智能单元与控制方法和系统技术方案

本申请公开一种智能单元，包括：正极端子；负极端子；开关电路，该开关电路被布置成在第一开关状态和第二开关状态之间进行选择，在第一开关状态中，储能设备连接在正极端子和负极端子之间，在第二开关状态中，绕过所述储能设备；以及电感器，该电感器提供在正极端子和负极端子之间。电感器提供装置，通过该装置监测电路的剩余部分中的电流改变。电感器可因此用于检测如由智能单元所见的电流改变，并且该感测的信息可用于控制智能单元，例如，以控制形成智能单元的部分的能量源(储能设备)。由于电感器为智能单元的部分，所以电感器形成分散控制器策略的部分，以调节更大系统内单元的充电状态。例如，电感器可形成分散控制器策略的部分以调节变化的容量的串联连接单元的充电状态。

Intelligent unit and control method and system

The present application discloses an intelligent unit, including the positive terminal, negative terminal, and switch circuit, which is arranged between the first switch state and the second switch state, and in the first switch state, the energy storage device is connected between the positive and negative terminals, and in the second switch state, in the state of the switch. The energy storage device and inductor are provided between the positive terminal and the negative terminal. The inductor provides a device to monitor the current changes in the remaining part of the circuit through the device. The inductor may therefore be used to detect the current change, as seen by an intelligent unit, and the sensing information can be used to control the intelligent unit, for example, to control the energy sources (energy storage devices) that form part of the intelligent unit. Since the inductor is part of the smart cell, the inductor forms part of the decentralized controller strategy to regulate the charging state of the unit in the larger system. For example, the inductor can form part of the decentralized controller strategy to adjust the charging state of the serial connection unit with variable capacity.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】智能单元与控制方法和系统
本专利技术涉及智能单元与用于此类单元的控制方法和系统。
技术介绍
电力电子器件在通过将绿色能量技术与电网整合以减少温室气体排放中起关键作用。增加的电力电子器件渗透的一个领域是市场非常迅速地增长的电能储存系统，诸如锂离子电池组。这种电网连接的能量储存的迅速采用需要最先进的电力电子转换器和能量管理系统。还有，由于储能设备(例如，电池)是最昂贵的部件，所以电力电子器件应设计成使性能和寿命最大化同时确保安全。在最坏的情况下，电池的非管理串联串将受最弱单元限制，因此单一故障单元可使整个串无用。在使用电化学单元的储能系统中，长期组性能可通过在单个单元级别处的主动能量管理、通过将单个功率转换器和电池管理系统置于每个单元上，大大改善。预期成本随时间推移减小的宽带隙开关设备中的最新进展将增加转换效率(并且减少功率损耗)，并且通过更高的功率密度和减小的冷却需求，减少总体系统成本。对于某些单元化学反应，单个单元监测是必须的，并且主动单元平衡增强性能。作为示例，如果过度充电，则锂离子电池技术是不安全的，其中单元可爆炸或破裂。