专利名称：电池单元平衡方法、电池单元平衡设备、以及储能系统的制作方法
技术领域：
本发明的一个或多个实施例涉及电池单元平衡(celI balancing)方法、电池单元平衡设备、以及包括电池单元平衡设备的储能系统。
背景技术：
随着注意到环境破坏和资源枯竭成为严重的问题，用于存储能量以及高效地利用 能量的系统已经获得了越来越大的兴趣。此外，对于在生成过程中不会导致污染或导致很少污染的、新颖的可更新能源也获得了兴趣。储能系统可以是这样一种系统，其互连可更新能源、用于存储电力的电池系统、以及已有电网(existing grid),并且按照环境的改变对其进行了大力的研究。这样的储能系统可以包括大量的电池单元(battery cells)，并且监控例如电池的电压、温度、或电流等电池单元的状态，以及基于监控结果有效地管理电池单元很重要。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了平衡多个电池单元的方法。该方法包括获取串联连接的多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV);基于电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(S0C);根据电池单元的S0C，每当电池单元的SOC变化时，确定电池单元的OCV中的差值；并且当差值大于参考值时，激活多个电池单元的电池单元平衡。该方法还可以包括确定电池单元的开路电压(0CV)中最大电压和最小电压之间的电压差，并且当电压差大于参考电压时，激活多个电池单元的电池单元平衡。该方法还可以包括监控电压差，并且当电压差小于或等于参考电压时，去激活电池单元的电池单元平衡。根据实施例，激活多个电池单元的电池单元平衡可以包括执行选择性地充电或放电电池单元。根据本发明的另一个实施例，电池单元平衡设备包括与多个电池单元电连接的电池管理单元。电池管理单元被配置为获取多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV);基于电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(SOC);根据电池单元的S0C，每当电池单元的SOC变化时，确定电池单元的OCV中的差值；并且当差值大于参考值时，激活多个电池单元的电池单元平衡。电池管理单元还可以被配置为确定电池单元的开路电压(OCV)中最大电压和最小电压之间的电压差，并且当电压差大于参考电压时，激活多个电池单元的电池单元平衡。电池管理单元还可以被配置为监控电压差，并且当电压差是小于参考电压时，去激活电池单元的电池单元平衡。电池管理单元可以包括控制器；以及电池单元平衡单元，其电连接到电池单元，并且可操作地连接到控制器，其中，电池单元平衡单元被配置为根据来自控制器的控制信号选择性地充电或放电电池单元。根据本发明的另一个实施例，储能系统包括电池系统，用于存储来自生成系统或电网的能量；以及电力转换系统，用于控制在电池系统、生成系统、以及电网中的电力转换。电池系统包括多个电池单元，所述多个电池单元串联连接；以及与多个电池单元电连接的电池管理单元。电池管理单元被配置为获取多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV);基于电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(SOC);根据电池单元的S0C，每当电池单元的SOC变化时，确定电池单元的OCV中的差值；并且当差值大于参考值时，激活多个电池单元的电池单元平衡。电池管理单元还可以被配置为确定所述电池单元的开路电压(OCV)中最大电压 和最小电压之间的电压差；并且当所述电压差大于参考电压时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。电池管理单元可以被配置为，当电池单元平衡被激活时，选择性地充电或放电所述电池单元。
图I是示出根据本发明实施例的储能系统的框图；图2是示出根据本发明实施例的电池系统的框图；图3示出根据本发明实施例的托架电池(tray battery)和托架电池管理系统(BMS)；图4是示出根据本发明实施例的电池单元充电特性的图形；图5是示出根据本发明实施例的在对图4的电池单元进行电池单元平衡之前充电/放点特性的图形；图6是示出在低压区域对图5的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形；图7是示出根据本发明的另一个实施例在对图6的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形；图8是示出在高压区域对图7的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形；图9是示出根据本发明的另一个实施例的电池单元的充电特性的图形；图10是示出根据本发明的另一个实施例在对图9的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形；图11是示出在低压区域对图10的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形；图12是示出根据本发明的另一个实施例在对图11的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形；图13是示出在高压区域对图12的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形；图14是显示图4到图13的电池单元平衡的结果的表格；图15是示出根据图4和图9的电池单元的特性的图形；图16是示出图4和图9的电池单元的其他特性的图形；以及图17是示出根据本发明实施例的电池单元平衡方法的流程图。
