背景技術(shù)：

隨著電動(dòng)車輛和固定能量存儲(chǔ)的市場(chǎng)的增長(zhǎng)，需要大型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。大型電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以用于存儲(chǔ)從任何來源產(chǎn)生的能量。對(duì)于諸如可再生能量集成、輔助服務(wù)、微電網(wǎng)支撐、需求費(fèi)用減少和備用電力等應(yīng)用，期望能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以涉及電氣連接的電池陣列，其中電池被布置在構(gòu)成能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的多個(gè)能量存儲(chǔ)段中。電池管理系統(tǒng)是管理這種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的電池單元的電子系統(tǒng)。

嚴(yán)格的制造過程和電池單元材料特性對(duì)單個(gè)電池單元中可以存儲(chǔ)的能量或功率的量施加了實(shí)際的限制，而給定的電池化學(xué)成分的具體電化學(xué)特點(diǎn)限制了單個(gè)單元的電壓，通常限制為小于五伏。出于這些和其它原因，大多數(shù)大型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括以靜態(tài)串聯(lián)和并聯(lián)配置組合的數(shù)百或數(shù)千個(gè)單獨(dú)的電池單元，以便滿足特定應(yīng)用的能量和電壓要求。

配置最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種方法可以涉及將總的能量存儲(chǔ)需求除以單獨(dú)的單元容量以確定所需單元的數(shù)量x，將總的期望電壓除以單獨(dú)的電池單元電壓以確定每個(gè)串中單元的數(shù)量y，以及并聯(lián)這些串的組合z，其中y與z的乘積合理地接近x。但是，在實(shí)踐中，電池單元的容量隨著壽命和使用而下降，并且電壓隨著電池單元的荷電狀態(tài)和與系統(tǒng)其余部分的平衡狀態(tài)而波動(dòng)。隨著系統(tǒng)的老化，這兩個(gè)參數(shù)在不同電池單元之間的差異都可能越來越大。

這些單元與單元之間的差異的影響隨著電池單元的化學(xué)成分和形狀因子、系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜性、最終用途應(yīng)用、環(huán)境條件和任何數(shù)量的其它因素而變化。由這種不均勻性引起的一個(gè)常見的限制是將充電窗口的可訪問狀態(tài)減小到系統(tǒng)內(nèi)最弱單元的可訪問狀態(tài)，這意味著能量存儲(chǔ)系統(tǒng)不再能夠被安全地充電并放電到相同的水平。在最好的情況下，這意味著損失了實(shí)際可以在系統(tǒng)中存儲(chǔ)和從系統(tǒng)提取的能量的量。在最壞的情況下，這可能導(dǎo)致潛在的危險(xiǎn)的過度充電或過度放電事件，其迫使電池單元進(jìn)入熱失控并造成安全隱患。

靜態(tài)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)配置也構(gòu)成一系列其它挑戰(zhàn)，包括：(1)對(duì)由于最終用途應(yīng)用的變化而可能成為必需的變化的典型的不靈活性；(2)由于即使只有單個(gè)電池單元表現(xiàn)不佳也需要使系統(tǒng)的顯著的一部分脫機(jī)而導(dǎo)致的可靠性問題；(3)源于上述可靠性問題的昂貴的緊急情況維護(hù)；以及(4)跨過系統(tǒng)的荷電狀態(tài)的大的電壓波動(dòng)，這可能導(dǎo)致不可靠或欠佳的輸出電壓。因此，本領(lǐng)域需要改進(jìn)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了用于大規(guī)模電池或其它能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可重新配置框架，其被稱為可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)?？芍匦屡渲玫哪芰看鎯?chǔ)系統(tǒng)包括負(fù)電氣總線、正電氣總線、連接在負(fù)電氣總線和正電氣總線之間的多個(gè)能量存儲(chǔ)串，以及與負(fù)電氣總線、正電氣總線和多個(gè)能量存儲(chǔ)串電氣通信的控制單元。能量存儲(chǔ)串至少包括第一能量存儲(chǔ)串和第二能量存儲(chǔ)串，其中每個(gè)串具有負(fù)輸入端子和正輸出端子。此外，每個(gè)能量存儲(chǔ)串至少具有能量存儲(chǔ)單元的第一子集和能量存儲(chǔ)單元的第二子集，其中每個(gè)子集包括以內(nèi)部串聯(lián)或并聯(lián)配置布置的能量存儲(chǔ)單元的至少兩個(gè)塊，使得該布置包括插入在負(fù)輸入端子和正輸出端子之間的串內(nèi)正端子和串內(nèi)負(fù)端子。每個(gè)能量存儲(chǔ)串還包括連接在負(fù)電氣總線和能量存儲(chǔ)串的負(fù)端子之間的輸入開關(guān)、連接在正電氣總線和串內(nèi)正端子之間的第一輸出開關(guān)、連接在正電氣總線和能量存儲(chǔ)線的正端子之間的第二輸出開關(guān)以及連接在串內(nèi)正端子和串內(nèi)負(fù)端子之間的串聯(lián)開關(guān)。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)還包括連接在第一能量存儲(chǔ)串的正輸出端子和第二能量存儲(chǔ)串的串內(nèi)負(fù)端子之間的多串串聯(lián)開關(guān)，以及連接在負(fù)電氣總線和第一能量存儲(chǔ)串的串內(nèi)負(fù)端子之間的初始輸入開關(guān)?？刂茊卧慌渲脼?i)將系統(tǒng)中的能量存儲(chǔ)單元的至少一個(gè)并聯(lián)布置重新配置為能量存儲(chǔ)單元的串聯(lián)布置，或者(ii)將系統(tǒng)中的能量存儲(chǔ)單元的至少一個(gè)串聯(lián)布置重新配置為能量存儲(chǔ)單元的并聯(lián)布置。

