具有隔離、分布式、菊花鏈式電池模塊控制器的電池管理系統（BMS）的製作方法

2023-05-01 23:25:37

本文所公開的實施例涉及一種可以用於電池能量儲存系統中的電池組的電池管理系統。電池管理系統可以包括隔離、分布式、菊花鏈式電池模塊控制器。

背景技術：

電能對於現代國家經濟至關重要。然而，增加的電能需求和增加可再生能量資產用來發電的趨勢給老化的電力基礎設施帶來壓力，這使得老化電力基礎設施更易於出現故障，特別是在峰值需求期間。在某些區域中，需求增加使得峰值需求時段危險地接近超過電力工業能產生和傳輸的最大供應水平。在本文中描述了允許以更具有成本效益和可靠方式產生和使用電力的新能量存儲系統、方法和設備。

附圖說明

附圖併入於本文中並且構成本說明書的部分，附圖示出了本發明並且與描述一起進一步用來解釋本發明的原理並且使得相關領域技術人員做出和使用本發明。

圖1A、圖1B和圖1C是示出示例電池組的圖。

圖2A、圖2B、圖2C和圖2D是進一步示出示例電池組的圖。

圖3A、圖3B、圖3C、圖3D、圖3E、圖3F、圖3G和圖3H是進一步示出示例電池組的圖，

圖4是示出集成到電池組內的示例電池組控制器的圖。

圖5A是示出由電池組控制器和多個電池模塊控制器形成的示例通信網絡的圖。

圖5B是示出用於在電池模塊控制器接收指令的示例方法的流程圖。

圖6是示例電池組控制器的圖。

圖7A和圖7B是示出示例電池模塊控制器的圖。

圖8是進一步示出示例電池模塊控制器的圖。

圖9是示出示例電池能量儲存系統的圖。

圖10是示出用來平衡電池組的示例方法的流程圖。

在附圖中，相似附圖標記可以指示相同或功能相似的元件。

具體實施方式

雖然在本文中利用特定應用的說明性實施例描述了本發明，應了解本發明並不限於這些。能取得本文所提供的教導內容的本領域技術人員將認識在本發明的範圍內的額外修改、應用和實施例和本發明將具有重要應用的額外的領域。

術語「實施例」或「示例實施例」並不需要所有實施例包括所討論的特徵、優點或操作模式。在不偏離本發明的範圍或精神的情況下，可以設計出替代的實施例，並且熟知的元件可能並未詳細描述或者可以省略以便不混淆相關細節。此外，本文所用的術語僅僅是出於描述特定示例性實施例的目的且並不意圖是限制性的。除非上下文清楚地指示為其它情況，如本文所用的單數形式「一」和「該」預期也包括複數形式。還應了解術語「包括」、「具有」和「包含」當在本發明中使用時，規定所陳述的特徵、整體、步驟、操作、元件和部件的存在，但並不排除一個或多個其它特徵、整體、步驟、操作、元件、構件或其群組的存在。

圖1A、圖1B和圖1C是示出根據本發明的實施例的示例電池組100的圖。具體而言，圖1A和圖1B描繪了電池組100的正視圖，並且圖1C描繪了電池組100的分解圖。如圖1A至圖1C所示，電池組100的外殼可以包括前面板102、蓋子或覆蓋物112、後面板116和底部118。蓋子112包括左側部分和右側部分，蓋子112可以包括多個通氣孔以便於空氣通過電池組100並且輔助冷卻電池組100的內部部件。在一非限制性實施例中，蓋子112為「U」形並且可以由單件金屬、塑料製成或者本領域普通技術人員已知的任何其它材料製成。

可以使用圖1C所示的緊固件128來組裝電池組100的外殼，緊固件可以是螺釘和螺栓或者本領域普通技術人員已知的任何其它緊固件。電池組100的外殼還可以包括前手柄110和後手柄114。如圖1C所示，前板102可以經由前面板安裝件120聯接到蓋子112和底部118。在一實施例中，電池組100實施為可安裝到機架上的器材模塊。例如，電池組100可以實施為標準19英寸機架(例如，寬度為19英寸的前面板102，和深度為22與24英寸之間並且高度為4個機架單位或「U」的電池組100，其中U為等於1.752英寸的標準單位)。如圖1C所示，電池組100可以包括附連到底部118上的一個或多個安裝件122。安裝件122可以用來將電池組100固定於機架中以便將多個電池組布置成堆疊配置(在圖9中示出)。

在圖1A至圖1C中，電池組100包括可連接到電池組的負端子的電連接器104和可連接到電池組的正端子的電連接器106。在其它實施例中，電連接器104可以用來連接電池組的正端子，並且電連接器106可以用來連接到電池組的負端子(諸如在下文關於圖2A至圖2D所討論的實施例中)。如圖1A和圖1B所示，電連接器104和106可以設置於電池組100的前板或前面板102上。電纜(未圖示)可以附連到電連接器104和106並且用來向電池組100添加能量和從電池組100去除能量。

