鋰電池電化學儲能電站安全監(jiān)測智慧系統(tǒng)研究

熊銘輝 王琳 何根泉 康寧 薛銳

摘 要：隨著全球能源發(fā)展的變化，更多可再生能源進入電力領域，給電力領域的并網(wǎng)帶來了更大挑戰(zhàn)。應對這一挑戰(zhàn)的有效方法之一就是采用儲能技術(shù)，其中鋰離子電化學儲能以其獨有的效率高、環(huán)境適應性強等優(yōu)勢得到快速發(fā)展。為使鋰離子電池工作過程更加高效穩(wěn)定安全，建立了一套儲能電站電池安全監(jiān)測系統(tǒng)（ESMS），功能包括實時顯示電池信息、預估荷電狀態(tài)SOC、超限報警、預處理等，可以有效避免安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：電化學儲能；鋰電池；儲能電站；安全監(jiān)測智慧系統(tǒng)

中圖分類號：TM912? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.001

0? ? 引言

隨著全球能源發(fā)展的變化，可再生能源發(fā)電的占比將越來越大，如光伏、風電、水電等。根據(jù)中國的雙碳計劃[1-2]，“十四五”將是一個關(guān)鍵期，必須大力提高可再生能源在總體能源結(jié)構(gòu)中的比例。目前，在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍然占有很高的地位。但是，根據(jù)國家的能源發(fā)展計劃，我國的煤電裝機在總裝機中的比例在逐年下降，2012年是65.7%，2020年這一數(shù)字降至50%以下。這一變化展示了中國的能源動力體系將更加多元化，更加注重非化石能源的引入。21世紀中葉，我國的可再生能源占比將有可能達到78%甚至更高。在能源結(jié)構(gòu)的改變中，中國的電力系統(tǒng)將迎來巨大的挑戰(zhàn)——可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)，必須著力解決并網(wǎng)過程中出現(xiàn)的超低負荷深度調(diào)峰、頻繁啟停調(diào)峰等問題。

為解決可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)中所遇難題，西方國家在20世紀末最早采用了儲能技術(shù)[3-4]，如意大利和瑞士，主要是抽水蓄能。儲能技術(shù)簡單說就是采用大容量且能實現(xiàn)快速充放電的儲能設施裝置或物理介質(zhì)將一種不易存儲的能量轉(zhuǎn)化為另一種可以長時間存儲的能量。近些年，隨著國內(nèi)外可再生能源的大量裝機，儲能技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，儲能手段也越來越多。儲能技術(shù)涉及的領域非常廣泛，根據(jù)儲能過程涉及的用能形式，大致可分為物理儲能、電磁儲能、電化學儲能等，如圖1所示。

圖2展示的是我國近些年新型儲能新增投運規(guī)模變化曲線。雖然近些年國際市場較為動蕩，而且還有疫情的沖擊，但國內(nèi)的儲能市場依然保持了較高速度的增長。2022年國內(nèi)新型儲能新增投運規(guī)模超過14 GW，同比增長接近兩倍，新增裝機規(guī)模約5.93 GW。其中，電化學儲能[5-6]為主要的新型儲能形式，根據(jù)計算，2022年中國電化學儲能累計裝機規(guī)模達11 GW，電化學儲能份額增長明顯。電化學儲能是利用化學反應直接轉(zhuǎn)化電能的裝置，以鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池為主。其中鋰離子電池儲能由于其自身較大的優(yōu)勢，在儲能市場中占比越來越大，接近九成。

2021年，中國電化學儲能累計裝機規(guī)模5.1 GW，其中，鋰離子電池儲能技術(shù)裝機規(guī)模4.7 GW，裝機規(guī)模占比達92.0%。電化學儲能在發(fā)展過程中面對的挑戰(zhàn)主要包括以下幾點：（1）電化學儲能電站事故頻發(fā)；（2）儲能技術(shù)發(fā)展存在困境；（3）缺乏安全管理規(guī)范和行業(yè)標準；（4）前期項目規(guī)劃和設計存在缺陷。

因為電化學儲能中鋰離子電池儲能具有占地面積小、效率高、轉(zhuǎn)換快、安全可靠、運行靈活、維護簡單等特點，本文將著重研究鋰離子電池儲能方式的檢測管理系統(tǒng)。儲能電池檢測管理系統(tǒng)是實現(xiàn)電池大規(guī)模儲能的基礎和關(guān)鍵，具有以下優(yōu)點：（1）有效增加儲能電池的使用壽命；（2）減小電池在使用過程中的損耗，早發(fā)現(xiàn)問題早解決，提高電池的使用效率和使用安全性，避免各種事故的發(fā)生；（3）保存每個電池單元的全過程數(shù)據(jù)，供查詢使用。

