具体实施方式

本发明的应用不限于任何特定系统，但是其可以结合各种电气系统使用。此外，例如，本发明的使用不限于采用任何特定基频或任何特定电压水平的系统。

图1示出了可能的电池能量存储(BES)单元10的简化示例。图1的示例性电池能量存储单元可以包括一个或更多个电池模块11，这些电池模块11可以彼此串联和/或并联连接以提供例如具有期望的电压和电力特性的DC输出DC+、DC-。每个电池模块11可以包括一个或更多个电池单元。电池单元可以是任何种类的可充电电池单元，例如铅酸电池单元、镍镉(NiCd)电池单元、镍金属氢化物(NiMH)电池单元、锂离子(Li-ion)电池单元和锂离子聚合物(Li-ion聚合物)电池单元或不同类型的电池单元的组合。电池能量存储单元10的示例是一个电池架或者连接在一起的两个或更多个电池架。例如，图1的示例性电池能量存储单元10还可以包括用于管理和监视电池模块11的电池管理系统(BMS)12。例如，BMS12可以确定电池能量存储单元10的荷电状态(SOC)和/或健康状态(SOH)值，以及/或者负责能量存储单元10内各个单元的能量(电压)的平衡。电池能量存储单元10还可以包括其他部件，例如，熔断器和开关。应当注意，除了物理单元之外，本文中使用的术语“电池能量存储单元”通常也可以指由链接在一起作为单元操作的两个或更多个物理单元或其一部分构成的逻辑单元。

图2示出了根据实施方式的电池能量存储系统的简化示例。该图仅示出了与用于了解电池能量存储系统的操作相关的部件。示例性电池能量存储系统包括至少三个电池能量存储单元10、DC电力连接30和设置在所述至少三个电池能量存储单元10与DC电力连接30之间的开关装置40。开关装置40优选地被配置成能够将所述至少三个电池能量存储单元10中的每一个单独耦接至DC电力连接30以及从DC电力连接30断开耦接。开关装置40可以包括针对电池能量存储单元10中的每一个的一个或更多个专用开关S，由此电池能量存储单元10中的每一个可以单独且彼此分开地电耦接至DC电力连接30以及从DC电力连接30断开耦接。开关S可以是能够将电池能量存储单元10耦接至DC电力连接30以及从DC电力连接30断开耦接的任何种类的开关装置。例如，这样的开关装置的一些示例包括电可控机械开关，例如机电继电器和接触器、电路断路器以及固态开关或半导体开关。例如，开关S可以是单极或双极开关。因此，DC电力连接30可以形成用于所有电池能量存储单元10的公共DC电力连接，例如DC链路，电池能量存储单元10例如可以经由该公共DC电力连接被充电和放电。根据实施方式，开关装置40被配置成能够将所述至少三个电池能量存储单元10中的每一个单独直接耦接至DC电力连接30以及从DC电力连接30断开耦接。术语“直接”在本文中指的是在各个电池能量存储单元10与DC电力连接30之间的耦接中不涉及任何电力转换——即不涉及任何电力转换器装置——的直接耦接。

根据实施方式，电池能量存储系统可以包括连接至DC电力连接30的至少一个电力转换器装置。图2的示例示出了电力转换器装置50，该电力转换器装置50在该示例中是逆变器，DC电力连接30可以经由该逆变器连接至AC系统60，例如AC电力网络(电网)。这样的逆变器50可以是单级逆变器或包括两个或更多个转换器级的多级逆变器。可能存在设置在电池能量存储系统与AC网络60之间的一个或更多个开关(未示出)，从而使得电池能量存储系统能够连接至AC网络60以及从AC网络60断开连接。可以有多于一个连接至电池能量存储系统或包括在电池能量存储系统中的电力转换器装置50。此外，例如，代替逆变器或除了逆变器之外，这样的电力转换器装置还可以包括一个或更多个DC至DC转换器和/或变压器。因此，例如，DC电力连接30也可以直接连接至DC电力系统或者经由一个或更多个DC至DC转换器连接至DC电力系统，例如DC电力网络(电网)。将电池能量存储系统的DC电力连接30接口至DC或AC电力系统(例如电网)60的一个或更多个电力转换器装置50优选地是使得电力能够在两个方向上传输的双向转换器。作为结果，可以存在至少两种操作模式：放电模式，在放电模式中，电力可以例如从电池能量存储单元10馈送到连接的DC或AC电力系统60中；以及充电模式，在充电模式中，电力可以从连接的DC或AC电力系统60中拉出并存储到电池能量存储单元10中。

