JP2014529858A - コモンＤＣバスに接続されたＺｎＢｒフローバッテリーのための反転可能な極性動作およびスイッチング方法 - Google Patents

Abstract

一定量の陽極液および陰極液を保持するように適合されたタンクアセンブリを含む、改善された電解液バッテリーが提供され、タンクアセンブリには、複数のセルスタックが動作可能に接続され、各スタックは、エンドキャップとセルスタックに動作可能に接続された、複数の電力変換器との間に配設された複数のフローフレームから形成されている。セルスタックは、複数のフローフレームとともに形成され、フローフレームの各々は、陽極液流体および陰極液流体のための個々の入口および出口と、フローフレームの各対の間に陽極ハーフセルおよび陰極ハーフセルを規定する、フローフレームの間に配設されたセパレータとを含む。電力変換器は、順極性または逆極性のいずれかのバッテリーをＤＣバスのようなＤＣ電源に接続するように構成される。陽極ハーフセルおよび陰極ハーフセルは、バッテリーがＤＣ電源に接続される極性に応じて切り替わる。【選択図】図２９

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１１年８月２２日付けで出願され、「Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｆｌｏｗｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」と題する米国仮特許出願第６１／５２６，１４６号に基づく優先権を主張する。また、本出願は、２０１１年７月１９日付けで出願され、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１３／１８５，８６２号の一部継続出願であり、米国特許出願第１３／１８５，８６２号は、２００９年１月１６日付けで出願され、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１２／３５５，１６９号の一部継続出願であり、米国特許出願第１２／３５５，１６９号は、２０１１年８月３０日付けで、米国特許第８，００８，８０８号として発行されている。前述の出願の各々の内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、全般的には、電源システムに関し、より詳細には、流動電解液バッテリーを含む電源システムに関する。

ある特定の従来技術のスタンドアローン型電源システムで使用されるバッテリーは、通常、鉛酸バッテリーである。しかしながら、鉛酸バッテリーには、性能および環境安全性の点で限界がある。典型的な鉛酸バッテリーの寿命は、しばしば、高温の気象条件では、特に、稀に完全に放電されたときには極めて短くなる。また、鉛が鉛酸バッテリーの主要構成要素であるので、鉛酸バッテリーは環境に対して有害であり、製造および処分の過程で深刻な環境問題を引き起こすことがある。

亜鉛臭素バッテリー、亜鉛塩素バッテリーおよびバナジウムフローバッテリーのような流動電解液バッテリーは、鉛酸バッテリーの上述の限界を克服する可能性を提供する。詳細には、流動電解液バッテリーの有効寿命は、ディープ放電適用例による影響を受けず、流動電解液バッテリーのエネルギー対重量比は、最大で、鉛酸バッテリーのエネルギー対重量比の６倍になる。

しかしながら、流動電解液バッテリーの製造は、鉛酸バッテリーの製造よりも難しくなり得る。鉛酸バッテリーのような流動電解液バッテリーは、個々のセルの電圧よりも高いある特定の電圧を生成するために、セルのスタックを備える。しかし、鉛酸バッテリーとは異なり、流動電解液バッテリー中のセルは、電解液循環経路を介して油圧接続されている。これは、１つの直列接続されたセルから電解液循環経路を介して別のセルへとシャント電流が流れることがあり、エネルギー損失およびセルの個々の充電状態の不均衡を引き起こすので問題が多い。そのようなシャント電流を防止するまたは減少させるために、流動電解液バッテリーは、セル間の電解液循環経路を十分に長くし、それにより、セルとの間の電気抵抗を増大させる必要がある。

流動電解液バッテリーの別の問題は、セルの内部に均等に化学製品を供給するために、各セルにおける電解液流量を均一にする必要があることである。複数のセルを通じて均一な流量を達成するために、流動電解液バッテリーは、複雑な流量分布ゾーンを規定する。しかしながら、電解液はしばしば、油相、水相および気相の多相性を有するので、また、セルに対する構造的な制約を理由に、流量は均一にならないことが多い。

バッテリーがセルのスタックのアレイを採用するこれらのタイプのバッテリーにおける別の問題は、スタックが共通の流動電解液を共用するということである。スタックが電解液を共有するので、スタック上の開路電圧の測定値は、スタックが、システムの他のスタックに対するスタックの充電状態を示すのではなく、若干の非ゼロ充電量を貯蔵するかどうかのみを示す。その上、スタック間の開路電圧の差は、典型的には、スタックの内部抵抗を変更した何らかの内部異常を示す。

たとえば、亜鉛臭素流動電解液バッテリーでは、スタックは、水性の亜鉛臭化物電解液を共用し、充電サイクルおよび放電サイクル中の成分亜鉛の堆積および溶解のためにスタック自体の電極を有する。このタイプのバッテリーでは、スタックへの電解液フローは、配置が不十分な亜鉛鉱床によって阻害され得る。さらに、電極上で核形成は、セル間でのデンドライトの形成および分岐を引き起こすことがある。いずれの場合も、影響を受けたスタックの内部抵抗またはスタック上の開路電圧を低下させることがある。

流動電解液バッテリーシステム中の並列接続されたスタック間の開路電圧の差は、スタックの充電サイクルおよび放電サイクルに、潜在的にはバッテリーの動作に影響を与え得る。たとえば、上述の亜鉛臭素バッテリーでは、特定のスタックの開路電圧が低下することにより、充電サイクル中の不良スタックにおける亜鉛蓄積レートが増大し、放電サイクル中の不良スタックにおける亜鉛低減レートが減少する。その上、不良スタックに貯蔵される追加の亜鉛は、典型的には、隣接するスタックによって通常は利用される電解液に由来する。亜鉛のアベイラビリティが低下した結果として、隣接するスタックのエネルギー貯蔵能力が低減され得る。別の結論は、亜鉛蓄積が増加したスタックは、放電中に亜鉛が完全には枯渇せず、最終的には、スタックのセル間で巡回する内部短絡を引き起こす程度まで、亜鉛が不良スタックの電極上に蓄積する結果となることである。これは、スタックを破壊する、場合によっては、バッテリーシステム全体を破壊する可能性があり得る。さらなる結論は、増加した亜鉛蓄積は、電解液が流れるチャネルを制限し得ることである。電解液フローはスタックを冷却するように作用するので、フローが制限されることにより、スタックが過熱され得る。

開路電圧をより均一な値に回復するために、均等化プロセスを実行することができる。均等化プロセスは、バッテリー中の各スタックを完全に「ストリッピング（stripping）すること」、すなわち、完全に放電することを含み、完全にすべてのスタックのすべてのセルから貯蔵電荷が完全に除去される。このプロセスにより、スタック間の開路電圧の差を最初に引き起こした異常がなくなることが理想的である。たとえば、フルストリップは、典型的には、電解液フローを妨げるプレート間のデンドライトおよび／または堆積物を分解する。しかしながら、バッテリー中のセルスタックの各々のフルストリップにより、典型的には、バッテリーは、電気適用例のための著しく低減された容量で全面的に利用不能または利用可能になり、さらなる冗長なバッテリーシステムの購入および設置が必要になる。さらに、典型的にはバッテリー中の少数のスタックが正常には動作しないので、フルストリップは不要であることが多い。

さらに、流動電解液バッテリー中のバッテリースタックをストリッピングする既存の方法は、典型的には時間がかかり、問題は再発するので２〜３日ごとに反復しなければならないことがある。セルスタックをストリッピングする、すなわち、セルスタックを完全に放電すると、スタックのうちの１つの極性が他のスタックの極性の反対となるセル反転を回避するように注意をしなければならない。そのような場合、反転した極性のセルスタックが負荷になり、他のスタックから電流を引き出す。したがって、放電中、セルスタックは、最初に、より高い電流を使用する低電圧レベルまで放電される。スタックが低電圧レベルに達すると、放電レートを減速させるために電流の大きさを低減させる。電圧レベルが降下し続けると、電流の大きさは、電圧レベルが０に接近するにつれて放電レートを低減するように繰り返し段階的に小さくなる。遅いレートでゼロ電圧レベルに近づけることによって、セルスタックの放電は、ゼロ電圧が達されたときに中断される。放電電流のこのような段階的な低減は、セル反転を回避するが、バッテリー中のセルスタックをストリップするために必要な時間の重要な要因でもある。

したがって、改善された電解液フローバッテリー設計、ならびに、流動電解液バッテリー中のセルを制御、監視、充電および／または放電するため方法および装置が必要である。

先行技術の１つまたは複数の限界を克服または軽減するために、製造コストを低減し、流動電解液バッテリーのためのセルスタックの構造を改善するためのセルスタックおよび個々のセルの改善された構造を提供すること、ならびに、バッテリーシステム中の個々のスタックを均等化するために必要な時間量を低減するためのバッテリーとそれが接続されるコモンバスとの間の電力フローの改善された制御を提供することを含む、本発明の様々な態様を開発した。

