一种电化学储能站电池早期预警监测算法模型的设计

徐越飞 吴小欢 张静 赵中伟

（1.杭州电力设备制造有限公司 浙江省杭州市 310018）

（2.浙江工商大学信电学院（萨塞克斯人工智能学院） 浙江省杭州市 310018）

1 引言

随着新能源发电技术的日渐成熟，以安全可靠、清洁经济、智慧开放、可持续发展的能源节约型社会为目标的新一代电力系统正在逐步形成。随着大规模新能源的接入，传输及消纳问题日益突出。新能源发电具有波动大和可靠性差的问题，很难对其进行有效的调度。同时，随着系统负荷逐年增大，电力系统网络的峰谷差率也在日益增大，这些问题都严重影响着电网的安全。储能技术在电力系统的发、输、配、用电的各个环节中发挥着调峰调频、灵活输出、无功支撑等重要的作用，是推动我国能源供给革命和实现智能电网的关键技术之一。随着锂离子电池技术的不断改进优化，锂电池以其能量密度高、循环次数多、体积小等优点成为电化学储能行业的中坚力量。2020年，电化学储能市场继续稳步发展，累计装机规模达到2726.7MW，预计到2024年底，电化学储能的市场装机规模将超过15GW。

然而随着锂电池储能系统的装机量不断增加，锂电池储能系统的安全隐患也不断显现出来。近年来，国内外先后发生多起锂离子电池储能电站火灾爆炸事故，如2019年4月19日，位于亚利桑那州Surprise市，APS公司下属McMicken变电站2MWh锂电储能系统由于锂电池发热鼓包引起着火爆炸事故，并造成多名消防人员受伤。2021年4月16日，北京集美大红门25MWh直流光储充一体化电站西侧发生锂电池热失控引起的爆炸事故，事故造成2名消防员牺牲，电站内1名员工失联，此次事故是近年来国内储能电站发生的最严重安全事故。

锂离子电池反应失控表面现象主要有电池发热、鼓包、烟雾、明火、燃烧，甚至爆炸，出现上述问题主要源于电池内部化学反应过快控制不住，而外界的过充、刺穿、火源、挤压、短路等外部因素都会导致上述问题的产生。并且锂电池储能系统的电池模组是将多个电池组串联一起的设计，这无疑也增大了锂电池的安全隐患，一旦某个电池性能不稳定发生火灾，也势必影响周边锂电池的安全，进一步的扩大火灾范围。因此，针对锂离子电池早期热失控和热扩散对储能站造成的火灾爆炸危害性，亟需开展锂离子电池热失控特征参数动态监测研究，并对热失控的早期特征状态进行实时识别分析，进而开发热失控早期预警技术，建立消防多级预警和安全联动体系以及多级防护，从而为储能电站火灾防控提供理论依据和技术支撑，促进储能行业的安全健康发展。

2 电化学储能站电池早期预警监测装置原理

本文针对电化学储能站电池的安全角度，设计了一种电化学储能站电池早期预警监测装置。该装置由六大模块组成，分别是：信号采集模块、数据计算模块、数据无线传输模块、电源模块、报警模块及装置外壳。

信号采集模块由多个传感器构成，分别是温度传感器、混合式气体传感器、电压及电流采集接口。其中温度传感器采用数字式高精度温度传感器，采样精度到0.1%，采样温度范围为-40摄氏度到800摄氏度，用单通道数字信号输出到数据计算模块。混合式气体传感器内部集成多个气体传感器，可同时采样CO、SO、CH三种气体，采样精度0.05+-0.0015uA/PPM，采样范围0-500ppm，输出模拟电流+-20mA，基线偏移率<+-2ppm，三种不同气体采用三个不同的模拟信号通道输出通过外置运算放大器后输入到数据计算模块。

数据计算模块的处理器采用Cortex M7F低功耗嵌入式处理器，内置ARM+DSP两个内核，其中DSP内核用于对多源异构传感器数据高速计算，ARM内核用于信号采集、控制、报警输出和数据传输等。

数据无线传输模块采用LoRa芯片，采用扩频技术，支持433M～520M频段无线信号收发，具有高灵敏度和强抗干扰能力，最大输出功率25dBm，最大传输距离5千米，在传输距离2千米范围保持-137dbm@0.25kbs的接收灵敏度。

电源模块由DCDC降压电源和后备电源两个部分组成。由于监测装置部署在电池Pack内部，固定安装在pack内部卡槽上，因此平常工作的电源直接来自pack电池组输出的48V直流电源和Pack电池组的风扇共享一组电源线，通过DCDC分压到5V、3.3V和1.8V给装置内部各个模块。但是为了安全起见，在Pack出现故障导致电源无法供给情况下，为了让监测装置继续工作，在装置内部集成一组由超级电容构建的后备电源。

