在能量系统中进行串级动态重新配置的方法和装置与流程

背景技术：

随着电动车辆和固定能量存储的市场的增长，需要大型能量存储系统。大型电池能量存储系统可以用于存储从任何来源产生的能量。对于诸如可再生能量集成、辅助服务、微电网支撑、需求费用减少和备用电力等应用，期望能量存储系统。这种系统可以涉及电气连接的电池阵列，其中电池被布置在构成能量存储系统的多个能量存储段中。电池管理系统是管理这种能量存储系统中的电池单元的电子系统。

严格的制造过程和电池单元材料特性对单个电池单元中可以存储的能量或功率的量施加了实际的限制，而给定的电池化学成分的具体电化学特点限制了单个单元的电压，通常限制为小于五伏。出于这些和其它原因，大多数大型能量存储系统包括以静态串联和并联配置组合的数百或数千个单独的电池单元，以便满足特定应用的能量和电压要求。

配置最佳系统设计的一种方法可以涉及将总的能量存储需求除以单独的单元容量以确定所需单元的数量x，将总的期望电压除以单独的电池单元电压以确定每个串中单元的数量y，以及并联这些串的组合z，其中y与z的乘积合理地接近x。但是，在实践中，电池单元的容量随着寿命和使用而下降，并且电压随着电池单元的荷电状态和与系统其余部分的平衡状态而波动。随着系统的老化，这两个参数在不同电池单元之间的差异都可能越来越大。

这些单元与单元之间的差异的影响随着电池单元的化学成分和形状因子、系统尺寸和复杂性、最终用途应用、环境条件和任何数量的其它因素而变化。由这种不均匀性引起的一个常见的限制是将充电窗口的可访问状态减小到系统内最弱单元的可访问状态，这意味着能量存储系统不再能够被安全地充电并放电到相同的水平。在最好的情况下，这意味着损失了实际可以在系统中存储和从系统提取的能量的量。在最坏的情况下，这可能导致潜在的危险的过度充电或过度放电事件，其迫使电池单元进入热失控并造成安全隐患。

静态能量存储系统配置也构成一系列其它挑战，包括：(1)对由于最终用途应用的变化而可能成为必需的变化的典型的不灵活性；(2)由于即使只有单个电池单元表现不佳也需要使系统的显著的一部分脱机而导致的可靠性问题；(3)源于上述可靠性问题的昂贵的紧急情况维护；以及(4)跨过系统的荷电状态的大的电压波动，这可能导致不可靠或欠佳的输出电压。因此，本领域需要改进的能量存储系统。

技术实现要素：

描述了用于大规模电池或其它能量存储系统的动态可重新配置框架，其被称为可重新配置的能量存储系统。可重新配置的能量存储系统包括负电气总线、正电气总线、连接在负电气总线和正电气总线之间的多个能量存储串，以及与负电气总线、正电气总线和多个能量存储串电气通信的控制单元。能量存储串至少包括第一能量存储串和第二能量存储串，其中每个串具有负输入端子和正输出端子。此外，每个能量存储串至少具有能量存储单元的第一子集和能量存储单元的第二子集，其中每个子集包括以内部串联或并联配置布置的能量存储单元的至少两个块，使得该布置包括插入在负输入端子和正输出端子之间的串内正端子和串内负端子。每个能量存储串还包括连接在负电气总线和能量存储串的负端子之间的输入开关、连接在正电气总线和串内正端子之间的第一输出开关、连接在正电气总线和能量存储线的正端子之间的第二输出开关以及连接在串内正端子和串内负端子之间的串联开关。能量存储系统还包括连接在第一能量存储串的正输出端子和第二能量存储串的串内负端子之间的多串串联开关，以及连接在负电气总线和第一能量存储串的串内负端子之间的初始输入开关。控制单元被配置为(i)将系统中的能量存储单元的至少一个并联布置重新配置为能量存储单元的串联布置，或者(ii)将系统中的能量存储单元的至少一个串联布置重新配置为能量存储单元的并联布置。

