JP3242734U - 分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム - Google Patents

Abstract

本考案によって開示される分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム及びそのエネルギースケジューリング方法は、エネルギー貯蔵技術の分野に属する。各エネルギー貯蔵電池キャビネットは対応するＤＣ－ＡＣモジュールに直列に接続され、いくつかのＤＣ－ＡＣモジュールは並列に接続された後に変圧器の一端に接続され、変圧器の他端が外部送電網に接続され、ＤＣ－ＡＣモジュールは、制御モジュール、ＢＭＳ電池管理モジュール及び充放電回路を備え、制御モジュールがＢＭＳ電池管理モジュールと充放電回路にぞれぞれ接続され、エネルギー貯蔵電池キャビネットは、エネルギー貯蔵電池キャビネットのキャビネット本体の内部に設けられる電池モジュール、温度センサ及び温度調整装置を備え、電池モジュールがＢＭＳ電池管理モジュールと充放電回路にそれぞれ接続され、温度センサと温度調整装置がそれぞれ制御モジュールに接続される。信頼性と安全性が高く、システムの動作效率を大幅に向上させ、最終的にエネルギー貯蔵システムの使用年限を延長するという目的を実現することができる。【選択図】図１

Description

本考案は、エネルギー貯蔵技術の分野に属し、具体的には、分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム及びそのエネルギースケジューリング方法に関する。

経済のグローバル化の今日、科学技術の進歩に伴い、新エネルギーは世界各国に人気があるが、新エネルギーの開発と利用と同時にエネルギー貯蔵技術の表現形式も多様化の方向に向かっている。現在、最も広く使用されているのは貯水エネルギー貯蔵技術、圧縮空気エネルギー貯蔵技術であり、エネルギー貯蔵システムは、再生可能エネルギーと伝統的な火力発電の面で強い需要を持っている。新エネルギーの開発と運用には先進的な技術設備のサポートが必要であり、エネルギー貯蔵システムの回線が多いが、プラントシステムの解決案はまだ成熟しておらず、実際の商業化に直面しているモデルではエネルギー貯蔵システムはまだ科学研究の探索段階にある。国内外の関係学者は電池本体の性能について深く研究し、現在急速な進展を遂げており、リチウムイオン電池の急速な発展と価格の低下に基づいて、リチウムイオン電池のエネルギー貯蔵ははすでに電気化学的エネルギー貯蔵の主流技術となっている。

しかしながら、応用には、潜在的なセキュリティリスク、動作効率、システムレイアウト、キャビネット内の配置、コストの高さ、安定性などのいくつかの問題がある。これらの問題は、現在の電池エネルギー貯蔵技術では、一般的に電池モジュールを直列に接続してから並列に接続する方式を採用しており、すなわち電池モジュールを直列に接続して電池ストリング電圧レベルを高め、システム容量を満たすために、電池ストリングを並列に接続して、最終的に高圧電池システムまたは低圧大電流電池システムを構成するためである。電池モジュール間が互いに直列に接続されており、かつ電池モジュール間に隔離遮断措置がないことに基づいて、一旦その中の１つの電池モジュールに短絡、遮断などの問題が発生すると、他の隣接する電池モジュールが影響を受けることが回避できず、電池エネルギー貯蔵システムの運行効率が次第に低下し、最終的には一連の電池が運行できなくなり、電池モジュールにはシステム保護機能がないため、短絡など、電池の発熱、高温を引き起こしやすい故障が発生すると、電池モジュールの暴走、発火が起こり、計り知れない損失につながる可能性がある。

上記従来の問題を解決するために、本考案は、信頼性と安全性が高く、システムの動作効率を大幅に向上させ、最終的にエネルギー貯蔵システムの耐用年数の延長を実現できる分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム及びそのエネルギースケジューリング方法を提供することを目的とする。

本考案は、以下の技術案によって実現される。

本考案は、分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムを開示し、変圧器、ＤＣ－ＡＣモジュール及びエネルギー貯蔵電池キャビネットを備え、各エネルギー貯蔵電池キャビネットは対応するＤＣ－ＡＣモジュールに直列に接続され、いくつかのＤＣ－ＡＣモジュールは並列に接続された後に変圧器の一端に接続され、変圧器の他端が外部送電網に接続され、
ＤＣ－ＡＣモジュールは、制御モジュール、ＢＭＳ電池管理モジュール及び充放電回路を備え、制御モジュールがＢＭＳ電池管理モジュールと充放電回路にぞれぞれ接続され、エネルギー貯蔵電池キャビネットは、エネルギー貯蔵電池キャビネットのキャビネット本体の内部に設けられる電池モジュール、温度センサ及び温度調整装置を備え、電池モジュールがＢＭＳ電池管理モジュールと充放電回路にそれぞれ接続され、温度センサと温度調整装置がそれぞれ制御モジュールに接続される。

