JP2024504736A - モジュール式グリッド電気エネルギー貯蔵システムを構成する大規模に並列接続されたセルを特徴とするグリッドエネルギー貯蔵システム、その構成要素、及びそのためのシステムアーキテクチャ - Google Patents

Abstract

グリッド電気エネルギー貯蔵のためのシステムアーキテクチャは、相当数の並列接続されたセルを備える。最下位レベルのモジュラリティは、約１８個以上の並列接続された個々のセルを備える。開示されるアーキテクチャは、大規模グリッドエネルギー貯蔵システムの信頼性、運用寿命及びエネルギー容量のうちの１つを従来の多重並列ストリングアーキテクチャに対して増加させつつ、部品数、複雑さ及びばらつきを減少させる。【選択図】図１４

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２１年１月２８日出願の米国仮特許出願第６３／１４３００７号の優先権を主張する。米国仮特許出願第６３／１４３００７号は、その全体において参照によりここに取り込まれる。

本開示の実施形態は、グリッド電気エネルギー貯蔵システム、その改良された構成要素及び改良された組立て方法に関する。具体的には、本開示のある実施形態は、グリッドバッテリ電気エネルギー貯蔵システムのモジュール性を向上するための改良されたシステムアーキテクチャに関する。

任意のセルから利用可能なエネルギー（Ｗｈ）は、その容量（Ａｈ）とその平均放電電圧（Ｖ）の積である。所望の電圧、電力及びエネルギーを達成するために、セルは並列及び／又は直列に接続される。並列接続されたセルの容量は、接続されたセルのＡｈ定格の合計である。並列接続されたセルの電圧は、個々のセルの電圧である。直列接続されたセルの容量は、個々の接続されたセルのＡｈ定格である。直列接続されたセルの電圧は、個々の接続されたセルの電圧の合計である。効率及び配線損失を無視すれば、直並列接続されたセルは、それらの接続されたセルのエネルギーの合計に等しいエネルギー含量を有する。

従来のグリッドバッテリ電気エネルギー貯蔵システムは、バッテリセル、グループを構成するように接続されたセル、モジュールを構成するように接続されたセルのグループ、及びストリングを構成するように接続されたモジュールの集合体を備え、それらは同様に所望の用途のためにサイズ取りされたバッテリパック又はラックを備える。グリッドエネルギー貯蔵システムは、特定の末端用途のための所望レベルの電圧、電流及びエネルギーを達成するのに拡縮可能なモジュール式アーキテクチャを利用する。

バッテリセルは、システム内の電気化学エネルギー貯蔵の最小単位である。１～１０個のセルのグループが、並列接続される。モジュールは、通常は、直列接続された６～１８個のグループを備える。ストリングは、所望のストリング電圧を積み上げるように直列接続された複数のモジュールを含む。セルからグループ、グループからモジュール、モジュールからストリングへの並列及び直列構成は、ストリングにおけるセルの組合せの所望レベルの電圧、アンペア数及びエネルギーに基づいている。また、複数のストリングが、グリッド電気エネルギー貯蔵システムにおいて並列接続されることも多い。

並列及び直列構成の双方において、接続されたセルは、相互に対して同じ相対速度で充放電し、接続された全てのセル間で平衡した充電率を達成すべきである。平衡した充電率は、通常は、直列接続されたセル間に存在し、これは各セルを通る電流が実質的に同じであるためである。ただし、経時的には、セル間での一致しない自己放電速度及び充電効率は、ドリフトし得る。セルの直列接続されたストリングにおける非平衡の充電率（ＳＯＣ）を緩和するために、多数のシステム設計が、セル間の一致しないＳＯＣを経時的に徐々に補正する電子制御されたセル平衡化機構を取り入れている。

バッテリの接続先のシステムがより高いＤＣ電圧を受けることができる場合、追加のセルが直列接続可能となる。これにより、貯蔵システムのＤＣ電圧が増加し、より高いエネルギーがそれに追加される。電圧が制約を受ける場合には、追加のセル又はセルのストリングを並列接続することによって、ＤＣ電圧を増加させることなくエネルギーが追加可能となる。

図１は、従来の構成において直列接続された１４個の３．７Ｖリチウムイオンセルの模式図である。各セルが３．７Ｖの公称電圧を有する場合、この構成は約５２Ｖにおいて約１４００Ｗｈを生成する。図２Ａ（左）は、図１の各直列接続されたセルに並列接続されたセルを図示する。図２Ｂ（右）は、図１に示す初期の直列接続されたストリングに並列接続された追加の直列接続されたセルのストリングを示す。各セルが３．７Ｖの公称電圧を有する場合、図２Ａ及び図２Ｂに示す構成は、約２８００Ｗｈを生成する。後者の直並列接続されたストリング（図２Ｂ）では、図２Ａに示す構成と比較して追加の付随的及び補助的な監視構成要素が必要となり、部品表（ＢＯＭ）、初期コスト及び複雑さが増加してしまう。

図３は、図２Ａ（各直列要素において２つのセルが並列）において並列接続されたセルの１つが短絡した構成を示す。残余のセルの各々は、セルの直列構成のために概ね一定の電圧を受け続ける。図４は、図２Ｂ（２つのサブモジュールが並列）において並列接続されたモジュール内のセルの１つが短絡した構成を示す。セルが並列接続された場合、１つのセルが内部短絡すると、他の並列接続されたセルは短絡したセルに電流を流し込み、故障状態を悪化させることになる。故障が発生してしまったストリングにおける残余の並列接続されたセルの各々は過電圧となる。これは、正常なストリングにかかる電圧が、現状でセルが１つ少ない不良なストリングに印加されるためである。不良なストリングにおける残余の正常なセルは、図４に示すように、正常なストリングにおける正常なセルよりも高い平均電圧を受ける。この危険を緩和するために、システム設計者は、通常は、制御されたスイッチ、接触器、リレー又はトランジスタによって、故障した直列接続されたストリングを正常なストリングから切り離す手段を採用する。これには、追加の制御及び監視電子部品が必要となる。

当業者であれば、セルは、過電流、過電圧、内部及び外部短絡並びに物理的な乱雑な扱いを含む乱用から保護されなければならないことが分かる。特定の化学作用も、過充電、過放電及び極端な温度から保護される必要がある。これらの状態から深刻なダメージがもたらされることがある。これらの理由のために、電圧、電流及び動作温度が監視されるべきである。ほとんどのリチウムイオンバッテリシステムは、これらのリスクを緩和するために統合された監視、保護及び報告手段を含む。

監視、保護及び報告手段を提供するために、並列接続されたセルの直列接続されたグループを備える各モジュールは、マルチチャネル電子［モジュール］バッテリ管理システムによって管理される。モジュールのバッテリ管理システムは、モジュール内の直列接続された並列セルのグループの各々の電圧を監視する。直列接続されたモジュールの各ストリングは、通常は電子［ストリング］バッテリ管理システムによって管理される。ストリングのバッテリ管理システムは、モジュールのバッテリ管理システムの各々から状況及びデータを監視し、モジュールへの又はモジュールからの連続電流によるダメージからモジュールを保護することができる保護装置を有し得る。

図５は、監視及び保護回路がバッテリ管理システム（ＢＭＳ）によって監視された状態の各１４個の直列接続されたセルの２列の並列接続されたストリングを示す。ＢＭＳは、温度、電流及びモジュール電圧を測定し、バッテリを外部の電気的乱用から能動的に保護することができるスイッチを制御することができる。図５は、他のモジュール又は上位制御装置であり得る他の制御システムへの通信リンクをＢＭＳが有することを示す。

ＢＭＳは、そのセルの状態を監視し、セルに対するダメージを軽減又は防止する。ＢＭＳは、相対的な充電率（ＳＯＣ）を観測し、セル間でのＳＯＣを平衡化させようとする。ＢＭＳはこれを、より高いＳＯＣのセルからエネルギーを放散させることによって、又は能動的平衡化回路を用いて高ＳＯＣセルから低ＳＯＣセルにエネルギーを移動させることによって、実行することができる。さらに、ＢＭＳは、セルの推奨限度を超える状態を外部コントローラに外部通信を通じて警告することができる。外部コントローラは、バッテリ端子に通電される電流を制御し、セルをダメージ発生前の安全動作状態に戻すことができる場合もある。ＢＭＳは、接触器、リレー又は半導体トランジスタであり得る１以上の直列スイッチによってモジュールに出入りする電流を制御することができる。外部コントローラが潜在的に有害な状態を緩和又は解消しない場合、ＢＭＳはこれらのスイッチを開放して電流がセルを通過するのを停止させることができる。

グリッドバッテリシステムは、通常は、並列、直列又はその両方で組み合わされてモジュール式構成要素から構成される。意図する用途に対して単一のモジュールの電圧範囲が適切である場合、追加のモジュールが、電圧を増加させることなくより多くのエネルギーを生成するように並列接続される。あるいは、追加のモジュールが、要求レベルまで電圧を昇圧させるように直列接続され得る。モジュールの数は、それが並列若しくは直列又はその両方であるかにかかわらず、システム全体に必要なエネルギーを充足するように増加可能である。図６は、並列接続された図５に示すタイプの３個のモジュールを示す。詳細を図６に示さないが、図５に示したように、３個のモジュールの各々はそれ自体のＢＭＳを有する。モジュールのストリングは、マスタ通信装置も有する。

従来的には、マスタ通信装置は、複数のＢＭＳ装置を管理するのに使用されていた。それは、ゾーンコントロールとして機能し、それら自体の［モジュール］ＢＭＳ及び［ストリング］ＢＭＳ装置を用いてセルの複数のストリングを管理することができる。

保護及び通信手段と接続されたモジュールのストリングは、通常は「バッテリパック」といわれる。これは、電気自動車（ＥＶ）バッテリの標準的な構成である。グリッド用途では、モジュールのストリングは、一般的に「バッテリラック」といわれるキャビネットに物理的に鉛直方向に構成される。

エネルギー貯蔵ストリングがそれらの間の能動的均等化なしに並列接続される場合、それらの各々を通る電流の平衡は、それらの相対内部インピーダンスによって決定される。インピーダンスのばらつきは、製造公差のばらつき、使用年数、動作温度、性能劣化、接続品質及び配線抵抗ばらつきからもたらされ得る。エネルギー貯蔵ストリングは、それらの個々の能力又はそれらの現在の状態に比例して電力を供給すべきである。電力供給の非平衡の速度は全体的な使用可能エネルギーを減少させるため、この非平衡は、ラックのグループがそれらの定格通りの電力及びエネルギーを達成することを妨げる。例えば、１以上の衰えたラックが他のラックよりも電流を供給しない場合、他のラックの１以上は衰えたラックを補償するように、それらの指定電力定格以上で動作することが必要となってしまう。したがって、ラック間の電力フローが不一致である場合、一群のラックの電力及びエネルギーの双方の定格が低下する。

