儲(chǔ)能站鋰電池倉抑爆滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王保力，楊耿煌，張國正，董 建，李亮亮，郝夏毅

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.天津天霧智能科技有限公司，天津 300405）

鋰電池儲(chǔ)能是新能源應(yīng)用中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)推動(dòng)綠色能源高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要意義[1-3]。目前，鋰電池儲(chǔ)能站已經(jīng)初步形成規(guī)模，在汽車、緊急事故備用等多個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，且相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)仍不斷突破升級(jí)，是現(xiàn)在乃至將來實(shí)現(xiàn)能源替代最具可行性技術(shù)[4-5]。電池儲(chǔ)能站是將獨(dú)立鋰電池以串并聯(lián)結(jié)合方式提高電池的電壓和儲(chǔ)存容量，而儲(chǔ)能站電池因串并聯(lián)數(shù)量較大，鋰電池的質(zhì)量、數(shù)量和能量密度的增加使隱患發(fā)生的可能性極大增加[6-7]。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中，鋰電池組的監(jiān)控系統(tǒng)非常重要。電池倉相對(duì)封閉，隱患一般是從電池內(nèi)部發(fā)熱開始，最高溫度可達(dá)到300℃，溫度上升會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)短路。當(dāng)鋰電池出現(xiàn)熱失控，將激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，內(nèi)部材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量，產(chǎn)生大量毒性濃煙以及可燃性氣體[8-11]，最終導(dǎo)致爆炸、沖擊等危害。近些年來，全球鋰電池儲(chǔ)能電站因鋰電池事故發(fā)生多起爆炸，涉及亞洲、歐美等多國，因此鋰電池儲(chǔ)能站的安全問題受到了極大的關(guān)注[12]。

針對(duì)儲(chǔ)能站電池倉電池安全問題，文獻(xiàn)[13]提出了防消一體化控制策略，遵循“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的原則，建立早期預(yù)警、后期滅火的防護(hù)設(shè)計(jì)理念。文獻(xiàn)[14]提出了以單片機(jī)為核心的報(bào)警控制系統(tǒng)，利用不同材料的感溫電纜檢測(cè)電池溫度狀態(tài)，并通過解析數(shù)據(jù)判斷是否執(zhí)行小型化氣溶膠滅火功能，但是該設(shè)計(jì)沒有建立良好的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，不適用于儲(chǔ)能站滅火。文獻(xiàn)[15]提出電池儲(chǔ)能監(jiān)控設(shè)計(jì)，通過以太網(wǎng)構(gòu)建電池儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)，以FPGA開發(fā)板為核心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析上傳，從后臺(tái)可直接觀測(cè)各單元電池情況，但該設(shè)計(jì)只有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，無法實(shí)現(xiàn)初期抑爆滅火。基于上述設(shè)計(jì)理念，本文開發(fā)一套抑爆滅火控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)電池的火情初期控制。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能站是由多組鋰電池倉組成。為便于鋰電池倉監(jiān)控，在每個(gè)鋰電池倉內(nèi)部分別布設(shè)1個(gè)就地環(huán)境抑爆控制單元（簡(jiǎn)稱抑爆控制單元），利用RS-485多機(jī)通信的方式，將多組鋰電池倉內(nèi)部抑爆控制單元作為從機(jī)掛載到一套泵組巡檢控制器（簡(jiǎn)稱泵組控制器）上，控制器通過讀取抑爆控制單元編號(hào)及抑爆控制單元上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)，解析各鋰電池倉內(nèi)部情況，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能站運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。儲(chǔ)能站鋰電池倉抑爆滅火系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能站鋰電池倉抑爆滅火系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 泵組控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵組控制器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及動(dòng)作執(zhí)行、報(bào)警記錄存儲(chǔ)等功能，是儲(chǔ)能站運(yùn)行監(jiān)控的控制核心，主要包括模擬量輸入輸出模塊和RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口。系統(tǒng)運(yùn)行過程執(zhí)行輪詢模式，每30 s向儲(chǔ)能站內(nèi)部抑爆控制單元發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議指令，獲取各鋰電池倉內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比和邏輯分析，經(jīng)由屏幕顯示各倉內(nèi)的運(yùn)行情況，并提供相應(yīng)提示，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。泵組控制器通過變頻器驅(qū)動(dòng)泵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)加壓，將罐內(nèi)全氟己酮滅火材料送入管道中。

