CN111602155B - 能量存储模块及方法 - Google Patents
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Abstract
一种DC能量存储模块，包括串联电连接的多个DC能量存储装置20；以及位于能量存储模块内的无源或有源射频识别(RFID)标签或近场通信(NFC)装置(31)；其中标签或装置(31)被配置为响应于由标签或装置的范围内的发射器(32)生成的电磁场而从非激活模式激活到激活模式；并且其中，标签或装置被配置为从发射器接收位置相关标识符。
Description
本发明涉及一种能量存储模块以及用于激活能量存储模块中的无线收发器的***和方法，尤其是用于包括为终端用户提供电能的电化学电池或电池的模块。
在许多应用中，尤其是用于存在与敏感环境中的排放相关的环境问题或公共健康问题的情况，所存储的电能模块或各种类型的电力单元变得越来越普遍。所存储的电能电力单元通常用于提供电能来操作设备，以避免在使用时的排放，尽管所存储的能量可能已经以许多不同的方式生成。所存储的电能也可以用于在以其他方式从电网或从各种类型的发电***(包括柴油发电机、燃气涡轮机或可再生能源)供应的***中提供调峰。飞机、车辆、船舶、海上钻井设备或远程位置中的钻井设备和其他动力设备是大规模存储的电能的用户的示例。车辆驾驶员可以使用城市中心中的所存储的能量动力单元并且在干道上从内燃机充电，以减少城镇和城市中的有害排放，或者他们可以从电力供应充电。在相对靠近居住区域或在敏感环境中执行其大部分航行的渡轮被设计为具有混合动力或全电力驱动***。当靠近岸时，渡轮可以用所存储的能量操作以为船舶提供动力，使用海上柴油发电机为电池再充电。在一些国家，来自可再生能源的电力可供用于对存储的能量单元充电是指：可以使用全电动船舶，条件是存储的能量单元对于所覆盖的距离足够可靠，而且根本不使用柴油或其他不可再生能源。不管是混合动力的还是全电动的，存储的能量单元都可以在停靠时从岸上的电源充电。发展如下技术必须要解决某些技术问题，以实现足够可靠以长期用作主电源的存储的能量单元。
根据本发明的第一方面，一种DC能量存储模块，包括：串联电连接的多个DC能量存储装置；以及位于能量存储模块内的无源或有源射频识别(RFID)标签或近场通信(NFC)装置；其中，标签或装置被配置为响应于由标签或装置的范围内的发射器生成的电磁场而从非激活模式激活到激活模式；并且其中，标签或装置被配置为从发射器接收位置相关标识符。
优选地，位置特定标识符由机柜的标识和机柜内的能量存储模块相对于同一机柜中的其他能量存储模块的位置来定义。
优选地，串联的多个DC能量存储装置的总电压大于或等于78VDC。
多个DC能量存储装置中的每个DC能量存储装置可以包括单个DC能量存储装置或者并联电连接在一起的一组DC能量存储装置。
根据本发明的第二方面，一种将标识符分配给DC能量存储***的机柜内的DC能量存储模块的方法，该模块包括串联电连接在一起的多个DC能量存储装置，该方法包括将DC能量存储模块安装在机柜中的预定位置处；通过将发射器中生成的电磁场施加到模块中的RFID标签或NFC装置来发送激活信号以激活标签或装置；以及向激活的标签或装置发射位置特定标识符。
优选地，位置特定标识符由机柜的标识和机柜内的能量存储模块相对于同一机柜中的其他能量存储模块的位置来定义。
优选地，激活信号包括指示有效信号的特定参数，该标签或装置在没有有效信号的情况下不响应。
根据本发明的第三方面，一种维护包括多个能量存储模块的能量存储***的方法，该方法包括从该***移除一个或多个能量存储模块；用替换模块替换移除的模块或每个移除的模块，每个替换模块是相同的并且是无名的；并且根据第二方面将标识符分配给每个替换能量存储模块。
