摘要鋰離子電池儲能艙是儲能系統的核心部件，內部存放大量電池，一旦發生嚴重事故極易造成整個鋰離子電池儲能艙的燒毀，如無法獲取事發時刻系統和電池堆的運行數據，將給事故分析帶來困難。本文對鋰離子電池儲能艙可能發生的故障及異常情況進行了全面的研究和分析，提出了一種鋰離子電池儲能艙運行狀態信息采集系統方法，該方法能實時記錄運行時的狀態信息，并在儲能艙發生異常狀況時快速啟動錄波，保存數據為儲能系統事故分析供應技術支撐。

關鍵詞鋰離子電池儲能艙；運行狀態采集；故障錄波；啟動元件；分析軟件

隨著我國“2030年碳達峰，2060年碳中和”目標的確立，風電和光伏等可再生能源將作為電力系統主力能源迎來前所未有的快速發展機會。可再生能源自身波動性、間歇性等特性將對電力系統的安全和穩定帶來極大的挑戰。近年來快速發展的各種電力儲能技術，可應用于平抑可再生能源發電波動、提高電網彈性和電能質量、降低棄風棄光，使其成為有效的靈活性資源，滿足未來電力系統對靈活性調節資源的迫切需求。

鋰離子電池因具有相對較好的安全性和較高的能量密度成為電化學儲能系統配置的首選。儲能系統的核心部件鋰離子電池儲能艙重要由鋰離子電池堆、雙向變流器、電池管理系統、消防動環系統、就地監控/智輔系統等組成。由于發展時間較短，電池儲能技術行業標準和規范尚不完善，仍存在較大的安全性和可靠性問題?，F有鋰離子電池儲能艙在實際應用中大多存在以下問題或不足：①儲能艙內各單元相對獨立，單元間缺少信息交互，狀態信息同步性差；②能量管理系統或就地監控系統與儲能艙各單元有一定的數據交互，但缺乏綜合分析和診斷功能，無法對數據進行有效篩選和提取，用于分析儲能站內安全隱患；③現有儲能艙內各系統均不具備真正意義上的故障錄波功能，無法記錄事故發生前后的運行信息，無法對事故追溯分析供應幫助。

據相關報道，截止2020年年底，韓國國內發生了近30起儲能系統失火的安全事故，我國和美國也發生了多起事故。引起事故的原因雖然無外乎電池本體熱失控、電氣安全等，但均缺少支撐事故原因分析的現場事故數據。通過國內外調研，在電池儲能艙安全與診斷技術方面，目前重要通過BMS簡單檢測電池狀態，并進行數據記錄，如電壓、溫度等，BMS未損壞時可用于事故簡單還原分析；但由于安全策略重要側重事故后的消防滅火，暫時無法做到從根源上提前防止事故，同時在實時故障信息的采集和診斷技術方面，幾乎是一片空白，所采集的煙感、溫感和可燃氣體成分都是事故后的二次數據，缺乏原理性和事故時刻的系統運行狀態的協同分析。

因此，基于以上分析，從安全保障出發，迫切要為儲能艙建立一套運行狀態信息采集系統(即黑匣子)，同步匯總艙內信息，完整監測鋰離子電池儲能艙運行情況，并記錄故障發生前后的擾動數據作為分析依據。通過建模技術，達到準確、全面和快速地實現診斷、預判、故障定位等功能，可用于預防事故，全面還原該時刻問題原因。

1狀態信息采集系統架構

該系統既要堅持信息的實時性和完整性原則，又要經濟性，鋰離子電池儲能艙內的電池數量龐大，重新鋪設一套獨立采集網絡的可行性不高，要充分利用已有監測設備。為此，該系統中設計了多種通信接口，可接入已有設備并匯總信息，保障采集實時性；設計多路模擬量和開關量信號輸入通道，接入艙內沒有覆蓋到的采集點，保證信息覆蓋的完整性。

該系統按三層兩網架構設計，包含前端采集設備、就地后臺和遠端后臺；數據網絡包含用于前置機和就地后臺之間的通信網絡(底層網絡)，就地后臺和遠程后臺之間的通信網絡(頂層網絡)，系統架構如圖1所示。

