CN114949675A - 一种储能系统热失控预警和控制的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种储能系统热失控预警和控制的系统，包括监测模块、分析模块和控制模块，控制模块分别与液氮系统、机械排风系统、报警系统和电池管理系统控制连接。步骤如下：S1：监测模块进行数据采集，将实时数据传输给分析模块；S2：分析模块进行分析清洗，提取并记录其中的有效数据；S3：分析模块进行智能分析，判定各有效数据是否达到阈值；若否，转S1；若是，转S4；S4：根据分析模块的判断结果，控制模块进行一级降温处理和/或二级降温处理。在本申请中,该系统的及时性高，自动启动相应的控制程序，及时控制热失控情况，减少人工操作，避免伤亡。能量化灭火手段，通过试验基础和模型分析，优化灭火方案，合理降低灭火剂使用量，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及储能系统安全运行领域，尤其涉及一种储能系统热失控预警和控制的系统及其方法。
背景技术
行业内目前应用传统的火情报警对锂离子储能电站进行火情安全防护，目前应用较多的储能电池火灾预警方法多为烟感、温感信号探测、红外热成像探测、可燃气体探测等，但上述方法均需电池热失控达到较严重程度，出现显著过温、浓烟或可燃气体后方能发出告警信息，这种方式发现电池热失控不够及时，往往是在电池热失控扩散之后才能够发现火情，错过了早期控制火情的时机，对电池火灾及时发现还需一定提升空间。
当前电池储能系统的消防防护技术还十分落后，缺乏针对性的锂电池专用灭火剂。目前储能电站消防自动灭火系统应用较多的还是以干粉灭火系统、气体(卤代烷1301、CO2、IG541、七氟丙烷)灭火系统、水喷淋系统等为主要灭火手段；但是经过实践检验，这些灭火系统还存在一些弊端，如干粉因为有大量残留物容易对设备进行损坏以及扑救时间较长；气体灭火剂不能有效降低电池温度，有复燃现象；水系统可能导致储能系统短路等。
现在的储能电站系统一般都是集装箱式的无人值守电站，往往在发现火情后无人进行灭火操作，或者需要人为启动灭火装置，进行被动灭火，不仅错过了早期控制火情的时机，也容易造成人员伤亡和财产损失。
目前使用的锂电池灭火剂，并不能根据火源位置和火灾范围实现更为精准、迅速的灭火处理，灭火剂用量也不能根据电池模块封闭空间的体积，以及灭火设计浓度进行计算，且灭火针对的是整个集装箱和电池模块，属于全淹没式灭火，需要的灭火剂用量大，造成不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种储能系统热失控预警和控制的系统及其方法，全自动化监控并控制灭火，快速且精准的对热失控情况进行有效的灭火降温操作，降低成本及损失。
为了实现上述目的，本发明提出一种储能系统热失控预警和控制的系统，包括监测模块、分析模块和控制模块，所述监测模块分别与电池管理系统、可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器信号连接，所述分析模块分别与所述监测模块和控制模块信号连接，所述控制模块分别与液氮系统、机械排风系统、报警系统和电池管理系统控制连接。
进一步地，所述电池管理系统对电池状态进行监测，所述控制模块分别与所述电池管理系统的电池切断开关和电池充放电停止开关控制连接。
进一步地，所述液氮系统包括贮存系统、驱动系统和液氮发生系统，所述报警系统包括声光警报装置、报警标志灯和报警指示灯。
进一步地，还包括人工操作的紧急启停模块，所述紧急启停模块与所述控制模块控制连接。
本发明还提出一种储能系统热失控预警和控制的方法，包括如下步骤：
S1：监测模块通过电池管理系统、可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器进行数据采集，将获取的实时数据通过物联网技术自动传输给分析模块；
S2：所述分析模块对获取的实时数据进行分析清洗，提取并记录其中的有效数据；
S3：所述分析模块对所述有效数据进行智能分析，判定各所述有效数据是否达到一级报警阈值、二级报警阈值或报警值；若否，转S1继续监测；若是，转S4启动控制模块；
