DE102021115752B4 - Sichere batterie-energieverwaltungssysteme, batterieverwaltungssystem-knoten und verfahren - Google Patents

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Abstract

System und Verfahren zur hierarchischen Lichtbogenfehlerüberwachung in einem Energiespeichersystem, wobei das Energiespeichersystem eine Mehrzahl von Stapeln enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind. Jeder Stapel enthält eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten, die elektrisch miteinander gekoppelt sind. Das Verfahren umfasst (1) das Erhalten jeweiliger elektrischer Messwerte für jeden Stapel; (2) das Bestimmen für jeden Stapel, dass der Stapel frei von Lichtbogenfehlern ist, unter Verwendung der jeweiligen elektrischen Messwerte für den Stapel; (3) das Erhalten elektrischer Messwerte für das Energiespeichersystem; und (4) das Bestimmen, dass das Energiespeichersystem frei von Lichtbogenfehlern außerhalb der Mehrzahl von Stapeln ist, unter Verwendung (a) der elektrischen Messwerte für das Energiespeichersystem und (b) einer Teilmenge der jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Stapel.

Description

  • HINTERGRUND
  • Akkupacks oder Anordnungen von mehreren miteinander gekoppelten Akkugeräten werden als Stromquellen in einer Mehrzahl von Geräten eingesetzt. Mit einem Batteriemanagementsystem können einzelne Batteriegerate eines Batteriepacks durch die Überwachung physikalischer Größen wie Ladung, Strom, Spannung und Temperatur innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs gehalten werden. Anhand dieser Größen kann ein Batteriegerat nicht nur sicher betrieben werden, sondern es kann auch der Lade- und Gesundheitszustand ermittelt werden. Ein Batteriemanagementsystem führt auch das Balancing von Batteriezellen durch. In einem Batteriestapel können einzelne Batteriezellen parallel und in Serie geschaltet werden, um eine gewünschte Kapazität und Betriebsspannung zu erreichen. Die Batteriehersteller versuchen, Stapel mit identischen Batteriezellen zu liefern, was aber in der Regel physikalisch nicht möglich ist. Batteriezellen, auch wenn sie sorgfältig hergestellt und ausgewählt wurden, weisen in der Regel zumindest geringe Unterschiede zueinander auf. Jede Abweichung in der Kapazität zwischen den Batteriezellen innerhalb eines Packs kann zu einer Verringerung der Gesamtkapazität des Packs führen. Selbst kleine Unterschiede führen zu unterschiedlichen Lade- oder Entladezustanden, wobei die schwächste Batteriezelle in einem Stapel die Gesamtleistung des Stapels überproportional beeinflusst. Energiemanagementsysteme werden auch für das Batteriezellen-Balancing eingesetzt. Dabei handelt es sich um Techniken zum Ausgleich der Spannung und des Ladezustands zwischen den Batteriezellen, wenn diese voll geladen sind.
  • DE 10 2010 046 702 A1 offenbart eine Schaltung und ein Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen.
  • DE 10 2019 103 705 A1 offenbart ein Mehrpunkt-Kommunikationssystem für ein Batteriemanagementsystem. Das Kommunikationssystem hat eine verteilte Antenne, die zumindest teilweise in einem Batteriepack angeordnet ist, mehrere Knoten, die mit der verteilten Antenne drahtlos gekoppelt sind. Die Knoten können Batterieinformationen erfassen.
  • DE 10 2011 115 550 A1 offenbart eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Mehrzahl von in parallelen Strängen angeordneten Zellen und mit einer Überstromschutzeinrichtung, die bei einem festgelegten Strom schaltende elektronische Schalter umfasst, die in quer zu den parallelen Strängen verlaufenden Querzweigen angeordnet sind.
  • DE 10 2013 203 320 A1 offenbart einen bidirektionalen Ladekreis mit einem Batteriekopplungsknotenausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einer Batteriezelle gekoppelt zu werden, mit einem Eingang, der mit einem gemeinsamen Knoten des Batteriemanagementsystems gekoppelt ist, und mit einem Controller, der mit dem bidirektionalen Ladekreis gekoppelt ist. Der Controller ist dazu ausgebildet, den bidirektionalen Ladekreis in einem Lademodus zu betreiben, um Ladung von dem gemeinsamen Knoten zu dem Batteriekopplungsknoten zu übertragen, und den bidirektionalen Ladekreis in einem Entlademodus zu betreiben, um Ladung von dem Batteriekopplungsknoten zu dem gemeinsamen Knoten zu übertragen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In einem ersten Aspekt umfasst ein Verfahren zur Lichtbogenfehlerüberwachung in einem Energiespeichersystem, das eine Mehrzahl von elektrisch miteinander gekoppelten Stapeln enthalt, wobei jeder Stapel eine Mehrzahl von Batteriemanagementsystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die folgenden Schritte: (1) Erhalten jeweiliger elektrischer Messwerte für jeden Stapel; (2) Bestimmen, für jeden Stapel, dass der Stapel frei von Lichtbogenfehlern ist, unter Verwendung der jeweiligen elektrischen Messwerte für den Stapel; (3) Erhalten elektrischer Messwerte für das Energiespeichersystem; und (4) Bestimmen, dass das Energiespeichersystem frei von Lichtbogenfehlern außerhalb der Mehrzahl von Stapeln ist, unter Verwendung (a) der elektrischen Messwerte für das Energiespeichersystem und (b) einer Teilmenge der jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Stapel.
  • In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Ermittlung der jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Stapel und der elektrischen Messwerte für das Energiespeichersystem zu einem gemeinsamen Zeitpunkt.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Erhalten der jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Stapel für einen ersten Stapel der Mehrzahl von Stapeln (1) Senden eines Messbefehls an jeden Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels; und (2) gleichzeitiges Erhalten eines oder mehrerer jeweiliger elektrischer Messwerte für jeden Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels zu einem gemeinsamen Zeitpunkt, der durch den Messbefehl vorgegeben ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Weitergabe von elektrischen Messwerten für einen ersten Knoten der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems durch mindestens einen anderen Knoten der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Erhalten der jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Stapel für einen ersten Stapel der Mehrzahl von Stapeln (1) Senden eines Messbefehls an jeden Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels; und (2) an jedem Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels Erhalten eines oder mehrerer jeweiliger gespeicherter elektrischer Messwerte aus dem Speicher des Batterieverwaltungssystemknotens entsprechend einer durch den Messbefehl vorgegebenen Zeit.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung für jeden Stapel, dass der Stapel frei von Serienlichtbogenfehlern ist, und zwar als Reaktion darauf, dass die Summe der Spannungen an jedem Knoten des Batteriemanagementsystems des Stapels mit einer gemessenen Spannung an dem Stapel übereinstimmt.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner (1) das Bestimmen, dass ein Serienlichtbogenfehler in einem ersten Stapel der mehreren Stapel aufgetreten ist, als Reaktion auf eine Fehlanpassung zwischen einer Summe von Spannungen über jedem Batteriemanagementsystemknoten des ersten Stapels und einer gemessenen Spannung über dem ersten Stapel; und (2) als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Serienlichtbogenfehler in dem ersten Stapel aufgetreten ist, das Überführen des ersten Stapels von einem Betriebsmodus in einen Schwebemodus durch Isolieren einer jeweiligen Batterie in jedem Batteriemanagementsystemknoten des ersten Stapels.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Feststellung, dass das Energiespeichersystem frei von Serienlichtbogenfehlern außerhalb der mehreren Stapels ist, als Reaktion darauf, dass eine gemessene Spannung an einer elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelten Last mit den jeweiligen gemessenen Spannungen an jedem Stapel übereinstimmt.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Last in der Lage, sowohl elektrische Leistung vom Energiespeichersystem zu empfangen als auch elektrische Leistung an das Energiespeichersystem zu liefern.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung, dass ein Lichtbogenfehler in Serie mit einem ersten Stapel der mehreren Stapel aufgetreten ist, als Reaktion auf eine Fehlanpassung zwischen der gemessenen Spannung über der Last und einer gemessenen Spannung über dem ersten Stapel.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Überführen des ersten Stapels von einem Betriebsmodus in einen Schwebemodus durch Isolieren des ersten Stapels von den übrigen Stapeln der Mehrzahl von Stapeln als Reaktion auf die Feststellung, dass der Lichtbogenfehler in Serie mit dem ersten Stapel aufgetreten ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Überführen des ersten Stapels von einem Betriebsmodus in einen sicheren Modus durch Reduzieren einer oder mehrerer Spannungen und Ströme des ersten Stapels in Reaktion auf die Feststellung, dass der Lichtbogenfehler in Serie mit dem ersten Stapel aufgetreten ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung für jeden Stapel, dass der Stapel frei von parallelen Lichtbogenfehlern ist, und zwar als Reaktion darauf, dass die jeweiligen gemessenen Ströme, die durch jeden Knoten des Batteriemanagementsystems des Stapels fließen, mit einem gemessenen Strom, der durch den Stapel fließt, übereinstimmen.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung für einen ersten Stapel der Mehrzahl von Stapeln, dass ein paralleler elektrischer Lichtbogen zwischen zwei Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels aufgetreten ist, und zwar als Reaktion auf eine Fehlanpassung zwischen den jeweiligen Strömen, die durch die beiden Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels fließen.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner als Reaktion auf die Feststellung, dass der parallele Lichtbogenfehler zwischen den beiden Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels aufgetreten ist, den Übergang des ersten Stapels von einem Betriebsmodus in einen Schwebemodus durch Isolieren einer jeweiligen Batterie in jedem Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Feststellung, dass das Energiespeichersystem frei von parallelen Lichtbogenfehlern außerhalb der mehreren Stapels ist, als Reaktion darauf, dass ein gemessener Strom durch eine elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last mit den jeweiligen gemessenen Strömen, die durch jeden Stapel fließen, konsistent ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Überführen jedes Stapels von einem Betriebsmodus in einen sicheren Modus durch Reduzieren einer oder mehrerer einer jeweiligen Spannung und eines jeweiligen Stroms jedes Stapels als Reaktion auf die Feststellung, dass ein paralleler Lichtbogenfehler in dem Batteriemanagementsystem außerhalb der Mehrzahl von Stapeln aufgetreten ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ferner (1) das Entfernen von Leistungsumwandlungs-Schaltrauschen und zugehörigen Oberschwingungen aus den jeweiligen elektrischen Messwerten für jeden Stapel, bevor für jeden Stapel bestimmt wird, dass der Stapel frei von Lichtbogenfehlern ist; und (2) das Entfernen von Leistungsumwandlungs-Schaltrauschen und zugehörigen Oberschwingungen aus den elektrischen Messwerten für das Energiespeichersystem, bevor bestimmt wird, dass das Energiespeichersystem frei von Lichtbogenfehlern außerhalb der Mehrzahl von Stapeln ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts wird (1) das Entfernen von Leistungsumwandlungs-Schaltrauschen und zugehörigen Oberschwingungen aus den jeweiligen elektrischen Messwerten für jeden Stapel unter Verwendung eines ersten Tiefpassfilters durchgeführt; (2) das Entfernen von Leistungsumwandlungs-Schaltrauschen und zugehörigen Oberschwingungen aus den elektrischen Messwerten für das Energiespeichersystem wird unter Verwendung eines zweiten Tiefpassfilters durchgeführt; und (3) der erste und der zweite Tiefpassfilter haben im Wesentlichen die gleiche Bandbreite.
  • In einem zweiten Aspekt enthält ein Energiespeichersystem (1) eine Mehrzahl von Stapeln, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei jeder Stapel eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind; und (2) ein Steuerungssubsystem, das konfiguriert ist, um (1) jeweilige elektrische Messwerte für jeden Stapel zu erhalten, (2) für jeden Stapel zu bestimmen, dass der Stapel frei von Lichtbogenfehlern ist, wobei die jeweiligen elektrischen Messwerte für den Stapel verwendet werden, (3) elektrische Messwerte für das Energiespeichersystem zu erhalten, und (4) zu bestimmen, dass das Energiespeichersystem frei von Lichtbogenfehlern außerhalb der Mehrzahl von Stapeln ist, wobei (i) die elektrischen Messwerte für das Energiespeichersystem und (ii) eine Teilmenge der jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Stapel verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es für jeden Stapel feststellt, dass der Stapel frei von Serienlichtbogenfehlern ist, wenn die Summe der Spannungen an jedem Knoten des Batteriemanagementsystems des Stapels mit einer gemessenen Spannung an dem Stapel übereinstimmt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es feststellt, dass das Energiespeichersystem außerhalb der mehreren Stapels frei von Serienlichtbogenfehlern ist, und zwar als Reaktion darauf, dass eine gemessene Spannung an einer elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelten Last mit den jeweiligen gemessenen Spannungen an jedem Stapel übereinstimmt.
  • In einer anderen Ausführungsform des zweiten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es für jeden Stapel feststellt, dass der Stapel frei von parallelen Lichtbogenfehlern ist, und zwar als Reaktion darauf, dass die jeweiligen gemessenen Ströme, die durch jeden Knoten des Batteriemanagementsystems des Stapels fließen, mit einem gemessenen Strom, der durch den Stapel fließt, übereinstimmen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es feststellt, dass das Energiespeichersystem frei von parallelen Lichtbogenfehlern außerhalb der mehreren Stapels ist, und zwar als Reaktion darauf, dass ein gemessener Strom durch eine elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last mit den jeweiligen gemessenen Strömen, die durch jeden Stapel fließen, übereinstimmt.
  • In einem dritten Aspekt umfasst ein Verfahren zum Verwalten eines Energiespeichersystems, das einen Stapel aus einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die folgenden Schritte: (1) Senden eines Messbefehls an jeden Batterieverwaltungssystemknoten; (2) an jedem Batterieverwaltungssystemknoten, als Reaktion auf den Messbefehl, Erhalten eines oder mehrerer jeweiliger elektrischer Messwerte für den Batterieverwaltungssystemknoten, wobei jeder des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für den Batterieverwaltungssystemknoten einer durch den Messbefehl vorgeschriebenen Zeit entspricht; und (3) Verwenden des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Batterieverwaltungssystemknoten, Verwalten mindestens eines Aspekts des Energiespeichersystems.
  • In einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren außerdem das gleichzeitige Erfassen des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Knoten des Batteriemanagementsystems.
  • In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Weitergabe von elektrischen Messwerten für einen ersten Knoten der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems durch mindestens einen anderen Knoten der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems.
  • In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Erhalten des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Batteriemanagementsystemknoten aus dem jeweiligen Speicher des Batteriemanagementsystemknotens.
  • In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst die Verwaltung mindestens eines Aspekts des Energiespeichersystems die Bestimmung, dass der Stapel frei von Lichtbogenfehlern ist, unter Verwendung des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Knoten des Batteriemanagementsystems.
  • In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Bestimmung, dass der Stapel frei von Serienlichtbogenfehlern ist, als Reaktion darauf, dass die Summe der Spannungen an jedem Knoten des Batteriemanagementsystems mit einer gemessenen Spannung am Stapel übereinstimmt.
  • In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Feststellung, dass der Stapel frei von parallelen Lichtbogenfehlern ist, als Reaktion darauf, dass die jeweiligen gemessenen Ströme, die durch jeden Knoten des Batteriemanagementsystems fließen, mit einem gemessenen Strom, der durch den Stapel fließt, übereinstimmen.
  • In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst die Verwaltung mindestens eines Aspekts des Energiespeichersystems die Steuerung von mindestens einem von Laden und Entladen der jeweiligen Batterien der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems.
  • In einem vierten Aspekt umfasst ein Energiespeichersystem (1) einen Stapel mit einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei jeder Batterieverwaltungssystemknoten so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf einen Messbefehl einen oder mehrere jeweilige elektrische Messwerte für den Batterieverwaltungssystemknoten erhält, wobei jeder der einen oder mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für den Batterieverwaltungssystemknoten einer durch den Messbefehl vorgeschriebenen Zeit entspricht; und (2) ein Steuerungssubsystem, das so konfiguriert ist, dass es: (a) den Messbefehl an jeden Batterieverwaltungssystemknoten zu senden, und (b) mindestens einen Aspekt des Energiespeichersystems unter Verwendung des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Batterieverwaltungssystemknoten zu verwalten.
  • In einer Ausführungsform des vierten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es mindestens einen Aspekt des Energiespeichersystems verwaltet, indem es unter Verwendung des einen oder der mehreren jeweiligen elektrischen Messwerte für jeden Knoten des Batterieverwaltungssystems bestimmt, dass der Stapel frei von Lichtbogenfehlern ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des vierten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es mindestens einen Aspekt des Energiespeichersystems verwaltet, indem es mindestens eines von Laden und Entladen der jeweiligen Batterien der mehreren Knoten des Batterieverwaltungssystems steuert.
  • In einem fünften Aspekt umfasst ein Verfahren zur Behebung eines Lichtbogenfehlers in einem Energiespeichersystem, das einen Stapel aus einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die folgenden Schritte: (1) Bestimmen, dass ein Lichtbogenfehler in dem Stapel aufgetreten ist; und (2) als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Lichtbogenfehler in dem Stapel aufgetreten ist, elektrisches Isolieren einer jeweiligen Batterie jedes Batterieverwaltungssystemknotens zumindest teilweise durch Öffnen eines jeweiligen Isolationsschalters, der elektrisch mit der Batterie verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform des fünften Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Veranlassen des Stapels, in einem schwebenden Modus zu arbeiten, indem ein entsprechender Knotenausgangskurzschlussschalter, der elektrisch über einen Ausgangsanschluss jedes Batterieverwaltungssystemknotens gekoppelt ist, als Reaktion auf die Feststellung, dass der Lichtbogenfehler in dem Stapel aufgetreten ist, in seinem Aus-Zustand betrieben wird.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts ist der Lichtbogenfehler in dem Stapel ein Serienlichtbogenfehler in dem Stapel, und das Verfahren umfasst ferner (1) das Erhalten elektrischer Messwerte für den Stapel; und (2) das Bestimmen, dass der Serienlichtbogenfehler in dem Stapel aufgetreten ist, in Reaktion auf eine Fehlanpassung zwischen einer Summe von Spannungen über jedem Batteriemanagementsystemknoten des Stapels und einer gemessenen Spannung über dem Stapel.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts umfasst das Verfahren ferner (1) das Senden eines Messbefehls an jeden Batterieverwaltungssystemknoten; und (2) an jedem Batterieverwaltungssystemknoten, als Reaktion auf den Messbefehl, das Erhalten einer jeweiligen Teilmenge der elektrischen Messwerte für den Stapel, wobei jede Teilmenge der elektrischen Messwerte für den Stapel einer durch den Messbefehl vorgeschriebenen Zeit entspricht.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Weitergabe von elektrischen Messwerten für einen ersten Knoten der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems durch mindestens einen anderen Knoten der mehreren Knoten des Batteriemanagementsystems.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Entfernen von Leistungsumwandlungs-Schaltrauschen und zugehörigen Oberwellen aus den elektrischen Messwerten für den Stapel, bevor festgestellt wird, dass der Serienlichtbogenfehler im Stapel aufgetreten ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts ist der Lichtbogenfehler in dem Stapel ein paralleler Lichtbogenfehler in dem Stapel, und das Verfahren umfasst ferner (1) das Erhalten elektrischer Messwerte für den Stapel, und (2) das Bestimmen, dass der parallele elektrische Lichtbogenfehler in dem Stapel als Reaktion auf eine Fehlanpassung zwischen den jeweiligen Strömen, die durch zwei Batterieverwaltungssystemknoten des Stapels fließen, aufgetreten ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Entfernen von Leistungsumwandlungs-Schaltrauschen und zugehörigen Oberwellen aus den elektrischen Messwerten für den Stapel, bevor festgestellt wird, dass der parallele Lichtbogenfehler im Stapel aufgetreten ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünften Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Durchführung einer kontrollierten Entladung jeder Batterie in ihrem jeweiligen Batterieverwaltungssystemknoten als Reaktion auf die Feststellung, dass der Lichtbogenfehler im Stapel aufgetreten ist.
  • In einem sechsten Aspekt umfasst ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das mindestens einen ersten Stapel aus einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten mit jeweiligen elektrisch in Serie geschalteten Ausgangsanschlüssen enthält, die folgenden Schritte (a) Bewirken, dass die Batterieverwaltungssystemknoten in jeweiligen Betriebsmodi arbeiten, so dass jeder Batterieverwaltungssystemknoten in der Lage ist, elektrische Leistung an eine Last zu liefern, die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelt ist; und (b) in Reaktion auf ein Signal für den Betrieb des ersten Stapels in einem sicheren Modus, Bewirken, dass eine erste Teilmenge der Batterieverwaltungssystemknoten in jeweiligen Bypass-Modi arbeitet, während eine zweite Teilmenge der Batterieverwaltungssystemknoten weiterhin in jeweiligen Betriebsmodi arbeitet, um eine Spannung und/oder einen Strom des ersten Stapels zu reduzieren.
  • In einer Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Bewirken, dass die erste Untergruppe der Batterieverwaltungssystemknoten in jeweiligen Bypass-Modi arbeitet, für jeden Batterieverwaltungssystemknoten der ersten Untergruppe die folgenden Schritte: (1) Isolieren einer Batterie des Batterieverwaltungssystemknotens von einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC) des Batterieverwaltungssystemknotens; und (2) elektrisches Kurzschließen eines Ausgangsanschlusses des Batterieverwaltungssystemknotens.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Bewirken, dass die zweite Untergruppe der Batterieverwaltungssystemknoten weiterhin in den jeweiligen Betriebsmodi arbeitet, für jeden Batterieverwaltungssystemknoten der zweiten Untergruppe das Bewirken, dass ein Gleichspannungswandler des Batterieverwaltungssystemknotens eine Batteriespannung in eine Spannung an einem Ausgangsanschluss des Batterieverwaltungssystemknotens transformiert.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts ist jeder Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels ein Mitglied entweder der ersten Teilmenge der Batterieverwaltungssystemknoten oder der zweiten Teilmenge der Batterieverwaltungssystemknoten.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Ändern einer Aufteilung von Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels zwischen der ersten und der zweiten Teilmenge von Batterieverwaltungssystemknoten.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das periodische Ändern der Aufteilung der Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels zwischen der ersten und der zweiten Teilmenge von Batterieverwaltungssystemknoten.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Ändern der Aufteilung der Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels zwischen der ersten und der zweiten Teilmenge als Reaktion auf ein Signal zum Ändern einer oder mehrerer von einer Spannung und einem Strom des ersten Stapels.
  • In einer weiteren Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Erzeugen des Signals für den Betrieb des ersten Stapels im sicheren Modus als Reaktion auf die Erkennung eines Fehlers in dem Energiespeichersystem außerhalb des ersten Stapels.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts ist der Fehler im Energiespeichersystem ein Lichtbogenfehler im Energiespeichersystem außerhalb des ersten Stapels.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts ist der Fehler im Energiespeichersystem ein Ausfall eines Kommunikationsteilsystems im Energiespeichersystem.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechsten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Erzeugung des Signals für den Betrieb des ersten Stapels im sicheren Modus als Reaktion auf einen Benutzerbefehl.
  • In einem siebten Aspekt umfasst ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das mindestens einen ersten Stapel aus einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen enthält, die elektrisch in Serie geschaltet sind, die folgenden Schritte: (1) Bewirken, dass die Batterieverwaltungssystemknoten in jeweiligen Betriebsmodi arbeiten, so dass jeder Batterieverwaltungssystemknoten in der Lage ist, elektrische Leistung an eine Last zu liefern, die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelt ist; und (2) in Reaktion auf einen Ausfall eines Kommunikationssubsystems des Energiespeichersystems, Bewirken, dass der erste Stapel entweder in einem Bypass-Modus oder in einem schwebenden Modus arbeitet.
  • In einer Ausführungsform des siebten Aspekts beinhaltet das Veranlassen des ersten Stapels, im Bypass-Modus zu arbeiten, das Veranlassen eines jeweiligen Knotenausgangskurzschlussschalters, der elektrisch über einen Ausgangsanschluss jedes Batterieverwaltungssystemknotens gekoppelt ist, in seinem eingeschalteten Zustand zu arbeiten.
  • In einer anderen Ausführungsform des siebten Aspekts umfasst das Bewirken, dass der erste Stapel im Schwebemodus arbeitet, (1) das zumindest teilweise elektrische Isolieren einer jeweiligen Batterie jedes Batterieverwaltungssystemknotens durch Öffnen eines jeweiligen Isolationsschalters, der elektrisch mit der Batterie gekoppelt ist; und (2) das Bewirken, dass ein jeweiliger Knotenausgangskurzschlussschalter, der elektrisch mit einem Ausgangsanschluss jedes Batterieverwaltungssystemknotens gekoppelt ist, in seinem Aus-Zustand arbeitet.
  • In einer anderen Ausführungsform des siebten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Durchführung einer kontrollierten Entladung einer jeweiligen Batterie des Batterieverwaltungssystemknotens innerhalb jedes Batterieverwaltungssystemknotens als Reaktion auf den Ausfall des Kommunikationsteilsystems des Energiespeichersystems.
  • In einem achten Aspekt umfasst ein Energiespeichersystem (1) einen ersten Stapel aus einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen, die elektrisch in Serie geschaltet sind; und (2) ein Steuerungssubsystem, das konfiguriert ist, um: (a) die Batterieverwaltungssystemknoten zu veranlassen, in jeweiligen Betriebsmodi zu arbeiten, so dass jeder Batterieverwaltungssystemknoten in der Lage ist, elektrische Leistung an eine elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last zu liefern, und (b) als Reaktion auf ein Signal für den Betrieb des ersten Stapels in einem sicheren Modus eine erste Untergruppe der Batterieverwaltungssystemknoten zu veranlassen, in jeweiligen Bypass-Modi zu arbeiten, während eine zweite Untergruppe der Batterieverwaltungssystemknoten veranlasst wird, weiterhin in jeweiligen Betriebsmodi zu arbeiten, um eine Spannung und/oder einen Strom des ersten Stapels zu verringern.
  • In einer Ausführungsform des achten Aspekts ist das Steuerungssubsystem ferner so konfiguriert, dass es eine Aufteilung der Batterieverwaltungssystemknoten des ersten Stapels zwischen der ersten und der zweiten Teilmenge von Batterieverwaltungssystemknoten ändert.
  • In einem neunten Aspekt umfasst ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das mindestens einen ersten Stapel einer Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die folgenden Schritte: (1) Erfassen eines Fehlers in dem Energiespeichersystem; und (2) in Reaktion auf das Erfassen des Fehlers in dem Energiespeichersystem, Reduzieren mindestens eines (a) einer Spannung des ersten Stapels auf einen Wert ungleich Null, und (b) eines Stroms des ersten Stapels auf einen Wert ungleich Null, so dass der erste Stapel in einem sicheren Modus arbeitet.
  • In einer Ausführungsform des neunten Aspekts ist der Fehler im Energiespeichersystem ein Lichtbogenfehler in Serie mit dem ersten Stapel.
  • In einer anderen Ausführungsform des neunten Aspekts ist der Fehler im Energiespeichersystem ein Parallellichtbogenfehler im Energiespeichersystem außerhalb des ersten Stapels.
  • In einer anderen Ausführungsform des neunten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Reduzieren einer Spannung und/oder eines Stroms eines zweiten Stapels einer Mehrzahl von Knoten des Batteriemanagementsystems als Reaktion auf das Erkennen des Fehlers im Energiespeichersystem.
