CN114300760A - 安全电池能量管理系统、电池管理系统节点和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于能量存储系统中的分级电弧故障监测的系统和方法，其中能量存储系统包括电联接在一起的多个堆栈。每个堆栈均包括电联接在一起的多个电池管理系统节点。该方法包括：(1)获得每个堆栈的相应电测量值；(2)使用该堆栈的相应电测量值，为每个堆栈确定该堆栈没有电弧故障；(3)获得能量存储系统的电测量值；以及(4)使用(a)能量存储系统的电测量值和(b)每个堆栈的相应电测量值的子集，确定能量存储系统在该多个堆栈之外没有电弧故障。

Description

安全电池能量管理系统、电池管理系统节点和方法
技术领域
本申请涉及安全电池能量管理系统、电池管理系统节点和方法。
背景技术
电池组或联接在一起的多个电池设备的装置在大范围装置中用作电源。电池管理系统可用于通过监测诸如充电、电流、电压和温度的物理量来将电池组的单个电池装置保持在其安全操作范围内。基于这些量，不仅可安全地操作电池装置，而且可确定充电状态和健康状态。电池管理系统还执行电池单元平衡。在电池组中，可并联和串联布置单个电池单元，以便获得所需的容量和工作电压。电池制造商试图提供具有相同电池单元的堆栈，但这通常在物理上是不可能的。即使精确地制造和选择电池单元，电池单元也通常至少显示出彼此之间的轻微差异。电池组内的电池单元之间的容量的任何不匹配都会导致总电池组容量的减小。即使很小的差别也会导致不同的充电或放电水平，其中堆栈中最弱的电池单元不成比例地影响整体堆栈性能。能量管理系统还用于电池单元平衡，这涉及当电池单元处于完全充电时均衡电池单元之间的电压和充电状态的技术。
发明内容
第一方面涉及一种用于能量存储系统中分级电弧故障监测的方法，所述能量存储系统包括电联接在一起的多个堆栈，其中每个堆栈均包括电联接在一起的多个电池管理系统节点，所述方法包括以下步骤：(1)获得每个堆栈的相应电测量值；(2)对于每个堆栈，使用该堆栈的相应电测量值，确定该堆栈没有电弧故障；(3)获得所述能量存储系统的电测量值；以及(4)使用(a)所述能量存储系统的电测量值和(b)每个堆栈的相应电测量值的子集，确定所述能量存储系统在所述多个堆栈之外没有电弧故障。
在第一方面的实施方式中，该方法还包括在共同时间获得每个堆栈的相应电测量值和能量存储系统的电测量值。
在第一方面的另一实施方式中，对于所述多个堆栈中的第一堆栈，获得每个堆栈的相应电测量值包括：(1)向所述第一堆栈的每个电池管理系统节点发送测量命令；以及(2)在测量命令规定的共同时间，同时获取第一电池堆栈的每个电池管理系统节点的一个或多个相应的电测量值。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括通过多个电池管理系统节点中的至少一个其它节点传播用于多个电池管理系统节点中的第一节点的电测量值。
在第一方面的另一实施方式中，对于所述多个堆栈中的第一堆栈，获得每个堆栈的相应电测量值包括：(1)向所述第一堆栈的每个电池管理系统节点发送测量命令；以及(2)在第一堆栈的每个电池管理系统节点处，从电池管理系统节点的存储中获取与由测量命令规定的时间对应的一个或多个相应的保存电测量值。
在第一方面的另一实施方式中，所述方法还包括：响应于所述堆栈的每个电池管理系统节点两端的电压之和与所述堆栈两端的测量电压一致，为每个堆栈确定所述堆栈没有串联电弧故障。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：(1)响应于所述多个堆栈中的第一堆栈的每个电池管理系统节点两端的电压之和与所述第一堆栈上的测量电压之间的不匹配，确定在所述第一堆栈中已经发生了串联电弧故障；以及(2)响应于确定在所述第一堆栈中已经发生所述串联电弧故障，通过隔离所述第一堆栈的每个电池管理系统节点中的相应电池，将所述第一堆栈从操作模式转换到浮动模式。
在第一方面的另一实施方式中，所述方法还包括：响应于电联接至所述能量存储系统的负载两端的测量电压与每个堆栈两端的相应测量电压一致，确定所述能量存储系统没有所述多个堆栈外部的串联电弧故障。
在第一方面的另一实施方式中，负载既能够从能量存储系统接收电能，又能够向能量存储系统提供电能。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于负载两端的测量电压和第一堆栈两端的测量电压之间的不匹配，确定已经与多个堆栈中的第一堆栈发生串联电弧故障。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定已经与多个堆栈中的第一堆栈发生串联电弧故障，通过将第一堆栈与多个堆栈中的剩余堆栈隔离，将第一堆栈从操作模式转换到浮动模式。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：通过响应于确定已经与多个堆栈中的第一堆栈发生串联电弧故障，通过降低第一堆栈的电压和电流中的一个或多个，将第一堆栈从操作模式转换到安全模式。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于流经堆栈的每个电池管理系统节点的相应测量电流与流经堆栈的测量电流一致，为每个堆栈确定堆栈没有并联电弧故障。
在第一方面的另一实施方式中，所述方法还包括：响应于流经所述第一堆栈的两个电池管理系统节点的相应电流之间的不匹配，为所述多个堆栈中的第一堆栈，确定在所述第一堆栈的两个电池管理系统节点之间已经发生了并联电弧。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定在第一堆栈的两个电池管理系统节点之间已经发生了并联电弧故障，通过隔离第一堆栈的每个电池管理系统节点中的相应电池，将第一堆栈从操作模式转换到浮动模式。
在第一方面的另一实施方式中，所述方法还包括：响应于通过电联接至所述能量存储系统的负载的测量电流与流过每个堆栈的相应测量电流一致，确定所述能量存储系统没有所述多个堆栈外部的并联电弧故障。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定在电池管理系统中所述多个电池堆栈之外已经发生了并联电弧故障，通过降低每个电池堆栈的相应电压和相应电流中的一个或多个，将每个堆栈从操作模式转换到安全模式。
在第一方面的另一实施方式中，该方法还包括：(1)在为每个堆栈确定该堆栈没有电弧故障之前，从每个堆栈的相应电测量值中去除功率转换开关噪声和相关联的谐波；以及(2)在确定能量存储系统在多个堆栈外没有电弧故障之前，从能量存储系统的电测量值中去除功率转换切换噪声和相关谐波。
在第一方面的另一实施方式中，(1)使用第一低通滤波器，从每个堆栈的相应电测量值中去除功率转换开关噪声和相关谐波；(2)使用第二低通滤波器，从能量存储系统的电测量值中去除功率转换开关噪声和相关联的谐波；以及(3)第一低通滤波器和第二低通滤波器具有基本上相同的带宽。
在第二方面，能量存储系统包括：(1)电联接在一起的多个堆栈，每个堆栈均包括电联接在一起的多个电池管理系统节点；以及(2)控制子系统，配置为(1)获得每个堆栈的相应电测量值，(2)使用所述堆栈的相应电测量值，为每个堆栈确定所述堆栈没有电弧故障，(3)获得所述能量存储系统的电测量值，以及(4)使用(i)能量存储系统的电测量值和(ii)每个堆栈的相应电测量值的子集，确定所述能量存储系统没有所述多个堆栈外的电弧故障。
在第二方面的实施方式中，控制子系统还配置为响应于堆栈的每个电池管理系统节点两端的电压之和与堆栈两端的测量电压一致，为每个堆栈确定堆栈没有串联电弧故障。
在第二方面的另一实施方式中，控制子系统还配置为响应于电联接至能量存储系统的负载两端的测量电压与每个堆栈两端的相应测量电压一致，确定能量存储系统没有多个堆栈外的串联电弧故障。
在第二方面的另一实施方式中，控制子系统还配置为响应于流经堆栈的每个电池管理系统节点的相应测量电流与流经堆栈的测量电流一致，为每个堆栈确定堆栈没有并联电弧故障。
在第二方面的另一实施方式中，控制子系统还配置为响应于通过电联接至能量存储系统的负载的测量电流与通过每个堆栈的相应测量电流一致，确定能量存储系统没有在多个堆栈外部的并联电弧故障。
第三方面涉及一种用于管理能量存储系统的方法，所述能量存储系统包括电联接在一起的多个电池管理系统节点的堆栈，所述方法包括以下步骤：(1)向每个电池管理系统节点发送测量命令；(2)在每个电池管理系统节点处，响应于所述测量命令，获得所述电池管理系统节点的一个或多个相应的电测量值，所述电池管理系统节点的所述一个或多个相应的电测量值中的每个均对应于所述测量命令所规定的时间；以及(3)对于每个电池管理系统节点，使用所述一个或多个相应的电测量值，管理所述能量存储系统的至少一方面。
在第三方面的实施方式中，该方法还包括：同时获得每个电池管理系统节点的一个或多个相应的电测量值。
在第三方面的另一实施方式中，该方法还包括：通过多个电池管理系统节点中的至少一个其它节点，传播所述多个电池管理系统节点中的第一节点的电测量值。
在第三方面的另一实施方式中，该方法还包括：从电池管理系统节点的相应存储器获得用于每个电池管理系统节点的一个或多个相应电测量值。
在第三方面的另一实施方式中，管理所述能量存储系统的至少一方面包括：使用用于每个电池管理系统节点的所述一个或多个相应的电测量值，确定所述堆栈没有电弧故障。
在第三方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于每个电池管理系统节点两端的电压之和与堆栈两端的测量电压一致，确定堆栈没有串联电弧故障。
在第三方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于流过每个电池管理系统节点的相应测量电流与流过该堆栈的测量电流一致，确定该堆栈没有并联电弧故障。
在第三方面的另一实施方式中，管理能量存储系统的至少一方面包括：控制所述多个电池管理系统节点的各个电池的充电和放电中的至少一个。
在第四方面，能量存储系统包括(1)堆栈，包括电联接在一起的多个电池管理系统节点，每个电池管理系统节点均配置为响应于测量命令，获得所述电池管理系统节点的一个或多个相应的电测量值，所述电池管理系统节点的所述一个或多个相应的电测量值中的每个均对应于所述测量命令所规定的时间；以及(2)控制子系统，配置为：(a)向每个电池管理系统节点发送测量命令，以及(b)使用每个电池管理系统节点的一个或多个相应的电测量值，管理能量存储系统的至少一方面。
在第四方面的实施方式中，控制子系统还配置为通过使用用于每个电池管理系统节点的一个或多个相应的电测量值来确定堆栈没有电弧故障，管理能量存储系统的至少一方面。
在第四方面的另一实施方式中，控制子系统还配置为通过控制多个电池管理系统节点的各个电池的充电和放电中的至少一个，管理能量存储系统的至少一方面。
第五方面涉及一种用于对能量存储系统中的电弧故障进行寻址的方法，所述能量存储系统包括电联接在一起的多个电池管理系统节点的堆栈，所述方法包括以下步骤：(1)确定在所述堆栈中已经发生电弧故障；以及(2)响应于确定在所述堆栈中已经发生所述电弧故障，至少部分地通过打开与所述电池电联接的相应隔离开关，电隔离每个电池管理系统节点的相应电池。
在第五方面的实施方式中，该方法还包括：响应于确定堆栈中已经发生电弧故障，通过使跨接每个电池管理系统节点的输出端口电联接的相应节点输出短路开关以其关闭状态操作，使堆栈以浮动模式操作。
在第五方面的另一实施方式中，堆栈中的电弧故障是堆栈中的串联电弧故障，以及该方法还包括(1)获得堆栈的电测量值；以及(2)响应于堆栈的每个电池管理系统节点两端的电压之和与堆栈两端的测量电压之间的不匹配，确定堆栈中已经发生串联电弧故障。
在第五方面的另一实施方式中，该方法还包括：(1)向每个电池管理系统节点发送测量命令；以及(2)在每个电池管理系统节点处，响应于所述测量命令，获得所述堆栈的电测量值的相应子集，所述堆栈的电测量值的每个子集均对应于所述测量命令所规定的时间。
在第五方面的另一实施方式中，所述方法还包括：通过所述多个电池管理系统节点中的至少一个其它节点传播所述多个电池管理系统节点中的第一节点的电测量值。
在第五方面的另一实施方式中，该方法还包括：在确定堆栈中已经发生串联电弧故障之前，从堆栈的电测量值中去除功率转换开关噪声和相关谐波。
在第五方面的另一实施方式中，堆栈中的电弧故障是堆栈中的并联电弧故障，以及该方法还包括：(1)获得堆栈的电测量值，以及(2)响应流过堆栈的两个电池管理系统节点的各个电流之间的不匹配，确定堆栈中已经发生了并联电弧故障。
在第五方面的另一实施方式中，该方法还包括：在确定在堆栈中已经发生并联电弧故障之前，从堆栈的电测量值中去除功率转换开关噪声和相关谐波。
在第五方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定在堆栈中已经发生电弧故障，执行在堆栈相应的电池管理系统节点内的每个电池的受控放电。
第六方面涉及一种用于能量存储系统的安全操作的方法，能量存储系统至少包括多个电池管理系统节点的第一堆栈，所述电池管理系统节点具有串联电联接的各自的输出端口，所述方法包括以下步骤：(a)使所述电池管理系统节点以各自的操作模式操作，使得每个电池管理系统节点均能够向电联接至所述能量存储系统的负载提供电力；以及(b)响应于用于所述第一堆栈以安全模式操作的信号，使所述电池管理系统节点的第一子集以相应的旁路模式操作，同时使所述电池管理系统节点的第二子集继续以相应的操作模式操作，以降低所述第一堆栈的电压和电流中的至少一个。
在第六方面的实施方式中，对于第一子集的每个电池管理系统节点，使电池管理系统节点的第一子集以相应的旁路模式操作包括以下步骤：(1)将电池管理系统节点的电池与电池管理系统节点的直流到直流(DC-DC)转换器隔离；以及(2)使电池管理系统节点的输出端口电短路。
在第六方面的另一实施方式中，对于第二子集的每个电池管理系统节点，使电池管理系统节点的第二子集继续以相应的操作模式操作包括：使电池管理系统节点的DC-DC转换器将电池电压转换为电池管理系统节点的输出端口两端的电压。
在第六方面的另一实施方式中，第一堆栈的每个电池管理系统节点均为电池管理系统节点的第一子集或电池管理系统节点的第二子集的成员。
在第六方面的另一实施方式中，该方法还包括：在电池管理系统节点的第一子集和第二子集之间改变第一堆栈的电池管理系统节点的划分。
在第六方面的另一实施方式中，该方法还包括：周期性地改变第一堆栈的电池管理系统节点在电池管理系统节点的第一子集和第二子集之间的划分。
在第六方面的另一实施方式中，所述方法还包括：响应于改变所述第一堆栈的电压和电流中的一个或多个的信号，改变所述第一堆栈的电池管理系统节点在所述第一子集与所述第二子集之间的划分。
在第六方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于检测到第一堆栈外部的能量存储系统中的故障，生成用于第一堆栈以安全模式操作的信号。
在第六方面的另一实施方式中，能量存储系统中的故障是第一堆栈外部的能量存储系统中的电弧故障。
在第六方面的另一实施方式中，能量存储系统中的故障是能量存储系统中的通信子系统的故障。
在第六方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于用户命令，生成用于第一堆栈在安全模式下操作的信号。
第七方面涉及一种用于能量存储系统的安全操作的方法，所述能量存储系统至少包括多个电池管理系统节点的第一堆栈，所述电池管理系统节点具有相应的串联电联接的输出端口，所述方法包括以下步骤：(1)使所述电池管理系统节点在相应的操作模式下操作，使得每个电池管理系统节点均能够向与所述能量存储系统电联接的负载提供电力；以及(2)响应于所述能量存储系统的通信子系统的故障，使所述第一堆栈以旁路模式或浮动模式操作。
在第七方面的实施方式中，使第一堆栈在旁路模式下操作包括：使跨过每个电池管理系统节点的输出端口电联接的相应节点输出短路开关在其接通状态下操作。
在第七方面的另一实施方式中，使第一堆栈以浮动模式操作包括：(1)至少部分地通过打开与每个电池管理系统节点的相应电池电联接的相应隔离开关，电隔离每个电池管理系统节点的相应电池；以及(2)使跨过每个电池管理系统节点的输出端口电联接的相应节点输出短路开关在其关闭状态下操作。
