具有旁路和安全模式的船用电池系统的制作方法

1.本公开涉及用于船舶的电池系统，并且更具体地，涉及用于当检测到不利状况时在旁路和安全模式下操作电池系统的系统和方法。


背景技术：

2.美国专利号6,046,514公开了一种用于串联连接的能量存储设备的旁路装置和方法。耦接到公共串联连接件的能量存储设备中的每一个具有与其并联连接的相关联的旁路单元。电流旁路单元包括传感器，该传感器与相关联的能量存储设备或电池单元并联耦接，并感测指示电池单元的能量状态的能量参数(诸如电池单元电压)。旁路开关与能量存储电池单元并联连接，并且可在非激活状态和激活状态之间操作。旁路开关在处于非激活状态时对于流过能量存储电池单元的电流基本上不导通，并且在处于激活状态时提供用于将电流传递到串联连接件以便旁路相关联的电池单元的旁路电流路径。控制器响应电池单元的电压偏离预先设定的电压设定点来控制旁路开关的激活。控制器可以包括在旁路单元内，或者设置在旁路单元外部的控制平台上。旁路开关在被激活时可以建立永久或临时旁路电流路径。
3.美国专利号7,557,538公开了一种快速电池充电器，其中电池充电区段中的每一个电池充电区段包括充电支路和旁路支路，电池充电器设置有以最小的附加硬件开销获得性能提高的增强的充电监控和控制电路以及方法。
4.美国专利号9,054,555公开了用于对船舶上的可再充电电池设备充电的系统和方法，这些系统和方法利用可再充电电池设备、对电池设备充电的充电器和控制电路。控制电路基于可从岸上电源获得的电流的量和由除了电压充电器之外的设备从岸上电源汲取的电流的量来计算可用于对电池设备充电的电流的量，并将由电压充电器汲取的用于对电池设备充电的电流的量限制为等于或小于可用于对电池设备充电的电流的所计算的量。控制电路可以重复地计算可用于对电池设备充电的电流的量，并限制由电压充电器汲取的用于对电池设备充电的电流的量，从而主动调节施加到电池设备的电荷的量。
5.美国专利号9,533,747公开了一种混合推进系统，该混合推进系统具有各自选择性地为船用推进器提供动力以推进船舶的内燃发动机和电动机。多个电池释放电流以便给电机供电。控制器被编程为聚集多个电池的再充电和/或放电限值，并且然后根据优选地防止多个电池中的电池的内部故障和断开的方法来操作系统。
6.上述专利整体通过引用结合于此。


技术实现要素：

7.提供本概述是为了介绍将在下文在详细描述中进一步描述的一些概念的选择。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
8.根据本公开的一个实施方式，提供了一种用于船用交通工具的电力存储系统。电
力存储系统包括被配置为向船用交通工具负载提供能量的船用电池系统。每个船用电池系统包括电池和三位置接触器，该三位置接触器被配置为在连接状态、断开状态或旁路状态中的一个下操作船用电池系统。电力存储系统还包括耦接到船用电池系统中的每一个的控制器。控制器被配置为获取用于船用电池系统的优选的故障动作，并且响应于检测到船用交通工具中的故障状况，根据优选的故障动作来控制船用电池系统的至少一个三位置接触器。优选的故障动作包括在断开状态下操作船用电池系统或在旁路状态下操作船用电池系统。
9.根据本公开的另一实施方式，提供了一种用于操作船用交通工具的电力存储系统的方法。该方法包括获取被配置为向船用交通工具负载提供能量的船用电池系统的优选的故障动作。船用电池系统中的每一个包括电池和三位置接触器，该三位置接触器被配置为在连接状态、断开状态或旁路状态中的一个下操作船用电池系统。响应于检测到船舶中的故障状况，该方法还包括根据优选的故障动作来控制多个船用电池系统的至少一个三位置接触器。优选的故障动作包括在断开状态下操作船用电池系统或在旁路状态下操作船用电池系统。
10.根据本公开的又一实施方式，提供了一种用于船用交通工具的电力存储系统。电力存储系统包括被配置为向船用交通工具负载提供能量的船用电池系统。每个船用电池系统包括电池和三位置接触器，该三位置接触器被配置为在连接状态、断开状态或旁路状态中的一个下操作船用电池系统。电力存储系统还包括耦接到船用电池系统中的每一个的控制器。控制器被配置成检测船用电池系统中的至少一个已经达到最小阈值充电状态，并使用三位置接触器来控制船用电池系统中的至少一个的操作状态。
