电池系统的制作方法

在此通过引用将2015年8月20日递交的标题为“电池系统”的韩国专利申请10-2015-0117344号全部并入。

技术领域

本文描述的一个或多个实施例涉及电池系统。

背景技术：

电池系统被用在许多领域中并且具有各种各样的容量。相对大容量的电池系统可通过将多个电池模块彼此并联连接来形成。当电池模块彼此并联连接时，由于电池模块之间的电压差，可生成浪涌电流(in-rush current)。浪涌电流可引起电池模块或能量储存系统损坏或故障。

技术实现要素：

根据一个或多个实施例，一种电池系统包括：第一电池，其经由处于短路状态中的第一模块开关电连接在第一节点和第二节点之间；第二电池，其被处于开路状态中的第二模块开关与第一电池电隔离；以及电池管理器，其检测第一电池的第一电池电压、第二电池的第二电池电压以及在第一节点和第二节点之间流动的系统电流，基于第一电池电压和系统电流确定第一电池的开路电压，并且在开路电压与第二电池电压基本相等时使第二模块开关短路以使得至少一个第二电池与至少一个第一电池并联连接。电池管理器可在第一电池正被充电或放电的同时将第二电池与第一电池并联连接。

当第一电池正被放电时，电池管理器可在第一电池电压比第二电池电压低估计值时控制第二模块开关短路。当第一电池正被充电时，电池管理器可在第一电池电压比第二电池电压高出估计值时控制第二模块开关短路。

电池管理器可存储与第一电池的内部电阻值相对应的信息，并且确定估计值是系统电流与第一电池的内部电阻值的乘积。电池管理器可基于第一电池电压的变化相对于系统电流的变化的倾斜度来估计第一电池的开路电压。

电池系统可包括连接在第一节点和外部端子之间的系统开关，其中电池管理器在从第一电池释放的放电电流大于放电参考值时打开系统开关并且在被引入到第一电池中的充电电流大于充电参考值时打开第一模块开关。

根据一个或多个其他实施例，一种电池系统包括：选择性地彼此并联连接的多个电池模块；以及系统管理器，其管理电池模块，其中每个电池模块包括：在一对模块端子之间与电池串联连接的模块开关，以及模块管理器，其检测电池的电池电压和电池电流，向系统管理器发送与电池电压和电池电流相对应的信息，并且在系统管理器的控制下切换模块开关，并且其中，在电池模块之中的至少一个第一电池模块正被充电或放电的同时，系统管理器基于每个电池模块的电池电压和电池电流确定使电池模块之中的至少一个剩余第二电池模块的模块开关短路的时机。

系统管理器可基于第一电池模块的电池电压和电池电流确定第一电池模块的开路电压，并且当开路电压与第二电池模块的电池电压基本相等时向第二电池模块的模块管理单元发送开关短路命令。

系统管理器可基于第一电池模块的电池电压的变化与第一电池模块的电池电流的变化的比率来确定第一电池模块的内部电阻值，并且基于第一电池模块的电池电压、电池电流和内部电阻值来确定第一电池模块的开路电压。

在第一电池模块正被放电的同时，系统管理器可通过将第一电池模块的电池电流和内部电阻值的乘积与第一电池模块的电池电压相加来确定开路电压，并且在第一电池模块正被充电的同时，系统管理器可通过从第一电池模块的电池电压中减去第一电池模块的电池电流和内部电阻值的乘积来确定开路电压。

系统管理器可存储与第一电池模块的荷电状态(SOC)和第一电池模块的开路电压之间的关系相对应的信息，通过累加第一电池模块的电池电流来计算第一电池模块的SOC，并且基于第一电池模块的SOC来估计第一电池模块的开路电压。

根据一个或多个其他实施例，一种装置包括：检测器，其检测第一电池的第一电池电压、第二电池的第二电池电压和在第一节点和第二节点之间流动的电流，其中当第一模块开关处于短路状态中时第一电池连接在第一节点和第二节点之间，当第二模块开关处于开路状态中时第二电池与第一电池电隔离；以及电池管理器，其基于第一电池电压和电流确定第一电池的开路电压并且在开路电压与第二电池电压基本相等时使第二模块开关短路来将第二电池与第一电池并联连接。

电池管理器可在第一电池正被充电或放电的同时将第二电池与第一电池并联连接。电池管理器可在第一电池正被放电的时间期间在第一电池电压比第二电池电压低估计值时控制第二模块开关短路。

电池管理器可在第一电池正被充电的时间期间在第一电池电压比第二电池电压高出估计值时控制第二模块开关短路。

电池管理器可存储与第一电池的内部电阻值相对应的信息，并且确定估计值是系统电流与第一电池的内部电阻值的乘积。

附图说明

通过参考附图详细描述示范性实施例，特征对于本领域技术人员将变得清楚，附图中：

图1图示了电池系统的一实施例；

图2图示了电池系统的另一实施例；

图3图示了能量储存系统的一实施例；以及

图4图示了能量储存系统的更详细实施例。

具体实施方式

现在在下文中将参考附图更充分描述示例实施例；然而，这些实施例可以以不同形式实现，而不应当被解释为限于本文记载的实施例。更确切地说，提供这些实施例是为了使得本公开将会透彻且完整，并且将会把示范性实现方式充分地传达给本领域技术人员。实施例可被组合以形成额外的实施例。

在附图中，为了图示的清晰起见，可能夸大层和区域的尺寸。还要理解，当一层或元件被称为在另一层或基板“上”时，其可直接在另一层或基板上，或者也可存在居间的层。另外，还要理解，当一层被称为在另一层“下”时，其可直接在下，并且也可存在一个或多个居间的层。此外，还要理解，当一层被称为在两层“之间”时，其可以是这两层之间的唯一层，或者也可能存在一个或多个居间层。相似的标号始终指代相似的元素。

