(57)【要約】  定置式ハイブリッドバッテリバックアップシステムは、再充電効率、サイクル寿命、電力能力、放電深度閾値、温度閾値、内部インピーダンス閾値、充電速度効率、及び／又はスタンバイ効率に関して異なる、２つの異なるバッテリユニットを含む。本発明のバッテリバックアップシステムは、第１及び第２のバッテリを充電するため、及び／又は負荷に電力を供給するために使用することができる補助電源を備える。電源の停電によりシステムの動作電圧が低下すると、制御システムは第１及び／又は第２のバッテリユニットを負荷に結合することができる。制御システムは、負荷需要に対応するために第１及び第２のバッテリユニットを連係させる電圧閾値制限を有することができる。第１及び第２のバッテリユニットは、動作電圧が閾値レベルより高いときに補助電源によって充電され得る。
2019530405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源及び負荷を含む電力網における電力貯蔵のためのハイブリッド型バッテリシステムであって、
第１のバッテリ化学作用を有する第１の充電式バッテリユニットと、第１のバッテリ化学作用と異なる第２のバッテリ化学作用を有する第２の充電式バッテリユニットと、を含むバッテリシステムと、
（ａ）放電中に前記バッテリシステムから前記負荷に電気エネルギーを供給すること、及び（ｂ）充電中に前記バッテリシステムを充電するために前記電源から電気エネルギーを受け取ることを目的として、前記バッテリシステムの前記第１及び第２のバッテリユニットを前記電力網に選択的に結合する制御装置と、
前記電源の動作電圧を検出する電源電圧センサと、
を備え、
前記制御装置は、充電範囲または放電範囲にある前記動作電圧に基づいて、前記制御装置を前記バッテリシステムの充電と放電との間で切り替えるように構成されたロジックを含み、
前記制御装置は、前記充電範囲内の前記動作電圧に基づいて複数の充電モードから選択するための充電モード選択ロジックをさらに含み、当該複数の充電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に充電すること、（ｂ）前記第１のバッテリユニットのみを充電すること、及び（ｃ）前記第２のバッテリユニットのみを充電することを含む、ハイブリッド型バッテリシステム。
【請求項２】
前記第１のバッテリユニットは前記第２のバッテリユニットよりも高い電力効率を有し、前記第２のバッテリユニットは前記第１のバッテリユニットよりも高いエネルギー効率を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記充電範囲と前記放電範囲が閾値電圧によって区分けされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記電源は動作電圧範囲を有し、前記閾値充電電圧は当該動作電圧範囲の約５０％である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記動作電圧が前記充電範囲内で第１の充電閾値より高いとき、前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を各々の最大充電速度で充電する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記動作電圧が前記充電範囲内で第２の充電閾値より高くかつ前記第１の充電閾値より低いとき、前記第１のバッテリユニットはその最大充電速度で充電され、前記第２のバッテリユニットは低減された充電速度で充電される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記動作電圧が前記充電範囲内で前記閾値充電電圧より高くかつ前記第２の充電閾値より低いとき、前記第１のバッテリユニットは低減された充電速度で充電され、前記第２のバッテリユニットは充電されない、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の充電閾値が前記動作電圧範囲の約９０％より高い、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記第２の充電閾値が前記動作電圧範囲の約７０％より高い、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記放電範囲内の前記動作電圧に基づいて複数の充電モードから選択するための放電モード選択ロジックをさらに含み、当該複数の充電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に放電すること、（ｂ）前記第１のバッテリユニットのみを放電すること、及び（ｃ）前記第２のバッテリユニットのみを放電することを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記放電モード選択ロジックによって選択されるモードに関わらず、第１のバッテリユニット閾値事象が検出されると、前記第１のバッテリユニットの放電から前記第２のバッテリユニットの放電に切り替える閾値事象ロジックを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御装置は前記第１のバッテリユニットの充電状態を監視し、当該充電状態が所与のレベルを下回ることが前記第１のバッテリユニット閾値事象である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記充電状態が前記第１のバッテリユニットのインピーダンスによって決定される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットのインピーダンスが最大充電状態における前記第１のバッテリユニットのインピーダンスの約１１０％を超えることである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットが前記第１のバッテリユニットの閾値温度を超えることである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットの環境温度が閾値環境温度を超えることである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットの環境温度が閾値環境温度を下回ることである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記閾値事象は、電力需要が前記第１のバッテリユニットの電力能力閾値を超えることである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
前記電力需要が前記第１のバッテリユニットの電力能力の約９０％より大きい、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットが前記第１のバッテリユニットの閾値電圧を下回ることである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２１】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットの放電深度が閾値放電深度レベルを下回ることである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記制御装置は、前記第１のバッテリユニットが前記閾値放電深度レベルを下回ったときに、第１のスイッチを介して前記第１のバッテリユニットを前記負荷から電気的に分離するように構成された、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記制御装置はさらに、前記第２のバッテリユニットが閾値放電深度レベルを下回ったときに、第２のスイッチを介して前記第２のバッテリユニットを前記負荷から電気的に分離するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記閾値放電深度レベルが満充電状態の約１０％である、請求項２０から２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記閾値放電深度レベルが満充電状態の約２０％である、請求項２０から２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１のバッテリの効率が前記第２のバッテリの効率より少なくとも約１０％高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１のバッテリの効率が前記第２のバッテリの効率より少なくとも約２０％高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第１のバッテリユニットが第１のバッテリのみを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第２のバッテリユニットが第２のバッテリのみを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第１のバッテリユニットが第１のバッテリのみを含み、前記第２のバッテリユニットが第２のバッテリのみを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第１のバッテリユニットがリチウムイオンバッテリにより構成され、前記第２のバッテリユニットが充電式金属空気電池により構成される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記第１のバッテリユニットがリチウムイオンバッテリにより構成され、前記第２のバッテリユニットが充電式亜鉛空気電池により構成される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１のバッテリユニットがリチウムイオンバッテリを含み、前記第２のバッテリユニットが亜鉛空気電池を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第２のバッテリユニットは第３のバッテリを含み、当該第３のバッテリは前記第２のバッテリとは異なる種類のバッテリである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記第３のバッテリは電極の１つに可逆金属を含むハイブリッド型金属空気電池である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記負荷に結合された補足の電源をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３７】
