一种储能系统的火灾极早期预警设备、控制系统及方法

技术领域

本发明属于储能系统安全领域，具体涉及一种储能系统的火灾极早期预警设备、控制系统及方法。

背景技术

电化学储能系统是当前最为成熟的储能技术路线，然而电化学储能系统的消防安全问题确是制约主流的锂离子电池储能大规模推广的关键瓶颈。储能系统火灾扑救困难的原因在于：(1)作为高能量密度的含能物质，其燃烧激烈、蔓延迅速；(2)储能单元热失控过程中释放大量有毒可燃烟气，在封闭空间内存在爆炸风险，极易引发事故蔓延；(3)储能系统堆叠密集，热失控时积热严重，常规的自动灭火措施，如水喷淋、气体灭火等，对于锂电池火灾扑救效果不理想，易复燃。

现有研究多针对单体或是模组级的储能单元热失控机理、蔓延特性及其灭火措施，如赵蓝天等通过实验了高压细水雾系统在冷却和抑制锂离子电池模组热失控的有效性。但实际上现有储能预制方舱其容量多在兆Wh级，而高压细水雾系统的灭火时间长，用水量大，其对于大容量储能预制方舱火灾的扑救效果尚缺乏实证支持。

此外，现有锂电池储能系统消防设计，对于大容量储能电站火灾的有效探测和扑救难度，判断过于理想化。如CN109432634A公开的一种针对集装箱式锂离子电池储能系统，设置全氟己酮气体灭火与冷却系统、细水雾系统以及喷淋系统的三级灭火响应方法。该方法中采用热失控剧烈→电芯安全阀被冲开→射流火焰喷出→探火管熔断作为启动气体灭火与冷却系统的触发信号。锂电池的安全阀位于每个电芯单元，意味着用于触发最早的一级响应的探火管，需要沿成千上万个电芯布设，否则就无法及时检测到可能的剧烈热失控隐患，因此探火管敷设的工作量巨大。此外，锂电池电芯安全阀冲开后多为多次射流火的喷出；且伴随着射流火焰会释放出大量高温有毒易燃气体，引发邻近电芯热失控蔓延，且有触发轰燃或爆炸的可能。此时再启动自动灭火系统往往为时已晚，已无法阻止热失控剧烈蔓延。

结合锂电池热失控发展机理研究成果，以及储能电站火灾事故分析结论，在本安型锂电池、专用高效灭火剂等研究短期内难以取得突破的背景下，应将锂电池电站火灾防治的重心，从火灾事故报警检测和事后扑救，转移到火灾事故的极早期预警上来。实际上，历史事故分析表明，常规的温度、火焰、烟雾等火灾探测手段，均不足以在锂电池热失控发展到剧烈失控阶段之前检测到火灾发生。根据锂离子电池热失控发展机理，在热失控初期，正负极材料、电解液等发生分解反应会释出特征气体。利用气敏材料检测锂电池热失控释出的特征气体是灵敏度更高的极早期检测手段。此外，不同于动力电池，储能系统电池作为固定设备，其热失控诱发因素更多来自于过充、短路、超温等原因，而非由机械(挤压、冲撞等)事故；此类由电/热滥用所引发的热失控，如能在发展至剧烈失控期临界拐点之前及时排除诱发因素，能够终止热失控进程，阻止事故进一步恶化蔓延。因此，对于大容量锂电池储能系统而言，火灾极早期预警是更有效可行的事故预防手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种储能系统的火灾极早期预警设备、控制系统及方法，以在提升储能系统的运行安全性的同时，降低设备购置和维护成本。

