具有大量并联电池单元的电网储能系统

优先权主张

本申请要求序列号为63/143007，申请日为2021年1月28日的美国临时申请的优先权。序列号为63/143007的美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开实施方式涉及电网电能储存系统、其改进式部件以及改进式组装方法。具体而言，本公开的某些实施方式涉及一种用于提高电网电池电能储存系统模块化的改进式系统架构。

背景技术

任何电池单元的可用能量(Wh)为其容量(Ah)与其平均放电电压(V)的乘积。电池单元通过并联和/或串联，可实现所需的电压、功率及能量。并联电池单元的容量为所连接的电池单元Ah额定值的总和。并联电池单元的电压为各个电池单元的电压。串联电池单元的容量为所连接的各电池单元的Ah额定值。串联电池单元的电压为所连接的各电池单元的电压之和。在忽略效率及布线损耗的情况下，并联和串联电池单元的能量含量均等于所连接的电池单元能量之和。

传统电网电池电能储存系统包括电池单元，电池单元连接形成电池单元组，电池单元组连接形成电池单元模块，一系列相互连接的电池单元模块形成电池单元串，而电池单元串又进一步构成规格针对目标应用的电池包或电池架。电网储能系统依靠可扩展的模块化架构实现特定终端应用的所需电压、电流及能量水平。

电池单元为系统中最小的电化学储能单元。1～10个电池单元并联构成电池单元组。电池单元模块一般包括6～18个串联的电池单元组。电池单元串包含多个电池单元模块，这些电池单元模块通过串联获得所需的电池单元串电压。从电池单元到电池单元组再到电池单元模块再到电池单元串的并联和串联构型基于电池单元串中电池单元组合所需的电压、安培数及能量水平。此外，电网电能储存系统通常采用并联的多个电池单元串。

在并联和串联两种构型中，所连接的电池单元应彼此以相同的相对速率充电和放电，从而在所连接的所有电池单元之间实现平衡充电状态。对于串联电池单元而言，由于流经每一电池单元的电流基本相同，因此各电池单元之间往往为平衡充电状态。然而，随着时间推移，各电池单元之间自放电速率和充电效率的不匹配程度可能会发生变化。为了减轻串联电池单元串充电状态(SOC)的不平衡程度，许多系统设计采用电子控制式电池单元平衡机制，用于随时间推移逐渐校正电池单元之间的充电状态不匹配状况。

如果电池所连接的系统能够接受更高的直流电压，则可以增大串联电池单元的数目，从而增大储能系统的直流电压及其能量。如果电压受限，则无法增大直流电压，此时可通过并联更多的电池单元或电池单元串的方式，增大能量。

图1为按照传统结构串联的十四个3.7V锂离子电池单元的示意图。当每一电池单元具有3.7V的标称电压时，该结构的电压约为52V，能量约为1400Wh。图2A(左)所示为分别与图1各串联电池单元并联的电池单元。图2B(右)所示为与图1所示初始串联电池单元串并联的另一串联电池单元串。当每一电池单元具有3.7V的标称电压时，图2A和图2B所示结构产生的能量约为2800Wh。与图2A所示结构相比，后一并联的串联电池单元串(图2B)要求使用额外的附属及辅助监测部件，从而增加物料(BOM)、初始成本及复杂性。

图3所示为图2A结构(每一串联组由两个并联电池单元组成)，其中，某个并联电池单元发生短路，而其他的每一电池单元因这些电池单元的串联结构而仍旧具有基本上恒定的电压。图4所示为图2B结构(由并联的两个子电池单元模块构成)，其中，并联电池单元模块的其中一个电池单元发生短路。当电池单元并联时，如果一个电池单元内部短路，则其他并联电池单元的电流将转入短路电池单元，从而加剧故障状况。发生这一故障时，由于正常电池单元串的电压将施加至其中一个电池单元变得无效的故障电池单元串上，因此故障电池单元串中的每一其他并联电池单元均处于过压状态。如图4所示，故障电池单元串内的其他正常电池单元的平均电压高于正常电池单元串内的正常电池单元。为了缓解这一危险状况，系统设计人员往往会通过控制开关、接触器、继电器或晶体管，采取将故障串联电池单元串与正常电池单元串断开的措施，从而需要使用额外的控制和监测电子器件。

本领域技术人员应该理解的是，电池单元必须针对包括过流、过压、内外短路及物理不当使用在内的不当使用状况加以保护。除此之外，某些化学物质还需要针对过充电、过放电及极端温度的保护。此类状况可导致严重损坏。由于这些原因，需要对电压、电流及操作温度进行监测。大多数锂离子电池系统集成有用于减轻此类风险的监测、保护及报告功能。

为了实现监测、保护及报告功能，包含串联的并联电池单元组的每一电池单元模块由多通道电子模块级电池管理系统管理。该模块级电池管理系统对电池单元模块中每一串联的并联电池单元组进行电压监测。由串联电池单元模块组成的每一电池单元串一般由电子串级电池管理系统管理。该串级电池管理系统对每一模块级电池管理系统的状态和数据进行监测，并且可具有保护装置，该保护装置能够保护电池单元模块免受持续的电流流入或流出导致的损坏。

图5所示为两个由十四个串联电池单元构成的并联电池单元串，每一电池单元串具有监测与保护电路，且由电池管理系统(BMS)监测。该电池管理系统可测量温度、电流及电池单元模块电压，并控制可主动保护电池免受外部极端电力使用状况影响的开关。如图5所示，该电池管理系统与另一控制系统通信连接，所述另一控制系统可以为另一电池单元模块或上游控制装置。

上述电池管理系统监测其电池单元的状况，并减轻或防止电池单元受到的损害。该电池管理系统监测电池单元的相对充电状态(SOC)，并尝试实现电池单元之间充电状态的平衡。该电池管理系统通过如下方式实现这一点：将具有更高充电状态的电池单元的能量消去；或者通过主动式平衡电路，将能量从高充电状态电池单元转入低充电状态电池单元。此外，当超过电池单元的建议极限值时，该电池管理系统能够通过与外部控制器的外部通信，对这一状况进行警告。所述外部控制器可控制施加至电池端子的电流，并且能够在损害发生之前使电池单元恢复安全操作状态。该电池管理系统可通过一个或多个串联开关控制流入和流出电池单元模块的电流，所述串联开关可以为接触器、继电器或固态晶体管。如果外部控制器无法减轻或解决潜在的有害状况，该电池管理系统可打开所述开关，以阻止电流通过电池单元。

电网电池系统一般由通过并联或串联方式或者同时通过并联和串联两种方式组合在一起的模块化部件构成。当单个电池单元模块的电压范围能够满足目标应用的要求时，可通过并联额外的电池单元模块提高能量，同时不增大电压。或者，也可串联额外的电池单元模块，以将电压提升至目标水平。无论是采用并联或串联方式，还是同时采用并联和串联两种方式，均可通过增大电池单元模块数量满足整个系统的能量要求。图6所示为并联的三个图5所示类型电池单元模块。虽然图6中未像图5一样示出具体细节，三个电池单元模块当中的每一模块均具有其自身的电池管理系统。此外，这些电池单元模块组成的电池单元串具有主通信装置。

