CN104467196A

CN104467196A - 储能系统

Info

Publication number: CN104467196A
Application number: CN201310435888.7A
Authority: CN
Inventors: 彼得·马里诺夫
Original assignee: Minmei (macao Commercial Offshore) Ltd
Current assignee: Guangzhou Mingmei new energy Co., Ltd
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN104467196B

Abstract

一种储能系统，包括：多个电池构造体，其贡献负载电流给储能系统的输出端，电池构造体包括单体电池控制器和一个或多个单体电池；系统控制器，用于提供对储能系统的功能控制和与外部主机的通信；一个或多个系统充电器，用于给电池构造体中的单体电池充电；接口，其为至少两个电池构造体提供独立的连接以允许所述至少两个电池构造体从所述储能系统中单独地移除，其中，所述系统控制器：监视所述电池构造体的状况并确定更换所述电池构造体中的一个的需要；以及转移来自充电器的电流流向以提供对所述负载电流的贡献，来代替从正在被更换的所述电池构造体提供的对所述负载电流的贡献，以允许在所述储能系统操作时更换所述电池构造体。

Description

储能系统

技术领域

本发明涉及储能系统（ESS）且特别涉及可用作用于关键应用的大型电池的储能系统。

背景技术

热插拔是用于描述在无需关闭电子元件所运行的系统的电源或使其所运行的系统出现严重的中断的情况下进行电子元件的更换的术语。在需要更改配置、更换元件或修复系统而不中断其操作的情况下，使用热插拔。

储能系统可能包含许多电池构造体（BBB），这些电池构造体连接在一起构成电池，且由电池管理系统（BMS）进行控制。在很多情形中，像储能系统包含大型电池且在关键应用中使用时，EES被设计成允许BBB的热插拔。

众所周知，在ESS中通过具有多个BBB来提供热插拔，例如，通过包括双（1+1）电池或多（N+1）电池来提供适当的冗余度。已知的现有技术频繁地展现传统的冗余和热插拔更换原理，其中两个或更多的独立的模块化电池并行工作，且在其他电池供电时通过关闭包含将要被更换的模块的电池来实现电池模块的更换。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种储能系统，包括：

多个电池构造体，所述多个电池构造体贡献负载电流给所述储能系统的输出端，所述电池构造体包括单体电池控制器和一个或多个单体电池；

系统控制器，其用于提供对所述储能系统的功能控制和与外部主机的通信；

一个或多个系统充电器，其用于给所述电池构造体中的所述单体电池充电；

接口，所述接口为至少两个电池构造体提供独立的连接以允许所述至少两个电池构造体从所述储能系统中单独地移除，其中，所述系统控制器：

监视所述电池构造体的状况并确定更换所述电池构造体中的一个的需要；以及

转移来自充电器的电流流向以提供对所述负载电流的贡献，来代替从正在被更换的所述电池构造体提供的对所述负载电流的贡献，以允许在所述储能系统操作时更换所述电池构造体。

优选地，所述系统控制器基于从所述单体电池控制器接收到的数据来检测电池构造体故障。

优选地，被转移电流的所述充电器是在正常使用中提供电流给将要被更换的所述电池构造体的充电器。

优选地，来自所述充电器的对所述负载电流的贡献与正在被更换的所述电池构造体的正常操作电流相匹配。

优选地，所述单体电池控制器监视BBB中的单体电池并收集关于BBB中的所述单体电池的充电状态和健康状态的数据。

优选地，所述BBB还包括保护电路。

优选地，所述保护电路提供过流和/或短路、过压和/或欠压和/或过温保护。

优选地，所述单体电池控制器包括电能计量仪。

优选地，所述电能计量仪包括库仑计数器。

可选地，所述电能计量仪包括阻抗跟踪器。

优选地，所述单体电池控制器计算所述BBB的充电状态（SoC）。

优选地，所述单体电池控制器计算所述BBB的电流容量。

优选地，所述单体电池控制器包括微处理器控制器，所述微处理器控制器根据由所述电能计量仪提供的数据来计算所述BBB的健康状态（SoH）。

优选地，所述健康状态（SoH）数据被存储在位于所述BBB内的存储设备中。

优选地，所述本地存储设备存储BBB的运行参数的最新信息。

所存储的运行参数可包括电池化学性质、单体电池数量、电压、电流、温度、剩余容量和设计容量、相对SoC和绝对SoC、预测的SoH、统计参数如序号、维修时间和使用期内的运转数据（最大电流、电压、温度等）。

