管理电池健康状态差异的成比例主动充电状态平衡方法技术领域
本发明总体上涉及电池组之间的充电状态(SOC)平衡，更具体地涉及一种用于具有不同健康状态的电池组之间的功率管理的系统和方法，所述系统和方法使用切换变压器来提供成比例的主动SOC平衡。
背景技术
电动车辆和发动机/电动混合动力车辆在今天的汽车市场上快速地受到欢迎。电动和混合动力车辆提供多个期望的特性，例如降低排放、减少石油基燃料的使用以及潜在更低的运转成本。电动和混合动力车辆的核心部件是电池组。这些车辆中的电池组通常包括可根据需要传送大量功率以驱动车辆的多个互连的电池单元。
在电动或混合动力车辆中使用几年之后，由于导致车辆的行驶里程减少的单个电池单元的健康状态的劣化和改变，电池组经常需要更换。然而，即便具有或多或少降低的健康状态，电动车辆的电池组仍能存储可观数量的能量，并且可用于除为车辆提供动力之外的其他应用。已经提出对这些电池组的各种不同车辆后寿命使用，包括在社区能量存储(CES)系统中使用所述电池组。
CES系统为小的社区-例如居民小区或者商场或工业中心存储能量。CES系统通常用于增加来自实体电网的可用功率，并且在它们存储来自诸如太阳或风的能源的本地生成的能量的能力方面极其有用。来自电动车辆的车辆后寿命电池组可用于CES系统，但是它们的效率可能由于电池组的单个电池单元或部分的健康状态的差别而降低。需要管理电池健康状态的差别的方法，所述方法不仅从具有较高充电状态的电池排出功率并且能够使用电池组中的最大可用能量。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于具有不同健康状态的电池之间的功率管理的方法和系统。两个或更多个电池组以矩形波脉冲被开启和关闭从而为多绕组变压器通电，而所述变压器的输出用于为负载提供功率。由于电池组的充电状态以不同比率降低，每个电池组的切换脉冲的占空比被设置成相对于其他电池组与其充电状态成比例。由此，具有最大充电状态的电池组具有最长的工作循环并且提供最多的能量至变压器，但所有电池组都贡献能量。总的基础占空比基于负载处的电压测量值通过比例积分控制模块计算。能量贡献被管理使得充电状态甚至在所述电池组具有广泛不同的健康状态时也不会有差异。
方案1. 一种用于从两个或更多个电池组传送电功率至负载的功率管理系统，所述功率管理系统包括：
用于测量所述两个或更多个电池组中的每个的充电状态的传感器；
用于所述两个或更多个电池组中的每个的开关，其中所述开关中的每个都从所述电池组中的一个提供切换功率信号；
响应于来自所述两个或更多个电池组的切换功率信号的变压器，所述变压器将所述切换功率信号转换成输出电压和输出电流从而为所述负载提供功率；以及
控制器，所述控制器响应于来自所述传感器的充电状态信号并且配置成控制来自所述两个或更多个电池组的切换功率信号，使得所述负载处的输出电压保持为指定的目标值并且所述两个或更多个电池组中的每个的充电状态保持平衡。
方案2. 如方案1所述的系统，其中所述两个或更多个电池组具有不同的健康状态、不同的存储容量或不同的化学性质。
方案3. 如方案1所述的系统，其中所述开关是绝缘栅双极晶体管。
方案4. 如方案1所述的系统，其中所述切换功率信号是矩形波脉冲，其中所述脉冲的工作时间段和不工作时间段由所述控制器计算。
方案5. 如方案1所述的系统，其中所述变压器是多绕组变压器。
方案6. 如方案1所述的系统，其中所述控制器计算所有切换功率信号的基础占空比，其中所述基础占空比是工作时间与总循环时间的比率。
方案7. 如方案6所述的系统，其中所述基础占空比通过将所述负载处的输出电压与所述指定的目标值相比较来计算。
方案8. 如方案7所述的系统，其中所述控制器使用比例积分算法来计算所述基础占空比。
方案9. 如方案6所述的系统，其中所述控制器将所述切换功率信号中的每个的占空比计算为所述基础占空比乘以所述电池组中的每个的充电状态与所有电池组的最高充电状态的比率。