当一元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件，或者其可间接连接或耦合到另一元件，并且有一个或多个居间的元件介于其间。此外，当一元件被称为“包括”一组件时，这表明该元件还可包括另外的组件，而不是排除另外的组件，除非有不同的公开。

图1图示了电池系统100的实施例，该电池系统100包括电池110、模块开关120和电池管理单元130。电池110包括选择性地彼此并联连接的电池110_1至110_n。模块开关120包括分别与电池110串联连接的模块开关120_1至120_n。电池110经由模块开关120选择性地连接在第一节点N1和第二节点N2之间。

电池110包括经由处于短路状态中的至少一个第一模块开关(例如，模块开关120_1和120_2)连接在第一节点N1和第二节点N2之间的至少一个第一电池(例如，电池110_1和110_2)，和被处于开路状态中的至少一个第二模块开关(例如，模块开关120_3至120_n)与至少一个第一电池(例如，电池110_1和110_2)电隔离的至少一个第二电池(例如，电池110_3至110_n)。

图1图示了模块开关120_1和120_2处于短路状态中并且模块开关120_3至120_n处于开路状态中的示例。处于短路状态中的模块开关(例如，模块开关120_1和120_2)被称为第一模块开关，并且处于开路状态中的模块开关(例如，模块开关120_3至120_n)可被称为第二模块开关。被处于短路状态中的第一模块开关连接在第一节点N1和第二节点N2之间的电池(例如，电池110_1和110_2)可被称为第一电池。被处于开路状态中的第二模块开关与第一电池电隔离的电池(例如，电池110_3至110_n)可被称为第二电池。

第一电池(例如，电池110_1和110_2)彼此并联连接，并且可朝着连接到外部端子101和102的电负载释放电流或者可被连接到外部端子101和102的充电设备充电。根据模块开关120的状态，可以从概念上定义第一电池和第二电池以及第一模块开关和第二模块开关。

在图1的说明性示例中，两个模块开关120_1和120_2处于短路状态中。另外，所有的模块开关120在电池系统100操作之前可处于开路状态中，并且所有的模块开关120在最终可处于短路状态中。处于短路状态中的模块开关的数目可不多于n。处于短路状态中的模块开关的数目在另一实施例中可以是至少1到小于n。

电池管理单元130检测第一电池(例如，电池110_1和110_2)的第一电池电压(例如，电池电压V1和V2)，第二电池(例如，电池110_3至110_n)的第二电池电压(例如，电池电压V3-Vn)，和在第一节点N1和第二节点N2之间流动的系统电流I。电池管理单元130可包括检测器135来检测这些电压。

电池管理单元130基于第一电池电压(例如，电池电压V1和V2)和系统电流I确定第一电池(例如，电池110_1和110_2)的开路电压。当开路电压变得基本上等于第二电池电压(例如，电池电压V3-Vn)时，电池管理单元130将第二模块开关(例如，模块开关120_3至120_n)短路并且将第二电池(例如，电池110_3至110_n)与第一电池(例如，电池110_1和110_2)并联连接。

每个电池110包括至少一个电池单元111。在一个实施例中，每个电池110包括多个电池单元111。电池单元111可彼此串联连接，可彼此并联连接，或者可按串联和并联布置的组合彼此连接。每个电池110中的电池单元111的数目可例如根据要求的输出电压来确定。

电池110可选择性地彼此并联连接，并且可经由两个外部端子101和102连接到负载和/或充电设备。在一个实施例中，外部端子101和102可连接到双向转换器。电池系统100可经由双向转换器向负载供应电力或者可从充电设备接收电力。

每个电池单元111可包括可充电二次电池。例如，电池单元111例如可包括镍镉电池、铅蓄电池、镍金属氢化物(NiMH)电池、锂离子电池和锂聚合物电池。

电池110可经由模块开关120选择性地彼此并联连接。电池110可经由模块开关120选择性地连接在第一和第二节点N1和N2之间。可例如根据外部控制信号来控制选择性连接。模块开关120可由电池管理单元130直接控制。根据另一示例，电池管理单元130可发送用于控制模块开关120的短路和开路的控制命令。控制设备(例如，模拟前端电路)可接收该控制命令并且可使模块开关120短路或开路。模块开关120可包括例如继电器或场效应晶体管(field effect transistor，FET)开关。

电池管理单元130检测电池110各自的电池电压V1-Vn。电池管理单元130可连接到电池110的阳极和第二节点N2以便检测电池110的电池电压V1-Vn。在图1所示的示例中，由于第一电池110_1和110_2彼此并联连接，所以第一电池110_1的电池电压V1可与第二电池110_2的电池电压V2基本相同。电池管理单元130可以为第一电池110_1和110_2之中的一个电池(例如，110_1)检测电池电压(例如，V1)。

由于第二电池110_3至110_n彼此电隔离，所以其各自的电池电压V3-Vn可彼此不同。电池管理单元130检测第二电池110_3至110_n各自的电池电压V3-Vn。

电池管理单元130可包括用于检测电池110各自的电池电压V1-Vn的电池电压检测器。电池电压检测器可包括用于经由连接在电池110的阳极和阴极之间的分压器把电池110的电池电压转换成数字信号的模拟到数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)。

电池管理单元130可检测电池110各自的电池电流I1-In。电池管理单元130可连接到电流传感器以检测电池110的电池电流I1-In。

连接在第一节点N1和第二节点N2之间的第一电池(例如，电池110_1和110_2)可被充电或放电，并且电池电流I1和I2可不为0。在一个实施例中，电池电流I1和I2在放电期间具有正值并且电池电流I1和I2在充电期间具有负值，或者相反。