1? ? 鋰電池電化學儲能

儲能介質(zhì)就是能量存儲的容器，直接影響整個系統(tǒng)的效率和安全。圖3展示了常見的幾種儲能介質(zhì)的儲能效率。鉛酸電池的效率在76%左右，相對于其他幾種最低；鋰離子電池[7-9]的效率接近100%，相對于其他幾種最高。另外，鋰離子電池的比能量在70～200 W·h/kg，相對比較高，工作溫度最低可達-30 ℃，不存在其他電池低溫無法正常儲能的缺點。所以，鋰離子電池由于其比能量較高、能在溫差范圍較大的工作場合工作，可以作為儲能介質(zhì)的理想介質(zhì)。因為單個鋰離子電池能量較低，通常為了適應新的發(fā)展要求，會將多個鋰離子電池集成到一起，以電池群的形式出現(xiàn)在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中。2017年中國儲能鋰電池的出貨量是74.8 GW·h，2022年達到130 GW·h，同比增長約74%。從出貨產(chǎn)品應用看，電力儲能仍是最大的應用領域，占比超過70%，而戶用儲能和便攜式儲能表現(xiàn)也超出預期。由儲能電池的出貨量，可以看到鋰電池電化學儲能在儲能技術(shù)中的快速發(fā)展。

在實際工程中，鋰離子儲能電池的組成主要包括有機電解液、正負極以及隔開正負極的隔膜。在外部，為保持電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會采用堅硬的金屬外殼進行密封。基于鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)，可以知道該類電池的散熱性能較差。而且由于鋰離子電池是以集群的形式進行工作，在某些情況下，電池內(nèi)部會在短時間內(nèi)累積大量的熱量，無法及時向外擴散，引發(fā)電池的性能失控，嚴重的將造成安全事故。比如近五年，韓國儲能行業(yè)總共發(fā)生了23次火災事故，分別為充放電后14次、充放電過程中6次、安裝過程中3次。2021年，國內(nèi)發(fā)生了一起嚴重的儲能電池事故，地點是北京某公司，鋰離子儲能電池電站發(fā)生火災并產(chǎn)生爆炸、中毒、觸電等現(xiàn)象，造成兩名消防員死亡、一名受傷。安全事故的高頻率出現(xiàn)給世界范圍內(nèi)正在高速發(fā)展的儲能電池行業(yè)帶來了警示，運行安全必須重視，安全重于一切。因此，亟需構(gòu)建儲能電池消防安全監(jiān)控系統(tǒng)，并增加應急救援機制，對電池的失控現(xiàn)象進行提前預警，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，以降低儲能電池的熱失控概率。

2? ? 儲能電站電池安全監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

儲能電站電池安全監(jiān)測系統(tǒng)（ESMS），又被稱為智能電池管家，起到連接儲能電池和用戶的作用。通過系統(tǒng)平臺的實時檢測記錄，用戶可以實時查看了解電池集群中每個子單元的運行情況，延長電池的使用壽命，降低電池工作過程中可能出現(xiàn)事故的概率，進而保證整個電力系統(tǒng)健康穩(wěn)定地工作。隨著儲能技術(shù)的深入發(fā)展，安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為整個電力系統(tǒng)不可缺少的一部分。研制儲能電站電池安全監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵點是怎樣實時監(jiān)控儲能電池集群中每個子單元的狀態(tài)，并據(jù)此進行管理。大容量電池集群對每個電池的一致性要求更高，實測中，鋰電池經(jīng)過多次運行后性能會有一定差距，使得整個電池系統(tǒng)的性能變差，影響電池的使用時間和電池集群的荷電狀態(tài)SOC。本文開發(fā)的儲能電站電池安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括電池溫度采集模塊、電池電壓采集模塊、電池電流采集模塊、環(huán)境濕度采集模塊和ZigBee通信模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

ESMS子系統(tǒng)的控制核心是微處理器MC9S12-

XS128，在其內(nèi)部集成有單片機、ADC以及無線通信，可以實現(xiàn)系統(tǒng)中各電池信息采集、無線傳遞消息的要求。采用LTC6804采集儲能電池集群組中單體電池的電壓，采用霍爾電流傳感器采集電流，采用NTC熱敏電阻采集電芯表面溫度，采用濕度傳感器LOR采集電池所處環(huán)境的濕度。以上數(shù)據(jù)通過無線通信傳遞給處理器，估算每個電池集群組的荷電狀態(tài)SOC和整個電池集群組的荷電狀態(tài)SOC。通過RS232串口將所有數(shù)據(jù)進一步傳遞到上位機，并與所設置的上下臨界值進行比照，當電池相關(guān)數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)時，上位機顯示報警信息，并指示出現(xiàn)問題的電池單元所在位置，方便后續(xù)處理。ZigBee通信技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、高安全性的雙向無線通信技術(shù)，并且有自組網(wǎng)和自愈能力，可以組建大規(guī)模的網(wǎng)絡。ZigBee可以工作在2.4 GHz（全球）、868 MHz（歐洲）、915 MHz（美國）3個頻段，傳輸速度最高250 kbit/s，最低20 kbit/s，傳輸距離在10～75 m。

