用于现场发电系统的高效率高电压电池组的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年8月26日提交的美国临时申请no.62/210,053以及于2015年11月3日提交的美国专利申请no.14/931,648的优先权；这两个申请出于所有目的通过引用的方式全文并入本文。

本发明一般地涉及现场发电系统，并且更具体地涉及用于现场发电系统(诸如光伏系统)或者用于备用系统的高效率电池组。

背景技术：

分布式能量生产(诸如太阳能和风能)越来越受欢迎，但是将该能量存储于产生地点(即，现场)的能力是滞后的。在现场产生的能量通常是唯一可用的能量的离网应用中，存储是必要的。但是由于若干原因，即使在并网应用中，对于太阳能的整体价值主张，存储也可能是重要的。首先，在不允许客户在他们所产生的电力超过他们的现场需求时将电力馈送回电网(净计量)的司法管辖区内，存储提供了一种保存该电能并且之后在现场发电不再可行时(例如，在日落之后)使用该电能的方式。其次，即使在允许净计量的司法管辖区内，存储作为在电网断电期间的备用电源，并且还作为一种通过在峰需求的时段内使储能设备放电来帮助客户和/或实体(utilities)削掉其电能需求曲线的峰的方式，也可能是有用的。

过去，在本地存储所产生的能量的唯一实用方式是使用深循环铅酸电池。这些电池又大又重，并且以相对低的电压(例如，12-48伏)操作。因为它们是低电压和很高电流的电池模块，所以必须使用变压器来提供电流隔离，并且必须使用dc/dc降压-升压转换器将电压升高到适合于转化为交流电的电平或者在通过整流交流电来向电池充电时降低电压。由于变压器和dc/dc转换器级的功率损耗，在充电和放电过程中会损失一定的非平凡百分比的效率。

最近，较高电压的锂离子电池组已经被开发出来，用于在较小的形状因数内提供比铅酸电池更好的性能。这些电池的电压范围可以从48伏一直到200-800伏，并且可能甚至更高，取决于电池模块的电解池配置(即，电解池的串联和并联组的数量)。尽管相比于铅酸电池，它们每单位质量能够存储更多的能量(能量密度)，并且还以高得多的电压操作，但它们仍然会受到归因于变压器和dc/dc转换器级的充放电功率损耗的影响。

因此，需要用于减少或消除与电池组相关的功率损失的技术。

技术实现要素：

本公开描述了与改进用于现场发电系统(诸如光伏发电系统)或电源备用系统的电池组的效率和成本的方法和装置相关的各种实施例。

在各种实施例中，用于现场发电系统的高电压电池组包括被配置为提供至少170v的电压的电池模块。电池组还包括串联耦合于电池模块与高电压电池组的正输出端子和负输出端子之间的高速电流检测电路和高速开关。控制电路操作地耦合至高速电流检测电路和高速开关，使得当高速电流检测电路检测到故障状况时，控制电路断开一个或多个高速开关从而使电池模块与高电压电池组的正输出端子和负输出端子之一或两者电隔离。高电压电池组被配置为使得由电池模块提供的至少170v的电压可以在没有中间的dc/dc转换器的情况下被提供到现场发电系统的交流级。

在一些实施例中，高电压电池组被进一步配置为使得由电池模块提供的至少170v的电压可以在没有中间的变压器的情况下被提供到现场发电系统的交流级。

在一些实施例中，高电压电池组还包括耦合于高速电压电池组的正输出端子和负输出端子与串联耦合的高速电流检测电路和高速开关之间的变压器。

在一些实施例中，高速电流检测电路包括第一和第二高速电流传感器，并且高速开关包括第一和第二高速开关。第一高速电流传感器耦合于第一高速开关与电池模块的正端子之间，并且第二高速电流传感器耦合于第二高速开关与电池模块的负端子之间。

在一些实施例中，高速电流检测电路包括第一和第二高速电流传感器，并且高速开关包括第一和第二高速开关。第一高速电流传感器耦合于第一高速开关与电池组的正输出端子之间，并且第二高速电流传感器耦合于第二高速开关与电池组的负输出端子之间。

在一些实施例中，控制电路包括被配置为响应于由高速电流检测电路生成的一个或多个输出信号而生成一个或多个输出信号的微控制器，并且由微控制器生成的一个或多个输出信号被耦合为控制高速开关。