好ましくは、電池モジュールは、いくつかの単体電池を直列に接続して構成される。

さらに好ましくは、各エネルギー貯蔵電池キャビネットの容量は≦３００ｋＷｈである。

さらに好ましくは、単体電池はリチウムイオン電池である。

さらに好ましくは、同じエネルギー貯蔵電池キャビネット中の単体電池のタイプは同じであり、異なるエネルギー貯蔵電池キャビネット中の単体電池のタイプは、同じであるか、または異なる。

好ましくは、エネルギー貯蔵電池キャビネットの内部は閉鎖空間であり、エネルギー貯蔵電池キャビネットのキャビネット本体は防火材質であり、エネルギー貯蔵電池キャビネットの外部には保温層が設けられている。

好ましくは、すべてのエネルギー貯蔵電池キャビネットはマトリックス状に分布しており、隣接するエネルギー貯蔵電池キャビネット間には間隔がある。

好ましくは、各ＤＣ－ＡＣモジュール間は遠隔パケットネットワークで接続される。

本考案は、上記分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムのエネルギースケジューリング方法を開示し、前記方法は、
電池エネルギー貯蔵システムが運転する時、温度センサによってエネルギー貯蔵電池キャビネット内部の温度をリアルタイムに監視し、データを制御モジュールにフィードバックし、制御モジュールが温度調整装置によってエネルギー貯蔵電池キャビネット内部の温度を制御するステップと、
ＢＭＳ電池管理モジュールによって電池モジュールの温度をリアルタイムに監視し、電池モジュールの温度が安全温度区間の最高値より大きい場合、充放電回路によって当該電池モジュールの運転を停止させ、電池モジュールの温度が安全温度区間の高い範囲である場合、ＢＭＳ電池管理モジュールによって当該電池モジュールの充放電電流倍率を小さくし、電池モジュールの温度が安全温度区間の最低値より小さい場合、充放電回路によって当該電池モジュールを充放電させ、電池モジュールの温度が安全温度区間の低い範囲である場合、ＢＭＳ電池管理モジュールによって当該電池モジュールの充放電電流倍率を大きくするとともに、他のエネルギー貯蔵電池キャビネット中の電池モジュールの充放電電流倍率を小さくし、電池エネルギー貯蔵システム全体の電力を一定に維持するステップと、を含む。

従来技術と比較して、本考案は以下の有益な技術的効果を有する。

本考案によって開示される分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムでは、各ＤＣ－ＡＣモジュールが１つのエネルギー貯蔵電池キャビネットに対応し、ＤＣ－ＡＣモジュールが変圧器に接続され、変圧器が外部送電網に接続され、各エネルギー貯蔵電池キャビネットが並列に接続され、１つのエネルギー貯蔵電池キャビネットに問題が発生した場合、他のエネルギー貯蔵電池キャビネットの安全と正常な動作に何の影響も与えず、本エネルギー貯蔵電池キャビネット中の電池モジュールの単点故障の生存率を向上させる。レイアウトの面では、当該システム分散レイアウトは大規模な電池エネルギー貯蔵システムに適用することができる。温度センサによってエネルギー貯蔵電池キャビネット中の温度をリアルタイムに検出することができ、温度調整装置によって適時に調整し、電池モジュールの安定した動作温度を維持することができ、特に暑い地域と寒い地域の場合、システムの安全性を大幅に向上させることができる。ＢＭＳ電池管理モジュールはエネルギー貯蔵電池キャビネット中の電池モジュールの動作状態をリアルタイムに監視し、各電池モジュールをインテリジェントマネジメントし維持することができ、充放電回路によって電池モジュールを最適な状況で運転させ、過充電、過放電による高熱現象及びその他の故障の発生を防止し、電池モジュールの耐用年数を延長するとともに、システム全体の安全性と安定性を向上させる。

さらに、電池モジュールがいくつかの単体電池を直列に接続して構成されるため、環流がなく、安全性が高い。

さらに、各エネルギー貯蔵電池キャビネットの容量が≦３００ｋＷｈであるため、微細な制御を実現することができる。

さらに、単体電池がリチウムイオン電池であるため、エネルギー密度が高く、寿命が長い。

さらに、同じエネルギー貯蔵電池キャビネット中の単体電池のタイプは同じであるため、一貫性を保証し、ショートボードエフェクトがエネルギー貯蔵電池キャビネット全体の効率に影響を与えることを回避することができ、異なるエネルギー貯蔵電池キャビネット中の単体電池のタイプは同じであるかまたは異なるため、互換性がよい。