附图说明
11.参考以下附图描述本公开。在所有附图中，相同的数字用于指代相同的特征和相同的部件。
12.图1是示出包括现有技术电力存储系统的船舶的框图。
13.图2是图1的船舶和现有技术电力存储系统的另一框图。
14.图3是示出根据本公开的示例性实施方式的包括电力存储系统的船舶的框图。
15.图4是在旁路模式下操作的图3的船舶和电力存储系统的框图。
16.图5是在安全模式下操作的图3的船舶和电力存储系统的框图。
17.图6是示出根据本公开的另一示例性实施方式的包括电力存储系统的船舶的框图。
18.图7是用于操作图3和图6的电力存储系统的过程的流程图。
19.图8是可以由图3和图6的电力存储系统执行的充电过程的流程图。
20.图9a是根据本公开的另一示例性实施方式的船用电池系统的框图。
21.图9b是在旁路模式下操作的图9a的船用电池系统的框图。
22.图9c是在安全模式下操作的图9a的船用电池系统的框图。
具体实施方式
23.在本说明书中，为了简洁、清楚和理解，使用了某些术语。除了现有技术的要求之
外，没有从中推断出不必要的限制，因为这样的术语仅用于描述的目的，并且旨在被广泛地解释。
24.图1和图2描绘了具有常规电力存储系统12的船舶10。电力存储系统12被示出为包括三个可再充电电池系统14a、14b、14c。电池系统14a至14c以串联配置布置，并且与负载26电连通，以释放电流来给负载26供电。在各种实施方式中，负载26可以是船舶10上的接收来自电力存储系统12的能量的任何设备或系统。例如，负载26可以包括但不限于发动机启动系统、音频系统、起锚机、测深仪、鱼定位器和机具。在另外的实施方式中，电力存储系统12可以向驱动船舶10的推进设备(例如，电动机)提供能量。
25.每个电池系统14a至14c被示出为包括正端子16a、16b、16c、负端子18a、18b、18c和电池20a、20b、20c。每个电池20a至20c包括电池单元的所有典型部件，即阴极、阳极、电解质和隔板。在示例性实施方式中，每个电池20a至20c是锂离子电池，其中嵌入的锂离子化合物用作阴极材料以及石墨用作阳极材料。
26.每个电池系统14a至14c还被示出为包括电池管理系统(battery management system，bms)22a、22b、22c。每个bms 22a至22c可以包括处理器或处理部件以及规则存储装置或存储器部件两者。规则存储装置或存储器部件可以是任何合适的存储机制，包括但不限于rom、ram或闪存。每个bms 22a至22c还被示出为可通信地耦接到开关操作器26a、26b、26c，该开关操作器控制两位置接触器或内部断开继电器24a、24b、24c的位置。开关操作器26a至26c被配置成接收来自bms 22a至22c的控制信号，并响应于这些控制信号，在连接或闭合位置(图1中描绘)和断开或开路位置(图2中描绘并且下面将进一步详细描述)之间移动两位置接触器24a至24c。当电池系统14a至14c中的两位置接触器24a至24c中的每一个处于连接位置时，由电力存储系统12提供的总电压是相加的。例如，如果每个电池系统14a至14c提供50v的最大值，则电力存储系统12的最大总电压为150v。尽管图1和图2描绘了用于具有三个电池系统14a至14c的船舶10的电力存储系统12，但是在示例性实施方式中，电力存储系统12可以包括六个电池系统以提供300v的最大总电压。
27.本发明人已经认识到，用于船舶的锂离子电池等易于发生热失控，特别是在水进入密封的电池外壳并与锂反应的情况下。热失控是由一系列放热反应驱动的潜在的灾难性状况，其中流过电池的电流导致电池温度升高，这又随着温度方面的进一步升高而使电流增加。在最坏的场景下，热失控可能导致剧烈燃烧或爆炸，因此许多锂基电池包括内部监控系统，这些内部监控系统被配置为检测不利状况(例如，电池外壳温度超过最大阈值、电池电压超过最大阈值、电池电流超过最大阈值)并在超过阈值的情况下断开电池。
