專利名稱：帶有短路保護(hù)的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電功率傳輸系統(tǒng)領(lǐng)域，具體地涉及到在這樣的功率系統(tǒng)中使用的電池存儲(chǔ)。所謂的電功率傳輸系統(tǒng)是指至少3kV，優(yōu)選地至少IOkV的配電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電功率系統(tǒng)需要以可靠的方式提供電功率。因此，這樣的系統(tǒng)常常包括備份裝置，例如，具有直流電源的形式。備份裝置可以提供功率，以便均衡起伏、不足等?？捎米鳛閭浞莸倪@樣的裝置的例子是如圖3所示的電池能量存儲(chǔ)。電池能量存儲(chǔ)10包括排列在電池模塊20中的多個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)的電池元(battery cell)。電池模塊20又串聯(lián)和/或并聯(lián)連接，以形成電池單元30，幾個(gè)電池單元30可被串聯(lián)連接，以便形成電池串40。在大的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，幾個(gè)這樣的電池串40被并聯(lián)連接在負(fù)的和正的母線之間。電池串40被連接到負(fù)載，例如轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)50，它又被連接到電力網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。在每個(gè)電池串與各個(gè)直流母線之間也可以設(shè)置斷路器60。W02008/002223A1描述了用于交流電力傳輸?shù)墓β恃a(bǔ)償器(見(jiàn)摘要)。功率補(bǔ)償器包括電壓源轉(zhuǎn)換器(圖上的4)，被連接到與直流能量存儲(chǔ)裝置(5)并聯(lián)的電容器裝置(6)。能量存儲(chǔ)裝置(5)包括高壓電池裝置，其包括電池串，具有短路故障模式；第一開(kāi)關(guān)(40a)和第二開(kāi)關(guān)(40b)，用于斷開(kāi)電池串；和控制單元(44)，用于操作這些開(kāi)關(guān)(40a，40b)。這些短路保護(hù)開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)在于，它們必須對(duì)于高壓來(lái)確定尺寸，包括大的空間要求，以及必須能夠中斷非常大的短路電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服或至少緩和上述的問(wèn)題。具體地，本發(fā)明的目的是提供在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的、用于電池單元的短路保護(hù)的改進(jìn)的裝置。這些目的尤其是通過(guò)如在所附獨(dú)立權(quán)利要求中要求的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和方法而達(dá)到的。按照本發(fā)明，提供了包括串聯(lián)的電池單元串的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。每個(gè)電池單元包括至少一個(gè)電池模塊，其包括多個(gè)電池元和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，該電池模塊與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接。存儲(chǔ)系統(tǒng)包括控制單元，它控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，以便阻止例如由短路造成的大電流損壞電池模塊的電池元。因此，每個(gè)電池模塊由它的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)保護(hù)。大電池能量存儲(chǔ)包括許多電池單元,這些電池單元又包括一個(gè)或優(yōu)選地一個(gè)以上的電池模塊，每個(gè)電池模塊在串聯(lián)電路中與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電連接，其中電池模塊電路優(yōu)選地被并聯(lián)地電連接。系統(tǒng)包括至少一個(gè)控制單元，它管理每個(gè)電池單元；以及電池單元的每個(gè)電池模塊的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)使得有可能關(guān)斷電池串的內(nèi)部短路電流，每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)僅僅斷開(kāi)一個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊直接與它自己的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，在它們之間沒(méi)有任何電池模塊。電池單元優(yōu)選地包括電池控制單元，用于控制每個(gè)電池模塊的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。、
在一個(gè)實(shí)施例中，電池單元包括并聯(lián)排列的多個(gè)電池模塊，每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)由系統(tǒng)控制，用來(lái)保護(hù)每個(gè)電池模塊。在一個(gè)實(shí)施例中，電池單元被設(shè)置在電池堆疊中，其中多個(gè)電池單元被串聯(lián)連接。優(yōu)選地，電池堆疊包括堆疊控制器，它控制電池單元以使得堆疊的電池模塊的斷開(kāi)同步地進(jìn)行。這樣，堆疊的所有的電池模塊同時(shí)被斷開(kāi)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，堆疊的電池模塊的同時(shí)斷開(kāi)由電池單元的電池控制單元控制，其中電池控制單元被適配為當(dāng)電池單元斷開(kāi)它自己的電池模塊時(shí)命令其他的電池控制單元斷開(kāi)它們的模塊。在 Iv實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)還包括被連接到電池控制單兀的系統(tǒng)控制器，系
