CN111554066A - 一种储能电池舱火灾预警装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电池舱火灾预警装置和方法，本装置通过特征气体探测器监测储能电池舱内储能电池热失控前逸出的多种气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元；气体浓度判断上送单元对气体浓度数据计算后根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统来管理储能电池簇的充放电，本发明所述装置实现了电池舱火灾风险的预警。本发明所述方法对电池热失控产生的不同类型气体分类，通过阈值超限判断、浓度上升趋势判断和气体浓度组合分析，对电池舱火灾风险分级识别和梯次告警。本发明漏判、误判概率小，大幅提升储能电池舱火灾预警的灵敏性和可靠性，提升储能电站安全运行水平。

Description

一种储能电池舱火灾预警装置和方法

技术领域

本发明涉及储能技术，具体涉及一种储能电池舱火灾预警装置和方法。

背景技术

储能技术在分布式能源、电网潮流优化、负荷需求响应、化石能源利用效率提升等方面发展前景广阔。近年来，电化学储能电站在电力系统广泛应用，成为工程建设规模增长最为迅速的储能形式。但同时，储能电站的规模化建设也为电力系统安全运行带来了新的挑战，目前，用于储能的电池主要为锂离子电池和铅酸/铅炭电池，其安全系数相对较高，但作为能量存储设备，其内部能量始终具有释放趋向，电池自身能量密度的不断提升和储能电站内大量电池集中堆放布置也增加了火灾风险，在电池遭遇过充、短路等极端外部工况或自身质量不良时，极有可能发生热失控甚至导致燃烧。国内外曾多次发生电化学储能电站火灾事故，引发了严重的经济损失和恶劣的社会影响，对储能技术和储能产业发展造成重大打击。

目前，关于电池火灾探测和预警的方法众多，在工程应用中，一般以电池自身电压温度监测和电池舱内烟感探测器、温感探测器监测为主。但实际运行表明，基于电压电流和烟感温感监测的储能电池火灾告警，普遍存在响应滞后问题和漏报风险。另有研究提出基于电池热失控特征产气探测的火灾告警方法，并在电动汽车上进行应用，一般以CO气体为主要监测对象，但储能电站的实际运行经验表明，H2气体对电池热失控状态的表征更为及时，而且电池热失控过程产生的气体类型较多，不同类型气体与热失控严重程度有较好的对应关系。

综上所述，目前多种气体监测的储能电站火灾告警普遍存在气体选型不清晰、告警阈值不准确、动作策略不完善等问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的在于提供一种能够实时监测电池热失控时产生的多种气体浓度，提前发现电池的热失控现象和火灾隐患并对其作出响应的储能电池舱火灾预警装置；本发明的第二目的在于提供一种能够根据告警等级采取对应的动作策略的储能电池舱火灾预警方法。

技术方案：本发明包括储能电池舱、多个储能电池簇、储能电池模组、电池管理系统、特征气体探测器、气体浓度判断上送单元、储能电站监控系统、消防系统，所述储能电池簇设置在储能电池舱内部且多个储能电池簇之间并联连接，每一个储能电池簇由多个储能电池模组串联或并联组成；所述电池管理系统控制储能电池簇的充放电；

所述特征气体探测器安装于储能电池舱顶部内侧或安装于储能电池模组内部，用于监测储能电池舱内部的气体浓度或监测储能电池模组内部的气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元；

所述气体浓度判断上送单元安装于储能电池舱内部，用于接收特征气体探测器发送的气体浓度数据，气体浓度判断上送单元对气体浓度数据计算后根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统；

所述储能电站监控系统根据气体浓度数据管理储能电站内多个储能电池簇的充放电过程。

当特征气体探测器安装于储能电池舱顶部内侧时，特征气体探测器的安装数量不少于4个，特征气体探测器均匀间隔布置在储能电池舱顶部中央位置且相邻两个特征气体探测器之间的距离不低于1.5m。

