CN115995861A - 控制多个电池组的放电或充电的控制器、方法及该*** - Google Patents

控制多个电池组的放电或充电的控制器、方法及该*** Download PDF

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S·辛格
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Abstract

提供了一种控制多个电池组的放电或充电的控制器、方法及包括该控制器的***。该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步骤以基于每个电池组的特性数据、电力需求以及基于每个电池组的电压和充电状态以用于电力分配的第一加权因子(a)和第二加权因子(b)来确定每个电池组的相应放电或充电功率。该控制器向多个电池组和/或一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以便从多个电池组放电或向多个电池组充电。

Description

控制多个电池组的放电或充电的控制器、方法及该***
优先权要求及交叉参考
本申请要求在2021年10月20日提交的美国申请序列号17/506,153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
本发明实施例一般涉及控制多个电池组的放电或充电的控制器、方法及包括该控制器的***。更具体地，所公开的主题涉及用于平衡例如在储能应用中的电池组的放电或充电的控制器、***和方法。
背景技术
由于对环境问题(如全球变暖)的关注增加，清洁和可再生能源变得更加重要。这些能源包括太阳能和风能，以及可充电电池。可再生能源是间歇性的，因为它们不能总是在需要时被调度(dispatch)以满足能量消费者的变化的需求。储能***预期解决这种灵活性挑战。固定储能***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
本发明实施例提供了一种用于控制或管理异构(heterogeneous)电池组的放电或充电的控制器、一种包括这样的控制器的诸如电能存储***的***、以及使用这样的控制器的方法。
根据一些实施例，控制器、***和方法利用基于***中的每个电池组的电压和充电状态(state of charge)来平衡多个电池组的放电或充电的技术。
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(powerconverter)和一个或多个控制器。每个电力变换器与多个电池组中的至少一个电池组相耦合，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。
在此限定和描述了多个电池组。在一些实施例中，多个电池组是异构电池组，其可以选自新电池、梯次利用(second-use)电动车辆(EV)电池或其组合。多个电池组并联连接、串联连接或以这两者的组合(即，混合组合)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或管理具有多个电池组的***的放电过程或充电过程的步骤。在一些实施例中，这些步骤包括：收集每个电池组的特性数据，所述特性数据包括当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nc)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)；以及接收第一时间间隔内***需要调度或向***充电的总电力需求D(或称总调度电力)。所述步骤还包括分别基于每个电池组的电压和充电状态分配第一加权因子(a)和第二加权因子(b)以用于电力分配，其中a+b＝1。所述步骤还包括基于当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nci)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)、第一加权因子(a)、第二加权因子(b)以及总电力需求(D)来确定每个电池组的相应放电或充电功率；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，以基于每个电池组的相应的放电或充电功率从所述多个电池组放电或向所述多个电池组充电和/或保持特定电池组空闲。
在一些实施例中，确定每个电池组的相应放电或充电功率的步骤包括以下步骤：计算相应电池组中的每个电池的电压分布参数(Vi')，其中Vi’＝(Vi/Nci–Vc min)/(Vc max–Vc min)；设定所述多个电池组中的每一个的基线(baseline)SOC(SOCb)；以及计算每个电池组的充电状态的变化(SOCi')。
通过使用如本文所述的条件和等式来计算充电状态的变化(SOCi')。对于放电(D＜0)，当SOCi＞SOCb时，SOCi'＝SOCi-SOCb，或者当SOCi≤SOCb，SOCi'＝0。对于充电(D＞0)，当SOCi＜SOCb，SOCi'＝SOCb-SOCi，或者当SOCi≥SOCb，SOCi'＝0。
所述步骤还包括计算每个电池组的电压-电荷组合因子(voltage-chargecombination factor)Ci，其中Ci被定义为Ci＝a*Vi'+b*SOCi'；以及计算每个电池组的相应放电或充电功率(di)。每个电池组的相应的放电或充电功率(di)基于每个电池组的总电力需求(D)和电压-电荷组合因子(Ci)，其中di＝D*Ci/Sum(Ci)。Sum(Ci)是多个电池组中的各个电压-电荷组合因子(Ci)的和。
当某一电池组的相应放电或充电功率为零时，特定电池组保持空闲而不放电或充电。
控制器还被配置为重复一些或所有步骤以在第一时间间隔结束之后的第二时间间隔中重新确定每个电池组的相应放电或充电功率。
