CN110574214B - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种DC能量储存模块(10)包括：串联电连接的多个DC能量储存设备(120)；DC能量储存模块中的内部控制单元(11，12)；以及用于内部控制单元的电源(120a)。用于内部控制单元的电源包括模块中的DC能量储存设备(120a，120)中的一个或多个DC能量储存设备，该一个或多个DC能量储存设备通过整流单元(21，22)电连接到内部控制单元。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及一种能量储存模块以及一种向终端用户提供电能的用于能量储存模块的电源系统，具体地，涉及包括电化学电池单元或电池的电源系统。
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能量储存模块包括：串联电连接的多个电化学能量储存设备；DC能量储存模块中的内部控制单元；以及用于内部控制单元的电源；其中用于内部控制单元的电源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；并且其中串联的多个能量储存设备的总电压大于40V DC。
能量储存单元的每个模块是防水的，并且基本上是气密的，并且多个模块可以形成能量储存单元，该能量储存单元可以是防水的并且基本上是气密的。代替外部电源，使用模块内的能量储存设备来为内部控制单元供电，允许在没有到外部的附加开口的情况下制造模块，该附加开口可能需要被密封以防止气体流出或水进入。
整流单元可以包括开关部件，具体地，包括以下各项中的一项：二极管、晶闸管、继电器、或桥式整流器。
电源还可以包括与整流单元并联的晶体管或继电器。
内部控制单元电子器件电路可以从全模块电压电源供电，但是优选地，被连接以向内部控制单元供电的一个或多个能量储存设备的总电压不超过24V DC。
串联的多个能量储存设备的总电压可以在50V DC至200V DC的范围内。
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。
电源还可以包括DC到DC降压转换器，该DC到DC降压转换器电连接在内部控制单元与串联的多个能量储存设备之间。
每个能量储存模块还可以包括以下各项中的至少一项：温度传感器、电压监测设备、或电流监测设备。
能量储存模块还可以包括低压差调节器或无线开关调节器。
可以使用到中央系统控制器的有线通信系统，诸如可以使用控制器区域网络通信系统，但是为了减少共模干扰，优选地，每个能量储存模块还包括无线通信系统。
能量储存模块可以包括密封的防火外壳。
每个能量储存模块的壳体可以至少部分地包括聚合物材料。
聚合物材料可以包括以下各项中的一项：聚乙烯、聚酰胺或热塑性塑料。
按照本发明的第二方面，一种DC电源系统包括：根据第一方面的多个能量储存模块；以及公共系统控制器，用于控制船舶或离岸平台上的功率可用性。
电源系统电压可以大于或等于500V DC。
多个电源可以连接在一起以提供所需的电源系统电压。
公共系统控制器还可以包括无线通信系统，该无线通信系统用于与能量储存模块中的每个能量储存模块通信。
一种操作根据第一方面的DC电源系统中的能量储存模块的方法可以包括：检测能量储存模块中的能量储存设备的一个或多个参数；以及基于检测到的参数来控制能量储存设备的充电和放电。
中央控制器可以针对模块以及该模块内的能量储存设备而设置和施加对充电和放电电流的量和定时的限制。
参数可以包括以下各项中的一项：能量储存设备或每个能量储存设备的温度、电流或电压。
该方法还可以包括：响应于检测到的参数，主动平衡能量储存设备的电池容量。
内部控制单元可以控制每个模块中的能量储存设备的主动平衡，使得模块中的每个能量储存设备的电压或充电状态被维持处于基本上相等的水平。
主动平衡可以使用全电压降压转换器。
在低负载期间使用电压的子集，然后使用全电压电源来平衡该电压的子集以提高效率。
该方法还可以包括：从每个能量储存模块向公共系统控制器发送数据或检测到的参数。
附图说明
现在，参考附图，对根据本发明的电源系统的示例进行描述，其中
图1图示了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图示了传统电池模块的示例；
图3图示了用于图1的系统的根据本发明的能量储存模块的示例；
图4a和图4b更详细地图示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图示了根据本发明的多个能量储存模块可以如何堆叠在一起；以及
图7图示了能量储存模块的一部分的更多细节；
图8是根据本发明的电源系统的操作方法的流程图；以及
图9示出了穿过根据本发明的模块的横截面。
