本文亮點：1.充分考慮了多個影響因素，可預測儲能系統的運行走勢；2.對電池儲能系統消防安全早期有不同等級的預警，可及時解除危險；3.與傳統方法相比，所用方法一定程度降低了誤警率和漏警率。
摘 要 為了降低集裝箱式鋰離子電池儲能系統火災發(fā)生概率，提出消防安全早期預警方法。分析鋰離子電池儲能系統的生熱過程，確定溫度、電壓等因素與儲能系統消防安全的影響關系。采集電壓、電流、溫度、聲信號等電池儲能系統工作數據，檢測表面健康程序，根據工作數據與表面健康狀態(tài)的變化規(guī)律，綜合考慮影響因素，預測儲能系統的運行走勢，設置電池儲能系統消防安全早期預警等級，完成電池儲能系統消防安全的早期預警。通過性能測試實驗得出結論：與傳統預警方法相比，優(yōu)化設計方法的誤警率和漏警率降低了0.90%以上，不同預警等級下，該方法僅出現1個預警錯誤，而且不同表面破損位置下的預警準確率達到了99.7%，具備有效性和可靠性。
關鍵詞 集裝箱式電池；鋰離子電池；儲能系統；消防安全；早期預警
集裝箱式鋰離子電池是一種以標準集裝箱為載體的儲能系統，它集成了鋰離子電池、電池管理系統、消防系統等多個組成部分，是實現高集成度、大容量和可移動的儲能裝置。與傳統鋰電池相比，集裝箱式鋰離子電池具有集成度高、容量大、可移動性強、接口設計靈活等特征，因此被廣泛應用于多個領域。然而，由于鋰離子電池的特殊性質和集裝箱式儲能系統的復雜性，這種儲能系統也存在一定的安全風險。因此，在使用和維護過程中需要采取相應的措施，包括定期檢查和維護電池、嚴格控制電池的充電和放電狀態(tài)等，以保證電池儲能系統的安全性和穩(wěn)定性。
消防安全是集裝箱式鋰離子電池儲能系統穩(wěn)定運行的保障之一，這是因為電池儲能系統在過充、過放、短路、機械碰撞等情況下，可能發(fā)生熱失控，產生高溫、冒煙，甚至起火。這些危險情況不僅會損壞電池本身，更可能對人身安全和設備安全構成威脅。為了防止電池火災的發(fā)生，提出集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警方法。現階段發(fā)展較為成熟的早期預警方法包括：基于數據-模型混合驅動的電池儲能系統早期預警方法、基于氣液逸出物圖像識別的電池儲能系統早期預警方法和基于氣體分析的電池儲能系統早期預警方法，然而上述傳統早期預警方法主要針對的是普通鋰電池，將其應用到集裝箱式鋰離子電池儲能系統的消防安全早期預警工作中，存在明顯的誤警與漏警現象，為此以集裝箱式鋰離子電池為研究對象，對消防安全早期預警方法進行優(yōu)化設計，以期能夠最大程度地降低電池火災的發(fā)生概率及其帶來的損失。
1 儲能系統消防安全早期預警方法設計
優(yōu)化設計的集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警方法以集裝箱式鋰離子電池為研究對象，通過對儲能系統工作機理和流程的分析，確定影響儲能系統消防安全的影響因素，并以此作為集裝箱式鋰離子電池儲能系統的檢測對象。從電壓、電流、溫度、表面健康和聲信號等方面，采集鋰電池的工作數據，根據數據演變特征，對未來任意時刻儲能系統的安全狀態(tài)參數進行預測，并將預測結果與設置的預警條件和等級進行比對，根據比對結果，判斷是否啟動早期預警程序、選擇合適的預警等級，實現集裝箱式鋰離子電池儲能系統的消防安全早期預警工作。
1.1 確定鋰離子電池儲能系統消防安全影響因素
集裝箱式鋰離子電池主要由電池模塊、電池管理系統、熱管理系統、安全防護系統等組成。其中，電池模塊是儲能系統的核心，由多個單體電池組成，其負責存儲和釋放電能。電池管理系統主要負責監(jiān)控電池的運行狀態(tài)，確保電池的安全穩(wěn)定運行。熱管理系統則負責控制電池的溫度，防止過熱和過冷。由于內部產熱遠高于散熱速率，在鋰離子電池的內部存在大量的熱量，容易產生熱失控現象，這也是集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全風險的產生原因。圖1所示為集裝箱式鋰離子電池儲能系統的火災發(fā)生過程。
圖1 集裝箱式鋰離子電池儲能系統火災發(fā)生過程
集裝箱式鋰離子電池儲能系統的生熱過程可以量化表示為：
式中，Vbattery為集裝箱式鋰離子電池體積；U0和U分別為開路電壓和工作電壓；?U0/?T為熵熱系數；T為電池儲能系統的溫度。從式(1)中可以看出，電池儲能系統的消防安全與溫度和電壓等因素有關，其中溫度因素與電池儲能系統消防安全的影響關系如圖2所示。
圖2 溫度因素與電池儲能系統消防安全的影響關系
除溫度因素外，電池儲能系統消防安全還會受到電流、表面健康狀況、聲信號等因素的影響，按照上述方式可以得出其他因素與電池儲能系統消防安全之間的影響關系，并以影響因素作為電池儲能系統的檢測對象。
1.2 采集集裝箱式鋰離子電池儲能系統工作數據
基于上述確定的鋰離子電池儲能系統消防安全影響因素，采集電壓、電流、溫度、聲信號等工作數據，使用數據采集器或數據記錄儀來采集電壓和電流數據。這些設備可以連接到集裝箱式鋰離子電池儲能系統的電氣接口上，以獲取電壓和電流數據。鋰離子電池儲能系統電壓數據的采集結果為：
式中，max()和min()分別為初始采集工作數據中的最大值和最小值；xg為處理后的數據。
將處理結果重新賦值給初始采集數據。重復上述操作，對任意時刻集裝箱式鋰離子電池儲能系統的工作數據進行采集與處理，得出滿足質量要求的電池儲能系統數據采集結果。
1.3 檢測集裝箱式鋰離子電池儲能系統表面健康程度
除了電池儲能系統的內部工作數據外，還需要度量電池的表面健康狀態(tài)，即采用成像設備生成集裝箱式鋰離子電池各個平面的成像結果，從而充分考慮集裝箱式鋰離子電池儲能系統穩(wěn)定運行的內外部影響因素。檢測集裝箱式鋰離子電池儲能系統表面健康程度的過程中，采用特征提取和特征匹配的方式，確定電池平面中任意像素點是否存在異常，最終得出表面破損面積的檢測結果為：
式中，si()為第i個判定為表面破損像素點所占圖像面積；κimage為成像系數；np為判定為破損像素點的像素總數量。按照上述方式即可得出表面健康程度的檢測結果。
1.4 預測集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢
以采集集裝箱式鋰離子電池儲能系統工作數據為處理對象，提取儲能系統的變化特征，對儲能系統的運行走勢進行推算。儲能系統工作數據變化特征的提取過程可以量化表示為：
式中，xg(t1)和xg(t2)分別為t1和t2時刻采集的工作數據。則任意時刻tw集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢預測為：
式中，κeffect為電池儲能系統發(fā)展進程的影響系數。將式(6)的計算結果代入式(7)中，即可得出集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢的預測結果。按照上述方式也可以得出集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢的預測結果，為儲能系統消防安全早期預警奠定基礎。
1.5 實現儲能系統消防安全早期預警
在完成集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢預測后，設置電池儲能系統消防安全早期預警等級。首先，優(yōu)化設計的早期預警方法采用分級預警方式，即根據集裝箱式鋰離子電池運行的異常程序，啟動不同的預警程序。在正常運行條件下電池儲能系統工作電壓的正常值定義為額定電壓，可以表示為：
式中，Ue為電池儲能系統的額定電壓。電流的正常值如下：
式中，Rbattery為集裝箱式鋰離子電池儲能系統的總電阻。同理可以得出電池儲能系統其他指標的正常值，則電池儲能系統消防安全早期預警程序的啟動條件為：
式中，rnormal為任意工作參數的正常值；r為電池儲能系統的實際工作參數，具體包括溫度、電壓、電流等。集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警等級的設置情況見表1。
表1 鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警等級設置
通過指示燈、通知信息和蜂鳴器三種方式，執(zhí)行集裝箱式鋰離子電池儲能系統的預警程序，若檢測當前鋰離子電池的儲能系統滿足Ⅰ預警等級條件，則同時啟動三種預警方式，指示燈顯示紅燈，閃爍頻率為60次/s，預警信息發(fā)送給管理人員，蜂鳴器發(fā)出信號強度為50 Hz，預警等級為Ⅱ、Ⅲ時，指示燈顯示紅燈，閃爍頻率分別為40次/s和30次/s，蜂鳴器信號強度分別為40 Hz和30 Hz，無需將通知信息發(fā)送給管理人員，而預警等級為Ⅳ、Ⅴ時，指示燈顯示黃燈，閃爍頻率為20次/s。
