CN117671876B - 一种电化学储能站火灾预警监控***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学储能站火灾预警监控***及方法，监控方法包括：采集电池簇内每个电芯模块的设计参数；计算电芯模块在使用过程中的变形系数、容量衰减系数和性能系数；计算电池簇的梯次波动系数；计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数；利用梯次系数和影响系数计算火灾预警值，对火灾风险等级进行综合评估。监控***包括：预警模块、控制模块和监控模块。本发明用于对电化学储能站内进行火灾预警评估与监控，避免由于电芯模块之间的差异过大而增加火灾风险。同时，结合电芯模块自身工作环境的参数，来综合评估目前的火灾风险等级，及时预防和监控火灾的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学储能站火灾风险管控领域，具体涉及一种电化学储能站火灾预警监控***及方法。
背景技术
目前，我国商业运营的电化学储能电站中，电池种类以三元锂电池、磷酸铁锂电池和铅酸电池为主。即使是安全性能最好的磷酸铁锂电池，也无法完全避免短路的风险，短路是储能电池安全的“头号杀手”，电化学储能电站电池具有串并联数量多、规模大、运行功率大等特点，一旦发生短路，将会发生热失控，从而引起火灾。
一般而言，短路可由内外两种因素引起。从内部来看，电池在制造过程中，电芯内部在生产制造上可能存在缺陷或隐患，或者电池在长期使用过程中，由于充放电制度和环境等因素造成电池老化，电芯内部产生了枝晶锂，触发电池内短路。从外部来看，电池的外部撞击和泡水等因素也可导致电池受损，进而导致短路。
锂离子电池储能电站可以分为四个层次：电池单体、模组、电池簇和电池舱。电池单体通过排列集成模组，模组经电气连接构成电池簇，多个电池簇与变流器等设备组成电池舱。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种电化学储能站火灾预警监控***及方法。
为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种电化学储能站火灾预警监控方法，其包括以下步骤：
S1：采集电池簇内每个电芯模块的设计参数，设计参数包括电芯模块设计的结构压力阈值Q 0、初始电池容量D 0和额定使用温度范围；
S2：计算电芯模块在使用过程中的变形系数q 1、容量衰减系数q 2和性能系数q 3；
S3：根据变形系数q 1、衰减系数q 2和性能系数q 3计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数Q，且计算电池簇的梯次波动系数f 1；
S4：温度传感器采集电池簇内对应位置的温度a，烟雾传感器采集电池簇上方位置的烟雾浓度b，有害气体传感器采集电池簇上方位置的有害气体浓度c，湿度传感器采集电池舱内环境的湿度d；计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数；
S5：利用梯次系数Q和影响系数计算火灾预警值U，设置火灾预警阈值U 阈值；当U＞U 阈值时，此时电池簇的火灾风险为高风险；当U≤U 阈值时，此时电池簇的火灾风险为低风险。
进一步地，步骤S2计算变形系数q 1的方法为：
根据电芯模块安装在电池簇内承受的结构压力F，计算电芯模块在使用过程中的变形系数q 1：
；
其中，K 1为电芯模块的体积弹性模量，K 2为电芯模块的派生模量，s为电芯模块承受结构压力面的面积。
进一步地，步骤S2计算容量衰减系数q 2的方法为：
；
；
其中，D 1为检测出的当前电芯模块的容量，k 0为额定条件下电芯模块的容量随工作时长的衰减系数，T为电芯模块的工作时长。
进一步地，步骤S2计算性能系数q 3的方法为：
S21：电芯模块工作时，每隔设定时间采集一次工作过程的工作温度v，形成发热数据组，n为采集的工作温度的次数，v n 为第n次采集的工作温度；
S22：将发热数据组内的每个温度值均与温度范围/>进行比较，若/>，则判定此时电芯模块处于正常的发热范围；若/>，则判定此时电芯模块的工作温度过冷；若/>，则判定此时的电芯模块的工作温度过热；
S23：提取工作温度过冷的温度值，组成过冷温度数据组，提取工作温度过热的温度值，组成过热温度数据组/>；m 1和m 2分别为过冷温度数据组和过热温度数据组内的温度值数量；
S24：计算电芯模块目前的性能系数q 3：
；
