一種電化學(xué)儲能站電池早期預(yù)警監(jiān)測算法模型的設(shè)計(jì)

徐越飛 吳小歡 張靜 趙中偉

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司 浙江省杭州市 310018）

（2.浙江工商大學(xué)信電學(xué)院（薩塞克斯人工智能學(xué)院） 浙江省杭州市 310018）

1 引言

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的日漸成熟，以安全可靠、清潔經(jīng)濟(jì)、智慧開放、可持續(xù)發(fā)展的能源節(jié)約型社會為目標(biāo)的新一代電力系統(tǒng)正在逐步形成。隨著大規(guī)模新能源的接入，傳輸及消納問題日益突出。新能源發(fā)電具有波動大和可靠性差的問題，很難對其進(jìn)行有效的調(diào)度。同時(shí)，隨著系統(tǒng)負(fù)荷逐年增大，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的峰谷差率也在日益增大，這些問題都嚴(yán)重影響著電網(wǎng)的安全。儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著調(diào)峰調(diào)頻、靈活輸出、無功支撐等重要的作用，是推動我國能源供給革命和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，鋰電池以其能量密度高、循環(huán)次數(shù)多、體積小等優(yōu)點(diǎn)成為電化學(xué)儲能行業(yè)的中堅(jiān)力量。2020年，電化學(xué)儲能市場繼續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2726.7MW，預(yù)計(jì)到2024年底，電化學(xué)儲能的市場裝機(jī)規(guī)模將超過15GW。

然而隨著鋰電池儲能系統(tǒng)的裝機(jī)量不斷增加，鋰電池儲能系統(tǒng)的安全隱患也不斷顯現(xiàn)出來。近年來，國內(nèi)外先后發(fā)生多起鋰離子電池儲能電站火災(zāi)爆炸事故，如2019年4月19日，位于亞利桑那州Surprise市，APS公司下屬M(fèi)cMicken變電站2MWh鋰電儲能系統(tǒng)由于鋰電池發(fā)熱鼓包引起著火爆炸事故，并造成多名消防人員受傷。2021年4月16日，北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站西側(cè)發(fā)生鋰電池?zé)崾Э匾鸬谋ㄊ鹿?，事故造?名消防員犧牲，電站內(nèi)1名員工失聯(lián)，此次事故是近年來國內(nèi)儲能電站發(fā)生的最嚴(yán)重安全事故。

鋰離子電池反應(yīng)失控表面現(xiàn)象主要有電池發(fā)熱、鼓包、煙霧、明火、燃燒，甚至爆炸，出現(xiàn)上述問題主要源于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)過快控制不住，而外界的過充、刺穿、火源、擠壓、短路等外部因素都會導(dǎo)致上述問題的產(chǎn)生。并且鋰電池儲能系統(tǒng)的電池模組是將多個(gè)電池組串聯(lián)一起的設(shè)計(jì)，這無疑也增大了鋰電池的安全隱患，一旦某個(gè)電池性能不穩(wěn)定發(fā)生火災(zāi)，也勢必影響周邊鋰電池的安全，進(jìn)一步的擴(kuò)大火災(zāi)范圍。因此，針對鋰離子電池早期熱失控和熱擴(kuò)散對儲能站造成的火災(zāi)爆炸危害性，亟需開展鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鲄?shù)動態(tài)監(jiān)測研究，并對熱失控的早期特征狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)識別分析，進(jìn)而開發(fā)熱失控早期預(yù)警技術(shù)，建立消防多級預(yù)警和安全聯(lián)動體系以及多級防護(hù)，從而為儲能電站火災(zāi)防控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，促進(jìn)儲能行業(yè)的安全健康發(fā)展。

2 電化學(xué)儲能站電池早期預(yù)警監(jiān)測裝置原理

本文針對電化學(xué)儲能站電池的安全角度，設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)儲能站電池早期預(yù)警監(jiān)測裝置。該裝置由六大模塊組成，分別是：信號采集模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、電源模塊、報(bào)警模塊及裝置外殼。

