一种用于电池储能系统的热失控的保护方法及装置与流程

本申请涉及电池安全技术领域，具体涉及一种用于电池储能系统的热失控的保护方法，以及一种用于电池储能系统的热失控的保护装置。

背景技术：

电化学储能主要用于在电网高负荷的时候输出能量，用于削峰填谷，减轻电网波动，随着电化学储能累计装机量的上升，当前常用的电化学储能体系，如锂离子电池储能体系存在安全隐患，无法从本质上保证使用安全性。研究表明，电池的安全问题本质上源于内部放热反应引起的热失控。尽管世界上许多国家和组织都制定了电池检测要求和安全标准，但是大批量的电池使用，仍有可能发生电池燃烧爆炸及连锁反应。

当前尚无可行的方案保障电池储能系统安全运行，究其根本原因在于多种因素，如过充、挤压、针刺、短路等均可引起电池热失控。当前使用的电池储能系统监测手段主要为温度和电压，为运行中的电池设定温度和电压临界点，而电池内部温度和外部温度存在差异，且内、外部温度差异会因电池几何位置和具体工作状况不同，因此常规的温度监测手段仍不能保证电池安全。

技术实现要素：

本申请提供一种用于电池储能系统的热失控的保护方法，用于解决常规的温度监测手段不能保证电池安全的问题。

本本申请提供一种用于电池储能系统的热失控的保护方法，包括：

获取电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，将所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的初始值；

从所述开始工作的时间开始计时，根据预先设置的间隔时间，定时获取电池表面的多个位置的温度，将最近一次获取的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的当前值；

根据所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值，以及所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值各自的获取时间，通过温升速率计算公式获取所述电池表面的多个位置的温升速率；

将所述温升速率与预先设定的温升速率阈值进行比较，若所述温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则采取相应的电池保护措施。

优选的，所述获取电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，包括：

获取在电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温度，分别记作ta、tb、tc、td。

优选的，所述从所述开始工作的时间开始计时，根据预先设置的间隔时间，定时获取电池表面的多个位置的温度，包括：

将所述开始工作的时间记作t0；

根据预先设置的间隔时间，获取电池表面的多个位置的温度；

将获取间隔时间t在电池表面ta、tb、tc、td的温度，分别记作t1、t2、t3、t4。

优选的，所述根据所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值，以及所述当前电池表面的温度与所述电池表面的温度的初始值的获取时间，通过温升速率计算公式获取所述当前电池表面的多个位置的温升速率，具体公式为：

温升速率vt,n＝(tn-t0)/(t-t0)；

其中，其中tn为所述电池表面ta、tb、tc、td任意位置点的间隔时间为n时的温度，t0为所述电池表面ta、tb、tc、td任意位置点的电池储能系统开始工作的时间的温度，t为当前时间。

优选的，还包括：

根据所述温升速率，分别获取所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率。

优选的，所述将所述温升速率与预先设定的温升速率阈值进行比较，若所述温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则采取相应的电池保护措施，包括：

将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；

若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第一阈值且小于第二阈值，则降低所述电池的当前运行功率。

优选的，还包括：

若所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率均未超过预先设定的温升速率第一阈值，则维持所述电池的当前运行功率。

优选的，还包括：

将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；

若所述电池表面任意一个位置点的当前温升速率超过预先设定的温升速率第二阈值且小于第三阈值，则停止所述电池的运行，同时发出报警信息。

优选的，还包括；

将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速度的阈值进行比较；

若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第三阈值，则通知消防系统采取措施，同时发出报警信息。

优选的，所述电池储能系统，包括：

锂二次电池储能系统，铅酸电池储能系统，液流电池储能系统。

优选的，还包括：

根据不同的电池储能系统、不同电池规格、不同电池的不同充放电方式，以及电池使用的不同环境温度，预先设定不同的温升速率阈值。

本申请同时提供一种用于电池储能系统的热失控的保护装置，包括：

初始值获取单元，用于获取电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，将所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的初始值；

当前值获取单元，用于从所述开始工作的时间开始计时，根据预先设置的间隔时间，定时获取电池表面的多个位置的温度，将最近一次获取的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的当前值；

温升速度计算单元，用于根据所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值，以及所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值各自的获取时间，通过温升速率计算公式获取所述电池表面的多个位置的温升速率；

比较单元，用于将所述温升速率与预先设定的温升速率阈值进行比较，若所述温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则采取相应的电池保护措施。

优选的，所述初始值获取单元，包括：

位置点获取子单元，用于获取在电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温度，分别记作ta、tb、tc、td。