在一些實(shí)施例中，控制單元被配置為接收輸出標(biāo)準(zhǔn)并且控制系統(tǒng)中的多串串聯(lián)開關(guān)和每個(gè)輸入開關(guān)、輸出開關(guān)、第二輸出開關(guān)以及串聯(lián)開關(guān)，以通過負(fù)電氣總線和正電氣總線輸出功率。輸出標(biāo)準(zhǔn)可以是能量、功率或電壓要求的任何組合。

當(dāng)考慮附圖閱讀時(shí)，根據(jù)以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的各個(gè)方面對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得明顯。

附圖說明

本專利或?qū)＠暾?qǐng)文件包含以彩色呈現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)附圖和/或一張或多張照片。具有(一個(gè)或多個(gè))彩色附圖和/或(一張或多張)照片的本專利或?qū)＠暾?qǐng)公開文本的副本將由美國(guó)專利商標(biāo)局根據(jù)要求提供并支付必要的費(fèi)用。

圖1：聯(lián)系到電網(wǎng)、太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的非限制性說明，其被配置為將存儲(chǔ)的能量輸送到家庭。

圖2：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的電池組的非限制性說明。

圖3：繪出可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示例性布置的圖。藍(lán)線指示3×8并聯(lián)配置電路的部分，而紫線指示4×6串聯(lián)配置電路的部分。

圖4：繪出在“正?！迸渲孟虏僮鲿r(shí)可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示例性布置的圖。藍(lán)線指示3×8并聯(lián)配置電路的部分，而紫線指示4×6串聯(lián)配置電路的部分。

圖5：繪出在“提升”配置下操作時(shí)可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示例性布置的圖。藍(lán)線指示3×8并聯(lián)配置電路的部分，而紫線指示4×6串聯(lián)配置電路的部分。

圖6：當(dāng)系統(tǒng)接近30％荷電狀態(tài)時(shí)，對(duì)于以動(dòng)態(tài)可重新配置事件為特征的示例性可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的典型放電，將電壓繪制為荷電狀態(tài)的函數(shù)的圖。將“未提升”系統(tǒng)的預(yù)計(jì)(would-be)電壓示為紅色，用于與系統(tǒng)重新配置后的“提升”電壓進(jìn)行比較。

圖7：繪出示例性多化學(xué)成分直流可重新配置能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的圖。

圖8：繪出示例性多化學(xué)成分直流能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的充電頂部(top-of-charge)電壓和充電結(jié)束(end-of-charge)電壓的圖表。

具體實(shí)施方式

本公開一般而言涉及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)管理。特別地，本公開涉及動(dòng)態(tài)可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過非限制性示例，其對(duì)于大規(guī)模電池存儲(chǔ)系統(tǒng)是可用的?？芍匦屡渲玫哪芰看鎯?chǔ)系統(tǒng)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)串級(jí)(string-level)重新配置。