  • In einem zehnten Aspekt umfasst ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die folgenden Schritte: (1) Erhalten von Messwerten einer ersten Batterie eines ersten Batterieverwaltungssystemknotens der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten; (2) Vergleichen der Messwerte mit erwarteten Werten; (3) Bestimmen, dass die erste Batterie unsicher ist, in Reaktion auf die Messwerte, die von den erwarteten Werten um mindestens einen Schwellenwert abweichen; und (4) in Reaktion auf die Bestimmung, dass die erste Batterie unsicher ist, elektrisches Isolieren der ersten Batterie von entsprechenden Batterien anderer Batterieverwaltungssystemknoten der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten.
  • In einer Ausführungsform des zehnten Aspekts umfassen die Messwerte der ersten Batterie mindestens eine der folgenden Größen: eine momentane Spannung der ersten Batterie, ein momentaner Strom der ersten Batterie und eine momentane Temperatur der ersten Batterie.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfassen die Messwerte der ersten Batterie mindestens eine Änderungsrate einer Spannung der ersten Batterie, eine Änderungsrate des Stroms, der durch die erste Batterie fließt, und eine Änderungsrate einer Temperatur der ersten Batterie.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Durchführung einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie innerhalb des ersten Batteriemanagementsystemknotens als Reaktion auf die Feststellung, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts beinhaltet die Durchführung der kontrollierten Entladung der ersten Batterie die elektrische Kopplung eines Widerstands mit der ersten Batterie innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts beinhaltet das Durchführen der kontrollierten Entladung der ersten Batterie das Entladen der ersten Batterie über eine Stromquelle, die elektrisch mit der ersten Batterie innerhalb des ersten Batteriemanagementknotens gekoppelt ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Anweisung an eine elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last, die dem Energiespeichersystem entnommene Leistung zu erhöhen, als Reaktion auf die Feststellung, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Anweisung an die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last, eine Größe der aus dem Energiespeichersystem entnommenen Leistung zu ändern, und zwar in Reaktion darauf, dass ein Parameter der ersten Batterie einen Schwellenwert überschreitet.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst der Parameter der ersten Batterie entweder einen Ladezustand (SOC) der ersten Batterie oder eine Spannung der ersten Batterie.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last einen Wechselrichter.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Sperren des Ladens der ersten Batterie als Reaktion auf die Feststellung, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des zehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Erhöhung einer Entladerate der ersten Batterie als Reaktion auf die Feststellung, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einem elften Aspekt umfasst ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die folgenden Schritte: (1) Empfangen eines Signals, das anzeigt, dass eine erste Batterie eines ersten Batterieverwaltungssystemknotens der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten unsicher ist; und (2) in Reaktion auf den Empfang des Signals, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist, Durchführen einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens.
  • In einer Ausführungsform des elften Aspekts beinhaltet die Durchführung der kontrollierten Entladung der ersten Batterie die elektrische Kopplung eines Widerstands mit der ersten Batterie innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens.
  • In einer anderen Ausführungsform des elften Aspekts beinhaltet die Durchführung der kontrollierten Entladung der ersten Batterie das Entladen der ersten Batterie über eine Stromquelle, die elektrisch mit der ersten Batterie innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens gekoppelt ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des elften Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Anweisung an eine elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last, die aus dem Energiespeichersystem entnommene Leistung in Reaktion auf den Empfang des Signals zu erhöhen, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform des elften Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Anweisung an die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last, eine Größe der aus dem Energiespeichersystem entnommenen Leistung zu ändern, und zwar in Reaktion darauf, dass ein Parameter der ersten Batterie einen Schwellenwert überschreitet.
  • In einer anderen Ausführungsform des elften Aspekts umfasst der Parameter der ersten Batterie entweder einen Ladezustand (SOC) der ersten Batterie oder eine Spannung der ersten Batterie.
  • In einer anderen Ausführungsform des elften Aspekts umfasst die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last einen Wechselrichter.
  • In einer anderen Ausführungsform des elften Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Sperren des Ladens der ersten Batterie als Reaktion auf den Empfang des Signals, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des elften Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Erhöhen einer Entladerate der ersten Batterie als Reaktion auf den Empfang des Signals, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist.
  • In einem zwölften Aspekt umfasst ein Energiespeichersystem (1) eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten, die elektrisch miteinander gekoppelt sind; und (2) ein Steuerungssubsystem, das konfiguriert ist, um: (a) Messwerte einer ersten Batterie eines ersten Batterieverwaltungssystemknotens der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten zu erhalten, (b) die Messwerte mit erwarteten Werten zu vergleichen, (c) zu bestimmen, dass die erste Batterie unsicher ist, als Reaktion auf die Messwerte, die von den erwarteten Werten um mindestens einen Schwellenwert abweichen, und (d) als Reaktion auf die Bestimmung, dass die erste Batterie unsicher ist, die erste Batterie von entsprechenden Batterien anderer Batterieverwaltungssystemknoten der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten elektrisch zu isolieren.
  • In einem dreizehnten Aspekt umfasst ein Energiespeichersystem (1) eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten, die elektrisch miteinander gekoppelt sind; und (2) ein Steuerungssubsystem, das konfiguriert ist, um: (b) ein Signal zu empfangen, das anzeigt, dass eine erste Batterie eines ersten Batterieverwaltungssystemknotens der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten unsicher ist, und (b) als Reaktion auf den Empfang des Signals, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist, eine kontrollierte Entladung der ersten Batterie innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens zu veranlassen.
  • In einem vierzehnten Aspekt umfasst ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das eine erste Batterie und einen ersten Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) enthält, der elektrisch mit der ersten Batterie gekoppelt ist, die folgenden Schritte: (1) Steuern des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers, um die erste Batterie in eine Last zu entladen, die elektrisch mit dem ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler gekoppelt ist, um die Last zumindest teilweise von der ersten Batterie zu versorgen; und (2) in Reaktion auf ein Signal, eine gesteuerte Entladung der ersten Batterie durchzuführen, Steuern des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers, um eine Entladungsrate der ersten Batterie in die Last zu erhöhen.
  • In einer Ausführungsform des vierzehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Anweisung an die Last, die aus dem Energiespeichersystem entnommene Leistung zu erhöhen, und zwar in Reaktion auf das Signal zur Durchführung einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie.
  • In einer anderen Ausführungsform des vierzehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner die Anweisung an die Last, eine Größe der aus dem Energiespeichersystem entnommenen Leistung zu ändern, als Reaktion darauf, dass ein Parameter der ersten Batterie einen Schwellenwert überschreitet.
  • In einer anderen Ausführungsform des vierzehnten Aspekts umfasst der Parameter der ersten Batterie einen Ladezustand (SOC) der ersten Batterie oder eine Spannung der ersten Batterie.
  • In einer anderen Ausführungsform des vierzehnten Aspekts umfasst die Last einen Wechselrichter.
  • In einer anderen Ausführungsform des vierzehnten Aspekts umfasst das Verfahren ferner das Sperren des Ladens der ersten Batterie als Reaktion auf das Signal zur Durchführung einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie.
  • In einem fünfzehnten Aspekt umfasst ein Batterieverwaltungssystemknoten mit Rückspannungsausfallmodus-Schutz (1) eine Batterie mit einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss; (2) einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) mit einem Ausgangsanschluss, der so konfiguriert ist, dass er mit einem oder mehreren zusätzlichen Batterieverwaltungssystemknoten elektrisch in Serie geschaltet ist; (3) einen ersten Isolationsschalter, der die Batterie elektrisch mit dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler koppelt und so konfiguriert ist, dass er die Batterie wahlweise mit dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler verbindet und von ihm trennt; und (4) einen zweiten Isolationsschalter, der so konfiguriert ist, dass er den Fluss von elektrischem Strom im Falle eines Kurzschlusses mit einem oder mehreren der zusätzlichen Batterieverwaltungssystemknoten verhindert.
  • In einer Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts enthält der Batterieverwaltungssystemknoten außerdem einen Controller, der so konfiguriert ist, dass er den ersten und den zweiten Isolationsschalter als Reaktion auf ein Signal öffnet, um die Batterie elektrisch zu isolieren.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts ist der erste Isolationsschalter elektrisch zwischen dem positiven Anschluss der Batterie und dem DC-DC-Wandler gekoppelt, und der zweite Isolationsschalter ist elektrisch zwischen dem negativen Anschluss der Batterie und dem DC-DC-Wandler gekoppelt.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts (1) enthält der erste Isolationsschalter einen ersten Transistor, der eine erste Körperdiode enthält, wobei eine Anode der ersten Körperdiode mit dem DC-DC-Wandler verbunden ist und eine Kathode der ersten Körperdiode mit dem positiven Anschluß der Batterie verbunden ist; und (2) der zweite Isolationsschalter einen zweiten Transistor enthält, der eine zweite Körperdiode enthält, wobei eine Anode der zweiten Körperdiode mit dem negativen Anschluss der Batterie verbunden ist und eine Kathode der zweiten Körperdiode mit dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler verbunden ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts ist der zweite Isolationsschalter elektrisch mit dem Ausgangsport des DC-DC-Wandlers gekoppelt.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts (1) enthält der erste Isolationsschalter einen ersten Transistor, der elektrisch zwischen den positiven Anschluss der Batterie und den DC-DC-Wandler gekoppelt ist, wobei der erste Transistor eine erste Körperdiode enthält, wobei eine Anode der ersten Körperdiode elektrisch mit dem DC-DC-Wandler gekoppelt ist, und eine Kathode der ersten Körperdiode elektrisch mit der Batterie gekoppelt ist; und (2) der zweite Isolationsschalter einen zweiten Transistor mit einer zweiten Body-Diode enthält, wobei eine Kathode der zweiten Body-Diode mit einem positiven Anschluss des Ausgangsports des DC-DC-Wandlers verbunden ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts (1) umfasst der erste Isolationsschalter einen ersten Transistor, der elektrisch zwischen den negativen Anschluss der Batterie und den Gleichspannungswandler gekoppelt ist, wobei der erste Transistor eine erste Körperdiode umfasst, eine Anode der ersten Körperdiode elektrisch mit dem negativen Anschluss der Batterie gekoppelt ist und eine Kathode der ersten Körperdiode elektrisch mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt ist; und (2) der zweite Isolationsschalter einen zweiten Transistor mit einer zweiten Body-Diode umfasst, wobei eine Kathode der zweiten Body-Diode mit einem positiven Anschluss des Ausgangsports des DC-DC-Wandlers verbunden ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des fünfzehnten Aspekts umfasst der DC-DC-Wandler entweder einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller.
  • In einem sechzehnten Aspekt umfasst ein Batterieverwaltungssystemstapel (1) einen ersten Batterieverwaltungssystemknoten, der eine erste Batterie mit einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss, einen ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) und einen ersten Trennschalter umfasst, der einen der positiven und negativen Anschlüsse der ersten Batterie elektrisch mit dem ersten DC-DC-Wandler koppelt; und (2) einen zweiten Batterieverwaltungssystemknoten, der eine zweite Batterie mit einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss, einen zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, einen zweiten Isolationsschalter, der einen der positiven und negativen Anschlüsse der zweiten Batterie mit dem zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler elektrisch koppelt, und einen dritten Isolationsschalter umfasst, der so konfiguriert ist, dass er im Falle eines Kurzschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten Batterieverwaltungssystemknoten den Fluss von elektrischem Strom verhindert.
  • In einer Ausführungsform des sechzehnten Aspekts ist der erste Isolationsschalter elektrisch zwischen den positiven Anschluss der ersten Batterie und den ersten Gleichspannungswandler gekoppelt, der zweite Isolationsschalter ist elektrisch zwischen den positiven Anschluss der zweiten Batterie und den zweiten Gleichspannungswandler gekoppelt, und der dritte Isolationsschalter ist elektrisch zwischen den negativen Anschluss der zweiten Batterie und den zweiten Gleichspannungswandler gekoppelt.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechzehnten Aspekts umfasst der dritte Isolationsschalter einen Transistor mit einer Body-Diode, wobei eine Anode der Body-Diode mit dem negativen Anschluss der zweiten Batterie verbunden ist und eine Kathode der Body-Diode mit dem zweiten DC-DC-Wandler verbunden ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechzehnten Aspekts ist der dritte Isolationsschalter elektrisch mit einem Ausgangsport des zweiten DC-DC-Wandlers gekoppelt.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechzehnten Aspekts enthält der dritte Isolationsschalter einen Transistor mit einer Body-Diode, wobei eine Kathode der Body-Diode mit einem positiven Anschluss des Ausgangsports des zweiten DC-DC-Wandlers verbunden ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des sechzehnten Aspekts umfasst jeder des ersten Gleichspannungswandlers und des zweiten Gleichspannungswandlers einen entsprechenden Aufwärtswandler.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein illustratives Blockdiagramm eines Beispielknotens für ein Batteriemanagementsystem (BMS).
    • 2 ist ein illustratives Blockdiagramm eines Beispiel-Energiespeichersystems, das mehrere BMS-Stapel enthält, die parallel mit einer elektrischen Last gekoppelt sind, wobei jeder Stapel mehrere in Serie geschaltete Knoten enthält.
    • 3A ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein erstes Verfahren zum Erhalten synchronisierter DC-Messwerte darstellt, die von Knoten eines Beispiel-Knotenstapels von 2 erzeugt werden.
    • 3B ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein zweites Verfahren zum Erhalten synchronisierter DC-Messwerte darstellt, die von Knoten eines Beispiel-Knotenstapels aus 2 erzeugt werden.
    • 4A ist ein illustratives Blockdiagramm, das die Knoten einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Stapels aus 2 und ein beispielhaftes Zeitdiagramm zeigt, das die Ausbreitungsverzögerung der zwischen den Knoten übertragenen Signale darstellt.
    • 4B ist ein illustratives Blockdiagramm, das die Knoten einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Stapels aus 2 zeigt.
    • 4C ist ein illustratives Blockdiagramm, das die Knoten einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Stapels zeigt.
    • 5A ist ein illustratives Diagramm eines Beispielstapels mit mehreren Knoten, das das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers auf Stapelebene innerhalb des Stapels zeigt.
    • 5B ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erkennung und Reaktion auf einen Serienlichtbogenfehler innerhalb des Stapels von 5A darstellt.
    • 6A ist ein illustratives Diagramm eines beispielhaften Energiespeichersystems während des normalen Betriebs ohne Auftreten von Störlichtbögen.
    • 6B ist ein illustratives Diagramm des Beispiel-Energiespeichersystems aus 6A während des Auftretens eines Serienlichtbogenfehlers auf Systemebene.
    • 6C ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erkennung und Reaktion auf die Serienlichtbogen-Fehlerspannung auf Systemebene von 6B darstellt.
    • 7A ist ein illustratives Diagramm eines Beispielstapels mit mehreren Knoten, das das Auftreten eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Stapelebene innerhalb des Stapels zeigt.
    • 7B ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erkennung und Reaktion auf einen parallelen Lichtbogenfehlerstrom auf Stapel-Ebene innerhalb des Stapels von 7A darstellt.
    • 8A ist ein illustratives Diagramm eines beispielhaften Energiespeichersystems während des normalen Betriebs ohne Auftreten von Störlichtbögen.
    • 8B ist ein illustratives Diagramm des Beispiel-Energiespeichersystems aus 8A während des Auftretens eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Systemebene.
    • 8C ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erkennung und Reaktion auf einen parallelen Lichtbogenfehler innerhalb des Stapels von 8B darstellt.
    • 9A ist ein illustratives Diagramm, das einen Beispielstapel in einem Betriebsmodus darstellt.
    • 9B ist ein illustratives Diagramm, das einen Beispielstapel in einem überbrückten Modus darstellt.
    • 9C ist ein illustratives Diagramm, das einen Beispielstapel in einem gleitenden Modus darstellt.
    • 9D ist ein illustratives Diagramm, das einen Beispielstapel in einem sicheren Modus darstellt.
    • 9E ist ein Fehlerreaktions-Zustandsdiagramm, das Beispiele dafür zeigt, wie ein Stapel zwischen Betriebsmodi wechseln kann.
    • 10 ist eine illustrative Zeichnung, die ein Verfahren zur Erkennung einer unsicheren Batterie darstellt, bevor sie in den thermischen Runaway übergeht.
    • 11 ist ein illustrativer Schaltplan einer ersten beispielhaften bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung zur Verwendung in einem Beispielknoten von 1.
    • 12 ist ein illustratives Schaltbild einer zweiten beispielhaften bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung zur Verwendung in einem Beispielknoten von 1.
    • 13A ist ein illustrativer Schaltplan einer beispielhaften bidirektionalen DC/DC-Wandlerschaltung zur Verwendung in einem Beispielknoten.
    • 13B ist ein illustratives Signaldiagramm, das die Entladung und Ladung einer Batterie mit dem bidirektionalen DC-DC-Wandler von 13A durch die Last darstellt.
    • 13C ist ein illustratives Signaldiagramm, das die Entladung der Batterie aus 13A ohne Ladung durch die Last darstellt.
    • 14A ist ein illustrativer Schaltplan, der Teile zweier in Serie geschalteter Beispielknoten eines Stapels zeigt, dem ein Ausfallmodusschutz vor Rückspannung in einem Trennungszustand fehlt.
    • 14B ist ein illustratives Schaltdiagramm, das den Kurzschlussstromfluss zwischen den Knoten des Stapels von 14A während eines Kurzschlussfehlers durch Rückspannung in einem Trennungszustand zeigt.
    • 14C ist ein illustratives Schaltdiagramm, das Teile von zwei in Serie geschalteten Beispielknoten eines Stapels zeigt, die eine erste Beispielschaltung zum Schutz vor Rückspannungsausfällen in einem Trennungszustand während des Ausfallmodusbetriebs enthalten.
    • 14D ist ein illustratives Schaltbild, das den blockierten Kurzschlussfluss zwischen den Knoten des Stapels von 14C während eines Kurzschlussfehlers durch Rückspannung in einem Trennungszustand zeigt.
    • 14E ist ein illustrativer Schaltplan, der Teile zweier in Serie geschalteter Beispielknoten eines Beispielstapels zeigt, die eine zweite Beispielschaltung zum Schutz vor Rückspannungsausfällen in einem Trennungszustand während des Ausfallmodusbetriebs enthalten.
    • 14F ist ein illustratives Schaltdiagramm, das Teile von zwei in Serie geschalteten Beispielknoten eines anderen Beispielstapels zeigt, die eine zweite Beispielschaltung zum Schutz vor Rückwärtsspannungsausfällen in einem Trennungszustand während des Ausfallmodusbetriebs enthalten.
    • 15 ist ein illustratives Diagramm, das ein Beispiel für eine Batterie-Datenverarbeitungsmaschine darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Während bisherige Batterie-Energiemanagement-Systeme und Batteriemanagement-Systemknoten im Allgemeinen effektiv waren, gab es bei ihrem Einsatz auch Mängel. Zum Beispiel sind herkömmliche Batteriemanagement-Systemknoten nicht in der Lage, einen Lichtbogenfehler zu erkennen und zu löschen. Darüber hinaus kann ein Batterietrennschalter eine schwache oder ausgefallene Batterie vom Rest eines Energiespeichersystems isolieren, aber bisherige Trennschalter schützen normalerweise keine guten Batterien vor einer ausgefallenen Batterie. Folglich kann eine gute Batterie, die mit einer ausgefallenen Batterie gekoppelt ist, Kurzschlussspannungen und -ströme auf benachbarte Batterien übertragen, was zu einem Brand führen kann. Außerdem werden in der Regel nur ausgefallene Batterien überbrückt oder stromlos geschaltet. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, eine gute Batterie überbrücken zu können, wenn ein Batterie-Energiemanagementsystem ausfällt, die Batterie aber gut ist. Zum Beispiel ist es bei der Installation und Wartung nützlich, eine von Null abweichende, aber sichere Spannung für die Versorgung von Batteriestapeln zu haben, um eine Fehlersuche durchzuführen und zu testen, ob ein System ordnungsgemäß funktioniert, bevor es mit voller Spannung und Strom versorgt wird. Es besteht auch die Notwendigkeit, die Batteriespannung auf einem für Menschen sicheren Niveau zu halten, das niedrig genug ist, um die meisten Lichtbögen leicht zu erlöschen. Obwohl eine Batterie im Allgemeinen überbrückt wird, wenn sie als möglicherweise unsicher eingestuft wird, verhindert das bloße Überbrücken einer unsicheren Batterie nicht, dass sie Feuer fängt und das Feuer auf andere gesunde Batterien übergreift. Daher besteht die Notwendigkeit, unsichere, aber noch nicht ausgefallene Batterien zu identifizieren und zu entladen.
  • Hier werden sichere Batterie-Energieverwaltungssysteme, sichere Batterieverwaltungssystemknoten und zugehörige Verfahren vorgestellt, die zumindest teilweise einen oder mehrere der oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Systeme, Knoten und Verfahren überwinden. Beispielsweise sind bestimmte Ausführungsformen so konfiguriert, dass sie ein hierLichtbogenhisches Lichtbogen-Fehlererkennungsverfahren durchführen, das einen elektrischen Lichtbogen überall in einem System identifizieren kann. Darüber hinaus können bestimmte Ausführungsformen in einer Mehrzahl von Modi arbeiten, um sowohl die Sicherheit als auch die Einfachheit der Systemwartung und Fehlersuche zu fördern. Darüber hinaus sind bestimmte Ausführungsformen so konfiguriert, dass sie eine Batterie sicher entladen, z. B. als Reaktion auf einen Fehler oder einen Benutzerbefehl zum Entladen der Batterie. Darüber hinaus sind bestimmte Ausführungsformen so konfiguriert, dass sie einen Kurzschlussstromfluss als Reaktion auf eine Rückspannung verhindern.
  • Batterie-Management-System-Knoten Beispiel
  • 1 ist ein illustratives Blockdiagramm eines Beispiel-Batterieverwaltungssystem (englisch: BMS)-Knotens 100. Der Beispiel-BMS-Knoten 100 umfasst eine Steuerschaltung 102 und eine Batterie 104. In diesem Dokument umfasst der Begriff „Batterie“ sowohl eine einzelne elektrochemische Zelle als auch ein Gerät mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen. Dementsprechend kann die Batterie 104 eine einzelne elektrochemische Zelle sein. Zusätzlich kann die Batterie 104 eine mehrzellige Baugruppe sein, die eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen enthält, die elektrisch in Serie und/oder parallel miteinander gekoppelt sind. Die Batterie 104 kann ein eigenständiges Gerät sein, oder die Batterie 104 kann mit einem anderen Gerät zusammen verpackt oder Teil eines anderen Geräts sein.
  • Der Beispielknoten 100 umfasst einen positiven Strombusanschluss (Bus+) 251, einen positiven Batterieanschluss (Bat+) 252 und einen negativen Batterie-/Strombusanschluss (Bus-, Cell-) (der „negative Batterieanschluss“) 253. Der Knoten 100 ist mit dem Kommunikationsbus 262 gekoppelt. Insbesondere umfasst der Knoten 100 einen Kommunikationsbus-Eingangsanschluss 254 und einen Kommunikationsbus-Ausgangsanschluss 255. In einem Beispielknoten 100 umfasst der Kommunikationsbus 262 einen seriellen Datenbus.
  • Die Steuerschaltung 102 umfasst einen bidirektionalen DC-DC-Wandler 106, ein Erfassungs- und Messsystem 108, einen Temperatursensor 110, ein Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 und ein Ansteuersignalerzeugungssystem 114. Der Wandler 106 empfängt als Eingangsspannung eine Batteriespannung an den Klemmen 252 und 253 und liefert als Ausgangsspannung eine Knotenausgangsspannung an den Klemmen 251 und 253. Somit wandelt der Wandler 106 eine Batteriespannung an den Klemmen 252 und 253 in eine Ausgangsknotenspannung an den Klemmen 251 und 253 um, d. h. er erhöht oder verringert sie, oder umgekehrt. Das Erfassungssystem 108 überwacht die Batterietemperatur, den Batteriestrom und die Batteriespannungseigenschaften über die Zeit und liefert diese Informationen an das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112. Das Erfassungssystem 108 überwacht auch die Knotenausgangsspannung, den Ausgangsstrom und die DC-DC-Wandlertemperatur und/oder die Temperatur der Batterie 104. Die Knotenausgangsspannung ist die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 106, die über die positive Strombusklemme (Bus+) 251 und die negative Batterie 253 bereitgestellt wird, die die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 106 ist. Knotenstrom fließt durch die Batterie, die mit dem Gleichspannungswandler 106 gekoppelt ist. Die Knotenausgangsspannung und/oder der Knotenausgangsstrom können zur Erkennung eines Lichtbogenfehlers verwendet werden, wie unten in Bezug auf die 5A-8C erläutert. Die Temperatur des DC-DC-Wandlers kann als Stellvertreter für die Temperatur der Batterie 104 verwendet werden, um eine sichere Entladung zu gewährleisten. Alternativ kann der BMS-Knoten 100 die Temperatur der Batterie 104 direkt messen, und die Temperatur kann verwendet werden, um eine sichere Entladung zu gewährleisten.
  • Ein Beispielknoten 100 führt periodische Messungen von Spannung, Strom und Temperatur („VIT“) durch. Insbesondere werden Messungen der Batteriespannung, des Batteriestroms, der Batterietemperatur und der Knotenausgangsspannung verwendet, wie unten ausführlicher erläutert, um Schätzungen des Ladezustands der Batterie 104 zu ermitteln und/oder das Laden und Entladen der Batterie 104 dynamisch zu steuern. Ein Beispielknoten führt mindestens einmal alle 5-10 Millisekunden Messungen von Spannung, Strom und Temperatur („VIT“) durch, zum Beispiel.
  • In einem Aspekt verarbeitet das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 die Informationen vom Erfassungssystem 108 auf der Grundlage gespeicherter Steuerinformationen, die angeben, wie der Gleichspannungswandler 106 in Abhängigkeit von den VIT-Messungen zu steuern ist, und gibt dann Informationen an das Antriebssystem 114 aus, um den Wandler 106 angemessen zu steuern, um eine Batteriespannung in eine Knotenausgangsspannung umzuwandeln und gleichzeitig eine verbesserte Leistung der Batterie 104 zu erzielen. In einem weiteren Aspekt steuert das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 das Öffnen und Schließen eines Knotenbatterie-Isolationsschalters 256, um die Batterie 104 selektiv vom Wandler 106 zu isolieren. In einem weiteren Aspekt steuert das Verarbeitungs- und Steuerungssystem 112 die Energieablassschaltung 258, die einen Mechanismus zum sicheren Entladen der Batterie 104 innerhalb des BMS-Knotens 100 bereitstellt, ohne eine Knotenausgangsspannung bereitzustellen. Obwohl die Energieableitungsschaltung 258 als ein einzelner Schalter dargestellt ist, kann die Energieableitungsschaltung 258 andere Formen annehmen, wie unten in Bezug auf die 11 und 12 beschrieben, solange die Energieableitungsschaltung 258 eine kontrollierte Entladung der Batterie 104 innerhalb des BMS-Knotens 100 durchführen kann.