したがって、本発明の１つの態様によれば、本発明は、製造コストを低減し、流動電解液バッテリーのためのセルスタックの構造および実装および動作を改善するためにモジュラバッテリーセルを含む改善されたセルスタックを提供する。

本発明の別の態様によれば、本発明は、流動電解液バッテリーを制御、監視、充電および／また放電する（まとめて「制御する」）ための改善された方法、システムおよび機構（feature）を様々な実施形態で提供することによって、先行技術における欠陥に対処する。１つの態様によれば、本発明は、流動電解液バッテリー中のバッテリーセルの個々のスタックを制御するための方法、システムおよび機構（feature）を提供することによって、先行技術における欠陥に対処する。さらなる実施形態では、本発明は、流動電解液バッテリー中の個々のバッテリースタックを制御するための方法、システムおよび機構を提供する。他の利点の中でも、本発明は、セルスタックを充電およびストリップすることができる柔軟性を増大させ、オフラインでバッテリーを取り出すことなく標準のおよび進行中のバッテリーメンテナンスを可能し、バッテリーを予測可能で一貫した電荷容量で維持し、たとえば、電解液フロー閉塞、熱暴走および／またはデンドライト形成に起因するスタック故障の可能性を低減し、不均一なセルメッキのリスクを低減し、利用可能な充電／放電サイクルの数を増加させ、冗長バッテリーシステムを維持することに関係する費用を低減する。

本発明のさらに別の態様によれば、一定量の陽極液および陰極液を保持するように適合されたタンクアセンブリを含む、改善された電解液バッテリーが提供される。タンクアセンブリには、複数のセルスタックが動作可能に接続され、各スタックは、エンドキャップと、セルスタックに動作可能に接続された複数の電力変換器との間に配設された複数のフローフレームから形成されている。セルスタックは、複数のフローフレームとともに形成され、フローフレームの各々は、陽極液流体および陰極液流体のための個々の入口および出口と、フローフレームの各対の間に陽極ハーフセルおよび陰極ハーフセルを規定する、フローフレームの間に配設されたセパレータとを含む。電力変換器は、順極性または逆極性のいずれかのバッテリーをＤＣバスのようなＤＣ電源に接続するように構成される。陽極ハーフセルおよび陰極ハーフセルは、バッテリーがＤＣ電源に接続される極性に応じて切り替わる。陽極ハーフセルおよび陰極ハーフセルは、バッテリーがＤＣ電源に接続される極性に応じて切り替わる。

本発明の１つの実施形態によれば、ＤＣバスとエネルギー貯蔵デバイスとの間の電流フローを調整するための電力変換器は、ＤＣバスに接続されるように構成された端子（terminal）の第１のセットと、エネルギー貯蔵デバイスに接続されるように構成された端子の第２のセットとを含む。端子の第１のセットは第１の電気的極性を有し、端子の第２のセットは第２の極性を有する。複数のスイッチは、端子の第１のセットを端子の第２のセットに選択的に接続する。メモリデバイスは、複数の命令を記憶し、プロセッサは、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて動作するために複数の命令を実行するように構成される。第１の動作モード中には、第１の電気的極性と第２の電気的極性とが同じであり、第２の動作モード中には、第１の電気的極性と第２の電気的極性とが反転している。

本発明の別の態様によれば、複数のスイッチは、ＤＣバスとエネルギー貯蔵デバイスとの間の電流フローを調整するように構成されたスイッチの第１のセットと、第１の動作モードおよび第２の動作モードのうちの１つを選択するように構成されたスイッチの第２のセットとをさらに含むことができる。エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１つのセルスタックを有するフローバッテリーとすることができる。次いで、電力変換器は、ＤＣバスと、フローバッテリーの１つのセルスタックまたはフローバッテリーの複数のセルスタックのいずれかとの間に電流フローを調整する。

本発明の別の実施形態によれば、電力変換器を介してＤＣバスに接続されたバッテリー上の充電レベルを制御する方法は、バッテリーを放電し始めるためのコマンドを電力変換器で受信するステップと、電力変換器内で、バッテリーをＤＣバスに選択的に接続するように複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、バッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを第１の振幅に調整するステップと、バッテリー上に存在する電圧の振幅を監視するステップとを含む。スイッチング信号を発生させる周波数が増大し、バッテリー上に存在する電圧の振幅が第１の閾値に達したときに、バッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを第２の振幅に調整する。バッテリー上に存在する電圧の振幅が第２の閾値に達したときに、スイッチのうちの少なくとも１つにラッチし、バッテリー上に存在する電圧の振幅が実質的にゼロであるときに、バッテリーの放電をディスエーブル（disable）する。

本発明の別の態様によれば、バッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを第１の振幅に調整するステップは、バッテリー上で電圧の第１の極性で実行される。本方法は、バッテリーの放電をディスエーブルするステップの後に、電力変換器内で、バッテリーをＤＣバスに選択的に接続するように複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、第２の極性にしたがってバッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを調整するステップであって、第２の極性が、第１の極性と反対である、電流フローを調整するステップをさらに含む。

本発明のさらに別の実施形態によれば、電力変換器を介してＤＣバスに接続されたバッテリー上で充電レベルを制御する方法は、バッテリーを放電し始めるためのコマンドを電力変換器で受信するステップと、電力変換器内で、バッテリーをＤＣバスに選択的に接続するように複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、第１の極性にしたがってバッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを調整するステップと、バッテリー上に存在する電圧の振幅を監視するステップとを含む。バッテリー上に存在する電圧の振幅が実質的にゼロであるときに、バッテリーの放電をディスエーブルし、電力変換器内で、バッテリーをＤＣバスに選択的に接続するように複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、第２の極性にしたがってバッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを調整する。ここで、第２の極性は、第１の極性と反対である。

本発明のさらに別の態様によれば、本方法は、バッテリー上に存在する電圧の振幅を監視するステップの後に、バッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを第１の振幅に調整するステップと、バッテリー上に存在する電圧の振幅が第１の閾値に達したときに、スイッチング信号を発生させる周波数を増大させるステップと、バッテリー上に存在する電圧の振幅が第１の閾値に達したときに、バッテリーとＤＣバスとの間の電流フローを第２の振幅に調整するステップと、バッテリー上に存在する電圧の振幅が第２の閾値に達したときに、スイッチのうちの少なくとも１つにラッチするステップとをさらに含む。

当業者には、本発明のこれらおよび他のオブジェクト、利点および特徴は、詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。ただし、詳細な説明および添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、例として与えられ、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨から逸脱することなく本発明の範囲内において、多くの変更および修正を行うなうことができ、本発明は、すべてのそのような修正を含む。

本明細書で開示する主題の様々な例示的な実施形態は、全体を通して同様の参照番号が同様の部分を示す添付の図面に示されている。

本開示にしたがって構築されたバッテリーモジュールの等角図である。 図１のモジュールの前面図である。 図１のモジュールの部分前面図である。 図３のモジュールの分解等角図である。 図１のモジュールの陽極液フローシステムの等角図である。 図５のフローシステムの分解等角図である。 図５のフローシステムの前面図である。 図５のフローシステムの側面図である。 図５のフローシステムの頂面図である。 図１のモジュールの陰極液フローシステムの分解等角図である。 図１０のフローシステムの前面図である。 図１０のフローシステムの側面図である。 図１０のフローシステムの頂面図である。 図１のモジュールの部分分解等角図である。 図１４のモジュールの前面図である。 図１４のモジュールの頂面図である。 図１４のモジュールの右側面図である。 図１のモジュールの部分分解等角図である。 図１８のモジュールの前面図である。 図１８のモジュールの頂面図である。 図１８のモジュールの右側面図である。 図１のモジュールで使用するためのセルスタックの等角図である。 図２２のセルスタックで採用されるフローフレームの前面図である。 図２２のセルスタックのエンドキャップの前面図である。 図２４のエンドキャップの後面図である。 図２２のセルスタックにおいて利用されるスペーサ材料の第１の実施形態の部分的に切り取られた前面図である。 図２６のスペーサ材料の第２の実施形態の部分的に切り取られた前面図である。 図２７のスペーサ材料の部分的に切り取られた前面図である。 図１のモジュールの充電状態の測定値のグラフ図である。 図１のモジュールで使用するためのＤＣ／ＤＣ変換器の１つの実施形態の概略図である。 図２９のＤＣ／ＤＣ変換器の第１の動作モードのブロック図表現である。 図２９のＤＣ／ＤＣ変換器の第２の動作モードのブロック図表現である。 図２９のＤＣ／ＤＣ変換器の第３の動作モードのブロック図表現である。 図２９のＤＣ／ＤＣ変換器の第４の動作モードのブロック図表現である。 図２９のＤＣ／ＤＣ変換器の動作を示すフローチャートである。 図３４のフローチャートの放電ステップを示すフローチャートである。 図３４のフローチャートのための高損失スイッチング動作を示すフローチャートである。

