CN116724241A - 电池系统拉弧检测方法、检测装置和电池储能系统 - Google Patents

电池系统拉弧检测方法、检测装置和电池储能系统 Download PDF

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Abstract

一种电池系统拉弧检测方法、装置和电池储能系统。电池系统拉弧检测方法为：对电池系统的端电压和充放电电流进行采样，对电池系统的端电压进行两次采样并计算第一电压差值，对电池系统的端电压和用电负载的端电压进行采样并计算第二电压差值(S101)，对采样到的数据进行时域、频域分析而得到对应的时域频域特征值(S102)，基于时域频域特征值和第一、二电压差值判断是否符合拉弧特征，从而确定电池系统是否出现拉弧故障(S103)。电池系统拉弧检测方法、装置和电池储能系统可以可靠、准确地针对电池系统进行拉弧检测，从而可以提高安全性，防止由于拉弧故障引发火灾。

Description

电池系统拉弧检测方法、检测装置和电池储能系统 技术领域
本发明属于电弧检测技术领域，具体涉及一种用于检测电池系统拉弧的方法和装置，以及具有拉弧检测功能的电池储能系统。
背景技术
随着各类绿色、清洁的新能源发电技术的发展，各类电池储能系统的应用越来越广泛。与光伏发电系统类似，电池储能系统也是一种直流系统，直流电弧这种高危害且不易检测的故障类型同样有可能发生在电池储能系统中。
对电池系统进行拉弧检测，可以预防部分直流电弧引起的事故，提高电池系统的安全性，保护用户的生命财产安全，所以针对电池储能系统进行拉弧检测是十分必要的。但目前，针对电池储能系统进行拉弧检测的研究较少，目前的检测策略比较刻板，无法确保电池系统电弧的漏检测或误检测，比如专利公开号为CN 110048375A的中国发明申请，其采用的手段为采样电池系统内各个电气连接点的电信号，根据电信号的频域幅值来判断电池系统内是否发生了电弧故障。但是，该现有技术忽略了储能系统在外接负载的情况下，工况的变化，比如充放电电流快速变化、充放电模式快速切换可能会造成电池系统内电气连接点电信号的波动，从而导致电池系统电弧故障的误检测或者漏检测。
现有技术中缺少一种准确可靠的电池系统电弧故障检测的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对电池系统(储能系统)进行拉弧检测，从而保障电池系统(储能系统)安全性的电池系统拉弧检测方法和装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电池系统拉弧检测方法，用于检测电池系统是否出现拉弧故障，所述电池系统拉弧检测方法包括：
对所述电池系统的端电压进行两次采样并计算电压差值以作为第一电压差值，及/或对所述电池系统的端电压和所述电池系统所连接的用电负载的端电压在同一时刻进行采样并计算电压差值以作为第二电压差值；
对所述电池系统的端电压进行采样，并对采样到的所述电池系统的端电压数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电压时域特征值和/或电压频域特征值；及/或对所述电池系统的充放电电流进行采样，并对采样到的所述电池系统的充放电电流数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电流时域特征值和/或电流频域特征值；
基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的至少一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
可选地，基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的两者或更多者以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少两种 以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
进一步地，判定所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的至少一种符合拉弧特征的判据包括：判据1：所述电流时域特征值超过预设的电流时域特征值阈值，判据2：所述电流频域特征值超过预设的电流频域特征值阈值，判据3：所述电压时域特征值超过预设的电压时域特征值阈值，判据4：所述电压频域特征值超过预设的电压频域特征值阈值，判据5：所述第一电压差值超过预设的电池系统压差阈值，判据6：所述第二电压差值超过预设的系统间压差阈值；
若满足所述判据5和判据6中的至少一项以及所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项，则确定所述电池系统出现拉弧故障。
一种可行的技术方案为：对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项进行判定的同时，对所述判据5和判据6中的至少一项进行判定，若所述判据5或判据6成立且所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障。
另一种可行的技术方案为：先对所述判据5和判据6进行判定，若所述第一电压差值未超过预设的电池系统压差阈值且所述第二电压差值未超过预设的系统间压差阈值，则确定所述电池系统未出现拉弧故障。否则再对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项进行判定，若至少有一项成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
