担心电池组发生电弧故障？特斯拉电弧故障检测系统来解决！

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近年来，由于气候变化等各方面的因素，分布式可再生能源发电系统（即使用太阳能、风能、燃料电池等可再生资源产生能源的系统）迅速增加。其中，太阳能发电系统应用最为广泛。

太阳能发电系统包括光伏（PV）模块，可以将太阳能转换为电力提供给公用电网或负载。一些光伏能量产生系统可以将来自PV模块和公用电网的能量存储在电池中以供将来使用。

【现有技术的方案】

光伏（PV）能量产生系统通常包括在一个或多个阵列中连接在一起的光伏模块阵列，其产生来自太阳的直流（DC）功率；一个或多个PV转换器将来自阵列的DC功率转换成AC功率，然后通过物理接口进入公用电网。

传统的太阳能发电系统将过量的AC电力能量提供回公用电网，从而为客户带来成本效益或产生电网服务的来源。目前存在两种类型的PV能量产生系统：交流（AC）耦合光伏系统和直流（DC）耦合光伏系统。

01、交流耦合光伏系统

图1

如图1所示，交流耦合光伏系统100包括用于产生直流电的光伏阵列102和用于将产生的直流电转换为交流电的PV转换器104。光伏阵列102可以是单个光伏组件或光伏组件阵列，能够从太阳等光源发出的光子产生直流电压。

PV转换器104包括用于将接收到的来自光伏阵列102的直流电源上升或下降到合适的倒置水平的DC/DC转换器108，以及用于将直流电源转换为交流电源以输出到交流电网106和备用负载108的DC/AC转换器110。

交流耦合光伏系统100还包括用于储存能量的电池组114。电池组114可以是任何铅酸或高级铅酸、锂离子电池、流动电池、有机电池组等。

电池组114释放的电能可提供给存储转换器116，存储转换器116包括用于将电池组114提供的直流电压升高或降低到适合的倒置水平的DC/DC转换器118。存储转换器116还包括用于将电池组114的直流电源转换为交流电源以输出到交流电网106或备用负载108的DC/AC转换器120。

传输继电器124可在存储转换器116内设置，以在存储转换器116和交流电网106或备用负载108之间直接供电。在各种实施例中，当传输继电器124处于第一位置时，存储转换器116可向交流电网106提供电源或从交流电网106接收电源；当传输继电器124处于第二位置时，存储转换器116可向备用负载108提供电源。

图2

02、直流耦合光伏系统

另一种类型的光伏系统是如图2所示的直流耦合光伏系统，包括用于产生直流电的光伏阵列202和用于将产生的直流电转换为交流电以输出到交流电网214或备用负载216的转换器电源控制系统204。

在各种实施例中，当传输继电器224处于第一位置时，转换器电源控制系统204可向交流电网214提供电源或从交流电网214接收电源；当传输继电器224处于第二位置时，转换器电源控制系统204可向备用负载216提供电源。

转换器电源控制系统204包括DC/DC转换器206，以确保提供给DC/AC转换器208的电压足够高。

转换器电源控制系统204还包括连接到电池组210的直流连接总线，以便来自光伏阵列202的直流电源可用于向电池组210输送直流电源。直流连接总线由电容器组207表示，电容器组207显示在图2中的两个DC/DC转换器206和212以及DC/AC转换器208之间。

电池组210可具有最小和最大相关工作电压窗口，例如12伏到1000伏。由于电池组210具有最大暴露输入电压限制（例如，1000伏），在许多情况下，该限制低于串输出的理论最大直流电压（例如，开路时为600-1000伏），因此可以在串级光伏之间设置降压升压电路206或212。

转换器电源控制系统204的输入与电池组210的直流连接。降压升压电路电路206或电路212的加入将防止电池组210暴露在高于安全阈值的电压下，从而消除因过电压应力而损坏电池组210的可能性。

上述两种光伏能量产生系统包括许多彼此相互作用的部件，这些部件在制造、运输或组装过程中可能被损坏或被不正确地安装，这可能导致电气不连续性，因而可能立即引起或随时间累积诸如电弧的热事件。

电弧放电是通过通常不导电的介质（例如空气）的电流放电。如果不立即解决热事件，则这种热事件的发生可能导致能量产生系统的一个或多个电气部件的损坏。

解读：目前常用的光伏能量产生系统中会产生电弧，但是针对电弧没有很好的解决办法，从而可能导致能量产生系统的一个或多个电气部件的损坏，整个系统无法正常运行。

【 特斯拉的解决方案】

特斯拉的一份名为“发电系统电池组电弧故障检测”的专利 （公开号：US20190058338A1） 提供了一种解决方案，此专利于2017年8月15日申请，并于2019年2月21日公开。