该***可以可选地进一步包括一个或多个电池电源管理单元(Battery PowerManagement Unit，BPMU)。每个BPMU可与一个或多个电池组连接，并被配置为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***是电能储存***。总电力需求由上层能量管理***(EMS)提供。在一些实施例中，控制器被配置成将电力从多个电池组放电到电网或负载，或者将电力从电网或负载充电到多个电池组。在一些实施例中，电网是可选的。电力可以被释放到需要电力的其他部件。
时间间隔可以在任何合适的范围内。第一和第二时间间隔可以相同或不同。控制器可以被配置为通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电或充电功率来动态地控制多个电池组的放电或充电。
在另一方面，本发明实施例提供了一种如本文所述的控制器，用于控制或管理包括多个电池组的***的放电或充电。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。
所述控制器被配置为向多个电池组和一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以基于每个电池组的相应放电功率从多个电池组放电(或向多个电池组充电)和/或保持特定电池组空闲。
所述控制器被配置为与之耦合的所述多个电池组是异构电池组，其选自新电池、梯次利用电动车辆(EV)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。
所述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或充电。在一些实施例中，控制器被配置成将电力从多个电池组放电到电网或负载，或者将电力从电网或负载充电到多个电池组。
在另一方面，本发明实施例还包括编码有如本文所述的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。
在另一方面，本发明实施例提供了一种用于通过如本文所述的其中的控制器来控制或管理包括多个电池组的***的放电或充电的方法。该方法包括以下步骤：收集每个电池组的特性数据，所述特性数据包括当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nc)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)；以及接收第一时间间隔内***需要调度或向***充电的总电力需求D(或称总调度电力)。所述步骤还包括分别基于每个电池组的电压和充电状态分配第一加权因子(a)和第二加权因子(b)以用于电力分配，其中a+b＝1。所述步骤还包括基于当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nci)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)、第一加权因子(a)、第二加权因子(b)以及总电力需求(D)来确定每个电池组的相应放电或充电功率。
在一些实施例中，确定每个电池组的相应放电或充电功率的步骤包括以下步骤：计算相应电池组中的每个电池的电压分布参数(Vi')，其中Vi’＝(Vi/Nci–Vc min)/(Vc max–Vc min)；设定所述多个电池组中的每一个的基线SOC(SOCb)；以及计算每个电池组的充电状态的变化(SOCi')。
通过使用如本文所述的条件和方程来计算充电状态的变化(SOCi')。对于放电(D＜0)，当SOCi＞SOCb时，SOCi'＝SOCi-SOCb，或者当SOCi≤SOCb，SOCi'＝0。对于充电(D＞0)，当SOCi＜SOCb，SOCi'＝SOCb-SOCi，或者当SOCi≥SOCb，SOCi'＝0。
所述步骤还包括计算每个电池组的电压-电荷组合因子Ci，其中Ci被定义为Ci＝a*Vi'+b*SOCi'；以及计算每个电池组的相应放电或充电功率(di)。每个电池组的相应的放电或充电功率(di)基于每个电池组的总电力需求(D)和电压-电荷组合因子(Ci)，其中di＝D*Ci/Sum(Ci)。Sum(Ci)是多个电池组中的各个电压-电荷组合因子(Ci)的和。
在这种方法中，控制器还向多个电池组和一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以如本文所述基于每个电池组的相应放电或充电功率来对多个电池组放电或充电和/或保持特定电池组空闲。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或充电功率来放电或充电。
所述多个电池组是选自新电池、梯次利用电动车辆(EV)电池或其组合的异构电池组。多个电池组并联连接、串联连接或其组合连接。
多个电池组中的每一个的基线SOC(SOCb)可以是任何合适的范围，例如，从10％到90％、从20％到80％、从30％到70％、从20％到60％或从40％到60％。当相应的放电或充电功率被分配为零时，某个电池组保持空闲。
在第一时间间隔结束后的第二时间间隔中，可重复本文所述的步骤以重新确定每个电池组的相应放电或充电功率。第一和第二时间间隔在任何范围内，例如从1分钟到1小时，并且可以相同或不同。多个电池组的放电过程也可以通过随时间瞬时更新每个电池组的各自的放电或充电功率来动态地控制。
在另一方面，本发明实施例还包括一种用于控制包括多个电池组的***的放电或充电的控制器，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上述任意的方法。
