CN110476296B - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种DC能量储存单元(101，127)，包括多个能量储存模块(10)，每个能量储存模块包括：串联电连接的多个电化学能量储存设备(120)；能量储存模块中的内部控制单元(123)；用于内部控制单元的电源；以及无线通信系统(125)；其中串联的多个能量储存设备的总电压大于或等于40V DC，其中多个能量储存模块(10)串联或并联耦合在一起，每个能量储存单元(101)包括无线网关(129)，该无线网关(129)用于能量储存单元控制器(128)与每个能量储存模块(10)之间的通信；其中每个能量储存模块还包括壳体(126a，126b)，该壳体至少部分地包括非磁性材料(126b)。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及一种向终端用户提供电能的电源系统，具体地，用于电化学电池或电池的电源系统。
背景技术
各种类型的储存电能型功率单元在许多应用中变得越来越普遍，特别是用于存在与敏感环境中的排放有关的环境问题或公共健康问题的应用。储存电能功率单元通常用于提供电能以操作设备，从而避免使用点处的排放，尽管储存能量可能已经以许多不同的方式生成。储存电能还可以用于在从电网或从各种类型的发电系统(包括柴油发电机、燃气轮机或可再生能源)供应的系统中提供调峰。远程位置中的飞机、车辆、船舶、离岸钻井平台或钻井平台、以及其他动力设备是大规模储存电能的用户的示例。车辆驾驶员可以使用市中心的储存能量功率单元，并且从主干道上的内燃机充电，以减少城镇中的有害排放，或者它们可以从电力供应中充电。在大多数航行中相对靠近居住区域或处于敏感环境的渡轮正在被设计以混合动力或全电动驱动系统。当靠近岸边时，渡轮可以使用电池操作以向船舶供电，使用离岸柴油发电机为电池充电。在许多斯堪的纳维亚国家，可以从可再生能源获得电力以用于为电池充电意味着：需要全电动船舶，无需柴油或其他不可再生能源。无论是混合动力还是全电动，电池都可以在停靠时从岸电充电。实现功率单元(其足够可靠以长时间用作主电源)的电池技术的开发必须解决某些技术问题。
发明内容
按照本发明的第一方面，一种DC能量储存单元包括多个能量储存模块，每个能量储存模块包括：串联电连接的多个电化学能量储存设备；能量储存模块中的内部控制单元；用于内部控制单元的电源；以及无线通信系统；其中串联的多个能量储存设备的总电压大于或等于40V DC，其中多个能量储存模块串联或并联耦合在一起，每个能量储存单元包括无线网关，该无线网关用于能量储存单元与每个能量储存模块之间的通信；其中每个能量储存模块还包括壳体，该壳体至少部分地包括非磁性材料。
能量储存单元的每个模块在其壳体中基本上是气密的，并且每个能量储存单元可以基本上是气密的。
非磁性材料可以包括聚合物材料，具体地，可以包括聚乙烯、聚酰胺或热塑性塑料中的一种。
模块的总电压的范围通常为50V DC至200V DC，但是优选地，串联的多个能量储存设备的总电压大于或等于100V DC。
电源可以包括模块中的能量储存设备中的一个或多个能量储存设备，该一个或多个能量储存设备通过整流单元电连接到内部控制单元。
整流单元可以包括二极管、晶体管、整流桥或晶闸管中的一种。
该模块还可以包括传感器，该传感器用于检测温度、能量储存设备电压或能量储存设备电流中的至少一个。
根据本发明的第二方面，一种DC电源系统包括根据第一方面的多个能量储存单元；本地DC母线，其连接在单元中的每个单元之间；系统控制器，其用于控制本地母线与DC系统母线之间的功率可用性；其中系统控制器包括用于与能量储存模块通信的无线通信系统。
无线通信系统可以包括无线网络的节点，该网络具有环形、网状、线形、总线、完全连接、树形、星形或点对点拓扑。
电源系统的电压的范围可以为500V DC至2KV DC。
然而，电源系统的电压不受限制并且可以更低或更高，因为它可以容易调整到明显更高的电压，即，1KV、10KV或更高。