圖1系統整體架構

每個電池箱內安裝電池箱管理單元(BMM)，完成對箱體內單體電池電壓和溫度的采集工作。若干個電池箱構成一個電池簇，簇內建立一個數據傳輸網絡，簇內信息由簇管理單元(BCM)管理，匯總簇單體電壓、溫度等信息，BCM同時完成簇端電壓、電流、絕緣的采集工作，形成對整簇電池的保護控制策略。多個電池簇并聯構成一個電池堆，簇與簇之間采用另一個網絡進行簇間信息傳輸。數據記錄單元接入到這兩個網絡中，并從中獲取所需數據。數據記錄單元通過接收PCS端的信息，用于獲取PCS的運行狀態。數據記錄單元的數據與就地分析管理單元和調度中心通過網絡進行數據通信，全站對時系統對站內設備進行時間同步。

電池箱管理單元(BMM)、電池簇管理單元(BCM)、PCS系統、消防動環系統、智能設備均作為運行狀態采集系統的前端采集設備，和數據記錄單元的模擬量、開關量采集通道一起構建成底層動態記錄數據網，向數據記錄單元傳送單體電池信息、電池簇端信息、動環信息等數據；數據記錄單元連接頂層數據網絡，向儲能站內的就地分析管理單元上傳數據，用于智能分析和維護；網關機連接站外數據記錄網，實現數據遠程存儲和調度，系統具有對時功能。數據記錄單元與就地分析管理單元、就地分析管理單元與調度中心之間支持IEC-61850通訊規約，實現信息與數據的實時交互，并滿足雙網冗余實現要求[7-10]。數據記錄單元具備就地數據存儲功能，安裝在鋰離子電池儲能艙艙外底部位置，能在網絡故障和鋰離子電池儲能艙燒毀的極端情況下保障數據安全。

2狀態信息采集系統設計

2.1數據記錄單元硬件設計

數據記錄單元由電流傳感器、電壓傳感器、AD調理電路、開關量采集電路、DSP數據采集板、ARM控制板，從接入信息的多樣性和通訊實時性考慮，數據記錄單元有多個通道的通訊接口。

DSP板部分完成高速采集(如交流電壓、電流等)和故障啟動判斷；ARM板部分負責通信接口信息獲取、數據存儲、信息轉發、設備管理功能。兩個板之間采用雙口RAM進行數據交互，協同完成啟動和錄波任務。數據記錄單元的硬件結構如圖2所示。

圖2數據記錄單元裝置硬件結構圖

數據記錄單元具有自供電能力，能保障失電工況下設備持續正常運行。數據記錄單元采用2組鋰離子電池作為自備用電源，可持續自供電運行48h，自備電源供電電路如圖3所示。外部供電時，Vout=8.0V，用作裝置工作電源和鋰離子電池組的充電電源(鋰離子電池額定電壓為7.4V)。當外部失電時，Vout=0，鋰離子電池向裝置供電?？紤]備用鋰離子電池電源不能長時間浮充，因此裝置通過軟件控制策略，平時旁路充電回路，定期維護鋰離子電池電源，切換開關采用MOS管，無切換次數限制。

圖3自備電源的電路圖

2.2啟動量選取和觸發機制

鋰離子電池要工作于適宜的電壓、電流、溫度等參數的安全工況內。國外學者已對鋰離子電池故障及安全演化機理進行了深入研究，認為過充、過放、過電流、過熱工況以及電池內部短路是導致電池安全狀態演化致熱失控的直接原因。另外運行環境的熱沖擊也將造成電池的過熱。儲能艙作為整體，其中一個部分發生故障，就可能引起其他組成部分的交叉故障，導致故障復雜化。分析故障時要從系統的層面收集數據。

本系統覆蓋儲能艙內各類故障及異常情況，啟動判據重要考慮以下幾種情況：單體電池電壓/溫度異常、電池簇端電壓/電流異常、電池堆端電壓/電流異常、儲能系統絕緣異常、消防動環告警、PCS告警、儲能艙內各開關動作、充放電啟動等。本系統支持三種方式的故障錄波啟動判斷：突變量啟動、閥值啟動、開關量變化啟動，故障錄波啟動判斷邏輯見圖4。

