BR102015003807A2 - Energy storage system, energy conversion system and method for protecting an energy storage system. - Google Patents

Energy storage system, energy conversion system and method for protecting an energy storage system. Download PDF

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Abstract

trata-se de um sistema de armazenamento de energia de bateria (1 ), sendo que o sistema de armazenamento de energia de bateria (1) compreende um conjunto de bateria recarregável (3) para armazenar e fornecer energia e um sistema de proteção (19) que inclui um dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26') para proteger contra riscos devido a arcos voltaicos. o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26') compreende uma unidade de proteção de corrente excessiva (32) que detecta condições de corrente excessiva que indicam condições de arco voltaico no caso de uma baixa impedância do conjunto de bateria (3) e uma unidade de proteção de subtensão (33) que detecta condições de subtensão que indicam condições de arco voltaico no caso de uma baixa impedância do conjunto de bateria (3), em que, mediante a detecção das condições de corrente excessiva e/ou das condições de subtensão durante um período de tempo mínimo predeterminado, o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26') inicia medidas de proteção para evitar a operação adicional do conjunto de bateria (3). um sistema de conversão de energia (34) que compreende tal sistema de armazenamento de energia de bateria (1 ), o qual pode ser usado para aplicações de distribuição ou abastecimento de energia móvel e estacionária, também é revelado.

Description

“SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA, SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA E MÉTODO PARA PROTEGER UM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA” Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se ao campo de sistemas de armazenamento de energia de batería e a sistemas de energia com sistemas de armazenamento de energia de batería, em geral, e a um sistema de armazenamento de energia de batería que compreende um dispositivo de proteção de arco voltaico, um sistema de conversão de energia com tal sistema de armazenamento de energia de batería, em particular, e a um método para a proteção dos mesmos.
[002] De modo crescente, os sistemas de armazenamento de energia de batería são usados em multas aplicações móveis e estacionárias. Por exemplo, os sistemas de armazenamento de energia de batería são usados em conjunto com sistemas de distribuição de energia e abastecimento de energia em redes que usam uma parte de fontes de energia renovável. Os armazenamentos de energia de batería permitem o equilíbrio de abastecimentos de energia que flutuam devido às fontes de energia renovável, o aperfeiçoamento da estabilidade líquida e qualidade líquida através de suavização de pico e equilíbrio de carga, o deslocamento de energia fotovoltaica renovável a partir de dia para noite e/ou da energia eólica para tempos com pouco vento e, desse modo, permitem uma fonte de alimentação confiável durante um período de tempo prolongado. Os sistemas de armazenamento de energia de batería são amplamente usados em usinas elétricas de armazenamento de energia de batería para o uso no setor privado, assim como em usinas grandes com saídas de potência de até vários megawatts, assim com em veículos elétricos.
[003] Os sistemas de armazenamento de energia de batería e sistemas de distribuição e abastecimento de energia com base nos mesmos precisam ser bem protegidos contra curtos-circuitos. Devido às impedâncias de ciclo relativamente baixas em redes de distribuição e abastecimento de energia elétrica, os curtos-circuitos ou falhas de isolamento podem resultar em correntes de curto-circuito extremamente altas de até várias dezenas de kA. Em conjunto com isso, uma formação de arco voltaico - um chamado arco voltaico ou falha em arco - pode se formar entre os componentes do sistema e pode conduzir potencialmente para danos térmicos dos componentes e pode apresentar um risco para as pessoas, por exemplo, o pessoal que mantêm o sistema. Portanto, o trabalho nas áreas em que existe um risco de arco elétrico exige o uso de vestuário protetor à prova de fogo adequado e o uso de ferramentas adequadas.
[004] De fato, diversas medidas e fusíveis para a prevenção de arcos voltaicos e danos causados pelos mesmos têm sido conhecidas. Por exemplo, os corta corrente ou fusíveis eletrônicos e disjuntores de linha projetados e dispostos adequadamente têm capacidade para interromper fluxos de corrente em uma situação de falha e, desse modo, impedem danos adicionais para a usina. Essencialmente, essas medidas têm por base uma proteção de corrente excessiva. Se a corrente de falha detectada exceder um limiar predefinido, o fluxo de corrente é interrompido.
[005] Descobriu-se que, como um resultado disso, um sistema de armazenamento de energia de batería não pode ser completamente protegido contra correntes de curto-circuito ou correntes de falha. Se, em particular, a impedância interna da batería aumentar, a corrente de curto-circuito pode não ser potencialmente forte o suficiente para disparar o dispositivo de corrente excessiva. A impedância interna de uma bateria varia dentro de uma ampla faixa conforme uma função das propriedades químicas da bateria, suas condições de operação, por exemplo, a temperatura, o estado de carga da batería, e similares. No evento de uma falha de curto-circuito na bateria ou no sistema conectado à mesma, a corrente de curto-circuito é uma função da impedância interna da bateria. Se a intensidade da corrente de curto-circuito for comparável a ou menor que a da corrente de operação nominal, é difícil ou impossível detectar a condição de falha com a proteção de corrente excessiva. Se tal condição de curto-circuito permanecer não detectada, isso pode conduzir a formação de arco voltaico de longa duração, resultando em dano considerável para o sistema de bateria, os componentes adjacentes e pode causar lesões em pessoas.
[006] É desejável que todas essas condições de curto-circuito sejam detectadas e um comutador de segurança ou outro tal dispositivo seja disparado para desligar com segurança o sistema. Em particular, também as condições de arco voltaico de longa duração com baixas correntes de curto-circuito devem ser evitadas a fim de impedir danos para o sistema de armazenamento de energia de bateria e para os sistemas conectados ao mesmo e para minimizar riscos de saúde e riscos para a vida das pessoas.
Breve Descrição da Invenção [007] De acordo com um aspecto da presente invenção, é fornecido um sistema de armazenamento de energia de bateria que tem um conjunto de bateria e um sistema de proteção para o conjunto de bateria. O conjunto de bateria é adaptado para o armazenamento e fornecimento de energia e é recarregável. O sistema de proteção compreende um dispositivo de proteção de arco voltaico para a proteção do conjunto de bateria, e de pessoas, contra os riscos de formação de arco voltaico. O dispositivo de proteção de arco voltaico é configurado para detectar uma corrente de bateria liberada pelo conjunto de bateria e comparar a mesma com um limiar de corrente máxima predefinido, detectar uma tensão liberada pelo conjunto de bateria e comparar a mesma com um limiar de tensão mínima predefinido, e, no evento em que a corrente de batería detectada é maior que o limiar de corrente máxima e/ou a tensão de bateria detectada é menor que o limiar de tensão mínima, determinar que as condições de arco voltaico existem e iniciar medidas de proteção para evitar uma operação continuada do conjunto de bateria.
[008] A invenção combina uma proteção de corrente excessiva com uma proteção de subtensão a fim de detectar diferentes condições de curto-circuito e outras condições de corrente de falha e para impedir ou evitar condições de arco voltaico. Se uma corrente de bateria que caracteriza uma corrente de bateria máxima permissivel em uma situação de falha ou situação de curto-circuito for excedida, o dispositivo de proteção de arco voltaico assegura que o fluxo de corrente de bateria seja interrompido e, desse modo, a respectiva corrente de curto-circuito ou corrente de falha é seletivamente desligada. Além disso, o dispositivo de proteção de arco voltaico detecta níveis de tensão especialmente baixos da tensão de bateria. Se a tensão de bateria for abaixo de um limiar de tensão mínima predefinido que é uma determinada quantidade abaixo de uma tensão de bateria mínima exigida ou permissivel para um modo de bateria normal, o dispositivo de proteção de arco voltaico detecta uma falha e dispara os dispositivos de proteção adequados para evitar ou impedir até arcos voltaicos de longa duração que exibem baixa intensidade de corrente. Esses não poderíam ser de outro modo detectados pelo dispositivo de proteção de corrente excessiva e resultariam no dano do sistema de bateria ou dispositivos adjacentes, e colocar em risco a saúde e vida de pessoas. Desse modo, é fornecida uma base para uma operação segura e confiável de um sistema de armazenamento de energia de bateria que cobre um amplo espectro. A energia introduzida em uma situação de falha pode ser reduzida a um nível relativamente não perigoso, reduzindo, assim, o esforço e custos de manutenção. O sistema de armazenamento de energia de bateria que compreende o dispositivo de proteção de arco voltaico inventivo pode ser usado em todos os tipos de aplicações de batería, em aplicação estacionária na faixa de multi-MWh, e em aplicações móveis, tais como, por exemplo, veículos elétricos, ou similares.