DC系统母线可以是车辆、船舶、飞机、离岸平台、钻井平台或动力设备的系统母线。
附图说明
现在将参考附图描述根据本发明的电源系统的示例，其中：
图1示出了其中可以使用根据本发明的能量储存模块的电源系统的示例；
图2示出了在图1的系统中使用的、根据本发明的能量储存模块的示例；以及
图3示出了根据本发明的能量储存系统的示例，其包括多个图2的能量储存模块；
图4A和图4B更详细地示出了能量储存模块的一部分；
图5A和图5B示出了可以在图4A和图4B的示例中使用的冷却器的更多细节；
图6示出了如何可以将根据本发明的多个能量储存模块堆叠在一起；以及
图7示出了能量储存模块的一部分的更多细节。
具体实施方式
图1图示了包含根据本发明的能量储存模块10的能量储存系统(特别地，用在船舶或离岸平台上)的示例。该系统包括能量储存单元101，该能量储存单元101包括多个能量储存模块10，每个能量储存模块10包含串联电连接在一起的多个能量储存设备(未示出)。
能量储存模块10通常包括一个或多个例如电池单元的能量储存设备(未示出)的堆叠，每个能量储存设备都安装在托架20或冷却器中(其在图6中更详细地示出)，并且与在下一托架或冷却器中或上的相邻的能量储存设备串联电连接在一起。优选地，电池单元是棱柱型或袋型电池单元，以获得良好的堆积密度。多个能量储存模块可以通过DC母线(未示出)串联连接在一起，以形成能量储存单元101或隔间。模块的单个电池单元的容量可以介于20Ah到100Ah之间，更常见的是，介于60Ah和80Ah之间，尽管可以使用容量低至几Ah或超过100Ah的电池单元。模块通常每个模块10包括10到30个能量储存设备，尽管每个模块可以有更多或更少的电池单元。每个隔间可以有多达40或50个模块，但是通常可以选择每个隔间9到21个模块。然而，可以根据应用的要求变化模块的精确数目。
模块中的每个模块可以包括无线收发器125，模块10可以通过该无线收发器125与单元控制器128通信，或者直接与船舶的系统控制器103通信，从而允许控制器根据船舶的要求和可用的储存能量来确定哪些模块充电或放电。通信可以包括诸如每个模块或者模块中的每个电池单元的电压或温度的信息，或者可以用于向模块发送命令信号。系统控制器103控制能量储存系统的DC母线2b与船舶DC母线之间的功率传输。在每个模块内，可以存在与每个电池单元的传感器的有线连接，但是模块10通常是坚固的并且可能需要气密和防水，因此期望避免不必要地用电线穿透模块壳体。因此，每个模块10包括壳体(126a，126b)，该壳体(126a，126b)至少部分地包括非磁性材料。例如，模块外罩本体(126a)可以由钢制成，但是端板(126b)可以由诸如聚酰胺的聚合物材料制成。这允许去往和来自模块控制器123的无线信号通过端板穿透壳体并且提供单元控制器128与模块控制器之间的通信。
传统上讲，电池模块使用金属壳体，其充当法拉第笼，从而使得无线通信不能实行。本发明通过至少部分地由非磁性材料(诸如聚合物材料)制造模块来克服该问题，该非磁性材料准许通过无线通信将来自DC能量储存单元的每个模块的通信信号向外传输到能量储存单元101或隔间的单元控制器128。单元或隔间本身可以包括金属材料，以抑制单元之间的信号，并且从而减少相邻单元中的无线信号的干扰。如果要从单元到系统控制器使用无线通信，则可以提供单元壳体的非磁性段以允许信号传输。
通常，多个模块10通过内部母线2a串联连接在一起，该内部母线2a然后将系统中的模块10连接到每个单元101或隔间中的网关129，如图3中可以更详细地看到的。网关将模块连接到系统母线2b。单元控制器128可以具有一些决策能力，并且还可以与系统控制器103通信。除了确定负载平衡之外，系统控制器103还设置电池系统的限制，诸如充电水平和放电水平。系统控制器103可以控制母线上的可选转换器。尽管能量储存模块10的能量储存设备可以通过空气冷却来冷却，但是优选地，能量储存模块在封闭的冷却系统中被冷却，该冷却系统包括冷却单元105，该冷却单元105经由入口管106将冷却流体供应到每个模块，并且经由出口管107接收返回以再次冷却的冷却流体。冷却流体可以并行供应给所有模块，并且并行供应给每个模块的所有能量储存设备。