再一种可行的技术方案为：先对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项进行判定，若判定结果为各项均不成立，则确定所述电池系统未出现拉弧故障。否则再对所述判据5进行判定，若所述判据5成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则继续对所述判据6进行判定，若所述判据6成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障；或者，所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项均不成立的情况下，再对所述判据6进行判定，若所述判据6成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则继续对所述判据5进行判定，若所述判据5成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
进一步地，通过以下方法获取所述电池系统压差阈值和/或所述系统间压差阈值：
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集第一电压差值的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集第一电压差值的无拉弧数据，基于所述第一电压差值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为电池系统压差阈值；和/或
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集第二电压差值的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集第二电压差值的无拉弧数据，基于所述第二电压差值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述系统间压差阈值。
进一步地，通过以下方法获取所述电流时域特征值阈值和/或所述电流频域特征值阈值和/或所述的电压时域特征值阈值和/或所述电压频域特征值阈值：
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的无拉弧数据，对所述电池系统充放电电流的拉弧数据和无拉弧数据进行时域分析，以得到电池系统充放电电流时域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电流时域特征值阈值；和/或
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的无拉弧数据，对所述电池系统充放电电流的拉弧数据和无拉弧数据进行频域分析，以得到电池系统充放电电流频域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电流频域特征值阈值；和/或
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的端电压的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的端电压的无拉弧数据，对所述电池系统的端电压的拉弧数据和无拉弧数据进行时域分析，以得到电池系统端电压时域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电压时域特征值阈值；和/或
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的端电压的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的端电压的无拉弧数据，对所述电池系统的端电压的拉弧数据和无拉弧数据进行频域分析，以得到电池系统端电压频域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电压频域特征值阈值。
进一步地，所述电池系统拉弧检测方法还包括在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：
判断所述判据5是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统的内部连接点。
进一步地，所述电池系统拉弧检测方法还包括在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：
判断所述判据6是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统与所述用电负载之间。
另一方面，本发明提供了一种电池系统拉弧检测装置，用于检测电池系统是否出现拉弧故障，所述电池系统拉弧检测装置包括：
传感器模块，其被配置为对所述电池系统的端电压和充放电电流进行采样，以及对所述电池系统所连接的用电负载的端电压进行采样；
处理器模块，所述处理器模块与所述传感器模块相连接，并被配置为处理所述传感器模块的采样数据来分析所述电池系统是否出现拉弧故障，包括：
计算两次采样得到的所述电池系统的端电压的电压差值以作为第一电压差值，及/或计算在同一时刻采样得到的所述电池系统的端电压和所述电池系统所连接的用电负载的端电压的电压差值以作为第二电压差值；
对采样到的所述电池系统的端电压数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电压时域特征值和/或电压频域特征值；及/或对所述电池系统的充放电电流进行采样，并对采样到的所述电池系统的充放电电流数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电流时域特征值和/或电流频域特征值；
基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少一种 以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的至少一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
可选地，所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的两者或更多者以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少两种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
