智能电池单元以及控制方法和系统技术方案

一种智能电池单元，包括：正端子；负端子；开关电路，其被布置为在将能量储存设备连接在所述正端子与所述负端子之间的第一开关状态与为所述能量储存设备设旁路的第二开关状态之间进行选择；电感器，其设置在所述正端子与所述开关网络的输出之间；和控制器，其被布置为：监控跨所述电感器的电压，并且被布置为：基于跨所述电感器检测到的电压变化的大小来控制所述开关电路的占空比。通过监控和分析跨所述电感器的电压变化的大小，所述控制器确定其他串联的智能电池单元的充电状态，而无需电池单元之间的任何通信。由于每个电池单元可以从所述电感器上的电压变化感测关于其他电池单元的信息，因此所述智能电池单元皆无需将关于其充电状态的信息发送到串中的其他智能电池单元。通过分析跨本地感测电感器的电压，可以获得智能电池单元串行串的平均充电状态，并且与本地智能电池单元的充电状态进行比较，以确定应如何修改本地智能电池单元的所述占空比以使其充电状态与串行串同步。跨所述电感器的电压变化的大小与刚与串接通或断开的电池单元的充电状态有关。

Intelligent battery unit and control method and system

An intelligent battery unit includes: a positive terminal, a negative terminal, a switch circuit, which is arranged to select between the first switch state of connecting the energy storage device between the positive terminal and the negative terminal and the second switch state of bypassing the energy storage device; an inductor, which is arranged between the positive terminal and the output of the switch network; and a control circuit A brake arranged to monitor the voltage across the inductor and to control the duty cycle of the switch circuit based on the magnitude of the voltage change detected across the inductor. By monitoring and analyzing the magnitude of the voltage change across the inductor, the controller determines the charging state of other smart battery cells in series without any communication between the battery cells. Since each battery cell can sense information about other battery cells from the voltage change on the inductor, neither intelligent battery cell needs to send information about its charging state to other intelligent battery cells in the string. By analyzing the voltage across the local sensing inductor, the average charge state of the serial string of the smart battery unit can be obtained, and compared with the charge state of the local smart battery unit, so as to determine how to modify the duty cycle of the local smart battery unit to make its charge state synchronize with the serial string. The magnitude of the voltage change across the inductor is related to the charging state of the battery cell just connected or disconnected in series.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】智能电池单元以及控制方法和系统
本专利技术涉及智能电池单元(cell)以及用于这些电池单元的控制方法和系统。
技术介绍
电力电子学在通过绿色能源技术与电网的整合而减少温室气体排放方面正起到关键作用。电力电子学渗透增加的一个领域是电能储存系统(例如锂离子电池组)，其中，随着成本降低，市场非常快速地增长。这种并网能量储存的快速采用需要最先进的电力电子转换器和能量管理系统。此外，由于能量储存设备(例如电池)是最昂贵的组件，因此电力电子设备应设计为在确保安全性的同时使得性能和寿命最大化。在最坏情况的场景中，电池的无管理串行串将受限于最弱的电池单元，因此单个出故障的电池单元可能让整个串变得无用。除此之外，销售电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)的许多公司正调研创新的方式以处理来自这些车辆的电池废物的涌入。如果EV或HEV电池的通常根据标称容量所测量的健康状态(SOH)下降至其原始值的70％-80％左右，则认为其处于其(第一)寿命的结束。虽然此时可以认为电池组对于便携式应用是无用的，但它仍然包含用于静止能量储存应用的大量剩余价值。在使用电化学电池单元的能量储存系统中，通过在每个电池单元上放置单独的功率转换器和电池管理系统，可以借助按单独电池单元级别的主动能量管理来极大地改进长期封装性能。成本有望随着时间而降低的宽带隙开关设备方面的新近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降低的冷却要求而减少整体系统成本。