具体实施例方式由于本发明允许各种改变以及众多的实施例，特定的实施例将在附图中示出并在撰写的描述中详细地描述。然而，这并非想要将本发明限制在特定的实践模式，应当理解所有不脱离本发明的精神和技术范围的改变、等效、以及替换都涵盖在本发明中。在本发明的 描述中，当相关技术被认为不必要地模糊发明的重点时，将省略相关技术的一定的详细的说明。在本说明书中使用的术语仅仅是用来描述特定的实施例，并非意图限制本发明。在单数中使用的表达方式也涵盖复数的表达方式，除非其在上下文中明确地具有不同的含义。在本说明书中，应当理解诸如“包括”或“具有”等术语是为了表示存在本说明书中公开的特征、数字、步骤、动作、组件、部分、或它们的组合，并非意图排除存在或添加一个或多个其它的特征、数字、步骤、动作、组件、部分、或它们的组合的可能性。本发明的一个或多个实施例包括能够高效地执行电池单元平衡的电池单元平衡方法、电池单元平衡设备、以及包括该电池单元平衡设备的储能系统。根据本发明的实施例，电池单元平衡可以由电池单元平衡设备和包括该电池单元平衡设备的储能系统高效地执行。本发明的实施例将在以下参考附图进行更详细的描述。那些相同或相应的组件由相同的参考标号来表示而不管图号，并且多余的说明将被省略。图I是示出根据本发明实施例的储能系统I的框图。参考图1，与生成系统2和电网3相连的储能系统I为负载4提供电力(power)。生成系统2使用能量源产生电力。生成系统2将所产生的电力提供给储能系统I。例如，生成系统2可以是太阳能发电系统、风力发电系统、或潮汐发电系统。然而，生成系统2并不局限于此。任何使用新的或循环能量(例如太阳能热或地热)产生电的发电系统可以被用作生成系统2。特别是，使用阳光产生电能的太阳能电池单元容易安装在家庭或工厂，并且因此当分布在家庭或工厂时，可以适当地用作生成系统2。生成系统2可以包括多个并行排列的生成模块，并从所述模块产生电力，由此构成大容量的能量系统。电网3可以包括发电厂、变电站、电力线等。在正常状态下，电网3提供电力给储能系统1，以便给负载4和/或电池系统20提供电力，并且从储能系统I接收电力。在异常状态下，电网3停止向储能系统I提供电力，并且储能系统I停止向电网3提供电力。负载4消耗生成系统2产生的电力、存储在电池系统20中的电力、和/或从电网3提供的电力。例如,负载4可以是家庭或工厂。储能系统I可以将生成系统2产生的电力存储在电池系统20中，并将产生的电力提供给电网3。而且，储能系统I可以将存储在电池系统20中的电力提供给电网3，或将从电网3提供的电力存储在电池系统20。而且，如果电网3处于异常状态，例如，在断电(blackout)的情况下,储能系统I执行不间断供电(uninterruptible power supply,UPS)操作，以提供电力到负载4。而且，当电网3处于正常状态时，储能系统I也可以将生成系统2产生的电力或存储在电池系统20中的电力提供给负载4。储能系统I包括用于控制电力转换的电力转换系统(power conversion system,PCS) 10、电池系统20、第一开关30、以及第二开关40。PCS 10将生成系统2、电网3、或电池系统20的电力转换为将被提供到任何需要电力的地方的适当或可用形式的电力。PCS 10包括电力转换单元11、DC链接单元12、逆变器(inverter) 13、变流器(converter) 14、以及集成控制器15。电力转换单元11连接在生成系统2和DC链接单元12之间。电力转换单元11将生成系统2产生的电力传送到DC链接单元12 ;这里，电力转换单元11将输出电压转换为直流链接电压。电力转换单元11根据生成系统2的类型可以包括诸如变流器或整流电路的电力 转换电路。如果生成系统2产生直流电电力，则电力转换单元11可以包括变流器，用于将直流电转换为另一直流电。如果生成系统2产生交流电电力，则电力转换单元11可以包括整流电路，用于将交流电转换为直流电。在一个实施例中，当生成系统2从阳光产生电力时，电力转换单元11可以包括最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)变流器，其进行MPPT控制以便根据阳光照度、温度等等的变化来最大化由生成系统2产生的电力。如果生成系统2没有产生电力，则电力转换单元11可以停止操作，以最小化或减少变流器等的电力消耗。由于生成系统2或电网3中的瞬时电压降，或者负载4中生成的峰值负载，直流电链接电压的幅值或振幅可能不稳定。然而，直流电链接电压必须被稳定，以便允许变流器14和逆变器13的正常操作。DC链接单元12连接在电力转换单元11和逆变器13之间，以均匀地或基本上保持直流电链接电压。例如，大容量的电容器可以用作DC链接单元12。逆变器13是连接在DC链接单元12和第一开关30之间的电力变流器。逆变器13可以包括逆变器，在放电模式，该逆变器将从生成系统2和/或电池系统20输出的直流电链接电压转换为交流电电压，并输出该交流电电压。而且，为了在充电模式期间将电网3的电力存储在电池系统20中，逆变器13可以包括整流电路，该整流电路整流电网3的交流电电压，并将该交流电电压转换为直流电链接电压。