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JP-7855245-B2 - セカンドライフ電気車両用電池を用いるエネルギー貯蔵システム及び方法

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Inventors

  • フリーマン ストフレット ホール
  • マイケル ジョセフ スターン

Assignees

  • ビートゥーユー ストレージ ソリューションズ インコーポレイテッド

Dates

Publication Date
20260508
Application Date
20220106
Priority Date
20210722

Claims (17)

  1. 直列／並列配置で連結された複数の電気車両用電池パックを備え、 前記直列／並列配置は、電気車両用電池パックの複数の直列ストリングを含み、 電気車両用電池パックの前記複数の直列ストリングのそれぞれは、直列に連結された前記複数の電気車両用電池パックのうちの少なくとも２つを含み、 電気車両用電池パックの前記複数の直列ストリングは、並列に接続されており、 前記複数の電気車両用電池パックは、セカンドライフ電気車両用電池パックであり、 前記セカンドライフ電気車両用電池パックは、電気車両におけるファーストライフ用途から別の目的のために利用される電池であ り 、 直列／並列配置で連結された前記複数の電気車両用電池パックは、もともと直列に連結されるように設計されていない、 統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  2. 前記複数の電気車両用電池パックは、製造元のパックケーシング又はエンクロージャを再構成又は変更することなく使用される、請求項１に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  3. 前記複数の電気車両用電池パックは、前記複数の電気車両用電池パックのそれぞれに元々統合されている製造元の電池管理システムと共に使用される、請求項１に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  4. 前記複数の直列ストリングのそれぞれは、前記複数の直列ストリングのそれぞれと直列に接続された過電流デバイスを備える回路コンバイナによって保護される、請求項１に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  5. 前記複数の直列ストリングのそれぞれは、複数のＤＣ－ＤＣコンバータを備えるスマートコンバイナによって保護され、 前記スマートコンバイナは、直列ストリング内の電気車両用電池パックから別の電気車両用電池パックにエネルギーを移動させることによって、又は、直列ストリング内の別の電気車両用電池パックから電気車両用電池パックにエネルギーを移動させることによって、直列ストリング内の２つ以上の電気車両用電池パックのバランスを取るように構成されている、請求項１に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  6. 前記複数の電気車両用電池パックのためのラッキングシステムと、 前記複数の電気車両用電池パックの設置又は交換を容易にするように構成されている取り外し可能なパネルを含むと共に内部環境制御を有するエンクロージャと、 を更に備える、請求項１に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  7. 前記複数の電気車両用電池パックのそれぞれの内部の電池管理システムと通信し、該電池管理システムを制御するように構成されている電池パック制御部をさらに備える、請求項１に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  8. エネルギーを貯蔵するように構成されている 直列／並列配置で連結された 複数の電気車両用電池パックと、 エネルギー貯蔵アセンブリの屋外配備を可能にするように構成されているエンクロージャと、 前記エンクロージャから前記複数の電気車両用電池パックの設置及び取り外しを容易にするように構成されている複数の取り外し可能な外装エンクロージャパネルと、 直列接続される電気車両用電池パックの電圧又はエネルギー貯蔵容量のバランスを取るように構成されている複数のＤＣ－ＤＣコンバータと、 前記エンクロージャ内の前記複数の電気車両用電池パックの使用可能な寿命を延ばすように構成されている、前記エンクロージャ内の環境制御部と、 