优选的，所述当前值获取单元，包括：

时间定义子单元，用于将所述开始工作的时间记作t0；

温度获取子单元，用于根据预先设置的间隔时间，获取电池表面的多个位置的温度；

温度定义子单元，用于将获取间隔时间t在电池表面ta、tb、tc、td的温度，分别记作t1、t2、t3、t4。

优选的，所述温升速率计算单元，包括：

公式定义子单元，用于定义温升速度计算公式，vt,n＝(tn-t0)/(t-t0)。

优选的，所述公式定义子单元，包括：

温升速度获取子单元，用于根据所述温升速率，分别获取所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温度速率。

优选的，所述比较单元，包括：

第一阈值比较单元，用于将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；

功率降低单元，用于若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第一阈值且小于第二阈值，则降低所述电池的当前运行功率。

优选的，还包括：

功率维持单元，用于若所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率均未超过预先设定的温升速率第一阈值，则维持所述电池的当前运行功率。

优选的，还包括：

第二阈值比较单元，用于将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；

运行停止单元，用于若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第二阈值且小于第三阈值，则停止所述电池的运行，同时发出报警信息。

优选的，还包括：

第三阈值比较单元，用于将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速度的第三阈值进行比较；

消防单元，用于若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则通知消防系统采取措施，同时发出报警信息。

优选的，还包括：

阈值设定单元，用于根据不同的电池储能系统、不同电池规格、不同电池的不同充放电方式，以及电池使用的不同环境温度，预先设定不同的温升速率阈值。

本申请提供的一种用于电池储能系统的热失控的保护方法，通过获取电池表面不同位置点的初始温度与当前温度，通过温升速率计算公式，计算不同位置点的温升速率，将温升速率与预先设定的多个阈值进行比较，若电池表面任意位置点的温升速率超过预先设定的阈值，则采取相应的保护措施，解决了因采集电池表面温度的位置点单一，获取的温度不准确的问题，同时只将电池表面的温度与临界点进行比较，安全级别不明确的问题。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种用于电池储能系统的热失控的保护方法流程图；

图2是本申请实施例涉及的测量阈值及温升速率所用电池及热电偶布置示意图；

图3是本申请实施例涉及的电池温度与阈值比较的流程图；

图4是本申请实施例涉及的电池正极处和负极处仿真计算的热失控过程温度-时间变化曲线

图5是本申请实施例涉及的电池不同倍率过充时正极处温度-时间变化仿真曲线。

图6是本申请实施例提供的一种用于电池储能系统的热失控的保护装置示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

请参看图1，图1是本申请实施例提供的方法流程图，下面结合图1进行详细说明。

步骤s101，获取电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，将所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的初始值。

电池储能系统主要用于在电网负荷低的时候储存电能，在电网负荷高的时候输出电能，用于削峰填谷，减轻电网波动。在本申请中，电池储能系统指的是电化学储能系统，电池储能系统由一个或多个电池模组组成，电池在存储电能时，将电能转换为化学能，电池在输出电能时，将化学能转换为电能，在能量转换的过程中，电池会发热，如果发生过充、挤压、针刺、短路等情况，均可能引起电池热失控，进而发生电池燃烧爆炸及连锁反应。所以，为了有效预防电池热失控，需采取有效的保护措施。

在采取有效的保护措施之前，需要获取电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，包括：获取在电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温度，分别记作ta、tb、tc、td。如图2所示，图2是测量阈值及温升速率所用电池及热电偶布置示意图，图2中的4个点即为获取电池表面温度的4个点，然后将所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的初始值。一般情况下，电池表面多个位置的温度的初始值都相对较低，因为电池刚刚开始工作，而选择电池表面的4个点进行取值，因为电池在工作时，由于内部构造的原因，其发热点也不同，所以内部的温度反映在电池表面也会不同，所以取4个不同位置点的温度，这4个不同的位置点通常对应电池内部不同的功能区，位置点不一定是4个，可以根据实际情况选择多个位置点。

步骤s102，从所述开始工作的时间开始计时，根据预先设置的间隔时间，定时获取电池表面的多个位置的温度，将最近一次获取的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的当前值。

在上一个步骤中，获取了电池储能系统开始工作的时间和开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，在电池储能系统开始工作后，电池内部的温度开始上升，进而将温度传递到电池的表面，这时从所述开始工作的时间开始计时，根据预先设置的间隔时间，定时获取电池表面的多个位置的温度，将所述开始工作的时间记作t0，根据预先设置的间隔时间，获取电池表面的多个位置的温度，将获取间隔时间t在电池表面ta、tb、tc、td的温度，分别记作t1、t2、t3、t4。

