電弧閃光保護電池能量存儲系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及保護方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電池能量存儲系統(tǒng)領域，并且具體通常地具有電池能量存儲系統(tǒng)的能量系統(tǒng)，以及包括電弧閃光保護器件的電池能量存儲系統(tǒng)，具體涉及具有這種電池能量存儲系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及一種用于保護這些系統(tǒng)的方法。
【背景技術】
[0002]電池能量存儲系統(tǒng)越來越多地被用于許多移動和固定應用。例如，電池能量存儲系統(tǒng)與電網(wǎng)中的供配電系統(tǒng)一起使用，其中電網(wǎng)使用共享的可再生能源。電池能量存儲裝置容許由于可再生能源波動的電源的平衡，基于峰值平滑和負載平衡的網(wǎng)絡穩(wěn)定性和網(wǎng)絡質(zhì)量的改進，可再生光伏能源從日間到夜間轉(zhuǎn)換和/或風能到低風力次數(shù)的轉(zhuǎn)換，并因此在延長的時間期內(nèi)提供一可靠電源。電池能量存儲系統(tǒng)廣泛地用于私營企業(yè)中使用的電池能量存儲發(fā)電器件，以及輸出高達幾個兆瓦電力的大規(guī)模器件，以及電動車中。
[0003]電池能量存儲系統(tǒng)以及基于它的供配電系統(tǒng)必須針對短路被很好地保護。由于供配電網(wǎng)絡中回路阻抗相對低，短路或絕緣故障可能導致高達幾十kA的極高短路電流。考慮至IJ這點，閃光電弧-所謂的電弧閃光或電弧故障-可在系統(tǒng)的組件之間形成，并潛在地導致組件的熱損壞，并且會危害到人，例如，維護系統(tǒng)的人員。因此，在存在電弧閃光危險區(qū)域中工作需要穿戴合適的防火保護衣服并使用適當?shù)墓ぞ摺?br>[0004]實際上，用于防止它們引起的電弧閃光及損壞的各種措施和保險絲是已知的。例如，適當布置和設計的線路斷路器和電子保險絲或斷流器件能夠中斷故障情況下的電流，因此避免對器件的進一步損害。其實，這些措施都是基于過流保護。如果檢測到的故障電流超過預定義閾值，電流被中斷。
[0005]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由此，電池能量存儲系統(tǒng)不能針對短路電流或故障電流被充分保護。具體地，如果電池內(nèi)部阻抗上升時，短路電流可能潛在地不夠強到足以觸發(fā)該過流器件。電池的內(nèi)部阻抗隨著電池的化學性質(zhì)、其操作狀況，例如電池的溫度、充電狀態(tài)等，在一個寬范圍內(nèi)變化。電池或連接到電池的系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流是電池內(nèi)部阻抗的函數(shù)。如果短路電流的強度相當于或小于標稱操作電流的強度，難以或不可能檢測到具有過流保護的故障狀況。如果這樣的短路狀況一直未被檢測到，這會導致持久的電弧閃光，導致電池系統(tǒng)、相鄰組件相當大的損害，并可能傷害到人。
[0006]希望的是，檢測到所有這些短路狀況，并且觸發(fā)安全開關或另一個這種器件，以便安全地關閉該系統(tǒng)。具體地，具有低短路電流的持久電弧閃光狀況也將被防止，以便避免損壞電池能量存儲系統(tǒng)和連接到其上的系統(tǒng)，并且為了最小化對人員生命的健康危害和風險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種具有電池組裝件(assembly)和用于該電池組裝件的保護系統(tǒng)的電池能量存儲系統(tǒng)。所述電池組裝件適于存儲和提供能量并可再充電。保護系統(tǒng)包括電弧閃光保護器件，用于針對電弧閃光的危害保護電池組裝件和人。該電弧閃光保護器件被配置為用于感測由電池組裝件傳遞的電池電流，并將其與預定義最大電流閾值相比較，感測由電池組裝件傳遞的電壓，并將其與預定義最小電壓閾值相比較，并且，如果感測到的電池電流大于最大電流閾值和/或感測出的電池電壓小于最小電壓閾值時，確定出現(xiàn)電弧閃光狀況并啟動保護措施，以防止電池組裝件的繼續(xù)工作。