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的能量储存系统的示例，该能量储存系统用于如引言中所描述的所有类型的应用，但是具体用于船舶或离岸平台上，其中存在空间和重量约束、以及安全问题。该系统通常包括多个能量储存模块M1至Mn，多个能量储存模块M1至Mn通过DC母线2串联电连接在一起，以提供系统所需的电压电平。能量储存系统的每个模块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能量储存设备(例如，电池单元)(未示出)的堆叠，每个能量储存设备都安装在冷却器20上，该冷却器20还用作电池单元的支撑件或托架，其在图6中更详细地示出，并且每个能量储存设备与下一冷却器上的相邻能量储存设备串联电连接在一起。在示例中，冷却器是支撑件整体的一部分，但是备选方案可以是具有单独的支撑框架或托架，冷却器被安装在该单独的支撑框架或托架中。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)串联或并联连接在一起，以形成能量储存单元或隔间101。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，尽管还可以使用容量低至几Ah或超过100Ah的电池单元。针对每个模块10，模块通常包括10到30个之间的能量储存设备，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50个模块，但是通常可以选择每个隔间9到21个模块，然而，准确数目可以根据要求而变化。
在能量储存系统101内，每个模块10可以经由DC母线2连接到主系统DC母线和中央控制器103，中央控制器103可以设置例如针对每个模块10的充电速率和充电状态的限制、以及控制对主DC母线4上的消耗方(未示出)的供电。中央控制器103根据船舶的要求和每个模块中的可用储存能量来确定哪些模块10充电或放电，并且控制向船舶DC母线4供应功率。每个能量储存模块与能量供应系统的DC母线2之间可以存在转换器(未示出)，特别是在连接有多个能量储存模块的情况下。尽管能量储存模块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经由去往每个模块的入口管106而向每个模块并行供应冷却流体，并且经由出口管107接收返回以再次冷却的冷却流体。
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多个能量储存模块10来实现，多个能量储存模块10针对每个模块在50V至200V的范围内(其取决于电池单元的容量和物理尺寸)操作，优选地，在100V至150V的范围内操作。希望每个能量储存模块具有其自己的控制单元，该控制单元包括模块内的本地控制和监测电路，以用于诸如电池单元平衡、温度测量和电池单元电压监测的目的。然后，每个本地控制单元可以向系统功率控制器103提供数据。然而，在待机模式下，用于控制和监测每个模块中的能量储存设备的电路中的典型处理器或微控制器的电压要求仅为几伏特DC，并且电流消耗非常低。船舶系统和监测电路的要求不兼容，因此控制和监测电路必须使用外部电源供电。
图2图示了能量储存系统的模块10的示例，其包含内部控制单元，该内部控制单元包括模块内的控制和监测电子器件11以及处理器或微控制器12。各个能量储存设备(在该示例中为电池单元120)串联耦合在一起以产生所需的能量储存模块电压15，该电压在该示例中为100V至150V或约100V至150V。每个电池可以额定为3V至4V，或约为3V至4V，例如，锂离子电池单元通常为3.6V。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电压来为船舶上的系统(诸如推进系统)供电。例如，根据系统要求，使用100V能量储存模块，可以将六到二十个模块连接在一起以提供600V DC至2KV DC，但扩展到更高的电压(诸如3KV或更高)非常简单，只需通过添加串联的附加模块10即可。控制和监测电子器件11、12经由辅助电源电缆18从外部辅助电源13供电，该辅助电源电缆18可以通过可选的低压差(LDO)调节器14或其他附加调节器连接在电子器件11、12与电源13之间。选择外部电源以满足内部控制和监测电子器件11、12的要求，而非由电池系统供电的机载系统的要求。
来自外部电源13的辅助电源电缆18需要模块10中的开口17。这在陆基系统上并非特别问题，但是对于关于每个电池模块的防火和防水具有严格规定的离岸设施，需要在模块壳体中开口使得为监控电路提供合适功率则更加困难。