図面に示す本発明の好ましい実施形態について説明する際には、明快のために特定の専門用語が用いられる。ただし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定ものではなく、特定の用語は各々、同様の目的を達成するために同様に動作するすべての技術的等価物を含むことを理解されたい。たとえば、「接続された」という単語、「取り付けられた」という単語、またはそれに類似する用語がしばしば使用される。それらは、直接接続には限定されないが、当業者によってそのような接続が等価であると認識される他のエレメントを介した接続を含む。

次に、同様の参照番号が本開示全体にわたって同様の部分を示す図面を参照し、図１〜図４および図１４〜図２１において、本発明の１つの実施形態による電解液バッテリーモジュールおよびシステムを全般的に１０で示す。バッテリーシステム１０は、一般的な構成要素として、キャビネット１２と、キャビネット１２内に置かれたセルスタック１４のアセンブリと、キャビネット１２内に置かれたタンクアセンブリ１６とを含む。タンクアセンブリ１６は、各々がセルスタック１４に動作可能に接続されたポンプ１９および好適な配管２１を有する、陽極液フローシステム１８（図５〜図９）と陰極液フローシステム２０（図１０〜図１３）とを含む。陽極液は、バッテリー中で陽極または負極セルに近接する電解液の一部分であり、陰極液は、バッテリー中で陰極または正極セルに近接する電解液の一部分である。放電状態では、各システム１８、２０の電解液は、実質的に同じである。セルスタック１４が充電されると、陽極液フローシステム１８の電解液は、負に帯電し、陰極液フローシステムの電解液は、正に帯電する。以下で詳細に述べるように、バッテリーシステム１０は、セルスタック１４の極性を反転させることができるように構成される。したがって、フローシステム１８および２０の各々は、セルスタック１４の極性に応じて、陽極液フローシステムまたは陰極液フローシステムとして相互交換可能である。

キャビネット１２内に配置されたＤＣ／ＤＣ変換器ハウジング２２は、セルスタック１４に動作可能に接続された１つまたは複数のＤＣ／ＤＣ変換器２４を含む。バスバー２８がＤＣ／ＤＣ変換器２４に動作可能に接続されており、ＤＣ／ＤＣ変換器２４を介してセルスタック１４とバスバー２８との間で電力を双方向にパスすることができる。熱交換器２６がキャビネット１２内の配設されており、ファン（図示せず）をキャビネット１２上のファンマウント２７に固定することができる。また、バッテリーシステム１０は、とりわけポンプ１９および変換器２４を含むバッテリーシステム１０の様々な構成要素に動作可能に接続されたコントローラ１００を含む。

図５〜図９を見ると、陽極液フローシステム１８は、ポンプ１９と、配管２１と、三方弁３０とを有する。配管２１は、セルスタック１４に陽極液を分配するために、陽極液が保持されるタンクアセンブリ１６の一部分からポンプ１９まで延びる。陽極液は、セルスタック１４から、さらなる配管２１を通ってタンクアセンブリ１６に戻り、三方弁３０の動作によって、熱交換器２６を通して方向転換される。

次に図１０〜図１３を参照すると、陽極液フローシステム１８と同様に陰極液フローシステム２０が形成され、また、ポンプ１９と配管２１と四方弁３２を有する。配管２１は、セルスタック１４に陰極液を分配するために、陰極液が保持されるタンクアセンブリ１６の一部分からポンプ１９まで延びる。陰極液は、セルスタック１４から、さらなる配管２１を通ってタンクアセンブリ１６に戻り、四方弁３２の動作によって、スタックを通る流れの方向を反転させることができる。

次に図２２〜図２５を参照すると、セルスタック１４が示されている。セルスタック１４は、エンドキャップ３６の対の間に配設された複数のフローフレーム３４から形成される。フローフレーム３４の各々は、流路の半分とフローフレーム３４の各側の他の機構（feature）とを含むように成形される。フローフレーム３４の各対の間に、フローフレーム３４に隣接してセパレータが含まれ、セパレータは、フローフレーム３４間の流路を規定するために、たとえば、超音波溶接、振動溶接または任意の他の好適な接合方法によって接合される。各エンドキャップ３６は、エンドキャップ３６の一方側の流路を含むように成形され、エンドキャップ３６と隣接するフローフレーム３４とが流路を同様に規定するようにセルスタック１４に対して内向きに配向される。エンドキャップ３６の他方側は、セルスタック１４の構造の機構を含むように、かつ、互いに対してセルスタック１４を接合することを機能するように成形される。

次いで各フローフレーム３４の一方側と各エンドキャップ３６の内部に面した側とを参照すると、以下の機構が、フローフレーム３４およびエンドキャップ３６へと成形される。参照のために、フローフレーム３４の一方側に関して機構を説明するが、フローフレーム３４の両側およびエンドキャップ３６の一方側にも同様にあてはまる。フローフレーム３４は、上縁部６２と、下縁部６４と、上縁部６２と下縁部６４との間に延びる側縁部６６の対とを含む。フローフレーム３４の角部の各々に近接する開口部３７は、セルスタック１４に入る／から出る電解液のための入口／出口、またはフローフレーム３４間で電解液を導通するための流体通路のいずれかを提供する。

本発明の１つの実施形態によれば、各フローフレーム３４とセパレータとの間に収容された電極全体に電解液を通すために、上縁部６２または下縁部６４のいずれかに近接する開口部３７のうちの１つは流体入口を提供し、対向する縁部６２または６４に近接する開口部３７のうちの１つは流体出口を提供する。上縁部６２および下縁部６４の各々に近接する他の開口部３７は、電解液がフローフレーム３４またはセパレータを通るが、それらの間に収容された電極全体には向けられないことを可能にするチャネルを規定する。開口部３７は、陽極液フローシステム１８中の電解液がフローフレーム３４の一方側に向かって下がり、陰極液フローシステム２０中の電解液がフローフレーム３４の他方側に向かって下がるように構成される。セパレータにより、隣接するフローフレーム３４間の陽極液と陰極液とが分離される。ただし、セパレータの両端間で、セルスタック１４中を電流が流れることができるようにするイオン移動が生じることがある。このようにすると、セルスタック中を流れる電解液は、フローフレーム３４の一方側の電極と他方側の電極の上を交互に通過するように、２つの流路へと分割される。

フローフレーム３４間の電解液分布のための流路を規定するために、上縁部６２および下縁部６４の各々に近接して内部ヘッダシステム３８が規定される。内部ヘッダシステム３８は、陽極液フローシステム１８または陰極液フローシステムのいずれかから電解液を受け、第１のチャネルを通して、上縁部６２に近接するフローフレーム３４の幅のほぼ全体に電解液を誘導する。次いで、内部ヘッダシステム３８は、電解液を、戻りチャネルを通してフローフレーム３４の中央部分に誘導する。電解液は、その後、電極の電解液の分布ためのフローチャネルを形成するために、フローフレーム３４の各側６６間にあるほぼ均等な間隔の複数の流路に分割される。内部ヘッダシステム３８は、ヘッダシステム３８中の流路に大きな粒子が入ること、および、潜在的に大きな粒子が流路を遮断することを防止するために、入口および出口の開口部３７の各々に近接する一体型フィルタ３９をさらに含む。フローチャネル中には、多相電解液がフローフレーム３４中を流れる際に多相電解液を混合して連続エマルジョンを生成するための混合シェブロン４１が含まれる。内部ヘッダシステム３８は、電解液流路を増加させ、それによって、内部抵抗を高め、セルスタック１４中を流れるシャント電流を低減させるとともに、フローフレーム３４間に電解液をより均一に分配する。

図示の実施形態によれば、フローフレーム３４は、フローフレームとセパレータとを接合してセルスタック１４を形成するため使用される機構（feature）をさらに含む。振動溶接ビード４０を成形して各フローフレーム３４を作製する。振動溶接ビード４０は、フローフレーム３４を接合してセルスタック１４を組み立て、加圧下でのセルスタック１４の剛性を維持するために使用される。また、フローフレーム３４は、振動溶接プロセス中に発生される閃光を封じ込めるためにフラッシュ室を含む。フローフレームまたはセパレータフレームは、インサートまたは、オーバーモールディング材料で作製され、挿入された部品の外周の周りにピンを組み込んで、一方側にインサートを押しつける。これにより、完成したフローフレーム３４またはセパレータフレームをモールドに完全に組み付けることができるようになり、手作業による組付け作業の多くがなくなる。溶接位置合わせ機構３８は、限定はしないが、陳列された（displayed）ピンとピンホールとを含む。ビルトイン型目視検査機構によって、スタックの組立ての前でも組立ての後でも適切な組付けが保証される。