对于一些电池单元化学成分，单独的电池单元监控是必要的，并且主动电池单元平衡增强性能。作为示例，锂离子电池技术如果过充电则是不安全的，其中，电池单元可能爆炸或破裂。因此，为了使得串行和/或并行连接的若干电池单元(尤其是容量和使用历史各不相同的电池单元)的能量储存潜力最大化，必须测量并且平衡电池组中的各电池单元的充电状态(SOC)。包括对能量储存设备的充电和/或放电进行控制或管理的元件的电池(或其他能量储存设备)可以称为智能电池单元。能量储存设备可以包括任何电池(特别是可反复充电电池)、电容器、超级电容器等。电池单元可以包括储存设备的小型封包或子封包。粒度等级可由设计者调整。电池管理系统(BMS)(智能电池单元控制的典型形态)用在每个现代电池组中，以确保构成电池组的电池单元在其安全限制内操作。随着电池组老化，每个电池单元的容量以不均匀的方式随着时间而变化，并且单独电池单元的充电状态开始漂移远离彼此。为了避免这种漂移，BMS将通常通过耗散性手段平衡每个单独电池单元的充电状态。例如，在充电阶段期间，在其他电池单元之前达到其最大电压的电池单元将被连接到放电电阻器，直到电池组中的所有电池单元被完全充电。这种平衡电池单元的方法对于良好匹配的电池组效果很好，然而，当容量各不相同的电池单元连接在一起时，这是非常低效并且缓慢的。模块化多级转换器拓扑实质上是均可以按直线连接(即，以供应能量或接收能量)或被设旁路(即，不供应或接收能量)的能量储存设备的串行串。这些布置典型地用于DC到AC电压转换，其中，每个模块包括电容器。通过控制串中有多少(以及哪些)电容器要串行连接，可以改变串上的节点的输出电压，从而产生期望的波形(例如正弦AC波形)。
技术实现思路
根据第一方面，提供一种智能电池单元，包括：正端子；负端子；开关电路，其被布置为：在将能量储存设备连接在所述正端子与所述负端子之间的第一开关状态与为所述能量储存设备设旁路的第二开关状态之间进行选择；电感器，其设置在所述正端子与所述负端子之间；和控制器，其被布置为：监控跨所述电感器的电压，并且被布置为：基于跨所述电感器检测到的电压变化的大小来控制所述开关电路的占空比。通过监控并且分析跨所述电感器的电压变化的大小，所述控制器可以确定其他串联的智能电池单元的充电状态，而无需电池单元之间的任何通信。换言之，由于每个电池单元可以从所述电感器上的电压变化感测关于其他电池单元的信息，因此智能电池单元的串联串中的智能电池单元皆无需将关于其充电状态的信息发送到串中的其他智能电池单元。通过分析跨本地感测电感器的电压，可以获得智能电池单元串行串的平均充电状态。其可以与本地智能电池单元的充电状态进行比较，以确定应如何修改本地智能电池单元的所述占空比以使其充电状态与串行串同步。具体地说，已经认可的是，跨所述电感器的电压变化的大小与刚与串接通或断开(因此产生电压变化)的电池单元的充电状态有关。优选地，随着时间窗口而监控并且测量所述电压变化。虽然可以使用任何合适的时间窗口，但时间窗口优选地是至少一个开关周期。例如，可以使用更长的时间(例如多个开关周期)，从而确保所有其他电池单元在该时间窗口内已经开关至少一次或实际上多于一次。优选地，串中的所有电池单元编程为具有相同的开关频率。实际上，它们的开关频率可以是稍微不同的，但它们典型地足够接近，从而它们可以全都在单个开关周期窗口内检测每个开关事件。所述控制器可以独自基于所述电压变化的大小来控制所述占空比。然而，在一些实施例中，所述控制器可以被布置为：基于跨所述电感器检测到的电压变化的大小和表示所述能量储存设备的当前充电状态的值来控制所述开关电路的占空比。该值可以存储在存储器(例如易失性存储器(例如RAM)或永久存储器(例如闪存存储器))中，或其可以直接从所述能量储存设备测量。应理解，一个这样的跨所述电感器的电压变化将对应于智能电池单元自身的开关电路的开关，并且由此提供智能电池单元的能量储存设备的当前充电状态的测量值。该测量值可以用以比较智能电池单元的能量储存设备的充电状态与其他连接的智能电池单元的充电状态。所述控制器可以被布置为：计算表示与所述智能电池单元串行或并行连接的所有能量储存设备的平均充电状态的值。应理解，所述控制器可以针对串联的串中的所有其他电池单元(即，排除其自身的电池单元)计算该平均，或其可以针对串联的串中的所有电池单元(即，包括其自身的电池单元)计算所述平均。因此应理解，在一些优选实施例中，表示平均充电状态的值是跨所述电感器检测到的电压变化的平均大小或基于所述平均的值。作为取平均处理的一部分，所述控制器可以对串中的串联的电池单元的数量进行计数。该操作虽然可以通过任何合适的方式得以实现，但例如可以通过以下方式：在特定时间窗口上进行计数，或寻找重复模式，或对独特大小进行计数，或对开关事件的数量进行计数等。例如，由于每个电池单元必须在每个周期内与电路接通并且断开，因此对开关事件的数量进行计数并且除以2会给出串中的电池单元的数量。所述控制器可以根据任何期望的目标控制所述开关电路的占空比，例如，以实现电池单元使用率的期望分布。然而，在一些优选实施例中，所述控制器被布置为：控制所述开关电路的占空比，从而使所述能量储存设备的充电状态与所计算的平均充电状态同步。通过使充电状态与平均充电状态同步，可以使得电池单元的充电状态与所有其他电池单元的充电状态一致，从而所有电池单元以相同速率充电和/或放电。如上所述，这在串中的电池单元可能具有不同容量的情况下是特别有益的，因为它可以防止单独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能电池单元，包括：/n正端子；/n负端子；/n开关电路，其被布置为：在将能量储存设备连接在所述正端子与所述负端子之间的第一开关状态与为所述能量储存设备设旁路的第二开关状态之间进行选择；/n电感器，其设置在所述正端子与所述负端子之间；和/n控制器，其被布置为监控跨所述电感器的电压，并且被布置为基于跨所述电感器检测到的电压变化的大小来控制所述开关电路的占空比。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170202 GB 1701751.81.一种智能电池单元，包括：
正端子；
负端子；
开关电路，其被布置为：在将能量储存设备连接在所述正端子与所述负端子之间的第一开关状态与为所述能量储存设备设旁路的第二开关状态之间进行选择；
电感器，其设置在所述正端子与所述负端子之间；和
控制器，其被布置为监控跨所述电感器的电压，并且被布置为基于跨所述电感器检测到的电压变化的大小来控制所述开关电路的占空比。