  • Die Batterie 104 liefert eine Spannung über die positive Batterieklemme 252 und die negative Batterieklemme 253. Der Wandler 106 stellt eine Knotenausgangsspannung an der positiven Energiebusklemme 251 und der negativen Energieklemme 253 berei. Die positive Leistungsbusklemme 251 und die negative Leistungsklemme 253 fungieren zusammen als ein Ausgangsanschluss 260, an dem die Knotenausgangsspannung bereitgestellt wird. Einige Ausführungsformen des BMS-Knotens 100 umfassen zusätzlich einen Knotenausgangskurzschlussschalter 257, der elektrisch über den Ausgangsanschluss 260, d. h. über die positive Energiebusklemme 251 und die negative Energieklemme 253, gekoppelt ist. Zusätzlich enthält der BMS-Knoten 100 optional einen Soft-Shorting-Schalter 259 und einen Widerstand 261, die elektrisch in Serie über den Ausgangsanschluss 260 gekoppelt sind. Wie unten erläutert, schließt die Steuerung 102 den Kurzschlussschalter 259, um beispielsweise die Knotenausgangsspannungen zwischen mehreren BMS-Knoten 100-Instanzen während bestimmter Aus-Zustände auszugleichen. Der Widerstand 261 muss kein diskreter Widerstand sein, sondern könnte stattdessen ein parasitärer Widerstand des Soft-Shorting-Schalters 259 sein.
  • Der Wandler 106 wandelt die Batteriespannung, die an der positiven Batterieklemme 252 und der negativen Batterieklemme 253 anliegt, in eine Knotenausgangsspannung um, die an der positiven Energiebusklemme 251 und der negativen Batterieklemme 253 anliegt. Das beispielhafte Erfassungs- und Messsystem 108 umfasst ein Erfassungs-, Ansteuerungs- und Signalaufbereitungsmodul 220 mit elektrischen Verbindungen zu den Ausgängen CS1 und CS2 eines Stromsensors 160, der den Batteriestrom misst, zu einem Temperatursensor 110, der die Temperatur des Wandlers und/oder der Batterie 104 misst, zur positiven Strombusklemme 251, zur positiven Batterieklemme 252 und zur negativen Stromklemme 253. Das Erfassungs-, Ansteuerungs- und Signalaufbereitungsmodul 220 bereitet die Strom-, Temperatur- und Spannungseingangssignale vor und konditioniert sie, damit sie im Laufe der Zeit am Strommessmodul 221, Temperaturmessmodul 222 und Spannungsmessmodul 223 gemessen werden können. Das Erfassungs- und Messsystem 108 umfasst Strom-, Temperatur- und Spannungssignalleitungen 278, 280, 282, die zur Übertragung der Messwerte an das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 gekoppelt sind.
  • Das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 ist so gekoppelt, dass es Signale vom Erfassungssystem 108 empfängt. Das Verarbeitungssystem 112 enthält auch eine Ausgangsverbindung zum Antriebssystem 114. Das Antriebssystem 114 umfasst eine Eingangssignalverbindung 272 vom Verarbeitungssystem 112 und eine oder mehrere Ausgangssignalverbindungen 276 zum Gleichspannungswandler 106.
  • Das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 enthält ein Modul 217, das eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (ADC) 217-1, eine Prozessorschaltung 217-2, einen digitalen Speicher 217-3 und einen optionalen Digital-Analog-Wandler 217-4 (DAC) enthält. Der Analog-DigitalWandler 217-1 wandelt die vom Messsystem 108 empfangenen analogen Messungen von Spannung, Strom und Temperatur in entsprechende digitale Werte um. In einem Aspekt korreliert die Prozessorschaltung 217-2 die Strom-, Temperatur- und Spannungsdaten mit Anweisungen, die im digitalen Speicher 217-3 enthalten sind, und verarbeitet Zelllade/Entladealgorithmen, um Steuersignale zu bestimmen, die an das Antriebssystem 114 gesendet werden. In einigen Ausführungsformen wandelt der DAC 217-4 die von der Prozessorschaltung 217-2 erzeugten Steuersignale von digitaler in analoge Form um, bevor die Steuersignale an das Antriebssystem 114 übertragen werden. Ein beispielhaftes Verarbeitungs- und Kommunikationsmodul 112 des Knotens 100 sendet über den Kommunikationsbus 262 Daten an eine Stapelsteuerung 210, die im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird, und empfängt Daten und Anweisungen von dieser. Ein alternativer Beispielknoten (nicht dargestellt) kann drahtlose Kommunikation verwenden, um Daten und Anweisungen an einen Stapel-Controller zu senden und Daten und Anweisungen von diesem zu empfangen. In einigen alternativen Ausführungsformen werden beispielsweise die Kommunikationsbus-Eingangsklemme 254 und die Kommunikationsbus-Ausgangsklemme 255 durch einen oder mehrere drahtlose Transceiver ersetzt, um den Knoten 100 in die Lage zu versetzen, drahtlos mit dem Stapel-Controller 210 und/oder anderen Knoten 100-Instanzen zu kommunizieren. In diesen alternativen Ausführungsformen wird der Kommunikationsbus 262 optional weggelassen.
  • Das Antriebssystem 114 verarbeitet die vom Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 empfangenen Steuersignale und erzeugt Antriebssteuersignale zur Steuerung des DC-DC-Wandlers 106, um die Batterieladevorgänge und Batterieentladevorgänge zu steuern.
  • Das Verarbeitungs- und Kommunikationssystem 112 umfasst eine Busschnittstellenschaltung 113 zum Senden und Empfangen von Informationen über den Kommunikationsbus 262. In einigen Ausführungsformen empfängt die Busschnittstellenschaltung 113 Eingangsinformationen an der Kommunikationsbus-Eingangsklemme 254 und stellt Ausgangsinformationen an der Kommunikationsbus-Ausgangsklemme 255 bereit, um eine sequentielle Übertragung von Informationen zwischen mehreren BMS-Knoten 100-Instanzen zu ermöglichen. Ein Beispiel-Kommunikationsbus 262 umfasst eine differentielle Daisy-Chain-Schaltung. Ein alternativer Beispielknoten (nicht dargestellt) umfasst eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Stapel-Controller (nicht dargestellt) und/oder anderen Knoten. In einigen alternativen Ausführungsformen müssen die Daten nicht sequentiell gesendet oder empfangen werden, sondern können stattdessen mit einer anderen Datenübertragungstechnik gesendet oder empfangen werden. Zum Beispiel werden in einigen alternativen Ausführungsformen Daten zwischen dem BMS-Knoten 100 und zwei oder mehr anderen Punkten, wie anderen BMS-Knoten, parallel übertragen.
  • Die beispielhafte Verarbeitungs- und Kommunikationsschaltung 112 sendet Befehle an das Antriebssystem 114, um den DC-DC-Wandler 106 auf der Grundlage von Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen zu steuern, die von dem Erfassungssystem 108 erhalten werden, und auf der Grundlage von Algorithmen, die als Anweisungen und Nachschlagetabellen in dem digitalen Speicher 217-3 gespeichert sind. Ein Beispielknoten 100 empfängt die Anweisungen und Nachschlagetabellen von einem Host-Controller 212 über einen Stapel-Controller 210, der unten mit Bezug auf 2 beschrieben wird. Die Algorithmen sind so codiert, dass sie die Spannungs- und/oder Stromeigenschaften einer Batterie 104 (über den Wandler 106) anpassen, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Wenn beispielsweise durch das Verarbeitungssystem 112 auf der Grundlage von VIT-Messungen festgestellt wird, dass die derzeitige Entladerate einer bestimmten Batterie 104 (bewertet über Messungen des Sensorsystems 108) darauf hindeutet, dass die Lebensdauer der Zelle zwei Monate zu kurz sein wird, sucht ein Algorithmus in einer Nachschlagetabelle eine geeignete Anpassung, die auf den Wandler 106 dieser Batterie 104 anzuwenden ist, auf der Grundlage der berechneten Lebensdauerkürzung und der derzeitigen Strom- und Spannungsbetriebseigenschaften der Batterie 104. Ein Beispiel für einen Batterieverwaltungssystemknoten 100 ist im US-Patent Nr. 8.686.693 offenbart, das hier ausdrücklich in seiner Gesamtheit durch diesen Verweis einbezogen wird.
  • Beispiel für ein Energiespeichersystem
  • 2 ist ein illustratives Blockdiagramm eines beispielhaften Energiespeichersystems 200, das mehrere BMS-Batteriestapel S1-SK mit Knotenausgangsspannungen umfasst, die parallel mit der elektrischen Last 204 gekoppelt sind. Die Batterien in jedem Stapel S1-SK sind in Serie geschaltet, um eine ausreichende Spannung zu erzeugen. Wie oben in Bezug auf 1 erläutert, kann jede Batterie 104 entweder (a) eine einzelne elektrochemische Zelle oder (b) eine mehrzellige Baugruppe sein, die eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen enthält, die elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet sind. Um eine unnötige Komplexität der Darstellung zu vermeiden und die Anschaulichkeit der Erklärung zu fördern, werden Details eines Stapels S1 erläutert und die Stapel S2-SK in Blockform dargestellt, wobei Details weggelassen werden. Es versteht sich jedoch, dass die Details und Funktionsprinzipien, die in Bezug auf den Stapel S1 erläutert werden, auch für die anderen Stapel S2-SK gelten. Der Stapel S1 enthält mehrere Knoten N1-NN, deren Summe der Knotenausgangsspannungen V1-VN parallel mit einer elektrischen Last 204 gekoppelt ist. Die Last 204 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage (PV) und ein an ein Stromnetz angeschlossener Wechselrichter sein.
  • Alternativ kann die Last 204 z. B. ein Elektromotor und ein Batterieladegerät eines Elektrofahrzeugs (EV) sein. Dementsprechend kann die Last 204 sowohl Strom vom Energiespeichersystem 200 empfangen als auch Strom an das Energiespeichersystem 200 zum Laden der Batterien 104 liefern. Jeder Knoten in den Beispiel-BMS-Stapeln S1-SK entspricht dem Knoten 100 von 1, obwohl Details der Knoten N1-NN zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt sind.
  • Der Stapel S1 umfasst mehrere Knoten N1-NN. Jeder Knoten wandelt eine Zellenspannung seiner jeweiligen Batterie 104 in eine jeweilige Knotenausgangsspannung um, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben. Bei den mehreren Knoten N1 bis NN von S1 sind die Knotenausgangsspannungen V1 bis VN in Serie geschaltet. Beispielsweise ist eine negative Energiebusklemme 253N des Knotens NN mit einer positiven Energiebusklemme 251N-1 des Knotens NN-1 gekoppelt. Ebenso ist z. B. eine negative Leistungsbusklemme 2532 des Knotens N2 mit einer positiven Leistungsbusklemme 2511 des Knotens N1 gekoppelt. Die seriengekoppelten KnotenausgangsspannungenV1-VN der Knoten N1-NN des Stapels S1 sind elektrisch parallel mit der elektrischen Last 204 gekoppelt. Der Beispielstapel S1 enthält eine Stapelsteuerung 210, die zur Überwachung des Betriebs der Knoten N1-NN des Stapels S1 gekoppelt ist. Ein Host-Controller 212 ist operativ mit dem Stapel-Controller 210 gekoppelt. In einigen alternativen Ausführungsformen teilen sich zwei oder mehr Stapels S1-SK einen gemeinsamen Stapel-Controller 210, so dass nicht jeder Stapel notwendigerweise seinen eigenen Stapel-Controller 210 haben muss. Obwohl der Host-Controller 212 als eigenständige Einheit dargestellt ist, könnten einige oder alle Aspekte des Host-Controllers 212 in einen oder mehrere Stapel-Controller 210 integriert sein. Darüber hinaus könnte der Host-Controller 212 teilweise oder vollständig von einem oder mehreren Rechengeräten implementiert werden, die vom Rest des Energiespeichersystems 200 entfernt sind, wie z. B. in einem verteilten oder Cloud-Computing-System. Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen der Host-Controller 212 nicht für das Energiespeichersystem 200 bestimmt, sondern so konfiguriert, dass er zumindest teilweise eine Mehrzahl von Energiespeichersystemen steuert. Zusätzlich werden in bestimmten anderen alternativen Ausführungsformen der Host-Controller 212 und jeder Stapel-Controller 210 durch einen einzigen Controller (nicht dargestellt) implementiert.
  • Bei der netzgekoppelten Energiespeicherung sind z. B. Stapelspannungen von Hunderten von Volt bis über tausend Volt üblich. Bei einer Batteriespannung (pro Batteriezelle) von etwa vier (4) Volt sind Batteriestapel mit hundert (100) bis dreihundert (300) oder mehr Batteriezellen in Serie üblich. Geht man beispielsweise von einem Verstärkungsverhältnis von 1,2 aus, umfassen die Stapel typischerweise fünfzig (50) bis einhundertfünfzig (150) oder mehr Knoten pro Stapel. Die Anzahl der parallelen Stapel legt die Gesamtleistung und Energiekapazität des Beispielsystems 200 fest und liegt typischerweise in einem Bereich von eins bis zu vielen zehn (10) oder mehr, oder hundert (100) oder mehr, zum Beispiel. Für großformatige Batterien, die in einem bekannten Automobil verwendet werden, wäre beispielsweise ein Knotenstapel, der einhundert (100) Batterien umfasst, ein System mit vierundzwanzig (24) kWh. Etwa fünfzig (50) parallele Stapel würden also ein 1-MWh-System für kommerzielle Anwendungen ergeben. Systeme im Versorgungsmaßstab können oft hundert (100) MWh und größer sein. Natürlich gibt es eine praktische Grenze für die Anzahl der zu verwendenden parallelen Stapels, wie z. B. die Anzahl der Stapels, die physisch (und sicher) in einen Standard-Versandcontainer passen könnten. Eine Laststrommessschaltung 206 ist gekoppelt, um einen Laststrom IL durch die Last 204 zu messen. Eine Schaltung zur Messung der Lastspannung 208 ist gekoppelt, um eine Spannung VL über der Last zu messen. Der Host-Controller 212 ist gekoppelt, um die IL-Messungen und die VL-Messungen zu empfangen.
  • Im Normalbetrieb laden und entladen die DC-DC-Wandler der jeweiligen Knoten N1, N2,... , NN-1, NN des Stapels S1 laden und entladen ihre zugehörigen Batterien 104N1, 104N2,... , 104N-1, 104NN unabhängig voneinander, so dass die Spannung, der Strom und andere Parameter der einen Batterie unabhängig von den anderen Batterien im Stapel S1 verwaltet werden können. Darüber hinaus enthält jeder Knoten einen jeweiligen Knotenzellen-Isolationsschalter 256, um den DC-DC-Wandler 106 des Knotens während eines unten beschriebenen sicheren Betriebsmodus wahlweise mit der Batterie 104 des Knotens zu verbinden und von ihr zu trennen.
  • Der Beispielstapel S1 enthält einen Kommunikationsbus 262, der die Knoten des Stapels koppelt, um Informationen an die S1-Stapelsteuerung 210 zu senden und von dieser zu empfangen. Der Kommunikationsbus 262 kommuniziert Informationen zu und von den Knoten entsprechend einer sequentiellen Anordnung der Knoten N1 bis NN. In einem Beispielstapel S1 hat der sequentielle Kommunikationsbus 262 eine Daisy-Chain-Lichtbogenhitektur, in der Kommunikationsbussegmente 2621 bis 262N zwischen sequentiell angeordneten Knoten vorgesehen sind. Signale werden sequentiell von Knoten zu Knoten entsprechend der Knotenreihenfolge übertragen. Im Beispielstapel S1 verläuft die Knotenreihenfolge sequentiell von der Stapelsteuerung 210 zu einem ersten Knoten in der Reihenfolge N1, zu einem zweiten Knoten in der Reihenfolge N2, ... zu einem letzten Knoten in der Reihenfolge NN. Der Beispiel-Sequenzbus hat eine Ringtopologie, in der der letzte Knoten NN der Sequenz in einer Schleife durch den Stapel-Controller 210 mit dem Anfang der Sequenz gekoppelt ist.
  • In einem Beispielsystem sind die Knoten N1-NN eines Stapels S1 gekoppelt, um ein Kommunikations-Controller-Bereichsnetz zu bilden, in dem Steuer- und Datensignale zwischen den Knoten und dem Stapel-Controller 210 kommuniziert werden. Insbesondere umfasst der Kommunikationsbus 262 in einem Beispielsystem zwei Drähte, d. h. Low und High. Der Kommunikationsbus 262 kann jedoch auch andere Konfigurationen aufweisen, ohne dass dies vom Anwendungsbereich dieser Beschreibung abweicht. Zum Beispiel könnte der Kommunikationsbus 262 ein alternativer Typ eines drahtgebundenen Kommunikationsbusses sein. Als weiteres Beispiel könnte der Kommunikationsbus 216 ein drahtloser Kommunikationsbus oder ein hybrider drahtgebundener/drahtloser Kommunikationsbus sein. Jeder Knoten kann Informationen (z. B. Spannungs-, Strom- und Temperaturdaten) als Reaktion auf Befehle, die er vom Stapel Controller 210 über den Bus 262 erhält, vorbereiten und über den Bus 262 senden. Die gesendeten Daten können von allen anderen Knoten auf dem Kommunikationsbus 262 akzeptiert werden. Jeder Knoten prüft die über den Kommunikationsbus 262 empfangenen Informationen und entscheidet, ob er sie verarbeitet, ignoriert oder an den nächsten Knoten im Netzwerk weiterleitet.
  • Eine beispielhafte Stapelsteuerung 210 umfasst eine Stapelprozessorschaltung 214, die operativ mit einer Speichervorrichtung 216 gekoppelt ist, die einen ersten Batterieverwaltungscode (CBM1), einen ersten Lichtbogenerkennungscode (CAD1) und einen ersten Sicherheitsverwaltungscode (CSM1) enthält, auf die die Prozessorschaltung 214 zugreifen und die von ihr ausgeführt werden können.
  • Im Beispielstapel S1 enthält der erste Batterieverwaltungscode (CBM1-Code) in der Speichervorrichtung 216 Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, die Stapelprozessorschaltung 214 für die Verwendung bei der Verwaltung des Ladens und Entladens der Zellen der Knoten des Stapels S1 konfigurieren, z. B. basierend auf gemessener Spannung, Strom und Temperatur der Knoten des Stapels. Beispielsweise konfiguriert der beispielhafte erste CBM1-Code die Stapelprozessorschaltung 214, um Batterie-, Strom- und Temperaturmessungen von den einzelnen Knoten N1-NN des Stapels S1 zu sammeln und die Messungen zur Verarbeitung an den Host-Controller 212 zu senden. Der beispielhafte erste CBM1-Code konfiguriert außerdem die Stapelprozessorschaltung 214 des Stapelcontrollers S1 so, dass sie Anweisungen vom Host-Controller 212 über den Zeit- und Steuerbus 219 empfängt, um bei der Bestimmung der Einstellung des Betriebs der Batterien 104 einzelner Knoten zu helfen, um die Gesamtleistung der Knoten des Stapels S1 zu optimieren, und um die empfangenen Anweisungen an die Knoten N1-NN zu senden, um die Einstellungen umzusetzen. Ein alternatives Beispiel für einen Stapel-Controller 210 tauscht drahtlos Informationen mit dem Host-Controller 212 aus.
  • Im Beispielstapel S1 enthält der erste Lichtbogenerkennungscode (CAD1) in der Speichervorrichtung 216 Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, die Stapelprozessorschaltung 214 für die Verwendung bei der Erkennung von und Reaktion auf Lichtbogenfehlerbedingungen auf der Grundlage von Messungen von Spannung und Strom innerhalb der Knoten des Stapels S1 konfigurieren. Beispielsweise konfiguriert ein erster CAD1-Beispielcode die Stapelprozessorschaltung 214 so, dass sie Messanforderungsbefehle erteilt, um die BMS-Knoten N1-NN des Stapels S1 zu veranlassen, synchronisierte Spannungsmessungen und synchronisierte Strommessungen zu liefern, die synchronisierten Messungen von den Knoten zu sammeln und die synchronisierten Messungen über den Zeitsteuerungs- und Steuerbus 219 zur Verarbeitung an den Host-Controller 212 zu senden. In einigen Ausführungsformen werden die Spannungsmessungen unabhängig von den Strommessungen synchronisiert, so dass die Spannungsmessungen nicht unbedingt mit den Strommessungen synchronisiert sind. Der beispielhafte erste CAD1-Code konfiguriert auch die Stapelprozessorschaltung 214, um das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers im Stapel S1 und das Auftreten eines parallelen Lichtbogenfehlers im Beispielstapel S1 zu erkennen und das Öffnen von Isolationsschaltern 256 von Knoten des Stapels S1 und/oder eine andere Aktion als Reaktion auf solche Vorkommnisse zu veranlassen. Der beispielhafte erste CAD1-Code konfiguriert außerdem die Stapelprozessorschaltung 214 so, dass sie Befehle von der Host-Steuerung 212 über den Timing- und Steuerbus 219 empfängt, die das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers auf Systemebene oder das Auftreten eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Systemebene anzeigen, und dass sie das Öffnen der Isolationsschalter 256 von N1-NN des Stapels S1 und/oder eine andere Aktion als Reaktion auf solche Ereignisse veranlasst, beispielsweise. In einigen Ausführungsformen ist die Stapelprozessorschaltung 214 ferner so konfiguriert, dass sie als Reaktion auf einen erkannten seriellen oder parallelen Lichtbogenfehler das Schließen der Softkurzschlussschalter 259 veranlasst, um die Spannungen an den Knoten auszugleichen. Ein alternatives Beispiel für eine Stapel-Steuerung 210 tauscht drahtlos Informationen über Lichtbogen-Serienfehler oder parallele Lichtbogenfehler auf Systemebene mit der Host-Steuerung 212 aus.
  • Im Beispielstapel S1 enthält der erste Sicherheitsverwaltungscode (CSM1) Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, die Stapelprozessorschaltung 214 zur Verwendung beim Übergang der Knoten N1-NN des Stapels S1 zwischen Betriebs-, Bypass-, schwebenden und sicheren Funktionsmodi konfigurieren. Beispielsweise konfiguriert der beispielhafte erste CSM1-Code die Stapelprozessor-Schaltung 214 so, dass sie Befehle von der Host-Steuerung 212 über den Timing- und Steuerbus 219 empfängt, die einen Befehl zum Übergang der Knoten zwischen den Betriebsmodi des Stapels anzeigen. Der beispielhafte erste CSM1-Code konfiguriert den Stapel-Controller auch so, dass er Befehle an die Knoten des Stapels S1 sendet, um Isolationsschalter 256 selektiv zu öffnen und zu schließen, um den Stapel zwischen den Betriebsmodi basierend auf den vom Host-Controller 212 empfangenen Befehlen umzuschalten. Ein alternatives Beispiel für einen Stapel-Controller 210 tauscht drahtlos Informationen über den Betriebs-, Sicherheits-, Floating- und Low-Power-Funktionsmodus mit dem Host-Controller 212 aus.
  • Der Host-Controller 212 enthält eine Controller-Prozessorschaltung 218, die operativ mit einer Speichervorrichtung 220 gekoppelt ist, die einen zweiten Batterieverwaltungscode (CBM2), einen zweiten Lichtbogenerkennungscode (CAD2) und einen zweiten Sicherheitsverwaltungscode (CSM2) enthält, auf die die Controller-Prozessorschaltung 218 zugreifen kann und die von ihr ausgeführt werden können. Der beispielhafte zweite CBM2-Code enthält Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, die Controller-Prozessorschaltung 218 für die Verwendung bei der Verwaltung des Ladens und Entladens der Batterien der Knoten des BMS-Stapels S1 konfigurieren, beispielsweise basierend auf der gemessenen Spannung, dem Strom und der Temperatur der Knoten des Stapels. Beispielsweise konfiguriert der beispielhafte zweite CBM2-Code die Controller-Prozessorschaltung 218, um Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen vom Stapel S1 zu sammeln und Informationen in gespeicherten Tabellen zu verwenden, um Anweisungen auszuwählen, um die Leistung einzelner Batterien 104 des Stapels auf der Grundlage der gesammelten Messungen anzupassen, die für die einzigartigen und sich entwickelnden Leistungsmerkmale der einzelnen Zellen bezeichnend sind, so dass die Gesamtsystemleistung verbessert wird. Der beispielhafte zweite CBM2-Code konfiguriert auch die Controller-Prozessorschaltung 218, um Anweisungen an die Stapelprozessorschaltung 214 über den Zeitsteuerungs- und Steuerbus 219 zu senden, um eine Anpassung des Betriebs einzelner Batterien 104 der Stapel S1-SK zu bewirken, um die Gesamtleistung des Systems 200 zu optimieren. Ein alternatives Beispiel für einen Stapel-Controller 210 tauscht drahtlos Informationen mit dem Host-Controller 212 der Stapels S1-SK aus.
  • Der zweite CAD2-Beispielcode enthält Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, die Steuerprozessorschaltung 218 zur Verwendung bei der Erkennung von und Reaktion auf Lichtbogenfehlerbedingungen auf der Grundlage von synchronisierten Messungen der Spannung und synchronisierten Messungen des Stroms innerhalb der Knoten N1-NN des Stapels S1 sowie gemessenen Stapelströmen und gemessenen Stapelspannungen konfigurieren. Beispielsweise konfiguriert der beispielhafte zweite CAD2-Code die Controller-Prozessorschaltung 218 so, dass sie Befehle sendet, um die Stapel-Controller der mehreren Stapels S1-SK zu veranlassen, Knotenspannungs- und Knotenstrommessungen synchron mit der Erfassung von Messungen von Stapel-Spannungen VL und Stapel-Strömen IL durch den Host-Controller 212 zu sammeln. In einigen Ausführungsformen werden die Spannungsmessungen jedoch unabhängig von den Strommessungen synchronisiert, so dass die Spannungsmessungen nicht unbedingt mit den Strommessungen synchronisiert sind. Der beispielhafte zweite CAD2-Code konfiguriert auch die Prozessorschaltung 218 des Controllers, um das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers auf Systemebene und das Auftreten eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Systemebene im Stapel zu erkennen und Informationen über den Timing- und Steuerbus 219 an einen oder mehrere der Stapel S1-SK zu senden, um das Öffnen der Knotenisolationsschalter 256 und/oder eine andere Aktion als Reaktion auf solche Ereignisse zu veranlassen. Eine alternative Beispiel-Host-Steuerung 212 tauscht drahtlos Informationen mit den Stapelsteuerungen der Stapel S1-SK aus.
  • Der beispielhafte zweite CSM2-Code enthält Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, die Steuerprozessorschaltung 218 zur Verwendung beim Übergang der Knoten eines oder mehrerer der mehreren Stapel S 1-SK zwischen Betriebs-, Bypass-, Schwebe- und sicherem Funktionsmodus konfigurieren. Beispielsweise konfiguriert der beispielhafte zweite CSM2-Code die Controller-Prozessorschaltung 218 so, dass sie Anweisungen über den Timing- und Steuerbus 219 an die mehreren BMS-Stapels sendet, um einen Betriebsmodus anzuzeigen. Der beispielhafte zweite CSM2-Code sendet auch Anweisungen an einen oder mehrere der beispielhaften Stapels S1-SK, um anzuzeigen, welche Isolationsschalter selektiv geöffnet und geschlossen werden sollen, z. B. während des Betriebs mit geringer Leistung. Ein alternativer Beispiel-Host-Controller 212 tauscht drahtlos Informationen mit den Stapel-Controllern der Stapels S1-SK aus.