现在将参考附图描述根据本发明的***和方法的示例，其中：
图1是示出其中可以应用本发明的***和方法的模块化能量存储***的示例的框图；
图2是示出可以在本发明的***和方法中使用的无线通信***的框图；
图3是示出结合本发明的***和方法的模块的框图；以及
图4是示出执行根据本发明的方法的示例的流程图。
早期的大规模电池是铅酸，但是最近，锂离子电池已经被开发用于大规模应用的电能存储。锂离子电池通常是加压的，并且电解液是易燃的，因此在使用和储存时需要小心。锂离子电池可能出现的问题是热失控，该热失控可能由在制造过程期间产生的电池单元中的内部短路引起。其他原因(诸如机械损坏、过充电或电流失控)也可能引起热失控，但是电池***设计通常适于避免这些。由于不能完全排除电池的制造问题，因此需要预防措施以使发生热失控的影响最小化。在大规模锂离子电池***中，在热失控期间释放的能量的量是一个难以控制的挑战。热事件可能将单个电池中的温度从20℃至26℃的范围中的标准操作温度增加到高达700℃至1000℃。安全操作温度低于60℃，因此这是一个显著的问题。
在海洋和海上工业中存在关于对船舶或钻井设备的风险的严格规定，一个要求是应该没有过量的温度从一个电池转移到另一电池。如果发生过热，则应该将其包含在单个电池中并且不允许扩散。另外，对于海洋和海上应用，任何设备的重量和体积都受到严格限制，从而得到希望的紧凑、轻质的***。生产如下的紧凑、轻质的***是一个挑战，该***实现所要求的热隔离并且快速且有效地冷却在其中发生过度加热的电池。
在锂离子电池***中，非常重要的是：电池单元的温度不超过规定的操作温度，并且在整个***中的电池温度是均匀的。在规定的操作温度窗口之外的持续操作可能严重影响电池单元的寿命并且增加发生热失控的风险。
对于海洋应用，由于安装成本以及当在船舶或海上平台上时能量存储模块(诸如电池)所占用的重量和空间，所以特别关注以这些模块的最大充电或放电速率来使用这些模块。此外，与基于陆地的能量存储***的使用相比，维护和维修或替换是复杂且昂贵的，因此延长能量存储模块的寿命是特别重要的。对于锂离子电池的示例，这些锂离子电池对高温敏感，因此重要的是确保锂离子电池***的所有电池的操作和环境温度被控制，以确保满足设计寿命。单个电池上的局部变化或热点也可能损害可实现的总寿命。
用于为海洋应用供应DC电能的能量存储***(诸如船舶和海上平台上的***)具有高电压和电流要求。它们可能需要提供1KV DC或更高的电压电平，这是通过组合在50VDC与200V DC之间的电压(例如78V DC或100V DC)下操作的多个能量存储模块来实现的。尽管能量存储模块冷却***流体地并联连接，但是能量存储模块电串联连接在一起。每个模块可以包括多个能量存储装置，诸如电池单元，这些能量存储装置串联连接在一起以提供所需的总模块电压。通常，使用每个额定在3V与12V之间的能量存储装置，则总模块电压具有100V DC至150V DC的量级。例如，每个电池单元可以仅具有3V的量级的电压，例如，对于锂离子，标称电压约为3.65V，但是在具有串联电连接在一起的28个电池的模块中，这导致更接近100V的电压，通常在78V至118V的范围内。多个模块可以耦接在一起，以能够为船舶上的电力***提供足够的DC电压，例如1KV或更高。当操作者在机柜上工作时，这需要特别小心，因为机柜与地面相比处于相对高的电位。