在第七方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于能量存储系统的通信子系统的故障，在每个电池管理系统节点内，执行电池管理系统节点的相应电池的受控放电。
在第八方面，一种能量存储系统包括(1)多个电池管理系统节点的第一堆栈，所述多个电池管理系统节点具有串联电联接的相应输出端口；以及(2)控制子系统，配置为：(a)使所述电池管理系统节点以相应的操作模式操作，使得每个电池管理系统节点均能够向电联接至所述能量存储系统的负载提供电力，以及(b)响应于所述第一堆栈以安全模式操作的信号，使所述电池管理系统节点的第一子集以相应的旁路模式操作，同时使电池管理系统节点的第二子集继续以相应的操作模式操作，从而降低第一堆栈的电压和电流中的至少一个。
在第八方面的实施方式中，控制子系统还配置为改变第一堆栈的电池管理系统节点在电池管理系统节点的第一子集和第二子集之间的划分。
在第九方面中，一种用于包括多个电池管理系统节点的至少第一堆栈的能量存储系统的安全操作的方法包括以下步骤：(1)检测所述能量存储系统中的故障；以及(2)响应于检测到能量存储系统中的故障，将至少一个(a)第一堆栈的电压和(b)第一堆栈的电流降低到非零值，使得第一堆栈以安全模式操作。
在第九方面的实施方式中，能量存储系统中的故障是与第一堆栈串联的电弧故障。
在第九方面的另一实施方式中，能量存储系统中的故障是第一堆栈外部的能量存储系统中的并联电弧故障。
在第九方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于检测到能量存储系统中的故障，减小多个电池管理系统节点的第二堆栈的电压和电流中的至少一个。
在第十方面，一种用于包括电联接在一起的多个电池管理系统节点的能量存储系统的安全操作的方法包括以下步骤：(1)获得所述多个电池管理系统节点中的第一电池管理系统节点的第一电池的测量值；(2)将测量值与预期值进行比较；(3)响应于测量值与预期值相差至少阈值量，确定第一电池不安全；以及(4)响应于确定所述第一电池不安全，将所述第一电池与所述多个电池管理系统节点中的其他电池管理系统节点的相应电池电隔离。
在第十方面的实施方式中，第一电池的测量值包括第一电池的瞬时电压、第一电池的瞬时电流和第一电池的瞬时温度中的至少一个。
在第十方面的另一实施方式中，第一电池的测量值包括第一电池的电压变化速率、流过第一电池的电流变化速率和第一电池的温度变化速率中的至少一个。
在第十方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定第一电池不安全，在第一电池管理系统节点内，执行第一电池的受控放电。
在第十方面的另一实施方式中，执行第一电池的受控放电包括：将电阻器电联接至第一电池管理系统节点内的第一电池。
在第十方面的另一实施方式中，执行第一电池的受控放电包括：经由与第一电池管理节点内的第一电池电联接的电流源，对第一电池放电。
在第十方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定第一电池不安全，命令电联接至能量存储系统的负载增加从能量存储系统汲取的功率。
在第十方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于第一电池的参数超过阈值，命令电联接至能量存储系统的负载改变从能量存储系统汲取的功率的幅度。
在第十方面的另一实施方式中，第一电池的参数包括第一电池的充电状态(SOC)和第一电池的电压中的一个。
在第十方面的另一实施方式中，电联接至能量存储系统的负载包括逆变器。
在第十方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定第一电池不安全，禁止对第一电池充电。
在第十方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于确定第一电池不安全，提高第一电池的放电速率。
在第十一方面，一种用于包括电联接在一起的多个电池管理系统节点的能量存储系统的安全操作的方法包括以下步骤：(1)接收指示所述多个电池管理系统节点中的第一电池管理系统节点的第一电池不安全的信号；以及(2)响应于接收到指示所述第一电池不安全的信号，在所述第一电池管理系统节点内进行所述第一电池的受控放电。
在第十一方面的实施方式中，执行第一电池的受控放电包括：将电阻器电联接至第一电池管理系统节点内的第一电池。
在第十一方面的另一实施方式中，执行第一电池的受控放电包括：经由电联接至第一电池管理系统节点内的第一电池的电流源，对第一电池放电。
在第十一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于接收到指示第一电池不安全的信号，命令电联接至能量存储系统的负载增加从能量存储系统汲取的功率。
在第十一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于第一电池的参数超过阈值，命令电联接至能量存储系统的负载改变从能量存储系统汲取的功率的幅度。
在第十一方面的另一实施方式中，第一电池的参数包括第一电池的充电状态(SOC)和第一电池的电压中的一个。
在第十一方面的另一实施方式中，电联接至能量存储系统的负载包括逆变器。
在第十一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于接收到指示第一电池不安全的信号，禁止对第一电池充电。
在第十一方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于接收到指示第一电池不安全的信号，提高第一电池的放电速率。
在第十二方面，能量存储系统包括：(1)电联接在一起的多个电池管理系统节点；以及(2)控制子系统，配置为：(a)获得所述多个电池管理系统节点中的第一电池管理系统节点的第一电池的测量值，(b)将所述测量值与预期值进行比较，(c)响应于所述测量值与所述预期值相差至少一个阈值量，确定所述第一电池不安全，以及(d)响应于确定所述第一电池不安全，将所述第一电池与所述多个电池管理系统节点中的其它电池管理系统节点的相应电池电隔离。
在第十三方面，一种能量存储系统包括：(1)电联接在一起的多个电池管理系统节点；以及(2)控制子系统，配置为：(a)接收指示所述多个电池管理系统节点中的第一电池管理系统节点的第一电池不安全的信号，以及(b)响应于接收到指示所述第一电池不安全的信号，使得在所述第一电池管理系统节点内执行所述第一电池的受控放电。
在第十四方面涉及一种用于安全操作能量存储系统的方法，所述能量存储系统包括第一电池和电联接至所述第一电池的第一直流-直流(DC-DC)转换器，所述方法包括以下步骤：(1)控制所述第一DC-DC转换器，使所述第一电池放电到电联接至所述第一DC-DC转换器的负载中，以至少部分地从所述第一电池向所述负载供电；以及(2)响应于对所述第一电池进行受控放电的信号，控制所述第一DC-DC转换器提高所述第一电池向所述负载的放电速率。
在第十四方面的实施方式中，所述方法还包括：响应于执行所述第一电池的受控放电的信号，命令所述负载增加从所述能量存储系统汲取的功率。
在第十四方面的另一实施方式中，该方法还包括：响应于第一电池的参数超过阈值，命令负载改变从能量存储系统汲取的功率的幅度。
在第十四方面的另一实施方式中，第一电池的参数包括第一电池的充电状态(SOC)或第一电池的电压。
在第十四方面的另一实施方式中，负载包括逆变器。
在第十四方面的另一实施方式中，所述方法还包括：响应于执行所述第一电池的受控放电的信号，禁止对所述第一电池进行充电。
在第十五方面，一种具有反向电压故障模式保护的电池管理系统节点包括：(1)包括正端子和负端子的电池；(2)直流到直流(DC-DC)转换器，包括输出端口，所述输出端口配置成与一个或多个附加电池管理系统节点串联电联接；(3)第一隔离开关，将所述电池电联接至所述DC-DC转换器，并且配置为选择性地将所述电池与所述DC-DC转换器连接和断开连接；以及(4)第二隔离开关，配置为在与所述附加电池管理系统节点中的一个或多个发生短路的情况下防止电流流动。
在第十五方面的实施方式中，所述电池管理系统节点还包括控制器，所述控制器配置为响应于电隔离所述电池的信号而断开所述第一隔离开关和所述第二隔离开关中的每个。
在第十五方面的另一实施方式中，第一隔离开关电联接在电池的正端子与DC-DC转换器之间，以及第二隔离开关电联接在电池的负端子与DC-DC转换器之间。
在第十五方面的另一实施方式中，(1)所述第一隔离开关包括第一晶体管，所述第一晶体管包括第一体二极管，所述第一体二极管的阳极连接至所述DC-DC转换器，以及所述第一体二极管的阴极连接至所述电池的正端子；以及(2)第二隔离开关包括第二晶体管，第二晶体管包括第二体二极管，第二体二极管的正极与电池的负端子连接，以及第二体二极管的负极与DC-DC转换器连接。
在第十五方面的另一实施方式中，第二隔离开关电联接至DC-DC转换器的输出端口。
在第十五方面的另一实施方式中，(1)所述第一隔离开关包括电联接在所述电池的正端子和所述DC-DC转换器之间的第一晶体管，所述第一晶体管包括第一体二极管，所述第一体二极管的阳极电联接至所述DC-DC转换器，以及所述第一体二极管的阴极电联接至所述电池；以及(2)第二隔离开关包括第二晶体管，第二晶体管包括第二体二极管，第二体二极管的阴极连接至DC-DC转换器的输出端口的正端子。
在第十五方面的另一实施方式中，(1)所述第一隔离开关包括电联接在所述电池的负端子和所述DC-DC转换器之间的第一晶体管，所述第一晶体管包括第一体二极管，所述第一体二极管的阳极电联接至所述电池的负端子，以及所述第一体二极管的阴极电联接至所述DC-DC转换器；以及(2)第二隔离开关包括第二晶体管，第二晶体管包括第二体二极管，第二体二极管的阴极连接至DC-DC转换器的输出端口的正端子。
在第十五方面的另一实施方式中，DC-DC转换器包括升压转换器和降压转换器中的一个。
在第十六方面，一种电池管理系统堆栈包括：(1)第一电池管理系统节点，包括具有正端子和负端子的第一电池、第一直流-直流(DC-DC)转换器、以及将第一电池的正端子和负端子中的一个电联接至第一DC-DC转换器的第一隔离开关；以及(2)第二电池管理系统节点，包括具有正端子和负端子的第二电池、第二DC-DC转换器、将第二电池的正端子和负端子中的一个电联接至第二DC-DC转换器的第二隔离开关、以及配置为在第一电池管理系统节点和第二电池管理系统节点之间发生短路的情况下防止电流流动的第三隔离开关。
在第十六方面的实施方式中，第一隔离开关电联接在第一电池的正端子和第一DC-DC转换器之间，第二隔离开关电联接在第二电池的正端子和第二DC-DC转换器之间，以及第三隔离开关电联接在第二电池的负端子和第二DC-DC转换器之间。
在第十六方面的另一实施方式中，第三隔离开关包括晶体管，该晶体管包括体二极管，体二极管的阳极连接至第二电池的负端子，以及体二极管的阴极连接至第二DC-DC转换器。
在第十六方面的另一实施方式中，第三隔离开关电联接至第二DC-DC转换器的输出端口。
在第十六方面的另一实施方式中，第三隔离开关包括晶体管，该晶体管包括体二极管，体二极管的阴极连接至第二DC-DC转换器的输出端口的正端子。
在第十六方面的另一实施方式中，第一DC-DC转换器和第二DC-DC转换器中的每个均包括相应的升压转换器。
附图说明
图1是示例性电池管理系统(BMS)节点的说明性框图。
图2是包括与电负载并联联接的多个BMS堆栈的示例性能量存储系统的示例性框图，每个堆栈均包括串联联接的多个节点。
图3A是示出用于获得由图2的示例性节点堆栈的节点产生的同步DC测量值的第一方法的说明性流程图。
图3B是示出用于获得由图2的示例性节点堆栈的节点产生的同步DC测量值的第二方法的说明性流程图。
图4A是示出图2的堆栈的第一示例性实施方式的节点的说明性框图以及示出在节点之间传输的信号的传播延迟的示例性时序图。
图4B是示出图2的堆栈的第二示例实施方式的节点的说明性框图。
图4C是示出堆栈的第三示例实施方式的节点的说明性框图。
图5A是包括多个节点的示例堆栈的示例图，示出堆栈内的堆栈级串联电弧故障的发生。
图5B是表示检测和对图5A的堆栈内的串联电弧故障作出反应的方法的说明性流程图。
图6A是在没有电弧故障发生的正常操作期间的示例性能量存储系统的示意图。
图6B是在发生系统级串联电弧故障期间图6A的示例性能量存储系统的示意图。
图6C是示出检测图6B的系统级串联电弧故障电压并对其作出反应的方法的说明性流程图。
图7A是包括多个节点的示例堆栈的示例图，示出堆栈内的堆栈级并联电弧故障的发生。
图7B是表示检测图7A的堆栈内的堆栈级并联电弧故障电流并对其作出反应的方法的说明性流程图。
图8A是在没有电弧故障发生的正常操作期间的示例性能量存储系统的示意图。
图8B是在系统级并联电弧故障发生期间图8A的示例性能量存储系统的示意图。
图8C是示出检测图8B的堆栈内的并联电弧故障并对其作出反应的方法的说明性流程图。
图9A是示出处于操作模式下的示例堆栈的示例图。
图9B是示出处于旁路模式下的示例堆栈的示例图。
图9C是示出处于浮动模式下的示例堆栈的说明图。
图9D是示出处于安全模式下的示例堆栈的示例图。
图9E是示出堆栈如何在操作模式之间转换的示例的故障响应状态图。
图10是示出用于在不安全电池进入热失控之前检测不安全电池的方法的示意图。
图11是在图1的示例节点中使用的第一示例双向DC-DC转换器电路的说明性电路图。
图12是在图1的示例节点中使用的第二示例双向DC-DC转换器电路的说明性电路图。
图13A是在示例性节点中使用的示例性双向DC-DC转换器电路的示例性电路图。
图13B是示出通过负载对包括图13A的双向DC-DC转换器的电池进行放电和充电的说明性信号图。
图13C是示出图13A的电池在没有充电的情况下通过负载放电的示例性信号图。
图14A是示出在断开状态下缺少故障模式保护以免受反向电压的堆栈的两个串联连接的示例节点的部分的说明性电路图。
图14B是示出在断开状态下从反向电压短路故障期间图14A的堆栈的节点之间的短路电流的说明性电路图。
图14C是示出堆栈的两个串联连接的示例性节点的部分的说明性电路图，该部分包括在故障模式操作期间处于断开状态的第一示例性反向电压故障模式保护电路。
图14D是示出在断开状态下在源自反向电压的短路故障期间图14C的堆栈的节点之间的被阻塞的短路流的说明性电路图。
图14E是示出示例堆栈的两个串联连接的示例节点的部分的说明性电路图，该部分包括在故障模式操作期间处于断开状态的第二示例反向电压故障模式保护电路。
图14F是示出另一示例堆栈的两个串联连接的示例节点的部分的说明性电路图，该部分包括在故障模式操作期间处于断开状态的第二示例反向电压故障模式保护电路。
图15是示出电池数据处理引擎的示例的原理图。
具体实施方式
虽然先前的电池能量管理系统和电池管理系统节点通常是有效的，但是它们的使用存在缺点。例如，传统的电池管理系统节点不能识别和消除电弧故障。另外，电池隔离开关可将弱的或失效的电池与能量存储系统的其余部分隔离，但是先前的隔离开关通常不保护良好电池免受失效电池的影响。因此，联接在发生故障的电池内的良好电池可将短路电压和电流传递至相邻电池，这可导致火灾。另外，通常，只有失效的电池被旁路绕过或断电。然而，当电池能量管理系统发生故障但电池良好时，需要能够旁路绕过良好电池。例如，在安装和维护期间，具有非零但安全的电压以为电池堆供电从而在全电压和电源上电之前排除故障和测试系统是否正常工作是有用的。还需要能够将电池电压保持在对人的安全水平，并且足够低以容易地熄灭大多数电弧。尽管当确定电池可能不安全时通常旁路绕过电池，但是仅仅旁路绕过不安全电池不能防止它着火和火灾蔓延到其它健康的电池。因而，需要识别和放电不安全的电池，尽管电池还未失效。
本文公开了安全电池能量管理系统、安全电池管理系统节点和至少部分克服常规系统、节点和方法的一个或多个上述缺点的相关方法。例如，某些实施方式配置为执行分级电弧故障检测方法，该方法能够识别系统中任何地方的电弧。另外，一些实施方式可以以多种模式操作，以促进安全性以及系统维护和故障排除的简易性。另外，特定实施方式配置为安全地对电池进行放电，诸如响应于故障或用户命令对电池进行放电。另外，某些实施方式配置成响应于反向电压而防止短路电流。