图2的示例性系统还包括用于电池能量存储系统的控制装置，该示例性控制装置包括控制单元20。在控制装置中可以存在多于一个的这样的控制单元。根据本文描述的各种实施方式的功能可以至少部分地通过控制单元20来实现。例如，控制单元20可以控制开关装置40的开关，并且可以监视电池能量存储单元10。此外，例如，控制单元20还可以控制以及/或者监视连接至电池能量存储系统或包括在电池能量存储系统中的可能的一个或更多个电力转换器装置50。代替电池能量存储单元10内的BMS或除了电池能量存储单元10内的BMS之外，控制单元20还可以包括电池能量存储单元10中的至少一个或每一个的BMS 12的至少一些功能。因此，控制器20可以例如通过测量各个电池能量存储单元10的电量(例如，电流或电压)来确定至少一个或每个电池能量存储单元10的SOC和/或SOH值(图中未示出的可能的测量装置)。虽然在图2的示例中单独示出了示例性控制单元20，但是它可以例如是一些其他实体——例如开关装置40——的一部分。

根据实施方式，电池能量存储系统的控制包括：从所述至少三个电池能量存储单元10中选择至少两个电池能量存储单元，使得所选择的至少两个电池能量存储单元的短路电流之和在短路电流限制以下，其中，短路电流限制小于电池能量存储系统的所述至少三个电池能量存储单元的短路电流之和，并且使得所选择的至少两个电池能量存储单元的放电功率之和或充电功率之和等于或超过功率限制，并且使得所选择的至少两个电池能量存储单元的荷电状态在确定的范围内。根据实施方式，开关装置40然后被控制成仅将所选择的至少两个电池能量存储单元10耦接至DC电力连接30。因此，确定的范围指示在选择中使用的电池能量存储单元的荷电状态的最大变化范围。术语“荷电状态(SOC)”通常是指电池或电池单元(例如电池能量存储单元10)的充电状态，并且通常是例如通过任何合适的方式——例如完全充电的百分比(从0％到100％)——表示的电池或电池单元的可用容量的指示。荷电状态可以通过任何合适的方式来确定，并且这样的确定可以基于例如电池或电池单元的电压和/或电流信息。例如，在电池能量存储单元10的情况下，电池能量存储单元的荷电状态可以从电池能量存储单元的电池管理系统(BMS)12获得。根据实施方式，可以分别针对电池能量存储单元11的充电模式和电池能量存储单元11的放电模式来确定荷电状态的确定范围。此外，例如，荷电状态的确定范围可以是预定的或者是例如基本上连续地或周期性地主动确定的。根据实施方式，可以基于电池能量存储系统和/或连接至电池能量存储系统的一个或更多个部件的最大电流耐受水平来设置小于所述至少三个电池能量存储单元的短路电流之和的短路电流限制。根据实施方式，短路电流限制被设置为足够低的水平，使得在短路情况例如外部短路的情况下，电池能量存储系统和/或直接连接至电池能量存储系统的部件能够耐受这样的水平的短路电流，即不会被这样的水平的短路电流损坏。作为示例，如果电力转换器50具有最低的电流耐受水平，则短路电流限制可以被设置为低于电力转换器50的最大峰值电流耐受值。根据实施方式，功率限制可以例如是预定的或者基本上连续地或周期性地主动确定的。功率限制可以被设置成与电池能量存储系统和/或直接连接至电池能量存储系统的部件的标称功率相对应。例如，功率限制也可以根据连接至电池能量存储系统的DC或AC电力系统60的可能变化的功率需求或由连接至电池能量存储系统的DC或AC电力系统60提供的功率容量来设置。这样的变化的功率限制或者至少使得能够确定该功率限制的信息可以由例如电池能量存储系统所连接的DC或AC电力系统(例如电网)60的较高级别的控制器——例如，公用电网控制器(未示出)——设置并被传送至控制器20。