在另一方面，本发明实施例还提供一种***，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电池组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)或反之亦然；以及控制器，所述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，所述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上述任意的方法。
在另一方面，本发明实施例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方法。
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地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放电。如本文所述，该***、控制器和方法通过平衡方法延长电池组的寿命。
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发明实施例。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或管理多个异构电池组的放电或充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是示出根据一些实施例的用于控制电池组的放电或充电的示例性方法的流程图。
图5是示出根据一些实施例的用于确定图4的示例性方法中的每个电池组的相应放电或充电功率的示例性步骤的流程图。
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，其中结构直接地或者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。
在本发明实施例中，单数形式“一(a和an)”、“一个(a和an)”、“该”及“所述”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及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。
本文所提及的“异构电池组”是指具有不同容量、充电状态(SOC)、健康状态(SOH)和/或电压的电池组或模块，并且可选自新电池(例如，来自不同制造商)、梯次利用电动车辆(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、单电池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“充电状态”(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它人机交互。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”、“电力调度”和“电力要求”可互换使用，并且可以指放电或充电过程所需的电力。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，其中能量以时间单位描述。功率、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。
电力调度(放电)是电荷流和电压的函数。调度能量被定义为在用户指定的时间段上的调度电力。有时，较低电压放电提供较高能量。早期的方法没有考虑电压对电力或能量调度的决定的影响。此外，还没有考虑电池组的电压的不均匀性。需要一种使用异构电池组的更有效的方法。
本发明实施例提供了一种用于控制异构电池组的放电或充电的控制器、一种诸如包括这种控制器的电能存储***的***、以及使用该控制器的方法。本发明实施例提供了这样的控制器、这样的***和这样的方法，以在储能应用中有效地利用异构电池组，诸如来自不同制造商的新电池或梯次利用电动车辆(EV)电池组。不需要预先选择或拆卸电池组。根据一些实施例，控制器、***和方法利用基于***中的每个电池组的电压和充电状态两者来平衡多个电池组的放电或充电的技术。每个电池组可以被不同地充电或放电。
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。电池组可具有相同或不同的化学性质、相同或不同的性能或退化、相同或不同的物理和/或电性能。在一些实施例中，电池组是异构电池组。
在一些实施例中，本发明实施例提供了一种基于单独的电池组电压和单独的电池组SOC来平衡储能***中的不同组的电池组的方法。该方法依赖于在瞬间测量单独的电池组电压和SOC，并将调度电力从每个电池组分割成单独的部分。该分割基于瞬时电池组电压与电压预算的差(Vmax-Vmin)和SOC与电池组期望的基本SOC的差。针对充电和放电两者调节分割，使得在一段时间内所有电池组达到平衡状态，其中所有电池组的电压和SOC处于紧密范围内。
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来描述图4-5中的方法。
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中的每个部件的数量和配置仅用于说明。该***可以具有任何合适数量的任何合适组合或配置的每个部件。
每个电力变换器10与多个电池组20中的至少一个电池组耦合，并且被配置为将来自电池组的直流(DC)变换为交流(AC)或反之亦然。电力变换器10也可以称为电力转换***(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、梯次利用电动车辆(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。所使用的EV电池可直接在***中利用，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是电能存储***。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，或者基于从EMS接收的输入数据来计算总电力需求。在一些实施例中，控制器60被配置成以直流电将电力从多个电池组20放电到交流电的电网或负载85，或反之亦然。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功率变换***。