进一步地，所述处理器模块中预设有如下判据，包括：判据1：所述电流时域特征值超过预设的电流时域特征值阈值，判据2：所述电流频域特征值超过预设的电流频域特征值阈值，判据3：所述电压时域特征值超过预设的电压时域特征值阈值，判据4：所述电压频域特征值超过预设的电压频域特征值阈值，判据5：所述第一电压差值超过预设的电池系统压差阈值，判据6：所述第二电压差值超过预设的系统间压差阈值；所述处理器判断若满足所述判据5和判据6中的至少一项以及所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项，则确定所述电池系统出现拉弧故障。
进一步地，所述电池系统拉弧检测装置还包括滤波采样电路，所述滤波采样电路设置在所述传感器模块和所述处理器模块之间，用于对所述传感器模块输出的采样信号进行滤波放大处理，并将处理后的信号传输给所述处理器模块。
进一步地，所述传感器模块包括电压传感器和电流传感器。
进一步地，所述电池系统拉弧检测装置还包括通信电路，所述通信电路与所述处理器模块相连接，还与能够控制所述电池系统所在回路接通或断开的控制器相连接，所述处理器模块被配置为在确定所述电池系统出现拉弧故障时通过所述通信电路向所述控制器输出触发信号。
进一步地，所述处理器模块还被配置为在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：
判断所述判据5是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统的内部连接点；和/或，判断所述判据6是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统与所述用电负载之间。
本发明还提供一种具有拉弧检测功能，从而具有较高安全性的电池储能系统，其方案是：
一种电池储能系统，包括电池系统、用于控制所述电池系统所在回路接通或断开的控制器，所述电池储能系统还包括如上所述的电池系统拉弧检测装置，所述电池系统拉弧检测装置的处理器模块被配置为在确定所述电池系统出现拉弧故障时通过通信电路向所述控制器输出触发信号，以使所述控制器断开所述电池系统所在回路。
进一步地，所述电池系统拉弧检测装置集成于所述电池系统或所述控制器中。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：通过分析电池系统不同位置发生拉弧故障所 具有的不同特征，并结合发生拉弧故障的电池系统电压、电流的时域频域特征阈值，本发明的拉弧检测方法和检测装置能够可以方便、准确地针对电池系统进行全面而可靠的拉弧检测，提出一套针对电池系统的有效防止漏检测、误检测的电弧检测解决方案，从而可以提高电池系统(储能系统)的安全性；本发明的电池储能系统安全性高，可以防止电池系统由于拉弧故障而引发火灾。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开的一个示例性实施例提供的电池系统拉弧检测方法的流程示意图；
图2为本公开的一个示例性实施例提供的电池系统拉弧检测装置的原理框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
与直流电弧检测技术广泛应用于光伏系统中的情况不同，目前尚未将直流电弧检测技术用于电池系统等储能系统中。造成这一情况的原因可能有以下几点：第一、上游电池系统厂家新电池系统出厂前就会进行电池系统连接点是否正常连接的测试，一般很难出现拉弧，没有进行电池系统拉弧检测的必要；第二、下游储能逆变器厂家或电动汽车厂家尚未意识到电池系统拉弧检测的重要性，没有开发相应的技术；第三、尚未形成电池系统防拉弧的行业强制规定；第四、认为电池系统等储能系统连接点少，无需在电池系统端进行拉弧检测。
但是经过研究发现，在电池系统等储能系统上进行拉弧检测的必要性是非常高的，原因如下：第一、由于单个电池系统容量有限，储能电池系统以及电动汽车上的动力电池系统一般都是通过串联并联组成电池系统组的形式使用的，所以随着电池系统数量的增加，储能系统中的连接点其实并不少，例如一个9kWh的小型家用储能系统中的连接点就有几十个，而电动汽车通常采用几千节锂电池系统作为动力，其连接点数量必然更高，所以电池系统中连接点接触不良引起的直流拉弧故障是值得引起重视的；第二、虽然新电池系统出厂前会做各种测试保证连接点的良好接触，但是这些电池系统经过运输、安装、以及在各种温度、湿度、盐度和震动等条件下长时间的使用后，很难保证连接点仍然接触良好，发生直流拉弧故障的可能性大大增加；第三、实验发现仅需0.2mm的距离就能产生稳定的电弧，且电弧温度高达上千摄氏度，可以想象若在电池系统中持续发生拉弧状况电池系统，如此高温的环境就会引燃电池系统外壳，从而引发火灾甚至爆炸，特别是日常生活中人们可以密切接触的家用储能系统和电动汽车，若其产生拉弧，则后果不堪设想；第四、每年与电池系统相关的燃烧爆炸事故屡见不鲜，其中 可能就有直流拉弧故障引起的事故。
基于此，提出以下电池系统(蓄电池系统)拉弧检测方法，可靠地检测储能系统是否发生拉弧故障，避免发生误检测和漏检测：
一种用于检测电池系统是否出现拉弧故障的电池系统拉弧检测方法，对电池系统端电压和/或电池系统充放电电流进行采样，对采样得到的电压和/或电流信号进行分析计算，与预先存储在处理器中的电池系统拉弧特征基准信息进行比较，若符合电池系统拉弧特征条件，则输出报警信号给电池系统控制器或其他可以断开电池系统充放电回路的装置(如储能逆变器等)。如附图1所示，该电池系统拉弧检测方法具体包括以下步骤：
S101：对电池系统的端电压在不同时刻进行两次采样并计算电压差值以作为第一电压差值，对电池系统的端电压和电池系统所连接的用电负载的端电压在同一时刻进行采样并计算电压差值以作为第二电压差值。
S102：对所述电池系统的端电压进行采样，并对采样到的所述电池系统的端电压数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电压时域特征值和/或电压频域特征值；及/或对所述电池系统的充放电电流进行采样，并对采样到的所述电池系统的充放电电流数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电流时域特征值和/或电流频域特征值。
S103：将步骤S101和S102得到的数据与预先设置保存的各类阈值或范围进行比较，判断是否符合预设的拉弧特征，具体如下：