传统上，主通信装置用于管理多个电池管理系统装置。该主通信装置可作为区域控制器，对分别具有其自身模块级电池管理系统装置和串级电池管理系统装置的多个电池单元串进行管理。

由相互连接的电池单元模块构成且具有保护和通信功能的电池单元串通常称为“电池包”，即电动车辆(EV)电池的一般结构。在电网应用中，电池单元模块组成的电池单元串在物理上沿竖直方向配置于机柜，通常称为“电池架”。

当并联的储能电池单元串彼此之间无主动均衡功能时，流经每一电池单元串的电流平衡将取决于其相对内部阻抗。阻抗波动可源于制造公差波动、老化、操作温度、性能下降、连接质量及线路电阻波动。储能电池单元串的功率应与其本身能力或当前状况成正比。由于功率传输速率不平衡时会降低可供使用的总能量，因此这种不平衡状况会使得成组的电池架无法达到其额定总功率和额定总能量。例如，当一个或多个电池架因功率传输速率低而比其他电池架贡献更少的电流时，一个或多个其他电池架需要在其指定的功率额定值以上工作，以补偿低速电池架。因此，当电池架之间的功率通量不匹配时，电池架组的功率及能量额定值均会降低。

当发生短路时，直流电流难以中断。即使中断后，线路及负载的电感可能会导致仍有电流流动，以致以高压火花的形式穿过空气间隙。对于电网规模的电池单元串而言，由于每一电池单元串可能会产生数万安培的电流，因此该问题尤其具有挑战性。当并联的电网规模电池架发生短路时，其电流可能会达到数十万安培。

为了解决上述难题，如图7所示，某些制造商在各个储能单元与直流总线之间分别插入缓冲电力转换器。这些转换器调节输入与输出之间的相对阻抗，从而能够将每一单个储能单元的功率水平调节至与该单元或另一系统级目标的需求相匹配。如图7所示，直流/直流转换器即使在短路状况下，也能够从每一储能单元汲取合适量的电力，并控制最大绝对电流。通过使用转换器，还能将新的电池架与已有电池架相并联。每一并联电池单元串分别设置转换器的系统能够调节每一电池架的电流，以补偿老化及其他因素的不匹配状况。然而，这些益处并非没有代价，转换器的使用会增大初始设备成本，造成运营效率损失，并在电网储能系统的整个使用寿命期间产生额外的运营成本。

多个电池架通常并联(直接并联，或如以前一段中所述及图7所示，通过直流/直流转换器并联)形成电池架组，这些电池架组可容纳于容器、壳体或建筑物中，以形成完整的电网电池系统(GBS)。如图8和图9分别所示，一个或多个电网电池系统可连接形成电网规模的电力转换系统，以构成电网储能系统(GESS)的基本要素。

在一种例示的现有技术电网储能系统中，容量为73Ah的四个电池单元并联形成电池单元组，十四个电池单元组串联形成电池单元模块。这一电池单元模块具有本行业已知的“14S4P”(意为“十四串联四并联”)结构。每一电池单元模块由模块级电池管理系统及两个或更多个温度传感器监测和平衡，所述模块级电池管理系统对14个不同串联电池单元组进行监测，而所述温度传感器策略性地设置于电池单元模块内的不同位置。十七个此类电池单元模块串联形成单个电池架内的电池单元串。该电池单元串由串级电池管理系统管理，该串级电池管理系统与各模块级电池管理系统通信，以监测各电池单元及各电池单元模块的状态，并采用保护装置保持其在安全操作条件下工作。整个电池单元串为4并联×238串联电池单元结构。由于每一电池单元的容量为73Ah，标称电压为3.65V，电池单元串的总标称能量为4×73×3.65×14×17＝250kWh(大约值)。

二十四个上述电池单元串与同一直流总线并联连接。因此，该总线的总标称能量为8MWh以内。各电池单元串的状况由总线级电池管理系统通过与多个串级电池管理系统通信而监测。该总线级电池管理系统与上游系统控制器通信，并协调各电池单元串之间的相互作用，以保证其正常运行。该总线级电池管理系统可汇总各电池单元串的状态，并向上游控制器提供有价值的相关信息。此外，其还控制本地环境设备，以保持电池单元串正常工作所需的温度、湿度及其他参数。

上述总线级电池管理系统还可与向直流总线推送电力以及从直流总线汲取电力的4MW电力转换系统通信，并对其进行控制。通过这种方式，其可直接对各电池单元串的总功率通量施加影响，并使其满足电池单元串长期正常安全运行的需求。

多个电网储能系统可与电网的接入平台(POI)并联，以成比例改变特定设备所需的电力和能量的量。当某个电池系统电池单元串内的一个部件发生故障时，可将受影响的电池单元串与直流总线断开，从而与电池系统的其他部分断开，以使得电池系统仍旧能够以稍微降低的功率和能量容量运行。当电网储能系统或其关联电力转换系统的整体层面发生问题时，可将电网储能系统与电网断开，以使得并联的其他电网储能系统能够继续运行。这一架构具有高冗余度和高可扩展性。然而，与此同时，其导致系统成本增大。其中，每一并联组件均需要单独的监测、保护、线路、连接及断开装置。

图11A至图11E为一系列透视示意图，示出了现有技术已知动力储能系统应用的传统圆柱形和方形电池单元、密封方形电池单元、电池单元模块及电池包的结构。图11A所示为具有阴极、阳极、电解液及隔膜的圆柱形电池单元的例子。图11B所示为具有两个集电器的密封方形电池单元的例子。图11C所示为方形电池单元及电池单元壳体的例子。图11D所示为内含七个方形电池单元且具有电池单元模块输出端的电池单元模块壳体的例子。图11E所示为包含多个电池单元模块的电动车辆电池包。

因此，传统电网电能储存系统基于依赖系统每一层级上规模相对较小的模块化的系统架构进行设计。从单个电池单元到电池单元组，从电池单元组到电池单元模块，从电池单元模块到电池单元模块串，从电池单元模块串到电池架及电网电池系统，通过对并联和串联的单独部件数设限，限制单个电池单元或单个部件故障时，对整个系统的影响。虽然这种已知设计架构在实现冗余度方面较为有效，但是其代价在于大幅提高部件数量、成本及复杂性，而且如下文所述，降低系统层面的容量利用率。

传统系统采用上述组装方式的原因有多个。首先，设计人员存在单个电池单元可能会发生故障的顾虑。这一顾虑促使设计人员降低单个电池单元串的功率和能量，从而降低单个电池单元发生故障时对含有多于一个的并联电池单元串的上层系统产生的影响。理论上，如果电池单元串足够小，则由下层电池单元串构成的上层系统在一个电池单元串关闭或以其他方式与上层系统隔开时仍旧能够继续运行。举例而言，如果上层系统仅含有两个电池单元串，则当其中一个电池单元串发生故障且自行与另一电池单元串隔开时，系统容量只剩原来的一半。然而，如果上层系统含有十个电池单元串，则当其中一个电池单元串发生故障且自行与其余的九个电池单元串隔开时，剩余系统容量为额定容量的90％。

其次，通过更小的结构单元，设计人员能够获得更小规模的系统。传统储能系统的规模为1～20MWh。为了确保电池单元或电池单元模块发生故障时的可靠性和恢复能力，设计人员采用的冗余结构单元数为N+1，其中，N大于10，且优选大于100。与此相对，现有储能系统的规模通常为100～400MWh，而未来系统将会超过1GWh。随着储能系统的规模越来越大，传统架构及结构单元尺寸的问题变得越来越严重。

