CN111260875A - 阀控式铅酸电池火灾预警方法、***及故障电池定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀控式铅酸电池火灾预警方法、***及故障电池定位装置，所述方法根据铅酸电池工作期间逸出的不同气体种类和气体浓度，发出一级、二级、三级火灾预警信号；引入“后备保护”机制，利用产气时间作为后备判据，保障预警信号及时准确发出；一定时间后，根据H₂含量水平重新确定当前告警级别。此外，本发明提供的故障电池定位装置，可根据H₂浓度的波动情况快速精确判断故障电池所处区域。本发明可以有效提升阀控式铅酸电池的火灾告警准确性，并在最短时间内实现故障定位。

Description

阀控式铅酸电池火灾预警方法、***及故障电池定位装置

技术领域

本发明涉及储能安全控制技术，特别涉及一种阀控式铅酸电池火灾预警方法、预警***及故障电池定位装置。

背景技术

电池储能***不仅可以提高电力设备利用效率，降低用电成本，还可以调整频率、补偿负荷波动，以提高电力***运行的稳定性。其中铅酸电池储能***因技术成熟、成本低廉、易于维护在电网储能中广泛应用。但是，由于电网运行中电压波动大，铅酸电池易发生过充等问题，进而引发热失控，造成严重的安全事故。因此有必要采取预警的方法对铅酸电池运行状态进行监测，保障电池储能***安全运行。

实现电池安全预警的步骤可分为三步：首先是对电池运行数据的监测，该过程是对电池运行状态的过程描述与记录，监测数据一般包括电池电压、电流、内阻、内部外部温度等。其次是对采集的数据进行处理，如根据测得数据计算出电池SOC、SOH。最后根据不同数据对象设置安全值，当监测数据大于安全值时发出警报。这种预警模式首先要设置复杂的监测模块对电池运行数据进行较为准确的采集，其精度易受环境温湿度的影响，其次需设置通信方式实现对采集数据的远程处理和实时控制，该过程同样复杂。最后由于电压、电流、内阻等会在某些工况下出现波动，短时间内又恢复平稳，易造成报警***误报。

由于现有预警方案存在设计复杂、准确性低、可能出现误报等问题，电池***火灾告警可靠性需要进一步提升。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提出一种基于复合气体探测的阀控式铅酸电池火灾预警方法和预警***，能够实现在铅酸电池异常充电状态下迅速预警，并能准确反映电池异常状态危险等级。

本发明的另一目的在于提供一种基于气体检测的故障电池定位装置，能够实现异常电池的快速定位。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种阀控式铅酸电池火灾预警方法，所述方法包括：

获取设定的采样时间间隔内储能舱内产生的各类气体的种类和浓度；

根据所述各类气体的种类和浓度，确定告警级别并发出相应级别的火灾预警信号。

进一步地，所述对气体数据进行分析和判断，确定告警级别包括：将预警等级分为三个等级，每个等级对应电池的一种危险状态，等级数越高表明当前状态越危险，具体地，当检测到的气体种类仅含H₂时，表明电池处于过充失水状态，进行一级告警；当检测到的气体种类除了H₂之外，还包括SO₂或CO时，表明电池处于温升并逐步发生热失控状态，进行二级告警；当检测到的气体种类除了二级告警对应的气体外，还烃类气体、且烃类气体浓度在相邻采样间隔呈上升趋势时，进行三级告警。

进一步地，所述烃类气体浓度在相邻采样间隔呈上升趋势的判断方法为：相邻采样间隔内烃类气体浓度变化之积大于零，公式形式如下：ΔC_E1×ΔC_E2>0，其中ΔC_E1为T₁时间段内烃类气体浓度变化，即T₁终止时刻浓度-T₁起始时刻浓度，ΔC_E2为T₂时间段内烃类气体浓度变化，即T₂终止时刻浓度-T₂起始时刻浓度。

进一步地，所述方法还引入“后备保护”机制，利用计时器结合特征气体作出预警等级响应，由于电化学装置发生事故的危险程度跟时间一般成正相关，以时间作为后备保护，可以排除一些偶然因素比如传感器故障未检测到特征气体，保证预警等级正确响应，具体地，当仅检测到H₂时，启动计时器，当计时器的时间t大于第一时间阈值t1时，进行二级告警；当计时器的时间t大于第二时间阈值t2时，进行三级告警。

