用于控制电池组放电的系统、方法、控制器及介质与流程

用于控制电池组放电的系统、方法、控制器及介质
1.优先权要求及交叉参考
2.本技术要求在2021年4月27日提交的美国临时申请序列号17/241,515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
3.本公开一般涉及用于控制电池组的系统和方法。更具体地，所公开的主题涉及用于例如在储能应用中控制电池组放电的控制器、系统、方法和介质。


背景技术：

4.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。可再生能源是间歇性的，因为它们不能总是在需要满足能量消费者的变化的需求时被调度。储能系统预期解决这种灵活性挑战。固定式储能系统可以存储能量并且当需要时以电的形式释放能量。


技术实现要素：

5.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，每个电池组的所述特性数据包括最大电压、用于放电的最小电压、最大总额定功率和当前电压；基于所述最大电压、所述最小电压和所述当前电压确定每个电池组的电压分布参数；基于每个电池组的所述电压分布参数和所述最大总额定功率计算每个电池组的相应放电份额；基于所述相应放电份额和所述总电力需求来确定每个电池组的相应放电功率；以及基于每个电池组的所述相应放电功率，控制所述多个电池组放电和/或控制特定电池组保持空闲。
6.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。
7.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。
8.优选地，所述控制特定电池组保持空闲包括：当特定电池组的当前电等于或低于其用于放电的最小电压时，该特定电池组保持空闲。
9.优选地，使用以下等式确定每个电池组的电压分布参数vi*：
10.v*＝(v-vmin)/(vmax-vmin)
11.其中，vmax是电池组被完全充电或处于其最大允许充电电平时的电压，vmin是电池组耗尽电荷或达到其最小允许充电电平时的电压，v是指电池组的当前电压；
12.使用以下等式计算每个电池组的相应放电份额wi：
[0013][0014]
其中，d
imax
是第i个电池组的所述最大总额定功率；以及使用以下等式确定每个电
池组的所述相应放电功率di：
[0015]di
＝wid；
[0016]
其中，d是所述总电力需求。
[0017]
优选地，该方法进一步包括：在预定时间间隔结束之后或当电池组发生电压崩溃时，重复该方法中的一些或所有步骤以重新分配用于多个电池组的调度。
[0018]
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。
[0019]
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上述的用于控制电池组放电的方法。
[0020]
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。
[0021]
本公开还提供一种用于控制电池组放电的系统，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。
[0022]
优选地，该系统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。
[0023]
优选地，所述系统是电储能系统，并且所述总电力需求被配置为从上层能量管理系统接收。
[0024]
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。
[0025]
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诸如电能存储系统的系统、以及使用该控制器的方法。根据一些实施例，控制器、系统和方法利用电压偏置技术。
[0026]
根据一些实施例，一种系统包括多个电池组、一个或多个电力变换器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，该系统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。
[0027]
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。多个电池组并联连接、串联连接或以其组合(即，混合组合)连接。在一些实施例中，多个电池组并联连接。
[0028]
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系统的放电过程的步骤。在一些实施例中，这些步骤包括：接收需要从系统调度的总电力需求(d)(有时称为电力负载)，以及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。每个电池组的特性数据包括最大电压(v
imax
)、用于放电的最小电压(v
imin
)、最大总
额定功率(d
imax
)和当前电压(vi)。所述步骤进一步包括：基于v
imax
、v
imin
和vi确定每个电池组的电压分布参数(vi*)，基于每一和每个电池组的电压分布参数(vi*)和最大总额定功率(d
imax
)计算每个电池组的相应放电份额(wi)，以及基于相应放电份额(wi)和总电力需求(d)确定每个电池组的相应放电功率。所述步骤还进一步包括：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放电功率从所述多个电池组释放电力和/或保持特定电池组空闲。
[0029]
当计算的特定电池组的放电份额大约为零，或者由于其电压等于或低于其用于放电的最小电压(即，具有电压崩溃)而使得这样的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被更换。
[0030]
在一些实施例中，控制器被配置成在预定时间间隔内提供具有指令的信号，并且通过重复上述步骤，在时间间隔结束之后或当电池组发生电压崩溃时，重新分配多个电池组的调度。
[0031]
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。
[0032]
该系统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。
[0033]
在一些实施例中，所述系统是电能储存系统。总电力需求由上级能量管理系统(ems)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它组件。
[0034]