短絡事象中にＤＣ電流を中断するのは難しい。配線及び負荷によるインダクタンスは、中断後であっても電流を流し続け、エアギャップを高電圧スパークとして貫流してしまう。グリッド規模のストリングは、それらが各々数万アンペアを供給し得るため、特に難しくなる。グリッド規模単位の並列接続されたラックは、数十万アンペアを短絡箇所に供給し得る。

これらの課題に対処するため、一部の製造業者は、図７に示すように、各エネルギー貯蔵ユニットとＤＣバスの間にバッファリング電力コンバータを挿入する。これらのコンバータは、各個々のエネルギー貯蔵ユニットの電力レベルがそのユニット又は他のシステムレベルの目標のニーズに一致するように調整可能となるように、入出力間の相対インピーダンスを調整する。図７に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータは、各エネルギー貯蔵ユニットから適宜の電力を引き込み、短絡状態においても絶対最大電流を制御することができる。コンバータは、新しいラックが古いラックに並列に配置されることも可能とする。並列ストリングの各々に対して個々のコンバータを有するシステムは、各ラックからの電流を調整して、一致しない使用年数及び他の要因を補償することができる。これらの利点は、無償というわけではない。コンバータは、初期設備コストを増加させ、動作効率損失をもたらし、グリッド貯蔵システムの運用寿命全体にわたって追加の運用コストを招く。

複数のラックは、通常は並列接続され（段落００２０で上述するとともに図７に示すように直接に又はＤＣ／ＤＣを介して）、これらのラックの集合体がコンテナ、エンクロージャ又は建造物に収容されて完成したグリッドバッテリシステム（ＧＢＳ）を形成し得る。図８及び図９にそれぞれ示すように、１以上のＧＢＳが、グリッドエネルギー貯蔵システム（ＧＥＳＳ）の基本的要素を備えるようにグリッド規模の電力変換システムに接続可能である。

例示的な現行技術のＧＥＳＳは、グループを構成するように並列接続された７３Ａｈの容量を有する４個のセル、及びモジュールを構成するように直列接続された１４個のグループを備える。このモジュールは、業界では、１４直列４並列を意味する「１４Ｓ４Ｐ」として知られている構成を有する。各モジュールは、１４個の異なる直列グループを監視する［モジュール］ＢＭＳ及びモジュール内部の異なる位置に戦略的に配置された２以上の温度センサによって監視及び平衡化される。これらのモジュールのうちの１７個は、１つのラックにストリングを構成するように直列接続される。ストリングは、［モジュール］ＢＭＳと通信してセル及びモジュールの状況を監視するとともに保護装置を作動させてそれらが安全動作状態で動作するのを維持する［ストリング］ＢＭＳによって管理される。ストリング全体は、４並列×２３８直列のセルの構成である。各セルは７３Ａｈの容量及び３．６５Ｖの公称電圧を有するので、ストリングの合計公称エネルギーは４×７３×３．６５×１４×１７＝２５０ｋＷｈ（概算値）となる。

これらのストリングのうちの２４個が、１本のＤＣバスに並列接続される。したがって、バスは、８ＭＷｈまでの総公称エネルギーを有する。［バス］ＢＭＳは、複数の［ストリング］ＢＭＳに通信することによってストリングの状態を監視する。［バス］ＢＭＳは、上位システムコントローラと通信し、それらの良好な状態のためにストリング間の相互作用を調整する。［バス］ＢＭＳは、ストリングの状況を集計し、関連する情報を上位コントローラに提示することができる。それは、局所的な環境機器を制御してストリングの健全性に必要な温度、湿度及び他のパラメータを維持することもできる。

［バス］ＢＭＳは、ＤＣバスに対してＤＣ電力をプッシュ及びプルする４ＭＷ電力変換システムと通信してそれを制御することもできる。そのようにすることで、それは、ストリングの合計を通じて流れる電力に直接影響を与え得るとともに、それをストリングの長期健全性及び安全動作と協調させることができる。

複数のＧＥＳＳが、特定の設備に必要な電力及びエネルギーの量を拡縮するように、グリッドとの相互接続点（ＰＯＩ）において並列接続され得る。バッテリシステムのストリングのある構成要素が故障した場合、影響を受けるストリングがＤＣバスから切り離されることでバッテリシステムの残余部から切り離されてもよく、それにより、バッテリシステムが若干低い電力及びエネルギー能力で動作可能となる。ＧＥＳＳ全体又はその関連するＰＣＳに何かが起こると、ＧＥＳＳがグリッドから切り離されてもよく、それにより、並列接続された他のＧＥＳＳが動作継続可能となる。このアーキテクチャは、高レベルの冗長性及び拡縮性を提供する。それでもやはり、それはシステムに追加のコストをもたらす。並列接続された構成要素の各々に、別個の監視、保護、配線、コネクタ及び切断装置が必要となる。

図１１Ａ～Ｅは、従来の円筒型及び角柱型セル、封止された角柱型セル、モジュール並びに従来の公知の動力エネルギー貯蔵システム用途のパックの構成を示す一連の模式斜視図である。図１１Ａは、カソード、アノード並びに電解質及びセパレータを有する円筒型セルの例を示す。図１１Ｂは、２つの集電体を有する封止された角柱型セルの例を示す。図１１Ｃは角柱型セル及びセルケースの例を示す。図１１Ｄは、モジュール出力部を有するモジュールケース内の７個の角柱型セルの例を示す。図１１Ｅは、複数のモジュールを備える電気自動車バッテリパックを示す。

したがって、従来のグリッド電気エネルギー貯蔵システムは、システムの各レベルにおいて比較的小規模なモジュラリティを利用するシステムアーキテクチャに基づいて設計される。直並列接続される個々の構成要素の数は、個々のセルから、セルのグループまで、グループのモジュールまで、モジュールのストリングまで、モジュールのストリングのラック及びＧＢＳまで、１つのセル又は１つの構成要素での故障によるシステム全体への影響を制限するために制限される。この公知の設計アーキテクチャは冗長性を提供するのに有効であるが、それは部品数、コスト及び複雑さの大幅な増加、並びに後述するように、システムレベルでの容量利用率の低下という犠牲の上に成り立つものである。

従来のシステムは、幾つかの理由のためにこのような態様で組み立てられていた。第１に、設計者は、１つのセルが故障し得ることを想定していた。これは、設計者が１列のストリングの電力又はエネルギーを低下させる動機付けとなった。なぜなら、それは２列以上の並列接続されたストリングを備える大規模なシステムに対する１つのセル故障の事象の影響を軽減することになるためである。ストリングが充分に小さい場合、より小さなストリングから構成された大規模なシステムは、理論上は、１列のストリングが遮断され、あるいは、その大規模システムから隔離された場合、動作を継続できるはずである。例えば、大規模システムが２列のストリングしか備えない場合、ストリングの一方が故障し、それ自体を他方から自己隔離した場合、システムはその容量の残された半分しか残らない。そうではなく、大規模システムが１０列のストリングを備える場合、１列のストリングが故障し、それを残余の９列のストリングから自己隔離した場合、残余のシステムはその定格能力の９０％を保持している。

第２に、より小さな構築ブロックを用いることで、設計者はより小さなサイズのシステムを作製することができる。従来のＥＳＳシステムは、１～２０ＭＷｈのサイズを範囲とする。セル又はモジュールの故障の事象での信頼性及び回復力を確保するために、設計者は、Ｎ＋１個の冗長構築ブロックを採用する。なお、Ｎは１０を超え、好ましくは１００を超える。これに対して、現在のＥＳＳシステムは、通常は１００～４００ＭＷｈの範囲のサイズとされている。将来のシステムは、１ＧＷｈ以上となる。ＥＳＳシステムがより大きく成長するにつれて、従来のアーキテクチャ及び構築ブロックサイズが一層問題となる。

第３に、設計者は、並列接続された複数のセルを有することについて、現実の及び／又は感覚的な安全性及び信頼性の懸念を示していた。相当数のセルが相互接続される場合、短絡状態に対する個々のセルの寄与の合計は相当なものとなる。さらに、高い短絡電流は、付随的なダメージをバッテリシステムに与え得る。

また、相当数のセルの並列接続されたグループ内の１つのセルが内部短絡に起因して故障した場合、相当数の正常な並列接続されたセルが、故障したセルに電流を供給することになる。これは、潜在的には、より少ないセルが故障したセルに並列接続された場合よりも大きなダメージを与えることになる。このような事象では、１つの故障したセルによって、セルのグループの全体が、過剰な自己放電によって故障する。多数のセルが相互に並列接続される場合、セルの１つが故障し、そして、並列接続されたセルのグループの全体が故障する確率が高くなる。

従来のシステムは、このような態様で構成されてこれら及び潜在的に他の問題に対処していた。それでもやはり、従来のシステムには、これらの設計思想からもたらされる他の様々な問題がある。

少ない並列数及び多い直列数のストリングの基本的な弱点は、システムがより小さなシステム容量となってしまう確率が高いことである。セルは、バッテリセル生産に内在する不可避な不完全性又は不一致の直接の結果として、可変の容量、可変の抵抗、可変の自己放電及び可変の劣化率などの可変の特性を有する。セル又はセルの並列グループが直列接続される場合、直列ストリングの性能は、有効性が最も低いセルの性能に帰着する。最も低い性能のセル又はセルのグループが、直列接続されたシステムの性質及び安全管理に起因するストリング全体の全体的性能を決定する。

典型例として、数百個のシングルセルが直列接続され、各セルの性能が±２．５％の確率分布を有する場合、これらの数百個のセルのうちの１つが分布の下端に向かう性能を有する確率は高く、すなわち、－２．５％となる。したがって、そのストリングでは、全体として低い性能となってしまう確率が高い。したがって、そのようなシステムは、それらの仕様が要件を満たすことを確実にするために、少なくとも２．５％だけ大きめにサイズ取りされなければならない。

セルの並列及び直列グループをモジュールに配置する従来のアプローチは、個々のセルの故障の感覚的なリスク及び影響を軽減し得るが、それは追加の故障モードを導入することになる。これらの従来のアプローチでは、実質的な付随的又は補助的な監視、保護及び通信構成要素が必要である。さらに、これらの付随的又は補助的な構成要素の各々は、それら自体の関連する故障率を有している。決定的なこととして、これらの付随的又は補助的な構成要素の故障率は、シングルセルの故障率よりも高いこともある。

