CN109769401A - 在电池故障的情况下管理供电设施的电化学电池的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管理供电设施的多个可充电电能存储模块的方法(300)，该模块并联布置，所述方法(300)包括：‑将模块分成(302)至少两个组，以及‑一次使用所述组中的一个来供电(304)；方法(300)还包括替换组中的故障模块的步骤(314)，该组称为活动组，而当由另一个组的可用模块供电时，该组称为可用组。本发明还涉及实施这种方法的系统和实施这种方法的供电设施。

Description

在电池故障的情况下管理供电设施的电化学电池的方法和 系统
本发明涉及一种在电池故障的情况下对供电设备的电化学电池进行管理的方法。本发明还涉及实现这种方法的系统，以及实现这种方法或这种系统的供电设备。
本发明的领域是供电设备领域，该供电设备包括并联安装的多个电化学电池，特别是(表示“锂金属聚合物”)型电池，以便提供供电信号。
背景技术
已知的固定供电设备包括并联安装的几个电存储模块并且其每个电存储模块包括一个或更多个电化学电池，特别是型电池。每个模块可以存储电能并且进而传送高压信号，例如以便为电动车辆充电或以便为建筑物供电。
某些固定电气设备是独立的并且将能量生成装置(例如太阳能板或风力涡轮机)与电能存储模块耦合起来，以便为所述模块充电。
为了在供电方面提供足够的独立性，需要为每个设备装备几个电池，其为所需的独立性存储所需的电能，随后将其传送到待供电的实体，例如待充电的电动汽车或待供电的综合设施或建筑物。根据供电需要的功率和每个电池的可用功率，可能需要使用几个并联的电池来供电。
同时，已知电化学电池不适合缓慢放电。
然而，目前没有用于管理固定供电设备的并联设置的可充电电能存储模块的方法，该方法使得可以优化所述模块的使用期限，同时保持设备的功能。
本发明的目的在于克服这种缺陷。
本发明的另一个目的在于提出一种方法和系统，其允许在至少一个模块发生故障的情况下，更好地管理供电设备的并联安装的电能存储模块。
本发明的目的还在于提出一种方法和系统，其用于管理供电设备的并联安装的电能存储模块，允许优化所述模块的使用期限，同时在所述模块中的至少一个发生故障的情况下仍保持所述设备的正常操作。
发明内容
本发明通过一种用于管理供电设备(特别是固定供电设备)的多个可充电电能存储模块的方法，使得能够实现上述目的中的至少一个，所述模块中的每个都包括至少一个可充电的电化学电池，特别是型电池，并且所述模块彼此并联布置，所述方法包括：
-将所述模块划分成至少两组，以及
-一次由所述组中的一个供电，特别地轮流供电，甚至更特别地交替供电；
所述方法还包括由称为可用组的另一组的可用模块替代称为活动组的正在供电的组的故障模块的步骤。
因此，根据本发明的方法提出了将可充电的电能存储模块虚拟地分成几个组，特别是分成两个组，所述组轮流提供电力给电动车辆、建筑物、综合设施、电气/电子设备，特别是诸如WiFi终端或天线的通信设备，特别地为它们充电。因此，可以对每个组施加快速放电循环并且由此优化每个模块的使用期限。
同时，在一个或更多个模块发生故障的情况下，根据本发明的方法提出对至少一个组进行“虚拟”管理。特别地，当初始形成第一组的部分的模块发生故障时，该方法提出由初始形成另一个组的部分的模块替换该故障模块，特别是在运行中替换。因此，可以继续传送所需电力并且由此使设备正常工作，甚至在一个或更多个模块发生故障的情况下，也不会使电能存储模块降级。
在本申请中，“划分”是指对模块的虚拟分组，与其物理布置无关。
在本申请中，当存储模块存在以下状况时，认为该模块出现了故障：
-失灵，特别是温度异常或其端子处的电压异常；或
-剩余电荷水平(NCR)为0或非常低。
剩余电荷水平能够与示存储模块中剩余的电荷的量或百分比的计量表水平相同。
根据本发明的方法的变体，一旦一个组中包括故障模块，就可以执行替换步骤。
换言之，在第一个变体中，当组中的任何一个中的模块发生故障时，即使其他组中没有模块发生故障，也执行替换步骤。然后，组中的故障模块被另一个组的可用模块替代。
替代活动组中的故障模块的模块能够是依次从其他组中的每一个中选择的。
此外，在可用组自身内，能够从所述可用组的模块中依次选择用于替换活动组的故障模块的模块。
根据本发明的方法的另一个优选变体，仅当每个组都包括故障模块时，即不再存在其所有模块功能正常的任何组时，才可以执行替换步骤。
