專利名稱：用于高壓應用的電池單元設備、連接器和斷開器設備及方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及輸電網(wǎng)絡領域并且具體地涉及輸電網(wǎng)絡中的維修和維護方面。
背景技術：
在輸電網(wǎng)絡中，與高壓的意外接觸將通常造成嚴重傷害或者甚至死亡。因此在這 樣的整個網(wǎng)絡內(nèi)規(guī)定高安全要求。直流斷路器是常規(guī)用于除了其它操作之外還將直流電壓儲存器連接到電壓源轉(zhuǎn) 換器和斷開連接到電壓源轉(zhuǎn)換器的直流電壓儲存器的一種安全措施。這樣的電壓源包括設 計使得所包括的電池絕緣能夠處理某些擊穿電壓。然而絕緣擊穿仍然可能出現(xiàn)從而在施加 電壓時造成在電池單元與電池架(箱)之間的高故障電流。適合與處理高壓的電壓源轉(zhuǎn)換器一起使用的直流電壓儲存器經(jīng)常需要包括串聯(lián) 連接并且形成電池串的若干電池單元，例如在輸配電系統(tǒng)中，總電池電壓可能為數(shù)十千伏 級。這樣的直流電壓源的電池串即使在直流母線的直流斷路器關斷時仍將處于高電勢。顯 然地，在電池串中的這樣的高壓和大量能量即使在它們從電壓源轉(zhuǎn)換器斷開時仍然使得電 池的維修和維護工作頗為危險。提高高壓網(wǎng)絡中的安全性是一直的追求，并且有鑒于此，將希望提高具體關于上 述電池儲存器設置的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供用于保證直流電壓儲存器的安全維修和維護工作的 手段。本發(fā)明的具體目的在于提供用于保證對布置于電池串中的個別電池能量儲存器 的安全維修和維護工作的手段。這些目的和其它目的由如在所附獨立權利要求中要求保護的一種用于高壓應用 的電池單元設備、一種連接器和斷開器設備及一種方法實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于高壓應用的電池單元設備。該電池單元設備包括具有 電池架的電池單元。該電池單元設備還包括切換器件，該切換器件包括用于在兩個位置之 間切換電池架的切換裝置。在第一位置，電池架連接到電池單元的一極，而在第二位置，電 池架連接到安全零電勢。借助本發(fā)明，可以用成本高效方式極大地增加維修和維護人員的 安全性。在操作模式中，電池架連接到電池的一極(負極或者正極)。由此，架電勢相對于 內(nèi)部電池單元總是處于限定水平，并且在絕緣體兩端的電壓被限定為在其電擊穿以下的電 平。如果架未連接到電池極中的一極，則可以不限定架電勢，并且在電池絕緣體兩端的電壓 可能達到很高電平從而引起電池單元中的絕緣體擊穿。架的這一電勢控制無論架是連接到 電池的正極還是負極都以類似方式工作。本發(fā)明提供用于控制電池架的電勢的手段。該電 勢控制又實現(xiàn)提供安全工作環(huán)境。
本發(fā)明也提供一種連接器和斷開器設備及有關方法，其中實現(xiàn)與上述優(yōu)點類似的 優(yōu)點。具體而言，該連接器和斷開器設備包括多個電池單元設備且還包括斷路器器件。連接 器和斷開器設備實現(xiàn)電池單元的個別斷開。由此可以個別地對電池單元進行維修和維護。


圖1圖示了針對單個電池單元示出的本發(fā)明。圖加圖示了在操作狀態(tài)中的本發(fā)明電池設備。圖2b圖示了在斷開狀態(tài)中的本發(fā)明電池設備。圖3示意地圖示了在轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的本發(fā)明電池設備的示例。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。