  • Störlichtbögen
  • In einem elektrischen Speichersystem kann es beispielsweise zu einem Lichtbogen kommen, bei dem Gas (typischerweise Luft) zwischen zwei nahegelegenen elektrischen Leitern mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial aufgrund einer großen Spannung und/oder eines geringen Trennungsabstands zwischen den elektrischen Leitern ionisiert wird, was zu einem Stromfluss zwischen den elektrischen Leitern führt. Dieses Potenzial für einen elektrischen Lichtbogen wird durch die Tatsache verstärkt, dass typische elektrische Speichersysteme viele elektrische Anschlüsse und lange elektrische Kabel enthalten und dadurch viele mögliche Fehlerpunkte aufweisen. Einige elektrische Speichersysteme sind anfällig für physische Schäden, z. B. durch Umgebungsbedingungen, Wartungspersonal, das in der Nähe des Systems arbeitet, oder durch ein Tier, das an den Komponenten des Systems kaut. Ein elektrischer Lichtbogen kann entweder als Serienlichtbogen oder als Parallellichtbogen klassifiziert werden. Ein serieller Lichtbogen tritt über einer Öffnung in einem seriellen Stromkreis auf, wie z. B. über einer Öffnung, die durch einen Steckerfehler verursacht wird. Ein paralleler Lichtbogen entsteht zwischen parallelen Spannungs- oder Strompfaden eines elektrischen Systems oder zwischen einem spannungs- oder stromführenden Leiter und Erde, z. B. aufgrund eines Isolationsfehlers.
  • Für Energiemanagementsysteme wurden Lichtbogenerkennungsgeräte vorgeschlagen, die einen elektrischen Lichtbogen erkennen, indem sie hochfrequente Komponenten oder „Rauschen“ eines Energiespeichersystemstroms identifizieren, der durch den elektrischen Lichtbogen erzeugt wird. Die Amplitude des Rauschens ist sehr klein und muss zur Erkennung durch Verstärkung oder durch Verwendung eines Stromwandlers erhöht werden. Außerdem muss das Rauschen von anderen hochfrequenten Komponenten unterschieden werden, die üblicherweise im Strom des Photovoltaiksystems vorhanden sind, wie z. B. dem Ripplestrom des Schaltnetzteils und dessen Oberschwingungen. Daher zerlegen herkömmliche Lichtbogenerkennungsgeräte den Strom der Photovoltaikanlage typischerweise in seine einzelnen Wechselstromkomponenten, indem sie Fast-Fourier-Transformationsverfahren (FFT) oder ähnliche Verfahren verwenden, um das elektrische Lichtbogenrauschen von anderen Systemstörungen zu unterscheiden. Um diese Signalzerlegung zufriedenstellend durchzuführen, sind im Allgemeinen erhebliche Rechenressourcen erforderlich.
  • Staatliche und/oder industrielle Normen geben oft eine bestimmte Zeit vom Entstehen eines Lichtbogens bis zur Erkennung oder Unterbrechung des Lichtbogens durch ein Lichtbogenerkennungssystem vor. Für einen Lichtbogendetektor der Serie Typ 1 schreibt die Norm UL 1699B 2018-08-22, Photovoltaic (PV) DC Arc-Fault Circuit Protection beispielsweise vor, dass die Zeit nicht länger als zwei (2) Sekunden und für Lichtbögen höherer Leistung nicht länger als t=750 Joule/IV sein darf. Wenn kein Lichtbogen im Energiespeichersystem 200 vorhanden ist, das mehrere Batteriestapel S1-SK umfasst, die Gleichspannung und Gleichstrom liefern, sind die Wechselstromsignalkomponenten im Allgemeinen recht gering, mit Ausnahme von Spitzen, die mit dem Schalten der Leistungselektronik innerhalb des Systems zusammenhängen, wie z. B. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 106 oder ein Wechselrichter. Während des Auftretens eines Lichtbogens kann ein komplexeres AC-Spektrum mit größerer Amplitude auftreten als in der Situation ohne Lichtbogen. Allerdings können auch während des Auftretens eines Lichtbogens Spitzen aufgrund des Schaltens der Leistungselektronik eine wesentlich größere Amplitude aufweisen als das elektrische Rauschen aufgrund des Lichtbogens. Außerdem ist nicht garantiert, dass diese Spitzen bei einer bestimmten Frequenz liegen, auch nicht für ein bestimmtes Gerät, da es je nach den vorliegenden Bedingungen mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten kann. In einem Energiespeichersystem mit einer großen Anzahl von Knoten pro Stapel, wie z. B. fünfzig (50) bis einhundertfünfzig (150) oder mehr Knoten pro Stapel, in dem jeder Knoten VIT-Messungen etwa alle 5-10 Millisekunden vornimmt, kann es größere Herausforderungen bei der Synchronisierung von Gleichspannungsmessungen und der Synchronisierung von Gleichstrommessungen zur Verwendung bei der Lichtbogenerkennung geben. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass Gleichstrom- und Gleichspannungsmessungen große Wechselstromspitzen überlagern, die durch das Schalten der Leistungselektronik entstehen. Daher muss ein Lichtbogenerkennungsschema, das synchronisierte Gleichspannungs- und synchronisierte Gleichstrommessungen zur Erkennung von Lichtbögen verwendet, Lichtbögen schnell und zuverlässig erkennen, ohne dass es zu Störungsauslösungen aufgrund anderer Störquellen im System kommt, wie z. B. dem Schalten der Leistungselektronik.
  • Synchronisation der Messung
  • 3A ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein erstes Verfahren 350 darstellt, um synchronisierte DC-Messwerte zu erhalten, die von Knoten des Beispielknotenstapels S1 von 2 erzeugt werden. Das Verfahren 350 wird beispielsweise verwendet, um synchronisierte elektrische und/oder Temperaturmesswerte für die Erkennung von Lichtbogenfehlern und/oder für die Verwaltung anderer Aspekte des Energiespeichersystems 200 zu erhalten, z. B. zur Verwendung durch die Prozessorschaltung 217-2, die Prozessorschaltung 214 und/oder die Prozessorschaltung 218 zur Steuerung des Ladens und Entladens der Batterien 104. In Schritt 352 sendet der Stapel-Controller 210 einen Messanforderungsbefehl an die Knoten N1-NN. In Schritt 354 misst jeder Knoten zu einem vorgeschriebenen Zeitpunkt gleichzeitig mindestens einen Gleichstromparameter, z. B. Spannung, Strom und/oder Temperatur, in Reaktion auf den Befehl. In Schritt 356 werden die befohlenen DC-Messwerte durch die Knoten N1-NN an den Stapel-Controller 210 weitergeleitet. Die Steuerung fließt als nächstes über die Schleife 359 zurück zu Schritt 352, so dass sich die Schritte 352-356 wiederholen, um so eine fortlaufende Folge von Messproben zu erzeugen. In einer alternativen Ausführungsform wird Schritt 356 so modifiziert, dass die DC-Messwerte von den Knoten N1-NN auf eine andere Art und Weise an den Stapel-Controller 210 übertragen werden, z. B. durch drahtgebundene oder drahtlose Übertragung direkt von jedem Knoten an den Stapel-Controller 210.
  • 3B ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein zweites Verfahren 360 darstellt, um synchronisierte DC-Messwerte zu erhalten, die von Knoten des Beispielknotenstapels S1 von 2 erzeugt werden. Verfahren 360 wird beispielsweise verwendet, um synchronisierte elektrische und/oder Temperaturmesswerte für die Erkennung von Lichtbogenfehlern und/oder für die Verwaltung anderer Aspekte des Energiespeichersystems 200 zu erhalten, z. B. zur Verwendung durch die Prozessorschaltung 217-2, die Prozessorschaltung 214 und/oder die Prozessorschaltung 218 zur Steuerung des Ladens und Entladens der Batterien 104. In Schritt 362 misst jeder Knoten N1-NN des Stapels S1 periodisch einen oder mehrere Gleichstromparameter, z. B. Spannung, Strom und Temperatur, und speichert sie in seinem Speicher 217-3. Wie oben erläutert, führt ein Beispielknoten mindestens einmal alle 5-10 Millisekunden Messungen von Spannung, Strom und Temperatur („VIT“) durch. Jeder Knoten N1-NN stempelt optional jede Messung mit einem Zeitstempel.
  • In Schritt 364 sendet der Stapel-Controller 210 einen Messanforderungsbefehl an die Knoten N1-NN. In Schritt 366 wählt jeder Knoten als Reaktion auf den Messanforderungsbefehl einen oder mehrere gespeicherte Messwerte aus, z. B. Spannung und/oder Strom, die einem durch den Messanforderungsbefehl vorgegebenen Zeit- oder Zeitfenster entsprechen. Beispielsweise kann jeder Knoten N1-NN einen oder mehrere gespeicherte Messwerte auswählen, die einem durch den Messbefehl vorgeschriebenen Zeit- oder Zeitfenster entsprechen, oder jeder Knoten N1-NN kann eine Mehrzahl von Messwerten auswählen, die zu dem Zeitpunkt, an dem der Knoten den Messbefehl empfängt, im Speicher verfügbar sind. In einigen Ausführungsformen hat jeder Knoten N1-NN eine gemeinsame Zeitreferenz, damit der Knoten gespeicherte Zeitmesswerte auswählen kann, die der durch den Messbefehl vorgegebenen Zeit oder dem Zeitfenster entsprechen.
  • In einigen anderen Ausführungsformen wählt jeder Knoten N1-NN gespeicherte Messwerte aus, die zumindest teilweise auf der Position des Knotens in einem Strang und einer Zeit basieren, die für die Ausbreitung des Messanforderungsbefehls von einem Knoten zum anderen erforderlich ist. Nehmen Sie zum Beispiel an, dass eine Ausbreitungszeit zwischen benachbarten Knoten im Strang Δt beträgt. Ein dritter Knoten im Strang kann gespeicherte Messwerte auswählen, die einem Zeitpunkt entsprechen, der 3*Δt vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem der dritte Knoten den Messanforderungsbefehl empfängt, um die Ausbreitungsverzögerung des Messanforderungsbefehls im Strang auszugleichen.
  • In noch einigen anderen Ausführungsformen kann der Stapel-Controller 210 jedem Knoten N1-NN eine benutzerdefinierte Zeitreferenz bereitstellen, damit der Knoten einen oder mehrere Messwerte auswählen kann, die einem vorgeschriebenen Zeitpunkt oder Zeitfenster entsprechen. Der Stapel-Controller 210 bestimmt benutzerdefinierte Timing-Referenzen, zum Beispiel basierend auf der gemessenen Ausbreitungsverzögerung zwischen dem Stapel-Controller 210 und jedem Knoten N1-NN. Der Stapel-Controller 210 misst die Ausbreitungsverzögerung z. B. beim Start oder in regelmäßigen Abständen.
  • In Schritt 368 werden die ausgewählten DC-Messungen, die optional Zeitstempel enthalten, über die Knoten des Stapels an den Stapel-Controller 210 weitergeleitet. Die Steuerung fließt als Nächstes in Schleife 369 zurück zu Schritt 362, so dass sich die Schritte 362-368 wiederholen, um so eine fortlaufende Folge von Messproben zu erzeugen. In einer alternativen Ausführungsform wird Schritt 368 so modifiziert, dass die DC-Messwerte von den Knoten N1-NN auf andere Weise an den Stapel-Controller 210 übertragen werden, beispielsweise durch drahtgebundene oder drahtlose Übertragung direkt von jedem Knoten an den Stapel-Controller 210.
  • Es wird deutlich, dass das erste Verfahren 350 die Durchführung synchronisierter Messwerte und das zweite Verfahren 360 die Auswahl zuvor gespeicherter Messwerte beinhaltet. Die in Schritt 354 während des ersten Verfahrens 350 durchgeführten Messungen werden synchron an mehreren Knoten zu einem Zeitpunkt durchgeführt, der auf der Grundlage eines Messanforderungs-Befehlssignals bestimmt wird. Die während der zweiten Methode 360 ausgewählten Messungen umfassen Messungen, die zuvor an mehreren Knoten gespeichert wurden und die während eines Zeitfensters ausgewählt werden, das auf der Grundlage eines Messanforderungs-Befehlssignals bestimmt wird. Sowohl die erste als auch die zweite Methode 350, 360 erhalten Messwerte für jeden der mehreren Knoten. Wie weiter unten näher erläutert, werden die Messwerte optional verarbeitet, um potenzielle Aliasing-Werte aufgrund des Schaltens von Schaltkreiskomponenten zu entfernen und um Messwerte zu erzeugen, die anzeigen, ob ein Lichtbogenfehler auftreten kann oder nicht. Im Falle von Messwerten, die durch das zweite Verfahren 360 erhalten wurden, kann die Verarbeitung das zeitliche Ausrichten von Messungen beinhalten, die innerhalb eines Zeitfensters an verschiedenen Knoten ausgewählt wurden.
  • 4A ist ein illustratives Blockdiagramm, das die Knoten N1-NN eines ersten Beispielstapels 420 zeigt, der eine Ausführungsform eines Stapels S aus 2 ist, sowie ein Beispielzeitdiagramm 422, das die Ausbreitungsverzögerung der zwischen den Knoten übertragenen Signale zeigt. Synchronisierte Spannungsmessungen an den Knoten N1-NN werden zur Erkennung und zum Schutz vor Serienlichtbogenfehlern, wie unten erläutert, und/oder zur Verwaltung eines oder mehrerer anderer Aspekte des Energiespeichersystems 200 verwendet. Synchronisierte Strommessungen an den Knoten N1 -NN werden auch zur Erkennung und zum Schutz vor parallelen Lichtbogenfehlern, wie unten erklärt, und/oder zur Verwaltung eines oder mehrerer anderer Aspekte des Energiespeichersystems 200 verwendet. In einigen Ausführungsformen werden die Spannungsmessungen unabhängig von den Strommessungen synchronisiert, so dass die Spannungsmessungen nicht unbedingt mit den Strommessungen synchronisiert sind.
  • Die erste Beispiel-Stapel-Ausführungsform 420 von 4A ist gemäß dem ersten Verfahren 350 von 3A und gemäß dem zweiten Verfahren 360 von 3B betreibbar. Unter Bezugnahme auf 3A und 4A sendet der Stapel-Controller 210 der ersten Beispiel- Stapel-Ausführungsform 420 beim Betrieb gemäß dem ersten Verfahren 350 in Schritt 352 einen Messanforderungsbefehl über den Kommunikationsbus 262, um jedem der Knoten N1-NN zu befehlen, synchronisierte Messungen durchzuführen. Genauer gesagt, sendet der Stapel-Controller 210 in Schritt 352 einen Messanforderungsbefehl über das Kommunikationsbussegment 2620 an den Knoten N1. Knoten N1 wiederum überträgt die Messanforderungsbefehle über das Kommunikationsbussegment 2621 an Knoten N2 und so weiter, bis Knoten NN-1 die Messbefehle über das Kommunikationsbussegment 262N-1 an Knoten NN überträgt.
  • In Schritt 354 misst jeder Knoten zu einer vorgeschriebenen Zeit gleichzeitig einen oder mehrere DC-Parameter in Reaktion auf den Messanforderungsbefehl, z. B. Spannung und/oder Strom. Die vorgeschriebene Zeit wird so festgelegt, dass ausreichend Zeit zur Verfügung steht, damit sich der Messanforderungsbefehl sequentiell zu jedem Knoten im Stapel 420 ausbreiten kann, bevor die Knoten die befohlenen Parameter gleichzeitig messen. Genauer gesagt verwenden die Knoten N1-NN in Schritt 354, nachdem jeder der Knoten N1 bis NN den Messanforderungsbefehl empfangen hat, synchron ihre ADCs 217-1, um die befohlenen DC-Messungen an jedem der Knoten N1-NN digital durchzuführen. Unter Bezugnahme auf 2 und 4A stellt der Host-Controller 212 in einem Ausführungsbeispiel ein Master-Taktsignal über den Timing- und Steuerbus 219 an die Stapel-Controller der einzelnen Stapels S1-SK bereit, die ihrerseits das Master-Taktsignal an die Knoten zur Verwendung für die Synchronisierung von Messungen an den Knoten der einzelnen Stapels und zur Synchronisierung von Messungen über verschiedene Stapels des Systems 200 bereitstellen. Der Haupttakt kann auch zur Zeitstempelung der synchronisierten Messungen verwendet werden.
  • In einem Beispielstapel S1 verzögern die Knoten N1-NN die Messung in Reaktion auf den Empfang eines Messanforderungsbefehls, bis der letzte Knoten in der geordneten Reihenfolge, NN, den Messanforderungsbefehl empfängt. In dem Beispielstapel S1 kennen die Knoten die Gesamtzahl der Knoten im Stapel und ihre sequenziellen Positionen im Stapel. In der ersten Beispiel-Stapel-Ausführung 420 sind die Knoten so konfiguriert, dass sie die digitale Erfassung von Spannungsmessungen synchronisieren und die digitale Erfassung von Strommessungen synchronisieren, z. B. basierend auf der Ausbreitungsverzögerung bei der Übertragung von Messanforderungs-Befehlssignalen zwischen den Knoten.In der ersten Beispiel-Stapel-Ausführung 420 ist die Ausbreitungsverzögerung Δt zwischen einem Zeitpunkt, zu dem ein Knoten einen Spannungsmessungs-Anforderungsbefehl oder einen Strommessungs-Anforderungsbefehl empfängt, und einem Zeitpunkt, zu dem ein nächster Knoten in der Sequenz den Spannungs- oder Strommessungs-Anforderungsbefehl empfängt. Angenommen, N1 empfängt beispielsweise einen Befehl zum Zeitpunkt t0, dann empfängt N2 den Befehl zum Zeitpunkt t0 + Δt, N3 empfängt den Befehl zum Zeitpunkt t0 + 2Δt und so weiter, bis der Knoten NN den Befehl zum Zeitpunkt t0 + NΔt empfängt. In der ersten Beispiel-Stapel-Ausführungsform 420 verzögert jeder Knoten in der Sequenz die Durchführung einer befohlenen Messung mindestens so lange, bis der letzte Knoten in der Sequenz den Messbefehl empfängt, um synchrone Messungen als Reaktion auf einen Messbefehl zu erreichen. Insbesondere verzögert in der ersten Beispiel-Stapel-Ausführung 420 N1 die Messung für mindestens ein Zeitintervall NΔt; N2 verzögert die Messung für mindestens ein Zeitintervall (N-1)Δt, und so weiter, und Knoten N misst ohne eine Δt-bezogene Verzögerung.
  • Unter Bezugnahme auf 3A und 4A werden in Schritt 356 die mit einem Zeitstempel versehenen befohlenen DC-Messungen durch die Knoten des Stapels an die Stapelsteuerung 210 weitergeleitet. Insbesondere sendet in der ersten Beispiel-Stapel-Ausführung 420 nach einer synchronen digitalen Erfassung der befohlenen Spannungs- und Strommessungen beispielsweise jeder Knoten eine zeitgestempelte Spannungsmessung und eine zeitgestempelte Strommessung über den Kommunikationsbus 262 an die Stapel-Steuerung 210. Beispielsweise überträgt N1 seine Messungen über das Bussegment 2621 an N2, das wiederum die Messungen von N1 über das Bussegment 2622 an N3 überträgt, und so weiter, bis die Messungen von N1 NN erreichen, das seinerseits die Messungen von N1 über das Bussegment 262N an den Stapel-Controller 210 überträgt. Darüber hinaus überträgt z. B. NN-1 seine befohlenen Messungen über das Bussegment 262N-1 an NN, das wiederum die Messungen von NN-1 über das Bussegment 262N an den Stapel-Controller überträgt. Der Knoten NN überträgt seine Messungen beispielsweise direkt über das Bussegment 262N an den Stapel-Controller 210. Ein beispielhafter Stapel-Controller 210 an jedem Stapel verarbeitet Spannungs- und Strommessungen, wie unten erläutert, die von den jeweiligen Knoten innerhalb seines Stapels empfangen werden, um das Auftreten von Lichtbogenfehlerbedingungen innerhalb seines Stapels zu identifizieren.
  • Unter Bezugnahme auf 3B und 4A führt jeder Knoten beim Betrieb gemäß dem zweiten Verfahren 360 in Schritt 362 routinemäßige periodische Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen durch, um beispielsweise Schätzungen des Ladezustands der Batterie 104 zu ermitteln und/oder das Laden und Entladen der Batterie 104 dynamisch zu steuern. Jeder Knoten stempelt optional auch die Zeit und speichert mindestens einen Teil der periodischen Messungen in seinem lokalen Speicher 217-3. In bestimmten Ausführungsformen liefert der Host-Controller 212 ein Haupttaktsignal über den Timing- und Steuerbus 219 an die Stapel-Controller 210 jedes der Stapels S1-SK, die ihrerseits das Haupttaktsignal an die Knoten liefern, um die gespeicherten Messungen mit einem Zeitstempel zu versehen und die Sammlung der gespeicherten Messungen über die Knoten eines einzelnen Stapels und über verschiedene Stapels hinweg zu synchronisieren. In einigen Ausführungsformen sendet der Stapel-Controller 210 der ersten Beispiel-Stapel-Ausführung 420 in Schritt 364 einen Messanforderungsbefehl über den Kommunikationsbus 262, um jedem der Knoten N1-NN zu befehlen, eine synchronisierte Erfassung von Messungen durchzuführen, die zuvor von den Knoten N1-NN vorgenommen wurden, wie oben mit Bezug auf Schritt 352 beschrieben. Der Messanforderungsbefehl wird von Knoten zu Knoten mit den oben beschriebenen Ausbreitungsverzögerungen weitergegeben. In Schritt 366 wählt jeder Knoten in der ersten Beispielausführung eines Stapels 420 eine oder mehrere gespeicherte Messungen aus, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters oder zu einer vorgegebenen Zeit durchgeführt wurden. Wenn man beispielsweise annimmt, dass jeder Knoten eine Gleichspannungsmessung und eine Gleichstrommessung in Abständen von 5-10 Millisekunden durchführt, dann kann ein Zeitfenster mit einer Dauer von 5-10 Millisekunden eine Spannungs- und eine Strommessung und ein Zeitfenster mit einer Dauer von 50-100 Millisekunden beispielsweise zehn Spannungs- und zehn Strommessungen umfassen. In Schritt 368 werden die als Reaktion auf den Befehl gesammelten zeitgestempelten Messungen durch die Knoten des Stapels an den Stapel-Controller 210 weitergeleitet, wie oben unter Bezugnahme auf Schritt 356 beschrieben.
  • 4B ist ein illustratives Blockdiagramm, das die Knoten N1-NN einer zweiten Beispielausführung eines Stapels 430 aus 2 zeigt. Die zweite Beispielausführung eines Stapels 430 umfasst einen synchronen Befehlsbus 402, der so gekoppelt ist, dass er Messanforderungsbefehle synchron und ohne Ausbreitungsverzögerung an mehrere Knoten liefert, obwohl ein Kommunikationsbus 262, der Signale zwischen den Knoten koppelt, Ausbreitungsverzögerungen erfährt, wie sie oben mit Bezug auf 4A beschrieben wurden. Der synchrone Bus 402 fungiert auch als Alarmleitung, um Alarmsignale zu übertragen, z. B. um das Energiespeichersystem in den Bypass-Modus, den Schwebemodus oder den sicheren Modus zu zwingen, oder um plötzlich vom Laden zum Entladen oder wieder zurück zu wechseln. Ein Vorteil dieser alternativen Implementierung ist die einfache Synchronisation und schnellere Ergebnisse. Messungen werden immer noch entlang des Daisy-Chain-Busses übertragen (N*Delta t), aber es ist nicht erforderlich, dass sich ein Messanforderungsbefehl auch über den Bus ausbreitet (ein weiteres N*Delta t). Um eine unnötige Komplexität der Darstellung zu vermeiden und die Anschaulichkeit der Erklärung zu fördern, werden Komponenten der zweiten Beispiel-Ausführung eines Stapels 430, die den Komponenten der ersten Beispiel-Ausführung eines Stapels 420 entsprechen, nicht noch einmal beschrieben.
  • Die zweite Beispiel-Stapel-Ausführungsform 430 von 4B ist gemäß dem ersten Verfahren 350 von 3A betreibbar und ist gemäß dem zweiten Verfahren 360 von 3B betreibbar. Unter Bezugnahme auf 3A und 4B sendet der Stapel-Controller 210 der zweiten Beispiel-Stapel-Ausführungsform 430 beim Betrieb gemäß dem ersten Verfahren 350 in Schritt 352 einen Messanforderungsbefehl über den synchronen Befehlsbus 402, um einen Messanforderungsbefehl gleichzeitig an die Knoten N1-NN zu senden. In Schritt 354 messen die Knoten N1-NN zu einem vorgeschriebenen Zeitpunkt gleichzeitig einen oder mehrere Parameter in Reaktion auf den Messanforderungsbefehl, z. B. Spannung und/oder Strom. Der vorgeschriebene Zeitpunkt kann z. B. unmittelbar nach dem Empfang des Messanforderungsbefehls über den Bus 402 sein. Der Host-Controller 212 liefert ein Master-Taktsignal über den Timing- und Steuerbus 219, das für die Zeitstempelung der synchronisierten Messungen verwendet wird. In Schritt 356 werden die mit Zeitstempeln versehenen Messungen, die als Reaktion auf den Befehl durchgeführt wurden, durch die Knoten des Stapels an den Stapel-Controller 210 weitergeleitet, wie oben beschrieben. In bestimmten Ausführungsformen werden Messungen, die in einem Stapel S1-SK durchgeführt werden, mit Messungen synchronisiert, die in jedem anderen Stapel S1-SK durchgeführt werden, z. B. basierend auf einem Master-Taktsignal vom Host-Controller 212.
  • Bezug nehmend auf 3B und 4B führen die Knoten N1-NN bei Betrieb gemäß dem zweiten Verfahren 360 in Schritt 362 routinemäßige periodische Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen durch, um z. B. Ladezustandsschätzungen für die Batterie 104 zu bestimmen und/oder das Laden und Entladen der Batterie 104 wie oben beschrieben dynamisch zu steuern. Der Host-Controller 212 liefert ein Master-Taktsignal über den Timing- und Steuerbus 219, das zur Zeitstempelung der Messungen verwendet wird. In Schritt 364 sendet der Stapel-Controller 210 der zweiten Beispiel-Stapel-Ausführung 430 einen Messanforderungsbefehl über den synchronen Befehlsbus 402, um einen Messanforderungsbefehl gleichzeitig an die Knoten N1-NN zu senden. In Schritt 366 wählt jeder Knoten zu einem vorgeschriebenen Zeitpunkt als Reaktion auf den Messanforderungsbefehl eine oder mehrere gespeicherte Messungen aus, z. B. Spannung und/oder Strom. Insbesondere wählt in Schritt 366 jeder Knoten in der zweiten Beispielsausführungsform eines Stapels 430 eine oder mehrere gespeicherte Messungen aus, die innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitfensters oder zu einem vorgeschriebenen Zeitpunkt durchgeführt wurden. In einigen Ausführungsformen werden Messungen, die in einem vorgeschriebenen Zeitfenster durchgeführt wurden, möglicherweise nicht zur gleichen Zeit durchgeführt, z. B. aufgrund von Ausbreitungsverzögerungen oder Verarbeitungsverzögerungen. In solchen Fällen werden die gespeicherten Messungen optional zeitlich angeglichen, z. B. durch Verwendung einer Interpolationstechnik. In Schritt 368 werden die ausgewählten Messungen mit Zeitstempeln über die Knoten des Stapels an den Stapel-Controller weitergeleitet.
