电弧闪光保护电池能量存储系统和转换系统及保护方法

摘要

本公开的发明名称为“电弧闪光保护电池能量存储系统和转换系统及保护方法”。公开了一种电池能量存储系统，其包括用于存储和提供能量的可再充电电池组装件和包含电弧闪光保护器件以针对电弧闪光危害进行保护的保护系统。电弧闪光保护器件包括过流保护单元，其检测在低阻抗的电池组装件的情况下指示电弧闪光状况的过流状况；以及欠压保护单元，其检测在低阻抗的电池组装件的情况下指示电弧闪光状况的欠压状况，其中一旦检测到过流状况和/或欠压状况持续预定最小时间持续期，则电弧闪光保护器件启动保护措施以防止电池组装件进一步的操作。还公开了包括这种电池能量存储系统的能量转换系统，其可用于固定和移动能量供应或分配应用。

说明书

技术领域

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

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。

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。考虑到这点，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。

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。

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。

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

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。

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到，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MWh范围内的固定应用中、以及移动应用，例如电动车等。

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。

一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0.5MW、或甚至1.0MW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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。、

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。

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。

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。

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1秒的范围内，优选约0.5秒。

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。

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。

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。

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，并且如果感测的电池电流大于最大电流阈值和/或感测的电池电压小于最小电压阈值，确定电弧闪光状况存在，并启动保护措施，以防止电池组装件的进一步操作。

能量转换系统可用于各种基于电池的应用中，特别是用于供电和/或配电的固定应用。就这一点来说，转换器器件的输出可以连接到，例如网络，例如公共电源网络或独立的网络。该电池能量存储系统可被设计成从网络吸收过多的能量，并将其暂时存储，以便使其在低能量供应的时间内可用。能量转换系统还可以被用于移动应用，例如用于电动汽车、公共汽车或卡车。

能量转换系统的电池组装件优选包括多个电池模块，每一个都具有多个串联连接的电池单元，其中所述电池模块可以彼此并联连接到彼此到共同的DC总线，DC中间电路连接到DC总线。因此，能量存储电力场所需的高额定电压和输出可供使用。

此外，能量转换系统可以包括一个或多个保护器件，用于针对故障电流进行保护。它可包括连接到电池组装件正端子的正DC电压线路和/或连接到电池组装件负端子的负DC电压线路中的可控开关，以便根据需要使线路连接中断成为可能。可控开关可以是电池接触器，其已经集成在电池组装件的电池模块中。可替换地或另外地，能量转换系统可以包括正和/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，用于在高强度短路的情况下中断穿过后者的电流。可替换或另外地，地故障电路断流器可以设置在正或负极连接线路和接地点之间的地连接中，由此DC中间电路被连接至正或负DC电压供应线路，接地点例如是系统地或局部块。此外，优选可替换或另外的部件，例如，变阻器等被设置为用于在转换器器件的直流电压侧和/或交流电压侧上的过电压保护。此外，优选地，断路器设置在直流电压侧和/或交流电流侧上的转换器器件的连接线路上。在故障情况下或为了维护目的，能够电流地隔离单个故障电池模块或整个电池组装件与其余系统。

优选地，电池管理系统，例如分配到每个电池模块的电池管理系统，可以设置为用于监视和控制可充电电池组装件，所述系统包括控制器件，用于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。

电弧闪光保护器件可以是电池管理的一部分。也可以单独地或独立地集成在例如用于转换器器件的控制或保护系统中。

除此之外，与第一方面一致，对实施例的说明和电池能量存储系统的有利观点适用于能量转换系统及其组件，特别是电池组装件和包括电弧闪光保护器件、电池管理系统和组合的过流和欠压保护的保护系统，以用于预防电弧闪光。

根据本发明的又一方面，提供了一种方法用于针对电弧闪光的危害保护电池能量存储系统，其中电池能量存储系统包括可充电电池组装件，用于存储和提供DC电压能量。该方法包括以下步骤：感测由电池组装件传递的电池电流，并传递表征所述电流的电池电流信号；比较电池电流信号与预定义的最大电流阈值；感测由电池组装件传递的电池电压，并传递表征所述电压的电池电压信号；比较电池电压信号与预定义的最小电压阈值；并且如果电池电流信号至少对于第一最小时间持续期大于最大电流阈值和/或电池电压信号至少对于第二最小时间持续期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进一步操作。

根据本发明的第三方面的保护方法的有利实施例和要点包括分别根据本发明的第一和第二方面的电池能量存储系统和能量转换系统的有利实施例和要点。为了避免重复，参考上文的说明。

