模块化能量存储系统技术方案

一种能量存储系统具有至少一个N个模块的串，其中每个模块包括能量存储装置和用于将所述能量存储装置串联连接到所述串中或用于提供短路的开关单元。所述能量存储系统还包括控制器，所述控制器被配置为在ESS的带载操作期间执行以下步骤：改变模块的至少一个开关单元的状态；测量所述模块的所述能量存储装置处的电流和电压，以及至少基于通过所述串的电流和在开关单元的状态的改变之前和之后测量的所述电压的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。特性。特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模块化能量存储系统


[0001]本专利技术涉及能量存储系统ESS以及用于确定在所述ESS中采用的能量存储装置(例如电池)的特性的方法。这样的特性可以是健康状态SOH、电荷状态SOC或等效电路图元件。

技术介绍

[0002]基于例如电池的能量存储系统具有大范围的应用，诸如电动汽车、便携式电子装置或智能电网应用。这样的能量存储系统包括至少一个能量存储装置，例如电池。由于电池是复杂的电化学系统，因此难以窥视电池的内部状态。然而，可以通过测量来估计电池的状态，并且预测电池是否可以继续使用、如何使用以及使用多长时间。
[0003]为了表征电池动态，使用例如电化学阻抗谱EIS或评估由于矩形电流脉冲引起的电压响应的方法。
[0004]电池的健康状态SOH表示电池的仍然可用容量与新电池的标称容量的比率。新电池的可用容量通常是通过根据CC
‑
CV方法测量在一个完全充电和/或完全放电循环期间的总电荷流量获得的，在该CC
‑
CV方法中电池首先以恒定电流CC充电(或替代地放电)，直到达到指定电压。在该时间点处，电压被保持恒定CV，从而允许电流减小。当电流下降到指定阈值以下时，电池被视为被完全充电(放电)，并且充电(放电)过程终止。替代地，使用内部电阻的上升以基于EIS或基于由于矩形电流脉冲引起的电压响应来确定SOH。
[0005]由于电池通常包括串联和/或并联硬接线电池单元，因此需要在执行此类表征方法之前将整个电池置于维护模式。
[0006]DE 10 2014 110 410 A1公开了一种用于测量模块化多电平转换器MMC中的模块的电容的方法。还暗示MMC构成能量存储系统。
[0007]US 2011/0089907 A1公开了一种原位电池健康检测器和寿命终止检测器。公开了通过以下方式来确定电池的老化：向电池施加脉冲负载并且通过在脉冲负载期间测量电池的电压来确定电池的阻抗。该系统基于该阻抗来评估电池的健康。还公开了脉冲负载被施加到电池，例如，从一个或多个部件、充电器和/或专用负载生成设备或电路。