  • 4C ist ein illustratives Blockdiagramm, das die Knoten N1-NN einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Stapels 440 zeigt. Die Knoten N1-NN, der Stapel-Controller 210 und der Host-Controller 212 der dritten beispielhaften Stapel-Ausführung 440 enthalten drahtlose Transceiver 470 für die drahtlose Kommunikation untereinander. Die drahtlose Kommunikation ersetzt in dieser Ausführungsform den synchronen Befehlsbus 402 und ersetzt den Kommunikationsbus 262. In einem Beispielsystem 400 sind die Knoten, der Stapel-Controller und der Host-Controller so konfiguriert, dass sie als ein drahtloses Mesh-Kommunikationsbereichsnetzwerk arbeiten. Die dritte Beispiel-Stapel-Ausführung 440 von 4C ist im Allgemeinen gemäß dem ersten Verfahren 350 von 3A und im Allgemeinen gemäß dem zweiten Verfahren 360 von 3B betreibbar, obwohl die Transceiver 470 an den Knoten die Notwendigkeit, Signale sequentiell zwischen den Knoten weiterzuleiten, überflüssig machen können. Stattdessen können die Knoten in einigen Ausführungsformen direkt, drahtlos, mit dem Stapel-Controller 210 kommunizieren, zum Beispiel. Der Fachmann wird die Anwendbarkeit der ersten und zweiten Verfahren 350, 360 auf der Grundlage der obigen Erläuterungen unter Bezugnahme auf die 4A-4B verstehen, und daher werden, um eine unnötige Komplexität der Darstellung zu vermeiden und eine anschauliche Klarheit der Erklärung zu fördern, Einzelheiten der Anwendung der ersten und zweiten Verfahren 350, 360 unter Bezugnahme auf die 4C nicht dargelegt.
  • Stapel-Level-Reihenlichtbogen-Erkennung
  • 5A ist ein illustratives Diagramm eines beispielhaften BMS-Stapels 500 mit mehreren Knoten N1-NN, das das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers auf Stapelebene innerhalb des Stapels zeigt. Ein Serienlichtbogen ist das Ergebnis des Ausfalls der beabsichtigten Kontinuität eines Leiters oder Steckers in einem elektrischen Stromkreis. Wie hier verwendet, bezieht sich ein Serienlichtbogenfehler auf einen Lichtbogen innerhalb eines einzelnen Stapels und nicht auf die Verbindungen zwischen den Stapeln. Der Stapel 500 ist parallel mit einer elektrischen Last 504 gekoppelt. Jeder Knoten N1-NN erzeugt eine entsprechende Knotenausgangsspannung V1-VN, die in Serie gekoppelt sind. Die seriengekoppelten Knotenspannungen V 1-VN sind über ein Leiternetzwerk 502 parallel zur Last 504 gekoppelt. Im Normalbetrieb, wenn kein Serienlichtbogenfehler innerhalb des Stapels 500 auftritt, entspricht eine Summe der Knotenspannungen innerhalb des Stapels 500 einer Sollspannung für den Stapel und ist konsistent mit, z. B. gleich, einer gemessenen Spannung für den Stapel. VSTAPEL = V 1 + V 2 + V 3 + … + VN
    Figure DE102021115752B4_0001
  • Das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers an einem Knoten innerhalb des Stapels 500 fügt jedoch ein Serienspannungselement zur Stapelspannung, VSTAPEL, hinzu. Das Auftreten eines Serienlichtbogenfehlers führt dazu, dass VSTAPEL über dem Stapel 500 größer oder kleiner als die Sollwertsumme der Spannungen V1 ... VN über den einzelnen Knoten N1-NN des Stapels 500 ist und größer oder kleiner als eine gemessene Summe von V1 ... VN über den einzelnen Knoten N1-NN des Stapels 500 ist. Wenn z. B. eine Serienlichtbogen-Fehlerspannung VLICHTBOGEN zwischen Knoten N2 und Knoten N3 innerhalb des Stapels 500 auftritt, dann, VSTAPEL = V 1 + V 2 + V 3 + … + VN + VLICHTBOGEN
    Figure DE102021115752B4_0002
  • In diesem anschaulichen Beispiel bewirkt also eine Serienlichtbogenspannung VLICHTBOGEN innerhalb eines Stapels, dass die Spannung VSTAPEL über dem Stapel 500 nicht mit der Summe der Knotenausgangsspannungen des Stapels übereinstimmt. 5B ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren 550 zum Erkennen und Reagieren auf einen Serienlichtbogenfehler innerhalb des Stapels aus 5A darstellt. Die Codeanweisungen CAD1 und CAD2 werden verwendet, um den Stapel-Controller (nicht dargestellt) eines Stapels so zu konfigurieren, dass er das Verfahren von 5B ausführt. In Schritt 552 wird ein Spannungsmesswert für jeden Knoten des Stapels ermittelt. Ein Beispielschritt 552 kann das erste Verfahren 350 von 3A beinhalten, was zum Erhalt von Knotenspannungsmessungen führt, die über die Knoten mit einem Messbefehlssignal synchronisiert werden. Ein alternativer Beispielschritt 552 kann das zweite Verfahren 360 aus 3B beinhalten, was dazu führt, dass Knotenspannungsmessungen erhalten werden, die Messungen enthalten, die in ein gemeinsames Zeitfenster fallen oder zu einer gemeinsamen Zeit durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen werden die in Schritt 552 erhaltenen Knotenspannungsmessungen gefiltert, z. B. durch Verwendung eines oder mehrerer Tiefpassfilter, um das von der Leistungsumwandlungsschaltung eingespeiste Rauschen und die zugehörigen Oberwellen zu entfernen, die andernfalls die Lichtbogenfehlererkennung stören könnten.
  • In Schritt 555 wird synchron zu den synchronen Knotenspannungsmessungen eine Stapelspannung VStapel gemessen. In Entscheidungsschritt 556 wird ermittelt, ob die Summe der gemessenen Knotenspannungen des Stapels mit der gemessenen Stapelspannung konsistent ist, z. B. übereinstimmt. In Schritt 558 wird ein Stapel-Level-Serienlichtbogenfehler deklariert, d. h. ein Auftreten eines Spannungs-VLICHTBOGENs, als Reaktion auf die Feststellung, dass die Summierung der gemessenen Knotenspannungen V1 + V2 + V3 + ... + VN nicht mit der Stapel-Spannung übereinstimmt und von der Stapel-Spannung um mindestens einen vorgeschriebenen Schwellenwert abweicht. In einem Beispielsystem 500 ist die vorgeschriebene Differenz groß genug, um das Auftreten eines Serienlichtbogens anzuzeigen, im Gegensatz zu normalen Schwankungen des Stapelspannungspegels, die z. B. aufgrund des Spannungsabfalls über den Widerstand in Serie mit den Knoten von Steckern und Drähten auftreten können. Darüber hinaus kann die vorgeschriebene Differenz groß genug sein, um normale Schwankungen aufgrund von Messtoleranzen zu berücksichtigen. In einem Beispielsystem 500 mit einer Stapel-Spannung in einem Bereich von 500V-1000V ist ein Unterschied von 1 %, 2 % oder sogar bis zu 5 % oder ein Unterschied von einigen Volt bis zu etwa 20V zwischen der Summe der Knotenspannungen und der Stapel-Spannung, der für mindestens ein vorgeschriebenes minimales Zeitintervall wie z. B. mindestens eine Sekunde anhält, typischerweise ein Hinweis auf das Auftreten eines Serien-Lichtbogenfehlers auf Stapel-Ebene. In einigen anderen Ausführungsformen erkennt der Entscheidungsschritt 556 nur dann, dass eine Fehlanpassung zwischen der Summe der gemessenen Knotenspannungen und der gemessenen Stapel-Spannung vorliegt, wenn die Fehlanpassung für eine vorgegebene Zeitspanne oder eine vorgegebene Anzahl von Messzyklen anhält.
  • In noch anderen Ausführungsformen werden zumindest einige der in Schritt 556 berücksichtigten Spannungen gefiltert, um ein gewünschtes Lichtbogenfehler-Erkennungsprofil zu erreichen. Beispielsweise wird in bestimmten Ausführungsformen (a) ein Fehlerwert, der gleich einer Differenz zwischen der Summe der gemessenen Knotenspannungen und der gemessenen Stapel-Spannung ist, bestimmt, (b) der Fehlerwert wird durch einen Tiefpassfilter gefiltert, und (c) ein Serienlichtbogenfehler auf Stapel-Ebene wird als Reaktion auf den gefilterten Fehlerwert, der einen vorgeschriebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, in Schritt 556 bestimmt. Der Tiefpassfilter gewichtet das Lichtbogenfehlererkennungsprofil, indem er die erforderliche Größe oder Dauer einer Lichtbogenfehlerspannung für die Erkennung in Schritt 556 erhöht.
  • In Schritt 560 werden die Knoten so gesteuert, dass der Lichtbogen sicher gelöscht wird. Dies kann die Isolierung aller Energiespeicherzellen umfassen, die Strom in den Lichtbogen einspeisen können, während die gewünschte Knotenausgangscharakteristik (schwebend, kurzgeschlossen, Zustand mit geringer Leistung oder Leistungsbegrenzung) und je nach Bedarf mit oder ohne Notentladung der Zellen bereitgestellt wird. Diese Fehlerreaktionen werden weiter unten ausführlicher behandelt. Alternativ oder zusätzlich könnte der Stapel 500 so gesteuert werden, dass er seine Batterien in die Last 204 oder in einen anderen Stapel entlädt, z. B. auf eine Weise, die die Größe des Entladestroms auf einen sicheren Wert begrenzt, um das Löschen des Lichtbogens zu unterstützen. Das Verfahren 550 wiederholt sich periodisch. Während des aktiven Fehlermanagements in einem Beispielsystem 500 wird das Verfahren 550 z. B. mehrmals pro Sekunde, alle paar Sekunden oder alle paar Minuten wiederholt. Alternativ kann das Verfahren 550 auch weniger häufig wiederholt werden, etwa einmal pro Tag beim Einschalten, um die Computerressourcen nicht übermäßig zu belasten.
  • Störlichtbogen-Erkennung auf Systemebene
  • 6A ist ein illustratives Diagramm eines Beispiel-Energiespeichersystems 600 während des Normalbetriebs ohne Auftreten eines Störlichtbogens. 6B ist ein anschauliches Diagramm des Beispiel-Energiespeichersystems 600 aus 6A während des Auftretens eines Lichtbogen-Serienfehlers auf Systemebene. Wie hier verwendet, bezieht sich ein Serienlichtbogenfehler auf Systemebene auf einen Serienlichtbogenfehler, der außerhalb eines Knotenstapels in einer elektrischen Verbindung zwischen Knotenstapeln oder in einer elektrischen Verbindung zwischen den Knotenstapeln und einer Last auftritt. Jeder Stapel enthält einen oder mehrere Knoten, und die Stapelspannung für einen Stapel ist eine Summe der gemessenen Spannungen der Knoten des Stapels. Alternativ ist die Stapelspannung eine gemessene Spannung über dem Stapel, wie oben mit Bezug auf die 5A-5B beschrieben. Die Stapel-Spannungen können lokal an Stapel-Controllern (nicht dargestellt) der einzelnen Stapels summiert und an einen Host-Controller gemeldet werden, oder alternativ können die Knotenspannungen an den einzelnen Stapels an einen Host-Controller (nicht dargestellt) gemeldet werden, der die von den einzelnen Stapels empfangenen Knotenspannungen summiert, um die einzelnen Stapel-Spannungen zu bestimmen. Die Stapelspannungen und eine Lastspannung werden an einem Host-Controller (nicht dargestellt) verglichen. Das System 600 umfasst mehrere BMS-Stapels, Stapel1, Stapel2, Stapel3, die über ein Leiternetzwerk 602 mit einer elektrischen Last 604 parallel gekoppelt sind. Um eine unnötige Komplexität der Darstellung zu vermeiden und die Anschaulichkeit der Erklärung zu fördern, wird auf Details der Stapels verzichtet. Es wird jedoch deutlich, dass ein Beispielsystem 600 eine Topologie wie die des Systems 200 aus 2 haben kann. Während des Normalbetriebs, dargestellt durch 6A, wenn kein Serienlichtbogenfehler vorliegt, haben die Stapels übereinstimmende Stapelspannungen, die mit einer Spannung VL über der Last übereinstimmen: VLAST = VSTAPEL 1 = VSTAPEL 2 = … = VSTAPELN
    Figure DE102021115752B4_0003
  • Ein Lichtbogenfehler in Serie mit einem der Stapels führt jedoch zu einem Spannungsmesswert, der sich von den Spannungen über den anderen Stapels und von der Spannung VL über der Last unterscheidet (höher oder niedriger). Wenn zum Beispiel, wie in 6B dargestellt, ein SerienLichtbogenfehler VLICHTBOGEN in Serie mit Stapel2 auftritt, dann, VLAST = VSTAPEL 1 = [ VSTAPEL 2 + VLICHTBOGEN ] … = VSTAPELN
    Figure DE102021115752B4_0004
  • In diesem anschaulichen Beispiel führt ein Lichtbogenfehler auf Systemebene mit einer Spannung VLICHTBOGEN über einem Stapel dazu, dass eine über Stapel2 gemessene Spannung, VSTAPEL2, niedriger ist als die anderen Stapel-Spannungen und die Lastspannung, VLAST. Der Lichtbogen kann z. B. in einer Leitung selbst oder in den Verbindungen von einer Leitung zum Stapel oder von einer Leitung zum Bus sein. Für den Fall, dass eine der Stapel-Spannungen nicht mit den anderen Stapel-Spannungen übereinstimmt, kann der Host-Controller feststellen, dass ein Serienlichtbogenfehler auf Systemebene an diesem nicht übereinstimmenden Stapel aufgetreten ist. In diesem Beispiel ist der Host-Controller so konfiguriert, dass er den Ort des Lichtbogens als in einer elektrischen Verbindung zwischen Stapel2 liegend identifiziert, basierend auf einer Bestimmung am Host, dass die Spannung über Stapel2 nicht mit den Spannungen der anderen Stapels und nicht mit einer Lastspannung, VLAST, übereinstimmt. In einem Beispielsystem kann ein Host-Controller (nicht dargestellt) einen Befehl an den Stapel-Controller (nicht dargestellt) des nicht übereinstimmenden Stapels senden, um diesen Stapel zu veranlassen, die Knoten des Stapels so zu steuern, dass beispielsweise der Lichtbogen gelöscht wird, während die anderen Stapels in Betrieb bleiben. Zu den Abschwächungstechniken kann es gehören, den Stapel in einen Abschaltzustand oder einen sicheren Zustand mit geringer Leistung zu versetzen, während optional die Zellen entladen werden, um beispielsweise die Sicherheit zu verbessern. In einem Beispiel können die Batterien 104 von den Knoten isoliert werden, wobei die Knotenausgänge erdfrei sind, um den Strompfad für den Serienlichtbogen zu löschen. Darüber hinaus können alternativ z. B. die Knoten des Fehlanpassungsstapels in einen sicheren Modus überführt werden, in dem Techniker eine sicherere, weiter unten erläuterte Fehlersuche durchführen können, um die Quelle des Serienlichtbogenfehlers auf Systemebene zu lokalisieren.
  • 6C ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren 650 zum Erkennen und Reagieren auf die Serienlichtbogen-Fehlerspannung auf Systemebene von 6B darstellt. Die Codeanweisungen CAD1 und CAD2 werden verwendet, um die Stapel-Controller (nicht dargestellt) und einen Host-Controller (nicht dargestellt) des Systems 600 der 6A-6B so zu konfigurieren, dass sie zusammenarbeiten, um das Verfahren der 6C durchzuführen. In Schritt 652 werden Messungen der Knotenspannungen für jeden Knoten jedes Stapels, Stapel1, Stapel2, Stapel3, durchgeführt. Ein Beispielschritt 652 kann das erste Verfahren 350 beinhalten. Ein alternativer Beispielschritt 652 kann die zweite Methode 360 beinhalten. In Schritt 654 wird eine Summierung der gemessenen Spannungen für jeden Stapel bestimmt, um die Stapelspannungen VSTAPEL1, VSTAPEL2, VSTAPEL3 für die Stapel zu ermitteln. In einer alternativen Ausführungsform werden die Schritte 652 und 654 durch einen Schritt ersetzt, in dem die jeweiligen gemessenen Stapelspannungen für jeden Stapel ermittelt werden. In Schritt 655 wird eine Lastspannung VL synchron mit den Stapelspannungsmessungen gemessen.
  • In einigen Ausführungsformen werden die in den Schritten 654 und 655 erhaltenen Spannungsmessungen gefiltert, z. B. durch Verwendung eines oder mehrerer Tiefpassfilter, um das von der Leistungsumwandlungsschaltung eingespeiste Rauschen und die zugehörigen Oberschwingungen zu entfernen, die andernfalls die Lichtbogenfehlererkennung stören könnten. In bestimmten Ausführungsformen haben ein oder mehrere Tiefpassfilter, die zum Filtern gemessener Lastspannungswerte verwendet werden, im Wesentlichen dieselbe Bandbreite wie ein oder mehrere Tiefpassfilter, die zum Filtern von Stapelspannungsmessungen und/oder Knotenspannungsmessungen verwendet werden. In diesem Dokument wird davon ausgegangen, dass ein erster und ein zweiter Tiefpassfilter im Wesentlichen die gleiche Bandbreite haben, wenn sich eine Bandbreite des ersten Tiefpassfilters von einer Bandbreite des zweiten Tiefpassfilters um nicht mehr als zehn Prozent unterscheidet.
  • Entscheidungsschritt 656 bestimmt, ob die Stapelspannungen miteinander übereinstimmen und mit der Lastspannung übereinstimmen. In einigen Ausführungsformen werden zumindest einige der in Entscheidungsschritt 656 berücksichtigten Spannungen gefiltert, um ein gewünschtes Lichtbogen-Erkennungsprofil zu erreichen, z. B. in analoger Weise wie oben in Bezug auf Schritt 556 von 5B beschrieben. Schritt 658 bestimmt, dass es keinen Serienlichtbogen auf Systemebene gibt, als Reaktion auf die Feststellung, dass alle Stapelspannungen miteinander übereinstimmen und mit der Lastspannung übereinstimmen. Entscheidungsschritt 660 bestimmt, ob eine einzelne Stapel-Spannung nicht mit den anderen Stapel-Spannungen übereinstimmt. Schritt 662, als Reaktion auf einen Serienlichtbogenfehler auf Systemebene werden die Knoten so gesteuert, dass der Lichtbogen sicher gelöscht wird. Dies kann die Isolierung aller Energiespeicherzellen umfassen, die Strom in den Lichtbogen einspeisen können, während die gewünschte Knotenausgangscharakteristik (erdfrei, kurzgeschlossen, Zustand mit geringer Leistung oder mit Leistungsbegrenzung) und je nach Bedarf mit oder ohne Notentladung der Zellen bereitgestellt wird. In Schritt 664 wird jeder der Knoten jedes Stapels von allen anderen Stapeln und von der Last elektrisch isoliert, wenn festgestellt wird, dass mehr als eine einzelne Stapelspannung nicht mit den anderen Stapelspannungen übereinstimmt oder dass die Lastspannung nicht mit den Stapelspannungen übereinstimmt. Das Verfahren 650 wiederholt sich periodisch. Während des aktiven Fehlermanagements in einem Beispielsystem 600 wird das Verfahren 650 z. B. mehrmals pro Sekunde, alle paar Sekunden oder alle paar Minuten wiederholt. Alternativ kann das Verfahren 650 auch weniger häufig wiederholt werden, etwa einmal pro Tag beim Einschalten, um die Computerressourcen nicht übermäßig zu belasten.
  • In einigen Ausführungsformen führen die Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 die beiden Verfahren 550 und 650 entweder nacheinander oder gleichzeitig aus, um eine hierLichtbogenhische Serienlichtbogenfehlererkennung zu erreichen. Genauer gesagt führen die Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 das Verfahren 550 durch, um eine erste Ebene der Serienlichtbogenfehlererkennung zu realisieren, d. h. eine Serienlichtbogenfehlererkennung auf Stapel-Ebene, um einen Serienlichtbogenfehler innerhalb eines Stapels zu erkennen. Zusätzlich führen die Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 das Verfahren 650 durch, um eine zweite Ebene der Serienlichtbogenfehlererkennung zu realisieren, d. h. eine Serienlichtbogenfehlererkennung auf Systemebene, um einen Serienlichtbogenfehler außerhalb der Stapels zu erkennen. Folglich sind diese Ausführungsformen vorteilhafterweise in der Lage, einen Serienlichtbogenfehler an einem beliebigen Ort im Energiespeichersystem 200 zu erkennen, d. h. sowohl innerhalb der Stapels als auch außerhalb der Stapels. Zusätzlich teilen sich die Methoden 550 und 650 optional gemessene Stapel-Spannungswerte und/oder gemessene Knotenspannungswerte, was dazu beiträgt, die Anforderungen an die Messwerterfassung und -verarbeitung zu minimieren. Darüber hinaus könnte das Konzept der hierLichtbogenhischen Serien-Lichtbogenfehlererkennung um zusätzliche Ebenen erweitert werden. Beispielsweise wird in einigen alternativen Ausführungsformen, bei denen die Stapels mehrere Module umfassen, die Serienlichtbogenfehlererkennung auf Modulebene sowie auf der oben erwähnten Stapel-Ebene und der Systemebene durchgeführt, um eine hierLichtbogenhische Serienlichtbogenfehlererkennung zu erreichen.
  • Parallele Störlichtbogen-Erkennung auf Stapel-Ebene
  • 7A ist ein illustratives Diagramm eines Beispiel-BMS-Stapels 700 mit mehreren Knoten N1-NN, das das Auftreten eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Stapelebene innerhalb des Stapels zeigt. Um eine unnötige Komplexität der Darstellung zu vermeiden und die Anschaulichkeit der Erklärung zu fördern, werden Details des Stapels 700 weggelassen. Es wird jedoch deutlich, dass ein Beispielstapel 700 eine Topologie wie z. B. die des Stapels S1 in 2 haben kann. Wie hierin verwendet, bezieht sich ein paralleler Lichtbogenfehler auf der Ebene des Stapels auf einen Lichtbogen von einem Punkt innerhalb des Stapels zu einem anderen Punkt innerhalb des Stapels oder zur elektrischen Masse. Der Stapel 700 ist parallel mit einer elektrischen Last 704 gekoppelt. Jeder Knoten N1-NN erzeugt einen entsprechenden Knotenausgangsstrom II-IN. Die in Serie geschalteten Knoten sind über ein Leiternetzwerk 702 parallel zur Last 704 gekoppelt. Im Normalbetrieb, wenn kein paralleler Lichtbogenfehler innerhalb des Stapels 700 auftritt, stimmt eine Summe der Ströme innerhalb der Stapel I1-IN überein. ISTAPEL = I 1 = I 2 = I 3 = … = IN
    Figure DE102021115752B4_0005
  • Ein paralleler Störlichtbogenstrom innerhalb des Stapels 700 führt jedoch zu einem parallelen Störlichtbogenstrom ILICHTBOGEN, der sich zu einigen der Ströme innerhalb des Stapels addieren oder von ihnen subtrahieren kann. Bei Erdungsfehlern und parallelen Lichtbogenfehlern innerhalb eines Stapels führt der Lichtbogenfehlerstrom ILICHTBOGEN dazu, dass die Knotenströme nicht mehr gleich sind. Wenn zum Beispiel ein anhaltender paralleler Lichtbogenfehler ILICHTBOGEN zwischen den Knoten N2 und N3 auftritt, dann, I 1 = I 2 ≠ I 3 = … = IN ,
    Figure DE102021115752B4_0006
    und ISTAPEL = IN = I 3 = I 2 + ILICHTBOGEN = I 1 + ILICHTBOGEN
    Figure DE102021115752B4_0007
  • Es ist klar, dass die Richtung eines Störlichtbogenstroms variieren kann und daher Strom zu den Knoten addieren oder von ihnen abziehen kann; das obige illustrative Beispiel geht von einer Addition des Störlichtbogens aus. In diesem anschaulichen Beispiel bewirkt also das Auftreten eines Parallelstromfehlers ILICHTBOGEN auf Stapelebene, dass der Strom durch mindestens einen der Knoten nicht mit dem Strom durch andere Knoten übereinstimmt.
  • Die Position eines Knotens innerhalb eines Stapels bei einem parallelen Lichtbogenfehler auf Stapelebene wird durch einen Lichtbogenfehler-Lokalisierungsprozess bestimmt, der die Schritte des Vergleichs der Ströme einer Sequenz von benachbarten Knoten innerhalb des Stapels umfasst. Die Stapelsteuerung eines Stapels ist so konfiguriert, dass sie einen Lichtbogenfehlerortungsprozess durchführt, der bestimmt, ob der Strom in benachbarten Knotenpaaren übereinstimmt. Der Prozess identifiziert einen Knoten, bei dem der Strom innerhalb des Knotens nicht mit dem Strom in einem an diesen Knoten angrenzenden Knoten übereinstimmt. Ein Knotenort in einer Folge von Knoten, bei dem sich der Strom von einer Übereinstimmung mit dem Strom seiner benachbarten Knoten zu einer Nichtübereinstimmung mit mindestens einem seiner benachbarten Knoten ändert, wird als Knotenort eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Stapelebene bestimmt. Daher wird der Ort eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Stapelebene innerhalb des Stapels bestimmt, indem festgestellt wird, an welcher Stelle im Stapel sich der Strom ändert. In 7A ist beispielsweise 11=12 und I3=I4=...=IN. Allerdings ist 12 = 13 + ILICHTBOGEN. In diesem Beispiel fließt ein zusätzlicher Strom von der Verbindung zwischen N2 und N3 zu einem anderen Punkt im Stapel, und es wird festgestellt, dass ein Lichtbogen entweder am Knoten N2 oder am Knoten N3 auftritt.
  • Auf diese Weise kann der Ort des parallelen Stroms an einem Punkt im Knotenstapel bestimmt werden, an dem eine Unterbrechung des Serienstroms auftritt, d. h. an dem sich die Stromstärke ändert, z. B. im Beispiel an einer Verbindungsstelle zwischen Knoten N2 und Knoten N3. Der Prozess der Störlichtbogenortung kann z. B. von einem Wartungstechniker verwendet werden, um den Fehler schneller zu lokalisieren und zu reparieren. In einem Beispielsystem kann der Stapel-Controller des Stapels einen Befehl an die Knoten des Stapels senden, ihre Batteriegeräte zu isolieren und dadurch die Knoten spannungsfrei zu schalten und den Lichtbogen zu löschen. Darüber hinaus kann alternativ eine Teilmenge der Knoten des Stapels 700 in einen sicheren Modus überführt werden, in dem Techniker eine sicherere Fehlersuche durchführen können, um die Quelle des parallelen Lichtbogenfehlers auf Stapelebene zu lokalisieren. 7B ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren 750 zur Erkennung und Reaktion auf einen parallelen Lichtbogenfehlerstrom auf Stapelebene innerhalb des Stapels aus 7A darstellt. Die Codeanweisungen CAD1 und CAD2 werden verwendet, um einen Stapel-Controller (nicht dargestellt) und einen Host-Controller (nicht dargestellt) zu konfigurieren, die mit dem Stapel von 7A verbunden sind, um das Verfahren von 7B durchzuführen. In Schritt 752 werden Knotenstrommessungen für jeden Knoten des Stapels erhalten. Zum Beispiel wird der Strom an jedem DC-DC 106-Wandler gemessen. Ein Beispielschritt 752 kann das erste Verfahren 350 von 3A beinhalten, was dazu führt, dass Knotenströme erhalten werden, die über Knoten mit einem Messbefehlssignal synchronisiert werden. Ein alternativer Beispielschritt 752 kann das zweite Verfahren 360 aus 3B beinhalten, was zum Erhalt von Knotenströmen führt, die Messungen enthalten, die in ein synchronisiertes Zeitfenster oder zu einer synchronisierten Zeit fallen.
