CN216861215U - 能量存储*** - Google Patents

Abstract

一种为位于适于使用存储能量的船舶(20,21)上的能量存储***，包括在陆上充电站(26)处接收(40)用户能量存储需求的通知(40)；从具有用于该***的一个或多个替换能量存储单元(32)的充电站(41)调度(42)自主车辆(30,31)；从该***的操作位置(33,34)移除一个或多个用过的能量存储单元；在该***的相同操作位置(33)处***(44)替换能量存储单元(32)；以及将用过的能量存储单元返回(45)到充电站(26)。

Description

能量存储***

技术领域

本实用新型涉及用于消耗能量的***的能量存储模块以及将能量存储模块安装在该***中的方法。

存储电能模块或多种类型的功率单元在许多应用中变得越来越常见，特别是用于存在与敏感环境排放相关的环境问题或公共健康问题的场合。存储电能功率单元通常用来提供电能以操作设备，从而在使用时避免排放，尽管存储能量可以许多不同方式产生。存储电能还可用来在由电网或各种发电***(包括柴油发电机、燃气轮机或可再生能源)供应的***中提供调峰。飞机、车辆、船舶、海上钻机或偏远地区的钻机和其他动力设备都是大规模存储电能的用户的例子。车辆驾驶员可以在市中心使用存储能量功率单元，并在主干道上使用内燃机充电，以减少城镇的有害排放，或者它们可以从电力供应装置充电。大部分航程在相对接近居住地区或者敏感环境中进行的渡轮被设计有混合动力或者全电动驱动***。渡轮在靠近海岸时可以利用存储能量操作，以便为船舶提供动力，在海上使用柴油发电机为电池充电。在一些国家，可利用可再生能源提供的电力为存储能量单元充电意味着可以使用全电动船舶，前提是存储能量单元在所覆盖的距离内足够可靠，完全不使用柴油或其他不可再生能源。无论是混合动力***，还是全电动***，当存储能量单元耗尽时，都需要从某种类型的电力供应装置充电。

实用新型内容

根据本实用新型的第一方面，一种为位于适于使用存储能量的船舶上的能量存储***提供能量存储单元的方法包括在陆上充电站处接收用户能量存储需求的通知；从具有用于该***的一个或多个替换能量存储单元的充电站调度自主车辆；从该***的操作位置移除一个或多个用过的能量存储单元；在该***的相同操作位置处***替换能量存储单元；以及将用过的能量存储单元返回到充电站。

该方法还可包括将用过的能量存储单元连接到充电站中的充电器，以便重新充电能量存储单元。

该方法还可包括在船舶在途时接收该***中的所述或每个能量存储单元中剩余能量水平的指示；确定直到船舶停泊时的剩余时间并调度自主车辆以便在船舶停泊时与其汇合。

充电站可监控陆上储存的、已经充电的能量存储单元的类型和数量，并响应于用户能量存储需求的通知为船舶提供可用列表。

船舶能量管理***可以要求与其需求最接近的能量存储单元的类型和数量。

根据本实用新型的第二方面，一种适于执行第一方面所述的方法的能量存储供应***，供应***包括适于在船舶上使用的一个或多个能量存储单元；所述能量存储单元中的一个或多个由与和陆上充电站相关的储存设施储存；位于船舶和充电站之间的通信交互装置，使得能量存储需求的通知从船舶接收；以及与充电站相关的自主车辆，用于在充电站和船舶之间运输一个或多个能量存储单元。

该***可使用定制尺寸的集装箱，其被建造成出于用于能量存储模块的目的而所需的尺寸。替代地，该***可包括安装在ISO标准集装箱或定制尺寸集装箱内并容纳能量存储装置的多个能量存储单元。

全部或一半的集装箱可根据所需能量存储的数量以及船舶上操作位置的大小来使用。

能量存储单元可在安装时经由集装箱的基部内的连接器连接到船只的电力***。

能量存储单元可在降低就位时进行连接，并在再次提升时断开连接，或者一旦新的能量存储单元就位，会需要随后的步骤来进行电连接。

能量存储单元可在放置在船舶上或位于陆上充电站时经由能量存储单元侧部或顶部上的连接器、轨道或受电弓连接到船只的电力***。

自主车辆可包括运输能量存储单元的自主卡车车头和拖车或单个自主自驾驶运输装置。

在安装在船舶上时，能量存储单元可保留在拖车上，并且卡车车头与拖车脱离。替代地，在安装在船舶上时，能量存储单元可保留在自主自驾驶运输单元上，或者，可以通过与拖车相关并安装在船舶的能量存储***内的提升设备，能量存储单元从拖车或运输单元移除。

