DE102014102352A1

DE102014102352A1 - Batteriespeichersystem mit Störlichtbogenschutz, Energieumwandlungssystem und Schutzverfahren

Info

Publication number: DE102014102352A1
Application number: DE102014102352.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Roesner; Christoph RYTZ
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-08-27
Also published as: CA2883094A1; EP2911256B1; CA2883094C; CN105186588B; EP2911256A1; US20150244165A1; BR102015003807A2; CN105186588A; BR102015003807B1; US10020650B2

Abstract

Es ist ein Batteriespeichersystem (1) mit einer wiederaufladbaren Batterieanordnung (3) zur Speicherung und Bereitstellung von Energie und mit einem Schutzsystem (19) offenbart, das eine Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) zum Schutz gegen Gefahren durch Störlichtbögen aufweist. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) weist eine Überstromschutzeinheit (32), die Überstrombedingungen erfasst, die Störlichtbogenbedingungen im Falle einer geringen Impedanz der Batterieanordnung (3) kennzeichnen, und eine Unterspannungsschutzeinheit (33) auf, die Unterspannungsbedingungen erfasst, die Störlichtbogenbedingungen im Falle einer geringen Impedanz der Batterieanordnung (3) kennzeichnen, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) in dem Fall, dass sie die Überstrombedingungen und/oder die Unterspannungsbedingungen für eine minimale vorgegebene Zeitdauer erfasst, Schutzmaßnahmen einleitet, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung (3) zu verhindern. Ein Energieumwandlungssystem (34) mit einem derartigen Batteriespeichersystem (1), das für stationäre und mobile Energieversorgungs oder -verteilungsanwendungen verwendet werden kann, ist ebenfalls offenbart.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein das Gebiet der Batteriespeichersysteme und Energiesysteme mit Batteriespeichersystemen und insbesondere ein Batteriespeichersystem mit einer Störlichtbogenschutzeinrichtung, ein Energieumwandlungssystem mit einem derartigen Batteriespeichersystem und ein Schutzverfahren für diese.
Batteriespeichersysteme werden zunehmend in vielen mobilen und stationären Anwendungen eingesetzt. Bspw. werden Batteriespeichersysteme in Verbindung mit Energieversorgungs- und -verteilungssystemen in Netzen verwendet, die einen Anteil an erneuerbaren Energiequellen aufweisen. Die Batterieenergiespeicher ermöglichen es, die durch erneuerbare Energiequellen bedingten schwankenden Energieeinspeisungen auszugleichen, die Netzstabilität und -qualität durch Spitzenglättung und Lastausgleich zu verbessern, erneuerbare Photovoltaikenergie von Tag zu Nacht bzw. Windenergie zu windarmen Zeiten zu verschieben und so eine zuverlässige Stromversorgung über längeren Zeitraum zu ermöglichen. Batteriespeichersysteme sind bei Batterie-Speicherkraftwerken sowohl für den privaten Bereich als auch für große Anlagen mit Leistungen bis zu einigen Megawatt Leistung sowie in Elektrofahrzeugen weit verbreitet.
Batteriespeichersysteme und darauf basierende Energieversorgungs- und -verteilungssysteme müssen gut gegen Kurzschlüsse geschützt werden. Bedingt durch relativ niedrige Schleifenimpedanzen in elektrischen Energieversorgungs- und -verteilungsnetzen können Kurzschlüsse oder Isolationsfehler sehr hohe Kurzschlussströme bis zu mehreren zehn kA zur Folge haben. Dabei kann ein Lichtbogen, sogenannter Störlichtbogen oder Fehlerlichtbogen, zwischen Komponenten des Systems entstehen, der zu einer thermischen Beschädigung der Komponenten führen und eine Gefahr für Menschen, z.B. Wartungspersonal des Systems, darstellen kann. Deshalb müssen bei Arbeiten in Bereichen, in denen die Gefahr eines Störlichtbogens besteht, geeignete feuerfeste Schutzkleidungen getragen und entsprechende Werkzeuge verwendet werden.
Es sind verschiedene Maßnahmen und Sicherungen zur Vermeidung von Störlichtbögen und durch diese hervorgerufenen Schäden bekannt. Bspw. können durch passend angeordnete und ausgelegte Leitungsschutzschalter und elektronische Sicherungen oder Schmelzsicherungen Stromflüsse im Fehlerfall unterbrochen und so weitergehende Anlageschäden vermieden werden. Diese Maßnahmen beruhen im Wesentlichen auf einem Überstromschutz. Wenn der erfasste Fehlerstrom eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, wird der Stromfluss unterbrochen.
Es hat sich gezeigt, dass dadurch ein Batteriespeichersystem nicht gänzlich gegen Kurzschluss- bzw. Fehlerströme geschützt werden kann. Wenn insbesondere die innere Impedanz der Batterie ansteigt, kann der Kurzschlussstrom gegebenenfalls nicht hinreichend hoch sein, um die Überstromschutzvorrichtung auszulösen. Die innere Impedanz einer Batterie variiert in weitem Bereich in Abhängigkeit von den chemischen Eigenschaften der Batterie, deren Betriebsbedingungen, z.B. der Temperatur, dem Ladezustand der Batterie und dgl. Im Falle eines Kurzschlussfehlers in der Batterie oder dem angeschlossenen System hängt der Kurzschlussstrom von der inneren Impedanz der Batterie ab. Falls die Stärke des Kurzschlussstroms mit derjenigen des Nennbetriebstroms vergleichbar oder kleiner als dieser ist, ist es schwierig oder unmöglich, den Fehlerzustand mit dem Überstromschutz zu erkennen. Wenn eine derartige Kurzschlussbedingung unerkannt bleibt, kann dies zu einem lang andauernden Störlichtbogen mit beträchtlichem Schaden an dem Batteriesystem, benachbarten Komponenten und Personen führen.
Es ist erwünscht, all diese Kurzschlussbedingungen zu erfassen und einen Schutzschalter oder eine sonstige Einrichtung auszulösen, um das System sicher abzuschalten. Insbesondere sollten auch lang andauernde Störlichtbogenbedingungen mit geringen Kurzschlussströmen verhindert werden, um Schäden an dem Batteriespeichersystem und einem daran angeschlossenen System zu vermeiden und Risiken für Gesundheit und Leben von Personen zu minimieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Batteriespeichersystem mit einer Batterieanordnung und einem Schutzsystem für die Batterieanordnung geschaffen. Die Batterieanordnung ist zur Speicherung und Bereitstellung von Energie eingerichtet und wiederaufladbar. Das Schutzsystem weist eine Störlichtbogenschutzeinrichtung zum Schutz der Batterieanordnung und von Personen gegen Gefahren durch Störlichtbögen auf. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung ist eingerichtet, um einen von der Batterieanordnung gelieferten Batteriestrom zu erfassen und mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle zu vergleichen, eine von der Batterieanordnung gelieferte Spannung zu erfassen und mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle zu vergleichen und für den Fall, dass der erfasste Batteriestrom größer ist als die maximale Stromschwelle und/oder die erfasste Batteriespannung kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle, festzustellen, dass Störlichtbogenbedingungen vorliegen, und Schutzmaßnahmen einzuleiten, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung zu verhindern.
Die Erfindung verbindet einen Überstromschutz mit einem Unterspannungsschutz, um unterschiedliche Kurzschluss- und sonstige Fehlerstrombedingungen zu erfassen und Störlichtbogenbedingungen zu vermeiden oder zu verhindern. Bei Erfassung eines Batteriestroms, der eine vorgebbare maximale Stromschwelle, die einen maximal zulässigen Batteriestrom im Fehlerfall oder Kurzschlussfall kennzeichnet, sorgt die Störlichtbogenschutzeinrichtung dafür, dass der Batteriestromfluss unterbrochen und somit der jeweilige Kurzschluss- bzw. Fehlerstrom selektiv abgeschaltet wird. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung erfasst zudem auch ungewöhnlich niedrige Spannungspegel der Batteriespannung. Wenn die Batteriespannung unterhalb einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle liegt, die eine für einen normalen Betriebsmodus minimal erforderliche bzw. zulässige Batteriespannung um ein gewisses Maß unterschreitet, stellt die Störlichtbogenschutzeinrichtung einen Fehler fest und löst geeignete Schutzeinrichtungen aus, um auch lang andauernde Störlichtbögen mit geringer Stromstärke zu verhindern bzw. zu vermeiden. Diese könnten ansonsten durch die Überstromschutzeinrichtung nicht erkannt werden und zu einer Beschädigung des Batteriesystems oder benachbarter Einrichtungen führen und die Gesundheit und das Leben von Personen gefährden. Damit wird eine Grundlage für einen über einen weiten Bereich sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Batteriespeichersystems geschaffen. Die eingebrachte Energie im Störfalle kann auf ein relativ ungefährliches Maß reduziert werden, was den Aufwand und die Kosten für Wartung senkt. Das Batteriespeichersystem mit der erfindungsgemäßen Störlichtbogenschutzeinrichtung kann bei allen Arten von Batterieanwendungen, in stationären Anwendungen im Multi-MWh-Bereich und für mobile Anwendungen, wie bspw. Elektrofahrzeuge oder dgl., verwendet werden.
Die Batterieanordnung kann wenigstens ein durch eine Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen gebildetes Batteriemodul aufweisen, um eine minimale Nenngleichspannung bereitzustellen. Diese kann in Ausführungsformen ja nach Bedarf wenigstens 450 Volt und bis zu 600 Volt oder mehr betragen.
