电弧闪光保护电池能量存储系统和转换系统及保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池能量存储系统领域，并且具体通常地具有电池能量存储系统的能量系统，以及包括电弧闪光保护器件的电池能量存储系统，具体涉及具有这种电池能量存储系统的能量转换系统，以及一种用于保护这些系统的方法。
【背景技术】
[0002]电池能量存储系统越来越多地被用于许多移动和固定应用。例如，电池能量存储系统与电网中的供配电系统一起使用，其中电网使用共享的可再生能源。电池能量存储装置容许由于可再生能源波动的电源的平衡，基于峰值平滑和负载平衡的网络稳定性和网络质量的改进，可再生光伏能源从日间到夜间转换和/或风能到低风力次数的转换，并因此在延长的时间期内提供一可靠电源。电池能量存储系统广泛地用于私营企业中使用的电池能量存储发电器件，以及输出高达几个兆瓦电力的大规模器件，以及电动车中。
[0003]电池能量存储系统以及基于它的供配电系统必须针对短路被很好地保护。由于供配电网络中回路阻抗相对低，短路或绝缘故障可能导致高达几十kA的极高短路电流。考虑至IJ这点，闪光电弧-所谓的电弧闪光或电弧故障-可在系统的组件之间形成，并潜在地导致组件的热损坏，并且会危害到人，例如，维护系统的人员。因此，在存在电弧闪光危险区域中工作需要穿戴合适的防火保护衣服并使用适当的工具。
[0004]实际上，用于防止它们引起的电弧闪光及损坏的各种措施和保险丝是已知的。例如，适当布置和设计的线路断路器和电子保险丝或断流器件能够中断故障情况下的电流，因此避免对器件的进一步损害。其实，这些措施都是基于过流保护。如果检测到的故障电流超过预定义阈值，电流被中断。
[0005]已经发现，由此，电池能量存储系统不能针对短路电流或故障电流被充分保护。具体地，如果电池内部阻抗上升时，短路电流可能潜在地不够强到足以触发该过流器件。电池的内部阻抗随着电池的化学性质、其操作状况，例如电池的温度、充电状态等，在一个宽范围内变化。电池或连接到电池的系统发生短路故障时，短路电流是电池内部阻抗的函数。如果短路电流的强度相当于或小于标称操作电流的强度，难以或不可能检测到具有过流保护的故障状况。如果这样的短路状况一直未被检测到，这会导致持久的电弧闪光，导致电池系统、相邻组件相当大的损害，并可能伤害到人。
[0006]希望的是，检测到所有这些短路状况，并且触发安全开关或另一个这种器件，以便安全地关闭该系统。具体地，具有低短路电流的持久电弧闪光状况也将被防止，以便避免损坏电池能量存储系统和连接到其上的系统，并且为了最小化对人员生命的健康危害和风险。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种具有电池组装件(assembly)和用于该电池组装件的保护系统的电池能量存储系统。所述电池组装件适于存储和提供能量并可再充电。保护系统包括电弧闪光保护器件，用于针对电弧闪光的危害保护电池组装件和人。该电弧闪光保护器件被配置为用于感测由电池组装件传递的电池电流，并将其与预定义最大电流阈值相比较，感测由电池组装件传递的电压，并将其与预定义最小电压阈值相比较，并且，如果感测到的电池电流大于最大电流阈值和/或感测出的电池电压小于最小电压阈值时，确定出现电弧闪光状况并启动保护措施，以防止电池组装件的继续工作。
[0008]本发明中结合了过流保护和欠压保护，以便检测不同的短路状况以及其他故障电流状况，以避免或防止电弧闪光状况。如果表示故障情况或短路情况的最大允许电池电流的电池电流被超过时，所述电弧闪光保护器件确保了电池电流被中断，因此各自的短路电流或故障电流被选择性地切断。另外，电弧闪光保护器件检测电池电压的低电压水平。如果电池电压低于预定义最小电压阈值，预定义最小电压阈值低于正常电池模式所需或允许的最小电池电压的某一数量，电弧闪光保护器件检测故障并触发合适的保护器件来防止或避免即使是长时间的电弧闪光表现出的低电流强度。这些本来不会被过流保护器件检测至IJ，并导致电池系统或相邻器件损坏，并危害人的健康和生命。因此，提供了覆盖宽频谱的电池能量存储系统的安全和可靠操作的基础。故障情况下引入的能量可被减小到相对不危险的水平，从而减少维护的工作量和成本。包括本发明的电弧闪光保护器件的电池能量存储系统可用于任何类型的电池应用、多Mffh范围内的固定应用中、以及移动应用，例如电动车等。
[0009]该电池组装件可包括至少一个电池模块，它由几个串联连接的电池单元形成，以提供最小额定DC电压。考虑不同的实施例，根据需要，这可以是至少450伏并高达600伏或更多。
[0010]—个或多个这样的电池模块也可以并联连接，以便实现例如至少0.5丽、或甚至1.0Mff或更多的高额定输出。这种电池组装件非常适合结合供配电系统，以形成用于私人和商业领域的电池能量存储发电器件。
[0011 ] 电池单元可以基于任何电池技术，例如，锂离子、铅酸、镍镉、钠硫、钠-镍-氯化物、或任何其它合适的技术。
[0012]在一个实施例中，电池能量存储系统还包括正DC电压供应线路，其连接到电池组装件的正端子，并包括负DC电压供应线路，其连接到电池组装件的负端子，在这种情况下，根据需要正或负DC电压供应线路包括可控开关，用于线路连接的中断。优选地，两个DC电压供应线路包括合适的开关，其能够被用于当检测到电弧闪光状况时将电池与连接的系统电流隔离。可控开关优选为内部电池接触器，有利地，所述接触器可以已经是电池模块的一个整体部分。