統(tǒng)控制器被設(shè)置和被適配為控制能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括通過(guò)控制來(lái)自不同的電池單元的電流來(lái)平衡電池單元的充電的狀態(tài)，以及例如通過(guò)被適配為單獨(dú)地或與電池控制單元和堆疊控制單元組合地控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的總的功能。優(yōu)選地，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)還包括并聯(lián)排列的二極管。二極管被設(shè)置成僅在充電期間導(dǎo)電。因此，二極管被用于使用來(lái)自與能量存儲(chǔ)(例如電壓源轉(zhuǎn)換器的直流側(cè))連接的傳輸系統(tǒng)的過(guò)多的功率給電池模塊的電池元充電。在一個(gè)實(shí)施例中，電池模塊的每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)包括用于切換的MOSFET晶體管。MOSFET晶體管包括本征二極管。在一個(gè)實(shí)施例中，控制單元，即系統(tǒng)控制器，堆疊控制器或者優(yōu)選地電池控制單元，包括用于監(jiān)視流過(guò)每個(gè)電池模塊的電流的裝置，諸如電流測(cè)量單元，并且被適配為如果電流大于短路閾值時(shí)命令半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電池模塊。在一個(gè)實(shí)施例中，控制單元，即系統(tǒng)控制器，堆疊控制器或者優(yōu)選地電池控制單元，包括用于連續(xù)地監(jiān)視(包括并聯(lián)的二極管的)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)兩端的電壓的裝置，并且被適配為當(dāng)開(kāi)關(guān)是激活的(打開(kāi)的)時(shí)如果電壓超過(guò)某一閾值時(shí)命令所有開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體同時(shí)關(guān)斷。高電壓被診斷為通過(guò)開(kāi)關(guān)的短路電流。如果充電期間電壓超過(guò)了閾值，那么其指示存在外部的(模塊外的)短路電流，并且向控制器發(fā)送警報(bào)。當(dāng)電流太大時(shí)，通過(guò)斷開(kāi)電池模塊，所述串的其它電池元或其它串被保護(hù)，免受故障的電池模塊損害，以及電池模塊還可以被保護(hù)免受由電壓源轉(zhuǎn)換器，或能量存儲(chǔ)裝置所連接到的傳輸系統(tǒng)引起的有害的電流水平損害。 在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電池控制單元適配為測(cè)量在每個(gè)電池模塊電路上的電壓和/或流過(guò)每個(gè)電池模塊電路的電流，每個(gè)電池模塊電路例如半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和/或電池模塊。電池單元優(yōu)選地可配備有開(kāi)關(guān)，用于當(dāng)電流或電壓太大時(shí)，將整個(gè)電池單元與電池單元串中的下一個(gè)電池單元斷開(kāi)。電池控制單元或堆疊控制器可被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置和被適配為提供這些開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)堆疊控制器被適配為測(cè)量在每個(gè)電池堆疊中的電流和在每個(gè)電池堆疊上的電壓。每個(gè)電池堆疊優(yōu)選地配備有開(kāi)關(guān)，用于將其與其它電池堆疊斷開(kāi)。當(dāng)堆疊的電流或電壓太大時(shí)這些開(kāi)關(guān)可以由電池堆疊控制器控制。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電池堆疊提供Ι-lOkV，優(yōu)選地在2與5kV之間或約3kV的直流電壓，以及所述串包括至少兩個(gè)堆疊。系統(tǒng)可以對(duì)于在IOkV與IOOkV之間或甚至大于IOOkV的電壓來(lái)確定尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電池單元提供在50與1000伏之間，諸如大于100伏和/或低于500伏，特別是在150與350伏之間或約250伏的電壓。12個(gè)250伏電池單元?jiǎng)?chuàng)建3kV的堆疊。每個(gè)堆疊優(yōu)選地包括多于3個(gè)的電池單元，諸如多于5或7個(gè)的單元，或多于10個(gè)電池單元，諸如12個(gè)電池單元或更多。開(kāi)關(guān)優(yōu)選地是MOSFET或IGBT (絕緣柵雙極性晶體管)開(kāi)關(guān)。MOSFET開(kāi)關(guān)適用于高達(dá)1000伏的電壓，而IGBT開(kāi)關(guān)適用于超過(guò)1000伏的電壓。IGBT開(kāi)關(guān)也可以被用于低于1000伏的電壓。尤其是，IGBT開(kāi)關(guān)適用于大于200伏的電壓電平。在一個(gè)實(shí)施例中，MOSFET開(kāi)關(guān)優(yōu)選地被用于提供50與1000伏之間的電壓的電池單元。在可替換的實(shí)施例中，IGBT開(kāi)關(guān)優(yōu)選地被用于提供大于50伏，尤其是大于200伏電壓的電池單元。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)控制單元具有用于和被適配為監(jiān)視和測(cè)量在每個(gè)串中的電流和/或在存儲(chǔ)的每個(gè)串上的電壓。所述串借助于開(kāi)關(guān)被連接到直流母線，以及系統(tǒng)控制器可以被適配為當(dāng)所述串的電流和/或電壓太大時(shí)，控制這些開(kāi)關(guān)來(lái)提供整個(gè)串的斷開(kāi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述目的通過(guò)在權(quán)利要求中所限定的方法實(shí)現(xiàn)。 這樣的方法包括以下步驟-監(jiān)視半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上的電壓，-在所述電壓超過(guò)第一閾值并且所述開(kāi)關(guān)是打開(kāi)的情況下，命令所有開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體同時(shí)關(guān)斷，以及-在電壓超過(guò)第二閾值并且開(kāi)關(guān)是關(guān)斷的情況下，向控制器發(fā)送報(bào)警。