根据实施方式，电池能量存储系统的控制还可以包括：监视耦接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态；并且如果耦接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元中的至少一个的荷电状态在确定的范围之外，则重复以下步骤：从所述至少三个电池能量存储单元中选择至少两个电池能量存储单元，并且控制开关装置40以仅将所选择的至少两个电池能量存储单元耦接至DC电力连接30。根据实施方式，在重复从所述至少三个电池能量存储单元10中选择至少两个电池能量存储单元的步骤时，所述选择包括：重新选择其荷电状态在确定的范围内的至少一个先前选择的电池能量存储单元。根据实施方式，在重复控制开关装置40以仅将所选择的至少两个电池能量存储单元耦接至DC电力连接30的步骤时，控制开关装置40以在从先前选择的电池能量存储单元到新选择的电池能量存储单元的转换期间始终保持至少一个电池能量存储单元耦接至DC电力连接。例如，使至少一个电池能量存储单元10始终连接至DC电力连接30的这样的操作允许电池能量存储单元10中的至少一个与DC电力连接之间的连续电力流动，这对于例如保持DC或AC电力系统60的电量(例如，有功和无功功率水平、频率、电压)尽可能稳定可能特别重要。

图3示出了根据实施方式的示例性流程图。在开始电池能量存储系统的控制时，或在此之后，可以确定100一个或更多个参数的初始值。如果要将预定值用于所讨论的参数，则这样的确定100可以仅包括将参数的值设置为预定值。这样的确定100还可以包括计算参数的初始值，或者从电池能量存储系统外部的实体(例如，较高级别的控制系统)获得、查询和/或接收参数的初始值。这样的较高级别的控制系统的示例是监视控制和数据采集(SCADA)系统。例如，这样的SCADA系统可以属于电池能量存储系统所连接的DC或AC电力系统(例如电网)60以及/或者控制电池能量存储系统所连接的DC或AC电力系统(例如电网)60。可能的参数的一些示例可以包括以下中的一个或更多个：单独的可连接的BES单元的数量(#BES_total)、每个BES单元的短路峰值电流(Isc,pk_BESn)、每个BES单元的最大/标称输出功率(Pn_BESn)、每个BES单元的荷电状态(例如电压)水平(SOC_BESn)、电力转换器的最大峰值电流耐受值(Isc,ws_Conv)以及BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)。在确定100之后，从至少三个电池能量存储单元10中选择110至少两个电池能量存储单元，使得满足以下三个条件：1)所选择的至少两个电池能量存储单元的短路电流之和在短路电流限制以下，其中，短路电流限制小于所述至少三个电池能量存储单元的短路电流之和，2)所选择的至少两个电池能量存储单元的放电功率之和或充电功率之和等于或超过功率限制，以及3)所选择的至少两个电池能量存储单元的荷电状态在确定的范围内。然后，在步骤120中，通过适当地控制开关装置40，仅将所选择的至少两个电池能量存储单元连接至DC电力连接30。在将所选择的至少两个电池能量存储单元连接120至DC电力连接30之后，可以开始130根据操作模式(即充电模式或放电模式)对所连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电。在步骤140中，检查连接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态是否在确定的范围内。例如，可以在对连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电时执行步骤140。如果连接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态在确定的范围内，则连接的至少两个电池能量存储单元的充电或放电可以继续。但是如果连接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态不在确定的范围内，则重复步骤110和步骤120，并且可以开始130对新选择和连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电。

