以平衡方式对多个能量源进行电流控制的系统、装置和方法与流程

本文中所描述的主题大体上涉及用于控制多个能量源尤其是电流控制以实现和维持能量源的平衡操作特性的系统、装置和方法。

背景技术：

1、能量存储系统由于电动车辆的日益普及性、缓冲来自可再生能量产生源的能量的需要以及存储系统在住宅、商业和工业环境中的整合而变得越发流行。这些能量存储系统通常是相同存储元件的串联连接，例如相同电化学和标称电压的电池单元，其允许系统长时间存储大量能量。对于放电，整个系统输出的电流可传送通过单个变压器、逆变器或其它转换装置以产生所要dc或ac输出电压。例如，在常规电动车辆中，由电池包内的串联连接的单元产生的总dc电压在两个极值也即正dc电压与负dc电压之间快速切换，以产生驱动电机的正弦ac波形。

2、虽然使用相同类型和电压的电池单元，但这些单元并非真正相同，因为制造过程中的变化会引入化学物质和结构的小变化。当系统反复地放电和充电时，这些变化被放大并且引起每个单元中的容量和性能的不同程度的劣化。由于单元与单元之间在欧姆电阻以及在整个系统内的放置方面的变化，单元会经受不同热条件，因此这种劣化失衡会加剧。虽然可提供复杂的冷却系统来减轻跨单元的热变化，但此类冷却系统复杂且昂贵，并且无法完全补偿劣化失衡。系统的性能通常限于最弱的单元的性能，并且严重的劣化失衡会使系统快速老化，从而需要过早更换劣化的单元或甚至整个系统。

3、由此，投入许多努力收紧电池单元的制造容差以限制变化。然而，相同单元的使用限制了系统在另一方面的性能。各种电化学反应的电池单元具有不同的优点和缺点。第一电化学类型的单元可能具有相对高于第二电化学类型的单元的能量密度，但具有相对低于第二电化学类型的单元的功率密度。因此，使用仅一种电化学类型的单元会限制整个系统在单元类型固有的那些方面的性能。

4、出于这些和其它原因，需要能够以平衡方式操作多个能量源的系统、装置和方法。

技术实现思路

1、本文提供用于控制具有两个或更多个能量源的系统中的电流的系统、装置和方法的示例实施例。能够以在满足负载需求的情况下寻求所述源的一个或多个操作参数中的平衡的方式来控制所述源电流。可平衡操作参数的示例可包含电荷、温度、电压、健康状态、能量状态、功率状态、电流等。描述了将平衡因子用于被平衡的每个参数的示例实施例，其中所述平衡因子可随着被平衡的参数的量值而变化。可确定参考电流，所述参考电流被选择为在考虑了所述源之间的平衡操作参数的当前偏移值的同时满足所述负载需求。源可相同或不同，并且在电流控制设计中可利用源的不同特性。例如，提供的实施例检测瞬变条件和负载，因为要从具有相对较高的功率密度的源提供相对较多的电流以满足瞬变需求。所述实施例在系统处于放电或充电状态下应用。

2、本领域的技术人员在参阅以下附图和详细描述后将明白或将开始明白本文中所描述的主题的其它系统、装置、方法、特征和优点。预期所有此类额外系统、方法、特征和优点都包含在本说明书内、本文所描述的主题的范围内，并受所附权利要求保护。在权利要求中没有明确叙述这些特征的情况下，示例实施例的特征决不应被解释为限制所附权利要求书。

技术特征：

1.一种控制第一能量源和第二能量源的电流的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其中标识所述soc平衡因子包括参考数据结构，所述数据结构包括多个soc平衡因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述数据结构是查找表。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述数据结构包括第一多个soc平衡因子，所述第一多个soc平衡因子与soc值交叉参考以使得所述第一多个soc平衡因子随着soc值的增加而增加。