在一些实施例中，控制单元被配置为接收输出标准并且控制系统中的多串串联开关和每个输入开关、输出开关、第二输出开关以及串联开关，以通过负电气总线和正电气总线输出功率。输出标准可以是能量、功率或电压要求的任何组合。

当考虑附图阅读时，根据以下对优选实施例的详细描述，本发明的各个方面对本领域技术人员将变得明显。

附图说明

本专利或专利申请文件包含以彩色呈现的一个或多个附图和/或一张或多张照片。具有(一个或多个)彩色附图和/或(一张或多张)照片的本专利或专利申请公开文本的副本将由美国专利商标局根据要求提供并支付必要的费用。

图1：联系到电网、太阳能电池板和风力涡轮机的能量存储系统的非限制性说明，其被配置为将存储的能量输送到家庭。

图2：能量存储系统中的电池组的非限制性说明。

图3：绘出可重新配置的能量存储系统的示例性布置的图。蓝线指示3×8并联配置电路的部分，而紫线指示4×6串联配置电路的部分。

图4：绘出在“正常”配置下操作时可重新配置的能量存储系统的示例性布置的图。蓝线指示3×8并联配置电路的部分，而紫线指示4×6串联配置电路的部分。

图5：绘出在“提升”配置下操作时可重新配置的能量存储系统的示例性布置的图。蓝线指示3×8并联配置电路的部分，而紫线指示4×6串联配置电路的部分。

图6：当系统接近30％荷电状态时，对于以动态可重新配置事件为特征的示例性可重新配置的能量存储系统的典型放电，将电压绘制为荷电状态的函数的图。将“未提升”系统的预计(would-be)电压示为红色，用于与系统重新配置后的“提升”电压进行比较。

图7：绘出示例性多化学成分直流可重新配置能量存储系统的图。

图8：绘出示例性多化学成分直流能量存储系统的充电顶部(top-of-charge)电压和充电结束(end-of-charge)电压的图表。

具体实施方式

本公开一般而言涉及能量存储系统管理。特别地，本公开涉及动态可重新配置的能量存储系统，通过非限制性示例，其对于大规模电池存储系统是可用的。可重新配置的能量存储系统能够进行动态串级(string-level)重新配置。

一般而言，可再充电的电池单元是能量存储元件，其能够在充当负载时将电能转换为化学能，将该化学能存储一段时间，并且当负载被施加到单元时将存储的化学能转换为电能。示例性电池单元包括但不限于锂离子、磷酸铁锂(lithiumironphosphate)、锂硫(lithiumsulfur)、钛酸锂(lithiumtitanate)、纳米钛酸锂氧化物(nanolithiumtitanateoxide)、镍金属氢化物(nickelmetalhydride)、镍镉(nickelcadmium)、镍氢(nickelhydrogen)、镍-铁(nickel-iron)、钠硫(sodiumsulfur)、钒氧化还原(vanadiumredox)、可再充电碱性电池(alkaline)或者水混合离子(aqueoushybridion)。提供动态串级重新配置的本公开的电池管理系统框架可以应用到这些类型的电池单元中的任何一种(或者，如果期望的话，可以应用到其它类型的电池单元)，以及应用到燃料电池、电容器和混合电池-电容器单元。为了解释，将参考电池单元来描述可重新配置的能量存储系统，但是应当理解，该系统与任何类型的能量存储元件或设备相联系是有用的。

如图1中所示，大型电池能量存储系统10可以存储由任何来源(诸如电网12、太阳能电池板14或风机16以及其它例子)产生的能量，并且将这种能量可控地输送到房屋18等。这种系统一般涉及电气连接的电池阵列110。电池110可以布置在构成能量存储系统的多个能量存储段或电池组20中。多个电池组20可以被配置在连接的模块单元30中，如图2中所示。

如图2中所示，能量存储系统10可以包括由多个电池110组成的多个电池组20，其中电池组20可以容纳在模块单元30中。在电池组20内，多个电池单元110的任何合适的配置都可以互联。本文提供了能够在串级动态地重新配置自身的能量存储系统，其被称为可重新配置的能量存储系统。

