JP7641108B2

JP7641108B2 - バッテリーシステムおよびバッテリーシステムを運用するための方法および制御装置

Info

Publication number: JP7641108B2
Application number: JP2020189504A
Authority: JP
Inventors: モーリッツ・ヘンケ; ズザンネ・レーナー
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: Everllence SE
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2025-03-06
Anticipated expiration: 2040-11-13
Also published as: CA3095826A1; KR20210058660A; DE102019130683A1; CN112803512A; US20210151997A1; CH716792A2; US11973359B2; JP2021083304A; CH716792B1; FI20206067A1

Description

本発明は、それぞれがインバータを含み、それぞれが変圧器を含み、それぞれがバッテリーを含む、並列に接続された複数のバッテリーストリングを有するバッテリーシステムを運用するための方法および制御装置に関する。さらに、本発明はバッテリーシステムに関する。

特許文献１から、並列に接続された複数のバッテリーストリングを有するバッテリーシステムが知られている。並列に接続された各バッテリーストリングは、それぞれバッテリー、インバータ、および変圧器を備える。ここで、特許文献１は、充電と放電を効率的に可能にする詳細に関するものであり、この先行技術によれば、並列に接続されたバッテリーストリングのバッテリーの利用可能な最大充電容量が等しくなく、少なくとも１つのバッテリーには、別のバッテリーとは異なる最大充電容量を有するといことが前提条件である。

特に、並列に接続されたバッテリーストリングのバッテリーが同じまたは同一の最大充電容量を有する場合に、複数のバッテリーストリングが並列に接続され、それぞれがバッテリーを含み、それぞれがインバータを含み、それぞれが変圧器を含むバッテリーシステムの効率的な充電および放電を確実にする必要がある。したがって、バッテリーシステムを運用するための新しいタイプの方法および制御装置、ならびに並列に接続されたバッテリーストリングのバッテリーの最大充電容量に関係なくバッテリーシステムの効率的な充電プロセスおよび放電プロセスを可能にする対応するバッテリーシステムが必要であり、特にすべてのバッテリーの最大充電容量が同じである場合、および特にバッテリーの最大充電容量が異なる場合に使用することができる。

米国特許第１０，１４１，７５３号明細書

ここを始点として、本発明は、バッテリーシステムおよびバッテリーシステムを運用するための新しいタイプの方法および制御装置を作成するという目的に基づいている。

目的は、請求項１に記載の方法で解決される。

各バッテリーには、最大充電容量と現在の動作状態で利用可能な容量があり、放電中は、現在利用可能な容量は、それぞれのバッテリーの充電状態に対応し、充電中は、現在利用可能な容量は、最大充電容量とそれぞれのバッテリーの充電状態の差に対応する。バッテリーシステムの充電中に要求される総充電出力および／またはバッテリーシステムの放電中に要求される総放電出力は、バッテリーストリング全体、したがってバッテリー全体に部分出力として分配され、したがって並列に接続されたバッテリーストリングのバッテリーの現在利用可能な容量に応じて分割される。

本発明では、バッテリーシステムの放電および充電のために、放電または充電に利用可能であり、並列に接続されたバッテリーの現在利用可能な容量を考慮に入れ、並列に接続されたバッテリーストリングのバッテリーの現在利用可能な容量に応じて、要求された総出力、すなわち、要求された総放電出力または要求された総充電出力を、バッテリーストリング、したがってバッテリーストリングのバッテリーに対する部分出力として分配し、分割することが提案される。これにより、並列に接続されたバッテリーストリングの個々のバッテリーの最大充電容量が同じであるか、または互いに異なるかに関係なく、比較的簡単な手段でバッテリーシステムの効率的な充電と放電が可能になる。

優先的には、バッテリーシステムの充電中に要求される総充電出力または放電中に要求される総放電出力は、より低い利用可能容量を有するようなバッテリーストリングと比較してバッテリーがより高い利用可能容量を有するようなバッテリーが、優先的に主に充電および放電に使用され、対応する部分出力の負荷がかかるような方法で、バッテリーストリング全体に部分出力として分配される。これは、充電要求時に並列に接続されたバッテリーシステムのバッテリーストリングのバッテリーを効率的に充電し、放電要求時に効率的に放電するために特に好ましい。