前記補足の電源はコンデンサである、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３８】
前記コンデンサを前記負荷に結合するスイッチをさらに含み、
前記第１及び第２のバッテリユニットの最大電力能力の約９０％より大きい電力需要があるとき、前記制御装置は前記コンデンサを前記負荷に結合する、請求項３６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第６２／３９５，１１２号（２０１６年９月１５日出願）に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は複数の異なるバッテリユニットを備えるハイブリッド型バッテリシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
バッテリバックアップシステムは限られた時間の主電源の停電（電力が低下するものの完全には停止していない小規模な低下を含む）に対処するように構成されている。停電中にバッテリバックアップシステムの一又は複数のバッテリは放電し、バッテリバックアップシステムの充電状態は低下する。停電が長引くと、バッテリバックアップシステムは負荷に十分な電力を供給できる充電状態を維持できなくなる。多くの用途において、バッテリバックアップシステムは比較的短い時間にわたって使用されるか、または満充電状態のわずかな部分だけバッテリシステムの充電状態を低下させる時間にわたって使用される。しかしながら、これらの用途においては時としてより長時間の停電が発生するため、平常時の又は頻繁なサイクル条件での最適化されたパフォーマンス特性と、最適化されたスタンバイ時の又は臨時のバックアップ電力需要の要件を満たすためにバックアップシステムを拡張するには費用がかかり過ぎる。低効率のバッテリシステムは当初は費用を抑えられるが、充放電サイクルの観点では効率が低いため、運転コストが高くなる。例えば、リチウムイオンバッテリは鉛酸蓄電池と比較してより効率的だが、またコストも高い。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様は、電源及び負荷を含む電力網における電力貯蔵のためのハイブリッド型バッテリシステムを提供する。このシステムは、第１のバッテリ化学作用を有する第１の充電式バッテリユニットと、第１のバッテリ化学作用と異なる第２のバッテリ化学作用を有する第２の充電式バッテリユニットと、を含むバッテリシステムを含む。この相違により、例えば、バッテリユニット間で異なるエネルギー効率（すなわち、放電中のエネルギー出力に対する第２のバッテリを充電するためのエネルギー入力の比率は、第１のバッテリよりも高い）及び／又は異なる電力効率（すなわち、放電中の電力出力に対する第１のバッテリを充電するための電力入力の比率は、第２のバッテリよりも高い）が生じ得る。制御装置は、（ａ）放電中に前記バッテリシステムから前記負荷に電気エネルギーを供給すること、及び（ｂ）充電中に前記バッテリシステムを充電するために前記電源から電気エネルギーを受け取ることを目的として、前記バッテリシステムの前記第１及び第２のバッテリユニットを前記電力網に選択的に結合する。電源電圧センサが前記電源の動作電圧を検出する。前記制御装置は、充電範囲または放電範囲にある前記動作電圧に基づいて、前記制御装置を前記バッテリシステムの充電と放電との間で切り替えるように構成されたロジックを含む。前記制御装置は、前記充電範囲内の前記動作電圧に基づいて複数の充電モードから選択するための充電モード選択ロジックをさらに含み、当該複数の充電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に充電すること、（ｂ）前記第１のバッテリユニットのみを充電すること、及び（ｃ）前記第２のバッテリユニットのみを充電することを含む。
【０００５】
本発明は定置式ハイブリッド型バッテリバックアップシステムに関する。２つの異なるバッテリユニットは、再充電効率、サイクル寿命、電力能力、放電深度閾値、温度閾値、内部インピーダンス閾値、充電速度効率、及び／又はスタンバイ効率に関して異なる、第１のバッテリユニット及び第２のバッテリユニットを含み得る。本発明のバッテリバックアップシステムは、バッテリ特性および制御システムへの入力に応じて、第１及び／又は第２のバッテリユニットを負荷及び／又は充電装置に結合する制御システムを含み得る。制御システムは、システム全体の効率を最大にするために第１のバッテリから第２のバッテリに切り換えるようにプログラムされるかまたはロジックを埋め込むことができる。
【０００６】
例示的な実施形態では、本発明は、２つの異なるバッテリユニット、すなわち高い充放電効率を有する第１のバッテリユニットと、第１のバッテリユニットよりも低い充放電効率を有する第２のバッテリユニットとを備える定置式ハイブリッド型バッテリバックアップシステムに関する。例示的な実施形態では、第１のバッテリユニットは非金属空気電池を含み、第２のバッテリユニットは金属空気電池を含む。定置式ハイブリッドバッテリバックアップシステムは、定位置に配置され、住宅、企業、または工業用建物または工業的操業のような負荷に結合されるように構成されている。非金属空気電池ユニットは、金属空気電池ユニットよりも高い充放電効率を有することができ、電力網または発電機などの主電源から切断される停電の開始時に負荷と結合することができる。ハイブリッド型バッテリバックアップシステムから引き出される電力は、最初は第１のバッテリユニットからのみであってもよく、停電が短い場合には、第１のバッテリユニットのみがバックアップ電力を供給するために用いられてもよい。第１のバッテリユニットは第２のバッテリユニットよりも高効率のバッテリを含むことができるので、短期間の停電はハイブリッド型バッテリバックアップシステムによって効率的に対応することができる。ここで、第１のバッテリユニットの充放電効率は高く、第２のバッテリユニットの充放電効率よりも高い。二次バッテリユニットは、より短い停電の場合、またはより高い電力需要が必要とされる場合に放電され得る。制御システムは、予想される頻度および持続時間の停電について効率を最大化するように、第１および第２のバッテリユニットの種類の特定の組み合わせに適応するようにプログラムされてもよい。
【０００７】
第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットよりも高い効率を有し、その差異は例えば少なくとも約１０％高い、少なくとも約５０％高い、少なくとも約１００％高い、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。
【０００８】
例示的な実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムの制御システムは、電力要件および２つのバッテリユニットの電力能力に応じて、第１のバッテリユニットから第２のバッテリユニットに切り替えることができる。ハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、変動する電力需要要件を有する負荷に結合することができ、要求される電力レベルに応じて、制御システムは、システム全体の効率を最大にするために第１及び／又は第２のバッテリユニットを結合することができる。例えば、第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットよりも低い最大電力能力を有することができ、負荷からの電力需要が閾値電力需要レベルを超える場合、第２のバッテリユニットは、単独で、または第１のバッテリユニットと並列で負荷に結合され得る。この場合もやはり、制御システムは、システムの全体的な効率および寿命を最大にするために、使用されるバッテリユニットの種類に基づいてプログラムされてもよい。
【０００９】
例示的な実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、高電力能力を有する第１のバッテリユニットと、低電力能力を有する第２のバッテリユニットとを備える。第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットよりも大きい電力能力を有することができる。その差異は、例えば少なくとも約１０％以上、少なくとも約２０％以上、少なくとも約５０％以上、少なくとも約２倍以上、少なくとも約３倍以上、少なくとも約４倍以上、少なくとも約１０倍以上、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。例示的な実施形態では、第１の電池ユニットは、鉛酸蓄電池の電力能力の約２倍以上大きい電力能力を有するリチウムイオンバッテリを含む。本明細書で使用される電力能力という用語は、バッテリまたはバッテリユニットの最大電力出力であり、充電状態に応じて変化し得る。