図２３および図２４を参照すると、各エンドキャップ３６の内部側は、フローフレーム３４の一方側と同様の構造のものである。エンドキャップ３６は、一体型フィルタ４８と混合シェブロン５０とを有する内部ヘッダシステム４７を含む。エンドキャップ３６は、振動溶接ビード４９のような構造エレメントと、適切な組付けを保証するためのビルトイン型目視検査機構５３とをさらに含む。エンドキャップ３６はさらに、１つのスタックを別のスタックに封止するために、一方の角部にＯリング溝を含み、対向する角部には中実表面を含む。エンドキャップは、一方側にインサートを押しつけるために挿入された部分の外周の周りのピンを組み込む材料および成形方法を含めて、モールドアセンブリおよび気密に封止されたバッテリースタック１４の端子電極５５の周りに挿入するまたはオーバーモールド成形することができる。

亜鉛臭素バッテリーは、一定のセルギャップ厚を維持し、電極とセパレータ膜とが互いに接触することを防ぐために、各電解液ハーフセルにおいてスペーサメッシュ材料を使用する。スペーサは、フローチャネルを通る電解液フローを妨げることなく、寸法安定性を提供する必要がある。

図２６に示した１つの実施形態では、スペーサ設計は、丈夫で可撓性の軽量ネットを製作するために、制御された条件下で両方向に伸張される二軸延伸ポリプロピレンネットを使用した。

図２７および図２７Ａに示した第２の実施形態では、ダイヤ型（バイプラナー）構成で作製された押出成形ネットによりバッテリー性能を改善させる。フロー試験は、電極面全体への臭素電解液の分布が改善したことを示し、また、バッテリー性能試験は、ハーフスタック間の電流分布が著しく改善し、それにより、エネルギー効率が改善することを示した。

バッテリーシステム１０は、セルギャップの整合性とアクティブセルエリア全体への電解液および臭素の分布とを改善するために、バイプラナーポリプロピレンメッシュを使用する。このメッシュは、各層のストランドが互いに対して角度をつけて配設された、たとえば、各々に対して直行して配向された平行なストランドの２つの層で構成される。さらに、このメッシュは、ストランドの各層が、電解液フロー方向に対して一定の角度となるように、たとえば、電解液フロー方向に対して４５度の角度となるように、セル中に配向することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、別個のＤＣ／ＤＣ変換器２４が、フローバッテリーシステム１０中の各セルスタック１４を個々に動作させ、制御する。前述のテストから、残りのセルスタック１４の性能に影響を与えることなく、セルスタック１４を個々に動作させることができることが分かっている。また、セルスタック１４が電気的に並列に接続されているときには、セルスタック１４はコモンＤＣ電圧で動作するが、各スタック上でコモンＤＣ電圧を維持するために、各セルスタック１４から送達されるまたは各セルスタック１４によって受容される電流は、大幅に変動することがある。さらに、セルスタック１４ごとに別個のＤＣ／ＤＣ変換器２４を提供することによって、１つセルスタック１４はストリップすることができるが、残りのセルスタック１４は、標準的なチャージ／放電構成で動作可能なままとなる。

本発明の１つの実施形態によれば、バッテリーシステム１０は、各々が独立してＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続された８つのセルスタック１４を備えている。この構造により、モジュール１０は、充電および放電するための設定点としてＤＣバス電圧を使用して個々のセルスタック１４へのエネルギーフローを最適化することが可能になる。この構造の１つの例は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる同時係属中の米国特許出願第１３／１８５，８６２号に示されている。この米国特許出願は、対応するＤＣ／ＤＣ変換器２４を介してＤＣバス２８と各セルスタック１４との間で双方向に電力が伝達されるヒステリシス制御方法について論じている。各ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、セルスタック１４が充電または放電される別個の設定点を含む。たとえば、より低い充電状態のスタックは、より低いＤＣバス設定点（たとえば、３５１Ｖ）で充電するように自身のＤＣ／ＤＣ変換器２４を設定することでき、より高い充電状態のスタックは、より高いＤＣバス設定点（たとえば、３５５Ｖ）で充電するように自身のＤＣ／ＤＣ変換器２４セットを設定することができる。したがって、ＤＣバス２８上のエネルギーは、より低い充電状態のセルスタック１４に最初に貯蔵される。同様に、セルスタック１４を放電するために設定点を千鳥状に配置することができる。高い充電状態のセルスタック１４は、より高いＤＣバス設定点（たとえば、３３０Ｖ）で放電するように自身のＤＣ／ＤＣ変換器２４を設定することができ、より低い充電状態のセルスタック１４は、より低いＤＣバス設定点（たとえば、３２５Ｖ）で放電するように自身のＤＣ／ＤＣ変換器２４を設定することができる。したがって、エネルギーは、最初に、より高い充電状態のセルスタック１４からＤＣバス２８に供給される。さらに、１つのＤＣ／ＤＣ変換器２４を２つ以上のセルスタック１４に接続し得ることが企図される。複数のセルスタック１４を、直列に、並列に、または直列と並列との組合せで接続することができ、その結果、エネルギー貯蔵デバイスは、所望の電圧およびエネルギー貯蔵能力を有することになる。ＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続されたセルスタック１４のセットは、上記で説明した個々のセルスタック１４と同様に制御される。

本発明の別の態様によると、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、セルスタック１４に存在するいずれかの極性で動作するように構成される。第１の動作モードでは、セルスタック１４の極性は、ＤＣバス２８の極性と同じである。第２の動作モードでは、セルスタック１４の極性は、ＤＣバス２８の極性から反転する。

次に図２９を参照すると、例示的な極性反転ＤＣ／ＤＣ変換器２４が示されている。このＤＣ／ＤＣ変換器は、メモリデバイス２０２と通信するプロセッサ２００を含む。プロセッサ２００は、限定はしないが、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、またはそれらの任意の組合せであり得、直列または並列に動作する上述のデバイスのうちの１つまたは複数をさらに含み得る。メモリデバイス２０２は、単一のデバイスまたは複数のデバイス中で同様に実装され得、スタティックメモリ、ダイナミックメモリまたはそれらの組合せを含み得る。メモリデバイス２０２は、たとえば、動作パラメータおよびプログラム、あるいはプロセッサ２００によって実行可能な一連の命令を記憶するように構成される。さらに、プロセッサ２０４はゲートドライバ２０４と通信する。ゲートドライバ２０４は、限定はしないが、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路であり得、また、プロセッサ２００とともに単一のデバイス中に集積され得る。プロセッサ２００は、センサから、ＤＣ／ＤＣ変換器２４の全体にわたる様々なポイントにおける電圧および／または電流の振幅に対応するフィードバック信号を受信する。そのロケーションは、プロセッサ２００内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。たとえば、ＤＣバスセンサ２００は、ＤＣバス２１２上に存在する電圧の振幅を提供することができる。任意選択で、ＤＣ／ＤＣ変換器２４の内部のＤＣバス２１４上で導通される電流の振幅を提供するために、ＤＣバスセンサ２００を動作可能に接続してもよい。同様に、ＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続されたセルスタック１４における電流および／または電圧の振幅を提供するために、電流センサ２５０および／または電圧センサ２５２を動作可能に接続してもよい。

ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、バッテリーシステム１０のＤＣバス２８に接続されるように構成された入力端子２１０の対をさらに含む。次いで、各端子２１０は、ＤＣ／ＤＣ変換器２４内の内部ＤＣバス２１２に接続される。内部ＤＣバス２１２は、正極レール２１４と負極レール２１６とを含む。当技術分野で理解されているように、正極レール２１４および負極レール２１６は、コモン電圧またはニュートラル電圧に関して任意の好適なＤＣ電圧電位を導通することができ、正ＤＣ電圧電位または負ＤＣ電圧電位に限定されるものではない。さらに、正極レール２１４または負極レール２１６のいずれかを、ニュートラル電圧電位に接続することができる。正極レール２１４は、典型的には、負極レール２１６よりも大きい電位を有するＤＣ電圧を導通する。内部ＤＣバス２１２の正極レール２１４と負極レール２１６との間にキャパシタンス２１８が接続されている。キャパシタンス２１８は、システム要件に応じて、単一のキャパシタ、あるいは直列または並列に接続された任意の数のキャパシタであり得る。

