CN114913660A - 预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置 - Google Patents
预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114913660A CN114913660A CN202210449041.3A CN202210449041A CN114913660A CN 114913660 A CN114913660 A CN 114913660A CN 202210449041 A CN202210449041 A CN 202210449041A CN 114913660 A CN114913660 A CN 114913660A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- early warning
- signal
- module
- monitoring
- energy storage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 62
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 19
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 claims description 15
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 13
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 9
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 3
- 239000003595 mist Substances 0.000 claims description 3
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
- G08B17/06—Electric actuation of the alarm, e.g. using a thermally-operated switch
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
- G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
- G01S5/20—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
- G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
- G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
- G08B21/12—Alarms for ensuring the safety of persons responsive to undesired emission of substances, e.g. pollution alarms
- G08B21/16—Combustible gas alarms
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
- G08B21/18—Status alarms
- G08B21/182—Level alarms, e.g. alarms responsive to variables exceeding a threshold
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
本发明提供一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，包括温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块、多信号融合预警模块、可视化交互模块；本发明考虑多源信号融合分析，构建了电‑热‑气‑力多信息融合的多级预警体系，引入多级监测预警体系构建出针对锂离子电池储能舱的系统化预警体系；同时建立了基于电压/电流信号的电芯内温度监测模块，实现电芯温度的实时监测，融合了热失控过程典型气体分析监测模块，引入多频声波阵列模块实现对热失控电芯的精准定位，为后续BMS模块动作及消防系统联动处置提供必要信息，能有效提升热失控防控处置的有效性，从而可更好地防止这些早期故障引发灾难性的后果。
Description
技术领域
本发明涉及电化学储能系统监测预警技术领域，具体涉及一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置。
背景技术
锂离子电池通常指采用锂合金的金属氧化物作为正极材料，采用石墨作为负极材料，使用非水电解质溶液的可充电电池，属于二次电池范畴。锂离子电池具有自放电率低、能量密度高和循环寿命长等优点，应用于社会生活的诸多方面，在储能领域也得到广泛应用。锂离子热失控是指在使用过程中由于过充/过放、热滥用或机械损伤等原因，造成锂离子电池内部发生不可逆的自反应产热，进而导致电池温度逐渐升高失控的状态。预制舱式电化学储能系统是指将多块锂离子电池通过串联、并联等方式连接增加容量、提高电压，并将电池管理系统(BMS)、功率转换系统(PCS)等功能模块集成到预制舱内形成一个整体系统，通过能量管理系统(EMS)进行系统控制，也就是一个更大容量、更高电压的电池系统。由于锂离子电池热失控会引发火灾、爆炸等严重事故，尤其在预制舱式电化学储能系统中电池密集布置、相对封闭的环境，一旦单个发生热失控，会引发连锁反应导致热失控在储能系统内部快速蔓延造成火灾、爆炸等严重事故，同时由于预制舱系统内部环境封闭，舱外的火灾探测报警及安全监测系统难以第一时间发现事故。因而，针对预制舱储能系统如何在锂离子电池未发生热失控之前，通过监测电池自身电压、电流、温度、压力等参数和预制舱内气体、烟雾、温度等信息，实现对储能系统热失控早期监测预警和精准定位具有重要意义。