根据各种其它实施例，操作用于现场发电系统的高电压电池组的方法包括以下步骤：将由电池模块生成的至少170v的电压提供到电池组的输出端子上；在没有中间的dc/dc转换器的情况下将电池组的输出端子上的至少170v的电压提供到现场发电系统的交流级；电池组内的故障状况；以及响应于检测到的故障状况，断开高速开关以使电池模块与电池组的输出端子电隔离。

在一些实施例中，由耦合到控制器的高速电流传感器检测故障状况，并且操作高电压电池组的方法还包括以下步骤：响应于检测到的故障状况在高速电流传感器的输出处生成故障信号；在控制器的输入处接收故障信号；响应于故障信号在控制器的输出处生成控制信号；以及在高速开关之一的输入处接收控制信号。

在一些实施例中，操作高电压电池组的方法还包括在没有中间的变压器的情况下将电池组的输出端子上的至少170v的电压提供到现场发电系统的交流级。

在一些实施例中，通过变压器将由多个模块生成的至少170v的电压提供在电池组的输出端子上。

根据各种其它实施例，现场储能系统包括电池模块、高速电流检测电路、高速开关、dc/dc降压-升压转换器和控制电路。高速电流检测电路和高速开关串联耦合于电池模块与dc/dc降压-升压转换器之间，并且降压-升压转换器的输出提供现场储能系统的正输出端子和负输出端子。控制电路操作地耦合至高速电流检测电路和高速开关，使得当高速电流检测电路检测到故障状况时，控制电路断开一个或多个高速开关，从而使电池模块与现场储能系统的正输出端子和负输出端子之一或两者电隔离。现场储能系统被配置为使得由电池模块提供的通过dc/dc降压-升压转换器升压的电压可以在没有中间的变压器的情况下被提供到现场发电系统的交流级。

在一些实施例中，控制电路包括被配置为响应于由高速电流检测电路生成的一个或多个输出信号而生成一个或多个输出信号的微控制器。由微控制器生成的一个或多个输出信号被耦合为控制高速开关。

根据下面结合附图的具体实施方式，本发明的其它方面和优点将变得明显，这些附图通过示例的方式示出了所描述的实施例的原理。

附图说明

为了促进对本公开更好的理解，现在将参考附图，在这些附图中相似的元件用相似的编号来表示。这些附图不应被理解为对本公开的限定，而旨在于仅作为示例。

图1示出了具有集成的交流耦合的电池组的现场发电系统的配置；

图2示出了具有集成的直流耦合的电池组的现场发电系统的配置；

图3更详细地示出了图1和2的电池模块、变压器和dc/dc降压-升压转换器块之间的连接。

图4和5示出了根据本发明的各种实施例的与图2和图1的相应系统类似但具有可显著减少效率损失的改进的电池组和存储逆变器设计的现场发电系统的配置；

图6示出了根据本发明的各种实施例的高压电池组的电路实施方式；

图7是示出图6所示的高电压电池组的操作步骤的流程图；

图8示出了根据本发明的各种实施例的高压电池组的电路实施方式；以及

图9示出了根据本发明的各种其它实施例的电池组的电路实施方式。

具体实施方式

下面的描述旨在传达对于通过提供用于现场发电系统的高效率电池组的众多具体实施例来描述的实施例的深入理解。但是，应当意识到，本发明并不限定于这些具体的实施例和细节，它们只是示例性的。

根据各种实施例，公开了消除了在对电池放电时升高电池电压的需要并且还消除了对内部变压器的需要的高电压电池组。但是，在没有由内部变压器提供的电流隔离的保护的情况下，必须采取步骤来保护电池组免受过电流或浪涌电流状况的影响。在各种实施例中，这通过一个或多个高速开关(例如，高速继电器和固态电力电子开关)和高速电流传感器来完成。一个或多个高速开关和高速电流传感器串联耦合于内部电池模块与电池组的正输出端子和/或负输出端子之间。当高速电流传感器检测到指示故障状况(例如，单线或双线故障)的过电流或浪涌电流时，耦合到高速传感器和高速开关的控制电路使高速开关暂时断开以便在故障状况的持续时间内保护电池模块。以此方式，消除了效率损失以及与降压-升压转换器和变压器相关联的成本，同时电池组始终受到保护以免受故障状况影响。根据本发明的各种实施例，电池组可以与不同类型的现场发电系统以及现场电力备用系统集成在一起。