本发明所述的储能系统的火灾极早期预警设备，包括采样管道、采样分析主机和m×n个电磁阀。所述采样管道包括一根采样标定管、m根采样干管和与放置在集装箱体内的m×n个储能单元一一对应的m×n根采样支管，每根采样干管通过n个电磁阀分别连接n根采样支管，采样标定管上开设有多个采样孔。所述采样分析主机包括第一多通道切换阀、第二多通道切换阀、抽气泵、主机控制器和k+1个气体传感器，第一多通道切换阀具有m个进气口和一个出气口，第二多通道切换阀具有一个进气口和k个出气口，第一多通道切换阀的m个进气口分别与m根采样干管连接，第一多通道切换阀的出气口与第二多通道切换阀的进气口连接，第二多通道切换阀的k个出气口分别通过k根连接管连接抽气泵的入口，采样标定管通过一根连接管连接抽气泵的入口，抽气泵的出口连接能伸出集装箱体外的排气管(排气管用于将流经抽气泵的出口的气体排至集装箱体外)，k+1个气体传感器分别安装在k+1根连接管上；k+1个气体传感器的输出端、第一多通道切换阀的控制端、第二多通道切换阀的控制端和抽气泵的控制端分别与主机控制器电连接。

优选的，所述第一多通道切换阀、第二多通道切换阀、电磁阀和气体传感器需满足：k

如果气体传感器满足：k

如果气体传感器满足：k

其中，k

根据第一多通道切换阀、第二多通道切换阀、电磁阀和气体传感器需要满足的条件，来选择第一多通道切换阀、第二多通道切换阀、电磁阀的型号，在第一多通道切换阀、第二多通道切换阀、电磁阀的型号确定后，T

优选的，所述气体传感器为氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、烷烃类传感器和碳酸甲乙酯传感器中的一种或者多种。根据储能单元正负极及电解液材料不同，选用氢气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、烷烃类传感器和碳酸甲乙酯传感器中的一种或者多种组合交叉检测，可以提升检测的灵敏性和可靠性。

本发明所述的储能系统的火灾极早期预警方法，采用上述火灾极早期预警设备，将m×n根采样支管分别伸入m×n个储能单元的气体收集装置内，以抽取储能单元析出的气体，将采样标定管安装在集装箱体内，以通过所述采样孔抽取m×n个储能单元所处环境中的气体(即抽取集装箱体内的气体)。该火灾极早期预警方法为：

主机控制器先控制m×n个电磁阀都处于打开状态，控制抽气泵按照预设的抽气风量Q运行，然后轮询控制第一多通道切换阀的m个进气口中的一个进气口与其出气口接通，轮询控制第二多通道切换阀的k个出气口中的一个出气口与其进气口接通，主机控制器对k个气体传感器输出的采样干管内的特征气体检测值和一个气体传感器(即与采样标定管对应的那个气体传感器)输出的储能单元所处环境中的特征气体检测值进行判断：

如果某根采样干管内的特征气体检测值满足第一一级预警条件，则主机控制器记录一级预警事件，控制与该采样干管对应的第一多通道切换阀的一个进气口与其出气口保持接通；而后主机控制器控制该采样干管上的n个电磁阀打开与关闭，找到一级预警位置，将一级预警事件信号和一级预警位置信号发送出去。

如果某根采样干管内的特征气体检测值满足第一二级预警条件，则主机控制器记录二级预警事件，将二级预警事件信号和该采样干管对应的n个储能单元位置信号发送出去，然后再控制与该采样干管对应的第一多通道切换阀的一个进气口与其出气口保持接通；而后主机控制器控制该采样干管上的n个电磁阀打开与关闭，找到二级预警位置，将二级预警位置信号发送出去。

优选的，所述主机控制器控制特征气体检测值满足第一一级预警条件的采样干管上的n个电磁阀打开与关闭，找到一级预警位置的具体方式有两种。

第一种为：主机控制器将该采样干管上的n个电磁阀均分成x组，轮询控制其中一组电磁阀打开，控制剩余x-1组电磁阀都关闭，直至某组电磁阀打开时该采样干管内的特征气体检测值满足第二一级预警条件；然后主机控制器轮询控制该组电磁阀(即满足第二一级预警条件时该采样干管上呈打开状态的一组电磁阀)中的一个电磁阀打开，控制其剩余

第二种为：主机控制器轮询控制该采样干管上的n个电磁阀中的一个电磁阀打开，控制其剩余n-1个电磁阀都关闭，直至某个电磁阀打开时该采样干管内的特征气体检测值满足第三一级预警条件，主机控制器将该电磁阀(即满足第三一级预警条件时该采样干管上呈打开状态的一个电磁阀)所对应的储能单元所在位置作为一级预警位置。