【００１０】
例示的な実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムの制御システムは、バッテリユニットのサイクル寿命に応じて、第１のバッテリユニットから第２のバッテリユニットに切り替えることができる。例えば、第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットよりもサイクル寿命が長く、バッテリバックアップシステムの寿命を延ばすために、制御システムは、バックアップ電力要件の大部分に第１のバッテリユニットを使用することができる。第２のバッテリユニットは、非常に長時間の停電があり、第１のバッテリユニットが閾値充電状態を下回ったとき、または高い電力需要があるときにのみ使用され得る。このようにして、サイクル寿命がより短い第２のバッテリユニットが第１のバッテリユニットよりも低頻度でバッテリバックアップ電力に使用されるので、システム全体の寿命を延ばすことができる。
【００１１】
例示的実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、第２のバッテリユニットよりも高いサイクル寿命を有する第１のバッテリユニットを備える。その差異は、例えば少なくとも約１０％以上、少なくとも約２０％以上、少なくとも約５０％以上、少なくとも約１００％以上、少なくとも約２００％以上、少なくとも約３００％以上、少なくとも約４００％以上、少なくとも約５００％以上、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。
【００１２】
例示的な実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムの制御システムは、放電深度に応じて、第１のバッテリユニットから第２のバッテリユニットに切り替えることができる。例えば、第１のバッテリユニットは、バッテリが第２のバッテリユニットよりも高い高放電深度でサイクルされたときでさえ、高いサイクル寿命を有することができる。あるいは、第１のバッテリユニットは、バッテリが１００％充電状態から浅い放電深度でサイクルされるときにより高い効率を有し得る。第２のバッテリユニットは、充電状態が閾値より低いとき、第１のバッテリユニットよりも低い充電効率、または放電深度レベルを下回る低い充電効率を有する場合がある。第２のバッテリはまた、高い放電深度でサイクル寿命がより低くなる。システム全体の効率および／または寿命を最大にするために、制御システムは、第２のバッテリユニットがある閾値より下または上で放電しないように、第１のバッテリユニットおよび第２のバッテリユニットを使用してもよい。例えば、停電に際して最初は第１のバッテリユニットが使用され、高い電力需要があるとき、または第１のバッテリユニットが閾値充電状態を下回ったときに第２のバッテリユニットが必要に応じて使用される。停電が頻繁に起こると、第１のバッテリは高い充電状態でサイクルし、システムの効率及び／又は寿命が長くなる。高充電状態でのリチウム電池のサイクル寿命は、固体電解質界面の損傷のために低下する。金属空気電池のサイクル寿命は、高い充電状態で悪影響を受けない。リチウム電池と金属空気電池とのハイブリッドシステムは、制御装置を使用して両方の電池の充電状態を最適範囲で動作させることによって、高サイクル寿命に最適化することができる。あるいは、第１のバッテリからのエネルギーのわずかな部分を保存して、第２のバッテリが高い放電深度でサイクルすることを防ぐこともできる。放電シーケンスは、第１のバッテリを９０％の放電深度まで放電し、続いて第２のバッテリを１００％の放電深度まで放電し、第１のバッテリから残りの１０％のエネルギーを放電することを含み得る。この段階で短時間の停電が頻繁に発生する場合、第１のバッテリは、低い充電状態で短いサイクル寿命を有する第２のバッテリの寿命を維持しながら、低い充電状態でサイクル動作する。鉛酸蓄電池は、低い充電状態でサイクルするとサイクル寿命が非常に短くなる。金属空気電池のサイクル寿命は、低い充電状態で悪影響を受けない。鉛酸蓄電池と金属空気電池とのハイブリッドシステムは、制御装置を使用して両方の電池の状態を最適範囲で動作させることによって、高サイクル寿命に最適化することができる。
【００１３】
例示的実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、７０％から１００％、又は０％から２５％、及びその間の任意の範囲の充電状態において、第２のバッテリユニットよりも高いサイクル寿命を有する第１のバッテリユニットを備える。その差異は、例えば少なくとも約１０％以上、少なくとも約２０％以上、少なくとも約５０％以上、少なくとも約１００％以上、少なくとも約２００％以上、少なくとも約３００％以上、少なくとも約４００％以上、少なくとも約５００％以上、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。
【００１４】
例示的な実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムの制御システムは、充電速度効率または充電速度に応じて第１のバッテリユニットから第２のバッテリユニットに切り替えることができる。例えば、制御システムは、バッテリユニットの充電速度効率または充電率に応じてバックアップ電力を供給するために第１および／または第２のバッテリユニットを使用することができる。いくつかのバッテリバックアップシステムは、頻繁にバックアップ電力を提供することを必要とし、バッテリユニットのうちの１つは第２のバッテリユニットよりも速い充電速度を有する、すなわち高速でより効率的に充電することができる。いくつかの事例では、限られた時間の間充電するために高電力が利用可能な場合と、限られた時間の間低価格で電力が利用可能な場合とがある。そうした例としては、ソーラーパネルなどの再生可能電源や、一部の地域における深夜以降の低電力コストなどがある。このために、制御システムは、他の何らかの基準が第２のバッテリユニットの使用を要求しない限り、最初は第１のバッテリユニットを使用することができる。別の例では、バッテリバックアップシステムは非常に低頻度で及び／又はより長い停電のために必要とされることがあり、それによってより効率的な低速の充電速度を有する第２のバッテリユニットがより頻繁に使用されることがある。
【００１５】
例示的実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、第２のバッテリユニットよりも高い充電速度を有する第１のバッテリユニットを備える。その差異は、例えば少なくとも約１０％以上、少なくとも約２０％以上、少なくとも約５０％以上、少なくとも約１００％以上、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。さらに、第１の速度での第１のバッテリユニットの充電効率は、この同じ速度での第２のバッテリユニットの充電効率よりも高く、その差異は少なくとも約１０％以上、少なくとも約２０％以上、少なくとも約５０％以上、少なくとも約１００％以上、少なくとも約２００％以上、少なくとも約５００％以上、少なくとも約１０００％以上、少なくとも約２０００％以上、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。
【００１６】
例示的な実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムの制御システムは、スタンバイ効率に応じて、第１のバッテリユニットから第２のバッテリユニットに切り替えることができる。例えば、第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットよりも高いスタンバイ効率を有し、したがって、制御システムは、システム全体の効率を最大にするために、第２のバッテリユニットよりも頻繁に第１のバッテリユニットをスタンバイモードで使用してもよい。アルカリ金属空気電池は、アイドル状態ではニッケル鉄電池よりも自己放電速度が低く、効率が高いが、動作効率は低くなる。２つのバッテリを備えたハイブリッド型システムは、高頻度の短時間サイクルおよび低頻度の又はスタンバイのバックアップニーズに対応するために最適な効率を提供できる。例示的実施形態では、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、第２のバッテリユニットよりも高いスタンバイ効率を有する第１のバッテリユニットを備える。その差異は、例えば少なくとも約１０％以上、少なくとも約２０％以上、少なくとも約５０％以上、少なくとも約１００％以上、少なくとも約２００％以上、少なくとも約３００％以上、少なくとも約５００％以上、および記載された値の間の両端を含む任意の範囲の差異であり得る。
【００１７】