进一步地，所述方法还包括：根据检测的H₂浓度调整告警级别，当H₂浓度由高向低下降，并在下降到设定的特定浓度后维持超过一定时间时，降低告警级别。

根据本发明的第二方面，提供一种阀控式铅酸电池火灾预警***，包括：

气体检测装置，用于获取设定的采样时间间隔内储能舱内产生的各类气体的种类和浓度；

数据处理和预警装置，用于根据所述各类气体的种类和浓度，确定告警级别并发出相应级别的火灾预警信号。

进一步地，所述数据处理和预警装置对气体数据进行分析和判断，确定告警级别包括：当检测到的气体种类仅含H₂时，表明电池处于过充失水状态，进行一级告警；当检测到的气体种类除了H₂之外，还包括SO₂或CO时，表明电池处于温升并逐步发生热失控状态，进行二级告警；当检测到的气体种类除了二级告警对应的气体，还包括烃类气体，且烃类气体浓度在相邻采样间隔呈上升趋势时，进行三级告警。

根据本发明的第三方面，提供一种故障电池定位装置，包括气体浓度采集单元、数据处理单元和显示单元，

所述气体浓度采集单元包括设置于电池模组周围的若干气体检测装置，用于实时采集H₂浓度并上传至数据处理单元；

所述数据处理单元，用于计算一定时间内各气体检测单元上传的H₂浓度的波动剧烈程度，将气体检测装置对H₂浓度波动反应最灵敏的位置判断为故障电池所处区域，并发送输出信号给显示单元；

所述显示单元，用于根据输出信号发出指示信息，显示故障电池位置。

进一步地，所述数据处理单元进行计算和判断的过程如下：

针对每个气体检测装置上传的数据，每隔一个采样时间间隔T对输入的气体浓度进行取样，计算出每个时间间隔内H₂浓度变化，第一个时间间隔内浓度变化记为ΔC_H1，第二个时间间隔内浓度变化为ΔC_H2，采样n次得到n个浓度变化ΔC_H1…ΔC_Hn；

将相邻两个浓度差相乘后与0比较，若小于0的次数大于0.9n，表明H₂浓度波动较为剧烈，说明该处气体检测装置离故障电池较近，或者取小于0次数最多的气体检测装置，认为其离故障电池最近，通过筛选出的气体检测装置位置实现对故障电池的定位。

有益效果：本发明提出了一种基于复合气体探测的阀控式铅酸电池火灾预警方法和故障电池定位装置，根据阀控式铅酸电池的内部化学反应原理，利用气体传感器和简单的运算就可实现异常充电状态下的故障判断和预警，降低了预警复杂度、缩短了预警响应时间，通过浓度变化可以帮助运维人员迅速准确地判断危险等级和故障电池位置，为储能电站异常处置争取宝贵时间。

附图说明

图1为根据本发明实施例的阀控式铅酸电池火灾预警方法总流程图；

图2为根据本发明实施例的根据复合气体检测的预警结构示意图；

图3为根据本发明实施例的气体预警检测装置安装位置示意图；

图4为根据本发明实施例的基于气体检测的故障电池定位装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做出进一步的说明。

本发明的基本思想是，根据阀控式铅酸电池过充的不同阶段，产出不同特征气体来发出预警信号；根据气体检测装置对产气波动的灵敏度判断故障电池所处区域。

实施例1

本实施例提供一种阀控式铅酸电池火灾预警***和相应的预警方法，如图1所示，方法包括：利用气体检测装置采集电池模组产生的气体种类、气体浓度变化以及各种气体产生时间；数据处理和预警装置对采集到的数据分别处理，处理结果用于响应不同的警戒等级。

需要说明的是，电池异常充电状态分为三个阶段，包括：过充失水阶段、温升并逐步发生热失控阶段和电池高温至热失控、储能舱气体积聚阶段。进一步地，异常充电不同阶段总伴随着特征气体的出现，因此，本发明预设三种火灾预警等级，一级预警、二级预警和三级预警，分别对应电池异常状态的三个阶段，其中各级预警的含义是：