探测报警技术从探测对象分为感烟探测、感温探测、烟温复合探测、可燃气体探测及火焰探测等，从探测手段分为点型、线型、吸气式、光谱图像等。其中，传统的感烟火灾探测通过探测火灾烟雾中进行监测预警，感温火灾探测通过探测火灾烟气的温度实现火灾探测，一般适用于由外部火源引燃可燃物的情况，对于锂离子电池热失控的场景，其探测时间过于滞后，难以实现对热失控事故的有效监测预警。可燃气体探测通过监测环境中甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)等气体的浓度进行预警，然而传统可燃气体探测方法多采用气体爆炸下限(LFL)作为探测阈值远高于锂离子电池发生热失控析出气体的浓度，难以有效监测到锂离子电池热失控。图像探测技术具有实时性好、响应速度快等优势，然而对于预制舱式电化学储能系统，图像探测存在照度低、遮挡多等限制，技术应用难度大。并且，锂离子电池热失控过程多由电芯内部开始，现有监测预警手段难以实现对热失控电芯早期预警和准确定位。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，包括温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块、多信号融合预警模块、可视化交互模块；温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块分别与多信号融合预警模块电连接，多信号融合预警模块与可视化交互模块电连接；
所述温度监测模块用于采集预制舱式电化学储能系统中单个电芯的电压信号V及串联模组的电流信号I；还用于采集电芯表面的温度值T2；并将采集到的温度值传输给多信号融合预警模块；
所述气体分析模块用于监测锂离子电池析出的氢气的浓度值Vol1、一氧化碳的浓度值Vol2，并传输给多信号融合预警模块；
所述多频声波定位阵列用于监测锂离子电池热失控中气体析出的声音信号S1、安全阀开阀的声音信号S2，并将采集到的声音信号传输给多信号融合预警模块；
所述分布式压力传感器用于监测锂离子电池内部或电池簇间的压力值F，并传输给多信号融合预警模块；
所述多信号融合预警模块用于根据电压信号V、电流信号I生成表征电芯内部温度的温度值T1，根据预设的分级预警关系将接收到的采样值形成分级监测预警激励反馈，根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位；所述采样值包括温度值T1、温度值T2、浓度值Vol1、浓度值Vol2、声音信号S1、声音信号S2、压力值F；
所述可视化交互模块用于实现人机信息交互，包括可视化显示采样值、故障电芯的定位信息以及预警信息。
所述温度监测模块包括电压/电流监测电路和温度传感器，电压/电流监测电路的输出端、温度传感器分别连接多信号融合预警模块；
所述电压/电流监测电路用于采集电芯的电流信号I、电压信号V；
所述温度传感器用于采集电芯表面的温度值T2。
所述气体分析模块包括MEMS气敏元件、信号调理单元、A/D转换单元，所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理；
所述分布式压力传感器包括硅压阻式压力传感器、信号调理单元、A/D转换单元；
所述多频声波定位阵列包括MEMS接收器、信号调理单元、A/D转换单元。
所述分级监测预警激励反馈，具体表述为根据预设的分级预警关系形成三级预警的激励反馈：
一级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数、压力参数中的任意一项达到一级预警阈值δ1时，则发出一级预警信号；当达到一级预警阈值δ1后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并将定位信息发送给BMS用于切断故障电芯所在的电池箱的电流；
二级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数达到二级预警阈值δ2时，或压力参数达到二级预警阈值δ2且气体参数达到一级预警阈值δ1时；当达到二级预警阈值δ2后，多信号融合预警模块根据多频声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并发出释放热阻隔处置的联动信号；
三级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数和气体参数均达到三级预警阈值δ3，发出联动BMS切断储能舱电流的信号，并发出触发自动灭火系统释放气体灭火、细水雾灭火处置的联动信号。
所述根据电压信号V、电流信号I生成表征电芯内部温度的温度值T1，计算公式为：
式中，CM为温度参数，R内为电池内阻，T0为电芯的初始温度；
所述根据根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位，具体表述为：
步骤B1：在电池箱内一水平侧面上均匀布置i个MEMS传感器，水平布置的传感器采集到的多频声波信号记为x0～xi；在一竖直侧面上均匀布置j个MEMS传感器，竖直布置的传感器采集到的多频声波信号记为y0～yj；
步骤B2：将长度为60秒的一段多频声波回波信号划分为6个时间段，每个时间段长度为10秒；
步骤B3：将划分时间段后的多频声波回波信号从时间域变换到频率域，将一个时间段对应的频域信号作为一组信号窄带波束，利用窄带波束形成算法给出信号的指向性；
步骤B4：将水平方向6个时间段对应的窄带波束信号给出的指向性再进一步利用宽带波束形成算法进行波束形成处理，将获取边缘处声源点相对坐标点x0的角度
记为声源点的水平方向角；利用竖直方向6个时间段对应的窄带波束信号获取边缘处声源点相对于坐标点y0的角度ψ0记为声源点的竖直方向角；水平方向和竖直方向12个时间段的窄带波束信号进行波束形成处理获取声源点相对于传感器所在坐标点(xi,yj)的方向ξi,j；
步骤B5：根据每个声源点
ψj、ξi,j的相交点坐标得到该生源点所对应传感器的位置坐标，然后根据电池芯、储能箱在储能舱的位置确定发生故障的电芯及储能箱的位置，其中
