JP2023093401A - エネルギー貯蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁制限に配慮しながら、市販の貯蔵システムにおいて電圧を増大させることができるエネルギー貯蔵システムを提供する。【解決手段】本発明は、直列に接続されている複数の電気モジュールパック（１２）を含むエネルギー貯蔵システム（１０）であって、各電気モジュールパック（１２）は正端子と負端子とを有し、各電気モジュールパック（１２）のこの端子における電圧は、パック（１２）のこの正端子とこの負端子との間の電位差に等しく、システム（１０）の端子における電圧は、接続された電気モジュールパック（１２）の電圧の合計に等しく、各電気モジュールパック（１２）はフレーム（２０）により支持されており、各フレーム（２０）は基準電位に設定されている、エネルギー貯蔵システム（１０）において、各フレーム（２０）のこの基準電位は、フレームにより支持されている電気モジュールパック（１２）の正端子電位と負端子電位との間の範囲に及ぶことを特徴とする、エネルギー貯蔵システム（１０）、に関する。【選択図】図３

Description

本発明はエネルギー貯蔵システムに関する。

市販のエネルギー貯蔵システムは、大抵、電池パックを形成するように直列に接続された複数の電池を含む低電圧システムである。エネルギー貯蔵システムの端子電圧は、このシステムの正端子と負端子との間の電位差である。特に、図１は、約１５００ボルト（Ｖ）の最大電圧を供給する低電圧エネルギー貯蔵システムの例を示す。

そのようなシステム内の電池パックは、接地（接地基準または０ボルト基準とも呼ばれる）に接続されているフレームにより支持されている。絶縁要件を満たすために、一方では正端子と接地との間の、他方では負端子と接地との間の電圧は、システムの絶縁電圧よりもはるかに低くなければならない。この絶縁電圧は、通常、最大電圧の２倍プラス１０００Ｖとして１分間のｒｍｓ（ＲＭＳ－１分）で定義される。図１の場合、絶縁電圧は４０００ボルトであるので、正端子と接地との間の電圧は＋７５０ボルトであり、負端子と接地との間の電圧は－７５０ボルトである。したがって、端子の一方に短絡が存在する場合にも、他方の端子と接地との間の電圧の絶対値は最大１５００ボルトであり、４０００ボルトの絶縁電圧よりもはるかに低いままである。

目的がそのようなエネルギー貯蔵システムの電圧を増大させる（システムの正端子と負端子との間の電圧を増大させる）ことである場合、複数の貯蔵システムを直列にすなわち複数の電池パックを直列に接続することは当然である。そのような構造は図２に示されており、図１の１つに相当する２つの電池パックは直列に接続されている。このシステムに関して達成した最大電圧は３０００ボルトである。

それにも関わらず、通常動作において、各システム端子と接地との間の電圧は最大電圧、図２の構造では１５００ボルトに達する。また、端子の一方における短絡の存在において、他方の端子と接地との間の電圧の絶対値は最大電圧、図２に関して３０００ボルトに達し、したがって、単一パックシステムに関して絶縁が策定された電圧を超過する。

したがって、絶縁制限に配慮しながら、市販の貯蔵システムにおいて電圧を増大させることができるエネルギー貯蔵システムが必要である。

この目的のために、本明細書は、直列に接続されている複数の電気モジュールパックを含むエネルギー貯蔵システムであって、各電気モジュールパックは正端子と負端子とを有し、各電気モジュールパックの端子における電圧はパックの正端子と負端子との間の電位差に等しく、システムの端子電圧は、接続された電気モジュールパックの電圧の合計に等しく、各電池パックはフレームにより支持されており、各フレームは基準電位に設定されており、各フレームのこの基準電位は、フレームにより支持されている電気モジュールパックの正端子の電位と負端子の電位との間の範囲に及ぶ、エネルギー貯蔵システム、に関する。