逆变器13可以包括双向逆变器，其能够改变(例如，反向)输入和输出方向。逆变器13可以包括滤波器，用于去除从逆变器13输出的交流电电压中的谐波。而且，逆变器13可以包括锁相环(PLL)电路，用于同步从逆变器13输出的交流电电压的相位与电网3的交流电电压的相位，以避免生成无功功率(reactive power)。此外,逆变器13可以约束或限制电压波动范围，改善功率因数，去除直流分量，防止或减少瞬变现象，等等。当未使用时，逆变器13可以停止操作以最小化或减少电力消耗。变流器14是连接在DC链接单元12和电池系统20之间的电力变流器。变流器14包括执行DC-DC转换的变流器，并且更具体地说，包括这样一个变流器，其在放电模式中将存储在电池系统20中的电力转换为逆变器13期望或可使用的电压电平，S卩，转换为直流电链接电压，并输出该直流电链接电压。而且，变流器14包括执行DC-DC转换的变流器。也就是说，变流器将从电力转换单元11输出的电力或者从逆变器13输出的电力的电压转换为电池系统20所期望的电压电平，例如，充电电压。或者，变流器14可以是能够改变输入和输出方向的双向变流器。当没有执行电池系统20的充电或放电时，变流器14可以停止操作以最小化或减少功率消耗。集成控制器15监控生成系统2、电网3、电池系统20、以及负载4的状态，并根据监控结果和预先设定的算法来控制电力转换单元11、逆变器13、变流器14、第一开关30、以及第二开关40。集成控制器15可能监控在电网3中是否发生断电，生成系统2是否产生电力，当生成系统2产生电力时由生成系统2产生的电量，电池系统20的充电状态，负载4的功率消耗量，时间，等等。此外，如果提供给负载4的电力不足，例如，在电网3中发生断电时，集成控制器15可以确定负载4中包括的用电器具的优先级，并且可以控制负载4将电力提供给具有最高优先级的用电器具。第一开关30和第二开关40串联连接在逆变器13和电网3之间，并且根 据集成控制器15的控制接通/断开，以控制在生成系统2和电网3之间的电流流动。第一开关30和第二开关40可以根据生成系统2、电网3、以及电池系统20的状态被接通/断开。更详细地，当把生成系统2和/或电池系统20的电力提供给负载4时，或者当把电网3的电力提供给电池系统20时，第一开关30被接通。当把生成系统2和/或电池系统20的电力提供给电网3时，或者当把电网3的电力提供给负载4和/或电池系统20时，第二开关40被接通。另一方面，如果在电网3中发生断电，则第二开关40被断开，并且第一开关30被接通。也就是说，电力从生成系统2和/或电池系统20提供给负载4，同时，防止提供给负载4的电力流向电网3。因此，储能系统I操作为独立系统，由此来防止诸如由于从储能系统I传送的电力而造成在电网3的电力线上工作的工人被电击的事故。能够承受或处理大电流的开关设备，如中继器，可以被用作第一开关30和第二开关40。电池系统20接收由生成系统2产生的电力和/或电网3的电力，并进行存储，然后将存储的电力提供给负载4和/或电网3。电池系统20可以包括用于存储电力的单元和用于控制和保护所述用于存储电力的单元的单元。以下，电池系统20将参考图2更详细地描述。图2是示出根据本发明实施例的电池系统20的框图。参考图2，电池系统20可以包括电池管理系统(BMS)200、多个托架210、211_21n、以及总线240。BMS 200控制电池系统20的总体操作。BMS 200从托架BMS 220、221_22n接收通过测量托架电池230、231-23n中包括的电池单元的电压和温度而获得的数据。BMS 200收集所接收的数据并进行分析，并且将分析结果传送到集成控制器15。或者，BMS 200可以将所接收的数据立即传送给集成控制器15。BMS 200根据来自集成控制器15的命令或所接收的数据的分析结果，将用于控制托架BMS 220、221-22n的命令传送到相应的托架BMS 220、221_22n。此外，BMS 200可能指示托架BMS 220、221-22n将托架电池230、231-23n的状态的测量结果传送到BMS 200。所述多个托架210、211_21n是电池系统20的附属单元，每一个包括托架BMS 220、221-22n之一和托架电池230、231-23n之一。也就是说，BMS 200和多个托架210、211_21n可以对应于主从配置(master-slave configuration)或主次配置(superordinate-subordinate configuration),或者以主从配置或主次配置方式操作。托架BMS 220、221-22n测量托架电池230、231-23n的状态，例如，电压和温度，并且控制包括在托架电池230、231-23n中的电池单元，从而电池单元根据测量结果执行电池单元平衡。此外托架BMS 220、221-22n可以经由总线240将测量结果传送到BMS 200，并经由总线240从BMS 200接收命令，以执行设定的或预定的操作。托架电池230、231_23n可以存储外部电力，例如，从电网3或生成系统2提供的电力，并且可以将存储的电力提供给负载4。托架电池230、231-23n的每一个可以包括电池单元作为附属组件。电池单元的数量可以根据所需的输出电压来确定。各种可充电的二级(secondary)电池可以用作电池单元。例如，可以用作电池单元的二级电池的例子包括镍镉电池、铅酸蓄电池、镍氢电池(NiMH)电池、锂离子电池、和锂聚合物电池。