现在参照图1，该图示出了具有集成的交流耦合电池组102的现场发电系统100的配置。该配置既可以用于住宅也可以用于大型商业系统。在系统100中，来自光伏(pv)模块阵列104的直流(dc)能量被作为输入供应到串逆变器106。串逆变器106包括经由中央电容器组112相互连接的直流侧108和交流侧110。直流侧108可以包括用于对pv能量执行最大功率点跟踪(mppt)的电路，以及用于升高由pv阵列104生成的串电压的dc/dc升压电路109。可替代地，可以使用直流优化器在pv模块层面或n-pv模块层面(其中n为2和40之间的整数)执行mppt。输入端的直流能量可以来自于燃料电池或者任何其它类型的直流能量源。

交流侧110从电容器组112获取能量，并且(经由dc/ac逆变器111)将其转换成交流电流以供应到交流电网114。这典型地涉及使逆变器电力的电压和相位与交流电网互联同步。交流电网并不限定于单相，而是还适用于三相系统(例如，120vac/208vac/230vac/240vac/277vac/400vac/480vac/690vac)。此外，如图1所示，串逆变器的输出也可以连接至也与串逆变器106的交流输出耦合的一个或多个备用负载116。

在系统100中，所谓的存储逆变器或双向电池充电器118位于串逆变器106交流输出与电池组102之间。电池的这种布置被称为交流耦合系统，因为电池组102与电源(例如，pv阵列104或交流电网114)之间的接口是交流接口。

在电池充电期间，存储逆变器118起着将交流电转换成用于对电池模块124充电的直流电的整流器的作用。用于对电池模块124充电的电力可以来自pv阵列104，来自交流电网114，或者来自这两个电源。不管是哪个(或哪几个)电源对电池模块124充电，存储逆变器118起着同样的作用。电力可以流过dc/dc降压-升压电路120，该dc/dc降压-升压电路120使电压降低到用于对电池模块124充电的适当电平。dc/dc降压-升压电路120的目的是双重的。一，在必要的范围内，它将使经整流的直流电压下降到电池模块124的电平。所以，例如，如果经整流的直流电压超过电池模块的最大允许电压(该电压通常会超过，因为交流电网114和串逆变器106提供至少170伏特)，则它将使该电压下降到电池的安全电平。二，在电池模块124的放电期间，将电池模块的低电压升高至对于到交流电网114的交流转换足够高的电平。

在电池模块124的放电期间，离开电池模块124的电力可以再次流过dc/dc降压-升压级120，在dc/dc降压-升压级120处，它会在(通过dc/ac逆变器122)转化为用于供应到交流电网114或备用负载116的交流电之前升高到电网电压电平(例如，170伏特)。所有这些操作(降压和升压)均经过位于电池模块与dc/dc转换器120之间的变压器(在块124中以“xfmr”指示)，因此导致不平凡的效率损失。

发生的升压或降压的大小将会取决于电池组102的电压电平。因此，系统100的往返效率损失几乎为每个方向上的损失的两倍，因为变压器和dc/dc降压-升压120在充电和放电期间被使用。即使在每个方向上只有2％-5％的效率损失，当翻倍时，在电池组的数千次充放电循环的情况下，以kw和kwh计的这些损失在存储系统的10多年的使用寿命内会变得显著。如图1所示，电池组102还包括常规的电池管理系统(bms)125。这一概念也适用于仅具有在电池模块与交流电网之间的存储逆变器的非pv系统。

现在参照图2，该图示出了具有集成的直流耦合的电池组202的现场发电系统200的配置。与图1的系统100不同，系统200是直流耦合的，并且使用逆变器功率控制系统(pcs)206。逆变器pcs206在2015年7月13日提交的美国专利申请no.14/798,069以及2015年4月22日提交的美国临时专利申请no.62/151,257中有更详细的描述，这两个申请的内容通过引用的方式并入本文。