方案10. 如方案1所述的系统，其中所述控制器包括比例积分占空比控制模块、用于所述两个或更多个电池组中的每个的倍增器模块以及用于所述两个或更多个电池组中的每个的脉冲发生器模块。
方案11. 一种用于从具有不同健康状态、不同存储容量或不同化学性质的两个或更多个电池组传送电功率至负载的功率管理系统，所述功率管理系统包括：
用于测量所述两个或更多个电池组中的每个的充电状态的传感器；
用于所述两个或更多个电池组中的每个的开关，其中所述开关中的每个从所述电池组中的一个提供矩形波脉冲切换信号；
响应于来自所述两个或更多个电池组的矩形波脉冲切换信号的多绕组变压器，所述变压器将所述切换信号转换成输出电压和输出电流从而为负载提供功率；
将来自所述变压器的输出电压和输出电流转换成直流电的整流电路；以及
控制器，所述控制器响应于来自所述传感器的充电状态信号并且配置成控制来自所述两个或更多个电池组的矩形波脉冲切换信号，使得所述负载处的输出电压保持为指定的目标值并且所述两个或更多个电池组中的每个的充电状态保持平衡。
方案12. 如方案11所述的系统，其中所述开关是绝缘栅双极晶体管。
方案13. 如方案11所述的系统，其中所述控制器将所述矩形波脉冲切换信号中的每个的占空比计算为基础占空比乘以所述电池组中的每个的充电状态与所有电池组的最高充电状态的比率，其中通过将所述负载处的输出电压与所述指定的目标值进行比较来计算所述基础占空比。
方案14. 如方案11所述的系统，其中所述控制器包括比例积分占空比控制模块、用于所述两个或更多个电池组中的每个的倍增器模块以及用于所述两个或更多个电池组中的每个的脉冲发生器模块。
方案15. 一种用于为两个或更多个电池组提供充电状态平衡和功率分配的方法，所述方法包括：
提供所述两个或更多个电池组中的每个的充电状态测量值；
基于所述充电状态测量值计算所述两个或更多个电池组中的每个的占空比，其中所述占空比标识工作时间段和非工作时间段；
根据所述占空比开启或关闭所述电池组中的每个从而产生来自所述电池组中的每个的切换功率信号；
将来自所述电池组中的每个的切换功率信号提供给变压器的主绕组；以及
使用由所述变压器的次级绕组产生的电压和电流为负载提供功率。
方案16. 如方案15所述的方法，其中所述两个或更多个电池组具有不同的健康状态、不同的存储容量或不同的化学性质。
方案17. 如方案15所述的方法，其中计算所述两个或更多个电池组中的每个的占空比包括计算电池组的当前充电状态与所有充电状态测量值的最高值的比率，以及将所述比率乘以基础占空比。
方案18. 如方案17所述的方法，其中所述基础占空比基于将跨越所述负载的电压与目标电压相比较来计算。
方案19. 如方案18所述的方法，其中所述基础占空比使用比例积分控制器以跨越所述负载的电压与所述目标电压作为输入来计算。
方案20. 如方案15所述的方法，其中来自所述电池组中的每个的切换功率信号是矩形波信号。
通过结合附图来参阅下面的描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出了当不同健康状态的电池组常规性地用于提供功率时充电状态如何产生差异的图表。
图2是使用成比例主动充电状态平衡来调节从具有不同健康状态的电池组的功率传送的功率管理系统的示意图。
图3是包括其输入和输出的图2的功率管理系统中使用的控制器的示意图。
图4是示出了当不同健康状态的电池组用于图2的功率管理系统中时充电状态如何没有差异的图表。
图5是用于具有不同健康状态的电池组之间的成比例主动充电状态平衡的方法的流程图。
具体实施方式
下面对涉及用于管理电池健康状态的差异的成比例主动充电状态平衡的、本发明的实施方式的论述本质上仅是示例性的，决非用于限制本发明或其应用或用途。