前記複数の電気車両用電池パックの間の電気的絶縁及び断熱をもたらすように構成されている、前記複数の電気車両用電池パックのためのラッキングシステムと、 製造元の設計及び意図された機能から変更せずに、電気車両用パック電池管理システムを使用するように構成されている電気車両用電池パック制御部と、 を備え、 前記複数の電気車両用電池パックは、セカンドライフ電気車両用電池パックであり、 前記セカンドライフ電気車両用電池パックは、電気車両におけるファーストライフの用途から別の目的のために利用さ れ、 直列／並列配置で連結された前記複数の電気車両用電池パックは、もともと直列に連結されるように設計されていない、 統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  9. ＤＣ電気車両用電池パック電力をＡＣ電気グリッド電力に変換し 、又は、ＡＣ電気グリッド電力を変換してＤＣ電気車両用電池パックを充電するように構成されている双方向電力コンバータをさらに備える、請求項８に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  10. 前記複数の電気車両用電池パックは、製造元のパックケーシング又はエンクロージャを再構成又は変更することなく使用される、請求項８に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  11. 前記複数の電気車両用電池パックは、前記複数の電気 車両用 電池パックのそれぞれに元々統合されている製造元の電池管理システムと共に使用される、請求項８に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  12. 前記複数の電気車両用電池 パック の直列ストリングは、過電流デバイスを備える回路コンバイナによって保護されている、請求項８に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  13. 前記複数の電気車両用電池 パック の直列ストリングは、複数のＤＣ－ＤＣコンバータを備えるスマートコンバイナによって保護され、 前記スマートコンバイナは、前記直列ストリング内の電気車両用電池パックから別の電気車両用電池パックにエネルギーを移動させることによって、又は、前記直列ストリング内の別の電気車両用電池パックから電気車両用電池パックにエネルギーを移動させることによって、前記直列ストリング内の２つ以上の電気車両用電池パックのバランスを取るように構成されている、請求項８に記載の統合型電池エネルギー貯蔵システム。
  14. 複数の電気車両用電池パックを直列／並列配置で連結する連結ステップと、 電気車両用電池パックの複数の直列ストリングを並列に接続する接続ステップと、を含み、 前記直列／並列配置は、電気車両用電池パックの前記複数の直列ストリングを含み、 電気車両用電池パックの前記複数の直列ストリングのそれぞれは、直列に連結された前記複数の電気車両用電池パックのうちの少なくとも２つを含み、 前記複数の電気車両用電池パックは、セカンドライフ電気車両用電池パックであり、前記セカンドライフ電気車両用電池パックは、電気車両におけるファーストライフの用途から別の目的のために利用さ れ、 直列／並列配置で連結された前記複数の電気車両用電池パックは、もともと直列に連結されるように設計されていない、 電気車両用電池パックを統合型電池エネルギー貯蔵システムに統合する方法。
  15. 前記複数の電気車両用電池パックを、製造元のパックケーシング又はエンクロージャを再構成又は変更することなく使用する第１使用ステップと、 前記複数の電気車両用電池パックのそれぞれに元々統合されている、製造元の電池管理システムと共に使用される前記複数の電気車両用電池パックを使用する第２使用ステップ、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記複数の直列ストリングのそれぞれを、複数の直列ストリングのそれぞれに直列に接続された過電流デバイスを備える回路コンバイナによって保護する保護ステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
  17. 前記複数の直列ストリングのそれぞれをスマートコンバイナによって保護する保護ステップをさらに含み、 前記スマートコンバイナは、直列ストリング内の電気車両用電池パックから別の電気車両用電池パックにエネルギーを移動させることによって、又は、直列ストリング内の別の電気車両用電池パックから電気車両用電池パックにエネルギーを移動させることによって、直列ストリング内の２つ以上の電気車両用電池パックのバランスを取るように構成されている複数のＤＣ－ＤＣコンバータを備える、請求項１４に記載の方法。

