CN117523809B - 一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，包括以下步骤：在锂离子电池储能站内建立火灾监控区域，并在火灾监控区域内布设空间粒子监控系统、变形监控系统和温度监控系统；采集锂离子电池模组的输出电压和输出电流，计算输出电压和输出电流的波动值；计算锂离子电池模组的火灾风险系数；根据火灾风险系数评估锂离子电池模组可能发生火灾的情况；对锂离子电池模组的火灾等级进行评估，形成不同等级的火灾信号或故障信号，执行不同的灭火、降温、故障检修程序。本发明以“早发现、早处置”为原则锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，对储能模组内锂电池热失控初级阶级进行超前探测预警，将火灾扑灭在萌芽阶段。

Description

一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池储能安全领域，具体涉及一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法。

背景技术

锂离子电池储能电站是一种利用锂离子电池作为能量存储介质的大规模能量储存系统，用于储存电网电能，以在电力需求高峰期或能源供应不足时释放储存的电能，以平衡电力供需，提高电力系统的稳定性和可靠性。锂离子电池储能电站可以与太阳能光伏电站、风能电站等可再生能源发电系统结合使用，通过储存可再生能源产生的电能，并在能源需求高峰时段或可再生能源供应不足时释放电能，实现能源的平衡和稳定供应。

一个完整的锂离子电池储能站包括电池模组、电控模块、散热系统和火灾监控系统，电池模组内通过若干电池包组合而成，锂离子电池储能站的吞吐量与电池模组的数量密切相关。随着新能源汽车的高速发展，对锂离子电池储能站内的电池容量更大、电池包并联数量更多，导致了电池模组电流更大、充放电深度更深，在使用过程中极易出现局部热失控现象，存在巨大的安全隐患。

现有技术中布置的火灾监控系统是感烟和感温系统，但是锂电池火灾的发生不仅仅因为负载造成的发热，还有可能因为异常变形、损坏等原因，锂电池发热燃烧往往伴随着局部剧烈的形变、鼓包等。现有的火灾监控系统无法通过形变来监控火灾前的变化，火灾预防和控制不及时，并且现有的火灾监控系统对感温点的设置数量少，很容易漏掉异常的温度点，只能执行报警功能，不能与散热系统、灭火系统进行联动，耽误最佳的灭火、降温时间。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，利用电池包的形变和温度变化来综合判断锂电池的火灾安全情况，并联动灭火系统与降温系统进行精确灭火和降温。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，其包括以下步骤：

S1：在锂离子电池储能站内建立火灾监控区域，锂离子电池储能站内有锂离子电池模组的区域均为火灾监控区域，并在火灾监控区域内布设空间粒子监控系统、变形监控系统和温度监控系统；

空间粒子监控系统包括若干烟雾颗粒传感器，若干烟雾颗粒传感器均匀分布在火灾监控区域内，当发生火灾时可以通过监测烟雾浓度来判断火灾的大小和情况；变形监控系统包括若干变形传感器，若干变形传感器均匀张贴在锂离子电池模组的电池包上，一般情况下，电池包在发生过热、爆燃之前均会发生变形、鼓包、弯曲等情况，所以，通过监测电池包的变形情况可以用于判断是否可能发生火灾；温度监控系统包括若干温度传感器，若干温度传感器分别安装在锂离子电池模组的电池包上，用于监测电池包上多个点位的温度变化情况。

S2：每隔设定时间t采集锂离子电池模组的输出电压V和输出电流，计算相邻两次输出电压的波动值/>和输出电流的波动值/>，/>，T _w 、T _w-1分别为采集输出电压V和输出电流/>的两个相邻时刻，/>为T _w 时刻采集的电压值，/>为T _w-1时刻采集的电压值，/>为T _w 时刻采集的电流值，/>为T _w-1时刻采集的电流值，w为时刻的编号；

S3：根据输出电压的波动值和输出电流的波动值/>计算锂离子电池模组的火灾风险系数/>：

；

其中，、/>分别为电压、电流波动对锂离子电池火灾的影响系数，/>、/>分别为电压、电流波动时的发热系数；

S4：设置火灾风险系数阈值，火灾风险系数阈值/>作为发生火灾可能性的判断标准，火灾风险系数超过了火灾风险系数阈值，则锂离子电池模组内可能已经发生火灾，火灾风险系数小于火灾风险系数阈值，则锂离子电池模组内没有发生火灾。

