CN116583990A - 储存和输送电能的模块化的装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于积蓄和输送电能的模块化的装置(1)，其包括结构(11)，所述结构(11)包括多个搁架(12)、空气调节系统(13)和至少一个双向电子多级变流器(2)；双向电子多级变流器(2)具有无变压器的AC/交流的输出(2a)，并且包括连接到输出(2a)的三个三相支路(21、22、23)，每个三相支路(21、22、23)包括彼此串联连接的多个模块(3)、多个电感器(L2a)，每个电感器(L2a)布置在支路(21、22、23)的相应的输出线上、以及固件控制装置(4)，其配置成至少修改来自模块(3)的电流和电压输出；其中每个模块(3)包括用于AC输出的第一级(31)，该第一级(31)包括对地隔离的IGBT装置，能够与相应的支路(21、22、23)的其他模块(3)串联连接，并且能够产生输出电压波形、用于DC/DC转换的第二级(32)，其限定输入(32a)、以及连接到输入(32a)的至少一个电池(5)，其中电池(5)是电动汽车电池(EVB)。

Description

储存和输送电能的模块化的装置
技术领域
本发明涉及一种用于积蓄和输送电能的模块化的装置，其为第一项权利要求的前序部分中所述的类型。
具体而言，本发明涉及一种用于积蓄和输送电能的模块化的装置，所述模块化的装置通常通过专门配置的多级变流器来控制。
背景技术
目前已知的能量积蓄系统提供电池组，例如，用作蓄能系统和能量生产装置下游的系统，或者用作电动汽车的充电系统。考虑到现代技术对电池的高需求(例如电动汽车的动力)，在循环结束后更换的电池的再利用是至关重要的，这些电池仍然可用于不同的应用，但是存在与过去相关的问题。再利用面临着例如二手电池所谓的“一致性”问题。
此外，在使用不同电池的蓄能系统的情况下也会出现类似的问题。
在这方面，所描述的已知技术包括一些重要的缺点。
特别地，没有系统或装置能够使用和优化具有不同老化状态和结构特征的电池的集成。
总之，不存在将不同电池与即插即用系统耦合的能量积蓄和输送系统，即，如果电池具有不同的结构特征或老化状态，则这样的系统不必对电池进行特定的改变或调整。
发明内容
在这种情况下，本发明的技术目的是设计一种用于积蓄和输送电能的模块化的装置，所述模块化的装置能够基本上消除至少部分上述缺点。
在所述技术目的的范围内，本发明的一个重要目的是获得一种模块化的装置，所述模块化的装置能够耦合处于老化状态且具有不同结构特征的电池。
本发明的另一个重要目的是提供一种配备有即插即用系统的装置，所述装置能够在不对相同的电池进行修改或调整的情况下对不同类型的电池进行耦合。
同样，本发明的一个重要目的是提供一种故障-保险的模块化的装置，即使在组成该装置的其中一个积蓄模块出现故障的情况下，所述故障-保险模块化的装置也能够输送能量。
最后，本发明的一个重要目的是提供一种能够控制和优化多个装置参数的装置，装置参数例如连接到自身模块的电池的电压、电流、充电状态、温度管理、磨损状态等。
技术目的和特定目的是通过如所附权利要求1所述的一种用于积蓄和输送电能的模块化系统来实现的。
从属权利要求中强调了优选的技术方案。
附图说明
参考附图，通过对本发明优选实施例的详细描述，本发明的特征和优点将在下面得到阐明，其中：
图1示出了根据本发明的模块化积蓄装置和电能输送的示意性透视图，其中每个支架都包括单个完整的模块，所述模块配备有电池以及第一和第二级；
图2示出了根据本发明的模块化积蓄装置和电能输送的示意性截面图，其中示出了两种结构，分别包括搁板，以及分开地搁置的模块化电池以及通过多插座连接到电池的模块的各个级；
图3是包括在根据本发明的模块化积蓄装置和电能输送中的双向多级电子变流器的第一示意性电路图；
图4a是图3的另一示意图，其中变流器详细示出为模块；
图4b表示包括在根据本发明的模块化积蓄装置和电能输送中的双向多级电子变流器的第二示意性电路图；
图4c表示包括在根据本发明的模块化积蓄装置和电能输送中的双向多级电子变流器第三示意性电路图；