電池組100的前板102也可以包括狀況燈和重置按鈕108。在一實施例中，狀況按鈕108是能按壓以重置或重新啟動電池組100的按鈕。在一實施例中，繞按鈕108中心的外環可以被點亮以指示電池組100的操作狀況。這種點亮可以由光源諸如一個或多個發光二極體生成，光源聯接到狀況按鈕108或者為狀況按鈕108的部分。在此實施例中，不同顏色點亮可以指示電池組的不同操作狀態。例如，恆定或穩態綠光可以指示電池組100處於正常操作狀態；閃爍或選通綠光可以指示電池組100處於正常操作狀態並且電池組100目前使電池平衡；恆定或穩態黃光可以指示警告或者電池組100處於錯誤狀態；閃爍或選通黃光可以指示警告或電池組100處於錯誤狀態並且電池組100目前使電池平衡；恆定或穩態紅光可以指示電池組100處於警示狀態；閃爍或選通紅光可以指示電池組100需要被替換；以及無光從狀況燈發出可以指示電池組100沒有電力和/或需要替換。在某些實施例中，當狀況燈發出紅光(穩態或閃爍)或者無光時，在電池組100或外部控制器中的連接器自動打開以防止電池充電或放電。如對於本領域技術人員顯然，點亮以指示電池組100的操作狀況的任何顏色、選通技術等在本發明的範圍內。

轉至圖1C，示出了安置於電池組100的外殼內側的示例部件，包括(但不限於)平衡充電器132、電池組控制器(BPC)134和電池模塊控制器(BMC)138。平衡充電器132可以是電源，諸如直流電源，並且可以向在電池組中的所有電池單體提供能量。在一實施例中，平衡充電器132可以同時向電池組中的所有電池單體提供能量。BMC 138聯接到電池模塊136並且可以從包括於電池模塊136中的電池單體選擇性地放能，以及對電池模塊136進行測量(例如，電壓和溫度)。BPC 134可以控制平衡充電器132和BMC 138以平衡或調整電池模塊的電壓和/或充電狀態到目標電壓和/或充電值狀態。

如圖所示，電池組100包括多個電池模塊並且BMC(例如，電池模塊控制器138)聯接到每個電池模塊(例如，電池模塊136)。在下文更詳細地描述的一實施例中，n個BMC(其中n大於或等於2)可以以菊花鏈方式連接在一起並且聯接到BPC以形成單線通信網絡。在此示例布置中，每個BMC可以具有唯一地址並且BPC可以通過將一個或多個消息定址到任何所希望的BMC的唯一地址而與BMC中每一個通信。一個或多個消息(其包括BMC的唯一地址)可以包括以下指令：例如從電池模塊去除能量、停止從電池模塊去除能量、測量並且報告電池模塊的溫度和測量並且報告電池模塊的電壓。在一實施例中，BPC 134可以使用輪詢技術從BMC中每一個獲得測量(例如，溫度、電壓)。BPC 134可以計算或(從電池組100外側的控制器)接收電池組100的目標電壓，並且可以使用平衡充電器132和BMC的網絡來調整電池模塊中每一個到目標電壓。因此，電池組100可以認為是智能電池組，能自行調整其電池單體到目標電壓。

連接電池組100的各個部件的電布線從圖1C中省略以增強可視性。在圖示實施例中，平衡充電器132和電池組控制器134可以連接到底部118或安裝於底部118上。雖然被示出安裝於電池組100的左側上，平衡充電器132和電池組控制器134，以及安置於電池組100中的所有其它部件可以安置於電池組100內的任何位置。

電池模塊136包括多個電池單體。任意多個電池單體可以包括於電池模塊136中。示例電池單體包括(但不限於)鋰離子電池單體，諸如18650或26650個電池單體。電池單體可以是圓柱形電池單體、稜柱形電池單體或者袋式電池單體，僅給出幾個例子。電池單體或電池模塊可以例如高達100個AH電池單體或電池模塊。在某些實施例中，電池單體連接成串聯/並聯配置。示例性電池單體配置包括(但不限於)：1P16S配置，2P16S配置，3P16S配置，4P16S配置，1P12S配置，2P12S配置，3P12S配置，以及4P12S配置。本領域普通技術人員已知的其它配置也在本發明的範圍內。電池模塊136包括正端子和負端子用來向包括於其中的多個電池單體添加能量和從電池單體去除能量。

如圖1C所示，電池組100包括形成電池組件的12個電池模塊。在另一實施例中，電池組100包括形成電池組件的包括16個電池模塊。在其它實施例中，電池組100包括形成電池組件的20個電池模塊或25個電池模塊。如對於本領域普通技術人員顯然，任何數量的電池模塊可以連接以形成電池組100的電池組件。在電池組100中，被布置為電池組件的電池模塊可以布置為串聯配置。

在圖1C中，電池模塊控制器138聯接到電池模塊136。電池模塊控制器138可以聯接到電池模塊136的正端子和負端子。電池模塊控制器138可以被配置成執行下列功能中的一個、某些或全部功能：從電池模塊136去除能量，測量電池模塊136的電壓；以及測量電池模塊136的溫度。如將由本領域技術人員理解到，電池模塊控制器138並不限於執行剛剛描述的功能。在一實施例中，電池模塊控制器138實施為安置於印刷電路板上的一個或多個電路。在電池組100中，一個電池模塊控制器聯接到電池組100中的電池模塊中的每一個或安裝於其上。替代地，每個電池模塊控制器可以經由布線而聯接到一個或多個相鄰的電池模塊控制器以便形成通信網絡。如圖5A所示，n個電池模塊控制器(其中n是大於或等於二的整數)可以以菊花鏈連接在一起並且聯接到電池組控制器從而形成通信網絡。,