总线240被用作通路，数据或命令通过该通路在BMS 200和托架BMS220、221_22n之间传送。可以使用控制器区域网络(CAN)通信协议作为在BMS 200和托架BMS 220、221-22n之间的通信协议。但是，通信协议不限于此，而是可以应用数据或命令经由总线传送的任何合适的通信协议。此外，虽然根据本发明的当前实施例，经由总线240来执行通信，但是本发明的实施例不限于此。例如，托架BMS 220、221-22n可以串联连接以传送数据或命令到相邻的托架BMS，而特定的BMS可以被配置为与BMS 200进行通信。这里，虽然参考图2，电池系统20被示出为包括一个BMS 200和使用BMS 200控制的多个托架210、211-21n，本发明的实施例不限于此。例如，如果需要大量的电力，则可以包括多个电池系统20，并且可以包括用于控制所有电池系统20的系统BMS。以下，托架210将被更详细地描述。图3示出根据本发明实施例的托架电池230和托架BMS 220。参考图3，托架210包括托架BMS 220和托架电池230。托架电池230包括多个电池单元。托架BMS 220测量包括在托架电池230中的电池单元的电压、温度等，并将测量结果经由总线240传送到BMS 200。或者，托架BMS 220可以分析测量结果，并将结果传送到BMS 200。托架BMS 220包括控制器300和电池单元平衡电路310。控制器300测量托架电池230的总电压或中间电压(例如，整体电池单元的总电压或每个电池单元的电压)。使用控制器300测量的电压值可以是在充电或放电期间测量的电池单元的开路电压和电池单元的实际测量电压中的任何一个。控制器300可以电连接到电池单元之间的节点，以便测量托架电池230的总电压或中间电压。也就是说，一条或多条线路(wirings)可以形成在控制器300和电池单元之间，以测量托架电池230的中间电压。控制器300基于测量结果计算电池单元的充电状态。控制器300可以检测电池单元的开路电压，并且可以基于示出开路电压和充电状态之间的关系的数据来计算每个电池单元的充电状态。因此，控制器300可以包括示出在开路电压和充电状态之间的关系的数据表。然而，计算电池单元的充电状态的方法不限于上述从开路电压中进行测量的方法。可以使用各种适当的计算充电状态的方法，诸如电流积分法(current integrationmethod)。
控制器300基于检测的电压或计算的充电状态确定电池单元是否将执行电池单元平衡。控制器300预先设定用于执行电池单元平衡的条件，并确定检测的开路电压、实际测量的电压、以及计算的充电状态是否满足所设定的条件。稍后将参考图16和图17更详细地描述控制器300为电池单元平衡设定的条件。电池单元平衡电路310根据控制器300的控制执行电池单元的电池单元平衡。电池单元平衡电路310可以使用被动的电池单元平衡方法来执行电池单元平衡，在被动的电池单元平衡方法中，具有相对较高的充电状态的电池单元的电力经由平衡电阻(例如，电阻器)放电。或者，电池单元平衡电路310可以使用主动的电池单元平衡方法来执行电池单元平衡，在主动的电池单元平衡方法中，具有相对较高的充电状态的电池单元的电力被提供给具有相对较低的充电状态的电池单元。电池单元平衡电路310可以对于每个电池单元或多个电池单元的组执行电池单
元平衡。 虽然为了方面描述，在图3中只示出了一条线，命令通过其从控制器300传送到电池单元平衡电路310，但是也可以利用控制电池单元平衡电路310所需的任何适合数量的线。以上，根据本发明的实施例，控制器300和电池单元平衡电路310被描述为电池单元平衡装置。以下，将更详细地描述用于使用电池单元平衡装置执行电池单元平衡的期望的或设计的条件。图4是示出根据本发明的实施例的电池单元的充电特性的图形。在图4中，水平轴指示充电状态(SOC)，而垂直轴指示电池单元的电压。参考图4，磷酸铁锂(LiFePO4)电池被用作电池单元。充电曲线根据充电状态包括低压区域、中间电压区域、以及高压区域，在低压区域中电压突然地增加，在中间电压区域中电压逐渐地增加，而在高压区域中电压再次突然地增加。图4中示出的电压表示在充电时实际测量的电压。在图4中，电压低于大约3. 2V (10%的充电状态)的区域被设定为低压区域。电压超过大约3. 5V (90%的充电状态)的区域被设定为高压区域，而电压为3. 2V到3. 5V (10%-90%的充电状态)的剩余区域被设定为中间电压区域。图5是示出根据本发明的实施例，在使用每一个都具有图4的电池的特性的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形。在图5中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。充电和放电的时间与本发明实施例的主旨无关，因此未示出。而且，不仅在图5中将省略时间轴的具体值，而且在其它附图中也将其省略。根据本发明的实施例，总共串联连接了 14个电池单元。在图5图形的上部示出的绘图表示电池单元的电压。在图5图形的下部示出的绘图表示在电池单元的电压值中，在最高电压Vmax和最低电压Vmin之间的电压差AV。在进行电池单元的电池单元平衡的实验之前，执行以下操作以提供进行电池单元平衡的条件。首先，在完全放电多个电池单元之后，充电和放电被执行一次。然后，测量电池单元的初始容量，并且通过放电，将电池单元的充电状态调整到10%。然后，设定或预定的电池单元或者第二电池单元(例如，V_C2)被分开充电，以增加其电压大约O. IV，然后与剩余的电池单元组合。