优选的，所述主机控制器控制特征气体检测值满足第一二级预警条件的采样干管上的n个电磁阀打开与关闭，找到二级预警位置的具体方式为：

主机控制器轮询控制该采样干管上的n个电磁阀中的一个电磁阀打开，控制其剩余n-1个电磁阀都关闭，直至某个电磁阀打开时该采样干管内的特征气体检测值满足第二二级预警条件，主机控制器将该电磁阀(即满足第二二级预警条件时该采样干管上呈打开状态的一个电磁阀)所对应的储能单元所在位置作为二级预警位置。

优选的，所述第一一级预警条件为：θ

所述第一二级预警条件为：θ

其中，θ

所述预设的抽气风量Q需满足：

所述预设的一级预警阈值θ

所述预设的二级预警阈值θ

其中，v

优选的，如果储能单元为电池包，则所述气体收集装置为电池包壳体，所述采样支管从电池包壳体上的出风口格栅位置伸入电池包壳体内。如果储能单元为电池模组，则所述气体收集装置为电池模组壳体，所述采样支管从电池模组壳体上的出风口格栅位置伸入电池模组内。如果储能单元为电芯，则所述气体收集装置为套在电芯上的气体采样封套，所述采样支管伸入气体采样封套内，抽取气体。

本发明所述的储能系统的火灾极早期控制系统，包括与上级能量管理系统(即上级EMS)进行通信的电池管理系统(即BMS)和上述火灾极早期预警设备，电池管理系统与m×n个储能单元中的电池控制单元通信连接，主机控制器与电池管理系统通信连接，主机控制器被配置为能执行上述火灾极早期预警方法。

本发明所述的储能系统的火灾极早期控制方法，采用上述火灾极早期控制系统，该控制方法为：

主机控制器将一级预警事件信号、一级预警位置信号、二级预警事件信号、特征气体检测值满足第一二级预警条件的采样干管对应的n个储能单元位置信号以及二级预警位置信号发送给电池管理系统。

在收到一级预警事件信号和一级预警位置信号后，电池管理系统通过与一级预警位置对应的电池控制单元(即BCU)查询一级预警位置的储能单元运行温度，如果该储能单元运行温度异常，则关断该储能单元，记录一级预警事件，延时预设时间后再接通该储能单元；如果该储能单元运行温度正常，则仅记录一级预警事件。

在收到二级预警事件信号和特征气体检测值满足第一二级预警条件的采样干管对应的n个储能单元位置信号后，电池管理系统关断该n个储能单元。

在收到二级预警位置信号后，电池管理系统将除二级预警位置的储能单元之外的其余n-1个储能单元接通(即让二级预警位置的储能单元保持关断状态，控制其余n-1个储能单元接通)，记录二级预警事件，并将二级预警事件相关信息上传至上级能量管理系统。

本发明具有如下效果：

(1)利用采样管道将储能单元内的气体和储能单元所处环境中的气体抽取送至气体传感器，提升了检测灵敏性，避免了储能单元堆叠、机架布置、内部气流组织等不利因素对特征气体扩散特性的干扰。

(2)通过轮询控制第一多通道切换阀的m个进气口中的一个进气口与其出气口接通、轮询控制第二多通道切换阀的k个出气口中的一个出气口与其进气口接通以及轮询控制采样干管上的电磁阀打开的方式来选通用于检测的气体传感器，从而确保了气体传感器检测的准确性，实现了隐患储能单元的快速精确定位，节省了气体传感器的使用数量，降低了设备购置和维护成本。

(3)第一多通道切换阀完成待检测的气体样本的循环进样，第二多通道切换阀完成工作的气体传感器的切换，通过第一多通道切换阀与第二多通道切换阀的配合，在节省气体传感器恢复时间、提高隐患储能单元定位精度的同时，也提升了预警设备的灵活性与适用性。

(4)采样分析主机专设一个气体传感器用于检测通过采样标定管抽取的气体，作为储能单元所处环境的背景浓度检测及气体传感器漂移/老化标定基准值，在判断是否满足预警条件时使用，从而提高了预警判断的准确性，减少了误报率。