複数のスイッチングデバイス２３０、２４０は、内部ＤＣバス２１２を出力端子２６０に選択的に接続する。スイッチングデバイス２３０、２４０は、典型的には、限定はしないが、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、サイリスタ、またはシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含むソリッドステート電力デバイスである。任意選択で、スイッチングデバイス２３０、２４０は、電気機械デバイス、またはアプリケーション要件に応じて構成された任意の他の好適なスイッチングデバイスであり得る。ダイオード２３２、２４２は、スイッチングデバイス２３０、２４０がオフにされたときに求められるようなスイッチングデバイス２３０、２４０の両端間での逆導通のために、スイッチングデバイス２３０、２４０の各々に並列に接続される。出力端子２６０における電圧の極性を制御するために、スイッチングデバイス２３０の第１のセットが使用される。スイッチングデバイス２３０の第１のセットの各々は、ゲート信号２０６の対応する第１のセットの１つを受信する。内部ＤＣバス２１２と出力端子２６０との間の電流の振幅および方向を調整するために、スイッチングデバイス２４０の第２のセットが使用される。スイッチングデバイス２４０の第２のセットの各々は、ゲート信号２０８の対応する第２のセットの１つを受信する。内部ＤＣバス２１２と出力端子２６０との間の電流の調整を容易にするために、スイッチングデバイス２４０の第２のセットと出力端子２６０との間に、インダクタ２４６および２４８が直列に含まれる。

動作中、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、ＤＣバス２８とＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続された１つまたは複数のセルスタック１４との間の双方向電流フローを調整するように構成される。ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、また、順極性または逆極性のいずれかのセルスタック１４にＤＣバス２８に接続し、ＤＣバス２８への接続において一定の極性を維持しながらセルスタック１４の極性を切り替えるように構成される。再び図２９を参照すると、プロセッサ２００は、メモリデバイス２０２に記憶された一連の命令を実行するように構成される。プロセッサ２００は、ゲートドライバ２０４への基準信号を発生させ、ゲートドライバ２０４は、スイッチングデバイス２３０、２４０の動作を制御するためのゲート信号２０６、２０８を発生させる。任意選択で、ゲートドライバ２０４は、プロセッサ２００中に集積化され、プロセッサ２００は、ゲート信号２０６、２０８を発生させるようにさらに構成される。

図示の実施形態によれば、ゲート信号２０６の第１のセットは、スイッチングデバイス２３０の第１のセットの動作を制御し、スイッチングデバイス２３０の第１のセットは、出力端子２６０における電圧の極性を制御するように構成される。スイッチングデバイス２３０の第１のセットは、トランジスタ１（Ｑ１）またはトランジスタ２（Ｑ２）のうちの１つのみが同時にイネーブルされるように構成される。トランジスタ１（Ｑ１）がイネーブルにされたとき、出力端子２６０の極性は、ＤＣバス２１２の極性に対して反転している。トランジスタ２（Ｑ２）がイネーブルにされたとき、出力端子２６０の極性は、ＤＣバス２１２の極性と同じである。

ゲート信号２０８の第２のセットは、スイッチングデバイス２４０の第２のセットの動作を制御し、スイッチングデバイス２４０の第２のセットは、ＤＣバス２１２と出力端子２６０との間の電流を制御するように構成される。図示のように、スイッチングデバイス２４０の第２のセットの２つの対が含まれる。第１の対は、トランジスタ３（Ｑ３）とトランジスタ４（Ｑ４）とを含み、第２の対は、トランジスタ５（Ｑ５）とトランジスタ６（Ｑ６）とを含む。任意選択で、スイッチングデバイス２４０の第２のセットの単一の対を含んでもよい。出力端子２６０の極性がＤＣバス２１２の極性と反対になるようにトランジスタ１（Ｑ１）をイネーブルすると、トランジスタ４（Ｑ４）およびトランジスタ６（Ｑ６）のトグリング（toggling）は、ＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続されたセルスタック１４を充電するように動作する。反対に、出力端子２６０の極性がＤＣバス２１２の極性と反対になるようにトランジスタ１（Ｑ１）をイネーブルすると、トランジスタ３（Ｑ３）およびトランジスタ５（Ｑ５）のトグリングは、ＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続されたセルスタック１４を放電するように動作する。出力端子２６０の極性がＤＣバス２１２の極性と同じになるようにトランジスタ２（Ｑ２）をイネーブルにすると、トランジスタ３（Ｑ３）およびトランジスタ５（Ｑ５）のトグリングは、ＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続されたセルスタック１４を充電するように動作する。反対に、出力端子２６０の極性がＤＣバス２１２の極性と同じになるようにトランジスタ２（Ｑ２）がイネーブルにされると、トランジスタ４（Ｑ４）およびトランジスタ６（Ｑ６）のトグリングは、ＤＣ／ＤＣ変換器２４に接続されたセルスタック１４を放電するように動作する。さらに、スイッチングデバイス２３０、２４０は、様々な組合せで、かつ、出力端子２６０における電圧の極性を制御し、セルスタック１４を充電／放電するための様々な制御ルーチンにしたがって制御され得ることが企図される。

また、図３０〜図３３を参照すると、バッテリー端子５５に存在する順電圧極性と逆電圧極性の両方で充電および放電する間の電力変換器２４の動作が開示されている。標準動作（すなわち、セルスタック１４の均等化またはストリッピング以外の動作）中、プロセッサ２０４は、メモリデバイス２０２から、ＤＣ／ＤＣ変換器２４がセルスタック１４を充電するかまたは放電する電圧設定点を取り出す。ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、図３０および図３１、あるいは図３２および図３３のいずれかにしたがって、バッテリー端子５５においてその時点で指令される極性にしたがって動作する。極性反転が指令された場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、セルスタック１４を完全に放電し、セルスタック１４に印加される電圧の極性を反転させ、セルスタック１４を再充電し始める。ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、次いで、図３０および図３１、あるいは図３２および図３３のいずれかにしたがって、バッテリー端子５５においてその時点で指令される新しい極性による求めに応じて、標準作業を再開する。

ＤＣ／ＤＣ変換器２４が標準動作で実行している間、プロセッサ２００は動作記録を維持する。任意選択で、モジュールコントローラ１００は、ＤＣ／ＤＣ変換器２４の各々の動作記録を維持し、動作持続時間に応じて各ＤＣ／ＤＣ変換器２４の所望の動作モードを指令する。所定のインターバルの後、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、セル均等化ルーチンに入る。セル均等化プロセスは、セルスタック１４における有害な亜鉛デンドライトの形成を防止するために必要とされる。

本発明の１つの実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣ変換器２４の動作を追跡するために、ポイントシステムが利用される。ＤＣ／ＤＣ変換器２４またはモジュールコントローラ１００のいずれかは、バッテリーシステム１０の特定のセルスタック１４各々の健全性を予想する手段として、ＤＣバス２８とセルスタック１４との間を流れる電流および他の動作状態を監視する。電流および他の監視される状態は、整数値またはポイントに変換される。これらのポイントの合計がユーザにより決定された最大値に達すると、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、放電専用モードに入り、セル均等化プロセスを開始するように指令される。監視される状態は、限定はしないが、セルスタック１４の総充電・放電（アンペア時間）、セルスタック１４の充電・放電の速度、ならびに、ストリップサイクル間にセルスタック１４が充電状態から放電状態に循環した回数のようなファクタを含み得る。モジュールコントローラ１００はさらに、最小記憶容量を維持するように、一度に均等化ルーチンに入るセルスタック１４の数を制限する。したがって、均等化ルーチンに入ると、ＤＣ／ＤＣ変換器２４によって累積されるポイント数が変動し得る。このポイント数は、ストリップサイクルのタイプ、およびセルスタック１４がストリップサイクルである時間の長さを判断するために使用することができる。セルスタック１４の使用を追跡することによって、均等化を必要とするセルスタック１４のみが、バッテリーシステム１０全体のストリップを実施するのではなく、均等化ルーチンに入るように指令され、全体的なシステムアベイラビリティが最適化される。任意選択で、ＤＣ／ＤＣ変換器は、動作時間のみに基づいて、ストリップサイクルに入るように指令され得る。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、セルスタック１４において充電／放電サイクルの持続時間を追跡するさらに他の方法を利用することができることが企図される。

次に図３４を参照すると、改善された均等化ルーチン３００の各ステップが示されている。ステップ３０２において、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、均等化ルーチンに入るためのコマンドを受信する。コマンドは、接続されたセルスタック１４の充電／放電サイクルの動作を監視することに応じて内部で発生され得る。任意選択で、モジュールコントローラ１００からコマンドを受信してもよい。ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、たとえば、ヒステリシス制御のための設定点を変更することによって放電モードに入る。ヒステリシス制御の放電設定点が、ＤＣバス２８上の電圧の所望の値よりも大きい値に設定された場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、その対応するセルスタック１４をＤＣバス２８に放電し始める。ＤＣバス２８または残りのセルスタック１４のいずれかの上に存在する負荷は、ＤＣバス２８上で所望の電圧レベルを維持するために、ＤＣバス２８からエネルギーを引き出す。ステップ３０６において、均等化ルーチンは、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は対応するセルスタック１４を放電し、バッテリー上に存在する電圧がゼロボルトに達するまで、放電ステップ３０４にループバックし続ける。ゼロボルトに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、ステップ３０８に示すように、バッテリー端子５５上に存在する極性を反転させる。ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、次いで、バッテリー端子に存在する反転した極性でセルスタック１４を充電し始める。均等化ルーチン３００はセル反転とは関係ないので、セルスタック１４の放電は、連続して低減される段階状の電流の放電が行われるように求めるのではなく、高速でゼロボルトまで下がり続け得る。