  • In einigen Ausführungsformen werden die Knotenströme geschätzt, anstatt direkt gemessen zu werden. Zum Beispiel kann der gemessene Strom der Batterie 104 durch ein Übersetzungsverhältnis eines entsprechenden DC-DC-Wandlers 106 skaliert werden, um den geschätzten Knotenstrom zu erhalten. Der Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers 106 kann bei der Bestimmung des geschätzten Knotenstroms berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der Schätzung zu verbessern. In einigen Ausführungsformen werden die in Schritt 752 erhaltenen Knotenstrommessungen gefiltert, z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer Tiefpassfilter, um das von der Leistungsumwandlungsschaltung eingespeiste Rauschen und die zugehörigen Oberschwingungen zu entfernen, die andernfalls die Lichtbogenfehlererkennung stören könnten.
  • Entscheidungsschritt 754 bestimmt, ob alle gemessenen Knotenströme übereinstimmen. In einem Beispielstapel 700 wird die Feststellung der Nichtübereinstimmung als Reaktion auf einen Unterschied von einem Prozent (1 %) oder mehr, von zwei Prozent (2 %) oder mehr oder sogar von fünf Prozent (5 %) oder mehr für eine Dauer von bis zu einer Sekunde oder mehr getroffen. Aktuelle Messungen sind oft nicht genauer als ein Prozent (1%) oder so, obwohl sich die Messgenauigkeit durch den Einsatz von Präzisionsgeräten oder neuer Technologie verbessern kann. Zusätzlich kann der dynamische Betrieb des Knotens eine Diskrepanz bei den Knotenströmen verursachen. Ansonsten sollten diese Ströme sehr gut übereinstimmen. Es wird also deutlich, dass wir mit anderen Worten einfach einen „Messfehler“ vermeiden, indem wir einen Fehler von einem Prozent (1 %), zwei Prozent (2 %) oder fünf Prozent (5 %) festlegen. In Schritt 756 wird als Reaktion auf die Feststellung, dass nicht alle gemessenen Knotenströme übereinstimmen, ein Stapel-Level-Parallellichtbogenfehler erklärt. In einigen anderen Ausführungsformen wird im Entscheidungsschritt 754 nur dann festgestellt, dass eine Fehlanpassung der Knotenströme vorliegt, wenn die Fehlanpassung für eine vorgegebene Zeitspanne oder eine vorgegebene Anzahl von Messzyklen andauert.
  • In einigen Ausführungsformen werden zumindest einige der in Schritt 754 berücksichtigten Ströme gefiltert, um ein gewünschtes Lichtbogenfehler-Erkennungsprofil zu erreichen. Beispielsweise wird in bestimmten Ausführungsformen (a) ein Fehlerwert, der gleich einer Differenz zwischen Knotenströmen ist, bestimmt, (b) der Fehlerwert wird durch einen Tiefpassfilter gefiltert, und (c) ein paralleler Lichtbogenfehler auf Stapel-Ebene wird als Reaktion auf den gefilterten Fehlerwert, der einen vorgeschriebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, in Schritt 754 erkannt. Der Tiefpassfilter gewichtet das Lichtbogenfehler-Erkennungsprofil, indem er die erforderliche Größe oder Dauer eines Lichtbogenfehlerstroms für die Erkennung in Schritt 754 erhöht.
  • In Schritt 758 werden als Reaktion auf die Erklärung eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Stapelebene die Isolationsschalter (nicht dargestellt) der Knoten so gesteuert, dass der Lichtbogen sicher gelöscht wird. Dies kann die Isolierung aller Batterien einschließen, die Strom in den Lichtbogen einspeisen können, während die gewünschte Knotenausgangscharakteristik (schwebender, kurzgeschlossener, stromsparender oder strombegrenzter Zustand) und je nach Bedarf mit oder ohne Notentladung der Zellen bereitgestellt wird. In Schritt 760 wird als Reaktion auf die Feststellung, dass die gemessenen Knotenströme des Stapels alle miteinander übereinstimmen, festgestellt, dass kein paralleler Lichtbogenfehler auf Stapelebene vorliegt.
  • Parallele Lichtbogen-Fehlererkennung auf Systemebene
  • 8A ist ein illustratives Diagramm eines Beispiel-Energiespeichersystems 800 während des Normalbetriebs ohne Auftreten von Lichtbogenfehlern. 8B ist ein anschauliches Diagramm des beispielhaften Energiespeichersystems 800 aus 8A während des Auftretens eines parallelen Lichtbogenfehlers auf Systemebene. Ein paralleler Lichtbogenfehler tritt aufgrund eines unbeabsichtigten Strompfads zwischen Leitern eines beabsichtigten Strompfads auf. Wie hierin verwendet, bezieht sich ein paralleler Lichtbogen auf Systemebene auf einen Lichtbogen von einem Punkt außerhalb des Stapels zu einem anderen Punkt außerhalb des Stapels, am häufigsten zur elektrischen Erde - manchmal auch als Erdschluss bezeichnet. Das System 800 umfasst mehrere BMS-Stapels, Stapel1, Stapel2, Stapel3, die über ein Leiternetzwerk 802 mit einer elektrischen Last 804 parallel gekoppelt sind. Um eine unnötige Komplexität der Darstellung zu vermeiden und die Anschaulichkeit der Erklärung zu fördern, werden Details der Stapels weggelassen. Es wird jedoch deutlich, dass ein Beispielsystem 800 eine Topologie wie beispielsweise die des Systems 200 aus 2 haben kann. Während des normalen Betriebs, dargestellt durch 8A, wenn kein paralleler Lichtbogenfehler auf Systemebene auftritt, ist die Summe der Ströme durch die einzelnen Stapels gleich dem Strom durch die Last: ILAST = ISTAPEL 1 + ISTAPEL 2 + … + ISTAPELN
    Figure DE102021115752B4_0008
  • Die Bestimmung der einzelnen Stapelstromwerte kann innerhalb von Stapelreglern (nicht dargestellt) erfolgen, z. B. mit dem Verfahren 350 aus 3A oder dem Verfahren 360 aus 3B. Zusätzlich können die Stapelströme geschätzt werden, z. B. aus einem Mittelwert oder Medianwert der einzelnen Knotenströme. Ein paralleler Lichtbogenfehler auf Systemebene fügt jedoch einen Parallelstrom hinzu, der dazu führt, dass die Summe der einzelnen Stapelströme nicht gleich dem Strom durch die Last ist. Wenn z. B., wie in 8B dargestellt, ein anhaltender paralleler Lichtbogenfehler ILICHTBOGEN1 in Stapel1 auftritt, dann, ILAST = [ ISTAPEL 1 + ILICHTBOGEN 1 ] + ISTAPEL 2 + … + ISTAPELN
    Figure DE102021115752B4_0009
  • In diesem anschaulichen Beispiel führt das Auftreten eines Parallelstromfehlers ILICHTBOGEN auf Systemebene dazu, dass der Laststrom IL nicht mit der Summe der Ströme durch die Stapels übereinstimmt.
  • 8C ist ein illustratives Flussdiagramm, das ein Verfahren 850 zur Erkennung und Reaktion auf einen parallelen Lichtbogenfehlerstrom auf Systemebene darstellt. Die Codeanweisungen CAD1 und CAD2 werden verwendet, um Stapel-Controller (nicht dargestellt) und einen Host-Controller (nicht dargestellt) des Systems der 8A-8B zu konfigurieren, um das Verfahren der 8C durchzuführen. In Schritt 852 werden die aktuellen Stapelwertströme ISTAPEL1, ... ISTAPELN für jeden Stapel bestimmt werden. Jeder Stapelstrom wird z. B. gemäß Schritt 752 von 7B bestimmt. In Schritt 854 wird synchron zu den Stapelstrommessungen ein Laststrom IL gemessen.
  • In einigen Ausführungsformen werden die in den Schritten 852 und 854 erhaltenen Strommessungen gefiltert, z. B. durch Verwendung eines oder mehrerer Tiefpassfilter, um das von der Leistungsumwandlungsschaltung eingespeiste Rauschen und die zugehörigen Oberschwingungen zu entfernen, die andernfalls die Lichtbogenfehlererkennung stören könnten. In bestimmten Ausführungsformen haben ein oder mehrere Tiefpassfilter, die zum Filtern gemessener Laststromwerte verwendet werden, im Wesentlichen die gleiche Bandbreite wie ein oder mehrere Tiefpassfilter, die zum Filtern von Stapelstrommessungen und/oder Knotenstrommessungen verwendet werden.
  • Entscheidungsschritt 856 bestimmt, ob eine Summierung der gemessenen Stapelströme gleich dem Laststrom ist. Die Stapelströme werden an den einzelnen Stapeln gemessen und die Stapelstrommessungen werden zur Summierung und zum Vergleich mit dem Laststrom an den Host-Controller 212 übermittelt. In einigen Ausführungsformen werden zumindest einige der im Entscheidungsschritt 856 berücksichtigten Ströme gefiltert, um ein gewünschtes Störlichtbogenerkennungsprofil zu erhalten, z. B. in einer Weise, die der oben in Bezug auf Schritt 754 von 7B beschriebenen entspricht.
  • Wieder Bezug nehmend auf 8C wird in Schritt 858 ein paralleler Lichtbogenfehler auf Systemebene als Reaktion auf die Feststellung erklärt, dass die Summe der Stapelströme nicht dem Laststrom entspricht. In einem Beispielsystem 800 wird eine Bestimmung der Nichtübereinstimmung als Reaktion auf eine einprozentige (1 %) oder größere, eine zweiprozentige (2 %) oder größere oder sogar eine fünfprozentige (5 %) oder größere Differenz für eine Dauer von bis zu einer Sekunde oder mehr erreicht. In Schritt 860 werden die Isolationsschalter (nicht dargestellt) der Knoten so gesteuert, dass der Lichtbogen sicher gelöscht wird. Dies kann die Isolierung aller Energiespeicherzellen umfassen, die Strom in den Lichtbogen einspeisen können, während die gewünschte Knotenausgangscharakteristik (schwebender, kurzgeschlossener, leistungsarmer oder leistungsbegrenzter Zustand) und je nach Bedarf mit oder ohne Notentladung der Zellen bereitgestellt wird. In Schritt 862 wird festgestellt, dass kein paralleler Lichtbogenfehler auf Systemebene vorliegt, wenn festgestellt wird, dass die Summe der Stapelströme gleich dem Laststrom ist. Das Verfahren 850 wiederholt sich periodisch. Während des aktiven Fehlermanagements in einem Beispielsystem 800 wird das Verfahren 850 z. B. mehrmals pro Sekunde, alle paar Sekunden oder alle paar Minuten wiederholt. Alternativ kann das Verfahren 850 auch weniger häufig wiederholt werden, etwa einmal pro Tag, um die Computerressourcen nicht zu sehr zu belasten.
  • In einigen Ausführungsformen führen die Stapelsteuerungen 210 und/oder die Host-Steuerung 212 beide Verfahren 750 und 850 entweder nacheinander oder gleichzeitig aus, um eine hierLichtbogenhische parallele Lichtbogenfehlererkennung zu erreichen. Genauer gesagt führen die Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 das Verfahren 750 aus, um eine erste Ebene der parallelen Lichtbogenfehlererkennung zu realisieren, d. h. eine parallele Lichtbogenfehlererkennung auf Stapel-Ebene, um einen parallelen Lichtbogenfehler innerhalb eines Stapels zu erkennen. Zusätzlich führen die Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 das Verfahren 850 durch, um eine zweite Ebene der parallelen Lichtbogenfehlererkennung zu realisieren, d. h. eine Serienparallelfehlererkennung auf Systemebene, um einen parallelen Lichtbogenfehler außerhalb der Stapels zu erkennen. Folglich sind diese Ausführungsformen vorteilhafterweise in der Lage, einen parallelen Lichtbogenfehler an einem beliebigen Ort im System zu erkennen, d. h. sowohl innerhalb der Stapels als auch außerhalb der Stapels. Darüber hinaus teilen sich die Methoden 750 und 850 optional die gemessenen Stapelstromwerte, was dazu beiträgt, die Anforderungen an die Messwerterfassung und -verarbeitung zu minimieren. Darüber hinaus könnte das Konzept der hierLichtbogenhischen Serien-Lichtbogenfehlererkennung auf zusätzliche Ebenen erweitert werden, analog zu dem, was oben in Bezug auf 6C diskutiert wurde.
  • Betriebs-, Bypass-, Schwebe- und sichere Betriebsmodi
  • Die 9A, 9B, 9C, 9D sind illustrative Zeichnungen, die einen Beispiel-BMS-Stapel 900 in einem Betriebsmodus (9A), einem überbrückten Modus (9B), einem schwebenden Modus (9C) und einem sicheren Modus (9D) darstellen. Jeder Knoten in den 9A, 9B, 9C, 9D umfasst eine Batterie 104, einen DC-DC-Wandler 106, einen Isolationsschalter 256 und einen Knotenausgangskurzschlussschalter 257. Jeder Knoten kann (und wird typischerweise) zusätzliche Elemente enthalten, wie z. B. diejenigen, die oben in Bezug auf 1 besprochen wurden, aber diese zusätzlichen Elemente sind in den 9A, 9B, 9C und 9D zur Veranschaulichung nicht dargestellt. In einem Betriebsmodus, der in 9A dargestellt ist, sind die Trennschalter 256 des Beispielstapels 900 geschlossen, um die jeweiligen Batterien 104 mit den jeweiligen Gleichspannungswandlern 106 innerhalb der Knoten N1 bis NN zu verbinden, die die jeweiligen Spannungen der Batterie 104 in die jeweiligen Knotenausgangsspannungen V1,...VN an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 2601-260N umwandeln. Die seriell verbundenen Ausgangsspannungen der Knoten N1-NN des Stapels liefern gemeinsam eine Stapelausgangsspannung, VSTAPEL, die einer Summierung der Knotenausgangsspannungen des Stapels entspricht: VSTAPEL = V 1 + V 2 + … + VN
    Figure DE102021115752B4_0010
  • In einem überbrückten Modus, der in 9B dargestellt ist, sind die Isolationsschalter 256 der Knoten des Beispielstapels geöffnet, um jede Batterie 1041 - 104N von den jeweiligen Gleichspannungswandlern 106 innerhalb der Knoten N1 bis NN elektrisch zu entkoppeln und zu isolieren, und die Knotenausgangskurzschlussschalter 257 sind geschlossen, so dass jeder Knoten eine Knotenausgangsspannung von 0 V liefert. Infolgedessen liefern die Knoten des Stapels gemeinsam eine Stapelausgangsspannung VSTAPEL = 0 V.
  • In einem erdfreien Modus, wie in 9C dargestellt, sind die Isolationsschalter 256 der Knoten des Beispielstapels geöffnet, um jede Batterie 1041 - 104N von den jeweiligen DC-DC-Wandlern 106 innerhalb der Knoten N1 bis NN elektrisch zu entkoppeln und zu isolieren, und die Schalter 257 sind geöffnet (oder nicht vorhanden), so dass die Ausgangsspannungen der Knoten N1 bis NN nicht mit der Erde gekoppelt sind, sondern erdfrei sind. Ein erdfreier Modus ist eine bevorzugte Reaktion z. B. auf einen Serienlichtbogenfehler auf Systemebene, da der erdfreie Modus einen Strompfad für einen Lichtbogen eliminiert, aber immer noch ein Spannungsabfall über dem Stapel vorhanden ist. Im erdfreien Modus ist der Stapel hochohmig und die Spannung über dem Stapel wird durch seine Last bestimmt. Alternativ umfassen einige Ausführungsformen außerdem einen Soft-Shorting-Schalter 259 und einen Widerstand 261 (in 9C nicht dargestellt), die elektrisch in Serie über den Ausgangsanschluss 260 jedes Knotens geschaltet sind, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben. In diesen Ausführungsformen ist der Soft-Shorting-Schalter 259 während des Schwebemodus geschlossen, um eine kontrollierte Impedanz über den Stapel 900 bereitzustellen. Die gesteuerte Impedanz wird z. B. durch die Summe der Widerstandswerte der Widerstände 261 bestimmt.
  • Im sicheren Modus, der in 9D dargestellt ist, sind die Isolationsschalter 256 einer ersten Untergruppe von Knoten des Beispielstapels geschlossen, um die Batterien 104 mit den jeweiligen Gleichspannungswandlern 106 zu koppeln, die die Batteriespannung in eine Knotenausgangsspannung umwandeln. In einer zweiten Untergruppe von Knoten des Beispielstapels sind die Isolationsschalter 256 geöffnet, um die Batterien 104 von den jeweiligen Gleichspannungswandlern 106 und den zugehörigen Knotenausgangsanschlüssen 260 zu isolieren. Zusätzlich sind die Schalter 257 der zweiten Untergruppe von Knoten geschlossen, so dass jeder Knoten der zweiten Untergruppe umgangen wird. Die Anzahl der Knoten innerhalb der ersten und zweiten Teilmenge ist so gewählt, dass die Knoten der ersten Teilmenge gemeinsam eine Ausgangsspannung, einen Strom und eine Leistung liefern, die auf sichere Werte begrenzt sind, während die Knoten der zweiten Teilmenge umgangen werden. In einem Beispiel-Energiespeichersystem sind typische sichere Werte beispielsweise 30 V, 8 A und 240 W. In der in 9D gezeigten Beispielschalterkonfiguration befinden sich die Knoten N1 und NN in der ersten Teilmenge mit geschlossenen Trennschaltern 256, um ihre zugehörigen Batterien 1041 und 104N mit ihren jeweiligen Gleichspannungswandlern 106 zu koppeln, und die Knoten N2 und N3 befinden sich in der zweiten Teilmenge mit offenen Trennschaltern 256, um ihre zugehörigen Batterien 1042 und 1043 von ihren jeweiligen Gleichspannungswandlern 106 zu trennen. Jeder Knoten ist entweder Mitglied der ersten Untergruppe oder der zweiten Untergruppe, wenn der Stapel 900 in seinem sicheren Modus arbeitet.
  • In einem Beispielknoten wird der DC-DC-Wandler 106 durch eine Aufwärtswandlerschaltung verkörpert, die im Folgenden mit Bezug auf 11 beschrieben wird und die eine Spannung der Batterie 104 erhöht, um eine Ausgangsknoten-Ausgangsspannung zu erzeugen, die größer ist als der Spannungspegel der Batterie 104. Beispielsweise enthält in einem Beispiel-BMS-Stapel 900 jeder Knoten eine Batterie 104, die eine Spannung von 4 V bereitstellt und einen Aufwärtswandler enthält, der die Spannung nominell auf 5 V aufhebt. Darüber hinaus umfasst ein Beispielstapel 900 zweihundert Knoten, so dass die Gesamtspannung über den Stapel in einem normalen Betriebsmodus 1.000 V beträgt (9A). Um einen sicheren Ausgangsspannungspegel von 30 V über dem Stapel 900 während des sicheren Modus (9D) zu erreichen, werden die Isolationsschalter 256 einer ersten Teilmenge, die sechs Knoten umfasst, geschlossen und die Isolationsschalter 256 einer zweiten Teilmenge von Knoten, die die restlichen einhundertvierundneunzig umfasst, geöffnet. Während sich der Stapel 900 im sicheren Modus befindet, kann die Knotenzugehörigkeit in der ersten und zweiten Teilmenge geändert werden. Während eines ersten Zeitintervalls können z. B. die Knoten N1-N6 (nicht alle dargestellt) als Mitglieder der ersten Teilmenge und die restlichen Knoten als Mitglieder der zweiten Teilmenge ausgewählt werden. Während eines zweiten Zeitintervalls können z. B. die Knoten N7-N12 (nicht dargestellt) als Mitglieder der ersten Teilmenge ausgewählt werden und die verbleibenden Knoten können als Mitglieder der zweiten Teilmenge ausgewählt werden; während eines dritten Zeitintervalls können die Knoten N13-N18 (nicht dargestellt) als Mitglieder der ersten Teilmenge ausgewählt werden und die verbleibenden Knoten können als Mitglieder der zweiten Teilmenge ausgewählt werden; usw. In einigen Ausführungsformen wird die Knotenzugehörigkeit periodisch oder als Reaktion auf ein Signal zur Änderung der Stapel-Spannung oder des Stapel-Stroms oder mehrerer dieser Größen geändert.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist jeder DC-DC-Wandler 106 in der Lage, die Stapel-Spannung zu reduzieren, und der Stapel 900 arbeitet in seinem sicheren Modus, indem er jeden DC-DC-Wandler 106 veranlasst, seine Ausgangsspannung zu reduzieren, so dass VStapel eine sichere Spannung ist. Wenn beispielsweise N gleich 100 ist, so dass es einhundert Knoten gibt, könnte jeder DC-DC-Wandler 106 seine jeweilige Batteriespannung auf eine Knotenspannung von 0,1 Volt im sicheren Modus transformieren, so dass VStapel eine sichere Spannung von zehn Volt ist.
  • Im normalen Betriebsmodus kann der Stapel 900 verwendet werden, um eine vorgeschriebene Spannung bereitzustellen, die erforderlich ist, um eine elektrische Last mit einem normalen Leistungspegel zu versorgen, der z. B. ca. 600 V für ein Batteriespeichersystem in einem US-Wohngebäude und ca. 1000 V-1500 V für eine Anwendung im Versorgungsbereich betragen kann. Im Bypass-Modus wird die Ausgangsspannung jedes Knotens kurzgeschlossen, so dass der gesamte Stapel mit der elektrischen Masse verbunden ist. Alternativ können in einem erdfreien oder offenen Schaltkreismodus alle Knoten erdfrei (d. h. nicht mit der Erde verbunden) oder mit vorgegebenen Impedanzwerten belassen werden. Sowohl der Bypass- als auch der erdfreie Modus können sicher sein, aber da die Knoten funktionsunfähig sind, ist nicht erkennbar, ob einzelne Knoten oder Stapel tatsächlich funktionsfähig (d. h. bereit für den normalen Betrieb) sind. Der sichere Modus ermöglicht es, den Betrieb jedes Knotens zu beobachten, um den ordnungsgemäßen Systembetrieb und die Zusammenschaltung zu bestimmen, während die sicheren Spannungs- und Leistungspegel insgesamt beibehalten werden. Darüber hinaus erleichtert die Rotation aktiver Knoten im sicheren Modus, z. B. durch Änderung der Zugehörigkeit zu den ersten und zweiten Teilmengen, wie oben beschrieben, die schnelle Identifizierung eines nicht funktionierenden Knotens, da der Stapelausgangsspannungsabfall während der Rotation aktiver Knoten ein Anzeichen für einen oder mehrere nicht funktionierende Knoten ist. Dementsprechend ist der sichere Modus besonders nützlich für die Installation und Wartung. Der sichere Modus kann auch bei der Brandbekämpfung von Vorteil sein, da er verhindert, dass ein Feuerwehrmann gefährlich hohen Spannungen und Strömen ausgesetzt wird.
  • 9E ist ein Fehlerreaktions-Zustandsdiagramm 950, das Beispiele dafür zeigt, wie der Beispielstapel 900 der 9A-9D zwischen dem Betriebsmodus, dem Bypass-Modus, dem schwebenden Knoten und dem sicheren Modus übergehen könnte. Die Codeanweisungen CSM1 und CSM2 werden verwendet, um einen Stapel-Controller (nicht dargestellt) und einen Host-Controller (nicht dargestellt) für den Übergang zwischen den Modi zu konfigurieren. Der Zustand 952 ist ein normaler Lade-/Entlademodus, der in einigen Ausführungsformen dem oben in Bezug auf 9A besprochenen Betriebsmodus entspricht. Der Stapel 900 kann vom normalen Lade-/Entlademodus 952 in einen beliebigen Bypass-Modus 954, den schwebenden Modus 956 oder den sicheren Modus 958 übergehen, beispielsweise als Reaktion auf die Erkennung eines Fehlers. Beispiele für solche Fehler sind unter anderem ein Lichtbogenfehler oder der Ausfall eines Kommunikationsteilsystems oder eines anderen Teilsystems des Energiespeichersystems 200. Beispielsweise könnte der Stapel 900 so konfiguriert sein, dass er einen defekten Stapel als Reaktion auf die Erkennung eines Serien-Lichtbogenfehlers in dem defekten Stapel vom normalen Lade-/Entlademodus 952 in den schwebenden Modus 956 überführt, wie z. B. mit dem oben beschriebenen Verfahren 550. Der Betrieb im erdfreien Modus würde den Lichtbogen im defekten Stapel löschen, während die übrigen Stapel weiter betrieben werden können, wodurch die Sicherheit gewährleistet und gleichzeitig die Auswirkungen des Lichtbogenfehlers auf den Systembetrieb minimiert werden. Darüber hinaus könnte das System so konfiguriert werden, dass es alle Stapels aus dem normalen Lade-/Entlademodus 952 in den Bypass-Modus 954, den erdfreien Modus 956 oder den sicheren Modus 958 umschaltet, wenn ein Serienlichtbogenfehler auf Systemebene erkannt wird, wie z. B. mit dem oben beschriebenen Verfahren 650. Jede der Betriebsarten Bypass-Modus 954, Floating-Modus 956 und Safe-Modus 958 würde den Lichtbogen löschen, obwohl das System bis zur Behebung des Systemdefekts nicht betriebsbereit wäre.
  • Darüber hinaus könnte der Stapel 900 so konfiguriert werden, dass er einen defekten Stapel als Reaktion auf die Erkennung eines parallelen Lichtbogenfehlers innerhalb des defekten Stapels vom normalen Lade-/Entlademodus 952 in den erdfreien Modus 956 überführt, wie z. B. mit dem oben beschriebenen Verfahren 750. Der Betrieb im erdfreien Modus würde den Lichtbogen im defekten Stapel löschen, während die verbleibenden Stapels ihren Betrieb fortsetzen können, wodurch die Sicherheit gewährleistet und die Auswirkungen des Lichtbogenfehlers auf den Systembetrieb minimiert werden. Zusätzlich könnte der Stapel den Ort des Lichtbogens in einer Weise identifizieren, wie sie oben in Bezug auf 7A beschrieben wurde, um die Reparatur des defekten Stapels zu beschleunigen. Darüber hinaus könnte das System so konfiguriert werden, dass es alle Stapels aus dem normalen Lade-/Entlademodus 952 in den Bypass-Modus 954, den schwebenden Modus 956 oder den sicheren Modus 958 überführt, wenn ein paralleler Lichtbogenfehler auf Systemebene erkannt wird, z. B. mit dem oben beschriebenen Verfahren 850. Der Bypass-Modus 954, der schwebende Modus 956 oder der sichere Modus 958 würden den Lichtbogen löschen, obwohl das System nicht betriebsbereit wäre, bis der Systemfehler behoben ist. Außerdem könnte der Stapel 900 als Reaktion auf einen Benutzerbefehl vom normalen Lade-/Entlademodus 952 in den Bypass-Modus 954, den schwebenden Modus 956 oder den sicheren Modus 958 übergehen, z. B. als Vorbereitung für die Wartung oder Instandhaltung des Systems, als Reaktion auf einen Notfall (z. B. einen Brand) in der Nähe des Systems oder aus einem anderen Grund.