电池管理系统节点示例
图1是示例电池管理系统(BMS)节点100的说明性框图。示例BMS节点100包括控制电路102和电池104。在本文件中，术语“电池”包括单个电化学电池以及包括多个电化学电池的装置。因此，电池104可为单个电化学电池。另外，电池104可为包括多个串联和/或并联电联接在一起的电化学电池的多电池组件。电池104可为独立设备，或电池104可与另一设备共同封装，或作为另一设备的部分。
示例节点100包括正电源总线(Bus+)端子251、正电池端子(Bat+)252和负电池/电源总线端子(Bus-、Cell-)(‘负电池端子’)253。节点100联接至通信总线262。更具体地，节点100包括通信总线输入端子254和通信总线输出端子255。在示例节点100中，通信总线262包括串行数据总线。
控制电路102包括双向DC-DC转换器106、感测和测量系统108、温度传感器110、处理和通信系统112和驱动信号产生系统114。转换器106接收跨过端子252和端子253两端的电池电压作为输入电压，并提供端子251和端子253两端的节点输出电压作为输出电压。因而，转换器106将端子252和端子253两端的电池电压转换-例如增加或减小-为端子251和端子253两端的输出节点电压，或将端子251和端子253两端的输出节点电压转换-例如增加或减小-为端子252和端子253两端的电池电压。感测系统108随时间监测电池温度、电池和电池电压特性，并将该信息提供给处理和通信系统112。感测系统108还监测节点输出电压输出电流和DC-DC转换器温度和/或电池104的温度。节点输出电压是DC-DC转换器106的输出电压，输出电压跨过正电源总线(总线+)端子251和负电池253提供，输出电压是DC-DC转换器106的电压输出。节点电流流过联接至DC-DC转换器106的电池。节点输出电压和/或节点输出电流可用于识别电弧故障，诸如下面参考图5A至图8C所讨论的。DC-DC转换器温度可用作电池104的温度的代用品，以确保安全放电。可替代地，BMS节点100可直接测量电池104的温度，并且该温度可用于确保安全放电。
示例节点100执行周期性电压、电流和温度(‘VIT’)测量。更具体地，如下面更全面解释的是，使用电池电压、电池电流、电池温度和节点输出电压测量来确定电池104的充电状态估计和/或动态地控制电池104的充电和放电。例如，示例节点每5毫秒-10毫秒至少执行一次电压、电流和温度(‘VIT’)测量。
在一方面，处理和通信系统112基于所存储的控制信息来处理来自感测系统108的信息，以及然后将信息输出到驱动系统114以适当地控制转换器106以将电池电压转换成节点输出电压，同时实现电池104的增强性能，其中，所述控制信息指定如何根据VIT测量来控制DC-DC转换器106。在另一方面，处理和通信系统112控制节点电池隔离开关256的断开和闭合，以选择性地使电池104与转换器106隔离。在又一方面，处理和控制系统112控制能量消耗电路258，能量消耗电路258提供在不提供节点输出电压的情况下对BMS节点100内的电池104进行安全放电的机构。尽管将能量消耗电路258描述为单个开关，但是能量消耗电路258可采用其它形式，诸如下面参考图11和图12所讨论，只要能量消耗电路258能够对BMS节点100内的电池104执行受控放电。
电池104在正极电池端子252和负极电池端子253两端提供电压。转换器106在正电源总线端子251和负电源端子253两端提供节点输出电压。正电源总线端子251和负电源端子253一起用作提供节点输出电压的输出端口260。BMS节点100的一些实施方式还包括跨输出端口260电联接的节点输出短路开关257，即跨正电源总线端子251和负电源端子253电联接的节点输出短路开关257。另外，BMS节点100可选地包括跨输出端口260串联电联接的软短路开关259和电阻器261。如下所述，控制器102闭合软短路开关259，以例如在某些关闭状态期间均衡多个BMS节点100示例之间的节点输出电压。电阻器261不必是分立的电阻器，而可为软短路开关259的寄生电阻。
转换器106将跨正电池端子252和负电池端子253提供的电池电压转换为跨正电源总线端子251和负电池端子253提供的节点输出电压。示例性感测和测量系统108包括感测、驱动和信号调节模块220，感测、驱动和信号调节模块220具有电联接，该电联接连接至测量电池电流的电流传感器160的输出部CS1和CS2、测量转换器和/或电池104的温度的温度传感器110、正电源总线端子251、正电池端子252和负电源端子253。感测、驱动和信号调节模块220准备和调节在电流测量模块221、温度测量模块222和电压测量模块223处随时间要测量的电流输入信号、温度输入信号和电压输入信号。感测和测量系统108包括电流信号线278、温度信号线280和电压信号线282，电流信号线278、温度信号线280和电压信号线282联接成将测量值发送至处理和通信系统112。
处理和通信系统112联接成接收来自感测系统108的信号。处理系统112还包括至驱动系统114的输出连接。驱动系统114包括来自处理系统112的输入信号连接272和至DC-DC转换器106的一个或多个输出信号连接276。
处理和通信系统112包括模块217，模块217包括模数转换器(ADC)电路217-1、处理器电路217-2、数字存储器217-3和可选的数模转换器217-4(DAC)。模数转换器217-1将从感测系统108接收的电压、电流和温度的模拟测量值转换为相应的数字值。在一方面，处理器电路217-2将电流、温度和电压数据与包括在数字存储器217-3中的指令相关联，并处理单元充电/放电算法，以确定要发送至驱动系统114的控制信号。在一些实施方式中，DAC 217-4在将控制信号传送至驱动系统114之前，将由处理器电路217-2产生的控制信号从数字形式转换为模拟形式。节点100的示例性处理和通信模块112通过通信总线262向堆栈控制器210发送数据和从堆栈控制器210接收数据和指令，下文将参照图2进行描述。可替代的示例节点(未示出)可使用无线通信向堆栈控制器发送数据和指令以及从堆栈控制器接收数据和指令。例如，在一些替代实施方式中，通信总线输入端子254和通信总线输出端子255由一个或多个无线收发器替代，以使节点100能够与堆栈控制器210和/或其它节点100示例进行无线通信。在这些替代实施方式中，通信总线262可选地被省略。
驱动系统114处理从处理和通信系统112接收的控制信号，并产生驱动控制信号，以控制DC-DC转换器106来控制电池充电操作和电池放电操作。
处理和通信系统112包括总线接口电路113，用于通过通信总线262发送和接收信息。在一些实施方式中，总线接口电路113在通信总线输入端子254处接收输入信息，并在通信总线输出端子255处提供输出信息，以便在多个BMS节点100示例之间顺序地传送信息。示例通信总线262包括差分雏菊链电路。可替代的示例节点(未示出)包括用于与堆栈控制器(未示出)和/或其它节点进行通信的无线通信接口。在一些替代实施方式中，数据不需要顺序地进行发送或接收，而是可使用另一种数据传输技术来进行发送或接收。例如，在一些替代实施方式中，数据在BMS节点100与诸如其它BMS节点的两个或多个其它点之间并联地传输。
示例性处理和通信电路112向驱动系统114发送命令，以基于由感测系统108获得的电压、电流和温度测量以及基于作为指令和查找表存储在数字存储器217-3中的算法来控制DC-DC转换器106。示例节点100经由下面参考图2描述的堆栈控制器210从主机控制器212接收指令和查找表。对算法进行编码以调整电池104(经由转换器106)的电压和/或电流特性，从而实现所需性能。例如，如果由处理系统112基于VIT测量来确定：例如，特定电池104的当前放电速率(通过来自感测系统108的测量来评估)暗示电池的寿命将比所需要的寿命短两个月，则算法基于所计算的寿命不足和电池104的当前电流和电压操作特性，在查找表中查找要应用到该电池104的转换器106的适当调整。在第8,686,693号美国专利中公开了一种示例性的电池管理系统节点100，该专利通过引用将其全部内容明确地结合到本文中。
能量存储系统示例
图2是包括具有节点输出电压的多个BMS电池组S1-SK的示例性能量存储系统200的示例性框图，其中BMS电池组与电负载204并联联接。每个堆栈S1-SK内的电池串联堆栈，以产生足够的电压。如以上关于图1所讨论的，每个电池104均可为(a)单个电化学电池或(b)包括多个串联和/或并联电联接的电化学电池的多电池组件。为了避免呈现的不必要的复杂性以及促进解释的说明性清楚，解释了堆栈S1的细节，并且以块的形式示出了堆栈S2-SK，省略了细节。然而，将会理解的是，参考堆栈S1所解释的操作的细节和原理也适用于其它堆栈S2-SK。堆栈S1包括多个节点N1-NN，它们的节点输出电压V1-VN之和与电负载204并联联接。负载204例如可为光伏(PV)系统和附接至电网的逆变器。可替代地，例如，负载204可为电动车辆(EV)的电池充电器和电动机。因此，负载204既可从能量存储系统200接收电力，也可向能量存储系统200提供电力以对电池104充电。示例BMS堆栈S1-SK中的每个节点均等同于图1的节点100，尽管未示出节点N1-NN的细节以简化附图。
堆栈S1包括多个节点N1-NN。每个节点将其相应电池104的单元电压转换为相应的节点输出电压，如以上关于图1所讨论的。S1的多个节点N1至NN使它们的节点输出电压V1至VN串联联接。例如，节点NN的负电源总线端子253N联接至节点NN-1的正电源总线端子251N-1。另外，例如，节点N2的负电源总线端子2532联接至节点N1的正电源总线端子2511。堆栈S1的节点N1-NN的串联联接节点输出电压V1-VN与电负载204并联电联接。示例堆栈S1包括堆栈控制器210，堆栈控制器210联接成监督堆栈S1的节点N1-NN的操作。主机控制器212可操作地联接至堆栈控制器210。在一些替代实施方式中，两个或两个以上的堆栈S1-SK共享共同堆栈控制器210，使得每个堆栈均不必具有其自身的堆栈控制器210。另外，尽管主机控制器212被描述为离散实体，但主机控制器212的一些或所有方面可并入一个或多个堆栈控制器210中。另外，主机控制器212可部分地或完全地由远离能量存储系统200的其余部分的一个或多个计算设备来实现，诸如在分布式系统或云计算系统中。另外，在一些实施方式中，主机控制器212不是专用于能量存储系统200，而是配置成至少部分地控制多个能量存储系统。另外，在某些其它替代实施方式中，主机控制器212和每个堆栈控制器210由单个控制器(未示出)来实现。
例如，对于并网的能量存储，通常是几百伏特到超过一千伏特的堆栈电压。对于大约四(4)伏特的电池电压(每个电池单元)，一百(100)至三百(300)或更多串联的电池单元的电池堆栈是常见的。例如，假设升压比为1.2，则堆栈通常将包括每个堆栈从五十(50)到一百五十(150)个或更多节点。并联堆栈的数量设置示例系统200的总功率和能量能力，并且通常在例如从一个到十(10)或更多、或一百(100)或更多的范围内。例如，对于在已知汽车中使用的大规格电池，包括一百(100)个电池的节点堆栈将是二十四(24)kWh系统。因此，大约五十(50)个并联堆栈将提供用于商业应用的1MWh系统。公用事业规模系统通常可为一百(100)MWh或更大。当然，对使用多少并联堆栈，诸如可物理地(和安全地)装配在标准运输容器中的堆栈的数量，将存在实际限制。联接负载电流测量电路206以测量通过负载204的负载电流IL。联接负载电压测量电路208，以测量负载两端的电压VL。主机控制器212联接成接收IL测量值并接收VL测量值。
在正常操作期间，堆栈S1的相应节点N1、N2、…、NN-1、NN的DC-DC转换器彼此独立地对其相关联的电池104N1、104N2、…、104N-1、104NN进行充电和放电，使得可独立于堆栈S1中的其它电池来管理一个电池的电压、电流和其它参数。另外，每个节点均包括相应的节点单元隔离开关256，以便在下面描述的安全模式操作期间选择性地将节点的DC-DC转换器106连接至节点的电池104和从节点的电池104断开节点的DC-DC转换器106。
示例堆栈S1包括通信总线262，通信总线262联接堆栈的节点，以向S1堆栈控制器210发送信息和从S1堆栈控制器210接收信息。通信总线262根据节点N1到NN的顺序排序向节点传送信息和从节点传送信息。在示例堆栈S1中，顺序通信总线262具有雏菊链结构，其中在顺序排序的节点之间设置通信总线段2621到262N。按照节点排序从节点到节点依次发送信号。在示例堆栈S1中，节点排序顺序地从堆栈控制器210进行到序列N1中的第一节点、到序列N2中的第二节点、…、到序列NN中的最后一个节点。示例性顺序总线具有环形拓扑，其中序列的最后一个节点NN通过堆栈控制器210在环路中联接至序列的开始点。
在示例系统中，堆栈S1的节点N1-NN联接成形成通信控制器区域网络，其中控制和数据信号在节点和堆栈控制器210之间通信。更具体地，在示例系统中，通信总线262包括两条线，即低线和高线。然而，在不脱离本发明范围的情况下，通信总线262可具有其它配置。例如，通信总线262可为可替代类型的有线通信总线。作为另一示例，通信总线216可为无线通信总线或混合有线-无线通信总线。每个节点均可响应于通过总线262从堆栈控制器210接收到的命令，经由总线262准备和广播信息(例如，电压、电流和温度数据)。所广播的数据可由通信总线262上的所有其它节点接受。每个节点均检查通过通信总线262接收的信息，并决定是处理该信息、忽略该信息，还是将该信息传递至网络中的下一节点。
示例堆栈控制器210包括可操作地联接至存储设备216的堆栈处理器电路214，存储设备216包括可由处理器电路214访问和执行的第一电池管理代码(CBM1)、第一电弧检测代码(CAD1)和第一安全管理代码(CSM1)。
在示例堆栈S1中，存储装置216中的第一电池管理(CBM1)代码包括指令，所述指令在执行时基于例如堆栈的节点的所测量的电压、电流和温度，配置堆栈处理器电路214以用于管理堆栈S1的节点的单元的充电和放电。例如，示例第一CBM1代码配置堆栈处理器电路214，以收集来自堆栈S1的各个节点N1-NN的电池、电流和温度测量值，并将测量值发送至主机控制器212以进行处理。示例性第一CBM1代码还配置S1堆栈控制器210的堆栈处理器电路214，以通过定时和控制总线219从主机控制器212接收指令，以帮助确定对各个节点的电池104的操作的调整，优化堆栈S1的节点的总体性能，并将所接收的指令发送至节点N1-NN以实现调整。替代的示例堆栈控制器210与主机控制器212无线地交换信息。
在示例堆栈S1中，存储设备216中的第一电弧检测(CAD1)代码包括指令，所述指令在执行时，基于堆栈S1的节点内的电压和电流的测量值来配置堆栈处理器电路214以用于检测和响应电弧故障状况。例如，示例第一CAD1代码配置堆栈处理器电路214，以传递测量请求命令，以使堆栈S1的BMS节点N1-NN提供同步电压测量值，并提供同步电流测量值，从节点收集同步测量值，并通过定时和控制总线219将同步测量值发送至主机控制器212以进行处理。在一些实施方式中，电压测量值与电流测量值无关地同步，使得电压测量不必与电流测量同步。示例性第一CAD1代码还配置堆栈处理器电路214，以检测堆栈S1中的串联电弧故障的发生，并检测示例性堆栈S1中的并联电弧故障的发生，并响应于这种发生而引起堆栈S1的节点的隔离开关256的打开和/或另一动作。示例性第一CAD1代码还配置堆栈处理器电路214，以通过定时和控制总线219从主机控制器212接收指示系统级串联电弧故障的发生或指示系统级并联电弧故障的发生的指令，并例如响应于这样的发生而引起堆栈S1的N1-NN的隔离开关256的断开和/或另一动作。在一些实施方式中，堆栈处理器电路214还配置成使软短路开关259响应于检测到的串联或并联电弧故障而闭合，以均衡节点两端的电压。可替代的示例性堆栈控制器210与主机控制器212无线地交换系统串联电弧故障信息或系统级并联电弧故障信息。
