JP2013542706A

JP2013542706A - バッテリーバランシングシステム

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Publication number: JP2013542706A
Application number: JP2013536775A
Authority: JP
Inventors: ピーター・ゴットリーブ; シー・マイケル・ホフ; トーマス・ファーカス
Original assignee: エー１２３システムズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-11-21
Also published as: US8593015B2; GB2498891B; GB2498891A; GB201308294D0; KR20130143063A; WO2012058286A1; US20120104856A1

Abstract

バッテリーシステムが、第１のバッテリーユニット、ＤＣ電圧バス、そのＤＣ電圧バスに電気的に接続された第２のバッテリーユニット、電流制限コンポーネント、および第１のバッテリーユニットをＤＣ電圧バスに接続するためのスイッチング回路を含み、そのスイッチング回路は、第１のバッテリーユニットの動作パラメータに応じて、第１のバッテリーユニットを直接または電流制限コンポーネントを通じてのいずれかで、ＤＣ電圧バスに電気的に接続するように構成されている。

Description

本開示は、エネルギー貯蔵システムに関し、具体的には複数のバッテリーセルを有するエネルギー貯蔵システムの管理に関する。

電力会社は、電力生成および分配送電網内で電気エネルギーを貯蔵および供給するための個々のバッテリーセルの大規模なグループを使用できる。バッテリーセルは、バッテリーステーションの内部に設置され、管理される。電力会社は、バッテリーステーションの蓄電容量を使用して、ある時に生成されたエネルギーを別の時に使用可能にすることなどにより、送電網を安定させ、調整する。この貯蔵容量のインテリジェントマネジメントは、より効率的で、柔軟、かつ安全な電力網を作成することにより、「スマートグリッド（ｓｍａｒｔｇｒｉｄ）」の実現を支援できる。スマートグリッドの考えられる環境面の利点には、よりクリーンな代替エネルギーを使用する能力における改善のみならず、エネルギー保存を含む。

バッテリーセルに加えて、バッテリーステーションは、完全なエネルギー管理システムを電力会社に供給するために、その内部に設置された他の部分組立品およびコンポーネントを有する。これらの部分組立品およびコンポーネントには、通信装置、電子センサーモジュール、電子制御モジュール、充電モジュール、電気的インタフェースコネクタ、電気ヒューズ、母線、インバータ、電気配線ハーネス、および熱管理手段を含む。

一般に、一態様では、バッテリーシステムは、第１のバッテリーユニット、ＤＣ電圧バス、ＤＣ電圧バスに電気的に接続された第２のバッテリーユニット、電流制限コンポーネント、および第１のバッテリーユニットをＤＣ電圧バスに接続するためのスイッチング回路を含み、そのスイッチング回路は、第１のバッテリーユニットの動作パラメータに応じて、第１のバッテリーユニットを直接または電流制限コンポーネントを介してのいずれかで、ＤＣ電圧バスに電気的に接続するように構成されている。

他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含む。第１のバッテリーユニットは、第１の複数のバッテリーセルを含み、第２のバッテリーユニットは、第２の複数のバッテリーセルを含む。動作パラメータは、第１のバッテリーユニットとＤＣ電圧バスとの間の電圧差である。電流制限コンポーネントは、抵抗器、インダクタ、またはスイッチング式電力変換装置である。スイッチング回路は、電流が、第１のバッテリーユニット内へ、または第１のバッテリーユニットから外へのいずれかに、選択的に流れるようにさらに構成される。

ある実施形態は、電流制限コンポーネントと直列に電気的に接続された第１のスイッチ、および、第１のスイッチと電流制限コンポーネントの直列組合せと並列に電気的に接続された第２のスイッチも含み、スイッチング回路が、第１のスイッチを閉じ、第２のスイッチを開くことにより、第１のバッテリーユニットを、電流制限コンポーネントを通じて、ＤＣ電圧バスに電気的に接続するようにさらに構成されている。ある他の実施形態は、熱センサーを含み、その熱センサーは、電流制限装置と熱的に接触し、かつ、スイッチング回路と動作可能に接続されており、そのスイッチング回路は、電流制限装置が閾値温度を超えていることを検出する熱センサーに応答して、第１のバッテリーユニットをＤＣ電圧バスから電気的に切断するようにさらに構成されている。

一般に、別の態様では、バッテリーユニットの接続方法は、第１のバッテリーユニットが、第２のバッテリーユニットへの既存の接続をもつＤＣ電圧バスに接続されると判断すること；第１のバッテリーユニットの動作パラメータを判断すること；および第１のバッテリーユニットの動作パラメータに応じて、第１のバッテリーユニットを、直接または電流制限コンポーネントを介してのいずれかで、ＤＣ電圧バスに電気的に接続することを含む。