因此，电池单元的容量增加大约4Ah。在组合之后，电池单元被完全地放电。至此，操作表现了图5的图形的初始状态。如图5中所示，由包括三角形的线表示的绘图表示了被分开充电的第二电池单元(V_C2)的电压。剩余的电池单元的电压也表现出类似的情况，因此电池单元的绘图看起来重叠在一起。由于区别除了第二电池单元(V_C2)以外的电池单元的电压值与本发明的主旨无关，因此在图5中它们以单一的线来表示。此外，除了第二电池单元以外的电池单元的绘图不仅在图5中以单一实线来表示，而且在其它附图中也一样。在电池单元平衡的准备完成之后，如图5中所示，充电和放电被执行一次。这里，执行放电，直到所有电池单元的充电状态被调整到10%为止。充电状态被设定为10%，以便在低压区段(section)执行电池单元平衡。在结束充电之后的图5的电压差AV为大约O. 186V，而在结束放电之后的电压差为大约O. 293V。测量的电池单元的总容量为大约45. 44Ah。 图6是示出在低压区域使用图5的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形。在图6中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。参考图6，在根据图5完成电池单元平衡的准备之后，在低压区域对第二电池单元执行电池单元平衡。电池单元平衡花费大约53小时。然后对所有电池单元执行一次充电和放电。在进行电池单元平衡之后，在结束充电之后的电压差为大约O. 151V，而在结束放电之后的电压差为大约O. 044V。测量到增加的电池单元的总容量为大约I. 478Ah。图7是示出根据本发明的另一个实施例，在使用每一个都具有图4的电池的特性的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形。在图7中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。而且，在本发明的实施例中，总共串联连接了 14个电池单元。图7的图形具有与图5相同的结构。在进行电池单元的电池单元平衡的实验之前，执行以下操作以提供进行电池单元平衡的条件。首先，在完全放电多个电池单元之后，充电和放电被执行一次。然后，测量电池单元的初始容量，并且通过放电，将电池单元的充电状态调整到90%。然后，设定或预定的电池单元或者第二电池单元(例如，V_C2)被分开充电，以增加其电压大约O. IV，然后与剩余的电池单元组合(或重新连接)。因此，电池单元的容量增加大约4Ah。在组合之后，电池单元被完全地放电。至此，操作表现了图7的图形的初始状态。在完成电池单元平衡的准备之后，如图7中所示，充电和放电被执行一次。这里，执行放电，直到所有电池单元的充电状态被调整到90%为止。充电状态被设定为90%，以便在高压区段执行电池单元平衡。在结束充电之后的图7的电压差AV为大约O. 336V，而在结束放电之后的电压差Δ V为大约O. 428V。图8是示出在高压区域使用图7的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形。在图8中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。参考图8，在根据图7完成电池单元平衡的准备之后，在高压区域对第二电池单元(V_C2)执行电池单元平衡。电池单元平衡花费大约2. 5小时。然后对所有电池单元执行一次充电和放电。
在进行电池单元平衡之后，在结束充电之后的电压差AV为大约O. 329V，而在结束放电之后的电压差AV为大约O. 423V。测量到增加的电池单元的总容量为大约O. 22Ah。虽然在附图中未示出，电池单元平衡操作也在中间电压区域中执行。然而，即使如图5的实施例中所述电池单元的设定或预定的电池单元被充电大约4Ah，在电池单元之间的电压差也小于最小可测量电压，这意味着在中间电压区域中进行有意义的电池单元平衡实验是不可能的或不实际的。参考对于如图4到图8中示出的电池单元平衡执行的实验，与其他区域相比，在低压区域中的电池单元平衡的结果被改善。然而，在高压区域中，容量只改善了 O. 22Ah。在容量改善中的差异被认为来自于磷酸铁锂(LiFePO4)电池的特性。图9是示出根据本发明的另一个实施例的电池单元的充电特性的图形。参考图9，锰锂氧化物(LiMn2O4)电池被用作电池单元。充电曲线根据充电状态(S0C)包括低压区域、中间电压区域、以及高压区域，在低压区域中电压突然地增加，在中间 电压区域中电压逐渐地增加，而在高压区域中电压再次突然地增加。图9中示出的电压表示在充电时实际测量的电压。这里，电压小于大约3. 6V (10%的充电状态)的区域被设定为低压区域，电压超过大约4. IV (90%的充电状态)的区域被设定为高压区域，而电压为3. 6V到4. IV (10% -90%的充电状态)的剩余区域被设定为中间电压区域。图10是示出根据本发明的实施例，在使用每一个都具有图9的电池单元的特性的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形。在图10中，水平轴表示时间，而垂直轴表不电压。根据本发明的实施例，使用了总共16个电池单元，其中，包括两个模块，每个模块包括八个串联连接的电池单元。在图10图形的上部示出的绘图表示电池单元的电压。在图10的图形的下部中示出的绘图表示在电池单元的电压值当中在最高电压Vmax和最低电压Vmin之间的电压差Λ V。在进行电池单元的电池单元平衡的实验之前，执行以下操作以提供进行电池单元平衡的条件。首先，在完全放电多个电池单元之后，充电和放电被执行一次。然后，测量电池单元的初始容量，并且通过放电，将电池单元的充电状态调整到10%。然后，设定或预定的电池单元或者第二电池单元(例如，V_C2)被分开充电，以增加其电压大约O. IV，然后与剩余的电池单元组合。因此，电池单元的容量增加大约5Ah。在组合之后，电池单元被完全地放电。至此，操作表现了图10的图形的初始状态。如图10中所示，由包括三角形的线表示的绘图表示了被分开充电的第二电池单元(V_C2)的电压。剩余的电池单元的电压也表现出类似的情况，因此电池单元的绘图看起
