[发明专利]智能电池单元以及控制方法和系统

说明书

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。

技术领域

本发明涉及智能电池单元(cell)以及用于这些电池单元的控制方法和系统。

背景技术

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。