一般而言，可再充電的電池單元是能量存儲(chǔ)元件，其能夠在充當(dāng)負(fù)載時(shí)將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，將該化學(xué)能存儲(chǔ)一段時(shí)間，并且當(dāng)負(fù)載被施加到單元時(shí)將存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。示例性電池單元包括但不限于鋰離子、磷酸鐵鋰(lithiumironphosphate)、鋰硫(lithiumsulfur)、鈦酸鋰(lithiumtitanate)、納米鈦酸鋰氧化物(nanolithiumtitanateoxide)、鎳金屬氫化物(nickelmetalhydride)、鎳鎘(nickelcadmium)、鎳氫(nickelhydrogen)、鎳-鐵(nickel-iron)、鈉硫(sodiumsulfur)、釩氧化還原(vanadiumredox)、可再充電堿性電池(alkaline)或者水混合離子(aqueoushybridion)。提供動(dòng)態(tài)串級(jí)重新配置的本公開的電池管理系統(tǒng)框架可以應(yīng)用到這些類型的電池單元中的任何一種(或者，如果期望的話，可以應(yīng)用到其它類型的電池單元)，以及應(yīng)用到燃料電池、電容器和混合電池-電容器單元。為了解釋，將參考電池單元來描述可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，但是應(yīng)當(dāng)理解，該系統(tǒng)與任何類型的能量存儲(chǔ)元件或設(shè)備相聯(lián)系是有用的。

如圖1中所示，大型電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)10可以存儲(chǔ)由任何來源(諸如電網(wǎng)12、太陽能電池板14或風(fēng)機(jī)16以及其它例子)產(chǎn)生的能量，并且將這種能量可控地輸送到房屋18等。這種系統(tǒng)一般涉及電氣連接的電池陣列110。電池110可以布置在構(gòu)成能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的多個(gè)能量存儲(chǔ)段或電池組20中。多個(gè)電池組20可以被配置在連接的模塊單元30中，如圖2中所示。

如圖2中所示，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)10可以包括由多個(gè)電池110組成的多個(gè)電池組20，其中電池組20可以容納在模塊單元30中。在電池組20內(nèi)，多個(gè)電池單元110的任何合適的配置都可以互聯(lián)。本文提供了能夠在串級(jí)動(dòng)態(tài)地重新配置自身的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其被稱為可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖3中示出了根據(jù)本公開的示例性可重新配置能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的圖。如圖3中所示，可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100包括例如二十四個(gè)能量塊，其中每個(gè)能量塊包括串聯(lián)連接的a個(gè)能量存儲(chǔ)單元(例如，電池單元)110。不同的實(shí)現(xiàn)方式可以包含不同數(shù)量的能量塊和/或在任何數(shù)量的構(gòu)成能量塊中的不同數(shù)量的能量存儲(chǔ)單元110。圖3中的示例性系統(tǒng)包含一致化技術(shù)(uniformtechnology)的能量存儲(chǔ)單元110。但是，系統(tǒng)的不同實(shí)現(xiàn)方式可以包括其中任何數(shù)量的塊可以包含不同的直流能量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，其中直流能量技術(shù)包括但不限于不同化學(xué)成分、形狀因子、容量或性能特點(diǎn)的電池單元；電容器；燃料電池元件；太陽能光伏元件；等。

為了便于在圖3-5中的參考，不同能量存儲(chǔ)串的相似部件用相應(yīng)的標(biāo)號(hào)表示。例如，第一能量存儲(chǔ)串101的給定標(biāo)號(hào)105的部件將類似于第二能量存儲(chǔ)串201的給定標(biāo)號(hào)205的部件，這二者都類似于第三能量存儲(chǔ)串301的給定標(biāo)號(hào)305的部件，等。