[009] O conjunto de batería pode compreender ao menos um módulo de batería formado por várias células de batería que são conectadas em série a fim de fornecer uma tensão CC nominal mínima. Considerando-se diferentes realizações, isso pode ser de ao menos 450 Volts e até 600 Volts ou mais, conforme exigido.
[010] Um ou mais tais módulos de bateria também podem ser conectados em paralelo a fim de alcançar altas saídas nominais de, por exemplo, ao menos 0,5 MW, ou até 1,0 MW ou mais. Tais conjuntos de bateria são muito adequados em conjunto com os sistemas de distribuição de energia e abastecimento de energia para formar usinas elétricas de armazenamento de energia de bateria para os campos de uso privados e comerciais.
[011] As células de bateria podem ser com base em qualquer tecnologia de bateria, tal como, por exemplo, lítio-íon, chumbo-ácido, níquel-cádmio, sódio-enxofre, sódio-níquel-cloreto, ou qualquer outra tecnologia adequada.
[012] Em uma realização, o sistema de armazenamento de energia de bateria compreende, adicionalmente, uma linha de abastecimento de tensão CC positiva que é conectada a um terminal positivo do conjunto de bateria e compreende uma linha de abastecimento de tensão CC negativa que é conectada a um terminal negativo do conjunto de bateria, em tal caso, a linha de abastecimento de tensão CC negativa ou positiva inclui um comutador controlável para a interrupção da conexão de linha, conforme exigido. Preferencialmente, as duas linhas de abastecimento de tensão CC incluem comutadores adequados que podem ser usados para a separação galvânica da bateria a partir do sistema conectado quando as condições de arco voltaico são detectadas. Os comutadores controláveis são, de preferência, contatores de bateria internos que, vantajosamente, podem já ser uma parte integral de um módulo de bateria.
[013] Preferencialmente, o sistema de armazenamento de energia de bateria compreende um sensor de corrente que detecta a corrente real liberada pelo conjunto de bateria e libera um sinal de corrente que representa a corrente real detectada, e compreende um sensor de tensão que detecta a tensão real atualmente liberada pelo conjunto de bateria e libera um sinal de tensão que representa a tensão real detectada.
[014] Adicionalmente, o sistema de armazenamento de energia de bateria pode compreender um sistema de gerenciamento de bateria para monitorar e controlar o conjunto de bateria recarregável. O sistema de gerenciamento de bateria pode realizar uma grande quantidade de funções, que incluem aquela de uma proteção de célula de bateria, um controle de carga, um gerenciamento de carga, uma determinação do estado de carga da bateria, uma determinação da saúde da célula, um equilíbrio da tensão de célula, e similares. Em qualquer evento, o sistema de gerenciamento de bateria compreende, de preferência, um dispositivo de controle que determina o estado de carga do conjunto de bateria e detecta e evita uma sobrecarga ou sobredescarga do conjunto de bateria.
[015] Em particular, o sistema de gerenciamento de bateria pode ser conectado ao sensor de corrente e ao sensor de tensão que pode já ser uma parte integral do módulo de bateria, a fim de receber os sinais de corrente e sinais de tensão a partir dos mesmos. Nesse caso, o dispositivo de controle pode ser adaptado para comparar o sinal de tensão liberada pelo sensor de tensão com um limite de tensão de descarga, a fim de detectar e evitar um estado sobredescarregado do conjunto de bateria que seria descarregada de forma muito intensa para uma operação normal.
[016] O limite de tensão de descarga é, de preferência, selecionado claramente maior que o limiar de tensão mínima usado pelo sistema de proteção para a proteção de arco voltaico. Esse limiar de tensão pode ser selecionado para ser ao menos uma vez e meia maior que o limiar de tensão mínima. Em uma realização, na qual o conjunto de batería exibe uma tensão máxima de aproximadamente 600 Volts e uma faixa de tensão nominal de aproximadamente 450 Volts a 577 Volts, o limite de tensão de descarga se situa, de preferência, dentro da faixa de 420 Volts e 450 Volts, enquanto que o limiar de tensão mínima se situa dentro de uma faixa de 150 Volts e 300 Volts, de preferência, entre 200 Volts e 250 Volts.
[017] Em uma realização preferencial, o sistema de proteção -que inclui o dispositivo de proteção de arco voltaico - é parte do sistema de gerenciamento de batería. Vantajosamente, o dispositivo de proteção de arco voltaico pode ser facilmente implantado e reajustado em sistemas de gerenciamento de batería existentes. Isso é verdadeiro, em particular, quando o sistema de gerenciamento de batería já recebe sinais de corrente de batería detectada e sinais de tensão de batería e usa os mesmos para outras tarefas de controle, tais como a proteção de descarga.
[018] Alternativamente, o dispositivo de proteção de arco voltaico também pode ser implantado separado do sistema de gerenciamento de batería. Por exemplo, pode ser uma parte integral do controle ou sistema de proteção de um sistema de energia que utiliza o sistema de armazenamento de energia de batería. O mesmo pode, então, utilizar os mesmos sensores de corrente e tensão como o sistema de gerenciamento de batería, ou também outros sensores. Pode atuar os mesmos comutadores de segurança em um módulo de batería como o sistema de gerenciamento de batería, ou atuar outros comutadores de segurança incluídos no sistema de energia.
[019] Em uma realização da invenção, o sistema de armazenamento de energia de batería compreende adicionalmente um fusível, por exemplo, um fusível eletrônico ou um fusível de segurança, na linha de abastecimento de tensão CC negativa e/ou positiva para a interrupção do fluxo de corrente pelo dito fusível, conforme exigido, no evento de corrente de curto-circuito de alta intensidade.
[020] Preferencialmente, o dispositivo de proteção de arco voltaico é conectado a ou equipado com um temporizador e é disposto para detectar uma primeira duração de tempo, durante a qual a corrente de batería detectada é maior que o limiar de corrente máxima, e uma segunda duração de tempo, durante a qual a tensão de batería detectada é menor que o limiar de tensão mínima, e para detectar as condições de arco voltaico e iniciar contramedidas de proteção quando a primeira duração de tempo é maior que um primeiro limiar de tempo máximo e/ou a segunda duração de tempo é maior que um segundo limiar de tempo máximo. Levando-se em consideração o fator de tempo, as detecções de falha de condições de arco voltaico atribuíveis às falhas temporárias podem ser impedidas ou reduzidas. Alternativa ou adicionalmente, os sinais de tensão e corrente também podem ser filtrados com um filtro, por exemplo, u filtro passa baixo, para esse propósito.
[021] O primeiro limiar de tempo máximo é, de preferência, menor que o segundo limiar de tempo máximo. Consequentemente, o arco voltaico de alta corrente é limitado à duração de tempo mais curta possível para impedir dano causado por fogo potencial. Considerando-se o arco voltaico de baixa corrente, a duração de tempo de detecção é maior para reduzir quaisquer detecções falhas e interrupções falhas, contudo, ainda pequena o suficiente para minimizar qualquer perigo para os componentes do sistema e pessoas. Em uma realização, o primeiro limiar de tempo máximo é, por exemplo, menor que 0,020 segundo, por exemplo, aproximadamente 0,013 segundo, enquanto que o segundo limiar de tempo máximo se situa dentro da faixa de 0,2 segundo e 1 segundo, de preferência, em aproximadamente 0,5 segundo.
[022] Em qualquer evento, o segundo limiar de tempo máximo é menor que um primeiro limiar de tempo de descarga que caracteriza a duração de tempo, durante a qual o sinal de tensão recebido pelo sistema de gerenciamento de batería precisa ser menor que o limite de tensão de descarga, para que o sistema de gerenciamento de bateria detecte uma condição sobredescarregada do conjunto de bateria.
[023] Com a finalidade de aperfeiçoar adicionalmente a segurança de detecção, o dispositivo de proteção de arco voltaico também pode compreender vários limiares de tensão e limiares de tempo para a proteção de subtensão, em tal caso, quanto menor for o limiar de tensão, menores os limiares de tempo poderão ser. Em uma realização, o dispositivo de proteção de arco voltaico, por exemplo, é disposto para comparar a tensão de bateria detectada com um primeiro limiar de tensão mínima predefinido e com um segundo limiar de tensão mínima predefinido que é menor que o primeiro limiar de tensão mínima e, no evento em que a tensão de bateria detectada durante um primeiro período de tempo é menor que o primeiro limiar de tensão mínima ou que a tensão de bateria detectada durante um segundo período de tempo que é menor que o primeiro período de tempo é menor que o segundo limiar de tensão mínima, para iniciar medidas de proteção a fim de evitar uma operação adicional do conjunto de bateria. Na realização exemplificadora implantada mencionada anteriormente que usa a tensão de bateria nominal entre 450 e 577 Volts, o primeiro limiar de tensão mínima pode ser, por exemplo, 300 Volts, e o primeiro período de tempo predefinido pode ser maior que 500 milissegundos, por exemplo, 650 milissegundos, enquanto que o segundo limiar de tensão mínima pode ser, por exemplo, 150 Volts, e o segundo período de tempo pode ser menor que 500 milissegundos, por exemplo, 350 milissegundos.
