I和测量的电压VmP的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性(904)。所述特性表示所述能量存储装置P的当前状态，诸如等效电路图的参数、内部电阻、SOH等。
在一个实施方案中，通过特定能量存储装置的电流可以由相应的模块测量单元(151-154)测量。有利的是，在模块级而不是串级处测量电流，以减少由干扰、电流测量定时的不总是适当的时间采样覆盖以及模块、布线和滤波器的开关状态和阻抗的改变引起的测量不准确性。
替代地，可以基于由串测量单元(180)在串级处测量的电流和模块(111-114)的已知开关状态来确定通过能量存储装置和模块的电流。可以根据下式来确定通过模块n的电流Imn(n是整数，其中0＜n＜N)：
Figure BDA0003967890260000201
其中smn是模块n的开关状态(1＝活动的；0＝旁路的，-1＝具有相反极性的活动的)；p是具有整数p≥1的并联模块的数目，其中对于p＝1，不使用并联连接，并且其中IAB是流过串的电流。因此，ImP描述了在模块P处通过能量存储装置P的电流。
在一个实施方案中，电流测量可以被执行数次以统计地确定测量误差和/或减少测量误差。
在一个实施方案中，电流或电压测量中的至少一个可以以大于10·f0的采样频率工作，其中f0是市电频率(mains frequency)，以确保足够高的测量准确度。这是有利的，因为可以基于电流测量和采样率来平衡每个时间单位已经流动的能量的量。因此，可以在每个放电和充电方向将充电量相加，这可以允许以更精确的方式估计至少一个能量存储装置P的总可用容量。
在一个实施方案中，可以以大于10kHz的高时间分辨率测量电压和电流测量结果。替代地，可以以小于10kHz的低时间分辨率测量电压和电流测量结果。
如先前所讨论的，等效电路图的一个或多个值可以是温度相关的。在虚部＝0处EIS的测量值是能量存储装置的内部温度的可靠测量结果，不取决于老化或SOC。在一个实施方案中，可以在没有附加的测量电路的情况下执行与在虚部＝0处EIS的温度确定类似的温度确定。更详细地，根据负载电流和相应的定时，可以生成脉冲以实现温度确定。因此，在一方面，可以消除温度传感器，并且在另一方面，可以基于更精确的温度来存储参数确定。
在一个实施方案中，ESS包括至少在关于电压、SOC、SOH、使用的单元化学和单元数目的混合电池模块方面不同的能量存储装置。在一个实施方案中，本文所描述的电池可以是基于锂离子的电池。在一个实施方案中，可以在锂离子电池内使用诸如LiCoO2、LiMn2O4、Li(NiCoMn)O2、LiFePO4、LiNiCoAlO2的阴极材料。
在一个实施方案中，模块控制器单元(141-145)可以处理测量数据并且可以执行必要的数学功能。
在一个实施方案中，可以对所确定的参数的时间进程执行日志记录。这对于确定SOH如何随时间以及在测量之间改变是特别有用的。根据模块控制器单元(141-145)的可用存储器，也可以在更高级别的中央控制器上、在云(170)中外部地或在属于用户的服务器上执行此日志记录。
在一个实施方案中，根据它们的复杂性和存储器要求，可以在中央控制器(160)上或在云(170)中执行计算。在此情况下，模块控制器单元(141-145)的任务可能限于数据采集、聚合和传输。
图10A至图10D例示了用以生成阶梯形输出电压的在一个正弦波周期内不同模块配置或同样地脉冲模式的示例性序列，该阶梯形输出电压可以近似正弦串输出电压VAB，从而产生近似正弦电流IAB。x轴是随时间，并且y轴以Vbat为单位给出输出电压电平。这些图基于具有一个串的一个简化实施方案，该串具有三个模块。对于电网电压，在欧洲的频率通常可以为50Hz，这取决于国家，因此一个正弦波周期具有20ms的持续时间。此外，其他频率是可能的，例如铁路(16、66Hz)或航空器供电电压(400Hz)。对于汽车，频率可从1Hz到400Hz变化，并且取决于马达，甚至更高，最高达1kHz。图10A至图10D中所示出的每个脉冲模式生成与图5A中所示出的相同的输出电压。在相应的三个下方子图(subplot)中，y轴例示了极性并且相应的模块的激活[-1，0，1]被示出(模块1:Sm1，模块2:Sm2，模块3:Sm3)。图10A例示了如下一个脉冲模式：该脉冲模式可以被用来基本上均匀地加载模块1至3，以在基本上相同的SOC处保持它们平衡。图10B示出了如下一个脉冲模式，其中模块1具有最大负载，因为它的提供功率的正接通时间大于它被充电的负接通时间。模块3甚至被充电，因为充电时间大于功率递送时间。图10C例示了一个具有四个模块的脉冲模式。图10D例示了具有与高频对应的非常短的脉冲和几乎类似噪声的脉冲的一个脉冲模式。也可以使用这样的噪声脉冲和高频脉冲来参数化等效电路。图10A至图10D中的虚线示意性地例示了所得到的串电流IAB。