附图说明

现在将参考附图说明根据本实用新型的能量存储***和方法的例子，附图中：

图1是说明可以与本实用新型的方法一起使用的模块化存储能量***的例子的方框图；

图2示出可以应用本实用新型的方法的情况；

图3提供本实用新型的方法的例子的进一步说明；

图4说明可以在本实用新型的方法中使用的***的细节；

图5a和5b示出在本实用新型的发明中用于充电能量存储单元的替代实施方式；以及

图6是说明根据本实用新型的方法安装能量存储单元的流程图。

具体实施方式

用于为海洋应用提供电能的能量存储***(例如船舶上的***) 可能需要提供高达1MWh的能量，并且在某些情况下甚至更多，这可以通过提供能量存储单元来实现，多个能量存储模块在其中组合。电能可以存储在模块中，每个模块使用特定类型的能量存储装置。多个例子包括电化学电池单元或电池、电容器组、大容量电容器(诸如超高级电容器或超级电容器)、机械能量存储单元(诸如飞轮)、热能或化学存储，其中任何一种都能向最终用户提供电能。

能量存储模块可设置有流体并联或串联的冷却***，并且能量存储模块可串联地电连接在一起。每个模块可以包括串联在一起的多个能量存储装置，例如电池单元，或者包括多组并联的装置，每个并联装置串联到下一组或单个电池，以提供所需的总模块电压、功率操控和所需的能量存储能力。例如，每个电池单元可能只有3V到4.2V 等级的电压，但是在具有串联和/或并联电连接在一起的多个单元的模块中，这会产生更高的电压、功率操控和能量存储能力。

不同类型的电动船舶可能具有不同的需求。主要在海上航行且偶尔进港的船舶只能在港口使用电能。对于某些应用，例如在港口进行定期短途过境的渡轮，或对于使用具有定期停靠站的内河航道接送或放下乘客的船舶，电能可能是用于推进和辅助设备的唯一功率类型。这类船舶周转时间短，一般意味着可用来充电的时间不充分。在某些情况下，电动船舶可能停泊或停靠在登船点仅几分钟，这将不足以为电池正常充电。即使提供了快速充电点，也不是所有地点都有能够支持这种快速充电的岸边电源。由于快速充电需要公用事业电源提供非常高的额定功率，因此可能需要对公用事业电网进行昂贵的升级，而在偏远或农村地区，这些升级不太可能可行。

在电力供应更可靠的大型港口，岸边电连接***往往有固定的位置，当轮渡停泊时，会占用邻近码头的宝贵空间，并限制可系牢船舶的码头区的精确部分，在繁忙时期给努力协调所有进出港船舶的港口当局造成更大的麻烦。例如，EP3342626描述了一种带有枢转臂的充电连接装置，该枢转臂可安装在岸边的坡道上，渡轮乘客和车辆可通过该坡道上下船。该臂具有摄像头，使得该臂运动，以便与渡轮船头上的相应连接器对准，从而在船舶停泊时为电动船舶充电。然而，这要求电动船舶在正确的位置上具有相应的连接器，并且只能使用带有这种坡道和电力连接的滑道。

本实用新型通过提供一种模块化能量存储***来解决这些问题，所述模块化能量存储***包括可在远离船舶停泊处的充电站处充电的能量存储模块。这些模块可与船舶上的能量存储模块互换，可由自主车辆根据需要带到船舶上。用过的能量存储模块由自主车辆从船舶移出并返回到充电站。当它们重新充电后，可供通过同一停靠站或稍后抵达港口的其他船舶使用。使用无人自主车辆(即能够在无需直接人工控制的情况下运行的车辆)，使得能量存储模块往返于船舶。自主车辆有自己的动力，因此它独立于任何物理动力基础设施，如电缆连接或轨道。这使得港口能够向任何船舶提供服务，提供适当的通道，让自主车辆在白天或夜晚的任何时间上船，而无需雇用额外的工人驾驶车辆，或操作设备与船舶进行电连接。