一级预警：阶段一，电池处于过充失水状态。在该阶段，H₂含量在短时间内快速上升，信号灯为蓝色。

二级预警：阶段二，电池内部化学反应剧烈，产气大量增加，逐步进入热失控状态。在该阶段，特征气体为CO或SO₂，信号灯为黄色。

三级预警：阶段三，电池处于高温，极危险状态。该阶段，特征气体为烃类气体，信号灯为红色。

基于上述分析和设定，在实施本方法时，参照图2，首先利用气体检测装置实时检测储能舱内有无气体产生，实时采集电池逸出气体信息，包括气体种类、浓度和逸出时间，这些气体包括但不限于H₂、CO、SO₂、烃类气体，实施例中采集的时间间隔T设为10s，并将采集的信息发送至数据处理和预警装置。

数据处理和预警装置优先处理逸出气体种类信号，如某时刻监测逸出气体仅为H₂，则发出一级告警；若检测气体除H₂外，含有SO₂或CO任意一种，则发出二级告警；若检测气体除上述外，还包括烃类气体，且烃类气体浓度变化率在一段时间内大于0，则发出三级告警。需要说明的是，由于偶然因素影响，异常充电过程中第一、第二阶段可能会产生烃类气体，为了避免这种情况导致***误报，三级告警的发出需要满足两个条件：一是检测出到烃类气体，二是相邻采样间隔内烃类气体浓度变化之积大于零，即ΔC_E1×ΔC_E2>0，其中ΔC_E1为前一时间间隔T₁时间段内烃类气体浓度变化(T₁终止时刻浓度-T₁起始时刻浓度)，同理可知ΔC_E2为后一时间间隔T₂时间段内烃类气体浓度变化(T₂终止时刻浓度-T₂起始时刻浓度)。

需要说明的是，假设第一次采样时刻为2000s，此时烃类气体浓度为C_Ea，2010s时烃类气体浓度为C_Eb，则ΔC_E1＝C_Eb-C_Ea，将每次采样时刻依次记录为ΔC_E1、ΔC_E2…ΔC_En，n不宜过大，一般取2-3即可。

进一步，数据处理和预警装置不仅能够根据数据处理结果发出告警信号，各告警信号之间还可以相互转换，可根据气体逸出时间和浓度调整告警等级。

对于告警升级，假设某时刻气体检测装置显示仅有H₂产生，发出一级告警，并记该时刻为t＝0，生成一个相对时间t，该信号发出时间大于第一时间阈值t1后，将自动升级为二级告警。再经过一段时间后，当信号发出时间大于第二时间阈值t2后，自动从二级告警升级到三级告警。实施例中t1＝50s，t2＝2000s。这是由于二级告警特征气体CO和SO₂浓度含量较低，可能出现某一时刻电池虽然逸出了CO或SO₂，但是气体检测装置确没有检测到的情况。随着时间推移，电池在一定时间内将会由过充阶段一进入阶段二，即异常充电状态和气体产出时间相对应，因此以H₂逸出时刻为t＝0时刻，若t>50s则***升级为二级告警。同理，当***因为偶然因素如通风的影响未检测到烃类气体时，H₂逸出时间t>2000s后预警装置自动升级为三级告警。注意，时间模块作用的前提是***时刻能检测到有H₂产生，因为只要有H₂产生，过充电池的工作状态一定会在相对固定的时间内恶化。时间模块主要起到后备保障作用。

以上过程实现了对电池异常状态的预警，预警发出后，运维人员对不同等级异常状态采取不同措施，预警装置会在一定时间间隔后启动检测装置检测H₂浓度，根据气体浓度重新判断当前告警等级。

对于告警降级，当检测到H₂浓度由高向低下降，并在下降到设定的特定浓度后维持超过一定时间时，降低告警级别。

首先要明确的是，电池异常充电第一阶段H₂浓度总在C_a＝200ppm以下波动，第二阶段H₂浓度在C_b＝700ppm以下波动，第三阶段H₂浓度在C_c＝800ppm左右波动。因此，设定三个特定浓度分别为200ppm、700ppm、800ppm，将一段时间内H₂采样浓度与特定浓度对比，符合相应区间即从高告警级别降低至低告警级别。假设目前告警状态为三级，随着时间变化H₂浓度由800ppm以上降为700ppm以下，且维持时间大于100s，则***由三级告警降为二级告警；同理当H₂浓度由700ppm以下降为200ppm以下且维持时间大于100s，则***由二级告警降为一级告警，经检测无H₂时退出告警状态。

