一种电池簇及其储能系统的制作方法

1.本发明实施方式涉及电池储能领域，特别是涉及一种电池簇及其储能系统。


背景技术：

2.电池储能技术可平滑可再生能源发电出力，提升分布式可再生能源的消纳，为电力负荷削峰填谷提供有效手段，近些年在电力系统中得到了快速推广应用。尽管电池储能具有诸多优势，但其电池储能系统在工程实际应用中存在的最大障碍是电池的安全性问题，当单体电池或电池组在过充、短路、冲压、穿刺、振动和高温热冲击等滥用条件下使用，或电池外部回路短路，故障不能快速隔离时，极易发生燃烧，甚至是爆炸等不安全行为，从而对储能电站造成不可挽回的损失。目前国内外已发生多起内部或外部故障引起储能电池爆炸事件，造成人员伤亡财产损失，储能安全问题仍未能得到有效解决。
3.在现有的分级保护装置中，分别有pack级，簇级和舱级保护，然而在发生短路情况时，需要依赖于对回路电压，电流等信号的检测，并通过传输的数据进行判断，系统会造成一定延迟，且系统复杂，可靠性不能保证，一旦信号采集出现偏差和故障，对整个系统的保护将会失效，造成火灾等大事故。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种电池簇，包括：第一级弧闪保护器和n个用于储存电能的电池包；当n为偶数时，第一级弧闪保护器设置在第n/2个电池包和第(n/2)+1个电池包之间；当n为奇数时，第一级弧闪保护器设置在第（n-1）/2个电池包和第(n+1)/2个电池包之间；第一级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第一时间内断开相应电池包之间的连接；电池包包括第三级弧闪保护器和电芯，第三级弧闪保护器与电芯串联，第三级弧闪保护器的第一端与电芯的阳极连接；第三级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第三时间内断开电芯之间的连接。
5.在一些实施例中，第一级弧闪保护器为第一熔断器，第三级弧闪保护器为第三熔断器。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种储能系统，包括：变流设备、第四级弧闪保护器、直流母线和若干条直流干路，其中，第四级弧闪保护器的第一端连接至变流设备的直流侧，第四级弧闪保护器的第二端连接至直流母线；第四级弧闪保护器用于在储能系统发生短路时，于第四时间内断开变流设备和直流母线之间的连接；直流干路包括第二级弧闪保护器，以及如上所述的电池簇；第二级弧闪保护器的第一端连接至直流母线，第二级弧闪保护器的第二端连接至电池簇；第二级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第二时间内断开相应电池簇和直流母线之间的连接。
7.在一些实施例中，直流干路还包括第二隔离开关和高压直流接触器，其中，第二隔离开关的第一端连接至直流母线，第二隔离开关的第二端连接至高压直流接触器的第一端，高压直流接触器的第二端连接至第二级弧闪保护器的第一端。
8.在一些实施例中，直流干路还包括手动维修保护开关和电压采样点，其中，手动维修保护开关的第一端连接至第二级弧闪保护器的第二端，手动维修保护开关的第二端连接至电池簇；电压采样点设置在第二级弧闪保护器和手动维修保护开关之间。
9.在一些实施例中，第四级弧闪保护器包括第一隔离开关和第四熔断器，其中，第一隔离开关的第一端连接至变流设备的直流侧，第一隔离开关的第二端连接至第四熔断器的第一端，第四熔断器的第二端连接至直流母线。
10.在一些实施例中，第一时间小于第二时间，第二时间小于第三时间，第三时间小于第四时间。
11.在一些实施例中，第四级弧闪保护器为断路器。
12.在一些实施例中，第二级弧闪保护器为第二熔断器。
13.在一些实施例中，第一熔断器、第二熔断器、第三熔断器和第四熔断器均为ar类型熔断器。
14.本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式通过设置多级短路保护点，不需要通过信号的检测和反馈，最低能够在0.1ms内分断短路电流，并实现有效灭弧。提高了短路电流分断的可靠性，缩短了短路电流的故障消除时间，减少了弧闪能量。多级保护点的结构在任一级保护点出现故障时，仍能实现分断短路电流，进一步提高了储能系统的安全性。
附图说明
15.图1是本发明实施方式提供的一种电池簇的结构示意图；图2是本发明实施方式提供的第一种储能系统的结构示意图；图3是本发明实施方式提供的第二种储能系统的结构示意图；图4是本发明实施方式提供的第三种储能系统的结构示意图；图5是本发明实施方式提供的一种第四级弧闪保护器的结构示意图。
具体实施方式
16.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语