图3中示出了根据本公开的示例性可重新配置能量存储系统100的图。如图3中所示，可重新配置的能量存储系统100包括例如二十四个能量块，其中每个能量块包括串联连接的a个能量存储单元(例如，电池单元)110。不同的实现方式可以包含不同数量的能量块和/或在任何数量的构成能量块中的不同数量的能量存储单元110。图3中的示例性系统包含一致化技术(uniformtechnology)的能量存储单元110。但是，系统的不同实现方式可以包括其中任何数量的块可以包含不同的直流能量技术的实现方式，其中直流能量技术包括但不限于不同化学成分、形状因子、容量或性能特点的电池单元；电容器；燃料电池元件；太阳能光伏元件；等。

为了便于在图3-5中的参考，不同能量存储串的相似部件用相应的标号表示。例如，第一能量存储串101的给定标号105的部件将类似于第二能量存储串201的给定标号205的部件，这二者都类似于第三能量存储串301的给定标号305的部件，等。

如图3中所示，每个能量存储串包括能量块的至少两个子集，其中每个能量块包含多个能量存储单元(诸如电池单元或其它能量存储设备)。图3示出了其中第一能量存储串101包括能量块的第一子集105a和能量块的第二子集105b的示例。第二能量存储串201包括能量块的第一子集205a和能量块的第二子集205b。第三能量存储串301包括能量块的第一子集305a和能量块的第二子集305b。图3中所示的可重新配置的能量存储系统100配置b个串中的能量块，其中c个串各自包含d个串联的能量块并且e个串各自包含f个串联的能量块，其中数字b、c、d、e和f可以分别等于例如6、3、2、3和6。这个示例性配置导致c个块与d个块相乘的数量的额定电压等于包含f个块的子串的额定电压，但是这个条件不需要约束不同实现方式的设计，因此不是必需的。

每个能量存储串中的能量块的每个子集包括多个能量块，其包含内部布置成串联或并联配置的多个能量存储单元。因此，每个能量存储串不仅包含正输出端子120、220、320和负输入端子130、230、330，还包含至少一个串内正端子140、240、340和至少一个串内负端子150、250、350。当能量存储串中存在能量块的多于两个子集时，能量存储串包含多于一个串内正端子和多于一个串内负端子。为了便于说明，图3绘出了具有三个能量存储串101、201、301的系统，每个串具有能量块的两个子集：包含两块能量存储单元的第一子集105a、205a、305a和包含六块能量存储单元的第二子集105b、205b、305b。在包含24块能量存储单元的这个非限制性实施例中，可重新配置的能量存储系统100能够在3×8并联配置和4×6串联配置之间切换。

可重新配置的能量存储系统100包括多种类型的开关。这些开关的功能和位置参照图3-5进行说明，但是可以理解，包括各种开关的添加或省略的其它配置是可能的。每个能量存储串101、201、301具有输入开关(图3-5中的s11、s13和s14)、第一输出开关(图3-5中的s1、s3和s5)、第二输出开关(图3-5中的s2、s4和s15)和串联开关(图3-5中的s6、s8和s10)。因此，第一能量存储串101具有第一串输入开关s11，第二能量存储串201具有第二串输入开关s13，第三能量存储串301具有第三串输入开关s14。第一能量存储串101具有第一串第一输出开关s1，第二能量存储串201具有第二串第一输出开关s3，第三能量存储串301具有第三串第一输出开关s5。第一能量存储串101具有第一串第二输出开关s2，第二能量存储串201具有第二串第二输出开关s4，第三能量存储串301具有第三串第二输出开关s15。第一能量存储串101具有第一串串联开关s6，第二能量存储串201具有第二串串联开关s8，第三能量存储串具有第三串串联开关s10。

每个能量存储串的输入开关连接在负电气总线40和相应的能量存储串的负输入端子之间。因此，第一串输入开关s11连接在负电气总线40和第一串负输入端子130之间。第二串输入开关s13连接在负电气总线40和第二串负输入端子230之间。第三串输入开关s14连接在负电气总线40和第三串负输入端子330之间。