其中，V为电芯模块最优的工作温度，为过冷温度数据组内的第i 1个温度值，/>为过热温度数据组内的第i 2个温度值，i 1、i 2为温度值的编号，/>为过冷工作温度对电芯模块性能的影响系数，/>为过热工作温度对电芯模块性能的影响系数。
进一步地，步骤S3包括：
S31：根据变形系数q 1、衰减系数q 2和性能系数q 3计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数Q：
；
其中，k 3为变形情况对梯次系数的影响系数，k 4为电芯模块的容量衰减情况对梯次系数的影响系数，k 5为电芯模块的性能情况对梯次系数的影响系数；
S32：计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数，得到梯度系数的数据组，M为电池簇内的电芯模块数量；
S33：根据数据组内的梯次系数，计算电池簇的梯次波动系数f 1：
；
其中，Q I 为数据组内的第I个梯次系数，I为梯次系数的编号，/>为数据组/>内的最大值，/>为数据组/>内的最小值。
进一步地，步骤S4包括：
S41：温度传感器采集电池簇内各个位置的温度a，烟雾传感器采集电池簇上方位置的烟雾浓度b，有害气体传感器采集电池簇上方位置的有害气体浓度c，湿度传感器采集电池舱内环境的湿度d；
S42：计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数：
；
其中，w为权重系数，e为波动值，分别为温度、烟雾浓度、有害气体浓度和环境的湿度对火灾影响的波动因子，/>为随机比例系数，/>取0-1之间的随机数，/>为电池簇内各个位置的温度标准值，/>为电池簇上方位置的烟雾浓度标准值，/>为电池簇上方位置的有害气体浓度标准值，/>为电池舱内环境的湿度标准值。
进一步地，步骤S5中计算火灾预警值U的方法为：
；
其中，为电池簇顺利退役时计算出的梯次系数Q和影响系数/>的范围长度。
提供一种电化学储能站火灾预警监控***，执行上述电化学储能站火灾预警监控方法，其包括预警模块、控制模块和监控模块；
监控模块包括安装在电池簇内对应位置的温度传感器，安装在电池簇上方位置的烟雾传感器和有害气体传感器，安装在电池舱内的湿度传感器，安装在电芯模块上的温度传感器；
控制模块用于对采集的温度值、有害气体浓度值、湿度值、烟雾浓度值进行处理，获取电池簇此时的火灾风险等级；
火灾风险等级发送给预警模块，预警模块通过短信、警报的方式向工作人员发出警报。
本发明的有益效果为：本发明用于对电化学储能站内进行火灾预警评估与监控，以发电舱内的电池簇为单位，实现对每个电池簇的火灾风险进行监测，以便于获取发电舱内的火灾高风险区域或位置，进一步方便工作人员对火灾高风险区域或位置进行针对性的火灾风险排查或消除。结合电池簇内电芯模块运行时的结构变化、容量变化和温度变化来计算不同电芯模块的差异，进而获取同一个电池簇内电芯模块的梯次波动系数，梯次波动系数表征电芯模块之间的差异，避免由于电芯模块之间的差异过大而增加火灾风险。同时，结合电芯模块自身工作环境的参数，来综合评估目前的火灾风险等级，及时预防和监控火灾的发生。
附图说明
图1为电化学储能站火灾预警监控方法的流程图。
图2为电化学储能站火灾预警监控***的原理框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种电化学储能站火灾预警监控方法，包括以下步骤：
S1：采集电池簇内每个电芯模块的设计参数，设计参数包括电芯模块设计的结构压力阈值Q 0、初始电池容量D 0和额定使用温度范围；
S2：计算电芯模块在使用过程中的变形系数q 1、容量衰减系数q 2和性能系数q 3；
计算变形系数q 1的方法为：
根据电芯模块安装在电池簇内承受的结构压力F，计算电芯模块在使用过程中的变形系数q 1：
；
其中，K 1为电芯模块的体积弹性模量，K 2为电芯模块的派生模量，s为电芯模块承受结构压力面的面积。
电芯模块安装在电池簇的固定架上，通过上下堆叠的方式实现，不同位置给予的电芯模块的压力不同，而电芯模块的压力过大，就会造成电芯模块外部结构的变形、破裂或损坏，进一步增加火灾发生的风险。
锂电池的火灾危险主要来自其构造，与电池的物质组成直接相关，在滥用情况下，比如电池过热、过度充放电、电池设计缺陷及原材料瑕疵造成的短路等导致内部的电池材料之间发生化学反应，电解液分解产生大量的热和气体，引起电池的热失控。
计算容量衰减系数q 2的方法为：
；
；
其中，D 1为检测出的当前电芯模块的容量，k 0为额定条件下电芯模块的容量随工作时长的衰减系数，T为电芯模块的工作时长。
对于不同的电芯模块的使用情况，其容量也会随着使用工作时间进行不同的衰减，解决掉电池出厂安装时的品控检测问题，还要考虑储能电站中电池的使用寿命，一个储能电站的寿命达到10-15年，即使同一批次的电池，使用几年后，一致性也会降低。
