CN110444828B - 基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法 - Google Patents

基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，建立了由远程服务器、BMS主控系统和储能电池组构成的储能电池热失控预警系统，储能电池组内部装有多个温度传感器和气体探测器，储能电池组上方装有视频监控。BMS主控系统实时读取储能电池组内部各区域温度和可燃气体信息；视频监控实时监测各个电池组，远程服务器采用图像处理和分析方法，识别出有烟雾或者火花的电池组，并与BMS主控系统通信获取电池组内部温度和可燃性气体情况，进行报警和控制。本发明可快速定位电池组出现热失控的区域，并迅速进行相应断开、消防以及报警操作，最大程度保证电池储能电站的安全稳定运行。

Description

基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，具体为一种用于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警技术。
背景技术
目前针对储能电池热失控已有的研究成果，包括电池热失控的敏感因素、触发条件及阈值、实验平台搭建等评价热失控的相关技术，主要由电动汽车运行工况总结而来，而储能应用工况下电池的热失控研究却很少。长期放置于预制舱或建筑物内的储能电池，其运行工况与车载动力电池大相径庭。储能应用工况的显著特点是使用场所固定，但电池数量巨大，散热条件不佳。另外，储能应用工况现场人员较少，如果预警不及时、处置不合理，则可能发生波及整体系统的连锁灾害，由此对局部电网的电能质量和稳定性造成冲击。电池的质量、数量、容量以及能量密度的增加会大大提高事故发生的可能性和危险程度，尤其在大规模储能应用场合，电池火灾可能带来不可估量的损失，对于储能电池及电池组的火灾危险性的研究十分重要。因此，必须结合储能应用的工况特点和要求对其热失控机理及火灾特性进行深入研究，提出针对性的安全性检测手段和触发条件。
电池过充释放出的气体主要包含CO2(47％)，H2(23％)和C2H4(10％)、CO(4.9％)、C2H5F(4.6％)(括号内为体积分数)。从气体组成我们知道过充过程中释放的气体中含有大量的可燃成分，虽然其中含有一定数量的CO2，但是其比例太低无法抑制燃烧反应，因此在特殊情况下这些气体会发生持续的燃烧反应，造成很大的危险。由于电池组内部本身温度偏高，加上电池组整体输出电压较高，当可燃性气体浓度超过一定阈值后，很容易发生火灾和甚至爆炸性事故。
发明内容
技术问题：为解决储能电池热失控带来的问题，本发明提出了一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，节省大量人力成本，最大程度保证电池储能电站的安全稳定运行，防止造成重大火灾事故。
技术方案：本发明的一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法为：建立了由远程服务器、电池管理系统(BMS)和储能电池组构成的储能电池热失控预警系统，储能电池组内部装有多个温度传感器和气体探测器，储能电池组上方装有视频监控；BMS主控系统实时从温度传感器和气体探测器读取当前储能电池组内部各区域温度和可燃气体情况；视频监控实时向远程服务器发送各个电池组的监控录像，远程服务器进行图像处理和分析，识别出有烟雾或者火花的电池组，并与BMS主控系统通信获取电池组内部温度和可燃性气体情况，进行相应的报警和远程控制，具有以下步骤：
步骤一：运用视频监控实时监测电池组状态，包括如下步骤：
1)利用图像处理和分析方法，判断电池组是否出现烟雾或者火花；
2)若出现烟雾或火花，则向消防系统发送控制命令，对着火电池组喷射粉尘灭火；否则返回步骤1)；
3)向管理员发送短信和电话报警通知；
4)向BMS主控系统发送声光报警启动命令和关断电池组的命令；
步骤二：视频监测的同时，利用BMS主控系统监测电池组内部温度和可燃性气体，判断热失控情况，包括如下步骤：
2.1)运用BMS主控系统实时获取各个电池组内部的温度和可燃气体信息；
2.2)计算电池组内部温度的变化率和温度值；
2.3)判断电池组内部是否出现热失控情况，若出现热失控转到步骤2.5)，否则转步骤2.4)；
2.4)判断电池组内部可燃性气体浓度、可燃性气体上升率是否超过设定阈值，若没有则转到步骤2.1)，否则转步骤2.5)；
2.5)发出声光报警，向管理员发送热失控信息；
2.6)控制系统断开出现热失控的电池，返回步骤2.1)。
所述对着火电池组喷射粉尘灭火，只针对着火或者冒烟的电池组进行消防灭火，并且只关断有问题的电池组。
所述电池组内部安装的多个温度传感器和气体探测器，监测温度和可燃气体信息。
监测的可燃性气体为H2、C2H4、CO、C2H5F。
所述可燃性气体判断出热失控，则通过控制系统断开整个电池组。
有益效果：本发明构建了一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警技术，视频监控可实时监测各电池组的运行图像，通过对图像进行处理和识别，判断各电池组是否出现火花或者烟雾；BMS主控系统可实时获取电池组内部各位置的温度和气体浓度信息，对温度和气体浓度信息进行综合分析，可快速定位电池组出现热失控的区域，并迅速进行相应断开、消防以及报警操作，节省大量人力成本，最大程度保证电池储能电站的安全稳定运行，防止造成重大火灾事故。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是视频监控处理方法流程图；
图3是BMS主控系统处理温度和气体数据方法流程图。
具体实施过程
进行相应的报警和远程控制，具有以下步骤：
(1)运用视频监控监测电池组状态，并发送给远程服务器；
(2)根据视频监控得到的每个电池组的图像，采用图像处理和分析方法，判断每个电池组是否出现烟雾或者火花，若没有出现烟雾或者火花，则不做处理；
