鋰電池電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全監(jiān)測(cè)智慧系統(tǒng)研究

熊銘輝 王琳 何根泉 康寧 薛銳

摘 要：隨著全球能源發(fā)展的變化，更多可再生能源進(jìn)入電力領(lǐng)域，給電力領(lǐng)域的并網(wǎng)帶來(lái)了更大挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的有效方法之一就是采用儲(chǔ)能技術(shù)，其中鋰離子電化學(xué)儲(chǔ)能以其獨(dú)有的效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)得到快速發(fā)展。為使鋰離子電池工作過(guò)程更加高效穩(wěn)定安全，建立了一套儲(chǔ)能電站電池安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ESMS），功能包括實(shí)時(shí)顯示電池信息、預(yù)估荷電狀態(tài)SOC、超限報(bào)警、預(yù)處理等，可以有效避免安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)儲(chǔ)能；鋰電池；儲(chǔ)能電站；安全監(jiān)測(cè)智慧系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.001

0? ? 引言

隨著全球能源發(fā)展的變化，可再生能源發(fā)電的占比將越來(lái)越大，如光伏、風(fēng)電、水電等。根據(jù)中國(guó)的雙碳計(jì)劃[1-2]，“十四五”將是一個(gè)關(guān)鍵期，必須大力提高可再生能源在總體能源結(jié)構(gòu)中的比例。目前，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍然占有很高的地位。但是，根據(jù)國(guó)家的能源發(fā)展計(jì)劃，我國(guó)的煤電裝機(jī)在總裝機(jī)中的比例在逐年下降，2012年是65.7%，2020年這一數(shù)字降至50%以下。這一變化展示了中國(guó)的能源動(dòng)力體系將更加多元化，更加注重非化石能源的引入。21世紀(jì)中葉，我國(guó)的可再生能源占比將有可能達(dá)到78%甚至更高。在能源結(jié)構(gòu)的改變中，中國(guó)的電力系統(tǒng)將迎來(lái)巨大的挑戰(zhàn)——可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)，必須著力解決并網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的超低負(fù)荷深度調(diào)峰、頻繁啟停調(diào)峰等問(wèn)題。

為解決可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)中所遇難題，西方國(guó)家在20世紀(jì)末最早采用了儲(chǔ)能技術(shù)[3-4]，如意大利和瑞士，主要是抽水蓄能。儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)單說(shuō)就是采用大容量且能實(shí)現(xiàn)快速充放電的儲(chǔ)能設(shè)施裝置或物理介質(zhì)將一種不易存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化為另一種可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)的能量。近些年，隨著國(guó)內(nèi)外可再生能源的大量裝機(jī)，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，儲(chǔ)能手段也越來(lái)越多。儲(chǔ)能技術(shù)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，根據(jù)儲(chǔ)能過(guò)程涉及的用能形式，大致可分為物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等，如圖1所示。

圖2展示的是我國(guó)近些年新型儲(chǔ)能新增投運(yùn)規(guī)模變化曲線。雖然近些年國(guó)際市場(chǎng)較為動(dòng)蕩，而且還有疫情的沖擊，但國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)能市場(chǎng)依然保持了較高速度的增長(zhǎng)。2022年國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能新增投運(yùn)規(guī)模超過(guò)14 GW，同比增長(zhǎng)接近兩倍，新增裝機(jī)規(guī)模約5.93 GW。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能[5-6]為主要的新型儲(chǔ)能形式，根據(jù)計(jì)算，2022年中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)11 GW，電化學(xué)儲(chǔ)能份額增長(zhǎng)明顯。電化學(xué)儲(chǔ)能是利用化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化電能的裝置，以鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池為主。其中鋰離子電池儲(chǔ)能由于其自身較大的優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能市場(chǎng)中占比越來(lái)越大，接近九成。