再次，针对多个电池单元并联方面的安全性和可靠性，设计人员存在着客观和/或主观上的担忧。当大量电池单元连于一起时，各个电池单元对短路状况的总贡献量变得可观。此外，较大的短路电流可对电池系统造成附带损害。

另外，当由大量电池单元构成的并联电池单元组内的一个电池单元因内部短路而发生故障时，其他大量的正常并联电池单元将向故障电池单元贡献电流，从而与将更少的电池单元与该故障电池单元并联的情形相比，可能潜在地造成更大的损害。当此类状况发生时，一个故障电池单元会因过度的自放电而导致整个电池单元组失效。当多个电池单元彼此并联时，其中一个电池单元发生故障且进而导致整个并联电池单元组失效的概率更大。

传统系统通过采用上述设置方式解决以上问题以及还可能存在的其他问题。然而，由于采用此类设计理念，传统系统还存在各种各样的其他问题。

低并联数高串联数电池单元串的一项基本弱点在于，系统很可能存在系统容量降低的问题。由于电池单元制造中存在着固有且不可避免的瑕疵及不一致性，因此直接导致电池单元的特性存在波动，如容量波动、电阻波动、自放电波动及退化速率波动。当将电池单元或并联电池单元组串联后，所形成的串联电池单元串的性能将恢复为其中效率最低的电池单元的性能。由于串联系统的本身性质及安全管理方式，性能最低的电池单元或电池单元组决定了整个电池单元串的总体性能。

举一个典型的例子，当将数百个电池单元串联在一起且每一电池单元性能的概率分布为+/-2.5％时，这数百个电池单元当中有很大概率有一个电池单元的性能趋向概率分布的低端(即-2.5％)。因此，该电池单元串有很大概率存在总体性能低的问题。出于这一原因，此类系统必须将其规模至少过量设置2.5％，才能确保其规格满足要求。

虽然以并联和串联电池单元组组成电池单元模块的传统方法可能会降低单个电池单元发生故障时的主观风险及后果，但是其会引入其他故障模式。此类传统方法需要使用大量的附属或辅助监测、保护及通信部件，而这些附属或辅助部件均各自本身存在相关故障率。至关重要的一点是，这些附属或辅助部件的故障率有可能高于单个电池单元的故障率。

附属部件包括但不限于传感器、电子监测部件、线路、连接器、冷却系统及执行其他辅助功能的部件。传统电池系统的此类附属部件占系统总物料的很大一部分。此外，除单个电池单元发生故障的风险之外，附属部件增加了电池单元模块的复杂性，并使系统多出多种额外的故障模式。本发明人认为，附属部件导致的此类额外故障模式的故障风险可能比单个电池单元的故障率高1000倍。

因此，上述传统方法会在各个模块化层级上分别增加多个层次的复杂电子部件，从而大幅增加系统物料。如此，会导致系统成本增大，不但使初始成本较高，而且使运营成本较高。成本高的原因可能在于，在给出相同量的能量时，需要管理更多的电池单元串及电池单元模块。例如，传统系统包括额外传感器，而且不但针对每一电池单元串包括一个电池管理系统，而且针对每一电池单元模块也包括一个电池管理系统。除此之外，其还可能需要与物理上容纳电池单元模块的壳体以及运行所需的电子及冷却系统(如风扇)相关的额外材料和开销。

传统电池储能系统通常采用空气冷却。这一冷却方式可能效率较低，甚至可能无效。取决于具体环境条件，空气冷却可能不足以使系统保持均一的温度，或不足以使其符合规格要求。

已知，某些电池技术存在破坏性热失控问题，其中，过多热量、过压、过流和/或过度物理不当使用会导致电池单元温度迅速爬升，从而放出易燃性、有毒性且/或爆炸性气体，以及火焰。针对热量和火焰蔓延，传统储能系统通过组合使用如下措施实现保护：防爆功能；气体感测及通风；火焰及烟雾探测；洒水；直接注水；清洁剂灭火系统；和/或主动火花点火。此类系统增加了系统的复杂性、物料及总成本。

传统锂离子电池储能系统设计有复杂的气体检测系统、通风系统以及防爆措施，以在当一个或多个电池单元发生热失控时进行安全应对。此类附属系统往往依赖于使用额外的气体感测、监测及控制系统，从而大幅增大复杂性，并增大系统的物料及总成本。另外，由于作为关键部件的气体传感器的额定使用寿命一般短于电网储能系统的预期运行寿命，因此此类附属系统还增加了额外的维护成本。

因此，需要一种能够实现以下一者或多者的改进式电网电池电能储存系统：提高可靠性；减少系统波动；提高容量利用率；减小系统复杂性；减少附属及辅助电子装置，从而降低关联成本；提高冷却效率及有效性；降低灭火和防爆的复杂性和成本；以及减少导电和连接器件。本文公开的改进式电网电池电能储存系统的实施方式旨在解决一项或多项此类难题。

发明内容

本公开实施方式包括一种改进式电网储能系统及其部件和系统架构，其中，电池单元并联形成电池单元组，电池单元组串联形成电池单元模块，多个电池单元模块串联形成电池单元串。在本公开实施方式中，并联形成电池单元组的电池单元数大于传统系统。根据本公开实施方式，电池单元模块包括十八个或更多个单独电池单元并联而形成的电池单元组，并联电池单元构成的电池单元组串联形成电池单元串，电池单元串与电力转换系统连接，以形成储能系统。一个或多个储能系统可通过本地交流电网与其他储能系统连接，所述本地交流电网可通过电网领域技术人员已知的合适互连设备与范围更广的区域电网连接。

本公开实施方式的一部分优点描述于下文，而另一部分优点对于本领域技术人员而言，将因下文描述而变得显而易见，或者可通过对本公开实施方式加以实践而了解。本公开实施方式的优点可通过权利要求书中具体指出的要求及组合实现和获得。