信號采集模塊由多個(gè)傳感器構(gòu)成，分別是溫度傳感器、混合式氣體傳感器、電壓及電流采集接口。其中溫度傳感器采用數(shù)字式高精度溫度傳感器，采樣精度到0.1%，采樣溫度范圍為-40攝氏度到800攝氏度，用單通道數(shù)字信號輸出到數(shù)據(jù)計(jì)算模塊?；旌鲜綒怏w傳感器內(nèi)部集成多個(gè)氣體傳感器，可同時(shí)采樣CO、SO、CH三種氣體，采樣精度0.05+-0.0015uA/PPM，采樣范圍0-500ppm，輸出模擬電流+-20mA，基線偏移率<+-2ppm，三種不同氣體采用三個(gè)不同的模擬信號通道輸出通過外置運(yùn)算放大器后輸入到數(shù)據(jù)計(jì)算模塊。

數(shù)據(jù)計(jì)算模塊的處理器采用Cortex M7F低功耗嵌入式處理器，內(nèi)置ARM+DSP兩個(gè)內(nèi)核，其中DSP內(nèi)核用于對多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)高速計(jì)算，ARM內(nèi)核用于信號采集、控制、報(bào)警輸出和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

數(shù)據(jù)無線傳輸模塊采用LoRa芯片，采用擴(kuò)頻技術(shù)，支持433M～520M頻段無線信號收發(fā)，具有高靈敏度和強(qiáng)抗干擾能力，最大輸出功率25dBm，最大傳輸距離5千米，在傳輸距離2千米范圍保持-137dbm@0.25kbs的接收靈敏度。

電源模塊由DCDC降壓電源和后備電源兩個(gè)部分組成。由于監(jiān)測裝置部署在電池Pack內(nèi)部，固定安裝在pack內(nèi)部卡槽上，因此平常工作的電源直接來自pack電池組輸出的48V直流電源和Pack電池組的風(fēng)扇共享一組電源線，通過DCDC分壓到5V、3.3V和1.8V給裝置內(nèi)部各個(gè)模塊。但是為了安全起見，在Pack出現(xiàn)故障導(dǎo)致電源無法供給情況下，為了讓監(jiān)測裝置繼續(xù)工作，在裝置內(nèi)部集成一組由超級電容構(gòu)建的后備電源。

報(bào)警模塊由報(bào)警燈、語音轉(zhuǎn)換模塊、功放及喇叭、報(bào)警報(bào)文四個(gè)部分組成。報(bào)警燈采用高亮LED，直接安裝在裝置內(nèi)部。語音轉(zhuǎn)換模塊接受來自數(shù)據(jù)計(jì)算模塊串行輸出報(bào)警指令，將指令轉(zhuǎn)換成語音輸出驅(qū)動功放和喇叭，實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警語音。報(bào)警報(bào)文由數(shù)據(jù)計(jì)算模塊通過無線傳輸模塊上報(bào)到消防主機(jī)。

監(jiān)測裝置外殼結(jié)構(gòu)上采用厚度較薄的長方體結(jié)構(gòu)，高度不超過15mm，底部四角有可伸縮固定座，便于安裝在電池組pack內(nèi)部的槽上，使得傳感器可以貼合在電池側(cè)面。外殼表面有采用強(qiáng)化玻璃鋼材質(zhì)，減少pack內(nèi)部電池充放電發(fā)熱對裝置的影響。