ψj表示第i个声源点的水平方向角、竖直方向角。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，与现有技术相比较，本发明考虑多源信号融合分析，构建了电-热-气-力多信息融合的多级预警体系，引入多级监测预警体系构建出针对锂离子电池储能舱的系统化预警体系，并提出了对应的应急处置措施。同时，建立了基于电压/电流信号的电芯内温度监测模块，实现电芯温度的实时监测，融合了热失控过程典型气体分析监测模块，避免因电网波动导致了监测误报高的限制，引入多频声波阵列模块实现对热失控电芯的精准定位，为后续BMS模块动作及消防系统联动处置提供必要信息，能有效提升热失控防控处置的有效性，从而可更好地防止这些早期故障引发灾难性的后果。
附图说明
图1为本发明中预制舱式电化学储能舱监测、预警及定位系统框图；
图2为本发明中多频声波接收阵列的结构示意图；
图3为本发明中压力传感器的布置示意图；
图4为本发明中故障电芯精准定位的电路原理图；
图5为本发明中所述预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置接线原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。本发明目的在于提供一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，旨在解决现有电化学储能系统监测预警技术存在的监测滞后、精度不高及难以定位等问题。
如图1所示，一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，包括：温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块、信号调理单元、多信号融合预警模块、可视化交互模块；温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块分别与多信号融合预警模块电连接，多信号融合预警模块与可视化交互模块无线连接；所述气体分析模块包括MEMS(微机电系统简称MEMS)敏感元件、信号调理单元、A/D转换单元，所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理；图1中①为本发明系统部分，②为开放的I/O接口，③为无源的传感器模块，④为有源的在线模块，⑤为多频声波定位阵列。其中②仅提供接口模块，③布置在预制舱式电化学储能系统的每个电池箱内，④每个储能柜布置1个，⑤在接收到④的激励后进行扫描定位。
所述分布式压力传感器包括硅压阻式压力传感器、信号调理单元、A/D转换单元；
所述多频声波定位阵列包括MEMS接收器、信号调理单元、A/D转换单元；
所述温度监测模块用于采集预制舱式电化学储能系统中单个电芯的电压信号V及串联模组的电流信号I；还用于采集电芯表面的温度值T2；并将采集到的温度值传输给多信号融合预警模块；多信号融合预警模块用于根据电压信号V、电流信号I生成表征电芯内部温度的温度值T1，温度值T1、T2作为温度监测模块的二级预警，并通过CAN/RS485总线将监测的温度值传输到多信号融合预警模块和可视化交互模块。
所述气体分析模块用于监测锂离子电池析出的氢气(H2)的浓度值Vol1、一氧化碳(CO)的浓度值Vol2等热失控征兆气体，并传输给多信号融合预警模块；
采集浓度值的传感器具体为MEMS敏感元件，由滤波电路和信号放大器构成信号调理单元，后进行A/D转换单元进行模数转换后传输给多信号融合预警模块。MEMS敏感元件在不同征兆气体氛围下产生电激励，进过信号调理、A/D转换输出气体浓度值，实现对预制舱储能箱内气体分析监测，并通过CAN/RS485总线将气体浓度值传输到多信号融合预警模块和可视化交互模块。根据监测的氢气(H2)浓度为Vol1、监测的一氧化碳(CO)浓度为Vol2作为气体分析模块的预警信号。
通过多频声波阵列采集多路声波回波信号，多信号融合预警模块通过宽带波束形成算法实现对故障电芯的精准定位，为后续开展热阻隔及灭火处置提供前置信息。多频声波定位阵列通过CAN/RS485总线接收到多信号融合预警模块的预警监测激励后多频声扫描定位并将定位信息通过CAN/RS485总线回传到多信号融合预警模块进行综合判断。如图2所示，多个多频声波传感器按照x、y两个方向均匀布置，通过确定声源点和x、y轴的夹角相交处即为发生热失控故障的电池簇在x、y平面的位置。
具体实施时，如图2所示，通过布置的多频声波传感器位置坐标0y～xy共计i个水平等间距布置的传感器，坐标x0～xy共计j个竖向等间距布置的传感器，将0y～xy共计i个水平布置的传感器采集的多频声回波信号记为x0～xi，将坐标x0～xy共计j个竖直布置的传感器采集的多频声回波信号记为y0～yj。首先将把某一时间段(10s)的信号从时间域变换到频率域，然后将每组频域信号作为窄带波束，利用波束形成算法进行波束形成处理获取声源点相对xi的角度
利用波束形成算法进行波束形成处理获取声源点相对yj的角度ψj，最后对全部窄带波束(选取6组共计60s的信号)进行宽频波束形成，并利用波束形成算法计算出声源点的位置相对于坐标点(xi,yj)的方向ξi,j，利用声源点相对于xi、yj和(xi,yj)三点角度的相交点，确定声源点的准确位置。
所述分布式压力传感器用于监测锂离子电池内部或电池簇间的压力值F，并传输给多信号融合预警模块；分布式压力传感器包括MEMS硅压阻式压力传感器、由滤波电路和信号放大器构成的信号调理单元、和进行模数的转换A/D转换单元。通过CAN/RS485总线将监测得到的压力值传输到多信号融合预警模块和可视化交互模块。根据监测的单个电芯压力值F1，或者监测电池簇间的压力值F2作为分布式压力传感器的二级预警激励反馈。如图3所示，在每个电池内部布置，在确定发生热失控故障的电池簇在xoy平面的位置后，进一步确定发生故障电池在电池箱中的准确位置，其中I为单个电芯处布置的压力传感器、II为电池簇端部布置的在电池簇的压力传感器，通过分布式压力传感器模块监测电池单体或电池簇的压力变化。