S4：根据所述分析模块得出的判断结果，所述控制模块相应的进行一级降温处理和/或二级降温处理，达到预设降温处理时长后，所述控制模块停止工作。
进一步地，在S1中，所述监测模块通过电池管理系统获得电池状态的数据，通过可燃气体探测器获得可燃气体的数据，通过感烟探测器和感温探测器获得烟气温度的数据；
在S3中，所述分析模块判断电池状态的数据是否达到一级报警阈值，若否，转S1继续监测；若是，转S4启动所述控制模块进行一级降温处理；
同时，所述分析模块判断可燃气体的数据是否达到一级报警阈值，若否，转S1继续监测；若是，转S4启动所述控制模块进行一级降温处理；
同时，所述分析模块判断烟气温度的数据是否达到报警值；若否，转S1继续监测；若是，转S4启动所述控制模块进行二级降温处理。
进一步地，在S3中，在所述控制模块进行一级降温处理时，所述分析模块再次分析由所述监测模块实时采集的电池状态的数据和可燃气体的数据；
同时，所述分析模块再次判断电池状态的数据是否达到二级报警阈值，若否，所述控制模块完成一级降温处理后，转S1继续监测；若是，转S4，所述控制模块停止一级降温处理，并进行二级降温处理；
同时，所述分析模块再次判断可燃气体的数据是否达到二级报警阈值，若否，所述控制模块完成一级降温处理后，转S1继续监测；若是，转S4，所述控制模块停止一级降温处理，并进行二级降温处理。
进一步地，在S4中，所述控制模块进行一级降温处理时，报警模块启动进行报警，且电池管理系统控制电池停止运作和/或机械排风系统启动进行排风降温；所述控制模块进行二级降温处理时，液氮系统启动进行喷淋灭火降温。
进一步地，所述液氮系统启动前设有计时确认步骤，人工确认或计时结束后所述液氮系统确定启动。
进一步地，还包括人工操作的紧急启停模块，所述紧急启停模块直接控制所述控制模块进行二级降温处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：该系统的及时性高，能自动启动相应的控制程序，及时控制热失控情况，减少人工操作，起到快捷、方便的作用，避免人员伤亡。同时，该系统能够量化灭火手段，通过试验基础和模型分析，设置喷射灭火的角度、时间、速度等，优化灭火方案，合理降低灭火剂实际使用量，节约成本。
附图说明
图1为本发明中储能系统热失控预警和控制的系统的结构示意图；
图2为本发明中储能系统热失控预警和控制的系统的工作原理示意图；
图3为本发明中储能系统热失控预警和控制的方法的工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的储能系统热失控预警和控制的系统及其方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明提出一种储能系统热失控预警和控制的系统，包括监测模块、分析模块和控制模块，监测模块分别与电池管理系统、可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器信号连接，分析模块分别与监测模块和控制模块信号连接，控制模块分别与液氮系统、机械排风系统、报警系统和电池管理系统控制连接。
其中，液氮系统包括贮存系统、驱动系统和液氮发生系统，控制模块分别与贮存系统、驱动系统和液氮发生系统的流出管道控制连接。控制模块分别与贮存系统液氮气瓶的电磁阀、驱动系统驱动气瓶的电磁阀和液氮发生系统流出管道的电磁阀控制连接。液氮发生系统用于补充液氮，是避免液氮日常蒸发的液氮制造设备，液氮发生系统制造的液氮由流出管道经冷头流入液氮贮存的液氮气瓶内,冷头限制液氮的挥发速率。当液氮系统启动时，液氮气瓶瓶口处的冷头内的电磁阀关闭，为液氮气瓶内的高压环境提供条件。报警系统包括声光警报装置、报警标志灯和报警指示灯。
其中，电池管理系统(BMS)为储能系统组件内对电池状态进行监测，并为电池提供通信接口和保护的系统。电池管理系统具有内部信息收集和交互功能，能将电池单体和电池整体信息上传监控系统，即监测模块能通过电池管理系统获取电池的温度、电流、电压、电荷和温度变换速率等相关数据。