さらに、エネルギー貯蔵電池キャビネットの内部は閉鎖空間であり、エネルギー貯蔵電池キャビネットのキャビネットは防火材質であり、エネルギー貯蔵電池キャビネットの外部には保温層が設けられるため、防火、雨よけ、防砂、防風、保温（寒い地域への適用）などの役割を兼ね備え、キャビネット内の電池モジュールの正常な運転を確保することができる。

さらに、すべてのエネルギー貯蔵電池キャビネットはマトリックス状に分布しており、隣接するエネルギー貯蔵電池キャビネット間に間隔があるため、単一のエネルギー貯蔵電池キャビネットに火災が発生した場合に周囲のエネルギー貯蔵電池キャビネットに火災の発生を引き起こすことを回避でき、損失の拡大化を回避し、システムの安全性を大幅に向上させる。

さらに、各ＤＣ－ＡＣモジュール間は遠隔パケットネットワークで接続されるため、距離が遠い場合や配線が不便な場合に通信を保証し、システムの信頼性を向上させることができる。

本考案によって開示される上記分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムのエネルギースケジューリング方法は、自動化の度合いが高く、信頼性と安全性が高く、システムの動作効率を大幅に向上させき、最終的にエネルギー貯蔵システムの使用年限を延長するという目的を実現することができる。

本考案の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムの全体概略構成図である。 本考案の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムの場所配置の概略図である。 本考案の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムの接続の概略図である。

以下、図面と具体的な実施例と併せて本考案をさらに詳細に説明し、その内容は、限定ではなく本考案の解釈である。

図１に示すように、本考案の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムは、変圧器１、ＤＣ－ＡＣモジュール２及びエネルギー貯蔵電池キャビネット３を備え、各エネルギー貯蔵電池キャビネット３は、それに対応するＤＣ－ＡＣモジュール２に直列に接続され、いくつかのＤＣ－ＡＣモジュール２は並列に接続された後に変圧器１の一端に接続され、各ＤＣ－ＡＣモジュール２間は遠隔パケットネットワーク技術によって接続されることが好ましい。変圧器１の他端は外部送電網に接続され、すべてのエネルギー貯蔵電池キャビネット３はマトリックス状に分布しており、隣接するエネルギー貯蔵電池キャビネット３間には物理的間隔がある。各エネルギー貯蔵電池キャビネット３の容量は≦３００ｋＷｈである。

ＤＣ－ＡＣモジュール２は、制御モジュール２－１、ＢＭＳ電池管理モジュール２－２及び充放電回路２－３を備え、機能は電気量検出と、情報測定と、システム運転状態の常時報告及び記録と、システム故障診断と、システム自己保護などを備え、これによってシステムの信頼性と可用性を大幅に向上させる。制御モジュール２－１は、ＢＭＳ電池管理モジュール２－２と充放電回路２－３にそれぞれ接続され、エネルギー貯蔵電池キャビネット３は、エネルギー貯蔵電池キャビネット３のキャビネット本体の内部に設けられる電池モジュール３－１、温度センサ３－２及び温度調整装置３－３を備え、温度調整装置３－３は、エアコンであってもよい。

エネルギー貯蔵電池キャビネット３の内部は閉鎖空間であり、エネルギー貯蔵電池キャビネット３のキャビネット本体は防火材質であり、エネルギー貯蔵電池キャビネット３は、防火、雨よけ、防砂、防風、保温（寒い地域への適用）などの役割を有し、同時に剛性を確保するために一定の金属構造を有し、エネルギー貯蔵電池キャビネット３の外部に保温層が設けられる。

電池モジュール３－１は、いくつかの単体電池を直列にまたは並列に接続して構成され、直列に接続することが好ましく、環流がなく、安全性係数が高く、単体電池は、様々なタイプの電池を採用することができ、互換性がよく、好ましくはリチウムイオン電池を採用し、エネルギー密度が高く、寿命が長い。同じエネルギー貯蔵電池キャビネット３中の単体電池のタイプは同じであり、一貫性を保証し、ショートボードエフェクトがエネルギー貯蔵電池キャビネット全体の効率に影響を与えることを回避することができ、異なるエネルギー貯蔵電池キャビネット３中の単体電池のタイプは同じであってもよく、異なってもよく、互換性がよい。