具體實施例方式首先參照圖1和圖2描述可應用本發(fā)明的電池能量儲存器的主要布局。電池單元 設備1包括電池單元6i。電池單元6i又包括電池架(也稱為箱或者罩)2和多個串聯(lián)連接 的電池單元…、3n。若干這樣的電池單元也可以串聯(lián)和/或并聯(lián)分組在一起形成電池 模塊(在圖中未示出)。若干電池模塊可以串聯(lián)連接(或者在串聯(lián)和并聯(lián)連接的組合中) 以形成電池單元6i;并且電池單元6i又可以串聯(lián)連接以形成電池串7。一個或者多個電池串7在共同母線8a、8b兩端并聯(lián)電連接以向負載(比如電壓源 轉(zhuǎn)換器(未示出))提供有功功率。例如根據(jù)負載的功率水平和電池能量源設備的預期持 續(xù)時間，適當數(shù)目的電池串7并聯(lián)連接以提供必需功率和能量。在本申請中，電池串7為高 壓電池串，并且通過添加適當數(shù)目的并聯(lián)連接電池串(在圖中圖示了僅一個電池串)來滿 足增加的有功功率需要。各電池串7與負載如電壓源轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接。而且為了實現(xiàn)所需 高直流電壓，電池串7由必需數(shù)目的串聯(lián)連接單元組成，例如如果單元電壓為4V，則達到 40千伏的直流電壓將需要串聯(lián)的10，000個電池單元。圖1圖示了本發(fā)明的基本原理。如前文提到的那樣，電池串7即使在連接到直流 母線8a、8b的直流斷路器9a、9b關斷時仍然將處于高電勢。為了消除與對用于高壓應用的 電池儲存器進行維修和維護工作相聯(lián)系的風險，根據(jù)本發(fā)明引入切換器件切換器件Si包括用于在Pl和P2這兩個位置之間切換的切換裝置4”當切換裝 置I在位置Pl這一圖中所示位置時，電池單元6i的電池架&連接到電池單元6i的負極。 在主要功能相同時也可以使用一種用于電池單元的在位置Pl將電池架I連接到電池正極 的類似設備，但是這里示出了連接到負極的情況的示例。電池單元6i的負極經(jīng)由限流電阻 器R(例如1ΜΩ或者10ΜΩ的電阻器)連接到切換器件5”在原理上無電阻器也可以進行 連接，由此將架直接連接到電池極。然而如果在電池單元6i內(nèi)有絕緣故障，則這然后可能造 成高電流使電池短接并且可能最終地損壞電池單元。高電阻器值將使這樣的短路電流限于 無害水平。在實踐中，電阻器R優(yōu)選地連接于電池架I內(nèi)(如圖加和213中所示)，但是在 圖1中圖示為在電池架I外。當切換裝置I在其第二位置P2時，電池架2連接到接地G。切換器件還包括連接裝置，例如用于將切換器件連接到電池架&的第一連 接裝置Cl和用于將切換器件51連接到電池單元6i的負極(或者如果使用這一設備則連接 到正極)的第二連接裝置C2。
切換器件因此包括用于將電池架&連接到接地G (即連接到安全零電勢)和從 接地G(即從安全零電勢)斷開電池架&的裝置。根據(jù)本發(fā)明的連接器和斷開器設備10包括多個切換器件5i;電池串7的每個電池 單元6i —個切換器件。根據(jù)本發(fā)明的連接器和斷開器設備10還包括連接于各電池單元6i 之間(即從電池單元6i的一極連接到相鄰電池單元的相反極等等)的斷路器器件Aitl 另外，斷路器器件Ai也連接于電池串7的兩端與電池負載7所連接到的負載之間、即從電 池單元6i的一極連接到負載并且從電池單元k的一極連接到負載。下文將參照圖加和圖2b描述根據(jù)本發(fā)明的連接器和斷開器設備10的操作。這 些示了包括三個電池單元S1A2A3的電池串7。然而本發(fā)明可以用于如希望和需要一 樣多的電池單元或者電池模塊。