付随的な構成要素は、限定することなく、センサ、電子的監視構成要素、配線、コネクタ、冷却システム、及び他の補助的な機能を実行する構成要素を含む。従来のバッテリシステムにおけるこれらの付随的な構成要素は、システムの部品表全体の大きな割合を構成する。さらに、個々のセルの故障のリスクに加えて、付随的な構成要素は、モジュールの複雑さを増加させ、複数の追加の故障モードをシステムにもたらす。本発明者は、これらの追加の付随的な構成要素の故障モードによる故障のリスクは、個々のセルの故障率よりも１０００倍も高くなり得ると考えている。

したがって、従来のアプローチでは、システムの部品表が大幅に増加する。さらに、従来のアプローチは、モジュラリティの各段階で多層の複雑な電子構成要素を加えることによってそれを行う。これにより、システムのコストが増加し、初期コスト及び運用コストの双方が高くなる。高いコストは、所与量の供給エネルギーに対して多数のストリング及びモジュールを管理することに起因し得る。例えば、従来のシステムは、セルの各ストリングに対して、及びさらには各モジュールに対して、追加のセンサ及びバッテリ管理システムを含む。これらには、運用のためにモジュールを物理的に収容するためのエンクロージャ並びに電子部品及び冷却システム（例えば、ファン）に関連する追加の材料及び費用も必要となり得る。

従来のバッテリエネルギー貯蔵システムは、通常は空冷される。これは、非効率な場合があり、効果的でない場合もある。環境条件によっては、空冷は、システムを均一な温度に又は規格内に維持するのに充分でない場合もある。

特定のバッテリ技術では、過剰な熱、電圧、電流及び／又は物理的乱用によってセルが速く温度上昇して、可燃性、毒性及び／又は爆発性ガス並びに炎を放出し得る有害な熱暴走が問題となることが知られている。従来のエネルギー貯蔵システムは、爆発回避構成、ガス検知及び換気、発火及び発煙検出、散水スプリンクラー、直接注水、クリーンエージェント消化システム並びに／又は積極的なスパーク点火の組合せによって熱及び火の伝搬から保護される。これらのシステムによって、システムの複雑さ、部品表及び全体コストが増加する。

従来のリチウムイオンバッテリエネルギー貯蔵システムは、１以上のバッテリセルの熱暴走事象に安全に反応するための複雑なガス検出システム、換気システム及び爆発回避方法によって設計されている。これらの付随的なシステムは、通常は、追加のガスセンサ、モニタ及び制御システムを利用する。これらは、実質的な複雑さを追加し、部品表を増加させ、システムの全体コストを増加させる。また、それらは維持のための追加のコストをもたらす。これは、重要なガスセンサは一般的にＧＥＳＳが動作することが予想されるよりも短い寿命に対して定格が定められているためである。

したがって、より高い信頼性、システムばらつきの減少、より高い容量利用率、システムの複雑さの低減、付随的及び補助的な電子部品及び関連するコストの低減、より効率的かつ効果的な冷却、複雑でなく安価な消化及び爆発回避、並びに導通及び接続の手段の減少のうちの１以上を与える改良されたグリッドバッテリ電気エネルギー貯蔵システムのニーズがある。ここに開示される改良されたグリッドバッテリ電気エネルギー貯蔵システムの実施形態は、上記の課題の１以上を解決することを目的とする。

本開示の実施形態は、改良されたグリッドエネルギー貯蔵システム、その構成要素、及びそのためのシステムアーキテクチャを含み、セルが並列接続されてグループを構成し、セルのグループが直列接続されてモジュールを構成し、複数のモジュールが直列接続されてストリングを構成する。本開示の実施形態では、並列接続されてグループを構成するセルの数は、従来のシステムにおけるよりも多い。開示される実施形態に従うと、モジュールは、並列接続されてグループを構成する１８個以上の個々のセルを備え、並列接続されたセルのグループは直列接続されてストリングを構成し、そして、それが電力変換システムに接続されてエネルギー貯蔵システムを構成する。１以上のエネルギー貯蔵システムは、電気グリッドの当業者には周知であるように、適宜の相互接続機器を通じて、より広い地域的パワーグリッドに接続可能なローカルなＡＣパワーグリッドを介して他のエネルギー貯蔵システムに接続可能である。

開示される実施形態の有利な効果は、ある程度は以下の記載で説明され、ある程度はその記載から当業者には明らかであり、又は開示される実施形態の実施によって習得され得る。開示される実施形態の有利な効果は、付属の特許請求の範囲において特に指摘される要素及び組合せによって実現及び達成され得る。

上記の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、例示にすぎず、特許請求される実施形態の限定ではない。

本明細書に取り込まれてその一部を構成する添付図面は、幾つかの実施形態を示し、その記載とともに、開示される原理を説明する。対比可能な構成要素は、図面において対比可能な符号によって言及される。

図１は、従来のアーキテクチャの模式図であり、１４個の直列接続された３．７Ｖセルのグループを示し、５２Ｖにおいて約１４００Ｗｈを生成する。 図２Ａは、従来のアーキテクチャとしての模式図であり、図１に示すような直列接続された１４個のセルのストリングの各セルに並列接続されたセルを示す。 図２Ｂは、従来のアーキテクチャの模式図であり、図１に示す１４個の直列接続されたセルの最初のストリングに並列接続された、直列接続された１４個のセルの第２のグループを示す。 図３は、図２Ａに示す従来のアーキテクチャの模式図であり、セルの１つが短絡を起こしている。 図４は、図３に示す従来のアーキテクチャの模式図であり、正常なセルのストリングが、短絡セルを有している不良のストリングに過電圧を駆動していることを示す。 図５は、保護構成に直列接続された１４個のセルを示す従来のアーキテクチャの模式図である。 図６は、従来のアーキテクチャの模式図であり、より高いエネルギーを生成する並列接続されたモジュールのストリングを示す。 図７は、各エネルギー貯蔵ユニットと共通のＤＣバス接続部の間の制御された電力変換を用いるエネルギー貯蔵システムを示す。 図８は、電力系統に接続された本開示の実施形態のグリッドバッテリシステムの模式図である。 図９は、本開示の実施形態の模式図であり、電力系統に接続された複数の並列接続グリッドバッテリシステムを示す。 図１０は、本開示の実施形態の模式図であり、電力系統に接続された複数の直列接続グリッドバッテリシステムを示す。 図１１Ａは、従来の円筒型セルの構成を示す模式斜視図である。 図１１Ｂは、従来の角柱型セルの構成を示す模式斜視図である。 図１１Ｃは、従来の封止された角柱型セルの構成を示す模式斜視図である。 図１１Ｄは、従来のモジュールの構成を示す模式斜視図である。 図１１Ｅは、公知の動力エネルギー貯蔵システム用途のパックの構成を示す模式斜視図である。 図１２は、本開示の実施形態の切取り斜視図であり、モジュールを構成する並列接続されたセルのグループを示す。 図１３Ａは、本開示の実施形態のスーパーセルに適用される従来のモジュール接続設計アーキテクチャの平面模式図を示す。 図１３Ｂは、本開示の代替の実施形態の代替のバスバーを示す斜視模式図である。 図１３Ｃは、本開示の代替の実施形態の代替のバスバーを示す斜視模式図である。 図１３Ｄは、本開示の実施形態のバスバー接続部の平面及び側面図を示す模式図である。 図１４は、図１３Ｂに示す本開示の代替の実施形態の隣接モジュールを水平方向に接続するバスバーの位置決めを示す斜視図である。 図１５Ａは、本開示の実施形態のストリングにグループ化された水平方向に直列接続されたモジュールの隣接する鉛直層を鉛直方向に接続するバスバーを備えるバスバーアタッチメントの斜視模式図である。 図１５Ｂは、本開示の実施形態のストリングにおける直列接続されたモジュールの鉛直方向に隣接する層間の、図１５Ａに示す鉛直バスバー接続部の代替の斜視模式図である。 図１６は、単一のバッテリ管理システムに直列接続された１２個のモジュールを備える本開示の代替の実施形態を示す模式上面図である。 図１７は、本開示の実施形態の斜視図であり、ストリングを構成するモジュールの集合体を示す。 図１８Ａは、本開示の実施形態の４分の１ブロックの上平面模式図であり、ストリングを構成するモジュールの集合体を示す。 図１８Ｂは、本開示の実施形態のエネルギー貯蔵システムの４分の１ブロックを備えるモジュールのストリングの斜視模式図である。 図１８Ｃは、図１８Ｂに示す４分の１ブロックの右手側の開放空間内に嵌合するように構成された、本開示の実施形態の電力変換システムの斜視模式図である。 図１８Ｄは、本開示の実施形態の２分の１ブロックの上平面模式図であり、モジュールの２列のストリングを示す 図１８Ｅは、本開示の実施形態の２分の１ブロックの斜視模式図であり、本開示の実施形態のモジュールのストリング並びに２分の１ブロックの一方の４分の１ブロックにおける電力変換システム及び２分の１ブロックの他方の４分の１ブロックにおける統合冷却システムを示す。 図１９Ａは、本開示の実施形態のブロックの上平面模式図であり、モジュールの４列のストリングを示す。 図１９Ｂは、本開示の実施形態の斜視図であり、ラックを構成するストリングの集合体を示す。 図２０は、本開示の実施形態に係るバッテリモジュールの複数のスタックの上平面模式図である。 図２１Ａは、各種の分布の下で、構成要素の単位、例えば、セルの特性の代表的分布を示す説明用グラフである。 図２１Ｂは、各種の分布の下で、構成要素の単位、例えば、セルの特性の代表的分布を示す説明用グラフである。 図２１Ｃは、各種の分布の下で、構成要素の単位、例えば、セルの特性の代表的分布を示す説明用グラフである。 図２１Ｄは、各種の分布の下で、構成要素の単位、例えば、セルの特性の代表的分布を示す説明用グラフである。 図２２Ａは、確率及び分布の母集団の分布を比較する説明用グラフであり、初期分布を示す。 図２２Ｂは、確率及び分布の母集団の分布を比較する説明用グラフであり、サンプルサイズが増加するにつれて初期分布が正常な分布に近づくことを示す。 図２２Ｃは、様々なサンプルサイズについてサンプルサイズと確率分布とを比較する説明用グラフである。 図２３は、従来のエネルギー貯蔵システムの時間に対する容量利用率の標準的な傾向を示す代表的な仮説上のグラフである。 図２４は、グリッドエネルギー貯蔵システムの定期的強化に基づいて、時間に対する供給可能エネルギーを示す代表的な仮説上のグラフである。 図２５Ａは、本開示の実施形態のガス作動式接触器の模式側面図である。 図２５Ｂは、本開示の実施形態のガス作動式接触器の模式側面図である。 図２５Ｃは、本開示の実施形態のガス作動式接触器の模式側面図である。 図２５Ｄは、本開示の実施形態のガス作動式接触器の模式側面図である。 図２６Ａは、従来のグリッドエネルギー貯蔵システムの模式的表示であり、システムの概ねのサイズ及びエネルギーを示す。 図２６Ｂは、従来のグリッドエネルギー貯蔵システムの模式的表示であり、システムの概ねのサイズ及びエネルギーを示す。 図２６Ｃは、従来のグリッドエネルギー貯蔵システムの模式的表示であり、システムの概ねのサイズ及びエネルギーを示す。 図２７は、本開示の実施形態のグリッドエネルギー貯蔵システムの模式的表示であり、グリッドエネルギー貯蔵システムの概ねのサイズ及びエネルギーを示す。 図２８は、個々のセルと熱接触する冷却プレートを用いる冷却システムの例示的実施形態である。 図２９は、熱暴走し始めたセルの箇所において冷却剤を放出する冷却システムの例示的実施形態である。