优选地，所述系统控制器包括n个充电器，所述n个充电器提供对n个独立的BBB的专用的充电或支持所述n个独立的BBB中的放电电流。

优选地，所述系统包括n个充电器，所述n个充电器提供对m个独立的BBB的充电或支持所述m个独立的BBB中的放电电流，其中m＞n。

优选地，所述系统控制器还包括电力开关矩阵，所述电力开关矩阵将相应的充电器的电力输出端连接到所述BBB。

优选地，所述系统控制器被包含在壳体中。

优选地，所述系统控制器可移除地耦合到每个BBB以允许轻松地插入和拔出单个BBB。

优选地，所述BBB被置于插入式托盘中，且所述托盘被插入所述壳体中，所述壳体提供每个BBB与所述系统控制器之间的电力连接和控制信号通信。

根据本发明的第二方面，提供了一种更换储能系统中的电池构造体的方法，所述方法包括以下步骤：

检测所述储能系统中的多个电池构造体的状况；

确定更换所述电池构造体中的一个或多个的需要；

转移来自充电器的电流流向以提供对负载电流的贡献，来代替从将要被更换的所述电池构造体提供的对所述负载电流的贡献；以及

在所述储能系统处于操作中时，更换所述电池构造体。

优选地，更换所述电池构造体的步骤包括为至少两个电池构造体提供单独的物理连接以允许所述至少两个电池构造体从所述储能系统中单独地移除。

优选地，所述多个电池构造体包括单体电池控制器和一个或多个电池，所述一个或多个电池贡献负载电流给所述储能系统的输出端。

优选地，所述方法还包括提供对所述储能系统的功能控制和与外部主机的通信。

优选地，监视更换所述电池构造体中的一个或多个的需要的步骤包括基于从单体电池控制器接收到的数据来检测电池构造体故障。

优选地，确定更换所述电池构造体中的一个或多个的需要的步骤包括监视BBB中的单体电池并收集关于所述BBB的单体电池的充电状态和健康状态的数据。

优选地，利用电能计量仪执行所述监视单体电池的步骤。

优选地，利用库仑计数器执行所述监视单体电池的步骤。

可选地，利用阻抗跟踪器执行所述监视单体电池的步骤。

优选地，所述监视单体电池的步骤包括计算所述电池构造体的充电状态（SoC）。

优选地，所述监视单体电池的步骤包括计算所述电池构造体的电流容量。

优选地，所述监视单体电池的步骤包括根据由所述电能计量仪提供的数据来计算所述电池构造体的健康状态SoH。

优选地，所述健康状态SoH数据被存储在位于所述BBB内的存储设备中。

优选地，所述本地存储设备存储BBB的运行参数的最新信息。

优选地，所述更换储能系统中的电池构造体的方法，所述储能系统容纳n个充电器，所述n个充电器提供对n个独立的BBB的专用的充电或支持所述n个独立的BBB中的放电电流。

优选地，所述更换储能系统中电池构造体的方法，所述储能系统容纳n个充电器，所述n个充电器提供对m个独立的BBB的充电或支持所述m个独立的BBB的放电电流，其中m＞n。

附图说明

参阅附图，本发明将仅通过示例的方式进行阐述，其中：

图1是根据本发明的ESS的实施方式的示意图；

图2是示出对根据图1中的示例的电池构造体BBB的直接充电的示意图；

图3是示出对根据图1中的示例的电池构造体BBB的具有均衡支持的直接充电的示意图；

图4是示出对根据图1中的示例的BBB的单独充电的示意图；

图5是示出根据图1中的示例的BBB的放电的示意图；以及

图6是示出根据图1中的示例的BBB的热插拔的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的ESS的示例。在这个示例中，示出了三个电池构造体，标记为5、7和9。

电池构造体5、7和9中的每个包含被配置在xSyP堆栈中的多个单体电池17。要理解BBB可以包含单个的单体电池。BBB还具有保护电路，提供过流、短路、过压、欠压和过温保护。单体电池控制器包括电能计量仪13和微处理器控制器11。电能计量仪13从单体电池电压、温度和电流评估BBB载流量和充电状态（SoC）并将该信息发给控制器11。电能计量仪可能是库仑计数器类型、阻抗跟踪设备或其他合适的设备。

