模块化电池组及支持系统的制作方法

模块化电池组及支持系统
1.对相关申请的交叉引用
2.本申请要求了递交于2018年9月11日，且申请号为us62/729,852的美国临时申请的优先权，通过引用将其全部内容并入此处。
技术领域
3.本申请涉及模块化电池系统。


背景技术：

4.已经开发出高性能电池系统并将其部署于不同的用例应用场景，如用于电网和微电网的储能和管理，以及用于可再生能源融合(例如，太阳能、风能、水能等)。例如，太阳能可以收集并储存在电池系统中，以在高能耗时期间使用，比如在空调的能源需求远远高于平均值的夏季。
5.当前一些电池系统使用固定尺寸的容器(例如，40英尺的容器)来容纳系统的组件。然而，固定尺寸的容器有很多缺点。例如，大型容器允许人员进入，因此要遵守建筑规范。固定尺寸的容器仅限于安装在能够容纳其尺寸的空间内，且安装在固定尺寸的容器内的系统被限制为所规定的尺寸，通常会导致空间浪费。因此，需要改进的电池系统和壳体。


技术实现要素：

6.本申请所描述技术的实施例涉及包含模块化壳体的电池系统。该模块化壳体允许根据选定安装地点的尺寸和其他要求(例如，电力需求、加热和冷却需求)定制模块化电池系统。
7.在一个代表性实施例中，在模块化电池系统中使用的模块化单元可以包含壳体、置于所述壳体内的中央部件，和耦合至所述壳体且可操作地耦合至所述中央部件的一个或多个配电器单元。所述壳体可以包含顶部、基部和两个侧部。所述模块化单元可被配置为可操作地连接至一个或多个额外的模块化单元，以构建模块化系统。
8.在一些实施例中，所述模块化单元的所述中央部件可以包括电池组、hvac单元、加热单元、冷却单元、灭火单元、汽车充电单元、太阳能单元、电网连接器单元、逆变器单元、ac收集单元、dc收集单元，或其任意组合。
9.在一些实施例中，所述配电器单元包括电缆槽、模块化汇流条，或其任意组合。
10.在一些实施例中，所述壳体的所述侧部中的一个或多个包括被配置为允许用户访问所述中央部件的门。
11.在另一代表性实施例中，模块化电池系统可以包括多个模块化单元。每一模块化单元包括壳体、置于所述壳体内的中央部件，和配电器单元。所述壳体可以具有顶部、基部和两个侧部，且可以界定一个或多个开口。所述配电器单元能够耦合至所述壳体且能够可操作地耦合至所述中央部件。所述模块化电池系统还可以包括被配置为将相邻模块化单元彼此耦合的一个或多个密封件。所述模块化单元能够彼此相邻地布置，以使得第一模块化
单元的第一开口与第二模块化单元的第二开口相通。
12.在一些实施例中，所述多个模块化单元的所述中央部件可以包括电池组、hvac单元、加热单元、冷却单元、灭火单元、汽车充电单元、太阳能单元、电网连接器单元、逆变器单元、ac收集单元、dc收集单元，或其任意组合。
13.在一些实施例中，所述模块化电池系统还可以包括一个或多个终端单元。所述一个或多个终端单元被配置为覆盖所述壳体中的所述一个或多个开口中的一个。所述终端单元可以包括耦合至其外表面的电缆盒。
14.在一些实施例中，所述密封件可以包括耦合至连接件的紧固件，所述连接件位于所述第一模块化单元和所述第二模块化单元之间。在一些实施例中，所述密封件还可以包括置于所述连接件和所述紧固件之间的垫片。在其他实施例中，所述密封件还可以包括置于所述连接件和所述紧固件之间的硅胶。
15.在另一代表性实施例中，一种用于安装模块化电池系统的方法可以包括：提供第一模块化单元和第二模块化单元。每一模块化单元可以包括：壳体、置于所述壳体内的中央部件，和耦合至所述壳体且可操作地耦合至所述中央部件的配电器单元。所述壳体可以具有顶部、基部和两个侧部，且可以界定一个或多个开口。所述方法还可以包括：将所述第二模块化单元与所述第一模块化单元相邻布置，以使得所述第一模块化单元的第一开口与所述第二模块化单元的第一开口相通，且使得所述第一模块化单元和所述第二模块化单元之间形成连接件。可以使用一个或多个密封件将所述第一模块化单元和所述第二模块化单元耦合在一起，且可以将所述第一模块化单元的所述中央部件和所述第二模块化单元的所述中央部件电连接。
16.在一些实施例中，使用一个或多个密封件将所述第一单元和所述第二单元耦合在一起的操作可以包括：提供一个或多个包括垫片和紧固件的密封件，将所述垫片放置于所述连接件上，将所述紧固件放置于所述垫片上，和将所述紧固件耦合至所述第一模块化单元和所述第二模块化单元。
17.在一些实施例中，所述方法进一步包括将所述第一模块化单元的所述配电器单元可操作地耦合至所述第二模块化单元的所述配电器单元。