因而，为了使串联和/或并联连接的若干单元的储能潜力最大化，必须测量且平衡电池组中单个单元的充电状态(SOC)。结合储能设备的充电和/或放电的控制或管理的元件的电池(或其它储能设备)可称为智能单元。储能设备可包括电池(特别是可再充电电池)、电容器、超级电容器等中的任一个。单元可包括储存设备的小组或子组。粒度水平是由设计师可调整的。电池管理系统(BMS)(智能单元控制的通常形式)用于每个现代电池组中以确保构成组的单元在它们的安全限制内被操作。随着电池组老化，每个单元的容量以不均匀的方式随时间推移改变，并且单个单元的充电状态开始彼此漂离。为避免该漂移，BMS将通常通过耗散装置平衡每个单个单元的充电状态。例如，在充电阶段期间，在其它单元之前达到它们的最大电压的单元将被连接到放电电阻器，直到组中所有单元完全充电。平衡单元的该方法对于良好匹配的电池组良好地工作，然而当变化容量的单元连接在一起时，该方法效率极低且缓慢。模块化多电平转换器拓扑结构实质上为储能设备的串联串，储能设备的串联串中的每个可成直线连接(即，以供应能量或接收能量)或被绕过(即，不供应或接收能量)。此类布置通常用于DC到AC直流转换，其中每个模块包括电容器。通过控制串中的多少(和哪些)电容器串联连接，串上节点的输出电压可改变，以便产生期望的波形(例如，正弦AC波形)。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术提供一种智能单元，包括：正极端子；负极端子；开关电路，该开关电路被布置成在第一开关状态和第二开关状态之间进行选择，在第一开关状态中，储能设备连接在正极端子和负极端子之间，在第二开关状态中，绕过所述储能设备；以及电感器，该电感器提供在正极端子和负极端子之间。电感器提供一种装置，通过该装置监测电路的剩余部分中的电流改变。电感器可因此用于检测如由智能单元所见的电流改变，并且该感测的信息可用于控制智能单元，例如，控制形成智能单元的部分的能量源(储能设备)。因为电感器为智能单元的部分，所以电感器形成分散控制器策略的部分，以调节更大系统内单元的充电状态。例如，电感器可形成分散控制器策略的部分，以调节变化容量的串联连接单元的充电状态。提供电感器作为智能单元的部分的另一优点是电感器形成分布式滤波电感器的部分。通常将为单元串(例如，在模块化多电平控制器中)提供滤波电感器作为与单元串联的单一单独部件。在分布式布置中将该电感器分成若干较小电感器允许使用较小部件，这可显著减少成本。本专利技术可用于储能系统以平衡电池组中每个单元上的充电状态。本专利技术也可用于更大的情境中，其中代替管理单个单元的充电状态，本专利技术可用于管理一个或多个电池组的充电状态。优选地，电感器与开关电路串联连接。这意味着电感器总是连接在正极端子和负极端子之间，不管开关电路的开关状态，即，不管能量源连接在端子之间还是被绕过。在该配置中，电感器可继续充当电流改变检测器，并且充当分布式滤波电感器的部分，即使在开关电路处于旁路状态时。电感器可连接在开关电路的任一侧，即，连接在开关电路和正极端子之间或连接在开关电路和负极端子之间。电感器不需要直接连接到任一端子或连接到开关电路(可存在其它中间部件或电路)。优选地，智能单元还包括控制器，该控制器被布置成监测电感器两端的电压，并且被布置成基于所述电感器电压控制开关电路。在模块化多电平控制拓扑结构中，已发现这使得本地控制器能够确定何时接通和切断其储能设备。这避免需要控制所有模块的总体控制器(即，它准许分散控制)。这样的一个优点是本地控制器可用其自己的储能设备行进，保留关于其历史的信息，例如，健康状态(SOH)和充电状态(SOC)信息。本地控制器的另一优点是不需要全系统通信总线以在单元之间或单元和单独的全系统控制器之间传递信息。控制器可被布置成基于电感器电压调整开关电路的开关定时。开关电路将通常在具有时间段、占空比(占空比可表示为其中储存装置被连接而不是被绕过的时间段的比例)和相位(相位可表示为相对于循环开始的开始时间)的周期性循环接通和切断开关电路的储能设备。调整开关电路的开关定时可包括调整以下中的任一个：开关循环的占空比、相位、时间段或频率。控制器可被布置成根据系统的期望的特性实行任何种类的控制功能。然而，在一些优选实施例中，控制器被布置成基于电感器电压，确定使对(例如，智能单元的串联串的)输出电压纹波的影响最小化的开关电路的期望的定时，并且被布置成朝向期望的定时调整开关电路的定时。对于DC到DC转换器，期望使输出电压纹波最小化，以便提供最平滑的可能输出。在串联连接的储能设备串中，每当设备接通或切断时，输出电压跳变。如果两个设备同时连接，或在非常相似的时间连接，则电压跳变将很大(即，存在很大纹波)。因而，期望使该电压跳变最小化，使得输出电压总体尽可能一致。由于系统中每个控制器可经由其电感器检测系统内其它设备的开关事件，所以每个控制器可尝试通过使该控制器的定时变化，使该控制器对总体电压纹波的影响最小化。虽然控制器可将其定时精确地调整为所计算的期望的定时，但是当若干此类控制器都同时分别操作时，这可导致不稳定。