图3

图3是电池组300的简化图，电池组300可包括电池阵列302和DC/DC转换器306。电池阵列302可以由多个单独的电池单元304a-304h构成，这些电池单元可以以各种配置排列。

DC/DC转换器306可耦合至电池阵列302以管理从外部装置（例如，转换器316可为本文所讨论的任何转换器，例如图1中的存储转换器116和图2中的转换器电源控制系统204）输入到电池阵列302的电压，并由电池阵列输出至外部设备。

电池组300还可以包括一个或多个电池管理系统，用于控制电池组300内电气部件的操作。例如，电池管理系统308可以启用或禁用电池阵列302的整体或部分操作。

例如，电池管理系统308可以启用单元304a-d的操作，禁用单元304e-h的操作。除了电池管理系统308，电池组300还可以包括转换器管理系统310，可以管理电池组300内电压转换器的操作。

例如，转换器管理系统310可以启用/禁用电池直流直流转换器306的操作，以便将电源输出到转换器，例如，转换器316，或者启用/禁用电池直流到直流转换器306的操作，以便接收来自转换器316的输入电源。电池组300还可包括一组正负输出端子312，通过该端子电源可从电池组300输出或输入至电池组300。

图4

图4是电池组400实施例的简化图，所述电池组400具有耦合在电池单元和用于检测起弧事件的电池转换器之间的电弧故障检测系统。

与图3中的电池组300类似，电池组400可包括电池阵列302、DC/DC转换器306、电池管理系统308和转换器管理系统310。电池组400可通过一组输出端子312和314连接到转换器316，用于接收和输出功率。

电池组400的电弧故障检测系统可以包括控制器402和多个传感器404、406和408。控制器402可以是任何合适的电子设备，包括存储器和处理器，处理器配置为根据存储器中的指令执行命令，根据传感器404、406和408的信息对系统308和310进行管理。

例如，控制器402可以是微控制器、现场可编程门阵列（FPGA）等。控制器402可配置为接收来自传感器404、406和408关于单元阵列302和DC/DC转换器306之间的电压水平和电流量的测量。

传感器404可以是耦合在电池阵列302和DC-DC转换器306之间的正电源线410和负电源线412上的电压传感器。在电池放电过程中，储存在电池阵列302中的能量首先输出到直流变换器306，然后输出到正负极312和314，再输出到转换器316。

因此，传感器404可以测量来自电池阵列302的正极和负极电源线410和412之间的电压，以确定在电池放电期间电池阵列302之间是否发生电气不连续或电弧。如果电池阵列302内出现电气不连续或电弧，则传感器404可以测量电弧引起的电压水平异常。

控制器402可以从传感器404和控制信息管理系统308接收这些测量值，以禁用单元阵列302。通过在检测到电气不连续或电弧时禁用电池阵列302，电弧故障检测系统可以防止对电池组400或能量生成系统内的其他组件进一步损坏。

在一些实施例中，控制器402还可以耦合到转换器管理系统310，并且可以配置为在检测到电气不连续或电弧事件时禁用DC-DC转换器306。因此，当单元阵列302被禁用时，直流-直流转换器306可能无法继续工作。

除了用于在电池放电期间测量来自电池阵列302的正负电源线410和412之间的电压的传感器404外，还可以沿着各自的正负电源线410和412设置传感器406和408，以测量流过的电流量。

例如，传感器406可以是电流传感器，用于测量从单元阵列302流过正电源线410的电流量。同样，传感器408可以是用于测量从单元阵列302流过负电源线412的电流量的电流传感器。如果电池阵列302和/或正负电源线410/412中出现电气不连续或电弧，则传感器406和/或408可以测量电池放电期间电弧引起的电流异常。

控制器402可以从传感器406和/或408接收这些测量值，并控制电池BMS 308以禁用电池阵列302，以防止对电池组400或能量生成系统内的其他组件造成进一步损坏。

解读：通过在电池组中设置一种电弧故障检测系统，对电池组中的电压和电流进行检测，当检测到电压或电流异常时，电弧故障检测系统禁止电池组工作。

总结

特斯拉提供的技术方案，提供一种电弧故障检测系统，通过在发生热事件时关闭和/或禁用电池组来最小化由电池组中的热事件引起的损坏；电弧故障检测系统可包括一个或多个传感器和控制器；控制器可以被配置为从传感器接收信息并且当接收的信息指示已经发生热事件时立即禁用电池组，从而最小化对能量产生系统造成不可修复的损坏的机会。

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