同时，电池管理系统设有电池切断开关和电池充放电停止开关，控制模块分别与电池管理系统的电池切断开关和电池充放电停止开关控制连接，即控制模块能通过电池管理系统启动电池切断开关和电池充放电停止开关，使控制储能系统组件内的电池停止运作。还包括人工操作的紧急启停模块，紧急启停模块与控制模块控制连接。
此外，本申请的一种储能系统热失控预警和控制的系统在进行下述系统方法时，在前期优先进行了储能系统组件热失控的测试实验、液氮计算模型、报警阈值计算模型等相关实验操作，获得了各种所需的预设数值及阈值范围，并根据液氮计算模型设计得出最优的灭火操作方式，相应取得灭火系统的具体操作方法及灭火剂喷射灭火的角度、时间、速度等信息。储能系统组件的核心数据是根据各国关于储能的相关标准进行分析的，优选UL9540A测试标准作为数据分析的基础，该测试在北美地区乃至全世界得到广泛认可，具有广泛的适用性。
相应地，监控中心能根据电池状态的数据作出分析，确认达到机制设置的报警阈值，自动启动相应的控制程序，及时控制热失控情况，减少人为操作，起到快捷、方便的作用。
通过建立评估分析模型和云端液氮用量模型计算中心，实现以热失控试验数据为基础、物联网信息化技术为手段，基于储能系统组件热失控的测试实验，确认液氮喷射速率，喷射时间，喷射角度等相关问题，找到最佳喷射方式，合理降低液氮的实际使用量，不仅更有效地控制储能系统组件热失控的蔓延，还节约了液氮贮存的空间，降低了成本。同时，基于液氮计算模型设计的满足使用条件与要求的液氮贮存系统与液氮喷射系统，不仅解决了液氮长期贮存困难的问题，也解决了液氮的如何驱动的问题。
本发明中，灭火系统采用液氮作为本申请的降温灭火剂，使用液氮进行灭火具有以下优点：
(1)不污染防灭火区域:使用液氮防火、灭火，对封闭区域内的设备的损害相对比较小,后续恢复生产的速度也比较快,减少了影响生产所带来的损失。
(2)具有较好的稀释抑爆作用：注入氮气可快速、有效的稀释防灭火区域的氧气,降低氧气和可燃气体的浓度,可以使防灭火区域内达到缺氧状态,并使可燃气体失去危险性,从而充分惰化防灭火区域,保证防灭火区域的安全。
(3)具有较好的降温效果：液氮由于自身温度低，释放出来后从液态到气态的气化需要吸收大量的热量，因此可以达到迅速降温的效果。
(4)具有良好的防复燃效果：实验证明，液氮本身优良的物理性质，可以降低储能系统电池热失控温度，防止电池热失控的蔓延，进而防止复燃现象。
此外，液氮系统也可以更换为其他气体可行的灭火剂。
如图2至图3所示，本发明提出一种储能系统热失控预警和控制的方法，包括如下步骤：
S1：监测模块通过电池管理系统、可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器对储能系统组件进行数据采集，将获取的实时数据通过物联网技术自动传输给系统中的分析模块；
其中，监测模块通过电池管理系统获得电池状态的数据，包括电池的温度、电流、电压和温度变换速率的数据，通过可燃气体探测器获得可燃气体的数据，通过感烟探测器和感温探测器获得烟气温度的数据；
S2：分析模块对获取的实时数据进行分析清洗，提取并记录其中的有效数据；
S3：分析模块对各有效数据进行智能分析，进行数据的功能化与风险识别，判定各有效数据是否达到预设的一级报警阈值、二级报警阈值或报警值；
具体地，分析模块判断烟气温度的数据是否达到报警值：
若否，转S1继续监测；
若是，转S4启动控制模块进行二级降温处理；
同时，分析模块判断电池状态的数据是否达到一级报警阈值：
若否，转S1继续监测；
若是，转S4启动控制模块进行一级降温处理，同时，分析模块再次分析由监测模块实时采集的电池状态的数据，并判断电池状态的数据是否达到二级报警阈值：
若否，控制模块完成一级降温处理后，转S1继续监测；
若是，转S4，控制模块停止一级降温处理，并进行二级降温处理；
同时，分析模块判断可燃气体的数据是否达到一级报警阈值：
若否，转S1继续监测；
若是，转S4启动控制模块进行一级降温处理，同时，分析模块分析模块再次分析由监测模块实时采集的可燃气体的数据，并再次判断可燃气体的数据是否达到二级报警阈值：
若否，控制模块完成一级降温处理后，转S1继续监测；
若是，转S4，控制模块停止一级降温处理，并进行二级降温处理。