根據集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢的預測結果，將預測數據與表1表示的預警條件進行比對，判斷是否啟動預警程序，預警程度的啟動條件可以量化表示為：
式中，Uprediction、Iprediction、Tprediction、Yprediction和Sprediction為電壓、電流、溫度、聲信號和表面破損面積的預測值；U(Ⅴ)、I(Ⅴ)、T(Ⅴ)、Y(Ⅴ)和S(Ⅴ)為Ⅴ預警等級電池儲能系統工作數據的下限閾值。當前儲能系統工作數據的預測結果滿足式(11)中的任意一個條件，即啟動早期預警程序。按照相同的比對方式，確定具體的預警方式，當認為停止預警程序或集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行數據變更時，退出早期預警程序。
2 預警性能測試實驗分析
以測試集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警方法的預警功能為目的，采用白盒測試與對比測試相結合的方式，設計性能測試實驗。此次實驗的基本原理為，采用人為設定的方式，控制選擇集裝箱式鋰離子電池儲能系統的運行狀態(tài)和消防安全程度，以此作為預警效果的期望值。利用優(yōu)化設計的消防安全早期預警方法完成預警工作，并記錄預警響應數據。實驗中設置傳統的基于數據-模型混合驅動的電池儲能系統早期預警方法和基于氣液逸出物圖像識別的電池儲能系統早期預警方法作為對比方法，在相同的實驗環(huán)境下，對同樣的電池樣品的消防安全進行早期預警，得出相應的測試結果。
2.1 實驗準備
2.1.1 集裝箱式鋰離子電池樣品
為保證集裝箱式鋰離子電池樣品工作參數的可控性，采用制備的方式準備集裝箱式鋰離子電池樣品。根據需求和目標，設計集裝箱式鋰離子電池的形狀、尺寸和結構?？紤]電池組的串并聯方式、安全保護、熱管理等因素，確保電池組能夠滿足實際應用的需求。選擇鈷酸鋰作為集裝箱式鋰離子電池的電極材料，以有機電解質作為電解質材料，隔膜主要由聚烯烴等高分子材料制成。通過電極制備、電芯組裝、熱管理系統的安裝等步驟，完成集裝箱式鋰離子電池樣品的制造工藝，制備完成后，對集裝箱式鋰離子電池進行性能測試和安全性評估，保證初始制備電池樣品處于安全狀態(tài)。為保證實驗結果的可信度，共制備300個集裝箱式鋰離子電池樣品。由于造成鋰離子電池發(fā)生熱失控有內部因素和外部因素兩種情況，因此從內部工作參數和外部表面結構兩個方面，對集裝箱式鋰離子電池樣品的運行狀態(tài)進行設置，并由此生成早期預警的期望結果。表2所示為部分集裝箱式鋰離子電池樣品運行參數與期望預警結果的設置情況。
表2 集裝箱式鋰離子電池樣品參數設置
按照上述方式可以得出所有集裝箱式鋰離子電池樣品工作參數與早期預警期望目標的設置結果。
2.1.2 數據采集設備
為了實現對電壓、電流、溫度等工作參數的采集，在集裝箱式鋰離子電池儲能系統的工作環(huán)境中安裝相應的數據采集設備。數據采集設備的布設情況，如圖3所示。
圖3 鋰離子電池儲能系統數據采集設備布設實景
數據采集卡選用USB5622型號，該型號兼容USB2.0，具備16路模擬與數字量輸入輸出功能，且支持即插即用。USB5622的AD模擬量輸入采樣頻率高達500 kSps，輸入阻抗高達10 MΩ，而DA模擬量輸出的各通道轉換速率為100 ksps，轉換精度高達12位。此外，它支持10/100 M自適應網絡類型，并采用TCP網絡協議。
2.1.3 早期預警方法開發(fā)工具
優(yōu)化設計的集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警方法使用keiluVision5作為軟件開發(fā)環(huán)境，并在配置開發(fā)環(huán)境過程中選擇ARM中的MDK作為編譯和下載工具。
2.2 實驗過程
利用準備的早期預警方法開發(fā)工具，完成對優(yōu)化設計早期預警方法的開發(fā)，并接入制備的集裝箱式鋰離子電池樣品。通過工作數據采集、工作走勢預測等步驟，得出消防安全的早期預警結果。其中01號電池樣品的消防安全早期預警輸出結果，如圖4所示。
圖4 儲能系統消防安全早期預警結果