故障电芯精准定位的原理图如图4所示，首先通过声波定位电路将声阵列传感器输入到定位监测电路，然后将输入信号传输到STM32G474的信号处理芯片进行预处理；再通过STM32G474同主控芯片RS485或CAN通信实现对监测信号的分析处理，通过定位算法给出定位信息；
所述超声波定位阵列用于监测锂离子电池热失控中气体析出的声音信号S1、安全阀开阀的声音信号S2，并将采集到的声音信号传输给多信号融合预警模块；根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位，具体表述为：
步骤B1：在电池箱内一水平侧面上均匀布置i个MEMS传感器，水平布置的传感器采集到的超声波信号记为x0～xi；在一竖直侧面上均匀布置j个MEMS传感器，竖直布置的传感器采集到的超声波信号记为y0～yj；
步骤B2：将长度为60秒的一段超声波回波信号划分为6个时间段，每个时间段长度为10秒；
步骤B3：将划分时间段后的超声波回波信号从时间域变换到频率域，将一个时间段对应的频域信号作为一组信号窄带波束，利用窄带波束形成算法给出信号的指向性；
步骤B4：将水平方向6个时间段对应的窄带波束信号给出的指向性再进一步利用宽带波束形成算法进行波束形成处理，将获取边缘处声源点相对坐标点x0的角度
记为声源点的水平方向角；利用竖直方向6个时间段对应的窄带波束信号获取边缘处声源点相对于坐标点y0的角度ψ0记为声源点的竖直方向角；水平方向和竖直方向12个时间段的窄带波束信号进行波束形成处理获取声源点相对于传感器所在坐标点(xi,yj)的方向ξi,j；
步骤B5：根据每个声源点
ψj、ξi,j的相交点坐标得到该生源点所对应传感器的位置坐标，然后根据电池芯、储能箱在储能舱的位置确定发生故障的电芯及储能箱的位置，其中
ψj表示第i个声源点的水平方向角、竖直方向角。
所述多信号融合预警模块用于根据电压信号V、电流信号I生成表征电芯内部温度的温度值T1，根据预设的分级预警关系将接收到的采样值形成分级监测预警激励反馈，根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位；所述采样值包括温度值T1、温度值T2、浓度值Vol1、浓度值Vol2、声音信号S1、声音信号S2、压力值F。
本实施例采用单片机作为多信号融合预警模块，根据预设的分级预警关系，通过单片机进行分析处理给出分级监测预警激励反馈，并将激励反馈信号传输到多频声波定位阵列和可视化交互模块，单片机可提供BMS(电池管理系统)/EMS(能量管理系统)及消防控制器使用的开放式接口。
所述可视化交互模块用于实现人机信息交互，包括可视化显示采样值、故障电芯的定位信息以及预警信息；即接收多信号融合预警模块、温度监测模块、气体分析模块和分布式压力传感模块的激励信息进行可视化显示，并根据接收多信号融合预警模块和多频声波定位阵列多级预警激励，发出联动响应信号到锂离子电池储能系统的热阻隔及灭火处置单元。并包含RJ54/CAN/RS485的开放接口，支持无线WiFi及5G通信模块，实现数据的本地存储及云端上传，服务基于云端平台的监测预警以及本地故障的分析调查。
所述温度监测模块包括电压/电流监测电路和温度传感器，电压/电流监测电路的输出端、温度传感器分别连接多信号融合预警模块；
所述电压/电流监测电路用于采集电芯的电流信号I、电压信号V；本实施例中的电压/电流监测电路中的电压跟踪模块为BD42530TO263-5，对电芯正极电压变化进行实时监测，并将信号并传到STM32G474的信号处理芯片进行处理；再通过STM32G474同主控芯片RS485或CAN通信实现对监测信号的分析处理；
所述温度传感器用于采集电芯表面的温度值T2。
所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理。
所述分级监测预警激励反馈，具体表述为根据预设的分级预警关系形成三级预警的激励反馈：
一级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数、压力参数中的任意一项达到一级预警阈值δ1时，则发出一级预警信号；当达到一级预警阈值δ1后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并将定位信息发送给BMS用于切断故障电芯所在的电池箱的电流；
二级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数达到二级预警阈值δ2时，或压力参数达到二级预警阈值δ2且气体参数达到一级预警阈值δ1时，；当达到二级预警阈值δ2后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并联动释放热阻隔处置措施，比如多信号融合预警模块发出高电平的一个触发开关量信号；
三级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数和气体参数均达到三级预警阈值δ3，发出联动BMS切断储能舱电流的信号，并发出触发自动灭火系统释放气体灭火、细水雾灭火处置的联动信号。
所述根据电压信号V、电流信号I生成表征电芯内部温度的温度值T1，计算公式为：
式中，CM为温度参数，R内为电池内阻，T0为电芯的初始温度；
假设电芯的初始温度为T0，设置电芯的阈值温度为Talarm，电池内阻认为常数R内，设置温度参数为CM，正常充放电过程中的预测时长选取为t，认为电池为理想电源存在如下函数关系：
dT/dt＝f(V,I)＝CM*(T1-T0)+V*I-I2/(V/R内)＝0；
认为正常调试完成，静止中监测到的V、I是满足上式关系的，当充放电运行中，会存在由于电池充放电做功导致的内部自产热，则可以利用上式计算T1的值，当T1≥Talarm，则发出预警信号，其中此处的预设值Talarm，根据不同电池内隔膜类型而不同(60～120℃)，此处建议值为80℃。