每个能量存储串的第一输出开关连接在正电气总线50和相应的能量存储串的串内正端子之间。因此，第一串第一输出开关s1连接在正电气总线50和第一串串内正端子140之间。第二串第一输出开关s3连接在正电气总线50和第二串串内正端子240之间。第三串第一输出开关s5连接在正电气总线50和第三串串内正端子340之间。

每个能量存储串的第二输出开关连接在正电气总线50和相应的能量存储串的正输出端子之间。因此，第一串第二输出开关s2连接在正电气总线50和第一串正输出端子120之间。第二串第二输出开关s4连接在正电气总线50和第二串正输出端子220之间。第三串第二输出开关s15连接在正电气总线50和第三串正输出端子320之间。

每个能量存储串的串联开关连接在相同能量存储串的串内负端子和串内正端子之间。因此，第一串串联开关s6连接在第一串串内负端子150和第一串串内正端子140之间。第二串串联开关s8连接在第二串串内负端子250和第二串串内正端子240之间。第三串串联开关s10连接在第三串串内负端子350和第三串串内正端子340之间。

该系统对于除了第一能量存储串101以外存在的每个能量存储串还包括一个多串串联开关(图3-5中的s7和s9)。换言之，存在的多串串联开关的数量等于n-1，其中n是系统中的能量存储串的总数量。因此，具有共三个能量存储串的可重新配置的能量存储系统包括两个多串串联开关。多串串联开关连接在第一电池串的正输出端子和第二电池串的串内负端子之间。因此，如图3-5中所示，第一多串串联开关s7连接在第一串正输出端子120和第二串串内负端子250之间。第二多串串联开关s9连接在第二串正输出端子220和第三串串内负端子350之间。

该系统还包括连接在负电气总线40和第一串串内负端子150之间的初始输入开关(在图3-5中示为s12)。

图3-5中所示的示例性系统中的开关在被设置为不同的“接通”或“关断”位置时允许系统重新配置其有效电气架构。开关s1、s2、s3、s4、s5和s15都是输出开关，当其处于“接通”位置时，这些开关各自将串的正端子连接到正电气总线。开关s6、s7、s8、s9和s10都是串联开关，当其处于“接通”位置时，这些开关各自将一个串的负端子连接到另一个串的正端子。开关s11、s12、s13和s14都是输入开关，当其处于“接通”位置时，这些开关各自将串的负端子连接到负电气总线。这种开关组合允许所说明的系统在“正常”模式和“提升”模式二者下操作，这些模式的配置分别在图4和图5中示出。

当在图4中所示的“正常”模式下操作时，如图4所示，系统将a个能量块配置为c+1个并联的串，其中每个串包含串联的f个能量块。通过闭合开关s1、s3、s5、s7、s9、s11、s12、s13、s14和s15，同时允许开关s2、s4、s6、s8和s10保持断开，来实现这种配置(图4)。当在图5中所示的“提升”模式下操作时，系统将a个能量块配置为c个并联的串，其中每个串包含串联的f+d个能量块。通过闭合开关s2、s4、s6、s8、s10、s11、s13、s14和s15，同时允许开关s1、s3、s5、s7、s9和s12保持断开，来实现这种配置。开关的断开和闭合可以由控制单元60执行，控制单元60接收关于能量、功率和/或电压要求的输出标准，并且根据输出标准控制开关输出功率。因此，可重新配置的能量存储系统可操作以依赖于期望的输出在串联配置和并联配置之间重新配置能量存储单元的布置。该重新配置被称为串级动态重新配置，因为它是通过在串级的开关的操作而发生的，并且可以在系统输出功率时被执行。

系统还包含c+1个预充电电路，其在图3、4和5中被识别为开关s16、s17、s18和s19。这些开关仅在切换事件期间闭合，其中串通过电阻器r1、r2、r3、r4暂时电气连接到负总线40，以防止电涌、电弧或电气重新配置的其它效应(artifact)。应当理解，预充电电路对于可重新配置的能量存储系统100的操作不是必需的，而是为了安全性和设备完整性而充当可重新配置的能量存储系统100的增强。此外，系统可以包括一根或多根熔丝80，诸如连接在输出开关s1、s2、s3、s4、s5、s15和串内正端子140、240、340之间。熔丝80对于可重新配置的能量存储系统100的操作也不是必需的，但对于可重新配置的能量存储系统100的各种应用是有用的。