当特征气体探测器安装于储能电池模组内部时，每一个储能电池模组内均配有一个特征气体探测器，且特征气体探测器安装在储能电池模组上方中央。

所述特征气体探测器同时监测H2、CO、HCl、SO2和HCN气体的浓度。

所述气体浓度判断上送单元收集储能电池舱内所有特征气体探测器监测到的气体浓度数据，并实时计算每个特征气体探测器监测的气体浓度在规定时间内的上升速度，再将计算的结果传输至储能电站监控系统。

所述气体浓度判断上送单元或储能电站监控系统通过控制电池管理系统来降低储能电池簇的充放电功率或切断储能电池簇的充放电开关，同时，气体浓度判断上送单元或储能电站监控系统还根据告警等级直接启动储能电池舱内的消防系统。

所述气体浓度判断上送单元采用CAN、RS485、RS232、干接点或LORA其中之一作为通信接口。

本发明还包括一种储能电池舱火灾预警方法，包括以下步骤：

(1)特征气体探测器监测储能电池舱内的气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元；

(2)气体浓度判断上送单元对气体浓度数据计算后根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统；

(3)气体浓度判断上送单元或储能电站监控系统根据气体浓度判断上送单元确定的告警等级，通过控制电池管理系统来控制储能电池簇的充放电，并且，气体浓度判断上送单元或储能电站监控系统还根据告警等级直接启动储能电池舱内的消防系统。

步骤(2)中，在所述特征气体探测器安装于储能电池舱顶部内侧的情况下，只有当不少于两个气体探测器监测的气体浓度数据达到告警条件时，气体浓度判断上送单元才发出对应告警等级信息。

步骤(2)中，在所述特征气体探测器安装于储能电池模组内部的情况下，当任意一个气体探测器监测的气体浓度数据达到告警条件时，气体浓度判断上送单元发出对应告警等级信息。

步骤(3)中，当告警等级为一级告警时，电池管理系统降低储能电池舱内所有储能电池簇或对应储能电池簇的充放电功率至告警时刻功率的50％；

当告警等级为二级告警时，电池管理系统停止对储能电池舱内所有储能电池簇或对应储能电池簇进行充放电；

当告警等级为三级告警时，电池管理系统停止对应储能电池舱内所有储能电池簇充放电，同时，储能电站监控系统或气体浓度判断上送单元启动储能电池舱内的消防系统。

当同时出现多级告警信息时，高等级告警具有优先动作权限。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)能够提前发现电池的热失控现象和火灾隐患，将烟感探测、温感探测的火灾预警时间大幅提前；(2)基于H2、CO、HCl、SO2、HCN等多种气体监测，建立了储能电站火灾隐患多级预警体系，可以定量区分储能电池发生火灾的风险等级，火灾处置可靠性大幅提升；(3)通过在储能电池模组内部布置特征气体探测器，可以实现火灾隐患电池精确定位和精准切除；(4)本发明所述方法采取了降功率运行、切除电池充放电开关、启动储能电池舱消防系统等多种策略动作，增加了电池热失控过程的应对措施。

附图说明

图1为本发明所述储能电池舱火灾预警装置的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步详细介绍。

如图1所示，本发明包括储能电池舱1、多个储能电池簇2、储能电池模组3、电池管理系统4、特征气体探测器5、气体浓度判断上送单元6、储能电站监控系统7、消防系统8，储能电池簇2设置在储能电池舱1内部且多个储能电池簇2之间并联连接，每一个储能电池簇2由多个储能电池模组3串联或并联组成；电池管理系统4控制储能电池簇2的充放电；储能电站监控系统7根据气体浓度数据管理储能电站内多个储能电池簇2的充放电过程。

特征气体探测器5安装于储能电池舱1顶部内侧或安装于储能电池模组3内部，用于监测储能电池舱1内部的气体浓度或监测储能电池模组3内部的气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元6；在本实施例中，特征气体探测器5同时监测H2、CO、HCl、SO2和HCN气体的浓度。当特征气体探测器5安装于储能电池舱1顶部内侧时，特征气体探测器5的安装数量不少于4个，特征气体探测器5均匀间隔布置在储能电池舱1顶部中央位置且相邻两个特征气体探测器5之间的距离不低于1.5m。当特征气体探测器5安装于储能电池模组3内部时，每一个储能电池模组3内均配有一个特征气体探测器5，且特征气体探测器5安装在储能电池模组3上方中央。