电动车辆和发动机／电动混合动力车辆(下文中仅描述为电动车辆) 越来越多地被应用并且随着各种实现技术的改进而变得切实可行。所有这些车辆的一个共有因素是需要用于能量存储的高容量电池组。所有当前公知的电池技术随着时间的推移都会出现性能劣化。具体地，电池的健康状态随着时间的推移而下降，其中所述健康状态可定义为电池存储能量的能力。例如，如果电池单元在新生产时能够存储10千瓦时(kWh)的能量，在车辆中使用几年之后，同一电池可能仅能够存储6kWh的能量。在该状态下，电池单元将被认为具有60%的健康状态。类似地，包括许多单个电池单元的电池组可被认为具有降低的总健康状态。
此外，电池组中的单个电池单元的健康状态变劣比率各不相同。由此，在使用几年之后，电池组中的单个电池单元可具有从60%至80%－或者甚至更宽范围的健康状态。在这种情况中，通常会更换电动车辆中的电池组，以便所述车辆的行驶里程可以保持在可接受的水平。车辆后寿命的电池组可能不再适于用在电动车辆中，但是仍具有相当大的能量存储容量。为了有效地使用这些电池组，能够对包含具有预计健康状态范围的多个电池组的电池系统中的能量流进行管理将是有益的。
图1是示出了当不同健康状态的电池组常规性地用于提供功率时充电状态如何产生差异的图表10。在图表10上，横轴12代表时间，而竖轴14代表充电状态。曲线22、32和42示出了连接在一起的三个不同电池组的充电状态，所述三个不同电池组例如处于简单并联，以为装置提供功率。在该示例中，认为第一电池组-由曲线22代表的-健康状态为80%，第二电池组-由曲线32代表的-健康状态为70%，而第三电池组-由曲线42代表的-健康状态为60%。如图表10的左上部所示，所述三个电池组中的每个都可被充电到等于或接近100%的充电状态。然而，因为这些电池组具有不同健康状态，所以如果每个电池组都贡献相同量的功率到装置，它们的充电状态将以不同的比率下降。
可以在图表10上看出，曲线22、32、42随着时间的推移而出现差异，因为第一电池组保持比第二电池组更高的充电状态，所述第二电池组又保持比第三电池组更高的充电状态。这种情况可导致若干问题，包括电池组之间的电压不同以及需要在其他电池之前给一个电池充电。
解决电池组的不同健康状态或充电状态的某些方法在本领域中是公知的。一个这种方法是简单的电阻平衡，其中处于较高充电状态的电池组部分通过电阻器放电并且直至所有部分接近相同充电状态之前一直耗费能量。另一个方法称为充电转移，其中能量从较高充电状态部分传送到较低充电状态部分。并且在又一个方法中，仅最高充电状态部分能够提供能量，直至它们的充电状态下降到其他部分的充电状态值。然而，所有这些方法都有缺陷-包括当充电状态失去平衡时浪费能量和／或不能提供最大功率和／或总的可用能量。
图2是使用成比例主动充电状态平衡来调节从具有不同健康状态的电池组的功率传送的功率管理系统50的示意图。所述功率管理系统50包括电池组60、70和80。应当指出的是，系统50可包括多于或少于三个的电池组。此外，术语“电池组”在此作为总称使用；电池组60、70和80中的每个都可代表电动车辆电池组的一部分或者甚至代表单个多单元电池。如将要详细描述的，系统50可管理从不同健康状态的电池组的功率传送。为了举例说明的目的，认为电池组60的健康状态为80%、电池组70的健康状态为70%，而电池组80的健康状态为60%。
系统50包括用于调节来自电池组60、70和80的功率的控制器90。下面将详细描述控制器90的操作。测量电池组60的充电状态并且通过线62提供到控制器90。同样，电池组70和80的充电状态分别通过线72和82提供到控制器90。用于通过电压测量或其他方式测量充电状态的技术在本领域中是公知的并且在此无需讨论。
系统50使用多绕组变压器92将来自电池组60、70和80的功率转换成处于一致电压的可用功率。矩形波信号被用于调节从每个电池组到变压器92的功率，其中来自每个电池组的矩形波的占空比都由控制器90控制以便保持一致的输出电压并且由每个电池组提供的功率相对于其他电池组与其充电状态成比例。