圖2A、圖2B、圖2C和圖2D是示出根據本發明的一實施例的示例電池組的圖。具體而言，圖2A描繪了電池組200的正視圖，圖2B描繪了電池組200的側視圖，圖2C描繪了電池組200的角度後視圖，並且圖2D描繪了電池組200的角度正視圖。電池組200可以以與上文關於圖1A至圖1C所描述的相同方式操作。

如在上文中關於圖1A至圖1C所示，電池組200的外殼可以包括前面板202、蓋子或覆蓋物212、後面板216和底部218。前面板202可以包括：電連接器204，其可以連接到電池組的正端子；電連接器206，其可以連接到電池組的正端子；狀況燈和復位按鈕208；以及前手柄210。後面板216可以包括後手柄214(在圖2C中示出)。

圖3A、圖3B、圖3C、圖3D、圖3E、圖3F、圖3G和圖3H是示出根據本發明的實施例的示例電池組300的圖。具體而言，圖3A至圖3G描繪了根據一實施例安置於電池組300的外殼內側的示例部件。圖3A、圖3E和圖3G描繪了電池組300的詳細側視圖。圖3B描繪了電池組300的詳細正視圖。圖3C描繪了電池組300的詳細頂視圖。圖3D描繪了電池組300的放大頂視圖，圖3F描繪了電池組300的詳細角度圖。電池組300和其個別部件可以以與上文關於圖1A至圖1C的電池組所描述的相同方式操作。如先前所描述的那樣，每個電池模塊可以包括多個電池單體，諸如圖3H的18650鋰離子單體344。

如關於圖1A至圖1C所描述，電池組300的外殼可以包括前面板302、蓋子或覆蓋物(其可以在圖3A至圖3G中移除)、後面板316和底部318。前面板302可以包括：電連接器304，其可以連接到電池組的正端子；電連接器306，其可以連接到電池組的正端子；狀況燈和復位按鈕308；以及，前手柄310。後面板316可以包括後手柄314，電池組300也可以包括平衡充電器332、電池組控制器334和多個電池模塊336。在此實施例中。平衡充電器332在左側朝向電池組300的後部安裝於電池組300中，並且電池組控制器(BPC)334在左側朝向電池組300的前部安裝於電池組300中。在其它實施例中，平衡充電器332和電池組控制器334可以安置於電池組300中的其它位置。電纜340可以附連到電連接器304和306並且用來向電池組300添加能量和從電池組300去除能量。

在圖3A至圖3G中所描繪的實施例中，電池組300包括12個電池模塊，諸如電池模塊336。如上文所解釋，電池組300的其它實施例可以包括更多或更少的電池模塊。電池模塊控制器(BMC)諸如電池模塊控制器338可以安裝於電池模塊中每一個上。如上文所解釋的那樣，BMC可以經由(多個)通信線342以菊花鏈的方式連接在一起(參看例如圖3D)並且聯接到BPC 334(參看例如圖3A、圖3F)以形成單線通信網絡，其一實施例關於圖5A更詳細地描述。

圖4是示出根據本發明的一實施例集成到電池組400內的示例電池組控制器(BPC)434的圖。電池組控制器434可以連接到通信線442以與電池模塊控制器的菊花鏈式網絡通信，在此實施例中，電池模塊控制器安裝於電池組400的電池模塊的頂部上。電池組400可以以與上文關於圖1A至圖1C的電池組100所描述的相同方式操作並且進一步關於圖5和圖6來描述電池組控制器434的操作。

圖5A是示出根據本發明的一實施例由電池組控制器和多個電池模塊控制器形成的示例通信網絡200的圖。在圖5A中，電池組控制器(BPC)510聯接到n個電池模塊控制器(BMC)520、530、540、550和560。換言之，n個電池模塊控制器(其中n上大於或等於二的整數)以菊花鏈連接在一起並且聯接到電池組控制器510以形成通信網絡500，通信網絡500被稱作分布式菊花鏈式電池管理系統(BMS)。具體而言，BPC 510經由通信線515聯接到BMC 520，BMC 520經由通信線525聯接到BMC 530，BMC 530經由通信線535聯接到BMC 540，以及BMC 550經由通信線555聯接到BMC 560以形成通信網絡。每個通信線515、525、535和555可以是單個線，形成單線通信網絡，單線通信網絡允許BCM 510與BCM520-560中每一個通信，並且反之亦然。如對於本領域技術人員顯然，任何數量的BMC可以在通信系統200中以菊花鏈的方式連接在一起。

在通信網絡500中的每個BMC可以具有唯一地址，BCP 510使用該地址來與個別BMC通信。例如，BMC 520可以具有0002的地址，BMC 530可以具有0003的地址，BMC 540可以具有0004的地址，BMC 350可以具有0005的地址，以及BMC 360可以具有0006的地址。通過將一個或多個消息定址到任何所希望的BMC的唯一地址，BPC 510可以與BMC中的每一個通信。一個或多個消息(其包括BMC的唯一地址)可以包括以下指令：例如從電池模塊去除能量、停止從電池模塊去除能量、測量並且報告電池模塊的溫度和測量並且報告電池模塊的電壓。BPC 210可以輪詢BMC以獲得關於電池組的電池模塊的測量值，諸如電壓和溫度測量值。可以使用本領域技術人員已知的任何輪詢技術。在某些實施例中，BPC 210持續地向BMC輪詢測量值從而持續地監視在電池組100中的電池模塊的電壓和溫度。