本開示の実施形態は、システムのアーキテクチャの基本的変更に基づき、従来のグリッドバッテリ電気エネルギー貯蔵システムとは異なる。具体的には、グリッドエネルギー貯蔵システムのモジュラリティの規模に関してアーキテクチャを修正することで、従来のグリッドエネルギー貯蔵システムに対する大きな利点を与えることができる。どのようにしてシステムの構成要素が設計され、組み立てられ、組み合わせられるのかは、本開示のシステムアーキテクチャを採用することによって改良され得る。

具体的には、従来のアプローチがそうするように、基本レベルのモジュラリティの実質的な並列接続を回避するのではなく、本開示の実施形態は、最下位レベルのモジュラリティにおいてセル間で実質的な、一部の実施形態では大規模並列接続を採用してセルの並列接続されたグループを構成し、公称セル電圧において実質的な容量を与える。この改良されたアーキテクチャは、大規模グリッド貯蔵のためのシステムを拡縮する際に大きな利点を与える。本開示の実施形態は、ラック又はそれよりも上位レベルのモジュラリティにおいて従来のシステムによって与えられるものに対して、そのモジュールレベルでの匹敵する電圧、容量及びエネルギーを与え、従来のシステムの問題点の多くを軽減又は解消することができる。

本開示の実施形態は、グリッドエネルギー貯蔵システム、特にグリッドバッテリエネルギー貯蔵システムに関する。本開示の実施形態のエネルギー貯蔵システムは、セルのグループを構成するように並列接続された複数のセルを備える。グループにおいて並列接続される個々のセルの数は従来のシステムのものよりも大幅に多く、それにより、エネルギー貯蔵システムは従来のシステムに影響を与える問題の１以上を克服することが可能となる。大幅に多いセルを並列接続することによって、１つのセルの故障の影響が軽減可能となり、複数の利点が達成可能となる。これらは、部品表の減少、初期コストの低下、容量利用率の上昇及び信頼性の向上を含む。

図１２に示すように、本開示の実施形態は、最下位レベルのモジュール１００において多数の個々のセル１１０の並列接続のアーキテクチャを実装する。本発明者は、この最下位レベルのモジュールをスーパーセル１００という。多数の個々のセル１１０を並列接続することで、グループ内の全セル１１０の合成容量により、個々のセル１１０と同じ公称電圧を発揮するセルのグループが生成される。また、スーパーセル１００の合成容量は、セル１１０が直列接続されたとした場合のように最も弱いセルによって制限されることはない。

相当数の個々のセル１１０を並列接続することで、結果として得られるスーパーセル１００は、同数の従来の直列接続されたバッテリよりも物理的に小さくなる。スーパーセル１００のアーキテクチャでは、従来のアーキテクチャよりも少ない物理的及び電気的構成要素しか必要とならない。例えば、１つのスーパーセル１００には、専用のＢＭＳ２４０は不要であり、上位レベルのモジュラリティで配置された単一の監視チャネルのＢＭＳ２４０しか必要とならない。従来の直列接続されたセル１１０は各モジュール１００に対して［モジュール］ＢＭＳ２４０を必要とする一方で、スーパーセル１００は電気的には単一のセル１１０のように見え、したがって、付随的又は補助的な電子部品又はバッテリ管理要件について同じ要求を有さない。したがって、図６に示すマスタ通信装置２２０は、本開示の実施形態では省略されてもよい。

図１２に示すように、モジュール１００は、センサ１２０、冷却システム１３０及びモジュールケース１４０をさらに備え得る。図１２に示すように、本開示の実施形態のモジュール式アーキテクチャは、最下位レベルのモジュラリティにおいて１～１０個のセル１１０が並列接続される従来のアーキテクチャとは対照的である。これに対して本開示では、１８個以上の個々のセル１１０が並列接続されてスーパーセル１００を構成し得る。図１２は、１９８個の個々のセル１１０を示し、各々が例えば３．７Ｖの公称電圧を有し、１９８個の個々のセル１１０は、並列接続されて、３．７Ｖの公称電圧及び約５０００Ａｈの容量を有して１８．６５ｋＷｈのエネルギーを生成するスーパーセル１００を構成する。このスーパーセル１００は電気的には単一のセル１１０として挙動し、１チャネルの電圧監視及び１チャネルの温度監視しか必要としない。

図１６は、複数のモジュール１００のストリング２００を備える本開示の代替の実施形態を示し、モジュール１００の各々が、並列接続されてストリング２００を構成する１以上のスーパーセル１００を備える。この実施形態では、４００個の個々のスーパーセルモジュール１００が直列接続されてストリング２００を構成する。図１６には、１２個のスーパーセルモジュール１００を示す。通信手段２２０は、この実施形態では４００個までの追加のスーパーセルモジュール１００を接続することができる。４００個のスーパーセルモジュール１００の全ては、インターフェースユニット２３０を介して単一のバッテリ管理システム２１０と通信する。スーパーセルモジュール１００は、通信手段（例えば、近距離結合アンテナ）２２０又は他の適宜の通信手段を通じてインターフェースユニット２３０と通信することができる。インターフェースユニット２３０は、ＣＡＮ、ＲＳ４８５、ＴＣＰ又は他の任意の適宜の通信プロトコル若しくはネットワークなどの任意数の有線通信インターフェースを通じて［ストリング］ＢＭＳ２４０と通信することができる。

ここでさらに実現されるように、複数のスーパーセル１００は、直列接続され得る。５個のスーパーセル１００が直列接続されて、５０００Ａｈにおいて１８．６５Ｖを供給して９３ｋＷｈのエネルギーを生成するモジュール１００を構成し得る。また、電圧をグリッドエネルギー貯蔵システムの所望レベルまで上昇させるように、追加のスーパーセル１００が直列接続され得る。

他の実施形態では、５個の直列接続されたスーパーセルモジュール１００の２４個のグループを直列接続することで、１３００Ｖ、５０００Ａｈ及び約６．５ＭＷｈのエネルギーが生成される。

図１７は、本開示の代替の実施形態を示す。図１７は、ＩＦＵ２３０及びＢＭＳ２４０に近距離通信手段２２０を通じて通信する１８個のモジュール１００を示す。モジュール１００は、図１２に示したように、冷却チャネル１３０によって供給及び除去される冷却剤によって冷却される。

図１８Ａ及び１８Ｂは、エネルギー貯蔵システムの４分の１ブロック３００を備えるモジュール１００の１０列のストリング２００をそれぞれ上面模式図及び斜視模式図で示す。図１８Ｃは、図１８Ｂに示す４分の１ブロック３００の右側の開放空間に配置されるように適合された電力変換システム３１０の斜視模式図を示す。

図１８Ｄは、エネルギー貯蔵システムの２分の１ブロック４００の上平面模式図である。図１８Ｅは、本開示の実施形態の斜視模式図である。図１７に示すようなモジュールの１０列のストリング２００の各々は、図１８Ａ及び１８Ｂに示す４分の１ブロック３００内に配置される。電力変換システム（ＰＣＳ）３１０は４分の１ブロック３００の一方の開放空間に配置され、冷却システム１３０は、各々がブロック５００の２分の１を構成する２分の１ブロック４００の他方の４分の１ブロック３００内に配置される。

図１９Ａは、図１８Ａ及び図１８Ｂに示す４個の４分の１ブロック３００並びに図１８Ｄ及び図１８Ｅに示す２個の２分の１ブロック４００を備えるブロック５００の平面模式図を示す。

図１９Ｂは、ブロック５００及びトランス６００を示す。本開示の実施形態は、ＤＣバス、及び各エネルギー貯蔵ラックをＤＣバスに接続するＤＣ／ＤＣコンバータを不要とすることができる。

図２０は、本開示の実施形態に係る、複数のスタックのバッテリモジュールの上平面模式図である。図２０は、１０個のブロック５００及び１０個のトランス６００を示す。

本発明者は、グリッドエネルギー貯蔵システムのための従来のシステムアーキテクチャに対して、多数の有利な効果が、本開示の新規な大規模並列アーキテクチャを採用することによって確保され得ることを見出した。本発明者は、大数の法則と組み合わせた中心極限定理を適用すれば、従来のアーキテクチャを修正してシステムの最下位レベルのモジュラリティにおいて実質的により多くの並列接続されたセルを採用することによって、エネルギー貯蔵の現行技術を大幅に改良できると考えている。このアーキテクチャの採用は、従来のシステムとは大きく異なるシステムを可能とし、従来のシステムでの問題点の１以上を解決する。これらの法則のいずれも、従来の実施ではグリッドエネルギー貯蔵システムのアーキテクチャに対して適用されていない。

同じ仕様に対して同じ個々のセル１１０を作製する異なる製造業者は、異なる原料、異なる製造工程及び変動する品質管理対策を使用することになり、その各々は個々のセル１１０間の性能ばらつきに寄与し得る。図２１Ａ～２１Ｄは、セル１１０の性能の例示的ばらつきを示す。単一の製造業者の操業においても、これら及び他の要因が、個々のセル１１０の容量、インピーダンス、サイクル寿命、使用年数及び他の材料特性の間の大きなばらつきをもたらし得る。また、セル１１０が経年変化するとともに使用されていくにつれて、個々のセル１１０は異なる量の性能劣化を受けることになる。従来のシステムから利用可能な全体的エネルギーは、上述したように、それらの構成エネルギー貯蔵構成要素のばらつきによって悪影響を受ける。従来のシステムは、初期設備に追加のエネルギー貯蔵を含めることによって、そのばらつきを過剰に補償する。

関与する全ての貯蔵要素にわたってセル性能を正規化することで、システムの運用寿命が有益に増加し、保証された容量を維持するのに少ない保守訪問しか必要とならない。分布を正規化して狭い標準偏差を生成することで、段落００３３に記載したように、寿命容量期待値に見合うようにエネルギー貯蔵システムを大きめにサイズ取りする要件が軽減され得る。中心極限定理は、サンプルサイズが増加するにつれて、各モジュールレベルにおける変則的サンプル又はユニットの不均一分布でさえも正常な分布に近づき又は正常な分布となり得ることを規定する。