特定の実施形態では、システムは、単独でまたは任意の技術的に可能な組合せで、次の特徴：
－各電気モジュールは電池であり、
－各電気モジュールは電解装置モジュールまたは燃料電池モジュールであり、
－一方では各パックの各端子の電位と他方ではパックを支持するフレームの電位との間の電位差の絶対値は、０ボルトまたはパックの端子電圧に等しく、
－フレームの少なくとも１つの基準電位は接地電位と異なり、
－各フレームは、基準電位が印加される導電性シールドを含み、
－各フレームは、フレームを基準電位に設定するために、基準電位に相当する電圧が印加される追加端子を含み、
－各フレームは、フレームを基準電位に設定するために、対応する電気モジュールパックの正極または負極に接続されており、
－システムは、複数の電気モジュールパックを封入するケーシングを含み、
－ケーシングはプラスチックで作製されており、
－ケーシングは金属であり、接地されており、このケーシングは、少なくとも１つの絶縁体により、各フレームにさらに接続されており、
－電気モジュールパックの端子における電圧は等しく、例えば１５００ボルトに等しく、
－システムの端子における電圧は１５００ボルトよりも厳密に高く、好ましくは３０００ボルト以上である
の１つまたは複数を含む。本発明の他の特徴および利点が、図面を参照して、単に例として与えられている、本発明の実施形態の次の説明から明らかになるであろう。

電池パックにより形成されている先行技術のエネルギー貯蔵システムの例の概略図である。 図１の２つの電池パックを接続することにより電圧の増大を実施するエネルギー貯蔵システムの例の概略図であり、そのようなシステムに関連する問題が本明細書の導入部分に記載されている、図である。 本明細書の導入部分に概要が述べられている問題を解決するエネルギー貯蔵システムの例の図である。 本明細書の導入部分に概要が述べられている問題を解決するエネルギー貯蔵システムの別の例の図である。 本明細書の導入部分に概要が述べられている問題を解決するエネルギー貯蔵システムのさらに別の例の図である。

絶縁制限を満たしながら、導入部分に記載されている市販の貯蔵システムを凌いで電圧増大を達成するエネルギー貯蔵システム１０が、下記に記載されている。図３から図５まではそのようなシステム１０の例であり、本明細書において適時詳細に説明される。

特に、システム１０は、太陽光発電所などの、エネルギー貯蔵動作を実施する設備内へ組み込まれることが意図されている。

システム１０は、直列に接続された多くの電池パック１２を含む。この接続は、通常、１つのパック１２の正端子を別のパック１２の負端子と結合することにより成され、パック１２の数に応じて成される。

複数の電池パック１２が、少なくとも２つの電池パック１２が直列に接続されていることを意味すると理解される。図３から図５までの例では、４つの電池パック１２が直列に接続されている。直列に接続されている電池パック１２の数は４つに限定されず、達成されるべき最終的な電圧に応じて、４つよりも多いかまたは少ない。

各電池パック１２は、通常、標準的な市販の電池パックなどの低電圧電池パックである。例えば、そのような電池パックの最大端子電圧は１５００ボルト以下である。

各電池パック１２は、直列に接続された複数の電池１４（図を過剰しないように、図３から図５までにおいて電池パック１２のうちの１つにのみ示されている）で構成されている。電池は、例えばリチウムイオン電池である。

各電池パック１２は正端子と負端子とを有し、貯蔵システム１０の正の中間端子１６と負の中間端子１８をそれぞれ形成している。各電池パック１２の端子電圧はパック１２の正端子と負端子との間の電位差に等しい。図３から図５までの例では、各パック１２の端子電圧は１５００ボルトである。

電池パック１２は、通常、接続順に互いに接続されている。この接続順の第１の電池パック１２の負端子はシステム１０の負端子である。接続順の最後の電池パック１２の正端子はシステム１０の正端子である。したがって、貯蔵システム１０の端子電圧は、接続された電池パック１２の電圧の合計に等しい。したがって、システム１０の端子電圧は、通常、１５００ボルトよりも真に高く、好ましくは３０００ボルト以上に等しい。図３から図５までの例では、４つの１５００ボルトの電池パック１２は直列に接続されており、したがってシステム１０の電圧は６０００ボルトである。接続は、図の最下電池パック１２から図の最高電池パック１２まで作製される。

各電池パック１２は、支持体またはラックとも呼ばれるフレーム２０により支持されている。

各フレーム２０は基準電位に設定される。各フレーム２０の基準電位は、対応する電池パック１２の正端子の電位と負端子の電位との間の範囲に及ぶ。したがって、フレーム２０の電位の設定は、例えば、フレーム２０を、電池パック１２内に含有される電池の１つに接続することにより達成される。