由本文描述的架构启用的串级动态重新配置允许有益于大型能量存储应用的一系列实施例和操作模式。这些益处之一是动态串级隔离，其允许选择的能量存储串与较大的能量存储系统电气脱离，而其它能量存储串继续循环。可重新配置的能量存储系统中的各种开关也可以被用于在系统输出功率的同时隔离能量存储串或能量存储单元的块。这种能力在包含数百或数千个能量存储单元的大型系统中高度实用，因为每个能量存储单元以不可忽略的故障率为特征。因此，即使使用高质量部件，包括大量能量存储单元的系统也很可能经历周期性的单元故障。如果被允许通过持续的循环传播，则这种电池故障可以迫使能量存储系统的高达100％离线，从而既导致系统停机又导致高的维护成本。动态串级故障隔离通过允许继续使用所有未受影响的串来减少停机时间，并可以通过防止故障在整个系统中传播而降低维护成本。

动态串级隔离提供了优于常规被动隔离系统的关键优点，常规被动隔离系统通常依赖于当电流超过熔丝设计额定值时使一个或多个串从系统断开的熔丝。主动隔离串的能力允许可重新配置的能量存储系统根据所有可用的系统状态信息作用，而不仅仅是根据通过系统的特定部分的电流作用。例如，除了在电流超过系统设计额定值时隔离故障，当一个或多个单元开始显示异常电压或温度特点时，配备有兼容监测系统的可重新配置的能量存储系统也可以执行隔离。如图3-5中所示，隔离的高电压测量单元70可以结合到系统中并且被配置为提供来自系统中每个能量存储串的电压的输出。在这种实施例中，隔离的高电压测量单元70连接到具有适当的电阻器r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12的电路，从而测量给定能量存储串的正端子和同一能量存储串的负端子之间的电位。隔离的高电压测量单元70还可以通过适当的电阻器r13、r14连接到负电气总线40和正电气总线50。这种系统还可以被用于隔离由不超过系统的设计额定值的异常电流特征所指示的故障，诸如当能量存储串在其最大容量以下循环时可能发生的故障。

串级隔离功能还可以被用作在线能量存储系统内的诊断和治疗工具的一部分。具体地，对于标记有潜在维护问题的、与系统中的其它串不平衡的或者为了进行远程性能验证而被简单地调度的能量存储串，可以通过在其余串执行有用的充电或放电循环时使该串在线或离线而使其部分地循环。当与适当的监测或测量能力耦合时，这种部分循环可以提供用于诊断系统内的故障的信息，提供允许验证部件性能在设计规格内的信息，或者甚至提供到调节单元(conditioncell)使得它们可以与系统的其余部分平衡的信息，这些全都无需使系统离线。

本文描述的框架还可以在允许对串和系统输出电压的改进控制的实施例中实现。特别地，电池单元通常以在单元放电期间单调降低并且在电池充电期间单调增加的循环曲线为特征。单元的(因此，以及串的)充电顶部(toc)电压和充电结束(eoc)电压之间的电压摆幅(swing)可以高达70％。这种大的电压范围可能与部署在直流配置中的系统的最终用途应用不兼容，并且也可能与部署在交流应用中的系统的功率调节系统输入电压范围不兼容。以动态串级重新配置功能为特征的系统可以能够极小化能量存储系统的输出电压范围，而无需改变电池化学成分，也不需要升压器或转换器。