在一些实施例中，电网85是可选的。电力可以被释放到需要电力的其他部件。
控制器60可以以有线或无线模式与其他部件连接。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的其他部件连接。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协调，并且可选地与BPMU 30和HMI或EMS 110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协调，并且可选地与BPMU 30和HMI或EMS 110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4中所述，在一些实施例中，控制器60被配置成执行本文所述的步骤。这些步骤包括：收集每个电池组20的特性数据，并且接收或计算在第一时间间隔内需要从***100调度或向***100充电的总电力需求(D)。每个电池组20的特性数据包括但不限于当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nc)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)。电池组的数量表示为“n”，“下标“i”表示从1到n的电池组。
总电力需求(D)可以是千瓦。每个电池组20可具有最大电压(Vmax)和放电用最小电压(Vmin)，其可从每个电池组20的电压对电荷的曲线(例如，图3)导出。每个电池可以具有最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)。电池组的最大电压(Vmax)和放电用最小电压(Vmin)是电池组中的单电池(cell)数量乘以(time)单电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)。在一些实施例中，不同的电池具有相同的Vc max和Vc min的集合。有时使用不同电池的平均值。例如，在示例中，所使用的电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)分别为4.2伏和3.5伏。
所述步骤还包括分别基于每个电池组的电压和充电状态分配第一加权因子(a)和第二加权因子(b)以用于电力分配。因子a和b中的每一个在0和1之间，例如在0.01至0.99的范围内。a和b之和为1，如等式(1)所示：
a+b＝1          (1)
所述步骤还包括基于当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nci)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)、第一加权因子(a)、第二加权因子(b)以及总电力需求(D)来确定每个电池组的相应放电或充电功率。
在一些实施例中，控制器60被配置为如下确定每个电池组的相应放电或充电功率。
使用等式(2)定义和计算相应电池组中的电池(或平均电池)的电压分布参数(Vi')：
Vi’＝(Vi/Nci–Vc min)/(Vc max–Vc min)          (2)
为多个电池组中的每一个设置基线SOC(SOCb)。使用本文描述的条件和方程定义和计算每个电池组的充电状态的变化(SOCi')。对于放电(D＜0)：
当SOCi＞SOCb时，SOCi’＝SOCi-SOCb          (3)
或者，当SOCi≤SOCb时，SOCi'＝0。
对于充电(D＞0)：
当SOCi＜SOCb，SOCi’＝SOCb–SOCi          (4)
或者当SOCi≥SOCb，SOCi’＝0。
注意，本文使用的术语“当……时”与术语“如果”可互换。
所述步骤还包括计算每个电池组的电压-电荷组合因子(Ci)。Ci是使用等式(5)定义及计算：
Ci＝a*Vi’+b*SOCi’          (5)
然后计算每个电池组的相应放电或充电功率(di)。使用等式(6)，基于每个电池组的总电力需求(D)和电压-电荷组合因子(Ci)来计算每个电池组的相应放电或充电功率(di)：
di＝D*Ci/Sum(Ci)          (6)
Sum(Ci)是多个电池组中的每一个电池组的电压-电荷组合因子(Ci)的和。用于相应电池组的放电或充电的功率份额(以百分比计)由Ci/Sum(Ci)的比率表示。当某一电池组的相应放电或充电功率为零时，特定电池组保持空闲而不放电或充电。
控制器60被配置为向多个电池组20和一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以基于每个电池组的相应的放电或充电功率从多个电池组20放电或向其充电和/或保持特定电池组空闲。
控制器60还被配置为重复一些或所有步骤，以在第一时间间隔结束之后的第二时间间隔中重新确定每个电池组的相应放电或充电功率。
时间间隔可以在任何合适的范围内。第一和第二时间间隔可以相同或不同。控制器60可被配置为通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电或充电功率来动态地控制多个电池组的放电或充电。