以上概要描述及以下详细描述均仅在于举例说明，并不对所要求保护的实施方式构成限制。

附图说明

附图并入本说明书，并构成本说明书的一部分。附图示出若干实施方式，并与本说明书一起阐述本公开的原理。附图中，类似部件以类似标记标注。

图1为传统架构示意图，其中，十四个串联的3.7V电池单元组成电池单元组，能量约为1400Wh，电压约为52V。

图2A为传统架构示意图，其中，由如图1所示的十四个串联电池单元构成的电池单元串中的各个电池单元分别与相应电池单元并联。

图2B为传统架构示意图，其中，由十四个串联电池单元组成的第二电池单元组与由图1所示十四个串联电池单元组成的初始电池单元串并联。

图3为图2A所示传统架构的示意图，其中，一个电池单元发生短路。

图4为图3所示传统架构的示意图，其中，正常电池单元串使得电池单元发生短路的故障电池单元串产生过压。

图5为传统架构示意图，其中，十四个电池单元与保护装置串联。

图6为传统架构示意图，其中，由并联电池单元模块组成的电池单元串产生更多能量。

图7为传统架构示意图，其中，一种储能系统在每一储能单元与共用的直流/总线连接件之间设有受控电力转换装置。

图8为与公用电网连接的本公开实施方式电网电池系统的示意图。

图9为本公开实施方式示意图，其中，多个并联电网电池系统与公用电网连接。

图10为本公开实施方式示意图，其中，多个串联电网电池系统与公用电网连接。

图11A至图11E为一系列透视示意图，示出了现有技术已知动力储能系统应用的传统圆柱和方形电池单元、密封方形电池单元、电池单元模块及电池包的结构。

图12为本公开实施方式的剖切透视图，其中并联电池单元组包括电池单元模块。

图13A为应用于本公开实施方式超级电池单元的传统电池单元模块连接设计架构平面示意图。

图13B和图13C为本公开替代实施方式的替代汇流排的斜视示意图。

图13D为本公开实施方式汇流排连接结构的平面示意图和侧视示意图。

图14为图13B所示本公开替代实施方式中水平连接相邻电池单元模块的汇流排设置方式斜视图。

图15A为汇流排连接结构斜视示意图，该汇流排连接结构包括竖向连接本公开实施方式电池单元串内竖向相邻的成组水平串联电池单元模块层。

图15B为图15A所示本公开实施方式电池单元串内竖向相邻的串联电池单元模块层之间的竖向汇流排连接结构的另一斜视示意图。

图16为本公开替代实施方式的俯视示意图，该替代实施方式包括与单个电池管理系统串联的12个电池单元模块。

图17为本公开实施方式的透视图，其中，一系列电池单元模块构成电池单元串。

图18A为本公开实施方式四分之一模块的俯视平面示意图，其中，一系列电池单元模块构成电池单元串。

图18B为由电池单元模块构成的电池单元串的斜视示意图，该电池单元串包括本公开实施方式储能系统的四分之一模块。

图18C为本公开实施方式电力转换系统的斜视示意图，该电力转换系统用于装入图18B所示四分之一模块右侧的开放空间内。

图18D为本公开实施方式二分之一模块的俯视平面示意图，其中，电池单元模块构成两个电池单元串。

图18E为本公开实施方式二分之一模块的斜视示意图，示出本公开实施方式由电池单元模块组成的电池单元串、该二分之一模块的一个四分之一模块的电力转换系统以及该二分之一模块的另一四分之一模块的集成冷却系统。

图19A为本公开实施方式模块的俯视平面示意图，其中，电池单元模块构成四个电池单元串。

图19B为本公开实施方式斜视图，其中，一系列电池单元串构成电池架。

图20为本公开实施方式的多个电池模块堆叠体的俯视平面示意图。

图21A至图21D为部件各单元(如电池单元)的不同特性分布类型的代表性分布说明图。

图22A和22B为概率和分布的总体分布比较说明图，其中，随着样本量增大，初始分布(图22A)趋向正态分布(图22B)。

图22C为不同样本量的样本量与概率分布比较说明图。

图23为传统储能系统的容量利用率随时间的典型变化趋势代表性假设图。

图24为电网储能系统的周期性增强情形中，可用能量随时间变化的代表性假设图。

图25A至图25D为本公开实施方式气体驱动式接触器的侧视示意图。

图26A至图26C为传统电网储能系统的示意图，示出该系统的尺寸和能量约值。

图27为本公开实施方式电网储能系统的示意图，示出该电网储能系统的尺寸和能量约值。

图28为具有与单独电池单元热接触的冷却板的冷却系统的例示实施方式。

图29为在发生热失控的电池单元位置释放冷却剂的冷却系统的例示实施方式。

具体实施方式

本公开实施方式与传统电网电池电能储存系统的区别在于系统架构的根本性变化。具体而言，与传统电网储能系统相比，通过改变电网储能系统的模块化规模相关架构，可实现显著的益处。通过采用本公开系统架构，可以改进系统部件的设计、组装及组合方式。

具体而言，与传统方法中避免在基础模块化层级采用大量并联连接的做法不同，本公开实施方式在最低模块化层级上采用大量电池单元之间连接(在一些实施方式中，采用大量电池单元之间并联连接)，以形成标称电池单元电压下实现大容量的并联电池单元组。这一改进式架构能够在改变大规模电网储能系统的规模方面实现显著益处。本公开实施方式在电池单元模块层级上实现的电压、容量及能量能够与传统系统在电池架或更高模块化层级实现的电压、容量及能量相媲美，从而减轻或解决传统系统的多项问题。

本公开实施方式涉及电网储能系统，尤其涉及电网电池储能系统。本公开实施方式储能系统包括并联形成电池单元组的多个电池单元。电池单元组内的并联电池单元数远大于传统系统，从而使得该储能系统能够克服困扰传统系统的一项或多项问题。通过大幅提高并联电池单元数，可以降低单个电池单元故障时产生的影响，并且可实现包括减少物料、降低初始成本、增大容量利用率及提高可靠性在内的多项益处。

如图12所示，本公开实施方式采用多个单独电池单元110在最低模块化层级100上并联连接的架构。本发明人将这种最低层级的电池单元模块称为超级电池单元100。将多个单独电池单元110并联后得到的电池单元组表现出的标称电压与各个单独电池单元110的标称电压相同，且容量为电池单元组内所有电池单元110的总容量。此外，与将电池单元110串联的情形不同，超级电池单元100的总容量不受容量最低电池单元的限制。

将大量单独电池单元110并联后获得的超级电池单元110的物理尺寸小于将相同数量的电池单元串联后的物理尺寸。与传统架构相比，超级电池单元110架构所需要的物理和电气部件的数量更少。例如，一个超级电池单元110可无需使用一个专用的电池管理系统240，而是仅需设于更高模块化层级的电池管理系统240的一个监测通道即可。传统串联电池单元110需要为每一电池单元模块100设置模块级电池管理系统240，而超级电池单元100在电气层面类似于单个电池单元110，因此不具有对附属或辅助电子或电池管理功能的需求。因此，本公开实施方式可省略图6所示的主通信装置220。

如图12所示，电池单元模块100可进一步包括传感器120，冷却系统130及电池单元模块壳体140。与在最低模块化层级上将1～10个电池单元110并联的传统架构相比，如图12所示，本公开实施方式的模块化架构可将18个或更多个单独电池单元110并联形成超级电池单元100。图12所示为198个单独电池单元110，其标称电压例如为3.7V，并联形成的超级电池单元100的标称电压为3.7V，容量约为5000Ah，能量为18.65kWh。这一超级电池单元110在电学上表现为单个电池单元110，仅需一个电压监测通道和一个温度监测通道。

图16所示为本公开替代实施方式，其中，多个电池单元模块100构成电池单元串200，每一电池单元模块100包括串联形成电池单元串200的一个或多个超级电池单元100。在该实施方式中，400个单独超级电池单元模块100串联形成电池单元串200。图16所示为十二个超级电池单元模块100。在该实施方式中，可通过通信器件220连入其他超级电池单元模块100，总数最大为400。所有的400个超级电池单元模块100通过接口单元230与单个电池管理系统210通信。超级电池单元模块100可通过通信器件(如近场耦合天线)220或其他合适的通信器件与接口单元230通信。接口单元230可通过任何数目的有线通信接口与串级电池管理系统240通信，所述有线通信接口例如为CAN、RS485、TCP或任何其他合适的通信协议或网络的接口。

