高可靠性混合储能系统技术方案

组合燃料电池堆和电化学电池系统向一个或更多个牵引马达提供稳定和冗余电力。电化学电池组包括如下模块：该模块在连接至燃料电池堆的低电压并联配置与连接至牵引马达的高电压串联配置之间切换，由此从燃料电池得到低电压能量并且将该能量配置为马达的高电压电力。多个电化学电池组可以被切换成使得至少一个电化学电池组始终连接至牵引马达以用于实现电力的连续性。

High Reliability Hybrid Energy Storage System

Combination fuel cell stacks and electrochemical battery systems provide stable and redundant power to one or more traction motors. The electrochemical battery pack includes the following modules: the module switches between the low-voltage parallel configuration connected to the fuel cell stack and the high-voltage series configuration connected to the traction motor, thereby obtaining low-voltage energy from the fuel cell and configuring the energy to the high-voltage power of the motor. Multiple electrochemical battery packs can be switched so that at least one electrochemical battery pack is always connected to the traction motor for power continuity.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高可靠性混合储能系统相关申请的交叉引用本申请要求于2016年9月26日提交的美国临时申请序列号第62/399,746号的优先权，其公开内容在这样的公开内容与本公开内容不冲突的程度上通过引用并入本文。
本专利技术总体上涉及用于电动交通工具例如飞行器的储能系统，并且更特别地，涉及使用与蓄电池组合的燃料电池堆来向电动交通工具的电动马达提供适当电压的储能系统。
技术介绍
二次蓄电池是包括可以被充电以在需要时提供电力的静电势或者释放电荷的一个或更多个电化学电池或静电电池(以下统称为“电池”)的装置。电化学电池通常包括至少一个正电极和至少一个负电极。这种电池的一个常见形式是封装在圆柱形金属管壳中或者柱状壳体中的二次电池。在这种二次电池中使用的化学组成的示例是锂钴氧化物、锂锰、磷酸锂铁、镍镉、镍锌和镍金属氢化物。在由需要用于便携式电子产品的低成本可充电能量的不断增长的消费市场驱动的情况下，这种电池被大量生产。燃料电池是另一种电力来源。质子交换膜燃料电池(也被称为聚合电解质膜(PEM)燃料电池)是一种用于驱动(power)牵引马达以推动(propel)电动交通工具的燃料电池。PEM燃料电池将氢和氧形式的化学势能直接转化为电能，因此固有地比必须首先将化学势能转化为热能然后将热能转化为机械功的内燃机更高效。从燃料电池系统的直接排放是水和热。燃料电池没有移动部件，因此比传统发动机更可靠。通常使用二次蓄电池和燃料电池来驱动牵引马达以推动包括电动自行车、摩托车、汽车、公共汽车、卡车、火车、飞机等的电动交通工具。这种牵引蓄电池和燃料电池系统通常是大的，包括数十至数百或更多个的单独的电池。为了获得期望的操作电压水平，电化学电池被串联地电连接以形成电池组(通称为蓄电池)。使用较大的电池或并联电池可以增加蓄电池的功率和能量水平。类似地，燃料电池被串联地电连接以形成通称为燃料电池堆的燃料电池。较大的燃料电池可以增加燃料电池堆的功率水平。仅通过提供更多燃料就可以增加能量。牵引应用中的储能系统的关键指标是能量密度。能量密度是系统的总可用能量相对于其质量的量度，通常以瓦特时每千克(Wh/kg)来衡量。功率密度是系统的功率输送相对于电池的质量的量度，通常以瓦特每千克(W/kg)来衡量。蓄电池和燃料电池各自的能量密度和功率密度不同。在牵引应用中，能量密度由于其与系统的耐久性或行程范围直接成正比而是期望的。功率与加速度和起飞和/或发射性能直接成正比。两者对整个系统的性能均是必需的。在与蓄电池相比的情况下，燃料电池通常具有高的能量密度和低的功率密度。例如，用于运输应用的示例性燃料电池系统在实际运输应用中可以从一次充氢中产生约450W/kg的功率并且输送约600Wh/kg的能量。相比之下，目前市售的能量电池能够达到实现约260W/kg的功率水平，仅，小于相当的燃料电池的功率水平的一半。其他市售的能量电池关注功率密度而不是能量密度。例如，市售的柱状钛酸锂(LTO)电池可以产生超过5000W/kg的单位质量功率，约是示例性燃料电池的11倍。LTO电池以能量密度为代价实现这一点，从单次充电中能够获得仅100Wh/kg的能量，是示例性燃料电池的能量密度的约六分之一。因此，LTO电池和示例性功率电池具有非常不同的功率和能量特性。蓄电池(即，能量电池)与燃料电池之间的另一区别是其各自的再充电方法。由蓄电池消耗的能量由直接再充电来代替(replace)，这是一个相对耗时的过程，通常需要一个或更多个小时来完成。先前描述的LTO电池不同于大部分蓄电池之处在于，LTO电池能够在不到10分钟内完成再充电。然而，这种再充电速度需要大的蓄电池充电器并且从电网中汲取大量的短期电力。这种短期电力需求通常产生较高的价格，因为电力成本受到汲取速度的影响。在广泛的应用中，这可能引起电网的稳定性问题，电力提供商认为这是非常不期望的。将蓄电池添加至充电系统可以使负载稳定，但产生很大的成本，原因是这些蓄电池必须具有满足应用的恒定再充电需求所需的足够多的容量。大部分情况下，这是重要的。此外，这种电池随着其随时间的推移老化以及由于循坏劣化而损失容量将必须被替换。相比之下，燃料电池通过氢气的添加来加燃料(refuel)。该过程可以在仅几分钟内从罐完成，并且不像再充电过程那样影响电网。这对于运输应用是有利的，在该运输应用中，操作者期望类似于常规的加气过程的时间的短的加燃料时间。加燃料站还可以从水和电经由电解来本地地生成氢气并且将生成的氢储存在大的罐中。这允许电网上的负载恒定，并且该存储因为罐可以以最小的附加成本来缩放尺寸而是经济的。此外，罐不像充电系统中的蓄电池那样经受快速的循环磨损。蓄电池与燃料电池之间的又一区别是其各自根据需求输送电力的能力。如果充电充分，则蓄电池可以立即将电力输送至负载。相比之下，燃料电池需要一段准备时间，因此非常小的操作功率是立即可用的。这在大部分牵引应用尤其是用于运输的交通工具中是有问题的。操作者期望交通工具的启动立即开始，如同在点火之后就动力立即可用的包括汽车和飞行器的汽油驱动的交通工具的情况一样。对于电动牵引系统，更高的电压是期望的，原因是更高的电压通常在电动马达系统中提供更大的效率。因为载流导体可以具有更小的规格，所以还有整体上较低的系统质量。电动及混合电动开发人员倾向于在300V至400V附近操作，商用交通工具例如卡车、公共汽车和混合动力飞机的开发人员倾向于在600V至800V下操作。与在2.3V至4V之间操作的锂离子电池相比，单个燃料电池通常输送0.5V至1V之间的电压。因此，需要约300个至800个燃料电池串联来驱动消费交通工具，并且需要约600个至1800个燃料电池串联来驱动商用交通工具。相比之下，需要约75个至173个锂离子电池来驱动同一消费交通工具，或者需要150个至347个锂离子电池来驱动同一商用交通工具。必须被组装成堆叠的相对大量的燃料电池还影响整个系统的性能和成本。