如图1中所示，当多个第一电池110_1和110_2彼此并联连接时，电池电流I1可与电池电流I2相同。当电池110_1和电池110_2未能确立均衡状态时，电池电流I1可不同于电池电流I2。电池电流I1和电池电流I2之间的差异可由于电池110_1和电池110_2之间的不平衡而生成。

由于第二电池(例如，电池110_3至110_n)由于开路的第二模块开关(例如，模块开关120_3至120_n)而与外部端子101和102隔离，所以电池电流I3-In基本为0。电池管理单元130可将电池电流I3-In认为是0，而不测量电池电流I3-In。

电池管理单元130可通过累加电池电流I1-In来计算经由外部端子101和102发射或引入的系统电流I。在图1所示的示例中，电池管理单元130可通过只累加连接在第一节点N1和第二节点N2之间的第一电池110_1和110_2的电池电流I1和I2来计算系统电流I。系统电流I可以是在第一节点N1和第二节点N2之间流动的电流。根据另一示例，电池管理单元130可包括用于直接感测经由外部端子101和102流动的系统电流I的电流传感器。电池管理单元130可经由该电流传感器直接测量系统电流I。

电池管理单元130可周期性地——例如按预定周期(例如，100ms)的间隔——检测电池110的电池电压V1-Vn和电池电流I1-In。

电池管理单元130可基于电池110的电池电压V1-Vn和系统电流I来确定通过将第二模块开关切换到短路状态来将第二电池(例如，电池110_3至110_n)并联连接到第一电池(例如，电池110_1和110_2)的时机。

电池管理单元130可基于第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2和系统电流I来确定第一电池110_1和110_2的开路电压。第一电池110_1和110_2可被充电或放电。当第一电池110_1和110_2正被充电时，第一电池110_1和110_2的荷电状态(state of charge，SOC)增大并且第一电池110_1和110_2的开路电压增大。另一方面，当第一电池110_1和110_2正被放电时，第一电池110_1和110_2的SOC减小并且第一电池110_1和110_2的开路电压也减小。

例如，电池管理单元130可确定第一电池110_1和110_2的开路电压是与系统电流I成比例的值和电池电压V1和V2的和。例如，当电池电压V1和V2各自是48V并且系统电流I是10A时，电池管理单元130可确定第一电池110_1和110_2的开路电压各自是49V。

当电池电压V1和V2各自是48V并且系统电流I是20A时，电池管理单元130可确定第一电池110_1和110_2的开路电压各自是50V。

当电池电压V1和V2各自是48V并且系统电流I是-10A时，电池管理单元130可确定第一电池110_1和110_2的开路电压各自是47V。

当电池电压V1和V2各自是48V并且系统电流I是-20A时，电池管理单元130可确定第一电池110_1和110_2的开路电压各自是46V。

当第二电池(例如，电池110_3至110_n)的电池电压(例如，电池电压V3-Vn)之一(例如，V3)变得与第一电池110_1和110_2的开路电压基本相同时，电池管理单元130可将与电池110_3相对应的模块开关120_3切换到短路状态。电池110_3可与第一电池110_1和110_2并联连接，并且电池110_3可与第一电池110_1和110_2一起被充电或放电(电压可在其完全相等或者其间的差异小于预设的阈值时被认为基本相同)。

由于第二电池110_3至110_n处于正被开路状态中的第二模块开关120_3至120_n充电或放电的状态中(例如，处于开路状态中)，所以第二电池110_3至110_n的电池电压V3-Vn是第二电池110_3至110_n的开路电压。当电池110_3的开路电压(例如，电池电压V3)与第一电池110_1和110_2的开路电压基本相同时，电池110_3与第一电池110_1和110_2处于基本均衡状态中。从而，即使在与电池110_3相对应的模块开关120_3被切换到短路状态的时刻，在电池110_3与第一电池110_1和110_2之间也不生成浪涌电流。因此，即使当第一电池110_1和110_2正被充电或放电时，电池110_3也可被稳定地并联连接到第一电池110_1和110_2。

以上是对第二电池110_3至110_n之中的电池110_3被连接在第一节点N1和第二节点N2之间的方法的描述。第二电池110_3至110_n之中的剩余电池110_4至110_n可通过与电池110_3被连接在第一节点N1和第二节点N2之间的方式相同的方式被连接在第一节点N1和第二节点N2之间。

电池管理单元130可被配置成使得在连接在第一节点N1和第二节点N2之间的至少一个第一电池(例如，电池110_1和110_2)正被充电或放电的同时，第二电池(例如，电池110_3)不被连接在第一节点N1和第二节点N2之间。以这种方式，所有的电池110_1至110_n可被连接在第一节点N1和第二节点N2之间。

将第二电池110_3至110_n连接在第一节点N1和第二节点N2之间的时机是基于电池电压V1-Vn和系统电流I来确定的。结果，不生成浪涌电流。从而，为了将不平衡的电池置于均衡状态中，不需要对具有高开路电压的电池放电的时间并且不会不必要地消耗电池中储存的电能量。

在电池系统100将至少一个电池连接在第一节点N1和第二节点N2之间之后，电池系统100的操作可只利用该至少一个电池立即开始。其他电池根据上述方法在电池系统100的操作期间被连接在第一节点N1和第二节点N2之间，而不生成浪涌电流。

根据一实施例，在第一电池110_1和110_2正被放电的同时，第一电池110_1和110_2的开路电压高于第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2。由于因第一电池110_1和110_2的内部电阻和放电电流而发生的电压降，电池电压V1和V2变得低于第一电池110_1和110_2的开路电压。

