锂电池电化学储能电站安全监测智慧系统研究

2023-08-24熊铭辉王琳何根泉康宁薛锐

机电信息 2023年16期

熊铭辉王琳何根泉康宁薛锐

摘要：随着全球能源发展的变化，更多可再生能源进入电力领域，给电力领域的并网带来了更大挑战。应对这一挑战的有效方法之一就是采用储能技术，其中锂离子电化学储能以其独有的效率高、环境适应性强等优势得到快速发展。为使锂离子电池工作过程更加高效稳定安全，建立了一套储能电站电池安全监测系统（ESMS），功能包括实时显示电池信息、预估荷电状态SOC、超限报警、预处理等，可以有效避免安全事故的发生。

关键词：电化学储能；锂电池；储能电站；安全监测智慧系统

中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）16-0001-05

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

0 引言

随着全球能源发展的变化，可再生能源发电的占比将越来越大，如光伏、风电、水电等。根据中国的双碳计划[1-2]，“十四五”将是一个关键期，必须大力提高可再生能源在总体能源结构中的比例。目前，在我国的能源结构中，煤炭仍然占有很高的地位。但是，根据国家的能源发展计划，我国的煤电装机在总装机中的比例在逐年下降，2012年是65.7%，2020年这一数字降至50%以下。这一变化展示了中国的能源动力体系将更加多元化，更加注重非化石能源的引入。21世纪中叶，我国的可再生能源占比将有可能达到78%甚至更高。在能源结构的改变中，中国的电力系统将迎来巨大的挑战——可再生能源的大规模并网，必须着力解决并网过程中出现的超低负荷深度调峰、频繁启停调峰等问题。

为解决可再生能源大规模并网中所遇难题，西方国家在20世纪末最早采用了储能技术[3-4]，如意大利和瑞士，主要是抽水蓄能。储能技术简单说就是采用大容量且能实现快速充放电的储能设施装置或物理介质将一种不易存储的能量转化为另一种可以长时间存储的能量。近些年，随着国内外可再生能源的大量装机，储能技术的发展越来越成熟，储能手段也越来越多。储能技术涉及的领域非常广泛，根据储能过程涉及的用能形式，大致可分为物理储能、电磁储能、电化学储能等，如图1所示。

图2展示的是我国近些年新型储能新增投運规模变化曲线。虽然近些年国际市场较为动荡，而且还有疫情的冲击，但国内的储能市场依然保持了较高速度的增长。2022年国内新型储能新增投运规模超过14 GW，同比增长接近两倍，新增装机规模约5.93 GW。其中，电化学储能[5-6]为主要的新型储能形式，根据计算，2022年中国电化学储能累计装机规模达11 GW，电化学储能份额增长明显。电化学储能是利用化学反应直接转化电能的装置，以锂离子电池、钠硫电池、液流电池为主。其中锂离子电池储能由于其自身较大的优势，在储能市场中占比越来越大，接近九成。

2021年，中国电化学储能累计装机规模5.1 GW，其中，锂离子电池储能技术装机规模4.7 GW，装机规模占比达92.0%。电化学储能在发展过程中面对的挑战主要包括以下几点：（1）电化学储能电站事故频发；（2）储能技术发展存在困境；（3）缺乏安全管理规范和行业标准；（4）前期项目规划和设计存在缺陷。

因为电化学储能中锂离子电池储能具有占地面积小、效率高、转换快、安全可靠、运行灵活、维护简单等特点，本文将着重研究锂离子电池储能方式的检测管理系统。储能电池检测管理系统是实现电池大规模储能的基础和关键，具有以下优点：（1）有效增加储能电池的使用寿命；（2）减小电池在使用过程中的损耗，早发现问题早解决，提高电池的使用效率和使用安全性，避免各种事故的发生；（3）保存每个电池单元的全过程数据，供查询使用。

1 锂电池电化学储能

储能介质就是能量存储的容器，直接影响整个系统的效率和安全。图3展示了常见的几种储能介质的储能效率。铅酸电池的效率在76%左右，相对于其他几种最低；锂离子电池[7-9]的效率接近100%，相对于其他几种最高。另外，锂离子电池的比能量在70～200 W·h/kg，相对比较高，工作温度最低可达-30 ℃，不存在其他电池低温无法正常储能的缺点。所以，锂离子电池由于其比能量较高、能在温差范围较大的工作场合工作，可以作为储能介质的理想介质。因为单个锂离子电池能量较低，通常为了适应新的发展要求，会将多个锂离子电池集成到一起，以电池群的形式出现在大规模储能系统中。2017年中国储能锂电池的出货量是74.8 GW·h，2022年达到130 GW·h，同比增长约74%。从出货产品应用看，电力储能仍是最大的应用领域，占比超过70%，而户用储能和便携式储能表现也超出预期。由储能电池的出货量，可以看到锂电池电化学储能在储能技术中的快速发展。