图4示出了根据另一实施方式的示例性流程图。例如，在开始电池能量存储系统的控制时，或在此之后，类似于图3的示例中的步骤100，可以确定200一个或更多个参数的初始值。在确定200之后，从至少三个电池能量存储单元10中选择210至少两个电池能量存储单元，使得满足以下三个条件：1)所选择的至少两个电池能量存储单元的短路电流之和在短路电流限制以下，其中，短路电流限制小于所述至少三个电池能量存储单元的短路电流之和，2)所选择的至少两个电池能量存储单元的放电功率之和或充电功率之和等于或超过功率限制，以及3)所选择的至少两个电池能量存储单元的荷电状态在确定的范围内。然后，在步骤220中，通过适当地控制开关装置40，仅将所选择的至少两个电池能量存储单元连接至DC电力连接30。在将所选择的至少两个电池能量存储单元连接220至DC电力连接30之后，可以开始230根据操作模式(即充电模式或放电模式)对所连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电。在步骤240中，检查连接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态是否在确定的范围内。例如，可以在对连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电时执行步骤240。如果连接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态在确定的范围内，则进行250功率方向是否已经改变以及/或者功率限制是否已经超过所选择和连接的至少两个电池能量存储单元的放电功率之和或充电功率之和的一个或多个附加检查。如果功率方向没有改变以及/或者功率限制没有超过所选择和连接的至少两个电池能量存储单元的放电功率之和或充电功率之和，则所连接的至少两个电池能量存储单元的充电或放电可以继续。但是如果功率方向已经改变以及/或者功率限制已经超过所选择和连接的至少两个电池能量存储单元的放电功率之和或充电功率之和，则重复步骤210和步骤220，并且开始230对新选择和连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电。此外，如果在步骤240中连接至DC电力连接30的所选择的至少两个电池能量存储单元11的荷电状态不在确定的范围内，则重复步骤210和步骤220，并且开始230对新选择和连接的至少两个电池能量存储单元进行充电或放电。

图5示出了十(1至10)个电池能量存储(BES)单元的荷电状态(SOC)的示例性图，荷电状态被指示为所讨论的BES单元的完全充电的百分比(100％)，其可以基于例如BES单元的电压Vdc。该图还示出了BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)的示例。在该示例中，BES单元2至10的SOC值在范围SOC_Var,max内，而BES单元1的SOC值在范围SOC_Var,max外。因此，在该示例中，当范围SOC_Var,max表示确定的范围时，BES单元2至10将满足其荷电状态在确定的范围内的标准。根据实施方式，BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)可以由指示范围长度的单个值——即范围的最大值与最小值之间的差——来表示或预先确定。在这种情况下，范围的位置可以变化，并且取决于BES单元10的SOC值。根据另一实施方式，BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)可以由指示范围长度和范围位置的至少两个值来表示。例如，这样的至少两个值可以包括该范围的最大值和最小值。可替选地，例如，这样的至少两个值可以包括范围的长度以及范围的最大值、范围的最小值和范围的中值中的任何一个。图6示出了十(1至10)个电池能量存储(BES)单元的荷电状态(SOC)以及BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)的另一示例性图。范围SOC_Var,max内的实线示出BES单元的SOC值的平均值。在该示例中，范围SOC_Var,max的位置是固定的并且不取决于BES单元的SOC值。例如，这种范围SOC_Var,max可以用于充电模式。图7示出了十(1至10)个电池能量存储(BES)单元的荷电状态(SOC)以及BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)的另一示例性图。范围SOC_Var,max内的实线示出BES单位的SOC值的平均值。同样在该示例中，范围SOC_Var,max的位置是固定的。例如，这种范围SOC_Var,max可以用于放电模式。图8示出了十(1至10)个电池能量存储(BES)单元的荷电状态(SOC)以及BES单元的荷电状态的最大变化范围(SOC_Var,max)的又一示例性图。范围SOC_Var,max内的实线示出了BES单元的SOC值的平均值。范围SOC_Var,max内的点划线示出了范围SOC_Var,max的中值。例如，这种范围SOC_Var,max可以用于充电模式或放电模式。

