预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置的制作方法

1.本发明涉及电化学储能系统监测预警技术领域，具体涉及一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置。


背景技术：

2.锂离子电池通常指采用锂合金的金属氧化物作为正极材料，采用石墨作为负极材料，使用非水电解质溶液的可充电电池，属于二次电池范畴。锂离子电池具有自放电率低、能量密度高和循环寿命长等优点，应用于社会生活的诸多方面，在储能领域也得到广泛应用。锂离子热失控是指在使用过程中由于过充/过放、热滥用或机械损伤等原因，造成锂离子电池内部发生不可逆的自反应产热，进而导致电池温度逐渐升高失控的状态。预制舱式电化学储能系统是指将多块锂离子电池通过串联、并联等方式连接增加容量、提高电压，并将电池管理系统(bms)、功率转换系统(pcs)等功能模块集成到预制舱内形成一个整体系统，通过能量管理系统(ems)进行系统控制，也就是一个更大容量、更高电压的电池系统。由于锂离子电池热失控会引发火灾、爆炸等严重事故，尤其在预制舱式电化学储能系统中电池密集布置、相对封闭的环境，一旦单个发生热失控，会引发连锁反应导致热失控在储能系统内部快速蔓延造成火灾、爆炸等严重事故，同时由于预制舱系统内部环境封闭，舱外的火灾探测报警及安全监测系统难以第一时间发现事故。因而，针对预制舱储能系统如何在锂离子电池未发生热失控之前，通过监测电池自身电压、电流、温度、压力等参数和预制舱内气体、烟雾、温度等信息，实现对储能系统热失控早期监测预警和精准定位具有重要意义。
3.探测报警技术从探测对象分为感烟探测、感温探测、烟温复合探测、可燃气体探测及火焰探测等，从探测手段分为点型、线型、吸气式、光谱图像等。其中，传统的感烟火灾探测通过探测火灾烟雾中进行监测预警，感温火灾探测通过探测火灾烟气的温度实现火灾探测，一般适用于由外部火源引燃可燃物的情况，对于锂离子电池热失控的场景，其探测时间过于滞后，难以实现对热失控事故的有效监测预警。可燃气体探测通过监测环境中甲烷(ch4)、一氧化碳(co)、氢气(h2)等气体的浓度进行预警，然而传统可燃气体探测方法多采用气体爆炸下限(lfl)作为探测阈值远高于锂离子电池发生热失控析出气体的浓度，难以有效监测到锂离子电池热失控。图像探测技术具有实时性好、响应速度快等优势，然而对于预制舱式电化学储能系统，图像探测存在照度低、遮挡多等限制，技术应用难度大。并且，锂离子电池热失控过程多由电芯内部开始，现有监测预警手段难以实现对热失控电芯早期预警和准确定位。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，包括温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块、多信号融合预警模块、可视化交互模块；温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块分别与多信号融合预警模块电连接，多信号融合预警模块与可视化交
互模块电连接；
5.所述温度监测模块用于采集预制舱式电化学储能系统中单个电芯的电压信号v及串联模组的电流信号i；还用于采集电芯表面的温度值t2；并将采集到的温度值传输给多信号融合预警模块；
6.所述气体分析模块用于监测锂离子电池析出的氢气的浓度值vol1、一氧化碳的浓度值vol2，并传输给多信号融合预警模块；
7.所述多频声波定位阵列用于监测锂离子电池热失控中气体析出的声音信号s1、安全阀开阀的声音信号s2，并将采集到的声音信号传输给多信号融合预警模块；
8.所述分布式压力传感器用于监测锂离子电池内部或电池簇间的压力值f，并传输给多信号融合预警模块；
9.所述多信号融合预警模块用于根据电压信号v、电流信号i生成表征电芯内部温度的温度值t1，根据预设的分级预警关系将接收到的采样值形成分级监测预警激励反馈，根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位；所述采样值包括温度值t1、温度值t2、浓度值vol1、浓度值vol2、声音信号s1、声音信号s2、压力值f；