如图1所示，***通常包括通过DC总线2串联电连接在一起以提供***所需的电压电平的多个能量存储模块M1至Mn。能量存储***的每个模块包含多个能量存储装置(未示出)。DC能量存储装置可以包括单独的能量存储装置，或者可以包括并联的多个能量存储装置，该能量存储装置然后与另一能量存储装置(单独的能量存储装置或者并联的一组能量存储装置)串联连接在一起。在能量存储***1内，每个模块10可以经由DC总线2连接到主***DC总线和中央控制器3，该中央控制器3可以设置例如每个模块10的充电速率和充电状态的限制，以及控制对主DC总线4上的消耗装置(未示出)的供电。中央控制器3根据船舶的要求和每个模块中可用的存储能量来确定要对哪些模块10进行充电或放电，并且控制向船舶DC总线4的电力供应。在每个能量存储模块与能量供应***的DC总线2之间可以存在转换器(未示出)，尤其是在存在多个连接的能量存储模块的情况下。尽管能量存储模块的能量存储装置可以通过空气冷却来冷却，但是优选地，能量存储模块在封闭的冷却***中冷却，该冷却***包括冷却单元5，该冷却单元5经由入口管6向每个模块并行地供应冷却流体，并且经由出口管7接收返回以再次冷却的冷却流体。
如图2所示，每个模块可以包括无线收发器25，模块10可以通过该无线收发器25与单元控制器28通信或者直接与船舶的***电力控制器3通信，从而允许控制器根据船舶的要求和可用的存储能量来确定要对哪些模块进行充电或放电。***电力控制器3控制能量存储***的DC总线2b与船舶DC总线之间的电力传输。通常，多个模块10通过内部总线2a串联连接在一起，然后内部总线2a将***中的模块10连接到每个单元1中的网关29，例如，机柜或隔间，如在图3中可以更详细地看到的。网关将模块连接到***总线2b。隔间控制器28可以具有一些决策能力，并且还可以与***控制器3通信。***控制器3设置电池***的限制，诸如充电和放电水平，以及确定负载平衡。***控制器3可以控制总线上的可选转换器。尽管能量存储模块10的能量存储装置可以通过空气冷却来冷却，但是优选地，能量存储模块在封闭的冷却***中冷却，该冷却***包括冷却单元5，该冷却单元5经由入口管6向每个模块供应冷却流体，并且经由出口管7接收返回以再次冷却的冷却流体。冷却流体可以并行地供应到所有模块，并且并行地供应到每个模块的所有能量存储装置。
为了便于制造和维修，所有能量存储模块10在制造时大致相同，但是在调试期间需要被给予单独的标识符(ID)。该ID是必要的，使得模块收发器25连接到正确的无线网络，以及为该模块在机柜30内的一系列模块中的位置给予适当的ID。机柜通常包括：通过DC总线2串联电连接在一起的多个能量存储模块，以及相关联的并联冷却通道6。在电池室内，可以存在几十个机柜30，每个机柜30具有多个模块10，该多个模块10需要被控制以尽可能有效地提供电力或被充电。
考虑到机柜30内部的相对高的电压电势，电子设备可以通过开关与电池单元串21电绝缘，或者可以使用绝缘电链路来保护操作者在连接到模块以分配它们的ID时免受电击。由于高电压电势，这样的开关和绝缘电链路很大并且增加了设计的尺寸和成本。代替完全关闭电子设备的开关，电子设备被设置为非激活模式、低功率模式或休眠模式。为了能够打开电子设备，需要信号来激活电子设备。尽管激活信号可以通过按钮递送，但是该按钮将需要1000V量级的极高电压绝缘，这意味着大且昂贵的按钮。另外，这样的按钮也可能在传输期间无意中被激活，从而导致错误唤醒，这再次可能导致电池的耗尽。