在这种情况下，当第一活动组包括故障模块时，能够切换成由不包括任何故障模块的其他组来供电，该其他组进而变为活动组，依次类推。
当存在其中所有模块都是功能正常(即非故障)的其他组时，可以不再使用包括故障模块的组来供电。仅能够由其中所有模块都是功能正常的组供电，特别是依次供电，而不使用其中模块出现故障的组。
可选地，当其中所有模块都是功能正常的组完全放电时，其中模块出现故障的组能够用于在降级的操作模式中提供降级的供电。
在根据本发明的方法的优选变体中，能够执行替换步骤使得活动组中的模块的总数保持恒定，并且等于预定的数量。
换言之，能够执行替换步骤使得在供电期间传送的电力保持恒定，并且等于预定值。
因此，根据本发明的方法使得能够保持由活动组提供的电源，其允许维持正常操作，而没有任何降级。
根据非限制性实施例，根据本发明的方法能够包括根据组的剩余电荷水平来执行从一个组切换到另一个来供电。
更特别地，当活动组的剩余电荷水平小于或等于至少一个可用组的剩余电荷水平时，特别是小于或等于预定值的剩余电荷水平时，能够执行从一个组切换到另一个组来供电。
有利地，预定值可以对应于组中的至少一个的最大电荷容量(CCM)或剩余电荷水平(NCR)的百分比。
根据第一示例实施例，预定值可以是恒定的。
例如，预定值可以等于组的CCM的5％。
根据另一示例实施例，预定值可以是可变的。
更特别地，预定值可以随每个组的可用总电荷水平变化。
特别地，当每个组的总电荷水平降低时，预定可以够减小。
根据非限制性示例实施例，预定可以够等于：
-组的CCM的10％(当所有组的NCR都大于70％时)；
-组的CCM的8％(当具有最少电荷的组的NCR包括在50％到70％时)；
-组的CCM的5％(当具有最少电荷的组的NCR包括在30％到50％时)；和
-组的CCM的3％(当具有最少电荷的组的NCR小于30％时)。
在优选变体中，每个组能够包括相同数量的模块。
模块的数量能够根据供电期间所需的总功率以及根据能够由每个模块传送的功率来确定。
在优选变体中，所有模块能够是相同的，并且每个模块传送同一标称功率。
根据本发明的方法还能够包括根据下列各项检测存储模块的故障，特别是失灵：
-所述模块的温度，和/或
-所述模块端子处的电压。
特别地，当模块具有以下情况时会出现故障：
-剩余电荷水平为0，或者小于或等于预定值，例如该预定值为所述模块的CCM的0.1％；
-温度不在预定温度范围内，例如该预定范围为50℃至120℃；和/或
-所述模块的端子处的电压不包括在预定电压范围内，例如该预定电压范围是190V至470V。
根据本发明的方法还能够包括：针对每个模块，测量以下参数中的至少一个，特别是测量每一个：
-所述模块的剩余电荷水平(NCR)，例如通过电池电量计来测量；
-所述模块的温度，例如通过温度计或热电偶来测量；和/或
-所述模块的端子处的电压，例如通过电压表来测量。
这些参数中的至少一个可用于确定模块是否发生故障。
替代地或另外，这些参数中的至少一个，例如剩余电荷水平(NCR)，能够用于确定是否必须切换到另一个组。
根据相同发明的另一个方面，提出了一种系统，用于管理供电设备(特别是固定供电设备)的多个可充电的电能存储模块，所述模块中的每一个包括至少一个可充电的电化学电池，特别是型电池，并且彼此并联布置，所述系统包括：
-用于每个模块的单独连接/断开的装置，使得可以以使所述模块独立于其他模块放电的方式布置，和
-至少一个控制器，用于直接或间接地控制所述装置中的每一个的连接/断开；
所述至少一个控制器被配置成实施根据本发明的方法的所有步骤。
根据本发明的又一方面，提出了一种供电设备，特别是固定供电设备，其包括多个可充电的电能存储模块，所述模块中的每一个包括至少一个可充电的电化学电池，特别是型电池，并且所述模块彼此并联布置，通过以下方式管理所述模块：
-根据本发明的方法；或
-通过根据本发明的系统。
有利地，根据本发明的设备可以包括由可再生能源产生电能的装置，例如至少一个太阳能板和/或至少一个风力涡轮机。
由这种装置产生的能量能够用来为至少一个可充电的电能存储模块充电。
替代地或此外，至少一个可充电的电能存储模块能够从电网充电。
根据本发明的供电设备可以是用于电动汽车的电气充电站。
替代地，根据本发明的供电设备能够是诸如电影院之类的建筑物的供电设备、诸如运动场之类的综合设施的供电设备或诸如WiFi终端或天线之类的电气/电子通信设备的供电设备，等等。
附图和实施例说明
通过绝不是限制性的实施例的详细描述以及附图，其他优点和特征将变得明显，在附图中：
-图1是根据本发明的供电设备的非限制性示例的示意图；