圖4故障錄波啟動判斷邏輯

鋰離子電池儲能艙一般容量均超過1MW·h，目前已可以做到3MW·h容量，艙內多達上千個乃至上萬個單體鋰離子電芯，儲能系統的異常一般由個別單體異常引起，而單體電池的異常往往發生在最高幾節、最低幾節或突變的幾節上。所以異常發生時，每簇單體電池的最高若干節(如最高5節)、最低若干節(如最低5節)和變化最大的若干節(如變化最大的5節)要實時記錄；電池堆端和簇端電壓、電流、絕緣同步實時記錄；PCS側交流、直流量通過通訊或數據記錄單元實時采集和記錄；煙感、水浸等消防變位和艙內環境溫濕度根據系統配置情況同步記錄；各系統的告警狀態、接觸器和斷路器的位置狀態作為重要的事故分析依據也實時記錄。除此之外還可以根據儲能艙的具體配置情況新增故障記錄通道。

故障錄波觸發可以細分為電壓判據、電流判據、溫度判據、絕緣判據、自適應啟動和非電量判據，各判據詳細描述如下文所述。

2.2.1電流判據

2.2.4自適應判據

雖然儲能系統因其規模、功能不同有多種運行方式，但是同一儲能艙一段時期內的運行方式基本固定，其中運行時段、最大充放電功率、最大電流、最大電壓、絕緣值等參數在該時期內基本保持一致，對此信息進行自動收集，并形成輔助啟動的觸發判據，即能靈敏地記錄儲能系統運行變化狀態，其形成和判斷邏輯如圖5所示。

圖5自適應判據的形成和判斷框圖

自適應判斷對儲能艙運行時背景數據擾動進行監測，獲取當前時刻點的運行背景數據，通過對關鍵數據(如電壓、電流、功率、絕緣、溫度等)多次采集，得到一個相對穩定的數據組集合，這個數據組集合形成了當前時刻點的運行背景數據。當運行數據擾動大于內部預設定值時觸發啟動，同時重新進行背景數據的獲取，形成新的數據集合作為再次判斷依據。背景數據始終是動態變化的，能靈敏反映運行時關鍵數據的擾動。對背景數據集合內的參數進行加權處理，可以靈活地適應不同儲能應用場合。

2.2.5非電量判據

非電量判據重要包括：支持手動啟動錄波，支持遙控啟動錄波，開入量啟動錄波，聯動啟動錄波，或者系統收到其他設備通過網絡通信或開入量變位啟動錄波等其他相關啟動。

2.3存儲和通信設計

數據記錄及就地分析管理兩單元作為數據存儲與計算的節點，其中存儲結構如圖6所示。前者負責單個儲能艙模擬量、開入量數據的存儲和計算處理，一般可配置64G就地存儲器；后者負責站內所有采集數據的存儲和分析，一般可配置2TB或以上硬盤。

圖6數據存儲結構

現有儲能艙就地監控系統或BMS單體采集間隔大于100mS，電池堆端和簇端的模擬量采集間隔大于10mS。在此基礎上，數據記錄單元存儲艙內全時段完整數據并在故障時進行錄波，按照表1的要求進行保存。

表1數據記錄單元信息記錄保存間隔

每個儲能艙配置一臺數據記錄單元負責擾動啟動判斷，大大降低了對現有儲能艙各系統的改造工作。整個儲能站信息分布到各數據記錄單元，實時性得到提高，也相對降低了就地分析性能要求。網絡正常情況下，數據可即時就地分析；網絡中斷情況下，數據采用循環存儲方式存儲，恢復后可即時上傳，或可直接導出數據，以便及時分析。就地分析管理單元分析、歸類并上傳就地儲能能量管理系統(EMS)或電網調度中心。

2.4就地分析管理單元設計

該單元可以獨立組建也可以集成至EMS，其優點在于：只關注艙內信息，數據量小，并采用專用數據傳輸網絡，能更實時的供應數據源；系統具有故障錄波的功能，能夠對故障進行追憶和分析；隨著大量運行數據的積累逐步形成故障分析專家系統。

人機交互采用WEB方式展示波形和運行信息；數據庫保存儲能艙長期運行數據，為專家診斷分析模塊供應數據支撐；采集管理模塊作為數據記錄單元信息接入接口。就地分析管理單元的框圖如圖7所示。

圖7就地軟件管理單元軟件框圖

就地分析管理單元應用軟件具有如下特點：①預知電池的充放電狀態，結合從數據記錄單元獲取的實時數據，能對每個單體電池建立實際的充放電曲線數據庫，縱向比較單體電池歷史充放電曲線，預估單體電池老化失效狀態；②對儲能艙內的電池建立同一時刻的充放電曲線數據庫，橫向比較同一時刻不同單體電池之間的不一致性，為電池維護供應依據。③建立單體電池充放電數據庫，為要大數據支持的神經網絡估算SOC供應數據源。④對每次故障狀態進行歸類記錄，可以評估整個儲能站電池系統的薄弱點，為檢修供應依據。⑤利用故障回放，對故障查找和分析供應準確數據支持。