本发明实施例的其它有利细节可根据从属权利要求、附图以及相关描述来推断。

由此本公开提供以下技术方案：

1.一种电池能量存储系统，包括：

电池组装件(3)，用于存储和提供能量，其中所述电池组装件(3)可再充电；

保护系统(19)，包括电弧闪光保护器件(26，26’)以用于针对来自电弧闪光的危害进行保护，其中所述电弧闪光保护器件(26、26’)被设置成

感测由所述电池装置(3)提供的电池电流(I_B)，并将其与预定义的最大电流阈值(I_Bmax)相比较，

感测由所述电池组装件(3)提供的电压(U_B)，并将其与预定义的最小电压阈值(U_Bmin)相比较，并且

如果所感测的电池电流(I_B)大于所述最大电流阈值(I_Bmax)和/或所感测的电池电压(U_B)小于所述最小电压阈值(U_Bmin)，则确定电弧闪光状况存在，并启动保护措施以防止所述电池组装件(3)的进一步操作。

2.根据技术方案1所述的电池能量存储系统，其中所述电池组装件(3)包括至少一个电池模块(2)，所述至少一个电池模块由串联连接的多个电池单元(6)形成，并且优选地包括多个并联连接的电池模块(2)。

3.根据技术方案1或2所述的电池能量存储系统，还包括连接到所述电池组装件(3)的正端子(7)的正DC电压供应线路(9)和连接到所述电池组装件(3)的负端子(8)的负DC电压供应线路(12)，其中所述正和/或负DC电压供应线路(9、12)各自包括设置在其中的用于根据需要中断线路连接的可控开关(14，16)。

4.根据技术方案1-3中任一项所述的电池能量存储系统，还包括

电流传感器(29)，其感测当前由所述电池组装件(3)提供的实际电流(I_B)，并提供表示所感测的实际电流的电流信号，以及

电压传感器(31)，其感测当前由所述电池组装件(2)提供的实际电压(U_B)，并提供表示所感测的实际电压的电压信号。

5.根据技术方案1-3中任一项所述的电池能量存储系统，还包括用于监视和控制所述可再充电电池组装件(3)的电池管理系统(4)，并包括用于确定所述电池组装件(3)的充电状态和用于识别和防止所述电池组装件(3)的过充电和过放电的控制器件(22，23)。

6.根据技术方案5所述的电池能量存储系统，其中所述电池管理系统(4)连接到所述电池能量存储系统(1)的电流传感器(29)和电压传感器(31)，以便从它们接收表示当前电池电流(I_B)和当前电池电压(U_B)的信号，并且其中所述控制器件(23)被设置成比较接收到的电池电压信号与放电电压极限(U_Blimit)，以便识别和防止所述电池组装件(3)的过放电状况。

7.根据技术方案6所述的电池能量存储系统，其中所述放电电压极限(U_Blimit)高于所述最小电压阈值(U_Bmin)，优选至少高达所述最小电压阈值的一倍半。

8.根据技术方案5-7任一项所述的电池能量存储系统，其中所述电弧闪光保护器件(26，26’)是所述电池管理系统(4)的一部分。

9.根据技术方案3-8任一项所述的电池能量存储系统，还包括所述正和/或负DC电压供应线路(9，12)中的保险丝(17，18)，以用于在高短路电流的情况下根据需要中断流过其的电流。

10.根据前述技术方案任一项所述的电池能量存储系统，其中所述电弧闪光保护器件(26，26’)被设置为测量所感测的电池电流(I_B)大于所述最大电流阈值(I_Bmax)所在的第一时间持续期(t₁)和所感测的电池电压(U_B)小于所述最小电压阈值(U_Bmin)所在的第二时间持续期(t₂)，并且如果所述第一时间持续期(t₁)超过第一最大时间阈值(T_max1)和/或所述第二时间持续期(t₂)超过第二最大时间阈值(T_max2)，则启动保护措施。

11.根据技术方案10所述的电池能量存储系统，其中所述第一最大时间阈值(T_max1)低于所述第二最大时间阈值(T_max2)。

12.根据技术方案10或11所述的电池能量存储系统，其中所述第二最大时间阈值(T_max2)低于指示某个时间期的放电时间极限(T_limit)，在所述时间期期间，所述电池电压(U_B)必须低于所述放电电压极限(U_Blimit)，以保证所述电池组装件的过放电状况被识别。

13.根据前述技术方案任一项所述的电池能量存储系统，其中所述电弧闪光保护器件(26，26’)被设置为

比较所感测的电池电压(U_B)与预定义的第一最小电压阈值和预定义的第二最小电压阈值，所述第二最小电压阈值比所述第一最小电压阈值低；并且

如果所感测的电池电压(U_B)对于第一时间期低于所述第一最小电压阈值，或如果所感测的电池电压对于比所述第一时期更短的第二时期低于所述第二最小电压阈值，则启动保护措施以防止所述电池组装件(3)的进一步操作。