若＞/>，则判定锂离子电池模组可能发生火灾，进入步骤S5；若/>≤/>，则判定锂离子电池模组不会发生火灾，返回步骤S2；

S5：采集电池包上每个变形传感器的变形量x，得到变形量数据组；采集锂离子电池包上每个温度传感器的温度值y，得到温度数据组/>，n为电池包上安装变形传感器的数量，m为电池包上安装温度传感器的数量；

S6：筛选出温度数据组内的最大值/>、变形量数据组/>内的最大值/>；将最大值/>、最大值/>分别与温度阈值/>、变形量阈值/>进行比较；温度阈值/>作为判断电池包是否过热的标准，变形量阈值/>作为判断电池包是否已经发生火灾时的标准。

若＞/>且/>＞/>，则判定该电池包发热并产生变形，即将发生火灾，生成一级火灾信号，执行灭火程序；

若＞/>且/>≤/>，则判定该电池包只产生变形且未发热，电池包受到挤压，生成内部故障信号，并发送给锂离子电池储能站的监控中心，通知工作人员对锂离子电池模组内部进行检修；

若≤/>且/>≤/>，则判定该电池包状态正常，生成外部故障信号，并发送给锂离子电池储能站的监控中心，通知工作人员对锂离子电池模组的输出端进行检修；

若≤/>且/>＞/>，则判定电池包发热且未产生变形，生成二级火灾信号，执行降温程序。

进一步地，步骤S6中执行灭火程序的方法为：

A61：收到一级火灾信号后，执行灭火程序；

以最大值在电池包上对应的位置为燃烧中心D，统计在燃烧中心D周围的温度异常点d，温度异常点d为电池包上温度数据组/>内的温度值大于温度阈值/>时对应的点；

A62：计算燃烧中心D与每个温度异常点d的距离r，并将距离r的最大值r _max作为燃烧半径，计算该电池包燃烧时的高度h：

；

其中，K ₁为锂离子电池模组内防火涂层的防火系数，v为自然状态下锂电池单位面积的燃烧速度，为重力加速度，/>为空气密度，/>为锂电池的电池包燃烧时的燃烧系数；

A63：利用高度h计算锂电池包发生爆燃时释放的热量Q：

；

其中，为锂电池的燃烧效率，K ₂为燃烧时热量的转换系数，e为锂离子电池模组内两个或两个以上的电池包燃烧时的助燃系数，/>为锂离子电池模组内产生一级火灾信号的电池包数量；

A64：计算整个锂离子电池模组内电池包发生火灾产生的总热量，并根据总热量/>计算锂离子电池储能站内配置的灭火剂的消耗量A：

；

其中，q为锂离子电池储能站内配置的灭火剂类型单位体积可以吸收的热量，为锂离子电池模组内第/>个发生火灾的电池包释放的热量，/>为发生火灾的电池包编号；

A65：锂离子电池储能站内配置的灭火系统向锂离子电池模组释放灭火剂量A为发生火灾的锂离子电池模组进行灭火；

A66：根据总热量计算工作人员进行灭火时的安全半径范围R：

；

其中，为工作人员能承受的热辐射强度，/>为热传导系数；

以发生火灾的锂离子电池模组为中心，安全半径范围R所在的区域为危险区域，工作人员在危险区域以外的区域参与灭火。

进一步地，步骤S6中执行降温程序的方法为：

B61：接收到二级火灾信号后，执行降温程序；

提取温度数据组内的温度值，并筛选加速电池包发热的温度变化值，温度变化值为超过温度阈值/>的温度值，温度变化值/>，/>为温度数据组内第s个超过温度阈值/>的温度值，s为超过温度阈值/>的温度值编号；

B62：计算出所有温度变化值的总和/>：/>；S为温度数据组/>内超过温度阈值/>的温度值总数；

B63：利用温度变化总和建立锂离子电池模组的散热系统的散热模型：

；

其中，C为电池包内物质的比热容，M为电池包的质量，F为散热系统的最大散热排风速度，为冷空气的密度，/>为电池包内的物质达到燃烧极限时单位质量降温需要的冷空气质量比例系数，/>为散热系统供冷空气的时间；

B64：控制散热系统向对应的锂离子电池模组排放散热冷空气，并持续时间，实现对发热的电池包降温。

本发明的有益效果为：本发明以“早发现、早处置”为原则锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，对储能模组内锂电池热失控初级阶级进行超前探测预警，将火灾扑灭在萌芽阶段。通过在电池包上安装多个形变和温度检测传感器，实现多个点的变形和温度监控，并结合形变与温度变化来对电池包是否发生火灾进行研判，排除因为异常形变造成的影响，火灾研判、评估更加准确，形成不同的火灾等级警报信号。通过不同的火灾报警信号，执行不同的灭火或降温程序，通过计算出电池包爆燃的热量来精确计算出释放的灭火剂量，避免灭火剂浪费，并能确保精确灭火。同时，还可针对不同的温度变化，驱动散热系统进行精确的降温，避免能源的浪费；实现对锂离子电池储能站内火灾情况的高质量监控和管理。