電池モジュール３－１は、ＢＭＳ電池管理モジュール２－２と充放電回路２－３にそれぞれ接続され、温度センサ３－２と温度調整装置３－３はそれぞれ制御モジュール２－１に接続される。

上記分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムのエネルギースケジューリング方法は、以下のことを含む。

電力マッチング目標：エネルギー貯蔵システムにおける直流エネルギー貯蔵プラス交流エネルギー貯蔵はエネルギー貯蔵システムの総電力に等しい。エネルギー貯蔵システムは各エネルギー貯蔵電池キャビネット３を並列に接続して構成される場合、エネルギー貯蔵システムの総電力は各エネルギー貯蔵電池キャビネット３の電力の合計であり、電力はプラスの場合もマイナスの場合もあり、プラスの場合は電池の放電、マイナスの場合は電池への充電を表す。

電池エネルギー貯蔵システムが運転する時、温度センサ３－２によってエネルギー貯蔵電池キャビネット３内部の温度をリアルタイムに監視し、データを制御モジュール２－１にフィードバックし、制御モジュール２－１は、温度調整装置３－３によってエネルギー貯蔵電池キャビネット３内部の温度を制御する。

安全温度目標：ＢＭＳ電池管理モジュール２－２によって電池モジュール３－１の温度をリアルタイムに監視し、電池モジュール３－１の温度が安全温度区間の最高値より大きい場合、充放電回路２－３によって当該電池モジュール３－１の運転を停止させ、電池モジュール３－１の温度が安全温度区間の高い範囲である場合、ＢＭＳ電池管理モジュール２－２によって当該電池モジュール３－１の充放電電流倍率を小さくし、電池モジュール３－１の温度が安全温度区間の最低値より小さい場合、充放電回路２－３によって当該電池モジュール３－１を充放電させ、電池モジュール３－１の温度が安全温度区間の低い範囲である場合、ＢＭＳ電池管理モジュール２－２によって当該電池モジュール３－１の充放電電流倍率を大きくするとともに、他のエネルギー貯蔵電池キャビネット３中の電池モジュール３－１の充放電電流倍率を小さくし、電池エネルギー貯蔵システム全体の電力を一定に維持する。

基本的な管理制御運転フローは以下の通りである。エネルギー貯蔵システム中のすべてのエネルギー貯蔵電池キャビネット３の電圧、電流、温度、集積回路などが限界値の範囲内であるか否かを監視し、以上の監視内容がいずれも制限値範囲内である場合、エネルギー貯蔵電池キャビネット３を接続し、各ＤＣ－ＡＣモジュール２が効率的に秩序立ててシステム電力を提供することを確保する適応値を計算し、効率的に秩序立ててシステム電力を提供することで電池単体と電池モジュールの最適値を求め、そうではない場合、エネルギー貯蔵システム中のすべてのエネルギー貯蔵電池キャビネット３の電圧、電流、温度、集積回路などが限界値の範囲内であるか否かを再監視し、次に、エネルギー貯蔵システム中のすべてのエネルギー貯蔵電池キャビネット３が安全温度で動作することを確保し、温度が安全範囲内である場合、各ＤＣ－ＡＣモジュール２がエネルギー貯蔵電池キャビネット３で動作する安全温度の適応値を計算し、電池単体と電池モジュールが安全温度で動作する最適値を求め、そうではない場合、各ＤＣ－ＡＣモジュール２が効率的に秩序立ててシステム電力を提供することを確保する適応値を再計算し、次に、システム最適値を探し、各エネルギー貯蔵電池キャビネット３の電力配分を出力し、上記の操作を繰り返す。

なお、上記は本考案の実施形態の１つにすぎず、本考案によって説明されたシステムに基づいて行われた等価な変化は、すべて本考案の保護範囲に含まれる。本出願によって提供される実施例では、開示された技術的内容は、他の方式で実現することができることが理解されたい。上記で説明された装置の実施例は単なる例示的なものであり、例えば、ユニットの分割は、論理機能の分割であってもよく、実際に実現する場合、別の分割方法があってもよく、例えば、複数のユニットまたはコンポーネントが結合されてもよく、または別のシステムに統合されてもよく、またはいくつかの特徴が無視されてもよく、実行されなくてもよい。また、本考案の各実施例の各機能ユニットは、１つの処理ユニットに統合されていてもよいし、各ユニットが単独で物理的に存在していてもよいし、２つ以上のユニットが１つのユニットに統合されていてもよい。上記統合されたユニットは、ハードウェアの形態で実現してもよいし、ソフトウェア機能ユニットの形態で実現してもよい。本考案が属する技術分野の技術者は、説明された具体的な例に対して同様の方式で代替することができ、本考案の構造から逸脱しない限り、または本実用新案登録請求の範囲で定義された範囲を超えない限り、すべて本考案の保護範囲に属する。