根据实施方式，例如，可以基于BES单元10在彼此直接并联连接时的电行为来确定BES单元的荷电状态的最大变化范围SOC_Var,max。由于BES单元10将直接(没有涌入电流限制电力转换装备串联)彼此并联连接，因此连接具有不同SOC(例如电压)值的两个或更多个BES单元的涌入电流可能会对连接装置造成损坏。因此，根据实施方式，SOC_Var,max优选地被选择为使得其允许在没有由涌入电流引起的问题的情况下进行连接。根据实施方式，当范围SOC_Var,max的长度被表示为百分点，即指示SOC值可以彼此不同多少个百分点或p.p.时，范围SOC_Var,max的长度可以是0与50p.p.之间的任何值，优选地是0与30p.p.之间的任何值，更优选地是0与15p.p.之间或0与5p.p.之间的任何值。例如，所使用的范围SOC_Var,max的长度的值越小，开关操作可能发生得越频繁，并且因此，例如，为了减少开关部件的磨损，可以优选地使用设计允许的范围SOC_Var,max的长度的高值。

为了进一步说明根据一些示例性实施方式的操作，现在描述示例性而非限制性的情况。假设有12个BES单元10，并且这些单元中的每一个最初充电到50％的SOC值。BES单元10经由电力转换器50连接至AC电网60，电力转换器50具有等于三个BES单元的额定功率的标称额定功率，即至少三个BES单元必须连接至转换器，以便能够将标称功率传送到任一功率方向(充电/放电)。巧合的是，电力转换器50具有与三个BES单元之和的短路电流水平相等的电流耐受水平。因此，在给定时间，最多可以将三个BES单元连接至电力转换器。已经(通过模拟或测试等方式)确定为了保证开关装置S的安全操作，范围SOC_Var,max的长度必须不超过10％，并且因此选择10％。BES系统的控制器20从较高级控制器(例如公用电网SCADA)接收从电网60获取转换器标称功率的请求，因此控制器必须启动BES系统的充电。现在，控制器20从可用的(所有12个单元都在范围SOC_Var,max内)12个BES组中选择三个BES单元10，并且由于每个BES单元的SOC值相等，因此可以选择BES单元中的任何一个。此时，控制器20可以使用二级选择标准健康状态(SOH)来选择BES单元。SOH指示BES单元与其初始健康状态相比的状况。为了保持BES单元的负载尽可能相等，优选地选择此时SOH值最高的BES单元。假设控制器20选择BES单元1、2和3。现在所选择的三个BES单元满足标准(BES单元的功率之和等于或超过转换器的功率值，所选择的BES单元的短路电流之和不超过转换器的电流耐受值，并且所选择的BES单元的SOC值在允许的最大范围SOC_Var,max内)，可以根据电力请求启动电力输送，即对BES单元的充电。在启动中，范围SOC_Var,max可以居中到BES单元的SOC值的平均值。如果某些单元的SOC值离平均水平太远(例如，距平均SOC水平超出范围SOC_Var,max)，则可以将它们从可用的可选择的BES单元列表中丢弃，并且平均SOC值可以仅基于可选择的BES单元的SOC值重新计算。随着所选择的BES单元1至3被充电，它们的SOC水平开始升高。此时，存在如何将范围SOC_Var,max与可选择的BES单元的SOC值相关联的两种替选方式：根据第一种替选方式，在充电时，可以将范围SOC_Var,max的下限水平(lower level)与可选择的BES单元的最低SOC水平相关联，可选择的BES单元的最低SOC水平的状态是连续更新的(以选定的频率或在特定事件的时刻处——例如在达到方差限制值时——被更新)，以及在放电时，将范围SOC_Var,max的最高值与可选择的BES单元的最高SOC相关联。根据第二种替选方式，可以连续更新(如在第一种替选方式的情况下)可选择的BES单元的SOC值的平均值，并将其与范围SOC_Var,max的中值相关联。假设在当前示例性情况下，所选择的BES单元1至3已经达到55％的SOC值，如果范围SOC_Var,max的中值与可选择的BES单元的平均SOC值(50％)相关联，则55％的SOC值是可能的最高SOC值，即，SOC变化范围从50％的值覆盖+-5p.p.。可替选地，如果范围SOC_Var,max与可选择的BES单元的最低SOC值相关联，则可以将所选择的BES单元1至3充电到60％的SOC水平，即从50％的SOC值开始+10p.p.。在继续充电时，在所选择的BES单元的最高SOC值超出范围SOC_Var,max(例如，在使用第一种替选方式的情况下的60％)的时刻，控制器20选择此时处于50％的SOC水平的其他BES单元，例如单元4至6，并且在这些BES单元连接的情况下继续充电。通过继续如上所说明的，通过在给定时间仅选择BES单元10的一部分并将它们耦接至DC电力连接30，可选择的BES单元的整个组可以以类似波的方式充电到更高的SOC水平。如果来自较高级别控制器的功率方向请求改变到放电模式，则根据实施方式，选择来自可选择的BES单元中的具有最高SOC水平的BES单元，并且放电可以以类似但相反的方式继续。