所述装置接线原理图的如图5所示，本实施例中温度监测模块、气体分析模块、分布式压力传感器、多频声波定位阵列均通过CAN/RS485总线与多信号融合预警模块相连。图5中SPI/convert CAN为转换接口，SPI/UART为通信接口，SPI为串行外设接口，UART为通用异步收发传输接口，MIPI-CSI中MIPI为移动产业处理器接口联盟，CSI为MIPI联盟下Camera工作组指定的接口标准，DDR3 32bit DDR3为第三代双倍速率同步动态随机存储器规格，32bit表述内存传输带宽为32位，GMAC为千兆网媒体访问控制器，RTL 8211E-VB-CG为千兆网接口芯片。
Claims (6)
1.一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，其特征在于，包括温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块、多信号融合预警模块、可视化交互模块；温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块分别与多信号融合预警模块电连接，多信号融合预警模块与可视化交互模块电连接。
2.根据权利要求1所述的一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，其特征在于，所述温度监测模块用于采集预制舱式电化学储能系统中单个电芯的电压信号V及串联模组的电流信号I；还用于采集电芯表面的温度值T2；并将采集到的温度值传输给多信号融合预警模块；
所述气体分析模块用于监测锂离子电池析出的氢气的浓度值Vol1、一氧化碳的浓度值Vol2，并传输给多信号融合预警模块；
所述多频声波定位阵列用于监测锂离子电池热失控中气体析出的声音信号S1、安全阀开阀的声音信号S2，并将采集到的声音信号传输给多信号融合预警模块；
所述分布式压力传感器用于监测锂离子电池内部或电池簇间的压力值F，并传输给多信号融合预警模块；
所述多信号融合预警模块用于根据电压信号V、电流信号I生成表征电芯内部温度的温度值T1，根据预设的分级预警关系将接收到的采样值形成分级监测预警激励反馈，根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位；所述采样值包括温度值T1、温度值T2、浓度值Vol1、浓度值Vol2、声音信号S1、声音信号S2、压力值F；
所述可视化交互模块用于实现人机信息交互，包括可视化显示采样值、故障电芯的定位信息以及预警信息。
3.根据权利要求2所述的一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，其特征在于，所述温度监测模块包括电压/电流监测电路和温度传感器，电压/电流监测电路的输出端、温度传感器分别连接多信号融合预警模块；
所述电压/电流监测电路用于采集电芯的电流信号I、电压信号V；
所述温度传感器用于采集电芯表面的温度值T2。
4.根据权利要求2所述的一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，其特征在于，所述气体分析模块包括MEMS气敏元件、信号调理单元、A/D转换单元，所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理；
所述分布式压力传感器包括硅压阻式压力传感器、信号调理单元、A/D转换单元；
所述多频声波定位阵列包括MEMS接收器、信号调理单元、A/D转换单元。
5.根据权利要求2所述的一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，其特征在于，所述分级监测预警激励反馈，具体表述为根据预设的分级预警关系形成三级预警的激励反馈：
一级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数、压力参数中的任意一项达到一级预警阈值δ1时，则发出一级预警信号；当达到一级预警阈值δ1后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并将定位信息发送给BMS用于切断故障电芯所在的电池箱的电流；
二级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数达到二级预警阈值δ2时，或压力参数达到二级预警阈值δ2且气体参数达到一级预警阈值δ1时；当达到二级预警阈值δ2后，多信号融合预警模块根据多频声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并发出释放热阻隔处置的联动信号；
三级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数和气体参数均达到三级预警阈值δ3，发出联动BMS切断储能舱电流的信号，并发出触发自动灭火系统释放气体灭火、细水雾灭火处置的联动信号。
6.根据权利要求2所述的一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，其特征在于，所述根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位，具体表述为：
步骤B1：在电池箱内一水平侧面上均匀布置i个MEMS传感器，水平布置的传感器采集到的多频声波信号记为x0～xi；在一竖直侧面上均匀布置j个MEMS传感器，竖直布置的传感器采集到的多频声波信号记为y0～yj；
步骤B2：将长度为60秒的一段多频声波回波信号划分为6个时间段，每个时间段长度为10秒；
步骤B3：将划分时间段后的多频声波回波信号从时间域变换到频率域，将一个时间段对应的频域信号作为一组信号窄带波束，利用窄带波束形成算法给出信号的指向性；
步骤B4：将水平方向6个时间段对应的窄带波束信号给出的指向性再进一步利用宽带波束形成算法进行波束形成处理，将获取边缘处声源点相对坐标点x0的角度
记为声源点的水平方向角；利用竖直方向6个时间段对应的窄带波束信号获取边缘处声源点相对于坐标点y0的角度ψ0记为声源点的竖直方向角；水平方向和竖直方向12个时间段的窄带波束信号进行波束形成处理获取声源点相对于传感器所在坐标点(xi,yj)的方向ξi,j；
步骤B5：根据每个声源点
ψj、ξi,j的相交点坐标得到该生源点所对应传感器的位置坐标，然后根据电池芯、储能箱在储能舱的位置确定发生故障的电芯及储能箱的位置，其中