图11A至图11D例示了用以生成正弦串输出电压的在数个正弦波周期内不同模块配置的示例性序列(x轴：时间，y轴幅度)。更详细地，图11A至图11D的下部图表示出了在数个正弦周期内的来自被用来生成相应上部图表中所例示的串输出电压的多个模块的特定模块P的开关状态(y轴是模块的极性和激活[-1，0，1])。根据图11A，在下部图表中所示出的开关模式在相应的模块处生成具有正极性和100Hz的频率(对于50Hz正弦波周期)的脉冲。根据图11B，在下部图表中所示出的开关模式在相应的模块处生成具有正极性和200Hz的频率(对于50Hz正弦波周期)的脉冲。根据图11C，在下部图表中所示出的开关模式在相应的模块处生成具有200Hz的频率(对于50Hz正弦波周期)和在每三个脉冲处有一个极性改变的脉冲。根据图11D，在下部图表中所示出的开关模式在相应的模块处生成具有交替的极性[+1；-1；+1]的三脉冲。图11A至图11D中所例示的不同脉冲模式可以被用来刺激能量存储装置的不同化学反应，这可以产生诊断益处。
图12在图表910中更详细地示出了电流转变和所得到的电池电压随时间的改变(横轴)。当电池221被接通时，例如，通过闭合串联开关225并且断开并联开关224，这可以导致如曲线911中所示出的从低电流913到高电流914的电流上升。电池处的电压可以如曲线912中所示出的从第一电压916下降到接近值915的电压，该第一电压可以是空闲电压。图7的电路图730解释了电池电压的随时间的函数。第一电压916可以对应于图表730的电压UOCV。第一部段917中的电压下降与电流上升成比例，并且由电池的内部电阻Ri引起。曲线912的第二部段918由可以由第一RC组合RC1描述的极化来确定。曲线912的第三部段919由可以由第二RC组合RC2描述并且通常具有比第一RC组合更长的时间常数的电池中的扩散来确定。
等效电路的参数，例如，如在电路图730中所给出的，不能够通过电流上升之前的采样和电流上升之后的另一个采样来确定。相反，必须进行多次采样来测量波形。
在一个实施方案中，在电流转变(其是当开关改变状态时)之前测量电池电压的至少一个采样，并且在电流转变之后进行多个测量。电流转变与状态的改变相一致，该状态的改变是能量存储装置连接在至少一个输入和至少一个输出之间的状态与在至少一个输入和至少一个输出之间具有短路的另一个状态之间的改变。在第一状态下，电池可以连接到串，并且在第二状态下，电池可以与串断开连接。
在状态的改变之后可以存在测量的10至100个采样、20至200个采样或多于100个采样。在状态的改变之前对采样的测量可以紧着在状态的改变之前。它可以由所采用的测量装置的时间分辨率来确定，使得在转变之前清楚地进行此测量。它可以在转变之前小于100微秒进行，以抑制电压的低频偏差。在转变之后的测量可以在转变之后立即开始。它可以由所采用的测量装置的时间分辨率确定。
此外，在状态的改变之前和/或之后获取电流I的至少一个采样。在一个实施方案中，控制器被配置为：在状态从将能量存储装置连接在至少一个输入和至少一个输出之间改变为在至少一个输入和至少一个输出之间提供短路之前获取电流I的至少一个采样，并且在状态从在至少一个输入和至少一个输出之间提供短路改变为将能量存储装置连接在至少一个输入和至少一个输出之间之后获取电流I的至少一个采样。这提高了采样和数据处理的效率，因为当电池被断开连接——这可能导致电流接近于零——时，不进行电流测量。
在具有完美测量装备的完美***中，单个测量(包括多个采样)可能足以指定等效电路模型的参数。通常，在进行测量时，能量存储***可以在电网上操作。因此，环境是有噪声的，并且电流不是矩形的，而是正弦波的片段。另外，测量装备是非常简单的，并且可以包括微控制器和简单的集成传感器。
为了提高测量数据的质量，必须多次重复测量。测量结果可以通过数学方法(例如递归、机器学习、支持向量机)被拟合到电池模型。为了具有有意义的电池模型参数，具有多次测量(并且因此具有数据点)是有益的。
多次测量将考虑的一个问题是采样时间误差。通常，微控制器具有不同的采样时间。但是利用此不同的采样时间，它将不能够直接测量例如内部电阻，因为当施加电流时，它将被表示为电池电压的瞬时下降。多次测量使得有可能更精确地确定实际瞬时电压下降。内部电阻可以被计算为R_i＝|(V1-V0)/(I1-I0)|。必须记住，电阻取决于温度、SOC和SOH。