气体浓度判断上送单元6安装于储能电池舱1内部，用于接收特征气体探测器5发送的气体浓度数据，气体浓度判断上送单元6实时计算每个特征气体探测器5监测的气体浓度在在过去10min内的上升速度，并根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统7。气体浓度判断上送单元6或储能电站监控系统7通过控制电池管理系统4来降低储能电池簇2的充放电功率或切断储能电池簇2的充放电开关，同时，气体浓度判断上送单元6或储能电站监控系统7还根据告警等级直接启动储能电池舱1内的消防系统8。如果特征气体探测器5安装于储能电池舱1顶部内侧，则降功率运行或切除的电池单元为发出告警信息的储能电池舱1内所有储能电池簇2。如果特征气体探测器5安装于储能电池模组3内部，则降功率运行或切除的电池单元为发出告警的储能电池模组3所在的储能电池簇2。气体浓度判断上送单元6采用CAN、RS485、RS232、干接点或LORA其中之一作为通信接口。

本发明还包括一种储能电池舱火灾预警方法，具体包括以下步骤：

(1)特征气体探测器5监测储能电池舱1内的气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元6；

(2)气体浓度判断上送单元6对气体浓度数据计算后根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统7；在特征气体探测器5安装于储能电池舱1顶部内侧的情况下，只有当不少于两个气体探测器5监测的气体浓度数据达到告警条件时，气体浓度判断上送单元6才发出对应告警等级信息；在特征气体探测器5安装于储能电池模组3内部的情况下，当任意一个气体探测器5监测的气体浓度数据达到告警条件时，气体浓度判断上送单元6即发出对应告警等级信息。

(3)气体浓度判断上送单元6或储能电站监控系统7根据气体浓度判断上送单元6确定的告警等级，通过控制电池管理系统4来控制储能电池簇2的充放电，并且，气体浓度判断上送单元6或储能电站监控系统7还根据告警等级直接启动储能电池舱1内的消防系统8。当告警等级为一级告警时，电池管理系统4降低储能电池舱1内所有储能电池簇2或对应储能电池簇2的充放电功率至告警时刻功率的50％；当告警等级为二级告警时，电池管理系统4停止对储能电池舱1内所有储能电池簇2或对应储能电池簇2进行充放电；当告警等级为三级告警时，电池管理系统4停止对应储能电池舱1内所有储能电池簇2充放电，同时，储能电站监控系统7或气体浓度判断上送单元6启动储能电池舱1内的消防系统8。当同时出现多级告警信息时，高等级告警具有优先动作权限。以下是对告警等级的定义：

H2、CO对应一级告警，特征气体探测器5告警条件为满足以下两个条件之一：(a)H2和CO浓度均超过50ppm并且持续30s；(b)H2和CO浓度在过去10min内持续上升速度均超过1ppm/min。特征气体探测器5达到一级告警条件后，如果H2和CO浓度均低于5ppm并且持续10min以上，则一级告警条件消除。

H2、CO、HCl对应二级告警，特征气体探测器5告警条件为满足以下三个条件中(a)、(b)中的一个，且同时满足条件(c)：(a)H2和CO浓度均超过30ppm并且持续30s；(b)H2和CO浓度在过去10min内持续上升速度均超过0.8ppm/min；(c)HCl浓度超过15ppm并且持续30s。特征气体探测器5达到二级告警条件后，如果HCl浓度低于5ppm并且持续10min以上，则二级告警条件消除。

H2、CO、SO2、HCN对应三级告警，特征气体探测器5告警条件为满足以下(a)、(b)中的一个，且同时满足条件(c)：(a)H2和CO浓度均超过20ppm并且持续30s；(b)H2和CO浓度在过去10min内持续上升速度均超过0.5ppm/min；(c)SO2和HCN浓度均超过10ppm并且持续15s。特征气体探测器5达到三级告警条件后，如果SO2和HCN浓度均低于5ppm并且持续10min以上，则三级告警条件消除。