ψj表示第i个声源点的水平方向角、竖直方向角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210449041.3A CN114913660B (zh) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210449041.3A CN114913660B (zh) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114913660A true CN114913660A (zh) | 2022-08-16 |
| CN114913660B CN114913660B (zh) | 2024-03-29 |
Family
ID=82764911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210449041.3A Active CN114913660B (zh) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114913660B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116093459A (zh) * | 2023-03-20 | 2023-05-09 | 苏州时代华景新能源有限公司 | 一种锂电池储能箱的智能监测方法及系统 |
| CN117523809A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 四川千页科技股份有限公司 | 一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法 |
| EP4361983A1 (en) * | 2022-10-28 | 2024-05-01 | Xiamen Hithium Energy Storage Technology Co., Ltd. | Fire-protection detecting method and device, electronic device and medium |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109893802A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-06-18 | 南方电网调峰调频发电有限公司 | 一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备 |
| CN110265736A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-20 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 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 |
| CN110398699A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-11-01 | 清华大学 | 多传感器信息融合的动力电池热失控预警方法 |
| CN110828919A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-02-21 | 北京理工大学 | 一种电池热失控预警系统及方法 |
| CN112043993A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-08 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种储能电池舱消防系统及其灭火方法 |
| EP3748397A1 (de) * | 2019-06-03 | 2020-12-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren und anordnung zur ortsaufgelösten erfassung von schallemissionen, insbesondere ultraschallemissionen |
| CN113030671A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-06-25 | 应急管理部沈阳消防研究所 | 一种电气设备局部放电故障现场检测与定位装置及方法 |
| CN215341334U (zh) * | 2021-07-01 | 2021-12-28 | 中国民航大学 | 基于石墨烯mems气体传感器的锂电池热失控预警系统 |
-
2022
- 2022-04-27 CN CN202210449041.3A patent/CN114913660B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109893802A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-06-18 | 南方电网调峰调频发电有限公司 | 一种用于电化学储能方舱热管理和消防的系统装备 |
| EP3748397A1 (de) * | 2019-06-03 | 2020-12-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren und anordnung zur ortsaufgelösten erfassung von schallemissionen, insbesondere ultraschallemissionen |
| CN110265736A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-20 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 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 |