Ein oder mehrere derartige Batteriemodule können auch parallel geschaltet sein, um hohe Nennleistungen von bspw. wenigstens 0,5 MW oder sogar 1,0 MW oder mehr zu erreichen. Derartige Batterieanordnungen sind in Verbindung mit Energieversorgungs- und -verteilungssystemen zur Schaffung von Batterie-Speicherkraftwerken für den privaten und gewerblichen Bereich gut geeignet.
Die Batteriezellen können auf beliebiger Batterietechnologie, wie bspw. Lithium-Ionen-, Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Natrium-Schwefel-, Natrium-Nickelchlorid- oder anderen geeigneten Technologien basieren.
In einer Ausführungsform weist das Batteriespeichersystem ferner eine positive Gleichspannungszuleitung, die mit einem positiven Anschluss der Batterieanordnung verbunden ist, und eine negative Gleichspannungszuleitung auf, die mit einem negativen Anschluss der Batterieanordnung verbunden ist, wobei in der positiven oder der negativen Gleichspannungszuleitung ein ansteuerbarer Schalter zur bedarfsweisen Unterbrechung der Leitungsverbindung angeordnet ist. Vorzugsweise sind in beiden Gleichspannungszuleitungen entsprechende Schalter vorgesehen, die bei Feststellung von Störlichtbogenbedingungen zur galvanischen Trennung der Batterie von dem angeschlossenen System verwendet werden können. Die ansteuerbaren Schalter sind vorzugsweise innere Batterieschütze, die vorteilhafterweise in einem Batteriemodul bereits integriert sein können.
Das Batteriespeichersystem weist vorzugsweise einen Stromsensor, der den von der Batterieanordnung gelieferten Iststrom erfasst und ein den erfassten Iststrom kennzeichnendes Stromsignal liefert, und einen Spannungssensor auf, der die von der Batterieanordnung momentan gelieferte Istspannung erfasst und ein die erfasste Istspannung kennzeichnendes Spannungssignal liefert.
Das Batteriespeichersystem kann vorzugsweise ferner ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Regelung der wiederaufladbaren Batterieanordnung aufweisen. Das Batteriemanagementsystem kann vielfältige Funktionen, einschließlich eines Batteriezellenschutzes, einer Ladekontrolle, eines Lastmanagements, einer Bestimmung des Ladezustands der Batterie, einer Bestimmung der Zellgesundheit, eines Ausgleichs der Zellspannung und dgl., erfüllen. Jedenfalls weist das Batteriemanagementsystem vorzugsweise eine Kontrolleinrichtung auf, die den Ladezustand der Batterieanordnung bestimmt und ein Überladen und Überentladen der Batterieanordnung erkennt und verhindert.
Das Batteriemanagementsystem kann insbesondere mit dem Stromsensor und dem Spannungssensor, die in einem Batteriemodul bereits integriert sein können, verbunden sein, um die Strom- und Spannungssignale von diesen zu empfangen. Die Kontrolleinrichtung kann dann eingerichtet sein, um das von dem Spannungssensor gelieferte Spannungssignal mit einer Entladegrenzspannung zu vergleichen, um einen für einen normalen Betrieb zu stark entladenen Zustand der Batterieanordnung zu erkennen und zu verhindern.
Die Entladegrenzspannung ist vorzugsweise deutlich höher als die von dem Schutzsystem für den Störlichtbogenschutz herangezogene minimale Spannungsschwelle gewählt. Sie kann wenigstens eineinhalbmal so hoch wie die minimale Spannungsschwelle sein. In einer Ausführungsform, in der die Batterieanordnung eine maximale Spannung von etwa 600 Volt und einen Nennspannungsbereich von etwa 450 Volt bis 577 Volt aufweist, liegt die Entladegrenzspannung vorzugsweise in einem Bereich zwischen 420 Volt und 450 Volt, während die minimale Spannungsschwelle in einem Bereich zwischen 150 Volt und 300 Volt, vorzugsweise zwischen 200 Volt und 250 Volt liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schutzsystem, einschließlich der Störlichtbogenschutzeinrichtung, Teil des Batteriemanagementsystems. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung lässt sich vorteilhafterweise leicht implementieren und in existierende Batteriemanagementsysteme nachrüsten. Dies insbesondere, wenn das Batteriemanagementsystem bereits erfasste Batteriestrom- und -spannungssignale empfängt und für andere Kontrollaufgaben, wie den Entladeschutz, nutzt.
Alternativ kann die Störlichtbogenschutzeinrichtung auch von dem Batteriemanagementsystem gesondert implementiert sein. Z.B. kann sie in der Steuerung bzw. einem Schutzsystem eines das Batteriespeichersystem nutzenden Energiesystems integriert sein. Sie kann dann die gleichen Strom- und Spannungssensoren wie das Batteriemanagementsystem oder auch andere Sensoren nutzen. Sie kann die gleichen Schutzschalter in einem Batteriemodul wie das Batteriemanagementsystem oder andere in dem Energiesystem enthaltene Schutzschalter betätigen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Batteriespeichersystem ferner eine Sicherung, z.B. eine elektronische Sicherung oder eine Schmelzsicherung, in der positiven und/oder der negativen Gleichspannungszuleitung zur bedarfsweisen Unterbrechung des Stromflusses durch diese im Falle eines Kurzschlussstromes hoher Stärke auf.
Bevorzugterweise ist die Störlichtbogenschutzeinrichtung mit einem Zeitgeber verbunden oder ausgestattet und dazu eingerichtet, eine erste Zeitdauer, während der der erfasste Batteriestrom größer ist als die maximale Stromschwelle, und eine zweite Zeitdauer, während der die erfasste Batteriespannung kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle, zu erfassen und die Störlichtbogenbedingungen zu erkennen und Schutzmaßnahmen dagegen einzuleiten, wenn die erste Zeitdauer größer ist als eine erste maximale Zeitschwelle und/oder die zweite Zeitdauer größer ist als eine zweite maximale Zeitschwelle. Durch Berücksichtigung des Zeitfaktors können auf vorübergehende Störungen zurückzuführende Fehlerkennungen der Störlichtbogenbedingungen vermieden oder reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich können zu diesem Zweck die Spannungs- und Stromsignale auch mit einem Filter, z.B. einem Tiefpaß, gefiltert werden.
Die erste maximale Zeitschwelle ist vorzugsweise kleiner als die zweite maximale Zeitschwelle. Damit werden Störlichtbögen mit hohen Strömen auf eine möglichst geringe Zeitdauer begrenzt, um entsprechende Brandschäden zu vermeiden. Für Störlichtbögen mit niedrigen Strömen ist die Erfassungszeitdauer länger, um Fehlererkennungen und -abschaltungen zu reduzieren, jedoch hinreichend klein, um die Gefahr für Systemkomponenten und Menschen zu minimieren. In einer Ausführungsform beträgt die erste maximale Zeitschwelle bspw. weniger als 0,020 Sekunden, z.B. etwa 0,013 Sekunden, während die zweite maximale Zeitschwelle im Bereich zwischen 0,2 Sekunden und 1 Sekunde liegt, vorzugsweise in etwa 0,5 Sekunden beträgt.
Die zweite maximale Zeitschwelle ist jedenfalls kleiner als eine Entladezeitschwelle, die die Zeitdauer kennzeichnet, während der das von dem Batteriemanagementsystem empfangene Spannungssignal die Entladegrenzspannung unterschreiten muss, damit das Batteriemanagementsystem einen überentladenen Zustand der Batterieanordnung erkennt.
Die Störlichtbogenschutzeinrichtung kann, um die Erkennungssicherheit weiter zu verbessern, auch mehrere Spannungsschwellen und Zeitschwellen für den Unterspannungsschutz aufweisen, wobei die Zeitschwellen umso niedriger sein können, je kleiner die Spannungsschwelle ist. In einer Ausführungsform ist die Störlichtbogenschutzeinrichtung bspw. dazu eingerichtet, die erfasste Batteriespannung mit einer vorgegebenen ersten minimalen Spannungsschwelle und mit einer vorgegebenen zweiten minimalen Spannungsschwelle, die kleiner ist als die erste minimale Spannungsschwelle, zu vergleichen und für den Fall, dass die erfasste Batteriespannung für einen ersten Zeitraum die erste minimale Spannungsschwelle unterschreitet oder dass die erfasste Batteriespannung für einen zweiten Zeitraum, der kürzer ist als der erste Zeitraum, die zweite minimale Spannungsschwelle unterschreitet, Schutzmaßnahmen einzuleiten, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung zu verhindern. In dem vorstehend erwähnten Realisierungsbeispiel mit der Batterienennspannung zwischen 450 und 577 Volt kann die erste minimale Spannungsschwelle bspw. 300 Volt und der erste vorgegebene Zeitraum mehr als 500 Millisekunden, z.B. 650 Millisekunden, betragen, während die zweite minimale Spannungsschwelle bspw. 150 Volt und der zweite Zeitraum weniger als 500 Millisekunden, z.B. 350 Millisekunden, betragen können.