例如，即使当第一电池110_1和110_2的开路电压的每一者是50V时，如果第一电池110_1和110_2正被放电到10A，例如如果系统电流I是10A，那么第一电池电压V1和V2的每一者也可能是49V。如果第一电池110_1和110_2正被放电到20A，例如如果系统电流I是20A，则第一电池电压V1和V2的每一者可为48V。电池管理单元130可基于第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2和系统电流I来估计第一电池110_1和110_2的开路电压。

当在第一电池110_1和110_2正被放电的同时第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2的每一者比第二电池110_3的电池电压V3低估计值时，电池管理单元130可控制第二模块开关120_3短路。该估计值可例如基于第一电池110_1和110_2的内部电阻值和系统电流I来确定。

在第一电池110_1和110_2正被充电的同时，第一电池110_1和110_2的开路电压低于第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2。由于因第一电池110_1和110_2的内部电阻和充电电流而发生的电压降，电池电压V1和V2变得高于第一电池110_1和110_2的开路电压。

例如，即使当第一电池110_1和110_2的开路电压的每一者是50V时，如果第一电池110_1和110_2正被以10A充电，例如如果系统电流I是-10A，那么第一电池电压V1和V2也可能各自为51V。如果第一电池110_1和110_2正被以20A充电，例如如果系统电流I是-20A，则第一电池电压V1和V2可各自为52V。电池管理单元130可基于第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2和系统电流I来估计第一电池110_1和110_2的开路电压。

当在第一电池110_1和110_2正被充电的同时第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2比第二电池110_3的电池电压V3高出估计值时，电池管理单元130可控制第二模块开关120_3短路。该估计值可例如基于第一电池110_1和110_2的内部电阻值和系统电流I来确定。

例如，该估计值可被确定为第一电池110_1和110_2的内部电阻值和系统电流I的乘积。第一电池110_1和110_2的内部电阻值对应于彼此并联连接的第一电池110_1和110_2两者的内部电阻值。电池管理单元130可存储关于第一电池110_1和110_2的内部电阻值的信息。

如图1的示例中那样，当第一电池110_1和110_2彼此并联连接时，第一电池110_1和110_2两者的内部电阻值可被确定为当第一电池110_1的内部电阻与第一电池110_2的内部电阻并联连接时的电阻值。电池管理单元130可存储关于电池110_1至110_n各自的内部电阻值的信息。

电池110_1至110_n各自的内部电阻值可取决于电池110_1至110_n的老化的不同程度而变化。随着电池110_1至110_n老化，电池110_1至110_n的内部电阻值增大。

电池管理单元130可基于第一电池110_1和110_2的电池电压V1和V2和系统电流I来确定第一电池110_1和110_2的内部电阻值。根据一示例，电池管理单元130可基于电池电压V1和V2的变化相对于系统电流I的变化的斜率来确定第一电池110_1和110_2的内部电阻值。例如，当系统电流I是10A时，电池电压V1和V2的每一者是49V。当系统电流I是20A时，电池电压V1和V2的每一者是48V。第一电池110_1和110_2的内部电阻值的每一者可被确定为0.1Ω。电池管理单元130可利用第一电池110_1和110_2的内部电阻值来估计第一电池110_1和110_2的开路电压的每一者为50V。

电池系统100还可包括连接在第一节点N1和外部端子101之间的系统开关140。系统开关140可由电池管理单元130控制。电池管理单元130可使系统开关140短路以对电池110的任何一者充电或放电。

电池管理单元130可在从第一电池110_1和110_2分别发出的电池电流I1和I2大于放电参考值时打开系统开关140。放电参考值可取决于电池110_1和110_2各自的电容而变化。电池电流I1和I2的放电参考值可例如是300A。

电池管理单元130可在分别引入到与第一模块开关120_1和120_2相对应的第一电池110_1和110_2中的电池电流I1和I2大于充电参考值时打开第一模块开关120_1和120_2。充电参考值可取决于电池110_1和110_2各自的电容而变化。电池电流I1和I2的充电参考值可例如是20A。当第一电池110_1和110_2变得不平衡并且在第一电池110_1和110_2之间流动的电流增大时，电池电流I1和I2可超过充电参考值。当在并联连接的第一电池110_1和110_2之间发生重大不平衡时(例如，大于预定值)，不平衡的电池被与其他电池隔离，从而保护电池系统100。

当电池系统100最初被驱动时，电池110_1至110_n之一可被连接在第一节点N1和第二节点N2之间。电池管理单元130可首先使与具有最高或最低电池电压的电池连接的模块开关短路。

根据一实施例，电池管理单元130可基于电池系统100的操作模式和电池110_1至110_n的电池电压V1-Vn来确定电池110_1至110_n的连接顺序。电池系统100的操作模式可以是充电模式和放电模式之一。在充电模式中，电流被从充电设备引入到电池系统100。在放电模式中，电流被从电池系统100朝负载输出。根据一实施例，电池管理单元130可基于电池110_1至110_n的电池电压V1-Vn或SOC来确定是对电池系统100充电还是放电。

根据另一示例，电池管理单元130可基于由连接到电池系统100的充电设备发送的控制信号来确定操作模式。例如，充电设备可以是连接到电池系统100的双向转换器。可从双向转换器或与双向转换器连接的总控制器接收用于控制操作模式的控制信号。

当电池系统100的操作模式是放电模式时，电池管理单元130可首先使与具有最高电池电压的电池连接的模块开关短路。由于电池系统100当在放电模式中操作时向连接到外部端子101和102的负载供应电能量，所以电池110可按照从具有最高电池电压的电池110到具有最低电池电压的电池110的电池电压的顺序被并联连接在第一节点N1和第二节点N2之间。