控制器90通过线64提供矩形波信号到开启或关闭来自电池组60的正接线的开关66。类似地，控制器90通过线74提供矩形波信号到切换来自电池组70的正接线的开关76，并且通过线84提供矩形波信号到切换来自电池组80的正接线的开关86。在一个实施方式中，开关66、76和86是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其以高效率以及中等高度的切换能力而著名。在这种设计中，矩形波信号从控制器90通过线64提供到开关66的栅极端子，正接线从电池组60连接至开关66的集电端子，并且开关66的输出在发射端子处通过用于防止电流从变压器92倒流的二极管68连接至变压器92的一个端子。也可使用除IGBT之外的其他类型的开关-例如MOSFET开关。
由此，按照图2中从顶部到底部的顺序，到变压器92的左侧或主侧的输入包括从电池组60通过开关66和二极管68的切换正接线、来自电池组60的负接线、从电池组70通过开关76和二极管78的切换正接线、来自电池组70的负接线、从电池组80通过开关86和二极管88的切换正接线以及来自电池组80的负接线。
在变压器92的右侧，来自次级绕组的正输出穿过整流二极管94，而整流滤波电容器96设置成与负载98并联。负载98可以是需要功率源的一个或多个任何类型的装置。电流表100测量通过负载98的电流，而电压表102测量跨越负载98的电压。来自电流表100和电压表102的数据作为反馈通过线104被提供给控制器90。
在一个示例中，电池组60、70和80中的每个都可具有在100-150伏直流电压范围内的标称电压，而负载98处的变压器输出电压可为大约600伏直流电压。可基于电池组60、70和80的数量和电压以及负载98处的目标电压来确定变压器92的设计。
图3是包括其输入和输出的控制器90的示意图。从方框110提供目标负载电压-例如600伏至求和点112。如上所述，线104提供电压和电流反馈至控制器90。跨越负载98的电压通过线104提供到求和点112，在所述求和点112处从所述目标负载电压中减去所述跨越负载98的电压。差值或电压误差被提供到占空比控制模块114。占空比控制模块114使用适当的控制算法-例如比例积分(PI)或比例积分微分(PID)算法来计算开关66、76和86处的矩形波脉冲的基础占空比。这些算法在本领域中是公知的，并且基于电流误差(成比例的)、以前误差的累加(积分)以及基于变化率的未来误差的预测(微分)来提供控制信号。
占空比控制模块114通过线116提供基础占空比至三个倍增器模块118、120和122中的每个。倍增器模块118、120和122中的每个都接收电池组60、70和80中的一个的当前充电状态信息，计算其电池组的充电状态与具有最高充电状态的电池组的充电状态的比率，并且将所述比率与所述基础占空比相乘。
例如，考虑下述情形，其中基础占空比为75%、电池组60的当前充电状态为86%、电池组70的当前充电状态为83%并且电池组80的当前充电状态为80%。倍增器模块118将通过线62接收电池组60的充电状态测量值（86％），将所述充电状态测量值除以最高充电状态测量值(也是86%)，并且乘以基础占空比。由此，倍增器模块118将计算电池组60通过开关66的占空比，即(0.86／0.86)*(0.75)=0.75，或工作时间75%。
类似地，倍增器模块120将通过线72接收电池组70的充电状态测量值(83%)，将所述充电状态测量值除以最高充电状态测量值(86%)，并且乘以基础占空比。由此，倍增器模块120将计算电池组70通过开关76的占空比，即(0.83／0.86)*(0.75)=0.724，或工作时间大约72%。最后，倍增器模块122将通过线82接收电池组80的充电状态测量值(80%)，将所述充电状态测量值除以最高充电状态测量值(86%)，并且乘以基础占空比。由此，倍增器模块122将计算电池组80通过开关86的占空比，即(0.80／0.86)*(0.75)=0.698，或工作时间大约70%。