圖I圖示按照本發(fā)明的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。圖2圖示按照本發(fā)明的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的電池堆疊。圖3圖示現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式在本說(shuō)明書中使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同的或類似的部件。圖I示出用于向交流電力傳輸系統(tǒng)提供功率的設(shè)備。它包括電容器1，其與被連接到電壓源轉(zhuǎn)換器5的直流側(cè)的高壓直流電源2-4、6、7并聯(lián)。電壓源轉(zhuǎn)換器5的另一側(cè)被連接到交流高壓電力傳輸系統(tǒng)(未示出)。直流電源包括具有多個(gè)并聯(lián)的串4a-c的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，每個(gè)串包括串聯(lián)連接的電池堆疊3a_c。每個(gè)串4a_c通過(guò)公共母線條經(jīng)由第一和第二隔離開(kāi)關(guān)6a_f被連接到電壓源轉(zhuǎn)換器5，以使得整個(gè)能量存儲(chǔ)串可以被有選擇地連接到公共直流母線和電壓源轉(zhuǎn)換器5和從其斷開(kāi)。每個(gè)電池堆疊3a_c包括串聯(lián)的電池單元2a_c的堆疊和堆疊控制器7a_c。堆疊控制器7a_c又被連接到公共系統(tǒng)或主控制單元17。在每串中電池堆疊3a_c的數(shù)目被選擇為產(chǎn)生期望的電壓電平。圖2更詳細(xì)地示出電池堆疊(圖I中的3a_c)。每個(gè)電池堆疊3包括在堆疊結(jié)構(gòu)中串聯(lián)互聯(lián)的電池單元2a_c和堆疊控制器7。電池堆疊3被連接到第一和第二隔離開(kāi)關(guān)16a_b，用于有選擇地將電池堆疊與其它的電池堆疊連接，在每端有一個(gè)隔離開(kāi)關(guān)。每個(gè)電池單元2a_c包括電池控制單元12a_c和并聯(lián)電路，其中每個(gè)并聯(lián)電路包括與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)23串聯(lián)連接的、帶有多個(gè)電池元的電池模塊22。每個(gè)電池模塊22被連接到它自己的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)23。通常，每個(gè)電池單元2包括至少一個(gè)這樣的電路，其基本上由與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電池模塊22組成。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)包括帶有它自己的本征二極管的MOSFET。MOSFET和二極管是反向的，即，MOSFET僅僅在放電期間導(dǎo)通，而二極管僅僅在充電期間才導(dǎo)通。電池控制單元12a-c控制每個(gè)并聯(lián)電路的MOSFET。電池控制單元12a_c優(yōu)選地被菊花鏈接(daisychained)到通信鏈路13中，這樣,它們互相通信地連接。每個(gè)電池控制單元優(yōu)選地也通過(guò)通信鏈路14直接連接到堆疊控制器7。堆疊控制器7被適當(dāng)?shù)剡m配為同步電池堆疊3中的所有的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)23的切換。當(dāng)斷開(kāi)有故障的電池模塊22時(shí)，電池控制單元12a-c被適當(dāng)?shù)剡m配為 通信鏈路13的其它的電池控制單元12a-c斷開(kāi)它們各自的電池模塊22，這樣，堆疊3的所有的電池模塊22被斷開(kāi)。每個(gè)電池模塊2還包括用于斷開(kāi)電池模塊的機(jī)械開(kāi)關(guān)21。開(kāi)關(guān)21與在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的相反側(cè)上的模塊串聯(lián)排列。串的每個(gè)電池堆疊3a_c的堆疊控制器7a_c被連接到系統(tǒng)控制單元17，它被適當(dāng)?shù)剡m配為同步堆疊控制器7a_c，以便同時(shí)斷開(kāi)，這樣，所述串的所有的電池模塊被斷開(kāi)。尤其是，電池控制單元12a_c和/或其它控制單元(7，17)可被設(shè)置成和適配為測(cè)量和控制電池堆疊，為此，配備有用于測(cè)量諸如電池電流、電池元和電池電壓、溫度、電池充電狀態(tài)等不同的參數(shù)，和執(zhí)行電池元平衡的裝置。另外，電池控制單元12a_c可以被適配為操控在電池堆疊3a_c之間的通信和操控通信，以便發(fā)送和接收來(lái)自堆疊控制器7和系統(tǒng)控制器17的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括控制單元(7a-c, 12a-c, 17)和包括多個(gè)電池單元(2a_c)的電池堆疊(3a_c)，所述電池單元(2a_c)被設(shè)置成串聯(lián)，每個(gè)電池單元(2a_c)包括至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)和至少一個(gè)電池模塊(22)，所述電池模塊包括多個(gè)電池元(22)，其中每個(gè)電池模塊(22)與各自的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)串聯(lián)連接，所述控制單元(7a-c，12a-c，17)被操作性地連接到所述至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并被適配為控制每個(gè)電池單元(2a_c)的所述至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)。