好適な実施形態では、各フレーム２０の基準電位は、対応する電池パック１２の正端子または負端子の電位に等しい。このことは、貯蔵システム１０の設計を容易にする。

したがって、好適な方法では、通常の動作（すなわち、短絡がない状態）において、一方では基準電位に等しい各パック１２の端子の電位と、他方では対応する基準電位との間の電位差（電圧）はゼロである。さらに、各パック１２の他方の端子の電位と基準電位との間の電位差の絶対値はパック１２の電圧に等しい。したがって、システム１０の端子の一方における短絡の存在においても、パック１２の他方の端子と基準電位との間の電圧の絶対値は、最大でパック１２の電圧に等しく、それは絶縁電圧に一致したままである。

図３から図５までの例では、各フレーム２０の基準電位は、フレーム２０により支持されているパック１２の正端子の電位、すなわち第１のフレーム２０では１５００Ｖ、第２のフレーム２０では３０００Ｖ、第３のフレーム２０では４５００Ｖ、第４のフレーム２０では６０００Ｖに等しい。したがって、各パック１２の正端子と対応する基準電位との間の電位差は０Ｖに等しい。各パックの１２の負端子と対応する基準電位との間の電位差は－１５００Ｖに等しい（１５００Ｖはパック電圧である）。

これらの例では、各フレーム２０の基準電位が、対応するパック１２の負端子の基準電位であった場合、各パック１２の正端子と対応する基準電位との間の電位差は＋１５００Ｖに等しいと考えられることに留意されたい。各パック１２の負端子と対応する基準電位との間の電位差は０Ｖであると考えられる。

一般に、システム１０は、直列に接続されている少なくとも２つの電池パック１２を含むので、パック１２の一方のフレーム２０は、接地電位（すなわち、０Ｖ電位）と異なる基準電位に設定される。したがって、フレーム２０の基準電位は、パック１２が接続されると増大する。

各フレーム２０は、基準電位が印加される導電性シールドを含むことが有利である。

一実施形態では、各フレーム２０は、フレーム２０を基準電位に設定するために、基準電位に対応する電圧が印加される追加端子を含む。例えば、追加端子はフレーム２０から突出している。

別の実施形態では、各フレーム２０は、このフレーム２０を基準電位に設定するために、対応する電池パック１２の正極または陰極に接続されている。この接続は、例えば、金属編組などの電位設定コネクタ３０により成される。そのような接続は図３から図５までに示されている。

随意に、システム１０は、複数の電池パック１２を封入するケーシング４０を含む。このケーシング４０は電池パック１２を保護するのに適しており、システム１０に裸充電部を設けない。

図４の例では、ケーシング４０はプラスチックで作製されている。

図５の例では、ケーシング４０は金属であり、少なくとも１つの絶縁体４２により、各フレーム２０に接続されている。このケーシング４０は、この場合、接地４４に接続されている。絶縁体は、絶縁材で作製されている電気工学構成要素である。金属ケーシングはプラスチックケースよりも耐久性があるという利点を有する。

ここで、システム１０の設計の例を説明する。

最初に、複数の（少なくとも２つの）電池パック１２が接続されるために得られ、各パック１２はフレーム２０により支持される。

パック１２のうちの１つが、接続用の第１のパックとして選ばれる。第１のパック１２のフレーム２０の基準電位は、次いで、第１のパック１２の正端子の電位と負端子の電位との間の範囲に及ぶ電位に設定される。第１のパック１２のフレーム２０の基準電位は第１のパック１２の正端子の電位または負端子の電位に等しいことが好ましい。

次に、第２のパック１２が、例えばこの第２のパック１２の負端子を第１のパック１２の正端子に接続することにより、第１のパック１２に接続される。第２のパック１２のフレーム２０の基準電位は、次いで、第２のパック１２の正端子の電位と負端子の電位との間の範囲に及ぶ電位に設定される。第２のパック１２のフレーム２０の基準電位は正端子の電位または第２のパック１２の負端子の電位に等しいことが好ましい。これは、次いで、接続される各さらなるパック１２に関して繰り返される。