S4：根据分析模块得出的判断结果，控制模块相应的进行一级降温处理和/或二级降温处理，且在达到预设的降温处理时长后，控制模块自动停止工作。预设的降温处理时长采用由模型分析得出的最优工作时长，且一级降温处理和二级降温处理中进行降温灭火的具体操作也均采用由模型分析得出的最优工作状态。
其中，如图2至图3所示，控制模块进行一级降温处理时，报警模块启动进行报警，且电池管理系统控制电池停止运作和/或机械排风系统启动进行排风降温。
其中，控制模块进行二级降温处理时，液氮系统启动进行喷淋灭火降温。且由于液氮系统设有计时确认步骤，在液氮系统启动时，需要进行人工确认操作或30s自动计时结束后，液氮系统才会正式启动，在喷射达到计算所需的设计量后，控制模块自动停止液氮系统的喷淋工作。且计时确认步骤的时间根据实际情况进行调整。
进一步地，如图1至图3所示，在整个控制系统外，独立设有人工操作的紧急启停模块，紧急启停模块直接控制控制模块进行二级降温处理，即可通过人工判断是否通过紧急启停模块直接控制液氮系统的启动。
此外，在监测模块采集的数据始终稳定且处于正常波动情况的范围内时，工作人员可以对储能系统组件进行人工更换，不影响整个预警控制系统的运行。
同时，本申请中监测模块所采集的数据受限于监测模块所使用探测器的种类，即可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器可以替换为具有相似功能且用于监测火灾问题的温度、湿度或气体等其他探测器。
此外，在本申请S3中，分析模块进行判断的一级报警阈值和二级报警阈值前再加设置一个异常报警阈值，异常报警阈值与报警模块关联，数据达到异常报警阈值时，启动报警模块，仅对数据的异常进行报警，不进行灭火降温处理，給工作人员一个检查数据的机会，避免因数据异常造成系统错误判断出现热失控状态而进行灭火降温操作，从而出现不必要的损失。
具体地，如图3所示，分析模块工作时，电池管理系统中电池状态的数据传输到分析模块中，当电池状态的数据达到预设的一级报警阈值时，即当电池的温度、电流、电压或温度变换速率等数据超出一级报警阈值时，分析模块传输控制信号给控制模块，控制模块通过电池管理系统控制电池停止运作，即电池管理系统切断电池开关并停止电池充放电。同时，启动报警模块进行报警。而当电池状态的数据达到预设的二级报警阈值时，停止一级降温处理，直接启动液氮系统进行模组层次的精准喷淋降温，喷淋的喷射角度、时长、速率等状态均根据在先实验的液氮计算模型内得出的数据实行，以达到最优的灭火效率并减少成本。
具体地，分析模块工作时，可燃气体探测器将可燃气体的数据传输到分析模块中，当可燃气体的数据达到预设的一级报警阈值时，分析模块传输控制信号给控制模块，控制模块通过机械排风系统进行排风降温，降低可燃气体的浓度，当可燃气体的数据超恢复到正常水平时，可停止机械排风系统。同时，启动报警模块进行报警。而当可燃气体的数据达到预设的二级报警阈值时，停止一级降温处理，直接启动液氮系统进行模组层次的精准喷淋降温。
具体地，分析模块工作时，感烟探测器和感温探测器将烟气温度的数据输到分析模块中，当烟气温度的数据达到预设的报警值时，直接启动液氮系统进行模组层次的精准喷淋降温。
综上，通过对电池管理系统的升级改造，监测模块实时获取电池状态的数据并传回监控中心的分析模块，预警控制系统针对电池管理系统设立两级报警机制，对电流、电压、温度变化幅度超出正常值的，向监控中心发出报警信号并通过灭火系统进行初步调节；对电流、电压、温度变化达到危险阈值的，联动液氮系统进行精准喷淋降温。可及时阻断储能系统热失控的蔓延，在火灾早期进行灭火干预，减小损失。即使在无人值守的储能电站，该预警控制系统也能做到及时发现及时进行灭火。
同时，由于预警控制系统建立了以气体探测器两级报警机制、电池管理系统两级报警机制以及感烟探测器和感温探测器的多方联动的逻辑系统，避免了任意一方故障后所造成系统瘫痪，也避免因某方误报而导致液氮系统直接启动。