报警模块由报警灯、语音转换模块、功放及喇叭、报警报文四个部分组成。报警灯采用高亮LED，直接安装在装置内部。语音转换模块接受来自数据计算模块串行输出报警指令，将指令转换成语音输出驱动功放和喇叭，实时发出报警语音。报警报文由数据计算模块通过无线传输模块上报到消防主机。

监测装置外壳结构上采用厚度较薄的长方体结构，高度不超过15mm，底部四角有可伸缩固定座，便于安装在电池组pack内部的槽上，使得传感器可以贴合在电池侧面。外壳表面有采用强化玻璃钢材质，减少pack内部电池充放电发热对装置的影响。

3 电池早期预警监测算法模型

监测装置内部建立了一种“电池早期预警算法模型”，模型的基本原理为：信号采集模块对磷酸铁锂电池在正常工作下的内部温度、不同气体浓度及从BMS获取的电池电压和电流三组数据进行实时采集和统计分析，建立起锂电池在正常工作条件下的三组数据各自的可信样本值。样本的最大值定义为最大阀值。根据磷酸铁锂电池在不同故障条件下（过压过流、挤压、内部短路、小电流回路、穿刺等）呈现的早期特征在不同时间点上的不同表征，对时间区域将其分为热滥用、热扩散和热失控三个阶段。在热滥用阶段初期，电池的温度会呈现短时间内的上升，此时的表征参数为电池温度。到了热滥用中后期，温度呈现稳定，但是随着SEI膜分解、PE基质融化引起CO、CH气体浓度尤其是CO气体浓度会呈现瞬间上升，呈现指数级变化，因此此时的表征参数为CO和CH气体浓度。到了热扩散阶段，随着石墨电极和电解液产生化学反应，此时电池内部热效率曲线从平稳性迅速向指数级变化，而气体浓度曲线保留在一定阶段的平稳过程，因此此时的表征参数为电池内部热效率曲线而非气体浓度曲线。到了热失控阶段，随着电解液分解泄露，内部电芯开始呈现大规模短路，此时电池电极两端的放电电压或放电电流会产生变化，考虑到单个依靠放电电压或放电电流存在判断误差的情况下，建立起基于电芯的内阻值计算公式，由于在热失控阶段，温度和气体浓度变化率不是非常大情况下，通过判断电芯内阻的变化来精确定位热失控阶段。

根据上述原理，建立了“电池早期预警算法模型”的算法流程，算法如下所示：

步骤1：获取各个参数的最大阈值

正常工作条件下，对锂电池的温度、混合气体浓度、内阻在足够长的时间内进行连续采样，并获取三者的最大值[X,Y,Z]，[X,Y,Z]定义为最大阈值。其中X表示温度传感器值；Y表示是一组数组，分别为三个值[YCO，YHS，YCH]表示CO气体、HS气体和CH气体浓度值；Z表示电池内阻值；电池内阻值的实时计算公式为：

步骤2：建立故障样本曲线。

（1）在试验室条件下，对N个已损坏锂电池的温度、混合气体浓度、内阻值（通过步骤一公式计算），在刚开始充放电t时刻开始，进行连续采样，直至电池温度超过800℃或电池出现明显鼓包、电火花等现象。得到N组温度、混合气体浓度、内阻随时间的变化曲线样本，记为[xi(t),yi(t),zi(t)](i=1,2,3...N);其中，xi(t)表示第i个锂电池上温度传感器值随时间的变化曲线；yi(t)表示是三条曲线，记为[yiCO，yiHS，yiCH]，表示CO气体、HS气体和CH气体浓度值随时间的变化曲线；zi(t)表示电池内阻值随时间的变化曲线；

表1：实验室条件下预警监测装置与BMS进的比较

定义故障样本曲线为[α(t),β(t),γ(t)]，通过最小二乘法获取，即求残差平方和最小值。

最终获得的曲线组[α(t),β(t),γ(t)]，定义为故障样本曲线。

步骤3：故障的判定。

信号采集模块实时采集温度、气体浓度和BMS电池电压及电流值，并计算出电池内阻值，同时每一次采样和各自的最大阈值做比较，如果都小于最大阀值，则都认为是正常值，继续采样下一组数据。

如果在某一个时刻点，某一个数据超过最大阈值，对全体参数再进行下个周期内的采样，获取参数值变化曲线，如果有曲线与故障样本曲线的变化趋势相似，那么根据不同的情况判定电池该状态量上呈现变化。具体算法模型图如图1所示。

图1：电池早期预警算法模型

4 消防协同控制的方法

根据监测装置及内部集成的“电池早期预警算法模型”，本文提出了一种实现消防协同控制的方法。方法流程如图2所示。

图2：消防安全联动方法流程图

（1）连接信号采集装置的电源启动后，装置实时采集温度、气体浓度和BMS电池电压及电流值，并计算出电池内阻值。采集到的数据保存到本地，每1秒刷新数据记录。同时每一次采样和各自的最大阈值做比较，如果都小于最大阀值，则都认为是正常值，继续采样下一组数据。