(5)将火灾极早期预警与电池管理系统的热管理相结合，组成火灾极早期控制系统，确保储能系统的安全可靠运行，避免了储能单元大范围关断(切除)误操作可能，实现了火灾极早期预警与储能系统正常运行的协调统一。

附图说明

图1为本实施例中储能系统的火灾极早期控制系统的原理框图。

图2为本实施例中储能系统的火灾极早期预警方法中主机控制器的执行流程图。

图3为本实施例中储能系统的火灾极早期控制方法中电池管理系统的执行流程图。

具体实施方式

如图1所示，储能系统具有m×n个储能单元，m×n个储能单元放置在集装箱体7内。电池管理系统8(即BMS)将储能系统划分为共计m×n个地址单元，亦即电池管理系统8可以按照

本实施例中的储能系统的火灾极早期预警设备，包括采样管道、采样分析主机1和m×n个电磁阀2，m、n的数值根据储能系统的模块化设计型式优化设定。采样管道包括一根采样标定管3、m根采样干管4和与m×n个储能单元一一对应的m×n根采样支管5，每根采样干管4通过n个电磁阀2分别连接n根采样支管5，采样标定管3上开设有多个采样孔31。采样分析主机1包括第一多通道切换阀11、第二多通道切换阀12、抽气泵13、主机控制器14和k+1个气体传感器15，气体传感器15为氢气传感器，第一多通道切换阀11具有m个进气口和一个出气口，第二多通道切换阀12具有一个进气口和k个出气口，第一多通道切换阀11的m个进气口分别与m根采样干管4连接，第一多通道切换阀11的出气口与第二多通道切换阀12的进气口连接，第二多通道切换阀12的k个出气口分别通过k根连接管16连接抽气泵13的入口，采样标定管3通过一根连接管16连接抽气泵13的入口，抽气泵13的出口连接能伸出集装箱体外的排气管17，k+1个气体传感器15分别安装在k+1根连接管16上；k+1个气体传感器15的输出端、第一多通道切换阀11的控制端、第二多通道切换阀12的控制端和抽气泵13的控制端分别与主机控制器14电连接。另外，气体传感器15也可以是一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、烷烃类传感器和碳酸甲乙酯传感器中的一种或者多种，或者是氢气传感器与一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、烷烃类传感器、碳酸甲乙酯传感器的组合。气体传感器15用于检测特征气体(比如氢气、一氧化碳、二氧化碳等)的体积浓度，输出与特征气体检测值(即特征气体的体积浓度)对应的电信号至主机控制器14。

第一多通道切换阀11、第二多通道切换阀12、电磁阀2和气体传感器15满足：k

本实施例中，气体传感器15满足：k

其中，k

如图2所示，本实施例中的储能系统的火灾极早期预警方法，采用上述火灾极早期预警设备，将m×n根采样支管5分别伸入m×n个储能单元的气体收集装置内，以抽取储能单元析出的气体；将采样标定管3安装在集装箱体7内，以通过采样孔31抽取m×n个储能单元所处环境中的气体(即抽取集装箱体7内的气体)。如果储能单元为电池包，则气体收集装置为电池包壳体，采样支管5从电池包壳体上的出风口格栅位置伸入电池包壳体内；如果储能单元为电池模组，则气体收集装置为电池模组壳体，采样支管5从电池模组壳体上的出风口格栅位置伸入电池模组内；如果储能单元为电芯，则气体收集装置为套在电芯上的气体采样封套，采样支管5伸入气体采样封套内，抽取气体。

该火灾极早期预警方法中主机控制器14执行如下步骤：

S1、控制m×n个电磁阀2都处于打开状态，控制抽气泵13按照预设的抽气风量Q运行，然后执行S2；

S2、轮询控制第一多通道切换阀11的m个进气口中的一个进气口与其出气口接通(即通过控制第一多通道切换阀11进行通道切换的方式来控制相应的进气口与出气口接通)，轮询控制第二多通道切换阀12的k个出气口中的一个出气口与其进气口接通(即通过控制第二多通道切换阀12进行通道切换的方式来控制相应的出气口与进气口接通)，然后执行S3；