如圖3中所示，每個(gè)能量存儲(chǔ)串包括能量塊的至少兩個(gè)子集，其中每個(gè)能量塊包含多個(gè)能量存儲(chǔ)單元(諸如電池單元或其它能量存儲(chǔ)設(shè)備)。圖3示出了其中第一能量存儲(chǔ)串101包括能量塊的第一子集105a和能量塊的第二子集105b的示例。第二能量存儲(chǔ)串201包括能量塊的第一子集205a和能量塊的第二子集205b。第三能量存儲(chǔ)串301包括能量塊的第一子集305a和能量塊的第二子集305b。圖3中所示的可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100配置b個(gè)串中的能量塊，其中c個(gè)串各自包含d個(gè)串聯(lián)的能量塊并且e個(gè)串各自包含f個(gè)串聯(lián)的能量塊，其中數(shù)字b、c、d、e和f可以分別等于例如6、3、2、3和6。這個(gè)示例性配置導(dǎo)致c個(gè)塊與d個(gè)塊相乘的數(shù)量的額定電壓等于包含f個(gè)塊的子串的額定電壓，但是這個(gè)條件不需要約束不同實(shí)現(xiàn)方式的設(shè)計(jì)，因此不是必需的。

每個(gè)能量存儲(chǔ)串中的能量塊的每個(gè)子集包括多個(gè)能量塊，其包含內(nèi)部布置成串聯(lián)或并聯(lián)配置的多個(gè)能量存儲(chǔ)單元。因此，每個(gè)能量存儲(chǔ)串不僅包含正輸出端子120、220、320和負(fù)輸入端子130、230、330，還包含至少一個(gè)串內(nèi)正端子140、240、340和至少一個(gè)串內(nèi)負(fù)端子150、250、350。當(dāng)能量存儲(chǔ)串中存在能量塊的多于兩個(gè)子集時(shí)，能量存儲(chǔ)串包含多于一個(gè)串內(nèi)正端子和多于一個(gè)串內(nèi)負(fù)端子。為了便于說明，圖3繪出了具有三個(gè)能量存儲(chǔ)串101、201、301的系統(tǒng)，每個(gè)串具有能量塊的兩個(gè)子集：包含兩塊能量存儲(chǔ)單元的第一子集105a、205a、305a和包含六塊能量存儲(chǔ)單元的第二子集105b、205b、305b。在包含24塊能量存儲(chǔ)單元的這個(gè)非限制性實(shí)施例中，可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100能夠在3×8并聯(lián)配置和4×6串聯(lián)配置之間切換。

可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100包括多種類型的開關(guān)。這些開關(guān)的功能和位置參照?qǐng)D3-5進(jìn)行說明，但是可以理解，包括各種開關(guān)的添加或省略的其它配置是可能的。每個(gè)能量存儲(chǔ)串101、201、301具有輸入開關(guān)(圖3-5中的s11、s13和s14)、第一輸出開關(guān)(圖3-5中的s1、s3和s5)、第二輸出開關(guān)(圖3-5中的s2、s4和s15)和串聯(lián)開關(guān)(圖3-5中的s6、s8和s10)。因此，第一能量存儲(chǔ)串101具有第一串輸入開關(guān)s11，第二能量存儲(chǔ)串201具有第二串輸入開關(guān)s13，第三能量存儲(chǔ)串301具有第三串輸入開關(guān)s14。第一能量存儲(chǔ)串101具有第一串第一輸出開關(guān)s1，第二能量存儲(chǔ)串201具有第二串第一輸出開關(guān)s3，第三能量存儲(chǔ)串301具有第三串第一輸出開關(guān)s5。第一能量存儲(chǔ)串101具有第一串第二輸出開關(guān)s2，第二能量存儲(chǔ)串201具有第二串第二輸出開關(guān)s4，第三能量存儲(chǔ)串301具有第三串第二輸出開關(guān)s15。第一能量存儲(chǔ)串101具有第一串串聯(lián)開關(guān)s6，第二能量存儲(chǔ)串201具有第二串串聯(lián)開關(guān)s8，第三能量存儲(chǔ)串具有第三串串聯(lián)開關(guān)s10。

每個(gè)能量存儲(chǔ)串的輸入開關(guān)連接在負(fù)電氣總線40和相應(yīng)的能量存儲(chǔ)串的負(fù)輸入端子之間。因此，第一串輸入開關(guān)s11連接在負(fù)電氣總線40和第一串負(fù)輸入端子130之間。第二串輸入開關(guān)s13連接在負(fù)電氣總線40和第二串負(fù)輸入端子230之間。第三串輸入開關(guān)s14連接在負(fù)電氣總線40和第三串負(fù)輸入端子330之間。