例如，BPC 510可以設法與BMC 540通信，例如以便獲得安裝了BMC 540的電池模塊的溫度和電壓測量值。在此示例中，BPC 510生成消息並且發送消息(或指令)，消息定址到BMC 540(例如，地址0004)。在通信網絡500中的其它BMC可以將BPC 510發送的消息的地址解碼，但是僅具有消息的唯一地址的BMC(在此示例中，BMC 540)可以響應。在此示例中，BMC 540從BPC 510接收消息(例如，消息經過通信線515、525和535到達BMC 540)，並且生成響應並且經由單線通信網絡(例如，響應經過通信線535、525和515到達BPC 210)發送到BPC 510。BPC 510可以接收響應並且引導BMC 540執行功能(例如，從其所安裝的電池模塊去除能量)。在其它實施例中，可以使用其它類型的通信網絡(除了通信網絡500之外)。諸如RS232或RS485通信網絡。

圖5B是用於在電池模塊控制器諸如圖1C的電池模塊控制器138或者圖5A的電池模塊控制器520接收指令的示例方法5000的流程圖。關於圖5所描述的電池模塊控制器可以包括於通信網絡中，通信網絡包括多於一個隔離、分布式、菊花鏈式電池模塊控制器，諸如圖5A的通信網絡500。

圖5B的方法500可以實施為可以由處理器執行的軟體或固件。即，方法5000的每個階段可以實施為存儲於非暫時計算機可讀存儲裝置上的一個或多個計算機可讀指令，計算機可讀指令當由處理器執行時造成處理器實施一個或多個操作。例如，方法5000的可以實施為一個或多個計算機可讀指令，計算機可讀指令存儲於電池模塊控制器的處理器中並且由電池模塊控制器的處理器執行(例如，圖1C的電池組模塊控制器138或者圖5A的電池模塊控制器520)，電池模塊控制器安裝於電池組(例如，圖1A至圖1C的電池組)中的電池模塊(例如，圖1C的電池模塊136)上。

由於圖5B的描述參考電池組的部件，為了清楚起見，當描述圖5B的方法5000的不同階段時，在圖1A至圖1C的電池組100的示例實施例中枚舉的部件和圖5A的示例通信網絡用來參考具體部件。然而，圖1A至圖1C的電池組100和通信網絡500隻是示例，並且可以使用並非圖1A至圖1C中所描繪的示例實施例的電池組和並非在圖5A中描繪的示例實施例的通信網絡500的實施例來實施方法5000。

在開始時(階段5010)，該方法5000繼續到階段5020，在階段5020，電池模塊控制器接收消息。例如，電池組控制器可以與菊花鏈式電池模塊控制器的網絡通信(例如圖5A)以便平衡電池組(例如，在圖1A至圖1C的5個電池組100)中的電池。可以在電池模塊控制器的通信終端處經由通信線(例如在圖5A的5個通信線515)接收消息。這個通信可以包括(但不限於)指導電池模塊控制器的網絡提供安裝了電池模塊控制器的電池模塊的電壓和/或溫度測量值，並且指導電池模塊控制器從分別安裝了電池模塊控制器的電池模塊去除能量或者停止去除能量。

如關於圖5A所討論，在通信網絡(例如圖5A的通信網絡500)的每個電池模塊控制器(例如，圖5A的BMC 520)可以具有唯一地址，電池組控制器(例如，圖5A的BPC 510)使用唯一地址來與電池模塊控制器通信。因此，在階段5020接收的消息可以包括其計劃用於的電池模塊控制器的地址和將由電池模塊控制器執行的指令。在階段5030，電池模塊控制器判斷包括於該消息中的地址是否匹配電池模塊控制器的唯一地址。如果地址並不匹配，方法5000返回至階段5020並且電池模塊控制器等待新消息。即，電池模塊控制器響應於判斷出與該消息相關聯的地址並不匹配電池模塊控制器的唯一地址而忽略與該消息相關聯的指令。如果地址並不匹配，方法5000前進到階段5040。

在階段5040，電池模塊控制器將包括於該消息中的指令解碼並且該方法5000前進到階段5050。在階段5050，電池模塊控制器執行指令。同樣，指令可以(但不限於)測量並且報告電池模塊的溫度，測量並且報告電池模塊的電壓，從電池模塊去除能量(例如在電池模塊的端子上施加一個或多個分流電阻器)，停止從電池模塊去除能量(例如，停止向電池模塊的端子施加一個或多個分流電阻器)，或者在測量電池電壓之前校準電壓測量值。在各種實施例中，溫度和電壓測量值可以作為實際溫度和電壓值發送，或者作為編碼數據發送，可以在報告了測量值之後對編碼的數據進行解碼。在階段5050之後，方法5000循環回到階段5020並且電池模塊控制器等待新消息。