6.根据权利要求5所述的方法，其中当所述第一和第二能量源放电时使用所述第一多个soc平衡因子。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述数据结构包括第二多个soc平衡因子，所述第二多个soc平衡因子与soc值交叉参考以使得所述第一多个soc平衡因子随着soc值的增加而减小。

8.根据权利要求7所述的方法，其中当所述第一和第二能量源充电时使用所述第二多个soc平衡因子。

9.根据权利要求2所述的方法，其中标识所述soc平衡因子包括执行soc平衡因子算法。

10.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于所述第一能量源的所述当前soc和所述第二能量源的所述当前soc确定是否平衡所述第一和第二能量源的soc。

11.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于所述第一能量源的所述当前soc或所述第二能量源的所述当前soc确定所述soc平衡因子。

12.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于所述第一和第二能量源是处于放电状态还是充电状态而确定所述soc平衡因子。

13.根据权利要求2所述的方法，其中标识所述温度平衡因子包括参考数据结构，所述数据结构包括多个温度平衡因子。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据结构是查找表。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述数据结构包括第一多个温度平衡因子，所述第一多个温度平衡因子与温度值交叉参考以使得所述第一多个温度平衡因子随着温度值的增加而增加。

16.根据权利要求15所述的方法，其中当所述第一和第二能量源放电时使用所述第一多个温度平衡因子。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述数据结构包括第二多个温度平衡因子，所述第二多个温度平衡因子与温度值交叉参考以使得所述第一多个温度平衡因子随着温度值的增加而减小。

18.根据权利要求17所述的方法，其中当所述第一和第二能量源充电时使用所述第二多个温度平衡因子。

19.根据权利要求2所述的方法，其中标识所述温度平衡因子包括执行温度平衡因子算法。

20.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于所述第一能量源的所述当前温度和所述第二能量源的所述当前温度确定是否平衡所述第一和第二能量源的温度。

21.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于所述第一能量源的所述当前温度或所述第二能量源的所述当前温度确定所述温度平衡因子。

22.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于所述第一和第二能量源是处于放电状态还是充电状态而确定所述温度平衡因子。

23.根据权利要求1所述的方法，其还包括基于所述参考电流确定所述开关电路系统的占空比。

24.根据权利要求23所述的方法，其中基于所述占空比产生所述开关信号。

25.根据权利要求23所述的方法，其中使用模型预测控制(mpc)技术确定所述占空比。

26.根据权利要求1所述的方法，其中确定用于所述第一能量源的所述参考电流包括通过以下操作确定第一参考电流：

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述目标soc是所述第一能量源的所述当前soc和所述第二能量源的当前soc的平均值。

28.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二能量源中的一个能量源具有比另一能量源相对较高的功率密度，并且其中确定用于所述第一能量源的所述参考电流包括：

29.根据权利要求28所述的方法，其还包括确定或调整所述参考电流，使得具有所述相对较高的功率密度的所述能量源比具有相对较低的功率密度的所述能量源输出更多的电流。

30.根据权利要求1所述的方法，其中确定用于所述第一能量源的所述参考电流包括：

31.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述参考电流，使得所述第一能量源的所述soc在第一时间朝向所述第二能量源的所述soc收敛，并且使得所述第一能量源的所述温度在第二时间朝向所述第二能量源的所述温度收敛。

32.一种控制包括多个能量源的系统中的电流的方法，所述方法包括：

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一操作参数是以下中的一者：电荷状态、温度、电压、电流、健康状态、能量状态和功率状态。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二操作参数不同于所述第一操作参数，并且其中所述第二操作参数是以下中的一者：电荷状态、温度、电压、电流、健康状态、能量状态和功率状态。

35.根据权利要求32所述的方法，其中参考所述多个源是放电还是充电来执行对所述第一和第二平衡因子的标识。

36.根据权利要求32所述的方法，其还包括标识所述第一操作参数的极值。

37.根据权利要求36所述的方法，其中标识所述第一平衡因子包括参考所述极值。

38.根据权利要求32所述的方法，其还包括标识所述第一操作参数的第一极值和所述第二操作参数的第二极值，并且其中标识所述第一平衡因子和所述第二平衡因子包括参考所述第一和第二极值。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述第一操作参数是电荷状态，所述第一极值是所述多个能量源的最小电荷状态，所述第二操作参数是温度，并且所述第二极值是所述多个能量源的最大温度。