在实际工程中，锂离子储能电池的组成主要包括有机电解液、正负极以及隔开正负极的隔膜。在外部，为保持电池内部结构的稳定性会采用坚硬的金属外壳进行密封。基于锂离子电池的基本结构，可以知道该类电池的散热性能较差。而且由于锂离子电池是以集群的形式进行工作，在某些情况下，电池内部会在短时间内累积大量的热量，无法及时向外扩散，引发电池的性能失控，严重的将造成安全事故。比如近五年，韩国储能行业总共发生了23次火灾事故，分别为充放电后14次、充放电过程中6次、安装过程中3次。2021年，国内发生了一起严重的储能电池事故，地点是北京某公司，锂离子储能电池电站发生火灾并产生爆炸、中毒、触电等现象，造成两名消防员死亡、一名受伤。安全事故的高频率出现给世界范围内正在高速发展的储能电池行业带来了警示，运行安全必须重视，安全重于一切。因此，亟需构建储能电池消防安全监控系统，并增加应急救援机制，对电池的失控现象进行提前预警，及时发现问题并解决问题，以降低储能电池的热失控概率。

2 储能电站电池安全监测系统开发

储能电站电池安全监测系统（ESMS），又被称为智能电池管家，起到连接储能电池和用户的作用。通过系统平台的实时检测记录，用户可以实时查看了解电池集群中每个子单元的运行情况，延长电池的使用寿命，降低电池工作过程中可能出现事故的概率，进而保证整个电力系统健康稳定地工作。随着储能技术的深入发展，安全监测系统已经成为整个电力系统不可缺少的一部分。研制储能电站电池安全监测系统的关键点是怎样实时监控储能电池集群中每个子单元的状态，并据此进行管理。大容量电池集群对每个电池的一致性要求更高，实测中，锂电池经过多次运行后性能会有一定差距，使得整个电池系统的性能变差，影响电池的使用时间和电池集群的荷电状态SOC。本文开发的储能电站电池安全监测系统主要包括电池温度采集模块、电池电压采集模块、电池电流采集模块、环境湿度采集模块和ZigBee通信模块，具体结构如图4所示。

ESMS子系统的控制核心是微处理器MC9S12-

XS128，在其内部集成有单片机、ADC以及无线通信，可以实现系统中各电池信息采集、无线传递消息的要求。采用LTC6804采集储能电池集群组中单体电池的电压，采用霍尔电流传感器采集电流，采用NTC热敏电阻采集电芯表面温度，采用湿度传感器LOR采集电池所处环境的湿度。以上数据通过无线通信传递给处理器，估算每个电池集群组的荷电状态SOC和整个电池集群组的荷电状态SOC。通过RS232串口将所有数据进一步传递到上位机，并与所设置的上下临界值进行比照，当电池相关数据不在正常范围内时，上位机显示报警信息，并指示出现问题的电池单元所在位置，方便后续处理。ZigBee通信技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、高安全性的双向无线通信技术，并且有自组网和自愈能力，可以组建大规模的网络。ZigBee可以工作在2.4 GHz（全球）、868 MHz（欧洲）、915 MHz（美国）3个频段，传输速度最高250 kbit/s，最低20 kbit/s，传输距离在10～75 m。

采用安时积分法估算电池的荷电状态SOC。安时积分法不考虑电池内部的作用机理，根据系统的某些外部特征如电流、时间、温度补偿等，通过对时间和电流进行积分，有时还会加上某些补偿系数，来计算流入/流出电池的总电量，从而估算电池的荷电状态。目前安时积分法在电池管理系统中应用广泛，其计算公式如下：

SOC=SOC0- ηI（t）dt

式中：SOC0为电池荷电状态的初始电量值；CE为电池的额定容量；η为充放电效率系数，又被称作库伦效率系数，代表了充放电过程中电池内部的电量耗散，以充放电倍率和温度修正系数为主；I（t）为电池在t时刻的充放電电流；t为充放电时间。

为使电流测量的精度得到提高，通常采用高性能的电流传感器来测量电流，但这样加大了成本。为此，本文在应用安时积分法的同时应用开路电压法，将二者结合。开路电压法用来估算电池的初始荷电状态，安时积分法用于实时估算，并且在算式中添加相关修正因子，以提高计算准确性。

本系统上位机的程序设计采用VB6.0可视化软件，主要的程序包括硬件初始化、电池状态信息获取、信息传递设置、超限报警、历史数据存储等。为方便今后程序的进一步升级，提高程序的易读性和效率，根据功能的种类划分相应模块，具体软件流程如图5所示。

根据系统的功能需要，本软件的监控画面包括用户登录画面、主监控画面、电池组信息画面、报警信息画面、历史数据画面等，具体如下：

（1）用户登录画面：打开控制软件后，用户首先点击“用户登录”按钮进入登录界面，如图6所示。只有正确输入用户名和密码登录之后，才能进入软件的主监控界面，进而利用系统实现监控、操作或管理。

（2）主监控画面：主监控画面主要展现了储能电站电池整体数据，还可以进行相关参数的设置和PLC控制。整体数据包括系统状态、总电压、电流、最高电压、最低电压、平均电压、最高温度、最低温度、最高湿度、最低湿度、最高荷电状态SOC、最低荷电状态SOC，如图7所示。

图8为参数设置画面，可以根据实际情况，对系统的参数进行修改，需要注意的是，只有具有修改权限的用户才能实现修改操作。

（3）电池组信息画面：电池组信息画面主要用来显示和实时监控每个电池的电压、电流、温度、SOC等信息，如图9所示。

（4）报警信息画面：报警信息画面主要显示监控系统的报警情况及具体的故障信息，信息汇总中默认按时间先后顺序进行报警信息的输出，以供管理员实时查看，如图10所示。

（5）历史数据画面：打开历史数据画面窗口后，可查询检测系统激活后记录的所有数据，如图11所示，并显示每块电池的电压、电流、温度、湿度、SOC随时间的变化曲线。