Das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem kann ein eigenständiges System (Stand-Alone-System) bilden oder in einer Windenergieanlage, einer Solargeneratoranlage oder dgl. integriert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Energieumwandlungssystem mit einer wiederaufladbaren Batterieanordnung zur Speicherung und Bereitstellung von Energie, mit einer Stromrichtereinrichtung, die über einen Gleichspannungszwischenkreis an die Batterieanordnung angeschlossen ist, um eingangsseitige Gleichspannungsenergie, die von der Batterieanordnung geliefert wird, in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie umzuwandeln und umgekehrt, und mit einem Schutzsystem geschaffen, das eine Störlichtbogenschutzeinrichtung zum Schutz des Energieumwandlungssystems und von Personen gegen Gefahren durch Störlichtbögen aufweist. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung ist eingerichtet, um den von der Batterieanordnung gelieferten Batteriestrom zu erfassen und mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle zu vergleichen, die von der Batterieanordnung gelieferte Spannung zu erfassen und mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle zu vergleichen und für den Fall, dass der erfasste Batteriestrom größer ist als die maximale Stromschwelle und/oder die erfasste Batteriespannung kleiner als die minimale Spannungsschwelle, festzustellen, dass Störlichtbogenbedingungen vorliegen, und Schutzmaßnahmen einzuleiten, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung zu verhindern.
Das Energieumwandlungssystem kann für verschiedene batteriebasierte Anwendungen, insbesondere stationäre Anwendungen zur Energieversorgung bzw. -verteilung verwendet werden. In sofern kann der Ausgang der Stromrichtereinrichtung z.B. mit einem Netz, z.B. einem öffentlichen Stromversorgungsnetz oder einem Inselnetz, verbunden sein. Das Batteriespeichersystem kann eingerichtet sein, um überschüssige Energie aus dem Netz aufzunehmen und vorübergehend zu speichern, um sie in Zeiten geringeren Energieangebots verfügbar zu machen. Das Energieumwandlungssystem kann auch für mobile Anwendungen, wie bspw. für Elektroautos, -busse oder -lastwagen verwendet werden.
Die Batterieanordnung des Energieumwandlungssystems weist vorzugsweise mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen auf, wobei die Batteriemodule parallel zueinander an einem gemeinsamen Gleichspannungsbus angeschlossen sein können, mit dem der Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist. Dadurch können die bspw. für Energie-Speicherkraftwerke erforderlichen hohen Nennspannungen und -leistungen bereitgestellt werden.
Das Energieumwandlungssystem kann ferner eine oder mehrere Schutzeinrichtungen zum Schutz gegen Fehlerströme aufweisen. Es kann einen ansteuerbaren Schalter in einer positiven Gleichspannungszuleitung, die mit einem positiven Anschluss der Batterieanordnung verbunden ist, und/oder in einer negativen Gleichspannungszuleitung, die mit einem negativen Anschluss der Batterieanordnung verbunden ist, aufweisen, um eine bedarfsweise Unterbrechung der Leitungsverbindung zu ermöglichen. Der oder die ansteuerbaren Schalter können Batterieschütze sein, die in einem Batteriemodul der Batterieanordnung bereits integriert sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Energieumwandlungssystem eine Sicherung, z.B. eine elektronische Sicherung oder Schmelzsicherung, in der positiven und/oder negativen Gleichspannungszuleitung zur Unterbrechung des Stromflusses durch diese im Falle eines Kurzschlussstromes hoher Stärke aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Fehlerstromschutzschalter in einer Erdungsverbindung zwischen einer positiven oder negativen Anschlussleitung, über die der Gleichspannungszwischenkreis mit der positiven bzw. negativen Gleichspannungszuleitung verbunden ist, und einem Erdpunkt, z.B. einer Systemerde oder einer lokalen Masse, vorgesehen sein. Ferner sind vorzugsweise alternativ oder zusätzlich Mittel, z.B. Varistoren oder dgl., zum Überspannungsschutz auf der Gleichspannungsseite und/oder der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinrichtung vorgesehen. Außerdem sind vorzugsweise Leitungsschutzschalter in den Anschlussleitungen der Stromrichtereinrichtung auf der Gleichspannungsseite und/oder der Wechselstromseite angeordnet. Im Fehlerfalle oder für Wartungszwecke können einzelne fehlerhafte Batteriemodule oder kann die gesamte Batterieanordnung von dem restlichen System galvanisch getrennt werden.
Vorzugsweise ist ein Batteriemanagementsystem, bspw. ein jedem Batteriemodul zugeordnetes Batteriemanagementsystem, zur Überwachung und Regelung der wideraufladbaren Batterieanordnung vorgesehen, das eine Kontrolleinrichtung aufweist, um den Ladezustand der Batterieanordnung zu bestimmen und ein Überladen und Überentladen der Batterieanordnung zu erkennen und zu verhindern.
Die Störlichtbogenschutzeinrichtung kann Teil des Batteriemanagements sein. Sie kann auch von dem Batteriemanagementsystem gesondert oder unabhängig, z.B. in einer Steuerung oder einem Schutzsystem für die Stromrichtereinrichtung integriert sein.
Im Übrigen gelten für das Energieumwandlungssystem und dessen Komponenten, insbesondere die Batterieanordnung und das Schutzsystem, einschließlich der Störlichtbogenschutzeinrichtung, das Batteriemanagementsystem und den kombinierten Überstrom- und Unterspannungsschutz zur Störlichtbogenvermeidung die obigen Ausführungen zu Ausführungsformen und vorteilhaften Gesichtspunkten des Batteriespeichersystems gemäß dem ersten Aspekt entsprechend.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Schutz eines Batteriespeichersystems gegen Gefahren durch Störlichtbögen geschaffen, wobei das Batteriespeichersystem eine wiederaufladbare Batterieanordnung zur Speicherung und Bereitstellung von Gleichspannungsenergie aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erfassen eines von der Batterieanordnung gelieferten Batteriestroms und Liefern eines diesen kennzeichnenden Batteriestromsignals; Vergleichen des Batteriestromsignals mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle; Erfassen einer von der Batterieanordnung gelieferten Batteriespannung und Liefern eines diese kennzeichnenden Batteriespannungssignals; Vergleichen des Batteriespannungssignals mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle; und für den Fall, dass das Batteriestromsignal für wenigstens eine erste minimale Zeitdauer größer ist als die maximale Stromschwelle und/oder das Batteriespannungssignal für wenigstens eine zweite minimale Zeitdauer kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle, Feststellen, dass Störlichtbogenbedingungen vorliegen, und Einleiten von Schutzmaßnahmen, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung zu verhindern.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Gesichtspunkte des Schutzverfahrens gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen diejenigen des Batteriespeichersystems und des Energieumwandlungssystems gemäß dem ersten bzw. zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist nachstehend beispielhaft anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Batteriespeichersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer von einer Anwendung losgelösten, isolierten vereinfachten Darstellung;
2 ein Blockschaltbild eines auf einem Batteriespeichersystem basierenden Energieumwandlungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einer vereinfachten Darstellung; und
3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz eines Batteriespeichersystems gegen Gefahren durch Störlichtbögen, stark vereinfacht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines Batteriespeichersystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das hier durch ein einzelnes Batteriemodul 2 gebildet ist, das in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht veranschaulicht) eine wiederaufladbare Batterieanordnung 3 zur Speicherung und Bereitstellung von Energie mit allen zugehörigen Anschlüssen und der zugehörigen Elektronik, einschließlich eines Batteriemanagementsystems 4 zur Überwachung und Regelung der wideraufladbaren Batterieanordnung 3 aufweist.
Die Batterieanordnung 3 weist mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 6 auf, die jeweils eine Gleichspannung von bspw. 12, 24 oder 48 Volt aufweisen, wobei durch die Reihenschaltung der Zellen eine beliebige gewünschte Nenngleichspannung der Batterieanordnung 3 erzielt werden kann. In einer bevorzugten Anwendung des Batteriespeichersystems 1 für Batterie-Speicherkraftwerke ist die Batterieanordnung 3 für eine Nenngleichspannung von wenigstens 450 Volt bis zu etwa 600 Volt oder sogar mehr ausgelegt.
Die Batterieanordnung 3 kann auf unterschiedlichen Batterietechnologien, wie z.B. Blei-Säure-, Lithium-Eisen-, Lithium-Ionen-, Nickel-Cadmium-, Natrium-Schwefel-, Natrium-Nickel- oder beliebigen sonstigen Technologien beruhen, die die für die hier vorgesehenen Anwendungen geeigneten hohen Speicherkapazitäten, Energiedichten, Leistungen, Ladegeschwindigkeiten und ein geringes Entladeverhalten bieten.
Die Batterieanordnung 3 weist einen positiven Anschluss 7 und einen negativen Anschluss 8 auf. An den positiven Batterieanschluss 7 ist eine positive Gleichspannungszuleitung 9 angeschlossen, die bis zu einem positiven Ausgangsanschluss 11 des Batteriemoduls 2 führt. Eine negative Gleichspannungszuleitung 12 ist zwischen dem negativen Batterieanschluss 8 und einem negativen Ausgangsanschluss 13 des Batteriemoduls 2 angeschlossen.
In der positiven bzw. negativen Gleichspannungszuleitung 9, 12 sind jeweils ein ansteuerbarer Schalter 14 bzw. 16 und eine Sicherung 17 bzw. 18 angeordnet. Die Schalter 14, 16 sind vorzugsweise innere Batterieschütze des Batteriemoduls 2, die zum Öffnen angesteuert werden können, um innerhalb kurzer Zeit im Millisekundenbereich Kurzschlussströme bis zu etwa 1000 Ampere bei 600 Volt Batteriespannung unterbrechen zu können. Die Sicherungen 17, 18 sind in ähnlicher Weise dazu vorgesehen, Kurzschlussströme oder sonstige Fehlerströme höherer Stärke bis zu etwa 20 kA zu unterbrechen. Die Sicherungen 17, 18 können elektronische Sicherungen oder auch Schmelzsicherungen sein. Die Batterieschütze 14, 16 und die Sicherungen 17, 18 gehören zu einem Schutzsystem 19 des Batteriemoduls 2, das nachstehend noch näher beschrieben ist.