本发明通过使用模块10内的能量储存设备120本身供应能量来解决为内部控制单元11、12供电的问题。这避免了：在模块壳体中需要制作任何附加开口，然后必须适当地密封这些附加开口以满足规定要求。从图3中可以看出，能量储存模块包括控制和监测电路11，其包括处理器或微控制器12。该电路可以连接到可选的LDO调节器或其他附加调节器14。然而，不是如图2所示的连接到外部辅助电源，而是电路设置在模块10内以从能量储存设备120中的一个或多个能量储存设备供电。在该示例中，能量储存设备120可以是多单元锂离子电池15的电池单元，优选地，棱柱型或袋型电池单元，因为与圆柱形电池单元相比，它们可以被有效地包装以减少所需的总空间。然而，根据应用和功率要求，本发明可应用于其他类型的能量储存设备，诸如电容器(具体地，用于钻机)、超电容器、铅酸电池单元、燃料电池单元或其他类似的能量储存设备。能量储存设备120的数目和模块电压10可以根据来自所选择的能量储存设备类型的可用电压进行调整。典型布置是在串中使用足够的能量储存设备以产生用于内部控制电路的24V电源。
如先前所描述的，用于工业应用的电池通常具有比电池监测、电池单元平衡电子器件所需要的电压高得多的电压。因此，电源需要从模块电压(通常范围为每个模块的总电池电压100V DC至150V DC)向下变换至几伏(针对CPU 12和控制和监测电路11的辅助电子器件通常为3.3V)。另一考虑因素是在长期储存或待机模式下，电路11、12的电流消耗保持非常低，以便不会完全耗尽电池容量。这些模式下的电流消耗可以低至200μA。传统的电源配置无法在这种小电流消耗的情况下实现从150V至3.3V的高效率供电。
模块10的能量储存设备120包括多个相对低压的电池单元，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11、12的辅助电源由相对较低的电池单元中的一个或多个相对较低的电池单元提供，而不是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11、12的电源不需要将电压从模块电压(例如，100V DC或150V DC)向下变换为所需电压3V或4V，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14。内部控制单元11、12以内部公共接地电位为基准，并且通过整流单元连接到一系列能量储存设备15中的最后一个能量储存设备120a。整流单元21、22可以包括例如晶闸管、继电器、桥式整流器、或二极管21。整流单元还可以包括与二极管、继电器或晶闸管并联的半导体器件，诸如晶体管或继电器。整流单元使得内部控制单元电路能够从模块中的电池单元中的一个或几个电池单元供电。电源电压可以小于或大于单个电池单元的电压，因此内部控制单元可以在主动平衡和能量消耗之间切换，但通常不超过30VDC。在一个示例中，电源额定为24V DC。二极管、继电器、桥式整流器、或晶闸管与诸如晶体管的半导体器件或继电器的并联组合使得能够对所使用的电池单元进行主动平衡。单独使用二极管、继电器、桥式整流器或晶闸管控制到内部控制单元11、12的供电，但不提供主动平衡，如下文所更详细地说明的。当模块储存时使用能量储存设备作为内部控制单元的电源并未使用许多周期(cycles)，并且甚至可以仅使用一个周期的一部分，因此在模块投入运行之前，已经使用的电池单元可以与其他电池单元平衡，而不会相对于未使用的其他电池单元而过度影响电池单元的寿命。
简单连接到组成模块10中的能量储存装置15的大约40个能量储存设备中的单个能量储存设备120a或仅仅少数设备可能足以为电路11、12供电，但对于整个模块，这具有以下缺点：能量储存设备120、120a变得不平衡，因为仅使用一个或几个设备来为电路11、12供电，而不是从所有设备120、120a中的每个设备取一点并且将它们保持在相似的充电水平。解决该问题的本发明的另一特征是与二极管21并联设置的半导体器件，诸如晶体管22、晶闸管或继电器，并且该半导体器件被连接到全电压DC到DC降压转换器或降压转换器20，使得用于为内部电路11、12供电的能量储存设备120a可以利用通过全电压降压转换器20充电到正确值来主动平衡。在主动模式下，当吸取更多电流时，可以连续使用主电源。在断电或储存模式期间，当负载非常低时，可能仅需要一个电池单元或几个电池单元。因此，系统可以使用两种模式(即，全电压DC到DC降压转换器电源和仅基于一个电池单元或几个电池单元的电源)的组合，以实现最佳效率。CPU 12具有恒定功率，并且可以选择激活或去激活主降压转换器电源20，并且可以选择在任何时间对底部电池单元120a进行充电或平衡。
主动平衡可以在调试时完成，在储存期间自动完成，或两者兼而有之。如果未使用主动平衡并且在储存期间仅从底部电池单元中消耗了容量，则可以在使用之前对电池单元进行被动平衡。然而，这并不是期望的，因为它影响能量储存系统的总体容量和效率。
与始终使用全电压降压转换器电源的系统相比，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11、12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。