(3)若判断出有电池组出现烟雾或者火花，则远程服务器首先对消防系统发送控制命令，对着火的电池组喷射粉尘灭火，然后向管理员发送短信和电话报警通知，并向BMS主控系统发送声光报警启动命令和关断电池组的命令；
(4)视频监控的同时，BMS主控系统通过温度检测和气体检测监测电池组的热失控情况，实时向远程服务器发送电池组的热失控信息；
(5)远程服务器接收到BMS主控系统发送的电池组热失控信息后，根据热失控信息向管理员发送短信和电话报警通知。
本发明中需要对根据电池组内温度和可燃气体信息进行数据分析，判断电池组是否出现热失控情况以及是电池组中的哪些电池出现热失控，具有以下步骤：
(21)BMS主控系统实时获取各个电池组内部的温度和可燃气体信息；
(22)计算电池组内部温度的变化率和温度值，并结合当前环境温度判断电池组内部是否出现热失控情况，若出现热失控转到步骤(24)，否则向下执行；
(23)对检测到的电池组内部可燃性气体信息进行分析，判断可燃性气体浓度、可燃性气体上升率是否超过设定阈值，判断电池组内部是否出现热失控情况，若未出现热失控转到步骤(21)，否则向下执行；
(24)根据电池组热失控信息，发出声光报警，并向远程服务器发送热失控信息，短信和电话报警通知管理员；
(25)分析出电池组中具体热失控的串联电池模块和位置，控制继电器断开出现热失控的电池，如果是根据可燃性气体判断出的热失控，则通过继电器断开整个电池组，返回步骤(21)。
下面结合附图以及具体算例，给出详细计算过程和具体操作流程，以对本发明作进一步说明。本实施案例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本案例以某储能电站的176个电池组热失控预警情况为例，储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警系统如图1所示。首先每个电池组上方均安装有视频监控，并实时把视频监控信息传输给远程服务器，每个电池组内部还装有气体探测器和多个温度传感器，用于检测电池组内温度和气体信息，由BMS主控系统进行数据分析和判断，识别出热失控状态的电池组，采取相应的操作并向管理员发出报警。
本案例视频监控部分实施流程如图2所示，具体的实施步骤如下：
(1)远程服务器接收到某储能电站的176个电池组在2019年5月17号的视频监控图像，每个电池组获取5张不同时间点图像进行预处理分析。
(2)对获取的图像与训练集进行对比分析，识别出图像中的电池组是否出现火花或者烟雾，识别结果如表1所示。
表1某储能电站5月17日视频监控图像识别结果
电池组 9:00图像 12:00图像 14:00图像 17:00图像 21::00图像
1 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
2 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 有火花有烟
3 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花有烟 无火花无烟 无火花无烟
4 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
5 无火花无烟 无火花无烟雾 有烟雾无火 无火花无烟 无火花无烟
7 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
8 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
9 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
…… …… …… …… …… ……
174 无火花无烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花有烟
175 有火花有烟 无火花无烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
176 无火花无烟 有火花有烟雾 无火花无烟 无火花无烟 无火花无烟
(3)远程服务器识别出每个电池组的烟雾火花情况后，根据识别结果进行相应操作，针对判断出有烟雾或者火花出现的电池组，由远程服务器首先对消防系统发送控制命令，使得消防系统对着火的电池组喷射粉尘灭火，然后向相关负责人发送短信和电话报警通知，并向BMS主控系统发送声光报警启动命令和关断电池组的命令。
(4)远程服务器接收BMS主控系统发送的电池组热失控信息。
(5)远程服务器接收到BMS主控系统发送的电池组热失控信息后，根据热失控信息向相关负责人发送短信和电话报警通知。
本案例中BMS主控系统部分实施流程如图3所示，具体的实施步骤如下：
(1)BMS主控系统实时获取某储能电站的176个电池组在2019年5月17号的内部气体组成信息、各区域温度信息和当前环境温度。
(2)根据实时温度信息，计算出该176个电池组在5月17号15:32:45，各电池组内部温度变化率、可燃气体比例，具体如表2和表3所示。
表2某储能电站5月17日15:32:45时各电池组内部温度相关参数值
Figure BDA0002174061770000051
表3某储能电站5月17日15:32:45时各电池组内部可燃气体占比值
Figure BDA0002174061770000052
Figure BDA0002174061770000061
(3)根据表2和表3中计算出的各个电池组内部的温度和可燃性气体相关参数值，与对应阈值进行比较，并结合当前各电池组内部温度值和环境温度值判断热失控情况。此外，可根据温度传感器和气体探测器信息定位到发生热失控的电池组及内部具体区域。
(4)根据得到的电池组热失控信息，发出声光报警，并向远程服务器发送热失控信息，短信和电话报警通知相关负责人。
(5)根据计算出的电池组中具体热失控的串联电池模块和位置，控制继电器断开出现热失控的电池，如果是根据可燃气体浓度过高判断出的热失控，则断开整个电池组。