本发明实施例提供了一种如本文所述的控制器60，用于控制包括多个电池组20的***100的放电。控制器60被配置为控制例如电能存储***中的异构电池组20的放电或充电。控制器60被配置成将电力从多个电池组20放电到电网或负载85，或者将电力充电到多个电池组20。
控制器60被配置为向多个电池组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功率从多个电池组放电(或向多个电池组充电)和/或保持特定电池组空闲。控制器60被配置用于控制例如电能存储***中的异构电池组20的放电或充电。在一些实施例中，控制器60被配置成将电力从多个电池组放电到电网或负载，或将电力从电网或负载充电到多个电池组。
本发明实施例还提供了一种用于通过其中的控制器60控制包括多个电池组20的***100的放电或充电的方法200，如本文所述。
不同的电池组，尤其是二次寿命或梯次利用的电池或具有不同容量和额定值的电池，具有变化的电压-电荷特性。参考图3，示出了在放电过程期间示例性电池组20的电压与电荷流的示例性曲线。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数小时(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该电池组的电压。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。
电压对电荷的曲线可以在恒定放电电平下经验性地生成，同时在放电时段内监视电流，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。在一些实施例中，电压对电荷的曲线是在恒定放电电平下经验性地生成的，同时在放电时段内监视电流，直到电压下降超过用户定义的最小限制，如由虚线垂直线与来自y轴的水平线的交点所示。
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。可以为每个相应的电池组20提供不同放电速率的曲线族，并且可以用于跟踪给定调度场景(episode)的电池组的电压轨迹。在一些实施例中，使用诸如外插、内插或平均之类的技术来获得代表性曲线。在一条曲线中，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。该下限点也可以被称为电压崩溃(voltage collapse)。在一些实施例中，Vmax和Vmin是由制造商指定的开路电压或者是从预定电压-电荷曲线导出的开路电压。从Vmin到Vmax的范围可在从400伏到1000伏的范围内。
将具有当前电压(V)的电池组20的电压分布参数V*定义为(V-Vmin)/(Vmax-Vmin)。使用等式(2)定义和计算相应电池组中的电池的电压分布参数(Vi')：
Vi’＝(Vi/Nci–Vc min)/(Vc max–Vc min)          (2)
电池组20的电压分布参数V*和电池的电压分布参数(Vi')可以在任何合适的范围内，例如，在一些实施例中，在从50％到95％的范围内。
图4示出了根据一些实施例的用于控制或管理***100中的多个电池组20的放电或充电的示例性方法200。多个电池组20是选自新电池、梯次利用电动车辆(EV)电池或其组合的异构电池组。多个电池组20并联连接、串联连接或以其组合连接。多个电池组20优选并联连接。
参照图4，在步骤202，收集每个电池组20的特性数据。每个电池组20的特性数据包括当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nc)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)。
可以根据各个电池组中的电池的数量和电池所布置的配置来计算每个电池组20的最小和最大电压。例如，如果每个电池的最大和最小电压分别为4.2V和3.5V，并且电池组包括144个电池，则该电池组的Vmax为4.2×144V，并且这种电池组的Vmin为3.5×144V。
在步骤204，控制器60接收需要在第一时间间隔内从***100调度或向***充电的总电力需求(D)。如本文所述，可从EMS 110接收总电力需求。第一时间间隔内的总电力需求(D)也可由控制器60基于来自EMS 110的信息计算。
在步骤206，分别基于每个电池组的电压和充电状态分配第一加权因子(a)和第二加权因子(b)以用于电力分配。如等式(1)所示，a和b的和等于1。加权参数a和b是可调节的。例如，当电池组相对较新时，b的值可以接近1，并且a的值可以接近0。当这样的电池老化时，b的值将被调整为减小，并且a的值开始相应地增加。
在步骤210，确定每个电池组的相应的放电或充电功率(di)。在一些实施例中，基于当前电压(Vi)、充电状态(SOCi)、每个电池组中的电池数量(Nci)、电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)、第一加权因子(a)、第二加权因子(b)以及总电力需求(D)来计算相应的放电和充电功率。例如，通过包括图5所示的步骤212-220的步骤来确定每个电池组的相应放电或充电功率(di)。
在步骤212，使用等式(2)计算相应电池组中的电池的相应电压分布参数(Vi')：
Vi’＝(Vi/Nci–Vc min)/(Vc max–Vc min)          (2)
在一些实施例中，一个电池组中的电池是相同的，并且共享相同的Vi'。或者，一个电池组中的电池被平均以提供一个Vi值。
在步骤214，为多个电池组中的每一个设置或选择基线SOC(SOCb)。多个电池组中的每一个的基线SOC(SOCb)可以是任何合适的范围，例如，从10％到90％、从20％到80％、从30％到70％、从20％到60％或从40％到60％(例如，25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％)。建立基线SOC以确保每个电池组在放电或充电过程期间具有最小电荷，从而保护电池组20。