附图说明

图1为锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法的流程图。

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，本方案的锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法包括以下步骤：

S1：在锂离子电池储能站内建立火灾监控区域，锂离子电池储能站内有锂离子电池模组的区域均为火灾监控区域，并在火灾监控区域内布设空间粒子监控系统、变形监控系统和温度监控系统；

空间粒子监控系统包括若干烟雾颗粒传感器，若干烟雾颗粒传感器均匀分布在火灾监控区域内，当发生火灾时可以通过监测烟雾浓度来判断火灾的大小和情况；变形监控系统包括若干变形传感器，若干变形传感器均匀张贴在锂离子电池模组的电池包上，一般情况下，电池包在发生过热、爆燃之前均会发生变形、鼓包、弯曲等情况，所以，通过监测电池包的变形情况可以用于判断是否可能发生火灾；温度监控系统包括若干温度传感器，若干温度传感器分别安装在锂离子电池模组的电池包上，用于监测电池包上多个点位的温度变化情况。

S2：每隔设定时间t采集锂离子电池模组的输出电压V和输出电流，计算相邻两次输出电压的波动值/>和输出电流的波动值/>，/>，T _w 、T _w-1分别为采集输出电压V和输出电流/>的两个相邻时刻，/>为T _w 时刻采集的电压值，/>为T _w-1时刻采集的电压值，/>为T _w 时刻采集的电流值，/>为T _w-1时刻采集的电流值，w为时刻的编号；

S3：根据输出电压的波动值和输出电流的波动值/>计算锂离子电池模组的火灾风险系数/>：

；

其中，、/>分别为电压、电流波动对锂离子电池火灾的影响系数，/>、/>分别为电压、电流波动时的发热系数；

S4：设置火灾风险系数阈值，火灾风险系数阈值/>作为发生火灾可能性的判断标准，火灾风险系数超过了火灾风险系数阈值，则锂离子电池模组内可能已经发生火灾，火灾风险系数小于火灾风险系数阈值，则锂离子电池模组内没有发生火灾。

若＞/>，则判定锂离子电池模组可能发生火灾，进入步骤S5；若/>≤/>，则判定锂离子电池模组不会发生火灾，返回步骤S2；

S5：采集电池包上每个变形传感器的变形量x，得到变形量数据组；采集锂离子电池包上每个温度传感器的温度值y，得到温度数据组/>，n为电池包上安装变形传感器的数量，m为电池包上安装温度传感器的数量；

S6：筛选出温度数据组内的最大值/>、变形量数据组/>内的最大值/>；将最大值/>、最大值/>分别与温度阈值/>、变形量阈值/>进行比较；温度阈值/>作为判断电池包是否过热的标准，变形量阈值/>作为判断电池包是否已经发生火灾时的标准。

若＞/>且/>＞/>，则判定该电池包发热并产生变形，即将发生火灾，生成一级火灾信号，执行灭火程序；

若＞/>且/>≤/>，则判定该电池包只产生变形且未发热，电池包受到挤压，生成内部故障信号，并发送给锂离子电池储能站的监控中心，通知工作人员对锂离子电池模组内部进行检修；

若≤/>且/>≤/>，则判定该电池包状态正常，生成外部故障信号，并发送给锂离子电池储能站的监控中心，通知工作人员对锂离子电池模组的输出端进行检修；

若≤/>且/>＞/>，则判定电池包发热且未产生变形，生成二级火灾信号，执行降温程序。

步骤S6中执行灭火程序的方法为：

A61：收到一级火灾信号后，执行灭火程序；

以最大值在电池包上对应的位置为燃烧中心D，统计在燃烧中心D周围的温度异常点d，温度异常点d为电池包上温度数据组/>内的温度值大于温度阈值/>时对应的点；

A62：计算燃烧中心D与每个温度异常点d的距离r，并将距离r的最大值r _max作为燃烧半径，计算该电池包燃烧时的高度h：

；

其中，K ₁为锂离子电池模组内防火涂层的防火系数，v为自然状态下锂电池单位面积的燃烧速度，为重力加速度，/>为空气密度，/>为锂电池的电池包燃烧时的燃烧系数；

A63：利用高度h计算锂电池包发生爆燃时释放的热量Q：

；

其中，为锂电池的燃烧效率，K ₂为燃烧时热量的转换系数，e为锂离子电池模组内两个或两个以上的电池包燃烧时的助燃系数，理论情况下，电池包燃烧的数量越多，电池包燃烧得越充分，释放的热量越多，本/>为锂离子电池模组内产生一级火灾信号的电池包数量；实施例将燃烧的电池包数量作为助燃系数的指数，代表电池包的燃烧数量对热量释放的促进影响力，电池包的燃烧数量越多，燃烧约充分。