每個(gè)能量存儲(chǔ)串的第一輸出開關(guān)連接在正電氣總線50和相應(yīng)的能量存儲(chǔ)串的串內(nèi)正端子之間。因此，第一串第一輸出開關(guān)s1連接在正電氣總線50和第一串串內(nèi)正端子140之間。第二串第一輸出開關(guān)s3連接在正電氣總線50和第二串串內(nèi)正端子240之間。第三串第一輸出開關(guān)s5連接在正電氣總線50和第三串串內(nèi)正端子340之間。

每個(gè)能量存儲(chǔ)串的第二輸出開關(guān)連接在正電氣總線50和相應(yīng)的能量存儲(chǔ)串的正輸出端子之間。因此，第一串第二輸出開關(guān)s2連接在正電氣總線50和第一串正輸出端子120之間。第二串第二輸出開關(guān)s4連接在正電氣總線50和第二串正輸出端子220之間。第三串第二輸出開關(guān)s15連接在正電氣總線50和第三串正輸出端子320之間。

每個(gè)能量存儲(chǔ)串的串聯(lián)開關(guān)連接在相同能量存儲(chǔ)串的串內(nèi)負(fù)端子和串內(nèi)正端子之間。因此，第一串串聯(lián)開關(guān)s6連接在第一串串內(nèi)負(fù)端子150和第一串串內(nèi)正端子140之間。第二串串聯(lián)開關(guān)s8連接在第二串串內(nèi)負(fù)端子250和第二串串內(nèi)正端子240之間。第三串串聯(lián)開關(guān)s10連接在第三串串內(nèi)負(fù)端子350和第三串串內(nèi)正端子340之間。

該系統(tǒng)對(duì)于除了第一能量存儲(chǔ)串101以外存在的每個(gè)能量存儲(chǔ)串還包括一個(gè)多串串聯(lián)開關(guān)(圖3-5中的s7和s9)。換言之，存在的多串串聯(lián)開關(guān)的數(shù)量等于n-1，其中n是系統(tǒng)中的能量存儲(chǔ)串的總數(shù)量。因此，具有共三個(gè)能量存儲(chǔ)串的可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括兩個(gè)多串串聯(lián)開關(guān)。多串串聯(lián)開關(guān)連接在第一電池串的正輸出端子和第二電池串的串內(nèi)負(fù)端子之間。因此，如圖3-5中所示，第一多串串聯(lián)開關(guān)s7連接在第一串正輸出端子120和第二串串內(nèi)負(fù)端子250之間。第二多串串聯(lián)開關(guān)s9連接在第二串正輸出端子220和第三串串內(nèi)負(fù)端子350之間。

該系統(tǒng)還包括連接在負(fù)電氣總線40和第一串串內(nèi)負(fù)端子150之間的初始輸入開關(guān)(在圖3-5中示為s12)。

圖3-5中所示的示例性系統(tǒng)中的開關(guān)在被設(shè)置為不同的“接通”或“關(guān)斷”位置時(shí)允許系統(tǒng)重新配置其有效電氣架構(gòu)。開關(guān)s1、s2、s3、s4、s5和s15都是輸出開關(guān)，當(dāng)其處于“接通”位置時(shí)，這些開關(guān)各自將串的正端子連接到正電氣總線。開關(guān)s6、s7、s8、s9和s10都是串聯(lián)開關(guān)，當(dāng)其處于“接通”位置時(shí)，這些開關(guān)各自將一個(gè)串的負(fù)端子連接到另一個(gè)串的正端子。開關(guān)s11、s12、s13和s14都是輸入開關(guān)，當(dāng)其處于“接通”位置時(shí)，這些開關(guān)各自將串的負(fù)端子連接到負(fù)電氣總線。這種開關(guān)組合允許所說明的系統(tǒng)在“正?！蹦Ｊ胶汀疤嵘蹦Ｊ蕉呦虏僮?，這些模式的配置分別在圖4和圖5中示出。