例如某时刻发出三级告警信号，经运维人员处置后，H₂浓度由850ppm降至400ppm，且在10次采样过程中均大于200ppm而小于700ppm，则***降级为二级告警。

相关运算式为：

C_H1～C_H10分别表示10次采样的H₂浓度。

同理给出二级告警降为一级告警的运算式：

式中C_a＝200ppm；C_b＝700ppm。

实施例2

本实施例提供一种基于气体检测的故障电池定位装置，预警发出后，能较快速准确地对事故区域做出判断，可以极大缩减排查故障位置的时间，判断原理是异常充电状态下阀控式铅酸电池内部化学反应交替进行，一定时间内产出气体H₂波动较大，气体检测装置越靠近故障电池，对波动反应越灵敏，而距离较远的气体检测装置检测到的气体是扩散运动的结果，一般为表现为气体浓度单调上升。如图3所示，电池模组1、2、3组成一簇放置在储能舱一侧，电池模组4、5、6组成一簇放置在另一侧，6个气体探测装置分别置于6个电池模组周围。

具体地，参照图4，故障电池定位装置包括气体浓度采集单元、数据处理单元和显示单元。其中，气体浓度采集单元将气体检测装置将采集到的H₂浓度记录并上传给数据处理单元，数据处理单元将得到的H₂浓度进行运算，判断故障电池所处区域，并将输出信号转换为高低电平发送给显示单元，显示单元根据输出信号发出指示。

对于数据处理单元，首先输入端有一定数量的信号通道，分别对应处于不同位置的气体检测装置，将6个气体检测装置将采集到的H₂浓度信号曲线传递进来；数据处理单元以时间间隔T为周期计算出6个T时间段内的H₂浓度差，用后一时刻减去前一时刻浓度，运算式如下：

T₁时间段内：ΔC_H1＝C_Hb-C_Ha；C_Hb、C_Ha分别表示采样时间终止时刻和起始时刻的H₂浓度。

采样整体时间应保持在40s-200s内，对应次数为4次-20次。此处举例为采样6次。随后将计算所得浓度差两两相乘与零比较大小，小于零说明相邻两个时间段T内H₂浓度变化趋势相反，说明H₂浓度在波动变化，浓度差小于零的个数越多，说明在整个采样时间段内气体浓度在波动变化，表明该处检测装置很好地检测到了H₂浓度的实时波动情况，该装置离故障电池较近。相关计算式如下(其中？<表示判断是否为真)：

ΔC_H1×ΔC_H2？<0；

ΔC_H2×ΔC_H3？<0；

ΔC_H3×ΔC_H4？<0；

ΔC_H4×ΔC_H5？<0；

ΔC_H5×ΔC_H6？<0；

需要说明的是，每个气体检测装置都将信号输入数据处理单元，每个输入信号都要分别进行上述计算，以判断该处气体检测装置与故障电池的位置情况，最后取波动次数最多的信号通道输出高电平，指示信号灯闪烁，表明该气体检测装置附近的电池最可能处于异常状态。

另选地，对每个气体检测装置，在获得n个浓度变化ΔC_H1…ΔC_Hn后，数据处理单元将相邻两个浓度差相乘与0比较，若小于0的次数大于0.9n，则表明H₂浓度波动较为剧烈，说明该处气体检测装置离故障电池较近。此时数据处理单元输出该检测通道下的信号，该通道对应的显示单元模块指示灯闪烁。

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、***、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(***)、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 (10)

1.一种阀控式铅酸电池火灾预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取设定的采样时间间隔内储能舱内产生的各类气体的种类和浓度；