在噪声环境中测量瞬态过程给出了失真的(＝有噪声的)测量结果。为了降低噪声，可以进行多次测量。可以通过测量的数目的平方根减小噪声。
如果***不等待完全松弛，但是如果它更频繁地包括新的电流脉冲，则可以更快地获得相关信息。快速过程更难以测量，因此必须更频繁地测量快速过程，以提高数据质量和有效性。因此，***可以在第三部段919结束之前或甚至在第二部段918结束时或期间开始新的脉冲。这在图13中利用图表920以及在图14中利用图表930示出。
为了正确地拟合模型并且获得可靠的SOH状态，还可能有必要针对不同的SOC和温度重复这些测量。基本思想是收集相关的测量信息，以为用于等效电路模型的曲线拟合的数学方法提供足够的(与实验室测量相比低质量)数据。
此外，改变电流的幅度或方向提高了数据质量，因为正在测量之前未被测量的新行为。理想地，拟合算法具有所供应的数据质量的指示器和用于“盲点”——例如，在不存在数据材料或存在极少数据材料的情况下测量的行为——的指示器。

Claims (15)

1.一种能量存储***，包括：
至少一个N个模块的串(220)，其中整数N＞1，所述串至少包括第一端(A)和第二端(B)，每个模块包括：
至少一个输入(222)和至少一个输出(223)，其中对于0＜n＜N的每个整数n，第(n)模块的所述至少一个输出连接到第(n+1)模块的所述至少一个输入，第一模块的所述输入连接到至少一个第一端(A)，并且所述第(n+1)模块的所述输出连接到至少一个第二端(B)；
能量存储装置；
开关单元(224、225)，所述开关单元被配置为在至少两个状态之间进行选择，所述至少两个状态包括：
将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和至少一个输出(223)之间，以及
在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间提供短路；以及
控制器(141-144)，所述控制器被配置为在ESS的带载操作期间执行以下步骤：
改变第P模块Pm的至少一个开关单元的状态，其中0＜P＜＝N，
测量所述第P模块Pm的能量存储装置P处的电流I和电压VmP，并且至少基于在所述第P模块Pm的至少一个开关单元的状态的改变之前和之后测量的电流I以及所述电压VmP的随时间的改变来确定所述能量存储装置P的特性，
其中在状态的改变之前获取所述电压VmP的至少一个采样，并且在状态的改变之后获取所述电压VmP的多个采样，
并且在状态的改变之前和/或之后获取电流I的至少一个采样。
2.根据权利要求1所述的能量存储***，其中所述控制器被配置为在状态从将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间改变为在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间提供短路之前获取电流I的至少一个采样，以及
在状态从在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间提供短路改变为将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间之后获取电流I的至少一个采样。
3.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述控制器还被配置为还基于所述能量存储装置P的估计的电荷状态SOC来确定所述能量存储装置P的所述特性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述控制器被配置为：对在所述第P模块Pm的至少一个开关单元的状态的多次改变内的电压VmP和电流I的测量值求平均，和/或
基于所述电压VmP和电流I的测量值来计算多个等效电路参数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述控制器被配置为重复地改变所述第P模块Pm的至少一个开关单元的状态和/或
其中所述控制器还被配置为控制能量存储装置P充电或放电至预定义的电荷状态SOC水平或预定义的电压。
6.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述开关单元被配置为在将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和至少一个输出(223)之间的状态下选择所述能量存储装置的任一极性。