Zu dem Batteriemodul 2 gehört ferner das Batteriemanagementsystem 4, das vorzugsweise eine elektronische Schaltung ist, die den Betrieb und Zustand der wideraufladbaren Batterieanordnung 3 überwacht und regelt. Das Batteriemanagementsystem 4 ist bspw. in der Lage, die fertigungsbedingten oder alterungsbedingten Streuungen verschiedener Parameter der einzelnen Batteriezellen 6, wie etwa Kapazität und Leckströme, zu erkennen, zu überwachen und auszuregeln. Das Batteriemanagementsystem 4 weist Funktionseinheiten auf, zu denen insbesondere eine Batteriezellschutzeinheit 21, die die Zellgesundheit bestimmt und für ein Ausbalancieren der Zellen sorgt, eine Ladekontrolleinheit 22, die den Ladevorgang der Batterieanordnung 3 und der einzelnen Batteriezellen 6 überwacht und regelt, eine Ladezustandsbestimmungseinheit 23, die den Ladezustand der Batterieanordnung 3 und der Batteriezellen 6 während des Betriebs überwacht und auch eine Tief- bzw. Überentladung derselben verhindert, und eine Temperaturmanagementeinheit 24, die die Temperatur im Inneren oder in unmittelbarer Nähe des Batteriemoduls 2 überwacht und regelt. Es können weitere Funktionseinheiten, bspw. zum Lastmanagement, zur Erfassung und Anzeige von Betriebsdaten, zur Kommunikation mit externen Steuergeräten bzw. -vorrichtungen und dgl. vorgesehen sein. All diese Funktionseinheiten des Batteriemanagementsystems 4 sind Teil des Schutzsystems 19 der Batterieanordnung 3.
Außerdem enthält das Batteriemanagementsystem 4 eine hier lediglich durch einen weiteren Funktionsblock 26 dargestellte Störlichtbogenschutzeinrichtung, die dazu dient, die Batterieanordnung 3 sowie Systemkomponenten und Personen in der Nähe gegen Gefahren durch Störlichtbögen zu schützen. Die Funktionsweise der Störlichtbogenschutzeinrichtung ist weiter unten in größeren Einzelheiten beschrieben.
Das Batteriemanagementsystem 4 ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise in dem Batteriemodul 2 bereits mit integriert. Es kann könnte rein in Hardware implementiert sein. In einer bevorzugten, flexibleren Ausführungsform ist das Batteriemanagementsystem 4 in Hard- und Software implementiert und weist eine Rechen- bzw. Verarbeitungseinheit 27 in Form eines Mikroprozessors, Mikrocontroller oder dgl., sowie einen Speicher 28 auf. Die Verarbeitungseinheit 27 ist dazu vorgesehen, die Funktionen der Funktionseinheiten 21–24, 26 und anderer des Batteriemanagementsystems 4 auszuführen. Der zugehörige Programmcode kann gemeinsam mit zugehörigen Daten, Parametern, etc. in dem Speicher 28 abgelegt sein und zur Ausführung der Funktionen von diesem abgerufen werden. Während des Betriebs können in dem Speicher 28 Betriebsdaten für spätere Auswertung und Servicezwecke gespeichert werden. Das Batteriemanagementsystem 4 weist weitere, hier nicht näher dargestellte Komponenten, wie bspw. einen Zeitgeber zur relativen Zeiterfassung, Kommunikationsmittel, die eine Kommunikation mit externen Geräten und Steuervorrichtungen ermöglichen, Schnittstellen für die Kommunikationsverbindung und für Servicezwecke und andere Komponenten auf, die die Funktionsweise des Batteriemanagementsystems 4 unterstützen.
Außerdem ist das Batteriemanagementsystem 4 mit Sensoren bzw. Messeinrichtungen verbunden, die Betriebs- und Umgebungsparameter während eines Betriebs des Batteriemoduls 2 erfassen und entsprechende kennzeichnende Signale an das Batteriemanagementsystem 4 liefern. Insbesondere ist das Batteriemanagementsystem 4 mit einem Stormsensor 29 kommunikationsmäßig verbunden, der den von der Batterieanordnung 3 momentan gelieferten Iststrom I_B erfasst und ein den Batterie-Iststrom kennzeichnendes Stromsignal liefert. Ein Spannungssensor 31 erfasst die Batteriespannung U_B zwischen den Batterieanschlüssen 7, 8 und liefert ein die erfasste Batterie-Istspannung kennzeichnendes Spannungssignal an das Batteriemanagementsystem 4. Die Signale U_B, I_B und weitere erfasste Sensorsignale, z.B. in Bezug auf die momentane Temperatur, werden von den jeweiligen Funktionseinheiten 21–24, 26 verwendet, um die Batterieanordnung 3 zu überwachen und regeln.
Im Betrieb kann das Batteriespeichersystem 1 von einer externen Quelle, z.B. einer erneuerbaren Energiequelle, geladen werden, was durch die Ladekontrolleinheit 22 unter Überwachung der Batteriespannung U_B und des Ladestroms I_B kontrolliert wird, um einen geordneten Ladevorgang sicherzustellen und ein Überladen der Batterieanordnung 3 zu vermeiden. Die Batteriezellschutzeinheit 21 sorgt für eine Einzelüberwachung der Zellen 6 und gegebenenfalls für einen Ausgleich der Zellspannungen.
Beim Entladen der Batterieanordnung 3, wenn diese Energie in ein Netz speist oder einen Verbraucher versorgt, überwacht die Ladezustandsbestimmungseinheit 23 anhand der erfassten Signale U_B, I_B den momentanen Ladezustand der Batterieanordnung 3, um ein Überentladen der Batterieanordnung 3 zu erkennen und zu verhindern. Insbesondere kann die Ladezustandsbestimmungseinheit 23 die momentane Batteriespannung U_B mit einer Entladegrenzspannung U_Blimit vergleichen und in dem Fall, dass die momentane Batteriespannung U_B kleiner ist als die Entladegrenzspannung U_Blimit, einen überentladenen Zustand der Batterieanordnung 3 feststellen. Die Entladegrenzspannung U_Blimit ist etwas niedriger als die für die jeweilige Anwendung ausgelegte Nennspannung der Batterieanordnung 3. Wenn bspw. die Batterieanordnung 3 bei einer Anwendung für Batterie-Speicherkraftwerke eine maximale Spannung von etwa 600 Volt und einen Nennspannungsbereich von etwa 450 Volt bis 577 Volt aufweist, liegt die Entladegrenzspannung U_Blimit vorzugsweise geringfügig darunter, z.B. im Bereich zwischen 420 Volt und 450 Volt.
Um Fehlerkennungen, die durch Rauschen, Störsignale und dgl. hervorgerufen sind, zu vermeiden, erfasst das Batteriemanagementsystem 4 vorzugsweise ferner die Zeitdauer, während der die Batterieistspannung U_B die Entladegrenzspannung U_Blimit unterschreitet, und stellt einen Überentladezustand der Batterieanordnung 3 nur dann fest, wenn die erfasste Zeitdauer eine maximale Entladezeitschwelle T_limit überschreitet. Die Entladezeitschwelle T_limit kann eine Sekunde oder mehr betragen. Wenn die Ladezustandsbestimmungseinheit 23 einen Überentladezustand feststellt, sorgt sie z.B. dafür, dass die Batterieschütze 14, 16 kontrolliert geöffnet werden, um ein weiteres Entladen der Batterieanordnung 3 zu vermeiden.
In ähnlicher Weise kann die Temperaturmanagementeinheit 24 im Falle eines länger andauernden Überschreitens einer vorgegebenen maximalen Temperatur des Batteriemoduls 2 durch Öffnen der Batterieschütze 14, 16 einen Betrieb des Batteriemoduls 2 beenden und so einen Übertemperaturschutz durch das Schutzsystem 19 bewirken.
Zu dem Schutzsystem 19 gehört ferner die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26, die Gefahren durch Störlichtbögen erkennt und weitgehend vermeidet bzw. verhindert. Derartige Störlichtbögen können in Folge hoher Kurzschlussströme aufgrund von Kurzschlüssen oder Isolationsfehlern in dem Batteriespeichersystem 1 oder einem an diesem angeschlossenen System entstehen. Die Störlichtbögen können zu Brandschäden an dem Batteriespeichersystem 1 und an Systemkomponenten in dessen Umgebung führen und eine hohe Gefährdung für die Gesundheit und das Leben von in der Nähe befindlichen Personen, wie bspw. einem Wartungspersonal oder dgl., darstellen. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26 gemäß der vorliegenden Erfindung erkennt das Vorliegen gefährlicher Störlichtbedingungen und leitet Schutzmaßnahmen ein, um durch Unterbrechung des Stromflusses einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung 3 zu verhindern. Um dies in äußerst effizienter Weise zu ermöglichen, weist die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26 hier eine kombinierte Überstromschutzeinheit bzw. -logik 32 und Unterspannungsschutzeinheit bzw. -logik 32 auf.