基于电流时域特征值、电流频域特征值、电压时域特征值、电压频域特征值中的两者或更多者以及第一电压差值、第二电压差值判断是否符合预设的拉弧特征，从而确定电池系统是否出现拉弧故障。
判断是否符合拉弧特征的判据包括：判据1：电流时域特征值超过预设的电流时域特征值阈值，判据2：电流频域特征值超过预设的电流频域特征值阈值，判据3：电压时域特征值超过预设的电压时域特征值阈值，判据4：电压频域特征值超过预设的电压频域特征值阈值；判据5：第一电压差值超过预设的电池系统间压差阈值，判据6：第二电压差值超过预设的系统压差阈值。若满足判据5和判据6中的至少一项以及判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项，则判断符合拉弧特征，即确定电池系统出现拉弧故障，否则判断不符合拉弧特征，确定电池系统未出现拉弧故障。通常需满足上述判据中的至少三项时即可判定电池系统出现拉弧故障。以判据5和判据6至少成立一项为条件A，以判据1-4至少成立一项为条件B，本发明实施例采用条件A“逻辑与”条件B的形式来判断电池系统是否出现拉弧故障，能够有效地确保拉弧检测系统的准确性，有效防止拉弧故障的误检测；本发明并不限定对判据1、判据2、判据3、判据4的全部进行一一判定，而是可选其中一项或两项以上进行判定，当然，也可以对四项进行判定，尤其在本发明的一个实施例中，至少要对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的两项进行判定，只要有一项成立，则条件B成立，有效防止发生拉弧故障的漏检测。
以上步骤S101、S102为并列步骤，本发明不限定其执行顺序的先后，下面就不同的先后顺序对不同的电池系统拉弧检测步骤作详细说明：
在本发明的一个实施例I中，先对所述判据5和判据6进行判定，若所述第一电压差值未超过预设的电池系统压差阈值且所述第二电压差值未超过预设的系统间压差阈值，则确定所述电池系统未出现拉弧故障。否则再对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的两项或者更多项进行判定，若至少有一项成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
在本发明的一个实施例II中，先对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的两项或者更多项进行判定，若判定结果为各项均不成立，则确定所述电池系统未出现拉弧故障。否则又有两种实施方式：第一种为后续先对所述判据5进行判定，若所述判据5成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则继续对所述判据6进行判定，若所述判据6成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。第二种为后续先对所述判据6进行判定，若所述判据6成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则继续对所述判据5进行判定，若所述判据5成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
在本发明的一个实施例III中，对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的两项或者更多项进行判定的同时，对所述判据5和判据6进行判定，若所述判据5或判据6成立且所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障。对于此实施例上面的两个实施例而言，由于电弧发生的概率是比较低的，尤其是针对新电池系统，因此，在判断条件A不成立或者条件B不成立的情况下，可以提前得到电池系统未出现拉弧故障的判定结论，降低了运算任务量；此实施例相比于上面两种实施例，运算任务增加了，但是一旦实际有发生拉弧故障，能够较快地确定电池系统出现拉弧故障。
在本发明的一个实施例中，可以有效地结合实施例I和实施例III，或结合实施例II和实施例III，即先采用实施例I或实施例II的方式对电池系统进行拉弧检测，并对电池系统发生拉弧故障进行记录，若记录电池系统发生的拉弧故障次数达到1次或者预设的次数阈值，则切换至实施例III的方式对电池系统进行拉弧检测。这种在新电池初期使用阶段，可以采用运算任务量较低的方式来判定电池系统是否发生拉弧故障，到后期阶段，可以采用响应较快的方式来判定电池系统是否发生拉弧故障。上述的电流时域特征值包括电流平均值、方差值、峰峰值、有效值、波形因子、电流变化率等中的一项或多项，上述的电流频域特征值包括频谱幅值累加和、频谱幅值变化率、功率谱密度等中的一项或多项，上述的电压时域特征值包括电压平均值、方差值、峰峰值、有效值、波形因子、电压变化率等中的一项或多项，上述的电压频域特征值包括频谱幅值累加和、频谱幅值变化率、功率谱密度等中的一项或多项。具体确定电流时域特征值阈值、电流频域特征值阈值、电压时域特征值阈值、电压频域特征值阈值的方式在下文详述。
S104：若判断出电池系统无拉弧故障，则继续进行下一周期的检测，返回S101至S103。
S105：若判断出电池系统出现拉弧故障，则需要输出报警信号给电池系统所在系统的控制器，通过其控制关断电池系统所在通路。
在本发明的一个实施例中，在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：判断所述判据5是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统的内部连接点；判断所述判据6是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统与所述用电负载之间。
本发明还提供一个实施例，针对简化判据来判定电池系统是否发生拉弧故障进行说明：本实施例中，仅计算第一电压差值，以及仅对电池系统的充放电电流进行频域分析，相应地，可以仅预设电流频域特征值阈值和电池系统压差阈值，当判据5和判据2成立时，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则就判定电池系统未出现拉弧故障，等到下一个周期再作重复检测。显然，按照数学排列组合方法，由简单至复杂的排列有42种判定方式，在此不再一一列出。