3 電池早期預(yù)警監(jiān)測算法模型

監(jiān)測裝置內(nèi)部建立了一種“電池早期預(yù)警算法模型”，模型的基本原理為：信號采集模塊對磷酸鐵鋰電池在正常工作下的內(nèi)部溫度、不同氣體濃度及從BMS獲取的電池電壓和電流三組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)計(jì)分析，建立起鋰電池在正常工作條件下的三組數(shù)據(jù)各自的可信樣本值。樣本的最大值定義為最大閥值。根據(jù)磷酸鐵鋰電池在不同故障條件下（過壓過流、擠壓、內(nèi)部短路、小電流回路、穿刺等）呈現(xiàn)的早期特征在不同時(shí)間點(diǎn)上的不同表征，對時(shí)間區(qū)域?qū)⑵浞譃闊釣E用、熱擴(kuò)散和熱失控三個(gè)階段。在熱濫用階段初期，電池的溫度會呈現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的上升，此時(shí)的表征參數(shù)為電池溫度。到了熱濫用中后期，溫度呈現(xiàn)穩(wěn)定，但是隨著SEI膜分解、PE基質(zhì)融化引起CO、CH氣體濃度尤其是CO氣體濃度會呈現(xiàn)瞬間上升，呈現(xiàn)指數(shù)級變化，因此此時(shí)的表征參數(shù)為CO和CH氣體濃度。到了熱擴(kuò)散階段，隨著石墨電極和電解液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)電池內(nèi)部熱效率曲線從平穩(wěn)性迅速向指數(shù)級變化，而氣體濃度曲線保留在一定階段的平穩(wěn)過程，因此此時(shí)的表征參數(shù)為電池內(nèi)部熱效率曲線而非氣體濃度曲線。到了熱失控階段，隨著電解液分解泄露，內(nèi)部電芯開始呈現(xiàn)大規(guī)模短路，此時(shí)電池電極兩端的放電電壓或放電電流會產(chǎn)生變化，考慮到單個(gè)依靠放電電壓或放電電流存在判斷誤差的情況下，建立起基于電芯的內(nèi)阻值計(jì)算公式，由于在熱失控階段，溫度和氣體濃度變化率不是非常大情況下，通過判斷電芯內(nèi)阻的變化來精確定位熱失控階段。

根據(jù)上述原理，建立了“電池早期預(yù)警算法模型”的算法流程，算法如下所示：

步驟1：獲取各個(gè)參數(shù)的最大閾值

正常工作條件下，對鋰電池的溫度、混合氣體濃度、內(nèi)阻在足夠長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)采樣，并獲取三者的最大值[X,Y,Z]，[X,Y,Z]定義為最大閾值。其中X表示溫度傳感器值；Y表示是一組數(shù)組，分別為三個(gè)值[YCO，YHS，YCH]表示CO氣體、HS氣體和CH氣體濃度值；Z表示電池內(nèi)阻值；電池內(nèi)阻值的實(shí)時(shí)計(jì)算公式為：

步驟2：建立故障樣本曲線。

（1）在試驗(yàn)室條件下，對N個(gè)已損壞鋰電池的溫度、混合氣體濃度、內(nèi)阻值（通過步驟一公式計(jì)算），在剛開始充放電t時(shí)刻開始，進(jìn)行連續(xù)采樣，直至電池溫度超過800℃或電池出現(xiàn)明顯鼓包、電火花等現(xiàn)象。得到N組溫度、混合氣體濃度、內(nèi)阻隨時(shí)間的變化曲線樣本，記為[xi(t),yi(t),zi(t)](i=1,2,3...N);其中，xi(t)表示第i個(gè)鋰電池上溫度傳感器值隨時(shí)間的變化曲線；yi(t)表示是三條曲線，記為[yiCO，yiHS，yiCH]，表示CO氣體、HS氣體和CH氣體濃度值隨時(shí)間的變化曲線；zi(t)表示電池內(nèi)阻值隨時(shí)間的變化曲線；

表1：實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)警監(jiān)測裝置與BMS進(jìn)的比較

定義故障樣本曲線為[α(t),β(t),γ(t)]，通過最小二乘法獲取，即求殘差平方和最小值。

最終獲得的曲線組[α(t),β(t),γ(t)]，定義為故障樣本曲線。

步驟3：故障的判定。

信號采集模塊實(shí)時(shí)采集溫度、氣體濃度和BMS電池電壓及電流值，并計(jì)算出電池內(nèi)阻值，同時(shí)每一次采樣和各自的最大閾值做比較，如果都小于最大閥值，則都認(rèn)為是正常值，繼續(xù)采樣下一組數(shù)據(jù)。