大数の法則は、サンプルサイズが増加するにつれて、それらの合計された特性の平均値（例えば、平均容量）の標準偏差が減少することを規定する。グリッドエネルギー貯蔵システムアーキテクチャに対する従来のアプローチとは逆に、より多くのサンプル又はユニットがシステムの各モジュールレベルにおいて含まれるほど、当該レベルにおける全てのサンプルの集計は分布の平均値に近づく。

中心極限定理及び大数の法則を適用することで、この効果が合成される。例えば、標準的なグリッドエネルギー貯蔵システムの最下位レベルのモジュラリティでは、並列接続されたセル１１０の数は、通常は１～１０個に制限される。より大きなグループの並列接続されたセル１１０は正常な分布を確実にし得る。それは、少数のセル１１０では従来存在しなかったものである。また、この並列接続された比較的多数のセル１１０の分布は、より狭くなり、セル１１０のグループの平均に近づく。

図２２Ａ及び２２Ｂに示すように、中心極限定理及び大数の法則を適用し、多数のセル１１０を並列接続することで、セル１１０間の個々のばらつきの影響が減少する。セルの製造及び信頼性は、個々のセル１１０の故障の可能性が付随的及び補助的構成要素の故障の可能性よりもはるかに小さい点まで向上してきた。これらの原理を適用することで、本開示は、従来のシステムアーキテクチャでの問題の１以上を解決するグリッド電気エネルギー貯蔵システムのための設計アーキテクチャを提供する。

図２２Ａ及び２２Ｂは、大数の法則の原理を示す。図２２Ａは、比較的少数のセル１１０の間でのパラメータ「ｐ」のばらつきを示す。図２２Ｂに示すように、閾値以上にサンプルサイズを増加させることによって、中心極限定理は、平均ばらつきの分布がガウス分布となる傾向があることを規定する。より小さな図２２Ａに示すサンプルは、より大きな図２２Ｂに示すサンプルの、より大きなガウス分布よりも大きなばらつきを示す。

図２２Ｃに示すように、サンプルサイズが増加するにつれて、サンプル平均が正確に母集団平均を表す確率が増加する。比較的多数の並列接続されたセル１１０のグループは、個々のセル１１０が同一でなくても、相互に対してほぼ同一の容量及び性能特性を有し得る。

並列接続されたセル１１０の直列接続されたグループ間の差を狭めることで、システムの初規性能だけでなく寿命も高まることになる。各セル１１０が異なる態様で経年変化するにつれて、これらの差は本開示の実施形態のアーキテクチャによって補償され得る。

図２３は、グリッドバッテリ電気エネルギー貯蔵システムの設備の寿命にわたる時間の関数として容量を示す。図２３は、システムが経年変化するにつれて容量が減少することを示す。結果として、システムは、経時的な容量の漸減を補償するために初期設置において余剰容量で増強され得る。あるいは、システムの容量は、その運用寿命中に定期的に増強され得る。図２４は、定期的な増強によってもたらされる容量を示す。

図２３及び２４に示す曲線は、例示にすぎない。全てのセルの実際の曲線は、それらの初期状態、それらの製造工程における公差、運用時の状態及び任意数の確率変数に応じて若干異なる劣化経路を辿ることになる。若干低下した容量のセル１１０がそれよりも高容量の他のセル１１０と直列に配置された場合、小容量側のセル１１０は常に、それ自体の公称容量に対して、より広い充電率の範囲にあることになる。より大きな放電深度は、より浅い放電深度よりもバッテリに有害であることは、業界において周知である。したがって、サイクル使用プロファイルでは、直列ストリングにおいて低容量側のセルの方が速く劣化することになる。

より多数のセル１１０が並列接続されると、結果として得られるセル１１０のグループはその全ての構成セル１１０の平均である容量を有することになる。サイクル時に、それらの全ての充電率（ＳＯＣ）は、並列セル１１０のサイクルの性質と同じとなる。したがって、各セル１１０は、各サイクル中に同じ放電深度となる。他のグループに直列接続された各グループが同じ容量を有する場合、上記の大数の法則のために、各グループはサイクル時に他のグループと同じ放電深度となる。各グループが同じ放電深度となる場合、各グループ内の各セルは同じ放電深度となり、そしてその放電深度に対する各グループの劣化速度は同じとなる。

温度及び物理的状態並びに内部確率過程及び変数などの他の要因が、セルの劣化を決定する。全てのセル１１０及びセル１１０のグループにわたって一定の温度を維持する効果的な冷却システム１３０が、直列接続された全てのグループ間で一貫した容量劣化を維持するのに役立つ。変動し得る確率過程及び変数は、最終的効果が平均化されるように多数のセル１１０を並列とすることによって緩和される。

多数の接続されたセル１１０の一貫した放電深度、動作温度及び平均化結果を有することで、直列接続されたグループ間で一貫した劣化がもたらされる。一貫した劣化は、システムの運用寿命にわたって一貫してより予測可能な挙動をもたらし得る。これは、システムを維持するのに必要な労力を減少させることができ、より良好に計画され、より経済的な、かつより低頻度の保守方式につながる。

本開示の実施形態での使用に適した好適なバッテリセル１１０は、限定することなく、リン酸鉄リチウムイオン（ＬＦＰ）、リチウムイオンニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウムイオンニッケルマンガンコバルトアルミニウム（ＮＭＣＡ）又は電気エネルギーを受容、生成若しくは貯蔵するリチウムイオンバッテリでの使用に適した元素の他の任意の適宜の組合せを含む派生型化学物質のリチウムイオンバッテリを備える。

本発明者は、本開示の利点を達成するように並列接続されたセル１１０の数は１８個であればよく、約３０個以上のセル１１０が好ましいと考えている。本開示の特定の実施形態は、並列接続された３０個未満のセル１１０、例えば、１８個のセル１１０を備えていてもよい。他の実施形態は、並列接続された１８個超の、例えば、３０個以上、６０個以上、９０個以上、１００個以上又は２００個以上のセル１１０を備え得る。例えば、図１２は、１９８個のセル１１０を示す。セルの正確な数は、並列接続されたセルの数が対象の性能基準の１つ以上のばらつきを低減する利点を得るのに充分であることを条件として、重要ではない。最下位レベルのモジュラリティにおいて並列接続されたセル１１０の適切な数は、個々のセル１１０間での対象のパラメータの用途、ばらつき及び分布を含む複数の要因に応じる。

例えば、１つのセル１１０が、各々がそれ自体に対してばらつきを有する構成部品から構成され、かつこれらの構成部品のグループの最終結果がそれらの平均である場合には、セルごとの平均化された部分部品の数×セル１１０の数が、本発明の有利な効果に当てはまる。本発明の実施形態は、この平均化効果が達成可能となるように、エネルギー貯蔵システムの最下位レベルのモジュラリティにおいて並列接続された任意数のセル１１０を備え得る。セル間の性能の分布が広いほど、より多くのセル１１０が並列接続される必要がある。接続されたセル１１０間の性能の分布が狭いほど、本開示の利点を依然として達成しつつもより少ないセル１１０が使用可能である。最下位レベルのモジュラリティにおいて並列接続されたセル１１０の最適数を決定するように、統計的ばらつきの分析及び結果としての並列組合せの分析が、確立理論の分野の当業者によって実行され得る。

本開示の実施形態は、グループを構成する個々のセル間の性能基準のばらつきに対するセルのグループの性能基準のばらつきを低減可能とする。ばらつきは、グループにおいて並列接続されたセルの数の平方根によって除算されたものに比例するレベルにまで低減可能である。例えば、１８個のセルを並列接続すると、個々のセルの性能基準ばらつきの２３．６％の性能基準ばらつきがもたらされる。例えば、３０個のセルを並列接続すると、個々のセルの性能基準ばらつきの１８．３％の性能基準ばらつきがもたらされる。１００個のセルを並列接続すると、個々のセルの性能基準ばらつきの１０％の性能基準ばらつきがもたらされる。さらに、２００個のセルを並列接続すると、個々のセルの性能基準ばらつきの７．１％の性能基準ばらつきがもたらされる。したがって、１８個、３０個、１００個又は２００個のセルを並列接続すると、グループのばらつきは、グループ内の個々のセル間のばらつきの、それぞれ約２５％、１８％、１０％及び７％まで減少する。

本開示で使用する「性能基準」とは、ばらつきを受けるセルの１以上の測定可能な特性を意味する。例えば、本発明の実施形態は、限定することなく、容量、インピーダンス、サイクル寿命、サイクル寿命均一性、ＡＣ抵抗、及びＤＣ抵抗を含む１以上の性能基準のばらつきを減少させ得る。また、本開示の実施形態によって、貯蔵システムはシステムが経年変化してもセルの性能を維持することが可能となり、より低頻度な増強、より均一なシステム性能並びにより長いサイクル及びシステム寿命のうちの１以上をもたらす。

本開示の実施形態は、システムを管理し、システムを冷却し、バッテリを保護し、バッテリに対して電流を伝達するためのシステム及び方法をさらに備え得る。

システムを管理することは、スーパーセル１００及びストリング２００の電圧及び温度を監視することを含み得る。例えば、図１２に示すように、それらの存在点での電圧及び温度を測定するセンサ１２０が、スーパーセル１００に含まれ得る。センサ１２０は、電圧及び温度の読取値をＢＭＳ２４０又は中間データ集計装置に、限定することなく近距離通信又は他の無線技術を含む非接触手段によって通信するように無線式であり得る。あるいは、センサは、有線又は他の任意の適宜の手段によって接続されてもよい。

１つのセンサ１２０が故障しても他のセンサ１２０が重要な監視データを提供し続けることができるように、２個以上のセンサ１２０が単一のスーパーセル１００を監視するために配備されてもよい。１つの無線チャネルが故障してもその他が重要な通信をセンサ１２０に提供し続けることができるように、２個以上の無線チャネルが単一のスーパーセル１００に対して配備されてもよい。センサ１２０は、全てのセンサが機能している場合にそれらがスーパーセル１００の２以上の物理的領域を監視し、結果として、１箇所の単一のセンサ１２０よりもスーパーセル１００の状態の完全なマップを描くことができるように、スーパーセル１００全体にわたって空間分布されてもよい。