停電がより長く、第１のバッテリユニットが閾値充電状態を下回った場合、第２のバッテリユニットが負荷に結合されてもよい。第１のバッテリユニットの閾値充電状態は、約７５％、約６５％、約５０％、約４０％、及び記載された閾値の間の任意の値であり得る。第２バッテリユニットは、第１バッテリユニットが閾値充電状態を下回ったときに負荷に結合され、第１バッテリユニットは負荷から切断され、それによって第１バッテリユニット内の電力を保存する。第２のバッテリユニットの充電状態が閾値を下回ったとき、第１のバッテリユニットを負荷に再結合することができる。第２のバッテリユニットが閾値を下回ったときに両方のバッテリを負荷に結合することは、第２のバッテリユニットが単独で負荷に対応できる充電状態を下回ったときにバッテリユニットの組合せによって負荷に対応できるため、第２のバッテリユニットのより完全な放電を可能にする。さらに、負荷からの電力需要レベルが第２のバッテリユニットのピーク電力能力を超えると、第１のバッテリを負荷に再結合することができる。最大電力能力を超えるこの増大した電力需要レベルは一時的なものであり、増大した電力需要が収束すると第１のバッテリユニットは負荷から切り離され得る。同様に、第１のバッテリユニットの内部インピーダンスが閾値内部インピーダンス値を超えると、制御システムは第１のバッテリユニットから第２のバッテリユニットに切り替えることができる。
【００１８】
例示的なバッテリバックアップシステムは、第１および第２のバッテリユニットを直列または並列に結合し、必要に応じて負荷に結合してバッテリバックアップ電力の供給又は充電を行うことを可能にするための直流直流変換器および／または交流直流変換器を含み得る。
【００１９】
本発明の概要は、本発明のいくつかの実施形態の概括的な説明として提供され、限定することを意図するものではない。本発明の変形形態および代替形態を含む追加の例示的な実施形態が本明細書に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
添付の図面は、本発明のさらなる理解のために提供され、本明細書に組み込まれるとともにその一部を構成し、発明の実施形態を説明し、明細書の記載と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００２１】
【図１】負荷及び再生可能なエネルギー源に接続された例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムを示す。
【００２２】
【図２】例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの放電流共有制御のグラフを示す。
【００２３】
【図３】例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの充電流共有制御のグラフを示す。
【００２４】
【図４】例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの第１バッテリユニット制御図を示す。
【００２５】
【図５】例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの第２バッテリユニット制御図を示す。
【００２６】
【図６】例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの停電発生時の放電電力供給スケジュールを示す。
【００２７】
複数の図面に記載される同一の参照記号は同一の部分を示す。これらの図面は本発明のいくつかの実施形態の例示であり、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、これらの図面は必ずしも縮尺通りではなく、特定の構成要素の詳細を示すために一部の特徴が誇張されている場合がある。したがって、本明細書に開示された特定の構造上および機能上の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に本発明を様々に使用することを当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本明細書に用いられるように、「備える」、「含む」、「有する」、又はこれらを変形した用語は、非排他的な包含を含むように意図されている。例えば、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置は必ずしもそれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含み得る。また、「ａ」または「ａｎ」の使用は、本明細書に記載の要素および構成要素を説明するために採用されている。これは単に便宜上および発明の範囲の一般的な意味を与えるために行われる。こうした記載は１つまたは少なくとも１つを含むように解釈されるべきであり、単数形の場合も複数を意味しないことが明らかでない限り複数を含む。
【００２９】
本発明の特定の例示的な実施形態が本明細書に記載されており、添付の図面に示されている。記載された実施形態は、本発明の例示のみを目的としており、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明の他の実施形態、ならびに記載された実施形態の特定の修正形態、組み合わせ、および改良は、当業者に想到可能であり、そのような代替実施形態、組み合わせ、修正、改良はすべて本発明の範囲内である。
【００３０】
図１に示すように、例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステム１０は負荷１４及び電源に接続されている。電源としては、再生可能な電源（例えば、風力発電機１９又はソーラパネル１９’）などの補助電源１９又は電力管理システム１２を備えたディーゼル発電機１６を用いてもよい。この電源はまた、従来発電所又は大規模な再生可能エネルギー源によって電力供給される広域交流グリッドでもよい。この電源はまた、例えば、広域電力グリッドから隔離された小規模な集落又は地域に電力を供給する、再生可能又は他の種類の発電機能を用いたローカルグリッドであってもよい。
【００３１】
例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムは、複数の第１の充電式（又は二次）バッテリ２２を有する第１のバッテリユニット２０と、複数の第２の充電式（又は二次）バッテリ４２を含む第２のバッテリユニット４０とを備える。第１及び第２のバッテリユニットは、バッテリノード３０内に構成された複数の個々のバッテリと、モジュール３２内に構成された複数のノードとを含む。これら個々のバッテリ、ノード、及び／又はモジュールは、用途に応じて直列又は並列に接続することができる。さらに、第１および第２のバッテリユニットは、用途に応じて並列または直列に接続することができる。この実施形態では、スーパーキャパシタ７１などの補助電源７０も、オプションとしてハイブリッドバッテリバックアップシステムに付属して構成される。
【００３２】
各ユニット内の一又は複数のバッテリは、バッテリユニット間で異なるエネルギー効率および／または電力効率を提供するために、異なるバッテリ化学作用を有する。第１のバッテリユニット内のバッテリの化学作用は第１のバッテリ化学作用と称し、第２のバッテリユニット内のバッテリの化学作用は第２のバッテリ化学作用と称することがある。バッテリ化学作用は、バッテリ内のイオン伝導のための燃料、酸化剤、および電解質を含む。
【００３３】
図示するように、制御システム又は制御装置８０は、本明細書に記載した機能を実行するためのロジックを内蔵したプロセッサ８２を含む。このロジックは、ソフトウェア命令、データまたは検索テーブル、データプロファイル、回路、または両方の組み合わせとして埋め込むことができ、プロセッサは汎用コンピューティングデバイスまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）とすることができる。一般に、制御システム８０は、（ａ）放電中にバッテリシステムから負荷に電気エネルギーを供給すること、及び（ｂ）充電中にバッテリシステムを充電するために電源から電気エネルギーを受け取ることを目的として、バッテリユニットを負荷および一又は複数の電源を含む電力網に選択的に結合するように設計される。
【００３４】
制御システムは、一次電源１２からの電力供給の中断を検出する負荷センサ８８などから、負荷の状態に関する入力を受け取る。制御システムはまた、一又は複数の電源から負荷に供給されている電力の動作電圧を直接的または間接的に検出する電圧センサ８９からの入力も受け取る。電圧センサは、間接的または直接的に電圧を検出することが可能な任意のセンサとすることができ、このセンサは間接的に電圧自体を検出するために別の特性を検出してもよい。電圧センサは、バッテリシステムに直接含まれてもよく、または電源および負荷とより直接的に接続してバッテリシステムから遠位に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、一又は複数の電源からの電圧をバッテリシステムへの印加のために降圧することができ（すなわち、２２０Ｖの電力信号をバッテリ充電に使用可能なより低い電圧に降圧することができる）、電圧センサは、降圧電圧を動作電圧として検出して、一又は複数の電源によって実際に負荷に供給されている電圧を間接的に検出することができる。
【００３５】
コントローラは、第１および第２のバッテリユニット２０、４０および補助電源７０を、それぞれスイッチ８１、８１’および８１’’を介して負荷に結合、分離、および再
