技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电化学储能安全预警系统及方法，属于储能领域。
背景技术
[0002] 以
锂离子电池为代表的电化学储能技术凭借其
能量密度高、
循环寿命长、自放电率小、绿色环保等诸多优点，广泛应用于智能手机、
笔记本电脑等现代
电子设备。近年来，基于
电化学电池的规模化储能技术在新
能源发电、电动
汽车、智能
电网等领域的应用价值越来越被体现。
[0003] 由于
锂离子电池这类电化学电池的理论容量远超过传统的铅酸电池，能量集中度较高，所以通常锂离子电池的尺寸设计得较小，以控制电池
单体的容量。例如，当前某厂家生产的储能用锂离子电池单体尺寸为27×173×200mm，单体容量为80Ah，而电动汽车常用的18650电池是直径为18mm，高为65mm的圆柱形，其单体容量为2.6Ah。规模化的储能系统需要将若干个电池单体按照一定的串并联方式进行成组。为了保证系统的
能量密度，储能系统中的电池单体通常排列得较为紧密，单体与单体之间的缝隙很小。
[0004] 由于制备工艺的原因，不同电池单体之间的电化学参数存在一定程度的不一致性，例如电池的容量、内阻、
电压等，这些不一致性广泛存在于同一厂家、同一规格甚至同一批次的电池单体之间。当这些电池单体构成储能系统并经过一定的充放电循环或激烈的运行工况后，电池单体之间的不一致性问题会被逐步放大，容易触发电池内部的热失控反应。电池中的隔膜、
电解液等有机物经
热分解释放出H2、CO等气体，极易被引燃产生明火。又由于储能系统中的电池单体排列紧密，单个电池的热失控很容易蔓延至相邻的单体，形成“多米诺效应”，造成危情的扩大。因此，对储能系统中每个电池单体进行有效的监控，并且能在电池单体发生异常的第一时间进行精准的危情
定位，对储能系统的运行安全有重要意义。
[0005] 像锂离子电池、钠离子电池这一类电化学电池，通常在其内部发生热失控行为之初会有电池表面
过热、鼓胀等现象，因此，可以通过监测电池表面的
温度和应
力的变化来判断电池是否发生异常工况。当前，已商业应用的储能系统是通过每个电池模组中配套的
电池管理系统来进行温度、
电流、电压的监测。然而，电池模组中电池单体数量较多、排列紧密，考虑到电池管理系统
数据处理能力以及电池通
风散热的需要，无法在电池模组中布置足够多的
传感器，所以现有电池管理系统无法做到对模组中的每个电池单体进行实时、连续的状态监测。当前，电池厂家通常选择在电池模组的
框架上布置三个
热电偶来进行温度的监测，这样既不能对模组中的每个电池单体进行监测，同时由于电池与模组框架之间
传热的限制造成监测存在一定的滞后性，所以当电池单体发生异常工况，现有的电池管理系统无法在第一时间
感知，更无法准确给出该电池单体的具体
位置在储能系统中的具体位置，从而不能在发生危险的最初阶段采取有效措施而造成较大的损失。
发明内容
[0006] 发明目的：本发明提出一种电化学储能安全预警系统及方法，在储能系统发生危险的最初阶段进行有效遏制。
[0007] 技术方案：本发明采用的技术方案为一种电化学储能安全预警系统，包括位于储能电池内的光纤，向光纤发射入射光以及对光纤散射
信号进行解调的控制主机，根据控制主机解调信号发出告警信号的电池管理系统。
[0008] 还包括与电池管理系统连接的电池
开关和灭火系统。
[0009] 所述光纤设置于电池单体的顶部或侧面。
[0010] 所述控制主机包括发射入射光的
激光器，以及根据散射信号解调出每个电池单体温度、位置和
应力的探测器。
[0011] 所述电池管理系统将解调出的电池单体温度、应力分别与其相应的安全
阈值相比较，同时还将电池单体温度变化速率，应力变化速率与各个等级阈值比较，并发出相应等级警报。
[0012] 所述温度安全阈值为，应力安全阈值为20Pa；所述第一至第三等级应力阈值分别为1、2和3；所述第一至第三等级温度阈值分别为1、2和3。
[0013] 所述控制主机通过LORA
物联网通信方式将解调信号发送至电池管理系统。
[0014] 在接收到电池管理系统发出的警报后，所述电池开关紧急断开回路，灭火系统启动喷淋。
[0015] 一种电化学储能安全预警方法，包括以下步骤：
[0016] 在电池表面安装光纤，对光纤散射光解调后得到温度、位置和应力信息；
[0017] 将温度和应力信息与安全阈值进行比较，若大于安全阈值则发出告警信号；
[0018] 根据告警信号和位置信息，更换相应的电池单体或模组，电池开关和灭火系统针对性地采取安全动作。
[0019] 所述安全动作包括电池开关紧急断开回路，储能系统停止工作；灭火系统启动喷淋。
[0020] 有益效果：通过对规模化电化学储能系统中的每个电池单体进行温度、压力的监控，当储能系统中某一电池单体出现异常工况，该预警系统能在第一时间感知，并能准确给出该单体所在的具体位置，从而可以在储能系统发生危险的最初阶段进行有效遏制，避免了因发现不及时而造成较大的损失。