预先设置的间隔时间，不宜太长，一般应小于5分钟，间隔时间越小越好，但是在温度采集设备性能允许的范围内，在本申请实施例中，可以将间隔时间设置为2分钟，然后每隔2分钟向电池表面的4个位置点ta、tb、tc、td，获取一次温度值，然后将最近一次获取的电池表面的4个位置点的温度作为电池表面的多个位置的温度的当前值，分别记作t1、t2、t3、t4。

步骤s103，根据所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值，以及所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值各自的获取时间，通过温升速率计算公式获取所述电池表面的多个位置的温升速率。

电池的温升速率，具体公式为：

温升速率vt,n＝(tn-t0)/(t-t0)；

其中，其中tn为所述电池表面ta、tb、tc、td任意位置点的间隔时间为n时的温度，t0为所述电池表面ta、tb、tc、td任意位置点的电池储能系统开始工作的时间的温度，t为当前时间。

根据所述温升速率，分别获取所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率。

步骤s104，将所述当前温升速率与预先设定的温升速率阈值进行比较，若所述当前温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则采取相应的电池保护措施。

在获得了电池表面4个位置点的温升速率后，温升速率是否在正常的范围内，还需要通过与预先设定的温升速率阈值做进一步的比较，通过比较结果，进行判定，具体的比较流程，可以参看图3。

将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第一阈值且小于第二阈值，则降低所述电池的当前运行功率。

在本申请中，共设置3档温升速率的阈值，这3档温升速率的阈值的关系为：第一阈值<第二阈值<第三阈值。

电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第一阈值且小于第二阈值，说明电池表面的温度过高，但还不至于存在危险，如果继续保持当前功率运行，会存在一定的危险，所以，只需要适当降低电池表面的温度，那么可以采取的措施为降低电池的当前运行功率。降低电池的当前运行功率，其电池内部的放热量开始减少，电池表面的温度会逐渐下降。所以，在一般情况下，在电池维持低功率运行一段时间后，电池表面的温度会降低，在电池保持低功率运行时，还会按预先设定的间隔时间获取电池表面4个位置点的温度，如果当前电池4个位置点的温升速率通过降低功率运行没有超过预选设置的温升速率第一阈值，说明电池表面的当前温度已处于安全范围，所以，可以恢复电池以正常功率运行了。

或者，在电池以正常功率运行时，若所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率均未超过预先设定的温升速率第一阈值，则维持所述电池的当前运行功率。说明电池当前的运行正处理一个安全的范围内，不需要采取任何保护措施，只要维持当前的运行状态即可。

电池储能系统通常将若干个电池作为电池组进行控制，所以在降低电池运行功率时，是将电池所在的电池组的功率降低，而不是将整个储能系统所有的电池功率都降低。

将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较，还有一种情况是，若所述电池表面任意一个位置点的当前温升速率超过预先设定的温升速率第二阈值且小于第三阈值，则停止所述电池的运行，同时发出报警信息。

由于温升速率第二阈值大于第一阈值小于第三阈值，所以当电池表面任意一个位置点的当前温升速率超过预先设定的温升速率第二阈值且小于第三阈值时，说明电池的温度已经相当高了，如果不立即采取相应的安全措施，其内部的放热反应就会引起热失控，后果会非常严重，所以应立即停止电池的运行，同时发出报警信息，提醒电池的温度过高，可能会引发热失控。

将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速度的阈值进行比较，还有一种情况就是，若所述电池表面任意一个位置点的当前温升速率超过预先设定的温升速率第三阈值，则通知消防系统采取措施，同时发出报警信息。消防系统针对该电池喷射降温灭火剂，喷射的灭火剂可以为以降温机理为主的灭火剂，如novec1230、干冰、七氟丙烷、泡沫、气溶胶、细水雾等常见气、液、固灭火剂中的一种或多种。第三阈值大于第一阈值，也大于第二阈值，如果电池表面的4个位置点的任意一个位置点的温升速率大于第三阈值，说明电池内部的放热反应已经引起了热失控，如果电池当时还没有发生爆炸燃烧等极端情况，但是爆炸燃烧等情况也随时可能发生，也是相当危险，所以需要通知消防系统采取措施，如果还没有发生爆炸燃烧则采取的措施以降温为主，如果在通知消防系统后，发生了爆炸燃烧等情况，那么就以灭火为主，使用灭火剂扑灭由于电池爆炸燃烧等引起的火灾。

电池从开始工作时间开始，到热失控的过程，可以通过仿真计算进行模拟，可以参看图4，图4为本申请实施例提供的电池正极处和负极处仿真计算的热失控过程温度-时间变化曲线。也可以参照不同倍率过充时正极处温度-时间变化仿真曲线，如图5所示，进一步了解电池发生热失控，从开始到热失控温度与时间的变化。