  • Der Stapel 900 kann auch von einem beliebigen Bypass-Modus 954, dem schwebenden Modus 956 und dem sicheren Modus 958 zurück in den normalen Lade-/Entlademodus 952 übergehen, z. B. wenn festgestellt wird, dass das System sicher frei von Lichtbögen, Kurzschlüssen oder anderen Defekten ist, oder in Reaktion auf einen Benutzerbefehl. Zusätzlich, obwohl in 9E nicht dargestellt, sind einige Ausführungsformen des Stapels 900 in der Lage, von einem beliebigen Bypass-Modus 954, dem schwebenden Modus 956 und dem sicheren Modus 958 in einen beliebigen anderen dieser Modi überzugehen, ohne zuerst in den normalen Lade-/Entlademodus 952 überzugehen.
  • Es sollte gewürdigt werden, dass die vorliegenden Systeme und Verfahren nicht nur die Sicherheit fördern, sondern auch erhebliche zusätzliche Vorteile erzielen. Zum Beispiel ist es in einigen Ausführungsformen nicht notwendig, ein gesamtes Energiespeichersystem als Reaktion auf einen Fehler oder eine andere Anomalie abzuschalten. Stattdessen kann ein problematischer Teil des Energiespeichersystems deaktiviert und/oder vom Rest des Energiespeichersystems isoliert werden, wodurch das Energiespeichersystem weiterhin sicher betrieben werden kann, wenn auch mit reduzierter Kapazität. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine defekte Batterie 104 von den gesunden Batterien 104 isoliert werden, indem ein Isolationsschalter 256 geöffnet wird, und der entsprechende Knoten der Batterie kann durch Schließen eines Knotenausgangskurzschlussschalters 257 überbrückt werden, wodurch das Energiespeichersystem sicher betrieben werden kann, wenn die defekte Batterie 104 von den gesunden Batterien 104 isoliert ist. Zusätzlich wird die defekte Batterie 104 optional sicher entladen, z. B. mit den unten beschriebenen Geräten. Als weiteres Beispiel für die Isolierung eines defekten Energiespeichersystemteils vom übrigen System kann ein defekter Stapel von gesunden Stapeln isoliert werden, indem der defekte Stapel von seinem normalen Lade-/Entlademodus 952 in seinen Schwebemodus 956 überführt wird, so dass der defekte Stapel deaktiviert wird, ohne den Betrieb des gesunden Stapels zu beeinträchtigen. Dementsprechend tragen die vorliegenden Systeme und Verfahren dazu bei, die Ausfallzeiten von Energiespeichersystemen zu minimieren, was die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Energiespeichersystemen fördert, indem der Bedarf an redundanten Energiespeichersystemen reduziert oder sogar eliminiert wird.
  • Darüber hinaus tragen die vorliegenden Systeme und Verfahren vorteilhaft dazu bei, die laufenden Betriebs- und Wartungskosten des Energiespeichersystems zu minimieren, die bei herkömmlichen Energiespeichersystemen bis zu fünf bis zehn Prozent der Gesamtlebenskosten ausmachen können. Beispielsweise ermöglicht der sichere Modus 958, dass ein Teil des Energiespeichersystems oder sogar ein ganzes Energiespeichersystem trotz eines Fehlers oder einer anderen Anomalie in einem Zustand mit geringer Leistung weiter betrieben werden kann. Ein solcher Betrieb mit geringer Leistung kann die Lokalisierung eines Fehlers erheblich erleichtern, da es typischerweise viel einfacher ist, einen Fehler in einem mit Strom versorgten System zu lokalisieren als in einem nicht mit Strom versorgten System. Außerdem können einige Ausführungsformen, wie oben beschrieben, den Ort eines Lichtbogenfehlers in einem Energiespeichersystem identifizieren, was die Fehlerdiagnose und -behebung weiter beschleunigen kann. Darüber hinaus sind einige Ausführungsformen so konfiguriert, dass sie als Reaktion auf das Auftreten eines Fehlers oder einer anderen Anomalie automatisch ein Signal an eine dritte Partei, z. B. an ein Dienstleistungsunternehmen für Energiespeichersysteme, senden. Das Signal kann z. B. den Fehlertyp sowie den Ort des Fehlers identifizieren, wodurch die dritte Partei die Dringlichkeit der Fehlerbehebung und den Bedarf an Ersatzteilen aus der Ferne beurteilen kann, was den effizienten und wirtschaftlichen Betrieb und die Wartung des Energiespeichersystems weiter fördert.
  • Darüber hinaus reduziert die Tatsache, dass ein Energiespeichersystem trotz eines Fehlers weiterhin sicher betrieben werden kann, den Bedarf an außerplanmäßiger Systemwartung und - reparatur, was ebenfalls zur Minimierung der Betriebs- und Wartungskosten beiträgt. Beispielsweise kann eine defekte Batterie in einem herkömmlichen Energiespeichersystem die Abschaltung des gesamten Systems erfordern, wodurch ein dringender Serviceeinsatz notwendig wird, um die defekte Batterie auszutauschen und die Wiederinbetriebnahme des Energiespeichersystems zu ermöglichen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Systeme und Verfahren kann eine defekte Batterie 104 dagegen von den gesunden Batterien 104 isoliert werden, so dass das Energiespeichersystem weiterhin sicher betrieben werden kann, wodurch der Austausch der Batterie bis zu einem regelmäßig geplanten Wartungseinsatz verschoben werden kann.
  • Darüber hinaus können das vorliegende System und die Verfahren aggressivere Sicherheitsmaßnahmen ermöglichen, als dies bei herkömmlichen Energiespeichersystemen praktikabel ist, wodurch die Sicherheit weiter gefördert wird. Insbesondere erfordert die Identifizierung eines Fehlers oder einer anderen Abnormalität in einem herkömmlichen Energiespeichersystem typischerweise, dass das gesamte Energiespeichersystem abgeschaltet wird, wie oben beschrieben. Folglich müssen konventionelle Energiespeichersysteme Fehler konservativ identifizieren, um eine falsche Fehleridentifikation zu verhindern, die eine kostspielige und unangenehme Abschaltung des gesamten Energiespeichersystems erfordert. Die vorliegenden Systeme und Verfahren ermöglichen es dagegen, einen Fehler oder eine andere Anomalie durch Abschalten nur eines Teils eines Energiespeichersystems, z. B. nur eines einzelnen Knotens oder nur eines einzelnen Stapels, zu beheben, wodurch der Rest des Energiespeichersystems weiter funktionieren kann. Folglich sind die Kosten einer falschen Fehlererkennung in den vorliegenden Energiespeichersystemen geringer als in herkömmlichen Energiespeichersystemen, was eine aggressivere Fehlererkennung ermöglicht, als dies bei herkömmlichen Energiespeichersystemen praktikabel ist.
  • Erkennen einer unsicheren Batterie
  • Eine Batterie kann selbst unsicher werden. Zum Beispiel können Lithiumbeschichtung, Dendritenwachstum und mechanischer Kurzschluss zu intermittierenden Lichtbögen oder Kurzschlüssen auf Zellebene führen. Der fortgesetzte Betrieb einer unsicheren Batterie ist gefährlich und kann zu gefährlichen Stromstärken, thermischem Durchgehen und Feuer führen. Eine unsichere Batterie ist eine Batterie, deren elektrisches Verhalten auf ein unsicheres Ausfallrisiko schließen lässt, auch wenn das Batteriegerät noch nicht die absoluten Grenzwerte überschritten hat und daher noch nicht ausgefallen ist. Die frühzeitige Erkennung eines unsicheren Knotens ermöglicht vorbeugende Maßnahmen wie das Trennen der Batterie vom Knoten, das Entladen der Batterie auf einen sicheren Ladezustand oder eine sichere Spannung, das Herunterfahren des gesamten Systems und den Austausch der unsicheren Batterie vor dem Auftreten eines potenziell katastrophalen Batterieausfalls. Die elektrischen Signaturen eines unsicheren Risikos können durch unerwartete elektrische Reaktionen der Batterie auf externe Stimuli wie Host-Controller-Befehle und Laständerungen identifiziert werden. Batteriemodelle, wie z. B. thermische, elektrochemische und elektrische Ersatzschaltkreismodelle, wie z. B. Stateof-Charge (SOC)-Modelle, werden verwendet, um die erwartete elektrische Reaktion zu beschreiben. Elektrische Signaturen von unsicheren Zellen können auch experimentell bestimmt werden, indem elektrische Signale beobachtet werden, wenn bekannte Fehlermodi in ähnlichen Zellen induziert werden. Algorithmen des maschinellen Lernens können auf experimentell gesammelten Daten oder flottenweiten Felddaten trainiert werden, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Algorithmus zur Erkennung unsicherer Risiken zu verbessern oder die Fehlerkennzeichnung falscher Ausfälle zu reduzieren.
  • 10 ist eine illustrative Zeichnung, die ein Verfahren 1050 zum Erkennen einer unsicheren Batterie darstellt, bevor sie in den thermischen Runaway übergeht. Das Verfahren 1050 wird beispielsweise von der Prozessorschaltung 217-2 eines Knotens 100, einem Stapel-Controller 210 eines Stapels und/oder dem Host-Controller 212 durchgeführt. In Schritt 1052 werden die Zellenspannung (V), der Strom (I) und die Temperatur (T) gemessen, z. B. unter Verwendung der oben in Bezug auf 1 beschriebenen Techniken. Schritt 1054 vergleicht die momentanen VIT-Messungen mit ihren erwarteten Werten aus einem Batteriemodell und kennzeichnet eine unsichere Batterie, wenn einer der momentanen Werte außerhalb des erwarteten Bereichs liegt. Beispielsweise kann ein Spannungswert, der niedriger als erwartet ist, und/oder ein Stromwert, der höher als erwartet ist, und/oder ein Temperaturwert, der höher als erwartet ist, auf einen intermittierenden Kurzschluss oder Lichtbogen (Zustand 1056) hinweisen, was eine Fehlerreaktion auslöst, die die unsichere Batterie vom System abkoppelt, und/oder je nach Schwere der Fehlerreaktion eine Notentladung der Zelle (unten beschrieben).
  • Wenn die momentanen VIT-Messwerte nicht auf eine unsichere Batterie hinweisen, werden die Änderungsraten von V, I und T mit ihren erwarteten Werten aus Batteriemodellen oder anderen Schwellenwerten verglichen, um eine unsichere Batterie zu identifizieren. So werden z. B. schnelle Änderungen von V, I und/oder T, die nicht durch Befehle vom Host-Controller 212 oder Änderungen der Last 204 erklärt werden können, als unsichere Batterie gekennzeichnet, was eine Fehlerreaktion auslöst.
  • Die Reihenfolge der Schritte 1054 und 1058 kann vertauscht werden, oder die beiden Schritte können gleichzeitig durchgeführt werden. Schritt 1058 kann auch im Frequenzbereich durchgeführt werden, wobei Fast-Fourier-Transformationen von V,I,T-Sequenzen mit erwarteten Werten verglichen werden.
  • Die in den Schritten 1054 und 1058 berücksichtigten Erwartungswerte werden z. B. aus Modellen der Batterien 104 ermittelt. Jede Batterie kann ihr eigenes Modell oder ihren eigenen „digitalen Zwilling“ haben. „In einigen Ausführungsformen werden die Modelle der Batterie 104 zumindest teilweise von VIT-Messungen von BMS-Knoten des Energiespeichersystems 200 abgeleitet. Beispiele für Modelle der Batterie 104 sind unter anderem Ersatzschaltbildmodelle der Batterien 104, Ladezustandsmodelle der Batterien 104 und thermische Modelle der Batterien 104. In einigen Ausführungsformen werden eines oder mehrere der Modelle im Laufe der Nutzung verfeinert, z. B. durch Verwendung einer Kalman-Filterung oder eines analogen Verfahrens, bei dem die Modellparameter der Batterien 104 geschätzt und anschließend als Reaktion auf Messwerte aktualisiert werden.
  • Darüber hinaus verwenden einige Ausführungsformen des Energiespeichersystems 200 Daten von anderen Energiespeichersystemen, um eine oder mehrere Funktionen auszuführen, wie z. B. die Erstellung von Batteriemodellen, die Erkennung einer unsicheren Batterie, die Erkennung eines Lichtbogenfehlers oder die Bestimmung von Fehlerreaktionen. In bestimmten Ausführungsformen senden beispielsweise eine Instanz des Stapel-Controllers 210 und/oder der Host-Controller 212 Systemdaten 1502 an eine Batterie-Datenverarbeitungs-Engine 1500, die in 15 dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen befindet sich die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 außerhalb des Energiespeichersystems 200. Beispielsweise kann die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 durch einen Computerserver oder ein verteiltes Rechensystem implementiert werden, das sich außerhalb des Energiespeichersystems 200 befindet. In einigen anderen Ausführungsformen ist die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 Teil des Energiespeichersystems 200. Beispielsweise wird in einer bestimmten Ausführungsform die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 150 durch den Host-Controller 212 implementiert.
  • Die Systemdaten 1502, die an die Batteriedatenverarbeitungs-Engine 1500 gesendet werden, stellen eine oder mehrere Eigenschaften des Energiespeichersystems 200 dar. Beispielsweise können die Systemdaten 1502 Knoten-VIT-Daten, Fehlerstatus und/oder Informationen über das Energiespeichersystem 200 enthalten, wie z. B. den Typ der Batterien 104 im Energiespeichersystem 200, die Konfiguration der Batterien 104 im Energiespeichersystem 200, Herstellungsinformationen für die Batterien 104 im Energiespeichersystem 200, die Betriebsgeschichte der Batterien 104 im Energiespeichersystem 200, die Wartungsgeschichte der Batterien 104 im Energiespeichersystem usw. Die Systemdaten 1502 werden optional verschlüsselt, komprimiert und/oder vorverarbeitet (z. B. Identifizierung verschiedener Degradationsmechanismen), bevor sie vom Energiespeichersystem 200 an die BatterieDatenverarbeitungsmaschine 1500 gesendet werden.
  • Die Batterie-Datenverarbeitungs-Engine 1500 vergleicht die Systemdaten 1502 mit den Aggregatdaten 1504, um gemeinsame Merkmale zwischen den beiden Datensätzen zu finden. Die Aggregatdaten 1504 enthalten Daten von mehreren Energiespeichersystemen, z. B. von zehn, hundert oder sogar tausenden von Energiespeichersystemen. Die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 fügt optional Informationen, die sie von Energiespeichersystemen erhält, zu den aggregierten Daten 1504 hinzu, so dass die aggregierten Daten 1504 mit der Zeit wachsen. Beispiele für Gemeinsamkeiten zwischen den Systemdaten 1502 und den aggregierten Daten 1504 sind unter anderem Batterien, die unter gleichen oder ähnlichen Bedingungen betrieben werden, Batterien mit gleicher oder ähnlicher Betriebsdauer, Batterien mit gleichem oder ähnlichem Energiedurchsatz, Batterien aus einem gemeinsamen Fertigungslos, Batterien mit gleicher oder ähnlicher Installation, Batterien, die unter gleichen oder ähnlichen Bedingungen gelagert werden, Batterien mit gleicher oder ähnlicher Wartungshistorie und Batterien mit ähnlichen Lichtbogenfehlersignaturen. In einigen Ausführungsformen verwendet die Batterie-Datenverarbeitungs-Engine 1500 selbstlernende Methoden (z. B. maschinelles Lernen, Deep-Learning oder sogar multimodales maschinelles Lernen), um gemeinsame Merkmale zwischen den Systemdaten 1502 und den aggregierten Daten 1504 zu identifizieren.
  • Die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 identifiziert anschließend Daten, die auf das Energiespeichersystem 200 anwendbar sind (anwendbare Daten 1506), aus den gemeinsamen Merkmalen zwischen den Systemdaten 1502 und den aggregierten Daten 1504. Genauer gesagt identifiziert die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 Daten in den Aggregatdaten 1502, die mit Energiespeichersystemen verbunden sind, die gemeinsame Merkmale mit dem Energiespeichersystem 200 haben, als anwendbare Daten 1506. Zum Beispiel kann die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 Daten von einem Energiespeichersystem, das denselben Batterietyp wie das Energiespeichersystem 200 hat, als anwendbare Daten 1506 identifizieren. Als weiteres Beispiel kann die Batteriedatenverarbeitungsmaschine 1500 Daten von einem Energiespeichersystem, das unter ähnlichen Bedingungen wie das Energiespeichersystem 200 arbeitet, als anwendbare Daten 1506 identifizieren. Die anwendbaren Daten 1506 können sich entweder indirekt oder direkt auf Daten beziehen, die mit Energiespeichersystemen verbunden sind, die mit dem Energiespeichersystem 200 in Verbindung stehen. In einigen Ausführungsformen verwendet die Batteriedatenverarbeitungs-Engine 1500 selbstlernende Methoden (z. B. maschinelles Lernen, Deep-Learning oder sogar multimodales maschinelles Lernen), um die anwendbaren Daten 1506 aus den aggregierten Daten 1504 zu identifizieren.
  • Die Batteriedaten-Analyse-Engine 1500 sendet die anwendbaren Daten 1506 an das Energiespeichersystem 200, z. B. an den Host-Controller 212 und/oder an einen oder mehrere Stapel-Controller 210. Das Energiespeichersystem 200 verwendet optional die anwendbaren Daten 1506, um einen oder mehrere Aspekte des Energiespeichersystems 200 zu verwalten. Beispielsweise verwenden in bestimmten Ausführungsformen der Host-Controller 212 und/oder ein Stapel-Controller 210 die anwendbaren Daten 1506, um Modelle der Batterien 104 zu erstellen oder zu verfeinern, beispielsweise zur Steuerung des Ladens/Entladens der Batterien oder zur Verwendung bei der Identifizierung unsicherer Batterien und der damit verbundenen Fehlerreaktion. Ein weiteres Beispiel: In bestimmten Ausführungsformen verwenden der Host-Controller 212 und/oder ein Stapel-Controller 210 die anwendbaren Daten 1506, um Lichtbogenfehler zu erkennen und darauf zu reagieren. Beispielsweise könnten die anwendbaren Daten 1506 Lichtbogenfehlersignaturen und zugehörige Fehlerreaktionen für Energiespeichersysteme enthalten, die dem Energiespeichersystem 200 ähnlich sind, und solche Signaturen könnten in den Entscheidungsschritten 556, 656, 754 und/oder 856 und den Mitigationsschritten 560, 662, 664, 758 und/oder 860 in den Lichtbogenfehlererkennungsverfahren 550, 650, 750 bzw. 850 verwendet werden. Beispielsweise könnten Tiefpassfilterwerte, die in den Entscheidungsschritten 556, 656, 754 und/oder 856 verwendet werden, zumindest teilweise auf der Grundlage von Störlichtbogensignaturen in den anwendbaren Daten 1506 bestimmt werden, um ein Störlichtbogenerkennungsprofil zu erreichen, das für die Erkennung der Störlichtbogensignaturen in den anwendbaren Daten 1506 optimiert ist. Als weiteres Beispiel kann eine Entscheidung, vom normalen Lade-/Entlademodus 952 in einen der Modi Bypass-Modus 954, Schwebemodus 956 und sicherer Modus 958 (9) überzugehen, zumindest teilweise auf früheren Erfahrungen mit ähnlichen Fehlerszenarien basieren, wie sie von der Batteriedaten-Analyse-Engine 1500 ermittelt und über die anwendbaren Daten 1506 an das Energiespeichersystem 200 übermittelt wurden.
  • Entladen eines unsicheren Knotens
  • Eine Batterie, die als unsicher eingestuft wird, kann eine Gefahr bleiben, solange sie geladen ist. Beispielsweise erhöhen stark geladene Batterien das Risiko von Kurzschlüssen und Lichtbogenfehlern, und bei stark geladenen Batterien ist die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens größer als bei leicht geladenen Batterien. Daher ist es wünschenswert, eine unsichere Batterie oder eine Batterie, die durch ein fehlerhaftes System unkontrolliert geladen oder entladen wird, zu entladen. Die folgenden Entladeschaltungen ermöglichen es einem Knoten, eine Batterie innerhalb des Knotens selbst sicher zu entladen. Die Beispiel-Entladeschaltungen sind so konfiguriert, dass sie eine Batterie 104 entladen, wenn festgestellt wird, dass die Batterie oder das System unsicher ist, wie oben beschrieben, oder als Reaktion auf einen Befehl zum Entladen der Batterie, z. B. als Vorbereitung für die Durchführung einer Systemwartung oder -pflege.
  • 11 ist ein illustratives Schaltbild einer ersten beispielhaften bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 1100 zur Verwendung in einem Beispielknoten 100 als DC-DC-Wandler 106. Die DC-DC-Wandlerschaltung 1100 arbeitet während der Entladung als Aufwärtswandler und während der Ladung als Abwärtswandler. Der erste Wandler 1100 enthält einen ersten Transistorschalter 1102, der eine erste parasitäre Körperdiode 1118 enthält. Der erste Schalter 1102 ist zwischen dem positiven Energiebusanschluss 251 und einem Schaltungsknoten X gekoppelt. Die Source- und Drain-Anschlüsse des ersten Transistorschalters 1102 sind so gewählt, dass die erste Körperdiode 1118 Strom vom Schaltungsknoten X zum positiven Energiebusanschluss 251 leitet. Mit anderen Worten, die erste parasitäre Diode 1118 hat eine Durchlass-Dioden-Stromflussrichtung vom Schaltungsknoten X in Richtung des positiven Energiebusanschlusses 251. Der DC-DC-Wandler 1100 enthält einen zweiten Schalter 1110, der eine zweite parasitäre Körperdiode 1120 enthält. Der zweite Schalter 1110 ist zwischen dem Schaltungsknoten X und dem negativen Leistungsbatteriegeräteanschluss 253 gekoppelt. Die zweite parasitäre Diode 1120 hat eine Durchlass-Dioden-Stromflussrichtung von der negativen Batteriegeräte-/Busklemme 253 zum Schaltungsknoten X. Der erste und der zweite Schalter 1102 und 1110 bilden zusammen mit einer Induktivität 1122 einen DC-DC-Wandlerkern, der beim Entladen der Batterie 104 als Aufwärtswandler und beim Laden der Batterie 104 als Abwärtswandler arbeitet.
  • Ein dritter Transistorschalter 1134, der eine dritte parasitäre Körperdiode 1142 enthält und in Serie zwischen dem positiven Batteriegeräteanschluss 252 und dem Schaltungsknoten X in Serie mit der Induktivität 1122 geschaltet ist. Die dritte parasitäre Diode 1142 hat eine Durchlass-Diodenstromflussrichtung vom Schaltungsknoten X zur Batterie 104. Der dritte Schalter 1134 wirkt als Batterietrennschalter (oder Trennschalter), und der dritte Schalter 1134 ist daher eine Ausführungsform des Batterietrennschalters 256 von 1. Die Induktionsspule 1122 ist elektrisch zwischen dem dritten Schalter 1134 und dem Schaltungsknoten X angeschlossen. Ein Kondensator 1189 ist zwischen dem zweiten Anschluss der Induktionsspule 1122 und dem negativen Batteriegeräteanschluss 253 gekoppelt. Ein Kondensator 1194 ist zwischen dem positiven Anschluss 251 und dem negativen Anschluss 253 gekoppelt.
  • Ein optionaler vierter Transistorschalter 1172, der eine vierte parasitäre Körperdiode 1180 enthält, ist zwischen der positiven Leistungsbusklemme 251 und der negativen Leistungsbatteriegeräte-/Busklemme 253 gekoppelt. Die vierte Körperdiode 1180 hat eine Durchlassdioden-Stromflussrichtung vom negativen Leistungsbatteriegerät/Busanschluss 253 in Richtung des positiven Leistungsbusanschlusses 251. Der vierte Schalter 1172 fungiert als Knotenausgangskurzschlussschalter, um die Kontinuität von in Serie geschalteten Knoten zu gewährleisten, wenn die Batterie abgeklemmt ist. Die Funktion des Schalters 1172 kann durch das Einschalten der Schalter 1102 und 1110 ersetzt werden, nachdem die IL-Rampe auf Null gesetzt wurde, solange der dritte Schalter 1134 offen ist. Entsprechend ist der vierte Schalter 1172 eine Ausführungsform des Schalters 257 der 9A-9D. Der DC-DC-Wandler umfasst optional außerdem den Soft-Shorting-Schalter 259 und den Widerstand 261 aus 1 (in 11 nicht dargestellt).
  • Der DC-DC-Wandler 1100 enthält außerdem eine Hilfsentladeschaltung 1182, die eine strombegrenzte Hilfsschaltung zum sicheren Entladen der Batterie 104 bereitstellt. Die Hilfsentladeschaltung umfasst einen fünften Transistorschalter 1186, der eine Körperdiode 1192 enthält und elektrisch in Serie mit einem Widerstand 1184 gekoppelt ist, dessen Wert so gewählt ist, dass der Entladestrom auf einen akzeptablen Wert begrenzt wird. Während des Hilfsentladebetriebs ist der dritte Schalter 1134 ausgeschaltet (offen), um die Batterie 104 von der Induktivität 1122 zu isolieren. Der fünfte Schalter 1186 wird eingeschaltet (geschlossen), so dass Strom von der Batterie 104 durch die positive Batteriegeräteklemme 252 über den Widerstand 1184 und zur negativen Leistungsbatteriegeräteklemme 253 fließen kann, um die Batterie 104 sicher zu entladen. Der dritte Schalter 1134 kann durch einen oder mehrere verschiedene Transistoren oder durch eine andere Art von Schalteinrichtung, wie z. B. ein Relais oder ein Schütz, implementiert werden, ohne dass dies vom Anwendungsbereich dieser Anleitung abweicht.
  • 12 ist ein illustratives Schaltbild einer zweiten beispielhaften bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 1200 zur Verwendung in einem Beispielknoten 100 als DC-DC-Wandler 106. Aus Gründen der Beschreibungseffizienz werden Komponenten der zweiten Wandlerschaltung 1200, die Komponenten der ersten Wandlerschaltung 1000 von 12 entsprechen, nicht erneut beschrieben. Eine Batterieentladeschaltung 1220 umfasst (a) einen fünften Schalter 1286 mit einer parasitären Diode 1292 und (b) eine Stromsteuerungsschaltung 1293, die eine Verstärkerschaltung 1294 enthält, die so gekoppelt ist, dass sie den ersten Schalter 1286 steuert und dadurch die Batterie 104 mit einem wählbaren Strom entlädt. In einer Ausführungsform ist der Strom so festgelegt, dass eine vollständig geladene Zelle in einer vorbestimmten Zeitspanne entladen wird, z. B. eine Stunde (eine 1C-Entladung) bis 15 Minuten (eine 4C-Entladung). In einer anderen Ausführungsform wird der Strom so gesteuert, dass die Temperatur der Batterie oder des Stromkreises geregelt wird, um eine schnelle, aber sichere Entladung zu fördern. Während des Betriebs im Hilfsentlademodus ist der dritte Schalter 1134 ausgeschaltet (offen) und der Verstärker 1294 steuert den fünften Schalter 1286, um als Stromquelle zu fungieren und dadurch die Batterie 104 sicher zu entladen, wie oben beschrieben.