逆变器pcs206是与图1中的双级逆变器106共同拥有一些共同特征的双级串逆变器。例如，存在通过直流链路电容器组212耦合在一起的dc/dc升压级和dc/ac逆变级(逆变级)211。如同图1中的串逆变器106一样，逆变器pcs206可以对来自pv阵列204的直流输入执行mppt，或者，如果使用直流优化器，则可以在到达逆变器pcs206之前于pv模块层面或n模块层面执行mppt。但是，与图1中的典型的pv串逆变器106不同，逆变器pcs206包括在直流(pv)输入处的降压-升压电路或标准dc/dc升压级209，用于执行mppt操作。星号的引入指示降压-升压电路的两个可替换的位置：要么在直流(pv)输入处，如块209所示，要么在直流链路与电池组202的输出之间，如块213所示。

系统200与图1中的系统之间的另一个区别在于：与图1的系统100不同，在系统200中，逆变器pcs206是双向逆变级，所以单独的存储逆变器(诸如图1中的存储逆变器118)不是必要的。当pv系统正在产生能量时，该能量在经过降压-升压电路(块209或块213)之后可以作为直流电直接供应到电池组202，或者它可以被提供到交流级210以进行逆变然后提供到交流电网214或者一个或多个备用负载216。可替代地，dc/ac逆变级211可以对来自交流电网214的交流电进行整流，从而向电池组202供应用于对电池模块224充电的直流电。

在所有模式中，不管电池组202是正在由pv系统充电还是正在由交流电网214充电，或者被放电到备用负载216或交流电网214，流到或来自电池组202的电力都必须流过dc/dc降压-升压电路，从而下降或升高至适当的电压电平，并且还经过变压器(在块223中指示为“xfmr”)，再次导致效率损失。在系统200中，电池组202的电压的范围可以是100至250伏或者甚至更高。还要注意的是，电池组202包括它自己的降压-升压电池保护电路，如块223所示。在电池组202内以及在具有逆变器pcs直流链路的接口处的降压-升压级的重复可以被优化。如图2所示，电池组202还包括常规的电池管理系统(bms)225。

图3更详细地示出了图1和图2的电池组内的电池模块、变压器及dc/dc降压-升压转换器块之间的连接。可以看出，电池模块324提供了相对较低的电压(例如，48v)。电池模块324通过安全继电器303、305连接至变压器301。变压器301进而连接至dc/dc降压-升压转换器304。在图3所示的实例中，dc/dc降压-升压转换器304使由电池模块324提供的电压上升到高电压，如170-1000v。在直流耦合的系统中，例如在图2中，电池模块324、变压器301和dc/dc降压-升压转换器304可以容纳于电池组202(图2)内，并且dc/dc降压-升压转换器304的高电压输出将耦合至pv逆变器pcs，如图2和图3所示。在交流耦合的系统中，例如在图1中，电池模块324和变压器301将被容纳于电池组102(图1)内，dc/dc降压-升压转换器304将被容纳于存储逆变器118(图1)内，并且dc/dc降压-升压转换器304的高电压输出将耦合至存储逆变器118(图1)的中央电容器组119(图1)。

不管电池组是用于交流耦合的系统(诸如在图1中)还是用于直流耦合的系统(诸如在图2中)，电池组都将仍然依赖dc/dc转换器来升高或降低电池电压，并且变压器提供电流/电压源与电池单元之间的电流隔离，从而在异常状况(诸如正线路与负线路之间的短路或者正线路或负线路与地之间的接地故障)期间限制浪涌能量。结果是，在使用具有变压器和dc/dc降压-升压转换器的现代高电压电池时，仍然存在在充电和放电过程中发生的显著的效率损失。变压器可能导致大约3％的效率损失，并且dc/dc降压-升压转换器可能导致大约7％的效率损失。这两个级总共可能导致大约10％的效率损失。

图4和5分别示出与相应的系统200(图2)和100(图1)相似但具有可显著减少效率损失的改进的电池组和存储逆变器设计的现场发电系统400和500。在系统400(图4)中，如交叉线块所示，电池组402内部的变压器和dc/dc降压-升压电路已经被去除。类似地，在系统500(图5)中，电池组502内的变压器以及存储逆变器518中的dc/dc降压-升压已经被去除。以此方式，图4和5中的高电压电池组的正输出端子和负输出端子直接连接至相应系统的交流级，而没有中间的变压器和/或dc/dc降压-升压转换器块。通过去除变压器和dc/dc降压-升压块，消除了与这些块相关的效率损失。