10.所述可视化交互模块用于实现人机信息交互，包括可视化显示采样值、故障电芯的定位信息以及预警信息。
11.所述温度监测模块包括电压/电流监测电路和温度传感器，电压/电流监测电路的输出端、温度传感器分别连接多信号融合预警模块；
12.所述电压/电流监测电路用于采集电芯的电流信号i、电压信号v；
13.所述温度传感器用于采集电芯表面的温度值t2。
14.所述气体分析模块包括mems气敏元件、信号调理单元、a/d转换单元，所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理；
15.所述分布式压力传感器包括硅压阻式压力传感器、信号调理单元、a/d转换单元；
16.所述多频声波定位阵列包括mems接收器、信号调理单元、a/d转换单元。
17.所述分级监测预警激励反馈，具体表述为根据预设的分级预警关系形成三级预警的激励反馈：
18.一级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数、压力参数中的任意一项达到一级预警阈值δ1时，则发出一级预警信号；当达到一级预警阈值δ1后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并将定位信息发送给bms用于切断故障电芯所在的电池箱的电流；
19.二级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数达到二级预警阈值δ2时，或压力参数达到二级预警阈值δ2且气体参数达到一级预警阈值δ1时；当达到二级预警阈值δ2后，多信号融合预警模块根据多频声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并发出释放热阻隔处置的联动信号；
20.三级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数和气体参数均达到三级预警阈值δ3，发出联动bms切断储能舱电流的信号，并发出触发自动灭火系统释放气体灭火、细水雾灭火处置的联动信号。
21.所述根据电压信号v、电流信号i生成表征电芯内部温度的温度值t1，计算公式为：
[0022][0023]
式中，cm为温度参数，r
内
为电池内阻，t0为电芯的初始温度；
[0024]
所述根据根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位，具体表述为：
[0025]
步骤b1：在电池箱内一水平侧面上均匀布置i个mems传感器，水平布置的传感器采集到的多频声波信号记为x0～xi；在一竖直侧面上均匀布置j个mems传感器，竖直布置的传感器采集到的多频声波信号记为y0～yj；
[0026]
步骤b2：将长度为60秒的一段多频声波回波信号划分为6个时间段，每个时间段长度为10秒；
[0027]
步骤b3：将划分时间段后的多频声波回波信号从时间域变换到频率域，将一个时间段对应的频域信号作为一组信号窄带波束，利用窄带波束形成算法给出信号的指向性；
[0028]
步骤b4：将水平方向6个时间段对应的窄带波束信号给出的指向性再进一步利用宽带波束形成算法进行波束形成处理，将获取边缘处声源点相对坐标点x0的角度记为声源点的水平方向角；利用竖直方向6个时间段对应的窄带波束信号获取边缘处声源点相对于坐标点y0的角度ψ0记为声源点的竖直方向角；水平方向和竖直方向12个时间段的窄带波束信号进行波束形成处理获取声源点相对于传感器所在坐标点(xi,yj)的方向ξ
i,j
；
[0029]
步骤b5：根据每个声源点ψj、ξ
i,j
的相交点坐标得到该生源点所对应传感器的位置坐标，然后根据电池芯、储能箱在储能舱的位置确定发生故障的电芯及储能箱的位置，其中ψj表示第i个声源点的水平方向角、竖直方向角。
[0030]
本发明的有益效果是：
[0031]
本发明提出了一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，与现有技术相比较，本发明考虑多源信号融合分析，构建了电-热-气-力多信息融合的多级预警体系，引入多级监测预警体系构建出针对锂离子电池储能舱的系统化预警体系，并提出了对应的应急处置措施。同时，建立了基于电压/电流信号的电芯内温度监测模块，实现电芯温度的实时监测，融合了热失控过程典型气体分析监测模块，避免因电网波动导致了监测误报高的限制，引入多频声波阵列模块实现对热失控电芯的精准定位，为后续bms模块动作及消防系统联动处置提供必要信息，能有效提升热失控防控处置的有效性，从而可更好地防止这些早期故障引发灾难性的后果。