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系统的放电的控制器。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的这些步骤包括：接收需要从系统调度的总电力需求(d)，以及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。每个电池组的特性数据包括最大电压(v
imax
)、用于放电的最小电压(v
imin
)、最大总额定功率(d
imax
)和当前电压(vi)。该步骤进一步包括：基于v
imax
、v
imin
和vi确定每个电池组的电压分布参数(vi*)，基于每一和每个电池组的电压分布参数(vi*)和最大总额定功率(d
im
ax)计算每个电池组的相应放电份额(wi)，以及基于相应放电份额(wi)和总电力需求(d)确定每个电池组的相应放电功率。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释放电力和/或保持特定电池组空闲。
[0035]
所述控制器被配置为与其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。
[0036]
在一些实施例中，控制器被配置成在预定时间间隔内提供具有指令的信号，并且通过重复上述步骤，在时间间隔结束之后或当电池组发生电压崩溃时，重新分配多个电池组的调度。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。
[0037]
控制器被配置用于控制例如电能存储系统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。
[0038]
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系统的放电的方法。该方法包括以下步骤：接收需要从系统调度的总电力需求(d)，以及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。每个电池组的特性数据包括最大电压(v
imax
)、用于放电的最小电压(v
imin
)、最大总额定功率(d
imax
)和当前电压(vi)。该方法进一步包括：基于v
imax
、v
imin
和vi来确定每个电池组的电压分布参数(vi*)，基于每一和每个电池组的电压分布参数(vi*)和最大总额定功率(d
imax
)来计算每个电池组的相应放电份额(wi)，以及基于相应放电份额(wi)和总电力需求(d)来确定每个电池组的相应放电功率。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，以基于每个电池组的相应放电功率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。
[0039]
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。
[0040]
所述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的。多个电池组并联连接、串联连接或以其组合连接。
[0041]
在一些实施例中，当特定电池组的当前电压(vi)等于或低于其用于放电的最小电压(v
imin
)时，这样的电池组保持空闲。
[0042]
根据一些实施例，参数计算如下。使用等式(1)确定每个电池组的电压分布参数(vi*)：
[0043]
v*＝(v-vmin)/(vmax-vmin)
ꢀꢀ
(1)
[0044]
使用等式(2)计算每个电池组的相应放电份额(wi))：
[0045][0046]
使用等式(3)确定每个电池组的相应放电功率：
[0047]di
＝w
idꢀꢀ
(3)
[0048]
在一些实施例中，重复上述一些或所有步骤，以在预定时间间隔结束之后或当电池组发生电压崩溃时，重新分配用于多个电池组的调度。
[0049]
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。
[0050]
本公开中提供的系统、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。该系统、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系统的灵活性。
附图说明
[0051]
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。
[0052]
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系统的框图。
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
图4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。
[0056]
图5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。
具体实施方式
[0057]
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。
[0058]
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。
[0059]
在本发明实施例中，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。
[0060]
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系统进行充电和放电的方法，所述电化学电池系统例如为具有两个电池单元(cell)的锂离子电池系统。基于系统中定义的电荷状态(soc)阈值来确定电池放电。在该系统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，在这种系统中，在单个时间不可以操作两组电源。
[0061]
中国专利申请cn110518667a公开了一种梯次利用电池并联系统，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。
该系统利用dc/dc变换模块和电池模块中的电池管理模块来控制电池系统。
[0062]
cn110518667a中公开的这种系统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系统扩展到电网中。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。如果电池系统连接到电网，则仍然需要附加的ac/dc变换器。如果诸如cn110518667a中公开的系统连接到电网，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。