图6绘出了图3中所示的示例性可重新配置的能量存储系统100的放电曲线。这个系统利用布置在串中的以590伏的toc电压和360伏的eoc电压为特征的镍-钴-铝锂离子电池。在系统被配置为处于“正常”模式时，图6中所示的放电事件开始，其中在“正常”模式下系统具有四个并联的串，每个串有六个能量块。当系统放电时，串电压(因此，以及系统电压)下降。当电压达到432伏的预定截止点时，开关被接合以将系统重新配置为其“提升”模式，其中在“提升”模式下系统具有三个并联的串，每个串有八个能量块。对应的串电压(因此，以及系统电压)成比例地上升。随着系统继续放电，电压继续下降，但仍高于“未提升”系统的电压(以红色示出)。

在另一个实施例中，可重新配置的能量存储系统100可以在同一系统内配置有多种电池化学成分。图7示出了以一串锂离子(li离子)电池单元510、一串镍金属氢化物(nimh)电池单元520和一串铅酸(pba)电池单元530为特征的可重新配置的能量存储系统100的实施例。主控制器550连接到多个串以控制系统100，并且信号采集模块(sam)540连接到电池单元的每个串，以监测来自各个开关和来自主控制器550的输入。

传统地，由于具有不同化学成分的电池的充电和放电曲线的差异，多种电池化学成分很少组合到单个直流系统中。即使串被设计为确保公共的toc电压，但是以不同化学成分为特征的电池也不可能共享公共的eoc电压。图8示出了图7中所示的示例性系统中的这些串中的每一个的eoc电压。虽然这个非限制性示例中的每个串都被设计为具有大约43伏的toc电压，但是在27至36伏的电压范围内，串达到eoc。在没有动态串级重新配置的能量存储系统中，这些eoc电压差将禁止具有较低eoc电压的串的有效使用，因为，一旦第一串达到eoc，整个系统将会需要停止其放电循环，从而确保安全操作。但是，当相同的系统配备有动态串级重新配置功能时，到达eoc的串可以被选择性地隔离，而同时其余串继续放电。这允许每个能量存储串循环到其设计规格，而不受系统内其它电池化学成分的eoc电压的限制。

在其它实施例中，可以通过使串具有相同化学成分的不同类型(flavor)(例如，具有略微不同的化学成分、形状因子或制造公差的锂离子电池)的特征来将多种电池化学成分结合到系统中。有效的eoc电压也随着电池老化而变化，这使得这种配置同样适用于旧的单元和新的单元的串，诸如可能在成熟的固定能量存储系统中或以第二生命(second-life)电池单元为特征的能量存储系统中找到的。系统还可以布置在各段中具有不同的化学成分或批次的单元，其允许一种或多种单元技术的重新配置。

可重新配置的能量存储系统是高度灵活的，并且可以应用到许多(如果不是大多数的话)直流能量部件。可重新配置的能量存储系统的其它实施例包括以燃料电池、发光二极管或者能量生成或转换部件(诸如太阳能光伏电池或热电电池)为特征的系统。这种技术受益于与以电池单元为特征的系统的相同的隔离和重新配置能力。

为了说明和描述的目的，提供了对实施例的前述描述。该描述既不意图为排他的，也不意图限制本发明。特定实施例的单独的元件或特征一般不限于该特定实施例，而是在适用的地方可互换并且可以在所选择的实施例中使用，即使该实施例没有具体示出或描述。这也可以以许多方式改变。这些改变不应当被认为是偏离本发明，并且所有这样的修改都意在被包括在本发明的范围内。

提供了示例性实施例，使得本公开将是彻底的并且将范围完全传达给本领域技术人员。对各种具体细节进行了阐述(诸如具体部件、设备和方法的示例)，以提供对本公开的实施例的完全理解。对于本领域技术人员来说，不一定要实施具体细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，并且这些都不应当被认为是限制本公开的范围，这是显然的。在一些示例性实施例中，没有详细描述众所周知的过程、众所周知的设备结构和众所周知的技术，但是这些对于本领域技术人员来说将是众所周知的。

本文所使用的术语仅仅是为了描述特定的示例实施例，而不是限制性的。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以意在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包容性的，因此指定所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组合的存在或添加。本文描述的方法步骤、过程和操作不应当被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定次序执行，除非被具体地识别为执行次序。还应当理解，可以实施附加的或替代的步骤。