A64：计算整个锂离子电池模组内电池包发生火灾产生的总热量，并根据总热量/>计算锂离子电池储能站内配置的灭火剂的消耗量A：

；

其中，q为锂离子电池储能站内配置的灭火剂类型单位体积可以吸收的热量，为锂离子电池模组内第/>个发生火灾的电池包释放的热量，/>为发生火灾的电池包编号；

A65：锂离子电池储能站内配置的灭火系统向锂离子电池模组释放灭火剂量A为发生火灾的锂离子电池模组进行灭火；

A66：根据总热量计算工作人员进行灭火时的安全半径范围R：

；

其中，为工作人员能承受的热辐射强度，/>为热传导系数；

以发生火灾的锂离子电池模组为中心，安全半径范围R所在的区域为危险区域，工作人员在危险区域以外的区域参与灭火。

步骤S6中执行降温程序的方法为：

B61：接收到二级火灾信号后，执行降温程序；

提取温度数据组内的温度值，并筛选加速电池包发热的温度变化值，温度变化值为超过温度阈值/>的温度值，温度变化值/>，/>为温度数据组内第s个超过温度阈值/>的温度值，s为超过温度阈值/>的温度值编号；

B62：计算出所有温度变化值的总和/>：/>；S为温度数据组/>内超过温度阈值/>的温度值总数；

B63：利用温度变化总和建立锂离子电池模组的散热系统的散热模型：

；

其中，C为电池包内物质的比热容，M为电池包的质量，F为散热系统的最大散热排风速度，为冷空气的密度，/>为电池包内的物质达到燃烧极限时单位质量降温需要的冷空气质量比例系数，锂离子电池包内主要为含有锂离子的材料，锂离子材料达到燃烧临界点的温度作为燃烧极限，高于燃烧极限锂离子材料立即燃烧，低于燃烧极限锂离子材料不会燃烧，质量比例系数/>与达到燃烧极限时单位质量的锂离子材料降温所需的冷空气质量相关，/>为散热系统供冷空气的时间；

B64：控制散热系统向对应的锂离子电池模组排放散热冷空气，并持续时间，实现对发热的电池包降温。

本发明以“早发现、早处置”为原则锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，对储能模组内锂电池热失控初级阶级进行超前探测预警，将火灾扑灭在萌芽阶段。通过在电池包上安装多个形变和温度检测传感器，实现多个点的变形和温度监控，并结合形变与温度变化来对电池包是否发生火灾进行研判，排除因为异常形变造成的影响，火灾研判、评估更加准确，形成不同的火灾等级警报信号。通过不同的火灾报警信号，执行不同的灭火或降温程序，通过计算出电池包爆燃的热量来精确计算出释放的灭火剂量，避免灭火剂浪费，并能确保精确灭火。同时，还可针对不同的温度变化，驱动散热系统进行精确的降温，避免能源的浪费。

Claims (3)

1.一种锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在锂离子电池储能站内建立火灾监控区域，并在火灾监控区域内布设空间粒子监控系统、变形监控系统和温度监控系统；

所述空间粒子监控系统包括若干烟雾颗粒传感器，若干所述烟雾颗粒传感器均匀分布在火灾监控区域内；所述变形监控系统包括若干变形传感器，若干所述变形传感器均匀张贴在锂离子电池模组的电池包上；所述温度监控系统包括若干温度传感器，若干所述温度传感器分别安装在锂离子电池模组的电池包上；

S2：每隔设定时间t采集锂离子电池模组的输出电压V和输出电流，计算相邻两次输出电压的波动值/>和输出电流的波动值/>，/>，T _w 、T _w-1分别为采集输出电压V和输出电流/>的两个相邻时刻，/>为T _w 时刻采集的电压值，/>为T _w-1时刻采集的电压值，/>为T _w 时刻采集的电流值，/>为T _w-1时刻采集的电流值，w为时刻的编号；

