CN107408834B

CN107408834B - 用于向并联连接的多个电池分配功率请求的方法和系统

Info

Publication number: CN107408834B
Application number: CN201680012904.3A
Authority: CN
Inventors: Y·沙扎尔; P·图桑; D-H·蒂恩; M·乌姆劳斯基
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Amperex Co ltd
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2018507676A; EP3266093B1; FR3033452A1; WO2016139412A1; EP3266093A1; CN107408834A; FR3033452B1; JP6902472B2; US11128162B2; US20180041067A1

Abstract

本发明涉及一种用于向电能储存系统中并联连接的多个电池(M₁...M_N)分配功率请求P_REQ的方法和系统。根据本发明，所述分配系统包括全局控制系统(6)，所述全局控制系统可以从所述多个电池(M₁...M_N)确定电池组合，所述电池组合被优化成使用最大可能数量的电池来对所述功率请求进行响应；并为所述经优化组合中的电池中的每一个电池分配功率水平。

Description

用于向并联连接的多个电池分配功率请求的方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及使用并联连接的多个电池的能量储存和传递系统，并且更确切地涉及用于向这种能量储存和传递系统中所包括的多个电池分配功率请求的方法和系统。

背景技术

电能储存要求正在全世界扩张。所开发的系统必须满足源自更全面的外部能量管理系统的需求，以便间歇地储存与例如具体定价机会或与可再生源产量的未预见盈余相对应的一定量的能量，或以便通过间歇性地传递储存的能量来为电网提供帮助，以例如使消耗点平滑，或补偿可再生能源的期望产量的不足。

这些要求被表达为(视具体情况)给定持续时间内储存系统所需的吸收功率或传递功率P_REQ的形式、以及因此相关联的能量的量的形式。

本质上，这些要求不一定是有序的(储存和释放阶段交替)并且可能超过储存系统的必要限制的容量。因而，例如，当储存系统的电池均完全充电时，可吸收的功率、以及更不用说系统可吸收的能量为零。因此，所述系统不再可用于额外的吸收功率请求。

一些已知架构包括直接并联连接至同一条电气总线的电池。这些架构的缺陷在于以下事实：只有总功率能够被控制并根据电池内部阻抗来在电池之间分配。在这种情况下，系统中最老化的电池将首先引起可使用的功率受限，并因此防止利用其他电池的完整能力。

其他优选架构包括并联连接但能够被单独地处理的多个电池。

文献US 2012/0249048描述了例如这种类型的架构，其中，为满足功率请求可以选择一个或多个电池运行。此文献中所描述的系统的主要缺陷是它致力于满足所述请求，而不考虑维持系统的总体可用性。

发明内容

本发明的目的是尤其减轻上述缺点。

为了实现这一点，本发明的一个主题是一种用于向并联连接的多个电池分配功率请求P_REQ的方法，所述方法包括：

-从所述多个电池确定电池组合的步骤，所述电池组合被优化成通过使用最大可能数量的电池来满足所述功率请求；

-为所述经优化组合中的所述电池中的每一个电池分配功率水平的步骤。

根据某些可能的附加特征：

-所述确定经优化电池组合的步骤基于与每个电池i相关联的、运行所要求的最小功率P_min(i)来确定所述组合；

-所述确定经优化电池组合的步骤确定的所述组合包括满足以下关系式的最大数量的电池i：

P_REQ>ΣP_min(i)

其中，P_min(i)是与所述组合中的各电池i相关联的最小功率。

-所述确定经优化电池组合的步骤有利地包括基于包括所有电池i的原始组合，从所述组合相继地移除一个电池，直到满足以下关系式：

P_REQ>ΣP_min(i)

-所述电池有利地被按其相关联的最小运行功率的降序相继移除；

-所述确定经优化电池组合的步骤可以包括优先化预备子步骤，其中，规定了所述多个电池中称为优先权电池的一个或多个电池形成所述经优化组合的一部分；

-针对每个优先权电池i可以规定以下关系式：

P_min(i)＝P_max(i)

其中，P_max(i)是电池i的最大可能功率。

-所述为所述经优化组合中的电池中的每一个电池分配功率水平的步骤可以包括根据以下关系式为所述组合中的每个电池i确定功率P(i)：

P(i)＝P_min(i)+(M(i)/ΣM(i))*(P_REQ-ΣP_min(i))

其中，M(i)是所述电池i的运行裕量。

-所述方法优选地包括预备步骤，在其过程中，将所述功率请求P_REQ与所述电池运行所要求的最小功率加以比较。所述预备步骤可以包括确定是否满足以下关系式：

P_REQ>Min(P_min(i))