在示例堆栈S1中，第一安全管理(CSM1)代码包括指令，所述指令在执行时配置堆栈处理器电路214以用于在操作、旁路、浮动和安全功能模式之间转换堆栈S1的节点N1-NN。例如，示例性第一CSM1代码配置堆栈处理器电路214，以通过定时和控制总线219从主机控制器212接收指示在堆栈的操作模式之间转换节点的命令的指令。示例性第一CSM1代码还配置堆栈控制器以向堆栈S1的节点发送指令，从而基于从主机控制器212接收的指令，选择性地打开和关闭隔离开关256，从而在操作模式之间转换堆栈。可替代的示例堆栈控制器210与主机控制器212无线地交换操作、安全、浮动和低功率功能模式信息。
主机控制器212包括可操作地联接至存储设备220的控制器处理器电路218，存储设备220包括控制器处理器电路218可访问和可由控制器处理器电路218执行的第二电池管理(CBM2)代码、第二电弧检测(CAd2)代码和第二安全管理(CSM2)代码。示例性第二CBM2代码包括指令，所述指令在执行时配置控制器处理器电路218，以用于例如基于所测量的堆栈S1的节点的电压、电流和温度来管理BMS堆S1的节点的电池的充电和放电。例如，示例第二CBM2代码配置控制器处理器电路218，以收集来自堆栈S1的电压、电流和温度测量值，并使用存储表中的信息来选择指令，以基于所收集的表示各个电池的唯一和发展性能特性的测量值，调整堆栈的各个电池104的性能，从而增强总体系统性能。示例性第二CBM2代码还配置控制器处理器电路218，以通过定时和控制总线219向堆栈处理器电路214发送指令，从而调整堆栈S1-SK的各个电池104的操作，从而优化系统200的总体性能。可替代的示例堆栈控制器210与堆栈S1-SK的主机控制器212无线地交换信息。
示例性第二CAd2代码包括指令，所述指令在执行时配置控制器处理器电路218，以用于基于堆栈S1的节点N1-NN内的电流的同步测量值和电压的同步测量值以及测量的堆栈电流和测量的堆栈电压，检测和响应电弧故障状况。例如，示例第二CAd2代码配置控制器处理器电路218以发送指令，以使多个堆栈S1-SK的堆栈控制器与由主机控制器212收集的堆栈电压VL和堆栈电流IL的测量同步地收集节点电压和节点电流测量值。然而，在一些实施方式中，电压测量值与电流测量值无关地同步，使得电压测量不必与电流测量同步。示例第二CAd2代码还配置控制器处理器电路218，以检测系统级串联电弧故障的发生，并检测堆栈中系统级并联电弧故障的发生，并通过定时和控制总线219将信息发送至堆栈S1-SK中的一个或多个，以引起节点隔离开关256的断开和/或响应于这种发生的另一动作。可替代的示例主机控制器212与堆栈S1-SK的堆栈控制器无线地交换信息。
示例性第二CSM2代码包括指令，所述指令在执行时配置控制器处理器电路218以用于在操作、旁路、浮动和安全功能模式之间转换多个堆栈S1-SK中的一个或多个的节点。例如，示例第二CSM2代码配置控制器处理器电路218，以通过定时和控制总线219向多个BMS堆栈发送指令，以指示操作模式。示例第二CSM2代码还向示例堆栈S1-SK中的一个或多个发送指令，以例如指示在低功率操作期间哪些隔离开关可选择地打开和关闭。可替代的示例主机控制器212与堆栈S1-SK的堆栈控制器无线地交换信息。
电弧故障
示例性电存储系统可能经历电弧，其中由于电导体之间的大电压和/或小间隔距离，在不同电势的两个附近的电导体之间的气体(通常是空气)被电离，从而导致电导体之间的电流。由于典型的电存储系统包括许多电联接器和长电缆，从而呈现出许多可能的故障点，因此这种电弧的可能性是复杂的。一些电存储系统容易受到物理损坏，诸如来自环境条件、在系统附近工作的维护人员、或来自咀嚼系统部件的动物。电弧可被分类为串联电弧或并联电弧。串联电弧发生在串联电路中的开口上，例如由连接器故障引起的开口上。例如，由于绝缘故障，在电气系统的并联电压或电流路径之间、或在电压或载流导体和地之间发生并联电弧。
已提出用于能量管理系统的电弧检测装置，其通过识别由电弧产生的能量存储系统电流的高频分量或“噪声”来检测电弧。噪声的幅度非常小，并且必须通过放大或通过使用电流互感器来增加以进行检测。另外，噪声必须与通常存在于光伏系统电流中的其它高频分量相区别，诸如开关功率变换器波纹电流及其谐波。因而，传统的电弧检测装置通常使用快速傅立叶变换(FFT)技术或类似技术，将光伏系统电流分解成其组成AC分量，以将电弧噪声与其它系统噪声区分开来。通常需要大量的计算资源来令人满意地执行该信号分解。
政府和/或工业标准经常规定从建立电弧时起直到电弧检测系统检测到或中断该电弧的某个时间。例如，对于类型1系列电弧检测器，UL 1699B规定该时间不应长于两(2)秒，而对于较高功率电弧不应长于t＝750焦耳/IV。当在包括提供DC电压和DC电流的多个电池堆栈S1-SK的能量存储系统200中不存在电弧时，除了与系统内的诸如DC-DC转换器106或逆变器的功率电子设备的切换相关的峰值之外，AC信号分量通常非常小。在电弧的发生期间，可能以比在无电弧情况下更大的幅度发生更复杂的AC频谱。然而，即使在发生电弧的过程中，由于电力电子设备的开关而引起的峰值的幅度也可能显著大于由于电弧而引起的电噪声。另外，即使对于特定的设备，这些峰值也不能保证位于特定的频率，因为它可根据存在的条件以不同的频率工作。在能量存储系统中，每个堆栈包括大量节点，诸如每堆栈五十(50)到一百五十(150)个或更多个节点，其中每个节点至少每5-10毫秒进行VIT测量，例如，可能存在同步DC电压测量值和同步DC电流测量值以用于电弧检测的更大挑战。另外，存在以下可能性，即电压和电流的DC测量值可能混淆由于电力电子设备的开关而出现的大AC峰值。因而，使用同步DC电压和同步DC电流测量值来检测电弧的电弧检测方案必须快速且可靠地检测电弧，而不会由于系统中的诸如电力电子开关的其它噪声源而产生讨厌的跳闸。
测量同步
图3A是示出用于获得由图2的示例节点堆栈S1的节点产生的同步DC测量值的第一方法350的说明性流程图。方法350用于例如获得用于电弧故障检测和/或用于管理能量存储系统200的其它方面的同步电和/或温度测量值，诸如由处理器电路217-2、处理器电路214和/或处理器电路218用于控制电池104的充电和放电。在步骤352，堆栈控制器210向节点N1-NN发送测量请求命令。在步骤354，在规定的时间，每个节点响应于该命令同时测量至少一个DC参数，例如电压、电流和/或温度。在步骤356，命令的DC测量值通过节点N1-NN传播到堆栈控制器210。接下来，控制在循环359上流回步骤352，使得重复步骤352-356，从而产生连续的测量采样序列。在替代实施方式中，修改步骤356，使得DC测量值从节点N1-NN以另一种方式传送至堆栈控制器210，诸如通过直接从每个节点到堆栈控制器210的有线或无线传输。
图3B是示出用于获得由图2的示例节点堆栈S1的节点产生的同步DC测量值的第二方法360的说明性流程图。例如，使用方法360来获得用于电弧故障检测和/或用于管理能量存储系统200的其它方面的同步电和/或温度测量值，诸如由处理器电路217-2、处理器电路214和/或处理器电路218使用，以控制电池104的充电和放电。在步骤362，堆栈S1的每个节点N1-NN均周期性地测量一个或多个DC参数，例如电压、电流和温度，并将其保存到其存储器217-3。如上所述，例如，示例节点每5-10毫秒至少执行一次电压、电流和温度(“VIT”)测量。每个节点N1-NN可选地对每个测量加时间戳。
在步骤364，堆栈控制器210向节点N1-NN发送测量请求命令。在步骤366，响应于测量请求命令，每个节点均选择一个或多个保存的测量值，例如对应于由测量请求命令规定的时间或时间窗口的电压和/或电流。例如，每个节点N1-NN均可选择与由测量命令规定的时间或时间窗口相对应的一个或多个保存的测量值，或每个节点N1-NN均可选择在节点接收测量命令时在存储器中可用的多个测量值。在一些实施方式中，每个节点N1-NN均具有共同时间基准，以使得节点能够选择与测量命令所规定的时间或时间窗口相对应的保存的时间测量值。
在一些其它实施方式中，每个节点N1-NN均至少部分地基于节点在串中的位置和测量请求命令从一个节点传播到另一节点所需的时间来选择保存的测量值。例如，假设串中相邻节点之间的传播时间是Δt。串中的第三节点可选择与在第三节点接收测量请求命令的时间之前3*Δt的时间相对应的存储的测量值，以补偿串中测量请求命令的传播延迟。
在又一些其它实施方式中，堆栈控制器210可向每个节点N1-NN提供定制定时基准，以使节点能够选择对应于规定时间或时间窗口的一个或多个测量值。堆栈控制器210例如基于堆栈控制器210和每个节点N1-NN之间测量的传播延迟来确定定制定时基准。堆栈控制器210例如在启动时或在周期性基础上测量传播延迟。
在步骤368，可选地包括时间戳的所选DC测量值通过堆栈的节点传播到堆栈控制器210。接下来，控制在环路369上流回步骤362，使得重复步骤362-368，从而产生连续的测量采样序列。在替代实施方式中，修改步骤368，使得DC测量值以另一种方式从节点N1-NN传送至堆栈控制器210，诸如通过直接从每个节点到堆栈控制器210的有线或无线传输。
应当理解的是，第一方法350涉及执行同步测量值，以及第二方法360涉及选择先前保存的测量值。在第一方法350期间在步骤354执行的测量在基于测量请求命令信号确定的时间，在多个节点同步地执行。在第二方法360期间选择的测量包括先前在多个节点处保存的测量、以及在基于测量命令请求信号确定的时间窗口期间选择的测量。第一方法350和第二方法360二者均获得多个节点中的每个的测量值。如下面更全面解释的是，可选地处理测量值，以消除由于电路组件的切换而引起的潜在混淆，并产生指示是否可能发生电弧故障的测量值。在通过第二方法360获得测量值的情况下，处理可涉及在不同节点处的时间窗口内对从时间窗口中选择的测量进行时间对准。
图4A是示出作为图2的堆栈S的实施方式的第一示例堆栈420的节点N1-NN、以及示出在节点之间传输的信号的传播延迟的示例时序图422的说明性框图。节点N1-NN处的同步电压测量值用于检测和防止串联电弧故障，如下所述，和/或用于管理能量存储系统200的一个或多个其它方面。节点N1-NN处的同步电流测量还用于检测并防止并联电弧故障，如下所述，和/或用于管理能量存储系统200的一个或多个其它方面。在一些实施方式中，电压测量与电流测量无关地同步，使得电压测量不必与电流测量同步。
图4A的第一示例堆栈实施方式420可根据图3A的第一方法350操作，并且可根据图3B的第二方法360操作。参照图3A和图4A，当根据第一方法350操作时，在步骤352，第一示例堆栈实施方式420的堆栈控制器210通过通信总线262发送测量请求命令，以命令节点N1-NN中的每个执行同步测量。更具体地，在步骤352，堆栈控制器210通过通信总线段2620向节点N1发送测量请求命令。节点N1依次通过通信总线段2621向节点N2发送测量请求命令，以此类推，直到节点NN-1通过通信总线段262N-1向节点NN发送测量命令。
在步骤354，在规定的时间，每个节点均响应于测量请求命令同时测量一个或多个DC参数，例如，电压和/或电流。确定规定的时间，以允许测量请求命令在节点同时测量命令的参数之前顺序地传播到堆栈420中的每个节点的适当时间。更具体地，在步骤354，在节点N1到节点NN中的每个均已经接收到测量请求命令之后，节点N1-NN同步地使用其ADC 217-1来在节点N1-NN中的每个上数字地执行命令的DC测量。参照图2和图4A，在示例实施方式中，主机控制器212通过定时和控制总线219向堆栈S1-SK中的每个的堆栈控制器提供主时钟信号，堆栈S1-SK中的每个的堆栈控制器又向节点提供主时钟信号，以用于同步各个堆栈的节点处的测量以及同步系统200的不同堆栈上的测量。主时钟还可用于同步测量的时间标记。
在示例堆栈S1中，节点N1-NN响应于接收到测量请求命令而延迟测量，直到有序序列中的最后一个节点NN接收到测量请求命令。在示例堆栈S1中，节点知道堆栈中节点的总数以及堆栈中节点在堆栈中的顺序位置。在第一示例堆栈实施方式420中，节点配置成例如基于在节点之间的测量请求命令信号的传输中的传播延迟，同步数字捕获电压测量并同步数字捕获电流测量。在第一示例堆栈实施方式420中，传播延迟是在节点接收电压测量请求命令或电流测量请求命令的时间与序列中的下一节点接收电压或电流测量请求命令的时间之间的Δt。因而，例如，假设N1在时间t0接收到命令，则N2在t0+Δt接收到命令，N3在t0+2Δt接收到命令，依此类推，直到节点NN在t0+NΔt接收到命令。在第一示例堆栈实施方式420中，为了响应于测量命令实现同步测量，序列中的每个节点均至少延迟执行命令测量，直到序列中的最后一个节点接收到测量命令。更具体地，在第一示例堆栈实施方式420中，N1延迟测量至少一个时间间隔NΔt；N2至少延迟时间间隔(N-1)Δt的测量，以此类推，以及节点N在没有与Δt相关的延迟的情况下测量。
参考图3A和图4A，在步骤356，通过堆栈的节点将时间戳命令的DC测量值传播到堆栈控制器210。更具体地，在第一示例堆栈实施方式420中，在命令的电压和电流测量的同步数字捕获之后，例如，每个节点均经由通信总线262向堆栈控制器210发送加时间戳的电压测量和加时间戳的电流测量。例如，N1通过总线分段2621将其测量发送至N2，N2又通过总线分段2622将N1的测量结果发送至N3，依此类推，直到N1的测量到达NN，NN又通过总线分段262N将N1的测量结果发送至堆栈控制器210。另外，例如，NN-1通过总线分段262N-1将其命令的测量发送至NN，而NN又通过总线分段262N将NN-1的测量结果发送至堆栈控制器。例如，节点NN通过总线分段262N直接将其测量发送至堆栈控制器210。如下所述，在每个堆栈处的示例性堆栈控制器210处理从其堆栈内的相应节点接收的电压和电流测量，以识别其堆栈内的电弧故障状况的发生。
参照图3B和图4A，当根据第二方法360操作时，在步骤362，每个节点执行常规的周期性电压、电流和温度测量，以例如确定电池104的充电状态估计和/或动态地控制电池104的充电和放电。每个节点还可选地对周期性测量的至少部分进行时间标记，并将其存储到其本地存储器217-3。在某些实施方式中，主机控制器212通过定时和控制总线219向堆栈S1-SK中的每个的堆栈控制器210提供主时钟信号，堆栈S1-SK中的每个的堆栈控制器210又向节点提供主时钟信号，以用于对保存的测量进行时间标记，并同步跨越单独堆栈和跨越不同堆栈的节点保存的测量值的收集。在一些实施方式中，在步骤364，第一示例性堆栈实施方式420的堆栈控制器210通过通信总线262发送测量请求命令，以命令节点N1-NN中的每个执行节点N1-NN先前所进行的测量的同步收集，如以上参考步骤352所述。测量请求命令是具有上述传播延迟的节点到节点的传播。在步骤366，堆栈420的第一示例实施方式中的每个节点均选择在规定的时间窗口内或在规定的时间执行的一个或多个保存的测量。例如，假定每个节点以5-10毫秒的间隔执行一个DC电压测量和一个DC电流测量，则具有5-10毫秒持续时间的时间窗口可包括一个电压和一个电流测量，并且具有50-100毫秒持续时间的时间窗口可包括例如十个电压和十个电压测量。在步骤368处，响应于所述命令而收集的经时间戳的测量通过堆栈的节点传播到堆栈控制器210，如上文参考步骤356所描述。
图4B是示出图2的堆栈430的第二示例实施方式的节点N1-NN的说明性框图。堆栈430的第二示例性实施方式包括同步命令总线402，同步命令总线402联接成同步地向多个节点提供测量请求命令而没有传播延迟，尽管在节点之间联接信号的通信总线262经历传播延迟，如上面参考图4A所描述的那些。例如，同步总线402还用作发送报警信号的报警线，以迫使能量存储系统进入旁路模式、浮动模式或安全模式，或突然从充电变化到放电或再次从放电变化到充电。这种替代实现的优点易于同步和结果更快。测量仍然沿着雏菊链总线(N*Δt)发送，但是不需要测量请求命令也通过总线(另一N*Δt)传播。为了避免呈现的不必要的复杂性并促进解释的说明性清楚，将不再描述与堆栈420的第一示例实施方式的组件相对应的堆栈430的第二示例实施方式的组件。