40.根据权利要求32所述的方法，其中标识用于所述评估的第一操作参数的第一平衡因子和用于所述评估的第二操作参数的第二平衡因子包括至少参考数据结构。

41.根据权利要求32所述的方法，其中标识用于所述评估的第一操作参数的第一平衡因子和用于所述评估的第二操作参数的第二平衡因子包括根据算法确定所述第一和第二平衡因子。

42.一种控制包括连接成第一阵列的第一模块和第二模块的能量存储系统中的电流的方法，其中所述第一和第二模块中的每一者包括第一和第二能量源，所述方法包括：

43.根据权利要求42所述的方法，其中对于每个模块，控制来自所述第一和第二能量源的能量输出包括控制每个模块内的开关电路系统的占空比。

44.根据权利要求42所述的方法，其中对于每个模块，控制来自所述第一和第二能量源的能量输出包括：

45.根据权利要求42所述的方法，其中控制能量输出以使得所述第一和第二模块关于所述第一操作参数平衡包括根据脉宽调制技术控制所述第一和第二模块中的每一者的转换器电路系统。

46.根据权利要求45所述的方法，其还包括调整用于所述第一和第二模块的调制指数。

47.根据权利要求42所述的方法，其中所述能量存储系统包括连接成第二阵列的第三模块和第四模块，所述方法包括：

48.根据权利要求47所述的方法，其中控制所述系统内的能量输出以使得所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数平衡包括使用共模注入。

49.根据权利要求47所述的方法，其中所述能量存储系统包括耦合在所述第一和第二阵列之间的互连模块，并且其中控制所述系统内的能量输出以使得所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数平衡包括控制所述互连模块的能量输出。

50.根据权利要求42至49所述的方法，其中所述第一操作参数是以下中的一者：电荷状态、温度、电压、电流、健康状态、能量状态和功率状态。

51.一种控制包括连接成第一阵列的第一模块和第二模块的能量存储系统中的电流的方法，其中所述第一和第二模块中的每一者包括第一和第二能量源，所述方法包括：

52.根据权利要求51所述的方法，其中对于每个模块，控制来自所述第一和第二能量源的能量输出包括控制每个模块内的开关电路系统的占空比。

53.根据权利要求51所述的方法，其中对于每个模块，控制来自所述第一和第二能量源的能量输出包括：

54.根据权利要求51所述的方法，其中控制能量输出以使得所述第一和第二模块关于所述第一操作参数和所述第二操作参数平衡包括根据脉宽调制技术控制所述第一和第二模块中的每一者的转换器电路系统。

55.根据权利要求54所述的方法，其还包括调整用于所述第一和第二模块的调制指数。

56.根据权利要求51所述的方法，其中所述能量存储系统包括连接成第二阵列的第三模块和第四模块，所述方法包括：

57.根据权利要求56所述的方法，其中控制所述系统内的能量输出以使得所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数和所述第二操作参数平衡包括使用共模注入。

58.根据权利要求56所述的方法，其中所述能量存储系统包括耦合在所述第一和第二阵列之间的互连模块，并且其中控制所述系统内的能量输出以使得所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数和所述第二操作参数平衡包括控制所述互连模块的能量输出。

59.根据权利要求51至58所述的方法，其中所述第一操作参数是电荷状态并且所述第二操作参数是温度。

60.一种包括控制系统的能量存储系统，所述控制系统被配置成：

61.根据权利要求60所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成：

62.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统被配置成参考包括多个soc平衡因子的数据结构来标识所述soc平衡因子。