如果在某一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，某一個(gè)數(shù)據(jù)超過最大閾值，對全體參數(shù)再進(jìn)行下個(gè)周期內(nèi)的采樣，獲取參數(shù)值變化曲線，如果有曲線與故障樣本曲線的變化趨勢相似，那么根據(jù)不同的情況判定電池該狀態(tài)量上呈現(xiàn)變化。具體算法模型圖如圖1所示。

圖1：電池早期預(yù)警算法模型

4 消防協(xié)同控制的方法

根據(jù)監(jiān)測裝置及內(nèi)部集成的“電池早期預(yù)警算法模型”，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)消防協(xié)同控制的方法。方法流程如圖2所示。

圖2：消防安全聯(lián)動方法流程圖

（1）連接信號采集裝置的電源啟動后，裝置實(shí)時(shí)采集溫度、氣體濃度和BMS電池電壓及電流值，并計(jì)算出電池內(nèi)阻值。采集到的數(shù)據(jù)保存到本地，每1秒刷新數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)每一次采樣和各自的最大閾值做比較，如果都小于最大閥值，則都認(rèn)為是正常值，繼續(xù)采樣下一組數(shù)據(jù)。

（2）如果在某一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，某一個(gè)數(shù)據(jù)超過最大閾值，則對所有參數(shù)再進(jìn)行下個(gè)周期內(nèi)的連續(xù)采樣，并獲取對應(yīng)的參數(shù)值變化曲線。根據(jù)情況的不同，分以下（3）～（5）進(jìn)行判別。

（3）如果任何參數(shù)超過最大閥值，但在下個(gè)周期內(nèi)，所有參數(shù)又回到正常范圍內(nèi)，則表示系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，退回到流程（1）。

（4）如果任何參數(shù)超過最大閥值，且在下個(gè)周期內(nèi)當(dāng)前參數(shù)持續(xù)上升，接近故障樣本曲線，但其他參數(shù)值均處于正常范圍，沒有明顯上升，則認(rèn)為該電池產(chǎn)生早期熱濫用，則LED燈閃爍，喇叭發(fā)出“XX（電池ID）電池發(fā)生熱濫用”語音提示。

（5）如果任何參數(shù)超過最大閥值，且在下個(gè)周期內(nèi)當(dāng)前參數(shù)持續(xù)上升，接近故障樣本曲線；其他參數(shù)值也發(fā)生相應(yīng)的變化，接近故障樣本曲線，則認(rèn)為該電池當(dāng)前發(fā)生熱擴(kuò)散，則則LED燈閃爍，喇叭發(fā)出“XX（電池ID）電池發(fā)生熱擴(kuò)散”語音提示。

（6）當(dāng)每次發(fā)生電池狀態(tài)變化時(shí)，通過LORA無線模塊，將狀態(tài)變化的時(shí)間、電池ID、電池當(dāng)前的溫度、內(nèi)阻、混合氣體濃度等數(shù)據(jù)上傳到消防主機(jī)，主機(jī)根據(jù)當(dāng)前電池的狀態(tài)并綜合儲能單元艙內(nèi)其他狀態(tài)采集裝置的參數(shù)，聯(lián)動消防滅火裝置或提出作業(yè)命令，具體情況如下（7）～（9）。

（7）當(dāng)消防主機(jī)收到電池發(fā)生熱濫用消息時(shí)，調(diào)取視頻監(jiān)控系統(tǒng)單個(gè)電池pack的圖像、艙內(nèi)紅外溫度傳感器數(shù)據(jù)、艙內(nèi)氣體監(jiān)測儀數(shù)據(jù)。若圖像未出現(xiàn)明火，溫度正常，混合氣體濃度正常，則表明監(jiān)測裝置出現(xiàn)誤判，消防主機(jī)通過LORA發(fā)送“終止”信號給監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置收到“終止”信號時(shí)，LED燈熄滅并停止語言警報(bào)；若紅外溫度傳感器采集到的溫度超過正常值，但是圖像未出現(xiàn)明火，混合氣體濃度正常，則表明的確出現(xiàn)熱濫用。消防主機(jī)通過LORA發(fā)送“散熱”信號給溫控系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)收到信號后，打開備用風(fēng)扇，并加強(qiáng)對應(yīng)電池pack的散熱能力。