S3、判断采样干管内的特征气体检测值是否满足第一一级预警条件，如果是，则执行S4，否则执行S12；

S4、记录一级预警事件，控制与该采样干管对应的第一多通道切换阀11的一个进气口与其出气口保持接通，然后执行S5；

S5、将该采样干管上的n个电磁阀2均分成x组，然后执行S6；

S6、轮询控制其中一组电磁阀打开，控制剩余x-1组电磁阀都关闭，然后执行S7；

S7、判断该组电磁阀打开时该采样干管内的特征气体检测值是否满足第二一级预警条件，如果是，则执行S8，否则返回执行S6；

S8、轮询控制该组电磁阀中的一个电磁阀打开，控制其剩余

S9、判断该电磁阀打开时该采样干管内的特征气体检测值是否满足第三一级预警条件，如果是，则执行S10，否则返回执行S8；

S10、将该电磁阀所对应的储能单元所在位置作为一级预警位置，然后执行S11；

S11、将一级预警事件信号和一级预警位置信号发送发送给电池管理系统6，然后执行S12；

S12、判断采样干管内的特征气体检测值是否满足第一二级预警条件，如果是，则执行S13，否则返回执行S1；

S13、记录二级预警事件，将二级预警事件信号和该采样干管对应的n个储能单元位置信号发送给电池管理系统6，然后执行S14；

S14、控制与该采样干管对应的第一多通道切换阀11的一个进气口与其出气口保持接通，然后执行S15；

S15、轮询控制该采样干管上的n个电磁阀中的一个电磁阀打开，控制其剩余n-1个电磁阀都关闭，然后执行S16；

S16、判断该电磁阀打开时该采样干管内的特征气体检测值是否满足第二二级预警条件，如果是，则执行S17，否则返回执行S15；

S17、将该电磁阀所对应的储能单元所在位置作为二级预警位置，然后执行S18；

S18、将二级预警位置发送给电池管理系统6，然后返回执行S1。

其中，

并且，预设的抽气风量Q满足：

一级预警阈值设定为单个储能单元在热失控早期，未进入失控临界拐点前的特征气体析出，足以触发相应预警信号；因此，预设的一级预警阈值θ

二级预警阈值设定为检测单个储能单元进入失控临界拐点但停止热/电滥用等触发条件后，热失控仍能成功终止；因此，预设的二级预警阈值θ

其中，v

本实施例中的储能系统的火灾极早期控制系统，包括与上级能量管理系统(即上级EMS)8进行通信的电池管理系统6和上述火灾极早期预警设备，电池管理系统6与m×n个储能单元中的电池控制单元通信连接，主机控制器14与电池管理系统6通信连接，主机控制器14被配置为能执行上述火灾极早期预警方法。

如图3所示，本实施例中的储能系统的火灾极早期控制方法，采用上述火灾极早期控制系统，该控制方法为：

主机控制器14将一级预警事件信号、一级预警位置信号、二级预警事件信号、特征气体检测值满足第一二级预警条件的采样干管对应的n个储能单元位置信号以及二级预警位置信号发送给电池管理系统6。

电池管理系统6执行如下步骤：

P1、判断是否收到一级预警事件信号和一级预警位置信号，如果是，则执行P2，否则执行P6。

P2、通过与一级预警位置对应的电池控制单元(即BCU)查询一级预警位置的储能单元运行温度，然后执行P3；

P3、判断该储能单元运行温度是否异常，如果是，则执行P4，否则执行P5；

P4、关断该储能单元，记录一级预警事件，延时预设时间后再接通该储能单元，然后执行P6；

P5、仅记录一级预警事件，然后执行P6；

P6、判断是否收到二级预警事件信号和特征气体检测值满足第一二级预警条件的采样干管对应的n个储能单元位置信号，如果是，则执行P7，否则返回执行P1。

P7、关断该n个储能单元，然后执行P8；

P8、判断是否收到二级预警位置信号，如果是，则执行P9，否则继续执行P8；

P9、将除二级预警位置的储能单元之外的其余n-1个储能单元接通(即让二级预警位置的储能单元保持关断状态，控制其余n-1个储能单元接通)，记录二级预警事件，并将二级预警事件相关信息上传至上级能量管理系统8，然后返回执行P1。