7.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述控制器还被配置为控制M个模块的子集以同时改变它们的开关单元的状态，其中M<＝N,
其中进行状态的这样的改变，使得所有模块随时间以平衡方式被使用，以实现所有能量存储装置的平衡的电荷状态SOC，除了包括所述能量存储装置P的至少所述模块Pm之外，所述能量存储装置P被相对不平衡地使用以实现更快的充电或放电。
8.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述能量存储装置P的所确定的特性至少包括等效电路的一个或多个参数，所述一个或多个参数包括在一个或多个电荷状态SOC水平处所述能量存储装置P的内部电阻。
9.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中每个能量存储装置是以下中的至少一个：电池、电池单元、电池组、燃料电池、燃料电池堆、固态电池或高能量电容器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中至少一个开关单元被配置为串联和/或并联地切换至少两个能量存储装置，并且其中所述开关单元包括以下中的至少一个：
三极开关，
一个半桥，其中一个半桥包括两个开关；
两个半桥；或
一个或两个全桥，其中每个全桥包括四个开关和/或电池开关以旁路相应的能量存储装置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储***，其中所述控制器包括多个控制器单元，每个控制器单元与一个或多个模块相关联，并且包括一个或多个测量单元，以测量通过能量存储装置的电流和能量存储装置处的电压中的至少一个。
12.一种用于确定在能量存储***ESS的带载操作期间所述ESS的能量存储装置的特性的方法，所述ESS包括：
至少一个N个模块的串，其中整数N>1，所述串至少包括第一端(A)和第二端(B)，每个模块包括：
至少一个输入(222)和至少一个输出(223)，其中对于0＜n＜N的每个整数n，第(n)模块的所述至少一个输出连接到第(n+1)模块的所述至少一个输入，第一模块的输入连接到至少一个第一端(A)，并且第(n+1)模块的输出连接到至少一个第二端(B)；
能量存储装置；
开关单元，
控制器，
其中所述方法包括以下步骤：
–通过以下任一方式改变第P模块Pm的至少一个开关单元的状态，其中0<P<＝N：
ο将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和至少一个输出(223)之间，或
ο在所述至少一个输入(222)和至少一个输出(223)之间提供短路；
–测量所述第P模块Pm的能量存储装置P处的电流I和电压VmP，以及
-至少基于在改变所述第P模块Pm的至少一个开关单元的状态之前和之后测量的电流I和所述电压VmP的随时间的改变来确定所述能量存储装置P的特性，其中在状态的改变之前获取所述电压VmP的至少一个采样，并且在状态的改变之后获取所述电压VmP的多个采样，并且在状态的改变之前和/或之后获取电流I的至少一个采样。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述能量存储装置P的所述特性包括以下中的至少一个：
电等效电路图的一个或多个参数，所述一个或多个参数包括内部电阻，或
所述能量存储装置P的健康状态SOH；
和/或其中确定所述能量存储装置P的特性还基于以下中的至少一个：
所述能量存储装置P的估计的电荷状态SOC，其中通过对通过所述能量存储装置P的电流进行积分并且将积分的电流除以所述能量存储装置P的可用容量Cx来估计所述SOC，和/或
基于所述能量存储装置P的评估温度。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其中确定所述能量存储装置P的特性还包括通过以下方式确定所述能量存储装置P的可用容量Cx：对所述能量存储装置P施加至少一个基本上完全放电和/或充电循环，从而对电流I进行积分以获得在至少一个放电或充电循环期间的总电荷转移。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中通过以下中的至少一个来估计所述健康状态SOH：
将可用容量Cx除以新能量存储装置P的标称容量CN，或
将实际内部电阻除以新能量存储装置P的标称内部电阻。
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