电池模块424(图4)和524(图5)可以是范围为400-500v的高电压电池，并且在某些应用中，甚至可以高达800-1000v或者低于170v，取决于交流电网互联电压。用于电池组402和502的具体电池技术对于本发明不是关键的。任何现代的高电压电池技术甚至未来的电池技术都会符合。使用高电压电池可直接消除在对电池放电时升高电池电压的需要，但是，因为电池组402和502不再具有由内部变压器提供的电流隔离保护，所以需要不同的方法以进行过电流或浪涌电流保护。在各种实施例中，这通过连接于电池组的正输出端子和负输出端子与其内部电池模块之间的一个或多个高速开关来完成。高速开关可以是市场上可购得的高速继电器或固态电力电子开关(诸如mosfet和igbt)，或者高速继电器和固态电力电子开关的组合(为了冗余)。这些高速开关响应于由连接到电池模块的正线路和/或负线路的高速电流传感器检测到的过电流或浪涌电流而激活。当高速电流传感器检测到指示故障状况(例如，单线或双线故障)的过电流或浪涌电流时，耦合到高速传感器和高速开关的控制器使得开关暂时断开，从而在故障/异常状况的持续时间内保护电池。过电流指的是其中检测到的电流大于可接受的操作电流的异常状况。过电流典型为超过可接受的操作电流的一定的百分比。例如，在最大操作电流为20a的情况下，过电流可以低至40a(200％)或60a(300％)，持续时间为毫秒。浪涌电流指的是可以高达1ka(50x)、10ka(500x)或者甚至更高的超高电流，持续时间为微秒。过电流和浪涌电流两种状况都涵盖于故障状况下。在浪涌电流流过电池模块的正端子或负端子之一与系统地线之间的情况下，发生单线路故障状况。当浪涌电流流过电池模块的正端子与负端子之间时，发生双线路故障状况。高速传感器需要能够以足够高的速度操作以允许在故障状况发生的毫秒或微秒时间尺度内(例如，在100微秒内)实现故障保护。

图6示出了根据各种实施例的上述技术的实施方式。图6示出了具有高电压电池模块624的电池组600，该高电压电池模块624提供例如范围为170v-1000vdc的高电压。该电池电压范围对应于范围为120v-690vac(单相或三相)的交流电压，其涵盖了住宅和商业两种应用。电池模块624内的每个电池模块(未示出)可以包括多个电池单元。电池模块及其电池单元可以串联和/或并联连接，以提供必要的电池电压和电流。在图6中，高速电流传感器650连接于高速开关654与电池模块624的正端子之间。高速电流传感器652连接于高速开关656与电池模块624的负端子之间。高速开关654连接于高速传感器650与电池组600的正输出端子之间，并且高速开关656连接于高速传感器652与电池组600的负输出端子之间。电池组600还包括控制电路658，控制电路658被连接为接收由高速电流传感器650和652提供的输出信号，并且作为响应生成被耦合为控制高速开关654和656的控制信号。在各种实施例中，控制电路658可以是能够以高速操作的常规的微控制器。

在操作中，当一个或多个高速电流传感器650和652检测到故障状况(例如，单一或双重故障)时，该一个或多个高速电流传感器向控制器块658发送适当的信号。响应于来自高速电流传感器的(一个或多个)信号，控制器块658生成使高速开关654和656暂时断开以便保护电池模块624的控制信号。在故障清除后，电流传感器向控制块658发送适当的(一个或多个)信号，该信号作为响应使高速开关闭合，使得电力可以往返流过电池模块624和逆变器。在各种实施例中，电流传感器650和652能够以足够高的速度操作，使得在检测到的故障状况的数毫秒或数微秒内触发故障保护。电流传感器650和650需要能够立即检测到过电流和浪涌电流(高幅值)。在各种实施例中，具有100khz或更高的操作频率带宽的电流传感器是足够的。此外，基于气体操作(gasoperation)和/或可以以高开关频率(例如，范围为100khz至1mhz)操作的功率mosfet或igbt的高速继电器是足够的。基于高级硅(si)(advancedsilicon)、碳化硅(sic)或氮化镓(gan)的功率mosfet或igbt将是合适的。