このようにして、エネルギー貯蔵システム１０は、絶縁制限に配慮しながら、しかし増強された絶縁を導入することなく、市販のものなどの低電圧貯蔵システムからの電圧増大が達成されることを可能にする。実際に、絶縁体は各電池パックのフレーム２０により支持される。特に、対応するパックに従ってフレーム２０の電位を（正端子の電位と負端子の電位との間に広義で含まれる電位に）固定することにより、短絡の場合にも、絶縁電圧を超過させないことが可能になる。

また、そのようなシステム１０は正の同相電位を排除する。メンテナンスも容易になる（接地）。

技術的に互換性があれば、前述されている実施形態および変形形態は組み合わされて、新しい実施形態を形成することが可能であることが、当業者には明らかであろう。

図３から図５までの例では、電池パック１２の端子電圧は同一である（１５００ボルトに等しい）ことに留意されたい。しかし、例えば約５００Ｖの最大電圧を有する電池パック１２への約１５００Ｖの最大電圧を有する電池パック１２の接続のために、本発明は異なる電圧の電池パック１２の場合にも適用される。

さらに、本発明は電池パックを例として使用して説明されていることを強調しておく。しかし、本発明の原理は全種類の電気モジュールに、特に電解装置モジュールまたは燃料電池モジュールにも適用される。実際に、電解装置または燃料電池などの電気化学反応器の場合には、多数の構成要素が安全問題または絶縁問題を生じる可能性があり、提案された貯蔵システムは解決することを可能にする。したがって、本明細書は、「電池」という用語を「電気モジュール」、より詳細には「電解装置モジュール」または「燃料電池モジュール」という用語に交換することによって読むことが可能である。

１０ エネルギー貯蔵システム
１２ 電池パック
１４ 電池
１６ 正の中間端子
１８ 負の中間端子
２０ フレーム
３０ 電位設定コネクタ
４０ ケーシング
４２ 絶縁体
４４ 接地、接地する

Claims (13)

1. 直列に接続された複数の電気モジュールパック（１２）を含むエネルギー貯蔵システム（１０）であって、各電気モジュールパック（１２）は正端子と負端子とを有し、各電気モジュールパック（１２）の前記端子における電圧は、前記パック（１２）の前記正端子と前記負端子との間の電位差に等しく、前記システム（１０）の前記端子における電圧は、接続された電気モジュールパック（１２）の電圧の合計に等しく、各電気モジュールパック（１２）はフレーム（２０）により支持されており、各フレーム（２０）は基準電位に設定されており、各フレーム（２０）の前記基準電位は、前記フレームにより支持されている前記電気モジュールパック（１２）の正端子電位と負端子電位との間の範囲に及ぶことを特徴とする、エネルギー貯蔵システム（１０）。
2. 各電気モジュールは電池である、請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 各電気モジュールは電解装置モジュールまたは燃料電池モジュールである、請求項１に記載のシステム（１０）。
4. 一方では各パック（１２）の各端子の電位と、他方では前記パック（１２）を支持する前記フレームの電位との間の電位差の絶対値は、０ボルトまたは前記パック（１２）の前記端子における電圧に等しい、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
5. 前記フレーム（２０）の少なくとも１つの前記基準電位は接地電位と異なる、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
6. 各フレーム（２０）は、前記基準電位が印加される導電性シールドを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
7. 各フレーム（２０）は、前記フレーム（２０）を前記基準電位に設定するために、前記基準電位に相当する電圧が印加される追加端子を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
8. 各フレーム（２０）は、前記フレーム（２０）を前記基準電位に設定するために、対応する電気モジュールパック（１２）の正極または負極に接続されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
9. 前記複数の電気モジュールパック（１２）を封入するケーシング（４０）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
10. 前記ケーシング（４０）はプラスチックで作製されている、請求項９に記載のシステム（１０）。
11. 前記ケーシング（４０）は金属であり、接地されており（４４）、前記ケーシング（４０）は少なくとも１つの絶縁体（４２）により各フレーム（２０）にさらに接続されている、請求項９に記載のシステム（１０）。
12. 前記電気モジュールパック（１２）の前記端子における電圧は同一である、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
13. 前記システム（１０）の前記端子における電圧は１５００ボルトよりも厳密に高い、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。

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