通過一段時間的信息積累，建立起儲能站電池特點信息數據庫和故障特點信息數據庫，形成針對鋰離子電池儲能艙的安全運行分析專家系統，能對電池運行狀態進行預警，特別在系統發生運行異常時，運行維護人員能利用專家系統及時做出處理。

3現場實驗

本系統已在某儲能站進行試運行，試運行現場鋰離子電池儲能艙直流額定電壓29.6V，由10個電池簇并聯接入一臺500kWPCS，每個電池簇由19個12串3.2V鋰離子電池組成的電池模組組成，每個電池模組由單體120A·h電芯2并12串組成，鋰離子電池儲能艙系統容量為1.75MW·h，系統重要功能為削峰填谷，放電倍率為0.25C/4h率，結合上述儲能艙運行狀態信息采集系統的詳細描述，現場分別對儲能艙進行了直流系統絕緣下降、交流竄入、負荷沖擊、電池單體過壓、過流、過溫等測試，均能及時準確地進行錄波啟動，錄波數據完整。圖8為數據記錄單元實物圖。

圖8數據記錄單元實物圖

儲能電站中直流系統正、負極對地絕緣電阻基本相等，對地電壓是相對平衡的。當發生單極接地時，其正、負極對地電壓都會發生變化，接地極對地電壓下降，非接地極電壓升高，直流系統供電可靠性大大減低，要及時發現報警。圖9為模擬電池組正極單端接地的錄波情況，錄取正極波形如圖所示，正極電壓出現一個明顯的下降波形。

圖9直流母線瞬間接地正極電壓錄波

圖10的波形是正端竄入交流電壓后的情況，電壓出現下跌，并出現交流成分。時標37.5mS時竄入交流電壓，165.5mS后交流竄入消失，電壓恢復正常。

圖10交流竄入錄波

儲能電池放電時，電流突然上升并根據外部負荷變化，當外部負荷基本保持不變時，電流基本保持不變，此時錄波數據記錄的顆粒度可以放寬。圖11為電池組放電錄波。

圖11電池組放電電流錄波

當負載為脈沖型時，放電電流的波形也會隨負載呈現脈沖型。圖12為沖擊負荷放電錄取的波形。

圖12直流系統負荷沖擊錄波

4結論

鋰離子電池儲能艙運行狀態信息采集系統，可以對艙內的關鍵設備運行狀態和安全節點進行全工況信息采集和記錄。本文根據儲能電池艙對信息采集尤其是故障錄波的需求，提出了狀態信息采集系統架構，設計了數據記錄單元、就地分析管理單元，設立了錄波觸發機制，并進行了測試與現場運行。實現了儲能電站安全事故和電池性能分析的全時段狀態數據采集，解決故障發現遲和故障分析缺少回放數據支持的問題。

本文闡述的鋰離子電池儲能艙運行狀態信息采集系統與目前通用的儲能系統就地監控或能量管理等信息系統相比，具有截然不同的差別和優勢，就地監控或能量管理系統除監控和能量管理功能外，雖也具備儲能艙運行實時信息的記錄和保存，但儲能艙運行狀態信息采集系統具有采集信息源豐富，采集速度快，具有故障錄波等優勢。

目前該系統已在試運行階段，同時通過對每個單體電池充放電數據庫的建立，可為基于云端的電池狀態評估供應數據支撐；后續將對儲能電站故障數據歸類分析，及時發現系統設備及電池回路中的隱患，為提高儲能電站安全運行和運維管理水平供應借鑒和幫助。

圖片

引用本文：謝建江,高翔,夏晨強等.鋰離子電池儲能艙運行狀態信息采集系統研究[J].儲能科學與技術,2021,10(03):1109-1116.

XIEJianjiang,GAOXiang,XIAChengqiang,etal.Researchoninformationacquisitionsystemoflithiumbatteryenergystoragecabin[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2021,10(03):1109-1116.

第一作者：謝建江（1975—），男，本科，工程師，研究方向為儲能系統集成及儲能安全研究與設計，E-mail：xjj@china-gold.com

通訊作者：高翔，高級工程師，研究方向為儲能系統集成及BMS設計，E-mail：gaoxiang@china-gold.com。