[0013]优选地，电池能量存储系统包括电流传感器，该电流传感器感测由电池组装件传递的实际电流，并传递表示感测到的实际电流的电流信号，还包括电压传感器，该电压传感器感测当前由电池组装件传递的实际电压，并传递表示感测到的实际电压的电压信号。
[0014]此外，电池能量存储系统可包括电池管理系统，用于监测和控制该可充电电池组装件。所述电池管理系统可以执行多个功能，包括电池单元保护、电荷控制、负载管理，确定电池充电状况、确定单元的健康、单元电压的平衡等。在任何情况下，电池管理系统优选地包括控制器件，其确定电池组装件的充电状况，并检测和防止电池组装件的过充电和过放电。
[0015]具体而言，电池管理系统可以连接到所述电流传感器和电压传感器，其可能已经是电池模块的一个整体部分，以便从这些部分接收电流信号和电压信号。在这种情况下，控制器件可被改变以适于比较由电压传感器传递的电压信号与放电电压极限，以便检测和防止电池组装件的过放电状况，该状况对于正常操作放电过深。
[0016]该放电电压极限优选选择为明显大于保护系统为了电弧闪光保护所使用的最小电压阈值。该电压阈值可以选择为比最小电压阈值大至少一倍半。在一个实施例中，其中电池组装件表现出约600伏的最大电压和约450伏至577伏的额定电压范围，放电电压极限优选为在420伏和450伏的范围内，而最小电压阈值在150伏和300伏的范围内，优选在200伏和250伏之间。
[0017]在优选实施例中，包括电弧闪光保护器件的保护系统是电池管理系统的一部分。有利的是，电弧闪光保护器件可容易地实施，并且被改装在现有的电池管理系统中。这特别适用于当该电池管理系统接收到已感测到的电池电流信号和电池电压信号，并将其用于其它例如放电保护的控制任务时。、
[0018]可替换地，电弧闪光保护器件也可以实现为与电池管理系统分离。例如，它可以是使用所述电池能量存储系统的能量系统的控制或保护系统的一个整体部分。然后它能够使用与所述电池管理系统相同的电流和电压传感器，或其它传感器。它可以驱动与电池管理系统相同的电池模块中的安全开关，或驱动包括在能量系统中的其它安全开关。
[0019]在本发明的一个实施例中，所述电池能量存储系统还包括在正和/或负DC电压供应线路中的保险丝，例如电子保险丝或安全保险丝，用于在高强度短路电流的情况下根据需要由所述保险丝中断电流。
[0020]优选地，所述电弧闪光保护器件被连接到或者配置有定时器，并且被安排用来检测第一时间持续期和第二时间持续期，在第一时间持续期期间，感测到的电池电流大于最大电流阈值，在第二时间持续期期间，感测到的电池电压小于最小电压阈值，并且检测电弧闪光状况，并且在第一时间持续期大于第一最大时间阈值和/或所述第二时间持续期大于第二最大时间阈值时启动保护防范措施。通过考虑时间因素，可归因于暂态故障的电弧闪光状况的故障检测可以被避免或减少。可选地或附加地，电压和电流信号也可以用滤波器过滤，例如，用于此目的的低通滤波器。
[0021]第一最大时间阈值优选小于所述第二最大时间阈值。因此，大电流电弧闪光被限制为最短的可能时间持续期，以避免潜在的火灾损坏。考虑到小电流电弧闪光，为了减少任何故障检测和故障关闭而延长检测的时间持续期，然而，仍然要足够短以最小化对系统组件和人的任何危险。在一个实施例中，所述第一最大时间阈值，例如，小于0.020秒，例如约为0.013秒，而第二最大时间阈值是在0.2秒和I秒的范围内，优选约0.5秒。
[0022]在任何情况下，第二最大时间阈值小于表征某个时间持续期的第一放电时间阈值，在该时间持续期期间，电池管理系统所接收的电压信号必须低于放电电压极限，以便电池管理系统检测电池组装件的过放电状况。
[0023]为了进一步提高检测安全性，电弧闪光保护器件还可包括用于欠压保护的若干个电压阈值和时间阈值，在这种情况下，电压阈值越小，时间阈值可以越小。在一个实施例中，例如，电弧闪光保护器件被设置为比较感测的电池电压与预定义的第一最小电压阈值和小于所述第一最小电压阈值的预定义的第二最小电压阈值，并且在感测的电池电压对于第一时间期小于所述第一最小电压阈值或感测的电池电压对于比第一时间期更小的第二时间期小于第二最小电压阈值时，启动保护措施以防止电池组装件的进一步操作。在上述实现的示例性实施例中使用450和577伏之间的额定电池电压，第一最小电压阈值可以是例如300伏，第一预定义时间期可以超过500毫秒，例如是650毫秒，而第二最小电压阈值可以是例如150伏，且第二时间期可以小于500毫秒，例如是350毫秒。
[0024]根据本发明的电池能量存储系统可形成为单独的系统(独立系统)或者可以集成于风力涡轮机、太阳能电力场等。
[0025]根据本发明的另一方面，提供了一种能量转化系统，其具有可再充电电池组装件用于存储和提供能量，具有转换器器件，其通过DC中间电路被连接到所述电池组装件，以将由电池组装件传递的输入侧DC电压能量转换为输出侧AC电压能量，且反之亦然，并且具有保护系统，该系统包括电弧闪光保护器件以用于针对电弧闪光的危险保护能量转化系统和人。该电弧闪光保护器件适用于感测由电池组装件传递的电池电流，并且将其与预定义最大电流阈值相比较，并且感测