根据所述各类气体的种类和浓度，确定告警级别并发出相应级别的火灾预警信号。

2.根据权利要求1所述的阀控式铅酸电池火灾预警方法，其特征在于，所述根据所述各类气体的种类和浓度，确定告警级别包括：

当检测到的气体种类仅含H₂时，表明电池处于过充失水状态，进行一级告警；

当检测到的气体种类除H₂外，还包括SO₂或CO时，表明电池处于温升并逐步发生热失控状态，进行二级告警；

当检测到的气体种类除二级告警对应的气体外，还包括烃类气体、且烃类气体浓度在相邻采样间隔呈上升趋势时，进行三级告警。

3.根据权利要求2所述的阀控式铅酸电池火灾预警方法，其特征在于，所述烃类气体浓度在相邻采样间隔呈上升趋势的判断方法为：相邻采样间隔内烃类气体浓度变化之积大于零，公式形式如下：ΔC_E1×ΔC_E2>0，其中ΔC_E1为T₁时间段内烃类气体浓度变化，ΔC_E2为T₂时间段内烃类气体浓度变化。

4.根据权利要求2所述的阀控式铅酸电池火灾预警方法，其特征在于，所述方法还包括：当仅检测到H₂时，启动计时器，当计时器的时间t大于第一时间阈值t1时，进行二级告警；当计时器的时间t大于第二时间阈值t2时，进行三级告警。

5.根据权利要求2所述的阀控式铅酸电池火灾预警方法，其特征在于，所述方法还包括：根据检测的H₂浓度调整告警级别，当H₂浓度由高向低下降，并在下降到设定的特定浓度后维持超过一定时间时，降低告警级别。

6.根据权利要求5所述的阀控式铅酸电池火灾预警方法，其特征在于，所述特定浓度包括第一浓度C_a＝200ppm，第二浓度C_b＝700ppm，第三浓度C_c＝800ppm，

所述当H₂浓度由高向低下降，并在下降到设定的特定浓度后维持超过一定时间时，降低告警级别，包括：若H₂浓度由800ppm以上降为700ppm以下并维持超过一定时间，由三级告警降为二级告警；若H₂浓度由700ppm以下降为200ppm以下并维持超过一定时间，由二级告警降为一级告警；若H₂浓度由800ppm以上降为200ppm以下并维持超过一定时间，由三级告警降为一级告警；经检测无H₂并维持超过一定时间则退出告警状态。

7.一种阀控式铅酸电池火灾预警***，其特征在于，包括：

气体检测装置，用于获取设定的采样时间间隔内储能舱内产生的各类气体的种类和浓度；

数据处理和预警装置，用于根据所述各类气体的种类和浓度，确定告警级别并发出相应级别的火灾预警信号。

8.根据权利要求7所述的阀控式铅酸电池火灾预警***，其特征在于，所述根据所述各类气体的种类和浓度，确定告警级别包括：当检测到的气体种类仅含H₂时，表明电池处于过充失水状态，进行一级告警；当检测到的气体除H₂外，还包括SO₂或CO时，表明电池处于温升并逐步发生热失控状态，进行二级告警；当检测到的气体种类除二级告警对应的气体外，还包括烃类气体、且烃类气体浓度在相邻采样间隔呈上升趋势时，进行三级告警。

9.一种基于气体检测的故障电池定位装置，其特征在于，包括气体浓度采集单元、数据处理单元和显示单元，

所述气体浓度采集单元包括若干设置于电池模组周围的气体检测装置，用于实时采集H₂浓度并上传至数据处理单元；

所述数据处理单元，用于计算一定时间内各气体检测装置上传的H₂浓度的波动剧烈程度，将气体检测装置对H₂浓度波动反应最灵敏的位置判断为故障电池所处区域，并发送输出信号给显示单元；

所述显示单元，用于根据输出信号发出指示信息，显示故障电池位置。

10.根据权利要求9所述的故障电池定位装置，其特征在于，所述数据处理单元进行计算和判断的过程如下：

针对每个气体检测装置上传的数据，每隔一个采样时间间隔T对输入的气体浓度进行取样，计算出每个时间间隔内H₂浓度变化，第一个时间间隔内浓度变化记为ΔC_H1，第二个时间间隔内浓度变化为ΔC_H2，采样n次得到n个浓度变化ΔC_H1…ΔC_Hn；

将相邻两个浓度差相乘后与0比较，取小于0的次数最多的气体检测装置或者小于0的次数大于0.9n的气体检测装置，通过其位置实现对故障电池的定位。

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