[024] O sistema de armazenamento de energia de batería de acordo com a invenção pode formar um sistema individual (um sistema independente) ou pode ser integrado em uma turbina eólica, uma usina de energia solar, ou similares.
[025] De acordo com outro aspecto da invenção, é fornecido um sistema de conversão de energia com um conjunto de batería recarregável para o armazenamento e fornecimento de energia, com um dispositivo conversor que é conectado ao conjunto de bateria através de um circuito intermediário CC, a fim de converter a energia de tensão CC do lado de entrada liberada pelo conjunto de bateria em energia de tensão CA do lado de saída e vice e versa, e com um sistema de proteção que compreende um dispositivo de proteção de arco voltaico para a proteção do sistema de conversão de energia, e de pessoas, contra os riscos de formação de arco voltaico. O dispositivo de proteção de arco voltaico é adaptado para detectar uma corrente de bateria liberada pelo conjunto de bateria e para comparar a mesma com um limiar de corrente máxima predefinido, e para detectar a tensão liberada pelo conjunto de bateria e para comparar a mesma com um limiar de tensão mínima predefinido, e para determinar, no evento em que a corrente de bateria detectada é maior que o limiar de corrente máxima e/ou a tensão de bateria detectada é menor que o limiar de tensão mínima, que as condições de arco voltaico existem, e para iniciar medidas de proteção a fim de evitar uma operação adicional do conjunto de bateria.
[026] O sistema de conversão de energia pode ser usado em diversas aplicações à base de bateria, em particular, aplicações estacionárias para o abastecimento e/ou distribuição de energia. Em tal medida, a saída do dispositivo conversor pode ser conectada, por exemplo, a uma rede, por exemplo, uma rede de abastecimento de energia pública ou uma rede independente. O sistema de armazenamento de energia de batería pode ser projetado para recolher energia excedente a partir da rede e armazenar a mesma temporariamente a fim de torná-la disponível em momentos de baixo abastecimento de energia. O sistema de conversão de energia também pode ser usado para aplicações móveis, tais como, por exemplo, para caminhões, ônibus ou automóveis elétricos.
[027] O conjunto de batería do sistema de conversão de energia compreende, de preferência, vários módulos de batería, cada um com várias células de bateria conectadas em série, em que os módulos de batería podem ser conectados paralelos um ao outro a um barramento de CC compartilhado ao qual o circuito intermediário CC é conectado. Como consequência disso, as altas tensões nominais e saídas exigidas para usinas elétricas de armazenamento de energia podem ser feitas disponíveis.
[028] Adicionalmente, o sistema de conversão de energia pode compreender um ou mais dispositivos de proteção para a proteção contra correntes de falha. Pode compreender um comutador controlável em uma linha de tensão CC positiva que é conectada a um terminal positivo do conjunto de bateria e/ou em uma linha de tensão CC negativa que é conectada a um terminal negativo do conjunto de bateria, para tornar possível a interrupção da conexão de linha, conforme exigido. Os comutadores ou comutador controlável podem ser contatores de bateria que já têm sido integrados em um módulo de bateria do conjunto de bateria. Alternativa ou adicionalmente, o sistema de conversão de energia pode compreender um fusível, por exemplo, fusível eletrônico ou fusível de segurança, na linha de abastecimento de tensão CC negativa e/ou positiva para a interrupção do fluxo de corrente através do último no evento de um curto-circuito de alta intensidade. Alternativa ou adicionalmente, um interruptor de circuito de falha do terra pode ser fornecido em uma conexão à terra entre uma linha de conexão positiva ou negativa, por meio do qual o circuito intermediário CC é conectado à linha de abastecimento de tensão CC positiva ou negativa, e um ponto de aterramento, por exemplo, um aterramento do sistema ou uma massa local. Adicionalmente, de preferência, meios alternativos ou adicionais, por exemplo, varistors, ou similares, são fornecidos para a proteção de sobretensão no lado de tensão direta e/ou no lado de tensão alternada do dispositivo conversor. Adicionalmente, de preferência, disjuntores são fornecidos nas linhas de conexão do dispositivo conversor no lado de tensão direta e/ou no lado de corrente alternada. Em uma situação de falha ou para os propósitos de manutenção, é possível separar de maneira galvânica módulos de batería defeituosos individuais, ou todo o conjunto de batería, do sistema restante.
[029] Preferencialmente, um sistema de gerenciamento de batería, por exemplo, um sistema de gerenciamento de batería alocado a cada módulo de batería, pode ser fornecido para monitorar e controlar o conjunto de batería recarregável, sendo que o dito sistema compreende um dispositivo de controle para determinar o estado de carga do conjunto de batería, e detectar e evitar uma sobrecarga e sobredescarga do conjunto de batería.
[030] O dispositivo de proteção de arco voltaico pode ser parte do gerenciamento de batería. Também pode ser integrado - de maneira separada ou independente - por exemplo, em um controle ou um sistema de proteção para o dispositivo conversor.
[031] De outra forma, as explicações relacionadas às realizações e pontos de vista vantajosos do sistema de armazenamento de energia de batería são aplicáveis, consistentes com o primeiro aspecto, ao sistema de conversão de energia e seus componentes, em particular, o conjunto de batería e o sistema de proteção - que inclui o dispositivo de proteção de arco voltaico, o sistema de gerenciamento de batería e a proteção combinada de corrente excessiva e subtensão para a prevenção de formação de arco voltaico.
[032] De acordo com mais outro aspecto, é fornecido um método para a proteção de um sistema de armazenamento de energia de batería contra os riscos de arcos voltaicos, em que o sistema de armazenamento de energia de batería compreende um conjunto de bateria recarregável para o armazenamento e fornecimento de energia de tensão CC. O método compreende as etapas a seguir: detectar uma corrente de bateria liberada pelo conjunto de bateria e liberar um sinal de corrente de bateria que caracteriza a dita corrente; comparar o sinal de corrente de bateria com um limiar de corrente máxima predefinido; detectar uma tensão de bateria liberada pelo conjunto de bateria e liberar um sinal de tensão de bateria que caracteriza a dita tensão; comparar o sinal de tensão de bateria com um limiar de tensão mínima predefinido; e, no caso em que o sinal de corrente de bateria é maior que o limiar de corrente máxima ao menos durante uma primeira duração de tempo mínima e/ou o sinal de tensão de bateria é menor que o limiar de tensão mínima durante ao menos uma segunda duração de tempo mínima, determinar que as condições de arco voltaico existem e iniciar medidas de proteção para evitar uma operação adicional do conjunto de bateria.
[033] As realizações vantajosas e pontos principais do método de proteção, de acordo com o terceiro aspecto da presente invenção, compreendem aqueles do sistema de armazenamento de energia de bateria e do sistema de conversão de energia de acordo com o primeiro e o segundo aspectos, respectivamente, da presente invenção. Com a finalidade de impedir repetições, é feita referência às explicações mencionadas anteriormente.
[034] Os detalhes vantajosos adicionais das realizações da invenção podem ser deduzidos a partir das reivindicações dependentes, dos desenhos, assim como das descrições relacionadas.
Breve Descrição dos Desenhos [035] Doravante, a invenção é descrita em maiores detalhes a título de exemplo da realização exemplificadora com referência aos desenhos. Os quais mostram: A Figura 1, um diagrama de blocos de circuito de um sistema de armazenamento de energia de batería, de acordo com uma realização da presente invenção, em uma representação simplificada e isolada que tem sido separada de uma aplicação; A Figura 2, um diagrama de blocos de circuito de um sistema de conversão de energia com base em um sistema de armazenamento de energia de batería, de acordo com uma realização da presente invenção, em uma realização simplificada; e A Figura 3, um fluxograma muito simplificado de um método inventivo para a proteção de um sistema de armazenamento de energia de batería contra os riscos devido aos arcos voltaicos.
Descrição Detalhada da Invenção [036] A Figura 1 mostra um diagrama de blocos de circuito muito simplificado de um sistema de armazenamento de energia de batería 1, de acordo com uma realização da invenção, que aqui é formado por um único módulo de batería 2 que compreende, em um alojamento compartilhado (não ilustrado), um conjunto de batería recarregável 3 para o armazenamento e fornecimento de energia, que inclui todas as conexões associadas e eletrônica associada, que incluem um sistema de gerenciamento de bateria 4 para monitorar e controlar o conjunto de bateria recarregável 3.