[0008]本發(fā)明中結(jié)合了過流保護和欠壓保護，以便檢測不同的短路狀況以及其他故障電流狀況，以避免或防止電弧閃光狀況。如果表示故障情況或短路情況的最大允許電池電流的電池電流被超過時，所述電弧閃光保護器件確保了電池電流被中斷，因此各自的短路電流或故障電流被選擇性地切斷。另外，電弧閃光保護器件檢測電池電壓的低電壓水平。如果電池電壓低于預定義最小電壓閾值，預定義最小電壓閾值低于正常電池模式所需或允許的最小電池電壓的某一數(shù)量，電弧閃光保護器件檢測故障并觸發(fā)合適的保護器件來防止或避免即使是長時間的電弧閃光表現(xiàn)出的低電流強度。這些本來不會被過流保護器件檢測至IJ，并導致電池系統(tǒng)或相鄰器件損壞，并危害人的健康和生命。因此，提供了覆蓋寬頻譜的電池能量存儲系統(tǒng)的安全和可靠操作的基礎。故障情況下引入的能量可被減小到相對不危險的水平，從而減少維護的工作量和成本。包括本發(fā)明的電弧閃光保護器件的電池能量存儲系統(tǒng)可用于任何類型的電池應用、多Mffh范圍內(nèi)的固定應用中、以及移動應用，例如電動車等。
[0009]該電池組裝件可包括至少一個電池模塊，它由幾個串聯(lián)連接的電池單元形成，以提供最小額定DC電壓?？紤]不同的實施例，根據(jù)需要，這可以是至少450伏并高達600伏或更多。
[0010]—個或多個這樣的電池模塊也可以并聯(lián)連接，以便實現(xiàn)例如至少0.5麗、或甚至1.0Mff或更多的高額定輸出。這種電池組裝件非常適合結(jié)合供配電系統(tǒng)，以形成用于私人和商業(yè)領域的電池能量存儲發(fā)電器件。
[0011 ] 電池單元可以基于任何電池技術，例如，鋰離子、鉛酸、鎳鎘、鈉硫、鈉-鎳-氯化物、或任何其它合適的技術。
[0012]在一個實施例中，電池能量存儲系統(tǒng)還包括正DC電壓供應線路，其連接到電池組裝件的正端子，并包括負DC電壓供應線路，其連接到電池組裝件的負端子，在這種情況下，根據(jù)需要正或負DC電壓供應線路包括可控開關，用于線路連接的中斷。優(yōu)選地，兩個DC電壓供應線路包括合適的開關，其能夠被用于當檢測到電弧閃光狀況時將電池與連接的系統(tǒng)電流隔離?？煽亻_關優(yōu)選為內(nèi)部電池接觸器，有利地，所述接觸器可以已經(jīng)是電池模塊的一個整體部分。
[0013]優(yōu)選地，電池能量存儲系統(tǒng)包括電流傳感器，該電流傳感器感測由電池組裝件傳遞的實際電流，并傳遞表示感測到的實際電流的電流信號，還包括電壓傳感器，該電壓傳感器感測當前由電池組裝件傳遞的實際電壓，并傳遞表示感測到的實際電壓的電壓信號。
[0014]此外，電池能量存儲系統(tǒng)可包括電池管理系統(tǒng)，用于監(jiān)測和控制該可充電電池組裝件。所述電池管理系統(tǒng)可以執(zhí)行多個功能，包括電池單元保護、電荷控制、負載管理，確定電池充電狀況、確定單元的健康、單元電壓的平衡等。在任何情況下，電池管理系統(tǒng)優(yōu)選地包括控制器件，其確定電池組裝件的充電狀況，并檢測和防止電池組裝件的過充電和過放電。
[0015]具體而言，電池管理系統(tǒng)可以連接到所述電流傳感器和電壓傳感器，其可能已經(jīng)是電池模塊的一個整體部分，以便從這些部分接收電流信號和電壓信號。在這種情況下，控制器件可被改變以適于比較由電壓傳感器傳遞的電壓信號與放電電壓極限，以便檢測和防止電池組裝件的過放電狀況，該狀況對于正常操作放電過深。
[0016]該放電電壓極限優(yōu)選選擇為明顯大于保護系統(tǒng)為了電弧閃光保護所使用的最小電壓閾值。該電壓閾值可以選擇為比最小電壓閾值大至少一倍半。在一個實施例中，其中電池組裝件表現(xiàn)出約600伏的最大電壓和約450伏至577伏的額定電壓范圍，放電電壓極限優(yōu)選為在420伏和450伏的范圍內(nèi)，而最小電壓閾值在150伏和300伏的范圍內(nèi)，優(yōu)選在200伏和250伏之間。
[0017]在優(yōu)選實施例中，包括電弧閃光保護器件的保護系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的一部分。有利的是，電弧閃光保護器件可容易地實施，并且被改裝在現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)中。這特別適用于當該電池管理系統(tǒng)接收到已感測到的電池電流信號和電池電壓信號，并將其用于其它例如放電保護的控制任務時。、