用于为海洋应用(诸如船上系统和离岸平台)供应DC电能的能量储存系统具有高电压和高电流的要求。这些能量储存系统可能需要提供1KV DC或更高的电压电平，该电压电平通过组合在50V DC与200V DC之间的电压(通常约100V DC)下操作的多个能量储存模块10来实现。图2示出了用于图1的系统的能量储存模块10的示例的更多细节。每个模块10包括多个能量储存设备120，这些能量储存设备串联连接在一起以提供所需的总模块电压121。通常，这约为100V至150V DC，总模块电压121使用了各自额定在3V至12V之间的能量储存设备。如图1所示，多个模块10耦合在一起，以便能够提供足够的DC电压(例如，1KV或更高)来为船舶上的系统供电。
调节器122可以将能量储存模块中的每个能量储存模块耦合到内部DC母线2a。在每个能量储存模块内是具有控制和监测电路的本地控制单元123，以用于执行电池平衡、温度测量和电池电压监测的目的。本地控制单元123可以从传感器124接收数据，诸如温度测量结果，或从能量储存设备120中的每个能量储存设备接收数据，诸如电压或电流测量结果，该数据可以在本地使用，例如，用于电池平衡。本地收集的部分或全部数据可能需要供应给船舶或平台上的单元控制器128或系统控制器103，其控制将功率从每个能量储存模块分配到诸如推进系统或钻井设备的主系统。
将测量值传达给用于分析和控制的顶部系统会产生某些问题。形成能量储存系统的模块中的每个模块之间的电压差需要电子器件的电流隔离。电流隔离电路具有它们可以在其下操作的最大电压，因此限制了能量储存系统可以处理的最大电压。与开关环境相结合的高电压和电流会在电缆上呈现显着的噪声问题，并且干扰有效通信。电缆越多，问题就越严重。这种噪声可能会传播到电子器件中，并且影响功能和可靠性。附加地，在机械上(零件和劳动力两者)安装电缆和连接需要花费成本。对于海洋应用和离岸应用，存在严格的消防安全法规以及在洪水的情况下持续运行。能量储存模块可能需要符合这些要求，但是对于每组电缆，都需要穿过外壳的附加穿透。更进一步地，由于难以进入和可用空间有限，所以可靠性和节省空间是离岸平台或船舶的重要考虑因素。
在本发明中，每个模块10包括无线收发器125，单元控制器128包括无线通信网关129，并且中央控制器包括无线收发器8。如图3所示，多个能量储存模块10可以组合以形成电压更高的能量储存单元127。每个能量储存模块在本地与包括通信网关129的单元控制器128进行通信。然后，数据从能量储存单元127的单元通信网关129发送到系统控制器103。在未示出的另一示例中，各个能量储存模块可以直接从其内部无线收发器125发送数据，并且无需单元控制器或通信网关。在每个能量储存模块10、单元控制器128和系统控制器103之间使用无线通信125、129、8意味着不需要附加的外部连接或模块壳体中的穿透。这还具有以下优点：通过移除通信电缆来降低噪声，从而提高性能和可靠性。无线通信网络的拓扑可以是环形拓扑、网状拓扑、线形拓扑、总线拓扑、完全连接拓扑、树形拓扑、星形拓扑、点对点拓扑或其他合适的拓扑。能量储存系统可以根据需要按比例放大，而不会遇到可能在有线系统中发生的干扰问题。
当与用于每个能量储存模块10的控制单元123的内部电源组合时，实现了本发明的全部益处，因为模块壳体中的唯一开口用于系统功率DC母线2b，而非用于诸如通讯和本地电源的辅助设备。这在我们的共同未决的专利申请号2016P22574 GB进行了更详细的描述。由于用于为船舶或平台上的主系统供电的DC电源通常在比控制单元所需的电压高得多的电压下操作，所以使用能量储存设备的内部电源必须提供能够供应低电流的低电压，例如，当能量储存模块处于长期储存或待机模式下时。这些模式中的电流消耗可以低至200μA。所需电压可以介于3V至12V之间。
