儲能站鋰電池倉抑爆滅火控制系統設計

王保力，楊耿煌，張國正，董 建，李亮亮，郝夏毅

（1.天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222；2.天津職業技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222；3.天津天霧智能科技有限公司，天津 300405）

鋰電池儲能是新能源應用中最關鍵的環節，對推動綠色能源高質量、可持續發展，實現“碳中和”目標具有重要意義[1-3]。目前，鋰電池儲能站已經初步形成規模，在汽車、緊急事故備用等多個領域中廣泛應用，且相關儲能技術仍不斷突破升級，是現在乃至將來實現能源替代最具可行性技術[4-5]。電池儲能站是將獨立鋰電池以串并聯結合方式提高電池的電壓和儲存容量，而儲能站電池因串并聯數量較大，鋰電池的質量、數量和能量密度的增加使隱患發生的可能性極大增加[6-7]。因此，在實際運行過程中，鋰電池組的監控系統非常重要。電池倉相對封閉，隱患一般是從電池內部發熱開始，最高溫度可達到300℃，溫度上升會導致電池出現短路。當鋰電池出現熱失控，將激發鏈式反應，內部材料產生化學反應，釋放熱量，產生大量毒性濃煙以及可燃性氣體[8-11]，最終導致爆炸、沖擊等危害。近些年來，全球鋰電池儲能電站因鋰電池事故發生多起爆炸，涉及亞洲、歐美等多國，因此鋰電池儲能站的安全問題受到了極大的關注[12]。

針對儲能站電池倉電池安全問題，文獻[13]提出了防消一體化控制策略，遵循“預防為主、防消結合”的原則，建立早期預警、后期滅火的防護設計理念。文獻[14]提出了以單片機為核心的報警控制系統，利用不同材料的感溫電纜檢測電池溫度狀態，并通過解析數據判斷是否執行小型化氣溶膠滅火功能，但是該設計沒有建立良好的工業網絡，不適用于儲能站滅火。文獻[15]提出電池儲能監控設計，通過以太網構建電池儲能監控系統，以FPGA開發板為核心，對數據進行采集分析上傳，從后臺可直接觀測各單元電池情況，但該設計只有工業網絡監控，無法實現初期抑爆滅火?；谏鲜鲈O計理念，本文開發一套抑爆滅火控制系統，以期實現電池的火情初期控制。

1 系統總體方案設計

儲能站是由多組鋰電池倉組成。為便于鋰電池倉監控，在每個鋰電池倉內部分別布設1個就地環境抑爆控制單元（簡稱抑爆控制單元），利用RS-485多機通信的方式，將多組鋰電池倉內部抑爆控制單元作為從機掛載到一套泵組巡檢控制器（簡稱泵組控制器）上，控制器通過讀取抑爆控制單元編號及抑爆控制單元上傳的環境數據，解析各鋰電池倉內部情況，對整個儲能站運行狀況進行監控。儲能站鋰電池倉抑爆滅火系統通信網絡如圖1所示。

圖1 儲能站鋰電池倉抑爆滅火系統通信網絡

1.1 泵組控制器結構設計

泵組控制器主要實現數據采集、數據分析及動作執行、報警記錄存儲等功能，是儲能站運行監控的控制核心，主要包括模擬量輸入輸出模塊和RS-485標準通信接口。系統運行過程執行輪詢模式，每30 s向儲能站內部抑爆控制單元發送標準協議指令，獲取各鋰電池倉內部環境數據，通過數據對比和邏輯分析，經由屏幕顯示各倉內的運行情況，并提供相應提示，從而實現遠程監控。泵組控制器通過變頻器驅動泵機運轉加壓，將罐內全氟己酮滅火材料送入管道中。

泵組控制器包括：管道壓力檢測部分、EEPROM、報警模塊、變頻器驅動泵機部分、屏幕顯示部分、報警復位按鈕、手動/自動旋鈕、手動巡檢按鈕、艙級滅火按鈕以及PACK級按鈕，其中管道壓力檢測部分是在管內壁上下加裝2個壓力傳感器，檢測內壁滅火材料對罐體的壓力。EEPROM用于存儲報警記錄，可存儲100條，實現斷電數據保持。聲光報警模塊采用24 V直流電供電，僅能通過人工方式復位，采用RS-485通信總線實現XD070YTD14R屏幕顯示，按下報警復位按鈕，系統強制停止，手動/自動旋鈕可以選擇泵機啟動模式，手動模式下，按下巡檢按鈕系統進行一次巡檢，按下倉級滅火按鈕控制變頻器啟動泵機，按下PACK級按鈕打開管道總閥門。

1.2 抑爆控制單元結構設計

抑爆控制單元主要功能是采集鋰電池倉內部環境參數，通過RS-485通信方式每隔30 s向倉內CO氣體傳感器發送特定通訊指令，氣體傳感器將檢測到的當前數據信息上傳，抑爆控制單元將分析CO氣體傳感器的數據并存儲環境數據，同時接收泵組控制器就地控制指令，如開啟相關路徑閥門，抑爆控制單元是整個儲能站數據收集和就地控制的關鍵部分。