14.一种能量转换系统，包括：

电池组装件(3)，用于存储和提供能量，其中所述电池组装件(3)可再充电；

转换器器件(36)，经由DC链路(40)连接到所述电池组装件(3)，以用于将所述电池组装件(3)提供的输入侧DC电压能量转换为输出侧AC电压能量，或反之亦然；以及

保护系统(19，51)，包括电弧闪光保护器件(26，26’)，以用于针对来自电弧闪光的危害进行保护，其中所述电弧闪光保护器件(26，26’)设置为

感测由所述电池装置(3)提供的电池电流(I_B)，并将其与预定义的最大电流阈值(I_Bmax)相比较，

感测由所述电池组装件(3)提供的电压(U_B)，并将其与预定义的最小电压阈值(U_Bmin)相比较，并且

如果所感测的电池电流(I_B)大于所述最大电流阈值(I_Bmax)和/或所感测的电池电压(U_B)小于所述最小电压阈值(U_Bmin)，则确定电弧闪光状况存在，并启动保护措施以防止所述电池组装件(3)的进一步操作。

15.根据技术方案14所述的能量转换系统，其中所述电池组装件(3)包括多个电池模块(2)，其各自具有多个串联连接的电池单元(6)，其中所述电池模块(2)并联连接到彼此并连接到所述DC链路(40)所耦合到共同DC总线(37)。

16.根据技术方案14或15所述的能量转换系统，还包括一个或多个下列保护器件以用于针对故障电流进行保护：

正和/或负DC电压供应线路(9，12)中的可控开关(14，16)，其分别连接到所述电池组装件(3)的正和负端子(7，8)，以根据需要使得流过其的电流能够中断；

正和/或负DC电压供应线路(9，12)中的保险丝(17，18)，用于在高短路电流的情况下根据需要中断电流；

正或负连接线路和接地点之间的地连接(56)中的地故障电路断流器(54)，所述正或负连接线路将所述DC链路(40)分别与所述正和负DC电压供应线路(9，12)耦合；

在所述转换器器件(36)的DC侧和/或AC侧上提供的用于浪涌保护的部件(58、59、61)；以及

断路器(52，53，62)，其布置在所述DC侧和/或所述AC侧上的所述转换器器件(36)的连接线路(38，39，42)上，以根据需要中断其。

17.根据技术方案14-16任一项所述的能量转换系统，还包括电池管理系统(4)，用于监视和控制所述可再充电电池组装件(3)，并且包括控制器件(22、23)，用于确定所述电池组装件(3)的充电状态，并且用于识别和防止所述电池组装件(3)的过充电和过放电。

18.根据技术方案17所述的能量转换系统，其中所述电弧闪光保护器件(26，26’)是所述电池管理系统(4)的一部分或独立于所述电池管理系统(4)。

19.根据技术方案14-18任一项所述的能量转换系统，其中电弧闪光保护器件(26，26’)被设置为测量所感测的电池电流(I_B)大于所述最大电流阈值(I_Bmax)所在的第一时间持续期(t₁)和所感测的电池电压(U_B)小于所述最小电压阈值(U_Bmin)所在的第二时间持续期(t₂)，并且如果所述第一时间持续期(t₁)超过第一最大时间阈值(T_max1)和/或所述第二时间持续期(t₂)超过第二最大时间阈值(T_max2)，则启动保护措施，其中所述第一最大时间阈值(T_max1)低于所述第二最大时间阈值(T_max2)。

20.一种方法，用于针对来自电弧闪光的危害对电池能量存储系统进行保护，其中所述电池能量存储系统包括用于存储和提供DC电压能量的可再充电电池组装件，所述方法包括以下步骤：

感测由所述电池组装件提供的电池电流，并传递指示其的电池电流信号；

比较所述电池电流信号与预定义的最大电流阈值；

感测由所述电池组装件提供的电池电压，并传递指示其的电池电压信号；

比较所述电池电压信号与预定义的最小电压阈值；并且

如果所述电池电流信号对于第一最小时间持续期大于所述最大电流阈值和/或所述电池电压信号对于第二最小时间持续期小于所述最小电压阈值，则确定电弧闪光状况存在并启动保护措施以防止所述电池组装件的进一步操作。