微处理器控制器11根据由电能计量仪提供的数据来评估BBB的健康状态（SoH）且将该信息存储于微处理器控制器11的存储器设备中。

微处理器控制器11的存储器设备存储关于BBB运行参数的最新信息。这些参数包括电池化学性质、单体电池数量、电压、电流、温度、剩余容量和设计容量、相对SoC和绝对SoC、预测的SoH、像序列号、维修时间和使用期内的运转数据（最大电流、电压、温度，等）的统计参数。BBB还具有称为热插拔连接器的机械耦合装置19，该热插拔连接器提供用于在操作过程中插入和拔出BBB的装置。

系统控制器21被大体上显示，这个词是用于描述在本发明的示例中，被包含在壳体或柜子3中且提供对多个BBB的控制功能的组件。

在本发明的该示例中，包含DC/DC转换器的多个充电器23提供用于每个BBB5、7和9的充电和支持其的放电电流的装置，且被称为集成充电器和主动式单体电池平衡器（Active Cell Balancer）23或充电器。

电力开关矩阵（未显示）提供连接每个BBB的充电器电力输出的装置。从操作的角度来看，优选的配置是充电器23的数量与BBB的数量相匹配。

热插拔连接器插座25提供允许每个BBB5、7和9可从ESS1单独拆下的物理耦合。

系统控制器21的控制和通信单元（CCU）控制在本文所述的每一个操作模式中的ESS的操作，所述操作模式亦即，充电、放电、具有弱BBB支持的放电和对故障BBB的热插拔。来自单个的BBB本地存储器设备11的数据可被CCU21访问且可以通过通信链路31转发到外部主机控制器以便确定使用寿命快到期的或出现故障的BBB的维护需求或更换需求。

在本发明的该实施方式中，ESS1具有刚性机械结构的外壳，例如19”机架，在该19”机架中BBB5、7和9中的每一个都被置于插入柜子背板中的独立的插入式托盘中，从而提供在每个BBB与控制通信单元21之间的电力连接和控制信号通信。

在本发明的其他实施方式中，支撑外壳、绝缘线束（wire looms）和连接器的模块化结构可被用于提供在每个单独的BBB与柜子背板之间的电力和控制双向通信的装置。这对于具有大量BBB的ESS尤其有用。

以下将阐述在各种操作模式中的根据本发明的ESS的使用。充电是将能量转移到每个单独的BBB中进行存储的过程。本发明的下面的示例说明三个不同的充电模式。

图2到图4阐述ESS的不同的充电方法，图3和图4的示例的实施方式是新的充电方案，其是一个独立的专利申请的主题。

图2示出BBB5、7和9的直接充电的示例。在这个示例中，ESS1的电池组（所有BBB5、7和9串联连接）由外部充电器（未显示）充电，为实际使用的电池化学提供所需的电压和电流分布。

在该情形中，充电电流I_充电33从外部充电器的正极端子经ESS端子+Vbat27供应，穿过串联连接的BBB5、7和9中的每一个，且经-Vbat28流到充电器负极端子。在这个示例中，ESS的总充电容量等于最低容量的BBB乘以结构体数量，一旦具有最低容量的BBB达到完全充电时，充电过程结束。

第二个充电模式是具有均衡支持的BBB的直接充电。在这个示例中，ESS1的电池组（所有BBB5、7和9串联连接）由外部的充电器来充电，为实际使用的电池化学提供所需的电压和电流分布。流经串中的每个电池的充电电流是I_充电。基于来自BBB的电能计量仪13的数据确定每个BBB的容量，且为了达到每个单元的最大充电容量并相应地达到整个ESS的最大充电容量，具有较大容量的结构体由额外的电流供应，该电流由相应的集成充电器生成且仅局部流动。在示例（图3）中，BBB5具有比BBB7和BBB9更高的容量，而使用更高的电流=I_充电33+Isec135充电。有利的是，该方法允许具有更高容量的结构体被更快地充电，且这些结构体与弱结构体同时达到它们的完全充电状态，提供最大的存储能量于ESS中。

参阅图4，所示的充电示例在集成充电器23的数量等于BBB的数量时特别有用。

每个集成充电器23被供电自专用的充电端子+Vchg29且电力来自外部电源，该外部电源能够具有更宽的输出电压范围且不必提供所使用的电池化学的充电曲线。在本发明的该示例中，基于从本地电能计量仪13提供的信息，每个集成充电器23提供相应的BBB的充电曲线。