Die Überstromschutzeinheit bzw. -logik 32 ist dazu eingerichtet, zu hohe Batterieströme I_B, die den Nennstrombereich deutlich überschreiten und durch hohe Kurzschlussströme in Folge von Kurzschlüssen oder Isolationsfehlern bedingt sind, zu erkennen. Hierzu empfängt die Überstromschutzeinheit 32 das Sensorsignal, das den momentanen Batteriestrom I_B kennzeichnet, und vergleicht dessen Wert mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle I_Bmax, die einen maximal zulässigen Batteriestrom im Fehlerfall kennzeichnet. Für den Fall, dass der erfasste Batteriestrom I_B größer ist als die maximale Stromschwelle I_Bmax, erfasst die Überstromschutzeinheit 32 ferner die Zeitdauer t₁, während der die Überstrombedingung erfüllt ist. Wenn die Überstrombedingung für eine Zeitdauer t₁ erfüllt ist, die größer ist als eine erste maximale Zeitschwelle T_max1, stellt die Überstromschutzeinheit 32 fest, dass Störlichtbogenbedingungen vorliegen, und sie bewirkt dann ein Öffnen der Batterieschütze 14, 16, um einen Stromfluss und einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung 3 zu verhindern.
Im Falle sehr hoher Kurzschlussströme kann das Batteriemanagementsystem eventuell nicht in der Lage sein, die Batterieschütze 14, 16 zu öffnen. In einem solchen Fall lösen aber die Sicherungen 17, 18 aus und sorgen damit für eine Stromflussunterbrechung.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem Überstromschutz alleine ein wirksamer Störlichtbogenschutz nicht bewerkstelligt werden kann. Der Grund dafür ist, dass die innere Impedanz einer Batterie je nach der verwendeten Batteriechemie und je nach Betriebsbedingungen, wie z.B. Temperatur, Ladezustand, Alter und dgl. variiert. Wenn bspw. die Batterie nahezu entladen oder deren Temperatur äußerst niedrig ist, steigt deren Impedanz an. Im Falle eines Fehlers der Batterie oder eines angeschlossenen Systems hängt aber der Kurzschlussstrom von der inneren Batterieimpedanz ab. Da bei hoher Batterieimpedanz der Kurzschlussstrom relativ gering sein und eine ähnliche Größe wie der nominelle Betriebsstrom haben kann, kann es für die Überstromschutzeinheit 32 eventuell schwierig oder unmöglich sein, diese Fehlerbedingung zu erkennen und den Überstromschutz zu aktivieren. Dies kann zu lang andauerndem Störlichtbogen führen, der trotz geringer Stromstärke über die Zeit hinweg einen ernsthaften Schaden an der Batterieanordnung oder damit verbundener Ausrüstung hervorrufen oder die Gesundheit bzw. das Leben von Personal gefährden kann. Um dies zu vermeiden, ist zusätzlich die Unterspannungsschutzeinheit bzw. -logik 33 vorgesehen.
Die Unterspannungsschutzeinheit bzw. -logik 33 beruht mit auf der Erkenntnis, dass die Batteriespannung bei hoher Batterieimpedanz kurzschlussbedingt sprunghaft stark abfallen wird, was zur Erfassung von Störlichtbogenbedingungen bei hoher Batterieimpedanz genutzt werden kann. Die Unterspannungsschutzeinheit 33 empfängt das Sensorsignal, das die momentane Batteriespannung U_B kennzeichnet, und vergleicht dessen momentanen Wert mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsquelle U_Bmin, die die minimal erforderliche bzw. zulässige Batteriespannung im Fehlerfall kennzeichnet. Falls die momentane Batteriespannung U_B größer ist als die vorgegebene minimale Spannungsschwelle U_Bmin, erfasst die Unterspannungsschutzeinheit 33 ferner die Zeitdauer t₂, während der die Unterspannungsbedingung erfüllt ist. Wenn die Unterspannungsbedingung für eine Zeitdauer t₂ erfüllt ist, die größer ist als eine zweite maximale Zeitschwelle T_max2, erkennt die Unterspannungsschutzeinheit 33, dass Störlichtbogenbedingungen bei hoher Batterieimpedanz vorliegen, und sie sorgt dafür, dass die Schütze 14, 16 öffnen und den Stromfluss und damit einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung 3 verhindern.
Mit der Kombination aus der Überstromschutzeinheit 32 und der Unterspannungsschutzeinheit 33 kann der Betriebsbereich, in dem das Batteriespeichersystem 1 sicher und zuverlässig betrieben werden kann, vergrößert werden. Die eingebrachte Energie im Fehlerfalle kann auf geringe Werte reduziert werden, wodurch das Risiko für Wartungspersonal und dgl. reduziert wird. Dies senkt die Anforderungen und Kosten für Schutzmaßnahmen und ermöglicht eine effizientere und kostengünstigere Instandhaltung des Batteriespeichersystems 1 und jedes an dieses angeschlossenen Systems.
Für einen ordnungsgemäßen, weitgehend störungsfreien und unterbrechungsfreien Betrieb des Batteriespeichersystems 1 kann die minimale Spannungsschwelle U_Bmin für den Unterspannungs-Störlichtbogenschutz deutlich kleiner als die Entladegrenzspannung U_Blimit, z.B. etwa halb bis zwei Drittel so hoch wie die Entladegrenzspannung U_Blimit, gewählt werden. In dem oben erwähnten Beispiel mit einer maximalen Batteriespannung von 600 Volt und einem Nennspannungsbereich von 450–577 Volt kann die minimale Spannungsschwelle U_Bmin bspw. im Bereich zwischen 150 Volt und 300 Volt, vorzugsweise zwischen 200 Volt und 250 Volt liegen, verglichen mit der Entladegrenzspannung U_Blimit im Bereich zwischen 420 Volt und 450 Volt.
Außerdem sollte die erste maximale Zeitschwelle T_max1 für den Überstromschutz deutlich kleiner gewählt werden als die zweite maximale Zeitschwelle T_max2 für den Unterspannungsschutz, um die Zeitdauer, während der sehr hohe Kurzschlussströme fließen, auf ein Minimum zu reduzieren, ohne zu häufige und unnötige Abschaltungen des Batteriespeichersystems 1 zu bewirken. Bspw. kann T_max1 kleiner als 0,020 s gewählt werden, vorzugsweise in etwa 0,013 s betragen, während T_max2 zwischen 0,2 s und 1 s liegen und vorzugsweise in etwa 0,5 s betragen kann. Die Entladezeitschwelle T_limit für den Überentladeschutz ist deutlich größer als die beiden anderen Zeitschwellen T_max1 und T_max2 und kann bei einer oder mehreren Sekunden liegen.
In 2 ist eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems 1 in einem Energieumwandlungssystem 34 dargestellt. Das Energieumwandlungssystem 34 kann in Verbindung mit einem Energieerzeugungs-, -versorgungs- oder -verteilungssystem, insbesondere einem System, das auf einem erneuerbaren Energieträger, wie Sonne, Wind oder Wasser basiert, verwendet werden, um überschüssige erneuerbare Energie in dem Batteriespeichersystem 1 zwischenzuspeichern und sie zu anderen Zeiten, z.B. in der Nacht bei Photovoltaikanlagen oder in windstillen Zeiten bei Windkraftanlagen, nutzen zu können. Das Energieumwandlungssystem 34 ermöglicht ferner einen Ausgleich schwankender Energieeinspeisung, eine Spitzenglättung und einen Lastausgleich, was die Netzstabilität und -qualität verbessern kann.
Das Energieumwandlungssystem 34 weist im Wesentlichen ein Batteriespeichersystem, wie bspw. das Batteriespeichersystem 1 nach 1, und eine Stromrichtereinrichtung 36 auf, die an das Batteriespeichersystem 1 angeschlossen ist. Das Batteriespeichersystem 1 weist hier mehrere Batteriemodule 2 auf, die parallel an einen gemeinsamen Batteriegleichspannungsbus 37 angeschlossen sind, wobei die Anzahl der Batteriemodule 2 von der jeweiligen Anwendung abhängig ist. Bspw. kann für die Anwendung in Batterie-Speicherkraftwerken die Parallelschaltung 50 bis 300 Module aufweisen, die eine gesamte Nennleistung von vorzugsweise wenigstens 0,5 MW, bevorzugterweise 1,0 MW oder mehr, liefern.
Die Stromrichtereinrichtung 36 ist dazu vorgesehen, die eingangsseitige Gleichspannungsenergie, die von der die Gesamtheit der Batteriemodule 2 umfassenden Batterieanordnung 3 geliefert wird, in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie zur Einspeisung in ein Netz oder zur Versorgung von Verbrauchern umzuwandeln oder umgekehrt Wechselspannungsenergie aus einem ausgangsseitig angeschlossenen Netz (nicht veranschaulicht) in eingangsseitige Gleichspannungsenergie zur Speicherung in dem Batteriespeichersystem 1 umzuwandeln. Die Stromrichtereinrichtung 36 weist an den Gleichspannungsbus 37 angeschlossene Anschlussleitungen 38, 39, einen Gleichspannungszwischenkreis 40, eine Umrichteranordnung 41 und ausgangsseitige Leitungen 42 auf, die aus der Stromrichtereinrichtung 36 herausführen.