次に図３５を参照すると、均等化ルーチン３００の放電ステップ３０４がより詳細に示されている。放電中、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、ステップ３２０に示すように、セルスタック１４に存在する電圧の振幅を監視する。ステップ３２２において、電圧の振幅を初期閾値と比較する。電圧の振幅が初期閾値よりも大きい場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、ステップ３２４に示すように、セルスタック１４からＤＣバス２８への電流を調整し、セルスタック１４を放電する。電圧の振幅が初期閾値を下回る場合、放電ルーチンは、ステップ３２６において、電圧の振幅がゼロボルトに達したかどうかを検査する。電圧の振幅が初期閾値を下回るがゼロボルトよりも大きいままであるときは、ステップ３２８に示すように、高損失スイッチングモジュールをイネーブルする。電圧の振幅がゼロボルトに達したときには、ステップ３３０に示すように、高損失スイッチングモジュールをディスエーブルする。したがって、ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、ＤＣバス２８に接続された入力端子２１０上の極性を維持しながら、かつ、ＤＣ電流を双方向に連続して調整しながら、セルスタック１４に接続された出力端子２６０に存在する電圧の極性を自動的に反転させるように動作可能である。セルスタック１４における電圧の極性を反転させるこの能力は、フローバッテリーのセル均等化を加速し、バッテリーシステム１０の残りの部分によって見られるコモン極性をＤＣ／ＤＣ変換器２４の入力で維持しながらフローバッテリーモジュールの反転充電を可能にする。

次に図３６を参照すると、高損失スイッチングモジュール３５０は、ステップ３５２に示すように、変調ルーチンのスイッチング周波数を制御し、「アクティブレジスタ」として機能するスイッチングデバイス２３０、２４０のゲート信号２０６、２０８を発生する（図２９参照）。エネルギーを散逸させ得るレジスタが接続される従来の放電方法とは対照的に、高損失スイッチングモジュール３５０は、スイッチングデバイス２３０、２４０でエネルギーを散逸させる。変調ルーチンのスイッチング周波数を増大させることによって、スイッチングデバイス２３０、２４０は、より高い周波数でオン／オフされ、その結果、前記スイッチングに関連する損失が増大する。バッテリー端子５５における電圧が初期閾値を下回るまで待つことによって、電圧、したがってスイッチングデバイス２３０、２４０上の電力が低減される。電流基準はステップ３５４においても低減され得、それにより、スイッチングデバイス２３０、２４０の各遷移部（transition）上で散逸する電力がさらに低減される。

さらなる利点として、スイッチング周波数は、標準動作周波数と上限値との間で線形に変動させることができる。本発明の１つの実施形態によれば、スイッチング周波数は、ＤＣ／ＤＣ変換器２４によって使用される元のスイッチング周波数の４〜１６倍に増大し得る。対照的に、レジスタの従来の接続は、単一の抵抗または一連の階段状の抵抗を生じ、その結果、放電されるときに、セルスタック１４から定形の段階状の電流が引き出される。ブロック３５８から放電ブロック３５６に戻るように図３６には示されているが、高損失スイッチングモジュール３５０は、ブロック３５８からスイッチング周波数変更ブロック３５２に戻るように構成することができ、連続的に変動するスイッチング周波数が実装され得る。ステップ３５６において、高損失スイッチングモジュール３５０は、セルスタック１４を放電するために、選択されたスイッチング周波数および電流基準で動作する。ステップ３５８において、セルスタック１４上の電圧レベルを監視する。セルスタック１４上の電圧レベルが、より低い第２の閾値を下回ったとき、スイッチングデバイスのうちの１つまたは複数がラッチされ得、短絡を発生させてセルスタック１４を完全に放電する。セルスタック１４の内部抵抗は、この短絡動作状態下での電流を制限する。有効抵抗として働くことによって、高損失スイッチングモジュール３５０は、典型的には固定されたパッシブ抵抗方式とは対照的に、広い動作周波数にわたって線形に変動する抵抗手法を用いてセルを等化する方法を提供する。ＤＣ／ＤＣ変換器２４は、各々の範囲設定における完全なフレキシビリティとともに、極性反転、高損失スイッチングモジュール３５０、またはそれらの両方を戦略的に実装する能力を有する。

本発明は、図２９に示したＤＣ／ＤＣ変換器２４に関して論じてきたが、電力変換器が、ＤＣバス２１２と出力端子２６０との間の双方向電流フローを調整し、出力端子２６０における電圧の極性を制御するように構成される限り、本発明の範囲から逸脱することなく、電力変換器の多数の他の構成を採用することができることがさらに企図される。

以下に、モジュール１０の構成要素の様々な属性およびモジュール１０の動作についてさらに詳細に記載する。

モジュール電解液タンク１６−臭素錯体の貯蔵、制御およびレベル管理
設計は、オーバーフロー保護のために頂部ですべてが接続された３つの別個のタンク１６を使用すること伴う。タンク液面は、ポンプ速度とタンク中の流体高さに起因する異なるヘッド圧力によって制御される。タンクは、ポンプおよび鉛管類のための凹型エリアを有するように回転成形される。

バッテリーセルおよびフローフレーム設計−非常に広範囲の流体パラメータ下で一貫した流量分布を与える。他のフローバッテリーケミストリーに対して効率的かつ好適。
連続する分岐によって２Ｐ分布（すなわち、２パラメータ分布関数）を達成するためにプレナムなフローフレーム３４において適用される手法がいくつかある。単相流体または多相流体を均等に分布させるために、各分岐において均等な水平方向流量と十分な濁度とを達成する解決策を設計した。

バッテリー充電状態インジケータ
２Ｐタンク底部圧力は、浸水型圧力トランスデューサを使用してロギングされる。図２８を参照すると、充電中に２Ｐが構築される（３つのスタック上に約１時間、１００Ａで沈降し始める）と、圧力は、線形関数として、したがって、ＳＯＣに比例して増大する。放電中、４ＷＶは５〜１５分ごとに回転し、迅速な２Ｐレベルドロップオフでそのスタック中に２Ｐビルドアップを引き起こす。

フローバッテリーのための電解液ストレージタンクにおける電解液圧力を測定することによってバッテリーＳＯＣを測定することが発明の目的である。タンク圧力をロギングすることによって電解液密度の変化を記録することは、おそらく新規であり、亜鉛臭素フローバッテリー中の臭素相のための別個のストレージタンクによって達成することができる。

最高効率、長期シャットダウンおよび脱気プロセスのためのモジュール電解液フロー制御
モジュールコントローラ１００は、フローシステム、温度管理および保護を制御し、モジュールのすべての面の監視するように設計される。モジュールコントローラ１００は、ハードウェアが何モードであるべきかを判断するために、８つのセルスタックを監視する。たとえば、いずれか１つのスタックが放電している場合、モジュールは、放電のために第２相弁を開く。また、モジュールコントローラは、ファンと熱交換器とのシステムを使用してバッテリー温度を維持する。また、不良およびシステムメッセージも処理される。たとえば、モジュールがハードウェア不良を有する場合、コントローラは適切な動作をとって、バッテリーを安全にシャットダウンし、システムコントローラに不良を通知する。モジュールコントローラは、ストリッピング機能およびすべての動作モードを管理する。

臭素が豊富な第２相をセルスタックから濯ぎ落とすために、シャットダウンプロシージャが開発され、それにより、バッテリーを無期限に部分充電状態にしたままにすることができる。臭素相と水相とを分離する機構（feature）を含むような２Ｐタンクは、このプロシージャにおいて一翼を担い、制御されたディスパッチのために２Ｐタンクに臭素が貯蔵されたままになる。シャットダウンプロシージャ中、四方弁３２は、前進位置（スタックの頂部から底部に）へと回転され、セルスタックへと進む臭素の量を最小限に抑えるために第２相弁が閉じられ、ポンプ１９は、低減された速度ハードウェア不良で動作するか、あるいはパルスして、スタックを通して電解液を循環させ、臭素相をパージする。バッテリーは、次いで、セルスタック中に反応性化学物質が残っている場合にはそれを除去するために放電される。バッテリーが安全な電圧に達すると、ポンプが停止し、バッテリーは、無期限にこの状態のままでいることが可能になる。