在本发明的其他实施方式中，多个超级电池单元100可以串联。五个超级电池单元100可串联形成电池单元模块100，其电压为18.65V，容量为5000Ah，能量为93kWh。此外，还可通过串联其他超级电池单元100将电压提升至电网储能系统所需要的水平。

在另一实施方式中，通过将24个由5个串联超级电池单元模块100组成的电池单元组串联在一起，产生1300V的电压，5000Ah的容量以及约6.5MWh的能量。

图17所示为本公开替代实施方式，其中，18个电池单元模块100通过近场通信器件220与接口单元230和电池管理系统240通信。与图12所示一致，电池单元模块100通过冷却剂冷却，该冷却剂由冷却通道130提供和移除。

图18A和图18B分别为储能系统的四分之一模块300的俯视示意图及斜视示意图，10个电池单元串200包括该四分之一模块。图18C为电力转换系统310的斜视示意图，该电力转换系统用于设置在图18B所示四分之一模块300右侧的开放空间中。

图18D为储能系统的二分之一模块400的俯视平面示意图。图18E为本公开实施方式的斜视示意图。十个由电池单元模块200组成的图17所示电池单元串中的每一个均设于图18A和图18B所示四分之一模块300内。电力转换系统(PCS)310设于二分之一模块400的一个四分之一模块300的开放空间内，冷却系统130设于二分之一模块400的另一四分之一模块300的开放空间内，每一二分之一模块400包括模块500的一半。

图19A为模块500的平面示意图，模块500包括四个图18A和图18B所示四分之一模块300以及两个图18D和图18E所示二分之一模块400。

图19B所示为模块500和变压器600。本公开实施方式可消除对直流总线以及分别将各储能电池架连接至直流总线的直流/直流转换器的需求。

图20为根据本公开实施方式的多个电池模块堆叠体的俯视平面示意图。图20中示出十个模块500和十个变压器600。

本发明人发现，相对于电网储能系统的传统系统架构，通过采用本公开的新式大量并联架构，可确保实现多项优点。本发明人认为，通过结合应用中心极限定理及大数定律，可将传统架构改为在系统的最低模块化层级上大幅增加并联电池单元数，从而大大提升当前的现有储能技术。利用这一架构，可以实现与传统系统大相径庭且解决传统系统的一项或多项问题的系统。在电网储能系统架构的传统实践中，上述两项定理均未得到应用。

按照相同规格制造相同单独电池单元110的不同制造商可能会使用不同原材料、不同制造工艺以及不同质量控制措施，其中，每一个因素均可能会导致单独电池单元110之间的性能差异。图21A至图21D所示为电池单元110的性能的示例性波动。即使是同一制造商的操作，上述及其他因素也可能会导致单独电池单元110之间在容量、阻抗、循环寿命、老化及其他材料特性上存在显著差异。此外，随着电池单元110的老化和使用，单独电池单元110的性能退化程度也会呈现差异。如上所述，传统系统的可用总能量会因其组成储能部件波动而受到负面影响。传统系统通过在初始设备中加入额外储能能力而对此类波动进行过补偿。

将所有相关储能元件的电池单元性能标准化具有延长系统使用寿命及减少维持质保容量所需的维护工作的益处。如上文背景技术部分倒数第八段所述，通过将概率分布标准化并制定较窄的标准偏差范围，可减小满足整个寿命过程中容量期望值所需的储能系统规模的过量程度。根据中心极限理论，随着样本量增大，即使非典型样本或每一模块化层级上的非均一单元分布，也能趋向或变为正态分布。

根据大数定律，随着样本量增大，其特性值(如平均容量值)相加后的平均值的标准偏差会减小。与电网储能系统架构采用的传统方法相悖，随着系统每一模块化层级所包含的样本数或单元数的增大，该层级内所有样本的总和趋近概率分布的平均值。

中心极限定理与大数定律的应用会强化上述效果。例如，在常见电网储能系统的最低模块化层级上，并联电池单元110的个数一般限于1～10。通过提高并联电池单元组110的数目，可以确保正态分布，而具有较少电池单元110的传统做法无法实现这一效果。此外，具有相对较多并联电池单元110的分布更窄且趋近电池单元组110的平均值。

如图22A和图22B所示，按照中心极限定理和大数定律，通过将大量并联电池单元110，可减小电池单元110之间个体差异的影响。电池单元的制造和可靠性可提高至使单个电池单元110发生故障的可能性远低于附属及辅助部件发生故障的可能性的水平。通过应用上述原理，本公开提供一种可解决传统系统架构的一项或多项问题的电网电能储存系统设计架构。

图22A和图22B所示为大数定律的原理。图22A所示为相对较少电池单元110之间的参数“p”的波动。如图22B所示，通过将样本量提高至阈值以上，中心极限定理使得平均波动分布趋于高斯分布。与图22A所示小样本量相比，图22B所示大样本量的分布更加接近高斯分布且波动性更小。

如图22C所示，随着样本量增大，样本均值能够准确表示总体均值的概率也增大。即使各个电池单元110并不完全相同，但由相对大量的并联电池单元110组成的电池单元组可彼此之间几乎具有完全相同的容量和性能特性。

通过减小相互串联的并联电池单元组110之间的差异，不但能够提升初始性能，而且能够延长系统寿命。由于每一电池单元110的老化状况不同，本公开实施方式架构能够实现对此类差异的补偿。

图23所示为电网电池电能储存系统设备的寿命期间内容量随时间的变化。如图23所示，随着系统老化，容量降低。因此，可通过使初始设备具有过量容量而弥补随时间推移衰减的容量，从而增强系统性能。或者，也可在系统使用寿命期间内定期增容。图24所示为定期增容方式下的容量。

图23和图24所示仅为代表性曲线。所有电池单元的实际退化曲线会略有不同，其取决于电池单元的初始状况、制造工艺的公差、操作过程状况以及任意数量的随机变量。如果某个容量稍低的电池单元110与比其具有更高容量的其他电池单元110串联，则该低容量电池单元110将始终具有相对于自身标称容量而言更宽的充电状态范围。作为本行业内众所周知的事实，放电深度越深，电池损害越大，而放电深度越浅，电池损害越小。因此，在串联电池单元串的循环使用曲线中，电池单元的容量越小，退化速度越快。

当将大量电池单元110并联时，所得电池单元组110的容量为组成该电池单元组的所有电池单元110的平均值。在循环使用过程中，作为并联电池单元110本身的循环特性，所有电池单元110均具有相同的充电状态(SOC)。因此，在每一循环中，每一电池单元110具有相同的放电深度。当与其他电池单元组串联的每一电池单元组因上述大数定律而具有相同容量时，每一电池单元组将会在循环使用过程中与其他电池单元组具有相同的放电深度。当每一电池单元组具有相同放电深度且每一电池单元组内的每一电池单元也具有相同放电深度，则相对于其放电深度，每一电池单元组将具有相同的退化速度。

电池单元的退化还取决于其他因素，如温度和物理条件，以及内部随机过程和变量。通过以有效的冷却系统130使所有的电池单元110和电池单元组110保持恒温，有助于使所有串联电池单元组之间在容量退化上保持一致。通过将多个电池单元110并联，可减轻随机过程和变量的可变性，从而获得平均化的净效应。