为了鼓励达到均衡态势，优选的是控制器各自朝向目标定时作出较小定时调整。优选地，控制器被布置成以与开关电路的占空比成比例的速率调整定时。占空比可能从一个单元到另一单元稍微变化，并且因而这避免与系统中其它单元同步，并且鼓励不同单元以不同速率调整，因此避免不稳定操作。在一些优选实施例中，控制器被布置成：检测系统内电流的改变；分析所述改变以确定其它单元的开关时间；基于所述电流的改变，计算智能单元的期望的开关定时；以及通过朝向期望的开关定时调整智能单元的定时，调整智能单元的开关定时。电流的改变可通过测量电感器两端的电压进行检测。优选地，为了分析电流改变，控制器被布置成对系统中所检测的电流实行边缘检测，以检测其它单元的开关时间。由于控制器对于单元来讲是本地的，所以不能容易地确定哪些边缘属于哪些其它单元。事实上，在最一般的情况下，将甚至不知道系统中存在多少其它单元，或其它单元的类型是什么。所检测的边缘因而不能容易地与特定单元相关联。这在分析中呈现困难，因为不能确定单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能单元，包括：正极端子；负极端子；开关电路，所述开关电路被布置成在第一开关状态和第二开关状态之间进行选择，在所述第一开关状态中，储能设备连接在所述正极端子和所述负极端子之间，在所述第二开关状态中，绕过所述储能设备；以及电感器，所述电感器提供在所述正极端子和所述负极端子之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.12 GB 1514330.81.一种智能单元，包括：正极端子；负极端子；开关电路，所述开关电路被布置成在第一开关状态和第二开关状态之间进行选择，在所述第一开关状态中，储能设备连接在所述正极端子和所述负极端子之间，在所述第二开关状态中，绕过所述储能设备；以及电感器，所述电感器提供在所述正极端子和所述负极端子之间。2.根据权利要求1所述的智能单元，其中所述电感器与所述开关电路串联。3.根据权利要求1或权利要求2所述的智能单元，还包括控制器，所述控制器被布置成监测所述电感器两端的电压，并且被布置成基于所述电感器电压控制所述开关电路。4.根据权利要求3所述的智能单元，其中所述控制器被布置成基于所述电感器电压调整所述开关电路的开关定时。5.根据权利要求3或权利要求4所述的智能单元，其中所述控制器被布置成基于所述电感器电压确定使对电压纹波的影响最小化的所述开关电路的期望的定时，并且被布置成朝向所述期望的定时调整所述开关电路的所述定时。6.根据权利要求5所述的智能单元，其中所述控制器被布置成以与所述开关电路的占空比成比例的速率调整所述定时。7.根据前述任一项权利要求所述的智能单元，其中所述控制器被布置成：检测所述系统内电流的改变；分析所述改变以确定其它单元的开关时间；基于所述电流的改变，计算所述智能单元的期望的开关定时；以及通过朝向所述期望的开关定时调整所述智能单元的定时，调整所述智能单元的所述开关定时。8.根据权利要求7所述的智能单元，其中为了分析所述改变，所述控制器被布置成对所述系统中的所检测的电流实行边缘检测以检测其它单元的开关时间。9.根据权利要求8所述的智能单元，其中为了分析所述改变，所述控制器被布置成将所述开关时间组合成成对的接通时间和断开时间。10.根据权利要求9所述的智能单元，其中所述控制器还被布置成：从所述对形成向量，由角度和幅度定义每个向量，通过相对于所述智能单元的开关周期取得所述接通时间和所述断开时间的平均值确定所述角度，所述幅度等于所述接通时间和所述断开时间之间的差的正弦。11.根据权利要求10所述的智能单元，其中所述控制器被布置成使所有所述向量的向量和的幅度最小化。12.根据权利要求4至权利要求11中任一项所述的智能单元，其中所述控制器被布置成通过调整所述智能单元的所述开关周期，调整所述开关定时。13.根据权利要求4至权利要求12中任一项所述的智能单元，其中所述控制器被布置成通过以与所述智能单元的所述占空比成比例的速率调整所述定时，调整所述开关定时。14.根据前述任一项权利要求所述的智能单元，其中所述电感器被形成为PCB迹线。15.根据前述任一项权利要求所述的智能单元，其中所述能量源包括以下中的至少一个：电池、可再充电电池、电容器、超级电容器或其组合。16.根据权利要求15所述的智能单元，其中所述能量源包括与控制器并联和/或串联的多个较小源，所述控制器被布置成控制来自所述较小源的能量供应。17.一种包括根据前述任一项权利要求所述的多个智能单元的智能单元系统，所述单元串联连接。18.根据权利要求17所述的智能单元系统，其中所述多个智能单元形成多电平转换器。19.根据权利要求18所述的智能单元系统，包括并联的多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：达米安·弗罗斯特，戴维·豪伊，
申请(专利权)人：牛津大学科技创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB