CN110265736B - 具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统及预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统及预警方法，适用于集装箱式储能电站电池的管理，所述系统包括动力电池组、智能火灾预警模块、电池管理模块，所述电池管理模块分别与动力电池组和智能火灾预警模块相连，所述智能火灾预警模块定点布置于预制舱内并进行移动式传感探测，所探测的传感器信息发送至电池管理模块；所述电池管理模块采集电池的电压和温度，并结合智能火灾预警模块传来的传感器信息进行分析和判断，当满足预设的预警条件时，启动报警或灭火装置。本发明电池管理系统采用三层级控制架构，可在发生火情第一时间进行灭火最小单元干预控制，实现储能电池的全方位安全监控与管理。

Description

具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统及预警方法
技术领域
本发明属于储能电源系统领域，具体涉及一种基于锂电池的具有智能火灾预警功能的电池管理系统及预警方法。
背景技术
光伏、风电等新能源的不断发展和应用使得其渗透率越来越高，传统电力系统的特性也不断变化。为适应这一变化，应对新能源波动大、供电不稳定的问题，进一步提高电力系统运行可靠性，大容量的储能技术显得日益重要。在这样的背景下，对储能电站电池管理系统(Battery management system，BMS)进行研究，探索在大容量储能应用中，如何让储能电站电池组能够安全、高效运行，并尽可能延长电池的使用寿命，具有重要意义。目前储能电站BMS主要采用电动汽车电池管理的方案，缺乏对大规模储能电站电池的需求细化分析，储能电站电池通常由集装箱放在在户外，具有容量大，发生热失控后风险高，难控制等特点，目前储能电站电池集装箱配置的灭火系统多数还是建筑消防方案，无法做到分级预警等功能，只能在火灾发生时喷射相关灭火介质，可能造成储能系统的二次损坏或污染。
因此，迫切需要提出一种具备更高安全性的储能电站电池管理系统和预警方法。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统及预警方法，能够极大提高储能电站电池组运行的安全性。
技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统，适用于集装箱式储能电站电池的管理，所述系统包括动力电池组、智能火灾预警模块、电池管理模块，所述电池管理模块分别与动力电池组和智能火灾预警模块相连，所述智能火灾预警模块定点布置于预制舱内并进行移动式传感探测，所探测的传感器信息发送至电池管理模块；所述电池管理模块采集电池的电压和温度，并结合智能火灾预警模块传来的传感器信息进行分析和判断，当满足预设的预警条件时，启动报警或灭火装置。
进一步地，所述电池管理模块包括电池包从控单元、电池簇主控单元、电池阵列总控单元，所述电池包从控单元负责采集所辖电池包内各单体电池的电压和温度，接收热管理指令启停PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数热敏电阻)加热或风机冷却电池包；所述电池簇主控单元是BMS中电池簇的核心控制单元，通过与电池包从控单元通讯获取各电池包内单体电池电压、温度，并监测电池簇总电压、充放电电流、对地绝缘电阻，在线实时估算电池单体和电池簇的DOD、SOC、SOH、SOP状态，实现对电池簇的充放电管理、热管理、绝缘检测、电池包间均衡管理和故障报警，并通过通信总线实现与电池阵列总控单元、储能变流器、能量管理系统、人机界面的数据交换；所述电池阵列总控单元通过通信总线实现与电池簇主控单元、储能变流器、能量管理系统、人机界面的数据交换，协调多路电池簇间充放电功率分配，汇总并存储电池簇主控单元运行数据，通过无线方式传送至远方储能电站EMS后台服务器，用于储能电站集中调度管理。
进一步地，所述智能火灾预警模块包括智能消防控制器和投射式灭火装置，智能消防控制器具备多传感器融合技术，如集成特征气体、烟雾、温度等传感器，其中特征气体包括CO、烃类等，用于感测集装箱内部空间的烟雾、特征气体和温度，智能消防控制器与电池阵列总控单元采用CAN通讯协议，与投射式灭火装置同时在集装箱顶部轨道上按照一定时间周期运行，智能消防控制器运用传感器采集特征气体、烟雾、温度等状态量并判断预警等级，将这类信息传递给BMS，根据电池包的信息进行综合确定最终的预警等级，启动预警或者灭火装置，当需要启动灭火装置时，投射式灭火装置将灭火单元投向发生火情的电池组。