抑爆控制單元主要包括：百葉窗、風扇、電磁閥、CO傳感器、溫感傳感器、煙感傳感器、報警模塊以及放氣指示燈。百葉窗和風扇用于換氣，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釋放的CO氣體數據。溫感傳感器和煙感傳感器檢測鋰電池倉內溫度和煙霧情況，分別采用西安盛塞爾電子的JTY-BD-885和JTY-GD-882，聲光報警器的作用是在倉內環境出現異常后警報，放氣指示燈用來提示滅火泵機工作狀態。

2 硬件電路設計

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

2.1 最小系統電路及RS-485通訊電路

基于成本和產品性能考慮，最小系統電路選用兆易公司生產的GD32F1032ET6單片機為主控制器?；趦δ苷緝炔凯h境復雜性等原因，改變傳統RS-485通訊芯片方案，選取RSM3485芯片，該芯片最多可接入256個節點，實現邏輯電平轉換和信號隔離。內部采用IC集成技術，自帶定壓隔離電源，可實現2 500 VDC電氣隔離。在輸出端加入瞬態抑制二極管，用于保護RSM3485不受瞬間高壓沖擊，加入共模濾波器可抑制噪聲信號，加入120 Ω的終端電阻，以消除通信電纜中的信號反射，增加RS-485通信距離，有效降低儲能站磁場干擾導致的信號傳輸出現誤碼或數據丟失。通過CON端片選信號的控制，控制芯片接收和發送狀態的變化。RS-485通信電路圖如圖2所示。

2.2 溫感及煙感傳感器檢測電路

檢測電路采用西安盛塞爾公司的煙感傳感器和溫感傳感器，傳感器在報警狀態下內部阻值減小，經過傳感器的電流增加，以及三極管電流開關特性，設計三極管檢測電路，將傳感器的模擬信號轉換成數字信號，對鋰電池倉的環境進行監控，煙感、溫感傳感器檢測電路如圖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，報警狀態下工作電流為1.6 mA，溫感傳感器正常工作電流為5.95 mA，報警狀態下工作電流為9.25 mA，溫感傳感器和煙感傳感器檢測電路正常狀態下，基極電壓均為1 V，報警狀態下基極電壓均為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的壓力傳感器，壓力傳感器輸出4～20 mA模擬信號，在模擬量輸入電路中，通過LMV321構成的過零比較器將外部模擬量信號轉換成數字信號輸出，采用HCNR201進行信號隔離，保證外部信號不會干擾到內部核心控制區的運行，數字信號經過另一個由LMV321集成運算放大器構成的過零比較器，輸出為微控制器I/O可讀取的信號。模擬量輸出電路為向變頻器輸入信號，控制泵機轉速，在模擬量輸出電路中，通過三級管將I/O輸出信號放大，經過光耦隔離將數字信號二次放大，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 系統軟件設計

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：系統運行后，每30 s將讀取的CO傳感器數據上傳到泵組控制器，實時監測倉內環境變化，當環境溫度超過60℃或者產生煙霧，滿足其中一個條件時，報警模塊報警，當倉內CO氣體含量超過7 142 mg/m3（第一報警閾值），系統控制風機和百葉窗打開，當倉內CO氣體含量超過42 857 mg/m3（第二報警閾值），系統會將百葉窗關閉，風機保持打開狀態，同時打開電磁閥，使滅火材料能順利送到出現隱患的電池倉內進行滅火。檢測過程中出現報警狀態，會一直保持直到人工檢查后確定安全，手動清除報警。

泵組控制單元控制流程：系統運行后，首先讀取并解析內部存儲數據，每隔30 s查詢抑爆單元，將讀取到的抑爆單元數據進行解析，若達到報警狀態，則記錄報警時間及故障倉編號，并將故障信息發送到RS-485屏幕顯示，報警模塊開始報警，泵機開始啟動，當檢測到罐內壓力值≥1 MPa后，打開電磁總閥，將滅火材料通過管道送到故障倉。未發生故障時，泵組只循環執行定時查詢功能。

4 結語

本文通過對儲能站鋰電池倉抑爆滅火需求進行研究，設計了一種抑爆滅火控制系統。該系統以GD32F103ZET6微控制器為硬件核心，設計并搭載最小系統電路、RS-485通訊電路、繼電器驅動電路、有源輸入電路、溫感傳感器檢測電路、煙感傳感器檢測電路、模擬量輸入輸出電路等外圍電路構成硬件系統，由具體運行監測目標設計軟件系統，實現了儲能站抑爆滅火控制系統的監控和智能滅火功能。測試結果表明，該系統能夠在保證穩定運行的基礎上，實現針對鋰電池事故的抑爆滅火控制功能，有效降低爆炸概率，增強鋰電池正常運行系統的魯棒性，保障人身安全和設備財產安全，為儲能站的安全運行提供具有工程參考意義的實例。