当电池系统100的操作模式是充电模式时，电池管理单元130可首先使与具有最低电池电压的电池连接的模块开关短路。由于电池系统100当在充电模式中操作时从连接到外部端子101和102的充电设备接收电能量，所以电池110可按照从具有最低电池电压的电池110到具有最高电池电压的电池110的电池电压的顺序被并联连接在第一节点N1和第二节点N2之间。

图2图示了电池系统200的另一实施例，该电池系统200包括选择性地彼此并联连接的电池模块210，和用于管理电池模块210的系统管理单元220。电池模块210包括电池模块210_1至210_n。

每个电池模块210包括分别与第一节点N1和第二节点N2连接的一对模块端子。每个电池模块210包括在第一节点N1和第二节点N2之间彼此串联连接的模块开关213和电池211，和模块管理单元215。模块管理单元215检测电池211的电池电压和电池电流，向系统管理单元220发送关于电池电压和电池电流的信息，并且在系统管理单元220的控制下切换模块开关213。

图2图示了电池模块210_1的模块开关213处于短路状态中并且电池模块210_2至210_n的模块开关213处于开路状态中的示例。像电池模块210_1那样的包括短路的模块开关213的电池模块可被称为第一电池模块，并且像电池模块210_2至210_n那样的包括开路的模块开关213的电池模块可被称为第二电池模块。本实施例涉及一种在第一电池模块正被充电或放电的同时将第二电池模块并联连接到第一电池模块的方法。根据第一电池模块的状态，第二电池模块按照根据第二电池模块的状态确定的顺序被并联连接到第一电池模块。

下面将描述第二电池模块(例如，210_2)被并联连接到第一电池模块(例如，210_1)的操作。以这种方式，所有的第二电池模块可被并联连接到第一电池模块。

在电池模块210(例如，电池模块210中的一些)之中的至少一个第一电池模块(例如，210_1)正被充电或放电的同时，系统管理单元220基于电池模块210各自的电池电压和各自的电池电流确定使电池模块210之中的至少一个剩余第二电池模块(例如，210_2至210_n)的模块开关213短路的时机。系统管理单元220向模块管理单元215发送控制命令以在所确定的时机使模块开关213短路。模块管理单元215根据该控制命令使模块开关213短路。

当不平衡的电池211彼此并联连接时，浪涌电流在不平衡的电池211彼此连接时生成。根据本实施例，系统管理单元220确定电池211基本处于均衡状态的时机。电池211在所确定的时机彼此并联连接。从而，可防止或减小浪涌电流。

电池系统200包括一对外部端子201和202，负载或充电设备可连接到该对外部端子201和202。电池系统200还可包括连接在第一节点N1和外部端子201之间的系统开关140。系统开关140可连接在第二节点N2和外部端子202之间。

电池211和模块开关213分别对应于上文参考图1描述的电池110和模块开关120。系统管理单元220和模块管理单元215可对应于上文参考图1描述的电池管理单元130。换言之，上文参考图1描述的电池管理单元130可包括连接以彼此通信的系统管理单元220和模块管理单元215。

系统管理单元220可经由通信总线连接到模块管理单元215。例如，系统管理单元220和模块管理单元215之间的通信协议可以是控制器区域网络(controller area network，CAN)通信协议。在另一实施例中，可使用不同的通信协议。系统管理单元220可被称为机架电池管理系统(battery management system，BMS)或主BMS，并且模块管理单元215可被称为模块BMS、托盘BMS或从BMS。

模块管理单元215可测量电池211的电池电压和电池电流并且向系统管理单元220发送指示测量到的电池电压和测量到的电池电流的信息。系统管理单元220可从模块管理单元215接收指示电池电压和电池电流的信息。

系统管理单元220可基于第一电池模块的电池电压和/或电池电流的信息确定第一电池模块的开路电压。当第一电池模块正被放电时，第一电池模块的开路电压减小。当第一电池模块正被充电时，第一电池模块的开路电压增大。换言之，由于第一电池模块正被充电或放电，第一电池模块的开路电压可变化。

系统管理单元220周期性地确定第一电池模块的开路电压。当第一电池模块的开路电压与第二电池模块的电池电压基本相同时，系统管理单元220向第二电池模块的模块管理单元发送控制命令来使第二电池模块的模块开关短路。结果，第二电池模块被并联连接到第一电池模块。第二电池模块的模块管理单元接收该控制命令并且使模块开关短路。结果，第二电池模块被并联连接到第一电池模块。

根据一示例，系统管理单元220可基于第一电池模块的电池电压的变化与第一电池模块的电池电流的变化的比率来确定第一电池模块的内部电阻值。系统管理单元220可基于第一电池模块的电池电压、电池电流和/或内部电阻值来确定第一电池模块的开路电压。例如，当第一电池模块正被放电时，系统管理单元220可确定开路电压为第一电池模块的电池电流和内部电阻值的乘积与第一电池模块的电池电压的和。当第一电池模块正被充电时，系统管理单元220可确定开路电压为第一电池模块的电池电流和内部电阻值的乘积与第一电池模块的电池电压之间的差。

根据另一示例，系统管理单元220可存储表示第一电池模块的SOC与其开路电压之间的关系的信息。在第一电池模块的充电和放电停止后经过了稳定时间之后，系统管理单元220可确定第一电池模块的电池电压为第一电池模块的开路电压。系统管理单元220可基于第一电池模块的开路电压确定第一电池模块的SOC。然后，当第一电池模块被充电或放电时，系统管理单元220加上第一电池模块的电池电流，从而计算第一电池模块的SOC。系统管理单元220可基于第一电池模块的SOC估计正被充电或放电的第一电池模块的开路电压。

