一种储能系统锂电池堆三维立体温度场重构方法与流程

文档序号：14038002阅读：430来源：国知局

本发明属于储能系统锂电池的热管理领域，为锂电池的热管理提供一种立体温度场重构的方法。

背景技术：

随着经济的发展，能源短缺是全世界各个国家都面临的问题。同时作为最重要的可利用的石化能源物质如煤炭、石油、天然气等正面临着枯竭的危险，能源短缺问题正变得越来越严重，并影响到人们的生活水平。另一方面，石化能源所带来的环境污染、气候变暖等问题已无法忽视，影响了可持续发展、节能环保理念的发展与推广，正越来越受到人们的关注。在众多的新型能源中，太阳能具有清洁无污染、安全可靠、制约少、用之不尽取之不竭、可持续利用等优点，从而具有不可比拟的优势。分布式发电可以电力就地消纳，节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗；而且与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性。

早期的太阳能光伏发电储能系统一般使用富液式铅酸蓄电池，它在使用过程中伴随着有酸雾产生，污染环境阀控式铅酸蓄电池由于它具有不需要不加酸水、无酸雾析出等优点，开始在光伏发电系统中广泛使用。随着vrla技术的发展，阀控式铅酸蓄电池成为分布式发电储能系统的主流选择。铅酸蓄电池其工作性能稳定，在小型独立光伏电站储能系统中有很好的应用。近年来，随着新技术突破、新能源电动汽车的陡然出现以及其井喷式的高速发展，让世界更多的目光开始关注锂离子电池。根据中国电力新闻网报道，2012年英国南安普顿大学和reapsystems合作发现了一种新型锂电池，将其应用于光伏系统的储能系统，可以提升储能效率达95％，高于常规铅酸电池的80％。锂离子电池以其容量大、能量密度高、体积小等诸多优点，已经广泛应用于很多领域，并且已经逐渐开始应用于光伏电站的储能系统。目前，储能系统运行监测主要依托于光伏电站scada系统进行基本的电参数采集，以及人为的定时巡检。受铅酸蓄电池“免维护”特性限制，锂电池堆热管理方面的研究与应用相对滞后。

综上所述，未来光伏电站将大量采用锂离子电池来构建储能系统，锂电池的工作热特性造成其故障常以热的形式出现，并且热故障的出现具有逐渐积累、发展变化、不易被发现的特点。目前亟需一种能对锂电池堆热故障进行提前预判的方法，及时发现温度异常情况并精确定位到具体电池单体，实现故障提前预判并排除相应故障。

技术实现要素：

为了克服现有的分布式光伏电站储能系统无法实现电池堆故障检测的不足，本发明提供一种基于红外图像与可见光图像配准的电池堆三维立体温度场重构方法，该方法结合电池堆表面温度场分布情况以及内部特定点温度，快速重构电池堆三维立体温度场分布并定位异常温度点所在位置，实现电池堆实时监测与隐形故障识别。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种储能系统锂电池堆三维立体温度场重构方法，其所述重构方法包括步骤如下：

1)温度值—灰度映射

对红外图像采集设备进行温度标定，通过设定黑体炉不同的温度并采集黑体炉对应稳定温度下的红外图像，确定红外图像灰度值与被拍摄目标该像素对应位置的温度值的映射关系，建立温度值—灰度映射模型t＝f(g)；

2)电池堆红外轮廓提取

电池堆的红外图像与可见光图像同时采集，结合可见光图像中电池堆清晰的轮廓提取电池堆红外轮廓，将电池堆红外立体轮廓按照可见的三个表面m、n、l进行区域分割，得到电池堆三个表面的温度场分布情况；

3)表面网格划分与立体网格划分

根据电池堆实际的物理尺寸按照比例建立电池堆模型，将红外图像中得到的电池堆三个表面温度场进行网格划分，得到三个表面网格单元二维矩阵m(k,i)、n(k,j)、l(i,j)；同样的，将电池堆三维立体模型按照相同的表面网格划分规则即相同的网格间距进行网格划分，立体网格单元构成三维矩阵v(i,j,k)；