Der Begriff „Eingangsseite“ bzw. „eingangseitig“ bezieht sich auf die an das Batteriespeichersystem 1 angeschlossene Seite der Stromrichtereinrichtung 36 bzw. der Umrichteranordnung 41, während „Ausgangsseite“ bzw. „ausgangsseitig“ sich auf die andere, von dem Batteriespeichersystem 1 entfernte Wechselspannungsseite der Stromrichtereinrichtung 36 bzw. der Umrichteranordnung 41 bezieht, die über die Ausgangsleitungen 42 bspw. mit der Primärseite eines Transformators 43 verbunden ist. Der Transformators 43 ist sekundärseitig mit einem Netz, bspw. einem Energieversorgungs- bzw. -verteilungsnetz, verbunden und sorgt für die erforderliche Spannungsniveauanpassung.
Die Anschlussleitungen weisen eine positive Anschlussleitung 38 und eine negative Anschlussleitung 39 auf, die an den Batteriegleichspannungsbus 37 parallel zueinander angeschlossen und andererseits über den Gleichspannungszwischenkreis 40 mit dem Eingang der Umrichteranordnung 41 verbunden sind. Der Gleichspannungszwischenkreis 40 ist hier durch einen Zwischenkreiskondensator 44, der zwischen den Anschlussleitungen 38, 39 angeschlossen ist, und eine optionale Zwischenkreisdrosselanordnung 46 gebildet, die zur Reduktion des Oberschwingungsgehalts in dem Eingangsstrom der Umrichteranordnung 41 dient.
Die Umrichteranordnung 41 weist einen Gleichspannungswandler oder DC-DC-Wandler 47, dessen Eingang an den Gleichspannungszwischenkreis 40 angeschlossen ist, und einen Stromrichter bzw. DC-AC-Wandler 48 auf, der an den Ausgang des DC-DC-Wandlers 47 angeschlossen ist.
Der DC-DC-Wandler 47 weist eine Schaltungsanordnung mit elektronischen Bauelementen, wie Transistoren, insbesondere IGBTs, IGCTs, MOSFETs, Thyristoren und dgl. auf, die geschaltet werden können, um ein Gleichspannungsniveau in ein anderes umzuwandeln. Bspw. kann der DC-DC-Wandler 47 im Falle einer Entladung des Batteriespeichersystems 1 zur Einspeisung in ein Netz oder zu einem Verbraucher als Hochsetzsteller dienen, um die von dem Batteriespeichersystem 1 gelieferte Batteriespannung U_B auf ein für den Betrieb des Stromrichters 48 geeignetes höheres Niveau hochzusetzen. Der Stromrichter 48, der ebenfalls eine Schaltungsanordnung mit ansteuerbaren Schalterelementen aufweist, dient dann als Wechselrichter, um die an seinem Eingang anliegende Gleichspannungsenergie in Wechselspannungsenergie an seinem Ausgang umzuwandeln. Der Stromrichter 48 ist hier als dreiphasiger Wechselrichter veranschaulicht, der über die Ausgangsleitungen 42 einen Dreiphasenwechselstrom in ein Niederspannungsnetz oder über den Transformator 43 in ein Mittelspannungsnetz einspeisen kann. Je nach Anwendung könnte anstelle eines dreiphasigen Wechselrichters 48 auch ein einphasiger Wechselrichter oder könnten auch mehrere dreiphasige Wechselrichter parallel zueinander betrieben werden.
Im Falle einer Netzstromentnahme zum Laden des Batteriespeichersystems 1 arbeitet der Stromrichter 48 als Gleichrichter, der Wechselstromenergie aus dem Netz entnimmt und in Gleichspannungsenergie wandelt, wobei die Gleichspannung dann über den als Tiefsetzsteller arbeitenden DC-DC-Wandler 47 auf ein für das Batteriespeichersystem 1 geeignetes niedrigeres Niveau herabgesetzt wird.
Die soweit beschriebene Stromrichtereinrichtung 36 ist allgemein bekannt, so dass weitere Details in Bezug auf diese und deren Funktionsweise vermieden werden können. Es genügt zu erwähnen, dass der Betrieb der Stromrichtereinrichtung 36 durch eine hier lediglich schematisch dargestellte Steuereinrichtung 49 gesteuert ist, die während des Betriebs Betriebsparameter der Stromrichtereinrichtung 36 überwacht und die Schalter der Wandler 47, 48 nach einem vorgegebenen Schaltschema geeignet hochfrequent ansteuert, um die jeweils gewünschten Funktionen zur Einspeisung von Energie aus dem Batteriespeichersystem 1 in ein Netz und zur Entnahme von Energie aus dem Netz zur Zwischenspeicherung in dem Batteriespeichersystem 1 zu bewerkstelligen.
Das Energieumwandlungssystem 34 weist ein Schutzsystem 51 zum Schutz gegen Beschädigung aufgrund von Kurzschluss- und Fehlerströmen auf. Zu dem Schutzsystem 51 gehört eine in der Steuereinrichtung 40 integrierte, hier nicht näher dargestellte Logik, die die Spannungen und Ströme in dem Energieumwandlungssystem überwacht oder aktiv einzelne Abschnitte des Energieumwandlungssystems 34 ansteuert, um Kurzschluss- und andere Fehlerbedingungen zu erkennen, um die Stromrichtereinrichtung 36 dann gleichspannungsseitig von dem Batteriespeichersystem 1 und/oder wechselspannungsseitig von dem Netz zu trennen.
Das Schutzsystem 51 weist hierzu Leitungsschutzschalter 52, 53 auf, die in der positiven bzw. negativen Anschlussleitung eingefügt sind, um bedarfsweise einen Stromfluss durch diese zu unterbrechen. Die Leistungsschutzschalter 52, 53 können auch zu Wartungszwecken geöffnet werden, um die Stromrichtereinrichtung 36 zum Schutz des Wartungspersonals von der Batterieanordnung 3 galvanisch zu trennen.
Das Schutzsystem 51 weist ferner einen Fehlerstromschutzschalter 54 auf, der in einer Erdungsverbindung 56 zwischen hier der negativen Anschlussleitung 39 und einem Erdungspunkt 57 eingefügt ist, obwohl der Fehlerstromschutzschalter 54 prinzipiell auch zwischen der positiven Anschlussleitung 38 und Erde angeschlossen sein könnte. Hier befindet sich das Potential der negativen Anschlussleitung 39 im normalen Betrieb auf Erdpotenzial, so dass kein Strom über den Fehlerstromschutzschalter fließt. Im Falle eines Erdschlusses löst die innere Sicherung des Fehlerstromschutzschalters aus und unterbricht den Fehlerstrompfad. Die Auslösung der Sicherung des Fehlerstromschutzschalters 54 wird durch die Steuereinrichtung 49 des Energieumwandlungssystems 34 erfasst, die dann die Stromrichtereinrichtung 36 insgesamt außer Betrieb nimmt.
Das Schutzsystem 51 weist ferner Mittel 58, 59 und 61 auf, die hier auf der Gleichspannungsseite und/oder der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinrichtung 36 zum Überspannungsschutz vorgesehen sind. Die Mittel 58, 59 und 61 können Varistoren sein, die zwischen der jeweiligen Leitung 38, 39 bzw. 42 und Erde angeschlossen sind.
Das Schutzsystem 51 weist ferner einen Leitungsschutzschalter 62 in jeder der Ausgangsleitungen 42 auf, der durch die Steuereinrichtung 49 kontrolliert geöffnet werden kann, um die Stromrichtereinrichtung 36 auf der Wechselstrom- bzw. Netzseite für Wartungszwecke oder im Fehlerfalle abzutrennen, um sie gegen Kurzschlüsse und andere ernsthafte Fehler zu schützen oder Auswirkungen auf das Netz zu verhindern.
Im Übrigen könnte die Stromrichtereinrichtung 36 noch weitere (nicht veranschaulichte) Sicherungen, einschließlich elektronischer Sicherungen oder Schmelzsicherungen, auf der Gleich- oder Wechselspannungsseiten aufweisen, die einen zusätzlichen Schutz insbesondere für sehr hohe Kurzschluss- oder Fehlerströme bieten können.
Darüber hinaus gehört zu dem Schutzsystem 51 auch das in dem Batteriespeichersystem 1 integrierte Schutzsystem 19, das in der oben detaillierter beschriebenen Weise für einen Batterieschutz im Falle innerer Batteriefehler sorgt und das unter anderem mittels der Überstromschutzeinheit 32 und der Unterspannungsschutzeinheit 33 Störlichtbogenbedingungen erkennt und daraufhin die Batterieschütze 14, 16 des fehlerhaften Batteriemoduls 2 öffnet, um das defekte Modul außer Betrieb zu nehmen. Hierzu ist in jedem Batteriemanagementsystem 4 eines jeden Batteriemoduls 2 die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26 integriert. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit 1 verwiesen.
