CN111602264B - 组装能量存储系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种组装和电互连能量存储系统的方法，该系统包括机柜以及可以在机柜中被连接在一起的多个能量存储模块，每个能量存储模块包括多个能量存储装置；该方法包括：通过在电互连步骤期间在机柜的电路的一个电极(23、24)处提供(31)可移除电流监测装置，来执行电互连步骤；将第一模块(10)连接(32)到电极；在连接第一模块之后监测(33)电流流动；以及如果未检测到电流流动，则将另一模块与第一模块串联连接。针对每个后续模块重复监测(33)和连接(32)的步骤，直至机柜的所有模块已经都被电互连为止。将最终模块连接(32)到电路的另一电极(24、23)，并且将电流监测装置与电路断开(36)，并从电路移除电流监测装置。

Description

组装能量存储系统的方法

技术领域

本发明涉及一种组装和电互连能量存储系统中的能量存储模块的方法，特别是用于包括向最终用户提供电能的电化学电池单元或蓄电池的模块。

背景技术

存储电能的模块或各种类型的电力单元在许多应用中变得越来越普遍，该模块或电力单元特别是用于存在与敏感环境中的排放物相关的环境问题或公共健康问题的情况。存储电能的电力单元通常用于提供电能来运行设备，从而避免在使用时产生排放物，尽管所存储的能量可能已经以多种不同方式生成。所存储的电能还可以用于在系统中提供调峰，该系统以其他方式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)供电。飞行器、车辆、船舶、离岸钻机或遥远位置中的钻机和其他动力设备是大规模存储电能的用户的示例。车辆驾驶员可以在市中心使用储能电力单元并且在干道上通过内燃机进行充电，以减少城镇和城市中的有害排放物，或车辆驾驶员可以通过电力供应进行充电。正在利用混合动力或全电驱动系统来设计渡轮，这些渡轮的大部分航行是在相对靠近居住区或在敏感环境中进行的。渡轮可以在靠近海岸时利用所存储的能量运行来为船舶提供动力，从而使用离岸柴油发电机对蓄电池进行充电。在某些国家，可再生能源的可用于对储能单元进行充电的电力意味着，在储能单元对于所覆盖的距离足够可靠的前提下，可以使用全电船舶，而完全不使用柴油或其他不可再生能源。无论是混合动力还是全电动，储能单元可以在停靠时通过海岸供应部进行充电。必须解决某些技术问题，才能发展用以实现足够可靠以作为主电源长期使用的储能单元技术。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出一种组装和电互连能量存储系统的模块的方法，该系统包括机柜以及可以在机柜中被连接在一起的多个能量存储模块，每个能量存储模块包括多个能量存储装置；该方法包括：通过在电互连步骤期间在机柜的电路的一个电极处提供可移除电流监测装置，来执行该电互连步骤；将第一模块连接到电极；在连接第一模块之后监测电流流动；如果未检测到电流流动，则将另一模块与第一模块串联连接；针对每个后续模块重复监测和连接的步骤，直至机柜的所有模块都已经被电互连为止；将最终模块连接到电路的另一电极；以及将电流监测装置与电路断开，并从电路移除电流监测装置。

如果在电流监测装置中检测到电流流动，则不连接另一模块，而是确定故障是在模块中还是在电路的其他部分中；移除有故障的模块或部分；安装已修复或更换模块或部分；以及重复电流监测步骤。