上述应用于电池系统的拉弧检测方法与现有的应用于光伏系统中的直流拉弧检测方法相比，进行创新的地方 在于：电池系统拉弧检测方法引入了电压信息的采样和提取。目前光伏系统中的直流电弧检测一般只利用电流的时频域信息，而不利用电压信息，原因在于即使发生拉弧，由于光伏系统中逆变器的算法控制，逆变器端的组串电压几乎不变。而在电池系统中，由于电池系统本身是一个电压几乎不变的稳定电源，所以发生拉弧时，电弧电压会叠加在电池系统电压上，具体为：对电池系统充电时发生拉弧，电池系统的输入电压是电池系统电压和电弧电压的和，电池系统放电拉弧时，电池系统的输出电压为电池系统电压与电弧电压的差。若电池系统组内部连接点发生拉弧，电池系统端电压会因电弧电压而发生变化，即产生第一电压差值；若电池系统端和用电负载端之间发生拉弧，则同一时刻电池系统端电压和用电负载端电压之间会产生电压差，即所述第二电压差值。实验发现未接触的连接点距离仅为0.2mm时的电弧电压也达到了20V左右，且电弧电压随着距离的增大会继续增加，电弧电压相对于电池系统本身的电压波动很明显，所以反映在整个电池系统电压数值上，就会出现较为明显的突变，即电弧发生时电池系统电压的明显变化。另外发生拉弧时，电池系统的电压频域信息中也包含电弧特征。所以判断是否符合电池系统拉弧特征的条件，除了对比电池系统电流时域频域特征是否超过阈值外，还包括：对比电池系统端电压前后时刻是否异常变化、对比电池系统端电压与其连接的用电负载(如储能逆变器)端电压同一时刻的电压差是否超过阈值、对比电池系统电压时域频域特征是否超过阈值综合判断是否发生电池系统拉弧。
上述方法中涉及多项预设的阈值，主要包括电流时域特征值阈值、电流频域特征值阈值、的电压时域特征值阈值、电压频域特征值阈值、电池系统压差阈值、系统间压差阈值，获得这些阈值的方法为：在各种电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集拉弧数据，在各种电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集无拉弧数据，基于拉弧数据和无拉弧数据进行(人工)归纳，从而确定电流时域特征值阈值、电流频域特征值阈值、的电压时域特征值阈值、电压频域特征值阈值、电池系统压差阈值、系统间压差阈值。其中，基于拉弧数据和无拉弧数据进行(人工)归纳的方式是通过试验获取某一参数指标的拉弧数据和无拉弧数据，并通过数学方法获取拉弧数据与无拉弧数据的中间临界值并将其确定为该参数指标的特征值阈值，具体如下：
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集第一电压差值的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集第一电压差值的无拉弧数据，基于所述第一电压差值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为电池系统压差阈值；
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集第二电压差值的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集第二电压差值的无拉弧数据，基于所述第二电压差值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述系统间压差阈值，以用电负载为逆变器系统为例，这里的系统间压差阈值即为电池系统的端电压与逆变器系统的端电压的电压差值作为判定电池系统发生拉弧故障的特征阈值；
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的无拉弧数据，对所述电池系统充放电电流的拉弧数据和无拉弧数据进行时域分析，以得到电池系统充放电电流时域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电流时域特征值阈值；
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的无拉弧数据，对所述电池系统充放电电流的拉弧数据和无拉弧数据进行频域分析，以得到电池系统充放电电流频域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两 者的中间临界值并将其确定为所述电流频域特征值阈值；
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的端电压的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的端电压的无拉弧数据，对所述电池系统的端电压的拉弧数据和无拉弧数据进行时域分析，以得到电池系统端电压时域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电压时域特征值阈值；
在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的端电压的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的端电压的无拉弧数据，对所述电池系统的端电压的拉弧数据和无拉弧数据进行频域分析，以得到电池系统端电压频域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电压频域特征值阈值。
其中，电池系统拉弧条件包括电池系统运行在充电或放电状态，不同的电池系统电压，不同的工作电流，拉弧点在电池系统不同位置，以及人造拉弧时设置的不同拉弧速度以及电弧距离等条件。
在各种电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集的无拉弧数据分为在各种特殊应用条件下记录无拉弧数据以及正常应用条件下的无拉弧数据。电池系统特殊应用条件是指无拉弧发生但是容易引起检测装置误判的电池系统运行条件，包括与其连接的用电负载(如储能逆变器)引起的充放电电流快速变化、充放电模式快速切换等条件。