这些问题可以通过本发明的设计来解决。制造相同的电池模块10，并且每个电池模块10包含某种类型的无线装置31，诸如射频识别(RFID)标签，尤其是近场通信(NFC)从装置。标签或从装置通常由来自读取器的电磁场供电，该读取器与标签或从装置非常接近，1m到2m的量级是一些RFID标签的通常的操作距离，而NFC从装置要求读取器相距小于0.1m。与在较长范围操作的其他RFID协议相比，NFC的短范围的优点在于，当设置ID时不太可能发生与错误模块的通信，因为旁边的下一个模块可能太远。然而，可以谨慎地使用其他RFID协议。无源RFID标签或NFC从装置能够从读取器接收信号并且响应读取器或主机，尽管它们不能与其他无源装置通信。某些装置也可以被读取器写入。有源装置具有这些特性，并且还可以向模块内的其他NFC装置发射信号。装置或标签还可以被选择为总线(I2C)装置，该总线(I2C)装置能够通过有线连接而连接到模块中的其他电子单元，并且以这种方式与那些单元通信。
在存储和运输期间，电子模块(包括在其模块内的标签或从装置)保持在非激活模式或休眠模式。在休眠模式中或当关闭时，每个模块的无线通信和测量电路未激活。这防止模块内的电池单元由于无线通信和测量电路的操作而耗尽，这可能损坏电池。如果锂离子电池被耗尽，则它们不能被再充电，而是被永久地损坏，而对于铅酸电池，电池可以简单地被再充电。模块内部的电子设备由模块供电。在正常操作中，电子设备所使用的功率在它们被耗尽之前给予大约6个月的操作而无需再充电，而在休眠模式中，电流消耗可能太低以至于将花费大约18年才能耗尽。由于模块可以在被安装和再次充电之前从生产日期起存储多个月，因此在此期间避免耗尽很重要。
在无线***中，例如，如以上关于图2所提及的，在每个模块10中提供的唯一电连接是高压电力连接，以经由DC总线2a将每个模块10连接到机柜30内的其相邻模块。模块被密封以确保在操作中产生的气体通过通风口以受控方式排出，并且防止用户接触高压部件，因此即使是临时的，也不能为其他类型的连接打开模块。如果模块是外部供电的，则在运输期间，所有电子设备将被关闭以避免电池的耗尽，但是一旦被安装并连接到外部电源，模块将被唤醒。然而，这将需要额外的电连接和额外的电源，由于高电压电势，这是昂贵且复杂的。期望避免这种额外的成本和复杂性。在本发明中，去往模块10的所有通信和来自模块10的所有通信都是无线的。为了将每个模块从休眠模式唤醒或者开启模块，一旦模块已经被安装在机柜中并且以其他方式准备好使用，就需要与每个模块的模块收发器进行交互。如上所述，***1的高电势要求在不使操作者处于电击风险的情况下完成交互。
因此，无线近场通信(NFC)或射频识别(RFID)可以用于一旦安装模块10就唤醒模块10和设置模块ID两者。通过使用到模块10的这种类型的无线通信，该模块被给予对于其在机柜30和***内的位置是正确的ID。一旦被分配，该唯一ID就应用于机柜中该位置处的模块。这比在工厂中用其ID预编程每个模块更可取，因为操作者不必考虑是否在正确的位置组装了正确的模块。相反，模块10简单地取自在***内的特定位置处递送和放置的那些模块。该位置确定它应该采取什么ID，并且该ID被应用作为调试过程的一部分。这简化了安装和维修，并且避免了可能发生的操作者错误，即使有明确的标记单元。为了维修***，如果模块出故障，则移除该模块，将没有单独的标识符的新模块放入该空间，然后将用于该空间的ID给予新模块。
图3示出了每个模块10内的一些电子电路。调节器22可以将能量存储模块中的每一个能量存储模块耦接到内部DC总线2a，或者能量存储装置可以被直接连接。在每个能量存储模块内，本地控制单元23可以设置有控制和监测电路，用于诸如执行电池平衡、温度测量和电池电压监测的目的。本地控制单元23可以从传感器24接收数据(诸如温度测量)，或从能量存储装置20中的每一个接收数据(诸如电压测量)，该数据可以在本地使用，例如用于电池平衡。本地收集的数据中的一些或全部数据可能需要被提供给船舶或平台上的单元控制器28或中央电力***控制器3，单元控制器28或中央电力***控制器3控制从每个能量存储模块到主***(诸如推进***或钻井设备)的电力分配。最终能量存储装置20的负电势连接33到下一个模块(未示出)。出于安全原因，每个模块的底座连接到地面上。