需要更大的成本来管理堆叠中的大量燃料电池。由于随着电势增加而需要隔离管理以便保持安全性，也使其变得复杂；由于在操作期间必须被安全去除的由系统的排放组分而引起的连续存在的水，进一步使其变得复杂。如此，大部分的燃料电池系统产生相对低的电压，对于典型的工业标准牵引系统而言过低。出于这些原因，在60V至120V范围内的燃料电池系统比高电压系统更加经济。一种用于使低电压燃料电池系统适应高电压牵引应用的方法是使用DC-DC转换器以允许低电压燃料电池堆来驱动高电压负载。DC-DC转换器将给系统添加损耗、附加的质量和成本。除了电压转换以外，DC-DC转换器没有给系统添加任何益处。DC-DC转换器增加了寄生重量、空间和成本，并且对重量极为敏感的航空应用尤其具有影响。在一些情况下，转换器在一定程度上与马达和马达控制系统集成在一起。这种解决方案需要整个系统被设计并优化成以这种方式工作。目前可用的转换器具有约每4kW的功率转换约1kg的质量功率比。这没有将冗余考虑在内。在系统内的单个故障点不被允许的高可靠性应用中，DC-DC转换器必须具有备用以防故障。因此，具有冗余的200kW转换器具有约100kg的质量，这尤其对于重量敏感的牵引应用是显著的。这种解决方案也需要用于转换器的大量的体积和冷却系统，从而将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于向牵引马达提供电能的系统，包括：第一蓄电池电路，其具有经由多个第一蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第一蓄电池，其中所述第一蓄电池开关能够接合成将所述第一蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；第二蓄电池电路，其具有经由多个第二蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第二蓄电池，其中所述第二蓄电池开关能够接合成将所述第二蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；燃料电池堆，其切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路以将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路中的一个，同时隔离所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路中的另一个；以及牵引马达，其切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路以将所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路、耦接至所述第二蓄电池电路或者同时耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路两者。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.26 US 62/399,7461.一种用于向牵引马达提供电能的系统，包括：第一蓄电池电路，其具有经由多个第一蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第一蓄电池，其中所述第一蓄电池开关能够接合成将所述第一蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；第二蓄电池电路，其具有经由多个第二蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第二蓄电池，其中所述第二蓄电池开关能够接合成将所述第二蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；燃料电池堆，其切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路以将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路中的一个，同时隔离所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路中的另一个；以及牵引马达，其切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路以将所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路、耦接至所述第二蓄电池电路或者同时耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路两者。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于并联配置，其中所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路并且与所述第二蓄电池电路隔离，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于串联配置，并且其中所述牵引马达耦接至所述第二蓄电池电路并且与所述第一蓄电池电路隔离。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于串联配置，其中所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路并且与所述第二蓄电池电路隔离，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于并联配置，并且其中所述燃料电池堆耦接至所述第二蓄电池电路并且与所述第一蓄电池电路隔离。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于串联配置，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于串联配置，并且，所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路在不同的时间均以第一电压充电，并且均以高于所述第一电压的第二电压放电。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池堆经由单刀双掷开关切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路，所述单刀双掷开关被配置成在将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路与将所述燃料电池堆耦接至所述第二蓄电池电路之间切换。7.一种用于向牵引马达提供电能的无DC-DC转换器的系统，包括：第一蓄电池电路，其具有经由多个第一蓄电池固态开关电耦接在一起的至少两个第一蓄电池，其中所述第一蓄电池固态开关能够接合成将所述第一蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；第二蓄电池电路，其具有经由多个第二蓄电池固态开关电耦接在一起的至少两个第二蓄电池，其中所述第二蓄电池固态开关能够接合成将所述第二蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；燃料电池堆，其耦接至至少一个燃料电池堆机械开关，其中所述燃料电池堆机械开关能够接合成将所述燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰迪·B·邓恩，艾伦·霍恩，
申请(专利权)人：电力系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US