In 2 ist ferner eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystems 34 veranschaulicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dadurch, dass die Störlichtbogenschutzeinrichtung nicht in jedem einzelnen Batteriemanagementsystem 4 eines jeden Batteriemoduls 2, sondern in der Steuereinrichtung 49 der Stromrichtereinrichtung 36 integriert ist, wie durch den gestrichelt eingezeichneten Block 26’ angezeigt. Die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26’ kann mit dem Batteriemanagementsystem 4 eines jeden Batteriemoduls kommunikationsmäßig verbunden sein und von diesem die zugehörigen Strom- und Spannungssignale empfangen, die von dem Stromsensor 29 und dem Spannungssensor 31 eines jeweiligen Batteriemoduls 2 erfasst werden. Alternativ überwacht die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26’ die Spannung an dem Batteriegleichspannungsbus 37 oder, wie angezeigt, zwischen der positiven und der negativen Anschlussleitung 38, 39 mittels eines Spannungssensors 63 sowie den von dem Batteriespeichersystem 1 eingespeisten Strom mittels eines Stromsensors 64 bspw. an der positiven Anschlussleitung 38. Auf der Basis der von den Sensoren 63, 64 gelieferten Signale erfasst die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26’ dann in der oben dargestellten Weise Überstrom- bzw. Unterspannungsbedingungen, die Störlichtbogenbedingungen kennzeichnen, um daraufhin Schutzmaßnahmen zu ergreifen und das Batteriespeichersystem 1 von der Stromrichtereinrichtung 36 zu trennen. Hierzu kann die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26’, wenn sie mit den Batteriemanagementsystemen 4 der einzelnen Batteriemodule 2 in Kommunikationsverbindung steht, diese anweisen, die jeweiligen Batterieschütze 14, 16 zu öffnen, oder stattdessen eine Unterbrechung der Leitungsschutzschalter 52, 53 bewirken. Im Fehlerfalle kann die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26’, wie auch die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26 nach 1, auch eine Fehlermeldung an einen Betreiber des Energieumwandlungssystems 34 oder dgl. senden, um ihn auf den Fehlerfall aufmerksam zu machen.
Die Störlichtbogenschutzeinrichtung 26’ könnte auch in einer von den Batteriemanagementsystemen 4 und der Steuereinrichtung 49 gesonderten und mit diesen kommunikationsmäßig verbundenen Steuerung, auch an einem entfernten Ort, z.B. in einer Fernsteuerzentrale, angeordnet sein.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 71 zum Schutz eines Batteriespeichersystems, wie bspw. des Batteriespeichersystems 1 nach 1 oder 2, das eine wideraufladbare Batterieanordnung zur Speicherung und Bereitstellung von Gleichspannungsenergie aufweist, gegen Gefahren durch Störlichtbögen. Das Verfahren weist zunächst den Schritt S1 auf, wonach der Batteriestrom I_B und die Batteriespannung U_B erfasst werden. Bspw. können der Batteriestrom und die Batteriespannung durch die in den Batteriemodulen 2 integrierten Strom- und Spannungssensoren 29, 31 erfasst werden. Alternativ kann auch die Spannung an dem Batteriegleichspannungsbus 37 nach 2 oder an einem sonstigen Eingang eines Systems, der an die Ausgangsanschlüsse 11, 13 des Batteriespeichersystems 1 angeschlossen ist, sowie ein von dem Batteriespeichersystem 1 gelieferter Strom erfasst werden.
Im Schritt S2 wird der erfasste Batteriestrom I_B mit einer maximal zulässigen Stromschwelle I_Bmax verglichen. Falls festgestellt wird, dass der momentane Batteriestrom I_B größer als die maximale Stromschwelle I_Bmax ist (I_B > I_Bmax), wird im Schritt S3 ferner überprüft, ob eine erste Zeitdauer t₁, während der die Bedingung I_B > I_Bmax gilt, größer ist als eine erste maximale Zeitschwelle T_max1 (t₁ > T_max1?). Falls dies nicht der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt S4 fort. Andernfalls geht es zum Schritt S6 über.
Im Schritt S4 wird die momentane Batteriespannung U_B mit einer minimalen Spannungsschwelle U_Bmin verglichen, die eine Unterspannungsgrenze im Fehlerfall bei geringer Impedanz der Batterieanordnung kennzeichnet. Falls festgestellt wird, dass die momentane Batteriespannung U_B die minimale Spannungsschwelle U_Bmin unterschreitet (U_B < U_Bmin), wird im Schritt S5 ferner überprüft, ob eine zweite Zeitdauer t₂, während der die Bedingung U_B < U_Bmin gilt, größer ist als eine zweite maximale Zeitschwelle T_max2 (t₂ > T_max2?). Falls dies nicht der Fall ist, kehrt das Verfahren anschließend zum Schritt S1 zurück. Andernfalls geht es zum Schritt S6 über.
Im Schritt S6 stellt das Verfahren fest, dass Störlichtbogenbedingungen vorliegend, und es leitet Schutzmaßnahmen ein, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung zu verhindern. Hierzu kann gehören, dass die Batterieanordnung von dem restlichen System galvanisch getrennt wird.
Es ist verständlich, dass die oben dargestellten Schritte nicht in einer anderen als der aufgezeigten Reihenfolge und zum Teil gleichzeitig oder parallel durchgeführt sowie weitere Schritte in das Verfahren integriert werden können, um die Erfassung einer Störlichtbogengefahr zu verbessern. Ebenfalls ist verständlich, dass das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem 1 nicht nur in Verbindung mit Energieumwandlungssystemen, wie bspw. dem in 2 veranschaulichten Energieumwandlungssystem 34, verwendet werden kann, sondern in Verbindung mit beliebigen stationären und mobilen Systemen zur Energieerzeugung, -versorgung und -verteilung, auch für Elektrofahrzeuge und dgl., verwendet werden kann. Das Batteriespeichersystem 1 kann als ein eigenständiges System oder in ein anderes, übergeordnetes stationäres oder mobiles System integriert implementiert sein.
Bezugszeichenliste

1: Batteriespeichersystem
2: Batteriemodul
3: Batterieanordnung
4: Batteriemanagementsystem
6: Batteriezellen
7: Positiver Batterieanschluss
8: Negativer Batterieanschluss
9: Positive Gleichspannungszuleitung
11: Positiver Ausgangsanschluss
12: Negative Gleichspannungszuleitung
13: Negativer Ausgangsanschluss
14: Schalter, Batterieschütz
16: Schalter, Batterieschütz
17: Sicherung
18: Sicherung
19: Schutzsystem
21: Batteriezellschutzeinheit
22: Ladekontrolleinheit
23: Ladezustandsbestimmungseinheit
24: Temperaturmanagementeinheit
26, 26’: Störlichtbogenschutzeinrichtung
27: Verarbeitungseinheit
28: Speicher
29: Stromsensor
31: Spannungssensor
32: Überstromschutzeinheit
33: Unterspannungsschutzeinheit
34: Energieumwandlungssystem
36: Stromrichtereinrichtung
37: Batteriegleichspannungsbus
38: Positive Anschlussleitung
39: Negative Anschlussleitung
40: Gleichspannungszwischenkreis
41: Umrichteranordnung
42: Ausgangsleitungen
43: Transformator
44: Zwischenkreiskondensator
46: Zwischenkreisdrosselanordnung
47: Gleichspannungswandler, DC-DC-Wandler
48: Stromrichter, DC-AC-Wandler
49: Steuereinrichtung
51: Schutzsystem
52: Leitungsschutzschalter
53: Leitungsschutzschalter
54: Fehlerstromschutzschalter
56: Erdungsverbindung
57: Erdungspunkt
58: Überspannungsschutzmittel
59: Überspannungsschutzmittel
61: Überspannungsschutzmittel
62: Leitungsschutzschalter
63: Spannungssensor
64: Stromsensor
71: Verfahren
S1: Momentane Batteriespannung U_B und momentanen Batteriestrom I_B erfassen
S2: Batteriestrom I_B mit maximaler Stromschwelle I_Bmax vergleichen
S3: Erste Zeitdauer t₁ mit erster maximaler Zeitschwelle T_max1 vergleichen
S4: Momentane Batteriespannung U_B mit minimaler Spannungsschwelle U_Bmin vergleichen
S5: Zweite Zeitdauer t₂ mit zweiter maximaler Zeitschwelle T_max2 vergleichen
S6: Stromfluss unterbinden, Batteriebetrieb beenden

Claims

Batteriespeichersystem mit einer Batterieanordnung (3) zur Speicherung und Bereitstellung von Energie, wobei die Batterieanordnung (3) wiederaufladbar ist; mit einem Schutzsystem (19), das eine Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) zum Schutz gegen Gefahren durch Störlichtbögen aufweist, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) eingerichtet ist, um einen von der Batterieanordnung (3) gelieferten Batteriestrom (I_B) zu erfassen und mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle (I_Bmax) zu vergleichen, eine von der Batterieanordnung (3) gelieferte Spannung (U_B) zu erfassen und mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle (U_Bmin) zu vergleichen und für den Fall, dass der erfasste Batteriestrom (I_B) größer ist als die maximale Stromschwelle (I_Bmax) und/oder die erfasste Batteriespannung (U_B) kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle (U_Bmin), festzustellen, dass Störlichbogenbedingungen vorliegen, und Schutzmaßnahmen einzuleiten, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung (3) zu verhindern.
Batteriespeichersystem nach Anspruch 1, wobei die Batterieanordnung (3) wenigstens ein durch eine Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen (6) gebildetes Batteriemodul (2), vorzugsweise mehrere parallel geschaltete Batteriemodule (2) aufweist.
Batteriespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, das ferner eine positive Gleichspannungszuleitung (9), die mit einem positiven Anschluss (7) der Batterieanordnung (3) verbunden ist, und eine negative Gleichspannungszuleitung (12) aufweist, die mit einem negativen Anschluss (8) der Batterieanordnung (3) verbunden ist, wobei in der positiven und/oder der negativen Gleichspannungszuleitung (9, 12) jeweils ein ansteuerbarer Schalter (14, 16) zur bedarfsweisen Unterbrechung der Leitungsverbindung angeordnet ist.
Batteriespeichersystem nach einem der Ansprüche 1–3, das ferner einen Stromsensor (29), der den von der Batterieanordnung (3) momentan gelieferten Iststrom (I_B) erfasst und ein den erfassten Iststrom kennzeichnendes Stromsignal liefert, und einen Spannungssensor (31) aufweist, der die von der Batterieanordnung (2) momentan gelieferte Istspannung (U_B) erfasst und ein die erfasste Istspannung kennzeichnendes Spannungssignal liefert.