當(dāng)在圖4中所示的“正?！蹦Ｊ较虏僮鲿r(shí)，如圖4所示，系統(tǒng)將a個(gè)能量塊配置為c+1個(gè)并聯(lián)的串，其中每個(gè)串包含串聯(lián)的f個(gè)能量塊。通過閉合開關(guān)s1、s3、s5、s7、s9、s11、s12、s13、s14和s15，同時(shí)允許開關(guān)s2、s4、s6、s8和s10保持?jǐn)嚅_，來實(shí)現(xiàn)這種配置(圖4)。當(dāng)在圖5中所示的“提升”模式下操作時(shí)，系統(tǒng)將a個(gè)能量塊配置為c個(gè)并聯(lián)的串，其中每個(gè)串包含串聯(lián)的f+d個(gè)能量塊。通過閉合開關(guān)s2、s4、s6、s8、s10、s11、s13、s14和s15，同時(shí)允許開關(guān)s1、s3、s5、s7、s9和s12保持?jǐn)嚅_，來實(shí)現(xiàn)這種配置。開關(guān)的斷開和閉合可以由控制單元60執(zhí)行，控制單元60接收關(guān)于能量、功率和/或電壓要求的輸出標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)控制開關(guān)輸出功率。因此，可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可操作以依賴于期望的輸出在串聯(lián)配置和并聯(lián)配置之間重新配置能量存儲(chǔ)單元的布置。該重新配置被稱為串級(jí)動(dòng)態(tài)重新配置，因?yàn)樗峭ㄟ^在串級(jí)的開關(guān)的操作而發(fā)生的，并且可以在系統(tǒng)輸出功率時(shí)被執(zhí)行。

系統(tǒng)還包含c+1個(gè)預(yù)充電電路，其在圖3、4和5中被識(shí)別為開關(guān)s16、s17、s18和s19。這些開關(guān)僅在切換事件期間閉合，其中串通過電阻器r1、r2、r3、r4暫時(shí)電氣連接到負(fù)總線40，以防止電涌、電弧或電氣重新配置的其它效應(yīng)(artifact)。應(yīng)當(dāng)理解，預(yù)充電電路對(duì)于可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的操作不是必需的，而是為了安全性和設(shè)備完整性而充當(dāng)可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的增強(qiáng)。此外，系統(tǒng)可以包括一根或多根熔絲80，諸如連接在輸出開關(guān)s1、s2、s3、s4、s5、s15和串內(nèi)正端子140、240、340之間。熔絲80對(duì)于可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的操作也不是必需的，但對(duì)于可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的各種應(yīng)用是有用的。

由本文描述的架構(gòu)啟用的串級(jí)動(dòng)態(tài)重新配置允許有益于大型能量存儲(chǔ)應(yīng)用的一系列實(shí)施例和操作模式。這些益處之一是動(dòng)態(tài)串級(jí)隔離，其允許選擇的能量存儲(chǔ)串與較大的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)電氣脫離，而其它能量存儲(chǔ)串繼續(xù)循環(huán)?？芍匦屡渲玫哪芰看鎯?chǔ)系統(tǒng)中的各種開關(guān)也可以被用于在系統(tǒng)輸出功率的同時(shí)隔離能量存儲(chǔ)串或能量存儲(chǔ)單元的塊。這種能力在包含數(shù)百或數(shù)千個(gè)能量存儲(chǔ)單元的大型系統(tǒng)中高度實(shí)用，因?yàn)槊總€(gè)能量存儲(chǔ)單元以不可忽略的故障率為特征。因此，即使使用高質(zhì)量部件，包括大量能量存儲(chǔ)單元的系統(tǒng)也很可能經(jīng)歷周期性的單元故障。如果被允許通過持續(xù)的循環(huán)傳播，則這種電池故障可以迫使能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的高達(dá)100％離線，從而既導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)又導(dǎo)致高的維護(hù)成本。動(dòng)態(tài)串級(jí)故障隔離通過允許繼續(xù)使用所有未受影響的串來減少停機(jī)時(shí)間，并可以通過防止故障在整個(gè)系統(tǒng)中傳播而降低維護(hù)成本。