根據(jù)本發(fā)明，斷路器器件Ap A2、A3、A4分別連接于直流斷路器9a與電池串7的第 一電池單元之間、第一電池單元與第二電池單元化之間、第二電池單元化與第三電池 單元~之間以及第三電池單元~與直流斷路器9b之間。各電池單元括前文參照圖1 描述的切換器件5”圖加圖示了當電池串7在操作中時的情況。在各電池單元6i之間的斷路器器件 A1, A2, A3、A4閉合以便串聯(lián)連接電池單元直流斷路器9a、9b也閉合以便將電池串7連 接到直流母線8a、8b。切換器件5^ . 將其相應電池單元6”62、~的負極連接到相應電 池架2”22、23，由此保證電勢分布安全。也可以使用如下類似設備，該類似設備使切換器件 5^5^53將其相應電池單元的正極連接到相應架。圖2b圖示了當電池串7處于非操作的斷開狀態(tài)時的情況。在這一狀態(tài)中可以進 行安全的維修和維護工作。在各電池單元6”62為之間的斷路器器件V A2, A3、A4關斷以 便斷開電池單元S1A2J3，并且直流斷路器9a、9b也關斷以便從直流母線8a、8b斷開電池串 7。切換器件S1A2A3被切換以便將各電池單元S1A2A3的電池架&、22、&連接到安全零電 勢。在這一位置，切換器件S1A2A3因此實現(xiàn)對每個個別電池單元S1A2A3的安全維修和維 護工作。注意單獨地斷開電池單元S1A2A3并且可以對各電池單元S1A2A3單獨地進行維 修工作。如提到的那樣，在電池串7中可以有如希望和需要一樣多的電池單元或者電池 模塊，并且各電池單元6i可以包括以與上述對應的方式連接的切換器件Si和斷路器器件 A(i)、A(i+l)。以同步方式進行在操作模式(圖2a)與非操作模式(圖2b)之間的切換。無需同 時進行切換。也就是說，當應當進入非操作模式時，分別同步切換器件Si和斷路器器件Ai的 連接和斷開，從而當斷路器器件關斷時，切換器件應當將電池架2連接到接地。反言之，當 應當進入操作模式時，切換器件連接到它們的相應電池單元的負極，然后(如果并非同時) 通過閉合斷路器器件來串聯(lián)連接電池單元。圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的電池單元設備1以及連接器和斷開器設備10的示例使 用。包括串聯(lián)連接的η個電池單元電池串7并聯(lián)連接到電壓源轉(zhuǎn)換器12。電壓源轉(zhuǎn) 換器12連接到三相電力網(wǎng)絡15。在該圖中，在電池串7的各端示出了與圖2a、圖2b的直 流斷路器9a、9b對應的兩個直流斷路器，但是斷路器數(shù)目對于本發(fā)明并不重要。在該圖中， 為了使原理清楚而示出了僅一個串，但是對于并聯(lián)的若干串也將符合相同原理。
為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的連接器和斷開器設備10的同步連接和斷開，可設想多個 不同解決方案。例如可以利用機械解決方案，其中包括一組連接觸點的母線13用于斷路器 器件A”觸點被布置成實現(xiàn)連接和斷開。母線13被布置成例如借助線性馬達14來在兩個 操作模式之間轉(zhuǎn)變。在第一模式中，連接器和斷開器設備10被連接，從而電池串7在操作 模式中。具體而言，母線13的觸點將各斷路器器件Ai連接到圖加中所示操作模式。在第 二模式中，連接器和斷開器設備10被連接以便提供安全零電勢。具體而言，在第二模式中， 觸點將各斷路器器件Ai連接到圖2b中所示非操作模式?？梢允褂闷渌愋偷臋C電器件而 不是母線和線性馬達以實現(xiàn)相同效果?？刂葡到y(tǒng)11控制根據(jù)本發(fā)明的連接器和斷開器設備10的操作。控制系統(tǒng)11包 括用于進行切換器件Si和斷路器器件Ai的同步切換的裝置，例如軟件?？刂葡到y(tǒng)11包括 附加功能(例如通過監(jiān)視相關參數(shù)并且在故障條件下提供報警來監(jiān)控這些功能)和在本領 域中已知的附加功能?？