其中，P_min(i)是每个电池i运行所要求的最小功率。

本发明的另一主题是一种用于向电能储存系统中并联连接的多个电池分配功率请求P_REQ的系统，包括总体控制系统，所述总体控制系统能够：

-从所述多个电池确定电池组合，所述电池组合被优化成通过使用最大可能数量的电池来满足所述功率请求；

-为所述经优化组合中的电池中的每一个电池分配功率水平。

附图说明

结合参照附图给出的以下描述，将更好地理解本发明及其提供的优点，在附图中：

-图1示意性地展示了根据本发明的用于向并联连接的多个电池分配功率请求的架构的示例；

-图2示出了可以根据本发明实施的步骤序列的示例。

具体实施方式

参照图1，所考虑的是一种电能储存和传递系统，其在同一条线(例如，电气总线1)上包括并联连接的N个模块M₁至M_N，所述同一条线本身连接至低压电网2。模块的数量N理论上不受限制，并且在实践中在2与12之间变化。每个模块M_i包括电池3_i和相关联的可控功率电子器件，所述相关联的可控功率电子器件主要形成为：

-一方面，使得可以使电池3_i放电并因此传递一定量的能量的逆变器4_i，并且

-另一方面，使得可以用来自输电网2的电力来对电池3_i充电并因此储存一定量的能量的充电器5_i。

为了不不必要地使图1负担过重，在本图中，只有储存和传递模块M₁和M_N的必要元件具有参考号。

所述架构还包括总体控制系统6，所述总体控制系统使得可以：

-独立地处理每个模块M_i，从而使得产生与所考虑的电池的当前限制相兼容的选择的功率，

-协调对每个模块M_i要求的功率，以便满足储存系统所接收到的总体请求。

在所示的示例中，总体控制系统6必要地包括：控制模块60和接口模块61，所述接口模块用于优选地通过CAN或ModBus类型的串行数据链路7和8将系统6一方面连接至每个电池3_i并且另一方面连接至每个逆变器4_i和充电器5_i。为了简化，在此再次地仅示出了接口模块61与能量储存和传递模块M₁之前的连接。

图中存在的许多开关展示了以下事实：能够将各电池独立地处理成存储源自输电网2的电能或处理成将之前储存的能量传递至此输电网2，所有这些都在总体控制系统6的控制下。

在内部地由多个可独立处理的电池(即，不与同一电气总线连接)形成的储存系统的情况下，可用能量的量本身同样受限制。

然而，本发明所基于的事实是可以尽可能地防止这些电池中的一些电池过早地达到极端运行状态(例如满或空)，在所述极端运行状态下，它们将变得不可用。确切地，其不可用性不仅引起了可用的能量受限，而且还引起了能够被动用的功率受限。因此，重要的是以便于尽可能为储存系统保留可使用的功率的方式来处理对每个电池的充电。

在本披露的剩余部分中，将对每个电池模块M_i使用以下注释：

-P_min(i)是模块运行所要求的最小功率。此最小功率对应于最小电流，低于所述最小电流，就不可能以足够准确度来测量电流从而进行正确调节。此最小功率是可以有利地存储在总体控制系统6的表格(未示出)中的制造商数据项；

-P_max(i)是模块运行可能的最大功率。此功率对应于每个模块M_i的功率电子器件可接受的最大功率与电池可接受的最大功率之间的最小值。此最大功率是可变的，具体取决于温度。电池3_i的、以及功率电子器件4_i、5_i的每个控制器(未示出)通过链路7、8发送其最大可接受的功率值。总体控制系统6因此能够了解值P_max(i)；

-SOC(i)是模块M_i中电池的电量状态。电池3_i的每个控制器(未示出)通过链路7发送电量状态的值；

-M(i)是模块M_i的裕量，并且对应于P_max(i)与P_min(i)之间的差；

-P(i)是总体控制系统6为了满足功率请求P_REQ而指派给各模块M_i的功率，无论这是能量储存请求还是能量传递请求。

总体控制系统6为了满足功率请求P_REQ而实施的用于在模块M_i之间分配功率P(i)的方法所有的目的是优化模块M_i的可用性，以便能够在任何时间点提供最完整的可能服务。此方法将分多个步骤(图2中示意性地了概括了所述多个步骤)执行，包括：

-可选可行性步骤S₀；

-步骤S₁，从所述多个模块M_i确定经优化模块组合从而使用最大可能数量的模块来满足请求；以及

-步骤S₂，在其过程中，前述经优化组合中的每个模块M_i被分配功率P(i)。

可行性步骤S₀使得可以保证接收到的请求P_REQ的确落在电能储存和传递系统的物理能力内。如上文所指示的，存在能够启动模块M_i的最小功率值P_min(i)。不只是对模块M_i的部件的物理约束，此值对应于为了在执行已接受的请求时保证可靠性而规定的最小值。确切地，过低的功率将不会有可能保证足够的准确度以符合所提出的服务的满意标准。