图4B的第二示例性堆栈实施方式430可根据图3A的第一方法350操作，并且可根据图3B的第二方法360操作。参照图3A和图4B，当根据第一方法350操作时，在步骤352，第二示例堆栈实施方式430的堆栈控制器210通过同步命令总线402发送测量请求命令，以同时向节点N1-NN提供测量请求命令。在步骤354，在规定的时间，节点N1-NN响应于测量请求命令同时测量一个或多个参数，例如电压和/或电流。例如，在通过总线402接收到测量请求命令时，规定的时间可为瞬时的。主机控制器212在定时和控制总线219上提供主时钟信号，用于同步测量的时间标记。在步骤356，如上所述，响应于命令执行的加时间戳的测量通过堆栈的节点传播到堆栈控制器210。在某些实施方式中，在一个堆栈S1-SK中执行的测量与在每个其它堆栈S1-SK中执行的测量同步，诸如基于来自主机控制器212的主时钟信号。
参照图3B和图4B，当根据第二方法360操作时，在步骤362，节点N1-NN执行常规的周期性电压、电流和温度测量，以便确定电池104的充电状态估计和/或如上所述动态地控制电池104的充电和放电。主机控制器212在定时和控制总线219上提供主时钟信号，用于测量的时间标记。在步骤364，第二示例堆栈实施方式430的堆栈控制器210通过同步命令总线402发送测量请求命令，以同时向节点N1-NN提供测量请求命令。在步骤366，在规定的时间，每个节点均响应测量请求命令选择一个或多个保存的测量，例如电压和/或电流。更具体地，在步骤366，堆栈430的第二示例实施方式中的每个节点均选择在规定的时间窗口内或在规定的时间执行的一个或多个保存的测量。在一些实施方式中，在规定的时间窗口中执行的测量可能不是同时执行的，诸如由于传播延迟或处理延迟。在这种情况下，所保存的测量可选地在时间上对准，诸如通过使用内插技术。在步骤368，具有时间戳的所选测量通过堆栈的节点传播到堆栈控制器。
图4C是示出堆栈440的第三示例实施方式的节点N1-NN的说明性框图。第三示例堆栈实施方式440的节点N1-NN、堆栈控制器210和主机控制器212包括用于它们之间的无线通信的无线收发器470。在本实施方式中，无线通信支持同步命令总线402，并支持通信总线262。在示例系统400中，节点、堆栈控制器和主机控制器配置为作为无线网状通信区域网络操作。图4C的第三示例性堆栈实施方式440通常可根据图3A的第一方法350操作，并且通常可根据图3B的第二方法360操作，尽管节点处的收发器470可避免在节点之间顺序地传播信号的需要。相反，例如，在一些实施方式中，节点可直接无线地与堆栈控制器210通信。基于以上参照图4A至图4B的解释，本领域的技术人员将会理解第一方法350和第二方法360的适用性，因此，为了避免呈现的不必要的复杂性并促进解释的说明性清楚，没有参照图4C阐述第一方法350和第二方法360的应用细节。
堆栈级串联电弧故障检测
图5A是包括多个节点N1-NN的示例BMS堆栈500的示例图，图中示出堆栈内的堆栈级串联电弧故障的发生。串联电弧是电路中的导体或连接器的预期连续性失效的结果。如这里所使用的，堆栈级串联电弧故障是指单个堆栈内的电弧，而不是堆栈之间的连接中的电弧。堆栈500与电负载504并联联接。每个节点N1-NN均产生串联联接的相应节点输出电压V1-VN。串联联接的节点电压V1-VN通过与负载504并联的导体网络502联接。在电池堆500内没有发生串联电弧故障的正常操作期间，电池堆500内的节点电压之和与堆栈的设定点电压相匹配，并且与堆栈的测量电压相一致，例如与堆栈的测量电压相等。
V STACK＝V1+V2+V3+...+VN
然而，在堆栈500内的节点处发生串联电弧故障将串联电压元件添加到堆栈电压VSTACK。串联电弧故障的发生将导致电池组500两端的VSTACK大于或小于跨堆栈500的各个节点N1-NN的电压V1、...VN的设定点的和，并且大于或小于跨堆栈500的各个节点N1-NN的电压V1、...VN的测量的和。例如，如果在堆栈500内的节点N2和节点N3之间出现串联电弧故障电压VARC，则。
V STACK＝V1+V2+V3+...+VN+VARC
因而，在此说明性示例中，堆栈内的串联电弧电压VARC致使堆栈500两端的电压VSTACK不匹配堆栈的节点输出电压的和。图5B是示出方法550的示例性流程图，方法550用于检测图5A的堆栈内的串联电弧故障，并对图5A的堆栈内的串联电弧故障作出反应。代码指令CAD1和CAd2用于配置堆栈的堆栈控制器(未示出)以执行图5B的方法。在步骤552，获得堆栈的每个节点的电压测量值。示例步骤552可包括图3A的第一方法350，从而获得节点电压测量，该节点电压测量与测量命令信号在节点之间同步。可替代的示例步骤552可包括图3B的第二方法360，从而获得包括落入共同时间窗内或在共同时间执行的测量的节点电压测量。在一些实施方式中，诸如通过使用一个或多个低通滤波器对在步骤552中获得的节点电压测量进行滤波，以去除由功率转换电路引入的噪声以及可能干扰电弧故障检测的相关谐波。
在步骤555，与同步节点电压测量同步地测量堆电压Vstack。判定步骤556确定所测量的堆栈的节点电压的总和是否与所测量的堆栈电压一致，例如匹配。在步骤558，响应于确定所测量的节点电压V1+V2+V3+...+VN与堆栈电压不匹配，并且与堆栈电压相差至少规定的阈值量，声明堆栈级串联电弧故障。在示例性系统500中，规定的差别足够大，以指示串联电弧的发生，这与例如由于跨电阻的电压降与来自连接器和导线的节点串联而可能发生的堆栈电压电平的正常变化相反。另外，规定的差别可足够大，以解决由于测量公差引起的正常变化。在示例性系统500中，在堆栈电压在500V-1000V范围内的情况下，在节点电压之和和维持至少规定的诸如至少一秒的最小时间间隔堆栈电压之间的1％、2％或甚至高达5％的差或几伏特高达大约20V的差通常指示发生电池堆栈级串联电弧故障。在一些其它实施方式中，判定步骤556仅当测量的节点电压之和与测量的堆栈电压的不匹配持续预定的时间量或预定的测量周期数时，才检测到测量的节点电压之和与测量的堆栈电压之间存在不匹配。
在其它实施方式中，在步骤556中考虑的电压中的至少一些进行滤波，以实现期望的电弧故障检测分布。例如，在特定实施方式中，在步骤556中，(a)确定等于所测量的节点电压之和与所测量的堆栈电压之间的差的误差值，(b)通过低通滤波器对所述误差值进行滤波，以及(c)响应于所滤波的误差值满足或超过规定的阈值量来确定堆栈级串联电弧故障。在步骤556中，低通滤波器通过增加用于检测的电弧故障电压的所需幅度或持续时间来加权电弧故障检测分布。
在步骤560，控制节点以安全地熄灭电弧。这可包括：根据需要，在提供所需的节点输出特性(浮动、短路、低功率或功率受限状态)的同时，在具有或不具有紧急单元放电的情况下，隔离可向电弧馈送功率的任何能量存储单元。下面更详细地讨论这些故障反应。可替换地或附加地，可控制堆栈500以将其电池放电到负载204中或放电到另一堆栈中，诸如以将放电电流幅度限制到安全值的方式，以帮助熄灭电弧。方法550周期性地重复。在示例系统500中的活动故障管理期间，例如，方法550每秒、每几秒或每几分钟重复多次。可替代地，方法550可较不频繁地重复，在加电时每天重复一次，以避免过度占用计算机资源。
系统级串联电弧故障检测
图6A是在正常操作期间没有电弧故障发生的示例性能量存储系统600的示意图。图6B是在系统级串联电弧故障发生期间图6A的示例性能量存储系统600的示意图。如这里所使用的，系统级串联电弧故障是指在节点堆栈之间的电联接中或在节点堆栈和负载之间的电联接中在节点堆栈外部发生的串联电弧故障。每个堆栈均包括一个或多个节点，且堆栈的堆栈电压是堆栈的节点的测量电压的和。可替代地，如上文参考图5A至图5B所描述的，堆栈电压是经测量的堆栈两端的电压。堆栈电压可在个别堆栈的堆栈控制器(未图示)处局部地求和且报告给主机控制器，或替代地，可将个别堆栈处的节点电压报告给主机控制器(未图示)，主机控制器将从个别堆栈接收的节点电压求和以确定个别堆栈电压。在主机控制器(未示出)处比较堆栈电压和负载电压。系统600包括多个BMS堆栈、堆栈1(Stack1)、堆栈2(Stack2)、堆栈3(Stack3)，其通过导体网络602与电负载604并联联接。为了避免呈现不必要的复杂性并促进解释的说明性清楚，堆栈的细节省略。然而，应当理解的是，例如，示例系统600可具有类似于图2的系统200的拓扑结构。在图6A所示的正常操作期间，当没有出现串联电弧故障时，堆栈在其两端具有匹配的堆栈电压，其匹配负载两端的电压VL：
VLOAD＝Vstack1＝V stack1＝...＝VSTACKN
然而，与堆栈中的一个串联的电弧故障将导致与其它堆栈两端的电压不同(更高或更低)且与负载两端的电压VL不同的电压读取。例如，如图6B所示，如果串联电弧故障VARC与堆栈2(Stack2)串联发生，则：
VLOAD＝Vstack1＝[Vstack2+VARC]…＝VSTACKN
因而，在此说明性示例中，在堆栈上具有电压VARC的系统级电弧故障致使在堆栈2(Stack2)上测量的电压,VSTACK2低于其它堆栈电压和负载电压VLOAD。例如，电弧可为导线本身，或是从导线到堆栈的连接，或是从导线到总线的连接。在堆栈电压中的一个与其它堆栈电压不匹配的情况下，主机控制器可确定在不匹配堆栈处已发生系统级串联电弧故障。在该示例中，主机配置为基于主机处的确定来将电弧的位置识别为处于堆栈2(Stack2)之间的电联接中，所述确定是指堆栈2(Stack2)两端的电压与其它堆栈的电压不匹配，并且与负载电压VLOAD不匹配。在示例系统中，例如，主机控制器(未示出)可向不匹配堆栈的堆栈控制器(未示出)发送命令，以使该堆栈控制堆栈的节点，从而在其它堆栈保持操作的同时熄灭电弧。缓和技术可包括将堆栈置于断开状态或低功率安全状态，同时可选地对电池进行放电以提高安全性。在一个示例中，可将电池104与节点输出浮动的节点隔离，以便熄灭串联电弧的电流路径。另外，可替代地，例如，不匹配堆栈的节点可转换到安全模式，在该模式下，技术人员会更安全地排除故障，以定位系统级串联电弧故障的源头，这将在下面解释。
图6C是示出检测图6B的系统级串联电弧故障电压并对其作出反应的方法650的说明性流程图。代码指令CAD1和CAd2用于配置图6A至图6B的系统600的堆栈控制器(未示出)和主机控制器(未示出)，以协同执行图6C的方法。在步骤652，获得每个堆栈-堆栈1(Stack1)、堆栈2(Stack2)、堆栈3(Stack3)的每个节点的节点电压测量。示例步骤652可包括第一方法350。可替代的示例步骤652可包括第二方法360。在步骤654，确定每个堆栈的所测量电压的总和，以确定堆栈的堆栈电压VSTACK1、VSTACK2、VSTACK3。在替代实施方式中，步骤652和654由获得每个堆栈的相应测量的堆栈电压的步骤代替。在步骤655，与堆电压测量同步地测量负载电压VL。
在一些实施方式中，诸如通过使用一个或多个低通滤波器对在步骤654和步骤655中获得的电压测量进行滤波，以去除由功率转换电路引入的噪声以及可能干扰电弧故障检测的相关谐波。在某些实施方式中，用于对所测量的负载电压值进行滤波的一个或多个低通滤波器具有与用于对堆栈电压测量和/或节点电压测量进行滤波的一个或多个低通滤波器大体上相同的带宽。在本文中，如果第一低通滤波器的带宽与第二低通滤波器的带宽相差不超过百分之十，则认为第一低通滤波器和第二低通滤波器具有基本上相同的带宽。
判定步骤656确定堆栈电压是否彼此匹配且匹配负载电压。在一些实施方式中，对在判定步骤656中考虑的至少一些电压进行滤波，以实现期望的电弧故障检测分布，诸如以类似于以上关于图5B的步骤556所讨论的方式。步骤658响应于确定所有堆电压彼此匹配并匹配负载电压，确定没有系统级串联电弧。判定步骤660确定单个堆栈电压是否与其它堆栈电压不匹配。在步骤662，响应于系统级串联电弧故障，控制节点以安全地熄灭电弧。这可包括隔离任何能量存储单元，所述能量存储单元可在提供所需的节点输出特性(浮动、短路、低功率或功率受限状态)的同时，根据需要在具有或不具有紧急单元放电的情况下向电弧馈送功率。步骤664响应于确定多于单个堆栈电压与其它堆栈电压不匹配或负载电压与堆栈电压不匹配，将每个堆栈的每个节点与所有其它堆栈以及负载电隔离。方法650周期性地重复。在示例系统600中的活动故障管理期间，方法650每秒、每几秒或每几分钟重复多次。可替代地，方法650可较不频繁地重复，近似于在上电时每天一次，以避免过度耗费计算机资源。
在一些实施方式中，堆栈控制器210和/或主机控制器212顺序地或同时地执行方法550和方法650，以实现分级串联电弧故障检测。更具体地，堆栈控制器210和/或主机控制器212执行方法550以实现第一级串联电弧故障检测，即，实现堆栈级串联电弧故障检测，以检测堆栈内的串联电弧故障。另外，堆栈控制器210和/或主机控制器212执行方法650，以实现第二级串联电弧故障检测，即实现系统级串联电弧故障检测，以检测堆栈外部的串联电弧故障。因此，这些实施方式有利地能够在能量存储系统200中的任何位置检测串联电弧故障，即在堆栈内和堆栈外检测串联电弧故障。另外，方法550和方法650可选地共享测量的堆栈电压值和/或测量的节点电压值，这有助于最小化测量获取和处理需求。另外，分级串联电弧故障检测的概念可进行扩展以包括附加级别。例如，在堆栈包括多个模块的一些替代实施方式中，在模块级以及前述堆栈级和系统级执行串联电弧故障检测，以实现分级串联电弧故障检测。
堆栈级并联电弧故障检测
图7A是包括多个节点N1-NN的示例BMS堆栈700的示例图，图中示出堆栈内的堆栈级并联电弧故障的发生。为了避免呈现的不必要的复杂性并促进说明性的解释的清楚，省略堆栈700的细节。然而，应当理解的是，例如，示例堆栈700可具有类似于图2的堆栈S1的拓扑结构。如这里所使用的是，堆栈级平行电弧故障是指从堆栈内的一个点到堆栈内的另一点或到电接地的电弧。堆栈700与电负载704并联联接。每个节点N1-NN均产生相应的节点输出电流I1-IN。串联联接的节点由与负载704并联的导体网络702联接。在正常操作期间，当堆栈700内没有发生并联电弧故障时，堆栈内的电流I1-IN总和匹配。
IStack＝I1＝I2＝I3＝...＝IN
然而，堆栈700内的并联电弧故障电流导致并联电弧故障电流IARC，该并联电弧故障电流IARC可与堆栈内的一些电流相加或相减。对于堆栈内的接地故障和并联电弧故障，电弧故障电流IARC导致节点电流不再相等。例如，如果在节点N2和N3之间发生持续的并联电弧故障IARC，则。
I1＝I2≠I3＝...＝IN，以及
IStack＝IN＝I3＝I2+IARC＝I1+IARC
应当理解的是，电弧故障电流的方向可变化，因此，电弧故障电流可从节点加或减电流；上面的说明性示例假设增加了电弧故障。因而，在此说明性示例中，堆栈级并联电流故障IARC的发生致使通过节点中的至少一个的电流与通过其它节点的电流不匹配。
堆栈内的堆栈级并联电弧故障的节点位置由电弧故障定位过程确定，该电弧故障定位过程包括比较堆栈内的相邻节点序列的电流的步骤。堆栈的堆栈控制器配置成执行电弧故障定位过程，该电弧故障定位过程确定相邻节点对中的电流是否匹配。该过程标识节点内的电流与该节点相邻的节点内的电流不匹配的节点。确定电流从其相邻节点的电流从与其相邻节点中的至少一个节点匹配变成不匹配的节点序列中的节点位置是堆栈级并联电弧故障的节点位置。因此，通过找到堆栈中电流的变化位置来确定堆栈内的堆栈级平行电弧故障的位置。例如，参考图7A,I1＝I2且I3＝I4＝...＝IN。然而，I2＝I3+IARC。在该示例中，存在从N2和N3之间的连接流到堆栈中的另一点的额外电流，并且确定在节点N2或节点N3处发生电弧。