该处理开始于激活或唤醒该有源或无源RFID标签或NFC装置，由此模块可以接收数据并向单元控制器或***控制器发射数据。优选地，该唤醒仅在模块位于其机柜中并且存在用于对模块中的电池进行充电和放电的电路时才发生。至此，由任何电子电路从电池中汲取的电流都非常小，从而防止在运输或存储期间的损坏。如图3所示，通过使读取器或主机32处于范围内，然后从读取器或主机发射电磁场来使标签或装置加电，以执行标签或装置31的激活。一旦被加电，标签可以被分配其自己的标识符。RFID或NFC装置使用电磁场进行通信，并且该场具有足够的电功率来为模块10内的RFID标签或从装置加电。在唤醒之后，RFID标签或NFC从装置可以发送信号以唤醒模块内的电子设备，例如唤醒测量和通信电路的微控制器。可以设置用于近场通信的某些参数，使得模块仅在以下情况下才唤醒：其接收到符合预先设置的参数密码/代码的有效NFC通信，或者检查到发送的数据具有正确属性(诸如数据量是预期的量)。这避免了仅由于装置或从机进入任何RFID或NFC信号范围内而不是专用于该装置或从机的信号而发生的错误唤醒。在成功唤醒模块之后，读取器/主机可以向模块提供其唯一ID，使得模块连接到正确的网络并且与正确的网络通信。ID的提供可以与唤醒通信同时进行，或者可以在模块已经唤醒之后发生。NFC装置可以生成ID，或者外部装置(诸如定时器)可以生成ID。
由于RFID或NFC是短距离通信方法，因此唤醒该装置并设置ID的操作者需要与装置或从机非常接近，以能够正确地执行任务，但是能够以非接触的方法执行该活动，因此提高安全性。NFC装置的范围通常高达约lcm至3cm，尽管使用某些RFID协议可能更大。短操作范围使与错误模块交互的风险非常低，类似地，错误唤醒或其他干扰的风险也非常低。这可以结合高电压电势与操作者之间的绝缘材料减小到大致为零。RFID通信或NFC通信可以受密码保护，以便提供更安全的通信。本发明提供一种针对以下问题的解决方案：将单独的标识符分配给其他相同的模块，并且在故障的情况下，通过避免操作者与机柜的高电压部分之间的物理接触，允许模块被安全地初始化，尽管在其中安装模块的机柜上可能存在高电压。
图4示出了根据本发明的方法的示例。能量存储模块10(例如包括串联电连接的多个DC能量存储装置的DC能量存储模块)被安装40在机柜30中。该模块包括无源或有源射频识别(RFID)标签，或无源或有源近场通信(NFC)装置。在读取器或主机32中为装置31定义41标识符，并且通常，位置特定标识符由机柜的标识和机柜内的能量存储模块相对于同一机柜中的其他能量存储模块的位置来定义。通常从读取器或主装置32向模块10中的标签或装置31发送42激活信号，并且标签或装置被配置为响应于激活信号而被激活。当标签或装置以降低的功率或低功率模式(也被称为休眠模式)传输时，该激活信号将能量存储模块从其低功率模式激活到激活模式，在该激活模式中，它可以执行测量、通信或其他任务。激活信号包括由读取器或主装置生成的电磁场。读取器或主装置必须在标签或从装置的范围内以便引起激活。激活信号可以包括指示有效信号的特定参数，标签或装置在没有有效信号的情况下不响应。标签或从装置确定43激活信号是否与标签或装置中设置的参数一致，这防止错误地发生唤醒。如果激活信号是一致的，则与激活信号组合或者此后向标签或从装置提供单独的标识符。该标识符被发送44，并且标签或装置被配置为从发射器接收位置相关标识符，并且在与单元控制器或***控制器的所有后续通信中使用该标识符。当标识符已经被发送时，如果对于机柜中的所有模块的处理尚未完成45，则操作可以移动到下一个模块。