専用の熱交換器２６を使用するモジュール温度管理および調整
電解液温度が許容可能な動作範囲を超えることを防止するために、陽極液は、空冷式熱交換器２６を使用してバッテリーモジュール上で直接的に冷却される。腐食性電解液に抵抗するために、この熱交換器のチューブ側は、高純度チタン材料を使用して作製される。この熱交換器の空気側は、アルミニウムフィンを使用し、この交換器を通して周囲空気をファンで押し進めて冷却が行われる。また、この交換器２６は、電解液電圧でフロートし、腐食を加速させる漏れ電流がないように電気的に絶縁される。

デュアル（ＡＣ／ＤＣ）電源
単一のデバイスを利用して制御電力および／または補助電力が提供され、電力源が冗長電源から導出される。電源が高電圧を利用する場合、バッテリーモジュールの調整されたＤＣバス電圧が出力され、および／またはＰＥＣＣシステムまたは外部のＡＣ電源のインバータのＡＣ側からＰＥＣＣコモンＤＣバスならびにＡＣ電源で出力される。したがって、ユーティリティグリッドのような接続されたＡＣ電源を用いるか用いないかにかかわらず、完全に動作可能なシステムの能力を提供し、ただし、１次／好適な電源は、ＤＣバスに接続されているように、可能な場合には優先度の高い再生可能エネルギー発生を利用し、利用可能でないときにはグリッド電源のみを利用することを目的として、ＤＣ入力として確立される。デュアル電源は、制御／補助出力に対して完全にシームレスなままである。デバイスは、所望の冗長度のために複数のソース入力を有し得、１つまたは複数の出力を提供し得るようなものである。

補助装置に電力供給するためにコモンＤＣバス２８を使用
フローバッテリーデバイス（ポンプ、コントローラ、ファン、ヒータなど）の補助電源のための複数の調整および絶縁されたＤＣ電圧を提供し制御する単一の包括デバイス（補助電源・制御モジュール（ＡＰＣ））、すべての補助装備および機器に対する完全なＤＳＰベースの制御、ならびにフローバッテリーにおけるフローバッテリー充放電制御、あるいはフローバッテリーが動作するために必要とする必須なものを含む。さらに、デバイスは、セットアップおよび制御、ならびにフローバッテリーにおける機械的側面と電気的側面の両方の完全な監視を行うための外部通信を含む。デバイス（補助電源・制御モジュール）は、マウンティングスタンドオフ、電力、ｉ／ｏおよび通信とともに単一ボード上にパッケージングされる。ただし、デバイスは、コモン調整ＤＣバスから、フローバッテリーモジュール、あるいはＰＥＣＣコモンバスのようなコモンｄｃバスに接続され得る他のエネルギー貯蔵デバイスまたはソースの出力において、そのソースを導出する。代替的な発生ソースがない場合でさえ、フローバッテリーモジュールが自立運転する結果となる。エネルギーが、フローバッテリー自体に貯蔵され、そこから使用可能であり、フローバッテリーを動作させ制御するための任意の外部または間接ソースに依存していない限り、すべての環境上および動作上の相関性が維持され得る。

バッテリー構成要素をオーバーモールド成形するための方法および材料
バッテリースタック１４において、膜、電極および端子電極（ＴＥ）は、それぞれ対応する「フレーム」へと、すなわち、バッテリーハウジング（これらは一般に膜・電極アセンブリについてはフローフレームと呼ばれ、ＴＥアセンブリについてはエンドキャップと呼ばれる）へとインサート成形される。電極およびフレームプラスチックは、これらの材料間のインサート成形接着を改善するように変更される。両方の材料は、摂氏２３０度、２．１６ｋｇにおいて６０〜１２０ｇｍ／１０分の範囲の高ＭＦＩポリプロピレンを含有する。また、両方の材料は、ポリオレフィンエラストマー（エチレンオクテン共重合体）も含有する。これらの添加剤は、プラスチックの移動性および混和性を高め、インサートと射出されたフレームとの間の凝集力を大きくする。

また、インサートは、インサート成形プロセスの直前に、少なくとも華氏２００度まで予熱される。これには二重の目的があり、第１には、インサートの表面を溶融させるための射出されたプラスチックからの必要な熱伝達を減少させ、それにより、両方の材料が溶融状態にある時間が増え、したがって、より相互混合し、整合した結合が生成される。第２に、フレーム材料が成形の後に収縮する際のインサート上での圧縮を低減する。圧縮が低減されたことにより、より平坦でより低い圧力を加えられた部分が生じ、それにより、セルギャップおよび寸法全体の整合性が改善される。

電極材料に活性化層を適用するための製造技法
現在のところ、電極材料に活性化層を適用するために使用される技法は３つある。第１の技法は、粒状活性炭（granular activated carbon）を適用するために使用され、第２および第３のプロセスは、シート形状（たとえば紙、フェルト、ガス拡散層）中に炭素材料を適用するために使用される。
１）多孔質ローラーを使用して、導電性接着剤を電極シートに適用する。次いで直ぐに、シートを粒状活性炭の流動床に浸漬する。次いで、このシートを乾燥させた後、炭素粒（carbon granule）が電極シートに部分的に浸水するようにこのシートを加圧加熱下で押圧する。これにより、炭素とプラスチックシートとの間に永続的な機械結合が生じる。
２）積層プロセスにおける電極の押出成形中に、炭素活性化層シートを電極シートに適用する。活性化層のタイプに応じて、それは、伝達プロセス中の安定化のための転写シートを必要とすることも、必要しないこともある。
３）電極シート上に活性化層を置き（またはプロセス１の通り接着し）、次いで、加圧加熱下で押圧する。プロセス１の通り、これは、機械結合を生成する電極中に活性化層を部分的に浸水する。

端子電極５５製造プロシージャ。
端子電極は、亜鉛臭素バッテリーの電流収集点である。現在の設計は、金属ラグまたはバスバーを使用し、金属ラグまたはバスバーは、はんだ付けプロセスまたは金属溶接プロセスのいずれかを使用して金属メッシュ材料に接続されている。その金属メッシュを導電性炭素プラスチックシートに埋め込んで、端子電極が形成される。

現在の製造方法の場合、（拡張メッシュとバスバーとの超音波溶接アセンブリを備える）アルミニウム電流コレクタは、ＴＥモールドに嵌合するように切断された電極材料のシートとともに、圧縮モールドに置かれる。次いで、このモールドを、ウォバッシュプレス（Wabash press）を使用して加圧下で加熱する。次いで、プラスチックを溶融し、所望のＴＥ形状を形成する。次いで、モールドを加圧下で冷却し、モールドを開いて、一部を除去することができる。次いで、余剰材料（鋳バリ）が除去される。この部分は、陽極ＴＥとして使用することができるが、それが陰極ＴＥとなるべき場合には活性化層で被覆しなければならない。

端子電極５５製造プロセス。射出成形されたＴＥ
新たに開発されたオーバーモールドプロセスは、平坦な端子電極を提供し、オーバーモールド成形されたフローフレーム材料を端子電極の導電性炭素プラスチックシートに結合するために開発された。ツーショット射出成形プロセスおよび導電性電極材料は、オーバーモールド成形されたエンドキャップをもつ端子電極を単一のモールドにおいて形成するために開発される。この開発努力における１つのファクタは、許容可能な導電性と射出成形可能性をもつ炭素充填プラスチック材料を達成することである。これは、ポリプロピレンワックスのような超低分子量プラスチック材料を使用して達成することができる。このプロセスにより、複数の構成要素から成る電極／エンドキャップがツーショット成形される。

マルチショットプロセスの場合、アルミニウム電流コレクタを射出モールドに挿入し、その周りに電極材料を射出成形する。この電極材料は、摂氏２３０度、２．１６ｋｇでＭＦＩ＞１ｇｍ／１０分の射出グレード材料である必要がある。ＴＥがモールド中にある間に、その周りにフレーム材料を射出してエンドキャップアセンブリを完成させる。次いで、後のステップにおいて、加熱加圧プロセスによって（陰極エンドキャップのための）活性化層を適用する。

バッテリー電極５５材料フォーミュレーションおよび製造プロセス
Ｖ３バッテリーのための電極は、押出グレードの、炭素とガラスとを充填したポリプロピレンである。フォーミュレーションを以下の表１に示す。