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示出了给出模块10的更多细节的不同视图。每个模块包括冷却器20，如图4a和图4b所示，在冷却器20上适配能量储存设备(未示出)，诸如电池单元120。冷却器通常由聚合物塑料材料制成，重量轻且成本低。如图4b所示(爆炸视图)，冷却器中的冷却通道22可以通过将板21层压或焊接到一系列凸起段23而形成，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。可替代地，冷却通道22可以通过增材制造技术或其他技术形成为冷却器壳体的整体部分，例如，在图9中，在通过一个模块10的横截面中可以看到。电池单元可以安装在每个冷却器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，而不需要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，并且优选地，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5与出口管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由在其冷却器20上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。
为了维持冷却器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40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冷却器仍然可以施加压力。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，薄壁允许冷却流体34冷却能量储存设备。冷却器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。在每个冷却器20上的每个水入口段106与出口段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。
本发明的另一特征是，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。
可以与本发明结合的另一特征是使用从每个能量储存模块到系统控制器103的无线通信，使得无需附加的外部连接2。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。可替代地，可以使用光纤电缆代替导线，尽管这是比无线更昂贵的选项。在每个模块内，针对每个电池单元可以与传感器有线连接，但模块通常稳健且气密，并且期望避免穿透模块。传统上讲，电池模块使用了金属壳体，该金属壳体充当法拉第笼，使得无线通信不能实行。本发明通过用非磁性材料制造模块中的至少部分模块来克服该问题，该非磁性材料通常是非金属的，诸如聚合物材料，其允许通过与能量储存单元101的控制器128的无线通信将通信信号传输到DC能量储存单元的每个模块外部。
图8是图示了操作如本文中所描述的DC电源系统中的能量储存模块的方法的主要特征的流程图。与能量储存模块中的能量储存设备或模块本身有关的一个或多个参数被检测40，通常为来自设备或模块中的传感器的传感器数据。这些参数可以包括例如设备的温度或模块外罩的温度、或能量储存设备或每个能量储存设备的电流或电压。在模块或设备中设置适当的传感器，以感测所需参数。数据或检测到的参数可以在模块的本地控制器中进行本地处理41，或者直接从每个能量储存模块发送42到系统控制器。该中央控制器使用传感器数据来确定43每个模块的状态。中央控制器还接收44与系统功率要求和其他能量储存模块的状态有关的数据。根据可用数据，中央控制器控制45能量储存设备的充电和放电。中央控制器可以基于所接收的数据来为模块的充电和放电电流的量和时间设置和施加限制。如果有必要，则中央控制器访问其他储存的数据以用于确定适当的限制，诸如参考值。内部控制单元可以响应于检测到的参数而执行能量储存设备的电池容量的主动平衡，使得模块中的每个能量储存设备的电压或充电状态被维持的水平基本上等于该模块中的其他能量储存设备的水平。主动平衡可以使用全电压降压转换器。

Claims (26)

1.一种DC能量储存模块，所述模块包括：串联电连接的多个电化学能量储存设备；所述DC能量储存模块中的一个内部控制单元；以及用于所述内部控制单元的一个电源；其中用于所述内部控制单元的所述电源仅包括所述模块中的所述多个能量储存设备中的一个或多个能量储存设备，所述一个或多个能量储存设备通过包括一个开关部件的一个整流单元被电连接到所述内部控制单元；并且其中串联的所述多个能量储存设备的总电压大于40VDC。