2.如權(quán)利要求I所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述控制單元(7a-c，12a-c，17)配備有用于監(jiān)視流過(guò)電池單元(2a-c)的每個(gè)電池模塊(22)的電流(15)的裝置，并且被適配為如果電流超過(guò)短路電流閾值則斷開(kāi)所述電池模塊(22)，以及其中所述控制單元借助于所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)斷開(kāi)所述電池元(22)。
3.如權(quán)利要求2所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述控制單元(7a-c，12a-c，17)被適配為同時(shí)斷開(kāi)電池單元(2a_c)的所有的電池模塊(22)。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中每個(gè)電池單元(2a_c)包括多個(gè)電池模塊(22)，每個(gè)電池模塊包括多個(gè)電池元，并且與各自的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)串聯(lián)連接，以及其中每個(gè)電池模塊(22)和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)同電池模塊(22)與電池單元(2a-c)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的其它串聯(lián)電路并聯(lián)連接。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中每個(gè)電池單元(2a-c)包括電池控制單元(12a_c)，用于控制所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。
6.如權(quán)利要求1、3、4和5中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述堆疊(3a-c)的每個(gè)電池單元(2a_c)包括電池控制單元(12a_c),其被操作性地連接到所述電池單元(2a_c)的電池模塊(22)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述堆疊(3a-c)包括堆疊控制單元(7a_c)，其被操作性地連接到電池堆疊(3a_c)的電池單元(2a_c)。
8.如權(quán)利要求7所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述堆疊控制單元(7a_c)被適配為同步所述電池堆疊(3a_c)的電池單元(2a_c)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)的控制。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中多個(gè)堆疊(3a_c)在電池單元(2a-c)的串聯(lián)地互聯(lián)的堆疊(3a_c)的串(4a_c)中串聯(lián)排列，其中所述串(4a_c)被設(shè)置成向電壓源轉(zhuǎn)換器(5)提供直流電壓輸入。
10.如權(quán)利要求9所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括多個(gè)串(4a_c)。
11.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)包括 MOSFET。
12.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)包括與二極管并聯(lián)連接的IGBT。
13.如權(quán)利要求11所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述MOSFET僅僅在能量從電池模塊(22)放電期間才打開(kāi)。
14.如權(quán)利要求12所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述IGBT被設(shè)置成僅僅在能量從電池模塊(22)放電期間才導(dǎo)電，而二極管被設(shè)置成僅僅在電池模塊(22)充電期間才導(dǎo)電。
15.一種用于控制根據(jù)權(quán)利要求1-14的任一項(xiàng)所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，包括步驟-監(jiān)視半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上的電壓， -在所述電壓超過(guò)第一閾值并且所述開(kāi)關(guān)是打開(kāi)的情況下，命令所有開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體同時(shí)關(guān)斷，以及 -在所述電壓超過(guò)第二閾值并且開(kāi)關(guān)是關(guān)斷的情況下，向控制器發(fā)送報(bào)警。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括控制單元(7a-c，12a-c，17)和多個(gè)電池單元(2a-c)的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。電池單元(2a-c)串聯(lián)排列，每個(gè)電池單元(2a-c)包括至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)和至少一個(gè)包括多個(gè)電池元(22)的電池模塊(22)。每個(gè)電池模塊(22)與各自的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)串聯(lián)連接，控制單元(7a-c，12a-c，17)操作性地連接到所述至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并被適配為控制每個(gè)電池單元(2a-c)的所述至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(23)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102668305SQ200980163142
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者F·汀勞, F·霍希尼, J·斯文森, M·巴克曼, W·赫曼森 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司