因而，可将并联电流的位置确定为在发生串联电流中断的节点堆栈中的点处，即电流幅度改变的点处，例如在示例中在节点N2和节点N3之间的接合处。电弧故障定位过程可由例如维护技术人员使用，以更快速地定位故障和修复故障。在示例系统中，堆栈的堆栈控制器可向堆栈的节点发送命令，以隔离该节点的电池设备，从而使节点断电并熄灭电弧。另外，可替代地，堆栈700的节点的子集可转换到安全模式，在该模式下，技术人员可更安全地进行故障检修，以定位堆栈级并联电弧故障的源头。图7B是示出方法750的示例性流程图，该方法750用于检测图7A的堆栈内的堆栈级并联电弧故障电流，并对图7A的堆栈内的堆栈级并联电弧故障电流作出反应。代码指令CAD1和CAd2用于配置与图7A的堆栈相关联的堆栈控制器(未示出)和主机控制器(未示出)，以执行图7B的方法。在步骤752，获得堆栈的每个节点的节点电流测量。例如，测量每个DC-DC 106转换器处的电流。示例步骤752可包括图3A的第一方法350，从而获得与测量命令信号在节点之间同步的节点电流。可替代的示例步骤752可包括图3B的第二方法360，从而获得包括落在同步时间窗内或在同步时间的测量的节点电流。
在一些实施方式中，估计节点电流，而不是直接测量。例如，测量的电池104电流可通过相应的DC-DC转换器106的传输比来缩放，以获得估计的节点电流。当确定估计的节点电流时，可考虑DC-DC转换器106的效率来提高估计精度。在一些实施方式中，对在步骤752中获得的节点电流测量进行滤波，诸如通过使用一个或多个低通滤波器，从而去除由功率转换电路引入的噪声和可能干扰电弧故障检测的相关谐波。
判定步骤754确定所有测量的节点电流是否匹配。在示例堆栈700中，响应于高达一秒或更长的持续时间内的百分之一(1％)或更大、百分之二(2％)或更大、或甚至百分之五(5％)或更大的差异，实现确定不匹配。电流测量通常不比百分之一(1％)更精确，尽管使用精确设备或新技术可提高测量精度。另外，动态节点操作也可能引起节点电流的差异。否则，这些电流应该非常接近地匹配。因而，应当理解的是，在设置百分之一(1％)、百分之二(2％)或百分之五(5％)误差时简单地避免了“测量误差”。在步骤756，响应于确定不是所有测量的节点电流都匹配，断定出现堆栈级并联电弧故障。在一些其它实施方式中，判定步骤754仅在不匹配持续预定时间量或预定数量的测量周期的情况下才检测到节点电流中存在不匹配。
在一些实施方式中，对在步骤754中考虑的电流中的至少一些进行滤波，以实现期望的电弧故障检测分布。例如，在特定实施方式中，在步骤754中，(a)确定等于节点电流之间的差的误差值，(b)通过低通滤波器对误差值进行滤波，以及(c)响应于滤波后的误差值满足或超过规定的阈值量来检测堆栈级并联电弧故障。在步骤754中，低通滤波器通过增加用于检测的电弧故障电流的所需幅度或持续时间来加权电弧故障检测分布。
在步骤758，响应于断定发生堆栈级并联电弧故障，控制节点的隔离开关(未示出)，以便安全地熄灭电弧。这可包括隔离任何电池，所述电池可根据需要，在提供期望的节点输出特性(浮动、短路、低功率或功率受限状态)的同时，在具有或不具有紧急电池放电的情况下向电弧馈送功率。在步骤760，响应于确定堆栈的测量的节点电流都彼此匹配，断定没有堆栈级并联电弧故障的确定。
系统级并联电弧故障检测
图8A是在正常操作期间没有电弧故障发生的示例性能量存储系统800的示意图。图8B是在系统级并联电弧故障发生期间图8A的示例性能量存储系统800的示意图。并联电弧故障由于预期电流路径的导体之间的非预期电流路径发生。如本文所使用的，系统级并联电弧是指从堆栈外部的点到堆栈外部的另一点的电弧，最常见的是电接地-有时称为接地故障。系统800包括多个BMS堆栈-堆栈1(Stack1)、堆栈2(Stack2)、堆栈3(Stack3)，这些堆栈通过具有电负载804的导体网络802并联联接。为了避免呈现的不必要的复杂性并促进解释的说明性清楚，省略堆栈的细节。然而，应当理解的是，例如，示例系统800可具有类似于图2的系统200的拓扑结构。在图8A所示的正常操作期间，当没有发生系统级并联电弧故障时，通过各个堆栈的电流的总和等于通过负载的电流：
ILOAD＝Istack1+Istack2+...+ISTACKN
可在堆栈控制器(未图示)内进行个别堆栈电流确定，诸如使用图3A的方法350或图3B的方法360。另外，可诸如从个别节点电流的平均值或中值来估计堆栈电流。然而，系统级并联电弧故障增加了并联电流，该并联电流使得各个堆栈电流的总和不等于通过负载的电流。例如，如图8B所示，如果在堆栈1(Stack1)内发生持续的并联电弧故障IARC1，则：
ILOAD＝[Istack1+Iarc1]+Istack2+...+ISTACKN
因而，在该说明性示例中，系统级并联电流故障IARC的发生使得负载电流IL与通过堆栈的电流的总和不匹配。
图8C是示出用于检测系统级并联电弧故障电流和对系统级并联电弧故障电流作出反应的方法850的说明性流程图。代码指令CAD1和CAd2用于配置图8A至图8B的系统的堆栈控制器(未示出)和主机控制器(未示出)，以执行图8C的方法。在步骤852，确定每个堆栈的电流值堆栈电流ISTACK1、...、ISTACKN。例如，根据图7B的步骤752来确定每个堆栈电流。在步骤854，与堆栈级电流测量同步地测量负载电流IL。
在一些实施方式中，诸如通过使用一个或多个低通滤波器对在步骤852和步骤854中获得的电流测量进行滤波，以去除由功率转换电路引入的噪声以及可能干扰电弧故障检测的相关谐波。在某些实施方式中，用于对测量的负载电流值进行滤波的一个或多个低通滤波器具有与用于对堆栈电流测量值和/或节点电流测量值进行滤波的一个或多个低通滤波器基本相同的带宽。
判定步骤856确定所测量的堆栈电流的总和是否等于负载电流。在各个堆栈处测量堆栈电流，且将堆栈电流测量传送到主机控制器212，以用于求和以及与负载电流比较。在一些实施方式中，在判定步骤856中考虑的电流中的至少一些进行滤波，以实现期望的电弧故障检测分布，诸如以类似于以上关于图7B的步骤754所讨论的方式。
再次参考图8C，在步骤858，响应于确定堆栈电流的总和不等于负载电流，断定发送系统级并联电弧故障。在示例系统800中，响应于高达一秒或更长的持续时间内的百分之一(1％)或更大、百分之二(2％)或更大、或甚至百分之五(5％)或更大的差异，实现确定不匹配。在步骤860，控制节点的隔离开关(未示出)，以安全地熄灭电弧。这可包括隔离任何能量存储单元，所述能量存储单元可根据需要在提供所需的节点输出特性(浮动、短路、低功率或功率受限状态)的同时，在具有或不具有紧急单元放电的情况下向电弧馈送功率。在步骤862，响应于确定堆栈电流的总和等于负载电流，实现确定没有系统级并联电弧故障。周期性地重复方法850。在示例系统800中的活动故障管理期间，方法850每秒、每几秒或每几分钟重复多次。可替代地，方法850可以以每天一次的顺序较不频繁地重复，以避免过度耗费计算机资源。
在一些实施方式中，堆栈控制器210和/或主机控制器212顺序地或同时地执行方法750和方法850，以实现分层并联电弧故障检测。更具体地，堆栈控制器210和/或主机控制器212执行方法750，以实现第一级并联电弧故障检测，即堆栈级并联电弧故障检测，以检测堆栈内的并联电弧故障。另外，堆栈控制器210和/或主机控制器212执行方法850，以实现第二级的并联电弧故障检测，即系统级串联并联故障检测，以检测堆栈外的并联电弧故障。因此，这些实施方式有利地能够在系统中的任何位置检测并联电弧故障，即在堆栈内和堆栈外检测并联电弧故障。另外，方法750和方法850可选地共享测量的堆栈电流值，这有助于最小化测量获取和处理需求。另外，分级串联电弧故障检测的概念可以以类似于以上关于图6C所讨论的方式进行扩展，以及包括附加级别。
运行、旁路、浮动和安全运行模式
图9A、图9B、图9C、图9D是示出在操作模式(图9A)、旁路模式(图9B)、浮动模式(图9C)和安全模式(图9D)中的示例BMS堆栈900的示例图。图9A、图9B、图9C、图9D中的每个节点均包括电池104、DC-DC转换器106、隔离开关256和节点输出短路开关257。每个节点均可(并且通常会)包括附加元件，诸如上文关于图1讨论的那些元件，但是为了清楚起见，在图9A、图9B、图9C、图9D中没有示出这些附加元件。在图9A所示的操作模式下，示例堆栈900的隔离开关256闭合，以将相应电池104连接至节点N1至NN内的相应DC-DC转换器106，该DC-DC转换器将相应电池104的电压转换为相应输出端口2601-260N处的相应节点输出电压V1、…、VN。堆栈的节点N1-NN的串联输出电压共同提供堆栈输出电压VSTACK，堆栈输出电压VSTACK等于堆栈的节点输出电压的总和：
VSTACK＝V1+V2+...+VN
在图9B所示的旁路模式下，示例堆栈的节点的隔离开关256打开以脱离电联接，并且将每个电池1041-104N与节点N1至NN内的相应DC-DC转换器106隔离，并且节点输出短路开关257闭合，使得每个节点均提供0V节点输出电压。结果，堆栈的节点共同提供堆栈输出电压VSTACK＝0V。
在浮动模式下，如图9C所示，示例堆栈的节点的隔离开关256打开以脱离电联接，并且将每个电池1041-104N与节点N1至NN内的相应DC-DC转换器106隔离，以及开关257打开(或不打开)，使得节点N1至NN的输出节点电压不联接至地而是浮动。浮动模式是对系统级串联电弧故障的优选响应，例如，因为浮动模式消除了电弧的电流路径，但是在堆栈上仍然存在电压降。在浮动模式下，堆栈为高阻抗且堆栈两端的电压由其负载确定。可替代地，一些实施方式还包括软短路开关259和电阻器261(在图9C中未示出)，软短路开关259和电阻器261串联电联接在每个节点的输出端口260上，如上面关于图1所讨论的。在这些实施方式中，软短路开关259在浮动模式期间闭合，以在堆栈900上提供受控阻抗。受控阻抗例如通过电阻器261的电阻值之和来确定。
在图9D所示的安全模式下，示例堆栈的第一节点子集的隔离开关256闭合，以将电池104联接至相应的DC-DC转换器106,DC-DC转换器106将电池电压转换为节点输出电压。在示例堆栈的节点的第二子集中，隔离开关256打开，以将电池104与相应的DC-DC转换器106和相关联的节点输出端口260隔离。另外，节点的第二子集的开关257闭合，使得第二子集的每个节点被旁路绕过。选择第一子集和第二子集内的节点的数目，使得第一子集的节点共同提供被限制为安全水平的输出电压、电流和功率，同时旁路绕过第二子集的节点。在示例性能量存储系统中，例如，典型的安全水平是30V、8A和240W。在图9D所示的示例性开关配置中，节点N1和NN在第一子集中，隔离开关256闭合，以将节点N1和NN的相关电池1041和104N联接至节点N1和NN各自的DC-DC转换器106，以及节点N2和N3在第二子集中，隔离开关256打开，以将节点N2和N3的相关电池1042和1043与节点N2和N3各自的DC-DC转换器106隔离。当堆栈900在其安全模式下操作时，每个节点均是第一子集或第二子集的成员。
在示例节点中，DC-DC转换器106由升压转换器电路来实现，下文将参考图11来描述，该升压转换器电路对电池104的电压进行升压，以产生大于电池104的电压水平的输出节点输出电压。例如，在示例BMS堆栈900中，每个节点均包括提供4V的电压的电池104，并且包括升压转换器，升压转换器标称地将电压升压到5V。另外，示例性堆栈900包括两百个节点，使得在正常操作模式(图9A)期间，堆栈两端的总电压为1000V。为了在安全模式(图9D)期间在堆栈900上实现30V的安全输出电压水平，包括6个节点的第一子集的隔离开关256闭合，以及包括剩余的一百九十四个节点的第二子集的隔离开关256打开。当堆栈900处于安全模式时，可改变第一子集和第二子集中的节点成员资格。在第一时间间隔期间，例如，可选择节点N1-N6(未全部示出)作为第一子集的成员，以及可选择剩余的节点作为第二子集的成员。在第二时间间隔期间，例如，可选择节点N7-N12(未示出)作为第一子集的成员，以及可选择剩余的节点作为第二子集的成员；在第三时间间隔期间，可选择节点N13-N18(未示出)作为第一子集的成员，以及可选择剩余节点作为第二子集的成员；以此类推。在一些实施方式中，节点成员资格在周期性基础上或响应于信号而改变，以改变堆栈电压或堆栈电流中的一个或多个。
在替代实施方式中，每个DC-DC转换器106均能够降低堆栈电压，并且堆栈900通过使每个DC-DC转换器106降低其输出电压而以其安全模式操作，使得Vstack是安全电压。例如，如果N等于100而使得存在一百个节点，则在安全模式下，每个DC-DC转换器106均可将其相应的电池电压转换为0.1伏的节点电压，使得Vstack是10伏的安全电压。
在正常操作模式期间，堆栈900可用于提供向电负载提供正常功率水平所需的规定电压，例如，该规定电压对于美国住宅电池能量存储系统可为大约600V，对于公用事业规模的应用可为大约1000V-1500V。在旁路模式下，每个节点输出电压均进行短路，使得整个堆栈连接至电接地。可替代地，在浮动或开路模式下，所有节点均可保持浮动(即未联接至地)或处于预定阻抗值。旁路模式和浮动模式都可为安全的，但是由于节点是不可操作的，因此不存在关于单个节点或堆栈是否实际上可操作(即，准备正常操作)的可见性。安全模式允许观察每个节点的操作，以确定适当的系统操作和互连，同时保持总的安全电压和功率水平。另外，在安全模式下的活动节点的旋转，诸如通过改变如上所述的第一子集和第二子集的成员关系，促进了非功能节点的快速识别，因为在活动节点旋转期间的堆栈输出电压降指示一个或多个非功能节点。因此，安全模式对于安装和维护特别有用。安全模式也可通过消除消防员暴露于危险的高电压和电流的潜能而有利于消防。
图9E是示出图9A至图9D的示例堆栈900如何在操作模式、旁路模式、浮动节点和安全模式之间转换的示例的故障响应状态图950。代码指令CSM1和CSM2用于配置堆栈控制器(未示出)和主机控制器(未示出)以在模式之间转换。状态952是正常充电/放电模式，状态952在一些实施方式中等同于以上关于图9A讨论的操作模式。堆栈900可从正常充电/放电模式952转换到旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个，诸如响应于检测故障。这种故障的示例包括但不限于通信子系统或能量存储系统200的其它子系统的电弧故障或失效。例如，堆栈900可配置成响应于检测到缺陷堆栈中的串联电弧故障而将缺陷堆栈从正常充电/放电模式952转换到浮动模式956，诸如使用上文论述的方法550。在浮动模式下操作将熄灭有缺陷堆栈中的电弧，同时允许剩余的堆栈继续操作，从而确保安全性，同时最小化电弧故障对系统操作的影响。另外，该系统可配置为响应于检测到系统级串联电弧故障，诸如使用上述方法650，将所有堆栈从正常充电/放电模式952转换到旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个。旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个均将熄灭电弧，尽管该系统将不能操作，直到系统缺陷被修复。
另外，堆栈900可配置成响应于检测到缺陷堆栈内的并联电弧故障而将缺陷堆栈从正常充电/放电模式952转换到浮动模式956，诸如使用上文论述的方法750。在浮动模式下操作将熄灭有缺陷堆栈中的电弧，同时允许剩余的堆继续操作，从而确保安全性，同时最小化电弧故障对系统操作的影响。另外，堆栈可以以如以上关于图7A所讨论的方式来识别电弧位置，以加速缺陷堆栈修复。另外，该系统可配置为响应于检测到系统级并联电弧故障，诸如使用上述方法850，将所有的堆栈从正常充电/放电模式952转换到旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个。旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个均将熄灭电弧，尽管系统将不能操作，直到系统缺陷被修复。另外，堆栈900可响应于用户命令，诸如准备进行系统维护或服务，响应于该系统附近的紧急情况(例如，火灾)或出于任何其它原因，而从正常充电/放电模式952转换到旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任一个。
堆栈900也可从旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个转换回正常充电/放电模式952，诸如当确定该系统安全无电弧、短路或其它缺陷时，或响应用户命令。另外，虽然在图9E中未示出，堆栈900的一些实施方式能够从旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的任何一个转换到这些模式中的任何其它一个，而无需首先转换到正常充电/放电模式952。