通过使多个连接电池单元110的放电深度、操作温度及平均结果保持一致，可在串联电池组之间在退化上实现一致性。退化上的一致性又可使得系统使用寿命特性具有一致性以及更高的可预测性。如此，可以减少系统维护所需的工作量，从而实现具有更好规划、更加经济且频次更低的维护方案。

适合用于本公开实施方式的优选电池单元110包括亚变体化学物质制成的锂离子电池，所述亚变体化学物质包括但不限于：磷酸铁锂(LFP)；镍锰钴(NMC)锂；镍锰钴铝(NMCA)锂；或者适于在锂离子电池内接收、产生或储存电能的任何其他合适的元素组合。

本发明人认为，实现本公开有益效果所需的并联电池单元110个数可以为18个电池单元110，优选为30个或更多个电池单元110。本公开的某些实施方式可包括少于30个的并联电池单元110，如18个电池单元110。其他实施方式可包括对于18个并联电池单元110，如30个或更多个，60个或更多个，90个或更多个，100个或更多个，或200个或更多个并联电池单元110。图12所示为198个电池单元110。并联电池单元的精确数量并不重要，只要足以获得减小一种或多种目标性能指标的波动这一有益效果即可。最低模块化层级的合适并联电池单元110数量取决于包括应用以及各电池单元110之间目标参数的波动及分布在内的多种因素。

例如，如果一个电池单元110由分别具有自身波动性的组成部件组成，而且这些组成部件的净作用结果为其平均值，则平均每电池单元组成部件数乘以电池单元110数也具有本发明的优点。只要能够实现这一平均效应，本发明实施方式可在储能系统的最低模块化层级上包括任何数量的并联电池单元110。电池单元的性能分布越宽，需要并联的电池单元110越多。所连电池单元110的性能分布越窄，实现本公开有益效果所需要使用的电池单元110越少。随机理论领域的技术人员可对统计波动及所得并联组合进行分析，以确定最低模块化层级的最佳并联电池单元110的个数。

相对于组成电池单元组的各电池单元之间性能指标的波动，本公开实施方式可减小电池单元组本身的性能指标波动。此类波动可减小至与电池单元组内并联电池单元数的平方根的倒数成正比的水平。例如，当将18个电池单元并联时，电池单元组的性能指标波动可降低至单个电池单元的性能指标波动的23.6％。再例如，当将30个电池单元并联时，电池单元组的性能指标波动可降低至单个电池单元的性能指标波动的18.3％。当将100个电池单元并联时，电池单元组的性能指标波动可降低至单个电池单元的性能指标波动的10％。当将200个电池单元并联时，电池单元组的性能指标波动可降低至单个电池单元的性能指标波动的7.1％。由此可见，通过将18个、30个、100个或200个电池单元并联，可将电池单元组的波动分别降至电池单元组内单独电池单元之间波动的约25％、18％、10％及7％。

本文中，“性能指标”是指电池单元的会发生波动的一种或多种可测量特性。例如，本发明实施方式可减小一种或多种性能指标的波动，这些性能指标包括但不限于：容量；阻抗；循环寿命；循环寿命均一性；交流电阻；以及直流电阻。此外，本公开实施方式使得储能系统能够在系统老化过程中保持最窄的电池单元性能分布，从而实现以下的一种或多种：降低增容频次；提高系统性能均一性；以及延长循环周期以及系统寿命。

本公开实施方式可进一步包括系统以及系统管理方法、系统冷却方法、电池保护方法以及将电流输入或输出电池的方法。

系统管理可包括对超级电池单元100和电池单元串200的电压和温度的监测。例如，如图12所示，超级电池单元100可包括传感器120，这些传感器测量设置点的电压和温度。传感器120可以为无线传感器，用于通过非接触方式将电压和温度读数传送至电池管理系统240或中间数据聚合装置，所述非接触方式包括但不限于近场通信或其他无线技术。或者，也可通过有线或任何其他合适的方式连接传感器。

针对单个超级电池单元100，可使用多于一个的传感器120进行监测，以在当一个传感器120失效时，另一传感器120能够继续提供关键的监测数据。针对单个超级电池单元100，可使用多于一个的无线信道，以在当一个无线信道失效时，另一无线信道能够继续向传感器120提供关键通信内容。传感器120可在空间上分布于整个超级电池单元100内，以使得当所有传感器均工作时，其可以监测超级电池单元100的多于一个的物理区域，从而呈现出比设于一个位置的单个传感器120更为完整的超级电池单元100状态图。

电池管理系统

如图13A所示，电池管理系统(BMS)240可对超级电池单元100进行监测、控制、保护以及系统数据日志记录。电池管理系统240可对来自一个或多个传感器120或中间数据聚合装置的信息进行汇总，以确定其所管理的超级电池单元100的状态。电池管理系统240可启动电流控制与切断部件，以保护超级电池单元100免受电致损坏状况的影响。电池管理系统240可与超级电池单元100所连电力转换部件通信。电池管理系统240可与上游的使用、管理或监测人员通信，以报告与超级电池单元100以及超级电池单元100系统相关的状况。电池管理系统240包括用于实现上述功能的通信电路、状态机执行电路、电流控制装置、电流中断装置以及其他保护装置。

在锂离子电池系统中，每一串联电池串可分别被单独管理、感测及保护，一般通过每一电池单元串200设置一个电池管理系统240的方式实现。本公开实施方式可包括一个电池管理系统240，以对超级电池单元100组成的电池单元串200进行管理。与此相对，在包括多于一个的电池单元串200的传统架构中，由于每一并联电池单元组内的电池单元110数要小得多，因此在相同储能容量下，一般需要设置多个电池管理系统240单元。因此，在相同储能容量下，本公开实施方式比传统系统含有更少的电池管理系统240部件，从而大大降低相关成本。

自动电源切断器

电池管理系统240对其所管理的电池施加保护。电池管理系统240可对电池进行监测、通信及协调，并根据需要最终将电池与系统断开。在本发明实施方式中，电池管理系统240可通过传感器120监测超级电池单元100的状况。电池管理系统240可将所监测到的状况与对电池单元110的健康可能有害的状况相比较。电池管理系统240可与电力转换系统310通信，以将各种状况调节至有益于电池单元110的性能。当电池单元110的状况未因与电力转换系统310通信而得到改善时，电池管理系统240可检测出这一事态，并独自操作断开装置700，以中断电池系统的电流。虽然这一做法较为极端，但是当其他用于控制电池单元110状况的手段不起作用时，确保采取这一措施的能力为一项至关重要的事项。这一措施针对的状况可以为电力转换系统的运行不符合预期时或其失效时。

在本公开实施方式中，电池管理系统240可通过控制远程启动式接触器700而中断电池串200的电流。包括电子半导体器件、电磁启动式继电器及接触器、电机驱动式接触器以及压缩气体驱动式接触器在内，目前已有多种驱动机构用于提供中断电流的功能。本公开实施方式可采用这些机构当中的任意机构。