附图说明
[0021] 图1为本发明预警系统的结构示意图；
[0022] 图2为本发明测量应力时的光纤示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和具体
实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的
修改均落于本
申请所附
权利要求所限定的范围。
[0024] 如图1所示，该锂离子电池模组中包含了12个电池单体，电池单体之间紧密地排列在一起。用于温度监测的光纤沿着电池单体的顶面铺设，光纤与电池单体之间进行物理
接触，也可以用胶布或卡扣将光纤固定在电池单体顶面。光纤从电池模组引出后接入控制主机，控制主机同时具备激光调制和解调的功能。预警系统工作时，控制主机中的激光器发出的入射激
光信号在光纤中进行正向传播的同时，也会因光纤分子震动产生反向传播的散射信号。控制主机中的探测器对返回的散射信号按照
现有技术进行解调，得到光纤中每个电池单体的位置及其实时的温度信息。所述光纤为普通
二氧化
硅光纤。控制主机对散射信号中的位置和温度的解调
精度最高为0.1mm和0.1℃。
[0025] 电池管理系统利用LORA物联网通信方式接收从控制主机发送来的温度信息并进行分析，将各个电池单体实时的温度T，即T1、T2、T3…与温度安全阈值T0(T0＝50℃)进行比较，同时还将各个电池单体的温度变化速率ΔT，即ΔT1、ΔT2、ΔT3…与第一等级温度阈值ΔT0＝1、第二等级温度阈值ΔT0’＝2、第三等级温度阈值ΔT0”＝3进行比较，若电池单体实时温度T≥T0，系统释放告警信号；已经释放告警信号的情况下若ΔT≥ΔT0，释放的告警信号等级为1级，若ΔT≥ΔT0’，释放的告警信号等级为2级，若ΔT≥ΔT0”，释放的告警信号等级为3级。
[0026] 运维人员、电池开关、灭火系统根据告警信号、以及系统提供的异常电池的具体位置针对性地采取相应的安全动作。具体包括运维人员根据告警信号确定危险电池所在位置，更换相应的电池单体或模组；电池开关紧急断开回路，储能系统停止工作；灭火系统如六氟丙烷、全氟己
酮启动喷淋等。第一时间对危险源进行有效遏制。用户也可以根据告警信号等级自定义运维人员、电池开关和灭火系统的安全动作。
[0027] 本实施例的应力测量模式如图2所示，电池模组中包含了6个电池单体，电池单体之间紧密地排列在一起。用于应力监测的光纤沿着电池单体的侧面铺设，光纤与每个电池单体的侧面之间有两个固定点。光纤从电池模组引出后接入控制主机，控制主机同时具备激光调制和解调的功能。预警系统工作时，控制主机发出的入射激光信号在光纤中进行正向传播的同时，也会因光纤分子震动产生反向传播的散射信号。控制主机对返回的散射信号按照现有技术进行解调，得到光纤中任意一点的位置及其实时的应力信息。此模式下，电池单体的位置信息也可同时按照前述的方法测得。控制主机对散射信号中的应力的解调精度最高为10-6Pa。电池管理系统对从控制主机发送来的应力信息进行分析，将各个电池的实时应力σ，即σ1、σ2、σ3…与应力安全阈值σ0＝20Pa进行比较，同时将各个电池的应力变化速率Δσ，即Δσ1、Δσ2、Δσ3…与第一等级应力阈值Δσ0＝1、第二等级应力阈值Δσ0’＝2、第三等级应力阈值Δσ0”＝3进行比较，若电池实时应力σ≥σ0，系统释放告警信号；且若Δσ≥Δσ0，释放的告警信号等级为1级，若Δσ≥Δσ0’，释放的告警信号等级为2级，若Δσ≥Δσ0”，释放的告警信号等级为3级。
[0028] 运维人员、电池开关、灭火系统根据告警信号、以及系统提供的异常电池的具体位置针对性地采取相应的安全动作，包括运维人员根据告警信号确定危险电池所在位置，更换相应的电池单体或模组；电池开关紧急断开回路，储能系统停止工作；灭火系统如六氟丙烷、全氟己酮启动喷淋等。第一时间对危险源进行有效遏制。用户也可以根据告警信号等级自定义运维人员、电池开关和灭火系统的安全动作。
[0029] 在上述运维人员、电池开关和消防系统动作期间，本实施例的预警系统一直持续地进行电池状态监测，直到温度、
应力降低至安全阈值内电池管理系统才停止发出告警信号。除了对单体级电池进行监测之外，本实施例还能够对簇级、模组级电池进行同样的监测。
[0030] 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、系统、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。
[0031] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