[0063]
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、控制器、一种包括这种控制器的诸如电储能系统的系统。根据一些实施例，控制器、系统和方法利用电压偏置技术。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。
[0064]
本发明实施例的目的之一是建立一种用于基于从电池组收集的电池组电压对多个电池组放电的方法。电池电压，例如，如本文所述的称为电压分布参数(v*)的归一化电压参数，提供了这种电池组的电荷状态及其供应能量的能力的指示。较高电压的电池组以较高优先级被调度以提供相比于较低电压的电池组更高的能量。电压测量是一种沿着电压-电荷曲线理解电池性能的直接方法。
[0065]
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。对于相同量的电荷流，与低电压放电相比，较高电压的放电提供较高电力。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，还没有考虑到电池组的电压和放电期间的电压轨迹的不均匀性。
[0066]
本发明实施例提供了一种在储能应用中适当地利用例如异构电池组的控制器、系统和方法，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(例如梯次利用电动车辆(ev)电池)或它们的组合。每个电池组根据其特性(例如电压)单独工作。不需要预先选择或拆卸电池组。
[0067]
本发明的一个益处是有效地管理电池组的多样性，例如新电池、梯次利用动力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系统中更强(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，并且系统的整体寿命可以被延长。提高了电池储能系统(bess)的可靠性、稳定性和安全性。
[0068]
本发明实施例中提供的控制器、系统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、相同或不同的物理性能和/或电性能。在一些实施例中，电池组是异构电池组。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)、梯次利用动力电池或它们的组合。梯次利用动力电池用于说明目的。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。
[0069]
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。
[0070]
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。
[0071]
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。
[0072]
本文所使用的术语“能量管理系统(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系统的性能的计算机辅助工具的系统。
[0073]
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“电力变换系统(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“电池管理系统(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。
[0074]
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。功率、能量和电力可以随时间变换。
[0075]
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。
[0076]
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3中描述的数据绘图或草图来描述图4-5中描述的方法。
[0077]
参考图1，示例性系统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。该系统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。
[0078]
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转换为dc。电力变换器10也可以称为电力变换系统(pcs)或逆变器。
[0079]
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，系统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。
[0080]
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，示例性系统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。
[0081]
多个电池组20是异构电池组，其可以选自新电池、梯次利用动力电池或其组合。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。
[0082]
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是梯次利用动力电池，如梯次利用ev电池。所用的ev电池可直接用于系统中，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。
[0083]
在一些实施例中，示例性系统100是电储能系统。控制器60被配置成接收从上层能量管理系统(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。示例性系统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。系统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系统。
[0084]
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它组件。