ꢀ“
上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
17.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本技术。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
18.此外，下面所描述的本技术不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成
冲突就可以相互结合。
19.针对现有电池储能系统短路保护可靠性不高，可维护性不好和电池储能系统保护复杂且不注意弧闪能量安全性的情况下，本发明提供了一种电池簇，其结构示意图如图1所示。电池簇包括电池簇320包括第一级弧闪保护器322和n个串联的电池包321，电池包321用于储存电能。其中，第二级弧闪保护器322的第二端连接至第一个电池包321，电池簇320中包括至少2个电池包。
20.当n为偶数时，第一级弧闪保护器322设置在第n/2个电池包321和第(n/2)+1个电池包321之间；当n为奇数时，第一级弧闪保护器322设置在第（n-1）/2个电池包321和第(n+1)/2个电池包321之间。
21.第一级弧闪保护器322用于在相应直流干路发生短路时，于第一时间内断开相应电池包321之间的连接。需要说明的是，第一时间取决于第一级弧闪保护器322的类型以及参数。
22.在本技术的一些实施例中，第一级弧闪保护器322为第一熔断器，且第一熔断器的故障清除时间在0.1ms内，即第一时间为0.1ms。如将图1中所示电池簇连接至负载或电源，形成直流干路，当该电池簇中任意一处发生短路时，第一级弧闪保护器322能够在0.1ms内断开其前后两个电池包之间的连接，以避免短路电流损坏电池包、负载或电源。
23.电池包321包括第三级弧闪保护器3211和电芯3212，第三级弧闪保护器3211与电芯3212串联，第三级弧闪保护器3211的第一端与电芯3212的阳极连接。
24.第三级弧闪保护器3211用于在相应直流干路发生短路时，于第三时间内断开电芯3212之间的连接。需要说明的是，第三时间取决于第三级弧闪保护器3211的类型以及参数。
25.在本技术的一些实施例中，第三级弧闪保护器3211为第三熔断器，且第三熔断器的故障清除时间在5-20ms内，即第三时间为5-20ms。如将图1中所示电池簇连接至负载或电源，形成直流干路，当该电池簇中任意一处发生短路时，假定第一级弧闪保护器322发生故障，则第三级弧闪保护器3211便会起作用，在5-20ms内断开其前后两个电芯之间的连接，以避免短路电流损坏电池包、负载或电源。
26.多级弧闪保护器保障了电池簇的安全可靠性，当该电池簇所形成的支路发生短路事故，作为第一级弧闪保护器322的第一熔断器则会迅速熔断，不需要信号的监测和反馈来进行判断，熔断时间在0.1ms级别，弧闪能量预估值低于0.042cal/cm
²
，大大低于标准值1.2cal/cm
²
，弧闪边界低于8cm。
27.若第一级弧闪保护器322发生故障，则作为第三级弧闪保护器3211的第三熔断器会迅速熔断。并且若第一级弧闪保护器322受短路电流冲击损坏，也可以很方便地对第一级弧闪保护器322进行更换，提高可维护性。
28.在本技术的一些实施例中，第一熔断器和第三熔断器均为ar类型熔断器。
29.需要说明的是，熔断器是根据其功能来划分其工作等级的。第1字母表示功能等级，第2字母是表示被保护的对象。第1字母：a代表局部范围保护；g代表全范围保护。第2字母：g代表电缆和导线保护；m代表开关电器保护；r代表半导体保护；l代表电缆和导线保护；熔断器ar则是代表局部范围的半导体保护。
30.本发明实施例通过在电池簇中设置多级短路保护点，实现了在该电池簇所形成支路中发生短路时，不需要通过信号的检测和反馈，最低能够在0.1ms内分断短路电流，并实
现有效灭弧。提高了短路电流分断的可靠性，缩短了短路电流的故障消除时间，并减少了弧闪能量，多级保护点的结构在任一级保护点出现故障时，仍能实现分断短路电流，进一步提高了电池簇的安全性。
31.基于上述实施例所提供的电池簇，本本技术实施例提供了一种储能系统，其结构示意图如图2所示。该储能系统包括变流设备20、第四级弧闪保护器100、直流母线200和若干条直流干路300。
32.其中，第四级弧闪保护器100的第一端连接至变流设备20的直流侧，第四级弧闪保护器100的第二端连接至直流母线200。
33.第四级弧闪保护器100用于在储能系统发生短路时，于第四时间内断开变流设备20和直流母线200之间的连接。需要说明的是，第四时间取决于第四级弧闪保护器100的类型以及参数。