有利なさらなる開発によれば、複数のバッテリーストリングが同時に利用され、部分出力、すなわち、それぞれ利用されるバッテリーのそれぞれの現在利用可能な容量に対応する相互に関連する部分出力の負荷がかかる。ここでは、バッテリーシステムのバッテリーストリングの総量の定義された部分に最大に対応する、バッテリーストリングの定義された部分量以下が同時に利用され、部分出力の負荷がかかることが規定され得る。さらに、バッテリーシステムのそのようなバッテリーストリングのみが利用され、総出力におけるそれぞれの部分出力のそれぞれの部分が定義された第１の制限値よりも大きい部分出力の負荷がかかることが規定され得る。さらに、同時に利用されるバッテリーストリングの量は、要求された総充電出力または要求された総放電出力と、同時に利用されるバッテリーストリングの利用可能な部分出力の合計の商が定義された第２の制限値より大きく、１より小さくなるように決定され得る。本発明のこのさらなる開発が特に好ましい。上記の基準に応じて、単独で使用することも、互いに組み合わせて使用することもできる。複数のバッテリーストリングが同時に使用され、要求された総充電出力または要求された総放電出力を提供して、部分出力が負荷される。

バッテリーシステムを運用するための制御装置は、請求項１０に、バッテリーシステムは請求項１１に定義されている。

本発明の好ましいさらなる開発は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、これに限定されることなく、図面によってより詳細に説明される。

本発明を説明するためのバッテリーシステムの概略図である。

図１は、エネルギーシステム１１に接続された高度に図式化されたバッテリーシステム１０を示す。エネルギーシステム１１は、バッテリーシステム１０に蓄えられる電気エネルギーを提供するか、またはバッテリーシステム１０を放電しながらバッテリーシステム１０に蓄えられた電気エネルギーをバッテリーシステム１０から引き出す電力システムである。

本発明によるバッテリーシステム１０は、並列に接続された複数のバッテリーストリング１２、１３、および１４を備える。各バッテリーストリング１２、１３、および１４は、バッテリー１５、１６または１７、インバータ１８、１９および２０、ならびに変圧器２１、２２、２３を含む。

さらに、バッテリーシステム１０は、並列に接続された複数のバッテリーストリング１２、１３、１４のバッテリーシステム１０を運用するよう機能する制御装置または調整装置２４を備える。図１の点線によれば、制御装置２４は、エネルギーシステム１１と同様に、個々のバッテリー１５、１６、１７、ならびに個々のインバータ１８、１９、２０とデータを交換する。

バッテリーシステム１０の動作状態に応じて、各バッテリー１５、１６、および１７を充電および放電することができる。電気エネルギーをバッテリーシステム１０に蓄える場合、バッテリー１５、１６、１７をより多く充電することができる。対照的に、電気エネルギーがバッテリーシステム１０から引き出される場合、バッテリー１５、１６、１７はその過程でより多く放電することができる。

各バッテリー１５、１６、１７には、最大充電容量が設けられている。並列に接続されたバッテリーストリング１２、１３、１４のバッテリー１５、１６、１７の設定された最大充電容量は、同一であるか、または互いに異なる可能性がある。

バッテリーシステム１０の現在の動作状態では、各バッテリー１５、１６、１７は、現在利用可能な容量を有する。放電中、この現在利用可能な容量は、それぞれのバッテリーのいわゆる充電状態（ＳＯＣ）に対応する。充電中、現在利用可能な容量は、最大充電容量とそれぞれのバッテリー１５、１６、１７の充電状態の差に対応する。

現在の動作状態で利用可能なバッテリー１５、１６、１７の容量は、バッテリー１５、１６、１７によって入力量として制御装置２４に提供される。同様に、充電動作中に要求される総充電出力または放電動作中に要求される総放電出力は、入力量として制御装置２４に提供される。これに応じて、制御装置２４は、最適かつ効率的な充電動作または放電動作を提供するために、インバータ１８、１９および２０を作動させる。ここで、バッテリーシステムの充電中に要求される総充電出力およびバッテリーシステム１０の放電中に要求される総放電出力は、並列に接続されたバッテリーストリング１２、１３、１４のバッテリー１５、１６、１７の現在利用可能な容量に応じて、部分出力として、バッテリーストリング１２、１３、１４、したがってバッテリー１５、１６、１７に分配される。