图5a示出了单个积蓄模块以及积蓄和输送电能的模块化的装置的能量分配的电气图，其中有多个电池并联；以及
图5b是单个积蓄模块以及积蓄和输送电能的模块化的装置的能量分配的电气图，其中有多个电池串联。
具体实施方式
在本文中，当与“大约”或其他类似术语(如“大致”或“基本上”)相关联时，尺寸、值、形状和几何公差(例如垂直度和平行度)应被认为不包括由于生产和/或制造误差导致的测量误差或不准确性，并且最重要的是，不包括与其相关联的值、测量、形状或几何公差的略微偏差。例如，如果与值相关联，这些术语优选地表示不超过该值的10％的偏差。
此外，在使用时，“第一”、“第二”、“较高”、“较低”、“主要”和“次要”等术语不一定表示顺序、关系的优先级或相对位置，而是可以简单地用于清楚地区分它们的不同部件。
除非另有说明，作为以下讨论的结果，诸如“处理”、“计算”、“确定”、“运算”或类似的术语是指计算机或类似的电子计算装置的操作和/或过程，其将表示为物理量(例如计算机系统的寄存器和/或存储器中的电子量)的数据操纵和/或转换为类似地表示为计算机系统、寄存器或其他存储、传输或信息显示装置中的物理量的其他数据。
除非另有说明，本文中报告的测量和数据应视为在国际民航组织国际标准大气(ISO 2533:1975)中进行。
参照附图，根据本发明的用于电能积蓄和输送的装置整体用数字1表示。
优选地，如图1至图2所示，用于积蓄和输送电能的模块化的装置1包括至少一个结构11和至少一个双向多级电子变流器2，所述结构11包括多个搁架12，所述双向多级电子变流器2包括多个模块3。
优选地，结构11是包括搁板12的刚性结构，例如金属。
此外，结构11可以是封闭的或开放的。例如，结构11可以包括简单的框架，或者由简单的框架组成。或者，结构11可以是限定一个或多个堆叠的隔室并且可从至少一个方向进入的容器。
因此，搁架12优选是可拆卸的。特别地，搁架12容纳装置1的至少一部分。
优选地，每个搁架12配置为容纳整个模块3或模块3的至少一部分，如后面更详细解释的。
此外，装置1还可以包括空气调节系统13。如果存在调节系统13的话，调节系统13配置为将结构11或模块3的至少一部分(可能是变流器2的整体)的内部的温度保持在预定容差内。因此，在这个意义上，调节系统13可以是位于外壁上、顶盖上和/或结构11本身的外部的通风或制冷系统，其可选地是液体、HVAC型冷却器或冷却系统。
相反，变流器2限定了AC/交流电的输出2a。
优选地，变流器2具有0.3至2MW之间的总功率输出。
同样，优选地，输出2a是三相交流的中压输出。
此外，优选地，如图3、图4a至图4c的各种实例所示，变流器2包括三个支路21、22、23。
支路21、22、23是三相的，并且连接到输出2a。此外，支路21、22、23中的每一个都可以连接到或包括多个彼此串联的模块3。
优选地，变流器2还包括多个电感器L2a。
每个电感器L2a都适当地布置在支路21、22、23的输出端的相应线路上。因此，每个支路21、22、23优选地通过相应的电感器连接到输出2a。
特别地，在图3和图4a所示的实施例中，每个支路21、22、23都包括多个彼此串联连接并布置在上臂3a和下臂3b中的模块3。臂3a、3b也通过至少一个电感器L21、L22、L23彼此连接。
此外，在另一个实施例中，每个支路21、22、23可以包括彼此串联连接的多个模块3，并且多个模块3布置在通过至少一个电感器L21、L22、L23以及可能的相互耦合的阻抗连接在一起的臂3a、3b中。
此外，优选地，变流器2包括固件控制装置4，其配置为至少修改来自模块3的输出电流和电压。
根据本发明，如图3所示，每个模块3都优选包括第一级31和第二级32。
第一级31基本上是AC输出级，其包括固态开关(也称为SSW)。例如，取决于例如模块3的工作电压，固态开关可以包括IGBT装置，或者甚至是包括MOSFET。
第二级32基本上是DC/DC转换级。
优选地，第一级31对地面隔离。此外，其能够与支路21、22、23的其他模块3串联连接，并且能够产生输出电压波形。