28.然而，当电池以串联配置连接时，如图1和图2所描绘的那样，将两位置接触器24a至24c中的任何一个移动到断开位置导致从电力存储系统12到负载28的电力的完全损失。例如，图2描绘了处于断开位置的接触器24b。这种中断产生其中电力存储系统12上的电压下降到0v的开路状况。如果如越来越常见的那样，电力存储系统12用于船舶10的电力推进，则开路状况可能导致用于船舶10的推进的完全损失，从而潜在地使船舶10搁浅在水体中而没有返回岸上的手段。因此，本发明人已经认识到，当检测到不利状况时保护系统免受损坏并且如果可能的话在检测到的不利状况的情况下防止推进的完全损失的电力存储系统将是有用的。此外，本发明人已经认识到，可以安全地用于以串联和并联配置两者布置的电力存储系统的用于船舶的单个电池系统将是有用的。
29.图3至图5描绘了在各种操作模式下具有改进的电力存储系统112的船舶100。电力存储系统112被示出为包括三个可再充电电池系统114a、114b、114c。如下文将进一步详细描述的那样，图3描绘了其中电力存储系统112的电池系统114a至114c中的每一个以连接模式操作的情况，图4描绘了其中电力存储系统112的电池系统114b以旁路模式操作的情况，以及图5描绘了电池系统114a至114c中的每一个以安全模式操作的情况。
30.电池系统114a至114c被示出为以串联配置布置，并且与负载126电连通，以释放电流来给负载126供电。在示例性实施方式中，负载126与上文参照图1描述的船舶10的负载26相同或基本相似。例如，负载126可以包括用于船舶100的电力推进系统。
31.类似于图1和图2的电池系统14a至14c，可再充电电池系统114a至114c中的每一个被示为包括正端子116a、116b、116c、负端子118a、118b、118c以及位于其间的电池120a、120b、120c。每个电池120a至120c包括电池单元的所有典型部件，即阴极、阳极、电解质和隔板。在示例性实施方式中，每个电池120a至120c是锂离子电池，其中嵌入的锂离子化合物用作阴极材料以及石墨用作阳极材料。此外，每个电池系统114a至114c还被示为包括电池管理系统(bms)122a、122b、122c。每个bms 122a至122c可以包括处理器或处理部件以及规则存储装置或存储器部件两者。规则存储装置或存储器部件可以是任何合适的存储机制，包括但不限于rom、ram或闪存。每个bms 122a至122c被示出为可通信地耦接到开关操作器126a、126b、126c，使得开关操作器126a至126c从bms 122a至122c接收控制信号。
32.然而，与图1和图2的电池系统14a至14c相比，可再充电电池系统114a至114c中的每一个被示出为包括三位置接触器124a、124b、124c。每个三位置接触器124a至124c可由开关操作器126a至126c在连接或闭合位置(图3中描绘)、断开或开路位置(图5中描绘)和旁路位置(图4中描绘)之间移动。
33.如图3中所描绘那样，当三位置接触器124a至124c中的每一个处于连接位置时，由电力存储系统112提供的总电压是相加的，并且如果每个电池系统114a至114c提供50v的最大值，则电力存储系统112的最大总电压是150v。在船舶的典型实施方式中，电力存储系统可以包括六个电池系统以提供300v的最大总电压。
34.可再充电电池系统114a至114c中的每一个还被示为使用控制器局域网(controller area network，can)可通信地耦接到电池系统114a至114c外部的监督控制器130。监督控制器130可以包括处理器或处理部件以及规则存储装置或存储器部件两者。在示例性实施方式中，监督控制器130被配置成监控船舶100的各种系统和参数，并且在检测到故障状况(例如，高压隔离系统的错误、安全联锁回路中的中断)时，根据电力存储系统112的特性和故障状况的严重性，指令电池系统114a至114c以旁路或断开模式操作。下面参考图7包括关于这个过程的更多细节。