63.根据权利要求62所述的能量存储系统，其中所述数据结构是查找表。

64.根据权利要求62所述的能量存储系统，其中所述数据结构包括第一多个soc平衡因子，所述第一多个soc平衡因子与soc值交叉参考以使得所述第一多个soc平衡因子随着soc值的增加而增加。

65.根据权利要求64所述的能量存储系统，其中所述数据结构包括第二多个soc平衡因子，所述第二多个soc平衡因子与soc值交叉参考以使得所述第一多个soc平衡因子随着soc值的增加而减小。

66.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成通过执行soc平衡因子算法来标识所述soc平衡因子。

67.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成基于所述第一能量源的所述当前soc和所述第二能量源的所述当前soc确定是否平衡所述第一和第二能量源的soc。

68.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成基于所述第一能量源的所述当前soc和所述第二能量源的所述当前soc确定所述soc平衡因子。

69.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成基于所述第一和第二能量源是处于放电状态还是充电状态而确定所述soc平衡因子。

70.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成参考包括多个温度平衡因子的数据结构来标识所述温度平衡因子。

71.根据权利要求70所述的能量存储系统，其中所述数据结构是查找表。

72.根据权利要求70所述的能量存储系统，其中所述数据结构包括第一多个温度平衡因子，所述第一多个温度平衡因子与温度值交叉参考以使得所述第一多个温度平衡因子随着温度值的增加而增加。

73.根据权利要求72所述的能量存储系统，其中所述数据结构包括第二多个温度平衡因子，所述第二多个温度平衡因子与温度值交叉参考以使得所述第一多个温度平衡因子随着温度值的增加而减小。

74.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成通过执行温度平衡因子算法来标识所述温度平衡因子。

75.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成基于所述第一能量源的所述当前温度和所述第二能量源的所述当前温度确定是否平衡所述第一和第二能量源的温度。

76.根据权利要求61所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成基于所述第一和第二能量源是处于放电状态还是充电状态而确定所述温度平衡因子。

77.根据权利要求60所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成基于所述参考电流确定所述开关电路系统的占空比。

78.根据权利要求77所述的能量存储系统，其中所述控制系统被配置成利用模型预测控制(mpc)技术确定所述占空比。

79.根据权利要求60所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成：

80.根据权利要求60所述的能量存储系统，其中所述第一和第二能量源中的一个能量源具有比另一能量源相对较高的功率密度，并且其中所述控制系统还被配置成：

81.根据权利要求60所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成确定或调整所述参考电流，使得不超过用于所述第一能量源或所述第二能量源的最大电流阈值。

82.根据权利要求60所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成确定所述参考电流，使得所述第一能量源的所述soc在第一时间朝向所述第二能量源的所述soc收敛，并且使得所述第一能量源的所述温度在第二时间朝向所述第二能量源的所述温度收敛。

83.根据权利要求60至82中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制系统包括处理电路系统和上面存储多个指令的非暂时性存储器，所述多个指令在由所述处理电路系统执行时使所述控制系统执行根据权利要求60至82中任一项所述的功能。

84.根据权利要求60至82中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制系统包括主控制装置和局部控制装置，其中所述局部控制装置与所述能量存储系统的模块相关联，所述模块包括所述第一和第二能量源以及所述开关电路系统。

85.一种能量存储系统，其包括多个能量源和控制系统，所述控制系统被配置成：

86.根据权利要求85所述的能量存储系统，其中所述第一操作参数是以下中的一者：电荷状态、温度、电压、电流、健康状态、能量状态和功率状态。

87.根据权利要求86所述的能量存储系统，其中所述第二操作参数不同于所述第一操作参数，并且其中所述第二操作参数是以下中的一者：电荷状态、温度、电压、电流、健康状态、能量状态和功率状态。

88.根据权利要求85所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成参考所述多个源是放电还是充电来标识所述第一和第二平衡因子。

89.根据权利要求85所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成标识所述第一操作参数的极值。

90.根据权利要求89所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成参考所述极值来标识所述第一平衡因子。