附图说明
[0032]
图1为本发明中预制舱式电化学储能舱监测、预警及定位系统框图；
[0033]
图2为本发明中多频声波接收阵列的结构示意图；
[0034]
图3为本发明中压力传感器的布置示意图；
[0035]
图4为本发明中故障电芯精准定位的电路原理图；
[0036]
图5为本发明中所述预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置接线原理图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。本发明目的在于提供一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，旨在解决现有电化学储能系统监测预警技术存在的监测滞后、精度不高及难以定位等问题。
[0038]
如图1所示，一种预制舱式电化学储能系统火灾监测、预警及定位装置，包括：温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块、信号调理单元、多信号融合预警模块、可视化交互模块；温度监测模块、气体分析模块、多频声波定位阵列、分布式压力传感模块分别与多信号融合预警模块电连接，多信号融合预警模块与可视化交互模块无线连接；所述气体分析模块包括mems(微机电系统简称mems)敏感元件、信号调理单元、a/d转换单元，所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理；图1中
①
为本发明系统部分，
②
为开放的i/o接口，
③
为无源的传感器模块，
④
为有源的在线模块，
⑤
为多频声波定位阵列。其中
②
仅提供接口模块，
③
布置在预制舱式电化学储能系统的每个电池箱内，
④
每个储能柜布置1个，
⑤
在接收到
④
的激励后进行扫描定位。
[0039]
所述分布式压力传感器包括硅压阻式压力传感器、信号调理单元、a/d转换单元；
[0040]
所述多频声波定位阵列包括mems接收器、信号调理单元、a/d转换单元；
[0041]
所述温度监测模块用于采集预制舱式电化学储能系统中单个电芯的电压信号v及串联模组的电流信号i；还用于采集电芯表面的温度值t2；并将采集到的温度值传输给多信号融合预警模块；多信号融合预警模块用于根据电压信号v、电流信号i生成表征电芯内部温度的温度值t1，温度值t1、t2作为温度监测模块的二级预警，并通过can/rs485总线将监测的温度值传输到多信号融合预警模块和可视化交互模块。
[0042]
所述气体分析模块用于监测锂离子电池析出的氢气(h2)的浓度值vol1、一氧化碳(co)的浓度值vol2等热失控征兆气体，并传输给多信号融合预警模块；
[0043]
采集浓度值的传感器具体为mems敏感元件，由滤波电路和信号放大器构成信号调理单元，后进行a/d转换单元进行模数转换后传输给多信号融合预警模块。mems敏感元件在不同征兆气体氛围下产生电激励，进过信号调理、a/d转换输出气体浓度值，实现对预制舱储能箱内气体分析监测，并通过can/rs485总线将气体浓度值传输到多信号融合预警模块和可视化交互模块。根据监测的氢气(h2)浓度为vol1、监测的一氧化碳(co)浓度为vol2作为气体分析模块的预警信号。
[0044]
通过多频声波阵列采集多路声波回波信号，多信号融合预警模块通过宽带波束形成算法实现对故障电芯的精准定位，为后续开展热阻隔及灭火处置提供前置信息。多频声波定位阵列通过can/rs485总线接收到多信号融合预警模块的预警监测激励后多频声扫描定位并将定位信息通过can/rs485总线回传到多信号融合预警模块进行综合判断。如图2所示，多个多频声波传感器按照x、y两个方向均匀布置，通过确定声源点和x、y轴的夹角相交处即为发生热失控故障的电池簇在x、y平面的位置。
[0045]