本申请提到的电池储能系统，包括：锂二次电池储能系统，铅酸电池储能系统，液流电池储能系统。根据不同的电池储能系统、不同电池规格、不同电池的不同充放电方式，以及电池使用的不同环境温度，预先设定不同的温升速率阈值，具体阈值由实验或仿真确定。

锂二次电池各温度采集点的温升速率阈值，第一阈值<第二阈值<第三阈值，该阈值适用于锂二次电池储能系统以0.1c-5c电流充放电，环境温度-10～60℃应用场景。

对于磷酸铁锂电池的正极a点处的温度变化率阈值vt,a，1c时分别设定为0.008℃/s～0.06℃/s(热平衡)，0.06℃/s～0.25℃/s(热增长)，0.25℃/s～10℃/s(热失控)之间；负极b点处的温度变化率阈值vt,b，1c时分别设定为0.008℃/s～0.03℃/s(热平衡)，0.03℃/s～0.25℃/s(热增长)，0.25℃/s～10℃/s(热失控)之间。

而对于磷酸铁锂电池热平衡阶段设定的阈值vt和充放电倍率r的拟合关系为vt＝a0+a1r+a2r2，其中a0,a1,a2均处于-0.1～0.1之间；热增长阶段设定的阈值vt和充放电倍率r的关系为vt＝b0+b1r,其中b0,b1,均处于-0.5～0.5之间；热失控阶段设定的阈值vt和充放电倍率r的关系为vt＝c0+c1r+c2r2,其中c0,c1,c2均处于-5～10之间。而其他位置点的阈值与倍率的关系可通过拟合方式获得，而系统运行环境温度在环境温度-20℃～60℃间，阈值与倍率均符合上述关系。

本申请同时提供一种用于电池储能系统的热失控的保护装置600，如图6所示，包括：

初始值获取单元601，用于获取电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度，将所述开始工作的时间的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的初始值；

当前值获取单元602，用于从所述开始工作的时间开始计时，根据预先设置的间隔时间，定时获取电池表面的多个位置的温度，将最近一次获取的电池表面的多个位置的温度作为电池表面的多个位置的温度的当前值；

温升速度计算单元603，用于根据所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值，以及所述电池表面的多个位置的温度的当前值与所述电池表面的多个位置的温度的初始值各自的获取时间，通过温升速率计算公式获取所述电池表面的多个位置的温升速率；

比较单元604，用于将所述温升速率与预先设定的温升速率阈值进行比较，若所述温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则采取相应的电池保护措施。

优选的，所述初始值获取单元，包括：

位置点获取子单元，用于获取在电池储能系统开始工作的时间和所述开始工作的时间电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温度，分别记作ta、tb、tc、td。

优选的，所述当前值获取单元，包括：

时间定义子单元，用于将所述开始工作的时间记作t0；

温度获取子单元，用于根据预先设置的间隔时间，获取电池表面的多个位置的温度；

温度定义子单元，用于将获取间隔时间t在电池表面ta、tb、tc、td的温度，分别记作t1、t2、t3、t4。

优选的，所述温升速率计算单元，包括：

公式定义子单元，用于定义温升速度计算公式，vt,n＝(tn-t0)/(t-t0)。

优选的，所述公式定义子单元，包括：

温升速度获取子单元，用于根据所述温升速率，分别获取所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温度速率。

优选的，所述比较单元，包括：

第一阈值比较单元，用于将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；

功率降低单元，用于若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第一阈值且小于第二阈值，则降低所述电池的当前运行功率。

优选的，还包括：

功率维持单元，用于若所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率均未超过预先设定的温升速率第一阈值，则维持所述电池的当前运行功率。

优选的，还包括：

第二阈值比较单元，用于将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速率的阈值进行比较；

运行停止单元，用于若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率第二阈值且小于第三阈值，则停止所述电池的运行，同时发出报警信息。

优选的，还包括：

第三阈值比较单元，用于将所述电池表面的正极位置点、负极位置点、几何中间位置点、以及几何底部位置点的温升速率与预先设定的温升速度的第三阈值进行比较；

消防单元，用于若所述电池表面任意一个位置点的温升速率超过预先设定的温升速率阈值，则通知消防系统采取措施，同时发出报警信息。

优选的，还包括：

阈值设定单元，用于根据不同的电池储能系统、不同电池规格、不同电池的不同充放电方式，以及电池使用的不同环境温度，预先设定不同的温升速率阈值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。