集装箱式锂离子电池储能系统消防安全早期预警方法

  本文亮点：1.充分考虑了多个影响因素，可预测储能系统的运行走势；2.对电池储能系统消防安全早期有不同等级的预警，可及时解除危险；3.与传统方法相比，所用方法一定程度降低了误警率和漏警率。

  摘 要 为了降低集装箱式锂离子电池储能系统火灾发生概率，提出消防安全早期预警方法。分析锂离子电池储能系统的生热过程，确定温度、电压等因素与储能系统消防安全的影响关系。采集电压、电流、温度、声信号等电池储能系统工作数据，检测表面健康程序，根据工作数据与表面健康状态的变化规律，综合考虑影响因素，预测储能系统的运行走势，设置电池储能系统消防安全早期预警等级，完成电池储能系统消防安全的早期预警。通过性能测试实验得出结论：与传统预警方法相比，优化设计方法的误警率和漏警率降低了0.90%以上，不同预警等级下，该方法仅出现1个预警错误，而且不同表面破损位置下的预警准确率达到了99.7%，具备有效性和可靠性。

  关键词 集装箱式电池；锂离子电池；储能系统；消防安全；早期预警

  集装箱式锂离子电池是一种以标准集装箱为载体的储能系统，它集成了锂离子电池、电池管理系统、消防系统等多个组成部分，是实现高集成度、大容量和可移动的储能装置。与传统锂电池相比，集装箱式锂离子电池具有集成度高、容量大、可移动性强、接口设计灵活等特征，因此被广泛应用于多个领域。然而，由于锂离子电池的特殊性质和集装箱式储能系统的复杂性，这种储能系统也存在一定的安全风险。因此，在使用和维护过程中需要采取相应的措施，包括定期检查和维护电池、严格控制电池的充电和放电状态等，以保证电池储能系统的安全性和稳定性。

  消防安全是集装箱式锂离子电池储能系统稳定运行的保障之一，这是因为电池储能系统在过充、过放、短路、机械碰撞等情况下，可能发生热失控，产生高温、冒烟，甚至起火。这些危险情况不仅会损坏电池本身，更可能对人身安全和设备安全构成威胁。为了防止电池火灾的发生，提出集装箱式锂离子电池储能系统消防安全早期预警方法。现阶段发展较为成熟的早期预警方法包括：基于数据-模型混合驱动的电池储能系统早期预警方法、基于气液逸出物图像识别的电池储能系统早期预警方法和基于气体分析的电池储能系统早期预警方法，然而上述传统早期预警方法主要针对的是普通锂电池，将其应用到集装箱式锂离子电池储能系统的消防安全早期预警工作中，存在明显的误警与漏警现象，为此以集装箱式锂离子电池为研究对象，对消防安全早期预警方法进行优化设计，以期能够最大程度地降低电池火灾的发生概率及其带来的损失。

  1 储能系统消防安全早期预警方法设计

  优化设计的集装箱式锂离子电池储能系统消防安全早期预警方法以集装箱式锂离子电池为研究对象，通过对储能系统工作机理和流程的分析，确定影响储能系统消防安全的影响因素，并以此作为集装箱式锂离子电池储能系统的检测对象。从电压、电流、温度、表面健康和声信号等方面，采集锂电池的工作数据，根据数据演变特征，对未来任意时刻储能系统的安全状态参数进行预测，并将预测结果与设置的预警条件和等级进行比对，根据比对结果，判断是否启动早期预警程序、选择合适的预警等级，实现集装箱式锂离子电池储能系统的消防安全早期预警工作。

  1.1　确定锂离子电池储能系统消防安全影响因素

  集装箱式锂离子电池主要由电池模块、电池管理系统、热管理系统、安全防护系统等组成。其中，电池模块是储能系统的核心，由多个单体电池组成，其负责存储和释放电能。电池管理系统主要负责监控电池的运行状态，确保电池的安全稳定运行。热管理系统则负责控制电池的温度，防止过热和过冷。由于内部产热远高于散热速率，在锂离子电池的内部存在大量的热量，容易产生热失控现象，这也是集装箱式锂离子电池储能系统消防安全风险的产生原因。图1所示为集装箱式锂离子电池储能系统的火灾发生过程。

图1 集装箱式锂离子电池储能系统火灾发生过程

  集装箱式锂离子电池储能系统的生热过程可以量化表示为：

  式中，Vbattery为集装箱式锂离子电池体积；U0和U分别为开路电压和工作电压；∂U0/∂T为熵热系数；T为电池储能系统的温度。从式(1)中可以看出，电池储能系统的消防安全与温度和电压等因素有关，其中温度因素与电池储能系统消防安全的影响关系如图2所示。

图2 温度因素与电池储能系统消防安全的影响关系

  除温度因素外，电池储能系统消防安全还会受到电流、表面健康状况、声信号等因素的影响，按照上述方式可以得出其他因素与电池储能系统消防安全之间的影响关系，并以影响因素作为电池储能系统的检测对象。

  1.2　采集集装箱式锂离子电池储能系统工作数据

  基于上述确定的锂离子电池储能系统消防安全影响因素，采集电压、电流、温度、声信号等工作数据，使用数据采集器或数据记录仪来采集电压和电流数据。这些设备可以连接到集装箱式锂离子电池储能系统的电气接口上，以获取电压和电流数据。锂离子电池储能系统电压数据的采集结果为：

  式中，max()和min()分别为初始采集工作数据中的最大值和最小值；xg为处理后的数据。

  将处理结果重新赋值给初始采集数据。重复上述操作，对任意时刻集装箱式锂离子电池储能系统的工作数据进行采集与处理，得出满足质量要求的电池储能系统数据采集结果。

  1.3　检测集装箱式锂离子电池储能系统表面健康程度

  除了电池储能系统的内部工作数据外，还需要度量电池的表面健康状态，即采用成像设备生成集装箱式锂离子电池各个平面的成像结果，从而充分考虑集装箱式锂离子电池储能系统稳定运行的内外部影响因素。检测集装箱式锂离子电池储能系统表面健康程度的过程中，采用特征提取和特征匹配的方式，确定电池平面中任意像素点是否存在异常，最终得出表面破损面积的检测结果为：

  式中，si()为第i个判定为表面破损像素点所占图像面积；κimage为成像系数；np为判定为破损像素点的像素总数量。按照上述方式即可得出表面健康程度的检测结果。

  1.4　预测集装箱式锂离子电池储能系统运行走势

  以采集集装箱式锂离子电池储能系统工作数据为处理对象，提取储能系统的变化特征，对储能系统的运行走势进行推算。储能系统工作数据变化特征的提取过程可以量化表示为：

  式中，xg(t1)和xg(t2)分别为t1和t2时刻采集的工作数据。则任意时刻tw集装箱式锂离子电池储能系统运行走势预测为：

  式中，κeffect为电池储能系统发展进程的影响系数。将式(6)的计算结果代入式(7)中，即可得出集装箱式锂离子电池储能系统运行走势的预测结果。按照上述方式也可以得出集装箱式锂离子电池储能系统运行走势的预测结果，为储能系统消防安全早期预警奠定基础。

  1.5　实现储能系统消防安全早期预警

  在完成集装箱式锂离子电池储能系统运行走势预测后，设置电池储能系统消防安全早期预警等级。首先，优化设计的早期预警方法采用分级预警方式，即根据集装箱式锂离子电池运行的异常程序，启动不同的预警程序。在正常运行条件下电池储能系统工作电压的正常值定义为额定电压，可以表示为：

声明： 本网站所发布文章，均来自于互联网，不代表本站观点，如有侵权，请联系删除。