ある実施形態は、第１のバッテリーユニットとＤＣ電圧バスとの間の電圧差が閾値電圧よりも低いと判断すること；および、第１のバッテリーユニットとＤＣ電圧バスとの間の電圧差が閾値電圧よりも低いことの判断に応答して、第１のバッテリーユニットとＤＣ電圧バスとの間から電流制限コンポーネントを除去し、それを直接の電気的接続で置き換えることをさらに含む。他の実施形態は、電流制限装置の温度が閾値を超えると判断すること；および、温度の判断に応答して、バッテリーユニットをＤＣ電圧バスから電気的に切断することをさらに含む。さらに他の実施形態は、電流制限装置の温度が閾値より低いと判断すること；および、温度の判断に応答して、バッテリーユニットをＤＣ電圧バスに電気的に再接続することをさらに含む。

本開示の本質および目的のより十分な理解のため、添付の図に関連して行われる実施形態例の以下の説明に対して参照が行われるべきであり、図中、同じ参照番号が、同じかまたは同様の部品を示すために使用される

ある実施形態に従ったバッテリーステーションを示す。ある実施形態に従ったバッテリーステーションのバッテリーラックを示す。ある実施形態に従ったバッテリーサブユニットを管理するための流れ図を示す。ある実施形態に従ったバッテリーステーションのバッテリーラックを示す。

バッテリーステーションは、電力会社の送電網での使用に適した単一の大容量バッテリーとして機能するシステムを提供するために、一緒に配置および管理される多数の個々のバッテリーセルの集合である。住宅のユーザーがエアコンを稼働している暑い日の日中など、送電網が大量の電力を供給している間、バッテリーステーションは、電気の予備電源として機能し得る。その日遅くなって、送電網上の電力需要が低下すると、バッテリーステーションは、利用可能な電力を使用して、送電網から再充電できる。これは、送電網を調整する役に立ち、ある時に生成されたエネルギーを別の時に使用できるようにする。例えば、夜間に生成された風力発電による電力は、日中に使用でき、または、日の当たっている間に生成された太陽光発電による電力は、曇っている期間のために貯蔵され得る。バッテリーステーションは、送電網内の周波数および／または位相誤差を修正するためにも使用され得る。

〔バッテリーステーション〕
図１に示すように、バッテリーステーション１００は、共通のＤＣ（直流）電力バス１０６と並列に接続された＜ｎ＞個のバッテリーラック１０２−１〜１０２−＜ｎ＞から成る。各バッテリーラックは、バッテリーステーション内でユニットとして機能し、ラックに取り付けられた交換可能なトレイ内に配置されたラックマウント式のバッテリーグループを含む。例えば、バッテリーラック１０２−１は、＜ｍ＞個のバッテリートレイ１０４−１−１〜１０４−１−＜ｍ＞、ならびにラックコントローラ１１０−１を含み、それも、交換可能なトレイとして構成される。通常、各ラックは、互いに同一であり、また、各バッテリートレイは、互いに同一である。以下でさらに詳述するように、各バッテリートレイ１０４は、いくつかの個々のバッテリーセル（図示せず）を含む。セルは、モジュールに配置され、トレイ用のエネルギー貯蔵を形成するため、トレイ内の他のセルと電気的に接続される。ラックのトレイ全ての総エネルギー貯蔵が、ラック自体のエネルギー貯蔵容量を構成する。バッテリーステーションの一実施態様は、１８個のラックを有し、ラックごとに８つのトレイ、また、トレイごとに６つのモジュール、モジュールごとに９６個（直列の１２個のバッテリーが８つ並列接続された）のバッテリーセルがあって、計８２，９４４セルとなる。残りの送電網と通信できる統合インテリジェント制御コンポーネントを使用すると、このステーションは、単一の「スマート」マルチメガワットバッテリーとして機能する。複数のバッテリーステーションが、追加のエネルギー貯蔵容量を提供するために一緒に使用され得る。

バッテリーステーションは、いくつかの層の内部制御を有し、その各々が他の層と相互運用する。各ラックコントローラ１１０は、ラック内のトレイの各々、および中央バッテリーステーションコントローラ１５０と通信する。ステーションコントローラ１５０は、ステーションを全体として管理し、また、ステーションのリモート管理および他のステーションとの調整を可能にするため、バッテリーステーションの外部の通信ネットワークと接続される。バッテリーステーションは、ステーションコントローラ１５０によって同様に制御および監視されるステーション内の冷却／加熱のための組込みの環境調整（図示せず）を含む。