35.监督控制器130可以被配置为存储用于电池系统114a至114c的优选的故障动作。例如，如果电池系统114a至114c以串联配置布置在电力存储系统中，如图3至图5所描绘的那样，则监督控制器130可以被配置为在故障(例如，高温状况、高压状况、高电流状况)的情况下命令bms 122a至122c将三位置接触器124a至124c移动到旁路位置。如果如图6所描绘的那样电池系统114a至114c以并联配置布置在电力存储系统中，则监督控制器130可以被配置为在故障的情况下命令bms 122a至122c将三位置接触器124a至124c移动到开路位置。在一些实施方式中，监督控制器130可以从电力存储系统112中省略，并且每个bms 122a至
122c可以存储优选的故障动作。例如，在安装过程期间，优选的故障动作可以内部存储在每个bms 122a至122c中。
36.现在具体参考图4，电池系统114b的三位置接触器124b被示出为处于旁路位置，使得电力存储系统112以旁路模式操作。例如，监督控制器130可以指令bms 122b操作开关控制器126b并将三位置接触器124b移动到旁路位置，因为电池系统114b的外壳温度超过最大阈值。有利地，将三位置接触器124b移动到旁路位置不会导致切断提供给负载128的所有电力的开路状况。相反，电池系统114a和114c保持连接，使得100v而不是150v被供应给负载128。如果负载128包括电力推进系统，电力的这种降低可以允许船舶100以降低的功能“跛行”到岸上。例如，电力推进系统的每分钟转数(revolutions per minute，rpm)可能被降低。在另外的实施例中，如果一个或多个电池系统114a至114c正在在旁路状态下操作，监督控制器130可以降低充电电压设定点，以补偿在连接状态下操作的减少的数量的电池系统114a至114c。
37.然而，如果对电力存储系统112的潜在灾难性威胁出现，监督控制器130可以指令每个bms 122a至122c操作开关控制器126a至126c并将三位置接触器124a至124c移动到开路位置，如图5所描绘的那样。例如，在失去高压隔离、接地故障、由撞击传感器检测到碰撞事件或由在舱底的高水位传感器检测到倾覆或下沉事件的情况下，可能产生对电力存储系统112潜在的灾难性威胁。在另外的实施方式中，监督控制器130可以在激励时命令三位置接触器124a至124c中的每一个到开路位置，以验证接触器124a至124c中的每一个起作用。如果监督控制器130检测到三位置接触器124a至124c中的一个或多个在激励时不起作用，它可以向操作者传输消息(例如，经由船舶的仪表板上的用户界面)。
38.通过将三位置接触器124a至124c中的每一个移动到开路位置，跨越电池系统114a至114c的高压串被分成更小的段，从而消除了船舶100上的高压电势，并确保最大电压电势仅是单个电池系统114a至114c的电压电势。例如，如果电池系统114a至114c中的每一个具有50v的最大电压，通过将三位置接触器124a至124c中的每一个移动到开路位置，整个电力存储系统112的最大电压电势仅为50v，这不会对人体有害并且最小化了对电力存储系统112的永久损坏的威胁。
39.图5还将电力存储系统112描绘为包括手动停止控件132，该手动停止控件132使用模拟输入耦接到电池系统114a至114c中的每一个。在电池系统114a至114c和监督控制器130之间的can连接失败的情况下，或者在另一紧急情形下，用户可以操作手动停止控件132来将三位置接触器124a至124c中的每一个移动到开路位置。在替代性实施方式中，手动停止控件132可以由系索、仪表板开关或由监督控制器130激活，作为失败的can消息的备份。
40.现在转到图6，描绘了具有根据本公开的示例性实施方式的电力存储系统612的另一船舶600。与图3至图5中描绘的电力存储系统112相比，电力存储系统612描绘了以与负载128并联配置被布置的电池系统114a至114c。尽管电池系统114a至114c的三位置接触器124a至124c在标称状况下可以处于闭合位置，但是当检测到故障状况时，监督控制器130或手动停止控件132可以命令三位置接触器124a至124c中的每一个到开路位置，如图6所描绘的那样。有利的是，相同的电池系统114a至114c可以用于图3至图5中描绘的串联配置和图6中描绘的并联配置两者，从而最大化电池系统114a至114c的安装灵活性。
41.图7描绘了用于操作电力存储系统的过程700，例如，图3至图5中描绘的串联布置