除了电池211的电池电压和电池电流以外，模块管理单元215也测量电池211中的电池单元的单元电压。模块管理单元214将测量到的单元电压发送给系统管理单元220。模块管理单元215测量电池211的温度并且将测量到的温度发送给系统管理单元220。系统管理单元220收集电池211的参数(例如，单元电压、充电和放电电流以及温度)并且确定电池211的SOC和/或健康状态(state of health，SOH)。

模块管理单元215可控制模块开关213。例如，模块管理单元215使模块开关213短路或开路。模块开关213可包括例如继电器或FET。模块管理单元215可根据由系统管理单元220发送的控制命令来控制模块开关213。

一种操作电池系统200的方法的实施例。假定在电池系统200开始操作之前，电池模块210的模块开关213开路。

模块管理单元215可测量电池模块210的电池电压和电池电流并且向系统管理单元220发送测量到的电池电压和测量到的电池电流。电池模块210_1的电池电压可以是最高的，电池模块210_2的电池电压可以是第二高的，电池模块210_3的电池电压可以是第三高的，并且相应地电池模块210_n的电池电压可以是最低的。电池模块的电池电压在另一实施例中可以不同。

系统管理单元220可基于电池模块210的SOC和/或外部环境或参数来确定是对电池模块210充电还是放电。以下可对应于当系统管理单元220确定系统管理单元220要被放电时。系统管理单元220可向电池模块210_1的模块管理单元215发送开关短路命令。电池模块210_1的模块管理单元215可使其模块开关213短路。电池系统200的当前状态如图2中所示。

系统管理单元220可利用电池模块210_1向连接到外部端子201和202的电负载供应电能量。由于电池模块210_1正被放电，所以电池模块210_1的开路电压缓慢减小。电池模块210_1的模块管理单元215可周期性地测量电池模块210_1的电池电压和电池电流并且向系统管理单元220发送周期性测量的电池电压和电池电流。

系统管理单元220可基于周期性测量到的电池模块210_1的电池电压和电池电流来周期性地确定电池模块210_1的开路电压。

由于电池模块210_1正被放电，所以可出现电池模块210_1的开路电压与电池模块210_2的电池电压基本相同的时刻。此时刻可不同于电池模块210_1的电池电压与电池模块210_2的电池电压基本相同的时刻。根据本实施例，系统管理单元220在电池模块210_1的开路电压与电池模块210_2的电池电压基本相同的时刻，而不是在电池模块210_2的电池电压与电池模块210_1的电池电压相同的时刻，发送控制命令。由于电池模块210_2未被充电或放电，所以电池模块210_2的电池电压可被认为是电池模块210_2的开路电压。

系统管理单元220可感测电池模块210_1的开路电压与电池模块210_2的电池电压基本相同的时刻，并且可在这个感测到的时刻向电池模块210_2的模块管理单元215发送开关短路命令。电池模块210_2的模块管理单元215可接收开关短路命令并且使其模块开关213短路。从而，电池模块210_2并联连接到电池模块210_1。电池模块210_1的电池电压可与电池模块210_2的电池电压相同。电池模块210_2向电池模块210_1供应电能量并且也向负载供应电能量(电池模块210_1和210_2可被称为第一电池模块210_1和210_2)。

系统管理单元220可基于第一电池模块210_1和210_2的电池电压和电池电流确定第一电池模块210_1和210_2的开路电压。第一电池模块210_1和210_2的电池电流可由系统管理单元220例如经由安装在电池系统200内的高电流路径上的电流传感器来测量。

由于第一电池模块210_1和210_2正被放电，所以第一电池模块210_1和210_2的开路电压逐渐减小，可出现第一电池模块210_1和210_2的开路电压与电池模块210_3的电池电压基本相同的时刻。系统管理单元220可感测第一电池模块210_1和210_2的开路电压与电池模块210_3的电池电压基本相同的时刻，并且可在这个感测到的时刻向电池模块210_3的模块管理单元215发送开关短路命令。

电池模块210_3的模块管理单元215可接收开关短路命令并且使其模块开关213短路。从而，电池模块210_3被并联连接到第一电池模块210_1和210_2，并且向第一电池模块210_1和210_2以及向负载供应电能量(电池模块210_1至210_3可被称为第一电池模块210_1至210_3)。以这种方式，电池模块210_n也被并联连接到第一电池模块。

根据本实施例，不会为了使电池模块210处于均衡状态而不必要地输出储存在电池模块210中的电能量。此外，由于使电池模块210处于均衡状态中的过程是在电池系统200的操作期间实现的，所以电池系统200可立即开始操作。

图3图示了能量储存系统1及其周边的示例。

参考图3，能量储存系统1与发电系统2和电网3链接并且向负载4提供电力。能量储存系统1包括储存电力的电池系统20和电力转换系统(power conversion system，PCS)10)。PCS 10把从发电系统2、电网3和/或电池系统20供应的电力转换成适当类型的电力。转换后的电力被供应给负载4、电池系统20和/或电网3。

发电系统2从能量源生成电力。发电系统2将生成的电力供应给能量储存系统1。发电系统2可包括日光发电系统、风力发电系统和潮汐发电系统中的至少一者。例如，发电系统2可包括所有利用例如太阳热或地热之类的新的且可再生的能量生成电力的发电系统。发电系统2可包括并联连接的多个发电模块以例如作为大容量能量系统工作。

电网3可包括发电厂、变电所、传输线，等等。当电网3处于正常状态中时，电网3可向负载4和/或电池系统20供应电力或者可从电池系统20和/或发电系统2接收电力。当电网3处于异常状态中时，在电网3和能量储存系统1之间可不传输电力。

