基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统及方法与流程

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统。

背景技术：

大规模电化学储能电站近年来在电力系统的应用日益广泛，其中锂离子电池具备能量密度高、循环寿命长等优势，是发展大规模储能电站的优质载体。但锂离子电池同时也存在容易发生热失控等问题，给现场应用带来了一定的安全隐患，成为锂离子电池扩大规模应用的瓶颈。

目前常见的bms(电池管理系统)只监测锂电池的电压、电流和表面温度指标，由于电池工作的复杂性，仅仅通过以上参数无法完全和及时感知电池出现的过充、热失控等危险，需要一套能够直接监视电池安全状态的装置。

目前应用的储能电池热失控安全预警手段，普遍存在准确性较低、及时性差、可靠性低等问题，不能满足储能电池热失控保护的需求。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统，用于解决现有电池保护技术准确性较低、及时性差、可靠性低的问题。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统，包括：气体采集终端、信号处理单元、通讯及报警系统，其中气体采集终端安装在电池模组正上方，用于实时采集电池内部释放的气体类型及气体浓度信息，输出表征气体浓度浓度的电压信号；信号处理单元用于接收气体采集终端输出的电压信号，对电压信号进行放大、滤波处理，得到平稳的电压信号并重新计算得到对应的气体浓度值；通讯及报警系统用于接收多个信号处理单元输出的气体浓度值，当含有多个电池模组的电池簇内任一气体的气体浓度值超过预设浓度阈值时时发出告警信号。

优选地，所述气体采集终端采集的气体类型包括co、co2、h2、hcl、hf、so2中的至少一种。

优选地，所述气体采集终端采用电压输出型气体传感器。

优选地，所述电压输出型气体传感器利用气体浓度-电压转换电路将经由气敏材料采集的各类气体的气体浓度信息转换为电压信号，所述电压信号的值在[u1,u2]，其中u2对应传感器的满量程的电压值，u1对应该气体的浓度为零的电压值。

优选地，所述热失控保护系统还包括分布式灭火单元，所述分布式灭火单元安装在每个电池簇与对应的灭火装置之间，用于根据气体采集装置输出的电压信号的大小判断是否启动灭火装置。

优选地，所述分布式灭火单元具体用于：使用电压比较器比较电压信号，当气体采集装置输出的电压信号大于基准电压时，输出控制信号，控制继电器导通，启动相连的灭火装置。

根据本发明的第二方面，提供一种基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护方法，所述方法包括以下步骤：

以电池模组为单位，利用电压输出型气体传感器实时地采集电池内部释放的气体类型及气体浓度信息，得到表征气体浓度信息的电压信号；

将电压输出型气体传感器输出的电压信号进行放大、滤波处理，得到平稳的电压信号并重新计算得到对应的气体浓度值；

当含有多个电池模组的电池簇内任一气体的气体浓度值超过预设的气体浓度阈值时发出告警信号。

优选地，所述气体类型包括co、co2、h2、hcl、hf、so2中的至少一种。

优选地，所述方法还包括：监测所述电压输出型气体传感器电压信号的大小，当电压信号的大小大于预设的电压阈值时，启动灭火装置。

有益效果：

(1)本发明采用监测电池热失控所释放气体的方式，对电池过充产生的火灾风险进行直接告警，避免了针对不同类型、容量的电池进行复杂的电池内部参数采集，也不需要重新设计状态评价算法，易于实现。

(2)本发明不需要使用bms收集的电压、电流、表面温度数据，与根据电压、表面温度做出的预警相比，避免了大数据传输和处理，对电池危险工况的判断更直接、告警更可靠。

附图说明

图1为基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统结构示意图；

图2为基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统的气体传感器布局示意图；

图3为根据本发明实施例的用比较器与继电器实现分布式灭火单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做出进一步的说明。

一般地，锂离子储能电池系统中，由多个电池单体串并联组成电池模组，由多个电池模组串并联组成电池簇。每个电池簇会配备一个或多个灭火装置。在电池单体上设有一个安全阀，当单体内部压力过大时，安全阀开启泄压。对于单体电池而言，热失控发生前，首先是内部电解液和正负极温度骤升，进而引起电池内部物理、化学变化，大量实验证明，电池表面温度与内部热失控之间存在较大时延，只测量表面温度无法及时捕捉电池热失控，也无法做到及时预警。但在热失控发生前，电池内部电解液温度的增加会引起电解液气化、分解，随后电池膨胀撑开安全阀，释放大量气体，通过监测所释放的气体类型和含量，即可对电池热失控状态进行技术监测和预警。参照图1，本发明提出一种基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统，包括气体采集终端、信号处理单元、分布式灭火单元、通讯及报警系统、用户交互系统，气体采集终端用于采集电池模组释放的气体种类和浓度，并将气体浓度转换为电压信号后输出，信号处理单元将电压信号重新计算为气体浓度值，分布式灭火单元根据电压信号与设定阈值的比较结果决定是否启动灭火装置，通讯及报警系统用于监测一个电池簇内的气体浓度值，用户交互系统用于人机交互，上述储能电池热失控保护系统实现了储能电池热失控过程的提前预警，为储能电站运维人员赢得了更多的现场处置时间。下面对各部分进行详细描述。