（8）當(dāng)消防主機(jī)收到電池發(fā)生熱擴(kuò)散消息時(shí)，調(diào)取視頻監(jiān)控系統(tǒng)單個(gè)電池pack的圖像、艙內(nèi)紅外溫度傳感器數(shù)據(jù)、艙內(nèi)氣體監(jiān)測儀數(shù)據(jù)。若圖像未出現(xiàn)明火，溫度正常，混合氣體濃度正常，則表明監(jiān)測裝置出現(xiàn)誤判，消防主機(jī)通過LORA發(fā)送“終止”信號給監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置收到“終止”信號時(shí)，LED燈熄滅并停止語言警報(bào)；若紅外溫度傳感器采集到的溫度超過正常值，但是圖像未出現(xiàn)明火，混合氣體濃度上升，則表明的確出現(xiàn)熱擴(kuò)散。消防主機(jī)通過LORA，發(fā)送“斷開”信號給電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)收到信號后，緊急斷開相應(yīng)的電池pack；消防主機(jī)發(fā)送“降溫”信號給溫控系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)收到信號后，打開備用風(fēng)扇并增大空調(diào)的功率。同時(shí)，消防主機(jī)啟動艙內(nèi)聲光報(bào)警器，并將消息發(fā)送到電力物聯(lián)網(wǎng)平臺，提醒作業(yè)人員后期對問題電池pack進(jìn)行檢修。

（9）在任何時(shí)候，當(dāng)消防主機(jī)調(diào)取視頻監(jiān)控系統(tǒng)某單個(gè)電池pack的圖像時(shí)。若圖像出現(xiàn)明火，則表明該pack內(nèi)的電池出現(xiàn)熱失控，則消防主機(jī)立即啟動滅火裝置，啟動艙內(nèi)聲光報(bào)警器；消防主機(jī)通過LORA，發(fā)送“斷開”信號給電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)收到信號后，緊急斷開相應(yīng)的電池pack；同時(shí)，消防主機(jī)將消息發(fā)送到電力物聯(lián)網(wǎng)平臺，提醒作業(yè)人員后期對問題電池pack進(jìn)行檢修。

5 實(shí)際測試

根據(jù)鋰電池發(fā)生熱濫用、熱擴(kuò)散等現(xiàn)象的原理。在實(shí)驗(yàn)室條件下，針對已發(fā)生鼓包的電池進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，連續(xù)觀測52小時(shí)。

表1為實(shí)驗(yàn)室條件下使用早期預(yù)警監(jiān)測裝置對五組電池進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測與實(shí)際的BMS進(jìn)行的比較。

表1中可以明顯看出，針對已經(jīng)發(fā)生早期的熱擴(kuò)散現(xiàn)象的鋰電池，裝置可以有效辨識鋰電池是否發(fā)生熱濫用，熱擴(kuò)散等現(xiàn)象。比傳統(tǒng)的BMS效果更好。

6 結(jié)論

本文是針對大規(guī)模鋰電池儲能電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大、運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)大、消防需求高等特點(diǎn)，為提高消防預(yù)警準(zhǔn)確性，對鋰電池儲能站的電池?zé)崾Э丶盁釘U(kuò)散特征參數(shù)進(jìn)行動態(tài)識別和表征，重點(diǎn)研究鋰離子儲能站熱失控早期的預(yù)警技術(shù)，通過對鋰離子儲能電站的消防系統(tǒng)實(shí)行分級預(yù)警機(jī)制，對單體電池進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，提出了一種電化學(xué)儲能站電池早期預(yù)警監(jiān)測算法模型，通過算法模型，設(shè)計(jì)了一種鋰離子儲能站電池早期預(yù)警信號采集裝置，并提出了實(shí)現(xiàn)消防安全聯(lián)動的方法。通過實(shí)驗(yàn)論證，該裝置可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對鋰電池狀態(tài)進(jìn)行識別。該裝置及安全聯(lián)動方法有望在今后的大型鋰電池儲能站投入試驗(yàn)并使用。