在图1中示出了可应用本实用新型的能量存储***的例子(例如，如我们的共同申请专利申请号W02019141510中所述)，其中描述了电化学电池，尽管同样可以使用适用于上述方法的其他类型的能量存储***，并且该方法不限于下文所述的能量存储***。图1示例的***包括机柜或隔室1，其中多个能量存储模块10通过总线2a串联到隔室控制器28，通过总线2b串联到中央控制器3。每个能量存储模块通过从冷却***5通过入口管6和出口管7循环的冷却流体冷却。能量存储模块10可包括串联或并联电连接在一起的多个能量存储装置，例如电池单元。多组并联装置可以串联在一起。在W02019141510 中描述的例子中，使用锂离子电池，每个电池在3V DC和4.2V DC 之间的电压下操作，并且能够连接在一起以产生每个模块高达150V DC的电压，并且通过将多个模块连接在一起，每个单元可以在约1kV 下工作。

能量存储装置的非限制性例子包括电化学电池，例如锂离子、碱性或镍氢电池等电池，或其他电池、非圆柱形或圆柱形、电容器、超高级电容器或超级电容器、燃料电池、飞轮、热能或化学能量存储。与许多船舶相关的能量存储***通常在1000V以下的电压下运行，因为这允许使用低压转换器，这是许多预期应用的适当选择。较大的***可能需要在1000V以上运行，并根据预期应用选择能量存储组合和类型。例如，飞轮能量存储可用于船舶上，为港口操控提供电能储存，在港口操控中，减排至关重要，而在海上可以使用化石燃料(如柴油或燃油)。当船舶在运输期间，飞轮可能在海上船舶产生的多余功率的时期进行充能，并且能量被储存以便在主发动机关闭时使用，从而避免进入港口时排放。然而，一旦进入港口，船舶就不能使用这种方法来重新给飞轮充能以便再次离开，因此本实用新型的方法允许待供应飞轮得以更换、预充。

图2示出了可应用本实用新型的方法和***的渡轮服务的典型港口布局的例子。一艘或多艘船舶20、21可停泊、通常停靠在码头区 24。在每艘船舶20、21上，限定能量存储单元的操作位置33、34。码头的坡道28和/或船舶的坡道使乘客、车辆和货物能够上下渡轮。对于车辆渡轮，车辆通常在装载车道22排队等待渡轮，然后由港口的装载控制人员引导上船。徒步乘客可在进站口23等候，直至被邀请登船。能量存储单元充电站26可设置在停泊区域内，但远离码头区，尽管对于河流和运河，大多数码头位于公共区域，没有大量私人土地相邻，因此充电站更有可能设置在远离河流和运河的另一个位置。在港口地区使用本实用新型方法的优点是，港口地区内的所有车辆移动都可以协调。因此，通过彼此通信以及与港口车辆控制员通信，自主车辆可以更安全地运行，以确保它们不会试图与人工驾驶车辆冲突地登上船舶。如图3所示，自主车辆可以是完全独立的，在单个实体30中同时具有动力和能量存储模块，或者可以包括牵引单元30或车头，以及用于承载能量存储单元的单独拖车31。一旦船舶20停泊，可调度带有充电的能量存储模块或单元10的自主车辆3(以及可选的拖车31)以替换船上的能量存储模块或单元。车辆30、31运动上船和下船，通过车辆坡道28进出，并与交通控制人员协调其移动。

通过将自主车辆30、31与模块化形式的能量存储单元(例如集装箱电池)或其他类型的能量存储单元32(例如飞轮，如上所述)组合在一起(其可以在远离码头的陆上充电)，能量存储单元32可以在船舶靠岸时将其自身带到船舶20、21上，并且船舶在极短时间内恢复至充满电状态。方便地，能量存储装置可包括ISO标准集装箱 32，例如20英尺或40英尺集装箱(如果适用于所需的存储容量)，其中安装适当数量的能量存储单元10，并将其连接在一起，以便为船舶提供能源，该船舶使用电力用于推进和辅助设备，即使并非完全这样。替代地，可以使用定制尺寸的集装箱。车辆31可响应来自船舶上的能量管理***针对能量存储单元32的变化的请求，使得船舶可在充满电的情况下再次出发，而无需在充电过程中占用任何有价值的码头空间24，或限制任何特定船舶可使用的停泊区域，或要求船舶与充电器保持达到特定长度时间的连接。