与使用更加昂贵和笨重并且在生产过程中增加时间的专用开关或电绝缘的电链路相比，本发明的解决方案降低了成本和尺寸。通过将装置或从机设置为仅响应由预定义参数确定的有效通信，防止了错误唤醒和错误/不正确ID设置。通过能够简单地从***移除一个或多个能量存储模块，来简化包括多个能量存储模块的能量存储***的维护；用替换模块替换移除的模块，每个替换模块是相同的并且是无名的；然后一旦替换模块就位，就将标识符分配给每个替换能量存储模块。分配给替换模块的标识符可以例如与移除的模块的标识符完全相同，或者可以仅在指示其是一替换物的程度上不同，但是以其他方式给出关于机柜内的位置的相同信息。
尽管已经关于电化学电池(诸如电池，例如锂离子电池、碱性电池或NiMh电池或其他电池)给出了详细的示例，但是本发明适用于其他类型的能量存储单元，尤其是非圆柱形电容器、超电容器或超级电容器、燃料电池或其他类型的能量存储器，这些其他类型的能量存储单元具有可以由冷却器冷却的表面并且如果能量存储单元的模块的温度有规律地超出优选操作范围则也可能受到影响从而降低总寿命。
Claims (8)
1.一种将标识符分配给DC能量存储***的机柜内的DC能量存储模块的方法，所述模块包括串联电连接在一起的多个DC能量存储装置，所述方法包括将一个DC能量存储模块安装在所述机柜中的一个预定位置处；在所述安装步骤之后，通过将发射器中生成的电磁场施加到所述模块中的RFID标签或NFC装置来发送激活信号，以激活所述标签或所述装置；以及向激活的所述标签或所述装置发射唯一的一个位置特定标识符，所述位置特定标识符标识所述安装步骤之后的所述DC能量存储模块的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述位置特定标识符由所述机柜的标识和所述机柜内的所述能量存储模块相对于同一机柜中的其他能量存储模块的位置来定义。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述激活信号包括指示有效信号的特定参数，所述标签或所述装置在没有所述有效信号的情况下不响应。
4.一种维护包括多个能量存储模块的能量存储***的方法，所述方法包括：从所述***移除一个或多个能量存储模块；利用替换模块替换所移除的一个或多个模块中的一个模块，每个替换模块是相同的并且是无名的；并且根据权利要求1至3中任一项的方法将标识符分配给每个替换能量存储模块。
5.一种机柜内的DC能量存储模块，包括：彼此串联电连接的多个DC能量存储装置，以限定安装在操作位置的能量存储模块；以及位于所述能量存储模块内的无源或有源射频识别(RFID)标签或近场通信(NFC)装置；其中所述标签或所述装置被配置为在处于所述操作位置时响应于由所述标签或所述装置的范围内的发射器生成的电磁场而从非激活模式被激活到激活模式；并且其中所述标签或所述装置被配置为从所述发射器接收唯一的位置特定标识符，所述位置特定标识符至少部分对应于所述操作位置。
6.根据权利要求5所述的模块，其中所述位置特定标识符由所述机柜的标识和所述机柜内的所述能量存储模块相对于同一机柜中的其他能量存储模块的位置来定义。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的模块，其中串联的所述多个DC能量存储装置的总电压大于或等于78V DC。
8.根据权利要求5或权利要求6所述的模块，其中所述多个DC能量存储装置中的每个DC能量存储装置包括：单个DC能量存储装置或者并联电连接在一起的一组DC能量存储装置。
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