2021年，中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模5.1 GW，其中，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)規(guī)模4.7 GW，裝機(jī)規(guī)模占比達(dá)92.0%。電化學(xué)儲(chǔ)能在發(fā)展過(guò)程中面對(duì)的挑戰(zhàn)主要包括以下幾點(diǎn)：（1）電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故頻發(fā)；（2）儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展存在困境；（3）缺乏安全管理規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；（4）前期項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)存在缺陷。

因?yàn)殡娀瘜W(xué)儲(chǔ)能中鋰離子電池儲(chǔ)能具有占地面積小、效率高、轉(zhuǎn)換快、安全可靠、運(yùn)行靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本文將著重研究鋰離子電池儲(chǔ)能方式的檢測(cè)管理系統(tǒng)。儲(chǔ)能電池檢測(cè)管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電池大規(guī)模儲(chǔ)能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）有效增加儲(chǔ)能電池的使用壽命；（2）減小電池在使用過(guò)程中的損耗，早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題早解決，提高電池的使用效率和使用安全性，避免各種事故的發(fā)生；（3）保存每個(gè)電池單元的全過(guò)程數(shù)據(jù)，供查詢(xún)使用。

1? ? 鋰電池電化學(xué)儲(chǔ)能

儲(chǔ)能介質(zhì)就是能量存儲(chǔ)的容器，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效率和安全。圖3展示了常見(jiàn)的幾種儲(chǔ)能介質(zhì)的儲(chǔ)能效率。鉛酸電池的效率在76%左右，相對(duì)于其他幾種最低；鋰離子電池[7-9]的效率接近100%，相對(duì)于其他幾種最高。另外，鋰離子電池的比能量在70～200 W·h/kg，相對(duì)比較高，工作溫度最低可達(dá)-30 ℃，不存在其他電池低溫?zé)o法正常儲(chǔ)能的缺點(diǎn)。所以，鋰離子電池由于其比能量較高、能在溫差范圍較大的工作場(chǎng)合工作，可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)的理想介質(zhì)。因?yàn)閱蝹€(gè)鋰離子電池能量較低，通常為了適應(yīng)新的發(fā)展要求，會(huì)將多個(gè)鋰離子電池集成到一起，以電池群的形式出現(xiàn)在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中。2017年中國(guó)儲(chǔ)能鋰電池的出貨量是74.8 GW·h，2022年達(dá)到130 GW·h，同比增長(zhǎng)約74%。從出貨產(chǎn)品應(yīng)用看，電力儲(chǔ)能仍是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，占比超過(guò)70%，而戶(hù)用儲(chǔ)能和便攜式儲(chǔ)能表現(xiàn)也超出預(yù)期。由儲(chǔ)能電池的出貨量，可以看到鋰電池電化學(xué)儲(chǔ)能在儲(chǔ)能技術(shù)中的快速發(fā)展。

在實(shí)際工程中，鋰離子儲(chǔ)能電池的組成主要包括有機(jī)電解液、正負(fù)極以及隔開(kāi)正負(fù)極的隔膜。在外部，為保持電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)采用堅(jiān)硬的金屬外殼進(jìn)行密封?；阡囯x子電池的基本結(jié)構(gòu)，可以知道該類(lèi)電池的散熱性能較差。而且由于鋰離子電池是以集群的形式進(jìn)行工作，在某些情況下，電池內(nèi)部會(huì)在短時(shí)間內(nèi)累積大量的熱量，無(wú)法及時(shí)向外擴(kuò)散，引發(fā)電池的性能失控，嚴(yán)重的將造成安全事故。比如近五年，韓國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)總共發(fā)生了23次火災(zāi)事故，分別為充放電后14次、充放電過(guò)程中6次、安裝過(guò)程中3次。2021年，國(guó)內(nèi)發(fā)生了一起嚴(yán)重的儲(chǔ)能電池事故，地點(diǎn)是北京某公司，鋰離子儲(chǔ)能電池電站發(fā)生火災(zāi)并產(chǎn)生爆炸、中毒、觸電等現(xiàn)象，造成兩名消防員死亡、一名受傷。安全事故的高頻率出現(xiàn)給世界范圍內(nèi)正在高速發(fā)展的儲(chǔ)能電池行業(yè)帶來(lái)了警示，運(yùn)行安全必須重視，安全重于一切。因此，亟需構(gòu)建儲(chǔ)能電池消防安全監(jiān)控系統(tǒng)，并增加應(yīng)急救援機(jī)制，對(duì)電池的失控現(xiàn)象進(jìn)行提前預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，以降低儲(chǔ)能電池的熱失控概率。