動(dòng)態(tài)串級(jí)隔離提供了優(yōu)于常規(guī)被動(dòng)隔離系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)，常規(guī)被動(dòng)隔離系統(tǒng)通常依賴于當(dāng)電流超過熔絲設(shè)計(jì)額定值時(shí)使一個(gè)或多個(gè)串從系統(tǒng)斷開的熔絲。主動(dòng)隔離串的能力允許可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)所有可用的系統(tǒng)狀態(tài)信息作用，而不僅僅是根據(jù)通過系統(tǒng)的特定部分的電流作用。例如，除了在電流超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定值時(shí)隔離故障，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)單元開始顯示異常電壓或溫度特點(diǎn)時(shí)，配備有兼容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)也可以執(zhí)行隔離。如圖3-5中所示，隔離的高電壓測(cè)量單元70可以結(jié)合到系統(tǒng)中并且被配置為提供來自系統(tǒng)中每個(gè)能量存儲(chǔ)串的電壓的輸出。在這種實(shí)施例中，隔離的高電壓測(cè)量單元70連接到具有適當(dāng)?shù)碾娮杵鱮5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12的電路，從而測(cè)量給定能量存儲(chǔ)串的正端子和同一能量存儲(chǔ)串的負(fù)端子之間的電位。隔離的高電壓測(cè)量單元70還可以通過適當(dāng)?shù)碾娮杵鱮13、r14連接到負(fù)電氣總線40和正電氣總線50。這種系統(tǒng)還可以被用于隔離由不超過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)額定值的異常電流特征所指示的故障，諸如當(dāng)能量存儲(chǔ)串在其最大容量以下循環(huán)時(shí)可能發(fā)生的故障。

串級(jí)隔離功能還可以被用作在線能量存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的診斷和治療工具的一部分。具體地，對(duì)于標(biāo)記有潛在維護(hù)問題的、與系統(tǒng)中的其它串不平衡的或者為了進(jìn)行遠(yuǎn)程性能驗(yàn)證而被簡(jiǎn)單地調(diào)度的能量存儲(chǔ)串，可以通過在其余串執(zhí)行有用的充電或放電循環(huán)時(shí)使該串在線或離線而使其部分地循環(huán)。當(dāng)與適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)或測(cè)量能力耦合時(shí)，這種部分循環(huán)可以提供用于診斷系統(tǒng)內(nèi)的故障的信息，提供允許驗(yàn)證部件性能在設(shè)計(jì)規(guī)格內(nèi)的信息，或者甚至提供到調(diào)節(jié)單元(conditioncell)使得它們可以與系統(tǒng)的其余部分平衡的信息，這些全都無需使系統(tǒng)離線。

本文描述的框架還可以在允許對(duì)串和系統(tǒng)輸出電壓的改進(jìn)控制的實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。特別地，電池單元通常以在單元放電期間單調(diào)降低并且在電池充電期間單調(diào)增加的循環(huán)曲線為特征。單元的(因此，以及串的)充電頂部(toc)電壓和充電結(jié)束(eoc)電壓之間的電壓擺幅(swing)可以高達(dá)70％。這種大的電壓范圍可能與部署在直流配置中的系統(tǒng)的最終用途應(yīng)用不兼容，并且也可能與部署在交流應(yīng)用中的系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入電壓范圍不兼容。以動(dòng)態(tài)串級(jí)重新配置功能為特征的系統(tǒng)可以能夠極小化能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的輸出電壓范圍，而無需改變電池化學(xué)成分，也不需要升壓器或轉(zhuǎn)換器。

圖6繪出了圖3中所示的示例性可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的放電曲線。這個(gè)系統(tǒng)利用布置在串中的以590伏的toc電壓和360伏的eoc電壓為特征的鎳-鈷-鋁鋰離子電池。在系統(tǒng)被配置為處于“正常”模式時(shí)，圖6中所示的放電事件開始，其中在“正?！蹦Ｊ较孪到y(tǒng)具有四個(gè)并聯(lián)的串，每個(gè)串有六個(gè)能量塊。當(dāng)系統(tǒng)放電時(shí)，串電壓(因此，以及系統(tǒng)電壓)下降。當(dāng)電壓達(dá)到432伏的預(yù)定截止點(diǎn)時(shí)，開關(guān)被接合以將系統(tǒng)重新配置為其“提升”模式，其中在“提升”模式下系統(tǒng)具有三個(gè)并聯(lián)的串，每個(gè)串有八個(gè)能量塊。對(duì)應(yīng)的串電壓(因此，以及系統(tǒng)電壓)成比例地上升。隨著系統(tǒng)繼續(xù)放電，電壓繼續(xù)下降，但仍高于“未提升”系統(tǒng)的電壓(以紅色示出)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100可以在同一系統(tǒng)內(nèi)配置有多種電池化學(xué)成分。圖7示出了以一串鋰離子(li離子)電池單元510、一串鎳金屬氫化物(nimh)電池單元520和一串鉛酸(pba)電池單元530為特征的可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的實(shí)施例。主控制器550連接到多個(gè)串以控制系統(tǒng)100，并且信號(hào)采集模塊(sam)540連接到電池單元的每個(gè)串，以監(jiān)測(cè)來自各個(gè)開關(guān)和來自主控制器550的輸入。