バッテリーラック１０２−１〜１０２−＜ｎ＞は、ＤＣバス１０６を通じてＤＣ−ＡＣインバータ１２０、１２２、および１２４のセットへ、スイッチ１３０、１３２、および１３４を介して選択的に接続される。インバータは、ＤＣバス１０６上の公称電圧（例えば、９６０ボルト）でのＤＣ電力を、出力１６０で利用可能な三相交流（ＡＣ）に変換する。出力１６０（例えば、４８０ボルト）は、通常、１つまたは複数の昇圧変圧器（図示せず）を通じて、電力会社の配電系統に接続される。インバータは各々、個々のインバータ、または冗長性および自動フェイルオーバーを可能にするため、かつ／もしくは単一のインバータが生成可能なよりも高い電力出力を可能にするために、並列接続された２つ以上のインバータの組合せとして実施され得る。

バッテリーステーションのＤＣバス１０６は、正および負の両方の導体（図示せず）を有し、各バッテリーラックは、ＤＣバスのそれぞれの導体に接続された正端子および負端子を有する。ＤＣバス１０６は、バッテリーラックのための共有される共通の接続点として機能する。しかし、ラックの端子は、ＤＣバスに永久的には接続されない。代わりに、ラックは、ラックが電力を受信または提供できるように、ラックの正端子および負端子をＤＣバスの正および負の導体に接続するための制御可能なエアギャップスイッチを使用する。継電器などのオープンエアギャップスイッチの使用は、エアギャップが、故障の場合に追加の物理的な分離を提供するので、半導体スイッチに関して追加の安全性を提供する。ラックは、ラックへの電流／ラックから電流が高くなり過ぎるのを防ぐため、１つの端子と直列な１つまたは複数の安全ヒューズも有する。

バッテリーステーション内のバッテリーラック１０２−１は、ＤＣバスへのラックの接続を含め、ラックの動作を監視および制御するラックコントローラ１１０−１を有する。ラックコントローラは、ソフトウェア制御下で、ラックが遭遇し得る問題から回復する能力を有するバッテリー管理システム（ＢＭＳ）を提供する。ＢＭＳは、例えば、ラック内の故障したバッテリートレイを切断およびシャットダウンし、その後、交換トレイが設置されると、それを充電および構成するために、リモートで指示され得る。ＢＭＳは、ステーションコントローラ１５０とともに、問題に関して報告すること、通知を送信すること、およびラックのアドホックな監視を可能にすることもできる。

コントローラ１１０−１の１つの特徴は、個々のラックの動作に問題がある場合には、その関連したラックをＤＣバス１０６から（および、従って、残りのバッテリーラックから）切断する能力である。コントローラを使用すると、ラックは、一時的な問題もしくはより深刻な故障のいずれかに起因して、独立して、それ自身を切断することを決定できるか、または関連する理由から、ステーションコントローラによってそうするように指示され得る。これは、ラック内に含まれるバッテリーの任意の１つにおける高セル電圧または低セル電圧などの問題が、ステーション内の残りのセル／ラックに悪影響を与えること、およびステーション全体の安全性を危うくし得る方法で作用することを防ぐことができる。かかる高／低電圧は、例えば、システムのセル間での充電の状態および／または容量における不均衡に起因し得る。他の問題は、短絡、温度過上昇、または過電流イベントなど、ラック内の障害を含む。

例えば、温度が何らかの閾値より高くなっているラックは、バッテリーセルを保護するために、それ自身をオフラインにし、その出力端子をＤＣ電力バスから切断することを選択し得る。そのようにすると、ステーションの総エネルギー貯蔵容量が減少するが、ラックに、冷却するのに十分な時間、電力の供給を停止する機会を与える。ラックまたはバッテリーステーション内の何らかの他のコントローラが、ラックが期待される温度範囲内で動作可能であると判断すると、ラックコントローラは、その後、それ自身をＤＣバスに再接続できる。ラックがその間、それ自身をオフラインにし得る別の一時的な状態は、ラックとシステムコントローラとの間の通信の一時的な喪失であろう。

たとえラックがオフラインの場合でも、そのバッテリーセル内に貯蔵されているエネルギーをまだ消費し得る。これは、ラックが自身のバッテリーを使用して、トレイ内のバッテリー監視ボード／コントローラ、ならびに可能であれば１つまたは複数の冷却ファンおよび／またはラックコントローラなど、ラック内の負荷に電力を供給するためである。このオフライン放電により、オフラインラックの電圧が、ステーション内の他のラックによって供給される電圧を下回り得、従って、ＤＣバスの電圧を下回り得る。これは、いくつかの潜在的な問題を引き起こし得る。