2.如权利要求1所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：基于跨所述电感器检测到的电压变化的所述大小和表示所述能量储存设备的当前充电状态的值来控制所述开关电路的所述占空比。


3.如权利要求1或2所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：计算表示与所述智能电池单元串行或并行连接的所有能量储存设备的平均充电状态的值。


4.如权利要求3所述的智能电池单元，其中，表示所述平均充电状态的所述值是跨所述电感器检测到的电压变化的平均大小。


5.如权利要求3或4所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：控制所述开关电路的所述占空比，从而使所述能量储存设备的充电状态与所计算的平均充电状态同步。


6.如权利要求5所述的智能电池单元，其中，所述控制器利用比例-积分控制器控制所述开关电路的所述占空比。


7.如任一前述权利要求所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：确定其是否已经从检测到的跨所述电感器的电压变化获得足够信息以执行对所述占空比的合适控制。


8.如权利要求7所述的智能电池单元，其中，当所述控制器确定已经获得足够信息时，所述控制器调整所述开关电路的所述占空比。


9.如任一前述权利要求所述的智能电池单元，其中，所述电感器与所述开关电路串联。


10.如任一前述权利要求所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：基于所述电感器的电压来调整所述开关电路的开关定时。


11.如权利要求10所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：基于所述电感器的电压来确定使得对电压纹波的影响最小化的用于所述开关电路的期望定时，并且被布置为朝向所述期望定时调整用于所述开关电路的所述定时。


12.如权利要求11所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：以与所述开关电路的占空比成比例的速率调整所述定时。


13.如权利要求11或12所述的智能电池单元，其中，所述控制器被布置为：
检测所述系统内的电流的变化；
分析所述变化以确定其他电池单元的开关时间；
基于电流的所述变化来计算用于所述智能电池单元的期望开关定时；以及
通过朝向所述期望开关定时调整所述智能电池单元的定时来调整所述智能电池单元的开关定时。


14.如权利要求13所述的智能电池单元，其中，为了分析所述变化，所述控制器被布置为：对所述系统中的所检测到的电流执行边沿检测，以检测其他电池单元的开关时间。


15.如权利要求14所述的智能电池单元，其中，为了分析所述变化，所述控制器被布置为：将所述开关时间组合为接通时间和断开时间的配对。


16.如权利要求15所述的智能电池单元，...

【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