的电力存储系统112、或者图6中描绘的并联布置的电力存储系统612。在示例性实施方式中，过程700至少部分由监督控制器130执行。在其他实施方式中，过程700可以至少部分地由每个电池系统114a至114c的bms 122a至122c执行。为了简单起见，过程700将在下面专门参考监督控制器130进行描述。
42.过程700被示出为以步骤702开始，在该步骤702中，监管控制器130获取用于电力存储系统112、612的优选的故障动作。在一些实施方式中，在电力存储系统112、612的安装期间，优选的故障动作存储在监督控制器130的存储器中。在其他实施方式中，用户可以选择并存储优选的故障动作，例如，经由船舶仪表板上的用户界面。如上所述，如果电力存储系统(例如，电力存储系统112)包括以串联配置布置的电池系统(例如，电池系统114a至114c)，则优选的故障动作可以包括命令三位置接触器(例如，三位置接触器124a至124c)到旁路位置。如果电力存储系统(例如，电力存储系统612)包括以并联配置布置的电池系统(例如，电池系统114a至114c)，则优选的故障动作可以包括命令三位置接触器(例如，三位置接触器124a至124c)到开路或断开位置。
43.在步骤704，监督控制器130监控船舶的状态。在各种实施方式中，步骤704可以包括监控电池系统114a至114c的外壳温度、电流和电压。在步骤706，监督控制器130确定在电池系统114a至114c中的一个或多个中是否已出现了故障状况。在示例性实施方式中，监督控制器130存储用于被监控参数中的每一个的阈值，并且因此当超过阈值中的一个时检测到故障状况。如果监督控制器130在步骤706检测到故障状况，过程700进行到步骤708，并且监督控制器130执行优选的故障动作。例如，如上所述，优选的故障动作可以包括命令检测到故障的电池系统114a至114c中的一个或多个的三位置接触器124a至124c到旁路位置或到开路位置，这取决于电力存储系统是串联配置还是并联配置布置。在一些实施方式中，步骤706还可以包括向船舶仪表板上的用户界面传输故障消息。一旦在步骤708监督控制器130已经执行了一个或多个故障动作，过程700返回到步骤704，并且监督控制器130重新开始监控船舶的状态。
44.然而，如果监督控制器130在步骤706确定没有检测到故障状况，则过程700进行到步骤710，在步骤710中，监督控制器130确定是否检测到紧急停止状况。在各种实施方式中，步骤710可以包括检测失去高压隔离或接地故障。如果监督控制器130在步骤710检测到紧急停止状况，过程700前进到步骤712，并且监督控制器120执行紧急停止动作。在示例性实施方式中，紧急停止动作包括命令每个电池系统114a至114c的每个三位置接触器124a至126c到开路位置，使得电力存储系统在安全模式下操作，而不管电力存储系统是以串联配置还是以并联配置布置。以这样方式，电力存储系统中存在的任何高压串被分成更小的电压段，每个电压段具有对人体无害的电压电平。命令全部电池处于开路状态还会从电池端子上移除电力，从而有利地消除了电弧放电或外部点火的可能性。在一些实施方式中，步骤712还可以包括向船舶仪表板上的用户界面传输故障消息或激活听觉警报。一旦在步骤712监督控制器130已经执行了紧急停止动作，过程700返回到步骤704，并且监督控制器130重新开始监控船舶的状态。类似地，如果监督控制器130在步骤710没有检测到紧急停止状况，过程700通过返回到步骤704结束。
45.现在参考图8，描绘了用于对电力存储系统(例如，图3中描绘的串联电力存储系统112或者图6中描绘的并联电力存储系统612)充电的过程800。在示例性实施方式中，过程
122a至122c和开关控制器126a至126c相同或基本相似。由此，bms922根据上面参考图7和图8描述的过程700和800操作电池系统914。
52.在本公开中，为了简洁、清楚和理解，使用了某些术语。除了现有技术的要求之外，没有从中暗示不必要的限制，因为这样的术语仅用于描述的目的，并且旨在被广泛地解释。本文描述的不同系统和方法可以单独使用或者与其他系统和设备结合使用。在所附权利要求的范围内，各种等同物、替代物和修改是可能的。