[發明專利]在能量系統中進行串級動態重新配置的方法和裝置

在審

• 申請號: 201580057207.5
• 申請日: 2015-08-24
• 公開（公告）號: CN107078360A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: D·R·史密斯;D·C·羅伊特;D·威斯特
• 申請（專利權）人: 佩頌股份有限公司
• 主分類號: H01M10/44
• 分類號: H01M10/44;H02J7/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 申發振

背景技術

隨著電動車輛和固定能量存儲的市場的增長，需要大型能量存儲系統。大型電池能量存儲系統可以用于存儲從任何來源產生的能量。對于諸如可再生能量集成、輔助服務、微電網支撐、需求費用減少和備用電力等應用，期望能量存儲系統。這種系統可以涉及電氣連接的電池陣列，其中電池被布置在構成能量存儲系統的多個能量存儲段中。電池管理系統是管理這種能量存儲系統中的電池單元的電子系統。

嚴格的制造過程和電池單元材料特性對單個電池單元中可以存儲的能量或功率的量施加了實際的限制，而給定的電池化學成分的具體電化學特點限制了單個單元的電壓，通常限制為小于五伏。出于這些和其它原因，大多數大型能量存儲系統包括以靜態串聯和并聯配置組合的數百或數千個單獨的電池單元，以便滿足特定應用的能量和電壓要求。

配置最佳系統設計的一種方法可以涉及將總的能量存儲需求除以單獨的單元容量以確定所需單元的數量X，將總的期望電壓除以單獨的電池單元電壓以確定每個串中單元的數量Y，以及并聯這些串的組合Z，其中Y與Z的乘積合理地接近X。但是，在實踐中，電池單元的容量隨著壽命和使用而下降，并且電壓隨著電池單元的荷電狀態和與系統其余部分的平衡狀態而波動。隨著系統的老化，這兩個參數在不同電池單元之間的差異都可能越來越大。

這些單元與單元之間的差異的影響隨著電池單元的化學成分和形狀因子、系統尺寸和復雜性、最終用途應用、環境條件和任何數量的其它因素而變化。由這種不均勻性引起的一個常見的限制是將充電窗口的可訪問狀態減小到系統內最弱單元的可訪問狀態，這意味著能量存儲系統不再能夠被安全地充電并放電到相同的水平。在最好的情況下，這意味著損失了實際可以在系統中存儲和從系統提取的能量的量。在最壞的情況下，這可能導致潛在的危險的過度充電或過度放電事件，其迫使電池單元進入熱失控并造成安全隱患。

靜態能量存儲系統配置也構成一系列其它挑戰，包括：(1)對由于最終用途應用的變化而可能成為必需的變化的典型的不靈活性；(2)由于即使只有單個電池單元表現不佳也需要使系統的顯著的一部分脫機而導致的可靠性問題；(3)源于上述可靠性問題的昂貴的緊急情況維護；以及(4)跨過系統的荷電狀態的大的電壓波動，這可能導致不可靠或欠佳的輸出電壓。因此，本領域需要改進的能量存儲系統。

發明內容

描述了用于大規模電池或其它能量存儲系統的動態可重新配置框架，其被稱為可重新配置的能量存儲系統。可重新配置的能量存儲系統包括負電氣總線、正電氣總線、連接在負電氣總線和正電氣總線之間的多個能量存儲串，以及與負電氣總線、正電氣總線和多個能量存儲串電氣通信的控制單元。能量存儲串至少包括第一能量存儲串和第二能量存儲串，其中每個串具有負輸入端子和正輸出端子。此外，每個能量存儲串至少具有能量存儲單元的第一子集和能量存儲單元的第二子集，其中每個子集包括以內部串聯或并聯配置布置的能量存儲單元的至少兩個塊，使得該布置包括插入在負輸入端子和正輸出端子之間的串內正端子和串內負端子。每個能量存儲串還包括連接在負電氣總線和能量存儲串的負端子之間的輸入開關、連接在正電氣總線和串內正端子之間的第一輸出開關、連接在正電氣總線和能量存儲線的正端子之間的第二輸出開關以及連接在串內正端子和串內負端子之間的串聯開關。能量存儲系統還包括連接在第一能量存儲串的正輸出端子和第二能量存儲串的串內負端子之間的多串串聯開關，以及連接在負電氣總線和第一能量存儲串的串內負端子之間的初始輸入開關。控制單元被配置為(i)將系統中的能量存儲單元的至少一個并聯布置重新配置為能量存儲單元的串聯布置，或者(ii)將系統中的能量存儲單元的至少一個串聯布置重新配置為能量存儲單元的并聯布置。

在一些實施例中，控制單元被配置為接收輸出標準并且控制系統中的多串串聯開關和每個輸入開關、輸出開關、第二輸出開關以及串聯開關，以通過負電氣總線和正電氣總線輸出功率。輸出標準可以是能量、功率或電壓要求的任何組合。

當考慮附圖閱讀時，根據以下對優選實施例的詳細描述，本發明的各個方面對本領域技術人員將變得明顯。

附圖說明

本專利或專利申請文件包含以彩色呈現的一個或多個附圖和/或一張或多張照片。具有(一個或多個)彩色附圖和/或(一張或多張)照片的本專利或專利申請公開文本的副本將由美國專利商標局根據要求提供并支付必要的費用。

圖1：聯系到電網、太陽能電池板和風力渦輪機的能量存儲系統的非限制性說明，其被配置為將存儲的能量輸送到家庭。

圖2：能量存儲系統中的電池組的非限制性說明。