附图说明

在下文中，参照附图通过示例性实施例的示例更详细地描述本发明。它们在以下示出

图1是根据本发明一个实施例的电池能量存储系统的已经与应用分离的独立、简化形式的电路框图。

图2是根据本发明实施例的基于电池能量存储系统的能量转换系统的简化形式的电路框图。

图3是本发明方法的大大简化的流程图，用于针对由于电弧闪光引起的危害保护电池能量存储系统。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的电池能量存储系统1的大大简化的电路框图，在此它是由单个电池模块2形成，电池模块2包括共享壳体(未示出)中用于存储和提供能量的可充电电池组装件3，包括所有相关连接和关联的电子器件，包括用于监视和控制可再充电电池组装件3的电池管理系统4。

电池组装件3包括多个串联连接的电池单元6，每个表现出例如12、24或48伏的DC电压，在这种情况下，由于单元的串联连接，任何所期望的电池组装件3的额定DC电压可以被实现。在用于电池能量储存电力器件的电池能量存储系统1的优选应用中，电池组装件3被设计成用于至少450伏至约600伏或甚至更高的额定DC电压。

电池组装件3可以基于不同的电池技术，例如铅酸、锂-铁、锂-离子、镍-镉、钠-硫、钠-镍或任何其它技术，其提供高存储容量、能量密度、功率输出、充电速度和低放电行为，它们适用于这里的预期应用。

电池组装件3包括正端子7和负端子8。连接到正电池端子7的是正DC电压供应线路9，它连接到电池模块2的正输出端子11。负DC电压供应线路12连接在电池模块2的负电池端子8和负输出端子13之间。

可控开关14和16，以及保险丝17和18分别布置在所述正和负DC电压供应线路9、12中。开关14、16优选为电池模块2的内部电池接触器，其可以被启动从而打开，以便能够在毫秒范围的短时间内中断在600伏电池电压下高达约1000安培的短路电流。保险丝17、18同样旨在中断更高强度的高达约20kA的短路电流或其它故障电流。保险丝17、18可以是电子保险丝或安全保险丝。电池接触器14，16和保险丝17，18属于电池模块2的保护系统19，其在下文中将对其予以更为详细的说明。

电池模块2还包括电池管理系统4，这优选是电子电路，其监视所述可再充电电池组装件3的操作和状态。电池管理系统4例如能够检测、监视和校正各个电池单元6的各种参数由于制造和老化因素的任何散射，例如电容和漏电流。电池管理系统4包括功能单元，特别包括电池单元保护器件21，它确定单元的健康并且确保单元的最终平衡，充电控制器件22，其监视和控制电池组装件3和各个电池单元6的充电过程，充电确定单元23的状态，充电确定单元23监视电池组装件3和电池6在操作期间的充电状态，还防止了后者的深放电或过放电，以及温度管理单元24，其监视和控制电池模块2内部或紧邻的温度。也可以提供另外的功能单元，例如用于负载管理，用于检测和指示操作数据，用于与外部控制设备或器件通信。电池管理系统6的所有这些功能单元是电池组装件3的保护系统19的一部分。

此外，电池管理系统4包括电弧闪光保护器件，其在此仅通过附加的功能块26表示，并被设置为针对电弧闪光的危险保护附近的电池组装件3以及系统组件和人。电弧闪光保护器件的功能将在下面进一步更详细地描述。

正如已经提及的，电池管理系统4优选已经是电池模块2的集成部分。它可以严格地以硬件形式实现。在优选的、更灵活的实施例中，电池管理系统4被实现为硬件和软件，并且包括微处理器、微控制器等形式的计算或处理单元27，以及存储装置28。处理单元27配置成执行功能单元21-24、26的功能和电池管理系统4的其它功能。该关联程序代码可以与关联数据、参数等一起被归档在存储装置28中，并从所述存储装置被检索用于执行所述功能。在操作期间，用于随后的评价和服务的目的的操作数据可存储在存储装置28中。该电池管理系统4包括附加的组件，其在这里没有具体示出，例如用于相对时间检测的计时器、允许与外部设备和控制器件通信的通信部件，用于通信连接和服务目的的接口，以及支持电池管理系统4的功能的其它组件。

此外，电池管理系统4被连接到传感器或测量器件，其在电池模块2的操作期间检测操作和环境参数，并将相应的表征信号传递到电池管理系统4。具体地，电池管理系统4以通信方式连接到电流传感器29，所述传感器检测所传递的实际电流I_B并传递表征实际电池电流的电流信号。电压传感器31检测电池端子7、8之间的电池电压U_B，并将表征感测的实际电池电压的电压信号传递到电池管理系统4。信号U_B、I_B和附加检测的传感器信号，例如关于实际温度，由各个功能单元21-24使用，以便监视和控制电池组装件3。

在操作期间，电池能量存储系统1可以由外部电源，例如可再生能源充电，这是由充电控制器件22控制，同时监视电池电压U_B与充电电流I_B，以确保有序充电过程并避免电池组装件3的过载。电池单元保护器件21确保了对单个电池单元6的监视，并且可选地，确保了单元电压的任何平衡。