根据本发明的第二方面，提供上述智能电站电池管理系统的火灾预警方法，所述方法包括：由低到高设置三个预制舱环境状态量阈值，第一阈值<第二阈值<第三阈值，智能消防控制器根据传感器采集的信息，判断储能预制舱环境状态量数值是否超限，若超过第一阈值，则触发第一级告警，电池阵列总控单元将对应报警位置的电池簇本体信息与正常信息进行比对，判断是否出现异常，若发生异常则触发二级告警，并向上一级发出告警信息；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第二阈值，则触发第二级告警，直接向上一级发出告警信息，电池阵列总控单元发出降低功率运行提示；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第三阈值，则触发第三级告警，直接触发灭火装置，电池阵列总控单元发出故障预警并断开相应电池簇的直流继电器。
进一步地，电池阵列总控单元在发生任何等级故障告警时都将告警发送给上级管理系统，并在本地进行数据分析和显示分析结果。
有益效果：本发明的具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统具备多传感器融合技术(特征气体、烟雾、温度)，采用智能消防控制器与总控实现通讯，具备多层级消防联动保护系统设计，结合非标锂电池热失控判断算法，实时监控电池热失控阶段，实现锂电池热失控早期分级预警，并在锂电池发生火情第一时间进行灭火最小单元干预控制。智能消防控制器和投射式消防灭火装置安装在电池集装箱顶部的环形轨道上，按照一定运行周期进行巡回监测，一旦监测到异常并触发告警，根据总控信息综合分析决定相应的措施并进行上报处理。消防灭火装置采用的是无毒害可清理的气溶胶，触发以后不会造成二次污染，同时简单擦除以后电池组即可继续使用。由于采用轨道巡回监测方式，在保证监测效率的同时极大减少了传感器数量，降低了投资成本。
附图说明
图1是本发明的电池管理系统架构示意图；
图2是移动式智能火灾灭火系统的俯视图；
图3是智能火灾预警功能的判断逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。
参照图1-图2，以24尺标准储能集装箱为例，储能电池容量为1MWh*2，分布在集装箱内两侧。实施例中采用磷酸铁锂电池，电池单体参数为3.2V/72Ah，电池箱参数为38.4V/11.06kWh(4P12S)，电池簇参数为768.0V/221.2kWh(240S)，每个电池簇放置于一个电池架，包含20个电池箱，集装箱每一侧包含5个电池簇和1个汇流柜，容量为：11.06kWh*20PACK*5簇＝1.106MWh。
每MWh配一套包括电池包从控单元BMU(Battery Module Unit)、电池簇主控单元BCU(Battery Cluster Unit)、电池阵列总控单元BAMU(Battery Array Management Unit)三层控制架构的电池管理模块，BMU负责电池包的电压、温度采集，BCU负责电池簇的温度采集，BAMU负责对外的信息通信与指令下达，实现电池单体、电池簇、电池堆的全方位安全监控与管理，同时具备与上级储能电站能量管理系统EMS即时通讯、硬结点联动保护等功能。
在集装箱顶部布置一套带轨道的智能消防控制器和投射式灭火装置，跟单元之间采用CAN通讯。智能消防控制器与投射式灭火装置按照一定运行周期沿轨道巡检，将传感器采集到的数据发送至总控BAMU。电池包从控单元BMU、电池簇主控单元BCU、电池阵列总控单元BAMU与智能消防控制器共同构成完整的BMS系统。
参照图3，智能火灾预警功能含三重预警判断逻辑，由低到高设置三个预制舱环境状态量阈值，第一阈值<第二阈值<第三阈值，智能消防控制器根据采集信息，判断储能预制舱环境状态量如气体、烟雾、温度等数值是否超限，若超过第一阈值，则触发第一级告警，总控BAMU将对应报警位置的电池簇本体信息如电压、电流、温度进行比对，判断是否出现异常，若同时发生告警则触发二级告警，并向上一级发出告警信息；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第二阈值，达到触发第二级告警时的条件，直接向上一级发出告警信息，总控BAMU发出降低功率运行提示；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第三阈值，达到触发第三级告警时的条件，直接触发灭火装置，总控BAMU发出故障预警并断开相应电池簇的直流继电器；