Claims (5)

1.一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤一：运用视频监控实时监测电池组状态，包括如下步骤：
1)利用图像处理和分析方法，判断电池组是否出现烟雾或者火花；
2)若出现烟雾或火花，则向消防系统发送控制命令，对着火电池组喷射粉尘灭火；否则返回步骤1)；
3)向管理员发送短信和电话报警通知；
4)向BMS主控系统发送声光报警启动命令和关断电池组的命令；
步骤二：视频监测的同时，利用BMS主控系统监测电池组内部温度和可燃性气体，判断热失控情况，包括如下步骤：
2.1)运用BMS主控系统实时获取各个电池组内部的温度和可燃气体信息；
2.2)计算电池组内部温度的变化率和温度值；
2.3)判断电池组内部是否出现热失控情况，若出现热失控转到步骤2.5)，否则转步骤2.4)；
2.4)判断电池组内部可燃性气体浓度、可燃性气体上升率是否超过设定阈值，若没有则转到步骤2.1)，否则转步骤2.5)；
2.5)发出声光报警，向管理员发送热失控信息；
2.6)控制系统断开出现热失控的电池，返回步骤2.1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，其特征在于，所述对着火电池组喷射粉尘灭火，只针对着火或者冒烟的电池组进行消防灭火，并且只关断有问题的电池组。
3.根据权利要求1所述的一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，其特征在于，所述电池组内部安装的多个温度传感器和气体探测器，监测温度和可燃气体信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，其特征在于，监测的可燃性气体为H2、C2H4、CO、C2H5F。
5.根据权利要求1所述的一种基于储能用磷酸锂电池安全管理系统的热失控预警方法，其特征在于，利用BMS主控系统监测电池组内部可燃性气体，若判断出热失控，则通过控制系统断开整个电池组。
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