应当理解的是，本系统和方法不仅提高了安全性，而且还实现了显著的附加优点。例如，在一些实施方式中，不需要响应于故障或其它异常而关闭整个能量存储系统。相反，能量存储系统的有问题的部分可被禁用和/或与能量存储系统的其余部分隔离，从而允许能量存储系统继续安全地操作，尽管容量减小。例如，在一些实施方式中，可通过打开隔离开关256来将有缺陷的电池104与健康电池104隔离，以及可通过闭合节点输出短路开关257来旁路绕过电池的相应节点，从而使得能量存储系统能够带着与健康电池104隔离的有缺陷的电池104安全地操作。另外，有缺陷的电池104可选地进行安全放电，诸如使用下面讨论的装置。作为将有缺陷的能量存储系统部分与系统剩余部分隔离的另一示例，可通过将有缺陷的堆栈从其正常充电/放电模式952转换到其浮动模式956来将有缺陷的堆栈与健康堆栈隔离，从而在不干扰健康堆栈操作的情况下禁用有缺陷的堆栈。因此，本系统和方法有助于最小化能量存储系统停机时间，这通过减少甚至消除对冗余能量存储系统的需求来提高能量存储系统的可靠性和经济性。
另外，本系统和方法有利地有助于最小化正在进行的能量存储系统操作和维护费用，这可为常规能量存储系统中的总寿命成本的百分之五到百分之十。例如，安全模式958允许能量存储系统部分或乃至整个能量存储系统继续在低功率状态下操作，而不管故障或其它异常的存在。这种低功率操作可显着地使定位故障更容易，因为在加电系统中定位故障通常比在非加电系统中容易得多。另外，如上所述，一些实施方式可识别能量存储系统中的电弧故障的位置，这可进一步加速故障诊断和修复。另外，一些实施方式配置为响应于故障或其它异常的发生而自动地向第三方发送信号，例如，向能量存储系统服务公司发送信号。该信号例如可识别故障类型以及故障的位置，从而使得第三方能够远程评估故障修复的紧迫性和替换部件的需求，这进一步促进了高效和经济的能量存储系统操作和维护。
另外，尽管存在故障，能量存储系统仍可继续安全地运行的事实减少了对不在计划内的系统维护和修理的需求，这也有助于最小化运行和维护成本。例如，常规能量存储系统中的有缺陷的电池可能需要关闭整个系统，从而需要紧急的服务拜访来替换有缺陷的电池，并使得能量存储系统能够返回到操作。相反，在本系统和方法的某些实施方式中，可将有缺陷的电池104与健康的电池104隔离，使得能量存储系统可继续安全地操作，从而使得能够推迟电池替换，直到定期安排的维护拜访。
另外，本系统和方法能够采取比常规能量存储系统更积极的安全措施，从而进一步提高安全性。特别地，在常规能量存储系统中的故障或其它异常的识别通常需要如上所述关闭整个能量存储系统。因此，传统的能量存储系统必须保守地识别故障，以防止错误的故障识别，这需要关闭整个能量存储系统，昂贵且不方便。相反，本系统和方法使得故障或其它异常能够通过仅关闭能量存储系统的部分来解决，例如仅关闭单个节点或仅关闭单个堆栈，这允许能量存储系统的其余部分继续工作。因此，在现有的能量存储系统中错误故障识别的成本比在传统的能量存储系统中低，这允许比传统的能量存储系统更积极地进行故障检测。
识别不安全的电池
电池本身可能变得不安全。例如，镀锂、枝晶生长和机械短路都可能导致间歇性的电池级电弧或短路。不安全的电池的持续运行是危险的，并且可能导致危险的电流水平、热失控和火灾。如这里所使用的，不安全电池是电性能表明不安全风险的电池，即使电池装置还没有超过绝对限制并因此还没有失效。不安全节点的早期识别允许进行预防性动作，诸如将电池从节点断开，将电池放电到安全充电或电压状态，关闭整个系统，以及在发生潜在灾难性电池故障之前更换不安全电池。不安全风险的电信号可通过电池对诸如主机控制器命令和负载变化的外部刺激的意外电响应来识别。诸如热、电化学和等效电路模型的电池模型用于描述预期的电响应，等效电路模型诸如为充电状态(SOC)模型。还可通过观察电信号来实验确定不安全单元的电信号，因为在类似的单元中诱发已知的故障模式。可在实验采集的数据或跳动场(fleetwide field)数据上训练机器学习算法，以提高不安全风险检测算法的灵敏度和准确性，或减少错误故障的有害标记。
图10是示出用于在不安全电池进入热失控之前检测不安全电池的方法1050的示意图。方法1050例如由节点100的处理器电路217-2、堆栈的堆栈控制器210和/或主机控制器212来执行。在步骤1052，测量单元电压(V)、电流(I)和温度(T)，诸如使用以上关于图1讨论的技术。步骤1054将瞬时VIT测量与来自电池模型的预期值进行比较，以及如果任何瞬时值超出预期范围，则标记不安全的电池。例如，低于预期的电压读数和/或高于预期的电流读数和/或高于预期的温度读数都可指示间歇性的短路或电弧(状态1056)，从而提示将不安全电池与系统断开的故障响应，和/或取决于故障响应的严重性，提示紧急电池放电(如下所述)。
如果瞬时VIT读数不是不安全电池的指示，则将V、I和T的变化率与来自电池模型的预期值或其它阈值进行比较，以识别不安全电池。例如，将未由来自主机控制器212的命令解释的V、I和/或T的快速变化或负载204的变化标记为不安全电池，从而提示故障响应。
步骤1054和步骤1058的顺序可互换，或两个步骤可同时执行。步骤1058也可在频域中执行，其中将V、I、T序列的快速傅立叶变换与期望值相比较。
例如，从电池104的模型确定在步骤1054和步骤1058中考虑的期望值。每个电池均可具有其各自的模型或“数字双胞胎”。在一些实施方式中，至少部分地从来自能量存储系统200的BMS节点的VIT测量导出电池104的模型。电池104的模型的示例包括但不限于电池104的等效电路模型、电池104的充电状态模型和电池104的热模型。在一些实施方式中，使用诸如通过卡尔曼滤波或类似过程来细化模型中的一个或多个，其中估计电池104模型参数并随后响应于测量值而进行更新。
另外，能量存储系统200的一些实施方式使用来自其它能量存储系统的数据来执行一个或多个功能，诸如生成电池模型、检测不安全电池、检测电弧故障或确定故障响应。例如，在某些实施方式中，堆栈控制器210示例和/或主机控制器212将系统数据1502发送至电池数据处理引擎1500，如图15所示。在一些实施方式中，电池数据处理引擎1500在能量存储系统200的外部。例如，电池数据处理引擎1500可由计算机服务器实现，或由能量存储系统200外部的分布式计算系统实现。在一些其它实施方式中，电池数据处理引擎1500是能量存储系统200的部分。例如，在特定实施方式中，电池数据处理引擎150由主机控制器212实现。
发送至电池数据处理引擎1500的系统数据1502表示能量存储系统200的一个或多个特性。例如，系统数据1502可包括节点VIT数据、故障状态和/或关于能量存储系统200的信息，诸如能量存储系统200中的电池104的类型、能量存储系统200中的电池104的配置、能量存储系统200中的电池104的制造信息、能量存储系统200中的电池104的操作历史、能量存储系统中的电池104的维护历史等。在从能量存储系统200发送至电池数据处理引擎1500之前，可选地对系统数据1502进行加密、压缩和/或预处理(例如，识别各种降级机制)。
电池数据处理引擎1500将系统数据1502与聚集数据1504进行比较，以找到两个数据集之间的共同特性。聚集数据1504包括来自多个能量存储系统的数据，例如来自数十、数百或乃至数千个能量存储系统。电池数据处理引擎1500可选地将其从能量存储系统接收的信息添加到聚合数据1504，使得聚合数据1504随时间增长。系统数据1502和聚集数据1504之间的共同特性的示例包括但不限于：在相同或相似条件下操作的电池、具有相同或相似操作持续时间的电池、具有相同或相似能量吞吐量的电池、来自共同制造批次的电池、具有相同或相似安装的电池、在相同或相似条件下存储的电池、具有相同或相似维护历史的电池、以及具有类似电弧故障特征的电池。在一些实施方式中，电池数据处理引擎1500使用自学习方法(例如，机器学习、深度学习或乃至多模式机器学习)来识别系统数据1502与聚集数据1504之间的共同特性。
电池数据处理引擎1500随后从系统数据1502和聚集数据1504之间的共同特性识别可应用于能量存储系统200的数据(可应用数据1506)。更具体地，电池数据处理引擎1500将与具有与能量存储系统200共有的特性的能量存储系统相关联的聚集数据1502中的数据标识为可应用数据1506。例如，电池数据处理引擎1500可识别来自能量存储系统的数据作为可应用数据1506，该能量存储系统具有与能量存储系统200相同类型的电池。作为另一示例，电池数据处理引擎1500可将来自在与能量存储系统200类似的条件下操作的能量存储系统的数据识别为可应用数据1506。可应用数据1506可间接地或直接地和与具有与能量存储系统200的即将来临的特性的能量存储系统相关联的数据相关。在一些实施方式中，电池数据处理引擎1500使用自学习方法(例如，机器学习、深度学习或乃至多模式机器学习)来从聚合数据1504识别可应用数据1506。
电池数据分析引擎1500将可应用数据1506发送至能量存储系统200，诸如发送至主机控制器212和/或一个或多个堆栈控制器210。能量存储系统200可选地使用可应用数据1506来管理能量存储系统200的一个或多个方面。例如，在特定实施方式中，主机控制器212和/或堆栈控制器210使用可应用数据1506来建立或细化电池104的模型，诸如控制电池充电/放电或用于不安全的电池识别和相关联的故障响应。作为另一示例，在某些实施方式中，主机控制器212和/或堆栈控制器210使用可应用数据1506来检测和响应电弧故障。例如，可应用数据1506可包括用于类似于能量存储系统200的能量存储系统的电弧故障特征和相关联的故障响应，以及这种特征可分别在电弧故障检测方法550、650、750和850中的判定步骤556、656、754和/或856以及减轻步骤560、662、664、758和/或860中使用。例如，可至少部分地基于可应用数据1506中的电弧故障特征来确定在判定步骤556、656、754和/或856中使用的低通滤波器值，以实现电弧故障检测简档，该电弧故障检测简档进行优化以用于检测可应用数据1506中的电弧故障特征。作为另一示例，从正常充电/放电模式952转换到旁路模式954、浮动模式956和安全模式958中的一个的决定(图9)可至少部分地基于具有类似故障情况的先前经验，如由电池数据分析引擎1500确定并经由可应用数据1506传送到能量存储系统200。
使不安全节点放电
被认为不安全的电池只要被充电就可能存在危险。例如，高度充电的电池提高了短路和电弧故障的风险，并且高度充电的电池比轻微充电的电池更可能经历热失控。因此，希望对不安全的电池或通过故障系统以不受控制的方式充电或放电的电池进行放电。以下放电电路使得节点能够安全地对节点本身内的电池进行放电。示例放电电路配置为响应于如上所述的电池或系统不安全的确定，或响应于对电池进行放电的命令，诸如准备执行系统维护或服务，对电池104进行放电。
图11是在示例节点100中用作DC-DC转换器106的第一示例双向DC-DC转换器电路1100的说明性电路图。DC-DC转换器电路1100在放电期间用作升压转换器，以及在充电期间用作降压转换器。第一转换器1100包括第一晶体管开关1102，第一晶体管开关1102包括第一寄生体二极管1118。第一开关1102联接在正电源总线端子251和电路节点X之间。选择第一晶体管开关1102的源极和漏极端子，使得第一体二极管1118将电流从电路节点X传导到正电源总线端子251。换言之，第一寄生二极管1118具有从电路节点X朝向正电源总线端子251的正向偏置二极管电流流动方向。DC-DC转换器1100包括第二开关1110，第二开关1110包括第二寄生体二极管1120。第二开关1110联接在电路节点X和负电源电池设备端子253之间。第二寄生二极管1120具有从负极电池设备/总线端子253朝向电路节点X的正向偏置二极管电流流动方向。第一开关1102和第二开关1110连同电感器1122共同形成DC-DC转换器核心，其在使电池104放电时作为升压转换器工作，以及在对电池104充电时作为降压转换器工作。
第三晶体管开关1134包括第三寄生体二极管1142，并且串联联接在正极电池设备端子252和电路节点X之间，与电感器1122串联。第三寄生二极管1142具有从电路节点X朝向电池104的正向偏置二极管电流流动方向。第三开关1134用作电池隔离(或断开)开关，因此第三开关1134是图1的电池隔离开关256的实施方式。电感器1122电联接在第三电路开关1134和电路节点X之间。电容器1189联接在电感器1122的第二端子和负电源电池设备端子253之间。电容器1194联接在正端子251和负端子253之间。
包括第四寄生体二极管1180的可选的第四晶体管开关1172联接在正电源总线端子251和负电源电池设备/总线端子253之间。第四体二极管1180具有从负电源电池装置/总线端子253朝向正电源总线端子251的正向偏置二极管电流流动方向。第四开关1172用作节点输出短路开关，以在电池断开时提供串联节点的连续性。只要第三开关1134断开，就可通过在IL已经倾斜到零之后接通开关1102和1110来代替开关1172的功能。因此，第四开关1172是图9A至图9D的开关257的实施方式。DC-DC转换器可选地还包括图1的软短路开关259和电阻器261(图11中未示出)。
DC-DC转换器1100还包括辅助放电电路1182，辅助放电电路1182提供限流辅助电路，以对电池104进行安全放电。辅助放电电路包括第五晶体管开关1186，第五晶体管开关1186包括体二极管1192，并与电阻器1184串联电联接，电阻器1184的值选择为将放电电流限制到可接受的值。在辅助放电操作期间，第三开关1134关闭(断开)以将电池104与电感器1122隔离。第五开关1186接通(闭合)，使得电流可从电池104通过正电池设备端子252通过电阻器1184流至负电源电池设备端子253，以通过电阻器1184对电池104进行安全放电。第三开关1134可由一个或多个不同的晶体管实现，或由另一种类型的开关设备实现，诸如继电器或接触器，而不脱离本发明的范围。
图12是在示例节点100中用作DC-DC转换器106的第二示例双向DC-DC转换器电路1200的说明性电路图。为了描述效率，将不再描述与图12的第一转换器电路1000的组件相对应的第二转换器电路1200的组件。电池放电电路1220包括(a)具有寄生二极管1292的第五开关1286和(b)电流控制电路1293，电流控制电路1293包括放大器电路1294，放大器电路1294联接成控制第一开关1286，从而以可选电流对电池104放电。在一个实施方式中，电流固定以在诸如1小时(1C放电)至15分钟(4C放电)的预定时间周期内对完全充电的电池进行放电。在另一实施方式中，控制电流以调节电池或电路温度，从而促进快速且安全的放电。在辅助放电模式操作期间，第三开关1134被关闭(断开)，以及放大器1294控制第五开关1286作为电流源，从而如上所述地安全地对电池104放电。
可替代地，处理器117-2、堆栈控制器210和/或主机控制器212可利用现有负载并在最有利时间使电池脱机，以实现安全放电，同时仍向负载204输送能量。在该实施方式中，不需要额外的放电电路。一旦识别出不安全的电池，该电池就不会被充电。相反，使该电池脱机，直到一个或多个常规放电循环将该电池放电到安全SOC或电压，例如低于约20％的充电状态。可选地将放电控制在与健康单元的放电速率不同的速率。例如，对于在SOC的存储中发生故障的风险较大的电池，可认为需要较高的放电速率。对于具有异常高串联电阻的电池，可认为需要较低的放电速率，以避免自发热。一旦安全地放电，电池就可在其低SOC状态下保持旁路，直到检查和可能的修理或替换。例如，通过控制电池104的相应DC-DC转换器106以改变节点输出电压，即输出端口260两端的电压，来控制电池104的放电速率。例如，通过控制DC-DC转换器106使得节点输出电压大于堆栈中其它节点的电压，可提高电池104的放电速率，以及通过控制DC-DC转换器106使得节点输出电压小于堆栈中其它节点的电压，可降低电池104的放电速率。