Description

本開示は、一般に、セカンドライフ電気車両用電池を用いるエネルギー貯蔵システム及び方法に関し、より詳細には、直列／並列配置で連結された複数の電気車両用電池パックを含む、統合型電池エネルギー貯蔵システムに関する。 エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）のコストを削減することは、電気料金納付者及び為政者にとって重要な目標である。ＥＳＳコストを測定するための主な測定基準は、システムが貯蔵した累積送達電力量で割った構築資本コスト及び運用コストを含む、ＥＳＳの総ライフコストとして定義される、平準化貯蔵コスト（ＬＣＯＳ）である。 二次使用又はセカンドライフ定置式貯蔵利用のために、電気化学電池を電気車両（ＥＶ）から再利用することは、新しい電池を使用することと比較して、ＥＳＳのＬＣＯＳを著しく低減することができる。ＥＶ電池がもはやＥＶでの使用に適さなくなったとき、ＥＶ電池を定置式貯蔵利用に配備することは、電池の最高かつ最良の用途である。より大きな規模のＥＳＳは、高い電圧及び電流レベルでエネルギーを送達するために、直列及び並列の電気構成で配備される多数の電池を必要とする。ＥＳＳは、顧客のメータの前に電気的に接続されていても後ろに電気的に接続されていても、電池を経時的に効率的に統合及び管理し、充電／放電周期を効果的に管理しなければならない。 本発明の例示的実施形態に従うエネルギー貯蔵システムの一部としてのユーティリティを示すブロック図である。例示的実施形態に従うエネルギー貯蔵システムの変更された電気的な単線結線図である。本発明の一実施形態に従う電池パック制御部（ＢＰＣ）及びスマートコンバイナを示す図である。例示的実施形態に従うエンクロージャ構成要素の機械的配置を示す図である。 簡素化及び説明のために、実施形態の原理は、主にその実施例を参照することによって説明される。以下の説明では、実施形態の深い理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、実施形態は、これらの具体的な詳細に限定されることなく実施され得ることが、当業者には明らかであろう。いくつかの例では、実施形態を不必要に不明瞭にしないよう、周知の方法及び構造が詳細には説明されていない。 一態様においては、ＥＶパック貯蔵システム（ＥＰＳ）は、統合された機能ユニット又は構成要素として複数のＥＶ電池パックを使用する。この場合、複数のＥＶ電池パックは、かなり容易に集約され、ＥＳＳ内のより大きな電池として機能する。電池は、ＥＶ内で据え付けられた、元のパックケーシング内の特殊な環境制御されたエンクロージャ内にラッキングされ得る。特殊な環境制御されたエンクロージャは、統合されたＥＶパック貯蔵ユニットとして機能し、ＥＰＳは、総合的なＥＳＳ内のサブシステム構成要素として機能する。ＥＰＳ内のＥＶ電池パックは、直列及び並列に、電気的に接続されてもよい。直列ストリング（ｓｔｒｉｎｇ）のそれぞれは、過電流デバイスで保護される。ＥＰＳエンクロージャは、ＥＶ電池パックの取り付け、取り外し及び交換が容易になるように設計されている。各電池パック及びストリングは、専用の電池パック制御部（ＢＰＣ）で監視してもよい。ＢＰＣは、適切な動作パラメータを保証し、各ＥＶ電池パックの健全性を監視するのに役立つ。電池パック制御部（ＢＰＣ）は、ＥＶパックが統合された電池管理システム（ＢＭＳ）とインターフェースすることによって、各ＥＶ電池パックの健全性を監視することができる。ＢＰＣは、スマートコンバイナ（ＳＣ）を管理して、各パックの容量のばらつきを調整しながら個々のパックの充放電サイクルを有効に利用するために、能動的にセカンドライフ電池のバランスを取る。ＥＰＳエンクロージャの環境は、適切な動作温度を維持し、ハザードを検出するために管理される。ＥＰＳは、インバータ電力変換システム（ＰＣＳ）並びに監視制御及びデータ取得（ＳＣＡＤＡ）も含む、より大きなＥＳＳ内で動作する。複数のＥＰＳは、ＥＳＳ内で一体的に動作することができる。