当电池组装件3被放电而这种能量供应到电网或消费者，充电确定单元23的状态利用检测的信号U_B、I_B来监视电池组装件3充电的实际状态，以检测并防止电池组装件3的过放电。具体地，充电确定单元23的状态能够比较实际电池电压U_B与放电电压极限U_Blimit，并且如果实际电池电压U_B低于放电电压极限U_Blimit，则确定电池组装件3为过充电状态。放电电压极限U_Blimit略低于电池组装件3设计用于各种应用的额定电压。如果，例如电池组装件3，当用于电池能量存储场(batteryenergystorageplant)时，呈现出约600伏的最大电压以及约450伏至577伏范围的额定电压，放电电压极限U_Blimit优选略低于例如420伏和450伏之间的范围。

为了避免噪声、干扰信号等引起的任何故障检测，电池管理系统4优选还检测电池输出电压U_B低于放电电压极限U_Blimit的时间持续期，并仅在检测的时间持续期超过最大放电时间极限T_limit时才确定电池组装件3为过放电状态。放电时间极限T_limit可以是一秒或更多。当充电确定单元23的状态确定为过放电状态，所述单元确保了，例如，电池接触器14、16以受控的方式打开，以避免电池组装件3的进一步放电。

以类似的方式，如果电池模块2的预定义温度超过预定义最大温度达到更长的时间期，温度管理单元24可以通过打开电池接触器14、16来中断电池模块2的操作，因此可以通过使用保护系统19形成过热保护。

保护系统19还包括电弧闪光保护器件26，其检测并大大地避免或防止了由于电弧闪光引起的任何危险。这种电弧闪光可形成于电池能量存储系统1或连接到其上的系统中的短路或绝缘故障。电弧闪光会导致电池能量存储系统1和所述电池能量存储系统环境中的系统组件的火灾损坏，并对附近人员，例如维护人员等的健康和生命造成高风险。根据本发明的电弧闪光保护器件26检测危险电弧闪光状况的出现并启动保护措施，因为它中断电流以防止电池组装件3的进一步操作。为了以最有效的方式使这成为可能，在这种情况下，电弧闪光保护器件26为组合的过流保护单元或逻辑32和欠压保护单元或逻辑33。

过流保护单元或逻辑32是设置为检测高电池电流I_B，其明显超过额定电流范围，并且是由因为短路或绝缘故障的高短路电流引起的。为了实现这一点，过流保护单元32接收表征实际电池电流I_B的传感器信号，并将该数值与故障情况下表征容许最大电池电流的预定义最大电流阈值I_Bmax相比较。如果检测的电池电流I_B大于最大电流阈值I_Bmax，过流保护单元32还检测满足过流状况的时间持续期t₁。如果过流状况对于大于第一最大时间阈值T_max1的第一时间持续期t₁被满足，则过流保护单元32确定出现电弧闪光状况，并导致电池接触器14、16的打开，以防止电池组装件3的电流和进一步操作。

在极高短路电流的情况下，电池管理系统可能潜在地无法打开电池接触器14、16。然而在这种情况下，保险丝17、18被触发，并确保电流的中断。

已经发现，通过单独的过流保护无法实现有效的电弧闪光保护。其原因是，电池的内部阻抗随着所使用的电池化学和操作状况变化，例如温度、充电状态、年龄等。如果，例如电池几乎是空的，或者其温度非常低，电池的阻抗升高。然而，如果电池或连接的系统发生故障，短路电流是内部电池阻抗的函数。因为，具有高的电池阻抗，短路电流可以相对较低，并且可以具有与额定工作电流类似的值，过流保护单元32可能潜在地难以或不可能检测该故障状况并启动过流保护。这可能导致长时间的电弧闪光，尽管具有较低电流强度，但是可能最终引起电池组装件或所连接的设备的严重损坏，或危害人员的健康或生命。为了避免这一点，另外设置了欠压保护单元或逻辑33。

欠压保护单元或逻辑33尤其是基于发现由于高电池阻抗短路，电池电压会突然显著地下降，从而这能够用于检测高电池阻抗下的电弧闪光状况。欠压保护单元33接收表征实际电池电压U_B的传感器信号，并且将它的实际值与预定义最小电压阈值U_Bmin比较，预定义最小电压阈值U_Bmin表征故障情况下的最小所需或允许的电池电压。如果实际电池电压U_B大于预定义最小电压阈值U_Bmin，欠压保护单元33还检测欠压状况被满足的时间持续期t₂。如果欠压状况对于时间持续期t₂(其大于第二最大时间阈值T_max2)被满足，则欠压检测单元33检测高电池阻抗下的电弧闪光状况，并确保接触器14，16打开，防止电流，从而防止电池组装件3的进一步操作。