如果，对于组成系统的模块中的任一模块而言，所需的功率P_REQ不符合这个标准，请求就被视为不能够执行。

因此可以用以下形式描述可行性标准：请求中的所需功率P_REQ必须大于组成系统的模块之一运行所需的最小功率中的最小者。换言之，必须具有能够执行请求的至少一个模块M_i。这由以下关系式反映：

P_REQ>Min(P_min(i))

如果在步骤S₀的过程中，控制模块60确定并不满足前述关系式，则请求将被视为不能够执行并且将被拒绝。如果是相反的情况，所述方法以步骤61继续。

在此步骤过程中，总体控制系统6必须从所述多个模块M_i中找到将使得可以同时使用尽可能多的模块M_i来满足请求的最佳可能组合。为了实现这一点，可以有利地检查某一数量的标准：

根据第一标准，并且除了对系统所提供的可用性进行优化的主要目的之外，可以为某些模块M_i规定优先权。例如，这可以涉及给予希望测试其剩余容量的电池优先权，这种类型的测试要求所述电池被完全充电并且然后被完全放电，达到其功率的最大值。在一个具体完全非限制性情况下，将规定优先权模块针对每次执行将必须使用其最大功率。

换言之，优先权模块M_i将使得：

P_min(i)＝P_max(i)

在其他更一般的情况下，将为优先权模块M_i规定运行功率P_choi(i)，从而具有以下关系式：

P_min(i)＝P_max(i)＝P_choi(i)

在步骤S₁的子步骤中，有利地检查了称作“优先权”模块的模块可以的确用来执行接收到的请求，通过步骤S₀，我们已知所接收的请求能够被执行。有待在这种背景下执行的第一次测试与以前一样是基于同样的考虑，但考虑了所述优先权模块的特性作为额外限制。确切地说，目的是看在使用所述优先权模块的情况下是否仍然能够执行该请求：

P_REQ>Sum(P_Choi(j))+Min(P_min(i))

其中，i不同于j

通过非限制性示例，让我们考虑只有模块M₁是优先权模块，对于所述优先权模块，规定了P_min(1)＝P_max(1)。

将必须满足的前述关系式将变成：

P_REQ>P_Choi(1)+Min(P_min(i))

其中，i不等于1

这意味着保证了：如果我们使用优先权模块M₁，所述请求的由所需功率P_REQ与优先权模块的功率P_max(1)之差组成的“剩余部分”仍然能够由其他模块中的至少一个模块来执行。

如果控制模块60确定未满足前述关系式，则在分配功率时将不考虑优先权模块，这意味着换言之模块M₁将被排除在经优化组合之外。在相反的情况下，在分配功率时将不可避免地使用优先权模块M₁。因此，它将强制性地构成在步骤S₁结束时确定的经优化组合的一部分，并且将不再能够被从所述组合移除。

一旦优先权模块(如果它们存在的话)已经被处理，步骤S₁继续在模块数量方面寻找最佳可能的组合：以便遵守系统的剩余可用性的总体目标，总体控制系统6将试图根据本发明来涉及尽可能多的模块(在前述优先权标准之外)。所述第一次测试在于检查是否所有模块都能够被投入使用，换言之，请求P_REQ是否的确大于每个模块运行所要求的最小功率之和(取决于前述子步骤的结果，在计算中考虑或不考虑优先权系统)。这由以下关系式反映：

P_REQ>ΣP_min(i)

如果控制模块60确定满足了此关系式，则所有模块将被投入使用，并且控制模块60将能够转移到接下来的步骤S₂以计算分配给各模块的功率。

在相反的情况下，将从计算中相继地移除这些模块，直到实现对前述测试的确定响应。回想到的是，所述移除可以不涉及优先权模块。从剩余的非优先权模块，移除是按一定顺序定义的，优选地通过在每次迭代移除一个模块，按照P_min(i)的降序来移除模块，即从来自非优先权模块的最高P_min开始。

还可以具体在两个给定模块具有非常接近的P_min值(通常+/-200W)的情形下使用附加移除标准。在这种情况下，将优选的是移除其电池所具有的电量状态SOC(i)将激励更快老化的模块M_i。为了实现这一点，总体控制系统6具有指示每个电池3_i的老化区域的表格(未示出)。取决于请求的本质(储存或传递)，系统6将能够排除其电量状态值离临界SOC值最远的电池。