34.在本技术的一些实施例中，第四级弧闪保护器100为断路器，且该断路器的故障清除时间在15-40ms内，即第四时间为15-40ms。如将图2中所示储能系统任意一处发生短路时，第四级弧闪保护器100能够在15-40ms内断开变流设备20和直流母线200之间的连接。
35.直流干路300连接到直流母线200，直流干路300包括第二级弧闪保护器310和电池簇320，第二级弧闪保护器310的第一端连接至直流母线200。第二级弧闪保护器310的第二端连接至电池簇320，电池簇320包括第一级弧闪保护器322和n个串联的电池包321；其中，第二级弧闪保护器322的第二端连接至第一个电池包321，电池簇320中包括至少2个电池包。
36.第二级弧闪保护器310用于在相应直流干路发生短路时，于第二时间内断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。需要说明的是，第二时间取决于第二级弧闪保护器310的类型以及参数。
37.在本技术的一些实施例中，第二级弧闪保护器310为第二熔断器，且第二熔断器的故障清除时间在1-1.5ms内，即第二时间为1-1.5ms。如将图2中所示储能系统中与第二级弧闪保护器310相对应的支路中任意一处发生短路时，第二级弧闪保护器310能够在1-1.5ms内断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。
38.第二级弧闪保护器310的熔断时间在1.5ms级别，弧闪能量预估值低于0.212cal/cm
²
,大大低于标准值1.2cal/cm
²
，弧闪边界低于19cm。
39.结合上述实施例，需要说明的是，第一级弧闪保护器322、第二级弧闪保护器310、第三级弧闪保护器3211和第四级弧闪保护器100的生效存在优先级。在本实施例中，通过对第一级弧闪保护器322、第二级弧闪保护器310、第三级弧闪保护器3211和第四级弧闪保护器100的类型以及参数的选取，确定了如下的优先级关系：第一级弧闪保护器322》第二级弧闪保护器310》第三级弧闪保护器3211》第四级弧闪保护器100。在优先级高的弧闪保护器触发处理了相应的短路故障后，其余的弧闪保护器则不会触发。
40.若是优先级高的弧闪保护器发生故障，无法对已经发生的短路故障作出相应的应对时，优先级处于下一级的弧闪保护器才会触发。例如：当第一级弧闪保护器322所处直流干路发生短路时，若第一级弧闪保护器322发生故障，则作为第二级弧闪保护器310的第二熔断器会迅速熔断，以断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。若第一级弧闪保护器322和第二级弧闪保护器310同时故障，则作为第三级弧闪保护器3211的第三熔断器会迅
速熔断，以断开其前后两个电芯3212之间的连接。若第一级弧闪保护器322、第二级弧闪保护器310和第三级弧闪保护器3211同时故障，则作为第四级弧闪保护器100的断路器会迅速触发，以断开变流设备20和直流母线200之间的连接。
41.在本技术的一些实施例中，第二熔断器为ar类型熔断器。
42.本发明实施例通过设置多级短路保护点，不需要通过信号的检测和反馈，最低能够在0.1ms内分断短路电流，并实现有效灭弧。提高了短路电流分断的可靠性，缩短了短路电流的故障消除时间，减少了弧闪能量，多级保护点的结构在任一级保护点出现故障时，仍能实现分断短路电流，进一步提高了储能系统的安全性。
43.本技术实施方式还提供了第二种储能系统，其结构示意图如图3所示。该储能系统包括变流设备20、第四级弧闪保护器100、直流母线200和若干条直流干路300。
44.其中，第四级弧闪保护器100的第一端连接至变流设备20的直流侧，第四级弧闪保护器100的第二端连接至直流母线200。
45.第四级弧闪保护器100用于在储能系统发生短路时，于第四时间内断开变流设备20和直流母线200之间的连接。需要说明的是，第四时间取决于第四级弧闪保护器100的类型以及参数。
46.在本技术的一些实施例中，第四级弧闪保护器100为断路器，且该断路器的故障清除时间在15-40ms内，即第四时间为15-40ms。如将图3中所示储能系统任意一处发生短路时，第四级弧闪保护器100能够在15-40ms内断开变流设备20和直流母线200之间的连接。
47.直流干路300连接到直流母线200，直流干路300包括第二级弧闪保护器310、电池簇320、第二隔离开关330和高压直流接触器340，第二级弧闪保护器310的第一端连接至直流母线200。
48.其中，第二隔离开关330的第一端连接至直流母线200，第二隔离开关330的第二端连接至高压直流接触器340的第一端，高压直流接触器340的第二端连接至第二级弧闪保护器310的第一端。