圖6是示出根據本發明的一實施例的示例電池組控制器300的圖。圖1C的電池組控制器134可以如根據圖3的電池組控制器300所描述那樣實施。圖5A的電池組控制器210可以如根據圖6的電池組控制器300所描述那樣實施。

如圖6所示，示例電池組控制器600包括直流輸入602(其可以是隔離的5V直流輸入)、充電器切換電路604、DIP-開關606、JTAG連接件608、CAN(CANBus)連接件610、微處理器單元(MCU)612、存儲器614、外部EEPROM616、溫度監視電路618、狀況燈和重置按鈕620、看門狗計時器622和電池模塊控制器(BMC)通信連接件624。

在一實施例中，電池組控制器600也從存儲電池單體中的能量供電。電池組控制器600可以由直流輸入602連接到電池單體。在其它實施例中，電池組控制器600可以從連接到直流輸入602的交流至直流電源供電。在這些實施例中，DC-DC電源然後可以將輸入直流電轉換為適合於操作電池組控制器600的各個電部件的一個或多個功率級。

在圖6示出的示例性實施例中，充電器切換電路604聯接到MCU 612。充電器開關電路604和MCU 612可以用來控制平衡充電器諸如圖1C的平衡充電器132的操作。如上文所描述，平衡充電器可以向電池組的電池單體添加能量。在一實施例中，溫度監視電路618包括一個或多個溫度傳感器，溫度傳感器可以監視在電池組內的熱源溫度，諸如用來向電池組的電池單體添加能量的平衡充電器的溫度。

電池組控制器600也可以包括若干接口和/或連接器用於通信。這些接口和/或連接器可以聯接到MCU 612，如圖6所示。在一實施例中，這些接口和/或連接器包括：DIP-開關606，其可以用來設置用於標識電池組控制器600的軟體比特的一部分；JTAG連接件608，其可以用來測試和調試電池組控制器600；CAN(CANBus)連接件610，其可以用來與電池組外側的控制器通信；以及，BMC通信連接件624，其可以用來與一個或多個電池模塊控制器諸如電池模塊控制器的分布式菊花鏈式網絡(例如，圖5A)通信。例如，電池組控制器600可以經由BMC通信連接件624聯接到通信線，例如圖5A的通信線515。

電池組控制器600還包括外部EEPROM 616。外部EEPROM 616可以存儲電池組的值，測量值等。當切斷電池組的電源時這些值、測量值等可以持續(即，將不由於失去電力而丟失)。外部EEPROM 616也可以存儲可執行的代碼或指令，諸如用來操縱微處理器單元612的可執行代碼或指令。

微處理器單元(MCU)612聯接到存儲器614。MCU 612用來執行管理電池組的應用程式。如本文所述的那樣，在一實施例中，該應用程式可以執行以下功能(但不限於這些功能)：監視電池組100的電池單體的電壓和溫度；平衡電池組100的電池單體；監視並且控制(若需要)電池組100的溫度；處置在電池組100與電能存儲系統的其它部件(參看下文圖9)之間的通信；以及生成警告和/或警示，以及採取其它適當措施來保護電池組100的電池單體。

如上文所描述，電池組控制器可以從電池模塊控制器獲得溫度和電壓測量值。溫度讀數可以用來確保電池單體在其規定的溫度限度內操作並且調整由MCU 612上執行的應用程式計算和/或使用的溫度相關值。同樣，電壓讀數例如用來確保電池單體在其規定的電壓限度內操作。

看門狗計時器622用來監視和確保電池組控制器600的適當操作。在電池組控制器600操作期間發生不可恢復錯誤或者計劃外無限軟體循環的情況下，看門狗計時器622可以重置電池組控制器300使得其正常重新開始操作。狀況燈和重置按鈕620可以用來對電池組控制器600進行手動重置操作。如圖6所示，狀況燈和重置按鈕620和看門狗計時器622可以聯接到MCU 612。

圖7A和圖7B是示出根據本發明的一實施例的示例電池模塊控制器700的圖。具體而言，圖7A描繪了電池模塊控制器700的頂視圖並且圖7B描繪了電池模塊控制器700的底視圖，電池模塊控制器700可以聯接到電池模塊諸如圖1C的電池模塊136，並且可以包括分流電阻器735、溫度傳感器750、正端子760、負端子765和通信終端770。分流電阻器735可以用來從安裝了分流電阻器735的電池模塊放能，並且電池模塊控制器700可以經由聯接到通信終端770的通信線諸如圖5A的通信線515與電池組(例如，電池組控制器，諸如圖1C的電池控制器134)的其它部件通信。溫度傳感器750可以測量聯接到電池模塊控制器700的電池模塊的溫度。在下文中進一步關於圖8描述了電池模塊控制器700的操作。

圖8示出了根據本發明的一實施例的示例電池模塊控制器800的圖。圖1C的電池模塊控制器138可以如根據圖8的電池模塊控制器800所描述那樣實施。圖5A的電池模塊控制器520、530、540、550和560中每一個可以如根據圖8的電池模塊控制器800所描述那樣實施。電池模塊控制器800可以安裝於電池組的電池模塊上並且可以執行以下功能(但不限於此)：測量電池模塊的電壓；以及測量電池模塊的溫度；以及從電池模塊去除能量(放電)。