[0085]
控制器60可以以有线或无线模式与其它组件连接。在图1所示的示例性系统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的其它组件连接。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。
[0086]
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。
[0087]
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系统的放电过程的步骤。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。
[0088]
(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。
[0089]
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4-5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：接收需要从系统100调度的总电力需求(d)，并收集每个电池组20的特性数据，以建立每个电池组20的第一电压-电荷曲线。每个电池组20的特性数据至少包括最大电压(v
imax
)和用于放电的最小电压(v
imin
)，其可从每个电池组20的第一电压-电荷曲线导出。特性数据还可包括最大总额定功率(d
imax
，以千瓦形式)和当前电压(vi)。
[0090]
所述步骤进一步包括：基于v
imax
、v
imin
和vi确定每个电池组的电压分布参数(vi*)，基于每一和每个电池组的电压分布参数(vi*)和最大总额定功率(d
imax
)计算每个电池组的相应放电份额(wi)(或者也称为乘数(multiplier))，以及基于相应放电份额(wi)和总电力
需求(d)确定每个电池组的相应放电功率。这些步骤还进一步包括向多个电池组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20释放电力和/或保持特定电池组空闲。
[0091]
当计算出的特定电池组的放电份额大约为零，或者由于其电压等于或低于其用于放电的最小电压(即，具有电压崩溃)而使得这样的电池不能用于放电以满足所需条件时，特定电池组20保持空闲而不放电。这种电池组20可能需要首先充电或更换。
[0092]
放电或调度份额是电池组20在总电力需求中放电的百分比。除了放电份额之外，还可以计算放电或调度速率，其指的是每单位时间放电的电力或能量。总电力需求(d)是单位时间内所需的总能量。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变换成对应的放电速率。
[0093]
在一些实施例中，控制器60被配置成在预定时间间隔内提供具有指令的信号，并且通过重复上述步骤，在时间间隔结束之后或者当电池组20发生电压崩溃时，重新分配多个电池组20的调度。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。
[0094]
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的系统100的放电。控制器60被配置为控制例如电能存储系统中的异构电池组20的放电。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。
[0095]
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60控制包括多个电池组20的系统100的放电的方法200。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加权或偏置放电，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。管理的吞吐量通过电池组的使用寿命而导致寿命和性能的提高。
[0096]
不同的电池组，尤其是二次利用或使用过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。本发明实施例中的控制器60和方法200偏置放电到具有较高电压的电池组。这保证了对于相同的电荷吞吐量的更高的电力调度，同时使得更容易满足传递到电池组管理系统的调度命令。在调度期间测量的电压可以用于加速/延迟或停止放电。具有较低电压的电池组20的减小的吞吐量通过电池组的使用寿命而导致改进的寿命和性能。电压的幅值可以以归一化电压的形式表示，例如，如本文所述的电压分布参数(v*)。
[0097]
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。
[0098]
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-电荷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测电流，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。
[0099]
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事件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。在一些实施例中，vmax和vmin是由制造商指定或从预定电压-电荷曲线导出的开路电压。从vmin到vmax的范围可在从400伏到1,000伏的范围内。
[0100]
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)。参数越高，该电池组能够进一步放电的程度越高。例如，使用的十个示例性电池组具有如下v*：分别为83％、80％、78％、63％、70％、65％、88％、90％、73％和70％。
[0101]
异构电池组20具有变化的电压-电荷-时间特性。在本发明实施例所提供的方法中，该控制方法对具有高电压分布参数的电池组的放电进行偏置。具有较高电压分配参数(v*)的电池组20以较高优先级用于放电。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系统的调度电力命令。
[0102]
图4示出了根据一些实施例的用于控制系统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是异构电池组，其选自新电池、梯次利用动力电池或其组合的。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。