S3：根据输出电压的波动值和输出电流的波动值/>计算锂离子电池模组的火灾风险系数/>：

；

其中，、/>分别为电压、电流波动对锂离子电池火灾的影响系数，/>、/>分别为电压、电流波动时的发热系数；

S4：设置火灾风险系数阈值，若/>＞/>，则判定锂离子电池模组可能发生火灾，进入步骤S5；若/>≤/>，则判定锂离子电池模组不会发生火灾，返回步骤S2；

S5：采集电池包上每个变形传感器的变形量x，得到变形量数据组；采集锂离子电池包上每个温度传感器的温度值y，得到温度数据组/>，n为电池包上安装变形传感器的数量，m为电池包上安装温度传感器的数量；

S6：筛选出温度数据组内的最大值/>、变形量数据组/>内的最大值/>；将最大值/>、最大值/>分别与温度阈值/>、变形量阈值/>进行比较；

若＞/>且/>＞/>，则判定该电池包发热并产生变形，即将发生火灾，生成一级火灾信号，执行灭火程序；

若＞/>且/>≤/>，则判定该电池包只产生变形且未发热，电池包受到挤压，生成内部故障信号，并发送给锂离子电池储能站的监控中心，通知工作人员对锂离子电池模组内部进行检修；

若≤/>且/>≤/>，则判定该电池包状态正常，生成外部故障信号，并发送给锂离子电池储能站的监控中心，通知工作人员对锂离子电池模组的输出端进行检修；

若≤/>且/>＞/>，则判定电池包发热且未产生变形，生成二级火灾信号，执行降温程序。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，其特征在于，所述步骤S6中执行灭火程序的方法为：

A61：收到一级火灾信号后，执行灭火程序；

以最大值在电池包上对应的位置为燃烧中心D，统计在燃烧中心D周围的温度异常点d，温度异常点d为电池包上温度数据组/>内的温度值大于温度阈值/>时对应的点；

A62：计算燃烧中心D与每个温度异常点d的距离r，并将距离r的最大值r _max作为燃烧半径，计算该电池包燃烧时的高度h：

；

其中，K ₁为锂离子电池模组内防火涂层的防火系数，v为自然状态下锂电池单位面积的燃烧速度，为重力加速度，/>为空气密度，/>为锂电池的电池包燃烧时的燃烧系数；

A63：利用高度h计算锂电池包发生爆燃时释放的热量Q：

；

其中，为锂电池的燃烧效率，K ₂为燃烧时热量的转换系数，e为锂离子电池模组内两个或两个以上的电池包燃烧时的助燃系数，/>为锂离子电池模组内产生一级火灾信号的电池包数量；

A64：计算整个锂离子电池模组内电池包发生火灾产生的总热量，并根据总热量/>计算锂离子电池储能站内配置的灭火剂的消耗量A：

；

其中，q为锂离子电池储能站内配置的灭火剂类型单位体积吸收的热量，为锂离子电池模组内第/>个发生火灾的电池包释放的热量，/>为发生火灾的电池包编号；

A65：锂离子电池储能站内配置的灭火系统向锂离子电池模组释放灭火剂量A为发生火灾的锂离子电池模组进行灭火；

A66：根据总热量计算工作人员进行灭火时的安全半径范围R：

；

其中，为工作人员能承受的热辐射强度，/>为热传导系数；

以发生火灾的锂离子电池模组为中心，安全半径范围R所在的区域为危险区域，工作人员在危险区域以外的区域参与灭火。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池储能站火灾监控评价管理方法，其特征在于，所述步骤S6中执行降温程序的方法为：

B61：接收到二级火灾信号后，执行降温程序；

提取温度数据组内的温度值，并筛选加速电池包发热的温度变化值，温度变化值为超过温度阈值/>的温度值，温度变化值/>，/>为温度数据组内第s个超过温度阈值/>的温度值，s为超过温度阈值/>的温度值编号；

B62：计算出所有温度变化值的总和/>：/>；S为温度数据组/>内超过温度阈值/>的温度值总数；

B63：利用温度变化总和建立锂离子电池模组的散热系统的散热模型：

；

其中，C为电池包内物质的比热容，M为电池包的质量，F为散热系统的最大散热排风速度，为冷空气的密度，/>为电池包内的物质达到燃烧极限时单位质量降温需要的冷空气质量比例系数，/>为散热系统供冷空气的时间；

B64：控制散热系统向对应的锂离子电池模组排放散热冷空气，并持续时间，实现对发热的电池包降温。