（2）如果在某一个时刻点，某一个数据超过最大阈值，则对所有参数再进行下个周期内的连续采样，并获取对应的参数值变化曲线。根据情况的不同，分以下（3）～（5）进行判别。

（3）如果任何参数超过最大阀值，但在下个周期内，所有参数又回到正常范围内，则表示系统产生误判，退回到流程（1）。

（4）如果任何参数超过最大阀值，且在下个周期内当前参数持续上升，接近故障样本曲线，但其他参数值均处于正常范围，没有明显上升，则认为该电池产生早期热滥用，则LED灯闪烁，喇叭发出“XX（电池ID）电池发生热滥用”语音提示。

（5）如果任何参数超过最大阀值，且在下个周期内当前参数持续上升，接近故障样本曲线；其他参数值也发生相应的变化，接近故障样本曲线，则认为该电池当前发生热扩散，则则LED灯闪烁，喇叭发出“XX（电池ID）电池发生热扩散”语音提示。

（6）当每次发生电池状态变化时，通过LORA无线模块，将状态变化的时间、电池ID、电池当前的温度、内阻、混合气体浓度等数据上传到消防主机，主机根据当前电池的状态并综合储能单元舱内其他状态采集装置的参数，联动消防灭火装置或提出作业命令，具体情况如下（7）～（9）。

（7）当消防主机收到电池发生热滥用消息时，调取视频监控系统单个电池pack的图像、舱内红外温度传感器数据、舱内气体监测仪数据。若图像未出现明火，温度正常，混合气体浓度正常，则表明监测装置出现误判，消防主机通过LORA发送“终止”信号给监测装置，监测装置收到“终止”信号时，LED灯熄灭并停止语言警报；若红外温度传感器采集到的温度超过正常值，但是图像未出现明火，混合气体浓度正常，则表明的确出现热滥用。消防主机通过LORA发送“散热”信号给温控系统，温控系统收到信号后，打开备用风扇，并加强对应电池pack的散热能力。

（8）当消防主机收到电池发生热扩散消息时，调取视频监控系统单个电池pack的图像、舱内红外温度传感器数据、舱内气体监测仪数据。若图像未出现明火，温度正常，混合气体浓度正常，则表明监测装置出现误判，消防主机通过LORA发送“终止”信号给监测装置，监测装置收到“终止”信号时，LED灯熄灭并停止语言警报；若红外温度传感器采集到的温度超过正常值，但是图像未出现明火，混合气体浓度上升，则表明的确出现热扩散。消防主机通过LORA，发送“断开”信号给电池管理系统。电池管理系统收到信号后，紧急断开相应的电池pack；消防主机发送“降温”信号给温控系统，温控系统收到信号后，打开备用风扇并增大空调的功率。同时，消防主机启动舱内声光报警器，并将消息发送到电力物联网平台，提醒作业人员后期对问题电池pack进行检修。

（9）在任何时候，当消防主机调取视频监控系统某单个电池pack的图像时。若图像出现明火，则表明该pack内的电池出现热失控，则消防主机立即启动灭火装置，启动舱内声光报警器；消防主机通过LORA，发送“断开”信号给电池管理系统。电池管理系统收到信号后，紧急断开相应的电池pack；同时，消防主机将消息发送到电力物联网平台，提醒作业人员后期对问题电池pack进行检修。

5 实际测试

根据锂电池发生热滥用、热扩散等现象的原理。在实验室条件下，针对已发生鼓包的电池进行5组实验，连续观测52小时。

表1为实验室条件下使用早期预警监测装置对五组电池进行持续监测与实际的BMS进行的比较。

表1中可以明显看出，针对已经发生早期的热扩散现象的锂电池，装置可以有效辨识锂电池是否发生热滥用，热扩散等现象。比传统的BMS效果更好。

6 结论

本文是针对大规模锂电池储能电池结构复杂、规模大、运行安全风险大、消防需求高等特点，为提高消防预警准确性，对锂电池储能站的电池热失控及热扩散特征参数进行动态识别和表征，重点研究锂离子储能站热失控早期的预警技术，通过对锂离子储能电站的消防系统实行分级预警机制，对单体电池进行实时状态监测，提出了一种电化学储能站电池早期预警监测算法模型，通过算法模型，设计了一种锂离子储能站电池早期预警信号采集装置，并提出了实现消防安全联动的方法。通过实验论证，该装置可以准确实现对锂电池状态进行识别。该装置及安全联动方法有望在今后的大型锂电池储能站投入试验并使用。