結合する。電力変換器９９は、システムの電力要件に応じてバッテリユニットを直列または並列に結合することを可能にするために、バッテリユニットのうちの一又は複数からの電力出力を変換するように構成され得る。同様に、例えば直流直流または交流直流などの電力変換器を使用して、バッテリユニットに充電電力を供給することができる。一又は複数の電源装置は、バスバーなどのカップリング１５に接続されてもよく、負荷への電力はバスバーを介して提供され、動作電圧の動作範囲内に維持されてもよい。
【００３６】
制御システムが、一又は複数の電源から負荷に供給される電力の停止又は閾値を下回る低下を検出すると、制御システムは、スイッチ８１によって第１のバッテリユニット２０を負荷１４に結合する。このとき、第１のバッテリユニットからの電力は負荷に供給される。本明細書で説明するように、一実施形態では、第１のバッテリユニットの充電状態が閾値を下回らない限り、または負荷からの電力需要レベルが第１のバッテリユニットの最大電力容量を超えない限り、第１のバッテリユニットのみを負荷と電気的に結合できる。仮にこうした状況が生じた場合には、第２のバッテリユニットまたはコンデンサが負荷に電気的に結合されてもよい。第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットのバッテリよりも高い効率を有するバッテリを含み得る。したがって、第１のバッテリユニットのみを負荷に結合すればよい短時間の停電は、ハイブリッド型バッテリバックアップシステムによってより効率的に対応できる。
【００３７】
図１に示すように、第１のバッテリユニットは、リチウムイオンバッテリなどの１種類のバッテリのみを収容し、第２のバッテリユニットは、金属空気電池のみを収容してもよい。しかしながら、第１または第２の電池ユニットは、異なる個々のバッテリを含み得る。例えば、第２のバッテリユニット４０は、第２のバッテリ４２、４２’とは異なる種類の、ハイブリッド金属空気電池などの第３のバッテリ６２を含む。
【００３８】
一実施形態では、第１のバッテリユニットは、リチウムイオン、リン酸鉄、酸化リチウム、リチウムイオンポリマー、ニッケル金属水素化物、ニッケルカドミウム、ニッケル亜鉛、銀亜鉛、鉛酸、鉄ニッケル系合金などを含むがこれらに限定されない充電式非金属空気電池を含み得る。例示的な実施形態では、第１のバッテリユニットは、典型的には約８０〜９０％の充放電効率を有するリチウムイオンバッテリなどの１種類のバッテリだけで構成されている。第１のバッテリユニットの個々のバッテリは、用途による必要性に応じて、直列または並列に結合されてもよい。
【００３９】
例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１１／０２５０５１２号（１３／０８３，９２９号）に記載されているように、第２のバッテリユニットは、亜鉛空気、鉄空気、およびハイブリッド型金属空気電池を含むがこれらに限定されない充電式金属空気電池を含み得る。この組み込まれた米国特許出願公開第２０１１／０２５０５１２号公報に記載されているように、ハイブリッド型金属空気電池は、燃料電極、酸素発生電極および空気電極を含み得る。この組み込まれた米国特許出願公開第２０１１／０２５０５１２号公報にも記載されているように、金属空気電池セルは、（ｉ）金属燃料を含む燃料極と、（ｉｉ）酸素源に曝すための空気極と、を含む複数の電極を含む。複数の電極のうち燃料極以外の電極（すなわち、空気極または追加の電極）は可逆金属を含み、当該可逆金属はその還元可能種への可逆的酸化およびその酸化可能種への還元が可能である。また、複数の電極のうち燃料極以外の電極は、酸素発生機能を有する。明確に記述すれば、電極の数は２つ以上であり得る。金属空気電池セルはまた、複数の電極間でイオンを伝導するためのイオン伝導媒体を含む。
【００４０】
本明細書に記載の金属空気電池は、任意の構造または構成を有することができ、本明細書に記載の例は限定を意図するものではない。例えば、セルは、以下の特許出願のうちのいずれか１つに従って構築することができ、その各々の全体は参照により本明細書に組み入れられる：米国特許第８，１６８，３３７号、第８，３０９，２５９号、第８，４９１，７６３号、および第８，４９２，０５２号、米国特許出願公開第２０１０／０３１６９３５号、第２０１０／０２８５３７５号、および第２０１１／００７０５０６号、ならびに米国特許出願第６１／１７７，０７２号、第６１／２４３，９７０号、第６１／２４９，９１７号、第６１／３０１，３７７号、第６１／３０４，９２８号、第６１／３２９，２７８号、第６１／３３４，０４７号、第６１／３６５，６４５号，第６１／３７８，０２１号、第６１／３９４，９５４号、第６１／３５８，３３９号、および第６１／２６７，２４０号。
【００４１】
亜鉛空気電池の充放電効率は典型的には約５０〜６０％であるのに対し、ハイブリッド型金属空気電池の効率は約６０％〜９５％とすることができる。ハイブリッド型バッテリバックアップシステムの金属空気バッテリは効率が低いので、当該金属空気バッテリは第１のバッテリユニットが充電状態の閾値を下回った後にのみバッテリバックアップ電力を供給するために使用され、そのようにして短期間の停電におけるシステム効率を改善する。第１のバッテリユニットは、第２のバッテリユニットの約１０％以上、約２０％以上、約３０％以上、または約９０％以上の充放電効率を有することができる。例示的な実施形態では、第２のバッテリユニットは、亜鉛空気電池などの単一種類の金属空気電池のみからなる。第２のバッテリユニットは、亜鉛空気電池およびハイブリッド型金属空気電池など、金属空気電池の種類の組み合わせを含み得る。第２のバッテリユニットの個々のバッテリは、用途による必要性に応じて、直列または並列に結合されてもよい。
【００４２】
上記の組み込まれた特許出願に記載されているように、金属空気電池の燃料極１２は、燃料が還元／電着される単一の本体を含んでもよく、または燃料が還元／電着される一連の間隔を置いた複数の本体を含んでもよい。後者の場合、上記の組み込まれた特許出願のいくつかで論じられているように、還元および電着は漸進的にまたは同時に並行して進行する。前者および後者の方法はいずれも限定的なものではない。
【００４３】
亜鉛の例を用いると、アルカリ電解液中での放電中の燃料極１２での酸化半電池反応は次のように表すことができる。
Ｚｎ  ＋  ４ＯＨ-  −＞  Ｚｎ（ＯＨ）42-  ＋  ２ｅ-           （１）
溶液中では、亜鉛酸イオンはさらに反応して以下のように酸化亜鉛を形成することができる。
Ｚｎ（ＯＨ）42-  −＞  ＺｎＯ  ＋  Ｈ2Ｏ  ＋  ２ＯＨ-         （２）
【００４４】
理解できるように、亜鉛から酸化亜鉛への酸化（または溶液中に溶解したままであれば、亜鉛から亜鉛酸塩への酸化）は可逆的であり、したがってこれらの反応は再充電中に逆方向に発生し、燃料極上に亜鉛を電着させる。
【００４５】
制御システム８０はまた、バッテリから引き出される電力を監視することを含む任意の従来の手段によって、第１および／または第２のバッテリの充電状態を監視してもよい。制御システム８０は、負荷へのバッテリ電源の電流を測定し、これを用いて充電状態を計算してもよい。別の実施形態では、制御装置８０はバッテリのインピーダンス値を測定して充電状態を判断する。
【００４６】
図１に示すように、複数の補助電源１９、１９’がハイブリッド型バッテリバックアップシステムと任意に結合される。風力発電システム１９はハイブリッド型バッテリバックアップシステムに直接接続され、太陽光発電システム１９はハイブリッド型バッテリバックアップシステムにも接続するケーブルで負荷に接続される。再生可能電源は、太陽または風などの再生可能なエネルギー源から電力を得るものであり、図１に示すように、風力発電システム、および太陽電池を含む太陽光発電システムを含む。再生可能電源は、負荷への電力供給またはバッテリユニットの充電のために、再生可能電源によって生成された電力をバッテリユニットに結合することを可能にするインバータまたは充電コントローラを備えることができる。
【００４７】
ここで図２および図３を参照すると、例示的なバッテリバックアップ電力システムは、電力の効率的な使用を可能にし、負荷に効果的なバックアップ電力を供給するように、第１および第２のバッテリユニットの充電速度および放電速度を制御する。制御装置は、各バッテリユニットと電力変換器からの出力電圧を用いて、第１および第２の電池の放電速度を調整してもよい。例示的な実施形態では、一又は複数の電源から負荷に供給される電力は、用途に応じた目標動作電圧範囲を有し、この動作電圧範囲は、この範囲の百分率、すなわち０％から１００％で表すことができる。例えば、４６Ｖから５６Ｖまでの１０Ｖにわたるアプリケーション動作電圧範囲を負荷の目標範囲としてもよく、この場合、範囲の０％は４６Ｖであり、範囲の１００％は５６Ｖである。
【００４８】
制御システム８０のロジックは、充電範囲または放電範囲にある動作電圧に基づいて、制御システム８０およびそれに関連する構成要素をバッテリの充電と放電との間で切り替えるように構成される。例示的なバッテリバックアップ電力システムは、バッテリシステムおよびそのバッテリユニットを充電または放電するか否かおよびその方法を決定する設定された一又は複数の閾値電圧を有することができる。閾値電圧は、動作電圧範囲の百分率として表すことができる。
【００４９】
例えば、図２および図３に「閾値充電電圧」として示すように、動作範囲の５０％（４６Ｖから５６Ｖの例では５１Ｖ）に１つの設定電圧閾値が設けられてもよい。設定電圧閾値を超える範囲は、負荷に供給される電力が比較的ロバストであり、（バッテリがまだ充電されていないと仮定すると）より多くの電力がバッテリ充電に使用可能であるため、充電範囲と見なされる。対照的に、設定電圧より下の範囲は、負荷に供給される電力がより弱く、（放電限界に達していないと仮定すると）バッテリシステムからさらに電力を放電することが有益であり得るため、放電範囲と見なされる。