按照上述方式可以得出實驗中所有集裝箱式鋰離子電池樣品儲能系統消防安全的早期預警結果。利用相同的開發(fā)工具，對兩種傳統方法進行開發(fā)，并得出相應的早期預警結果。為實現對預警性能的量化測試，設置誤警率和漏警率作為測試指標，其中誤警率指的是等級預警錯誤的樣本數量，而漏警率是指應啟動預警程序但未啟動的樣本數量，上述測試指標的數值結果為：
式中，Nerr、Nwarning、Nreality和N分別為等級預警錯誤、預期預警、實際預警的樣本數量以及樣本總數量。最終計算得出誤警率和漏警率越低，說明對應方法的預警性能越優(yōu)。
2.3 實驗結果
通過相關數據的統計，得出反映早期預警性能的測試結果，見表3。
表3 電池儲能系統消防安全早期預警性能測試數據
將表3中的數據代入式(12)中，計算得出兩種傳統方法的平均誤警率分別為1.29%和1.62%，漏警率平均值分別為1.01%和1.35%，優(yōu)化設計消防安全早期預警方法誤警率和漏警率平均值均為0.07%。由此可知，本工作方法的誤警率和漏警率均低于傳統方法，其降低了0.90%以上，說明該方法有效降低了預警錯誤性。根據表4數據可知，三種方法在不同預警等級中預警情況不同，基于數據-模型混合驅動的電池儲能系統早期預警方法僅Ⅳ等級全部預警正確，而其他預警等級均存在預警錯誤的情況，最高預警錯誤個數達到了2個，并且預警等級錯誤無規(guī)律，而基于氣液逸出物圖像識別的電池儲能系統早期預警方法在Ⅱ～Ⅴ預警等級時，均存在2個預警錯誤，Ⅰ預警等級存在1個預警錯誤，而且該方法發(fā)生的錯誤均為預警等級低，與這兩個傳統方法相比，本工作設計的優(yōu)化設計集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警方法僅在Ⅳ預警等級時出現1個預警錯誤，將其預警為更高的Ⅲ，也觸發(fā)了預警，由此可知，本工作方法在不同預警等級下，其可以準確預警。這是因為傳統方法沒有充分考慮內外部影響因素，導致預警不夠準確，而本工作方法充分考慮了集裝箱式鋰離子電池儲能系統穩(wěn)定運行的內外部影響因素，采用特征提取和特征匹配的方式，確定了電池平面中任意像素點是否存在異常，因此，可以在不同預警等級下準確預警。
表4 預警等級預測結果分析
考慮到實際工作中鋰離子電池表面破損位置可能不同，該情況可能影響本工作方法預警的準確性，因此，分析不同表面破損位置下三種方法的預警準確率，結果見表5。
表5 不同表面破損位置下預警準確
根據表5數據可知，三種方法的預警準確率均達到了96.0%以上，但是傳統方法的預警準確率相對較低，在樣本數量達到300個時，基于數據-模型混合驅動的電池儲能系統早期預警方法的預警準確率為97.7%，基于氣液逸出物圖像識別的電池儲能系統早期預警方法的預警準確率為96.0%，而此時本工作方法的預警準確率為99.7%，相比可知，本工作方法的預警準確率比傳統方法提高了2.0%以上，其仍可以保持較高的預警準確率，因此，該結果說明本工作方法受到表面破損位置不同的影響較小，可以準確預警。這是因為傳統方法考慮影響因素不全面，并且沒有準確預測儲能系統的運行走勢，導致預警不準確，而本工作方法采用成像設備生成了集裝箱式鋰離子電池各個平面的成像結果，也充分考慮了系統穩(wěn)定運行的內外部影響因素，得出了表面破損面積的檢測結果，并且以采集電池儲能系統工作數據為處理對象，提取儲能系統的變化特征，推算了儲能系統的運行走勢，從而可以在不同表面破損位置下準確預警，提高了預警準確率。
3 結 論
集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行時的安全問題是本體因素和運行環(huán)境因素長期演化導致的，同時也是部分外部因素影響發(fā)生的問題。因此，對這些因素進行演化過程的分析、監(jiān)測和評估，設計了集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警方法。該方法充分考慮了多個影響因素，并且結合了集裝箱式鋰離子電池儲能系統運行走勢，設計了預警等級，實現了準確的早期預警。實驗分析可知，該方法的集裝箱式鋰離子電池儲能系統消防安全早期預警準確，并且不同預警等級和不同表面破損位置下均預警準確，準確率達到了99.7%，其具備了較好的預警性能。以期通過該研究避免集裝箱式鋰離子電池儲能系統發(fā)展到熱失控階段，降低火災發(fā)生概率與損失。