91.根据权利要求85所述的能量存储系统，其中所述控制系统还被配置成：

92.根据权利要求91所述的能量存储系统，其中所述第一操作参数是电荷状态，所述第一极值是所述多个能量源的最小电荷状态，所述第二操作参数是温度，并且所述第二极值是所述多个能量源的最大温度。

93.一种包括连接成第一阵列的第一模块和第二模块的能量系统，其中所述第一和第二模块中的每一者包括第一和第二能量源，其中所述能量系统还包括控制系统，所述控制系统被配置成：

94.根据权利要求93所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成控制每个模块内的开关电路系统的占空比以控制来自所述第一和第二能量源的能量输出。

95.根据权利要求93所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成：

96.根据权利要求93所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成通过根据脉宽调制技术控制所述第一和第二模块中的每一者的转换器电路系统来控制能量输出以使得所述第一和第二模块关于所述第一操作参数平衡。

97.根据权利要求96所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成调整用于所述第一和第二模块的调制指数。

98.根据权利要求93所述的能量系统，其还包括连接成第二阵列的第三模块和第四模块，其中所述控制系统还被配置成：

99.根据权利要求98所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成确定共模注入以控制所述系统内的能量输出，使得所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数平衡。

100.根据权利要求98所述的能量系统，其还包括耦合在所述第一和第二阵列之间的互连模块，其中所述控制系统还被配置成控制所述互连模块的能量输出以使所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数平衡。

101.根据权利要求42至49所述的能量系统，其中所述第一操作参数是以下中的一者：电荷状态、温度、电压、电流、健康状态、能量状态和功率状态。

102.一种包括连接成第一阵列的第一模块和第二模块的能量系统，其中所述第一和第二模块中的每一者包括第一和第二能量源，其中所述能量系统还包括控制系统，所述控制系统被配置成：

103.根据权利要求102所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成控制每个模块内的开关电路系统的占空比以控制来自所述第一和第二能量源的能量输出。

104.根据权利要求102所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成：

105.根据权利要求102所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成通过根据脉宽调制技术控制所述第一和第二模块中的每一者的转换器电路系统来控制能量输出以使得所述第一和第二模块关于所述第一操作参数和所述第二操作参数平衡。

106.根据权利要求105所述的系统，其中所述控制系统还被配置成调整用于所述第一和第二模块的调制指数。

107.根据权利要求102所述的系统，其还包括连接成第二阵列的第三模块和第四模块，其中所述控制系统还被配置成：

108.根据权利要求107所述的能量系统，其中所述控制系统还被配置成确定共模注入以控制所述系统内的能量输出，使得所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数和所述第二操作参数平衡。

109.根据权利要求107所述的能量系统，其还包括耦合在所述第一和第二阵列之间的互连模块，其中所述控制系统还被配置成控制所述互连模块的能量输出以使所述第一和第二阵列关于所述第一操作参数和所述第二操作参数平衡。

110.根据权利要求102至109中任一项所述的系统，其中所述第一操作参数是电荷状态并且所述第二操作参数是温度。

111.根据权利要求85至110中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制系统包括处理电路系统和上面存储多个指令的非暂时性存储器，所述多个指令在由所述处理电路系统执行时使所述控制系统执行根据权利要求85至110中任一项所述的功能。

技术总结
本文提供用于控制具有两个或更多个能量源的系统中的源电流的系统、装置和方法的示例实施例。能够以在满足负载需求的情况下寻求所述源的一个或多个操作参数中的平衡的方式来控制所述源电流。操作参数的示例可包含电荷、温度、电压、健康状态、电流等。描述了将平衡因子用于被平衡的每个参数的示例实施例，其中所述平衡因子可随着被平衡的参数的量值而变化。可确定参考电流，所述参考电流被选择为在考虑了所述源之间的平衡操作参数的当前偏移值的同时满足所述负载需求。所述实施例可在所述系统处于放电或充电状态下应用。

技术研发人员：M·穆萨维,R·纳德里,M·斯列普琴科夫
受保护的技术使用者：阿尔法能源技术公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11