通过过流保护单元32和欠压保护单元33的组合，电池能量存储系统1在扩展的运行范围内安全可靠地运行称为可能。故障情况下引入的能量能够被减小到最低水平，从而降低维护人员等的危险。这降低了保护措施的需求和成本，并使电池能量存储系统1和所连接的每个系统具有更有效和节省成本的维护。

对于电池能量存储系统1的正常的很大程度上无故障和无干扰的操作，欠压电弧闪光保护的最小电压阈值U_Bmin可以选择为明显小于放电电压极限U_Blimit，例如是放电电压极限U_Blimit的一半至三分之一。参考上述示例使用600伏的最大电池电压和450-577伏的额定电压范围，相比于420伏和450伏的范围内的放电电压极限U_Blimit，最小电压阈值U_Bmin可以在例如150伏和300伏之间范围内，优选在200伏和250伏之间。

此外，过流保护的第一最大时间阈值T_max1应该选择为明显小于欠压保护的第二最大时间阈值T_max2，以便减小到最小时间持续期，在该最小时间持续期期间非常高的短路电流流动，不会导致电池能量存储系统1的太频繁和不必要的关闭。例如，T_max1可以选择为小于0.020秒，优选为约0.013秒，而T_max2可以为0.2秒和1秒之间，并且优选地可以约为0.5秒。过放电保护的放电时间阈值T_limit明显大于其它两个时间阈值T_max1和T_max2，并可在一秒或几秒。

图2示出了能量转换系统34中的本发明的电池能量存储系统1的优选应用。能量转换系统34可以结合能量产生系统、能量供给或分配系统使用，特别是基于可再生能量载体(如太阳、风力或水)的系统，以便暂时将可再生能源存储在电池能量存储系统中，并在其它时间，例如，在光伏场(photovoltaicplant)中在夜晚期间，或者在风力涡轮机中在无风期间利用它。此外，能量转换系统34允许波动能量供应的平衡、峰值平滑和负载平衡，其可改善网络稳定性和质量。

实质上，所述能量转换系统34包括电池能量存储系统，例如，如图1的电池能量存储系统1，以及连接到电池能量存储系统1的转换器器件36。在这种情况下，电池能量存储系统1包含多个电池模块2，其被并联连接至共享的电池DC总线37，其中电池模块2的数量与各个应用有关。例如，电池能量存储电力场(powerplant)中的应用可包括50至300并联连接的模块，其传递优选至少0.5MW，优选1.0MW或更多的总额定输出。

转换器器件36用于将输入侧DC电压能量转换为输出侧AC电压能量并被馈送到网络或用于供应至消费者；或者相反，将AC电压能量从输出侧连接的网络(未示出)转换为输入侧DC电压能量并用于存储在电池能量存储系统1中，输入侧DC电压能量由包括所有电池模块2的电池组装件3传递。转换器器件36具有连接线38、39，其连接到所述DC电压总线37、转换器组装件41和输出端线路42，输出端线路42引出转换器器件36。

术语“输入侧”或“在输入侧上”表示连接到电池能量存储系统1的转换器器件36或者转换器组装件41的侧部，而术语“输出侧”或“在输出侧上”表示经由例如输出线路42，例如连接到变压器43的初级侧的换器器件36或者转换器组装件41的另一远离电池能量存储系统1的AC电压侧。在次级侧上，变压器43连接到网络，例如，能量供应或分配网络，并且确保所需的电压等级适配。

连接线包括正连接线38和负连接线39，它们并联连接到彼此到电池DC总线，且另外经由中间DC电压电路(DC链路)40连接到转换器组装件41的输入端。在这种情况下，中间DC电压电路40由中间电路电容器44和可选的中间电路电感器组装件46表示，中间电路电容器44连接在连接线38、39之间，中间电路电感器组装件46被设置以减少转换器组装件41的输入电流中的谐波含量。

转换器组装件41包括DC电压转换器或DC-DC转换器47，以及电流转换器或DC-AC转换器48，DC电压转换器或DC-DC转换器47的输入端连接到所述中间DC电压电路40，电流转换器或DC-AC转换器48连接到DC-DC转换器47的输出端。