模块10的能量储存设备包括多个相对低压的电池，它们连接在一起以提供船舶系统所需的相对较高的电压。因此，控制和监测电路123的辅助电源由相对低功率的电池中的一个或多个电池提供，而非从整个模块电压变换。通过仅从一个或仅仅几个能量储存设备获取能量，电路的电源不需要将电压从100V或150V的模块电压变换为所需电压，并且可以使用简单的LDO线性调节器，或其他低功率开关调节器。内部控制单元接地到电池的负极，即，模块的最低电位，并且通过整流器或二极管连接到一系列能量储存设备中的最后的能量储存设备。
与始终使用全电压降压电源的系统相比，使用单个能量储存设备或少数这样的设备的电源与主动电池平衡相结合显着提高了整个系统的效率。这使得多单元电池模块电子器件能够从电池内供电而不是依靠外部电源。因此，可以提供：在模块10的储存期间的数据记录；更稳健的模块，因为它不依赖于外部电线和电缆连接来为内部电路提供功率；以及成本更低的产品，由于现场布线工作较少，并且所需的模块壳体的穿透较少以及布线较少。本发明适用于电流范围宽泛的高效电源。系统更可靠，因为每个能量储存模块都有自己的电源，而非共享公共外部电源，共享公共外部电源具有如下的风险：如果外部电源出现故障，则所有模块都不再提供监测和控制功能。
已经关于船上使用的能量储存模块对本发明的具体示例进行了描述，但是本发明同样适用于依赖用于其功率的能量储存设备的任何设备，诸如陆基电动或混合电动车辆、电动飞机、钻井平台和离岸平台、以及离网陆上动力设备。
多个能量储存单元或隔间可以安装在船舶上、平台上或任何其他设施中。图4A和图4B示出了模块10的更多细节。每个模块包括冷却器、或托架20、或外壳，如图4A所示，可以在其上或其中适配能量储存设备(未示出)，诸如电池单元120。托架通常由聚合物塑料材料制成，重量轻且成本低。冷却器22可以例如通过增材制造技术与托架一体形成。图4B图示了通过将板21层压或焊接到一系列凸起段23而形成的整体冷却器的示例，这些凸起段23通常通过模制形成在另一件相同的聚合物塑料材料中。这形成了封闭的通道或导管，冷却流体可以通过该通道或导管从一端流到另一端。电池单元可以安装在每个托架20中，例如，安装在冷却器的外表面27上。冷却器22的外表面可以与电池单元的一个表面直接接触，以在大的表面区域上提供有效的冷却，而无需冷却流体直接接触能量储存设备或电池单元。
冷却流体从入口管106流过冷却器22的通道或导管23，从而通过从电池单元的表面穿过细管道23到冷却流体的热传递来冷却电池单元。冷却流体通道或管道的典型总厚度的范围为5mm至20mm，其中对于聚合物塑料材料，壁厚度的范围为1mm至5mm，并且优选不超过3mm。冷却流体被携带到出口管107中，并且返回到冷却单元105以再次冷却。形成在板21下方的管道23在电池单元表面接触的一侧覆盖电池单元表面的大部分，占电池单元的那一侧上的电池单元表面面积的30％至75％。
与传统冷却器块、热交换器设计不同，整体设计通过使用冷却液管使冷却流体直接邻近电池表面流动而显着减少了总材料重量和成本。另外，提供该冷却用于正常操作，以将电池单元保持在有利于性能和操作寿命的温度范围内，而非仅在发生热事件的情况下一次性使用。薄冷却流体通道23可以以任何合适的形式形成，经由管道5、6连接在入口管106与出口管107之间。优选地，通道的横截面为方形，从而最大化接触并且最小化冷却液和能量储存设备之间的塑料材料的数量。然而，可以使用其他横截面，诸如圆形横截面管道。管道23可以采用连接在入口管道5与出口管道6之间的连续蛇形管11的形式，如图5A和图4B的示例所示，或者可以存在多个平行管道排12，多个平行管道排12由来自连接到入口管道5的入口管106的公共供应馈送，并且如图5B所示通过出口管道6离开到达出口管107。
管道23可以是金属，但更典型地是合成材料，诸如聚合物塑料，例如，聚乙烯、聚酰胺(诸如PA66塑料)，或热塑性塑料，诸如TCE2、TCE5，或其他合适的材料，其可以通过增材制造技术模制或挤出或形成，以产生所需形状。管道材料能够承受能量储存模块的正常操作温度。备选方案是在基座上例如通过模制形成通道壁，然后将板施加到壁的上表面，其被焊接、或层压、或以其他方式固定就位。用于冷却流体的导管的总厚度可以为5mm至20mm，其中对于聚合物塑料材料，壁厚的范围为1mm至5mm，优选地，不超过3mm。