在步骤216，使用如本文所述的条件和等式计算每个电池组的充电状态的变化(SOCi')。对于放电(D<0)，如果SOCi>SOCb，则使用等式(3)来计算SOCi'：
SOCi'＝SOCi-SOCb          (3)
如果在放电过程期间SOCi≤SOCb，则SOCi'＝0。
对于充电(D＞0)，如果SOCi＜SOCb，则使用等式(4)计算SOCi'：
SOCi'＝SOCb-SOCi          (4)
否则，SOCi'＝0。
在步骤218，使用等式(5)计算相应电池组20的电压-电荷组合因子(Ci)：
Ci＝a*Vi’+b*SOCi’          (5)
可以对从1到n(***中的总电池的数量)的每个电池组执行上述计算。
在步骤220，然后基于每个电池组的总电力需求(D)和电压-电荷组合因子(Ci)，使用等式(6)计算每个电池组的相应放电或充电功率(di)：
di＝D*Ci/Sum(Ci)          (6)
Sum(Ci)是包括从1到n的多个电池组中的每一个的电压-电荷组合因子(Ci)的和。用于相应电池组的放电或充电的功率份额(以百分比计)由Ci/Sum(Ci)的比率表示。当某一电池组的相应放电或充电功率为零时，特定电池组保持空闲而不放电或充电。
在一些实施例中，即使多个电池组放电以满足电力需求(D)的要求，也可能需要对一个或多个电池组充电。这在示例中说明。或者，即使多个电池组被充电以接受来自EMS的电力需求(D)，也可能需要对一个或多个电池组充电。
返回参照图4，控制器60向多个电池组20和一个或多个电力变换器提供具有指令的信号，以基于每个电池组的相应的放电或充电功率从多个电池组20放电或向其充电和/或保持特定电池组空闲。发生放电或充电过程。
根据指令，来自多个电池组20的电力被放电或者电力将被充电到电池组20。在每个过程之后，对于每个电池组，可以生成电压对电荷的交替曲线。有时，每个电池组的特性数据可以是相同的。
在步骤240，在第一时间间隔结束之后，可以重复上述一些或所有步骤，以重新确定每个电池组在第二时间间隔中的相应放电或充电功率。时间间隔可以在任何合适的范围内。第一和第二时间间隔可以相同或不同。第一和第二时间间隔在任何范围内，例如，10秒至2小时，1分钟至1小时，并且可以相同或不同。该间隔可以由用户定义。例如，每个时间间隔可以是1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟、30分钟、35分钟、60分钟或任何合适的时间段。控制器60可被配置为通过随时间瞬时更新每个电池组的相应放电或充电功率来动态地控制多个电池组的放电或充电。
在步骤240之后，控制器60通过重复包括步骤202、204、206、210(包括步骤212、214、216、218和220)和230的步骤中的一些或全部，将在时间间隔结束之后，针对多个电池组20重新分配放电或充电功率。在一些实施例中，重复的过程返回到步骤202并从其开始。在一些实施例中，重复的过程返回到步骤204并从其开始。有时，当一个电池组发生电压崩溃或电池需要更换时，该过程可停止，并且重复循环可在准备就绪时重新开始。多个电池组的放电或充电过程也可以通过随时间瞬时更新每个电池组的各自的放电或充电功率来动态地控制。时间间隔可以非常短或最小。
总之，本发明实施例提供的方法利用多个异构电池组来提供一致的和长期的调度分布曲线，以满足EMS放电或充电的调度要求。管理的吞吐量导致储能***的改进的寿命和性能。
在一些实施例中，***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或本地调度。在一些实施例中，该算法需要电压-电荷曲线的先验知识，其可以在调试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。
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。该***、控制器和方法延长了一些或所有电池组的寿命，并且它们还在维护和升级***方面提供了灵活性。
示例
示例性储能***100包括9个电池组，每个电池组与单个逆变器连接。电池组在0.5C放电最大，以及在0.5C充电。电池组的容量和电压特性不同，因此它们的推荐/允许最大充电和放电功率不同。假定电池组具有如表1所示的特性数据。
表1
Figure BDA0003540955880000201
Figure BDA0003540955880000211
电压Vi和SOCi是瞬时测量的各个电池组的电压和充电状态。假设每个电池组由144个单独的电池构成。希望每个电池在4.2V和3V的范围内工作。因此，电池的最大电压(Vc max)和最小电压(Vc min)分别为4.2V和3V。
仅为了说明，假设储能***在例如15分钟的时间间隔内需要-17.56kW的调度电力(D)。调度电力的负号意味着需要放电。
表2示出了在该方法中计算的参数，包括电池的电压分布参数(Vi')、充电状态的变化(SOCi')、每个电池组的电压-电荷组合因子(Ci)以及每个电池组的相应放电或充电功率(di)。
表2
Figure BDA0003540955880000212
电池的电压分布参数(Vi')由控制器根据Vi’＝(((Vi/144)-3)/(4.2-3))来计算。SOCb是算法的输入参数，其中它是每个电池组的期望的基线SOC。为了说明的目的，选择25％。该过程是对多个电池组放电，并且每个电池组具有高于SOCb的SOCi。因此SOCi'＝SOCi-SOCb。
第一加权因子(a)和第二加权因子(b)分别基于每个电池组的电压和充电状态而用于电力分配。这两个加权因子也是输入参数，其组合权重为1。为了说明的目的，针对电压的第一加权因子(a)被选择为0.45。针对SOC的第二加权因子(b)被选择为0.55。使用等式Ci＝a*Vi’+b*SOCi’来计算每个电池组的电压-电荷组合因子(Ci)。