负载4消耗由发电系统2生成、储存在电池系统20中和/或从电网3供应的电力。例如，负载4可对应于例如包括能量储存系统1的家庭或工厂中的电气设备。

由发电系统2生成的电力可被储存在电池系统20中和/或由能量储存系统1供应到电网3。能量储存系统1可以把储存在电池系统20中的电力供应给电网3或者可以把来自电网3的电力储存在电池系统20中。此外，能量储存系统1可以把由发电系统2生成和/或在电池系统20中储存的电力供应给负载4。当电网3处于异常状态(例如，停电状态)中时，能量储存系统1可作为把由发电系统2生成或储存在电池系统20中的电力供应给负载4的不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)工作。

图4图示了包括用于转换电力的电力转换系统(PCS)10、电池系统20、第一开关30和第二开关40的能量储存系统1的示例。电池系统20可包括电池21和电池管理单元22。

PCS 10把从发电系统2、电网3和电池系统20供应的电力转换成适当类型的电力。转换后的电力被供应给负载4、电池系统20和/或电网3。PCS 10包括电力转换单元11、直流(DC)环节单元12、逆变器13、转换器14和总控制器15。

电力转换单元11连接在发电系统2和DC链路单元12之间。电力转换单元11把发电系统2生成的电力转换成DC环节电压。DC环节电压被施加到DC环节单元12。根据发电系统2的类型，电力转换单元11可包括诸如转换器电路或整流器电路之类的电力转换电路。例如，如果发电系统2生成DC电力，则电力转换单元11可包括DC-DC转换器以将发电系统2生成的DC电力转换成不同类型的DC电力。如果发电系统2生成交流(AC)电力，则电力转换单元11可包括整流器电路来将AC电力转换成DC电力。

在一个示范性实施例中，发电系统2可以是太阳能发电系统。在此情况下，电力转换单元11可包括最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)转换器以根据例如太阳能辐射量或温度之类的各种因素最大程度地接收来自发电系统2的电力。当发电系统2不生成电力时，电力转换单元11可不被操作以便使诸如转换器电路或整流器电路之类的电力转换电路的功率消耗达到最低限度。

当发生问题时(例如发电系统2或电网3中的瞬时电压降或负载4中的峰值负载的生成)，DC环节电压的水平会变得不稳定。然而，可以使DC环节电压稳定化以便实现转换器14和逆变器13的正常操作。DC环节单元12可连接在电力转换单元11、逆变器13和转换器14之间，并且可维持恒定的DC环节电压或基本恒定的DC环节电压。DC环节单元12可包括例如大容量电容器。

逆变器13可以是连接在DC环节单元12和第一开关30之间的电力转换器。逆变器13可包括把由发电系统2和电池系统20的至少一者提供的DC环节电压转换成电网3的AC电压并输出该AC电压的逆变器。为了在充电模式中把电网3的电力储存在电池系统20中，逆变器13可包括把由电网3提供的AC电压转换成DC环节电压并输出该DC环节电压的整流器电流。逆变器13可以是改变输入和输出的方向的双向逆变器。

逆变器13可包括用于从输出到电网3的AC电压中去除谐波的滤波器。为了抑制或限制无功功率的生成，逆变器13可包括用于使逆变器13输出的AC电压的相位与电网3的AC电压的相位同步的锁相环(phase locked loop，PLL)电路。逆变器13可执行各种功能，例如对电压变化范围的限制、功率因数改善、对DC成分的去除和对瞬变现象的保护或减少。

转换器14可以是连接DC环节单元12和电池系统20之间的电力转换器。转换器14可包括DC-DC转换器，该DC-DC转换器把放电模式中的电池系统20中储存的电力转换成DC环节电压并将DC环节电压输出到逆变器13。转换器14也可包括这样的DC-DC转换器：该DC-DC转换器把由电力转换单元11输出的DC环节电压和/或由逆变器13输出的DC环节电压转换成具有适当电压水平(例如，电池系统20要求的充电电压水平)的DC电压并将该DV电压输出到电池系统20。转换器14可以是改变输入和输出的方向的双向转换器。当电池系统20的充电或放电都没有被执行时，转换器14的操作可被中断，从而可减小或最小化功率消耗。

总控制器15监视发电系统2、电网3、电池系统20和负载4的状态。例如，总控制器15可监视电网3是否处于停电状态，发电系统2是否生成电力，发电系统2生成的电力的量，电池系统20的荷电状态(SOC)，和/或负载4的功率消耗量或操作时间。

总控制器15根据监视的结果和预设的算法控制电力转换单元11、逆变器13、转换器14、电池系统20、第一开关30和第二开关40。例如，如果电网3处于停电状态中，则储存在电池系统20中或由发电系统2生成的电力可在总控制器15的控制下被供应给负载4。如果没有向负载4供应充分的电力，则总控制器15可确定负载4的电子设备的优先级并且可控制负载4以使得电力首先被供应给更高优先级的设备。总控制器15可控制电池系统20的充电和放电操作。

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，并且通过在总控制器15的控制下短路或开路来控制发电系统2和电网3之间的电流流动。第一开关30和第二开关40的短路和开路状态可根据发电系统2、电网3和/或电池系统20的状态来确定。

例如，当来自发电系统2或电池系统20的至少一者的电力被供应给负载4或者来自电网3的电力被供应给电池系统20时，第一开关30可被短路。当来自发电系统2或电池系统20的至少一者的电力被供应给电网3或者来自电网3的电力被供应给负载4和电池系统20的至少一者时，第二开关40可被短路。