傳統(tǒng)地，由于具有不同化學(xué)成分的電池的充電和放電曲線的差異，多種電池化學(xué)成分很少組合到單個(gè)直流系統(tǒng)中。即使串被設(shè)計(jì)為確保公共的toc電壓，但是以不同化學(xué)成分為特征的電池也不可能共享公共的eoc電壓。圖8示出了圖7中所示的示例性系統(tǒng)中的這些串中的每一個(gè)的eoc電壓。雖然這個(gè)非限制性示例中的每個(gè)串都被設(shè)計(jì)為具有大約43伏的toc電壓，但是在27至36伏的電壓范圍內(nèi)，串達(dá)到eoc。在沒有動(dòng)態(tài)串級(jí)重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，這些eoc電壓差將禁止具有較低eoc電壓的串的有效使用，因?yàn)?，一旦第一串達(dá)到eoc，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)需要停止其放電循環(huán)，從而確保安全操作。但是，當(dāng)相同的系統(tǒng)配備有動(dòng)態(tài)串級(jí)重新配置功能時(shí)，到達(dá)eoc的串可以被選擇性地隔離，而同時(shí)其余串繼續(xù)放電。這允許每個(gè)能量存儲(chǔ)串循環(huán)到其設(shè)計(jì)規(guī)格，而不受系統(tǒng)內(nèi)其它電池化學(xué)成分的eoc電壓的限制。

在其它實(shí)施例中，可以通過使串具有相同化學(xué)成分的不同類型(flavor)(例如，具有略微不同的化學(xué)成分、形狀因子或制造公差的鋰離子電池)的特征來將多種電池化學(xué)成分結(jié)合到系統(tǒng)中。有效的eoc電壓也隨著電池老化而變化，這使得這種配置同樣適用于舊的單元和新的單元的串，諸如可能在成熟的固定能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中或以第二生命(second-life)電池單元為特征的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中找到的。系統(tǒng)還可以布置在各段中具有不同的化學(xué)成分或批次的單元，其允許一種或多種單元技術(shù)的重新配置。

可重新配置的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)是高度靈活的，并且可以應(yīng)用到許多(如果不是大多數(shù)的話)直流能量部件?？芍匦屡渲玫哪芰看鎯?chǔ)系統(tǒng)的其它實(shí)施例包括以燃料電池、發(fā)光二極管或者能量生成或轉(zhuǎn)換部件(諸如太陽能光伏電池或熱電電池)為特征的系統(tǒng)。這種技術(shù)受益于與以電池單元為特征的系統(tǒng)的相同的隔離和重新配置能力。

為了說明和描述的目的，提供了對(duì)實(shí)施例的前述描述。該描述既不意圖為排他的，也不意圖限制本發(fā)明。特定實(shí)施例的單獨(dú)的元件或特征一般不限于該特定實(shí)施例，而是在適用的地方可互換并且可以在所選擇的實(shí)施例中使用，即使該實(shí)施例沒有具體示出或描述。這也可以以許多方式改變。這些改變不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是偏離本發(fā)明，并且所有這樣的修改都意在被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

提供了示例性實(shí)施例，使得本公開將是徹底的并且將范圍完全傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。對(duì)各種具體細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述(諸如具體部件、設(shè)備和方法的示例)，以提供對(duì)本公開的實(shí)施例的完全理解。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，不一定要實(shí)施具體細(xì)節(jié)，示例實(shí)施例可以以許多不同的形式實(shí)施，并且這些都不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制本公開的范圍，這是顯然的。在一些示例性實(shí)施例中，沒有詳細(xì)描述眾所周知的過程、眾所周知的設(shè)備結(jié)構(gòu)和眾所周知的技術(shù)，但是這些對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是眾所周知的。

本文所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定的示例實(shí)施例，而不是限制性的。如本文所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”也可以意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。術(shù)語“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包容性的，因此指定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、部件和/或其組合的存在或添加。本文描述的方法步驟、過程和操作不應(yīng)當(dāng)被解釋為必須要求它們以所討論或示出的特定次序執(zhí)行，除非被具體地識(shí)別為執(zhí)行次序。還應(yīng)當(dāng)理解，可以實(shí)施附加的或替代的步驟。