2? ? 儲(chǔ)能電站電池安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

儲(chǔ)能電站電池安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ESMS），又被稱(chēng)為智能電池管家，起到連接儲(chǔ)能電池和用戶(hù)的作用。通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)檢測(cè)記錄，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)查看了解電池集群中每個(gè)子單元的運(yùn)行情況，延長(zhǎng)電池的使用壽命，降低電池工作過(guò)程中可能出現(xiàn)事故的概率，進(jìn)而保證整個(gè)電力系統(tǒng)健康穩(wěn)定地工作。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的深入發(fā)展，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為整個(gè)電力系統(tǒng)不可缺少的一部分。研制儲(chǔ)能電站電池安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)是怎樣實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)能電池集群中每個(gè)子單元的狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行管理。大容量電池集群對(duì)每個(gè)電池的一致性要求更高，實(shí)測(cè)中，鋰電池經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行后性能會(huì)有一定差距，使得整個(gè)電池系統(tǒng)的性能變差，影響電池的使用時(shí)間和電池集群的荷電狀態(tài)SOC。本文開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)能電站電池安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括電池溫度采集模塊、電池電壓采集模塊、電池電流采集模塊、環(huán)境濕度采集模塊和ZigBee通信模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

ESMS子系統(tǒng)的控制核心是微處理器MC9S12-

XS128，在其內(nèi)部集成有單片機(jī)、ADC以及無(wú)線通信，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各電池信息采集、無(wú)線傳遞消息的要求。采用LTC6804采集儲(chǔ)能電池集群組中單體電池的電壓，采用霍爾電流傳感器采集電流，采用NTC熱敏電阻采集電芯表面溫度，采用濕度傳感器LOR采集電池所處環(huán)境的濕度。以上數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信傳遞給處理器，估算每個(gè)電池集群組的荷電狀態(tài)SOC和整個(gè)電池集群組的荷電狀態(tài)SOC。通過(guò)RS232串口將所有數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳遞到上位機(jī)，并與所設(shè)置的上下臨界值進(jìn)行比照，當(dāng)電池相關(guān)數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)時(shí)，上位機(jī)顯示報(bào)警信息，并指示出現(xiàn)問(wèn)題的電池單元所在位置，方便后續(xù)處理。ZigBee通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、高安全性的雙向無(wú)線通信技術(shù)，并且有自組網(wǎng)和自愈能力，可以組建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee可以工作在2.4 GHz（全球）、868 MHz（歐洲）、915 MHz（美國(guó)）3個(gè)頻段，傳輸速度最高250 kbit/s，最低20 kbit/s，傳輸距離在10～75 m。

采用安時(shí)積分法估算電池的荷電狀態(tài)SOC。安時(shí)積分法不考慮電池內(nèi)部的作用機(jī)理，根據(jù)系統(tǒng)的某些外部特征如電流、時(shí)間、溫度補(bǔ)償?shù)?，通過(guò)對(duì)時(shí)間和電流進(jìn)行積分，有時(shí)還會(huì)加上某些補(bǔ)償系數(shù)，來(lái)計(jì)算流入/流出電池的總電量，從而估算電池的荷電狀態(tài)。目前安時(shí)積分法在電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其計(jì)算公式如下：

SOC=SOC0- ηI（t）dt

式中：SOC0為電池荷電狀態(tài)的初始電量值；CE為電池的額定容量；η為充放電效率系數(shù)，又被稱(chēng)作庫(kù)倫效率系數(shù)，代表了充放電過(guò)程中電池內(nèi)部的電量耗散，以充放電倍率和溫度修正系數(shù)為主；I（t）為電池在t時(shí)刻的充放電電流；t為充放電時(shí)間。