【００５０】
他の実施形態では、２つ以上の設定電圧閾値が設けられてもよい。例えば、放電範囲が４９Ｖ未満になり、充電範囲が５３Ｖを超える場合もあり得る。それはバッテリシステムの放電または充電が４９〜５３Ｖの間に起こらないことを意味する。この範囲は、負荷に対して十分な電圧があるが、バッテリ再充電のためにさらに電力を向けることを保証するのに十分ではない範囲として理解され得る。したがって、本発明は、充電範囲および放電範囲と見なされるものを定義するための１つの設定電圧閾値に限定されない。図２及び図３に示された例およびそれに反映されたロジックは単一の設定閾値電圧を有し、便宜上これを参照してこの実施形態を説明するが、本発明は単一の閾値に限定されないことが理解されるものとする。
【００５１】
この実施形態では、動作直流電圧範囲の下部、例えば５Ｖ、または４６Ｖから５１Ｖまでの動作直流電圧が放電範囲である。その範囲内で、バッテリユニット２０、４０の一方または両方のバッテリが放電されてもよく、それは使用可能な複数の放電モードのさらなる選択によって実行される。具体的には、制御システム内のロジックは、放電範囲内で検出された動作電圧に基づいて複数の放電モードから選択するための放電モード選択ロジックをさらに含む。これらのモードは、（ａ）両方のバッテリユニット２０、４０を同時に放電すること、（ｂ）第１のバッテリユニット２０のみを放電すること、および（ｃ）第２のバッテリユニット４０のみを放電することを含む。図２に示すように、動作電圧が放電範囲内にあるが第１の放電閾値より高いとき、すなわち動作電圧範囲の３５〜５０％、つまり４９．５〜５１Ｖの間にあるとき、制御システム８０は第１のバッテリユニット２０をその最大放電速度まで放電させて負荷の需要を満たし、第２のバッテリユニットは放電しない。オプションとして、第１のバッテリユニット２０の放電率は、動作電圧が放電範囲の上記の部分内で低下するにつれて、０％から１００％まで（徐々にまたは段階的になど）漸進的に増加してもよい。動作電圧が動作電圧範囲の３５％を下回ると、すなわち第１の放電閾値、つまり４９．５Ｖを下回ると、制御システム８０は第１のバッテリユニット２０をその最大速度で放電し続けるが、第２のバッテリユニット４０も放電する。第１のバッテリユニットの初期放電と同様に、第２のバッテリユニット４０の放電速度は、動作電圧が放電範囲の上記の部分内で低下するにつれて、０％から１００％まで任意に漸増的に増加してもよい。その結果、動作電圧が第２の放電閾値に達すると、両方のバッテリユニットの放電速度は最大となる。
【００５２】
別のオプションとして、２つのユニットのうちの１つの内部、または別のユニットの内部の別のバッテリ、またはスーパーキャパシタのような異なるタイプの蓄電デバイスなどの第３のエネルギー蓄積装置が含まれる実施形態において、動作電圧が図２において動作電圧範囲の２０％、すなわち４７Ｖに設定された第２の放電閾値を下回ったとき、第１および第２のバッテリユニットは、それぞれの最大放電速度で放電して負荷の需要を満たし、第３のエネルギー蓄積装置（一例として「代替の第１のバッテリユニット」として図中に示される）は放電される。動作電圧が放電範囲の上記の部分内で第３の放電電圧（それ以下ではすべてのバッテリが最大能力で放電される）まで低下するにつれて、第３の蓄電装置の放電速度も０％から１００％まで漸進的に増加してもよい。
【００５３】
別の閾値事象により、図２に示される放電制御図が無効とされてもよい。例えば、一又は複数のセルの温度が閾値を超えた場合、セルの周囲の環境温度が閾値温度を下回るかまたは上回った場合、一又は複数のセルのインピーダンス値が閾値を上回った場合、一又は複数のセルの充電状態が閾値を下回った場合、あるいは放電時間が閾値を超えた場合、それによっていかなるロジックも無効としてもよい。こうした事象が生じた場合、制御システムは、図２の手法を使用せず、閾値電力の影響を受けていない他方のバッテリユニットを使用して放電電力を供給することを選択することができる。あるいは、制御システムは、両方のバッテリユニットを並列に使用することを選択することができる。これは例えば、１つのユニット内のセルまたはセルのサブセットが閾値事象の影響を受けて使用されておらず、補足の放電電力を供給するために他方のバッテリユニットに依存する場合に行われる。
【００５４】
図３に示すように、例示的なバッテリバックアップ電力システムは、第１および第２のバッテリユニットの充電速度を制御する。上記の例によれば、４６〜５６Ｖの動作電圧範囲を有する例示的なバッテリバックアップ電力システムは、動作電圧が５０％の設定閾値電圧、すなわち５１Ｖより高い充電範囲内にあるときにのみ充電することができる。その範囲内で、バッテリユニット２０、４０の一方または両方のバッテリが充電されてもよく、それは使用可能な複数の充電モードのさらなる選択によって実行される。具体的には、制御システム内のロジックは、充電範囲内で検出された動作電圧に基づいて複数の充電モードから選択するための充電モード選択ロジックをさらに含む。これらのモードは、（ａ）両方のバッテリユニット２０、４０を同時に充電すること、（ｂ）第１のバッテリユニット２０のみを充電すること、および（ｃ）第２のバッテリユニット４０のみを充電することを含む。
【００５５】
図３に示すように、動作電圧が第１の充電閾値、例えば動作電圧範囲の９０％（すなわち５０Ｖ）より高いとき、第１および第２のバッテリユニットの両方がそれぞれの最大充電速度で充電される。動作電圧が９０％、すなわち第１の充電閾値を下回ったとき、第１のバッテリユニットは最大充電速度で充電し続け、第２のバッテリユニットも充電される。オプションとして、第２のバッテリユニット４０の充電速度は、動作電圧が充電範囲の上記の部分内で低下するにつれて、１００％から０％まで（徐々にまたは段階的になど）漸進的に低下してもよい。動作電圧が７０％、すなわち第２の充電閾値を下回ったとき、第１のバッテリユニットは充電され、第２のバッテリユニットは充電されない。オプションとして、動作電圧が充電範囲の上記の部分内で低下するにつれて、第１のバッテリユニット２０の充電速度は１００％から０％に低下してもよい。動作電圧が閾値充電電圧を下回ったとき、第１および第２のバッテリユニットの両方が充電を停止する。
【００５６】
放電の場合と同様に、閾値事象によってこのロジックを無効にし、制御装置が第１のバッテリユニットまたは第２のバッテリユニットの充電を切り替える、または第１のバッテリユニットの充電を第２のバッテリユニットの充電に切り替える、またはその逆としてもよい。例えば、第１のバッテリユニットが充電中に過熱した場合、制御装置は、第１のバッテリユニットの温度が閾値温度を下回るまで充電を第２のバッテリユニットに切り替えることができる。
【００５７】
制御装置は、並列に接続された他の第１または第２のバッテリとの間のいかなる通信もなく独立して、ハードウェア制御、ソフトウェア制御、またはハードウェア制御およびソフトウェア制御の組み合わせによって第１または第２のバッテリの放電速度を調整できる。あるいは、第１または第２のバッテリの制御装置は他の制御装置との間で通信して放電速度を決定し調整してもよい。
【００５８】
放電速度を調整することにより、制御装置はアンペア時容量率（Ｃａｐａｃｉｔｙ  Ｒａｔｅ）を調整することもできる。多くの第１および第２のバッテリを有するシステムでは、制御装置は放電のための電流または電力需要を分配することができる。制御装置は、当業者に知られている制御方式を使用することができる。例えば、比例、微分、比例積分、比例微分、または比例積分微分制御方式を用いて、任意の第１または第２のバッテリから引き出される電流または電力を調整することができる。
【００５９】
その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１４／００９１６３１号（２０１３年９月２７日に出願された米国特許出願第１４／０３９，２８５号）に記載されているように、電気化学セルシステムにおいてドループ補償を実行することが望ましい。ドループ補償は、電流の均等化を容易にするために使用されてもよく、それにともなってセルモジュールおよびその中の電気化学セルのライフサイクルを均等化し得る。電流の均一化によって、ドループ補償が、概ね又は本質的に電流を均一化する（例えば、均一化しようとする電流を、当該技術分野において一般に均一であると考えられる状態にする）ことを容易にすることは理解されよう。一実施形態では、各クラスタ制御ユニット内の制御装置に関連する制御回路を利用してドループ補償を実行することができる。したがって、いくつかの実施形態では、ドループ補償はセルモジュールごとにセルモジュール上で実行され得る。すなわち、前述の出願における技術を使用して、土ループ補償は様々なモジュールによって出力された電流を平衡に近づける。他の実施形態においては、ドループ補償は、セルモジュールのサブセット間で実行され、例えば、セルインターフェイスユニットのレベルで実装されることによって実行される。更に他の実施形態においては、ドループ補償は、各個別の電気化学セルに関連付けて実装され、セル毎に実行される。例えば、所与のバッテリユニット内の全てのセル、またはバッテリユニットのセルモジュールは、様々なセルによって出力される電流を平衡に近づけるためにドループ補償を使用する制御回路を有することができる。他の実装もまた可能である。例えば、ドループ補償回路を個々のセルレベルとモジュールレベルの両方で使用することができる。
【００６０】