49.第二级弧闪保护器310的第二端连接至电池簇320，电池簇320包括第一级弧闪保护器322和n个串联的电池包321；其中，第二级弧闪保护器322的第二端连接至第一个电池包321，电池簇320中包括至少2个电池包。
50.第二级弧闪保护器310用于在相应直流干路发生短路时，于第二时间内断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。需要说明的是，第二时间取决于第二级弧闪保护器310的类型以及参数。
51.在本技术的一些实施例中，第二级弧闪保护器310为第二熔断器，且第二熔断器的故障清除时间在1-1.5ms内，即第二时间为1-1.5ms。如将图3中所示储能系统中与第二级弧闪保护器310相对应的支路中任意一处发生短路时，第二级弧闪保护器310能够在1-1.5ms内断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。
52.本技术实施方式还提供了第三种储能系统，其结构示意图如图4所示。该储能系统包括变流设备20、第四级弧闪保护器100、直流母线200和若干条直流干路300。
53.其中，第四级弧闪保护器100的第一端连接至变流设备20的直流侧，第四级弧闪保护器100的第二端连接至直流母线200。
54.第四级弧闪保护器100用于在储能系统发生短路时，于第四时间内断开变流设备
20和直流母线200之间的连接。需要说明的是，第四时间取决于第四级弧闪保护器100的类型以及参数。
55.在本技术的一些实施例中，第四级弧闪保护器100为断路器，且该断路器的故障清除时间在15-40ms内，即第四时间为15-40ms。如将图4中所示储能系统任意一处发生短路时，第四级弧闪保护器100能够在15-40ms内断开变流设备20和直流母线200之间的连接。
56.直流干路300连接到直流母线200，直流干路300包括第二级弧闪保护器310、电池簇320、第二隔离开关330、高压直流接触器340、手动维修保护开关350和电压采样点360，第二级弧闪保护器310的第一端连接至直流母线200。
57.需要说明的是，手动维修保护开关（manual service disconnect，msd）是用于保护在高压环境下维修电动汽车的技术人员安全或应变突发的事件，可以快速分离高压电路的连接，使维修等工作出于一种较为安全的状态，如外部短路情况保护，维修时需要断开高压。
58.其中，第二隔离开关330的第一端连接至直流母线200，第二隔离开关330的第二端连接至高压直流接触器340的第一端，高压直流接触器340的第二端连接至第二级弧闪保护器310的第一端。
59.第二级弧闪保护器310的第二端连接至手动维修保护开关350的第一端，电压采样点360设置在第二级弧闪保护器310和手动维修保护开关350之间；手动维修保护开关350的第二端连接至电池簇320，电池簇320包括第一级弧闪保护器322和n个串联的电池包321；其中，第二级弧闪保护器322的第二端连接至第一个电池包321，电池簇320中包括至少2个电池包。
60.第二级弧闪保护器310用于在相应直流干路发生短路时，于第二时间内断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。需要说明的是，第二时间取决于第二级弧闪保护器310的类型以及参数。
61.在本技术的一些实施例中，第二级弧闪保护器310为第二熔断器，且第二熔断器的故障清除时间在1-1.5ms内，即第二时间为1-1.5ms。如将图4中所示储能系统中与第二级弧闪保护器310相对应的支路中任意一处发生短路时，第二级弧闪保护器310能够在1-1.5ms内断开相应电池簇320和直流母线200之间的连接。
62.本技术实施例提供的储能系统的核心器件为熔断器，且均设置为ar类型熔断器，独立于现有的三级bms控制系统之外，通过设置四级短路保护点，对应四级弧闪保护器，最低至0.1ms内分断短路电流，而且能有效灭弧，提高了短路电流分断的可靠性，大大缩短了短路电流的故障消除时间，减小了弧闪能量，且多级保护点的结构在任一级保护点出现故障时，仍能实现分断短路电流，进一步提高了储能系统的安全性。
63.在上述实施例中，第四级弧闪保护器100均为断路器，本技术实施方式还提供了另一种第四级弧闪保护器100，其结构示意图如图5所示。该第四级弧闪保护器100包括第一隔离开关110和第四熔断器120。
64.其中，第一隔离开关110的第一端连接至变流设备20的直流侧，第一隔离开关110的第二端连接至第四熔断器120的第一端，第四熔断器120的第二端连接至直流母线200。
65.在本技术的一些实施例中，第四熔断器120为ar类型熔断器。
66.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；在本