2.根据权利要求1所述的模块，其中所述开关部件包括以下各项中的一项：一个二极管、一个晶闸管、一个继电器、或一个桥式整流器。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述电源还包括与所述整流单元并联的一个半导体器件。
4.根据权利要求3所述的模块，其中所述半导体器件包括一个晶体管或一个继电器。
5.根据权利要求1或2所述的模块，其中被连接以向所述内部控制单元供电的所述一个或多个能量储存设备的所述总电压不超过30V DC。
6.根据权利要求1或2所述的模块，其中串联的所述多个能量储存设备的所述总电压在50V DC至200V DC的范围内。
7.根据权利要求1或2所述的模块，其中串联的所述多个能量储存设备的所述总电压大于或等于100V DC。
8.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述电源还包括一个DC到DC降压转换器，所述DC到DC降压转换器被电连接在所述内部控制单元与串联的所述多个能量储存设备之间。
9.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述能量储存模块还包括以下各项中的至少一项：一个温度传感器、一个电压监测设备、或一个电流监测设备。
10.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述能量储存模块还包括一个低压差调节器或一个无线开关调节器。
11.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述能量储存模块还包括一个无线通信系统。
12.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述能量储存模块的壳体至少部分地包括一种聚合物材料。
13.根据权利要求12所述的模块，其中所述聚合物材料包括热塑性塑料。
14.根据权利要求12所述的模块，其中所述聚合物材料包括以下各项中的一项：聚乙烯或聚酰胺。
15.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述能量储存模块包括一个密封耐火外壳。
16.一种DC电源系统，包括：多个根据前述权利要求中任一项所述的能量储存模块；以及一个公共系统控制器，用于控制一个船舶或一个离岸平台上的功率可用性。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述电源系统的电压大于或等于500V DC。
18.根据权利要求16或17所述的系统，其中多个电源被连接在一起以提供所需的电源系统的电压。
19.根据权利要求16或17所述的系统，其中所述公共系统控制器还包括一个无线通信系统，所述无线通信系统用于与所述多个能量储存模块中的每个能量储存模块通信。
20.一种操作根据权利要求16至19中任一项所述的DC电源系统中的能量储存模块的方法，所述方法包括：检测所述能量储存模块中的多个能量储存设备的一个或多个参数；以及基于所检测到的一个或多个参数来控制所述多个能量储存设备的充电和放电。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述公共系统控制器针对所述模块以及所述模块内的多个能量储存设备而设置和施加对充电和放电电流的量和定时的多个限制。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述一个或多个参数包括以下各项中的一项：所述能量储存设备或每个能量储存设备的温度、电流或电压。
23.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述方法还包括：响应于检测到的所述一个或多个参数，主动平衡所述多个能量储存设备的容量。
24.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述内部控制单元控制每个模块中的所述多个能量储存设备的主动平衡，使得所述模块中的每个能量储存设备的电压或充电状态被维持处于一个基本上相等的水平。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述主动平衡使用一个全电压降压转换器。
26.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述方法还包括：从每个能量储存模块向所述公共系统控制器发送数据或检测到的参数。
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