计算性能系数q 3的方法为：
S21：电芯模块工作时，每隔设定时间采集一次工作过程的工作温度v，形成发热数据组，n为采集的工作温度的次数，v n 为第n次采集的工作温度；
S22：将发热数据组内的每个温度值均与温度范围/>进行比较，若/>，则判定此时电芯模块处于正常的发热范围；若/>，则判定此时电芯模块的工作温度过冷；若/>，则判定此时的电芯模块的工作温度过热；
S23：提取工作温度过冷的温度值，组成过冷温度数据组，提取工作温度过热的温度值，组成过热温度数据组/>；m 1和m 2分别为过冷温度数据组和过热温度数据组内的温度值数量；
S24：计算电芯模块目前的性能系数q 3：
；
其中，V为电芯模块最优的工作温度，为过冷温度数据组内的第i 1个温度值，/>为过热温度数据组内的第i 2个温度值，i 1、i 2为温度值的编号，/>为过冷工作温度对电芯模块性能的影响系数，/>为过热工作温度对电芯模块性能的影响系数。
S3：根据变形系数q 1、衰减系数q 2和性能系数q 3计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数Q，且计算电池簇的梯次波动系数f 1。
步骤S3包括：
S31：根据变形系数q 1、衰减系数q 2和性能系数q 3计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数Q：
；
其中，k 3为变形情况对梯次系数的影响系数，k 4为电芯模块的容量衰减情况对梯次系数的影响系数，k 5为电芯模块的性能情况对梯次系数的影响系数；
S32：计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数，得到梯度系数的数据组，M为电池簇内的电芯模块数量；
S33：根据数据组内的梯次系数，计算电池簇的梯次波动系数f 1：
；
其中，Q I 为数据组内的第I个梯次系数，I为梯次系数的编号，/>为数据组/>内的最大值，/>为数据组/>内的最小值。
S4：温度传感器采集电池簇内对应位置的温度a，烟雾传感器采集电池簇上方位置的烟雾浓度b，有害气体传感器采集电池簇上方位置的有害气体浓度c，湿度传感器采集电池舱内环境的湿度d；计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数；
步骤S4包括：
S41：温度传感器采集电池簇内各个位置的温度a，烟雾传感器采集电池簇上方位置的烟雾浓度b，有害气体传感器采集电池簇上方位置的有害气体浓度c，湿度传感器采集电池舱内环境的湿度d；
S42：计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数：
；
其中，w为权重系数，e为波动值，分别为温度、烟雾浓度、有害气体浓度和环境的湿度对火灾影响的波动因子，/>为随机比例系数，/>取0-1之间的随机数，/>为电池簇内各个位置的温度标准值，/>为电池簇上方位置的烟雾浓度标准值，/>为电池簇上方位置的有害气体浓度标准值，/>为电池舱内环境的湿度标准值。
S5：利用梯次系数Q和影响系数计算火灾预警值U，设置火灾预警阈值U 阈值；当U＞U 阈值时，此时电池簇的火灾风险为高风险；当U≤U 阈值时，此时电池簇的火灾风险为低风险。
步骤S5中计算火灾预警值U的方法为：
；
其中，为电池簇顺利退役时计算出的梯次系数Q和影响系数/>的范围长度；
一种电化学储能站火灾预警监控***，执行上述电化学储能站火灾预警监控方法，其包括预警模块、控制模块和监控模块；
监控模块包括安装在电池簇内对应位置的温度传感器，安装在电池簇上方位置的烟雾传感器和有害气体传感器，安装在电池舱内的湿度传感器，安装在电芯模块上的温度传感器；
控制模块用于对采集的温度值、有害气体浓度值、湿度值、烟雾浓度值进行处理，获取电池簇此时的火灾风险等级；
火灾风险等级发送给预警模块，预警模块通过短信、警报的方式向工作人员发出警报。
本发明用于对电化学储能站内进行火灾预警评估与监控，以发电舱内的电池簇为单位，实现对每个电池簇的火灾风险进行监测，以便于获取发电舱内的火灾高风险区域或位置，进一步方便工作人员对火灾高风险区域或位置进行针对性的火灾风险排查或消除。结合电池簇内电芯模块运行时的结构变化、容量变化和温度变化来计算不同电芯模块的差异，进而获取同一个电池簇内电芯模块的梯次波动系数，梯次波动系数表征电芯模块之间的差异，避免由于电芯模块之间的差异过大而增加火灾风险。同时，结合电芯模块自身工作环境的参数，来综合评估目前的火灾风险等级，及时预防和监控火灾的发生。