申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上的本技术的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种电池簇，其特征在于，包括：第一级弧闪保护器和n个用于储存电能的电池包；当n为偶数时，所述第一级弧闪保护器设置在第n/2个电池包和第(n/2)+1个电池包之间；当n为奇数时，所述第一级弧闪保护器设置在第（n-1）/2个电池包和第(n+1)/2个电池包之间；所述第一级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第一时间内断开相应电池包之间的连接；所述电池包包括第三级弧闪保护器和电芯，所述第三级弧闪保护器与所述电芯串联，所述第三级弧闪保护器的第一端与所述电芯的阳极连接；所述第三级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第三时间内断开电芯之间的连接。2.根据权利要求1所述的电池簇，其特征在于，所述第一级弧闪保护器为第一熔断器，所述第三级弧闪保护器为第三熔断器。3.一种储能系统，其特征在于，包括：变流设备、第四级弧闪保护器、直流母线和若干条直流干路，其中，所述第四级弧闪保护器的第一端连接至所述变流设备的直流侧，所述第四级弧闪保护器的第二端连接至所述直流母线；所述第四级弧闪保护器用于在所述储能系统发生短路时，于第四时间内断开所述变流设备和所述直流母线之间的连接；所述直流干路包括第二级弧闪保护器，以及如权利要求1或2所述的电池簇；所述第二级弧闪保护器的第一端连接至所述直流母线，所述第二级弧闪保护器的第二端连接至所述电池簇；所述第二级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第二时间内断开相应电池簇和所述直流母线之间的连接。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直流干路还包括第二隔离开关和高压直流接触器，其中，所述第二隔离开关的第一端连接至所述直流母线，所述第二隔离开关的第二端连接至所述高压直流接触器的第一端，所述高压直流接触器的第二端连接至所述第二级弧闪保护器的第一端。5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直流干路还包括手动维修保护开关和电压采样点，其中，所述手动维修保护开关的第一端连接至所述第二级弧闪保护器的第二端，所述手动维修保护开关的第二端连接至所述电池簇；所述电压采样点设置在所述第二级弧闪保护器和所述手动维修保护开关之间。6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第四级弧闪保护器包括第一隔离开关和第四熔断器，其中，所述第一隔离开关的第一端连接至所述变流设备的直流侧，所述第一隔离开关的第二端连接至所述第四熔断器的第一端，所述第四熔断器的第二端连接至所述直流母线。7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一时间小于所述第二时间，所述第
二时间小于所述第三时间，所述第三时间小于所述第四时间。8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第四级弧闪保护器为断路器。9.根据权利要求3-8任一项所述的系统，其特征在于，所述第二级弧闪保护器为第二熔断器。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，第一熔断器、所述第二熔断器、第三熔断器和第四熔断器均为ar类型熔断器。

技术总结
本发明实施方式公开了一种电池簇及其储能系统。该电池簇包括：第一级弧闪保护器和n个用于储存电能的电池包；第一级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第一时间内断开相应电池包之间的连接；电池包包括第三级弧闪保护器和电芯，第三级弧闪保护器与电芯串联，第三级弧闪保护器的第一端与电芯的阳极连接；第三级弧闪保护器用于在相应直流干路发生短路时，于第三时间内断开电芯之间的连接。通过上述方式，本发明通过设置多级短路保护点，能够在更短时间内分断短路电流，并实现有效灭弧，提高短路电流分断的可靠性，减少弧闪能量。多级保护点的结构在任一级保护点出现故障时，仍能实现分断短路电流，进一步提高了储能系统的安全性。的安全性。的安全性。


技术研发人员：肖荣
受保护的技术使用者：深圳市首航新能源股份有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/13