刂葡到y(tǒng)11通常也監(jiān)視和控制電池操作、直流斷路器9a、9b以及電 壓源轉(zhuǎn)換器。參照圖4，本發(fā)明也涵蓋一種用于操作如上文所述連接器和斷開器設備10的方 法。該方法包括在操作模式與非操作模式之間切換連接器和斷開器設備10的步驟。在步驟20中，向前述操作模式切換連接器和斷開器設備10。向操作模式的切換 包括以下子步驟向前述位置Pl切換20a切換器件5i、-,5n ；并且閉合20b斷路器器件 A1,…、An+1，由此串聯(lián)連接電池單元…、I。由此，它們的相應電池單元…、1的 負極(或者如果使用這一設備則為正極)連接到它們的相應電池單元…An的電池架
…、2n。連接器和斷開器設備10現(xiàn)在在操作模式中。在步驟21中，向非操作模式切換連接器和斷開器設備10。向非操作模式的切換包 括以下子步驟；關斷21a斷路器器件、、…、An+1，藉此使電池單元···、&相互斷開；并 且將切換器件…、\切換21b到前述位置P2。由此，各相應電池單元…、k的電池 架&、…、&連接到安全零電勢、即接地。優(yōu)選地以同步方式分別進行操作模式和非操作模式的子步驟20a、20b和21a、 21b。該方法可以包括更多步驟。例如，如果連接器和斷開器設備10還包括直流斷路器 9a、9b，則該方法在閉合斷路器器件Ai的步驟之后包括在操作模式中閉合直流斷路器9a、9b 的附加步驟。注意直流斷路器9A、9b被設計成能夠斷開操作電流并且在斷路器器件Ai關斷之 前而且也在切換器件切換之前關斷。因此，斷路器器件Ai無需能夠斷開高直流電流并且 可以相應地被設定尺度。具體而言，可以使用成本更低的部件并且可以提供用于連接器和 斷開器設備10的成本有效的總成本。取代了使用機械或者機電斷路器以及斷開器和連接器設備，在原理上也可以使用 半導體切換器件。然而，為了實現(xiàn)電池從轉(zhuǎn)換器的真正電流安全分離和斷開以及從串分離 電池單元，機械和機電器件為優(yōu)選解決方案。
權利要求
1.一種用于高壓應用的電池單元設備(1)，所述電池單元設備(1)包括具有電池架 (2i)的電池單元板)，其特征在于切換器件(5》包括用于在兩個位置(Pl，P2)之間切換 所述電池架Oi)的切換裝置Gi),其中第一位置(Pl)將所述電池架Oi)連接到所述電池 單元(6》的一極而第二位置(P”將所述電池架Oi)連接到零電勢(G)。
2.如權利要求1所述的電池單元設備(1)，其中所述切換器件(5》包括可連接到所述 電池架Oi)的第一連接裝置(Cl)和可連接到所述電池單元(6》的所述極的第二連接裝置 (C2)。
3.如權利要求1或者2所述的電池單元設備(1)，還包括電阻器(R)，該電阻器在一端 連接到所述切換器件(5》的連接裝置(以)而在另一端連接到所述電池單元(6》的所述 極。
4.如權利要求3所述的電池單元設備(1)，其中所述電阻器(R)連接于所述電池架Oi)內(nèi)。
5.如權利要求1-4中的任一權利要求所述的電池單元設備(1)，其中所述電池單元 (6,)包括多個串聯(lián)連接電池單元(3》或者串聯(lián)和并聯(lián)連接的單元的組合。
6.一種連接器和斷開器設備(10)，包括至少兩個如權利要求1-5中的任一權利要求所 述的電池單元設備(1)，其特征在于-第一斷路器器件(A1),連接到負載(1 和所述至少兩個電池單元設備(1)的第一電 池單元(6》，-第二斷路器器件(A2),連接到所述第一電池單元(6》和所述至少兩個電池單元設備 (1)的第二電池單元(62)，以及-第三斷路器器件(A3),連接到所述第二電池單元(62)和所述負載(12)。
7.如權利要求6所述的連接器和斷開器設備(10)，其中所述第一斷路器器件(A1)經(jīng) 由直流斷路器(9a)連接到所述負載(12)。