ここで、より低い利用可能容量を有するバッテリー１５、１６、１７のバッテリーストリング１２、１３、１４と比較して、より大きい利用可能容量を有するバッテリー１５、１６、１７のバッテリーストリング１２、１３、１４が充電および放電のために優先的に、主に利用され、対応する部分出力の負荷がかかるように、要求された総出力、すなわち、充電中に要求された総充電出力および放電中に要求された総放電出力が、バッテリーストリング１２、１３、１４に部分出力として分配される。

ここで、優先的に、主に要求された総出力を提供するための部分出力の負荷がかかるバッテリーストリング１２、１３、１４のバッテリー１５、１６、１７が、バッテリーシステム１０の他のバッテリーと比較して、高い利用可能容量に加えて、好ましくは低経年変化および／または好ましくは短い動作時間および／または好ましくは低いアンペア時スループットを有するように、バッテリー１５、１６、１７の劣化状態および／またはアンペア時スループットおよび／または動作時間負荷をさらに考慮に入れることができる。

本発明の第１のさらなる開発によれば、充電動作または放電動作中に、可能な限り少ないバッテリーストリング１２、１３、１４が同時に利用されることが可能である。これは主に、それぞれ最大の利用可能な容量を持つ単一のバッテリーストリング１２、１３、１４は、このバッテリーストリングが単一にその部分出力を介して要求された総出力を提供できずに、追加のバッテリーストリングが使用され、対応する部分出力が負荷される前には、その部分出力によってフルに負荷されるということが起こる。このさらなる開発によれば、可能な限り少ないバッテリーストリングが並列に動作し、可能であれば、単一のバッテリーストリングだけで、その後、対応する部分出力が追加のバッテリーストリングに負荷がかかる。ここでは、現在利用可能な最大容量を持つバッテリーストリングには常に優先的にまたは主に負荷がかかるか、追加的に負荷がかかる。

したがって、本発明の第１のさらなる開発によれば、バッテリーが最大の利用可能な容量を有するバッテリーストリングの負荷が、要求された総出力を提供するのに十分でない場合、バッテリーが２番目に利用可能な容量を有するバッテリーストリングに追加で負荷がかかる。同じ利用可能な容量がいずれも足りない場合は、バッテリーが３番目に利用可能な容量が大きいバッテリーストリングに追加で負荷がかかる。

本発明の第２のさらなる開発によれば、好ましくは、複数のバッテリーストリング１２、１３、１４が常に同時に利用され、部分出力、すなわち、バッテリーストリング１２、１３、１４のバッテリー１５、１６、１７のそれぞれ現在利用可能な容量に対応する相互に関連する部分出力が負荷される。

ここで、すべてのバッテリーストリング１２、１３、１４は、本発明の第２のさらなる開発の第１の形態に従って同時に利用することができ、充電出力が、それぞれのバッテリーストリング１２、１３、１４のそれぞれのバッテリー１５、１６、１７の現在利用可能な容量に関連して負荷される。

本発明の第２のさらなる開発の第２の形態によれば、並列に接続されたすべてのバッテリーストリング１５、１６、１７が同時に利用されず、部分出力が負荷されず、複数のものが利用され、バッテリーシステムのバッテリーストリングの総量の定義された部分に最大に対応する、バッテリーストリングの定義された部分量以下が同時に利用され、部分出力が負荷されるように、使用されるバッテリーストリングの部分量の量が決定される。したがって、例えば、バッテリーストリング１２、１３、１４の総量の５０％以下または７５％以下に、部分出力が同時に負荷され得る。