表１：電極のフォーミュレーション
ただし、
・ＭＦＩ：メルトフローインデックス（摂氏２３０度、５ｋｇにおいて何ｇｍ／１０分であるか）
・低ＭＦＩポリプロピレン（ＰＰ）のＭＦＩは、摂氏２３０度、２．１６ｋｇにおいて１〜１０ｇｍ／１０分である。この材料は、押出グレード材料を達成することが必要であり、炭素充填剤の分散を改善し、それにより、材料の導電性が増大する。
・高ＭＦＩポリプロピレン（ＰＰ）のＭＦＩは、摂氏２３０度、２．１６ｋｇにおいて１０〜１３０ｇｍ／１０分である。この材料は射出成形プロセスを改善するために使用される。
・ガラス繊維は、材料安定性、臭素に対する耐性、および熱膨張を改善することを必要とされる。
・グラファイトは、材料安定性および導電性のために使用される。
・カーボンブラックは、導電性のために使用され、電極材料がバルク抵抗率＜２Ωｃｍおよび表面抵抗率＜１０Ω／ｃｍを達成することを可能にする。
・ポリオレフィンエラストマーは、インサート成形プロセスを改善するために使用される。
・電極５５のための１つのより詳細なフォーミュレーションを以下の表２に示し、ＭＦＩは１未満である。

表２：電極のフォーミュレーション
上記の材料は、すべてがフォーミュレーション中に存在する必要はないが、フォーミュレーションの具体的な実施形態を示す。バッテリー電極材料のための代替的な構成要素は、
カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、マイクログラファイト、インサート成形接着促進剤、ガラスビーズ、タルク、マイカ、カップリング剤、安定化充填剤、結晶化度促進剤、および抗酸化剤
を含む。

バッテリーフローフレーム２４材料フォーミュレーションおよび製造プロセス。
バッテリーのためのフレーム材料は、射出グレードの、ガラスを充填したポリプロピレンである。フォーミュレーションを以下の表３に示し、ＭＦＩは約２５〜５０である。

表３：バッテリーフレーム材料のフォーミュレーション
ただし、
・最終化合物のＭＦＩ（メルトフローインデックス）は、摂氏２３０度、２．１６ｋｇにおいて１２〜５０ｇｍ／１０分である。
・ＰＰ（ポリプロピレン）は、最終的に所望されるＭＦＩを達成するために、単一のタイプまたはブレンド材とすることができる。
・ガラス繊維は、材料の収縮を低減させるために使用される。
・カップリング剤（無水マレイン酸改質ポリプロピレン）は、ガラスをポリプロピレンに結合するために使用され、それにより、材料強度、安定度、および臭素耐性が改善される。
・ポリオレフィンエラストマー（エチレンオクテン共重合体）は、インサート成形プロセスを改善するために使用される。

フローフレーム２３のための１つのより詳細なフォーミュレーションを以下の表４に示し、ＭＦＩは約４０である。

表４：バッテリーフレーム材料のフォーミュレーション
上記の材料は、すべてがフォーミュレーション中に存在する必要はないが、フォーミュレーションの具体的な実施形態を示す。フレーム材料のための代替的な構成要素は、
インサート成形接着促進剤、ガラスビーズ、タルク、マイカ、カップリング剤、安定化充填剤、結晶化度促進剤、および抗酸化剤
を含む。

本発明は、本明細書に記載した構成要素の構造および構成の詳細への適用に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実施または実行することが可能である。上記の変形形態および修正形態は、本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で開示および規定される本発明は、説明した個々の機構（feature）またはテキストおよび／または図面から明白な個々の機構のうちの２つ以上のすべての代替的な組合せに及ぶことが理解されよう。これらの異なる組合せのすべては、様々な本発明の代替的な態様を構成する。本明細書に記載した実施形態は、本発明を実施するために知られている最良の形態について説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。

Claims (13)

1. ＤＣバスとエネルギー貯蔵デバイスとの間の電流フローを調整するための電力変換器であって、前記電力変換器が、
   前記ＤＣバスに接続されるように構成された端子の第１のセットであって、端子の前記第１のセットが、第１の電気的極性を有する、端子の第１のセットと、
   前記エネルギー貯蔵デバイスに接続されるように構成された端子の第２のセットであって、端子の前記第２のセットが、第２の極性を有する、端子の第２のセットと、
   端子の前記第１のセットを端子の前記第２のセットに選択的に接続する複数のスイッチと、
   複数の命令を記憶するメモリデバイスと、
   第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作するために前記複数の命令を実行するように構成されたプロセッサであって、前記第１の動作モード中には、前記第１の電気的極性と前記第２の電気的極性とが同じであり、前記第２の動作モード中には、前記第１の電気的極性と前記第２の電気的極性とが反転しているプロセッサと、
   を備える、電力変換器。
2. 前記複数のスイッチが、
   前記ＤＣバスと前記エネルギー貯蔵デバイスとの間の電流フローを調整するように構成されたスイッチの第１のセットと、
   前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードのうちの１つを選択するように構成されたスイッチの第２のセットと、
   をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記エネルギー貯蔵デバイスが、少なくとも１つのセルスタックを有するフローバッテリーである、請求項１に記載の電力変換器。
4. 前記電力変換器が、前記ＤＣバスと前記フローバッテリーの１つのセルスタックとの間の電流フローを調整する、請求項３に記載の電力変換器。
5. 前記電力変換器が、前記ＤＣバスと前記フローバッテリーの複数のセルスタックとの間の電流フローを調整する、請求項３に記載の電力変換器。
6. 端子の前記第２のセットに存在する電圧の振幅に対応する信号を発生させるセンサをさらに備え、
   前記プロセッサが、スイッチング周波数の複数のゲート信号を発生させるようにさらに構成され、
   各ゲート信号が、前記スイッチのうちの１つの動作を制御し、
   前記スイッチング周波数が、端子の前記第２のセットに存在する前記電圧および端子の前記第２のセットにおける所望の電力損失のうちの１つの関数である、
   請求項１に記載の電力変換器。
7. 前記プロセッサは、端子の前記第２のセットに存在する前記電圧が所定の閾値をよりも小さいとき、前記スイッチのうちの少なくとも１つにラッチするようにさらに構成される、請求項６に記載の電力変換器。
8. 電力変換器を介してＤＣバスに接続されたバッテリー上の充電レベルを制御する方法であって、前記方法が、
   前記バッテリーを放電し始めるためのコマンドを前記電力変換器で受信するステップと、
   前記電力変換器内で、前記バッテリーを前記ＤＣバスに選択的に接続するように複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを第１の振幅に調整するステップと、
   前記バッテリー上に存在する電圧の振幅を監視するステップと、
   前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が第１の閾値に達したときに、前記スイッチング信号を発生させる周波数を増大させるステップと、
   前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が前記第１の閾値に達したときに、前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを第２の振幅に調整するステップと、
   前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が第２の閾値に達したときに、前記スイッチのうちの少なくとも１つにラッチするステップと、
   前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が実質的にゼロであるときに、前記バッテリーの放電をディスエーブルするステップと、
   を含む、方法。
9. 前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを第１の振幅に調整するステップが、前記バッテリー上で電圧の第１の極性で実行され、前記方法は、前記バッテリーの前記放電をディスエーブルするステップの後に、前記電力変換器内で、前記バッテリーを前記ＤＣバスに選択的に接続するように前記複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、第２の極性にしたがって前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを調整するステップをさらに含み、前記第２の極性が、前記第１の極性と反対である、請求項８に記載の方法。
10. 前記スイッチング信号を発生させる前記周波数が、前記バッテリーに存在する前記電圧および前記バッテリーにおける所望の電力損失のうちの１つの関数である、請求項８に記載の方法。
11. 電力変換器を介してＤＣバスに接続されたバッテリー上で充電レベルを制御する方法において、
    前記バッテリーを放電し始めるためのコマンドを前記電力変換器で受信するステップと、
    前記電力変換器内で、前記バッテリーを前記ＤＣバスに選択的に接続するように複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、第１の極性にしたがって前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを調整するステップと、
    前記バッテリー上に存在する電圧の振幅を監視するステップと、
    前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が実質的にゼロであるときに、前記バッテリーの放電をディスエーブルするステップと
    前記電力変換器内で、前記バッテリーを前記ＤＣバスに選択的に接続するように前記複数のスイッチを制御するための複数のスイッチング信号を発生させることによって、第２の極性にしたがって前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを調整するステップであって、前記第２の極性が、前記第１の極性と反対である、ステップと、
    を含む、方法。
12. 前記方法が、前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅を監視するステップの後に、
    前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを第１の振幅に調整するステップと、
    前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が第１の閾値に達したときに、前記スイッチング信号を発生させる周波数を増大させるステップと、
    前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が前記第１の閾値に達したときに、前記バッテリーと前記ＤＣバスとの間の電流フローを第２の振幅に調整するステップと、
    前記バッテリー上に存在する電圧の前記振幅が第２の閾値に達したときに、前記スイッチのうちの少なくとも１つにラッチするステップと、
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スイッチング信号を発生させる前記周波数が、前記バッテリーに存在する前記電圧および前記バッテリーにおける所望の電力損失のうちの１つの関数である、請求項１２に記載の方法。

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