优选地，该方法还包括：将完全安装的机柜连接到供电系统。

优选地，能量存储系统包括多个机柜，每个机柜在被连接到供电系统之前被安装。

优选地，每个能量存储模块包括被串联地电连接在一起以提供在50V DC与150VDC之间的多个能量存储装置。

优选地，每个机柜包括被串联地电连接在一起以提供至少1000V DC的多个模块。

优选地，多个能量存储模块中的每个能量存储模块包括水冷式聚合物或热塑性壳体。

附图说明

现在将参照附图来描述根据本发明的安装能量存储系统中的能量存储模块的方法的示例，在附图中：

图1是图示了可以应用本发明的方法的模块化储能系统的示例的框图；

图2图示了用于本发明的方法的图1的模块化储能系统的电路系统；

图3是图示了根据本发明的方法的、在机柜中安装能量存储系统的模块的流程图。

具体实施方式

用于供应海洋应用的DC电能的能量存储系统(诸如船载系统和离岸平台)具有较高电压和电流要求。这些能量存储系统可能需要提供1KV DC或更高的电压电平，该电压电平可以通过组合在50V DC与200V DC之间(通常在100V DC周围)的电压下运行的多个能量存储模块来实现。在所示的示例中，能量存储模块冷却系统并联地流体连接，并且能量存储模块串联地电连接在一起。备选地，冷却系统可以串联地连接在一起。每个模块可以包括串联地连接在一起以提供所需的总模块电压的多个能量存储装置，诸如蓄电池单元。通常，使用各自额定值在3V与12V之间的能量存储模块，总模块电压的量级为100V到150V DC。例如，每个蓄电池单元可以仅具有约3V的电压，但在具有串联地电连接在一起的28个电池单元的模块中，这会导致接近于100V的电压。多个模块可以耦合在一起，以能够为船舶上的电力系统提供足够的DC电压，例如1KV或更多。

早期的大型蓄电池是铅酸，但是近来，锂离子蓄电池已被开发用于大型应用中的电能存储。锂离子蓄电池通常为加压的并且电解质是易燃的，因此这些锂离子蓄电池在使用和存储时需要小心。锂离子蓄电池可能出现的问题是热逃逸，这可能是由在制造期间产生的蓄电池单元中的内部短路所引起的。其他原因(诸如机械损坏、过量充电或不受控电流)也可以导致热逃逸，但蓄电池系统设计通常适用于避免这些问题。无法完全排除电池单元的制造问题，因此需要采取预防措施，以将发生热逃逸的影响最小化。在大型锂离子蓄电池系统中，在热逃逸期间释放的能量难以控制。热事件可能会使单个电池单元中的温度从介于20℃到26℃的范围内的标准操作温度升高到700℃到1000℃。由于安全操作温度是低于60℃的，因此这是一个重大问题。

在海洋和离岸行业中，针对船舶或钻机的风险存在严格规定，一个要求是不应该将多余温度从一个电池单元传递到另一个电池单元。如果发生过热，则应该将过热包含在单个电池单元中，并且不允许扩散。另外，对于海洋和离岸应用，任何设备的重量和体积都会受到严格限制，从而优选的是紧凑型轻量级系统。产生紧凑型轻量级系统是个挑战，该紧凑型轻量级系统实现了所需的热隔离，并且使出现过度加热的电池单元快速且高效地冷却。

在锂离子蓄电池系统中，非常重要的是，蓄电池单元的温度不超过规定的操作温度并且整个系统中的电池单元温度是均匀的。在规定的操作温度窗之外持续操作可能会严重地影响蓄电池单元的使用寿命，并且增加发生热逃逸的风险。

对于海洋应用，由于在船舶或离岸平台上时的安装成本以及模块所占用的重量和空间，因此将重点具体放在以能量存储模块(诸如蓄电池)的最大充电或放电速率使用能量存储模块上。此外，与陆上储能系统的使用相比，维护和修复或更换既复杂又昂贵，因此延长储能模块的使用寿命尤为重要。以锂离子蓄电池为例，这些锂离子蓄电池对高温敏感，因此重要的是要确保针对锂离子蓄电池系统的所有电池单元控制操作温度和环境温度，以确保满足设计使用寿命。单个电池单元上的局部变化或热点也可以损害可达到的总使用寿命。