所有BBB的充电电流都在集成充电器23与相应的BBB5、7和9之间局部地流动且基于每个构造体的状况，它们彼此间可能有所不同。在示例（图4）中，BBB5由电流Isec135充电，BBB7由电流Isec2充电等。

有利的是，当集成充电器的数量等于电池构造体的数量时，该方法允许ESS的充电速度比本文所述的其他示例可能有的充电速度更快。此外，这并不要求使用专用的外部充电器，而是更简单更便宜的电源。

图5中示出的是根据本发明的给ESS放电的示例。放电是从每个单独的BBB向外部负载释放存储能量的过程。理论上，每个BBB的充电容量与SoC将相等且流向负载的放电电流是流经每个BBB5、7和9的电流。然而，事实上，由于像使用时间、缺陷、电池的制造公差、温度偏差这样的因素，BBB具有不同的容量和充电状态。为了解决这个问题，本发明提供了一种均衡装置。ESS应用主动式平衡法（Active Balancing method），其中，集成充电器23输送更多的电流给具有较低容量的或由于内部故障而不能提供足够的负载电流的构造体。在图5的示例中，BBB5由相应的集成充电器或常用的充电电路支持，其电力经电力开关矩阵被分配到其端子。由BBB5输送的所产生的电流等于I_放电47–Isec135的差值，而所有其他的BBB供应全部放电电流I_放电47。如果，例如，BBB具有内部故障或到使用寿命，支持电流Isec135可对总体放电电流进行补偿，实际上绕过了BBB1。

图6示出的是热插拔的示例，热插拔是在电池构造体已经产生了内部故障或已经达到了使用寿命时，在正常操作过程中更换的过程。

具有较低容量的或由于内部故障不能输送全部放电电流的BBB由相应的集成充电器支持。如果由于老化或误用，BBB已经产生内部故障或电能计量仪报告其SoH非常差，在这种情况下，构造体需要被更换。本发明提供在操作条件下进行热插拔的装置，而不需要关闭负载。支持正在被更换的BBB的集成充电器23被配置为输送全量的负载电流，实际上绕过正在被更换的构造体。这允许，在机架式机箱的情况下拔出BBB或在其他情况下热插拔连接脱开，以及改为安装新的电池构造体。

在图6的示例中，BBB5正在进行热插拔。为了做到这点，集成充电器23输送等于放电电流I_放电47的输出电流Isec135，从而允许在拔出BBB5和为它更换新的构造体的过程中流向负载的电力不被中断。每个BBB将其使用寿命数据和其电流参数内部地存储于称之为电池护照（BatteryPassport）中，这允许ESS接收新的组件变得更容易，而不需要适配时间，由此，用其他的构造体来交换一个构造体的过程将被进一步增强。

BBB的SoC、SoH和容量信息及其统计参数（序列号、维修时间和使用寿命数据）被本地保存，因此在BBB被插入时，系统控制器会知道BBB的关键参数且知道如何处理该BBB。

有利的是，本发明提供了一种ESS，该系统无需冗余，因为当BBB被更换时，系统控制器提供确保供应给负载的总是正确的电流水平的方式。本发明通过ACB利用单个的集成充电器和电力开关矩阵或等于结构体数量的许多充电器来自支持其较弱的元件。

本发明解决了本领域所知的常用方法的以下不足：

1.为了实现冗余，用于关键应用的传统系统具有多个单元，然而所建议的解决方案依赖于出现问题的部分的自支持。本发明避免了与使用冗余电池相关的较高的成本；

2.本地存储电池系统的每个单独的构造体的SoC和SoH的最新信息，允许在用其他的构造体更换一个构造体之后实现无缝操作；

3.利用电池充电单元重新分配电力给较弱的构造体，节省空间且节约成本。

改进和修改可以并入本文，而没有偏离本发明的范围。

Claims

1.一种储能系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统控制器基于从所述单体电池控制器接收到的数据来检测电池构造体故障。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，被转移电流的所述充电器是在正常使用中提供电流给将要被更换的所述电池构造体的充电器。

4.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，来自所述充电器的对所述负载电流的贡献与正在被更换的所述电池构造体的正常操作电流相匹配。

5.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述单体电池控制器监视电池构造体中的单体电池并收集关于所述电池构造体中的所述单体电池的充电状态和健康状态的数据。