举例而言，让我们考虑第一模块1的电量状态是30％，第二模块的电量状态是70％并且对于这两个系统的临界值是50％。模块的SOC与临界值之差是一样的(20％)。在这种情况下，我们考虑请求的本质。如果它是储存请求，这将提高所选择的模块的电量状态。第一模块于是会变得更接近临界值，同时第二模块将远离其。我们则将选择保留第二模块。理由与传递请求的情况下一样，但在这种情况下，我们将选择保留第一模块。

在步骤S₁结束时，总体控制系统6因此具有满足请求P_REQ将需要使用的经优化模块组合。

最后的步骤S₂在于确定将必须为组合中的每个模块M_i分配的功率P(i)。

在这种情况下，这涉及针对组合中的每个模块M_i计算贡献，所述贡献将等于其最小运行功率P_min(i)加与讨论中的模块M_i所提供的功率裕量M(i)成比例的功率。回想到的是，模块的功率裕量表示其运行容量的范围，换言之其最大与最小运行功率之差：

M(i)＝P_max(i)-P_min(i)

对于优先权模块M_i，M(_i)＝0。

分配给模块的附加功率部分因此对应于讨论中的模块所提供的裕量与保留的组合中存在的所有模块所提供的总裕量之间的比例(一旦所要求的最小功率P_min全部已经被分配，则此比例被应用于请求的“剩余”功率)。因此可以用以下形式表达保留的组合中每个模块M_i的最终分配公式：

P(i)＝P_min(i)+(M(i)/ΣM(i))*(P_REQ-ΣP_min(i))

其中，i代表组合中保留的模块M_i。

上文所描述的并且与图1的架构相关联的功率分配原理(其中，能够独立地处理每个电池)使得可以最大限度地使用每个电池的潜力。

另外，即使模块不可用，例如由于对电池的维护操作，系统也通过最佳地重新分配请求继续以仍然可用的电池来运行。

此外，系统进一步是容易适配的。因而，如果设备的储存要求进化并提高，就易于添加附加储存和传递模块，同时保留同样的分配逻辑。如果证明必须更换子系统中的电池，则同一分配逻辑将考虑新电池所传达的限制，从而调整分配。

本发明可以应用于任何多电池储存系统，而不依赖于电池的起源并独立于系统的目的。

Claims

1.一种用于向并联连接的多个电池(M₁,...M_N)分配功率请求P_REQ的方法，所述方法包括：

-从所述多个电池(M₁,...M_N)确定电池组合的步骤(S₁)，

-为经优化的所述电池组合中的电池中的每一个电池分配功率水平的步骤(S₂)，

其特征在于，所述电池组合被优化成基于与每个电池M_i相关联的、运行所要求的最小功率P_min(i)通过使用最大可能数量的电池来满足所述功率请求；

确定经优化电池组合的步骤(S₁)确定的所述电池组合包括满足以下关系式的最大数量的电池i：

P_REQ>ΣP_min(i)

其中，P_min(i)是与所述电池组合中的各电池i相关联的最小功率；

确定经优化电池组合的步骤(S₁)包括基于包括所有电池i的原始组合，从所述原始组合相继地移除一个电池，所述电池被按其相关联的最小运行功率的降序相继移除，直到满足所述关系式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定经优化的电池组合的步骤(S₁)包括优先化预备子步骤，其中，规定了所述多个电池中称为优先权电池的一个或多个电池形成经优化的所述电池组合的一部分。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，针对每个优先权电池i规定了以下关系式：

P_min(i)＝P_max(i)

其中，P_max(i)是电池i的最大可能功率。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，为经优化的所述电池组合中的电池中的每一个电池分配功率水平的步骤(S₂)包括根据以下关系式为所述电池组合中的每个电池i确定功率P(i)：

P(i)＝P_min(i)+(M(i)/ΣM(i))*(P_REQ-ΣP_min(i))

其中，M(i)是所述电池i的运行裕量。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，包括预备步骤(S₀)，在其过程中，将所述功率请求P_REQ与所述电池(M₁,…M_N)运行所要求的最小功率加以比较。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预备步骤(S₀)包括确定是否满足以下关系式：

P_REQ>Min(P_min(i))

其中，P_min(i)是每个电池i运行所要求的最小功率。

7.一种用于向电能储存系统中并联连接的多个电池(M₁,…M_N)分配功率请求P_REQ的系统，包括总体控制系统(6)，所述总体控制系统能够：

-从所述多个电池(M₁,...M_N)确定电池组合；

-为经优化的所述电池组合中的电池中的每一个电池分配功率水平，

所述电池组合包括满足以下关系式的最大数量的电池i：

P_REQ>ΣP_min(i)

确定经优化的所述电池组合包括基于包括所有电池i的原始组合，从所述原始组合相继地移除一个电池，所述电池被按其相关联的最小运行功率的降序相继移除，直到满足所述关系式。