バッテリ管理システム
図１３Ａに示すように、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）２４０は、スーパーセル１００のシステムのデータを監視、制御、保護及び記録することができる。ＢＭＳ２４０は、１以上のセンサ１２０又は中間データ集計装置からの情報を集計して、それが管理するスーパーセル１００の状態を特定することができる。ＢＭＳ２４０は、電流制御及び遮断構成要素を作動させて、スーパーセル１００が電気誘導状態にダメージを与えることを保護することができる。ＢＭＳ２４０は、スーパーセル１００に結合された電力変換構成要素と通信することができる。ＢＭＳ２４０は、上位ユーザ、管理者又は監視者と通信してスーパーセル１００に関する状態及びスーパーセル１００のシステムに関する状態を報告することができる。ＢＭＳ２４０は、通信回路、状態機械実行回路、電流制御装置、電流中断装置、及び上記機能を実行する他の保護装置を含んでいてもよい。

リチウムイオンバッテリシステムでは、直列接続されたバッテリの各ストリングは、通常は各ストリング２００に対して１つのＢＭＳ２４０によって個々に、個別に管理、検知及び保護可能である。本開示の実施形態は、スーパーセル１００のストリング２００を管理する１つのＢＭＳ２４０を備え得る。これに対して、各並列グループにおいて非常に少数のセル１１０の２列以上のストリング２００を備える従来のアーキテクチャでは、通常は、所与の量のエネルギー貯蔵容量に対して複数のＢＭＳ２４０ユニットが必要となる。したがって、本開示の実施形態は、所与のエネルギー貯蔵容量に対して従来のシステムよりも少ないＢＭＳ２４０システム構成要素を備え、関連するコストを大幅に低減する。

自動電力切断器
ＢＭＳ２４０は、それが管理するバッテリを保護する。ＢＭＳ２４０は、バッテリを監視し、バッテリと通信し、バッテリを調整し、最終的には必要に応じてバッテリをシステムから切り離すことができる。本発明の実施形態では、ＢＭＳ２４０は、センサ１２０によってスーパーセル１００の状態を監視することができる。ＢＭＳ２４０は、監視された状態と、セル１１０の健全性に有害となり得る状態とを比較することができる。ＢＭＳ２４０は、電力変換システム３１０と通信して、セル１１０の性能に利益を与えるように状態を調整することができる。ＢＭＳ２４０は、電力変換システム３１０との通信の結果としてセル１１０の状態が改善していないかを検出し、バッテリシステムを通る電流を中断する切断装置７００を独立して動作させることができる。これは極端なステップであるが、セル１１０の状態を制御する他の手段が有効でなかった場合にこのアクションをとることができることは重要である。このような状況は、電力変換システムが期待通りに動作していない場合又は機能していない場合に起こり得る。

本開示の実施形態では、遠隔で作動される接触器７００が、バッテリストリング２００への電流を中断するようにＢＭＳ２４０によって制御され得る。電子半導体装置、電磁作動リレー及び接触器、電動接触器並びに圧縮ガス作動接触器を含む多種の作動機構が、電流を中断する機能を実行するために採用されている。本開示の実施形態は、これらの機構のいずれかを備え得る。

本開示の一部の実施形態は、他の目的のために圧縮窒素を用いる。本開示の一部の実施形態では、圧縮ガスは、冷却システム１３０の構成要素を作動させるのに使用されてもよいし、消化システムで使用されてもよい。本開示の特定の実施形態では、圧縮ガス作動接触器７００が、バッテリのストリング２００に直列に高電力接点を即座に開閉するのに使用され得る。図２５Ａ～２５Ｄは、本開示の実施形態のガス作動接触器７００を示す。接触器７００は、複数のガスポート７２０を有するシリンダ７１０を備え、プッシュロッド７４０に接続されたピストン７３０をさらに備える。図２５Ａに示すように、プッシュロッド７４０の他端は、第２の導電プレート７６０に接触して回路を完結させることができる第１の導電プレート７５０に接続される。外部ガス制御装置７７０は、シリンダ内で圧縮ガスをポート７２０の１以上に向けて、２方向のうちの一方にピストン７３０を向けることができる。

第１の方向７８０では、図２５Ｄに示すように、プッシュロッド７４０は、第１の導電プレート７５０を第２の導電プレート７６０に向けて付勢して回路を閉じることができ、バッテリが電流をバッテリストリング２００に通過させることを可能とする。第２の方向７９０では、プッシュロッド７４０は、第１の導電プレート７５０を第２の導電プレート７６０から引き離し、バッテリストリング２００に流れる電流を中断させることができる。

他の実施形態では、絶縁バリア７５２が、回転ヒンジ７５４に対して第１の導電プレート７５０と第２の導電プレート７６０の間に配置されてもよい。第１及び第２の導電プレート７５０及び７６０が電流を中断するように分離される場合、絶縁バリア７５２は回転して導電プレート間の空間内に入り、より短い距離で第１及び第２の導電プレート７５０及び７６０を分離した状態で回路の破断を促進する。この実施形態では、絶縁バリア７５２は、導電プレート７５０及び７６０が相互に向けて付勢される場合、下向きに回転して退避する。

図２５Ａは、開放位置の接触器７００を示す。図２５Ａに示すように、絶縁バリア７５２は、好ましくは、第１及び第２の導電プレート７５０及び７６０が分離されている場合には、導電プレート７５０と導電プレート７６０の間で、上方に回転又は移動するようにバイアスされる。図２５Ｂ～２５Ｄに示すように、絶縁バリア７５２は、導電プレート７５０及び７６０が相互に付勢される場合には、導電プレート７５０と導電プレート７６０の間の空間から下方に押し出されて回転又は移動する。接触器７００が導電プレート７５０及び７６０を相互に移動させる場合、第１の導電プレート７５０は絶縁バリア７５２を押し出して退避させ、第１の導電プレート７５０が第２の導電プレート７６０に接触することを可能とする。第１及び第２の導電プレート７５０及び７６０は、第１及び第２の導電プレート７５０及び７６０が、相互に接触する場合にわずかに擦れ合い、接触を起こす度に接触面を清浄にするのに役立つように、好ましくは所定角度で配向される。

バスバー接続の改良
本開示の実施形態は、スーパーセル１００間の接続の改良を含む。多数のセル１１０を並列接続することによって、セル１１０の数及びそれらの定格容量に比例して、セル１１０の各グループを通る電流が増大する。モジュール１００を相互接続するための従来の方法では、通常は、セル１１０からの全電流をモジュール１００の外部の１つの接続点に伝達する手段が必要となる。このようなアーキテクチャでは、複数の並列接続されたセル１１０からの電流の増加を扱うのに充分大きなコンダクタが必要となる。結果として、実質的に並列のアーキテクチャでは、これらの従来のモジュール接続は、高重量でかつ高価となってしまう。モジュールにおける電流伝達コンダクタは、セル１１０の一部を他に対して、早期摩耗、発熱及び孤立した容量につながり得る過度なストレスを与えないようにするために各セル１１０が同じ電流を受けることを確実にしなければならない。

図１３Ａに示すように、許容可能に低いエネルギー損失の各セル１１０に電流を分配する従来のモジュール相互接続手段によって、モジュール１００のコンダクタは、大規模並列スーパーセル１００のアーキテクチャに対して配備される場合に非常に大きくなり得る。図１３Ａは、本開示の実施形態のスーパーセルユニットのアーキテクチャに適用される技術において公知のタイプの従来のモジュール１００の接続設計アーキテクチャを示す。この従来のモジュール接続設計では、コスト、サイズ及び複雑さが増加することになる。

図１３Ｂは、本開示の実施形態のスーパーセル１００のユニットを接続するように適合された代替のバスバーアーキテクチャ８００を開示する。数千個のそのようなスーパーセルモジュール１００を備えるシステムでは、バスバー材料の総重量だけでも１トンを超える場合がある。従来の代替例は、図１３Ａに示すように高重量の配線８４０を含み、それは、圧着動作、ＢＯＭの増加、及びこれらの動作の１つが不適切に実行され又は構成要素の故障に寄与するリスクの増加を伴い得る。

本開示の代替の実施形態は、その代わりに交差接続バスバー８２０を備え得る。図１３Ｂに示すように、モジュールの外部の点８１０に電流を伝達するのではなく、交差電流接続部８２０は、バスバーを単位セル毎に拡縮する。バスバーの材料厚、アーキテクチャ及びアプローチはモジュールの長さに沿って不変である。図１３Ｃに示すように、交差接続バスバー８２０は、接続されたモジュールの長さに沿って接続可能であり、一点集中の外部コネクタ８１０を省略することができる。

図１３Ｃは、並列接続された１８個のセル１１０を有する例示的スーパーセル１００を示す。これは、各セル１１０の幅及び各セル１１０から流出する予想される電流がバスバーコンダクタ８２０の断面積を決定するため、交差接続材料の厚さを変えることなく並列接続される４５個のセル１１０まで増加可能である。他のセル１１０が追加及び並列接続される場合、同じコンダクタ材料８１０が「単位毎」に長くされる（単位はセル１１０の幅である）。

図１３Ｄは、隣接する交差接続バスバー８２０を接続するバスバー接合クランプ８３０を端面図で示す。図１４は、本開示の実施形態に係る、それらのそれぞれの交差接続バスバー８２０に沿って直列接続された５個のスーパーセル１００を示す。図１５Ａ及び１５Ｂは、鉛直バスバー接続部８４０によって図１４に示すモジュール１００の隣接する水平ストリングを接続する鉛直バスバー構成要素８４０を示す。

能動的冷却
本開示の実施形態は、能動的に冷却可能である。冷却は、限定することなく、空気、水又は他の液体による冷却システム１３０を含む任意の適宜のヒートシンク機構によって提供され得る。

水による冷却システム１３０が、エンクロージャ１４０内に収容され得る。水による冷却システム１３０は、水温、及びより重要には単一システム内のセル１１０とスーパーセル１００の間の温度差を低下させることができる。

図２８及び２９に示すように、一部の実施形態では、冷却システム１３０は、個々のセル１１０と熱接触する冷却プレート１２２を備える。本開示の実施形態は、セル１１０から水などの冷却剤媒体に熱を伝達する高い熱伝導率の材料から作製された冷却プレート１２２を備え、セル１１０間の均一な温度を維持する。冷却システム１３０の実施形態は、システム内の多数の冷却プレート間の均一な温度を確保するポンプ及び液体分配システムを備える。これらの実施形態の冷却プレート１３０は、スーパーセル１００間の物理的分離も与え、１つのスーパーセル１００から他のものへの炎及び熱の伝達を防止し得る。

リザーバは、電力が冷却を与えるのに使用される時刻を変更することができるヒートシンク熱エネルギー貯蔵を提供することができる。最も高い周囲温度の時間帯は、グリッドパワー需要の増加の時刻と一致し得る。熱貯蔵システムは、電力がグリッドから要求される時刻を、電気料金がより低い時刻にシフトさせるように使用可能である。