[0103]
参考图4，在步骤202，控制器60接收需要从系统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。
[0104]
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。每个电池组的特性数据包括最大电压(v
imax
)、用于放电的最小电压(v
imin
)、最大总额定功率(d
imax
)和当前电压(vi)。
[0105]
在步骤206中，基于v
imax
、v
imin
、vi来确定每个电池组的电压分布参数(vi*)。在一些实施例中，通过使用等式(1)来使用被确定的每个电池组的电压分布参数(vi*)来确定v*：
[0106]
v*＝(v-vmin)/(vmax-vmin)
ꢀꢀ
(1)
[0107]
在步骤210，基于每一或每个电池组的电压分布参数(vi*)和最大总额定功率(d
imax
)计算每个电池组的相应放电份额(wi)。在一些实施例中，使用等式(2)计算每个电池组的相应放电份额(wi)：
[0108][0109]
在步骤212，根据等式(3)，基于相应的放电份额(wi)和总电力需求(d)来计算每个电池组的相应放电功率(di)：
[0110]di
＝w
idꢀꢀ
(3)
[0111]
在步骤214，从控制器60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20释放电力和/或保持特定电
池组空闲。根据该指令，来自多个电池组20的电力被放电。
[0112]
每一或每个电池组的相应放电份额(wi)和相应放电功率(di)可以总结在表格或图表中，其可以在显示器76中示出。对于每个电池组，当放电速率变化时，在步骤206，电压-电荷的替代曲线用于生成电压分布参数。
[0113]
对于系统中的多个电池组(总共n个电池组)，放电份额的总和等于1，如等式(4)所示：
[0114][0115]
放电能量被假定为在单位时间内被递送。因此，能量与用于调度目的电力同义。输出参数包括每个电池组的放电份额或速率以及放电功率(di)。
[0116]
在控制器60为用户定义的时间间隔提供调度电力需求之后，变换器10在用户定义的时间间隔以各种电力电平调度电池组20。该各个电池组调度电力是使用电压校正来计算的，例如使用参数v*。在出现意外问题的情况下，时间校正也可应用于节流(throttle)/加速或停止放电。即使电池组很大，由于较低的电压，其调度电力也可能很低。而如果其电压较高，则来自较小电池的调度能量可能较高。在任何情况下，算法将确保从不违反每个电池组的最大调度容量(d
i,max
)。
[0117]
当计算的特定电池组的放电份额大约为零，或者这样的电池组因为其电压等于或低于其用于放电的最小电压(即，具有电压崩溃)而不能被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。
[0118]
参考图4，在一些实施例中，方法200进一步包括重新分配步骤或循环220。在步骤214，控制器60提供具有预定时间间隔的指令的信号。该间隔可以由用户定义。例如，时间间隔可以是从10秒到2小时的任何时间长度，例如，1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、30分钟或一小时。在步骤220之后，控制器通过重复包括步骤202、204、206、210、212和214的一些或所有步骤，在时间间隔结束之后或当电池组发生电压崩溃时，重新分配多个电池组的调度(放电)。在一些实施例中，重新分配过程返回到步骤202并从其开始。在一些实施例中，重新分配过程返回到步骤204并从其开始。
[0119]
在一些实施例中，通过随时间瞬时更新每个电池组20的相应放电份额或速率来动态地控制多个电池组20的放电过程。时间间隔是最小的。
[0120]
在替代方法中，在步骤204，每个电池组的开路电压，无论是测量的还是从校准曲线获得的，也可以用于提供电力调度。在步骤214，在一些实施例中，在电压大幅下降的情况下，特定于电池组的时间约束可以用于迫使特定电池组以更快/更慢的速率调度或停止放电。为了减少由于电压变化引起的电池组内调度分配的突然变化，可以使用公式(5)使用窗口平均来计算wi，而不是瞬时地计算：
[0121][0122]
为了减少由于快速移动的电压曲线而引起的波动，可以应用窗口平均来计算平均电压。
[0123]
参考图5，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。
[0124]
在框或步骤302中，接收总电力需求(即，总调度电平)(d)，例如从ems110接收到控
制器60。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20的电压-电荷特性。对于系统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，从系统的集合中找到或确定每个相应电池组20的当前电压(vi)。可以从系统的集合中找到或确定每个电池组的最大总额定功率(d
imax
)。包括最大电压(v
imax
)和用于放电的最小电压(v
imin
)的每个电池组的其它特性数据也可以从如上所述的电压-电荷曲线确定。
[0125]
在框308中，可以为多个电池组创建电压偏置放电分布。这包括图4中的步骤206、210和212。在框310中，作为输出，将相应的调度份额(wi)或放电功率(di)分配给每一或每个电池组。如果相应的放电速率改变，则将使用替代曲线来生成电压分布。在框312中，检查该分配以查看其是否导致电池组的电压崩溃。如果是，则这种电池组保持空闲，并且将重复从框304到框310的步骤。如果没有电压崩溃，则在该过程返回到框302以重新分配之前，该分配被用于在一时间间隔内从多个电池组进行电力调度(放电)。
[0126]
在一些实施例中，系统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。
[0127]
本发明实施例中提供的系统、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，则系统仍然具有供应电力负载以满足电力需求的能力。该系统、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系统的灵活性。
[0128]
本文描述的方法和系统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系统远程地操作。
[0129]
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。