図４は、第１のバッテリユニットにおける例示的な制御図を示す。ハイブリッド型バックアップバッテリシステムに対して負荷が要求されないとき、第１のバッテリユニットは、上述したロジックに従って充電を受けることができる。この図はまた、第１のバッテリユニットの充電状態が満充電状態値の５０％を下回るまで、上述のロジックに従って需要があるときに第１のバッテリユニットが放電されることを示している。その後、第２のバッテリユニットが放電される。第１のバッテリユニットは、リチウムイオンバッテリのみを含むリチウムイオンバッテリユニットであってもよい。この制御図は、第１のバッテリユニットの充電状態などの閾値事象によって、システムが放電されるバッテリユニットを切り替える方法を示している。
【００６１】
図５は例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの第２バッテリユニット制御図を示す。ハイブリッド型バックアップバッテリシステムに対して負荷が要求されず、第１のバッテリユニットが閾値を超えて充電されているとき、第２のバッテリユニットは充電を受けることができる。この図は、第２のバッテリユニットの個々のバッテリ電圧が０．９５Ｖ（さらなる放電を制限するために使用される最小セル電圧閾値）未満に低下するまで、第２のバッテリユニットが放電されることを示す。
【００６２】
図６は例示的なハイブリッド型バッテリバックアップシステムの停電発生時の放電電力供給スケジュールを示す。リチウムイオンバッテリと金属空気電池の両方は、金属空気電池のより完全な放電を可能にするために、放電サイクルの終わりに近づくと負荷に結合されることに留意されたい。
【００６３】
バッテリまたはバッテリユニットに関して本明細書で使用されるとき、充放電効率、または単に効率という用語は、充電および放電サイクルの効率である。バッテリを充電するために使用されるエネルギーのすべてが放電中に使用可能なエネルギーとなるわけではなく、充電中および放電中に効率を低下させるいくらかの損失がある。
【００６４】
本発明において、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく多様な修正、組み合わせ、および変形が可能であることは当業者には明白であろう。本明細書に記載の特定の実施形態、特徴、および要素は、任意の適切な方法で修正および／または組み合わせが可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にある限り、本開示の修正、組合せおよび変形を網羅することを意図している。
【図１】
2019530405.tif 000003
【図２】
2019530405.tif 000004
【図３】
2019530405.tif 000005
【図４】
2019530405.tif 000006
【図５】
2019530405.tif 000007
【図６】
2019530405.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月16日(2018.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源及び負荷を含む電力網における電力貯蔵のためのハイブリッド型バッテリシステムであって、
第１のバッテリ化学作用を有する第１の充電式バッテリユニットと、第１のバッテリ化学作用と異なる第２のバッテリ化学作用を有する第２の充電式バッテリユニットと、を含むバッテリシステムと、
（ａ）放電中に前記バッテリシステムから前記負荷に電気エネルギーを供給すること、及び（ｂ）充電中に前記バッテリシステムを充電するために前記電源から電気エネルギーを受け取ることを目的として、前記バッテリシステムの前記第１及び第２のバッテリユニットを前記電力網に選択的に結合する制御システムと、
前記電源から前記負荷に供給される電力の動作電圧を検出する電源電圧センサと、
を備え、
前記制御システムは、充電範囲または放電範囲にある前記動作電圧に基づいて、前記制御システムを前記バッテリシステムの充電と放電との間で切り替えるように構成されたロジックを含み、
前記制御システムは、前記充電範囲内の前記動作電圧に基づいて複数の充電モードから選択するための充電モード選択ロジックをさらに含み、当該複数の充電モードは、（ａ）前記動作電圧が第１の充電閾値より高いとき、前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に各々の所定の充電速度で充電すること、（ｂ）前記動作電圧が前記第１の充電閾値より低くかつ第２の充電閾値より高いとき、前記第１のバッテリユニットをその前記所定の充電速度で充電し、前記第２のバッテリユニットを低減された速度で充電すること、及び（ｃ）前記動作電圧が前記第２の充電閾値より低いとき、前記第１のバッテリユニットのみを低減された速度で充電することを含む、ハイブリッド型バッテリシステム。
【請求項２】
前記第１のバッテリユニットは前記第２のバッテリユニットよりも高い電力効率を有し、前記第２のバッテリユニットは前記第１のバッテリユニットよりも高いエネルギー効率を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記充電範囲と前記放電範囲が閾値電圧によって区分けされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記電源は動作電圧範囲を有し、前記閾値充電電圧は当該動作電圧範囲の約５０％である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の充電閾値が前記動作電圧範囲の約９０％より高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の充電閾値が前記動作電圧範囲の約７０％より高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記制御システムは、前記放電範囲内の前記動作電圧に基づいて複数の放電モードから選択するための放電モード選択ロジックをさらに含み、当該複数の放電モードは、（ａ）前記動作電圧が第２の放電閾値より低いとき、前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に各々の所定の速度で放電すること、（ｂ）前記動作電圧が前記第２の放電閾値より高くかつ第１の放電閾値より低いとき、前記第１のバッテリユニットをその所定の速度で放電し、前記第２のバッテリユニットを低減された速度で放電すること、及び（ｃ）前記動作電圧が前記第１の放電閾値より高いとき、前記第１のバッテリユニットのみを放電することを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御システムは、前記放電モード選択ロジックによって選択されるモードに関わらず、第１のバッテリユニット閾値事象が検出されると、前記第１のバッテリユニットの放電から前記第２のバッテリユニットの放電に切り替える閾値事象ロジックを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御システムは前記第１のバッテリユニットの充電状態を監視し、当該充電状態が所与のレベルを下回ることが前記第１のバッテリユニット閾値事象である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記充電状態が前記第１のバッテリユニットのインピーダンスによって決定される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットのインピーダンスが最大充電状態における前記第１のバッテリユニットのインピーダンスの約１１０％を超えることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットが前記第１のバッテリユニットの閾値温度を超えることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットの環境温度が閾値環境温度を超えることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットの環境温度が閾値環境温度を下回ることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
前記閾値事象は、電力需要が前記第１のバッテリユニットの電力能力閾値を超えることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電力需要が前記第１のバッテリユニットの電力能力の約９０％より大きい、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットが前記第１のバッテリユニットの閾値電圧を下回ることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１８】
前記閾値事象は、前記第１のバッテリユニットの放電深度が閾値放電深度レベルを下回ることである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１９】
