Characterization and modeling of fuse operation during external short circuit in battery energy storage systems

The widespread adoption of Battery Energy Storage System (BESS) in modern energy systems has brought with it some challenges. Ensuring safety is becoming increasingly challenging, when BESS require higher isolation levels and power ratings this becomes also a standard for protection devices. Particularly, fuses have a crucial role in the protection of the modules during a short circuit event, limiting the short circuit current and duration, ensuring the fault is safely interrupted reducing the stress on all other components. The study begins with an introduction to the Lithium-ion batteries, emphasizing the characteristics that support modern BESS, followed by an analysis of their response during an External Short Circuit (ESC). Later, the fuse as a short circuit protection device and how it safely interrupts this fault and discusses the main technical considerations. Then, a Battery Fault Protection model framework found on the Simscape Electrical library that will be used to model an ESC as different conditions, to do so a Li-Ion module and 4 fuses were chosen to simulate how a section of a BESS reacts to fault conditions both in the rack and in the section level. The results show how the safety interruption of the fuse took place in less than 10ms for all tested systems. Effectiveness was 100%, meaning that in every modeled short circuit scenario the corresponding fuse successfully opened the faulted circuit. State of Charge (SOC), rack voltage level and the fault location have a considerable influence over key variables like maximum current, the I2t integral and the interruption time. Nevertheless, the lack of precise data from the components’ behavior during a short circuit and transient conditions represents a challenge to model the evolution of many electrical variables.

La diffusione dei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) nei sistemi energetici moderni ha portato con sé alcune sfide. Garantire la sicurezza si sta diventando ogni volta più complicato perché, quando i BESS richiedono potenze e livelli di isolamento più elevati, anche questi si diventano uno standard per i dispositivi di protezione. In particolare, i fusibili hanno un ruolo cruciale nella protezione dei moduli durante un cortocircuito, limitando la grandezza e durante della corrente di guasto, assicurando che il problema venga interrotto di forma sicura e riducendo lo stress sugli altri componenti. Lo studio inizia con una introduzione alle batterie agli ioni di litio, evidenziano le caratteristiche che permettono i BESS moderni, seguita da un’analisi della loro risposta durante un cortocircuito esterno (ESC). Successivamente, viene approfondito il ruolo del fusibile come elemento di protezione dai cortocircuiti e il modo i cui interrompe questi guasti, aggiungendo le principali caratteristiche tecniche. Dopo un modello esempio per la protezione dai guasti nelle batterie, preso dalla libreria di Simscape Electrical, che si è implementato per modellare un ESC in diverse condizioni. Perciò sono stato scelti un modulo di Li-ion e 4 fusibili per simulare come una sezione di un BESS reagisce alla condizione di guasto sia a livello del rack che a livello della sezione. I risultati mostrano che l’interruzione sicura del fusibile è venuta in meno di 10ms per tutti i sistemi testati. L’efficacia è stata del 100%, cioè in ogni scenario di ESC modellato il fusibile corrispondente ha aperto con successo il circuito guasto. Lo stato di carica (SOC), il livello di tensione nel rack e la localizzazione del guasto influiscono considerabilmente su variabili chiavi come la corrente massima, l’integrale e il tempo di interruzione. Tuttavia, la mancanza di dati precisi sul comportamento dei componenti durante un cortocircuito e in condizioni transitorie rappresenta una sfida per modellare l’evoluzione di alcune variabili elettriche.