优选地，第二级32在10-100kHz之间的频率工作。
此外，优选地，第二级32包括双转换桥321，其向位于DC/DC模块中心的中频变压器322馈电。因此，第二级32适于提供电流隔离。
此外，优选地，第二级32限定输入32a。
优选地，每个模块3还都包括至少一个电池5。
有利地，电池5连接到输入32a。
更有利的是，每个模块3都包括多个电池5。如果电池的数量大于1，则优选并联排列，如图5a所示。可选地，电池也可以串联排列，如图5b所示。详细地，优选对电池5进行并联排列，而对具有高度相似性或相同的电池5进行串联排列。
换言之，至少一个电池5与每个模块3相关联。
更详细地，每个电池5优选可拆卸地连接到输入32a。
此外，电池5优选是电动汽车电池EVB。
众所周知，EVB电池实质上是一种特殊的电池，也称为动力电池，其不同于起动电池、照明电池和点火电池，因为它们被设计为长时间提供能量。
因此，电池5不是电动汽车电池的一部分，而是完整的或整体的EVB电动汽车电池。例如，电池5可以是电动汽车电池EVB，其从电动汽车移除以供进一步使用，即，用于二次利用电池或梯次利用电池(SLB)。换言之，电池5不是经过处理或修复的电池，而是最初销售的EVB电动汽车电池，即原样的电池。
最后，优选地，每个模块3都包括通过多插座51连接到输入32a的至少一个电池5。
该多插座优选配备有多个适于连接不同类型电池5的连接器。特别地，多插座51配置为允许向电池5供电或从电池5供电，并且允许在电池5和变流器2之间传输数据或信号。
特别地，多插座51配置为允许电池5(具体而言是电池管理系统或BMS的电池5)与第二级32通信，并因此通常与变流器2通信。
事实上，如已经提及的，可以连接到根据本发明的装置1的EVB电动汽车电池可以是二手电池、新电池、不同类型和种类的电池，可能是任何类型的EVB电池，而无需进一步的修改。
总之，如前所述，每个模块3都可以容纳在其自身的搁架12中，或者每个搁架12都可以仅容纳电池5。通过例如为每个搁板12分配的多插座51，该电池可以在由结构11制成的搁板12的密闭隔室的底部上与相应的模块3自身的级32进行连接或断开连接。
此外，如图2中详细示出的，装置1还可以包括两个结构11，其中一个结构11专用于电池5，另一个结构11专用于变流器2的模块的第一和第二级31、32，电池5和第一和第二级31、32放置在相应的搁架12中。
因此，通常来说，模块的第一和第二级31、32可以在搁架12的密闭隔室的外部，而电池5就容纳在搁架12中。
之前在结构方面描述的装置1的操作如下。
固件控制装置4接收待确定和/或待提供给变流器2的输出2a的有功和无功功率设定点，从而接收整个装置1的输出2a的有功和无功功率设定点，并且协调变流器2的各个模块3的操作。因此与单个模块3进行通信，并因此与单个电池5进行通信，其协调单个模块3的操作，至少使输出电流和电压适应于构成变流器2的模块3，以便使它们在输出串联连接中以最佳状态工作。以此方式，即使连接的单个EVB电池的容量和特性不同，也能得到充分利用。
事实上，考虑到所使用的电池5之间的差异，装置4能够均衡电池的老化状态，并计算模块3的等效充电状态，以便分配电池5的电荷。
因此，电池5的持续时间得到优化，并且可以充分利用诸如化学类型、安装容量、循环次数、工作温度、DoD放电深度等特征。
根据本发明的装置1实现了重要的优点。
事实上，有利地，电动汽车电池的使用使得简化装置的结构成为可能，因为根据它们在制造过程中可以直接暴露于外部，或者暴露于外部环境，而无需没有特殊保护，如图1至图2所示。
此外，由于装置1的创新的模块化结构允许连接不同的电池，因此可以回收和使用并优化产品，否则这些产品将需要被处理掉，因为它们不再作为单个电池使用。
更有利的是，具有变流器的装置是无变压器类型的，即，其不使用工作频率为50Hz或60Hz的从低压到中压的外部三相变压器，而是利用变流器2的特性来直接产生必要的输出电压。在连接到电网处，要求值为中等电压值。此外，由于第二级32是绝缘的，系统与其所连接的电网是电隔离的，这由存在于所有模块3内部的以中频工作的小型变压器来保证。