图1中图示了可以应用本发明的能量存储系统的示例。该系统包括机柜或柜1，其中多个能量存储模块10通过总线2a与柜控制器28串联地电连接在一起，并且通过总线2b与中央控制器3串联地电连接在一起。通过从冷却系统5循环经过入口管6和出口管7的冷却液，来使能量存储模块中的每个能量存储模块冷却。冷却液通常是水，与合成冷却剂相比，水更便宜且易于获取和处理。可以提供添加剂，例如以抑制冻结、生物生长或腐蚀。通常，添加剂的比例由所选择的添加剂确定，例如20％的防霜剂。每个能量存储模块10包括串联地电连接在一起的多个能量存储装置，例如蓄电池单元。带有冷却的这种类型的模块化系统特别适用于锂离子电池单元。

在模块10内，在每个电池单元的一侧上设置了蓄电池单元冷却器，该蓄电池单元冷却器经由入口管6和出口管7从冷却系统5接收冷却液，以使蓄电池单元冷却。电池单元冷却器包括用于使冷却液流过的管道，该管道可以是金属管道，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)，该合成材料可以被模制或挤压成所需的形状，并且能够承受能量存储模块10的正常操作温度。由于在电池单元之间不需要附加的热绝缘，因此在电池单元的两侧上都提供了冷却，这在常规蓄电池系统中很常见。通常，电池单元的一侧设置有柔性材料，以允许电池单元自然膨胀，因此具有柔性材料的一侧的冷却效果不太好。柔性材料确保了随着时间推移在电池单元膨胀时维持恰当压力。

可以改进这种模块化能量存储系统的组装和安装。一种改进是在蓄电池中的电源电路与其他导电部分之间的绝缘(例如蓄电池相位中的任一者与接地的导电性组件(诸如模块底盘)之间的绝缘)发生故障或被损坏的情况下，在将模块10安装于机柜1期间进行连续的接地故障监测，从而允许正常绝缘部分能够彼此电接触。接地故障可以是特定位置处的单相接地故障。然而，在一些情况下，两个单独的单相接地故障可能会在不同位置处同时发生。这些通常称为双接地故障。在常规的基于铅酸的系统中，这种双接地故障可能会发生几次，但不会对蓄电池材料造成重大损坏，并且实际上甚至很难识别。相比之下，在基于锂离子的能量存储系统中，双接地故障是安全问题，这是由于所涉及的能量的量，并且由于这种故障对锂离子电池单元造成损坏的可能性更大。在常规系统中，在设置和连接方面的实际限制是指只有在安装完成后才可以在操作系统中对接地故障进行任何监测，并且在安装期间未考虑发生双接地故障的可能性。

用于海洋用途的锂离子蓄电池系统通常在蓄电池模块前方构建有电力电缆连接。这允许造船厂工人将模块安装在机柜或机架系统中，但实际的电力电缆连接稍后由设备供应商的服务人员进行，使得关于短路、反极性和接地故障的所有安全事项随后是蓄电池制造商的责任。如上文所提及，规范是在系统或电池组级别提供接地故障监测，只有在完全安装已经完成并且所有模块已在机柜中连接之后，才激活接地故障监测。如果在柜级别存在接地故障或将具有接地故障的模块连接到柜，则对于安装人员来说这构成了严重的安全风险。通常可以在IT电力系统(这意味着电力相位与接地之间不存在连接的系统)中处理单个接地故障，但是双接地故障会导致短路。接地故障的原因包括在运输期间的机械损坏或由于湿度或存储条件而造成的环境损坏，这两种情况都可以影响同一生产批量的多个模块。

引入模块化系统引起了如下可能性，即，除蓄电池供应商服务人员以外的人员需要完成连接工作从而更改安全注意事项。在将机柜连接到能量存储系统的其余部分之前，但是在已经在机柜中安装了所有模块之后，在将机柜连接到船舶供电系统中之前，有可能在电池组级别进行接地故障检测检查，以检查接地泄漏电流。可以使用连接到机柜的正极端子的接地故障监测设备和在机柜的负极端子处开始的连接，来进行这些检查，但是这些检查不会在安装期间进行，这是因为控制电源通常不可用，并且此时进行长期监测的安装的电流测量装置还未被安装。可能已经在生产线的末端检查了模块是否存在接地故障，但在安装之前再次单独检查每个模块，以确保在运输和存储期间没有发生故障，这增加了时间并因此增加了成本。另外，为了进一步确定，将有必要检查安装有模块的柜或机架中的每个单独母线。