18.通过下面的详细描述结合参考附图，本发明的前述和其他目的、特征及优点将变得更加明显。
附图说明
19.图1是模块化单元的一个示例性实施例的立体图。
20.图2是图1中所述模块化单元的立体图。
21.图3—5是图1中所述模块化单元的多种视图。
22.图6是模块化单元的一个示例性实施例的立体图。
23.图7是模块化单元的一个示例性实施例的立体图。
24.图8是图7中所述模块化单元的立体图。
25.图9是模块化电池系统的示例性实施例的侧视图；出于图示的目的，移除了所述壳体的所述侧部。
26.图10是模块化单元的示例性实施例的侧视图；出于图示的目的，移除了所述壳体
的所述侧部。
27.图11是图9中所述模块化电池系统的俯视图；出于图示的目的，移除了所述壳体的所述顶部。
28.图12是模块化电池系统的示例性实施例的俯视图；出于图示的目的，移除了所述壳体的所述顶部。
29.图13—15示出了模块化单元的示例性实施例的不同视图。
具体实施方式
30.以下描述了模块化电池系统的实施例以及用于安装这种系统的方法。模块化电池系统可以由多个模块化单元组成。所述模块化电池系统可以，例如，被配置为连接到电网，使得在过量发电期间，多余的电力可以被存储在所述模块化电池系统中以供后续使用。
31.图1—5示出了一个实施例的示例性模块化单元100，其被配置为模块化电池单元。如图1所示，模块化单元100通常包括壳体102、置于在壳体内的中央部件104，和一个或多个配电器单元106。多个模块化单元100可以耦合在一起以形成模块化电池系统(参见，例如，图9中的模块化电池系统400)。
32.壳体102可以包含顶部108、基部110、第一侧部112和第二侧部114(参见图2)。壳体102可在该壳体的与侧部112、114相邻的相对侧上界定第一孔或开口116以及第二孔或开口118(见图5)。在一些实施例中，如图所示，基部110可以包括叉车孔120，其被配置为使得叉车的尖齿可以延伸到孔120中以举起和放置模块化单元100。叉车可用于布置一个或更多个模块化单元，以构建模块化电池系统。壳体102的侧部112、114可以包括门或舱口132，其允许用户访问壳体102内的中央部件104。
33.在一些实施例中，模块化单元100可以具有从壳体102的基部110延伸的凸缘134，以利于将模块化单元耦合到一个或多个额外模块化单元。相邻模块化单元的凸缘可以重叠，从而产生一个表面，可以在该表面上放置一个密封件以将模块化单元彼此耦合，如下文中更为详细描述的那样。在其他实施例中，代替或除了从基部延伸的凸缘，模块化单元可以具有从顶部和/或侧部延伸的凸缘。
34.参考图4，在一些实施例中，模块化单元100还可以包括木制壳体122，其被配置为使得模块化单元可被运输。
35.模块化单元100可具有宽度w、高度h(见图3)和长度l。宽度w可从第一侧部112延伸至第二侧部114，高度h可从基部110延伸至顶部108，且长度l可从第一开口116延伸至第二开口118。在示出的实施例中(参见图5)，模块化单元100具有正方形的横截面，即，长度l和宽度w相等。然而，在其他实施例中(参见，例如，图15)，模块化单元可具有，例如，矩形的横截面，其中，长度大于宽度或者相反。
36.在特定的实施例中，模块化单元100的高度可在大约1500mm至大约2500mm之间，长度在大约1500mm至2500mm之间，并且宽度在大约1500mm至大约2500mm之间。现在参见图3—5，在一个具体的示例中，模块化单元100的高度h可以是1950mm，宽度是2150mm并且长度是2150mm。现在参见图13—15，在另一具体的示例中，模块化单元700的高度h2可以是2250mm，宽度w2是1559mm并且长度l2是2150mm。对于空间有限的安装地点，这种模块化单元的狭窄形状是更可取的。
37.中央部件104可以被布置于壳体102内，使得中央部件104紧靠或几乎紧靠侧壁112、114(参见例如图5)。中央部件104可以包含以下各种单元中的任何一者，包括但不限于：电池单元，加热、通风和空调(hvac)单元，灭火单元，汽车充电单元，太阳能单元，电网连接器单元，逆变器单元，ac收集单元，dc收集单元，或其任意组合。