泵組控制器包括：管道壓力檢測(cè)部分、EEPROM、報(bào)警模塊、變頻器驅(qū)動(dòng)泵機(jī)部分、屏幕顯示部分、報(bào)警復(fù)位按鈕、手動(dòng)/自動(dòng)旋鈕、手動(dòng)巡檢按鈕、艙級(jí)滅火按鈕以及PACK級(jí)按鈕，其中管道壓力檢測(cè)部分是在管內(nèi)壁上下加裝2個(gè)壓力傳感器，檢測(cè)內(nèi)壁滅火材料對(duì)罐體的壓力。EEPROM用于存儲(chǔ)報(bào)警記錄，可存儲(chǔ)100條，實(shí)現(xiàn)斷電數(shù)據(jù)保持。聲光報(bào)警模塊采用24 V直流電供電，僅能通過人工方式復(fù)位，采用RS-485通信總線實(shí)現(xiàn)XD070YTD14R屏幕顯示，按下報(bào)警復(fù)位按鈕，系統(tǒng)強(qiáng)制停止，手動(dòng)/自動(dòng)旋鈕可以選擇泵機(jī)啟動(dòng)模式，手動(dòng)模式下，按下巡檢按鈕系統(tǒng)進(jìn)行一次巡檢，按下倉級(jí)滅火按鈕控制變頻器啟動(dòng)泵機(jī)，按下PACK級(jí)按鈕打開管道總閥門。

1.2 抑爆控制單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抑爆控制單元主要功能是采集鋰電池倉內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，通過RS-485通信方式每隔30 s向倉內(nèi)CO氣體傳感器發(fā)送特定通訊指令，氣體傳感器將檢測(cè)到的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息上傳，抑爆控制單元將分析CO氣體傳感器的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)接收泵組控制器就地控制指令，如開啟相關(guān)路徑閥門，抑爆控制單元是整個(gè)儲(chǔ)能站數(shù)據(jù)收集和就地控制的關(guān)鍵部分。

抑爆控制單元主要包括：百葉窗、風(fēng)扇、電磁閥、CO傳感器、溫感傳感器、煙感傳感器、報(bào)警模塊以及放氣指示燈。百葉窗和風(fēng)扇用于換氣，電磁閥控制滅火管道鋰電池倉終端接口處管路的通斷，CO傳感器采集電池泄露時(shí)釋放的CO氣體數(shù)據(jù)。溫感傳感器和煙感傳感器檢測(cè)鋰電池倉內(nèi)溫度和煙霧情況，分別采用西安盛塞爾電子的JTY-BD-885和JTY-GD-882，聲光報(bào)警器的作用是在倉內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)異常后警報(bào)，放氣指示燈用來提示滅火泵機(jī)工作狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

泵組控制器和抑爆控制單元硬件電路主要包括GD32F103ZET6最小系統(tǒng)電路、RS-485通信電路、溫感傳感器檢測(cè)電路、煙感傳感器檢測(cè)電路、模擬量輸入輸出電路等。

2.1 最小系統(tǒng)電路及RS-485通訊電路

基于成本和產(chǎn)品性能考慮，最小系統(tǒng)電路選用兆易公司生產(chǎn)的GD32F1032ET6單片機(jī)為主控制器。基于儲(chǔ)能站內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜性等原因，改變傳統(tǒng)RS-485通訊芯片方案，選取RSM3485芯片，該芯片最多可接入256個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離。內(nèi)部采用IC集成技術(shù)，自帶定壓隔離電源，可實(shí)現(xiàn)2 500 VDC電氣隔離。在輸出端加入瞬態(tài)抑制二極管，用于保護(hù)RSM3485不受瞬間高壓沖擊，加入共模濾波器可抑制噪聲信號(hào)，加入120 Ω的終端電阻，以消除通信電纜中的信號(hào)反射，增加RS-485通信距離，有效降低儲(chǔ)能站磁場(chǎng)干擾導(dǎo)致的信號(hào)傳輸出現(xiàn)誤碼或數(shù)據(jù)丟失。通過CON端片選信號(hào)的控制，控制芯片接收和發(fā)送狀態(tài)的變化。RS-485通信電路圖如圖2所示。

2.2 溫感及煙感傳感器檢測(cè)電路

檢測(cè)電路采用西安盛塞爾公司的煙感傳感器和溫感傳感器，傳感器在報(bào)警狀態(tài)下內(nèi)部阻值減小，經(jīng)過傳感器的電流增加，以及三極管電流開關(guān)特性，設(shè)計(jì)三極管檢測(cè)電路，將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，對(duì)鋰電池倉的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，煙感、溫感傳感器檢測(cè)電路如圖3所示。SMOGVCC端接傳感器VIN端，SMOG_OUT端接傳感器電壓OUT端。煙感傳感器正常工作電流為1.3 mA，報(bào)警狀態(tài)下工作電流為1.6 mA，溫感傳感器正常工作電流為5.95 mA，報(bào)警狀態(tài)下工作電流為9.25 mA，溫感傳感器和煙感傳感器檢測(cè)電路正常狀態(tài)下，基極電壓均為1 V，報(bào)警狀態(tài)下基極電壓均為1.7 V，TEMPVCC端接傳感器VIN端，TEMP_OUT端接傳感器電壓OUT端。