图13A是在示例节点100中使用的简化的示例双向DC-DC转换器电路1300的说明性电路图。转换器电路的细节将从对图11的描述中理解。图13B至图13C是示出对不安全的电池装置进行放电的过程的说明性信号图。在正常操作期间，电池104通过负载放电和充电，如图13B所示。相反，在放电操作模式期间，DC-DC转换器1300操作以尽可能快地将不安全电池104放电到负载204中，同时避免灾难性故障。在充电操作期间，不安全电池104由DC-DC转换器1300旁路，诸如通过断开开关1134和接通开关1172，使得当其它电池装置进行再充电时电池104不进行再充电，如图13C所示。电池104在随后的放电循环中继续放电，直到达到所需的安全电压或充电状态。DC-DC转换器1300的这种单向操作，即，使得电池104只参与放电循环，在期望最小化对有缺陷的电池进行寻址的成本的情况下，诸如在电池104只可能有缺陷或只轻微有缺陷的情况下，这种单向操作可能特别有用。
再次参考图1和图2，在一些实施方式中，处理器电路217-2、堆栈控制器210和/或主机控制器212配置为向负载204发送命令，以及负载204配置为响应于这些命令执行一个或多个动作。例如，在特定实施方式中，处理器电路217-2、堆栈控制器210和主机控制器212中的一个或多个配置为向负载204发送命令以增加其功耗，以及负载204配置为相应地响应于确定电池不安全和/或响应于执行电池104的受控放电的信号而加速一个或多个电池104的安全放电。另外，在一些实施方式中，处理器电路217-2、堆栈控制器210和/或主机控制器212配置为向负载204发送命令，以设置电压VL和/或电流IL的幅度，从而使得能量存储系统200能够进一步控制一个或多个电池104的放电。在某些实施方式中，处理器电路217-2、堆栈控制器210和主机控制器212中的一个或多个配置成经由至负载204的命令来动态地控制电压VL和/或电流IL的幅度，诸如，根据一个或多个电池或节点参数。这些参数的示例包括但不限于电池104温度、电池104充电状态、电池104退化状态、电池104健康状态和电池104安全特性。另外，处理器电路217-2、堆栈控制器210和/或主机控制器212可配置成响应于一个或多个电池104处于安全状态，如响应于电池电压或电池充电状态超过阈值，而命令负载204降低功率消耗，调节电压VL和/或电流IL。
另外，在负载204是光伏设备或光伏系统的一些实施方式中，处理器电路217-2、堆栈控制器210和/或主机控制器212配置为命令一个或多个堆栈中的节点将电压VL设置为足够高的值，以将电力从一个或多个电池104传递至光伏设备或系统104，从而促进电池104的安全放电。另外，在这些实施方式中，处理器电路217-2、堆栈控制器210和/或主机控制器212可选地配置为命令一个或多个堆栈中的节点在安全电池104放电期间将电流IL的幅度设置为期望值，以便加速电池104放电，同时不使光伏设备或系统过载。
节点隔离
图14A是示出在断开状态下缺少反向电压故障模式保护的堆栈的示例性串联节点NN和NN-1的部分的说明性电路图。在浮动断开状态下，所有开关都被断开(打开)。图14B是示出在浮动断开状态下的反向电压短路故障期间图14A的堆栈的节点NN和NN-1之间的短路电流流动的说明性电路图。换言之，图14B示出尽管隔离开关1434断开，但反向电压(从一个电池的正端子到下面的节点的负端子的短路)未受保护。未受保护的反向电压导致电池短路，通过开关1410和1402的体二极管1420和1418具有大电流，这可能导致热失控，并导致火灾。
每个节点N均包括具有正端子1462和负端子1464的电池104、电容器1489、电容器1448、电容器1466、电感器1422、包括体二极管1418的第一开关1402、包括体二极管1420的第二开关1410、以及包括体二极管1434的第三开关1434。为了说明清楚起见，未标记这些元件中的一些示例。第一开关1402、第二开关1410和电感器1422形成DC-DC转换器1460的核心，该DC-DC转换器1460包括输出端口260，该输出端口260配置成用于与附加节点N串联地电联接。第三开关1434电联接在电池104的正端子1462和DC-DC转换器1460之间，并且配置为选择性地使电池1434与DC-DC转换器1460连接和断开连接。在一些替代实施方式中，第三开关1434代之以电联接在电池104的负端子1464与DC-DC转换器1460之间。在一些实施方式中，处理器电路217-2可选地借助于堆栈控制器210和/或主机控制器212来控制每个节点的开关。
参考图14A，在正常操作期间，每个电池104均提供例如VBAT＝～3.6V的电压。当处于断开状态时，第一开关1402、第二开关1410和第三开关1434中的每个都关闭(断开)。在示例堆栈中，如果在节点的输出-在相应的节点正负输出端子251N-1和253N-1之间，施加范围为-1V的负电压，则节点NN-1可能失效。临界节点电压由两个体二极管1418、1420的正向电压之和(2×～0.5V)给出。如果在节点NN-1处达到临界节点电压，则大电流可流过两个体二极管1418和1420，并最终造成对示例节点NN-1和/或节点NN的永久损坏。例如，节点NN的电池104快速放电，这可能导致热失控。
参考图14B，在示例故障模式期间，节点NN的正电池设备端子252N被短路到节点NN-1的负电源端子253N-1。二极管1418、1420两端的负电压变得等同于电池104的电压，例如大约3.6V。第一体二极管1418和第二体二极管1420被正向偏置，并且不受控制的电流可流过第一体二极管1418和第二体二极管1420。异常电联接1468导致短路电流1470，短路电流1470从节点NN的正电池装置端子252N通过二极管1418和1420流到节点NN-1的负电源端子253N-1。异常电联接1468可由短路引起，例如，诸如使两者短路的松线片段。节点NN的电池104将电流和功率馈送到短路。如果短路施加足够长的时间，大约几秒，则可能引起灾难性的故障，例如火灾。在第三开关1434电联接在电池104的负端子1464和DC-DC转换器1460之间的替代实施方式中，如果正极电池装置端子252N短路到节点NN-1的电池的负端子1464，即使第一开关1402、第二开关1410和第三开关1434中的每个均关闭(断开)，短路电流也可在节点NN和NN-1之间流动。
图14C是示出BMS堆栈的示例性串联连接节点NN和NN-1的部分的说明性电路图，其包括在故障模式操作期间处于断开状态的隔离开关1452形式的第一示例性反向电压故障模式保护电路，隔离开关1452包括体二极管1458。图14D是示出在断开状态下，在来自反向电压的短路故障期间，图14C的堆栈的节点之间的被阻塞的短路流的说明性电路图。为了描述效率，对应于图14A至图14B中所描述的电路组件的、图14C至图14D中所示的电路组件将不再解释。
参考图14C，示例节点NN-1包括隔离开关1452，隔离开关1452包括第一端子1454和第二端子1456。隔离开关1452的第一端子1454联接至第二开关1410。隔离开关1452的第二端子1456联接至节点NN-1的电池104的负电源端子1464。因而，隔离开关1452与节点NN-1的电池104的负电源端子1464串联联接。这种串联布置的优点在于，接地栅极驱动易于实现n沟道型开关；该开关也可为低电压，其额定电压高于电池的电压。隔离开关1452被定向为使得其体二极管1458不提供用于短路电流1471的路径。具体地，体二极管1458的阳极连接至电池104的负端子1464，以及体二极管1458的阴极连接至DC-DC转换器1460。可替代地，隔离开关1452可用不包括体二极管的开关设备代替。类似地，示例性节点NN(以及BMS堆栈的其它节点中的每个)包括类似地联接的隔离开关1452和相关联的体二极管1458。
参照图14D，在示例性故障模式期间，示例性节点NN的正电源总线端子252N具有与节点NN-1的负电源端子253N-1的异常电联接1468。异常连接1468产生异常电流1471从节点NN的正极电池设备端子252N通过二极管1418和1420流到节点NN-1的负极电源端子253N-1的风险。然而，如虚线1473所示，开路隔离开关1452防止短路电流从节点NN的电池104的正电源端子252N流到节点NN-1的负电源端子253N-1。因而，节点NN的电池104不能馈送短路，并且保护了堆栈。隔离开关1452在正常充电/放电操作期间闭合。
隔离开关1452可用一个或多个替代的隔离开关来代替，在与节点NN-1短路的情况下，该一个或多个替代的隔离开关还防止电流流过节点NN的电池104。例如，图14E是示出BMS堆栈的示例性串联连接节点NN和NN-1的部分的说明性电路图，该部分包括在故障模式操作期间处于断开状态的隔离开关1472形式的第二示例性反向电压故障模式保护电路，隔离开关1472包括体二极管1478。为了描述效率，对应于图14A至图14D中所描述的电路组件的、图14E中所示的电路组件将不再解释。示例节点NN-1包括具有第一端子1474和第二端子1476的隔离开关1472。隔离开关1472的第一端子1474联接至节点NN-1的第一开关1402的第一端子1404。隔离开关1472的第二端子1476联接至节点NN的负电源端子253N。隔离开关1472被定向为使得其体二极管1478不提供用于短路电流1485的路径。具体地，体二极管1478的阴极连接至输出端口260N-1的正端子251N-1。可替代地，隔离开关1472可用不包括体二极管的开关设备代替。
在正常节点操作期间，电池104电流不连续地流过隔离开关1472；相反，只有当开关1410处于其断开或非导通状态时，电流才流过隔离开关1472。因此，假设等效的操作条件，流经隔离开关1472的电流的均方根(RMS)值将小于流经图14D的隔离开关1452的电流的RMS值。因此，对于相同的开关导通损耗，图14E的隔离开关1472可具有比图14D的隔离开关1452更大的导通电阻。在一些实施方式中，隔离开关1472是n沟道场效应晶体管或p沟道场效应晶体管，取决于栅极驱动器电路设计。
仍然参考图14E，在示例故障模式下，示例节点NN的正总线端子252N具有与节点NN-1的负电源端子253N-1的异常电接触1468。异常连接1468产生了异常电流1485从节点NN的正电池装置端子252N通过二极管1418和1420流到节点NN-1的负电源端子253N-1的风险。然而，如虚线1489所示，开路开关1472防止电势1485电流从节点NN的电池104的正极电池端子252N流到节点NN-1的负极电源端子253N-1。因而，节点NN的电池104不能馈送短路。节点NN可选地还包括类似于节点NN-1的隔离开关1472(未示出)。
在第三开关1434电联接在电池104的负端子1464和DC-DC转换器1460之间而不是电池104的正端子1462和DC-DC转换器1460之间的实施方式中，隔离开关1472还防止短路电流流动。例如，图14F是示出BMS堆栈的示例性串联连接节点NN和NN-1的部分的说明性电路图，该部分包括在故障模式操作期间处于断开状态的隔离开关1472形式的第二示例性反向电压故障模式保护电路。为了描述效率，对应于图14A-14E中所描述的电路组件的、图14F中所示的电路组件将不再解释。在该示例中，第三开关1434电联接在电池104的负端子1464和DC-DC转换器1460之间。
在示例故障模式下，示例节点NN的正总线端子252N具有与节点NN-1的电池104的负端子1464的异常电接触1490。异常连接1490产生从节点NN的正极电池设备端子252N通过节点NN-1的二极管1418和节点NN的二极管1420的异常电流1495的风险。然而，如虚线1489所示，开路开关1472防止电势电流1495流动。
所属领域的技术人员应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对示范性能量存储系统、电池管理系统节点和相关联的方法进行修改。例如，基于电路的对偶性原理，示例性DC-DC转换器的变化可通过适当的用电感器代替电容器(以及用电容器代替电感器)，用电流代替电压，以及串联代替并联配置，同时仍然实现期望的功能，并且认为这样的变化落在根据本文给出的教导的本公开的范围内。例如，可修改图11的DC-DC转换器1100，使得DC-DC转换器在电池104充电期间充当升压转换器，以及DC-DC转换器在电池104放电期间充当降压转换器。作为另一示例，DC-DC转换器1100可用降压-升压转换器代替，以实现电池电压到节点电压的升压和降压转换。
提供上述描述是为了使本领域的任何技术人员能够创建和使用安全电池能量管理系统、安全电池管理系统节点和相关方法。对于本领域的技术人员来说，对实施方式的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可将这里定义的一般原理应用于其它实施方式和应用。在前面的描述中，出于解释的目的阐述了许多细节。然而，本领域的普通技术人员将认识到的是，可在不使用这些具体细节的情况下，实践本公开中的实施方式。在其它情况下，以框图形式示出了公知的过程，以便不会由于不必要的细节而使本发明的描述模糊。在不同附图中，相同的附图标记可用来表示相同或相似的部件的不同视图。因而，根据本发明的示例的上述描述和附图仅仅是对本发明原理的说明。因此，应当理解的是，本领域的技术人员可对实施方式进行各种修改，而不脱离在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于安全操作能量存储系统的方法，所述能量存储系统包括电联接在一起的多个电池管理系统节点，所述方法包括：
在所述多个电池管理系统节点中的第一电池管理系统节点处，接收指示所述第一电池管理系统节点中的第一电池处于不安全故障的风险的安全信号；以及
响应于在所述第一电池管理系统节点处接收到所述安全信号，操作所述第一电池管理系统节点以引起所述第一电池的受控放电，使得将所述第一电池放电至比所述多个电池管理系统节点中的第二电池管理系统节点的第二电池更低的充电状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，操作所述第一电池管理系统节点以引起所述第一电池的受控放电包括：将电阻器电联接至所述第一电池管理系统节点内的所述第一电池。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，操作所述第一电池管理系统节点以引起所述第一电池的受控放电包括：经由电流源对所述第一电池进行放电，所述电流源位于所述第一电池管理系统节点内且电联接至所述第一电池。
4.一种用于安全操作能量存储系统的方法，所述能量存储系统包括电联接在一起的多个电池管理系统节点，所述方法包括：
接收指示所述多个电池管理系统节点中的第一电池管理系统节点的第一电池不安全的信号；
响应于接收到指示所述第一电池不安全的信号，在所述第一电池管理系统节点内执行所述第一电池的受控放电；以及
响应于接收到指示所述第一电池不安全的信号，命令电联接至所述能量存储系统的负载增加从所述能量存储系统汲取的功率。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：响应于所述第一电池的参数超过阈值，命令电联接至所述能量存储系统的所述负载改变从所述能量存储系统汲取功率的幅度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一电池的所述参数包括所述第一电池的充电状态(SOC)和所述第一电池的电压中的一个。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，电联接至所述能量存储系统的所述负载包括逆变器。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于在所述第一电池管理系统节点处接收到所述安全信号，禁止对所述第一电池进行充电。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于在所述第一电池管理系统节点处接收到所述安全信号，提高所述第一电池的放电速率。
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