总之，由于装置4和装置1的模块化性质，在发生故障时可以对整个系统进行重新配置。事实上，有利的是，在其中一个模块3或单个电池5发生故障的情况下，装置4可以直接对系统进行重新配置。事实上，在这种特定情况下，控制装置4可以绕过故障的模块3，重新配置与故障模块3串联的其他模块的控制值，并继续生成期望的输出波形。总之，装置1本质上可以在N-1配置中工作，这即使在发生故障的情况下也能显著增加其可用性。
本发明容许落入由权利要求限定的发明概念的范围内的变型。
在这种情况下，所有的细节可以由等同的元件代替，并且材料、形状和尺寸可以是任意的。

Claims (10)

1.一种用于积蓄和输送电能的模块化的装置(1)，其包括结构(11)，所述结构包括多个搁架(12)、空气调节系统(13)和至少一个双向多级电子变流器(2)，所述双向多级电子变流器(2)具有无变压器型AC/交流的输出(2a)，所述双向多级电子变流器(2)包括
-三相连接至所述输出(2a)的三个支路(21、22、23)，每个支路都包括串联连接的多个模块(3)，
-多个电感器(L2a)，每个电感器都布置在所述支路(21、22、23)的相应的输出线上，以及
-固件控制装置(4)，其配置为至少修改来自所述模块(3)的输出电流和电压，
并且所述装置(1)的特征在于
每个所述模块(3)都包括
-用于AC输出的第一级(31)，所述第一级(31)包括对地线隔离的IGBT装置，能够与相应的支路(21、22、23)的其他模块(3)串联连接，并且能够产生输出电压波形，
-用于DC/DC转换的第二级(32)，其具有输入(32a)，以及
-至少一个电池(5)，其连接到所述输入(32a)，
并且其特征还在于
-所述电池(5)是电动汽车电池(EVB)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，每个模块(3)包括串联排列的多个电池(5)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，每个电池(5)可移除地连接到所述输入(32a)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述变流器(2)具有0.3至2MW之间的总功率输出。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述输出(2a)是中压的三相交流输出。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，每个支路(21、22、23)包括多个彼此串联连接并布置在上臂(3a)和下臂(3b)中的所述模块(3)，所述臂(3a、3b)通过至少一个电感器(L21、L22、L23)彼此连接。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其中所述臂(3a、3b)还通过相对于所述电感器(L21、L22、L23)串联的至少一个阻抗彼此连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述第二级(32)在10-100kHz的频率范围内工作。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述第二级(32)包括双转换桥(321)，所述双转换桥(321)在DC/DC模块的中心处以平均频率向变压器(322)馈电，所述第二级(32)适于提供电流隔离。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，每个模块(3)包括至少一个电池(5)，所述至少一个电池(5)通过多插座(51)连接到所述输入(32a)，所述多插座(51)配备有适于连接不同类型的电池(5)的多个连接器。
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