通过使冷却流体在冷却通道中流过电池单元表面的大部分而直接冷却电池单元，具有非常小的热阻。传统冷却布置受到了电池单元区域的、远离冷却器块或热交换器的热点的困扰，但是每个能量储存设备的这一冷却器避免了这个问题。这具有减缓电池单元的老化过程从而延长其寿命的作用。
能量储存模块10由在其托架20中堆叠在一起的多个电池单元形成，如图6所示。冷却流体从沿着堆叠行进的公共入口管106中的开口70进入每个冷却器的管道，并且通过沿着堆叠行进的公共出口管107中的开口71离开。在封闭系统中，冷却流体被加压，并且经由公共管106、107和每个模块10的各个冷却器22在模块堆叠的周围循环。
为了维持托架20对电池单元的压缩以考虑电池单元随时间的膨胀，需要一定柔性以允许随时间而改变。这可以由单独的柔性层32提供(如图7所示)，该单独的柔性层32设置在能量储存设备120的一个表面与相邻的冷却器22a之间。如果使用绝缘层，则绝缘层可以执行这种功能，或者通过由能量储存设备的任一侧上的冷却器控制的热传递，可以使用柔性片来确保托架仍然可以施加压力。在电池单元壁上施加低压，通常低于0.2bar，以提高性能和寿命，并且接受在电池单元的整个寿命期间由于正常操作和退化而导致的膨胀。冷却器22的段33与能量储存设备120的一个表面直接接触，当流体流过通道23时，薄壁允许冷却通道中的冷却流体34冷却能量储存设备。托架20经由诸如配件24、25中的螺栓的配件而安装在彼此之上并且固定在一起。在每个托架20上的每个水入口管106与出口管107之间，可以提供垫片或垫圈29、28。
优点在于，模块中的每个能量储存设备的冷却器22在电池单元的至少一侧上通过整个电池单元表面将产生的热量直接传递到冷却液。如图6所示，堆叠整体电池单元和冷却器允许电池单元的相对表面由堆叠中的相邻电池单元的冷却器来冷却(如果在该侧上没有使用绝热层)。冷却器和电池单元在每个模块中的直接接触使冷却比空气冷却或带水冷却的导热翅片更有效，因此在正常操作中减小电池单元和冷却剂之间的温差。使用一个冷却器冷却两个相邻电池单元的堆叠布置有助于减少重量和材料成本。在电池单元的表面上直接接触的另一益处如下：这允许冷却液的操作温度增加，从而降低在系统内部发生冷凝的可能性。将聚合物塑料材料而非金属用于冷却器允许将重量和成本降低到传统解决方案的一小部分。另外，模块不再需要传统的空气或水冷系统所需的冷却器块或热交换器，因此可以减少体积占地面积。这对于空间非常宝贵的海洋应用和离岸应用尤其有用。
另一特征是，除了承载冷却液、从而允许有效的热传递的每个电池单元之间的冷却通道的薄的轻质材料之外，冷却系统还可以包括在冷却通道的材料中建立的段，该冷却通道的材料在典型热失控温度(即，高于170摄氏度)下熔化。如果电池单元的一部分处于升高温度下，足以使这些段中的一个或多个段熔化，则冷却系统通道具有开放点，从而允许冷却液与其中发生热失控的电池单元直接接触。电池单元的这种附加主动冷却通过冷却液的蒸发而消耗了发热电池单元中的能量。
在冷却器的段由于热失控或其他过热而熔化从而形成开口的情况下，与正常操作中的情况不同，存在大的压力下降。由于堆叠中的能量储存模块的所有冷却器并联连接，所以来自能量储存系统中的所有冷却器的冷却液流到遭受热事件的电池单元中的开放回路，并且使该电池单元暴露于大量冷却液，从而通过冷却液与过热电池单元的直接接触而使温度快速降低，以防止热和热失控扩散到相邻电池单元。通过非常有效地将电池单元的温度降低，将关键区域主动暴露于流动的水增加了能量储存系统的安全性。冷却系统是常闭系统，因此用于冷却过热电池单元的流体总体积被限制为封闭系统所包含的量。