ＥＳＳは、インバータにＤＣ結合又はＡＣ結合されて構成され得る。ＥＰＳは、太陽光若しくは風力などのオンサイト発電又はＡＣ電力システムによって供給される電気によって充電することができる。ＥＳＳ内のＥＰＳは、グリッドに直接相互接続されたメータの前（ＩＦＭ）又はメータの後ろ（ＢＴＭ）に配備され、顧客の負荷及び需要を補うことができる。 例示的実施形態では、エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）内に複数のセカンドライフ電気車両（ＥＶ）電池パックを配備するための統合システムが開示される。 本開示において、ＥＶパック貯蔵システム（ＥＰＳ）と呼ばれるものは、統合された機能的構成要素であり、多数のＥＶ電池パックが、容易に集約され、総合的なＥＳＳ内でより大きな電池として機能する。ＥＰＳの構成及び機能は、（１）ＥＶ電池パックが、電池パックの電池管理システム（ＢＭＳ）並びに類似デジタルシリアルデータリンクフォーマット及びプロトコルを組み込んだ、元のファーストライフ車両用途のように、機械的かつ電気的に利用されることと、（２）ＥＶ電池パックが、並列配置及びしばしば直列で、電気的に構成されることと、を含む。ＥＶ電池パックは、もともとは直列接続での使用のために設計されたものではない可能性もあるが、この制限は、取り付け、通信、及び相互接続のための特有の設計によって克服される。この特有の設計は、（３）多数のＥＶ電池パックが、環境制御され、監視されるキャビネット又はエンクロージャ（このエンクロージャは、建物基準法若しくは消防法の定義に従って占有可能な空間とは判断されず、単一のエンクロージャ又は多数のエンクロージャは、ＥＳＳに統合され得る）に統合されること、（４）電池パック制御部（ＢＰＳ）がＥＰＳの部分として配備され、電池が一体化された機能ブロックとして一体的に機能するとともに連動して動作するために、必要な通信及び制御を統合すること、及び、（５）スマート回路コンバイナがＥＰＳ内の全てのＥＶ電池パックに対する電気的平衡及び過電流保護を提供すること、を含む。 図１は、グリッドタイ（ｇｒｉｄ－ｔｉｅｄ）エネルギー貯蔵システムの部分としての好ましい実施形態における本開示の有用性を示すブロック図である。例示的実施形態では、ＥＶパック貯蔵システム（ＥＰＳ）１００は、総合的なエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）の部分として実装され得る。矢印を有する全ての太線６００は、電力接続及び可能な電力潮流方向を示す。全ての破線５００は、双方向デジタルデータバス接続を示す。 ＥＰＳ１００は、図１においてブロック１、Ｎ－１、及びＮとして指定される複数のＥＶ電池パックを含み、同じＥＶ電池パックの任意の数Ｎを示す。ＥＶ電池パック１は、電池１．１及び電池管理システム（ＢＭＳ）１．２を含む。ＥＶ電池パック電池１．１～Ｎ．１は、単一パックの公称電圧の倍数である公称電圧で直列に接続される。Ｎ個のＥＶ電池パックは、直列／並列構成で接続され、又は、スマートコンバイナ１３０内に集約されて、総合的なエネルギー貯蔵システム内のより大きな電池として電気的に機能する。スマートコンバイナ１３０は、双方向ＤＣＤＣ（ＤＣ－ｔｏ－ＤＣ）コンバータ６０３に接続される。ＤＣＤＣコンバータ６０３は、集約ＥＶ電池パックとインバータ電力変換システム（ＰＣＳ）６０５との間に最適な電圧適合を提供して、太陽光発電部６０６の最高電力点が温度及び負荷に応じて変化するように、最適な電圧適合を提供し得る。スマートコンバイナ（ＳＣ）１３０は、各パックの容量の相違を調整する個々のパックの充放電サイクルを効果的に利用するため、能動的にセカンドライフ電池のバランスを取るために使用され得る。 総合的なシステムが、ＥＶ電池パックに貯蔵されたエネルギーを、例えば電力グリッド６１０に送達しているとき、ＤＣ電力は、ＥＶ電池パックからスマートコンバイナ１３０を通り、ＤＣＤＣコンバータ６０３を通って流れる。