オフラインラックの電圧が、例えば、５００ボルトであり、残りのラックが９００ボルトを出力している場合、低電圧ラックをＤＣバスに接続すると、低電圧ラックへの大きな電流を生じ得る。これは、低電圧ラックに過負荷を掛け得、おそらくは、それおよび／またはＤＣバスへのその接続を損傷し得る。例えば、電流は、ラック内のヒューズを飛ばし得る。たとえラックが電流を処理できても、それをバスに接続すると、バス全体の電圧が非常に低く（例えば、７００ボルト以下）なり得、インバータが機能できない。別の潜在的な問題は、ラックをＤＣバスに接続するスイッチにおける電気アークであり、おそらくは、スイッチが溶結されて、ラックおよび／またはステーションに対する制御を失う結果となる。

関連する問題は、以前のオフラインラックがまだ比較的高電圧を維持しているが、残りのラックにおけるエネルギーが、高電圧ラックがオフラインであった間にエネルギーに対する高需要を経験したことに起因して低下している場合に生じ得る。これは、前述した全ての潜在的な問題とともに、以前のオフラインラックがバスに再接続される際に高電圧バッテリーからＤＣバスへの大き過ぎる電流の問題を引き起こし得る。

放電したラックの問題に対する一解決策は、低電圧バッテリーラックを可搬式充電システムに接続することにより、それを「事前に平衡させる」ことである。このように、ラックは、共通のＤＣバスに再接続し、かつ／またはその電圧をバッテリーステーション内の残りのラックのレベルと平衡させることを許可される前に、適切な電圧レベルまで戻される。別の解決策は、システム全体をシャットダウンし、最も低い電圧のラックを接続し、次いで、それを、ＤＣバスを通じて外部の送電網または別の電源からの電力を使用して、次に低いラックの電圧まで上げることである。次に、それら２つのラック（今や、電圧において近いかまたは等しい）を、その次に低いラックの電圧まで上げ、以後、システム全体が起動されて稼働するまで同様に続ける。しかし、これらのシャットダウンは、時間がかかり、破壊的である。本明細書に記載する実施形態は、代替の解決策、すなわち、低電圧ラックまたは高電圧ラックの、残りのシステムへの接続を管理するラックバランシングシステムを提供する。

〔バッテリーラックおよびバランシング〕
図２は、ラックバランシングシステムを備えた、バッテリーラック１０２−１の実施形態を示す。バッテリーラック１０２は、＜ｍ＞個のバッテリートレイ１０４−１〜１０４−＜ｍ＞、ラックコントローラ１１０、ラックインタフェース２５０、および接続ユニット２００を含む。バッテリートレイ１０４−１は、ファン装置２０６−１、ならびに＜ｂ＞個のバッテリーセル２０２−１〜２０２−＜ｂ＞を含む。各トレイ内では、個々のバッテリーセルが、モジュールと呼ばれるグループ（図示せず）に配置されている。これらのモジュールは、全体としてトレイに対して所望の電圧を生成するために、互いに直列および／または並列に電気的に接続されている。バッテリートレイ１０４−１は、端子２０７−１および２０８−１を通じて、その電力をラックのＤＣバス上に供給する。バッテリートレイは、個々のトレイの管理およびラックコントローラ１１０との通信の責任を負うトレイコントローラ２０４−１も含み得る。トレイコントローラ２０４−１は、トレイ内のファン２０６−１または他の熱管理手段にも接続され、それを制御する。トレイコントローラ２０４−１は、トレイをラックの内部ＤＣバスに接続または内部ＤＣバスから切断することができ、それは、正の導体２８０および負の導体２８１を含む。代替として、トレイレベルのコントローラ２０４−１の機能は、別個のトレイレベルのコントローラを使用することなく、トレイの外部から実行され得る。

ラックの内部ＤＣバスは、ラックのバスへの電気的接続およびバスからの切断を管理する接続ユニット２００への２つの内部端子２９０および２９１を提示する。ラックコントローラ１１０は、接続ユニット２００を制御するための論理を実施し、接続ユニットに、バッテリーステーションのメインＤＣバス１０６へのラックの内部端子を、選択的に接続および切断させる。ラックコントローラ１１０−１は、インタフェース２５０と通信し、それは、ステーションコントローラ１５０（図示せず）と通信する。これは、ラックコントローラがステーションコントローラと通信し、その動作をステーションコントローラに合わせられるようにする。ラックコントローラ１１０は、バッテリートレイ１０４−１〜１０４−＜ｎ＞の各々とも通信する。