本公开的一些实施方式将压缩氮气用于其他目的。在本公开的一些实施方式中，可将压缩气体用于驱动冷却系统130的部件，或者用于灭火系统中。在本公开的某些实施方式中，可通过压缩气体驱动式接触器700快速闭合和断开与电池串200串联的高功率触点。图25A至图25D所示为本公开实施方式的气体驱动式接触器700。接触器700包括具有多个气口720的气缸710，并包括与活塞杆740连接的活塞730。如图25A所示，活塞杆740的另一端与第一导电板750连接，该第一导电板可与第二导电板760连接，以形成电路。外部气体控制装置770可将压缩气体引至气缸的一个或多个气口720，以使活塞730沿两个方向当中的一个移动。

如图25D所示，活塞杆740可沿第一方向780推动第一导电板750，使其朝第二导电板760移动，以闭合电路，从而使电池串200的电流流通。活塞杆740可沿第二方向790拉动第一导电板750，使其远离第二导电板760移动，从而中断电池串200的电流。

在另一实施方式中，第一和第二导电板750，760之间的旋转铰链754上可设置绝缘隔板752。当第一和第二导电板750，760因彼此分离而中断电流流动时，绝缘隔板752可转动至导电板之间的空间内，以通过使第一和第二导电板750，760之间的距离更短而促进电路的断开。在本实施方式中，当导电板750，760朝彼此靠近的方向推动时，绝缘隔板752朝下方转动，避免形成阻挡。

图25A所示为处于打开位置的接触器700。如图25A所示，当第一和第二导电板750，760分开时，绝缘隔板752优选在偏置力作用下在导电板750，760之间朝上转动或移动。如图25B至图25D所示，当将导电板750，760朝彼此推动时，绝缘隔板752在推力作用下朝下转动或移动，从而移出导电板750，760之间的空间。当接触器700的导电板750，760朝彼此移动时，第一导电板750将绝缘隔板752推离在外，从而使得第一导电板750能够与第二导电板760接触。第一和第二导电板750，760优选倾斜一定的角度，以使得第一和第二导电板750，760彼此接触时相互轻微摩擦，从而有助于在每次发生接触时实现接触表面的清洁。

改进式汇流排连接结构

本公开实施方式包括一种超级电池单元100之间的改进式连接结构。将多个电池单元110并联使得流经每一电池单元组110的电流变大，该电流与电池单元110数量及其额定容量成正比。电池单元模块100的传统互连方法一般需要使用将来自电池单元110的所有电流引至电池单元模块100外部的同一个连接点的器件。这一架构要求导体大至足以应付来自多个并联电池单元110的大电流。因此，在大量并联架构中，此类传统电池单元模块的连接结构不但重量较重，而且成本较高。为了避免电池单元110因彼此之间产生过度应力而导致过早磨损、发热及闲置容量，电池单元模块内的导流导体必须确保每一电池单元110具有相同电流。

如图13A所示，传统电池单元模块的互连结构能够以可接受程度的较低能量损失分配每一电池单元110的电流，当其应用至大量并联超级电池单元100架构时，会使得电池单元模块100的导体尺寸变得大至无法令人接受。图13A所示为将本领域已知类型的传统电池单元模块100连接设计架构应用于本公开实施方式的超级电池单元架构的情形。该传统电池单元模块连接设计会导致成本、尺寸及复杂性的增大。

图13B公开一种用于连接本公开实施方式的超级电池单元100的替代汇流排架构800。在包含数千个此类超级电池单元模块100的系统中，仅汇流排材料的总重便可能超过一吨。传统解决方法包括如图13A所示一样采用重型线缆840布线，这一做法可能会涉及压接操作，增加物料，并且承受因某些压接操作进行不当或导致部件故障的风险。

本公开替代实施方式可转而采用交叉连接汇流排810。与将电流引至电池单元模块810外侧的某一点的做法不同，如图13B所示，交叉电流连接结构820使汇流排结构深入至每一电池单元。汇流排的材料厚度、架构及方法沿电池单元模块不发生变化。如图13C所示，交叉连接汇流排820可沿所连电池单元模块的长度方向连接，而不是连接至外部的单点连接器810上。

图13C所示为具有18个并联电池单元110的例示超级电池单元100。由于每一电池单元110的宽度以及从每一电池单元110流出的预期电流决定了汇流排导体820的截面积，因此在同一交叉连接材料厚度下，并联电池单元110的数量可增加至45个。当需要进一步增加并联电池单元110的数目时，每增加一个并联电池单元110，需将同一导体材料810延长单位长度(该单位长度等于电池单元110的宽度)。

图13D为连接相邻交叉连接汇流排820的汇流排接合夹830的端视图。图14所示为根据本公开实施方式分别沿相应交叉连接汇流排820串联的五个超级电池单元100。图15A和图15B所示为通过垂向汇流排连接件840连接的由图14所示电池单元模块100构成的相邻水平电池单元串。

主动式冷却

本公开实施方式可采用主动式冷却。其中，冷却可以通过任何合适的散热机构实现，包括但不限于，基于空气、水或其他液体的冷却系统130。

基于水的冷却系统130可盛纳于壳体140内。基于水的冷却系统130可降低水温，而且更为重要的是，可降低单个系统内的电池单元110及超级电池单元100之间的温差。

如图28和图29所示，在一些实施方式中，冷却系统130包括与各个电池单元110热接触的冷却板122。本公开实施方式包括由高导热材料制成的冷却板122，该冷却板将热量从电池单元110传递至水等冷却介质，并在电池单元110之间保持均一温度。冷却系统130的实施方式包括确保系统内的多个冷却板之间温度均一的液体分配系统和泵。此类实施方式的冷却板130还实现超级电池单元100之间的物理隔离，从而防止火焰及热量从一个超级电池单元100传递至另一超级电池单元100。

此外，还可通过储槽进行散热和储热，从而可改变一天之中将电力用于冷却的时刻。环境温度最高的时刻可能正是电网电力需求增大的时刻。通过储热系统，可将电网的用电需求时间错峰至电价较低的时间。

此外，可将冷却供电的时间调节至环境空气与电池单元110间温差较大的时间，以提高冷却效率。例如，在某些环境中，日间环境温度较高，而夜间环境温度较低。储水槽或一定体积的其他高热容物质可用作储热介质。其中，该储热介质可以在电价较低的夜间冷却，同时冷却过程更为高效。在日间，可以以冷却后的储热介质冷却高温电池单元，与将电池单元热量传递至高温日间环境的做法相比，这一冷却过程更为高效。如此，可以有效节省电池单元冷却所需的部分电力，并将其用于其他成本更低且更为有效的时间段。

本公开的一些实施方式包括一种防止冷却剂冻结的方法。对于某些结构而言，将普通的水用作冷却剂可能为一种有利做法。与空气相比，水或其他液体传热介质可通过更好的传热特性，使得冷却系统能够将被冷却的电池单元保持于更接近相同温度的水平。此外，在本公开的某些实施方式中，冷却系统使得发生热失控的电池单元110发出的热量能够分配至更多的其他电池单元110，而非仅相邻电池单元110，从而实现将废热更好地分配至更多的电池单元110，并将更多电池单元110保持于更加接近热平衡的状态。

控制系统可检测出有可能导致冷却剂冻结的状况，如断电、电网连接、充电状态较低、外部温度较低以及其他此类可供预测的征兆，并将冷却剂泵入储罐。储罐可通过隔热、电加热装置或热电联合应用维持冻结温度以上的状况，并可设计为能够承受冻结状况。在获得电力恢复、电网重连等状况(如从发电机处获得)发生后，储槽可自行解冻，以使得冷却剂能够循环通过电池系统，使其正常工作。