[037] O conjunto de bateria 3 compreende várias células de bateria conectadas em série 6, sendo que cada uma exibe uma tensão CC, por exemplo, de 12, 24 ou 48 Volts, em tal caso, devido à conexão em série das células, qualquer tensão CC nominal desejável do conjunto de bateria 3 pode ser alcançada. Em uma aplicação preferencial do sistema de armazenamento de energia de bateria 1 para as usinas elétricas de armazenamento de energia de bateria, o conjunto de batería 3 é projetado para uma tensão CC nominal de ao menos 450 Volts a aproximadamente 600 Volts, ou até maior.
[038] O conjunto de bateria 3 pode ser baseado em diferentes tecnologias de bateria, tais como, por exemplo, chumbo-ácido, lítio-ferro, lítio-íon, níquel-cádmio, sódio-enxofre, sódio-niquel ou qualquer outra tecnologia que oferece as altas capacidades de armazenamento, densidades de energia, saídas de potência, velocidades de carga e comportamento de descarga baixa, conforme são adequados paras as aplicações pretendidas no presente documento.
[039] O conjunto de bateria 3 compreende um terminal positivo 7 e um terminal negativo 8. Conectada ao terminal de bateria positivo 7 está uma linha de abastecimento de tensão CC positiva 9 que conduz a um terminal de saída positivo 11 do módulo de bateria 2. Uma linha de abastecimento de tensão CC negativa 12 é conectada entre o terminal de bateria negativo 8 e um terminal de saída negativo 13 do módulo de bateria 2.
[040] Um comutador controlável 14 e 16, respectivamente, e um fusível 17 e 18, respectivamente, são dispostos nas linhas de abastecimento de tensão CC positiva e negativa 9, 12, respectivamente. Os comutadores 14, 16 são, de preferência, contatores de bateria internos do módulo de bateria 2 que podem ser ativados a fim de abrir para serem capazes de interromper - dentro de um curto tempo na faixa de milissegundos - correntes de curto-circuito de até aproximadamente 1.000 Ampère em tensão de bateria de 600 Volts. Os fusíveis 17, 18 são semelhantemente destinados a interromper correntes de curto-circuito ou outras correntes de falha de intensidade maior até aproximadamente 20 kA. Os fusíveis 17, 18 podem ser fusíveis eletrônicos ou também fusíveis de segurança. Os contatores de bateria 14, 16 e os fusíveis 17, 18 pertencem a um sistema de proteção 19 do módulo de bateria 2 que será descrito em maiores detalhes doravante.
[041] O módulo de batería 2 inclui, adicionalmente, um sistema de gerenciamento de bateria 4, sendo que esse é, de preferência, um circuito eletrônico que monitora a operação e o estado do conjunto de bateria recarregável 3. O sistema de gerenciamento de bateria 4, por exemplo, tem capacidade para detectar, monitorar e corrigir qualquer difusão de diversos parâmetros das células de bateria individuais 6 devido aos fatores de envelhecimento e fabricação, tais como as correntes de vazamento e capacitância. O sistema de gerenciamento de bateria 4 compreende unidades funcionais que incluem, em particular, um dispositivo de proteção de célula de bateria 21 que determina a saúde da célula e assegura um equilíbrio final das células, um dispositivo de controle de carga 22 que monitora e controla o processo de carga do conjunto de bateria 3 e das células de bateria individuais 6, um estado da unidade de determinação de carga 23 que monitora o estado de carga do conjunto de bateria 3 e das células de bateria 6 durante a operação e também evita uma descarga profunda ou sobredescarga das últimas, e uma unidade de gerenciamento de temperatura 24 que monitora e controla a temperatura no interior ou nas proximidades imediatas do módulo de bateria 2. As unidades funcionais adicionais, por exemplo, para o gerenciamento de carga, para a detecção e indicação de dados de operação, para a comunicação com dispositivos ou aparelho de controle externo também podem ser fornecidas. Todas essas unidades funcionais do sistema de gerenciamento de bateria 6 são parte do sistema de proteção 19 do conjunto de bateria 3.
[042] Adicionalmente, o sistema de gerenciamento de bateria 4 compreende um dispositivo de proteção de arco voltaico representado no presente documento somente por um bloco funcional adicional 26 e disposto para proteger o conjunto de bateria 3, assim como os componentes do sistema, e pessoas, nas proximidades contra os riscos de formação de arco voltaico. A funcionalidade do dispositivo de proteção de arco voltaico é descrita em maiores detalhes adicionalmente abaixo.
[043] Conforme já foi mencionado, o sistema de gerenciamento de batería 4, de preferência, já é uma parte integral do módulo de batería 2. O mesmo podería ser implantado especificamente na forma de hardware. Em uma realização preferencial mais flexível, o sistema de gerenciamento de batería 4 é implantado em hardware e em software e compreende uma unidade de computação ou processamento 27 na forma de um microprocessador, microcontrolador, ou similares, assim como um armazenamento 28. A unidade de processamento 27 é configurada para executar as funções das unidades funcionais 21 a 24, 26 e outras funções do sistema de gerenciamento de batería 4. O código de programa associado pode ser arquivado, em conjunto com os dados, parâmetros associados, etc., no armazenamento 28 e ser recuperado a partir do dito armazenamento para executar as funções. Durante a operação, os dados de operação podem ser armazenados no armazenamento 28 para a avaliação posterior e para os propósitos de serviço. O sistema de gerenciamento de batería 4 compreende componentes adicionais que não são especificamente mostrados aqui, tais como, por exemplo, um temporizador para uma detecção de tempo relativa, meios de comunicação que permitem uma comunicação com dispositivos de controle e aparelho externo, interfaces para a conexão de comunicação e para os propósitos de serviço, e outros componentes que suportam a funcionalidade do sistema de gerenciamento de batería 4.
[044] Adicionalmente, o sistema de gerenciamento de batería 4 é conectado a sensores ou dispositivos de medição que detectam os parâmetros ambientais e operacionais durante uma operação do módulo de batería 2 e liberam sinais de caracterização correspondentes para o sistema de gerenciamento de batería 4. Em particular, o sistema de gerenciamento de batería 4 é conectado a um sensor de corrente 29 de uma maneira comunicante, sendo que o dito sensor detecta a corrente real liberada Ib e libera um sinal de corrente que caracteriza a corrente de batería real. Um sensor de tensão 31 detecta a tensão de batería Ub entre os terminais de batería 7, 8 e libera um sinal de tensão que caracteriza a tensão de batería real detectada para o sistema de gerenciamento de batería 4. Os sinais UB, Ib e sinais de sensor detectados adicionais, por exemplo, em relação à temperatura real, são usados pelas respectivas unidades funcionais 21 a 24 a fim de monitorar e controlar o conjunto de batería 3.
[045] Durante a operação, o sistema de armazenamento de energia de batería 1 pode ser carregado por uma fonte externa, por exemplo, uma fonte de energia renovável, sendo que isso é controlado pelo dispositivo de controle de carga 22, enquanto que monitora-se a tensão de bateria UBea corrente de carga lB a fim de assegurar um processo de carga ordenado e evitar uma sobrecarga do conjunto de bateria 3. O dispositivo de proteção de célula de bateria 21 assegura o monitoramento das células de bateria individuais 6 e, opcionalmente, qualquer equilíbrio das tensões de célula.
[046] Quando o conjunto de bateria 3 está sendo descarregada e essa energia abastece uma rede ou um consumidor, a unidade de terminação de estado de carga 23 usa os sinais detectados UB, lB para monitorar o estado real do conjunto de bateria 3, a fim de detectar e evitar uma sobredescarga do conjunto de bateria 3. Em particular, a unidade de terminação de estado de carga 23 tem capacidade para comparar a tensão de bateria real UB com um limite de tensão de descarga Ueiimit e, no evento em que a tensão de bateria real UB é menor que o limite de tensão de descarga UB|jmit, determinar um estado sobrecarregado do conjunto de bateria 3. O limite de tensão de descarga Ueiimit é ligeiramente menor que a tensão nominal do conjunto de bateria 3 projetada para a respectiva aplicação. Se, por exemplo, o conjunto de batería 3 - quando usado para usinas de armazenamento de energia de batería - exibir uma tensão máxima de aproximadamente 600 Volts e uma faixa de tensão nominal a partir de aproximadamente 450 Volts a 577 Volts, o limite de tensão de descarga Usiimit é, de preferência, ligeiramente abaixo daquele, por exemplo, na faixa entre 420 Volts e 450 Volts.