Claims (2)
1.一种电化学储能站火灾预警监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集电池簇内每个电芯模块的设计参数，设计参数包括电芯模块设计的结构压力阈值Q 0、初始电池容量D 0和额定使用温度范围；
S2：计算电芯模块在使用过程中的变形系数q 1、容量衰减系数q 2和性能系数q 3；
S3：根据变形系数q 1、衰减系数q 2和性能系数q 3计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数Q；
S4：温度传感器采集电池簇内对应位置的温度a，烟雾传感器采集电池簇上方位置的烟雾浓度b，有害气体传感器采集电池簇上方位置的有害气体浓度c，湿度传感器采集电池舱内环境的湿度d；计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数；
S5：利用梯次系数Q和影响系数计算火灾预警值U，设置火灾预警阈值U 阈值；当U＞U 阈值时，此时电池簇的火灾风险为高风险；当U≤U 阈值时，此时电池簇的火灾风险为低风险；
所述步骤S2计算变形系数q 1的方法为：
根据电芯模块安装在电池簇内承受的结构压力F，计算电芯模块在使用过程中的变形系数q 1：
若，则/>；
若，则/>；
其中，K 1为电芯模块的体积弹性模量，K 2为电芯模块的派生模量，s为电芯模块承受结构压力面的面积；
所述步骤S2计算容量衰减系数q 2的方法为：
若，则/>；
若，则/>；
其中，D 1为检测出的当前电芯模块的容量，k 0为额定条件下电芯模块的容量随工作时长的衰减系数，T为电芯模块的工作时长；
步骤S2计算性能系数q 3的方法为：
S21：电芯模块工作时，每隔设定时间采集一次工作过程的工作温度v，形成发热数据组，n为采集的工作温度的次数，v n 为第n次采集的工作温度；
S22：将发热数据组内的每个温度值均与温度范围/>进行比较，若，则判定此时电芯模块处于正常的发热范围；若/>，则判定此时电芯模块的工作温度过冷；若/>，则判定此时的电芯模块的工作温度过热；
S23：提取工作温度过冷的温度值，组成过冷温度数据组，提取工作温度过热的温度值，组成过热温度数据组/>；m 1和m 2分别为过冷温度数据组和过热温度数据组内的温度值数量；
S24：计算电芯模块目前的性能系数q 3：
；
其中，V为电芯模块最优的工作温度，为过冷温度数据组内的第i 1个温度值，/>为过热温度数据组内的第i 2个温度值，i 1、i 2为温度值的编号，/>为过冷工作温度对电芯模块性能的影响系数，/>为过热工作温度对电芯模块性能的影响系数；
所述步骤S3包括：
S31：根据变形系数q 1、衰减系数q 2和性能系数q 3计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数Q：
；
其中，k 3为变形情况对梯次系数的影响系数，k 4为电芯模块的容量衰减情况对梯次系数的影响系数，k 5为电芯模块的性能情况对梯次系数的影响系数；
S32：计算电池簇内每个电芯模块的梯次系数，得到梯度系数的数据组，M为电池簇内的电芯模块数量；
所述步骤S4包括：
S41：温度传感器采集电池簇内各个位置的温度a，烟雾传感器采集电池簇上方位置的烟雾浓度b，有害气体传感器采集电池簇上方位置的有害气体浓度c，湿度传感器采集电池舱内环境的湿度d；
S42：计算电芯模块的工作环境对火灾的影响系数：
；
其中，w为权重系数，e为波动值，分别为温度、烟雾浓度、有害气体浓度和环境的湿度对火灾影响的波动因子，/>为随机比例系数，/>取0-1之间的随机数，/>为电池簇内各个位置的温度标准值，/>为电池簇上方位置的烟雾浓度标准值，/>为电池簇上方位置的有害气体浓度标准值，/>为电池舱内环境的湿度标准值；
步骤S5中计算火灾预警值U的方法为：
；
其中，为电池簇顺利退役时计算出的梯次系数Q和影响系数/>的范围长度。
2.一种电化学储能站火灾预警监控***，执行权利要求1所述的电化学储能站火灾预警监控方法，其特征在于：
包括预警模块、控制模块和监控模块；
所述监控模块包括安装在电池簇内对应位置的温度传感器，安装在电池簇上方位置的烟雾传感器和有害气体传感器，安装在电池舱内的湿度传感器，安装在电芯模块上的温度传感器；
控制模块用于对采集的温度值、有害气体浓度值、湿度值、烟雾浓度值进行处理，获取电池簇此时的火灾风险等级；
火灾风险等级发送给预警模块，预警模块通过短信、警报的方式向工作人员发出警报。
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