-图2a和2b是根据本发明的供电设备(特别是图1中的设备)的电能存储模块的并联连接的两个非限制性示例的示意图；
-图3是根据本发明的方法的第一非限制性示例的示意性流程图；
-图4是根据本发明的方法的第二非限制性示例的示意性流程图；
-图5a-5f是在图1中设备的情况下的图3中方法的应用示例的原理的示意图。
应该理解，以下描述的实施例绝不是限制性的。如果下文描述的特征的与选集(其与所描述的其他特征隔离开)足以赋予技术优势或将本发明与现有技术区分开，则能够特别考虑本发明的变体，该变体仅包括该特征选集。该选集包括不具有结构细节的至少一个特征，优选为功能性特征，或者该选集包括仅具有一部分结构细节的至少一个特征，只要该部分结构细节单独足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开即可。
在图中，几幅图共有的元素使用相同的附图标记。
图1是根据本发明的供电设备的非限制性示例的示意图。
图1中所示的供电设备100能够是用于诸如电动公交车或电动轿车之类的电动汽车的充电站、建筑物的供电设备、综合设施的供电设备、诸如WiFi终端或天线之类的通信设备的供电设备等。
设备100包括第一组102和第二组104，每个组都包括四个可充电的电能存储模块，即组102的模块1061-1064和组104的模块1065-1068。
每个可充电的电能存储模块106包括(“锂金属聚合物”)型的一个或更多个电池。模块106都是相同的并且提供相同的标称功率。
用于从可再生能源产生电能的一个或更多个装置108(例如太阳能电池板1081或者一个或更多个风力涡轮机1082)能够用于为模块106充电。产生装置108可以是也可以不是设备100的一部分。
替代地或此外，每个模块106能够从电能配电网络充电，该电能配电网络由110标记的线表示。
设备100使得能够通过由112标记的线表示的电网为终端、综合设施以及更一般的电气实体充电。一个或更多个控制器使得能够控制设备100的操作。
图2a是根据本发明的设备(特别是图1中的设备100)中的电能存储模块的并联连接的非限制性示例的示意图。
在图2a所示的示例中，组102的模块1061-1064连接到管理模块2021，也称为组控制器，组104的模块1065-1068连接到管理模块2022，也称为组控制器。
组控制器2021和2022进而连接到中央控制器204，中央控制器本身直接或间接地连接到待供电实体208，标记为“E”，这样的实体能够是电动车辆或建筑物等。
特别地，组102的每个模块1061-1064经由接触器2061-2064分别连接到组控制器2021，接触器2061-2064能够被组控制器2021或中央控制器204控制。类似地，组104的每个模块1065-1068经由接触器2065-2068分别连接到组控制器2022，接触器2065-2068能够被组控制器2022或中央控制器204控制。
每个接触器206i能够被中央控制器204直接地或经由组控制器2021-2022单独控制，以便被置于闭合状态以允许由模块106i供应的电流通过，或被置于打开状态以阻止由模块106i供应的电流通过。
中央控制器204包括：
-用于单独测量每个模块106的电流或剩余电荷水平的装置(未示出)，
-用于单独测量每个模块106的温度的装置(未示出)，和/或
-用于单独测量每个模块106的端子处的电压的装置(未示出)。
中央控制器204还被配置成将每个模块的测量值中的每一个与一个或更多个预定值进行比较，以便确定所述模块是出现故障还是功能正常。
当然，测量或比较这些参数能够替代地由除中央控制器以外的单元执行，例如由每个组控制器2021-2022执行。
图2b是根据本发明的供电设备(特别是图1中的设备100)中的电能存储模块的并联连接的另一个非限制性示例的示意图。
图2b中所示的示例包括除了组控制器2021和2022之外的图2a中的示例的所有元素。
在图2b所示的示例中，模块1061-1068由接触器2061-2068直接地连接到中央控制器204，而没有使用组控制器2021和2022。然后模块106i全部并联布置。
图3是根据本发明的管理方法的第一非限制性示例的示意图。
图3中所示的方法300包括将模块划分成几个组的步骤302，例如分成刚好两个组，诸如组102和104。
在划分步骤302期间，构成组时能够考虑模块的物理布置，例如图2a所示。替代地，可以不考虑模块的物理布置，例如图2b所示。