图2图示了在机柜中的能量存储系统的模块的安装和电互连期间进行电流测量时形成的电路的示例。可移除电流测量装置20可以经由电阻器21a、21b和隔离开关22a、22b连接到正极或负极中的任一极。在该示例中，该连接通向正极23。该连接是与在模块的电互连开始的相位进行的连接，并且模块从该相位依次连接在一起。在该示例中，第一模块10的正极侧经由DC总线2a，经由电阻器21a和开关22a连接到正极23。DC总线2a还将模块10中的每个模块串联连接到下一模块。如可以在图2中看出，存在已经串联连接的两个模块10。如果串联的模块中的最后一个模块具有接地的连接，则电流测量装置20检测电流流动。然后停止安装进程以确定接地的连接的源，并采取适当的校正动作，无论是母线2a还是模块10本身。然后，操作者继续与下一模块进行电互连进程，从而视需要进行修复或更换，直到已经连接了该机柜的所有模块为止。机柜1中的最终模块10经由电阻器21b和开关22b被连接到机柜24的负极。

如上文所提及，电流测量装置可以在负相位或正相位中的任一个相位上使用。如果连接到图2中的负相位，则电流测量装置20将被连接在电阻器21b之间，并且第一模块将经由总线2a、电阻器21b和开关22b被连接到负极24。要连接的最终模块将经由总线2a、电阻器21a和开关22a被连接到正极23。

在图3的流程图中图示了本发明的安装和电互连进程。为了开始该进程，做出30关于要连接到的机柜电路的正相位或负相位中的哪一个的选择。可移除电流监测装置然后被连接31到机柜电路的所选择的电极。电流监测装置通常是独立装置，该独立装置具有独立装置自身的供电部(诸如蓄电池组)，并且不需要提供任何外部电源。这在如下情况下是有帮助的，即，在存在可用于船舶或要安装机柜的平台中的任何电力之前正在安装机柜。在组装和电互连已经完成后，电流监测装置不旨在保持连接，而是旨在移除连接并用于下一作业。

第一模块通常经由电阻器21a、21b和隔离开关22a、22b被连接32到所选择的电极。操作者检查33在监测装置中是否检测到任何电流流动，并且如果未检测34到电流流动，则操作者连接另一模块并重复检查33。然后，操作者连接该机柜的串联的下一模块中的每个模块，并且对每个模块重复检查33，直到已经检查了所有模块为止。如果该机柜的最终模块已经到达并且成功安装，则停止监测。然后将电流监测装置与电路断开36，并且从该电路移除电流监测装置。如果在电互连步骤中在任何时刻检测到电流流动，则操作者可以尝试确定35故障的原因并且进行修复，或视需要更换有故障的部分。然后，再次连接已修复的模块，并重复电流检测步骤33，以检查该模块不再引起故障。如果修复或更换不成功，则可以终止该进程以进行进一步调查。一旦所有模块都已经被成功安装并且在模块的机柜中被电互连，就可以在适当的时间将完全安装的机柜连接37到供电系统。如果所有其他机柜均已准备就绪，则这可以直接从安装开始继续进行，或可以稍后进行。

以所描述的方式使用可移除的外部电流测量装置节省了成本和系统中的空间，这是由于由电流测量装置进行的功能仅可以在安装阶段期间适用。如果需要移除模块以进行维护或需要更换，则在系统处于运行之后，机柜可以断开，移除模块并且在更换模块时，将电流测量装置20再次连接到适当的电极，然后如上文所描述一般重新安装模块10。此后，电流测量装置与机柜电路断开并从机柜电路移除。在系统安装期间进行接地故障监测使进程和系统更安全。