来重叠在一起。在完成电池单元平衡的准备之后，如图10中所示，充电和放电被执行一次。这里，执行放电，直到所有电池单元的充电状态被调整到10%为止。充电状态被设定为10%，以便在低压区段执行电池单元平衡。在结束充电之后的图10的电压差Λ V为大约O. 030V,而在结束放电之后的电压差AV为大约O. 416V。测量的电池单元的总容量为大约54. 13Ah。图11是示出在低压区域使用图10的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形。在图11中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。参考图11，在根据图10完成电池单元平衡的准备之后，在低压区域对第二电池单元(C_V2)执行电池单元平衡。电池单元平衡花费大约42小时。然后，对所有电池单元执行一次充电和放电。在进行电池单元平衡之后，在结束充电之后的电压差AV为大约O. 013V，而在结束放电之后的电压差AV为大约0.208V。电池单元的总容量57. 64Ah，并且测量到大约
3.5IAh的增加。这对应于5. 85%的增加。图12是示出根据本发明的另一个实施例，在使用每一个都具有图9的电池单元的特性的电池单元进行电池单元平衡之前的充电/放电特性的图形。在图12中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。在本发明的实施例中也使用了两个模块，每个模块包括八个串联 连接的电池单元。图12的图形的结构与图10的图形的结构相同。在进行电池单元的电池单元平衡的实验之前，执行以下操作以提供进行电池单元平衡的条件。首先，在完全放电多个电池单元之后，充电和放电被执行一次。然后，测量电池单元的初始容量，并且通过放电，将电池单元的充电状态调整到90%。然后，设定或预定的电池单元或者第二电池单元(V_C2)被分开充电，以增加其电压大约O. IV，然后与剩余的电池单元组合。因此，电池单元的容量增加大约5Ah。在组合之后，电池单元被完全地放电。至此，操作表现了图12的图形的初始状态。在完成电池单元平衡的准备之后，如图12中所示，充电和放电被执行一次。这里，执行放电，直到所有电池单元的充电状态被调整到90%为止。充电状态被设定为90%，以便在高压区段执行电池单元平衡。在结束放电之后的图12的电压差AV为大约O. 416V。测量的电池单元的总容量为大约54. 13Ah。图13是示出在高压区域使用图12的电池单元进行电池单元平衡之后的充电/放电特性的图形。在图13中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。参考图13，在根据图12完成电池单元平衡的准备之后，在高压区域中对第二电池单元执行电池单元平衡。电池单元平衡花费大约41. 6小时。然后，对所有电池单元执行一次充电和放电。在进行电池单元平衡之后，在结束充电之后的电压差AV为大约O. 011V，而在结束放电之后的电压差AV为大约O. 200V。测量的电池单元的总容量为大约57. 66Ah。图14是示出使用图4到图13的电池单元执行的电池单元平衡的结果的表格。当在低压区域使用磷酸铁锂(LiFePCM)电池执行电池单元平衡时，电池的容量从45. 44Ah 增加到 46. 92Ah。另一方面，当在高压区域使用磷酸铁锂(LiFePCM)电池执行电池单元平衡时，电池的容量从45. 44Ah增加到45. 66Ah。当在低压区域使用锰锂氧化物(LiMn2O4)电池执行电池单元平衡时，电池的容量从54. 13Ah 增加到 57. 64Ah。另一方面，当在高压区域中使用锰锂氧化物(LiMn2O4)电池执行电池单元平衡时，电池的容量从54. 13Ah增加到57. 66Ah。
如图14中所示，在高压区域中电池单元平衡对于磷酸铁锂(LiFePO4)电池的效果几乎注意不到，但是在高压区域中电池单元平衡对于锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的效果是明显的。在低压区域，全部两种类型的电池都清楚地受到电池单元平衡的影响。换句话说，有效执行电池单元平衡的电压区域根据电池单元的类型而改变，因此必须考虑到电池单元的类型，以便执行电池单元的有效的电池单元平衡操作。以下，将描述考虑到电池单元特性以便执行电池单元的有效的电池单元平衡操作。图15是示出图4和图9的电池单元的特性的图形。在图15中，水平轴表示充电状态(S0C),而垂直轴表不电压。