具体实施时，如图2所示，通过布置的多频声波传感器位置坐标0y～xy共计i个水平等间距布置的传感器，坐标x0～xy共计j个竖向等间距布置的传感器，将0y～xy共计i个水平布置的传感器采集的多频声回波信号记为x0～xi，将坐标x0～xy共计j个竖直布置的传感器采集的多频声回波信号记为y0～yj。首先将把某一时间段(10s)的信号从时间域变换到
频率域，然后将每组频域信号作为窄带波束，利用波束形成算法进行波束形成处理获取声源点相对xi的角度利用波束形成算法进行波束形成处理获取声源点相对yj的角度ψj，最后对全部窄带波束(选取6组共计60s的信号)进行宽频波束形成，并利用波束形成算法计算出声源点的位置相对于坐标点(xi,yj)的方向ξ
i,j
，利用声源点相对于xi、yj和(xi,yj)三点角度的相交点，确定声源点的准确位置。
[0046]
所述分布式压力传感器用于监测锂离子电池内部或电池簇间的压力值f，并传输给多信号融合预警模块；分布式压力传感器包括mems硅压阻式压力传感器、由滤波电路和信号放大器构成的信号调理单元、和进行模数的转换a/d转换单元。通过can/rs485总线将监测得到的压力值传输到多信号融合预警模块和可视化交互模块。根据监测的单个电芯压力值f1，或者监测电池簇间的压力值f2作为分布式压力传感器的二级预警激励反馈。如图3所示，在每个电池内部布置，在确定发生热失控故障的电池簇在xoy平面的位置后，进一步确定发生故障电池在电池箱中的准确位置，其中i为单个电芯处布置的压力传感器、ii为电池簇端部布置的在电池簇的压力传感器，通过分布式压力传感器模块监测电池单体或电池簇的压力变化。
[0047]
故障电芯精准定位的原理图如图4所示，首先通过声波定位电路将声阵列传感器输入到定位监测电路，然后将输入信号传输到stm32g474的信号处理芯片进行预处理；再通过stm32g474同主控芯片rs485或can通信实现对监测信号的分析处理，通过定位算法给出定位信息；
[0048]
所述超声波定位阵列用于监测锂离子电池热失控中气体析出的声音信号s1、安全阀开阀的声音信号s2，并将采集到的声音信号传输给多信号融合预警模块；根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位，具体表述为：
[0049]
步骤b1：在电池箱内一水平侧面上均匀布置i个mems传感器，水平布置的传感器采集到的超声波信号记为x0～xi；在一竖直侧面上均匀布置j个mems传感器，竖直布置的传感器采集到的超声波信号记为y0～yj；
[0050]
步骤b2：将长度为60秒的一段超声波回波信号划分为6个时间段，每个时间段长度为10秒；
[0051]
步骤b3：将划分时间段后的超声波回波信号从时间域变换到频率域，将一个时间段对应的频域信号作为一组信号窄带波束，利用窄带波束形成算法给出信号的指向性；
[0052]
步骤b4：将水平方向6个时间段对应的窄带波束信号给出的指向性再进一步利用宽带波束形成算法进行波束形成处理，将获取边缘处声源点相对坐标点x0的角度记为声源点的水平方向角；利用竖直方向6个时间段对应的窄带波束信号获取边缘处声源点相对于坐标点y0的角度ψ0记为声源点的竖直方向角；水平方向和竖直方向12个时间段的窄带波束信号进行波束形成处理获取声源点相对于传感器所在坐标点(xi,yj)的方向ξ
i,j
；
[0053]
步骤b5：根据每个声源点ψj、ξ
i,j
的相交点坐标得到该生源点所对应传感器的位置坐标，然后根据电池芯、储能箱在储能舱的位置确定发生故障的电芯及储能箱的位置，其中ψj表示第i个声源点的水平方向角、竖直方向角。
[0054]
所述多信号融合预警模块用于根据电压信号v、电流信号i生成表征电芯内部温度的温度值t1，根据预设的分级预警关系将接收到的采样值形成分级监测预警激励反馈，根据接收到的多路声波回波信号实现对故障电芯的精准定位；所述采样值包括温度值t1、温
度值t2、浓度值vol1、浓度值vol2、声音信号s1、声音信号s2、压力值f。
[0055]
本实施例采用单片机作为多信号融合预警模块，根据预设的分级预警关系，通过单片机进行分析处理给出分级监测预警激励反馈，并将激励反馈信号传输到多频声波定位阵列和可视化交互模块，单片机可提供bms(电池管理系统)/ems(能量管理系统)及消防控制器使用的开放式接口。