技术实现思路

[0008]本专利技术解决的问题是：提供一种能量存储系统，该能量存储系统允许对在ESS的操作期间的集成能量存储装置进行表征；以及提供该能量存储系统的操作方法，该操作方法确定在ESS的操作期间能量存储装置的特性。
[0009]在独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及本专利技术的进一步改进。
[0010]在下文中，提供了概要以便以简化形式介绍精选的代表性概念，下文在详细描述中进一步描述了所述概念。
[0011]实施方案涉及一种基于多电平转换器的概念的能量存储系统ESS。该ESS包括互连到至少一个串(string)的多个模块。每个模块包括能量存储装置和用于将该能量存储装置
切换进该ESS的串的电流路径或切换出该ESS的串的电流路径的开关单元。多个串联连接的能量存储装置提供该ESS的串的输出电压和输出电流，其中该ESS可以包括一个或多个串。每个串具有两个端或端子A和B，而这些端子之间的电压在本文中被命名为V
AB
。
[0012]因此，多个模块和能量存储装置的不同切换星座(constellation，群组)——其中所选择的能量存储装置在电流路径中并且其余的能量存储装置在电流路径之外——导致提供如下输出电压的不同的模块配置：所述输出电压可以随时间改变并且可以是正弦波输出电压的阶梯形(staircase
‑
shaped)近似。
[0013]串的N个可用模块中的M个模块的子集(M、N是整数，其中N＞1)可以串联连接到公共电流路径中。串联连接可以包括一个或多个能量存储装置以相反极性的连接。能量存储装置进出电流路径的切换可以由向开关单元提供开关信号的控制器来控制。该控制器可以是ESS的一部分或单独的单元。它可以是中央控制器或包括每个模块内的控制单元的分布式控制器。所述控制器可以被配置为在ESS的正常操作期间(意味着在ESS连接到负载或电源期间)执行以下步骤：通过将模块P的能量存储装置P(P∈N)切换进电流路径或切换出电流路径来改变串联连接，从而限定该串的改变的输出电压；测量通过能量存储装置P的电流I和能量存储装置P处的电压V
mP
，并且至少基于在切换能量存储装置P之前和之后测量的电流I以及所述电压V
mP
的随时间的改变来确定能量存储装置P的特性。
[0014]在一个实施方案中，不同的能量存储装置可以在不同的时间被切换进电流路径中以形成正弦输出电压。由于串的串联连接的所有能量存储装置提供相同的电流，因此单个能量存储装置的负载取决于其接通时间，该接通时间是某个能量存储连接到电流路径中的时间。通过在串的能量存储装置中的某个时间段内均匀地分布可用模块的与特定输出电压对应的接通时间，可以均匀地平衡能量存储装置。通过修改此分布，各个能量存储装置可能不平衡或进入特定的操作状态。
[0015]在一个实施方案中，使用四象限开关单元，其进一步允许以相反极性将能量存储装置切换到电流路径中，从而降低ESS的绝对输出电压。因此，输出电压不仅由串联连接的能量存储装置的选择限定，而且由每个串联连接的能量存储装置的极性限定。此附加的自由度允许以与其他相比以相反的方式加载特定模块或同样地加载能量存储装置，这意味着这样的模块可以被充电，而其他模块被放电在负载上。
[0016]在一个实施方案中，可以在ESS的带载(on
‑
load)操作期间利用负载状况和/或其他模块的可用能量来完成模块的充电或放电以实现用于确定模块的能量存储装置的特性的必要测量。
[0017]在一个实施方案中，至少两个能量存储装置可以并联连接，这不影响输出电压，但是将串电流分布到至少两个能量存储装置。因此，可能存在通过并联连接另一个能量存储装置来控制通过特定能量存储装置的电流幅度的可能性。
[0018]简单地说，存在至少三种模块配置可能性可用于生成ESS串的特定的输出电压，并且管理通过一个或多个能量存储装置的负载电流。
[0019]通过改变模块配置，可以将电流改变或更确切地说电流转变施加到特定的能量存储装置P，从而产生相应的电压响应。在模块配置被改变之前和之后测量通过能量存储装置P的所述电流和能量存储装置P处的所述电压响应的随时间的改变，以表征所述能量存储装置P的当前状态。在一个实施方案中，可以进行对电流的连续测量。
[0020]一个实施方案涉及一种用于确定在能量存储系统ESS的带载操作期间所述ESS中包含的至少能量存储装置的特性的方法。该ESS包括多个模块，其中每个模块包括能量存储装置和开关单元。在所述方法的第一步骤中，多个模块的子集可以借助于所述开关单元连接到一个模块配置中，根据该模块配置，模块的子集的相应的能量存储装置串联连接到电流路径中，从而提供该ESS的输出电压。在所述方法的第二步骤中，通过将至少一个模块的能量存储装置P切换进电流路径或切换出电流路径来改变该模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种能量存储系统，包括：至少一个N个模块的串(220)，其中整数N＞1，所述串至少包括第一端(A)和第二端(B)，每个模块包括：至少一个输入(222)和至少一个输出(223)，其中对于0＜n＜N的每个整数n，第(n)模块的所述至少一个输出连接到第(n+1)模块的所述至少一个输入，第一模块的所述输入连接到至少一个第一端(A)，并且所述第(n+1)模块的所述输出连接到至少一个第二端(B)；能量存储装置；开关单元(224、225)，所述开关单元被配置为在至少两个状态之间进行选择，所述至少两个状态包括：将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和至少一个输出(223)之间，以及在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间提供短路；以及控制器(141
‑
144)，所述控制器被配置为在ESS的带载操作期间执行以下步骤：改变第P模块P
m
的至少一个开关单元的状态，其中0＜P＜＝N，测量所述第P模块P
m
的能量存储装置P处的电流I和电压V
mP
，并且至少基于在所述第P模块P
m
的至少一个开关单元的状态的改变之前和之后测量的电流I以及所述电压V
mP
的随时间的改变来确定所述能量存储装置P的特性，其中在状态的改变之前获取所述电压V
mP
的至少一个采样，并且在状态的改变之后获取所述电压V
mP
的多个采样，并且在状态的改变之前和/或之后获取电流I的至少一个采样。2.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中所述控制器被配置为在状态从将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间改变为在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间提供短路之前获取电流I的至少一个采样，以及在状态从在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间提供短路改变为将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和所述至少一个输出(223)之间之后获取电流I的至少一个采样。3.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制器还被配置为还基于所述能量存储装置P的估计的电荷状态SOC来确定所述能量存储装置P的所述特性。4.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制器被配置为：对在所述第P模块P
m
的至少一个开关单元的状态的多次改变内的电压V
mP
和电流I的测量值求平均，和/或基于所述电压V
mP
和电流I的测量值来计算多个等效电路参数。5.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制器被配置为重复地改变所述第P模块P
m
的至少一个开关单元的状态和/或其中所述控制器还被配置为控制能量存储装置P充电或放电至预定义的电荷状态SOC水平或预定义的电压。6.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储系统，其中所述开关单元被配置为在将所述能量存储装置连接在所述至少一个输入(222)和至少一个输出(223)之间的状态下选择所述能量存储装置的任一极性。
7.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储系统，其中所述控制器还被配置为控制M个模块的子集以同时改变它们的开关单元的状态，其中M<＝N,其中进行状态的这样的改变，使得所有模块随时间以平衡方式被使用，以实现所有能量存储装置的平衡的电荷状态SOC，除了包括所述能量存储装置P的至少所述模块P
m
之外，所述能量存储装置P被相对不平衡地使用以实现更快的充电或放电。8.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储系统，其中所述能量存储装...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：斯塔布尔能源有限责任公司，
类型：发明
国别省市：