气体采集终端，安装在电池模组上方，用于电池发生热失控时监测电池内部逸出的气体种类和含量。锂离子电池热失控时产生的特征气体包括co、co2、h2、hcl、hf、so2等气体，这些气体为判断锂离子电池热失控的重要指标。具体地，气体采集终端使用电流输出或电压输出型气体传感器，采集电池簇上方的co、co2、h2、hcl、hf、so2等气体，量程不低于1000ppm，采集分辨率达到0.5ppm，最大零点漂移小于1ppm，响应时间不大于5s。图2示出了基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统的气体传感器布局示意图，气体传感器设置于电池模组上方。气体传感器的转换过程通过专门的气体浓度-电压转换电路实现，转换电路将气敏材料所感测得到的气体浓度信号转换为0～5v的电压信号，电压信号与气体浓度呈线性正相关关系，其中5v对应各传感器的满量程，0v对应该气体的浓度为零，线性回归系数大于0.995，并通过a\d转换和ic输出，反映不同气体浓度的电压信号数字量。这里0～5v的电压范围和0.995的线性回归系数仅是示例的作用。

信号处理单元，接收气体采集终端的输出的电压信号，并对电压信号进行放大、滤波等处理，输出平稳的电压信号，再将电压信号重新计算为气体浓度值。气体浓度与电压呈线性关系，即电压乘上一个系数就是气体的浓度，这个系数由气体传感器的气体浓度-电压转换电路决定。信号处理单元还提供rs485通信接口。

分布式灭火单元，安装在电池簇与对应的灭火装置之间，收集信号采集装置输出的电压信号，当电压信号超过预设阈值时直接启动就近灭火装置。优选地，分布式灭火单元通过电压比较器和继电器的搭配，通过电路实现任意气体的浓度越限时，启动就近的灭火装置，提高消防动作的及时性和可靠性。可以通过一个电路处理多个不同气体的越限情况，多种气体是“逻辑或”的关系，即只要其中有一种气体越限，就启动灭火；不同气体的浓度限值不一样，一般来说h2、co为50ppm，hcl、hf、so2为20ppm，co2一般是作为参考，不参与判断和动作。图3示出了比较器与继电器实现的越限判断并启动灭火的一个实例，其中收集四路气体的越限情况，并在其中任意一个气体越限时启动灭火。

通讯及报警系统，集中安装在储能舱的控制柜，用于收集所有气体浓度信息，当有某一电池簇中的任一气体浓度值越限时启动告警。通讯及报警系统以微机系统为运算和存储载体，使用信号处理单元提供的rs485通信接口，实时获取各电池簇信号处理单元转换的实际浓度数值，当有某一数值越限时能够通过短信和现场声光的方式报警。

所述微机系统包含但不限于工控机、mcu(单片机)、dsp(数字信号处理器)、arm(精简指令集处理器)和/或fpga(现场可编程逻辑阵列)。

用户交互系统，可进行不同电池气体浓度的分组存储、实时显示，还具备历史记录查询、信息统计等功能。用户交互系统使用通用或专用显示、交互设备，完成各气体浓度历史曲线、统计信息和告警信息的呈现。

本发明将锂离子电池发生热失控事故前喷出的特定气体(co、co2、h2、hcl、hf、so2)作为预警电池状态的直接依据，此前已通过大量实验证明这些气体的浓度变化与热失控发生时刻之间的关系。相对于传统bms的监测的电压及表面温度，本发明不需要在每一个电池上安装传感器，也不需要搭配复杂的soc算法。相对于普通的烟感方案，本系统只监测特定的气体，更有针对性，预警的实时性和准确度更高。所使用的传感器只有气体浓度传感器，网络拓扑简单，控制器的成本也更低。

根据本发明的另一实施例，提供一种储能电池热失控保护方法，包括以下步骤：

以电池模组为单位，利用电压输出型气体传感器实时地采集电池内部释放的气体类型及气体浓度信息，得到表征气体浓度信息的电压信号；

将电压输出型气体传感器输出的电压信号进行放大、滤波处理，得到平稳的电压信号并重新计算得到对应的气体浓度值；

当含有多个电池模组的电池簇内任一气体的气体浓度值超过预设的气体浓度阈值时发出告警信号；

监测所述电压输出型气体传感器电压信号的大小，当电压信号的大小大于预设的电压阈值时，启动灭火装置。

具体地，电压输出型气体传感器设置于电池模组正上方，利用气敏材料采集电池释放出的co、co2、h2、hcl、hf、so2等气体，在当气体浓度达到一定的值时，触发气体浓度-电压转换电路将气体浓度信号转换为电压信号，电压信号的范围为u1～u2(例如，0～5v)，其中5v对应各传感器的满量程，0v对应该气体的浓度为零。信号处理单元对电压信号进行放大、滤波等处理，得到平稳的电压信号，借助于气体浓度与电压信号的线性关系将电压信号重新转换为实际气体浓度值。

获得各个电池模组中气体浓度值后，可传送到以微机系统为运算和存储载体的通讯及报警系统中实时展示，通讯及报警系统根据实际浓度数值与预设的浓度阈值进行比较，当含有多个电池模组的电池簇内有任一气体的浓度值越限时通过短信和现场声光的方式报警。

启动灭火装置的具体实现方式可以为：使用电压比较器对气体采集装置根据气体浓度转换来的电压信号与基准电压进行比较，当电压信号大于基准电压时，输出控制信号，控制继电器导通，启动相连的灭火装置。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。