38.图1—5示出了模块化单元100的特定实施例。所述模块化单元100具有包括一个或多个电池组124的中央部件104。每个电池组124可包括串联连接的一个或多个电池芯或电池包126。出于图示的目的，图1—2中省略了电池包126。在示出的实施例中，中央部件104可包括两个电池组124，每一电池组包括17个电池包126和串控制器128。这些电池组可以是增强型交换平衡网络的一部分，或者伴随增强型交换平衡网络的全部或多个部分，如同时待审的申请号为us16/101032的美国申请中所述一样，通过引用将其全部内容并入此处。这些电池组可以是增强型电池管理系统的一部分，或者伴随增强型电池管理系统的全部或多个部分，如同时待审的申请号为us16/101045的美国申请中所述一样，通过引用将其全部内容并入此处。
39.在一些实施例中，如图3—5所示，每一电池组可以具有三乘六配置方式，每一电池组具有三列六行，从而形成18个电池芯，其中可以布置电池包或其他组件。在其他实施例中，如图13—15所示，每一电池组可以具有二乘九配置方式，每一电池组具有两列九行，每一电池组形成18个电池芯，其中可以布置电池包或其他组件。例如，在特定的实施例中，电池组124可以包含17个电池和1个用于构建1000伏特串的串控制器。
40.如图1—2所示，电池包126可以布置于固定在壳体102上的支架135上。每个电池包126可以被配置为相对于支架可滑动，从而使得每一电池包126被单独地替换或调整。电池包126的电池芯可以是锂离子电池，或任何其他已知的或未来的电池芯类型。代替或除了电池包126以外，电池组124可包括例如串控制器、多个平衡控制器、多个芯组控制器、多个芯组继电器和/或多个芯组。
41.图6示出了模块化单元200的另一特定实施例。模块化单元200类似于模块化单元100，除了模块化单元200具有包括ac和/或dc收集单元204的中央部件202之外。
42.图7—8示出了模块化单元300的又一特定实施例。模块化单元300类似于模块化单元100和200，除了模块化单元300具有包括hvac系统304的中央部件302之外。模块化单元300还可以包括：位于第一和/或第二侧壁308、310中的一个或多个通风口306。
43.如下文更详细地描述，模块化电池系统(例如，图9中所示的模块化电池系统400)可以由多个模块化单元形成，每一模块化单元可以具有相同或不同的中央部件。为了便于描述，具有包括一个或更多个电池的中央部件的模块化单元将被称为“模块化电池单元”，具有包括一个或多个hvac单元的中央部件的模块化单元将被称为“模块化hvac单元”，具有包括一个或多个灭火单元的中央部件的模块化单元将被称为“模块化灭火单元”等，并且这些将被统称为“模块化单元”。
44.再次参考图1，每一模块化单元100可以包括一个或多个配电器单元106。如下文更详细地描述，当被布置为模块化电池系统的一部分时，每个模块化单元100的配电器单元106可以被可操作地连接到相邻模块化单元(例如，模块化单元100、200和/或300)的配电器单元106。如图1和2所示，配电器单元106可以，例如延伸穿过顶部108。在其他实施例中(参见例如图9)，配电器单元可以位于模块化单元的下方(例如，耦合至基部的外表面)。
45.配电器单元106可以包括电缆槽。所述电缆槽被配置为容纳从中央部件104延伸的多条电缆(未示出)。在其他实施例中，配电器单元106可以包括可操作地连接到中央部件104的一个或多个汇流条。
46.现在参考图3，模块化单元100还可以包括一个或多个风扇层130和/或一个或多个加热层132。风扇层130可以包括一个或多个风扇单元，且可以布置在顶部108的内表面上。例如，在图示实施例中示出了三个风扇单元，然而，在其他实施例中，可以使用更多或更少数量的风扇单元。风扇层可被配置为降低模块化单元内的温度，以便为中央部件提供最佳温度(例如，提供适于电池功能的最佳温度)。一个或多个加热层132可包括一个或多个加热单元。加热层可布置在中央部件104下方和/或延伸穿过中央部件104的中央部分。例如，图示实施例示出了两个加热层132，第一加热层包括六个加热单元并布置在与壳体102的基部110相邻的中央部件104下方，且第二加热层132包括延伸穿过中央部件104的中央部分的六个加热单元。在其他实施例中，可以使用更多或更少数量的加热单元。加热层可被配置为提高模块化单元内的温度，以便为中央部件提供最佳温度(例如，提供适于电池功能的最佳温度)。