如附图2所示，一种用于检测电池系统是否出现拉弧故障的电池系统拉弧检测装置，包括传感器模块、处理器模块和滤波采样电路。传感器模块用于对电池系统的端电压和充放电电流进行采样而分别得到电池系统的端电压数据和充放电电流数据，对电池系统的端电压进行两次采样，对电池系统的端电压和电池系统所连接的用电负载的端电压在同一时刻进行采样，其包括电压传感器和电流传感器。滤波采样电路设置在传感器模块和处理器模块之间，用于对传感器模块输出的采样信号进行滤波放大处理后传输给处理器模块，其与处理器模块的模数转换入口相连。传感器模块中电流传感器、电压传感器和滤波采样电路的数量可以根据串联电池系统组的数量增加。处理器模块则通过滤波采样电路而与传感器模块相连接，其用于计算对电池系统的端电压进行两次采样的电压差值作为第一电压差值，计算对电池系统的端电压和电池系统所连接的用电负载的端电压在同一时刻进行采样的电压差值作为第二电压差值，对采样到的电池系统的端电压和充放电电流进行时域、频域分析而得到电池系统的电流时域特征值、电流频域特征值、电压时域特征值、电压频域特征值，基于电流时域特征值、电流频域特征值、电压时域特征值、电压频域特征值、第一电压差值、第二电压差值判断是否符合预设的拉弧特征，从而确定电池系统是否出现拉弧故障。其中所涉及的判断是否符合拉弧特征的判据包括：判据1：电流时域特征值超过预设的电流时域特征值阈值，判据2：电流频域特征值超过预设的电流频域特征值阈值，判据3：电压时域特征值超过预设的电压时域特征值阈值，判据4：电压频域特征值超过预设的电压频域特征值阈值等，判据5：第一电压差值超过预设的电池系统压差阈值，判据6：第二电压差值超过预设的系统间压差阈值。若满足判据5和判据6中的至少一项以及判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项，则判断符合拉弧特征，确定电池系统出现拉弧故障。通常需至少满足三项判据时，即可判定电池系统出现拉弧故障。
本实施例的电池系统拉弧检测装置在进行拉弧检测时，其与上述实施例提供的电池系统拉弧检测方法属于同一构思，其具体实现拉弧检测和判定的过程详见方法实施例，即上述电池系统拉弧检测方法实施例中的所有特征 都可以通过引用的方式引入本电池系统拉弧检测装置实施例。
此外，该电池系统拉弧检测装置还包括与处理器模块相连接的通信电路，该通信电路还与能够控制电池系统所在回路接通或断开的控制器相连接。通信电路用于在确定电池系统出现拉弧故障时输出使控制器断开电池系统所在回路的控制信号。从而当电池系统发生拉弧故障时，控制器可以基于通信电路传来的控制信号快速控制断开电池系统所在回路，使得电弧失去能量供应达到熄灭电池系统拉弧的目的。此外，处理器模块中所执行的方法也可以通过通信电路得到更新迭代，同时处理器模块也可以通过通信电路定时上传正常的原始数据以及判断存在拉弧时的原始数据。
上述电池系统拉弧检测装置可以独立外置，也可以集成在电池系统的控制器中、电池系统中，还可以集成在与电池系统相连接的用电端(例如储能逆变器)。由此，一种具有拉弧检测功能的电池储能系统的方案是：该电池储能系统包括电池系统、用于控制电池系统所在回路接通或断开的控制器和前述的电池系统拉弧检测装置。电池系统拉弧检测装置集成于电池系统或控制器中。
综上，本发明申请提供一种电池系统拉弧检测方法及装置。其中电池系统拉弧检测方法，通过传感器在采集电池系统的充放电电流信号的基础上，增加了对电池系统电压信号的采集，然后对电压电流信号的时频域进行分析和算法运算，判断是否符合电池系统拉弧特征，进而确定电池系统所在回路是否有电弧产生，若判断存在电弧故障，则产生报警信号至电池系统控制器或其他可以断开电池系统充放电回路的装置(如储能逆变器等)，切断电弧电流的路径，达到熄灭电弧的目的。本发明在一定程度上可以提高目前广泛应用的电池系统的安全性，防止由于电池系统中连接点松动、接触不良引发的电池系统电路拉弧进而引燃电池系统引发火灾。另外本发明装置还可以上传不同状态时的原始数据，便于后续检测方法的调整演进以及现场误动作问题的快速解决。具有较好的实际应用价值和安全价值。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

  1. 一种电池系统拉弧检测方法，用于检测电池系统是否出现拉弧故障，其特征在于，所述电池系统拉弧检测方法包括：
    对所述电池系统的端电压进行两次采样并计算电压差值以作为第一电压差值，及/或对所述电池系统的端电压和所述电池系统所连接的用电负载的端电压在同一时刻进行采样并计算电压差值以作为第二电压差值；
    对所述电池系统的端电压进行采样，并对采样到的所述电池系统的端电压数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电压时域特征值和/或电压频域特征值；及/或对所述电池系统的充放电电流进行采样，并对采样到的所述电池系统的充放电电流数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电流时域特征值和/或电流频域特征值；
    基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的至少一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
  2. 根据权利要求1所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的两者或更多者以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
    基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
    基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少两种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
    基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