[0056]
所述可视化交互模块用于实现人机信息交互，包括可视化显示采样值、故障电芯的定位信息以及预警信息；即接收多信号融合预警模块、温度监测模块、气体分析模块和分布式压力传感模块的激励信息进行可视化显示，并根据接收多信号融合预警模块和多频声波定位阵列多级预警激励，发出联动响应信号到锂离子电池储能系统的热阻隔及灭火处置单元。并包含rj54/can/rs485的开放接口，支持无线wifi及5g通信模块，实现数据的本地存储及云端上传，服务基于云端平台的监测预警以及本地故障的分析调查。
[0057]
所述温度监测模块包括电压/电流监测电路和温度传感器，电压/电流监测电路的输出端、温度传感器分别连接多信号融合预警模块；
[0058]
所述电压/电流监测电路用于采集电芯的电流信号i、电压信号v；本实施例中的电压/电流监测电路中的电压跟踪模块为bd42530to263-5，对电芯正极电压变化进行实时监测，并将信号并传到stm32g474的信号处理芯片进行处理；再通过stm32g474同主控芯片rs485或can通信实现对监测信号的分析处理；
[0059]
所述温度传感器用于采集电芯表面的温度值t2。
[0060]
所述信号调理单元包括信号放大器、滤波电路；信号放大器接收到的信号经放大处理后输出给滤波电路进行滤波处理。
[0061]
所述分级监测预警激励反馈，具体表述为根据预设的分级预警关系形成三级预警的激励反馈：
[0062]
一级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数、压力参数中的任意一项达到一级预警阈值δ1时，则发出一级预警信号；当达到一级预警阈值δ1后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并将定位信息发送给bms用于切断故障电芯所在的电池箱的电流；
[0063]
二级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数达到二级预警阈值δ2时，或压力参数达到二级预警阈值δ2且气体参数达到一级预警阈值δ1时，；当达到二级预警阈值δ2后，多信号融合预警模块根据超声波定位阵列采集到的多路声波回波信号利用宽带波束形成算法生成故障电芯的定位信息，并联动释放热阻隔处置措施，比如多信号融合预警模块发出高电平的一个触发开关量信号；
[0064]
三级预警激励反馈：多信号融合预警模块监测到温度参数和气体参数均达到三级预警阈值δ3，发出联动bms切断储能舱电流的信号，并发出触发自动灭火系统释放气体灭火、细水雾灭火处置的联动信号。
[0065]
所述根据电压信号v、电流信号i生成表征电芯内部温度的温度值t1，计算公式为：
[0066][0067]
式中，cm为温度参数，r
内
为电池内阻，t0为电芯的初始温度；
[0068]
假设电芯的初始温度为t0，设置电芯的阈值温度为t
alarm
，电池内阻认为常数r
内
，设
置温度参数为cm，正常充放电过程中的预测时长选取为t，认为电池为理想电源存在如下函数关系：
[0069]
dt/dt＝f(v,i)＝cm*(t
1-t0) v*i-i2/(v/r
内
)＝0；
[0070]
认为正常调试完成，静止中监测到的v、i是满足上式关系的，当充放电运行中，会存在由于电池充放电做功导致的内部自产热，则可以利用上式计算t1的值，当t1≥t
alarm
，则发出预警信号，其中此处的预设值t
alarm
，根据不同电池内隔膜类型而不同(60～120℃)，此处建议值为80℃。
[0071]
所述装置接线原理图的如图5所示，本实施例中温度监测模块、气体分析模块、分布式压力传感器、多频声波定位阵列均通过can/rs485总线与多信号融合预警模块相连。图5中spi/convert can为转换接口，spi/uart为通信接口，spi为串行外设接口，uart为通用异步收发传输接口，mipi-csi中mipi为移动产业处理器接口联盟，csi为mipi联盟下camera工作组指定的接口标准，ddr3 32bit ddr3为第三代双倍速率同步动态随机存储器规格，32bit表述内存传输带宽为32位，gmac为千兆网媒体访问控制器，rtl 8211e-vb-cg为千兆网接口芯片。