图4示出了在船舶中安装能量存储单元集装箱32的一种可能方法。自主车辆在独立实体30内或在拖车31上驱动集装箱上船舶，然后使用实体或拖车上携带的起重机提升集装箱。将集装箱32降到船舶内的连接器上，与集装箱底部的连接器连接一起，以便为船舶推进和辅助设备提供电力。另一个未示出的选项是将拖车留在船舶上，其中能量存储单元集装箱32放置在拖车上，并提供适当的锚固件，以确保集装箱在运输过程中不会移动。与船舶功率分配***的连接可以例如通过机器人臂运动以接触集装箱侧面的适当连接器来实现。如果拖车本身是自主的，那么它可以承载船上的能量存储单元并连接到船舶功率分配***，然后在下一个用于补给的停靠站由另一类似自主拖车和能量存储装置组合来完全替换。

船舶可具有一个以上的能量存储模块10，以便在主要能量存储装置的更换期间，船舶20、21可继续操作其停泊时所需的电气***，例如照明、加热以及门和坡道的供电操作，以便于装卸。替代地，可在船舶上安装附加的、独立的能量存储***，并从主要能量存储***充电，以便提供这种短期港口使用，从而在船舶上放电电池和充电电池彼此交换的同时，为船舶***供电，或者在特殊情况下给船舶提供附加范围。

该***可在能量存储单元和船舶之间以及在能量存储单元和充电站之间使用任何合适类型的连接。例如，能量存储单元可通过插头***、母线轨道连接或受电弓布置连接到充电站。类似地，这些类型的连接中的任何一种都可用于将能量存储单元连接到船上的电气***，例如连接到能量存储单元集装箱32的顶部或一侧。这些连接的示例如图5a和5b所示。图5a示出头顶供应装置51，其与集装箱32 中的能量存储单元10通过受电弓52进行电气连接。从船舶返回时，集装箱被放置在充电站内并连接到电力供应装置。另一种方法是利用母线轨道53或集装箱下方的插头，以与渡船上图4所示相同的方式将集装箱降低到位。这是特别方便的，因为与渡轮上或充电站中的适当连接相结合，可以使用相同的连接为能量存储单元充电和向船舶提供电力。

这些类型的连接中的任何一种都可用于在相对较长的时间段内给能量存储单元充电，从而可以减少或避免充电站所在的本地电网上的峰值负荷。充电站的位置最好远离码头区，但通常仍在港口区域内，以便自主车辆不需要走上公路。这种充电***的优点是任何基础设施都远离码头区，因此不需要对现***头区进行改造。

充电站26的一部分可包括用于不同能量存储模块10的储存设施 27，例如，使用飞轮或电池的模块，或使用不同电池类型或具有不同额定值的模块，以满足通常预期使用港口的船舶类型的要求。如果一项新的服务在于使用港口，那么船舶经营人可以在船舶第一次到达之前发送适当的备用能量存储单元，以便在船舶停泊时提供现成的充电装置。当船舶被调整和升级时，保持在储存设施27中的能量存储单元可以被不同的类型替换。港口当局可自行运营该服务，或使用第三方公司运营陆上充电站26，并在自主车辆30、31上递送和回收能量存储单元。在某些情况下，储存设施27和充电站26集成在一起，在充电站内，每个能量存储单元都受到监控，并在其充满电后立即指示其现在可用于部署到船舶上。在其它情况下，能量存储单元32在完全充电后被运动到存储区域26，从而释放充电站连接，以用于其它能量存储单元。在这种情况下，能量存储单元可以连接到涓流充电设施，如果期望它们可以存储任何时间长度。

图6示出根据本实用新型的方法，该方法可应用于能量存储***中，该能量存储***包括位于集装箱32中的一个或多个能量存储单元10，该集装箱32适于在船舶20、21上使用。能量存储单元10的操作位置33、34被限定在船舶上，位于进行必要连接的位置。能量存储单元10在其集装箱32中可通过与陆上充电站26相关联的储存设施27储存，如上所述，储存设施27或者与充电站集成，或者在单独的位置。该***在船舶20、21和充电站26之间需要通信接口，例如无线电或无线通信，以便能够从船舶接收能量存储需求的通知。当充电站26从船舶接收到40关于其充电需求的通知(例如充电量、单元类型、单元数量)时，充电站向相关的自主车辆发送指令，以从储存设施37或从充电站中的充电点提取41一个或多个合适的充电单元 32，将单元32从自主车辆30、31运输42至船舶20、21。