总控BAMU在发生任何等级故障告警时都及时发送给上级管理系统，并在本地做数据分析并显示分析结果。
本发明的电池管理系统BMS采用总控、主控、从控三层级的架构，实现电池单体、电池组、电池堆的全方位安全监控与管理，同时具备与上级储能电站能量管理系统EMS即时通讯、硬结点联动保护等功能。具备多层级消防联动保护系统设计，采用多传感器融合技术(特征气体、烟雾、温度)，结合非标锂电池热失控判断算法，实时监控电池热失控阶段，实现锂电池热失控早期分级预警，并在锂电池发生火情第一时间进行灭火最小单元干预控制，提高了储能电站火灾预警及时性、准确性，保证了安全性。

Claims (4)

1.一种具有智能火灾预警功能的储能电站电池管理系统，其特征在于，所述系统包括动力电池组、智能火灾预警模块、电池管理模块，所述电池管理模块分别与动力电池组和智能火灾预警模块相连，所述智能火灾预警模块定点布置于预制舱内并进行移动式传感探测，所探测的传感器信息发送至电池管理模块；所述电池管理模块采集电池的电压和温度，并结合智能火灾预警模块传来的传感器信息进行分析和判断，当满足预设的预警条件时，启动报警或灭火装置；
所述电池管理模块包括电池包从控单元、电池簇主控单元、电池阵列总控单元，其中所述电池包从控单元负责采集所辖电池包内各单体电池的电压和温度，接收热管理指令启停PTC加热或风机冷却电池包；所述电池簇主控单元通过与电池包从控单元通讯获取各电池包内单体电池电压、温度，并监测电池簇总电压、充放电电流、对地绝缘电阻，在线实时估算电池单体和电池簇的DOD、SOC、SOH、SOP状态，实现对电池簇的充放电管理、热管理、绝缘检测、电池包间均衡管理和故障报警，并通过通信总线实现与电池阵列总控单元、储能变流器、能量管理系统、人机界面的数据交换；所述电池阵列总控单元通过通信总线实现与电池簇主控单元、储能变流器、能量管理系统、人机界面的数据交换，协调多路电池簇间充放电功率分配，汇总并存储电池簇主控单元运行数据，通过无线方式传送至远方后台服务器；
所述智能火灾预警模块包括智能消防控制器和投射式灭火装置，均安装在集装箱顶部轨道上并按照一定时间周期运行；所述智能消防控制器集成有多种传感器，用于感测集装箱内部空间的烟雾、特征气体和温度；智能消防控制器与电池阵列总控单元通过CAN通讯，根据传感器采集的信息以及电池阵列总控单元的信息交互来启动预警或者投射灭火装置；
所述储能电站电池管理系统的火灾预警方法如下：
由低到高设置三个预制舱环境状态量阈值，智能消防控制器根据传感器采集的信息，判断储能预制舱环境状态量数值是否超限，若超过第一阈值，则触发第一级告警，电池阵列总控单元将对应报警位置的电池簇本体信息与正常信息进行比对，判断是否出现异常，若发生异常则触发二级告警，并向上一级发出告警信息；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第二阈值，则触发第二级告警，直接向上一级发出告警信息，电池阵列总控单元发出降低功率运行提示；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第三阈值，则触发第三级告警，直接触发灭火装置，电池阵列总控单元发出故障预警并断开相应电池簇的直流继电器。
2.根据权利要求1所述的储能电站电池管理系统，其特征在于，所述灭火装置为气溶胶灭火装置。
3.一种根据权利要求1或2所述的储能电站电池管理系统的火灾预警方法，其特征在于，所述方法包括：
由低到高设置三个预制舱环境状态量阈值，智能消防控制器根据传感器采集的信息，判断储能预制舱环境状态量数值是否超限，若超过第一阈值，则触发第一级告警，电池阵列总控单元将对应报警位置的电池簇本体信息与正常信息进行比对，判断是否出现异常，若发生异常则触发二级告警，并向上一级发出告警信息；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第二阈值，则触发第二级告警，直接向上一级发出告警信息，电池阵列总控单元发出降低功率运行提示；
若智能火灾控制器采集的预制舱环境状态量数值超过第三阈值，则触发第三级告警，直接触发灭火装置，电池阵列总控单元发出故障预警并断开相应电池簇的直流继电器。
4.根据权利要求3所述的储能电站电池管理系统的火灾预警方法，其特征在于，所述方法还包括：电池阵列总控单元在发生任何等级故障告警时都将告警发送给上级管理系统，并在本地进行数据分析和显示分析结果。
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