Batteriespeichersystem nach einem der Ansprüche 1–3, das ferner ein Batteriemanagementsystem (4) zur Überwachung und Regelung der wiederaufladbaren Batterieanordnung (3) aufweist, das eine Kontrolleinrichtung (22, 23) aufweist, um den Ladezustand der Batterieanordnung (3) zu bestimmen und ein Überladen und Überentladen der Batterieanordnung (3) zu erkennen und zu verhindern.
Batteriespeichersystem nach Anspruch 5, wobei das Batteriemanagementsystem (4) mit einem Stromsensor (29) und einem Spannungssensor (31) des Batteriespeichersystems (1) verbunden ist, um den momentanen Batteriestrom (I_B) und die momentane Batteriespannung (U_B) kennzeichnende Signale von diesen zu empfangen, und die Kontrolleinrichtung (23) eingerichtet ist, um das empfangene Batteriespannungssignal mit einer Entladegrenzspannung (U_Blimit) zu vergleichen, um einen überentladenen Zustand der Batterieanordnung (3) zu erkennen und zu verhindern.
Batteriespeichersystem nach Anspruch 6, wobei die Entladegrenzspannung (U_Blimit) höher als die minimale Spannungsschwelle (U_Bmin), vorzugsweise wenigstens eineinhalb so hoch wie die minimale Spannungsschwelle ist.
Batteriespeichersystem nach einem der Ansprüche 5–7, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) Teil des Batteriemanagementsystems (4) ist.
Batteriespeichersystem nach einem der Ansprüche 3–8, das ferner eine Sicherung (17, 18) in der positiven und/oder negativen Gleichspannungszuleitung (9, 12) zur bedarfsweisen Unterbrechung eines Stromflusses durch diese im Falle eines Kurzschlussstromes hoher Stärke aufweist.
Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) eingerichtet ist, um eine erste Zeitdauer (t₁), während der der erfasste Batteriestrom (I_B) größer ist als die maximale Stromschwelle (I_Bmax), und eine zweite Zeitdauer (t₂), während der die erfasste Batteriespannung (U_B) kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle (U_Bmin), zu erfassen und Schutzmaßnahmen einzuleiten, wenn die erste Zeitdauer (t₁) größer ist als eine erste maximale Zeitschwelle (T_max1) und/oder die zweite Zeitdauer (t₂) größer ist als eine zweite maximale Zeitschwelle (T_max2).
Batteriespeichersystem nach Anspruch 10, wobei die erste maximale Zeitschwelle (T_max1) kleiner ist als die zweite maximale Zeitschwelle (T_max2).
Batteriespeichersystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei die zweite maximale Zeitschwelle (T_max2) kleiner ist als eine Entladezeitschwelle (T_limit), die die Zeitdauer kennzeichnet, während der die Batteriespannung (U_B) die Entladegrenzspannung (U_Blimit) unterschreiten muss, damit ein überentladener Zustand der Batterieanordnung (3) festgestellt wird.
Batteriespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) eingerichtet ist, um die erfasste Batteriespannung (U_B) mit einer vorgegebenen ersten minimalen Spannungsschwelle und mit einer vorgegebenen zweiten minimalen Spannungsschwelle, die kleiner ist als die erste minimale Spannungsschwelle, zu vergleichen; und für den Fall, dass die erfasste Batteriespannung (U_B) für einen ersten Zeitraum die erste minimale Spannungsschwelle unterschreitet oder dass die erfasste Batteriespannung für einen zweiten Zeitraum, der kürzer ist als der erste Zeitraum, die zweite minimale Spannungsschwelle unterschreitet, Schutzmaßnahmen einzuleiten, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung (3) zu verhindern.
Energieumwandlungssystem mit einer Batterieanordnung (3) zur Speicherung und Bereitstellung von Energie, wobei die Batterieanordnung (3) wiederaufladbar ist; mit einer Stromrichtereinrichtung (36), die über einen Gleichspannungszwischenkreis (40) an die Batterieanordnung (3) angeschlossen ist, um eingangsseitige Gleichspannungsenergie, die von der Batterieanordnung (3) geliefert wird, in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie umzuwandeln oder umgekehrt; und mit einem Schutzsystem (19, 51), das eine Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) zum Schutz gegen Gefahren durch Störlichtbögen aufweist, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) eingerichtet ist, um einen von der Batterieanordnung (3) gelieferten Batteriestrom (I_B) zu erfassen und mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle (I_Bmax) zu vergleichen, eine von der Batterieanordnung (3) gelieferte Spannung (U_B) zu erfassen und mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle (U_Bmin) zu vergleichen und für den Fall, dass der erfasste Batteriestrom (I_B) größer ist als die maximale Stromschwelle (I_Bmax) und/oder die erfasste Batteriespannung (U_B) kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle (U_Bmin), festzustellen, dass Störlichbogenbedingungen vorliegen, und Schutzmaßnahmen einzuleiten, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung (3) zu verhindern.
Energieumwandlungssystem nach Anspruch 14, wobei die Batterieanordnung (3) mehrere Batteriemodule (2) mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen (6) aufweist, wobei die Batteriemodule (2) parallel zueinander an einen gemeinsamen Gleichspannungsbus (37) angeschlossen sind, mit dem der Gleichspannungszwischenkreis (40) verbunden ist.
Energieumwandlungssystem nach Anspruch 14 oder 15, das ferner eine oder mehrere der folgenden Schutzeinrichtungen zum Schutz gegen Fehlerströme aufweist: einen ansteuerbaren Schalter (14, 16) in einer positiven und/oder negativen Gleichspannungszuleitung (9, 12), die mit einem positiven bzw. negativen Anschluss (7, 8) der Batterieanordnung (3) verbunden ist, um eine bedarfsweise Stromflussunterbrechung durch diese zu ermöglichen; eine Sicherung (17, 18) in der positiven und/oder negativen Gleichspannungszuleitung (9, 12) zur bedarfsweisen Stromflussunterbrechung im Falle eines Kurzschlussstromes hoher Stärke; einen Fehlerstromschutzschalter (54) in einer Erdungsverbindung (56) zwischen einer positiven oder negativen Anschlussleitung (38, 39), über die der Gleichspannungszwischenkreis (40) mit der positiven bzw. negativen Gleichspannungszuleitung (9, 12) verbunden ist, und einem Erdpunkt; Mittel (58, 59, 61), die auf der Gleichspannungsseite und/oder der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinrichtung (36) zum Überspannungsschutz vorgesehen sind; und Leitungsschutzschalter (52, 53, 62), die in den Anschlussleitungen (38, 39, 42) der Stromrichtereinrichtung (36) auf der Gleichspannungsseite und/oder der Wechselspannungsseite angeordnet sind, um diese bedarfsweise zu unterbrechen.
Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 14–16, das ferner ein Batteriemanagementsystem (4) zur Überwachung und Regelung der wiederaufladbaren Batterieanordnung (3) aufweist, das eine Kontrolleinrichtung (22, 23) aufweist, um den Ladezustand der Batterieanordnung (3) zu bestimmen und ein Überladen und Überentladen der Batterieanordnung (3) zu erkennen und zu verhindern.
Energieumwandlungssystem nach Anspruch 17, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) Teil des Batteriemanagementsystems (4) ist oder von dem Batteriemanagementsystem (4) gesondert ist.
Energieumwandlungssystem nach einem der Ansprüche 14–18, wobei die Störlichtbogenschutzeinrichtung (26, 26’) eingerichtet ist, um eine erste Zeitdauer (t₁), während der der erfasste Batteriestrom (I_B) größer ist als die maximale Stromschwelle (I_Bmax), und eine zweite Zeitdauer (t₂), während der die erfasste Batteriespannung (U_B) kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle (U_Bmin), zu erfassen und Schutzmaßnahmen einzuleiten, wenn die erste Zeitdauer (t₁) größer ist als eine erste maximale Zeitschwelle (T_max1) und/oder die zweite Zeitdauer (t₂) größer ist als eine zweite maximale Zeitschwelle (T_max2), wobei die erste maximale Zeitschwelle (T_max1) kleiner ist als die zweite maximale Zeitschwelle (T_max2).
Verfahren zum Schutz eines Batteriespeichersystems gegen Gefahren durch Störlichtbögen, wobei das Batteriespeichersystem eine wiederaufladbare Batterieanordnung zur Speicherung und Bereitstellung von Gleichspannungsenergie aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen eines von der Batterieanordnung gelieferten Batteriestroms und Liefern eines diesen kennzeichnenden Batteriestromsignals; Vergleichen des Batteriestromsignals mit einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle; Erfassen einer von der Batterieanordnung gelieferten Batteriespannung und Liefern eines diese kennzeichnenden Batteriespannungssignals; Vergleichen des Batteriespannungssignals mit einer vorgegebenen minimalen Spannungsschwelle; und für den Fall, dass das Batteriestromsignal für wenigstens eine erste minimale Zeitdauer größer ist als die maximale Stromschwelle und/oder das Batteriespannungssignal für wenigstens eine zweite minimale Zeitdauer kleiner ist als die minimale Spannungsschwelle, Feststellen, dass Störlichtbogenbedingungen vorliegen, und Einleiten von Schutzmaßnahmen, um einen weiteren Betrieb der Batterieanordnung zu verhindern.