当电池组600被用于直流耦合的系统中时，诸如在图4中，电池组600的高电压输出将耦合至pv逆变器pcs，如图4和6所示。在交流耦合的系统中，诸如在图5中，电池组600的高电压输出将耦合至存储逆变器518(图5)的中央电容器组519(图5)。以此方式，电池组600的高电压的正输出端子和负输出端子直接连接至相应系统的交流级，而没有中间的变压器和/或dc/dc降压-升压转换器块。通过去除变压器和/或dc/dc降压-升压块(即，在图3中的块301和304)，与这些块相关联的效率损失被消除。

图7是示出图6中的电池组600的操作步骤的流程图。在步骤702，由电池模块生成的至少170v的电压被提供于电池组的输出端子上。在步骤704，在电池组的输出端子上的至少170v的电压被提供到现场发电系统的交流级，而没有中间的dc/dc转换器和/或变压器。在步骤706，检测到电池组中的故障状况。在步骤708，响应于检测到的故障状况，断开高速开关以使电池模块与电池组的输出端子电隔离。

虽然在图6的实施例中，去除了变压器和dc/dc降压-升压转换器两者，但是在具有低电压电池模块(例如，48v)的应用中，可以并入dc/dc降压-升压转换器以实现降低和升高电压。图8示出了这样的实施例的实施方式。图8的实施方式类似于图6中的实施方式，只是dc/dc降压-升压转换器860被并入高速开关854、856与电池组800的高电压输出端子之间。虽然由于dc/dc降压-升压转换器860而产生了一些效率损失，但是本实施例与包括变压器的电池组相比具有改进的效率和更低的成本。图8示出了在直流耦合的系统中使用电池组800(即，电池组800的输出端子连接至pv逆变器pcs806)。在交流耦合的系统中，诸如在图5中，dc/dc降压-升压转换器860可以并入存储逆变器518(图5)中，而不是并入电池组中。

图9示出了电池组的与图6中的实施方式类似的另一种实施方式，只是变压器901被并入开关954、956与电池组900的高电压输出端子之间。虽然由于变压器901而产生了一些效率损失，但是与包括dc/dc降压-升压转换器的电池组相比，本实施例仍然具有改进的效率和更低的成本。图9示出了在直流耦合的系统中使用电池组900(即，电池组900的输出端子连接至pv逆变器pcs906)。在交流耦合的系统中，诸如在图5中，电池组900的高电压输出将耦合至存储逆变器518(图5)的中央电容器组519(图5)。以此方式，电池组900的高电压正输出端子和负输出端子直接连接至交流耦合的系统和直流耦合的系统的交流级，而没有中间的dc/dc降压-升压转换器。在某些变型中，电流传感器950、952和开关954、956不需要是高速的，因为存在变压器901。

应当注意的是，虽然在图6、8和9中的实施例示出了连接于电池模块与开关之间的电流传感器，但是电流传感器和开关的位置可以反过来，不影响电池组的操作。

在各种实施例中，可能期望在高速开关或电流传感器发生故障的情况下在电池组中包括火灾检测和/或灭火系统。作为替代或附加地，可能期望在电池组中包括一个或多个电弧闪光检测器件，隔离电池组上的电池端子与电池组内的电池模块之间的正线路和负线路。当这些器件检测到一定的强度水平以上的闪光电弧时，它们将自动切断(trip)。

本发明的实施例的范围并不受本文所描述的具体实施例限定。例如，尽管本文所公开的电池组的许多实施例已经在特定的现场pv系统的背景下进行了描述，但是与电池组相关的效率提升可以在其它类型的现场发电系统(例如，风电系统、备用系统)中实现。实际上，除了本文所描述的那些实施例外，根据以上描述和附图，本领域技术人员还应当清楚对本发明的实施例的各种修改。因而，这样的修改意指落入以下所附权利要求书的范围内。此外，尽管在本文中，本发明的一些实施例已经针对为了特定用途而在特定环境下的特定实施方式进行了描述，但是本领域技术人员应当意识到，它的用处并不限定于此，并且本发明的实施例可以出于众多目的而有益地实现于许多环境中。因此，下面所阐明的权利要求应当从本文所公开的本发明的实施例的全部气息(breath)和精神的角度来理解。