DC-DC转换器47包括具有电子组件的电路装置，电子组件如晶体管，特别是IGBT、IGCT、MOSFET、晶闸管等，可连接这些组件从而将一个直流电压电平转换为另一个。例如，如果电池能量存储系统1放电用于供应网络或消费者，DC-DC转换器47可以作为升压转换器，以提升由电池能量存储系统1传递的电池电压U_B至更高的电平以适于电流转换器48的操作，电池电压U_B由电池能量存储系统1传递。电流转换器48还包括具有可控开关元件的电路装置，然后作为逆变器，以将施加到其输入端的DC电压能量转换为其输出端上的AC电压能量。在这种情况下，电流转换器48被示出为三相逆变器，其能够经由输出线42输送三相交流电流到低压网络，或经由变压器43到中压网络。根据应用，也可以使用单相逆变器代替三相DC-AC转换器48，或者也可以操作彼此并联的几个三相逆变器。

如果线路电流用于对电池能量存储系统1充电，DC-AC转换器48作为整流器，它从网络获取交流电流能量，并将其转换成直流电压能量，在这种情况下，直流电压可通过作为降压转换器的DC-DC转换器47被降低至适于电池能量存储系统1的更低水平。

至此所述的转换器器件36通常是已知的，从而关于该器件及其功能性的附加细节可以省略。要充分论述的是，转换器器件36的操作由控制器件49进行控制(仅示意性地表示)，控制器件49监视转换器器件36在操作期间的操作参数，并与预定义开关方案一致地高频率地启动转换器47、48的开关，以便完成各自所需功能，用于将能量从电池能量存储系统1馈送到网络，和从网络去除能量，用于暂时存储在电池能量存储系统1中。

该能量转换系统34包括用于针对由于短路和故障电流引起的损害进行保护的保护系统51。该保护系统51包括作为控制器件49的一个整体部分的逻辑，并且在这里没有具体示出，所述逻辑监视能量转换系统中的电压和电流，或者主动启动能量转换系统34的各个部分，以便检测短路状况和其他故障状况，以在DC电压侧从电池能量存储系统1断开转换器器件36，和/或在AC电压侧从网络断开转换器器件36。

为了实现这一点，保护系统51包括插入到正或负连接线路中的断路器52、53，以便根据需要中断通过所述线路的电流。断路器52、53也可以由于维护的目的而被打开，以便将转换器器件36与电池组装件3电气隔离来保护维护人员。

此外，保护系统51包括地故障电路断流器54，其插入到负连接线路39和接地点57之间(在这种情况下)的地连接中，尽管地故障电路断流器54原则上也可以连接在正连接线路38和大地之间。在这种情况中，负连接线路39的电位在正常操作期间处于地电势，使得没有电流流过地故障电路断流器。在地连接的情况下，地故障电路断流器的内部保险丝触发并中断故障电流路径。地故障电路断流器54的触发由能量转换系统34的控制器件49检测，然后所述控制器件使转换器器件36完全退出操作。

此外，保护系统51包括部件58、59和61，在此它们设置在转换器器件36的DC电压侧和/或AC电压侧上以用于过压保护。部件58、59和61可以是分别被连接在各个线路38、39和42和大地之间的变阻器。

此外，保护系统51包括每个输出线42中的断路器62，由此所述断路器可以受控方式由控制器件49打开，以在交流侧上或主要侧上用于维护目的而断开转换器器件36，或在故障的情况下，以便针对短路和其它严重故障保护它，或防止对网络的影响。

此外，转换器器件36可包括在DC电压或AC电压侧上的附加的(未示出)保险丝，包括电子保险丝或安全保险丝，它们潜在地提供了额外保护，特别是对于极高的短路电流或故障电流。

另外，该保护系统51还包括集成在电池能量存储系统1中的保护系统19，所述保护系统确保了在内部电池故障情况下的电池保护，其在上文中被详细描述，此外，通过过流保护单元32和欠压保护单元33检测电弧闪光状况，然后打开故障电池模块2的电池接触器14、16，以便使有缺陷的模块退出运行。为了实现这一点，电弧闪光保护器件26集成在每个电池模块2的每一个电池管理系统4中。为了避免重复，结合图1参考上文的说明。

此外，图2示出了根据本发明的能量转换系统34的替换实施例。该实施例不同于上述的实施例，不同之处在于，电弧闪光保护器件没有集成在每个电池模块2的每一个电池管理系统4中，而是集成在转换器器件36的控制器件49中，如块26’所示(在虚线内)。电弧闪光保护器件26’可以连接到每个电池模块的电池管理系统4，以便能够进行通信，并从中接收相应的电流和电压信号，这些信号由各电池模块2的电流传感器29和电压传感器31检测。可替换地，电弧闪光保护器件26’通过电压传感器63监视电池DC总线37上或如图所示的正和负连接线路38、39之间的电压，以及通过例如在正连接线路38上的电流传感器64监视由电池能量存储系统1馈送的电流。基于由传感器63、64传递的信号，然后电弧闪光保护器件26’检测-以上述方式-表征电弧闪光状况的过流或欠压状况，以便随后采取保护措施，从转换器器件36断开电池能量存储系统1。为了实现这一点，电弧闪光保护器件26’-如果它与各电池模块2的电池管理系统4进行通讯连接-指示这些器件打开各电池接触器14、16，或者通过断路器52、53引起中断。在故障的情况下，电弧闪光保护器件26’，以及根据图1的电弧闪光保护器件26，还可以发送错误消息给能量转换系统34或类似物的操作员，以使操作员注意到故障情况。