自主车辆可访问与泊位号相关的存储数据，以找到正确的船舶和船舶上的操作位置33、34，从而将能量存储单元输送至该船舶，或可使用请求中提供的GPS数据定位特定船舶和操作位置。对于车头和拖车组合，如果自主车辆正在更换集装箱，或者将集装箱从拖车上提起，或者将拖车和集装箱留在原位，则可能需要首先拆下正在更换的集装箱32中的能量存储单元10。这可以通过临时分离43来完成，以取回已经就位的集装箱32或拖车31。或者，单独的车头30可被事先发送，首先取回用过的能量存储单元。对于不会留在船上的自给式自主车辆30或自驾驶拖车31，如果船舶在操作位置没有冗余连接，则可能需要首先将用过的能量存储单元10移开，以便在取回旧单元之前将新单元放置到位。

然后，自主车辆通过适用于该船舶和集装箱组合的任一方法将能量存储单元在其集装箱32内安装在船舶20、21中。如果同一车头30 或自驾驶单元将取回的集装箱返回45充电站，则自主车辆30返回。否则，车头或自给式自主车辆可返回等候区，从另一船舶收集新拖车或另一用过的能量存储单元。如果拖车31本身是自主的，那么它可以留在船舶上，直到能量耗尽后需要取回集装箱进行充电。

如上所述，本实用新型的优点包括岸边进行成本较低的基础设施升级以及避免改变任何基础设施码头区的需要。承载能量存储模块进出船舶的自主车辆可使用与现有货物、卡车或汽车相同的滚装坡道，因此无需对现***头进行改造。自主车辆可以是铰接式卡车，并且能量存储模块可以整合到平板拖车上的标准ISO集装箱中，以便卡车将新拖车和能量存储模块带到码头边，在拖车上从船舶收集用过的能量存储模块，并将其带到码头边，然后把新能量存储模块放在船舶上，在搭载带有用过的能量存储模块的集装箱并使其返回充电站之前，将其留着那里。在其他情况下，拖车可能是自驱动的，并且能够自行驾驶上船和下船到码头区，即使可能需要卡车车头将其从码头区带到充电站。自主卡车车头或拖车可利用现有自主车辆技术来提供运行中的必要能力。

将电池、飞轮或其他类型的电能存储单元充电到给定容量的时间越长，对供电网络的峰值功率处理能力要求就越低。当地电网不太可能需要升级以应对电力船舶，因为本实用新型的***避免了快速充电的需要。对于电池而言，允许更长的充电时间也可能对电池的长期性能更好，而更长的充电时间可能允许使用更便宜的电池，而不必应对快速充电。电池能够达到比永久安装的船上电池更高的充电状态，该船上电池只能在船舶位于港口的短时间内充电。一般来说，海港区具有环境效益，即到访的船舶和船舶充电的方式都能在使用电力***时避免在海港区产生排放物。

Claims (4)

1.一种能量存储供应***，其特征在于，所述能量存储供应***包括适于在船舶上使用的一个或多个能量存储单元；所述能量存储单元中的一个或多个由与和陆上充电站相关的储存设施储存；位于船舶和充电站之间的通信交互装置，使得能量存储需求的通知从船舶接收；以及与充电站相关的自主车辆，用于在充电站和船舶之间运输一个或多个能量存储单元，其中自主车辆包括运输能量存储单元的自主卡车车头和拖车或单个自主自驾驶运输单元，并且其中，在安装在船舶上时，能量存储单元保留在拖车上，并且卡车车头与拖车脱离，或者在安装在船舶上时，能量存储单元保留在自主自驾驶运输单元上。

2.根据权利要求1所述的能量存储供应***，其特征在于，所述能量存储供应***包括安装在ISO标准集装箱或定制尺寸集装箱内并包括能量存储装置的多个能量存储单元。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的能量存储供应***，其特征在于，能量存储单元在安装时经由集装箱的基部内的连接器连接到船只的电力***。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的能量存储供应***，其特征在于，能量存储单元在放置在船舶上或位于陆上充电站时经由能量存储单元侧部或顶部上的连接器、轨道或受电弓连接到船只的电力***。

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