次に、ＤＣ電力は、ＰＣＳ６０５によってＡＣ電力に変換され、エネルギーを電力グリッド６１０に供給する。太陽光発電部６０６からの電力は、例えば利用可能な場合、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータとして機能するＰＣＳ６０５を通って流れ、電力を電力グリッド６１０に放電することもできる。この構成では、電力グリッド６１０への総電力は、例えば、電池から供給された電力及び太陽光発電部から供給された電力の組み合わせとすることができる。 例示的実施形態では、総合的なシステムがＥＶ電池パック１～Ｎを充電するためにエネルギーを送達しているとき、ＰＣＳ６０５は電力グリッド６１０からＡＣ電力を調達し、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換することによって、ＡＣ／ＤＣ電力コンバータとして機能する。このＤＣ電力は、ＤＣＤＣコンバータ６０３を通り、スマートコンバイナ１３０を通って、すべてのＥＶ電池パック１～Ｎに流れる。太陽光発電部６０６からの電力は、利用可能な場合、電力グリッド６１０からの必要な電力を低減してＥＶ電池パック１～Ｎを充電するために使用することができ、又は、利用可能な太陽光発電部６０６からの電力がこれらのＥＶ電池パックを充電するために必要な電力よりも大きいとき、余剰電力が電力グリッド６１０に与えられ得る。いくつかのシステム変形例は、オンサイトな太陽光発電部６０６を含まず、従って、ＤＣＤＣコンバータ６０３は必要ではない場合がある。 例示的実施形態では、電池管理システム（ＢＭＳ）１．２は、ＥＶ電池パック１内のすべてのセルを監視して、主に、直列ストリングにおけるミスマッチセル、充電不足セル又は過充電セルをチェックする。ミスマッチセルを監視し、再びバランスをとることによって、ＥＶ電池パックの使用可能な寿命を改善させることができ、電池セル及び電池パックの安全な動作パラメータを保証して危険な状況を回避することができる。電池パック制御部（ＢＰＣ）１４０は、デジタルデータバスを通じて個々のＥＶ電池パック１～Ｎと通信する。監視制御及びデータ取得（ＳＣＡＤＡ）５０１は、ＢＰＣ１４０と通信して、集約ＥＶ電池パックの充電状態、健全性の状態及び全体的な利用可能性を確認する。例示的実施形態では、ＳＣＡＤＡ５０１は、インターネット５０２を通じて電力システム管理部５０３からトップレベルコマンドを受信して、全体的なエネルギー貯蔵システムの動作を制御する。 ＳＣＡＤＡ５０１はまた、キャビネット制御システム１５０と通信することができる。ＥＰＳ１００内で、キャビネット制御システム１５０は、温度管理ブロック１５１及び危険保護ブロック１５２と通信することができる。温度管理ブロック１５１は、必要に応じて、空調、除湿、通気及び空気循環を提供し、ＥＶ電池パック１～Ｎに最適な環境を維持する。危険検出ブロック１５２は、ＥＰＳ１００エンクロージャ内の環境を、煙及び温度超過／温度不足状態を対象にして監視する。 図２は、例示的実施形態によるエネルギー貯蔵システムの変更された単線電気回路図であり、電力潮流を示す。しかしながら、本開示及び説明は、本開示の範囲を、本明細書に記載される数の要素及び／又は構成要素を有するシステムに限定するものではない。 図２に示されるように、エネルギー貯蔵システムは、例えば、４つのＥＶパック貯蔵アセンブリ（ＥＰＳ）１００、２００、３００及び４００を有する。各ＥＰＳ１００、２００、３００、４００は、同一であり得る。しかしながら、各ＥＰＳは同一でなくてもよく、１つ以上のＥＰＳ１００、２００、３００、４００の変更が行われてもよい。例示的実施形態では、ＥＰＳ１００は、１～２４で示される２４個のＥＶ電池パック（ＥＶＢＰ）を含む。各ＥＶＢＰ内には、ＥＶＢＰ１の１．１～ＥＶＢＰ２４の２４．１として示されている多数の直列又は直並列接続された電池モジュールが有る。また、通常は、ＥＶＢＰ１の１．３からＥＶＢＰ２４の２４．３に指定された１つ以上の直列接続コンタクタ