[0018]可替換地，電弧閃光保護器件也可以實現(xiàn)為與電池管理系統(tǒng)分離。例如，它可以是使用所述電池能量存儲系統(tǒng)的能量系統(tǒng)的控制或保護系統(tǒng)的一個整體部分。然后它能夠使用與所述電池管理系統(tǒng)相同的電流和電壓傳感器，或其它傳感器。它可以驅(qū)動與電池管理系統(tǒng)相同的電池模塊中的安全開關，或驅(qū)動包括在能量系統(tǒng)中的其它安全開關。
[0019]在本發(fā)明的一個實施例中，所述電池能量存儲系統(tǒng)還包括在正和/或負DC電壓供應線路中的保險絲，例如電子保險絲或安全保險絲，用于在高強度短路電流的情況下根據(jù)需要由所述保險絲中斷電流。
[0020]優(yōu)選地，所述電弧閃光保護器件被連接到或者配置有定時器，并且被安排用來檢測第一時間持續(xù)期和第二時間持續(xù)期，在第一時間持續(xù)期期間，感測到的電池電流大于最大電流閾值，在第二時間持續(xù)期期間，感測到的電池電壓小于最小電壓閾值，并且檢測電弧閃光狀況，并且在第一時間持續(xù)期大于第一最大時間閾值和/或所述第二時間持續(xù)期大于第二最大時間閾值時啟動保護防范措施。通過考慮時間因素，可歸因于暫態(tài)故障的電弧閃光狀況的故障檢測可以被避免或減少?？蛇x地或附加地，電壓和電流信號也可以用濾波器過濾，例如，用于此目的的低通濾波器。
[0021]第一最大時間閾值優(yōu)選小于所述第二最大時間閾值。因此，大電流電弧閃光被限制為最短的可能時間持續(xù)期，以避免潛在的火災損壞?？紤]到小電流電弧閃光，為了減少任何故障檢測和故障關閉而延長檢測的時間持續(xù)期，然而，仍然要足夠短以最小化對系統(tǒng)組件和人的任何危險。在一個實施例中，所述第一最大時間閾值，例如，小于0.020秒，例如約為0.013秒，而第二最大時間閾值是在0.2秒和I秒的范圍內(nèi)，優(yōu)選約0.5秒。
[0022]在任何情況下，第二最大時間閾值小于表征某個時間持續(xù)期的第一放電時間閾值，在該時間持續(xù)期期間，電池管理系統(tǒng)所接收的電壓信號必須低于放電電壓極限，以便電池管理系統(tǒng)檢測電池組裝件的過放電狀況。
[0023]為了進一步提高檢測安全性，電弧閃光保護器件還可包括用于欠壓保護的若干個電壓閾值和時間閾值，在這種情況下，電壓閾值越小，時間閾值可以越小。在一個實施例中，例如，電弧閃光保護器件被設置為比較感測的電池電壓與預定義的第一最小電壓閾值和小于所述第一最小電壓閾值的預定義的第二最小電壓閾值，并且在感測的電池電壓對于第一時間期小于所述第一最小電壓閾值或感測的電池電壓對于比第一時間期更小的第二時間期小于第二最小電壓閾值時，啟動保護措施以防止電池組裝件的進一步操作。在上述實現(xiàn)的示例性實施例中使用450和577伏之間的額定電池電壓，第一最小電壓閾值可以是例如300伏，第一預定義時間期可以超過500毫秒，例如是650毫秒，而第二最小電壓閾值可以是例如150伏，且第二時間期可以小于500毫秒，例如是350毫秒。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的電池能量存儲系統(tǒng)可形成為單獨的系統(tǒng)(獨立系統(tǒng))或者可以集成于風力渦輪機、太陽能電力場等。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，其具有可再充電電池組裝件用于存儲和提供能量，具有轉(zhuǎn)換器器件，其通過DC中間電路被連接到所述電池組裝件，以將由電池組裝件傳遞的輸入側(cè)DC電壓能量轉(zhuǎn)換為輸出側(cè)AC電壓能量，且反之亦然，并且具有保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電弧閃光保護器件以用于針對電弧閃光的危險保護能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和人。該電弧閃光保護器件適用于感測由電池組裝件傳遞的電池電流，并且將其與預定義最大電流閾值相比較，并且感測