6.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述电池构造体还包括保护电路。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述保护电路提供过流和/或短路、过压和/或欠压和/或过温保护。

8.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述单体电池控制器包括电能计量仪。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电能计量仪包括库仑计数器。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电能计量仪包括阻抗跟踪器。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述单体电池控制器计算所述BBB的充电状态SoC。

12.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述单体电池控制器计算所述电池构造体的电流容量。

13.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述单体电池控制器包括微处理器控制器，所述微处理器控制器根据由所述电能计量仪提供的数据来计算所述电池构造体的健康状态SoH。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述健康状态SoH的数据被存储在位于所述电池构造体内的本地存储设备中。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述本地存储设备存储电池构造体的运行参数的最新信息。

16.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述系统控制器包括n个充电器，所述n个充电器提供对n个独立的电池构造体的专用的充电或支持所述n个独立的电池构造体中的放电电流。

17.根据权利要求1到15所述的系统，其中，所述系统包括n个充电器，所述n个充电器提供对m个独立的电池构造体的充电或支持所述m个独立的电池构造体中的放电电流，其中m＞n。

18.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述系统控制器还包括电力开关矩阵，所述电力开关矩阵将相应的充电器的电力输出端连接到所述电池构造体。

19.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述系统控制器被包含在壳体中。

20.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述系统控制器可移除地耦合到每个电池构造体以允许易于插入和拔出单个电池构造体。

21.根据权利要求19或20所述的系统，其中，所述电池构造体被置于插入式托盘中，且所述托盘被插入所述壳体中，所述壳体提供每个电池构造体与所述系统控制器之间的电力连接和控制信号通信。

22.一种更换储能系统中的电池构造体的方法，所述方法包括以下步骤：

检测所述储能系统中的多个电池构造体的状况；

确定更换所述电池构造体中的一个或多个的需要；

在所述储能系统处于操作中时，更换所述电池构造体。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，更换所述电池构造体的步骤包括：为至少两个电池构造体提供单独的物理连接以允许所述至少两个电池构造体从所述储能系统中单独地移除。

24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述多个电池构造体包括单体电池控制器和一个或多个单体电池，所述一个或多个单体电池贡献负载电流给所述储能系统的输出端。

25.根据权利要求22到24所述的方法，其中，所述方法还包括提供对所述储能系统的功能控制和与外部主机的通信。

26.根据权利要求22到25所述的方法，其中，确定更换所述电池构造体中的一个或多个的需要的步骤包括检测电池构造体故障。

27.根据权利要求22到26所述的方法，其中，被转移电流的所述充电器是在正常使用中提供电流给将要被更换的所述电池构造体的充电器。

28.根据权利要求22到27所述的方法，其中，来自所述充电器的对所述负载电流的贡献与正在被更换的所述电池构造体的正常操作电流相匹配。

29.根据权利要求22到28所述的方法，其中，确定更换所述电池构造体中的一个或多个的需要的步骤包括监视电池构造体中的单体电池并收集关于所述电池构造体的单体电池的充电状态和健康状态的数据。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，利用电能计量仪执行所述监视单体电池的步骤。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，利用库仑计数器执行所述监视单体电池的步骤。

32.根据权利要求29所述的方法，其中，利用阻抗跟踪器执行所述监视单体电池的步骤。

33.根据权利要求29到32所述的方法，其中，所述监视单体电池的步骤计算所述电池构造体的充电状态SoC。

34.根据权利要求29到33所述的方法，其中，所述监视单体电池的步骤包括根据由所述电能计量仪提供的数据来计算所述电池构造体的健康状态SoH。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述健康状态SoH的数据被存储在位于所述电池构造体内的存储设备中。

36.根据权利要求22到35中的任一项所述的方法，其中，所述本地存储设备存储关于电池构造体的运行参数的最新信息。

37.根据权利要求22到36所述的方法，其中，所述更换储能系统中的电池构造体的方法，所述储能系统容纳n个充电器，所述n个充电器提供对n个独立的电池构造体的专用的充电或支持所述n个独立的电池构造体中的放电电流。

38.根据权利要求22到36所述的方法，其中，所述更换储能系统中电池构造体的方法，所述储能系统容纳n个充电器，所述n个充电器提供对m个独立的电池构造体的充电或支持所述m个独立的电池构造体的放电电流，其中m＞n。