第２のさらなる開発の第２の形態とともに追加的または代替的に利用することもできる第２のさらなる開発の第３の形態によれば、現在利用可能な容量に依存する総出力におけるそれぞれの部分出力の一部が定義された第１の制限値よりも大きくなるバッテリーシステム１０のバッテリーストリング１２、１３、１４のみが充電動作または放電動作に利用され、部分出力が負荷されるように、同時に利用され、部分出力が負荷されるバッテリーストリング１２、１３、１４、したがってバッテリー１５、１６、１７の数が決定される。これは、このようなバッテリーストリング１２、１３、１４のみが充電または放電に使用され、そのバッテリー１５、１６、１７は、上記で説明したように、バッテリーの現在利用可能な容量に依存する定義された最小出力で動作することを意味する。それぞれの第１の制限値は、それぞれの最小出力に対応する。充電動作中または放電動作中にバッテリーストリングの最小負荷が不足すると、バッテリーストリングがオフになり、充電動作または放電動作に使用されなくなり、部分出力がそれ以上負荷されなくなる。それぞれの部分出力は、他のバッテリーストリングに分配される。充電中または放電中に同時に使用され、部分出力が負荷されるバッテリーストリングの数は、動的に変化する。

さらに、同時に利用されるバッテリーストリングの数、したがって充電動作または放電動作のためのバッテリーの数は、第２のさらなる開発の第２および／または第３の形態に追加的または代替的に利用され得る第２のさらなる開発の第４の形態に従って決定され得、要求された総出力、すなわち要求された総充電出力または総放電出力と、同時に利用されたバッテリーストリングの利用可能な部分出力の合計との間の商が、定義された第２の制限値よりも大きくなり、１以下となるように決定され得る。したがって、この商は、たとえば、０．７（７０％）から１（１００％）の間、または０．８（８０％）から１（１００％）の間である。これらの値の低い方が第２の制限値に対応する。ここでは、部分出力が同時に負荷されるバッテリーストリングの数も動的に変更できる。

第２のさらなる開発のすべての形態において、他のバッテリーストリングのバッテリーよりも利用可能な容量が大きいバッテリー１５、１６、１７、したがってバッテリーストリング１２、１３、１４は、主に、したがって優先的に部分出力が負荷され、したがって、主にまたは優先的に、それぞれの充電動作または放電動作に利用される。

すでに説明したように、どのバッテリーが充電動作または放電動作に優先されるかを決定するために、現在利用可能な容量に加えて、バッテリー１５、１６、１７の劣化状態および／またはアンペア時スループットおよび／または動作時間負荷も考慮に入れることができる。

本発明では、並列に接続された複数のバッテリーストリング１２、１３、１４を有するバッテリーシステム１０の効果的な充電および放電が可能であり、バッテリーストリング１２、１３、１４のそれぞれは、それぞれバッテリー１５、１６、１７、インバータ１８、１９、２０、およびそれぞれ変圧器２１、２２、２３を備え、これらのバッテリーストリングは、バッテリーシステム１０を充電するための出力を提供するか、またはバッテリーシステム１０を放電するための出力を要求するエネルギーシステム１１に接続される。

さらに、本発明は、制御側で上記の方法を実行するために装備された制御装置２４に関する。この目的のために、制御装置２４は、本発明による方法を実行することに関与するアセンブリとデータを交換するためのデータインターフェースを備える。さらに、制御装置２４は、データ処理のためのプロセッサ及びデータ記憶のためのメモリを含む。さらに、本発明は、並列に接続された複数のバッテリーストリング１２、１３、および１４を有するバッテリーシステム１０と、本発明による制御装置２４に関する。

１０バッテリーシステム
１１エネルギーシステム
１２バッテリーストリング
１３バッテリーストリング
１４バッテリーストリング
１５バッテリー
１６バッテリー
１７バッテリー
１８インバータ
１９インバータ
２０インバータ
２１変圧器
２２変圧器
２３変圧器
２４制御装置