47.多个模块化单元可以耦合在一起，以形成模块化电池系统。可以使用密封件将每一模块化单元耦合到一个或更多个相邻模块化单元。构成模块化电池系统的模块化单元可以具有各种不同的中央部件(例如，电池组、hvac单元、加热单元、冷却单元、灭火单元、汽车充电单元、太阳能单元、电网连接器单元、逆变器单元、ac收集单元、dc收集单元，或其任意组合)。具有各种中央部件中任意一种的模块化单元的任意组合都可用于形成模块化电池系统。
48.可根据系统要求选择模块化电池系统的模块化单元的中央部件。在特定示例中，如图9—10所示，示例性模块化电池系统400可包括两个模块化ac和/或dc收集单元410、420，四个模块化电池单元430、440、450、460，和一个模块化hvac单元450，每一模块化电池单元分别包括一个或多个电池组432、442、462、472。模块化hvac单元450可以包括两个hvac系统452、454，所述hvac系统452、454被配置为加热、冷却模块化电池系统400并使其通风。hvac系统可耦合到贯穿模块化电池系统400的管道。例如，图10示出了模块化hvac单元500，其具有耦合到管道504的单个hvac系统502。
49.再次参考图9，每个模块化单元410、420、430、440、450、460、470的配电器单元402可以操作地连接到相邻的模块化单元，使得从每一模块化单元410、420、430、440、450、460、470的中央部件延伸的电缆可以至少部分地沿着模块化电池系统400的长度延伸。在其中配电器单元是电缆槽的实施例中，可操作地耦合电缆槽可以包括将电缆槽对齐，使得电缆可以从一个模块化单元延伸到另一个模块化单元中，直到电缆到达模块化电池系统的终端。
50.图12示出了模块化电池系统600的另一特定示例。模块化电池系统600具有两个模块化ac和/或dc收集单元610、620和四个模块化电池单元630、640、660、670，除了以下区别之外，模块化电池系统600类似于模块化电池系统400：具有两个模块化hvac单元650和680，每一者分别包括一个hvac系统652和682。
51.模块化电池系统的模块化单元可以彼此相邻放置，使得第一模块化单元的开口与第二模块化单元的开口相邻，从而形成具有连续内腔的区段。
52.可以使用一个或多个密封件将模块化单元耦合在一起。所述密封件可被配置为防
止水通过相邻模块化单元之间的连接件进入模块化电池系统的内腔。所述密封件可包括例如紧固件，所述紧固件被配置为覆盖所述连接件并耦合到所述连接件任一侧上的模块化单元(例如，使用焊接、黏合剂或诸如螺栓、夹具或闩锁之类的机械装置)。紧固件可以包括多种材料中的任一种，例如，金属、橡胶、聚合物等。密封件还可以包括被配置为提供额外防水效果的垫片或硅胶。在一些实施例中，密封件不需要包括紧固件，并且可以仅包括垫片、橡胶密封件或硅胶。
53.一旦组装在选定的配置中，模块化电池系统可具有第一终端开口(例如，第一终端模块化单元的第一开口)和第二终端开口(例如，第二终端模块化单元的第二开口)。例如，在图2所示的配置中，模块化电池系统400的第一终端开口是最左侧模块化单元410的最左侧开口412，且第二终端开口是最右侧模块化单元470的最右侧开口474。在其他实施例中，模块化电池系统可以具有分支配置，并且可以包括三个或更多个终端。
54.模块化电池系统的终端开口可以用终端单元盖住或限制，以防止水或其他潜在的破坏元素进入。终端单元可以包括盖，所述盖被配置为安装在模块化单元的开口上、安装在模块化单元的开口内或密封模块化单元的开口，从而防止对所述中央部件的访问，并防止水或其他潜在的破坏元素通过模块化单元的开口进入。在一些实施例中，终端单元还可以包括收集器，例如全天候电缆和/或电力箱，所述收集器耦合到终端单元的外表面并且被配置为从配电器单元收集多条电缆并提供对电缆的访问。
55.在模块化电池系统内形成的连续内腔是有利的，因为它允许使用共用的hvac单元来加热、冷却特定模块化电池系统的所有模块化单元并对其通风，而不是要求每一模块化单元使用单独的加热和冷却系统。同时，连续内腔允许电缆沿着模块化电池系统的长度方向在多个模块化单元之间(例如，在配电单元内)铺设，并被例如包括收集器的终端单元收集。
56.在一些实施例中(参见例如图11中的模块化电池系统400)，模块化电池系统内的每个模块化单元可以具有相同或相似的尺寸。在其他实施例中(参见例如图12中的模块化电池系统600)，一些或所有模块化单元的尺寸可以不同。
57.在一些实施例中，模块化电池系统还可以包括被配置为转弯单元的模块化单元。转弯单元可以具有一个l形壳体，并且可以被配置为在模块化电池系统的整体形状中创建右转弯或左转弯。转弯单元可以任选地包括中央部件，并且可以包括一个或多个配电器单元。