电弧闪光保护器件26’也可以布置在与电池管理系统4和控制器件49分离的控制器件中，并且在更远的位置，例如远程控制中心，与这些器件进行通讯连接。

图3示出了用于针对电弧闪光的危害来保护电池能量存储系统(例如根据图1或2的电池能量存储系统1)的方法71的流程图，该系统包括可再充电电池组装件，用于存储和提供DC电压能量。该方法包括步骤S1，根据该步骤，电池电流I_B和电池电压U_B被感测。例如，电池电流和电池电压可由集成在电池模块2中的电流和电压传感器29、31感测。可替换地，如图2的电池DC总线37上或系统另一输入端上的电压，以及由电池能量存储系统1传递的电流能够被感测，系统另一输入端连接到电池能量存储系统1的输出端子11、13。

在步骤S2，感测的电池电流I_B与容许的最大电流阈值I_Bmax相比较。如果确定实际电池电流I_B大于最大电流阈值I_Bmax(I_B＞I_Bmax)，则在步骤S3中验证第一时间持续期t₁是否大于第一最大时间阈值T_max(t₁＞T_max1？)(在第一时间持续期t₁期间状况I_B＞I_Bmax可适用)。如果不是这种情况，该方法继续至步骤S4。否则它进行到步骤S6。

在步骤S4，实际电池电压U_B与最小电压阈值U_Bmin进行比较，最小电压阈值U_Bmin表征电池组装件的带有低阻抗的故障情况下的欠压极限。如果确定实际电池电压U_B小于最小电压阈值U_Bmin(U_B＜U_Bmin)，在步骤S5进一步验证第二时间持续期t₂是否大于第二最大时间阈值(t₂＞T_max2？)(在第二时间持续期t₂期间，状况U_B＜U_Bmin可适用)。如果不是这种情况，该方法继续返回至步骤S1。否则它进行到步骤S6。

在步骤S6，该方法确定电弧闪光状况存在，并启动保护措施，以防止电池组装件进一步的操作。这可以包括使电池组装件与其余系统电气隔离。

可以理解的是，上述步骤不能在除了指示的顺序下执行，并且可以同时或并行地部分执行，而且附加的步骤可以集成在该方法中，以改善电弧闪光危险的检测。同样，可理解的是，根据本发明的电池能量存储系统1不仅可与能量转换系统结合使用，例如，图2所示的能量转换系统34，也可与用于产生能量、能量供应和分配以及用于电动汽车等的任何固定或移动系统结合使用。电池能量存储系统1可以用作独立系统，或被实现为另一更高等级的固定或移动系统的整体部分。

附图标记列表

1电池能量存储系统

2电池模块

3电池组装件

4电池管理系统

6电池单元

7正电池端子

8负电池端子

9正DC电压供应线路

11正输出端子

12负DC电压供应线路

13负输出端子

14开关、电池接触器

16开关、电池接触器

17保险丝

18保险丝

19保护系统

21电池单元保护器件

22充电控制器件

23充电确定单元的状态

24温度管理单元

26、26’电弧闪光保护器件

27处理单元

28存储装置

29电流传感器

31电压传感器

32过流保护单元

33欠压保护单元

34能量转换系统

36功率转换器器件

37电池DC总线

38正连接线路

39负连接线路

40中间DC电压电路；DC链路

41转换器组装件

42输出线

43变压器

44中间电路电容器

46中间电路电感器组装件

47DC电压转换器，DC-DC转换器

48功率转换器、DC-AC转换器

49控制器件

51保护系统

52断路器

53断路器

54地故障电路断流器

56地连接

57接地点

58过电压保护部件

59过电压保护部件

61过电压保护部件

62断路器

63电压传感器

64电流传感器

71方法

S1检测实际电池电压U_B和实际电池电流I_B

S2比较电池电流I_B与最大电流阈值I_Bmax

S3比较第一时间持续期t₁与第一最大时间阈值T_max1

S4比较实际电池电压U_B与最小电压阈值U_Bmin

S5比较第二时间持续期t₂与第二最大时间阈值T_max2

S6中断电流，终止电池操作