由于电流测量装置不需要外部电源，因此蓄电池系统的安装不受船舶的其余部分的进程的限制，这可以是这种系统的调试期间的典型约束。可以使用电流测量装置的可重复使用且便宜的设计。外部测量装置可以是绝缘监测装置或电流测量装置，并且可以用于在连接机柜电路中的能量存储装置时对该能量存储装置进行连续监测。在安装和测试期间，如果检测到第一接地故障，则可以停止安装工作，并可以对有故障的模块或柜部分进行修复或更换。电流测量装置可以在正相位或负相位中的任一个相位上被连接到插入第一模块的相位。

本发明可以应用于不完整的电路，这是由于在将模块安装到机柜中期间连接了每个模块，因此可以进行连续的接地故障监测，以确保在安装期间不会发生双接地故障。单个电流监测装置(该单个电流监测装置可以由操作者从一个任务转移到下一个任务所采用)用于在组装期间进行电流测量。如果在安装模块之后使测量装置与系统保持连接，则在操作期间可能会引起接地故障，这是不可接受的。在安装和电互连模块之后，测量装置不再为该机柜所需要，并且可以将该测量装置用于下一个机柜的组装。与固定测试设备相比，这既节省了成本，又节省了空间，即，为每个模块提供接地故障监测。特别地，在船舶或离岸平台上，空间尤为珍贵。

尽管备选方法是提供被安装在每个机柜中以监测绝缘电阻的装置，但这需要每个隔间一个固定装置。监测装置必须连接到负极，且模块连接必须从负极开始。固定解决方案还必须包含开关，当系统连接到DC总线和其他电源时，该开关可以确保测量装置未被连接。由于这种系统必须是正常打开的，因此该系统依赖于外部电源，但实际上，在这一船舶安装阶段通常无法使用外部电源，因而会延迟这些模块的安装，直到外部电源可用。因此，固定解决方案增加了成本和复杂性且减少了可用空间和故障之间的平均时间。如果需要，可以使用常规设备完全单独地提供完整安装的系统的接地故障监测。

尽管已相对于电化学电池单元(诸如蓄电池，例如锂离子、碱性或NiMh蓄电池或其他蓄电池)给出了详细示例，但本发明适用于其他类型的储能单元，特别是非圆柱形电容器、超级电容器或超电容器、燃料电池单元或其他类型的能量存储装置，这些储能单元具有可以通过冷却器进行冷却的表面，并且这些储能单元也可能会受到储能单元的模块的温度定期超出优选操作范围的影响，从而降低整体使用寿命并且会不断增加。

Claims (8)

1.一种组装和电互连一个能量存储系统的方法，所述系统包括：一个机柜以及能够在所述机柜中被连接在一起的多个能量存储模块，每个能量存储模块包括多个能量存储装置；所述方法包括：通过在电互连步骤期间在所述机柜的一个电路的一个电极处提供一个可移除电流监测装置，来执行所述电互连步骤；将一个第一模块连接到所述电极；在连接所述第一模块之后监测电流流动；如果未检测到电流流动，则将一个另一模块与所述第一模块串联连接；针对每个后续模块重复监测和连接的步骤，直至所述机柜的所有模块都已经被电互连为止；将最终模块连接到所述电路的另一电极；以及将所述电流监测装置与所述电路断开，并从所述电路移除所述电流监测装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中如果检测到电流流动，则不连接另一模块。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中如果在所述电流监测装置中检测到电流流动，则确定故障是在所述模块中还是在所述电路的另一部分中；移除有故障的模块或部分；安装一个已修复或更换模块或部分；以及重复电流监测步骤。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括：将完全安装的所述机柜连接到供电系统。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述能量存储系统包括多个机柜，每个机柜在被连接到供电系统之前被安装。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中每个能量存储模块包括被串联地电连接在一起以提供50V DC与150V DC之间的多个能量存储装置。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中每个机柜包括被串联地电连接在一起以提供至少1000V DC的多个模块。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述多个能量存储模块中的每个能量存储模块包括一个水冷式聚合物或热塑性壳体。

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