１ 変圧器
２ ＤＣ－ＡＣモジュール
２－１ 制御モジュール
２－２ ＢＭＳ電池管理モジュール
２－３ 充放電回路
３ エネルギー貯蔵電池キャビネット
３－１ 電池モジュール
３－２ 温度センサで
３－３ 温度調整装置

本考案は、エネルギー貯蔵技術の分野に属し、具体的には、分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムに関する。

上記従来の問題を解決するために、本考案は、信頼性と安全性が高く、システムの動作効率を大幅に向上させ、最終的にエネルギー貯蔵システムの耐用年数の延長を実現できる分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。

本考案によって開示される上記分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムは、自動化の度合いが高く、信頼性と安全性が高く、システムの動作効率を大幅に向上させき、最終的にエネルギー貯蔵システムの使用年限を延長するという目的を実現することができる。

Claims (9)

1. 分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムであって、
   変圧器（１）、ＤＣ－ＡＣモジュール（２）及びエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）を備え、各エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）は対応するＤＣ－ＡＣモジュール（２）に直列に接続され、いくつかのＤＣ－ＡＣモジュール（２）は並列に接続された後に変圧器（１）の一端に接続され、変圧器（１）の他端が外部送電網に接続され、
   ＤＣ－ＡＣモジュール（２）は、制御モジュール（２－１）、ＢＭＳ電池管理モジュール（２－２）及び充放電回路（２－３）を備え、制御モジュール（２－１）がＢＭＳ電池管理モジュール（２－２）と充放電回路（２－３）それぞれに接続され、エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）は、エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）のキャビネット本体の内部に設けられる電池モジュール（３－１）、温度センサ（３－２）及び温度調整装置（３－３）を備え、電池モジュール（３－１）がＢＭＳ電池管理モジュール（２－２）と充放電回路（２－３）にそれぞれ接続され、温度センサ（３－２）と温度調整装置（３－３）がそれぞれ制御モジュール（２－１）に接続される、
   ことを特徴とする分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
2. 電池モジュール（３－１）はいくつかの単体電池を直列に接続して構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
3. 各エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）の容量は≦３００ｋＷｈである、
   ことを特徴とする請求項２に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
4. 単体電池はリチウムイオン電池である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
5. 同じエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）中の単体電池のタイプは同じであり、異なるエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）中の単体電池のタイプは同じであるか、または異なる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
6. エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）の内部は閉鎖空間であり、エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）のキャビネット本体は防火材質であり、エネルギー貯蔵電池キャビネット（３）の外部に保温層が設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
7. すべてのエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）はマトリックス状に分布しており、隣接するエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）間には間隔がある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
8. 各ＤＣ－ＡＣモジュール（２）は遠隔パケットネットワークで接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システム。
9. 電池エネルギー貯蔵システムが運転する時、温度センサ（３－２）によってエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）内部の温度をリアルタイムに監視し、データを制御モジュールに（２－１）フィードバックし、制御モジュール（２－１）が温度調整装置（３－３）によってエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）内部の温度を制御するステップと、
   ＢＭＳ電池管理モジュール（２－２）によって電池モジュール（３－１）の温度をリアルタイムに監視し、電池モジュール（３－１）の温度が安全温度区間の最高値より大きい場合、充放電回路（２－３）によって当該電池モジュール（３－１）の運転を停止させ、電池モジュール（３－１）の温度が安全温度区間の高い範囲である場合、ＢＭＳ電池管理モジュール（２－２）によって当該電池モジュール（３－１）の充放電電流倍率を小さくし、電池モジュール（３－１）の温度が安全温度区間の最低値より小さい場合、充放電回路（２－３）によって当該電池モジュール（３－１）を充放電させ、電池モジュール（３－１）の温度が安全温度区間の低い範囲である場合、ＢＭＳ電池管理モジュール（２－２）によって当該電池モジュール（３－１）の充放電電流倍率を大きくするとともに、他のエネルギー貯蔵電池キャビネット（３）中の電池モジュール（３－１）の充放電電流倍率を小さくし、電池エネルギー貯蔵システム全体の電力を一定に維持するステップと、を含む、
   ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の分散型制御とレイアウトに基づく電池エネルギー貯蔵システムのエネルギースケジューリング方法。

Images