  3. 根据权利要求1所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，判定所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的至少一种符合拉弧特征的判据包括：判据1：所述电流时域特征值超过预设的电流时域特征值阈值，判据2：所述电流频域特征值超过预设的电流频域特征值阈值，判据3：所述电压时域特征值超过预设的电压时域特征值阈值，判据4：所述电压频域特征值超过预设的电压频域特征值阈值，判据5：所述第一电压差值超过预设的电池系统压差阈值，判据6：所述第二电压差值超过预设的系统间压差阈值；
    若满足所述判据5和判据6中的至少一项以及所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项，则确定所述电池系统出现拉弧故障。
  4. 根据权利要求3所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项进行判定的同时，对所述判据5和判据6中的至少一项进行判定，若所述判据5或判据6成 立且所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障。
  5. 根据权利要求3所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，先对所述判据5和判据6进行判定，若所述第一电压差值未超过预设的电池系统压差阈值且所述第二电压差值未超过预设的系统间压差阈值，则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
  6. 根据权利要求5所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，否则再对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项进行判定，若至少有一项成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
  7. 根据权利要求3所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，先对所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项进行判定，若判定结果为各项均不成立，则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
  8. 根据权利要求7所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，否则再对所述判据5进行判定，若所述判据5成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则继续对所述判据6进行判定，若所述判据6成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
  9. 根据权利要求7所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，否则再对所述判据6进行判定，若所述判据6成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则继续对所述判据5进行判定，若所述判据5成立，则确定所述电池系统出现拉弧故障，否则确定所述电池系统未出现拉弧故障。
  10. 根据权利要求3或5或8或9所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，通过以下方法获取所述电池系统压差阈值和/或所述系统间压差阈值：
    在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集第一电压差值的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集第一电压差值的无拉弧数据，基于所述第一电压差值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为电池系统压差阈值；和/或
    在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集第二电压差值的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集第二电压差值的无拉弧数据，基于所述第二电压差值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述系统间压差阈值。
  11. 根据权利要求3或6或7所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，通过以下方法获取所述电流时域特征值阈值和/或所述电流频域特征值阈值和/或所述的电压时域特征值阈值和/或所述电压频域特征值阈值：
    在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的无拉弧数据，对所述电池系统充放电电流的拉弧数据和无拉弧数据进行时域分析，以得到电池系统充放电电流时域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电流时域特征值阈值；和/或
    在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的充放电电流的无拉弧数据，对所述电池系统充放电电流的拉弧数据和无拉弧数据进行频域分析，以得到电池系统充放电电流频域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电流频域特征值阈值；和/或
    在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的端电压的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的端电压的无拉弧数据，对所述电池系统的端电压的拉弧数据和无拉弧数据进行时域分析，以得到电池系统端电压时域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电压时域特征值阈值；和/或