[047] Com a finalidade de impedir qualquer detecção falha causada por ruído, sinais de interferência, e similares, o sistema de gerenciamento de batería 4, de preferência, também detecta a duração de tempo durante a qual a tensão de saída de batería UB é menor que o limite de tensão de descarga Usiimit e determina um estado sobredescarregado do conjunto de batería 3, somente se a duração de tempo detectada exceder um limite de tempo de descarga máximo Tiimit. O limite de tempo de descarga Tiimit pode ser de um segundo ou mais. Quando a unidade de terminação de estado de carga 23 determina um estado sobredescarregado, a dita unidade assegura, por exemplo, que os contatores de batería 14, 16 sejam abertos de uma maneira controlada para impedir o descarregamento adicional do conjunto de batería 3.
[048] De uma maneira similar, a unidade de gerenciamento de temperatura 24 pode descontinuar uma operação do módulo de batería 2 mediante a abertura dos contatores de batería 14, 16 no evento em que uma temperatura predefinida do módulo de bateria 2 excede uma temperatura máxima predefinida durante um período de tempo mais longo e pode efetuar, desse modo, uma proteção de sobretemperatura com o uso do sistema de proteção 19.
[049] O sistema de proteção 19 compreende, adicionalmente, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26 que detecta e evita ou impede em grande medida qualquer risco devido a arcos voltaicos. Tais arcos voltaicos podem se formar como resultado de curtos-circuitos ou falhas de isolamento no sistema de armazenamento de energia de batería 1 ou em um sistema conectado ao mesmo. Os arcos voltaicos podem conduzir a dano causado pelo fogo no sistema de armazenamento de energia de batería 1 e nos componentes do sistema no ambiente do dito sistema de armazenamento de energia de batería e apresentam um alto risco para a saúde e vida de pessoas próximas, tais como, por exemplo, pessoal de manutenção, ou similares. O dispositivo de proteção de arco voltaico 26, de acordo com a presente invenção, detecta a presença de condições de arco voltaico perigosas e inicia medidas de proteção pelo fato de que o mesmo interrompe o fluxo de corrente para evitar uma operação adicional do conjunto de batería 3. Com a finalidade de tornar isso possível de maneira mais eficaz, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26, nesse caso, é uma lógica ou unidade de proteção de corrente excessiva 32 e lógica ou unidade de proteção de subtensão 33 combinadas.
[050] A lógica ou unidade de proteção de corrente excessiva 32 é disposta para detectar altas correntes de batería lB que excedem claramente a faixa de corrente nominal e são causadas por altas correntes de curto-circuito como consequência de curtos-circuitos ou falhas de isolamento. Para realizar isso, a unidade de proteção de corrente excessiva 32 recebe o sinal de sensor que caracteriza a corrente de bateria real lB e compara esse valor com um limiar de corrente máxima predefinido lBmax que caracteriza uma corrente de bateria máxima permissível no caso de uma falha. No evento em que a corrente de bateria detectada lB é maior que o limiar de corrente máxima lBmax, a unidade de proteção de corrente excessiva 32 detecta adicionalmente a duração de tempo ti durante a qual a condição de corrente excessiva é satisfeita. Se a condição de corrente excessiva durante uma primeira duração de tempo ti for satisfeita, sendo que isso é maior que o primeiro limiar de tempo máximo Tmaxi, a unidade de proteção de corrente excessiva 32 determina que as condições de arco voltaico estão presentes e efetua uma abertura dos contatores de bateria 14, 16 para evitar um fluxo de corrente e uma operação adicional do conjunto de bateria 3.
[051] No evento de correntes de curto-circuito muito altas, o sistema de gerenciamento de bateria não podería potencialmente ter capacidade para abrir os contatores de bateria 14, 16. Nesse caso, contudo, os fusíveis 17, 18 são disparados e asseguram uma interrupção do fluxo de corrente.
[052] Descobriu-se que uma proteção contra arco voltaico eficaz não pode ser realizada com a proteção contra corrente excessiva sozinha. A razão para o mesmo é que a impedância interna de uma bateria varia conforme uma função da química da bateria que é usada e das condições de operação, tais como, por exemplo, temperatura, estado de carga, idade, e similares. Se, por exemplo, a bateria estiver quase vazia ou sua temperatura for extremamente baixa, a impedância da bateria aumenta. Contudo, no evento de uma falha da bateria ou de um sistema conectado, a corrente de curto-circuito é uma função da impedância de bateria interna. Na medida em que, com uma alta impedância de bateria, a corrente de curto-circuito pode ser relativamente baixa e pode ter um valor similar à corrente de operação nominal, pode ser potencialmente difícil ou impossível para a unidade de proteção de corrente excessiva 32 detectar essa condição de falha e ativar a proteção contra corrente excessiva. Isso pode resultar em formação de arco voltaico de longa duração que, apesar da baixa intensidade de corrente, pode causar - no decorrer do tempo - dano sério para o conjunto de bateria ou para o equipamento conectado à mesma, ou colocar em risco a saúde ou vida de pessoal. Com a finalidade de impedir isso, a lógica ou unidade de proteção de subtensão 33 é adicionalmente fornecida.
[053] A lógica ou unidade de proteção de subtensão 33 é baseada, entre outras coisas, na descoberta que a tensão de bateria pode diminuir de maneira repentina, fortemente devido ao curto-circuito com alta impedância de batería, de modo que isso possa ser usado para a detecção de condições de arco voltaico com alta impedância de bateria. A unidade de proteção de subtensão 33 recebe o sinal de sensor que caracteriza a tensão de bateria real UB e compara seu valor real com um limiar de tensão mínima predefinido UBmin que caracteriza a tensão de bateria mínima permissível ou exigida no evento de uma falha. Se a tensão de bateria real UB for maior que o limiar de tensão mínima predefinido UBmin, a unidade de proteção de subtensão 33 detecta adicionalmente a duração de tempo t2 durante a qual a condição de subtensão é satisfeita. Se a condição de subtensão for satisfeita durante uma duração de tempo t2 que é maior que um segundo limiar de tempo máximo Tmax2- a unidade de detecção de subtensão 33 detecta que as condições de arco voltaico existem com alta impedância de bateria e assegura que os contatores 14, 16 se abrem e evitam o fluxo de corrente e, desse modo, uma operação adicional do conjunto de bateria 3.
[054] Com a combinação da unidade de proteção de corrente excessiva 32 e da unidade de proteção de subtensão 33, uma expansão da faixa de operação, na qual o sistema de armazenamento de energia de bateria 1 pode ser operado de maneira segura e confiável, é possível. A energia introduzida na situação de falha pode ser reduzida a valores mínimos, reduzindo, assim, o risco para o pessoal de manutenção, e similares. Isso diminui as exigências e custos de medidas de proteção e torna possível uma manutenção mais eficiente e econômica do sistema de armazenamento de energia de bateria 1 e cada sistema conectado ao mesmo.
[055] Para uma operação adequada, predominantemente sem problemas e ininterrupta do sistema de armazenamento de energia de bateria 1, o limiar de tensão mínima UBmin para a proteção contra arco voltaico de subtensão pode ser selecionado claramente menor que o limite de tensão de descarga UBiimit. por exemplo, metade a um terço maior que o limite de tensão de descarga UBiimit· Com referência ao exemplo mencionado acima que usa uma tensão de batería máxima de 600 Volts e uma faixa de tensão nominal de 450 a 577 Volts, o limiar de tensão mínima UBmin pode se situar na faixa entre, por exemplo, 150 Volts e 300 Volts, de preferência, entre 200 Volts e 250 Volts, em comparação com o limite de tensão de descarga Ueiimit dentro da faixa de 420 Volts e 450 Volts.
[056] Adicionalmente, o primeiro limiar de tempo máximo Tmaxi para a proteção contra corrente excessiva deveria ser selecionado claramente menor que o segundo limiar de tempo máximo Tmax2 para a proteção contra subtensão, a fim de reduzir a um mínimo a duração de tempo durante a qual as correntes de curto-circuito muito altas fluem, sem efetuar interrupções desnecessárias e frequentes demais do sistema de armazenamento de energia de bateria 1. Por exemplo, Tmax1 pode ser selecionado menor que 0,020 segundo, de preferência, ser de aproximadamente 0,013 segundo, enquanto que Tmax2 pode ser entre 0,2 segundo e 1 segundo, e pode ser, de preferência, de aproximadamente 0,5 segundo. O limiar de tempo de descarga Tiimlt para a proteção contra sobredescarga é claramente maior que os dois outros limiares de tempo Tmax1 e TmaX2 e pode ser em um ou vários segundos.