在步骤304期间，方法300执行依次由每个组交替供电。为此，步骤3041从一个组执行供电。正用来供电的组称为活动组，而其他组称为可用组。在供电步骤3041期间监测活动组的剩余电荷量(NCR)。然后，根据预定规则，步骤3042切换为由另一个可用组供电等。
在步骤3042期间，能够根据每个组的剩余电荷水平(NCR)和组的最大电荷容量(CCM)执行从一个组切换到另一个组。
特别地，当活动组的NCR变得小于或等于可用组的预定值的NCR时，能够从活动组切换到可用组，该预定值等于：
-组的CCM的10％(当所有组的NCR大于CCM的70％时)；
-组的CCM的8％(当具有最少电荷的组的NCR包括在CCM的50％到70％时)；
-CCM的5％(当具有最少电荷的组的NCR包括在CCM的30％到50％时)；和
-CCM的3％(当具有最少电荷的组的NCR为CCM的30％时)。
这种切换使得可以优化组中模块的放电，并且对于每个模块，具有基本上相等的剩余电荷水平。
在步骤306期间，由于以下原因中的至少一个，在活动组的电荷模块中检测到故障：
-该模块的NCR不足，
-该模块端子处的电压异常，和/或
-该模块的温度异常。
在检测到故障模块之后，步骤308切换到由可用组来供电，其变成新的活动组。
如果在步骤308之后，除了新的活动组之外，仍然存在至少一个其他可用组，该其他可用组的所有模块都是功能正常的，则方法300返回步骤304，在不考虑故障组的情况下进行交替供电。
如果在步骤308之后，除了新的活动组，不存在所有模块都是功能正常的其他可用组，则该方法继续步骤310，步骤310仅由所述活动组供电。没有进一步的供电切换。
在步骤310之后，由于以下原因中的至少一个，在步骤312期间，在活动组的模块中检测到故障：
-该模块的NCR不足，
-该模块端子处的电压异常，和/或
-该模块的温度异常。
在检测到活动组中的故障模块之后，由于不存在其中所有模块都没有出现故障的任何其他组，方法300包括用另一个组的没出现故障的模块替换活动组中的故障模块的步骤314。然后，用另一组的模块虚拟地重构活动组。
然后，方法300返回步骤310处，用重构的活动组重新开始。
在图3中的方法300中，仅当每个组都包括故障模块时，才执行组中的故障模块的替换。当然，本发明不限于该方法的这种版本。
图4是根据本发明的管理方法的第二非限制性示例的示意图。
图4中所示的方法400包括图3中的方法300的步骤302-306。
然而，在图4中的方法400中，检测活动组中的故障模块的步骤306之后是步骤314，只要剩余至少一个其他组，且所述至少一个其他组中的所有模块都是功能正常的，步骤314就替换活动组中的故障模块。
换言之，在图4中的方法400中，一旦检测到第一故障模块，就替换活动组中的故障模块。
在方法400中，在替换步骤314期间，用于替换活动组中的故障模块的功能正常模块能够依次从其他可用组中交替地选取。
替代地或此外，在方法400中，在替换步骤314期间，用于替换活动组中的故障模块的功能正常的模块能够依次从其他组中的功能正常的模块中交替选取。
图5a-5f是在图1的设备的情况下，图3中的方法300的应用示例的原理的示意图。
图5a-5c示出了由组102和104交替地对实体“E”进行供电。如下：
-在图5a中：组102是用于为实体“E”供电的活动组，组104是可用组；
-在图5b中：切换为由组104为实体“E”供电，组104变成活动组，而组102变成可用组；
-在图5c中：再次切换为由组102为实体“E”供电，组102再次变成活动组，而组104变成可用组；
-等等。
图5d示出了组102中的模块1061发生故障的情况。切换到由组104供电，而没有替换故障模块1061。由于没有完全功能正常的其他组，因此继续由组104供电。
图5e示出了模块发生故障的情况，即组104中的模块1066发生故障。由于没有完全功能正常的其他组，故障模块1066被组102中的功能正常模块1062-1064中的任何一个(即图5e中的模块1064)替换。然后虚拟地重构组104，并且其包括模块1064、1065、1067和1068。
图5f示出了另一种模块发生故障的情况，即(虚拟重构的)组104中的模块1067发生故障。由于没有完全功能正常的其他组，故障模块1067被组102中的功能正常模块1062或1063中任何一个(即图5f中的模块1063)替换。然后重构组104，并且其包括模块1063、1064、1065和1068。
当然，本发明不限于以上所述示例。特别地，存储模块的数量、模块的组的数量和每个组的模块的数量不限于上述示例中给定的那些，并且对应于电能存储模块的最大数量，这具体取决于所需的设备的自主性和功率。