  • Alternativ können der Prozessor 117-2, der Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 die vorhandene Last nutzen und eine Batterie zum günstigsten Zeitpunkt vom Netz nehmen, um eine sichere Entladung zu erreichen, während weiterhin Energie an die Last 204 geliefert wird. In dieser Ausführungsform ist keine zusätzliche Entladeschaltung erforderlich. Sobald eine unsichere Batterie identifiziert ist, wird sie nicht mehr geladen. Vielmehr wird sie vom Netz genommen, bis sie durch einen oder mehrere regelmäßige Entladezyklen auf einen sicheren SOC oder eine sichere Spannung entladen wird, z. B. unter etwa 20 % Ladezustand. Die Entladungen werden optional so gesteuert, dass sie mit einer anderen Rate erfolgen als bei den gesunden Zellen. Beispielsweise könnte eine höhere Entladerate für eine Batterie mit größerem Ausfallrisiko durch Lagerung bei SOC als notwendig erachtet werden. Eine niedrigere Entladerate könnte für eine Batterie mit abnorm hohem Serienwiderstand als notwendig erachtet werden, um eine Selbsterhitzung zu vermeiden. Sobald die Batterie sicher entladen ist, kann sie in ihrem niedrigen SOC-Zustand bis zur Inspektion und möglichen Reparatur oder zum Austausch überbrückt bleiben. Die Entladerate der Batterie 104 wird z. B. durch die Steuerung des jeweiligen DC-DC-Wandlers 106 der Batterie 104 gesteuert, um die Knotenausgangsspannung, d. h. die Spannung am Ausgangsanschluss 260, zu variieren. Beispielsweise kann die Entladerate der Batterie 104 erhöht werden, indem der Gleichspannungswandler 106 so gesteuert wird, dass die Knotenausgangsspannung größer ist als die anderer Knoten im Stapel, und die Entladerate der Batterie 104 kann verringert werden, indem der Gleichspannungswandler 106 so gesteuert wird, dass die Knotenausgangsspannung kleiner ist als die anderer Knoten im Stapel.
  • 13A ist ein illustratives Schaltbild einer vereinfachten beispielhaften bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 1300 zur Verwendung in einem Beispielknoten 100. Details der Wandlerschaltung sind aus der Beschreibung von 11 ersichtlich. Die 13B-13C sind illustrative Signaldiagramme, die einen Prozess zum Entladen einer unsicheren Batterievorrichtung darstellen. Während des normalen Betriebs wird die Batterie 104 durch die Last geladen und entladen, wie in 13B dargestellt. Während einer Entlade-Betriebsart hingegen arbeitet der DC-DC-Wandler 1300, um die unsichere Batterie 104 so schnell wie möglich in die Last 204 zu entladen und gleichzeitig einen katastrophalen Ausfall zu vermeiden. Während des Ladebetriebs wird die unsichere Batterie 104 durch den DC-DC-Wandler 1300 umgangen, z. B. durch Ausschalten des Schalters 1134 und Einschalten des Schalters 1172, so dass die Batterie 104 nicht wieder aufgeladen wird, wenn andere Batteriegeräte aufgeladen werden, wie in 13C gezeigt. Die Batterie 104 entlädt sich in nachfolgenden Entladezyklen weiter, bis die gewünschte sichere Spannung oder der gewünschte Ladezustand erreicht ist. Dieser unidirektionale Betrieb des DC-DC-Wandlers 1300, d. h. das Veranlassen, dass die Batterie 104 nur an Entladezyklen teilnimmt, kann besonders in Situationen nützlich sein, in denen die Kosten für die Behebung einer defekten Batterie minimiert werden sollen, z. B. in Situationen, in denen die Batterie 104 nur möglicherweise defekt ist oder nur einen leichten Defekt aufweist.
  • Wieder Bezug nehmend auf die 1 und 2, sind in einigen Ausführungsformen die Prozessorschaltung 217-2, die Stapelsteuerung 210 und/oder die Host-Steuerung 212 so konfiguriert, dass sie Befehle an die Last 204 senden, und die Last 204 ist so konfiguriert, dass sie eine oder mehrere Aktionen als Reaktion auf diese Befehle ausführt. Beispielsweise sind in bestimmten Ausführungsformen eine oder mehrere der Prozessorschaltung 217-2, der Stapelsteuerung 210 und der Host-Steuerung 212 so konfiguriert, dass sie einen Befehl an die Last 204 senden, um ihre Leistungsaufnahme zu erhöhen, und die Last 204 ist so konfiguriert, dass sie entsprechend reagiert, um die sichere Entladung einer oder mehrerer Batterien 104 zu beschleunigen, und zwar als Reaktion auf die Feststellung, dass die Batterien unsicher sind, und/oder als Reaktion auf ein Signal zur Durchführung einer kontrollierten Entladung der Batterien 104. In einigen Ausführungsformen sind die Prozessorschaltung 217-2, der Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 ferner so konfiguriert, dass sie Befehle an die Last 204 senden, um die Größe der Spannung VL und/oder des Stroms IL einzustellen, wodurch das Energiespeichersystem 200 in die Lage versetzt wird, die Entladung einer oder mehrerer Batterien 104 weiter zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen sind eine oder mehrere der Prozessorschaltung 217-2, der Stapel-Controller 210 und der Host-Controller 212 so konfiguriert, dass sie die Größe der Spannung VL und/oder des Stroms IL über Befehle an die Last 204 dynamisch steuern, beispielsweise entsprechend einem oder mehreren Batterie- oder Knotenparametern. Beispiele für diese Parameter sind unter anderem die Temperatur der Batterie 104, der Ladezustand der Batterie 104, der Zustand der Degradation der Batterie 104, der Gesundheitszustand der Batterie 104 und die Sicherheitseigenschaften der Batterie 104. Darüber hinaus können die Prozessorschaltung 217-2, der Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 so konfiguriert sein, dass sie der Last 204 befehlen, die Leistungsaufnahme zu verringern, die Spannung VL und/oder den Strom IL anzupassen, wenn sich eine oder mehrere Batterien 104 in einem sicheren Zustand befinden, beispielsweise als Reaktion darauf, dass die Batteriespannung oder der Ladezustand der Batterie einen Schwellenwert überschreitet.
  • Darüber hinaus sind in einigen Ausführungsformen, in denen die Last 204 ein photovoltaisches Gerät oder ein photovoltaisches System ist, die Prozessorschaltung 217-2, die Stapelsteuerung 210 und/oder die Host-Steuerung 212 so konfiguriert, dass sie den Knoten in einem oder mehreren Stapeln befehlen, die Spannung VL auf einen Wert einzustellen, der ausreichend hoch ist, um Energie von einer oder mehreren Batterien 104 an das photovoltaische Gerät oder System 104 zu übertragen, um eine sichere Entladung der Batterien 104 zu ermöglichen. Darüber hinaus sind in diesen Ausführungsformen die Prozessorschaltung 217-2, der Stapel-Controller 210 und/oder der Host-Controller 212 optional so konfiguriert, dass sie den Knoten in einem oder mehreren Stapeln befehlen, die Größe des Stroms IL während der sicheren Entladung der Batterien 104 auf einen gewünschten Wert einzustellen, um beispielsweise die Entladung der Batterien 104 zu beschleunigen, ohne das photovoltaische Gerät oder System zu überlasten.
  • Knotenisolierung
  • 14A ist ein anschauliches Schaltbild, das Teile eines beispielhaften in Serie geschalteten Knotens NN und NN-1 eines Stapels zeigt, dem ein Verpolungsschutz in einem Trennungszustand fehlt. In einem potentialfreien Trennungszustand sind alle Schalter ausgeschaltet (offen). 14B ist ein illustratives Schaltbild, das den Kurzschlussstromfluss zwischen den Knoten NN und NN-1 des Stapels aus 14A während eines Rückspannungskurzschlussfehlers in einem erdfreien Trennungszustand zeigt. Mit anderen Worten: 14B veranschaulicht, dass eine Sperrspannung (ein Kurzschluss vom Pluspol einer Batterie zum Minuspol des darunter liegenden Knotens) ungeschützt ist, obwohl der Trennschalter 1434 geöffnet ist. Die ungeschützte Rückspannung verursacht einen Zellkurzschluss durch die Körperdioden 1420 und 1418 der Schalter 1410 und 1402 mit großem Strom, der wahrscheinlich einen thermischen Durchschlag verursacht und zu einem Brand führt.
  • Jeder Knoten N umfasst eine Batterie 104 mit einem positiven Anschluss 1462 und einem negativen Anschluss 1464, einen Kondensator 1489, einen Kondensator 1448, einen Kondensator 1466, eine Induktivität 1422, einen ersten Schalter 1402 mit einer Körperdiode 1418, einen zweiten Schalter 1410 mit einer Körperdiode 1420 und einen dritten Schalter 1434 mit einer Körperdiode 1434. Einige Instanzen dieser Elemente sind zur Verdeutlichung nicht beschriftet. Der erste Schalter 1402, der zweite Schalter 1410 und die Induktivität 1422 bilden einen Kern eines DC-DC-Wandlers 1460, der einen Ausgangsanschluss 260 aufweist, der für die elektrische Kopplung in Serie mit zusätzlichen Knoten N konfiguriert ist. Der dritte Schalter 1434 ist elektrisch zwischen dem positiven Anschluss 1462 der Batterie 104 und dem DC-DC-Wandler 1460 gekoppelt, und er ist so konfiguriert, dass er die Batterie 1434 wahlweise mit dem DC-DC-Wandler 1460 verbindet und von ihm trennt. In einigen alternativen Ausführungsformen ist der dritte Schalter 1434 stattdessen elektrisch zwischen dem negativen Anschluss 1464 der Batterie 104 und dem DC-DC-Wandler 1460 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen steuert die Prozessorschaltung 217-2 die Schalter jedes Knotens, optional mit Unterstützung des Stapel-Controllers 210 und/oder des Host-Controllers 212.
  • Bezug nehmend auf 14A liefert jede Batterie 104 im Normalbetrieb eine Spannung von beispielsweise VBAT=;-3,6V. In einem Trennungszustand sind der erste Schalter 1402, der zweite Schalter 1410 und der dritte Schalter 1434 jeweils ausgeschaltet (offen). In einem Beispielstapel kann der Knoten NN-1 ausfallen, wenn eine negative Spannung in einem Bereich von -1 V am Ausgang des Knotens zwischen den jeweiligen positiven und negativen Ausgangsklemmen des Knotens 251N-1 und 253N-1 anliegt. Die kritische Knotenspannung ist durch die Summe der Durchlassspannungen der beiden Body-Dioden 1418, 1420 gegeben (2X -0,5V). Wenn die kritische Knotenspannung am Knoten NN-1 erreicht wird, kann ein großer Strom durch die beiden Körperdioden 1418 und 1420 fließen und schließlich dauerhafte Schäden am Beispielknoten NN-1 und/oder Knoten NN verursachen. Zum Beispiel entlädt sich die Batterie 104 des Knotens NN schnell, was zu einem thermischen Weglaufen führen kann.
  • Unter Bezugnahme auf 14B wird während eines Beispiel-Fehlermodus die positive Batteriegeräteklemme 252N des Knotens NN mit der negativen Leistungsklemme 253N-1 des Knotens NN-1 kurzgeschlossen. Eine negative Spannung über den Dioden 1418, 1420 wird äquivalent zur Spannung der Batterie 104, z. B. etwa 3,6 V. Die ersten und zweiten Körperdioden 1418, 1420 sind in Vorwärtsrichtung vorgespannt und ein unkontrollierter Strom kann durch sie fließen. Eine fehlerhafte elektrische Verbindung 1468 führt zu einem Kurzschlussstrom 1470, der von der positiven Batteriegeräteklemme 252N des Knotens NN zu der negativen Leistungsklemme 253N-1 des Knotens NN-1 durch die Dioden 1418 und 1420 fließt. Die fehlerhafte elektrische Verbindung 1468 kann durch einen Kurzschluss verursacht werden, z. B. durch ein loses Drahtfragment, das die beiden kurzschließt. Die Batterie 104 des Knotens NN speist Strom und Leistung in den Kurzschluss ein. Wenn der Kurzschluss lange genug anliegt, in der Größenordnung von Sekunden, kann er zu einem katastrophalen Ausfall wie z. B. einem Brand führen. In alternativen Ausführungsformen, bei denen der dritte Schalter 1434 elektrisch zwischen dem Minuspol 1464 der Batterie 104 und dem DC-DC-Wandler 1460 gekoppelt ist, kann ein Kurzschlussstrom zwischen den Knoten NN und NN-1 fließen, wenn der positive Batteriegeräteanschluss 252N mit dem Minuspol 1464 der Batterie des Knotens NN-1 kurzgeschlossen wird, selbst wenn jeder der ersten Schalter 1402, der zweite Schalter 1410 und der dritte Schalter 1434 ausgeschaltet (offen) sind.
  • 14C ist ein anschauliches Schaltbild, das Teile eines beispielhaften in Serie geschalteten Knotens NN und NN-1 eines BMS-Stapels zeigt, der eine erste beispielhafte Rückspannungs-Ausfallmodus-Schutzschaltung in Form eines Trennschalters 1452 mit einer Body-Diode 1458 in einem Trennzustand während des Ausfallmodusbetriebs enthält. 14D ist ein illustrativer Schaltplan, der den blockierten Kurzschlussfluss zwischen den Knoten des Stapels von 14C während eines Kurzschlussausfalls durch Rückspannung in einem Trennzustand zeigt. Aus Gründen der Effizienz der Beschreibung werden die in den 14C-14D dargestellten Schaltungskomponenten, die den in den 14A-14B beschriebenen Schaltungskomponenten entsprechen, nicht noch einmal erläutert.
  • Bezug nehmend auf 14C enthält der Beispielknoten NN-1 einen Isolationsschalter 1452, der einen ersten Anschluss 1454 und einen zweiten Anschluss 1456 enthält. Die erste Klemme 1454 des Isolationsschalters 1452 ist mit dem zweiten Schalter 1410 gekoppelt. Die zweite Klemme 1456 des Isolationsschalters 1452 ist mit dem negativen Stromanschluss 1464 der Batterie 104 des Knotens NN-1 gekoppelt. Somit ist der Isolationsschalter 1452 in Serie mit dem negativen Stromanschluss 1464 der Batterie 104 des Knotens NN-1 gekoppelt. Ein Vorteil dieser Reihenschaltung besteht darin, dass eine massebezogene Gate-Ansteuerung eine einfache Implementierung für einen n-Kanal-Typ-Schalter ergibt; der Schalter kann auch eine niedrige Spannung aufweisen, mit einer Nennspannung, die etwas über der Spannung der Batterie liegt. Der Isolationsschalter 1452 ist so ausgerichtet, dass seine Körperdiode 1458 keinen Pfad für den Kurzschlussstrom 1471 bietet. Insbesondere ist die Anode der Körperdiode 1458 mit dem Minuspol 1464 der Batterie 104 verbunden, und die Kathode der Körperdiode 1458 ist mit dem DC-DC-Wandler 1460 verbunden. Alternativ könnte der Isolationsschalter 1452 durch eine Schaltvorrichtung ersetzt werden, die keine Körperdiode enthält. In ähnlicher Weise enthält der Beispielknoten NN (und jeder der anderen Knoten des BMS-Stapels) einen Isolationsschalter 1452 und eine zugehörige Körperdiode 1458, die in ähnlicher Weise gekoppelt sind.
  • Bezug nehmend auf 14D hat während eines Beispiel-Fehlermodus die positive Energiebusklemme 252N des Beispielknotens NN eine abweichende elektrische Verbindung 1468 mit der negativen Energieklemme 253N-1 des Knotens NN-1. Die abweichende Verbindung 1468 erzeugt die Gefahr eines abweichenden Stromflusses 1471 vom positiven Batteriegeräteanschluss 252N des Knotens NN durch die Dioden 1418 und 1420 zum negativen Leistungsanschluss 253N-1 des Knotens NN-1. Wie durch die gestrichelte Linie 1473 dargestellt, verhindert der offene Isolationsschalter 1452 jedoch, dass ein Kurzschlussstrom vom positiven Stromanschluss 252N der Batterie 104 des Knotens NN zum negativen Stromanschluss 253N-1 des Knotens NN-1 fließt. Somit kann die Batterie 104 des Knotens NN den Kurzschluss nicht speisen und der Stapel ist geschützt. Die Isolationsschalter 1452 sind während des normalen Lade-/Entladebetriebs geschlossen.
  • Der Isolationsschalter 1452 kann durch einen oder mehrere alternative Isolationsschalter ersetzt werden, die ebenfalls den Stromfluss durch die Batterie 104 des Knotens NN im Falle eines Kurzschlusses mit dem Knoten NN-1 verhindern. 14E ist beispielsweise ein illustratives Schaltdiagramm, das Teile eines beispielhaften in Serie geschalteten Knotens NN und NN-1 eines BMS-Stapels zeigt, die eine zweite beispielhafte Rückspannungs-Ausfallmodus-Schutzschaltung in Form eines Isolationsschalters 1472 einschließlich einer Body-Diode 1478 in einem Trennungszustand während des Ausfallmodusbetriebs enthalten. Aus Gründen der Beschreibungseffizienz werden die in 14E dargestellten Schaltungskomponenten, die den in den 14A-14D beschriebenen Schaltungskomponenten entsprechen, nicht noch einmal erläutert. Der Beispielknoten NN-1 umfasst den Isolationsschalter 1472 mit einem ersten Anschluss 1474 und einem zweiten Anschluss 1476. Der erste Anschluss 1474 des Isolationsschalters 1472 ist mit einem ersten Anschluss 1404 eines ersten Schalters 1402 des Knotens NN-1 gekoppelt. Der zweite Anschluss 1476 des Isolationsschalters 1472 ist mit dem negativen Leistungsanschluss 253N des Knotens NN gekoppelt. Der Isolationsschalter 1472 ist so ausgerichtet, dass seine Körperdiode 1478 keinen Pfad für den Kurzschlussstrom 1485 bereitstellt. Insbesondere ist die Kathode der Körperdiode 1478 mit dem positiven Anschluss 251N-1 des Ausgangsanschlusses 260N-1 verbunden. Alternativ könnte der Isolationsschalter 1472 durch eine Schaltvorrichtung ersetzt werden, die keine Körperdiode enthält.
  • Während des normalen Betriebs des Knotens fließt der Strom der Batterie 104 nicht kontinuierlich durch den Isolationsschalter 1472; stattdessen fließt der Strom nur dann durch den Isolationsschalter 1472, wenn sich der Schalter 1410 in seinem ausgeschalteten oder nicht leitenden Zustand befindet. Folglich ist der Effektivwert des Stroms, der durch den Isolationsschalter 1472 fließt, geringer als der Effektivwert des Stroms, der durch den Isolationsschalter 1452 in 14D fließt, wobei äquivalente Betriebsbedingungen angenommen werden. Daher kann der Isolationsschalter 1472 von 14E bei gleichen Schalterleitungsverlusten einen größeren Einschaltwiderstand als der Isolationsschalter 1452 von 14D aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist der Isolationsschalter 1472 entweder ein n-Kanal-Feldeffekttransistor oder ein p-Kanal-Feldeffekttransistor, je nach Auslegung der Gate-Treiberschaltung.
  • Noch immer Bezug nehmend auf 14E, hat in einem Beispiel-Fehlermodus die positive Busklemme 252N des Beispielknotens NN einen abweichenden elektrischen Kontakt 1468 mit der negativen Leistungsklemme 253N-1 des Knotens NN-1. Die abweichende Verbindung 1468 erzeugt die Gefahr eines abweichenden Stromflusses 1485 von der positiven Batteriegeräteklemme 252N des Knotens NN durch die Dioden 1418 und 1420 zur negativen Leistungsklemme 253N-1 des Knotens NN-1. Wie durch die gestrichelte Linie 1489 dargestellt, verhindert der offene Schalter 1472 jedoch, dass ein potenzieller Strom 1485 vom positiven Batterieanschluss 252N der Batterie 104 des Knotens NN zum negativen Leistungsanschluss 253N-1 des Knotens NN-1 fließt. Somit kann die Batterie 104 des Knotens NN den Kurzschluss nicht speisen. Knoten NN enthält optional weiterhin einen Isolationsschalter 1472 (nicht dargestellt) analog zu dem von Knoten NN-1.
  • Der Isolationsschalter 1472 verhindert auch einen Kurzschlussstromfluss in Ausführungsformen, bei denen der dritte Schalter 1434 elektrisch zwischen dem negativen Anschluss 1464 der Batterie 104 und dem DC-DC-Wandler 1460 gekoppelt ist, anstatt zwischen dem positiven Anschluss 1462 der Batterie 104 und dem DC-DC-Wandler 1460. 14F ist beispielsweise ein illustrativer Schaltplan, der Teile eines beispielhaften in Serie geschalteten Knotens NN und NN-1 eines BMS-Stapels zeigt, die eine zweite beispielhafte Rückspannungs-Ausfallmodus-Schutzschaltung in Form des Trennschalters 1472 in einem Trennungszustand während des Ausfallmodusbetriebs enthalten. Aus Gründen der Beschreibungseffizienz werden die in 14F dargestellten Schaltungskomponenten, die den in den 14A-14E beschriebenen Schaltungskomponenten entsprechen, nicht noch einmal erläutert. Der dritte Schalter 1434 ist in diesem Beispiel elektrisch zwischen dem Minuspol 1464 der Batterie 104 und dem DC-DC-Wandler 1460 gekoppelt.
  • In einem Beispiel-Fehlermodus hat die positive Busklemme 252N des Beispielknotens NN einen anomalen elektrischen Kontakt 1490 mit der negativen Klemme 1464 der Batterie 104 des Knotens NN-1. Die abweichende Verbindung 1490 erzeugt die Gefahr eines abweichenden Stromflusses 1495 von der positiven Batteriegeräteklemme 252N des Knotens NN durch die Diode 1418 des Knotens NN-1 und die Diode 1420 des Knotens NN. Wie durch die gestrichelte Linie 1489 dargestellt, verhindert der offene Schalter 1472 jedoch, dass ein potenzieller Strom 1495 fließt.
  • Der Fachmann wird verstehen, dass die beispielhaften Energiespeichersysteme, die Knoten des Batteriemanagementsystems und die zugehörigen Verfahren variiert werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können auf der Grundlage der Prinzipien der Dualität elektrischer Schaltungen Variationen der beispielhaften DC-DC-Wandler durch geeignete Ersetzung von Induktoren für Kondensatoren (und umgekehrt), Ströme für Spannungen und Serien für parallele Konfigurationen vorgenommen werden, während immer noch die gewünschte Funktionalität erreicht wird, und solche Variationen werden als innerhalb des Anwendungsbereichs der vorliegenden Offenbarung im Lichte der hier vorgestellten Lehren betrachtet. Beispielsweise könnte der DC-DC-Wandler 1100 aus 11 so modifiziert werden, dass der DC-DC-Wandler während des Ladens der Batterie 104 als Boost-Wandler arbeitet und der DC-DC-Wandler während des Entladens der Batterie 104 als Buck-Wandler arbeitet. Als weiteres Beispiel könnte der DC-DC-Wandler 1100 durch einen Abwärts/Aufwärtswandler ersetzt werden, um sowohl eine Aufwärts- als auch eine Abwärtswandlung der Batteriespannung in die Knotenspannung zu ermöglichen.
  • Die obige Beschreibung soll es dem Fachmann ermöglichen, sichere Batterie-Energie-Management-Systeme, sichere Batterie-Management-System-Knoten und zugehörige Verfahren zu erstellen und zu verwenden. Verschiedene Modifikationen der Ausführungsformen werden für den Fachmann leicht ersichtlich sein, und die hier definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewendet werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. In der vorangehenden Beschreibung sind zahlreiche Details zum Zweck der Erläuterung aufgeführt. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die in der Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen auch ohne die Verwendung dieser spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Verfahren in Form von Blockdiagrammen dargestellt, um die Beschreibung der Erfindung nicht durch unnötige Details zu verschleiern. Identische Bezugsziffern können verwendet werden, um verschiedene Ansichten desselben oder eines ähnlichen Gegenstandes in verschiedenen Zeichnungen darzustellen. Somit sind die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. Daher wird es verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen an den Ausführungsformen von den Fachleuten auf dem Gebiet gemacht werden können, ohne von dem Geist und Umfang der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abweichen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das eine Mehrzahl von elektrisch miteinander gekoppelten Knoten des Batteriemanagementsystems enthält, umfassend: Empfangen eines Sicherheitssignals an einem ersten Batterieverwaltungssystemknoten der mehreren Batterieverwaltungssystemknoten, das anzeigt, dass eine erste Batterie des ersten Batterieverwaltungssystemknotens von einem unsicheren Ausfall bedroht ist; und als Reaktion auf den Empfang des Sicherheitssignals am ersten Batterieverwaltungssystemknoten, Betreiben des ersten Batterieverwaltungssystemknotens, um eine kontrollierte Entladung der ersten Batterie zu bewirken, so dass die erste Batterie auf einen niedrigeren Ladezustand entladen wird als eine zweite Batterie eines zweiten Batterieverwaltungssystemknotens der Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des ersten Batterieverwaltungssystemknotens zum Bewirken einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie das elektrische Koppeln eines Widerstands mit der ersten Batterie innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des ersten Batterieverwaltungssystemknotens zum Bewirken einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie das Entladen der ersten Batterie über eine Stromquelle umfasst, die sich innerhalb des ersten Batterieverwaltungssystemknotens befindet und elektrisch mit der ersten Batterie gekoppelt ist.
  4. Verfahren zum sicheren Betrieb eines Energiespeichersystems, das eine Mehrzahl von Batterieverwaltungssystemknoten enthält, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, umfassend: Empfangen eines Signals, das anzeigt, dass eine erste Batterie eines ersten Batterieverwaltungssystemknotens aus der Mehrzahl der Batterieverwaltungssystemknoten unsicher ist; als Reaktion auf den Empfang des Signals, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist, Durchführen einer kontrollierten Entladung der ersten Batterie innerhalb des ersten Batteriemanagementsystemknotens; und Anweisung an eine elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last, die aus dem Energiespeichersystem entnommene Leistung zu erhöhen, als Reaktion auf den Empfang des Signals, das anzeigt, dass die erste Batterie unsicher ist.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4 umfasst ferner das Anweisen der elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelten Last, eine Größe der aus dem Energiespeichersystem entnommenen Leistung zu ändern, und zwar in Reaktion darauf, dass ein Parameter der ersten Batterie einen Schwellenwert überschreitet.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Parameter der ersten Batterie einen von einem Ladezustand (SOC) der ersten Batterie und einer Spannung der ersten Batterie umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die elektrisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelte Last einen Wechselrichter umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Sperren des Ladens der ersten Batterie als Reaktion auf den Empfang des Sicherheitssignals am ersten Knoten des Batteriemanagementsystems umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erhöhen einer Entladerate der ersten Batterie als Reaktion auf den Empfang des Sicherheitssignals an dem ersten Batteriemanagementsystemknoten.
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