综上，在本实施例中，提出的储能系统热失控预警和控制的系统及其方法，该系统方法的及时性高，能自动启动相应的控制程序，及时控制热失控情况，减少人工操作，起到快捷、方便的作用，避免人员伤亡。同时，该系统能够量化灭火手段，通过试验基础和模型分析，设置喷射灭火的角度、时间、速度等，优化灭火方案，合理降低灭火剂实际使用量，节约成本。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储能系统热失控预警和控制的系统，其特征在于，包括监测模块、分析模块和控制模块，所述监测模块分别与电池管理系统、可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器信号连接，所述分析模块分别与所述监测模块和控制模块信号连接，所述控制模块分别与液氮系统、机械排风系统、报警系统和电池管理系统控制连接。
2.根据权利要求1所述的储能系统热失控预警和控制的系统，其特征在于，所述电池管理系统对电池状态进行监测，所述控制模块分别与所述电池管理系统的电池切断开关和电池充放电停止开关控制连接。
3.根据权利要求1所述的储能系统热失控预警和控制的系统，其特征在于，所述液氮系统包括贮存系统、驱动系统和液氮发生系统，所述报警系统包括声光警报装置、报警标志灯和报警指示灯。
4.根据权利要求1所述的储能系统热失控预警和控制的系统，其特征在于，还包括人工操作的紧急启停模块，所述紧急启停模块与所述控制模块控制连接。
5.一种储能系统热失控预警和控制的方法，使用根据权利要求1至4中任意一项所述的储能系统热失控预警和控制的系统，其特征在于，包括如下步骤：
S1：监测模块通过电池管理系统、可燃气体探测器、感烟探测器和感温探测器进行数据采集，将获取的实时数据通过物联网技术自动传输给分析模块；
S2：所述分析模块对获取的实时数据进行分析清洗，提取并记录其中的有效数据；
S3：所述分析模块对所述有效数据进行智能分析，判定各所述有效数据是否达到一级报警阈值、二级报警阈值或报警值；若否，转S1继续监测；若是，转S4启动控制模块；
S4：根据所述分析模块得出的判断结果，所述控制模块相应的进行一级降温处理和/或二级降温处理，达到预设降温处理时长后，所述控制模块停止工作。
6.根据权利要求1所述的储能系统热失控预警和控制的方法，其特征在于，
在S1中，所述监测模块通过电池管理系统获得电池状态的数据，通过可燃气体探测器获得可燃气体的数据，通过感烟探测器和感温探测器获得烟气温度的数据；
在S3中，所述分析模块判断电池状态的数据是否达到一级报警阈值，若否，转S1继续监测；若是，转S4启动所述控制模块进行一级降温处理；
同时，所述分析模块判断可燃气体的数据是否达到一级报警阈值，若否，转S1继续监测；若是，转S4启动所述控制模块进行一级降温处理；
同时，所述分析模块判断烟气温度的数据是否达到报警值；若否，转S1继续监测；若是，转S4启动所述控制模块进行二级降温处理。
7.根据权利要求6所述的储能系统热失控预警和控制的方法，其特征在于，在S3中，在所述控制模块进行一级降温处理时，所述分析模块再次分析由所述监测模块实时采集的电池状态的数据和可燃气体的数据；
同时，所述分析模块再次判断电池状态的数据是否达到二级报警阈值，若否，所述控制模块完成一级降温处理后，转S1继续监测；若是，转S4，所述控制模块停止一级降温处理，并进行二级降温处理；
同时，所述分析模块再次判断可燃气体的数据是否达到二级报警阈值，若否，所述控制模块完成一级降温处理后，转S1继续监测；若是，转S4，所述控制模块停止一级降温处理，并进行二级降温处理。
8.根据权利要求5所述的储能系统热失控预警和控制的方法，其特征在于，在S4中，所述控制模块进行一级降温处理时，报警模块启动进行报警，且电池管理系统控制电池停止运作和/或机械排风系统启动进行排风降温；所述控制模块进行二级降温处理时，液氮系统启动进行喷淋灭火降温。
9.根据权利要求8所述的储能系统热失控预警和控制的方法，其特征在于，所述液氮系统启动前设有计时确认步骤，人工确认或计时结束后所述液氮系统确定启动。
10.根据权利要求5所述的储能系统热失控预警和控制的方法，其特征在于，还包括人工操作的紧急启停模块，所述紧急启停模块直接控制所述控制模块进行二级降温处理。
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