Claims

バッテリーシステム（１０）を運用するための方法であって、前記バッテリーシステム（１０）は、電気エネルギーシステム（１１）に接続され、並列に接続された複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）を有し、前記複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）は、それぞれのバッテリー（１５，１６，１７）、それぞれのインバータ（１８，１９，２０）およびそれぞれの変圧器（２１，２２，２３）を備え、
バッテリーストリング（１２，１３，１４）の各バッテリー（１５，１６，１７）を、バッテリーシステム（１０）への電気エネルギーの貯蔵が要求されるバッテリーシステム（１０）の動作状態に応じて充電するステップと、
バッテリーストリング（１２，１３，１４）の各バッテリー（１５，１６，１７）を、バッテリーシステム（１０）からの電気エネルギーの引き出しが要求されるバッテリーシステム（１０）の動作状態に少なくとも部分的に基づいて放電するステップと、
を含み、
各バッテリー（１５，１６，１７）は、設定された最大充電容量および現在の動作状態で利用可能な容量を有し、
放電中のそれぞれの現在利用可能な容量は、それぞれのバッテリー（１５，１６，１７）の充電状態に対応し、
充電中の前記現在利用可能な容量は、前記最大充電容量および前記それぞれのバッテリー（１５，１６，１７）の充電状態の差に対応し、
前記バッテリーシステムの充電中に要求される総充電出力および／または前記バッテリーシステムの放電中に要求される総放電出力は、並列に接続された前記複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）の前記バッテリー（１５，１６，１７）の前記現在利用可能な容量に応じて前記複数のバッテリーストリング、したがって前記バッテリーに部分出力として分配されており、
充電ステップまたは放電ステップ中に同時に使用されるバッテリーストリング（１２，１３，１４）の数を最小限に抑えるステップであって、前記ストリングの最小の数は、前記複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）の前記バッテリー（１５，１６，１７）の現在利用可能な容量が、所定の第１の制限値よりも大きいことに基づく、ステップと、
を含む、方法。
前記バッテリーシステムの充電中に要求される前記総充電出力または放電中に要求される前記総放電出力を、前記複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）に亘って部分出力として分配し、バッテリー（１５，１６，１７）が小さい利用可能な容量を有するバッテリーストリングと比較して、バッテリー（１５，１６，１７）がより大きな利用可能な容量を有するバッテリーストリングが優先的、かつ主に充電および放電のために使用されて対応する部分出力が負荷されるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
追加的にバッテリー（１５，１６，１７）が低経年変化および／または短い動作時間および／または低いアンペア時スループットを有する前記複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）が優先的、かつ主に充電および放電のために使用され、部分出力が負荷される、請求項２に記載の方法。
前記バッテリーストリング（１２，１３，１４）が同時に使用され、単一のバッテリーストリングがその部分出力だけで前記バッテリーシステムの充電中に要求される前記総充電出力または放電中に要求される前記総放電出力を提供することができなくなり、さらなるバッテリーストリングが使用されて部分出力が負荷される前には、各場合において最も大きな利用可能な容量を有する単一のバッテリーストリングがそれぞれの部分出力によって完全に負荷される、請求項２または３に記載の方法。
複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）が同時に使用され、部分出力、それぞれの前記現在利用可能な容量に互いに対応する部分出力を介して部分出力が負荷される、請求項２または３に記載の方法。
前記バッテリーシステム（１０）の前記バッテリーストリングの総数の定義された部分に最大に対応する部分的なストリング（１２，１３，１４）の定義された部分量以下が同時に使用され、部分出力が負荷される、請求項５に記載の方法。
総出力の部分出力のそれぞれの部分が、所定の第１の制限値より大きい前記バッテリーシステム（１０）のバッテリーストリング（１２，１３，１４）のみが使用され、部分出力が負荷される、請求項５または６に記載の方法。
同時に使用されるバッテリーストリングの数は、要求される総充電出力または総放電出力と、同時に使用されるバッテリーストリング（１２，１３，１４）の利用可能な部分出力の合計との商が、所定の第２の制限値より大きく、かつ１以下であるように決定される、請求項５～７のいずれか一項に記載の方法。
全てのバッテリーストリング（１２，１３，１４）が同時に使用され、部分出力が負荷される、請求項５に記載の方法。
充電中または放電中に同時に使用され、部分出力が負荷されるバッテリーストリングの数が、動的に変化する、請求項２に記載の方法。
バッテリーシステム（１０）を運用するための制御装置（２４）であって、前記制御装置が制御側の請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法を実行するように装備されていることを特徴とする、制御装置（２４）。
それぞれのバッテリー（１５，１６，１７）、それぞれのインバータ（１８，１９，２０）、およびそれぞれの変圧器（２１，２２，２３）を備える、並列に接続された複数のバッテリーストリング（１２，１３，１４）を有するバッテリーシステム（１０）であって、請求項１１に記載の制御装置（２４）によって特徴づけられる、バッテリーシステム（１０）。