さらに、冷却電力のシフト先の時刻は、周囲空気とセル１１０との間の温度差がより大きな時に対応し、結果として冷却効率を高めることになる。例えば、ある環境では、日中周囲温度が高く、夜間周囲温度が比較的低くなり得る。水のリザーバ又は他の大きな熱容量の質量体は、熱エネルギー貯蔵媒体として作用し得る。熱貯蔵媒体は、電気がより安価でかつ冷却工程がより効率的な夜間に冷却され得る。日中には、暖かい日中の環境にセルの熱を伝達するよりも効率的な冷却工程を用いて温かいセルを冷却するために、冷却された熱貯蔵媒体が使用可能である。これは、セルを冷却するのに必要な電力の一部を、より低コストでかつより効果的な他の時間帯に効果的に転送する。

本開示の一部の実施形態は、冷却剤が凍結するのを防止する方法を含む。特定の構成では、淡水を冷却剤として使用すると有利となり得る。空気とは対照的に、水又は他の液体熱伝達媒体は、より高い熱伝達特性を提供することができ、冷却剤システムが、セルを同じ温度に近いレベルで冷却された状態に維持することを可能とする。また、本開示の特定の実施形態では、冷却システムは、熱暴走を起こしているセル１１０からの熱を分散して、それらの隣接するセル１１０だけでなくさらに多数のセル１１０にわたってその熱を分散させ、廃熱をより多数のセル１１０の間でより良好に分散させ、セル１１０のより多くを熱平衡近くに維持することを可能とする。

制御システムは、電力の損失、グリッド接続、低充電率、低い外部温度及びそれらの他の予測的表示などの条件が、冷却剤が凍結する可能性をいつ確立するのかを検出し、冷却剤を貯蔵タンクにポンプ供給することができる。貯蔵タンクは、断熱、電気加熱手段又はコジェネレーションアプリケーションを用いて上記凍結状態を維持することができ、凍結状態に耐えるように設計され得る。その部位がグリッド又はその他発電機などから電力及び接続を回復した場合、貯蔵タンクはそれ自体を解凍して、冷却剤が通常動作においてバッテリシステムを通じて循環されることを可能とする。

前述した冷却システム１３０が、起こり得る凍結状態の前の電力及び／又は制御の完全な喪失などの何らかの理由のために動作しない場合に自動的にパイプから排水するバックアップシステムが実装され得る。自動排水機能は、指定温度下で開放する温度作動バルブによって実行可能である。

防火
図２９に示すように、本開示の実施形態は、熱暴走し始めたセル１１０（９２０）の箇所を経由して、そこで破裂するように構成された材料９１０で作製された管９００のネットワークを備える。分岐した管は、熱暴走に移行したセル１１０（９２０）及びより重要なこととして付近のセル１１０に直接冷却水を当てることができる。隣り合うセル１１０の温度がそれらの熱暴走の閾値以下に維持される場合には、熱暴走し始めたセル９２０の熱暴走状態はシステム内の他のセル１１０又はモジュール１００には伝搬しない。

本開示の他の実施形態は、貯蔵タンクからの水を推進させて水分配配管９１０内で飛び出る窒素などの不活性ガスの加圧タンクを含む。これは、通常通り圧力を供給して水を推進させるポンプへの電力が喪失した場合に必要となり得る。このように、消化システムは、補助電力又は充分なポンプ動作が喪失した場合に水を推進させる冗長手段を有する。タンク内の水が完全に排出された場合に、加圧された窒素は低温の不活性な空気を高温のセルの箇所に供給するという更なる利益を有する。ガスが大気に放出される時のようにガスが膨張すると、それは理想気体の法則に従って冷却される。さらに、窒素は、酸素が発火する可能性を減少させる比較的不活性なガスである。

電力変換
バッテリとの間でエネルギーを伝達するには、電力の変換が必要となる場合がある。一部の実施形態では、バッテリエンクロージャは、バッテリ電力をＡＣ、ＤＣ、磁気又は電磁エネルギー及び所望の電圧レベルのうちの１以上に変換する統合電力変換システム３１０を収容する。任意の形態の電力出力が、回収されてパワーグリッド又は負荷に分配可能となる。

電力変換は、大規模エネルギー貯蔵システム内の部分間でもエネルギーを伝達してその性能を最適化することができる。エネルギー貯蔵システムからの出力に利用可能なエネルギーを最大化するために、エネルギー貯蔵の各部分集合を同じ充電率（ＳＯＣ）に維持することが有利なことが多い。電力変換は、この平衡を、放電全体を通じて周期的又は動的に維持するために使用され得る。電力変換は、エネルギー貯蔵の部分集合の放電速度を、その部分集合が同じＳＯＣの変化率で放電するように制御するために使用され得る。一部の従来の公知のシステムは、ＤＣ／ＤＣ電力変換を組み込んで共通ＤＣバスと接続エネルギー貯蔵ストリングとの間の電力を制御する。これは、等化電力変換なしにＳＯＣの異なる変化率をもたらすことになる並列ストリング間の性能、電圧及び内部インピーダンスの不一致を補償するのに役立ち得る。

従来のシステムは、共通のバスに並列接続された多数の小容量ストリングを有することになる。電力変換を採用して全ての並列ストリングの間でＳＯＣの変化率を平衡化するためには、図７に示すような複数のＤＣ／ＤＣコンバータ７０２がバッテリエンクロージャに採用されることが必要となる。従来のシステムの複数のストリングが本開示の単一のストリングに置換されると、サイズ及び複雑さの低減が実現可能となる。本発明の特定の実施形態では、この図７に示す最終のＤＣバス７０４は省略可能であり、システム全体の部品表、コスト及び複雑さが減少する。

図８は、電力系統に接続された本開示の実施形態のグリッドバッテリシステムの模式図である。例えば、図８は、電力変換システム３１０及びトランス６００に接続されたグリッドバッテリシステムを示す。図９は、本開示の実施形態の模式図であり、電力系統に接続された複数の並列接続グリッドバッテリシステムを示す。例えば、図９は、電力変換システム３１０及びトランス６００に対する複数の並列接続グリッドバッテリシステムを示す。図１０は、本開示の実施形態の模式図であり、電力系統に接続された複数の直列接続グリッドバッテリシステムを示す。例えば、図１０は、電力変換システム３１０及びトランス６００に対する複数の直列接続グリッドバッテリシステムを示す。

図２６Ａ～２６Ｃは、グリッドエネルギー貯蔵システムの模式レイアウト図である。図２６Ａは、従来の中央通路システム２６００を示す。図２６Ｂは、他の従来の中央通路システム２６０２を示す。図２６Ｃは、本発明の前に公知であったタイプの例示的エネルギー貯蔵システムを示す。

補助電力
電力は、バッテリ貯蔵システムに関連する１以上の制御システムを動作させるのに必要である。電力は、セル１１０の温度をそれらの最適温度に調整するのに必要な冷却ポンプ及びファンを動作させるのに必要となる。電力は、バッテリと外部グリッド又は負荷との間の電力変換システムを動作させるのに必要となる。電力は、貯蔵システム全体にわたる電動保護装置、センサ及びアクチュエータを動作させるのに必要となる。通常、従来のバッテリ貯蔵システムでは、補助システムを動作させる電力は、外部電源から得られ又はグリッド自体によって給電される。これには、補助電力トランス、分電盤、外部配線及び有資格電気工事士による関連する現地配線作業が必要となる。

本開示は、ＤＣ電力をバッテリから取得するとともに必要な種類の電力をそれらに直接給電する統合電力変換システムを用いて補助動作に給電することによって、これらの追加の関連するコストの必要性を低減又は削減することを目的とする。完全に統合されたバッテリ貯蔵システムは、それを必要とする内部システムに安全に分配可能な標準ＡＣ電圧を生成するＤＣ／ＡＣ電力システムを収容し得る。変換システム、配線及び接続部は、国際安全基準に従って完全に承認され、設置の前に工場で試験される。これは、現地での労働及び現場での機器設置を軽減又は排除する。

補助電力の一部分は、バッテリエンクロージャからの、太陽照射によってそれに加えられた熱を除去するのに使用される。温暖な気候では、これは、３００平方フィートの空間からなるエンクロージャに対する平均１５００ワットの平均加熱となり得る。通常の空調効率において、これは、単一のエンクロージャについて１日あたり１２ｋＷｈまでのエネルギーを必要とし得る。この熱を除去するため及び他の補助システムのために使用される電力は、バッテリシステムの総合効率を低下させ、運用が経済的ではなくなる。

本開示の実施形態は、太陽から加えられた熱のほとんどを除去し、システムにエネルギーを加えて、補助システムによって使用される総電力を相殺するのに役立つ。一部の実施形態では、ソーラーパネルは、バッテリエンクロージャの上面及び／又は側面に配列されて、太陽照射からエンクロージャを遮蔽して太陽熱の吸収を減少させることができる。ソーラーパネルは、太陽照射を、その後に補助システムに給電するのに使用可能な電気に変換するように構成されてもよい。ソーラーパネルは、太陽に向けて傾けられるだけでなく、太陽と、ソーラーパネルが取り付けられるバッテリエンクロージャの屋根との間に入るように配置され得る。追加の電力変換機器が、ＰＶアレイ及び補助電力システムに接続され得る。余剰のＰＶ電力がその時点の補助電力消費量に対して利用可能である場合、電力は、ＰＶ電力が利用可能でない時間のために電力を貯蔵するエネルギー貯蔵システムに振り向けられてもよい。

本開示の種々の実施形態の説明は、説明の目的で提示されたものであり、網羅的又は限定的なものではない。開示された実施形態の多数の変形例及び変更例が、記載された実施形態の範囲及び主旨を逸脱することなしに当業者には明らかとなる。ここで使用される専門用語（セルのグループ又は配置に関するものなど）は、実施形態の原理、実用的な用途若しくは市場で見られる技術に対する技術的な改良を最も良く説明し、又はここに開示される実施形態を他の当業者が理解することを可能とするために選択されたものであり、代替の術語体系を限定又は排除するものでもない。

明瞭化のために別個の実施形態の背景において記載された本開示の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わされてもよい。逆に、簡明化のために単一の実施形態の背景において記載された本発明の種々の特徴は、本開示のいずれか他の記載された実施形態において、別個に、いずれか適宜の部分的な組合せで、又は適宜なものとして提供されてもよい。種々の実施形態の背景で記載された特定の特徴は、それらの要素がなくてもその実施形態が動作不能とならない限り、それらの実施形態の本質的な特徴とみなされるものではない。

本開示をその具体的実施形態の関連で説明したが、多数の代替例、変形例及び変更例が当業者に明らかなものとなることは明白である。したがって、それは、後続の特許請求の範囲の主旨及び広い範囲内に入る上記代替例、変形例及び変更例の全てを包含するものである。