倍增器模块118、120和122分别提供它们的占空比信息到生成适当的矩形波脉冲信号的脉冲发生器124、126和128。脉冲发生器124通过线64提供其信号至开关66，同时脉冲发生器126通过线74提供其信号至开关76，并且脉冲发生器128通过线84提供其信号至开关86。矩形波信号迹线就在图3中的线64、74和84上方被描绘(其差别被夸大)。如上所述，矩形波脉冲的占空比由负载98的需求以及相关电池组的充电状态来确定。矩形波脉冲的频率以及瞬态功率负载可被确定以使包括变压器92和开关66、76和86的性能的总的功率管理系统50的性能最佳。在典型实施型式中，矩形波脉冲频率将在从几百赫兹(Hz或每秒循环)一直到1-2万Hz的范围内。
随着功率管理系统50的操作，如果负载98处的电压下降，则占空比控制模块114将增大基础占空比使得开关66、76和86中的每个都经历稍微更长一些的工作时间，由此增加来自变压器92的输出电压。与此同时，倍增器模块118、120和122继续与其切换的电池组的充电状态成比例地调节每个开关的实际工作时间。以此方式，控制器90满足了两个目的-保持一致的输出电压并且平衡了来自不同健康状态的电池组的功率消耗。
图4是示出了当不同健康状态的电池组用于功率管理系统50时充电状态如何没有差异的图表140。还在图表140上，横轴142代表时间，而竖轴144代表充电状态。曲线160、170和180分别示出了图2所示的三个电池组60、70和80的充电状态。延续上述示例的情形，认为电池组60为80%的健康状态、电池组70为70%的健康状态并且电池组80为60%的健康状态。如在图表140的左上部所示的，电池组60、70和80中的每个都可充电至等于或接近100%的充电状态。
如前面可在图表10上观察到的，三个电池组60、70和80的充电状态最初开始随着它们放电而分隔开。然而，在该情形中，随着充电状态差异的增加，控制器90调节切换信号使得从电池组60传送的功率比从电池组70多，同时电池组80提供最少的功率。如从图表140上可以看到的，因为控制器90基于每个电池组的相对充电状态持续调节功率，曲线160、170和180随后随着时间的推移而会聚。
图5是用于具有不同健康状态的电池组之间的成比例主动充电状态平衡的方法的流程图200。在方框202处，测量了系统中的两个或更多个电池组的充电状态。在方框204处，计算了系统中的每个电池组的占空比，其中所述占空比是电池组的充电状态、系统中的任一电池组的最高充电状态以及系统上的负载的功率需求的函数。在方框206处，每个电池组的正接线基于如在方框204处计算的电池组的占空比以矩形波信号被开启和关闭。在方框208处，每个电池组的被切换的正接线和负接线都作为能量输入被提供给多绕组变压器。在方框210处，来自多绕组变压器的输出被用于为系统上的负载供给功率。
上述的成比例主动充电状态平衡方法和系统可与不同化学性质（例如，镍金属氢化物或锂离子）的电池组或不同能量存储容量的电池组一起使用。所公开的方法和系统还可针对不同电池组电压和目标负载电压而调整，因为能够设计电池组及变压器绕组的数量来适应这些变量。
上述的成比例主动充电状态平衡方法还可在电池组充电期间使用。在社区能量存储应用中，电池组充电可使用太阳能或风能完成，或者充电可在成本较低时的非峰值期间使用来自电网的能量完成。在任何情形中，基于单个电池组的当前充电状态的主动平衡充电和放电使不同健康状态、不同容量和／或不同化学性质的电池组能够在能量存储系统中一起使用。
使用上面公开的技术，能量可在具有广泛不同的健康状态的电池组之间被有效管理，其中所有电池组都在整个放电期间贡献能量。这些电池组可因此在CES系统或其他能量存储应用中有效地使用。此外，对于电动车辆电池组的有价值的车辆后寿命使用的情形，在所述电池组不再适于电动车使用之后，电动车辆制造商可从它们取得更大的剩余价值。
前面的论述仅仅是对本发明的示例性实施方式的公开和描述。通过这些论述以及附图和权利要求书，本领域技术人员将会容易地认识到，在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、改型和变型。