本发明旨在用于需要这种设备的任何固定的应用。

Claims (14)

1.用于对供电设备(100)的多个可充电电能存储模块(1061-1068)进行管理的方法(300；400)，每个所述模块(106)包括至少一个可充电的电化学电池，并且彼此并联布置，所述方法(300；400)包括：
-将所述模块(106)分成(302)至少两个组(102，104)，以及
-一次由所述组(102，104)中的一个组供电(304)；
所述方法(300；400)还包括步骤(314)：由称为可用组的另一组(102)的可用模块(1063，1064)替换称为活动组的正在供电的组(104)的故障模块(1066，1067)。
2.根据前一权利要求所述的方法(400)，其特征在于，一旦所述组中的一个组包括故障模块，就执行替换步骤(314)。
3.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，仅当每个组(102，104)都包括故障模块时，执行替换步骤(314)。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的方法(300；400)，其特征在于，执行替换步骤(314)以便使活动组(102，104)中的模块(106)的数量保持恒定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300；400)，其特征在于，当活动组的剩余电荷水平小于或等于至少一个可用组的预定值的剩余电荷水平时，所述方法包括从一个组(102，104)切换(3042)成另一个组(104，102)来供电。
6.根据权利要求5所述的方法(300；400)，其特征在于，所述预定值对应于所述组(102，104)中的至少一个组的最大电荷容量或剩余电荷水平的百分比。
7.根据权利要求5或6中任何一项所述的方法(300；400)，其特征在于，所述预定值随每个组(102，104)的可用总电荷水平变化。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300；400)，其特征在于，每个组(102，104)包括相同数量的模块。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300；400)，其特征在于，所述方法包括根据以下各项检测(306，312)存储模块中的故障：
-所述模块的剩余电荷水平，
-所述模块的温度，和/或
-所述模块端子处的电压。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300；400)，其特征在于，所述方法包括测量每个模块的以下参数中的至少一个：
-所述模块的剩余电荷水平，
-所述模块的温度，和/或
-所述模块端子处的电压。
11.用于对供电设备的多个可充电电能存储模块(1061-1068)进行管理的系统，每个所述模块(1061-1068)包括至少一个可充电的电化学电池，并且彼此并联布置，所述系统包括：
-用于每个模块(1061-1068)的单独连接/断开装置(2061-2068)，使得能够将所述模块布置成独立于其他模块放电；和
-至少一个控制器(2021-2022，204)，其用于直接或间接地控制所述连接/断开装置(2061-2068)中的每一个；
所述至少一个控制器(2021-2022，204)被配置成实施根据前述权利要求中任一项所述的方法(300；400)的所有步骤。
12.供电设备(100)，包括多个可充电的电能存储模块(106)，每个所述模块(106)包括至少一个可充电的电化学电池，并且彼此并联布置，通过以下方式对所述模块进行管理：
-根据权利要求1至10中任一项所述的方法(300；400)；或
-通过根据权利要求11所述的系统。
13.根据前一权利要求所述的设备(100)，其特征在于，所述设备(100)包括用于从可再生能源产生电能的装置(1081，1082)，例如至少一个太阳能板(1081)和/或至少一个风力涡轮机(1082)。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述设备是：
-用于电动汽车的电气充电站，或
-建筑物、综合设施或电气/电子通信设备的供电设备。
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