如果在任何时候BES单元中的一个或更多个由于它们的SOC值不在范围SOC_Var,max内而不能被选择，则它们可以被单独充电/放电以重新进入范围SOC_Var,max(例如，通过转换器50或通过BES系统内的单独的电力转换器/电力平衡器)，或者当可选择的BES组的SOC值由于BES系统的循环功率(SOC)波动而足够接近时，它们可以重新进入该范围。

根据本文中的实施方式中的任一个或其组合，控制装置20或控制电池能量存储系统或其一个或更多个部件的其他装置可以被实现为一个物理单元或者被配置成实现各种实施方式的功能的两个或更多个单独的物理单元。在本文中，术语“单元”通常指物理实体或逻辑实体，例如物理装置或其一部分或软件例程。例如，根据实施方式中的任一实施方式的控制装置20可以至少部分地借助于设置有合适的软件的一个或更多个计算机或相应的数字信号处理(DSP)装备来实现。这样的计算机或数字信号处理装备优选地至少包括提供用于算术运算的存储区域的工作存储器(RAM)和中央处理单元(CPU)例如通用数字信号处理器。CPU可以包括一组寄存器、算术逻辑单元以及控制单元。CPU控制单元是由从RAM被传送至CPU的程序指令序列控制的。CPU控制单元可以包含用于基本操作的许多微指令。微指令的实现可以根据CPU设计而变化。程序指令可以通过编程语言被编码，编程语言可以是高级编程语言例如C、Java等，或者低级编程语言例如机器语言或汇编语言。计算机还可以具有操作系统，该操作系统可以向用程序指令编写的计算机程序提供系统服务。实现本发明的计算机或其他设备或其一部分还可以包括合适的用于接收例如测量数据和/或控制数据的输入装置以及用于输出例如控制数据或其他数据的输出装置。还可以使用特定的一个或多个集成电路或者分立的电气部件和装置来实现根据实施方式中的任一实施方式的功能。

当前的电池能量存储系统可以包括可以用于实现根据本文描述的各种实施方式的功能的处理器和存储器。因此，在现有电池能量存储系统中用于实现实施方式所需的至少一些修改和配置可以作为软件例程来执行，其可以作为添加或更新的软件例程来实现。如果本发明的功能的至少一部分是通过软件来实现的，则这样的软件可以被设置为包括计算机程序代码的计算机程序产品，该计算机程序代码在计算机上运行时使计算机或对应的装置执行根据如本文所述的实施方式的功能。这样的计算机程序代码可以被存储在或通常体现在计算机可读介质例如合适的存储器如闪存或光存储器上，所述计算机程序代码可以从计算机可读介质被加载至执行程序代码的一个单元或多个单元。此外，实现本发明的这样的计算机程序代码例如可以经由合适的数据网络被加载到执行计算机程序代码的一个或多个单元，并且实现本发明的这样的计算机程序代码可以代替或更新可能的现有程序代码。

对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，本发明的基本构思可以以各种方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。