参考图15，粗实线表示锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的电压曲线，而粗虚线表示锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的开路电压。同样地，细实线表示磷酸铁锂(LiFePO4)电池的电压曲线，而细虚线表示磷酸铁锂(LiFePO4)电池的开路电压。由包括三角形的细虚线在下部表示的绘图示出了在磷酸铁锂(LiFePO4)电池的电压曲线和开路电压之间的差异。由包括三角形的粗虚线在下部表示的绘图示出了在锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的电压曲线和开路电压之间的差异。如图15中所示，磷酸铁锂(LiFePO4)电池的开路电压在大约40%的充电状态之后饱和。然而，在90%附近，S卩，在充电完成之前，开路电压的增加比率再次增加。开路电压(OCV)是指当没有连接外部负载(例如，电路是开路)或者当没有连接有效负载时，在电池两端之间的电势差。然而，可能存在内部流动的电流(例如，自放电电流)。电池的OCV可以在特定条件下测量(例如，充电状态，温度等)。因此，仅仅通过测量电池的电压很难识别在磷酸铁锂(LiFePO4)电池的充电状态中的差异。特别是，如果不平衡的电池单元的电压在其它电池单元之前突然增加，并且在所有的电池单元完成充电之前达到充电极限电压，则充电结束，而剩余的电池单元还没有被充分地充电。另一方面，锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的开路电压在达到10%的充电状态之后，与在达到10%的充电状态之前相比，显示出减少的增加比率。然而，开路电压以预定的倾斜角连续地增加，直到充电完成为止。因此，在锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的情况下，可以消除或减少诸如在磷酸铁锂(LiFePO4)电池中所发生的问题。图16是示出图4和图9的电池单元的特性的图形。在图16中，水平轴表示充电状态，而垂直轴表示每当电池单元的SOC改变(Λ S0C)时，在电池单元的OCV中的差值(AOCV)ο参考图16，在下部指示O. OlV的虚线表示电池单元平衡装置中可测量的电压的最小单位。也就是说，如果电压差是IOmV或更小，则差异不可识别。如果磷酸铁锂(LiFePO4)电池的充电状态为大约35%，则每当充电状态改变时，电池的开路电压中的差值小于10mV。在100%的充电状态附近，即，当充电完成时，每当充电状态改变时，开路电压中的差值减小到O. 4mV。为了测量这个电压差，必须使用更加昂贵的装备，但这会产生成本权衡问题。然而，从0%S0C到100%S0C，每当充电状态改变时，锰锂氧化物(LiMn2O4)电池的开路电压中的差值超过10mV。因此，在所有的SOC条件下，电池单元平衡装置都可以感测到电压差，并且可以有效地执行电池单元平衡。如上所述考虑到根据电池单元的类型的实验结果，为了有效地执行电池单元平衡，需要理解或考虑电池单元的特性。电池单元的特性可以是电学特性和化学特性两种。此外，为了高效地执行电池单元平衡，在根据电池单元的充电状态的开路电压中的变化可以被设定为小于设定或预定的参考。而且，如果根据电池单元的类型预先设定了可以有效执行电池单元平衡的区段，则除此区段以外的区段可以被设定，从而控制器300不执行有关电池单元平衡操作的计算。因此，可以减少由于执行电池单元平衡计算造成的控制器300的负担。 图17是示出根据本发明实施例的电池单元平衡方法的流程图。参考图17，在操作S10，电池单元的充电和放电可以重复。在操作S11，控制器300测量电池单元的电压。在操作S12，控制器300确定在测量的电池单元的电压当中，在最高电压Vmax和最低电压Vmin之间的电压差Λ V是否大于参考电压Vref。如果确定电压差AV不大于参考电压Vref，则方法回到操作SlO以执行充电和放电。如果确定电压差Λ V大于参考电压Vref，则在操作S13确定每当充电状态改变时，在开路电压中的差值Λ OCV/Λ SOC是否大于参考值，S卩，差值Λ OCV/Λ SOC是否大于参考倾斜(inclination) Sref0如果确定差值Λ OCV/Λ SOC不大于参考倾斜Sref，则方法回到操作S 10以执行充电和放电。然而，如果确定差值Λ OCV/Λ SOC大于参考倾斜Sref，则在操作S14对相应的电池单元执行电池单元平衡。当执行电池单元平衡时，在操作S15，确定电压差Λ V是否大于参考电压Vref。如果确定电压差Λ V大于参考电压Vref，则确定仍需执行电池单元平衡，并且方法回到操作S14。另一方面，如果确定电压差Λ V不大于参考电压Vref，则确定电池单元平衡完成，因此电池单元平衡结束。根据本发明的实施例的方法，通过使用电池单元平衡装置和包括该电池单元平衡装置的储能系统，可以根据电池单元的类型和特性有效地执行电池单元平衡。这里所示出和描述的特定实施方式是本发明的说明性的示例，而不是为了以任何方式来限制本发明的范围。为了简短起见，并未详细描述传统的电子学、控制系统、软件开发、及系统的其它功能方面(以及系统的各个操作组件的组件)。而且，在展示的各个附图中所示出的连接线或连接器(connector)是为了表现在各个元素之间的示范性的功能关系和/或物理或逻辑的耦接。应当注意，在实际设备中可以存在许多替换的或添加的功能关系、物理连接、或逻辑连接。而且，对于本发明的实践而言没有物件或组件是必要的，除非该元素被具体地描述为“必要的”或“重要的”。术语“一”、“一个”、“该”以及在描述本发明的上下文中的类似的指示(特别是在权利要求书的上下文中)的使用将被解释为涵盖全部单数的和复数的情况。