4)表面网格灰度值矫正与温度映射

首先将每个表面网格区域内的像素灰度取平均值，并赋予对应的表面网格单元；接着根据辐射理论朗伯余弦定律，对每个表明网格单元的灰度值进行朗伯余弦矫正；接着按照步骤1)建立的温度—灰度模型t＝f(g)，映射得到每个表面网格单元的温度值，此时映射得到的二维矩阵m(k,i)、n(k,j)、l(i,j)代表了量化后的电池堆表面温度场；

5)立体温度场重构

首先根据二维矩阵m(k,i)、n(k,j)、l(i,j)所构成的电池堆表面温度场迭代计算得到电池堆三维立体温度场分量vt1(i,j,k)；接着将电池堆内部r个采集点的温度向周围扩散，得到电池堆三维立体温度场分量vt2(i,j,k)，重构的电池堆三维立体温度场v(i,j,k)由以上两个分量叠加构成；最后，电池堆内部铺设的第r+1个采集点的温度用于验证重构的电池堆三维立体温度场。

进一步，所述步骤2)中，红外图像采集设备与可见光图像采集设备相对于电池堆要求具有相同的空间位置关系，以及相同的像素尺寸，结合两幅图像的严格配准来提取电池堆轮廓内的红外图像，并根据三个表面m、n、l轮廓进行图像分割。

再进一步，所述步骤4)中，电池堆红外图像的拍摄与电池三个表面的法线都呈现一定的偏转角，需要根据朗伯余弦定律对每个表面网格单元的灰度值进行校正，其校正公式为：

iθ＝i0cosθ(1)

式中iθ——为每个表面网格单元矫正后的灰度值；

i0——为校正前每个表面网格单元区域的平均灰度值；

θ——为表面网格单元区域表面的辐射法线与红外图像拍摄连线的夹角即辐射的偏转角。

更进一步，所述步骤5)中，由三个表面温度场m(k,i)、n(k,j)、l(i,j)逐个加权迭代得到的立体温度场分量vt1(i,j,k)，即有：

vt1(i,j,k)＝(1/3)(a1+a2+a3)(2)

式中a1、a2、a3——为与每个立体网格单元相邻的表面网格单元或者立体网格单元的温度值。

再进一步，所述步骤5)中，电池堆内部的r个温度采集点采用热电阻进行温度采集，这些内部采集点的温度以虚拟热源形式向邻近的立体网格单元辐射，得到电池堆三维立体温度场的第二个分量vt2(i,j,k)，即有：

vt2(i,j,k)＝∑δtr(i,j,k)(3)

式(3)中δtr(i,j,k)——第r个采集点向坐标为(i,j,k)立体网格单元辐射的温度；

tr——第r个采集点的温度；

vt1(i',j',k')——第r个采集点所在的立体网格单元的温度，即迭代计算所得到的第一个温度分量；

imax、jmax、kmax——三维矩阵v(i,j,k)的大小；

每个立体网格单元的重构温度v(i,j,k)为两个分量vt1(i,j,k)与vt2(i,j,k)的叠加，即有：

v(i,j,k)＝vt1(i,j,k)+vt2(i,j,k)(5)

再进一步，所述步骤5)中，电池堆内部预设的第r+1个未参与温度场重构计算的采集点，用于对重构的电池堆三维立体温度场v(i,j,k)进行验证。

本发明的有益效果为：首先建立温度与灰度映射模型，用于红外测温的标准利用电池堆红外图像与可见光图像的配准来提取电池堆红外轮廓，根据电池堆表面网格划分将电池堆红外图像量化得到电池堆的表面温度场，结合表面温度场分布情况与电池堆内部特定点采集的温度叠加重构出电池堆的立体温度场；根据电池堆内部检测点的验证，该方法重构的电池堆三维立体温度场比较符合实际情况。

附图说明

图1是本发明一种储能系统锂电池堆三维立体温度场重构方法流程图。

图2是本发明电池堆表面与三维立体网格划分示意图。

图3是本发明电池堆内部温度采集点铺设示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照图1～图3，一种储能系统锂电池堆三维立体温度场重构方法，该具体实施方式采用分布式电力系统的储能系统电池堆为重构目标，该目标电池堆的工作环境与常用的储能系统电池堆应用环境类似，具有普遍代表性。所述一种储能系统锂电池堆三维立体温度场重构方法，包括如下步骤：