当上述冷却系统130因完全断电和/或针对有可能发生的冻结状况提前采取控制措施等任何原因无法工作时，可采用备用系统自动排空管道。该自动排空功能可由在指定温度下保持打开状态的温控阀门实现。

防火

如图29所示，本公开实施方式包括管网900，该管网通过发生热失控920的电池单元110的位置，且由构造为在该位置处爆裂的材料制成。裂开后的管路可直接将冷却水施加至发生热失控920的电池单元110上，尤其附近电池单元110上。当相邻电池单元110保持于热失控阈值温度以下时，起始电池单元920的热失控状况将不会传播至系统内的其他电池单元110或电池单元模块100。

本公开其他实施方式包括氮气等惰性气体的加压储罐，用于将水从储罐驱入布水管路910的裂口处。用于驱使水发生移动的压力本来由泵提供，但是考虑到泵可能因断电而无法运行，因此有必要设置上述惰性气体加压储罐。通过这种方式，可使得灭火系统获得在失去辅助电源或泵无法正常运行的情况下驱使水发生移动的备用设备。加压氮气的另一项优点在于，能够在储水槽内的水完全排空时向高温电池单元的位置提供用于冷却的惰性气体。根据理想气体定律，任何气体在例如因释入大气而膨胀时将会降温。此外，氮气为一种相对惰性的气体，其可降低发生氧气助长火势的可能性。

电力转换

在能量传入或传出电池的过程中，可能需要进行电力转换。在一些实施方式中，电池壳体一体包含电力转换系统310，用于将电池电力转换为交流电能、直流电能、磁能或电磁能当中的一种或多种，并使其具有所需的电压水平。以任何形式输出的电力可在收集后分配至电网或负载。

电力转换还可用于在上层储能系统的各部分之间传输能量，以优化其性能。为了将储能系统输出的可用能量最大化，使每一储能部分保持相同的充电状态(SOC)往往为一种有利做法。电力转换可用于在整个放电过程中周期性或动态地维持此类平衡。电力转换可用于控制各储能部分的放电速率，以使得各储能部分具有相同的充电状态变化率。一些已知现有技术系统采用直流/直流电力转换控制共用直流总线与所连储能电池单元串之间的电力。这一做法有助于补偿并联电池单元串之间在性能、电压及内部阻抗上的不匹配。此类不匹配可能会使得充电状态变化率之间产生差异，从而导致无法达到均衡电力转换。

传统系统将多个低容量电池单元串与共用总线并联。如此，为了通过电力转换实现所有并联电池单元串充电状态变化率之间的平衡，势必需要如图7所示在电池壳体内设置多个直流/直流转换器702。通过以本公开的单个电池单元串架构代替传统系统的多电池单元串架构，可以减小尺寸及复杂性。在本发明的某些实施方式中，可以省略图7所示的最终直流总线704，从而减少整个系统的物料，并减小其成本和复杂性。

图8为与公用电网连接的本公开实施方式电网电池系统的示意图。举例而言，图8所示电网电池系统与电力转换系统310及变压器600连接。图9所示为本公开实施方式示意图，其中，多个并联电网电池系统与公用电网连接。举例而言，图9所示多个并联电网电池系统与电力转换系统310及变压器600连接。图10为本公开实施方式示意图，其中，多个串联电网电池系统与公用电网连接。举例而言，图10所示多个串联电网电池系统与电力转换系统310及变压器600连接。

图26A至图26C为电网储能系统的布局示意图。图26A所示为传统中央通道系统2700。图26B所示为另一传统中央通道系统2702。图26C所示为作为本发明现有技术的已知类型例示储能系统。

辅助电源

电池储能系统的一个或多个关联控制系统的操作也需要消耗电力。为了将电池单元110的温度控制于其最佳温度，还需要电力供冷却泵及风扇的操作之用。此外，设于电池与外部电网或负载之间的电力转换系统的操作也需要消耗电力。另外，整个储能系统内的电机驱动保护装置、传感器及执行器的操作也需要消耗电力。在传统电池储能系统中，辅助系统操作所需的电力一般来自外部电源或电网本身。因此，需要设置辅助电源变压器、配电板、外部线路，并且需要拥有执照的电工进行相关现场接线作业。

本公开旨在通过以集成电力转换系统为辅助操作供电而减少或消除对上述额外相关成本的需求，所述集成电力转换系统从电池获取直流电力，并以所需类型的电力直接为辅助操作供电。全集成电池储能系统可包括用于产生标准交流电压的直流转交流电源系统，所述标准交流电压能够安全分配至需要该标准交流电压的内部系统。其中，所使用的转换系统、线路及连接器件须通过国际安全标准的全面认证，并且在安装前进行工厂测试，以减少或消除现场作业量及设备安装需求。

辅助电力的一部分用于消除太阳辐射在电池壳体上增加的热量。在高温气候下，占地300平方英尺空间的壳体的平均太阳辐射加热功率可达1500瓦。在普通空调效率下，单个壳体每日所需消耗的能量可达12kWh。此类热量的消除以及其他辅助系统的操作所消耗的电力会降低电池系统的总效率，从而降低其经济性。

本公开实施方式可消除大部分太阳辐射增加的热量，并增大系统能量，以弥补辅助系统所使用的总电力。在一些实施方式中，可在电池壳体的顶面和/或侧面上设置太阳能电池板，以遮挡壳体的太阳辐射，并减小太阳能热量的增益。太阳能电池板还可用于将太阳辐射转换为电能，该电能可随后用于为辅助系统供电。太阳能电池板可设置于能够使得其在朝向太阳的同时处于太阳与其所安装的电池壳体顶部之间的位置。此外，光伏阵列及辅助电源系统上也可连接其他电力转换设备。当供辅助电源使用的光伏电力有所盈余时，可将该电力转入储能系统并由其储存，以供无光伏电力可用之时使用。

以上对本公开各种实施方式的描述旨在说明，并不在于穷举或构成限制。对于本领域技术人员而言，在不脱离所描述实施方式的范围和精神的情况下，本公开实施方式还存在多种显而易见的修改及变型方式。本文中术语(如涉及电池单元组或电池单元设置方式的术语)选择的目的在于，以最佳方式说明各实施方式的原理、实际应用或相对于市场所见技术的技术改进，或者使本领域技术人员能够理解本文公开的各实施方式，并不在构成限制或排除其他命名方法。

出于清楚目的而分别结合不同实施方式描述的本公开某些特征也可组合用于同一实施方式中。与此相反，为了简洁起见而结合同一实施方式描述的本发明各种特征也可单独应用，或者以任何合适的方式部分组合，或者在合适的情况下用于本公开中描述的任何其他实施方式。对于结合各种实施方式描述的某些特征而言，除非在当不存在这些特征时此类实施方式无法运行，否则不应视为这些实施方式的必需特征。

虽然以上结合本公开的具体实施方式对本公开进行了描述，但显而易见的是，对于本领域技术人员而言，多种替代方案、变更方案及变型方案是显而易见的。因此，落入下附权利要求书的精神及广义范围内的所有此类替代方案、变更方案及变型方案均属于本发明范围内。