圖3 煙感、溫感傳感器檢測(cè)電路

2.3 模擬量輸入輸出電路

模擬量輸入電路接入滅火材料罐體和管道內(nèi)的壓力傳感器，壓力傳感器輸出4～20 mA模擬信號(hào)，在模擬量輸入電路中，通過LMV321構(gòu)成的過零比較器將外部模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，采用HCNR201進(jìn)行信號(hào)隔離，保證外部信號(hào)不會(huì)干擾到內(nèi)部核心控制區(qū)的運(yùn)行，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過另一個(gè)由LMV321集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的過零比較器，輸出為微控制器I/O可讀取的信號(hào)。模擬量輸出電路為向變頻器輸入信號(hào)，控制泵機(jī)轉(zhuǎn)速，在模擬量輸出電路中，通過三級(jí)管將I/O輸出信號(hào)放大，經(jīng)過光耦隔離將數(shù)字信號(hào)二次放大，輸入到變頻器。模擬量輸入、輸出電路如圖4所示。

圖4 模擬量輸入與輸出電路

2.4 系統(tǒng)外圍接口

抑爆控制單元外圍接口如表1所示，泵組控制器外圍接口如表2所示。

表1 抑爆控制單元外圍接口

表2 泵組控制器外圍接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

抑爆單元控制流程圖如圖5所示。

圖5 抑爆單元控制流程圖

抑爆單元控制流程：系統(tǒng)運(yùn)行后，每30 s將讀取的CO傳感器數(shù)據(jù)上傳到泵組控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉內(nèi)環(huán)境變化，當(dāng)環(huán)境溫度超過60℃或者產(chǎn)生煙霧，滿足其中一個(gè)條件時(shí)，報(bào)警模塊報(bào)警，當(dāng)倉內(nèi)CO氣體含量超過7 142 mg/m3（第一報(bào)警閾值），系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)和百葉窗打開，當(dāng)倉內(nèi)CO氣體含量超過42 857 mg/m3（第二報(bào)警閾值），系統(tǒng)會(huì)將百葉窗關(guān)閉，風(fēng)機(jī)保持打開狀態(tài)，同時(shí)打開電磁閥，使滅火材料能順利送到出現(xiàn)隱患的電池倉內(nèi)進(jìn)行滅火。檢測(cè)過程中出現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)，會(huì)一直保持直到人工檢查后確定安全，手動(dòng)清除報(bào)警。

泵組控制單元控制流程：系統(tǒng)運(yùn)行后，首先讀取并解析內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每隔30 s查詢抑爆單元，將讀取到的抑爆單元數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，若達(dá)到報(bào)警狀態(tài)，則記錄報(bào)警時(shí)間及故障倉編號(hào)，并將故障信息發(fā)送到RS-485屏幕顯示，報(bào)警模塊開始報(bào)警，泵機(jī)開始啟動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到罐內(nèi)壓力值≥1 MPa后，打開電磁總閥，將滅火材料通過管道送到故障倉。未發(fā)生故障時(shí)，泵組只循環(huán)執(zhí)行定時(shí)查詢功能。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)儲(chǔ)能站鋰電池倉抑爆滅火需求進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種抑爆滅火控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GD32F103ZET6微控制器為硬件核心，設(shè)計(jì)并搭載最小系統(tǒng)電路、RS-485通訊電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、有源輸入電路、溫感傳感器檢測(cè)電路、煙感傳感器檢測(cè)電路、模擬量輸入輸出電路等外圍電路構(gòu)成硬件系統(tǒng)，由具體運(yùn)行監(jiān)測(cè)目標(biāo)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能站抑爆滅火控制系統(tǒng)的監(jiān)控和智能滅火功能。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在保證穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)針對(duì)鋰電池事故的抑爆滅火控制功能，有效降低爆炸概率，增強(qiáng)鋰電池正常運(yùn)行系統(tǒng)的魯棒性，保障人身安全和設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全，為儲(chǔ)能站的安全運(yùn)行提供具有工程參考意義的實(shí)例。