為使電流測(cè)量的精度得到提高，通常采用高性能的電流傳感器來(lái)測(cè)量電流，但這樣加大了成本。為此，本文在應(yīng)用安時(shí)積分法的同時(shí)應(yīng)用開(kāi)路電壓法，將二者結(jié)合。開(kāi)路電壓法用來(lái)估算電池的初始荷電狀態(tài)，安時(shí)積分法用于實(shí)時(shí)估算，并且在算式中添加相關(guān)修正因子，以提高計(jì)算準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)采用VB6.0可視化軟件，主要的程序包括硬件初始化、電池狀態(tài)信息獲取、信息傳遞設(shè)置、超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。為方便今后程序的進(jìn)一步升級(jí)，提高程序的易讀性和效率，根據(jù)功能的種類(lèi)劃分相應(yīng)模塊，具體軟件流程如圖5所示。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需要，本軟件的監(jiān)控畫(huà)面包括用戶(hù)登錄畫(huà)面、主監(jiān)控畫(huà)面、電池組信息畫(huà)面、報(bào)警信息畫(huà)面、歷史數(shù)據(jù)畫(huà)面等，具體如下：

（1）用戶(hù)登錄畫(huà)面：打開(kāi)控制軟件后，用戶(hù)首先點(diǎn)擊“用戶(hù)登錄”按鈕進(jìn)入登錄界面，如圖6所示。只有正確輸入用戶(hù)名和密碼登錄之后，才能進(jìn)入軟件的主監(jiān)控界面，進(jìn)而利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作或管理。

（2）主監(jiān)控畫(huà)面：主監(jiān)控畫(huà)面主要展現(xiàn)了儲(chǔ)能電站電池整體數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和PLC控制。整體數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)狀態(tài)、總電壓、電流、最高電壓、最低電壓、平均電壓、最高溫度、最低溫度、最高濕度、最低濕度、最高荷電狀態(tài)SOC、最低荷電狀態(tài)SOC，如圖7所示。

圖8為參數(shù)設(shè)置畫(huà)面，可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改，需要注意的是，只有具有修改權(quán)限的用戶(hù)才能實(shí)現(xiàn)修改操作。

（3）電池組信息畫(huà)面：電池組信息畫(huà)面主要用來(lái)顯示和實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電池的電壓、電流、溫度、SOC等信息，如圖9所示。

（4）報(bào)警信息畫(huà)面：報(bào)警信息畫(huà)面主要顯示監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警情況及具體的故障信息，信息匯總中默認(rèn)按時(shí)間先后順序進(jìn)行報(bào)警信息的輸出，以供管理員實(shí)時(shí)查看，如圖10所示。

（5）歷史數(shù)據(jù)畫(huà)面：打開(kāi)歷史數(shù)據(jù)畫(huà)面窗口后，可查詢(xún)檢測(cè)系統(tǒng)激活后記錄的所有數(shù)據(jù)，如圖11所示，并顯示每塊電池的電壓、電流、溫度、濕度、SOC隨時(shí)間的變化曲線。

3? ? 結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，本文自主研發(fā)了儲(chǔ)能電站電池安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ESMS），能實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)能電站每塊電池的狀態(tài)信息，并與正常值進(jìn)行對(duì)照，適時(shí)發(fā)布報(bào)警信息，提醒工作人員提前進(jìn)行處理，避免安全事故的發(fā)生，為儲(chǔ)能電池在儲(chǔ)能電站中的大規(guī)模應(yīng)用提供保障。

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收稿日期：2023-03-31

作者簡(jiǎn)介：熊銘輝（1974—），男，云南昆明人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向：工商管理。

通信作者：薛銳（1975—），男，江蘇南京人，副教授，副院長(zhǎng)，研究方向：儲(chǔ)能技術(shù)。