ラックコントローラは、各バッテリートレイを直接、または各バッテリートレイ内のトレイコントローラ（例えば、２０４−１）を通じて管理および監視し得る。ラックコントローラは、１つまたは複数のプログラムされたマイクロコントローラ、マイクロプロセッサで実施され得るか、またはカスタムＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として実施され得る。接続ユニット２００を制御する論理は、ソフトウェア、ファームウェア、ＡＳＩＣ内、またはこれらの３つの任意の組合せで実施され得る。論理は、ラックコントローラ１１０の一部、または、ステーションコントローラ１５０など、ラックコントローラ１１０と通信する別個のコントローラコンポーネントであり得る。ステーションコントローラ１５０は、同様の方法で実施できる。

接続ユニット２００は、抵抗器２１０として図２に示す、電流制限コンポーネントを含む。スイッチ２２２および２２４の使用を通して、抵抗器２１０は、バッテリーラック１０２（その電圧が高過ぎるか、または低過ぎるかのどちらか）とＤＣバス１０６との間に直列に選択的に配置され得る。この電流制限コンポーネントは、結果として生じる電流のサイズも制限しながら、バッテリーラック内の端子がＤＣバス１０６に選択的に接続されるようにする。接続ユニット２００は、温度センサー２４０、および電流モニター２３０も含み、その両方がラックコントローラ１０６に接続される。スイッチ２２０、２２２、および２２４は、以下で説明する論理を使用して、ラックコントローラ１０６に接続され、ラックコントローラ１０６によって制御される。抵抗器２１０は、ラック、その接続コンポーネント、および残りのバッテリーステーションに対して電流を安全なレベルに制限しながら、比較的迅速な充電／放電を促進するために、ラック１０２とＤＣバス１０６との間に十分な量の電流を許可するように選択される。スイッチ２２０、２２２、および２２４は、それらを通って流れる期待される電流レベルを安全にサポートするように選択され、（電流制限コンポーネントと直列の）スイッチ２２４に対するその電流レベルは、他のスイッチを通ると期待される最大電流よりも低い可能性がある。

〔ラック再接続論理〕
図３は、図２に示す、ラック１０２とともに、ラックバランシングを実施するための流れ図を示す。この流れ図の論理は、高ラック電圧または低ラック電圧のどちらのシナリオからもバランシング（回復）のために使用できる。まず、ステップ３００で、ラックコントローラ１１０は、ラックをＤＣバス１０６に再接続するために判断する。この判断は、ラックによって勝手に、またはステーションコントローラ１５０によって指示される通りのいずれかで、行われ得る。この接続の前に、スイッチ２２０、２２２および２２４が開かれており、ラックをＤＣバスから有効に切断する。再接続するのに備えて、ステップ３０２で、ラックコントローラがラック１０２の電圧をＤＣバス１０６の電圧と比較する。ステーションコントローラ１５０は、ステーション内のＤＣバスの状態を監視し、この情報をラックコントローラ１１０に提供できる。代替として、ラックコントローラは、ＤＣバス電圧自体を判断し得る。ラックの電圧は、ラックコントローラ１１０によって電圧センサー２３２を通じて実際の値として測定され得るか、または電圧、時間、電流、およびラック内の個々のセルおよびモジュールの状態を含め、以前の測定値に基づいて推定され得る。

ステップ３０２で、ラック電圧とＤＣバス電圧との間の絶対差が、ある閾値量を下回る場合、ラックコントローラ１１０は、ステップ３０４で、スイッチ２２０および２２２を閉じ、スイッチ２２４を開いたままにすることにより、ラックをＤＣバスに再度接続して、抵抗器がラックとＤＣバスとの間の接続に含まれるのを有効に避ける。差が大き過ぎる場合には、ステップ３０６で、ＤＣバスとラックのバッテリーセルとの間に抵抗器が直列に電気的に挿入されるように、コントローラ１１０が、スイッチ２２０および２２４を閉じ、スイッチ２２２を開いた位置のままにする。後者の状況では、抵抗器は、電流を、例えば、数アンペアに制限するように機能する。代替として、電圧以外のラックの動作パラメータが、電流制限コンポーネントを挿入するか否かを判断するために使用され得る。ステップ３０８で、論理は、ラックとＤＣバスとの間の差が何らかの閾値を下回っているか否かを定期的に判断する。ラックの電圧がＤＣバス電圧のある近接範囲内になった後のある時点において、電流を減らすために抵抗器がもはや必要ないので、コントローラ１１０はスイッチ２２を閉じ、スイッチ２２４を開く（ステップ３０４）。これは、電流制限コンポーネントをラックとＤＣバスとの間から有効に引き抜き、それを直接接続と置き換える。その時点で、回路内に抵抗器を介在することなく、残りのバッテリーステーションは、充電におけるいかなる残存差も補うために、バッテリーをより迅速に充電（低電圧ラックの場合）または放電（高電圧ラックの場合）できる。代替として、またはラックとＤＣバスとの間の電圧差の監視に追加して、その２つの間の電流が監視され得、また、電流制限コンポーネントを回路内に挿入すべきかを判断する根拠として使用され得る。