| CN110398699A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-11-01 | 清华大学 | 多传感器信息融合的动力电池热失控预警方法 |
| CN110828919A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-02-21 | 北京理工大学 | 一种电池热失控预警系统及方法 |
| CN112043993A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-08 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种储能电池舱消防系统及其灭火方法 |
| CN113030671A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-06-25 | 应急管理部沈阳消防研究所 | 一种电气设备局部放电故障现场检测与定位装置及方法 |
| CN215341334U (zh) * | 2021-07-01 | 2021-12-28 | 中国民航大学 | 基于石墨烯mems气体传感器的锂电池热失控预警系统 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4361983A1 (en) * | 2022-10-28 | 2024-05-01 | Xiamen Hithium Energy Storage Technology Co., Ltd. | Fire-protection detecting method and device, electronic device and medium |
| CN116093459A (zh) * | 2023-03-20 | 2023-05-09 | 苏州时代华景新能源有限公司 | 一种锂电池储能箱的智能监测方法及系统 |
| CN117523809A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 四川千页科技股份有限公司 | 一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法 |
| CN117523809B (zh) * | 2024-01-08 | 2024-03-12 | 四川千页科技股份有限公司 | 一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114913660B (zh) | 2024-03-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114913660B (zh) | 预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置 | |
| CN111060821B (zh) | 具备锂电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法 | |
| CN110828915B (zh) | 一种动力锂离子电池爆喷早期预警报警方法 | |
| CN205229422U (zh) | 一种锂电池防爆试验装置 | |
| CN101499544B (zh) | 电池装置、保护电路、温度监控方法、温度传感器布置方法 | |
| CN111261957B (zh) | 基于分布控制的锂离子储能电池热失控保护系统及方法 | |
| CN107349543A (zh) | 动力电池灭火装置、动力电池及动力电池的灭火方法 | |
| CN109435763A (zh) | 一种新能源汽车的电池管理系统 | |
| CN108258340A (zh) | 一种带气体监控装置的电池系统 | |
| CN111896134A (zh) | 一种电池包分布式温度测量方法 | |
| CN209656091U (zh) | 一种电池系统热失控模拟装置 | |
| CN207752601U (zh) | 一种锂电池热失控探测及处置装置 | |
| CN109037740B (zh) | 氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置及其方法 | |
| WO2023179175A1 (zh) | 一种风电机组自动灭火方法 | |
| CN116387724A (zh) | 一种应用相变材料的储能电站电池热管理及火灾预警设备 | |
| CN115842183A (zh) | 一种锂离子电池储能舱的热失控预警系统及预警方法 | |
| CN109672220A (zh) | 一种村级的光伏电站管理系统及其控制方法 | |
| Li et al. | Research on Fire Performance Test Technology of Electric Vehicle Power Battery System | |
| CN113725511A (zh) | 一种储能电池热失控的综合探测系统及判定方法 | |
| CN210442674U (zh) | 火电厂自动预警装置 | |
| Li et al. | Active safety warning system of energy storage system based on multi-sensor fusion | |
| CN220105238U (zh) | 一种基于多维信息融合的电芯故障诊断装置 | |
| CN220569729U (zh) | 一种储能电池盒消防控制模块及系统 | |
| CN220527030U (zh) | 一种基于液冷电池包的消防复合探测系统 | |
| CN215931788U (zh) | 气体浓度探测安全系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |