用于大规模能量存储的模块的制作方法

本公开总体上涉及用于电力电网稳定的能量存储领域。特别地，本公开涉及能量存储系统中的故障处理。

背景技术：

1、由于电能的生产和消耗两者随时间而变化，稳定电力电网可能存在挑战。为了补偿生产和消耗中的各种峰值，现代电力电网可以包括其中在较低需求的时段期间产生的能量可以至少被暂时存储并且稍后在随后的较高需求时段期间被释放的各种形式的能量存储装置。这种能量存储装置可以包括从大型水电站大坝到小型电池组的所有设备。

2、作为可充电电池的可替代方案，超级电容器已经成为可行选项。由于其构造，超级电容器可以比可充电电池更快地接受和递送电荷，并且还可以经受更多的充电和放电循环。为了允许增加的存储能力，多个超级电容器可以连接在一起(串联和/或并联地)以形成大规模能量存储系统。

3、然而，基于超级电容器的大规模能量存储装置也可能在故障保护能力和即使在故障情况下也能提供不间断服务的能力方面带来挑战。

技术实现思路

1、为了至少部分地克服以上挑战，本公开提供了由独立权利要求限定的一种用于在能量存储系统中使用的模块(以及操作/控制该模块的方法)以及一种能量存储系统。由此从属权利要求限定了模块、能量存储系统和方法的另外的实施例。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种用于在能量存储系统中使用的模块。模块包括第一端子和第二端子，模块可以经由该第一端子和第二端子连接到例如一个或多个其他模块和/或电力电网。模块还包括超级电容器支路，该超级电容器支路包括一个或多个超级电容器的装置。模块还包括电阻式旁路支路，该电阻式旁路支路包括串联连接的至少第一旁路开关和电阻。在模块中，超级电容器支路和电阻式旁路支路并联连接在第一端子和第二端子之间。

3、如本文所用，术语“超级电容器”是指具有高于普通电容器的电容值、但具有较低电压限值的电容器。这种超级电容器桥接普通(电解)电容器和可充电电池之间的间隙。超级电容器也可以被称为“超电容器”或“电化学双层电容器(electrochemical doublelayer capacitor，edlc)”。

4、如果模块内发生故障(例如超级电容器支路中的超级电容器中的一个或多个超级电容器发生短路)，则旁路开关可以闭合，使得超级电容器支路的剩余能量可以经由电阻放电/燃烧。通过降低或清空故障模块内的能量，故障可以被清除，并且例如模块形成其中的部分的能量存储系统的操作可以至少暂时继续如预期的那样操作。

5、在一个或多个实施例中，模块还可以包括包含至少第二旁路开关的直接旁路支路。直接旁路支路也可以在第一端子和第二端子之间与超级电容器支路和电阻式旁路支路并联连接。本文中，词语“直接旁路支路”指的是不依赖于(或不包括)诸如在电阻式旁路支路中发现的串联电阻的支路。

6、可以激活直接旁路支路(通过闭合第二旁路开关)，以便完全旁路模块和超级电容器支路。这可能发生在例如已经通过电阻式旁路支路中的电阻释放/燃烧了足够的能量之后。可以设想例如首先闭合第一旁路开关，通过电阻释放能量，并且然后一旦已经释放足够的能量，通过闭合第二旁路开关来旁路模块/超级电容器支路。本文中，已经放电/燃烧足够的能量可以例如对应于超级其中电容器支路中的剩余能量是低能量使得第二旁路开关的闭合不引入任何安全风险的情况。

7、本文中，“旁路开关”指的是至少足以闭合电路但不一定足以断开电路的开关。换句话说，旁路开关不一定是能够切断高电流通路的断路器。

8、在一个或多个实施例中，模块可以使得不存在一个或多个超级电容器的装置以及第一端子和第二端子中的任何一个端子串联连接的熔断器或类似部件。

9、本公开提供了这样的见解，即使用超级电容器而非例如传统可充电电池可以允许避免必须在超级电容器支路内插入熔断器或类似物，从而降低了(多个)电路的复杂性，并且例如降低了制造成本。

10、在一个或多个实施例中，模块可以使得不存在与一个或多个超级电容器的装置以及第一端子和第二端子中的任何一个端子串联连接的开关或断路器。这可以附加地降低电路复杂性和制造成本。

11、在一个或多个实施例中，模块可以使得不存在与一个或多个超级电容器的装置以及第一端子和第二端子中的任何一个端子串联连接的熔断器、开关、或断路器。这可以提供复杂性和制造成本的多得多的降低。

12、在一个或多个实施例中，模块可以使得一个或多个超级电容器的装置直接连接在第一端子和第二端子之间，即在第一端子和第二端子之间没有任何其他电气部件(例如开关、断路器、熔断器、电阻等)。这可以提供电路复杂性和制造成本的更进一步的降低。

13、在一个或多个实施例中，模块还可以包括二极管阵列。在阵列中，每个二极管可以反向连接在一个或多个超级电容器中的至少一个超级电容器上。

14、提供二极管阵列可以例如防止在例如放电期间当第一旁路开关闭合时在超级电容器上施加过大的电压。所施加的负电压例如可能被二极管的正向电压限制。

15、在一个或多个实施例中，一个或多个超级电容器的装置可以包括串联连接的两个或多个超级电容器。设想的是可以选择超级电容器的数量以匹配例如在存储电压容量等方面的特定要求，并且通过串联连接多个超级电容器可以获得更高的这种电压。

16、在一个或多个实施例中，一个或多个超级电容器的装置可以包括并联连接的两个或更多个超级电容器。设想的是可以选择超级电容器的数量以匹配例如在电流供应能力等方面的特定要求，并且通过并联连接多个超级电容器可以获得更高的这种电流供应能力。

17、当然，也可以设想组合多个超级电容器的串联和并联连接。例如，特定的存储电压可以通过串联连接的特定数量的超级电容器的串获得。特定的电流供应能力可以通过并联连接的特定数量的这种串获得。当然也可以设想其他变化。

18、根据本公开的第二方面，提供了一种操作根据第一方面(或根据其任何实施例)的模块的方法。该方法包括检测与模块的一个或多个超级电容器相关联的故障的发生。该方法还包括通过闭合第一旁路开关降低一个或多个超级电容器中的剩余能量，从而通过/经由电阻使一个或多个超级电容器放电。

19、如本文前面所述，这种方法可以提供模块的超级电容器支路中的要被充分减少的剩余能量的减少，使得模块中的故障可以被阻止负面影响能量存储系统内的其他模块。

20、故障的检测可以例如由控制器或类似物、和/或基于超级电容器内部诊断执行。例如，短路故障可以通过测量一个或多个超级电容器两上的电压来检测，并且由由于短路引起的这种电压方面的(突然)降低来指示。一般而言，在本文中，“模块中的故障”或“与一个或多个超级电容器相关联的故障”还可以包括除短路之外的其他故障，诸如与例如控制单元的通信的丢失、超级电容器中或母线中的温度过高等。虽然本文中没有明确陈述，但是也可以设想通过闭合第一旁路开关和使用电阻释放超级电容器的能量来处理的其他故障。

21、在一个或多个实施例中，该方法还可以包括确定一个或多个超级电容器中的剩余能量是否低于特定阈值。该方法还可以包括在确定剩余能量低于特定阈值时，通过闭合第二旁路开关直接旁路一个或多个超级电容器。

22、在一个或多个实施例中，故障可以是一个或多个超级电容器中的至少一个超级电容器发生短路。

23、根据本公开的第三方面，提供了一种能量存储系统。能量存储系统包括第一方面(或其任何实施例)的多个模块、以及用于根据第二方面(或其任何实施例)的方法控制模块中的至少一个的控制装置(例如，计算机实施的控制器)。本文中，设想的是“控制装置”包括检测故障以及命令和控制例如各种旁路开关和类似物所需的全部装置。

24、在一个或多个实施例中，能量存储系统还包括串联连接的根据第一方面(或其任何实施例)的至少第二多个模块。如前所述，第一多个模块和第二多个模块并联连接。

25、本公开涉及权利要求中记载的特征的所有可能的组合。根据第一方面描述的对象和特征可以与根据第二方面和/或第三方面描述的对象和特征组合或由其替代，反之亦然。

26、下面将借助于例示性实施例来描述本公开的各种实施例的另外的目的和优点。