再接続プロセスは、抵抗器２１０の熱特性にも適合し得る。いくつかのバッテリーステーションに伴う電流および電圧を前提として、抵抗器を保護し、冷却できるように、バランシングが一時的に中断される必要がある点まで平衡させる間、抵抗器は、加熱され得る。これを達成するため、ステップ３１０で、コントローラ１１０は、センサー２２０を使用して、抵抗器の温度を監視する。ラックコントローラ１１０が、抵抗器の温度が閾値を上回っていると判断すると、コントローラ１１０は、スイッチ２２４を開くこと、および／またはスイッチ２２０を開くことのいずれかにより、ラックをＤＣバス１０６から切断する（ステップ３１２）。その後、ステップ３１４で、抵抗器の温度が別の閾値より低くなるか、またはおそらくはある期間の後、ラックはステップ３０６におけるように、ＤＣバスに再接続される。電圧差および／または抵抗器電流の監視は、処理ループ３１１の一部を形成し、それは、処理ループ３１３も含み得る。

電圧および／または電流閾値は、コントローラが、ヒステリシスとともに動作するように、選択され得る。言い換えれば、抵抗器２２０は、電流が最大値を下回っているにもかかわらず、一定期間、接続されたままであろう。これは、電流が限界に近づく時に、スイッチの迅速な切替えを回避する。コントローラ論理は、その電圧がＤＣバスの電圧から１０ボルト以上離れているとラックが判断する場合はいつでも電流制限コンポーネント内のスイッチをオンにでき、差が８ボルト未満になるまで抵抗器をラックと直列のままにし得る。

前述した論理は、ＤＣバスと比較してラックが高過ぎる電圧を有するシナリオにおいて、電流を制限するためにも機能するであろう。代替として、接続ユニット２００は、ラックが高過ぎる電圧を有する状況で、抵抗器を疑似負荷として使用するように構成され得る。このシナリオでは、抵抗器２１０が端子２９０および２９１にわたって配置できるように、追加の制御可能なスイッチが接続ユニットに追加されるが、そうでなければ、ラックがＤＣバス１０６から切断される。

コントローラ１１０は、電流モニター２３０を使用することにより、抵抗器２１０（回復／バランシング動作中、および正常動作中の両方）を通過する電流を監視する。代替として、ラックとＤＣバスとの間の電流は、ラック内の他の場所で監視され得る。電流が適切な制限を超えると、コントローラ１１０は、電流の流れを停止するために、スイッチ２２０、２２２、および／または２２４のうちの１つまたは複数を開くことにより、バランシングプロセスを中断または中止も行い得る。

ラックコントローラ１１０は、バランシングおよびラック充電／放電動作が適切な時に実行されるように、ステーションコントローラ１５０と通信する。このように、ステーションは、残りのバッテリーステーション上に配置されている動作要件の中断を回避するために、これらの動作をスケジューリングできる。

〔バッテリーラックコンポーネント〕
抵抗器２１０は、使用中にそれが生成する熱が適切に分散されるように、取り付けられる。熱管理は、筐体が抵抗器に対する放熱板として使用されるように、抵抗器を、熱伝導的な方法で、ラックの筐体またはバッテリートレイに取り付けることにより提供できる。別個の放熱板が使用され得る。抵抗器は、ラック内の他のコンポーネントが抵抗器の使用によって悪影響を受けないように、空気の流れの中で最後の（または最後に近い）コンポーネントになるように取り付けられる。このように、最も熱に弱いコンポーネントが最も冷たい空気を得、また、それらが空気を加熱するので、空気の流れの中で最後の物が抵抗器である。

以下の部品が接続ユニット２００内で使用され得る：

図４は、接続ユニット２００内で電流制限コンポーネントを実施するために、インダクタ４１０が抵抗器２１０の代わりに使用される代替実施形態を示す。インダクタ４１０およびスイッチ２２４が、比較的小型の抵抗器４１１と直列に配置される。代替として、インダクタの独自の内部直列抵抗が、外部抵抗器の代わりに使用され得る。後者の場合、内部抵抗は、抵抗器４１１によって表される。図４の他のコンポーネントは、図２と同じである。