如表2所示，7号电池组的Ci的符号与其他电池组的Ci的符号不同。这意味着，如果所需的总调度以所需的电平放电，则在该特定示例中，一个电池组将被充电。如表2所示，7号电池组的放电或充电(di)的符号为正(意味着已充电)，而其他电池组放电。如表2所示，总的电力调度是-17.56kW。在该时间间隔中，以0.09kW对除了7号电池组之外的所有放电的电池组充电。
该过程持续15分钟。在15分钟结束时，EMS将给出总的所需调度功率(D)的新命令。控制器将具有每个电池组的瞬时电压和SOC的新的测量值。然后，控制器根据上述计算再次计算来自电池组的单独的调度功率。
在另一方面，本发明实施例还包括编码有如本文所述的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。
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、闪存或任何其它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 (13)

1.一种控制多个电池组的放电或充电的方法，包括：
收集每个电池组的特性数据，所述特性数据包括当前电压Vi、充电状态SOCi、每个电池组中的电池数量Nc、电池的最大电压Vcmax和最小电压Vcmin；
接收第一时间间隔内需要从***调度或向***充电的总电力需求D；
分别基于每个电池组的电压和充电状态分配第一加权因子a和第二加权因子b以用于电力分配，其中a+b＝1；
基于当前电压Vi、充电状态SOCi、每个电池组中的电池数量Nci、电池的最大电压Vcmax和最小电压Vcmin、第一加权因子a、第二加权因子b以及总电力需求(D)来确定每个电池组的相应放电或充电功率；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，以基于每个电池组的相应的放电或充电功率从所述多个电池组放电或向所述多个电池组充电和/或保持特定电池组空闲。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定每个电池组的相应放电或充电功率包括：
计算相应电池组中的每个电池的电压分布参数Vi'，其中Vi'＝(Vi/Nci-Vcmin)/(Vcmax-Vcmin)；
设定所述多个电池组中的每一个的基线SOC，记为SOCb；
通过使用条件和方程计算每个电池组的充电状态的变化，该变化记为SOCi'，所述条件和方程包括：
对于放电D<0，当SOCi>SOCb时，SOCi'＝SOCi-SOCb，并且当SOCi≤SOCb时，SOCi'＝0；或者
对于充电D＞0，当SOCi＜SOCb时，SOCi'＝SOCb-SOCi，并且当SOCi≥SOCb时，SOCi'＝0；
计算各电池组的电压-电荷组合因子Ci，Ci定义为Ci＝a*Vi’+b*SOCi’；以及
基于每个电池组的所述总电力需求D和所述电压-电荷组合因子Ci来计算每个电池组的相应的放电或充电功率di，其中di＝D*Ci/Sum(Ci)，并且Sum(Ci)是所述多个电池组中的每个电池组的所述电压-电荷组合因子Ci的总和。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个电池组是选自新电池、梯次利用电动车辆EV电池或其组合的异构电池组。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述***是电能存储***，并且所述总电力需求是从上层能量管理***提供的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中电力从所述多个电池组放电到电网或负载，或者电力从所述电网或负载充电到所述多个电池组。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个电池组中的每一个的基线SOC在从10％至90％的范围中，优选为在从20％至60％的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中当相应的放电和充电功率被分配为零时，特定电池组保持空闲。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述第一时间间隔结束之后的第二时间间隔中重复所有步骤以重新确定每个电池组的相应放电或充电功率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时间间隔和所述第二时间间隔中的每一者在1分钟至一小时的范围内。
10.一种控制多个电池组的放电或充电的控制器，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权利要求1-9任意一项所述的方法。
11.一种***，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将来自一个电池组的直流(DC)转换为交流(AC)或反之亦然；以及
控制器，所述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，所述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权利要求1-9任意一项所述的方法。
12.根据权利要求11所述的***，其中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。
13.一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1-9中任意一项所述的方法。
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