Claims (52)

1. グループを構成する個々のセル間の性能基準のばらつきの分布を有するグリッドバッテリエネルギー貯蔵システムのための改良されたシステムアーキテクチャであって、
   複数のセルが並列接続されて前記グループを構成する、第１のレベルのモジュラリティ
   を備え、
   前記グループ内の前記複数の並列接続されたセルは、前記グループの前記性能基準のばらつきを、前記グループ内の個々のセル間の前記性能基準のばらつきの２４％以下に減少させるのに充分であり、
   前記性能基準は、容量、インピーダンス、サイクル寿命、サイクル寿命均一性、ＡＣ抵抗及びＤＣ抵抗を含む基準の群から選択された１つの基準であり、
   前記システムアーキテクチャは、
   ２個以上の並列接続された第１のレベルのモジュラリティのセルの前記グループを接続する集電体と、
   ストリングの電圧を増加させるように直列接続されたセルの２個以上の並列接続されたグループを備える前記ストリングを構成する第２のレベルのモジュラリティと、
   を備え、
   前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、接続されて負荷に給電し又はエネルギーを貯蔵するように適合される、システムアーキテクチャ。
2. 個々のセル間の前記性能基準のばらつきに対する前記グループの前記性能基準のばらつきを１８％以下に減少させることをさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
3. 個々のセル間の前記性能基準のばらつきに対する前記グループの前記性能基準のばらつきを１０％以下に減少させることをさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
4. 個々のセル間の前記性能基準のばらつきに対する前記グループの前記性能基準のばらつきを７％以下に減少させることをさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
5. 実質的に均一の容量の、単位セルごとに拡縮される交差接続集電体をさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
6. 前記集電体は、さらに、並列接続された前記グループの１つにおいて相互接続された前記セルの容量の合計を負担するのに必要なバスバー材料の量に対して軽量化した集電体からなる、請求項５に記載のシステムアーキテクチャ。
7. 前記ストリングに流れる１０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
8. 前記ストリングに流れる２５００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
9. 前記ストリングに流れる３０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
10. 流体による冷却システムであって、前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムが前記冷却システムによって冷却される時に利用可能な周囲温度及び熱勾配よりも周囲温度が低くかつ熱勾配が高い時刻まで冷却剤リザーバの冷却を時間シフトさせるのに充分な熱貯蔵容量を与えるように適合されたリザーバを備える冷却システムをさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
11. 前記冷却システムの１以上の構成要素に統合された消化システムをさらに備える請求項１０に記載のシステムアーキテクチャ。
12. セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路から、セル情報を、集中バッテリ管理システムに１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路をさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
13. 集中バッテリ管理システムから、コマンドを、セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路に１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路をさらに備える請求項１に記載のシステムアーキテクチャ。
14. グループを構成する個々のセル間の性能基準のばらつきの分布を有するグリッドバッテリエネルギー貯蔵システムのための改良されたシステムアーキテクチャであって、
    １８個以上のセルが並列接続されて前記グループを構成し、前記グループにおける個々のセル間の前記性能基準のばらつきに対する前記グループの前記性能基準のばらつきを減少させる、第１のレベルのモジュラリティ
    を備え、
    前記性能基準は、容量、インピーダンス、サイクル寿命、サイクル寿命均一性、ＡＣ抵抗及びＤＣ抵抗を含む基準の群から選択された１つの基準であり、
    前記システムアーキテクチャは、
    ２個以上の並列接続された第１のレベルのモジュラリティのセルの前記グループを接続する集電体と、
    ストリングの電圧を増加させるように直列接続されたセルの２個以上の並列接続されたグループを備える前記ストリングを構成する第２のレベルのモジュラリティと、
    を備え、
    前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、接続されて負荷に給電し又はエネルギーを貯蔵するように適合される、システムアーキテクチャ。
15. ３０個以上のセルを並列接続して前記グループを構成することをさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
16. １００個以上のセルを並列接続して前記グループを構成することをさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
17. ２００個以上のセルを並列接続して前記グループを構成することをさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
18. 実質的に均一の容量の、単位セルごとに拡縮される交差接続集電体をさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
19. 前記集電体は、さらに、セルの並列接続された前記グループの１つにおいて相互接続された前記セルの容量の合計を負担するのに必要なバスバー材料の量に対して軽量化した集電体からなる請求項１８に記載のシステムアーキテクチャ。
20. 前記ストリングに流れる１０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
21. 前記ストリングに流れる２５００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
22. 前記ストリングに流れる３０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
23. 流体による冷却システムであって、前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムが前記冷却システムによって冷却される時に利用可能な周囲温度及び熱勾配よりも周囲温度が低くかつ熱勾配が高い時刻まで冷却剤リザーバの冷却を時間シフトさせるのに充分な熱貯蔵容量を与えるように適合されたリザーバを備える冷却システムをさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
24. 前記冷却システムの１以上の構成要素に統合された消化システムをさらに備える請求項２３に記載のシステムアーキテクチャ。
25. セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路から、セル情報を、集中バッテリ管理システムに１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路をさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
26. 集中バッテリ管理システムから、コマンドを、セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路に１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路をさらに備える請求項１４に記載のシステムアーキテクチャ。
27. グループを構成する個々のセル間の性能基準のばらつきの分布を有するグリッドバッテリエネルギー貯蔵システムを製造する方法であって、
    １８個以上のセルを並列接続して前記グループを構成し、前記グループにおける個々のセル間の前記性能基準のばらつきに対する前記グループの前記性能基準のばらつきを減少させるステップ
    を備え、
    前記性能基準は、容量、インピーダンス、サイクル寿命、サイクル寿命均一性、ＡＣ抵抗及びＤＣ抵抗を含む基準の群から選択された１つの基準であり、
    前記方法は、
    ２個以上の並列接続された第１のレベルのモジュラリティのセルの前記グループを集電体によって接続してストリングを構成するステップと、
    第２のレベルのモジュラリティの２個以上の並列接続された第１のレベルのモジュラリティのセルのグループを直列接続して前記ストリングの電圧を増加させるステップと、
    前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムを接続して負荷に給電し又はエネルギーを貯蔵するステップと、
    を備える方法。
28. ３０個以上のセルを並列接続して前記グループを構成するステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
29. １００個以上のセルを並列接続して前記グループを構成するステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
30. ２００個以上のセルを並列接続して前記グループを構成するステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
31. ２個以上の並列接続されたセルの前記グループを、実質的に均一の容量の、単位セルごとに拡縮される交差接続集電体に接続するステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
32. 前記集電体は、セルの並列接続された前記グループの１つにおいて相互接続された前記セルの容量の合計を負担するのに必要なバスバー材料の量に対して軽量化したバスバーをさらに備える請求項３１に記載の方法。
33. 前記ストリングに流れる１０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項２７に記載の方法。
34. 前記ストリングに流れる２５００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項２７に記載の方法。
35. 前記ストリングに流れる３０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項２７に記載の方法。
36. 流体による冷却システムを用いて前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムを冷却するステップであって、前記冷却システムは、前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムが前記冷却システムによって冷却される時に利用可能な周囲温度及び熱勾配よりも周囲温度が低くかつ熱勾配が高い時刻まで冷却剤リザーバの冷却を時間シフトさせるのに充分な熱貯蔵容量を与えるように適合されたリザーバを備える、ステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
37. 前記冷却システムの１以上の構成要素に統合された消化システムを設けるステップをさらに備える請求項３６に記載の方法。
38. 前記セルの並列接続されたグループの各々を監視及び管理する回路から、セル情報を、集中バッテリ管理システムに１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路を設けるステップさらに備える請求項２７に記載の方法。
39. 集中バッテリ管理システムから、コマンドを、セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路に１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路を設けるステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
40. グループを構成する個々のセル間の性能基準のばらつきの分布を有するグリッドバッテリエネルギー貯蔵システムを使用する方法であって、
    前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムをグリッドに接続して負荷に給電し又はエネルギーを貯蔵するステップを備え、前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、
    １８個以上のセルが並列接続されて前記グループを構成し、前記グループにおける個々のセル間の前記性能基準のばらつきに対する前記グループの前記性能基準のばらつきを減少させる、第１のレベルのモジュラリティ
    をさらに備え、
    前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムの前記性能基準は、容量、インピーダンス、サイクル寿命、サイクル寿命均一性、ＡＣ抵抗及びＤＣ抵抗を含む基準の群から選択された１つの基準であり、
    前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、
    ２個以上の並列接続された第１のレベルのモジュラリティのセルの前記グループを接続してストリングを構成する集電体と、
    前記並列接続された第１のレベルのモジュラリティのセルのグループの２個以上が直列接続されて前記ストリングの電圧を増加させる第２のレベルのモジュラリティと、
    を備える方法。
41. 前記グループを構成するように並列接続された３０個以上のセルをさらに備える請求項４０に記載の方法。
42. 前記グループを構成するように並列接続された１００個以上のセルをさらに備える請求項４０に記載の方法。
43. 前記グループを構成するように並列接続された２００個以上のセルをさらに備える請求項４０に記載の方法。
44. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、実質的に均一の容量の、単位セルごとに拡縮される交差接続集電体をさらに備える請求項４０に記載の方法。
45. 前記集電体は、さらに、セルの並列接続された前記グループの１つにおいて相互接続された前記セルの容量の合計を負担するのに必要なバスバー材料の量に対して軽量化した集電体からなる請求項４４に記載の方法。
46. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、前記ストリングに流れる１０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項４０に記載の方法。
47. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、前記ストリングに流れる２５００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項４０に記載の方法。
48. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、前記ストリングに流れる３０００００Ａを超える電流を中断するように適合された接触器をさらに備える請求項４０に記載の方法。
49. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、流体による冷却システムであって、前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムが前記冷却システムによって冷却される時に利用可能な周囲温度及び熱勾配よりも周囲温度が低くかつ熱勾配が高い時刻まで冷却剤リザーバの冷却を時間シフトさせるのに充分な熱貯蔵容量を与えるように適合されたリザーバを備える冷却システムをさらに備える請求項４０に記載の方法。
50. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、前記冷却システムの１以上の構成要素に統合された消化システムをさらに備える請求項４９に記載の方法。
51. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路から、セル情報を、集中バッテリ管理システムに１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路をさらに備える請求項４０に記載の方法。
52. 前記グリッドバッテリエネルギー貯蔵システムは、集中バッテリ管理システムから、コマンドを、セルの並列接続された前記グループの各々を監視及び管理する回路に１以上の無線電磁伝送体を通じて伝送するように適合された回路をさらに備える請求項４０に記載の方法。

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