インダクタ４１０は、ラックとＤＣバスとの間に直列に配置されるので、電流における急激な変化に抵抗するように機能する。従って、インダクタは、電流の増加を一定期間（通常、数ミリ秒）にわたってラック内へ、またはラックから外へ、分散することにより、ラックをＤＣバスに接続するスイッチでのアークを防ぐ。ラック電圧およびバス電圧が安全に接続するにははるかに離れている場合、スイッチ２２２が開いたままにされ、他方、スイッチ２２０および２２４が閉じられる。インダクタ内の電流は、最初はゼロであり、そのためスイッチ２２４が電流なしに切り替わる。４１０を通るインダクタ電流は徐々に増加し、その増加率は、ＤＣバスとラックとの間の電圧差によっておおまかに決定される。インダクタ電流が増加するにつれ、ラック電圧は、インダクタ電流およびバッテリーの内部抵抗の関数として、ＤＣバス電圧に近づく。ラック電圧とＤＣバス電圧が互いに十分に近くなると、スイッチ２２２を閉じ、スイッチ２２２を通る電流の小規模なスパイクを招く。スイッチ２２２は、いかなるかかる電流スパイクも安全に処理するように選択される。この時点で、インダクタ電流は、抵抗器４１１がインダクタ４１０に固有であるか、または外部から提供されているかに関わらず、その電流および、抵抗器４１１など、その経路内の任意の直列抵抗によって決定されるように着実に減少する。その結果、電流の流れが、抵抗器電流制限器を使用する実施形態におけるよりも、この実施形態における方が高くなり得る。

インダクタ電流が、スイッチ２２４を安全に（例えば、いかなるアークもなく）開くことができる安全な閾値まで減少すると、コントローラ１１０がスイッチ２２４を開く。コンデンサ、緩衝器または他の装置が、スイッチ２２４が開く際にスイッチ２２４にわたって生じるいかなる電圧スパイクも安全に減衰できる。ラックとバスとの間の電圧差の安全な閾値、ならびに最大残余インダクタ電流は、スイッチング装置および関連する配線の設計された能力によって決定される。抵抗器４１１の値は、バッテリーラックの内部抵抗に比較して、小さくなるように選択される。そうでなければ、ラック電圧は、スイッチ２２２を閉じることができるように、ＤＣバス電圧に決して十分に近くなり得ない。これが生じると、ラック電圧は、その充電状態がバス上の他のバッテリーの充電状態に近づくにつれ、徐々にＤＣバス電圧に近づき、本質的に本発明の第１の実施形態と同様に機能する。追加の実施形態は、（１）スイッチ２２４および／または他のスイッチを半導体スイッチング装置と置き換えること、ならびに（２）インダクタを、それを通る電流が迅速に増加するように、ある電流制限を超えて飽和するように設計することを含む。さらに、抵抗器ベースおよびインダクタベースの実施形態は、抵抗器を図４のスイッチ２２２と直列に配列することにより結合され得る。この実施形態では、インダクタのアプローチは、ＤＣバスとラックとの間のわずかな電圧差に対して使用でき、抵抗器のアプローチは大きな差に対して使用できる。

スイッチング式電力変換装置は、抵抗器２１０の代わりに電流制限コンポーネントとして使用され得る。かかる変換装置は、ＤＣバス１０６とラック１０２との間で伝送される電力の速度を制御するため、パルス幅または他の形式の変調方式を使用する。この制御は、デジタルまたはアナログであり得、また、ラックコントローラ１１０の制御下であり得る。線形レギュレータも、ラックとＤＣバスとの間の電流を調節するために使用され得る。

電流制限コンポーネントは、単に個々のラックの代わりに、ラックのグループへの／ラックのグループからの電流を制限するためにも適用され得る。例えば、３２メガワット時のシステムは、複数の行のバッテリーラックを有する。個々のラック内にバランシング能力を有することに加えて、ラックの行が、それが残りのシステムに接続される際に電流を制限する方法で平衡され得るように、行全体が、電流制限コンポーネントで保護できる。この場合、電流制限器が、行レベルで、より大きな電流に対して適切なサイズにされ得、また、行と残りのシステムとの間のスイッチが、個々のラックに進むよりも大きな電流を切り替え可能なモーター付きスイッチであり得る。電流制限コンポーネントは、コンポーネントが単に１つのラックに対する電流を制限するために使用される場合と類似した方法で、ラックの行とＤＣ電力バスとの間に直列に配置され得る。

１００・・・バッテリーステーション、
１０２−１〜１０２−＜ｎ＞・・・バッテリーラック、
１０４−１−１〜１０４−１−＜ｍ＞・・・バッテリートレイ、
１０６・・・ＤＣ（直流）電力バス、
１１０、１１０−１・・・ラックコントローラ、
１２０、１２２、１２４・・・ＤＣ−ＡＣインバータ、
１３０、１３２、１３４・・・スイッチ、
１５０・・・中央バッテリーステーションコントローラ、
１６０・・・出力。