在圖8中，電池模塊控制器800包括處理器805、電壓參考810、一個或多個電壓測試電阻器815、電源820、故障安全電路825、分流開關830、一個或多個分流電阻器835、極性保護電路840、隔離電路845和通信線850。處理器805控制電池模塊控制器800。處理器805經由電源820從電池模塊控制器800所安裝的電池模塊接收電力。電源820可以是直流電源。如圖8所示，電源820聯接到電池模塊的正端子並且向處理器805提供電力。處理器805也經由極性保護電路840聯接到電池模塊的負端子，極性保護電路840在電池模塊控制器不當地安裝於電池模塊上的情況下保護電池模塊控制器800(例如，在圖8中原本要聯接到正端子的電池模塊控制器800的部件被不當地聯接到負端子並且反之亦然)。

電池模塊控制器800可以經由通信線850與電池組的其它部件(例如，電池組控制器，諸如圖1C的電池組控制器134)通信。如關於圖5A的示例通信網絡所描述，通信線850也可以用來以菊花鏈方式將電池模塊控制器800連接到電池組控制器和/或一個或多個其它電池模塊控制器從而形成通信網絡。通信線850可以經由安置於電池組控制器800上的通信終端聯接到電池組控制器800。照此，電池模塊控制器800可以經由通信線450來發送和接收消息(包括從電池組控制器發送的指令)。當充當通信網絡的部分時，電池模塊控制器800可以被分配唯一網絡地址，唯一網絡地址可以存儲於處理器805的存儲裝置中。

電池模塊控制器800可以經由隔離電路845與聯接到通信線的其它部件(例如，電池組控制器、其它電池模塊控制器，在電池組外部的計算系統)電隔離。在圖8中，隔離電路845安置於通信線850與處理器805之間。同樣，通信線850可以經由安置於電池組控制器800上的通信終端聯接到電池組控制器800。這個通信終端可以安置於通信線850與隔離電路845之間，或者可以是隔離電路845的部分。隔離電路845可以將處理器805電容聯接到通信線850或者可以提供本領域技術人員已知的其它形式的電隔離。

如上文所解釋，電池模塊控制器800可以測量其所安裝的電池模塊的電壓。如圖8所示，處理器805聯接到電壓測試電阻器815，電壓測試電阻器815聯接到電池模塊的正端子。處理器805可以測量在測試電阻器815兩端的電壓並且比較這個測量電壓與電壓參考810來確定電池模塊的電壓。如關於圖5A所描述，可以由電池組控制器來指導電池模塊控制器800測量電池模塊的電壓。在執行了電壓測量值之後，處理器805可以經由通信線850向電池組控制器報告電壓測量值。

電池模塊控制器800也可以從其所安裝的電池模塊去除能量。如圖8所示，處理器805聯接到故障安全電路825，故障安全電路825聯接到分流開關830。分流開關830也經由極性保護電路840聯接到負端子。分流電阻器835安置於電池模塊的正端子與分流開關830之間。在此實施例中，當分流開關830打開時，分流電阻器835並不施加到電池模塊的正端子和負端子，並且當分流開關830閉合時，分流電阻器835施加到電池模塊的正端子和負端子以便從電池模塊去除能量。處理器805可以指導分流開關830以將電阻器835選擇性地施加到電池模塊的正端子和負端子以便從電池模塊去除能量。在一實施例中，處理器805以有規律的間隔(例如，每30秒一次)指導分流開關830施加分流電阻器835以便使電池模塊持續地放電。

故障安全電路825可以防止分流開關830從電池模塊去除太多能量。在處理器805故障的情況下，故障安全電路825可以指導分流開關830停止將分流電阻器835施加到電池模塊的正端子和負端子。舉例而言，處理器805以有規律的間隔(例如每30秒一次)指導分流開關830施加分流電阻器835以便使電池模塊持續地放電。安置於處理器805與分流開關830之間的故障安全電路825可以監視處理器805發送給分流開關830的指令。在處理器805向分流開關830發送安排指令失敗(這可能是由於處理器805故障造成)的情況下，故障安全電路825可以指導或造成分流開關830打開，防止電池模塊進一步放電。處理器805可以指導故障安全電路825防止分流開關830使電池模塊放電低於閾值電壓或充電狀態水平，閾值電壓或充電狀態水平可以在電池模塊控制器800或者外部控制器(例如，電池組控制器)中存儲或計算。

圖8的電池模塊控制器800還包括溫度傳感器855，溫度傳感器855可以測量電池模塊控制器800所連接的電池模塊的溫度。如圖8所描繪，溫度傳感器855聯接到處理器805並且可以向處理器805提供溫度測量值。本領域技術人員已知的任何溫度傳感器可以用來實施溫度傳感器855。

圖9是示出了根據本發明的一實施例的電池能量儲存系統900的圖。電池能量存儲系統900可以作為獨立系統操作，或者其可以與其它電池能量儲存系統組合在一起形成較大電池能量儲存系統的一部分。電池能量儲存系統900可以高度可擴展的，從小千瓦時級電池能量儲存系統到兆瓦時級電池能量儲存系統。在圖9中示出的實施例中，電池能量儲存系統900容納於容器(類似於船運貨櫃)中並且可以移動(例如，由卡車運輸)。本領域技術人員已知的其它外殼在本發明的範圍內。