前記制御システムは、前記第１のバッテリユニットが前記閾値放電深度レベルを下回ったときに、第１のスイッチを介して前記第１のバッテリユニットを前記負荷から電気的に分離するように構成された、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御システムはさらに、前記第２のバッテリユニットが閾値放電深度レベルを下回ったときに、第２のスイッチを介して前記第２のバッテリユニットを前記負荷から電気的に分離するように構成された、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記閾値放電深度レベルが満充電状態の約１０％である、請求項１８から２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記閾値放電深度レベルが満充電状態の約２０％である、請求項１８から２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１のバッテリの効率が前記第２のバッテリの効率より少なくとも約１０％高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１のバッテリの効率が前記第２のバッテリの効率より少なくとも約２０％高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１のバッテリユニットが第１のバッテリのみを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第２のバッテリユニットが第２のバッテリのみを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１のバッテリユニットが第１のバッテリのみを含み、前記第２のバッテリユニットが第２のバッテリのみを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第１のバッテリユニットがリチウムイオンバッテリにより構成され、前記第２のバッテリユニットが充電式金属空気電池により構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１のバッテリユニットがリチウムイオンバッテリにより構成され、前記第２のバッテリユニットが充電式亜鉛空気電池により構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第１のバッテリユニットがリチウムイオンバッテリを含み、前記第２のバッテリユニットが亜鉛空気電池を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第２のバッテリユニットは第３のバッテリを含み、当該第３のバッテリは前記第２のバッテリとは異なる種類のバッテリである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記第３のバッテリは電極の１つに可逆金属を含むハイブリッド型金属空気電池である、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記負荷に結合された補足の電源をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記補足の電源はコンデンサである、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記コンデンサを前記負荷に結合するスイッチをさらに含み、
前記第１及び第２のバッテリユニットの最大電力能力の約９０％より大きい電力需要があるとき、前記制御装置は前記コンデンサを前記負荷に結合する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
電源及び負荷を含む電力網における電力貯蔵のためのハイブリッド型バッテリシステムであって、
第１のバッテリ化学作用を有する第１の充電式バッテリユニットと、第１のバッテリ化学作用と異なる第２のバッテリ化学作用を有する第２の充電式バッテリユニットと、を含むバッテリシステムと、
（ａ）放電中に前記バッテリシステムから前記負荷に電気エネルギーを供給すること、及び（ｂ）充電中に前記バッテリシステムを充電するために前記電源から電気エネルギーを受け取ることを目的として、前記バッテリシステムの前記第１及び第２のバッテリユニットを前記電力網に選択的に結合する制御システムと、
前記電源から前記負荷に供給される電力の動作電圧を検出する電源電圧センサと、
を備え、
前記制御システムは、充電範囲または放電範囲にある前記動作電圧に基づいて、前記制御システムを前記バッテリシステムの充電と放電との間で切り替えるように構成されたロジックを含み、
前記制御システムは、前記充電範囲内の前記動作電圧と、バッテリユニットの状態に影響を及ぼす閾値事象との両方に基づいて異なる複数の充電モードを選択するための充電モード選択ロジックをさらに含む、ハイブリッド型バッテリシステム。
【請求項３７】
前記複数の充電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に充電すること、及び（ｂ）前記第１のバッテリユニットのみを充電することを含む、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記制御システムは、前記放電範囲内の前記動作電圧と前記閾値事象との両方に基づいて異なる複数の放電モードを選択するための放電モード選択ロジックをさらに含み、当該複数の放電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に放電すること、及び（ｂ）前記第１及び第２のバッテリユニットの一方のみを放電することを含む、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
電源及び負荷を含む電力網における電力貯蔵のためのハイブリッド型バッテリシステムを充電及び放電する方法であって、
前記ハイブリッド型バッテリシステムは、
第１のバッテリ化学作用を有する第１の充電式バッテリユニットと、第１のバッテリ化学作用と異なる第２のバッテリ化学作用を有する第２の充電式バッテリユニットと、を含むバッテリシステムと、
前記電源から前記負荷に供給される電力の動作電圧を検出する電源電圧センサと、
を含み、
前記方法は、
充電範囲または放電範囲にある前記動作電圧に基づいて、前記バッテリシステムの複数の充電モードと複数の放電モードとの間で切り替える工程
を備え、
前記複数の充電モードは、
（ａ）前記動作電圧が第１の充電閾値より高いとき、前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に各々の所定の充電速度で充電すること、
（ｂ）前記動作電圧が前記第１の充電閾値より低くかつ第２の充電閾値より高いとき、前記第１のバッテリユニットをその前記所定の充電速度で充電し、前記第２のバッテリユニットを低減された速度で充電すること、及び
（ｃ）前記動作電圧が前記第２の充電閾値より低いとき、前記第１のバッテリユニットのみを低減された速度で充電すること
を含む、方法。
【請求項４０】
前記複数の放電モードは、
（ａ）前記動作電圧が第２の放電閾値より低いとき、前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に各々の所定の速度で放電すること、
（ｂ）前記動作電圧が前記第２の放電閾値より高くかつ第１の放電閾値より低いとき、前記第１のバッテリユニットをその所定の速度で放電し、前記第２のバッテリユニットを低減された速度で放電すること、及び
（ｃ）前記動作電圧が前記第１の放電閾値より高いとき、前記第１のバッテリユニットのみを放電すること
を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記複数の放電モードは、
（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に放電すること、及び
（ｂ）前記第１及び第２のバッテリユニットの一方のみを放電すること
を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
電源及び負荷を含む電力網における電力貯蔵のためのハイブリッド型バッテリシステムを充電及び放電する方法であって、
前記ハイブリッド型バッテリシステムは、
第１のバッテリ化学作用を有する第１の充電式バッテリユニットと、第１のバッテリ化学作用と異なる第２のバッテリ化学作用を有する第２の充電式バッテリユニットと、を含むバッテリシステムと、
前記電源から前記負荷に供給される電力の動作電圧を検出する電源電圧センサと、
を含み、
前記方法は、
充電範囲または放電範囲にある前記動作電圧に基づいて、前記バッテリシステムの充電と放電との間で切り替える工程
を備え、
前記充電範囲内の前記動作電圧と、バッテリユニットの状態に影響を及ぼす閾値事象との両方に基づいて異なる複数の充電モードが選択される、方法。
【請求項４３】
前記複数の充電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に充電すること、及び（ｂ）前記第１のバッテリユニットのみを充電することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記放電範囲内の前記動作電圧と前記閾値事象との両方に基づいて異なる複数の放電モードが選択され、当該複数の放電モードは、（ａ）前記第１及び第２のバッテリユニットの両方を同時に放電すること、及び（ｂ）前記第１及び第２のバッテリユニットの一方のみを放電することを含む、請求項４２に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2019530405.tif 000009
【国際調査報告】
2019530405.tif 000010
2019530405.tif 000011
2019530405.tif 000012