Claims

第１のバッテリーユニットと、
ＤＣ電圧バスと、
前記ＤＣ電圧バスに電気的に接続された第２のバッテリーユニットと、
電流制限コンポーネントと、
前記第１のバッテリーユニットを前記ＤＣ電圧バスに接続するためのスイッチング回路と
を備えるバッテリーシステムであって、
前記スイッチング回路が、前記第１のバッテリーユニットの動作パラメータに応じて、前記第１のバッテリーユニットを直接または電流制限コンポーネントを通じてのいずれかで、前記ＤＣ電圧バスに電気的に接続するように構成されている、
バッテリーシステム。
前記第１のバッテリーユニットが第１の複数のバッテリーセルを含み、かつ、前記第２のバッテリーユニットが第２の複数のバッテリーセルを含む、請求項１に記載のバッテリーシステム。
前記動作パラメータが、前記第１のバッテリーユニットと前記ＤＣ電圧バスとの間の電圧差である、請求項２に記載のバッテリーシステム。
前記電流制限コンポーネントが抵抗器である、請求項３に記載のバッテリーシステム。
前記電流制限コンポーネントがインダクタである、請求項３に記載のバッテリーシステム。
前記電流制限コンポーネントがスイッチング式電力変換装置である、請求項３に記載のバッテリーシステム。
前記電流制限コンポーネントと直列に電気的に接続された第１のスイッチ、および、前記第１のスイッチと前記電流制限コンポーネントの直列組合せと並列に電気的に接続された第２のスイッチをさらに含み、前記スイッチング回路が、前記第１のスイッチを閉じ、かつ、前記第２のスイッチを開くことにより、前記第１のバッテリーユニットを、前記電流制限コンポーネントを通じて、前記ＤＣ電圧バスに電気的に接続するようにさらに構成されている、請求項３に記載のバッテリーシステム。
熱センサーをさらに含み、
前記熱センサーが前記電流制限装置と熱的に接触し、かつ、前記スイッチング回路と動作可能に接続されており、
前記スイッチング回路が、前記電流制限装置が閾値温度を超えていることを検出する前記熱センサーに応答して、前記第１のバッテリーユニットを前記ＤＣ電圧バスから電気的に切断するようにさらに構成されている、請求項３に記載のバッテリーシステム。
バッテリーユニットを接続する方法であって、
第１のバッテリーユニットが、第２のバッテリーユニットへの既存の接続を有するＤＣ電圧バスに接続されると判断することと、
前記第１のバッテリーユニットの動作パラメータを判断することと、
前記第１のバッテリーユニットの前記動作パラメータに応じて、前記第１のバッテリーユニットを、直接または電流制限コンポーネントを通じてのいずれかで、前記ＤＣ電圧バスに電気的に接続することと
を含む方法。
前記第１のバッテリーユニットが第１の複数のバッテリーセルを含み、かつ、前記第２のバッテリーユニットが第２の複数のバッテリーセルを含む、請求項９に記載の方法。
前記動作パラメータが、前記第１のバッテリーユニットと前記ＤＣ電圧バスとの間の電圧差である、請求項１０に記載の方法。
前記電流制限コンポーネントが抵抗器である、請求項１１に記載の方法。
前記電流制限コンポーネントがインダクタである、請求項１１に記載の方法。
前記電流制限コンポーネントがスイッチング式電力変換装置である、請求項１１に記載の方法。
前記第１のバッテリーユニットと前記ＤＣ電圧バスとの間の電圧における前記差が閾値電圧よりも低いと判断することと；前記第１のバッテリーユニットと前記ＤＣ電圧バスとの間の電圧における前記差が閾値電圧よりも低いことの前記判断に応答して、前記第１のバッテリーユニットと前記ＤＣ電圧バスとの間から前記電流制限コンポーネントを除去し、それを直接の電気的接続で置き換えることとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記電流制限装置の前記温度が閾値を超えると判断することと、前記温度の判断に応答して、前記バッテリーユニットを前記ＤＣ電圧バスから電気的に切断することとをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
前記電流制限装置の前記温度が閾値より低いと判断することと、前記温度の判断に応答して、前記バッテリーユニットを前記ＤＣ電圧バスに電気的に再接続することとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
前記スイッチング回路が、電流が、前記第１のバッテリーユニット内へ、または前記第１のバッテリーユニットから外へのいずれかに、選択的に流れるようにさらに構成される、請求項３に記載のバッテリーシステム。
前記スイッチング回路が、電流が、前記第１のバッテリーユニット内へ、または前記第１のバッテリーユニットから外へのいずれかに、選択的に流れるようにさらに構成される、請求項１１に記載の方法。