采用安時積分法估算電池的荷電狀態(tài)SOC。安時積分法不考慮電池內(nèi)部的作用機理，根據(jù)系統(tǒng)的某些外部特征如電流、時間、溫度補償?shù)龋ㄟ^對時間和電流進行積分，有時還會加上某些補償系數(shù)，來計算流入/流出電池的總電量，從而估算電池的荷電狀態(tài)。目前安時積分法在電池管理系統(tǒng)中應用廣泛，其計算公式如下：

SOC=SOC0- ηI（t）dt

式中：SOC0為電池荷電狀態(tài)的初始電量值；CE為電池的額定容量；η為充放電效率系數(shù)，又被稱作庫倫效率系數(shù)，代表了充放電過程中電池內(nèi)部的電量耗散，以充放電倍率和溫度修正系數(shù)為主；I（t）為電池在t時刻的充放電電流；t為充放電時間。

為使電流測量的精度得到提高，通常采用高性能的電流傳感器來測量電流，但這樣加大了成本。為此，本文在應用安時積分法的同時應用開路電壓法，將二者結(jié)合。開路電壓法用來估算電池的初始荷電狀態(tài)，安時積分法用于實時估算，并且在算式中添加相關(guān)修正因子，以提高計算準確性。

本系統(tǒng)上位機的程序設計采用VB6.0可視化軟件，主要的程序包括硬件初始化、電池狀態(tài)信息獲取、信息傳遞設置、超限報警、歷史數(shù)據(jù)存儲等。為方便今后程序的進一步升級，提高程序的易讀性和效率，根據(jù)功能的種類劃分相應模塊，具體軟件流程如圖5所示。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需要，本軟件的監(jiān)控畫面包括用戶登錄畫面、主監(jiān)控畫面、電池組信息畫面、報警信息畫面、歷史數(shù)據(jù)畫面等，具體如下：

（1）用戶登錄畫面：打開控制軟件后，用戶首先點擊“用戶登錄”按鈕進入登錄界面，如圖6所示。只有正確輸入用戶名和密碼登錄之后，才能進入軟件的主監(jiān)控界面，進而利用系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控、操作或管理。

（2）主監(jiān)控畫面：主監(jiān)控畫面主要展現(xiàn)了儲能電站電池整體數(shù)據(jù)，還可以進行相關(guān)參數(shù)的設置和PLC控制。整體數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)狀態(tài)、總電壓、電流、最高電壓、最低電壓、平均電壓、最高溫度、最低溫度、最高濕度、最低濕度、最高荷電狀態(tài)SOC、最低荷電狀態(tài)SOC，如圖7所示。

圖8為參數(shù)設置畫面，可以根據(jù)實際情況，對系統(tǒng)的參數(shù)進行修改，需要注意的是，只有具有修改權(quán)限的用戶才能實現(xiàn)修改操作。

（3）電池組信息畫面：電池組信息畫面主要用來顯示和實時監(jiān)控每個電池的電壓、電流、溫度、SOC等信息，如圖9所示。

（4）報警信息畫面：報警信息畫面主要顯示監(jiān)控系統(tǒng)的報警情況及具體的故障信息，信息匯總中默認按時間先后順序進行報警信息的輸出，以供管理員實時查看，如圖10所示。

（5）歷史數(shù)據(jù)畫面：打開歷史數(shù)據(jù)畫面窗口后，可查詢檢測系統(tǒng)激活后記錄的所有數(shù)據(jù)，如圖11所示，并顯示每塊電池的電壓、電流、溫度、濕度、SOC隨時間的變化曲線。

3? ? 結(jié)束語

為適應儲能技術(shù)的快速發(fā)展，本文自主研發(fā)了儲能電站電池安全監(jiān)測系統(tǒng)（ESMS），能實時檢測儲能電站每塊電池的狀態(tài)信息，并與正常值進行對照，適時發(fā)布報警信息，提醒工作人員提前進行處理，避免安全事故的發(fā)生，為儲能電池在儲能電站中的大規(guī)模應用提供保障。

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收稿日期：2023-03-31

作者簡介：熊銘輝（1974—），男，云南昆明人，高級經(jīng)濟師，研究方向：工商管理。

通信作者：薛銳（1975—），男，江蘇南京人，副教授，副院長，研究方向：儲能技術(shù)。