储能电池运行期间，本装置持续监测储能电池舱1内特征气体浓度。如遇到持续过充工况，将出现内部产气并在被特征气体探测器5监测到。按照电池热失控的产气顺序，首先将有H2和CO从电池内部逸出，假如特征气体探测器5全部安装于储能电池舱1顶部内侧，安装数量为4个(编号1#、2#、3#、4#，cH2-1#表示1#探测器H2浓度)，储能电池舱1以P＝1MW功率进行恒功率充电。

T＝0时，cH2-1#上升，随后2min内，cCO-1#＝、cH2-2#、cCO-2#均有上升，T＝10min时，cH2-1#＝38ppm、cCO-1#＝22ppm、cH2-2#＝17ppm、cCO-2#＝10ppm。1#探测器和2#探测器均达到一级告警条件，气体浓度判断上送单元6发出一级告警信息，电池管理系统4降低储能电池舱1充放电功率至P’＝500kW。

T＝12min时，1#、2#探测器未检测到HCl，cH2-3#＝32ppm，cCO-3#＝35ppm，cHCl-3#＝15ppm，cH2-4#＝20ppm，cCO-4#＝12ppm，cHCl-4#＝8ppm，3#探测器满足二级告警条件，但1#、2#、4#探测器未满足二级告警条件，气体浓度判断上送单元6未发出二级告警信息。

T＝15min时，1#、2#探测器未检测到HCl，cH2-3#＝40ppm，cCO-3#＝38ppm，cHCl-3#＝21ppm，cH2-4#＝32ppm，cCO-4#＝31ppm，cHCl-4#＝16ppm，3#、4#探测器满足二级告警条件，气体浓度判断上送单元6发出二级告警信息，电池管理系统4切除储能电池舱1所有电池充放电开关，此时充放电功率P”＝0。

T＝20min时，cH2-1#＝62ppm，cCO-1#＝48ppm、cSO2-1#＝12ppm、cHCN-1#＝11ppm，cH2-4#＝40ppm、cCO-4#＝21ppm、cSO2-4#＝15ppm、cHCN-4#＝10ppm，1#、4#探测器均满足三级告警条件，气体浓度判断上送单元6发出三级告警信息，储能电池舱1内消防系统8启动，灭火剂释放。

本发明的装置通过探测和报送储能电池舱1内储能电池热失控前逸出的多种特征气体浓度，实现电池舱火灾风险预警，并给储能电站监控系统7上送处置信号；本发明的方法对电池热失控产生的不同类型气体进行分类，通过阈值超限判断、浓度上升趋势判断和特征气体浓度组合分析，按照气体类别和产生的先后顺序，进行电池舱火灾风险分级识别和梯次告警。与传统基于烟感探测器和温感探测器的储能电池舱火灾探测方法相比，本发明漏判、误判概率小，可大幅提升储能电池舱火灾预警的灵敏性和可靠性，实现事前判断，为现场应急处置赢得时间，提升储能电站安全运行水平。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

Claims (12)

1.一种储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：包括储能电池舱(1)、多个储能电池簇(2)、储能电池模组(3)、电池管理系统(4)、特征气体探测器(5)、气体浓度判断上送单元(6)、储能电站监控系统(7)、消防系统(8)，所述储能电池簇(2)设置在储能电池舱(1)内部且多个储能电池簇(2)之间并联连接，每一个储能电池簇(2)由多个储能电池模组(3)串联或并联组成；所述电池管理系统(4)控制储能电池簇(2)的充放电；

所述特征气体探测器(5)安装于储能电池舱(1)顶部内侧或安装于储能电池模组(3)内部，用于监测储能电池舱(1)内部的气体浓度或监测储能电池模组(3)内部的气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元(6)；

所述气体浓度判断上送单元(6)安装于储能电池舱(1)内部，用于接收特征气体探测器(5)发送的气体浓度数据，气体浓度判断上送单元(6)对气体浓度数据计算后根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统(7)；