    在电池系统拉弧条件下进行电池系统拉弧试验并采集电池系统的端电压的拉弧数据，在电池系统无拉弧条件下进行电池系统无拉弧试验并采集电池系统的端电压的无拉弧数据，对所述电池系统的端电压的拉弧数据和无拉弧数据进行频域分析，以得到电池系统端电压频域特征值的拉弧数据和无拉弧数据，从而获取两者的中间临界值并将其确定为所述电压频域特征值阈值。
  12. 根据权利要求3所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，还包括在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：
    判断所述判据5是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统的内部连接点。
  13. 根据权利要求3所述的电池系统拉弧检测方法，其特征在于，还包括在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：
    判断所述判据6是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统与所述用电负载之间。
  14. 一种电池系统拉弧检测装置，用于检测电池系统是否出现拉弧故障，其特征在于，所述电池系统拉弧检测装置包括：
    传感器模块，其被配置为对所述电池系统的端电压和充放电电流进行采样，以及对所述电池系统所连接的用电负载的端电压进行采样；
    处理器模块，所述处理器模块与所述传感器模块相连接，并被配置为处理所述传感器模块的采样数据来分析所述电池系统是否出现拉弧故障，包括：
    计算两次采样得到的所述电池系统的端电压的电压差值以作为第一电压差值，及/或计算在同一时刻采样得到的所述电池系统的端电压和所述电池系统所连接的用电负载的端电压的电压差值以作为第二电压差值；
    对采样到的所述电池系统的端电压数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电压时域特征值和/或电压频域特征值；及/或对所述电池系统的充放电电流进行采样，并对采样到的所述电池系统的充放电电流数据进行时域分析和/或频域分析，进而得到所述电池系统的电流时域特征值和/或电流频域特 征值；
    基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的至少一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
  15. 根据权利要求14所述的电池系统拉弧检测装置，其特征在于，所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的两者或更多者以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
    所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
    所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的至少两种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障；或者，
    所述处理器模块基于所述电流时域特征值、所述电流频域特征值、所述电压时域特征值、所述电压频域特征值中的一种以及所述第一电压差值、所述第二电压差值中的一种，确定所述电池系统是否出现拉弧故障。
  16. 根据权利要求14所述的电池系统拉弧检测装置，其特征在于，所述处理器模块中预设有如下判据，包括：判据1：所述电流时域特征值超过预设的电流时域特征值阈值，判据2：所述电流频域特征值超过预设的电流频域特征值阈值，判据3：所述电压时域特征值超过预设的电压时域特征值阈值，判据4：所述电压频域特征值超过预设的电压频域特征值阈值，判据5：所述第一电压差值超过预设的电池系统压差阈值，判据6：所述第二电压差值超过预设的系统间压差阈值；所述处理器判断若满足所述判据5和判据6中的至少一项以及所述判据1、判据2、判据3、判据4中的至少一项，则确定所述电池系统出现拉弧故障。
  17. 根据权利要求14所述的电池系统拉弧检测装置，其特征在于，所述电池系统拉弧检测装置还包括滤波采样电路，所述滤波采样电路设置在所述传感器模块和所述处理器模块之间，用于对所述传感器模块输出的采样信号进行滤波放大处理，并将处理后的信号传输给所述处理器模块。
  18. 根据权利要求14所述的电池系统拉弧检测装置，其特征在于，所述传感器模块包括电压传感器和电流传感器。
  19. 根据权利要求14所述的电池系统拉弧检测装置，其特征在于，所述电池系统拉弧检测装置还包括通信电路，所述通信电路与所述处理器模块相连接，还与能够控制所述电池系统所在回路接通或断开的控制器相连接，所述处理器模块被配置为在确定所述电池系统出现拉弧故障时通过所述通信电路向所述控制器输出触发信号。
  20. 根据权利要求16所述的电池系统拉弧检测装置，其特征在于，所述处理器模块还被配置为在确定所述电池系统出现拉弧故障后，通过以下方法确定发生拉弧的位置：
    判断所述判据5是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统的内部连接点；和/或，判断所述判据6是否成立，若成立，则确定拉弧发生在所述电池系统与所述用电负载之间。
  21. 一种电池储能系统，包括电池系统、用于控制所述电池系统所在回路接通或断开的控制器，其特征在于，所述电池储能系统还包括如权利要求14所述的电池系统拉弧检测装置，所述电池系统拉弧检测装置的处理器模块被配置为在确定所述电池系统出现拉弧故障时通过通信电路向所述控制器输出触发信号，以使所述控制器断开所述电池系统所在回路。
  22. 根据权利要求21所述的电池储能系统，其特征在于，所述电池系统拉弧检测装置集成于所述电池系统或所述控制器中。
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