当电网3处于停电状态中时，第二开关40处于开路状态中并且第一开关30处于短路状态中，例如，来自发电系统2和电池系统20的至少一者的电力被供应给负载4。同时，防止供应给负载4的电力流向电网3。这样，通过将能量储存系统1作为一独立系统来操作，可防止在例如电网3的电力线处工作的工人被从发电系统2或电池系统20接收的电力所伤害。

第一开关30和第二开关40可例如是继电器或其他类型的能够耐受并应对大电流的开关。

电池系统20可从发电系统2和电网3的至少一者接收电力，储存接收到的电力，并且将储存的电力供应给负载4或电网3的至少一者。电池系统20可例如对应于上文参考图1和图2描述的电池系统100和200。

电池系统20可包括包含至少一个电池单元来储存电力的电池21和用于控制并保护电池21的电池管理单元22。电池21可包括被选择性地并联连接的子电池。电池21可包括被选择性地并联连接的多个电池架(battery rack)。在此情况下，电池架可对应于子电池。电池21可以是包括被选择性地并联连接的多个电池托盘(battery tray)或模块的电池架。电池架或模块可对应于子电池。电池21可以是包括被选择性地并联连接的多个电池架的电池托盘或模块。在此情况下，电池单元可对应于子电池。

在一个实施例中，(被选择性地并联连接的多个子电池之中的)连接到外部端子并且被充电或放电的子电池可被称为活跃子电池。与外部端子分离的子电池可被称为非活跃子电池。

子电池可对应于参考图1描述的电池110或参考图2描述的电池211。电池管理单元22可对应于参考图1描述的电池管理单元130或者参考图2描述的模块管理单元215和系统管理单元220的组合。

电池管理单元22可连接到电池21并且可根据来自总控制器15的控制命令或内部算法来控制电池系统20的整体操作。例如，电池管理单元22可执行过充电防止功能、过放电防止功能、过电流防止功能、过电压防止功能、过热防止功能和单元平衡功能。

电池管理单元22可获得例如电池21的电压、电流、温度、剩余电量、寿命和/或SOC。例如，电池管理单元22可利用传感器测量电池21的单元电压、电流和/或温度。电池管理单元22可基于测量到的电压、测量到的电流和/或测量到的温度来计算例如电池21的剩余电量、寿命和/或SOC。

电池管理单元22可基于测量的结果、计算的结果等等来管理电池21并且可将测量的结果、计算的结果等等发送给总控制器15。电池管理单元22可根据来自总控制器15的充电和放电控制命令来控制电池21的充电和放电操作。

电池管理单元22可检测活跃子电池的电池电压、非活跃子电池的电池电压和作为活跃子电池的电池电流的累加的系统电流，并且可基于活跃子电池的电池电压和系统电流来确定活跃子电池的开路电压。当该开路电压变得与非活跃子电池的电池电压基本相同时，电池管理单元22可将非活跃子电池连接在外部端子之间以使得非活跃子电池与活跃子电池并联连接。

电池管理单元22可在活跃子电池正被充电或放电的同时基于子电池各自的电池电压和各自的电池电流来确定将非活跃子电池与活跃子电池并联连接的时机。

本文描述的方法、过程和/或操作可由要被计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备执行的代码或指令来执行。计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备可以是本文描述的那些或者除了本文描述的元素以外的那些。因为详细描述了形成方法(或者计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备的操作)的基础的算法，所以用于实现方法实施例的操作的代码或指令可将计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备变换成用于执行本文描述的方法的专用处理器。

本文描述的实施例的电池管理单元、模块管理单元、控制器、转换器和其他处理特征可实现在例如可包括硬件、软件或这两者的逻辑中。当至少部分以硬件实现时，电池管理单元、模块管理单元、控制器、转换器和其他处理特征可例如是各种集成电路中的任何一种，包括但不限于专用集成电路、现场可编程门阵列、逻辑门的组合、片上系统、微处理器或者另外类型的处理或控制电路。

当至少部分以软件实现时，电池管理单元、模块管理单元、控制器、转换器和其他处理特征可包括例如存储器或其他存储设备，用于存储要被例如计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备执行的代码或指令。计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备可以是本文描述的那些或者除了本文描述的元素以外的那些。因为详细描述了形成方法(或者计算机、处理器、微处理器、控制器或其他信号处理设备的操作)的基础的算法，所以用于实现方法实施例的操作的代码或指令可将计算机、处理器、控制器或其他信号处理设备变换成用于执行本文描述的方法的专用处理器。

作为总结和回顾，相对大容量的电池系统可通过将多个电池模块彼此并联连接来形成。当电池模块彼此并联连接时，由于电池模块之间的电压差，可生成浪涌电流。浪涌电流可引起电池模块或能量储存系统损坏或故障。

根据上述实施例中的一个或多个，包括并联连接的电池模块的大容量电池系统确定将第二电池模块额外连接到已经被并联连接并且正被充电或放电的第一电池模块的时机。此确定可不仅基于第一电池模块的电压和第二电池模块的电压，而且基于第一电池模块的充电或放电电流来做出。结果，可减少或防止在第一电池模块和第二电池模块之间生成浪涌电流。

另外，在所有电池模块被并联连接的同时，电能量可被负载使用或被储存在电池模块中。从而，不存在不必要消耗的电能量，并从而提高了能量效率。

本文已公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们只是在宽泛且描述意义上来使用和解释的，而不是用于进行限定的。在一些场合中，正如本领域技术人员在本申请的申请日会清楚的，联系特定实施例描述的特征、特性和/或元素可单独使用或与联系其他实施例描述的特征、特性和/或元素结合使用，除非另有指示。因此，本领域技术人员将会理解，在不脱离如所附权利要求记载的当前实施例的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种改变。