所述储能电站监控系统(7)根据气体浓度数据管理储能电站内多个储能电池簇(2)的充放电过程。

2.根据权利要求1所述的储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：当特征气体探测器(5)安装于储能电池舱(1)顶部内侧时，特征气体探测器(5)的安装数量不少于4个，特征气体探测器(5)均匀间隔布置在储能电池舱(1)顶部中央位置且相邻两个特征气体探测器(5)之间的距离不低于1.5m。

3.根据权利要求1所述的储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：当特征气体探测器(5)安装于储能电池模组(3)内部时，每一个储能电池模组(3)内均配有一个特征气体探测器(5)，且特征气体探测器(5)安装在储能电池模组(3)上方中央。

4.根据权利要求2或3所述的储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：所述特征气体探测器(5)同时监测H2、CO、HCl、SO2和HCN气体的浓度。

5.根据权利要求2或3所述的储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：所述气体浓度判断上送单元(6)收集储能电池舱(1)内所有特征气体探测器(5)监测到的气体浓度数据，并实时计算每个特征气体探测器(5)监测的气体浓度在规定时间内的上升速度，再将计算的结果传输至储能电站监控系统(7)。

6.根据权利要求1所述的储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：所述气体浓度判断上送单元(6)或储能电站监控系统(7)通过控制电池管理系统(4)来降低储能电池簇(2)的充放电功率或切断储能电池簇(2)的充放电开关，同时，气体浓度判断上送单元(6)或储能电站监控系统(7)还根据告警等级直接启动储能电池舱(1)内的消防系统(8)。

7.根据权利要求1所述的储能电池舱火灾预警装置，其特征在于：所述气体浓度判断上送单元(6)采用CAN、RS485、RS232、干接点或LORA其中之一作为通信接口。

8.一种根据权利要求1所述的储能电池舱火灾预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)特征气体探测器(5)监测储能电池舱(1)内的气体浓度，并将监测的气体浓度数据发送至气体浓度判断上送单元(6)；

(2)气体浓度判断上送单元(6)对气体浓度数据计算后根据计算结果来确定告警等级，同时将计算结果上传至储能电站监控系统(7)；

(3)气体浓度判断上送单元(6)或储能电站监控系统(7)根据气体浓度判断上送单元(6)确定的告警等级，通过控制电池管理系统(4)来控制储能电池簇(2)的充放电，并且，气体浓度判断上送单元(6)或储能电站监控系统(7)还根据告警等级直接启动储能电池舱(1)内的消防系统(8)。

9.根据权利要求8所述的储能电池舱火灾预警方法，其特征在于：步骤(2)中，在所述特征气体探测器(5)安装于储能电池舱(1)顶部内侧的情况下，只有当不少于两个气体探测器(5)监测的气体浓度数据达到告警条件时，气体浓度判断上送单元(6)才发出对应告警等级信息。

10.根据权利要求8所述的储能电池舱火灾预警方法，其特征在于：步骤(2)中，在所述特征气体探测器(5)安装于储能电池模组(3)内部的情况下，当任意一个气体探测器(5)监测的气体浓度数据达到告警条件时，气体浓度判断上送单元(6)发出对应告警等级信息。

11.根据权利要求8所述的储能电池舱火灾预警方法，其特征在于：步骤(3)中，当告警等级为一级告警时，电池管理系统(4)降低储能电池舱(1)内所有储能电池簇(2)或对应储能电池簇(2)的充放电功率至告警时刻功率的50％；

当告警等级为二级告警时，电池管理系统(4)停止对储能电池舱(1)内所有储能电池簇(2)或对应储能电池簇(2)进行充放电；

当告警等级为三级告警时，电池管理系统(4)停止对应储能电池舱(1)内所有储能电池簇(2)充放电，同时，储能电站监控系统(7)或气体浓度判断上送单元(6)启动储能电池舱(1)内的消防系统(8)。

12.根据权利要求11所述的储能电池舱火灾预警方法，其特征在于：当同时出现多级告警信息时，高等级告警具有优先动作权限。

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