如圖9所示，電池能量儲存系統900包括多個電池組，諸如電池組910。電池組910可以如上文關於圖1至圖8所描述實施。如上文所解釋，每個電池組包括：電池單體(其可以布置於電池模塊中)；電池組控制器，其監視電池單體；平衡充電器(例如，直流電源)，其向電池單體中每一個添加能量；以及，電池模塊控制器的分布式菊花鏈式網絡，其可以對電池單體進行某些測量並且從電池單體去除能量。如所解釋的那樣，電池組控制器可以控制電池模塊控制器的網絡和平衡充電器以控制電池組的充電狀態或電壓。

電池能量存儲系統900的電池組可以安裝於機架上。多個電池組可以串聯，其可以被稱作電池組的串或者電池組串。例如，電池組910可以與其它電池組串聯以形成電池組串920。圖9示出了三個電池組串920、930和940。多個電池組串可以並聯以形成電池能量儲存系統。

每個電池組串可以由控制器控制，控制器可以被稱作串控制器。例如，電池組串920可以由串控制器950控制。顧名思義，串控制器可以監視並控制串的電池組。在一實施例中，多個串控制器可以使用CAN(CANBus)通信而聯繫在一起，CAN(CANBus)通信允許串控制器一起作為電池串控制器的總網絡的部分操作。這個電池串控制器的網絡可以管理並且操作任何大小的電池系統，諸如多兆瓦級集中式電池能量儲存系統。在一實施例中，網絡化電池串控制器(諸如電池串控制器950)之一可以指定為主電池串控制器並且用來通過發送命令來控制電池充電和放電操作，命令操作連接到電池系統的一個或多個逆變器和/或充電器。替代地，計算機或系統控制器960可以聯接到並且控制電池能量儲存系統中的串控制器。串控制器可以與其串中的電池組中每一個中的電池組控制器通信(例如，串控制器950可以與電池組910中的BPC通信)以監視並且控制電池組的充電和放電。在一實施例中，串控制器向其串中的每個電池組發送目標電壓，並且電池組將電池單體調整到目標電壓。串控制器和BPC也可以通信測量(例如，電壓、溫度、電流值)並且執行診斷程序、啟動程序等。

在一實施例中，電池能量儲存系統900包括或以其它方式連接到雙向電力轉換器。雙向電力轉換器可以使用例如經由計算機在網絡(例如，網際網路、乙太網)上發布的命令來給電池組充電和放電。在一實施例中，在公用事業(utility)的操作者可以使用網絡化計算機來控制電池能量儲存系統900。可以控制雙向電力轉換器的有效功率和無功功率。而且，在某些實施例中，當不能提供電網電力和/或電池能量存儲單元與電網斷開連接時，雙向電力轉換器可以作為備用電源操作。

電池能量儲存系統900可以用作可再生風能系統的部分，可再生風能系統包括風力渦輪。來自風力渦輪的能量可以存儲於電池能量儲存系統900中並且從電池能量系統900選擇性地放電。同樣，電池能量儲存系統900可以用作可再生太陽能系統的部分，可再生太陽能系統包括太陽能陣列。來自太陽能陣列的能量可以存儲於電池能量儲存系統900中並且從電池能量系統900選擇性地放電。此外，電池能量儲存系統900可以用作電網能量系統(電網)的一部分，電網能量系統包括電氣設備。來自電網能量系統的能量存儲於電池能量儲存系統900中並且從電池能量系統900選擇性地放電。

圖10是示出用於平衡電池組諸如圖1A至圖1C的電池組100的示例方法1000，電池組100包括多個電池模塊、平衡充電器、電池組控制器和隔離、分布式菊花鏈電池模塊控制器的網絡。方法1000可以實施為可以由處理器執行的軟體或固件。即，方法5000的每個階段可以實施為存儲於非暫時計算機可讀存儲裝置上的一個或多個計算機可讀指令，計算機可讀指令當由處理器執行時造成處理器實施一個或多個操作。例如，方法1000可以實施為一個或多個計算機可讀指令，計算機可讀指令存儲於電池組(例如，圖1A至圖1C的電池組100)中的電池組控制器(例如，圖1C的電池組控制器134)中存儲和執行。

由於圖10的描述參考電池組的部件，為了清楚起見，當描述圖10的方法5000的不同階段時，在圖1A至圖1C的電池組100的示例實施例中枚舉的部件圖的示例用來參考具體部件。然而，圖1A至圖1C的電池組100僅是一示例，並且方法1000可以使用並非圖1A至圖1C中描繪的示例性實施例的電池組的實施例來實施。

在開始時，方法1000前進到階段1110，在階段1110，由電池組控制器諸如電池組控制器134接收目標電壓值。目標值可以用於平衡電池組中的每個電池模塊(例如電池模塊136)的電壓和/或充電狀態並且可以從外部控制器諸如關於圖9所描述的串控制器接收。在階段1015，向電池模塊輪詢電壓測量值。例如，電池組控制器134可以從安裝到電池模塊上的電池模塊控制器(例如，電池模塊控制器138)中每一個請求電壓測量值。同樣，一個電池模塊控制器可以安裝於電池模塊中每一個上。每個電池模塊控制器可以測量安裝了電池模塊控制器的電池模塊的電壓，並且將測量的電壓通信給電池組控制器134。並且，如關於圖5A所討論，電池組控制器和多個隔離、分布式菊花鏈式電池模塊控制器可以聯接在一起以形成通信網路。可以依序執行輪詢(例如，輪詢BMC 520、之後BMC 530，之後BMC 540，以此類推)。在一實施例中，目標充電值狀態可以在階段1010接收，而不是目標電壓值。然後通過基於每個輪詢的電壓值估計或計算充電狀態來比較這個目標充電狀態與輪詢的電壓值。