58.模块化电池系统可按以下示例性方式安装。第一模块化单元(例如，第一模块化电池单元)可以与第二模块化单元(例如，第二模块化电池单元)相邻布置。第一和第二模块化单元可以对齐，使得第一模块化单元的第二开口与第二模块化单元的第一开口连续，并且使得第一模块化单元的配电器单元可操作地连接到第二模块化单元的配电器单元。
59.然后，可以使用一个或多个密封件将相邻的模块化单元耦合在一起。例如，垫片可以沿着相邻模块化单元之间的连接件对齐，且金属紧固件可以放置在垫片上并使用焊接或其他紧固装置耦合到第一和第二模块化单元。
60.第三模块化单元，例如模块化hvac单元，可以使用上述方法耦合到第二模块化单元。第四模块化单元，例如电网连接器单元，可以使用上述方法耦合到第三模块化单元。可根据所选安装地点的空间和/或电力需求添加额外的模块化单元。
61.一旦所选定的模块化电池系统配置已经被安装和耦合在一起，可使用两个或多个终端单元盖住系统的终端开口。每个终端单元可以使用例如上述耦合方法耦合到终端开口。一旦完全组装，可以使用壳体侧部的门对模块化单元的中央部件进行访问。
62.这里描述的模块化电池系统易于组装、模块化的性质，使得能够根据选定安装位置的尺寸和电力需求对系统进行定制。
63.通用考虑
64.出于此说明的目的，这里描述了本申请实施例的某些方面、优点和新颖特征。所公开的方法、装置和系统不应以任何方式解释为限制性的。相反，本申请是针对各种公开实施例的本身和彼此的各种组合和子组合的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所述方法、装置和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求任何一个或更多个特定优点是已存在的，也不要求问题是已解决的。
65.尽管一些公开的实施例的操作是以特定的顺序描述的，以便于呈现，但是应该理解，这种描述方式包括重排，除非下文所述的特定语言需要特定的顺序。例如，在某些情况下，顺序描述的操作可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出，所公开的方法与其他方法结合使用的各种方式。另外，本说明书有时使用诸如“提供”或“实现”之类的术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高度抽象。与这些术语相对应的实际操作可以根据特定实施方式而变化，并且容易被本领域技术人员辨别。
66.本申请所描述的所有特征彼此独立，除非在结构上不可能，否则可与本申请所描述的任何其他特征结合使用。
67.在本申请和权利要求书中，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“a”、“an”和“the”包括复数形式。此外，术语“包含”是指“包括”。另外，术语“耦合”和“相关联”通常是指电力、电磁和/或物理地(例如，机械或化学地)耦合或连接，且在不存在特定的相反语言时，不排除耦合的或相关联的项目之间存在中间元素。
68.在下面的描述中，可以使用某些术语，例如“上”、“下”、“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”等等。在适用的情况下，这些术语用于在处理相对关系时提供一些清晰的描述。但是，这些术语并不意味着暗示绝对关系、位置和/或方向。例如，对于一个物体，可以简单地通过翻转物体将“上”表面变成“下”表面。尽管如此，它仍然是同一个物体。
69.除非另有说明，否则说明书或权利要求书中使用的表示尺寸(如高度、宽度、长度等)、角度、组件数量、百分比、温度、力、倍数等的所有数字应理解为被术语“大约”修正。因此，除非另外被暗示地或明示地说明，所给出的数值参数是近似值，其可取决于本领域普通技术人员所熟悉的测试条件/方法下所寻求的理想特性和/或检测极限。当直接且明确地将实施例与所讨论的现有技术区别开来时，除非记载了“大约”一词，否则实施例编号不是相近的。此外，本文所述的所有备选方案并非都等价的。
70.鉴于本发明的原理可应用于许多可能的实施例，应当认识到，所示的实施例只是本发明的优选示例，而不应被视为限制本发明的范围。相反，本发明的范围由以下权利要求限定。因此，要求保护这些权利要求的范围和精神在内的所有内容。