而且，除非在这里另外指出，这里所引用的数值范围仅仅是作为个别地参考落在该范围内的每个独立值的简化(shorthand)方法，并且所述每个独立值都被结合在本说明中就好像它们被个别地在这里引用一样。最后，这里描述的所有方法的步骤都可以以适当的次序来执行，除非在这里另外指出，或者通过上下文明确的反驳。对于这里提供的任何一个示例或全部示例、或者示范性的语言(例如，“诸如”)的使用仅仅是为了更好地阐明本发明，而非为了造成对本发明的 范围的限制，除非另外要求。许多的修改和改变对于本领域技术人员而言是显而易见的，且不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种平衡多个电池单元的方法，该方法包括 获取串联连接的多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV); 基于所述电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(SOC)； 根据所述电池单元的S0C，每当所述电池单元的SOC变化时，确定所述电池单元的OCV中的差值；并且 当所述差值大于参考值时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
2.如权利要求I所述的方法，还包括 确定所述电池单元的开路电压(OCV)中最大电压和最小电压之间的电压差；并且 当所述电压差大于参考电压时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
3.如权利要求2所述的方法，还包括 监控所述电压差；并且 当所述电压差小于或等于所述参考电压时，去激活所述电池单元的电池单元平衡。
4.如权利要求I所述的方法，其中，激活所述多个电池单元的电池单元平衡包括执行选择性地充电或放电所述电池单元。
5.一种电池单元平衡设备，包括 电池管理单元，与多个电池单元电连接，其中，所述电池管理单元被配置为 获取所述多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV)； 基于所述电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(SOC)； 根据所述电池单元的S0C，每当所述电池单元的SOC变化时，确定所述电池单元的OCV中的差值；并且 当所述差值大于参考值时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
6.如权利要求5所述的电池单元平衡设备，其中，所述电池管理单元还被配置为 确定所述电池单元的开路电压(OCV)中最大电压和最小电压之间的电压差；并且 当所述电压差大于参考电压时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
7.如权利要求6所述的电池单元平衡设备，其中，所述电池管理单元还被配置为监控所述电压差，并且当所述电压差是小于参考电压时，去激活所述电池单元的电池单元平衡。
8.如权利要求6所述的电池单元平衡设备，其中，所述电池管理单元包括 控制器；以及 电池单元平衡单元，电连接到所述电池单元，并且可操作地连接到所述控制器，其中，所述电池单元平衡单元被配置为根据来自所述控制器的控制信号选择性地充电或放电所述电池单元。
9.一种储能系统，包括 电池系统，用于存储来自生成系统或电网的能量；以及 电力转换系统，用于控制在所述电池系统、所述生成系统、以及所述电网中的电力转换， 其中，所述电池系统包括 多个电池单元，所述多个电池单元串联连接；以及 电池管理单元，与所述多个电池单元电连接，其中，所述电池管理单元被配置为 获取所述多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV)；基于所述电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(SOC)； 根据所述电池单元的S0C，每当所述电池单元的SOC变化时，确定所述电池单元的OCV中的差值；并且 当所述差值大于参考值时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
10.如权利要求9所述的储能系统，其中，所述电池管理单元还被配置为 确定所述电池单元的开路电压(OCV)中最大电压和最小电压之间的电压差；并且 当所述电压差大于参考电压时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
11.如权利要求10所述的储能系统，其中，所述电池管理单元被配置为，当电池单元平衡被激活时，选择性地充电或放电所述电池单元。
全文摘要
平衡多个电池单元的方法包括获取串联连接的多个电池单元的电池单元的开路电压(OCV)；基于所述电池单元的OCV确定电池单元的充电状态(SOC)；根据所述电池单元的SOC，每当所述电池单元的SOC变化时，确定所述电池单元的OCV中的差值；并且当所述差值大于参考值时，激活所述多个电池单元的电池单元平衡。
文档编号H02J7/00GK102969749SQ20121031042
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月28日 优先权日2011年8月29日
发明者郑锡珉 申请人:三星Sdi株式会社