在階段1020，關於每個輪詢的電池模塊電壓是否處於可接受範圍做出判斷。這個可接受範圍可以由高於和/或低於所接收的目標電壓的一個或多個閾值電壓來確定。例如，電池組控制器134可以使用開始放電值、停止放電值、開始充電值和停止電壓值，使用這些值判斷是否應執行電池模塊的平衡。在一實施例中，開始放電值可以大於停止放電值(二者可以大於目標值)並且開始充電值可以小於停止充電值(二者可以都小於目標值)。這些閾值可以作為絕對值存儲或者通過將存儲的偏移值添加到所接收的目標電壓值而導出。在一實施例中，可接受範圍可以在開始放電值與開始充電值之間，指示可能不需要平衡的範圍。如果所有電池模塊電壓在可接受範圍內，方法1000繼續到階段1025。在階段1025，平衡充電器(例如，平衡充電器132)切斷(如果接通)並且已經施加的每個電池模塊控制器138的分流電阻器諸如圖7A的分流電阻器735打開以停止從電池模塊去除能量。例如，電池組控制器134可以指導平衡充電器132停止向電池組1000的電池模塊提供能量。電池組控制器134也可以指導每個電池模塊控制器(每個電池模塊控制器向其所安裝的電池模塊施加分流電阻器)停止施加分流電阻器並且因此從電池模塊去除能量。方法1000然後返回到步驟1015，其中再次向電池組的電池模塊輪詢電壓值。

返回至階段1020，如果所有電池模塊電壓都不在可接受範圍內，這些方法繼續到階段1030。在階段1030，對於每個電池模塊，判斷電池模塊電壓是否高於開始放電值。如果電壓高於開始放電值，方法1000繼續至階段1035，在階段1035，施加聯接到電池模塊的電池模塊控制器(例如，5個電池模塊控制器138)的分流電阻器以便從模塊移除(排放)能量。該方法然後繼續到階段1040。

在階段1040，對於每個電池模塊，判斷電池模塊電壓是否低於停止放電值。如果電壓低於停止放電值，方法1000繼續至階段1045，其中聯接到電池模塊的電池模塊控制器(例如電池模塊控制器I38)的分流電阻器打開以便停止從模塊放能。即，電池模塊控制器停止(多個)分流電阻器施加到安裝了分流電阻器的電池模塊的端子上。這防止電池模塊控制器從電池模塊去除能量。該方法然後繼續到階段1050。

在階段1050，判斷出至少一個電池模塊電壓低於開始放電值。如果任何電壓低於開始充電值，方法1000繼續到階段1055，在階段1055，接通平衡充電器以向所有電池模塊提供能量。例如，電池組控制器134可以指導平衡充電器132接通，向電池組100的電池模塊中每一個提供能量。方法1000然後繼續到階段1060。

在階段1060，判斷出所有電池模塊電壓高於停止充電值。如果電壓高於停止充電值，方法1000繼續到階段1065，其中切斷(如果在先前接通)平衡充電器以停止對電池組的電池模塊充電。例如，電池組控制器134可以指導平衡充電器132以停止向電池組100的電池模塊提供能量。方法1000然後返回到階段1015，在階段1015，再次向電池模塊輪詢電壓測量值。因此，如先前所描述，方法1000的階段1015至1060可以持續地平衡電池組諸如電池組100內的電池模塊的能量。

應意識到詳細描述部分而非

技術實現要素：
和摘要部分預期用於解釋權利要求。發明內容和摘要部分可以陳述了(多個)發明者設想到的本發明的一個或多個示例性實施例而不是所有示例性實施例，並且因此預期並不以任何方式限制本發明和權利要求。

在上文中藉助於功能構建塊描述了本發明的實施例，功能構建塊示出了所規定的功能和其關係的實施。這些功能構建塊的邊界在本文中任意地限定以便於描述。也可以限定替代邊界，只要適當地執行規定的功能和其關係。而且，標識符諸如「(a)」、「(b)」、「(i)」、「(ii)」等有時用於不同的元件或步驟。這些標識符出於清楚目的而使用並未未必指定元件或步驟的次序。

具體實施例的前文的描述也將全面地披露本發明的一般性質，其它人通過採用本領域技術內的知識能夠易於修改和/或調適以用於各種應用諸如具體實施例，無需過度實驗，而不偏離本發明的一般構思。因此，基於本文中展示的教導內容和引導，這些調適和修改預期在所公開的實施例的意義和範圍內。應了解本文中的短語或術語是出於描述目的並且並無限制意義，使得本說明書的術語或短語將由本領域技術人員根據教導內容和指導來解釋。

本發明的範疇和範圍不應限於上文所描述的實施例，而是應僅根據以下權利要求和其等效物來限定。