[057] A Figura 2 mostra uma aplicação preferencial do sistema de armazenamento de energia de bateria 1 inventivo em um sistema de conversão de energia 34. O sistema de conversão de energia 34 pode ser usado em conjunto com um sistema de geração de energia, um sistema de distribuição ou suprimento de energia, em particular, um sistema que é baseado em carregadores de energia renovável, tais como o sol, vento ou água, a fim de armazenar temporariamente energia renovável no sistema de armazenamento de energia de bateria e utilizar a mesma em outros momentos, por exemplo, durante a noite, em usinas fotovoltaicas ou, durante períodos sem vento em turbinas eólicas. Adicionalmente, o sistema de conversão de energia 34 permite um equilíbrio de um suprimento de energia flutuante, uma suavização de pico e um equilíbrio de carga que podem aperfeiçoar a qualidade e a estabilidade da rede.
[058] Essencialmente, o sistema de conversão de energia 34 compreende um sistema de armazenamento de energia de batería, tal como, por exemplo, o sistema de armazenamento de energia de batería 1 conforme na Figura 1, e um dispositivo conversor 36 que é conectado ao sistema de armazenamento de energia de batería 1. Nesse caso, o sistema de armazenamento de energia de batería 1 compreende vários módulos de batería 2 que são conectados em paralelo a um barramento CC de batería compartilhado 37, em que o número de módulos de bateria 2 é uma função da respectiva aplicação. Por exemplo, a aplicação em usinas elétricas de armazenamento de energia de bateria pode compreender 50 a 300 módulos conectados em paralelo que liberam uma saída nominal total, de preferência, de ao menos 0,5 MW, de preferência, 1,0 MW ou mais.
[059] O dispositivo conversor 36 é destinado a converter a energia de tensão CC do lado de entrada que é liberada pelo conjunto de bateria 3 que compreende a totalidade dos módulos de bateria 2 em energia de tensão CA do lado de saída a ser alimentada para uma rede ou para o suprimento de consumidores ou, vice e versa, para converter energia de tensão CA a partir de uma rede conectada do lado de saída (não mostrada) em uma energia de tensão CC do lado de entrada para o armazenamento no sistema de armazenamento de energia de bateria 1. O dispositivo conversor 36 tem linhas de conexão 38, 39 conectadas ao barramento de tensão CC 37, um conjunto de conversor 41 e linhas do lado de saída 42 que conduzem para fora do dispositivo conversor 36.
[060] O termo “lado de entrada" ou “no lado de entrada” se refere ao lado do dispositivo conversor 36 ou do conjunto de conversor 41 que é conectada ao sistema de armazenamento de energia de batería 1, enquanto que o termo “lado de saída” ou “no lado de saída" se refere ao outro lado de tensão CA - afastado do sistema de armazenamento de energia de bateria 1 -do dispositivo conversor 36 ou do conjunto de conversor 41 que é conectada -através das linhas de saída 42, por exemplo, ao lado primário de um transformador 43. No lado secundário, o transformador 43 é conectado a uma rede, por exemplo, uma rede de distribuição ou suprimento de energia, e assegura a adaptação do nível de tensão exigida.
[061] As linhas de conexão compreendem uma linha de conexão positiva 38 e uma linha de conexão negativa 39 que são conectadas paralelas uma à outra ao barramento CC de bateria e são de outro modo conectadas através do circuito de tensão CC intermediário (enlace de CC) 40 à entrada do conjunto de conversor 41. Nesse caso, o circuito de tensão CC intermediário 40 é representado por um capacitor de circuito intermediário 44 que é conectado entre as linhas de conexão 38, 39, e um conjunto de indutor de circuito intermediário opcional 46 que é disposto para reduzir o teor harmônico na corrente de entrada do conjunto de conversor 41.
[062] O conjunto de conversor 41 compreende um conversor de tensão CC ou conversor de CC-CC 47, cuja entrada é conectada ao circuito de tensão CC intermediário 40, e um conversor de corrente ou conversor de CC-CA 48 que é conectado à saída do conversor de CC-CC 47.
[063] O conversor de CC-CC 47 compreende uma disposição de circuito com componentes eletrônicos, tais como transistores, em particular, IGBTs, IGCTs, MOSFETs, tiristors, e similares, que pode ser conectada a fim de converter um nível de tensão direta em outro. Por exemplo, no evento de uma descarga do sistema de armazenamento de energia de bateria 1 para suprir uma rede ou um consumidor, o conversor de CC-CC 47 pode agir como um conversor elevador para elevar a tensão de batería Ub liberada pelo sistema de armazenamento de energia de batería 1 a um nível maior que é adequado para a operação do conversor de corrente 48. O conversor de corrente 48 que também compreende uma disposição de circuito com elementos de comutador controlável, então, age como um inversor a fim de converter a energia de tensão CC aplicada a sua entrada na energia de tensão CA em sua saída. Nesse caso, o conversor de corrente 48 é mostrado como um inversor trifásico que é capaz de alimentar uma corrente alternada trifásica em uma rede de baixa tensão através das linhas de saída 42 ou em uma rede de média tensão através do transformador 43. Dependendo da aplicação, também é possível usar um inversor monofásico em vez do conversor de CC-CA trifásico 48, ou também é possível operar vários inversores trifásicos paralelos um ao outro.
[064] No caso de um uso de corrente de linha para carregar o sistema de armazenamento de energia de bateria 1, o conversor de CC-CA 48 age como um retificador que toma energia de corrente alternada a partir da rede e converte a mesma em energia de tensão direta, em tal caso, a tensão direta pode ser reduzida, então, através do conversor de CC-CC 47, que age como um conversor redutor, a um nível inferior adequado para o sistema de armazenamento de energia de bateria 1.
[065] O dispositivo conversor 36 descrito até o momento tem sido geralmente conhecido de modo que os detalhes adicionais em relação ao mesmo e sua funcionalidade possam ser omitidos. É suficiente mencionar que a operação do dispositivo conversor 36 é controlada por um dispositivo de controle 49 (indicado somente esquematicamente) que monitora os parâmetros de operação do dispositivo conversor 36 durante a operação e de maneira altamente frequente ativa os comutadores dos conversores 47, 48 consistentes com um esquema de comutação predefinido, a fim de realizar as funções respectivamente desejadas para alimentar energia a partir do sistema de armazenamento de energia de batería 1 para uma rede e para remover energia a partir da rede para o armazenamento temporário no sistema de armazenamento de energia de batería 1.
[066] O sistema de conversão de energia 34 compreende um sistema de proteção 51 para a proteção contra dano devido a curto-circuito e correntes de falha. O sistema de proteção 51 compreende uma lógica que é uma parte integral do dispositivo de controle 49 e não é especificamente mostrada aqui, sendo que a dita lógica monitora as tensões e correntes no sistema de conversão de energia ou ativa de modo efetivo as seções individuais do sistema de conversão de energia 34, a fim de detectar condições de curto-circuito e outras condições de falha para desconectar o dispositivo conversor 36 no lado de tensão CC a partir do sistema de armazenamento de energia de bateria 1 e/ou no lado de tensão CA a partir da rede.
[067] Para realizar isso, o sistema de proteção 51 compreende disjuntores 52, 53 que são inseridos na linha de conexão positiva ou negativa a fim de interromper com os mesmos um fluxo de corrente através das ditas linhas, conforme exigido. Os disjuntores 52, 53 também podem ser abertos para os propósitos de manutenção a fim de separar de maneira galvânica o dispositivo conversor 36 do conjunto de bateria 3 para a proteção do pessoal de manutenção.
[068] Adicionalmente, o sistema de proteção 51 compreende um interruptor de circuito de falha do terra 54 que é inserido em uma conexão à terra entre a (nesse caso) linha de conexão negativa 39 e um ponto de aterramento 57, embora o interruptor de circuito de falha do terra 54 também pudesse, em princípio, ser conectado entre a linha de conexão positiva 38 e o terra. Nesse caso, o potencial da linha de conexão negativa 39 está no potencial de terra durante a operação normal, de modo que nenhuma corrente flua através do interruptor de circuito de falha do terra. No caso de uma conexão à terra, o fusível interno do interruptor de circuito de falha do terra dispara e interrompe a trajetória de corrente de falha. O disparo do interruptor de circuito de falha do terra 54 é detectado pelo dispositivo de controle 49 do sistema de conversão de energia 34, sendo que o dito dispositivo de controle retira, então, o dispositivo conversor 36 completamente da operação.
[069] Adicionalmente, o sistema de proteção 51 compreende os meios 58, 59 e 61 que, aqui, são fornecidos no lado de tensão CC e/ou no lado de tensão CA do dispositivo conversor 36 para a proteção contra sobretensão. Os meios 58, 59 e 61 podem ser varistors que são conectados entre a respectiva linha 38, 39 e 42, respectivamente, e o terra.