8.如權利要求6或者7所述的連接器和斷開器設備(10)，其中所述第三斷路器器件 (A3)經(jīng)由直流斷路器(9b)連接到所述負載(12)。
9.如權利要求6-8中的任一權利要求所述的連接器和斷開器設備(10)，還包括電池 單元(6i;…，6n)，經(jīng)由相應斷路器器件(Ai,…，An+1)相互串聯(lián)連接。
10.如權利要求6-9中的任一權利要求所述的連接器和斷開器設備(10)，還包括控制 裝置(11)，用于以同步方式連接所述斷路器器件(A1, -,An+1)和所述至少兩個電池單元設 備(1)的所述切換器件(51;…，5n)。
11.如權利要求6-10中的任一權利要求所述的連接器和斷開器設備(10)，其中所述負 載(1 包括電壓源轉(zhuǎn)換器。
12.如權利要求7或者8所述的連接器和斷開器設備(10)，還包括控制所述直流斷路 器(9a, 9b)的控制裝置(11)。
13.一種用于操作如權利要求6-12中的任一權利要求所述的連接器和斷開器設備 (10)的方法，所述方法的特征在于以下步驟-在操作時通過以下操作向操作模式切換OO)所述連接器和斷開器設備(10)-閉合(20b)所述斷路器器件(A1, A2, A3),由此串聯(lián)連接所述電池單元(61;62)，并且-向位置Pl切換(20a)所述切換器件(51;52)，由此將它們的相應電池單元的一極連接到它們的相應電池單元椒，化)的所述電池架(21;22)，在斷開時通過以下操作向非操作模式切換所述連接器和斷開器設備(10)-關斷(21a)斷路器器件(A1, A2, A3),由此將所述電池單元(61；62)相互斷開，并且-向位置P2切換(21b)所述切換器件(51;\)，由此將各相應電池單元的所述 電池架O1^2)連接到接地。
14.如權利要求13所述的用于操作連接器和斷開器設備(10)的方法，其中以同步方式 進行在所述操作模式中的所述步驟O0a，20b)。
15.如權利要求13或者14所述的用于操作連接器和斷開器設備(10)的方法，其中以 同步方式進行在所述非操作模式中的所述步驟(21a，21b)。
16.如權利要求13-15中的任一權利要求所述的用于操作連接器和斷開器設備(10)的 方法，其中所述連接器和斷開器設備(10)還包括直流斷路器(9a，9b)，并且所述方法包括 在所述閉合所述斷路器器件(A1,A2，A3)的步驟之后在所述操作模式中閉合所述直流斷路器 (9a, 9b)的附加步驟。
17.如權利要求13-15中的任一權利要求所述的用于操作連接器和斷開器設備(10)的 方法，其中所述連接器和斷開器設備(10)還包括直流斷路器(9a，9b)，并且所述方法包括 在所述關斷所述斷路器器件(A1,A2，A3)的步驟之前在所述非操作模式中關斷所述直流斷路 器(9a,9b)的附加步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高壓應用的電池單元設備1。該電池單元設備包括具有電池架2i的電池單元6i和切換器件5i。切換器件5i包括用于在兩個位置P1、P2之間切換電池架2i的切換裝置4i，其中第一位置P1將電池架2i連接到電池單元6i的一極而第二位置P2將電池架2i連接到零電勢G。本發(fā)明也涉及一種連接和斷開設備和一種用于操作這樣的連接和斷開設備的方法。
文檔編號H01M2/02GK102077387SQ200880130039
公開日2011年5月25日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權日2008年6月30日
發(fā)明者B·尼格倫, F·霍西尼, G·布羅西格, G·魯斯伯格, J·R·斯文松, W·赫爾曼松 申請人:Abb研究有限公司