这个附加特征的又一益处在于，发生热事件的电池单元中的气体和烟气与水蒸气混合，从而大大降低了气体的可燃性，并且与水蒸气混合的气体通过电池外壳释放到排气系统。将可燃气体与水蒸气混合使得气体处理在热事件中随着可燃气体与蒸气混合而不再有挑战性。另外，不需要排气冷却，并且如果没有移除，则显着降低模块内部的热气体自燃的风险。
关于锂离子电池的示例对本发明进行了描述，但是本发明同样适用于任何其他类型的基于电化学电池的能量储存设备，诸如碱性或镍金属氢化物(NiMH)等，以及适用于诸如电容器、超电容器或超级电容器的其他能量储存技术，如果储存能量单元的模块的温度定期超出优选的操作范围，则诸如电容器、超电容器或超级电容器的其他能量储存技术也会受到影响，从而减少了整体寿命并且增加了维护成本。对于依靠储存能量作为其主电源或唯一电源的船舶或系统，可靠性尤为重要，并且期望优化操作条件。

Claims (14)

1.一种DC能量储存单元，包括多个能量储存模块，每个能量储存模块包括：串联电连接的多个电化学能量储存设备；所述能量储存模块中的一个内部控制单元；用于所述内部控制单元的一个内部电源；以及一个第一无线通信系统；其中串联的多个能量储存设备的总电压大于或等于40V DC，其中所述多个能量储存模块串联或并联耦合在一起，每个能量储存单元包括一个无线网关，所述无线网关用于所述能量储存单元与每个能量储存模块之间的通信；其中每个能量储存模块还包括一个壳体，所述壳体至少部分地包括一种非磁性材料；并且其中所述内部电源包括所述模块中的一个或多个能量储存设备中的仅一个能量储存设备或仅少数能量存储设备，所述仅一个能量储存设备或仅少数能量存储设备通过一个整流单元电连接到所述内部控制单元。
2.根据权利要求1所述的单元，其中所述非磁性材料包括一种聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的单元，其中所述非磁性材料包括热塑性塑料。
4.根据权利要求1所述的单元，其中所述非磁性材料包括聚乙烯或聚酰胺。
5.根据权利要求1所述的单元，其中所述整流单元包括以下各项中的一项：一个二极管或一个晶闸管。
6.根据权利要求1所述的单元，其中所述整流单元包括一个晶体管。
7.根据权利要求1所述的单元，其中所述整流单元包括一个整流桥。
8.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述模块还包括多个传感器，所述多个传感器用于检测以下各项中的至少一项：温度、能量储存设备电压或能量储存设备电流。
9.一种DC电源系统，包括：多个根据权利要求1至8中任一项所述的能量储存单元；一个本地DC母线，被连接在多个单元中的每个单元之间；以及一个系统控制器，用于控制本地母线与一个DC系统母线之间的功率可用性；其中所述系统控制器包括用于与多个所述能量储存单元通信的一个第二无线通信系统。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一无线通信系统和所述第二无线通信系统中的任一无线通信系统包括一个无线网络的一个节点，所述网络具有一个环形拓扑、网状拓扑、总线拓扑、树形拓扑、星形拓扑或点对点拓扑。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一无线通信系统和所述第二无线通信系统中的任一无线通信系统包括一个无线网络的一个节点，所述网络具有一个完全连接拓扑。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中所述电源系统的电压大于或等于500V DC。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中所述DC系统母线是一个车辆、一个船舶、一个飞机、一个钻井平台或一个动力设备的一个系统母线。
14.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中所述DC系统母线是一个离岸平台的一个系统母线。
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