[070] Adicionalmente, o sistema de proteção 51 compreende um disjuntor 62 em cada uma das linhas de saída 42, de modo que o dito disjuntor possa ser aberto de uma maneira controlada pelo dispositivo de controle 49 a fim de desconectar o dispositivo conversor 36 no lado de corrente alternada ou lado de rede elétrica para os propósitos de manutenção, ou no evento de uma falha, a fim de proteger o mesmo contra curtos-circuitos e outras falhas sérias, ou para evitar efeitos sobre as redes.
[071] Diferente disso, o dispositivo conversor 36 podería compreender fusíveis adicionais (não mostrados), que incluem fusíveis eletrônicos ou fusíveis de segurança, nos lados de tensão CC ou tensão CA, sendo que esses oferecem potencialmente proteção adicional, em particular, com correntes de curto-circuito ou correntes de falha muito altas.
[072] Além disso, o sistema de proteção 51 também compreende o sistema de proteção 19 integrado no sistema de armazenamento de energia de batería 1, sendo que o dito sistema de proteção assegura, da maneira descrita em detalhes anteriormente nesse documento, uma proteção de batería no caso de falhas internas de bateria e detecta - entre outras coisas - condições de arco voltaico por meio da unidade de proteção de corrente excessiva 32 e da unidade de proteção de subtensão 33 e, então, abre os contatores de batería 14, 16 do módulo de batería falho 2 para retirar o módulo defeituoso da operação. Para realizar isso, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26 é integrado em cada sistema de gerenciamento de batería 4 de cada módulo de batería 2. Com a finalidade de impedir repetições, é feita referência às explicações mencionadas anteriormente no presente documento em conjunto com a Figura 1.
[073] Adicionalmente, a Figura 2 mostra uma realização alternativa de um sistema de conversão de energia 34 de acordo com a invenção. Essa realização é diferente daquelas descritas anteriormente no presente pelo fato de que o dispositivo de proteção de arco voltaico não é integrado em cada sistema de gerenciamento de batería individual 4 de cada módulo de batería 2, mas no dispositivo de controle 49 do dispositivo conversor 36, conforme é indicado pelo bloco 26' (em linha tracejadas). O dispositivo de proteção de arco voltaico 26’ pode ser conectado ao sistema de gerenciamento de batería 4 de cada módulo de batería para que tenha capacidade de se comunicar e receber a partir do mesmo os sinais de corrente e tensão correspondentes que são detectados pelo sensor de corrente 29 e pelo sensor de tensão 31 de um respectivo módulo de batería 2. Alternativamente, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26’ monitora a tensão no barramento de CC de batería 37 ou, conforme indicado, entre as linhas de conexão positiva e negativa 38, 39 por meio de um sensor de tensão 63, assim como a corrente alimentada pelo sistema de armazenamento de energia de batería 1 por meio de um sensor de corrente 64, por exemplo, na linha de conexão positiva 38. Com base nos sinais liberados pelos sensores 63, 64, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26', então, detecta - da maneira ilustrada acima - condições de corrente excessiva ou subtensão que caracterizam as condições de arco voltaico, a fim de tomar, então, medidas de proteção e desconectar o sistema de armazenamento de energia de batería 1 a partir do dispositivo conversor 36. Para realizar isso, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26’ - se estiver em conexão comunicativa com o sistema de gerenciamento de baterias 4 dos módulos de batería individuais 2 - instrui os mesmos a abrirem os respectivos contatores de batería 14, 16 ou, ao contrário, efetuarem uma interrupção através dos disjuntores 52, 53. No evento de uma falha, o dispositivo de proteção de arco voltaico 26’, assim como o dispositivo de proteção de arco voltaico 26, de acordo com a Figura 1, também pode enviar uma mensagem de erro para um operador do sistema de conversão de energia 34, ou similares, a fim de atrair a atenção do operador para a situação de falha.
[074] O dispositivo de proteção de arco voltaico 26’ também podería ser disposto em um dispositivo de controle separado do sistema de gerenciamento de batería 4 e do dispositivo de controle 49 e em conexão comunicativa com os mesmos em um local mais remoto, por exemplo, um centro de controle remoto.
[075] A Figura 3 mostra um fluxograma de um método 71 para a proteção de um sistema de armazenamento de energia de batería, tal como, por exemplo, o sistema de armazenamento de energia de batería 1, de acordo com a Figura 1 ou 2, que compreende um conjunto de bateria recarregável para o armazenamento e fornecimento de energia de tensão CC contra os riscos de formação de arco voltaico. O método compreende uma etapa S1, de acordo com a qual a corrente de bateria Ib e a tensão de bateria UB são detectadas. Por exemplo, a corrente de bateria e a tensão de bateria podem ser detectadas pelos sensores de corrente e tensão 29, 31 integrados nos módulos de bateria 2. Alternativamente, a tensão no barramento de CC de bateria 37, conforme na Figura 2, ou em outra entrada do sistema que é conectada aos terminais de saída 11, 13 do sistema de armazenamento de energia de bateria 1, assim com uma corrente liberada pelo sistema de armazenamento de energia de bateria 1, pode ser detectada.
[076] Na etapa S2, a corrente de bateria detectada lB é comparada com um limiar de corrente máxima permissível lBmax. Se for determinado que a corrente de bateria real lB é maior que o limiar de corrente máxima lBmax (lB > lBmax), é verificado na etapa S3 se uma primeira duração de tempo ti, durante a qual a condição lB > UBmax é aplicável, é maior ou não que o primeiro limiar de tempo máximo Tmax (ti > Tmaxi?). Se isso não for o caso, o método continua com a etapa S4. De outro modo, o mesmo prossegue para a etapa S6.
[077] Na etapa S4, a tensão de bateria real UB é comparada com um limiar de tensão mínima UBmln que caracteriza um limite de subtensão em uma situação de falha com baixa impedância do conjunto de bateria. Se for determinado que a tensão de bateria real UB é menor que o limiar de tensão mínima UBmjn (UB < UBmjn), é adicionalmente verificado na etapa S5 se a segunda duração de tempo t2, durante a qual a condição UB < UBmin é aplicável, é maior ou não que um segundo limiar de tempo máximo (Í2 > Tmax2?)· Se esse não for o caso, o método retorna subsequentemente para a etapa S1. De outro modo, o mesmo prossegue para a etapa S6.
[078] Na etapa S6, o método determina que as condições de arco voltaico existem e o mesmo inicia medidas de proteção para evitar uma operação adicional do conjunto de bateria. Isso pode incluir o fato de que o conjunto de bateria é separada de maneira galvânica do sistema restante.
[079] É compreensível que as etapas ilustradas anteriormente no presente documento não podem ser executadas em uma sequência diferente daquela indicada e podem ser parcialmente executadas de maneira simultânea ou em paralelo e que etapas adicionais podem ser integradas ao método a fim de aperfeiçoar a detecção de um risco de arco voltaico. Semelhantemente, é compreensível que o sistema de armazenamento de energia de batería 1, de acordo com a invenção, pode ser usado não somente em conjunto com os sistemas de conversão de energia, tais como, por exemplo, o sistema de conversão de energia 34 mostrado na Figura 2, mas que o mesmo também pode ser usado em conjunto com qualquer sistema estacionário ou móvel para geração de energia, distribuição e suprimento de energia, e também para veículos elétricos, e similares. O sistema de armazenamento de energia de batería 1 pode ser usado como um sistema independente ou pode ser implantado como uma parte integral em outro sistema móvel ou estacionário de ordem superior.
Reivindicações

Claims (20)

1. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, caracterizado pelo fato de que compreende: um conjunto de batería (3) para armazenar e fornecer energia, em que o conjunto de batería (3) é recarregável; um sistema de proteção (19) que compreende um dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) para proteção contra riscos de arcos voltaicos, em que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) é disposto para detectar uma corrente de batería (lB) fornecida pela disposição de batería (3) e para comparar a mesma com um limiar de corrente máxima predefinido (lBmax), para detectar uma tensão (UB) fornecida pelo conjunto de batería (3) e para comparar a mesma com um limiar de tensão mínima predefinido (UBmin)i 6 se a corrente de batería detectada (lB) for maior que o limiar de corrente máxima (lBmax) e/ou a tensão de batería detectada (UB) for menor que o limiar de tensão mínima (UBmin), para determinar que condições de arco voltaico estão presentes e para iniciar medidas de proteção para evitar a operação adicional do conjunto de batería (3).
2. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de batería (3) compreende ao menos um módulo de batería (2) formado por uma conexão em série de uma pluralidade de células de batería (6) e compreende, de preferência, uma pluralidade de módulos de batería (2) conectados em paralelo.
3. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma linha de abastecimento de tensão CC positiva (9) conectada a um terminal positivo (7) do conjunto de batería (3) e uma linha de abastecimento de tensão CC negativa (12) conectada a um terminal negativo (8) do conjunto de batería (3), em que as linhas de abastecimento de tensão CC negativa e/ou positiva (9, 12) compreendem, cada uma, um comutador controlável (14, 16) disposto na mesma para interrupção da conexão de linha, conforme exigido.
4. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um sensor de corrente (29) que detecta a corrente real (Ib) atualmente fornecida pelo conjunto de bateria (3) e fornece um sinal de corrente que representa a corrente real detectada, e um sensor de tensão (31) que detecta a tensão real (Ub) atualmente fornecida pelo conjunto de bateria (2) e fornece um sinal de tensão que representa a tensão real detectada.
5. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um sistema de gerenciamento de bateria (4) para monitorar e controlar o conjunto de bateria recarregável (3) e que compreende um dispositivo de controle (22, 23) para determinar o estado de carga do conjunto de bateria (3) e para reconhecer e impedir a sobrecarga e sobredescarga do conjunto de bateria (3).
6. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de bateria, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sistema de gerenciamento de bateria (4) é conectado a um sensor de corrente (29) e um sensor de tensão (31) do sistema de armazenamento de energia de bateria (1) para receber a partir dos mesmos os sinais que representam a corrente de bateria presente (lB) e a tensão de bateria presente (UB), e em que o dispositivo de controle (23) é disposto para comparar o sinal de tensão de batería recebido com um limite de tensão de descarga (Usiimit) para reconhecer e impedir uma condição sobredescarregada do conjunto de batería (3).
7. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o limite de tensão de descarga (Usiimit) é maior que o limiar de tensão mínima (Uemin), de preferência, ao menos uma vez e meia maior que o limiar de tensão mínima.
8. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) é parte do sistema de gerenciamento de batería (4).
9. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um fusível (17, 18) na linha de abastecimento de tensão CC negativa e/ou positiva (9, 12) para interrupção do fluxo de corrente através da mesma, conforme exigido no caso de alta corrente de curto-circuito.
10. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) é disposto para medir uma primeira duração de tempo (ti) durante a qual a corrente de batería detectada (Ib) é maior que o limiar de corrente máxima (|Bmax) e uma segunda duração de tempo fo) durante a qual a tensão de batería detectada (Ub) é menor que o limiar de tensão mínima (UBmin) e para iniciar medidas de proteção, se a primeira duração de tempo (ti) exceder um primeiro limiar de tempo máximo (Tmaxi) e/ou a segunda duração de tempo (\2) exceder um segundo limiar de tempo máximo (Tmax2).
11. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o primeiro limiar de tempo máximo (Tmaxi) é menor que o segundo limiar de tempo máximo (T ma x2)·
12. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o segundo limiar de tempo máximo (Tmax2) é menor que um limite de tempo de descarga (T|jmjt) que indica o período de tempo durante o qual a tensão de bateria (Ub) deve estar abaixo do limite de tensão de descarga (UBnmit) para assegurar que uma condição sobredescarregada do conjunto de bateria seja reconhecida.
13. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de bateria, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) é disposto para comparar a tensão de bateria detectada (UB) com um primeiro limiar de tensão mínima predefinido e com um segundo limiar de tensão mínima predefinido que é menor que o primeiro limiar de tensão mínima; e se a tensão de bateria detectada (UB) for abaixo do primeiro limiar de tensão mínima durante um primeiro período de tempo ou se a tensão de bateria detectada for abaixo do segundo limiar de tensão mínima durante um segundo período mais curto que o primeiro período, para iniciar medidas de proteção para evitar a operação adicional do conjunto de bateria (3).
14. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA, caracterizado pelo fato de que compreende: um conjunto de bateria (3) para armazenar e fornecer energia, em que o conjunto de bateria (3) é recarregável; um dispositivo conversor (36) conectado ao conjunto de bateria (3) através de um enlace de CC (40) para converter a energia de tensão CC do lado de entrada fornecida pelo conjunto de bateria (3) em energia de tensão CA do lado de saída ou vice e versa; e um sistema de proteção (19, 51) que compreende um dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) para proteção contra riscos de arcos voltaicos, em que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) é disposto para detectar uma corrente de bateria (lB) fornecida pela disposição de bateria (3) e para comparar a mesma com um limiar de corrente máxima predefinido (lBmax), para detectar uma tensão (Ub) fornecida pelo conjunto de bateria (3) e para comparar a mesma com um limiar de tensão mínima predefinido (UBmin). 6 se a corrente de bateria detectada (lB) for maior que o limiar de corrente máxima (lBmax) e/ou a tensão de bateria detectada (UB) for menor que o limiar de tensão mínima (Uemin), para determinar que as condições de arco voltaico estão presentes e para iniciar medidas de proteção para evitar a operação adicional do conjunto de bateria (3).
15. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o conjunto de bateria (3) compreende uma pluralidade de módulos de bateria (2) em que cada um tem uma pluralidade de células de bateria (6) conectadas em série, em que os módulos de bateria (2) são conectados em paralelo um ao outro e a um barramento de CC comum (37) ao qual o enlace de CC (40) é acoplado.
16. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um ou mais dentre os seguintes dispositivos de proteção para proteção contra correntes de falha: um comutador controlável (14, 16) em uma linha de abastecimento de tensáo CC negativa e/ou positiva (9, 12), o qual é conectado a um terminal positivo e negativo (7, 8) do conjunto de batería (3), respectivamente, para possibilitar a interrupção do fluxo de corrente através da mesma, conforme exigido; um fusível (17, 18) na linha de abastecimento de tensão CC negativa e/ou positiva (9, 12) para a interrupção do fluxo de corrente, conforme exigido, no caso de uma alta corrente de curto-circuito; um interruptor de circuito de falha do terra (54) em uma conexão à terra (56) entre uma linha de conexão positiva ou negativa que acopla o enlace de CC (40) com a linha de abastecimento de tensão CC positiva ou negativa (9, 12), respectívamente, e um ponto de aterramento; meios (58, 59, 61) fornecidos no lado CC e/ou no lado CA do dispositivo conversor (36) para a proteção contra sobretensão; e disjuntores (52, 53, 62) dispostos nas linhas de conexão (38, 39, 42) do dispositivo conversor (36) no lado CC e/ou no lado CA para interromper o mesmo, conforme exigido.
17. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a sistema de gerenciamento de batería (4) para monitorar e controlar o conjunto de batería recarregável (3) e que compreende um dispositivo de controle (22, 23) para determinar o estado de carga do conjunto de batería (3) e para reconhecer e impedir a sobrecarga e a sobredescarga do conjunto de batería (3).
18. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26’) é parte do sistema de gerenciamento de bateria (4) ou é separado do sistema de gerenciamento de bateria (4).
19. SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de proteção de arco voltaico (26, 26') é disposto para medir uma primeira duração de tempo (ti) durante a qual o corrente de batería detectada (lB) é maior que o limiar de corrente máxima (lBmax) e uma segunda duração de tempo (t2) durante a qual a tensão de batería detectada (Ub) é menor que o limiar de tensão mínima (U8min) e para iniciar medidas de proteção, se a primeira duração de tempo (ti) exceder um primeiro limiar de tempo máximo (Tmaxi) e/ou a segunda duração de tempo (t2) exceder um segundo limiar de tempo máximo (Tmax2) em que o primeiro limiar de tempo máximo (Tmax1) é menor que o segundo limiar de tempo máximo (Tmax2).
20. MÉTODO PARA PROTEGER UM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA de batería contra riscos de arcos voltaicos, caracterizado pelo fato de que o sistema de armazenamento de energia de batería compreende um conjunto de batería recarregável para armazenar e fornecer energia de tensão CC, sendo que o método compreende as etapas de: detectar uma corrente de bateria fornecida pelo conjunto de bateria e liberar um sinal de corrente de bateria indicativo da mesma; comparar o sinal de corrente de bateria com um limiar de corrente máxima predefinido; detectar uma tensão de bateria fornecida pelo conjunto de bateria e liberar um sinal de tensão de bateria indicativo da mesma; comparar o sinal de tensão de bateria com um limiar de tensão mínima predefinido; e no caso em que o sinal de corrente de bateria for maior que o limiar de corrente máxima durante uma primeira duração de tempo mínima e/ou o sinal de tensão de bateria for menor que o limiar de tensão mínima durante uma segunda duração de tempo mínima, determinar que as condições de arco voltaico estão presentes e iniciar medidas de proteção para evitar a operação adicional do conjunto de bateria.
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