基于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的儲能系統(tǒng)本質(zhì)安全機(jī)制及實例分析

在能源互聯(lián)網(wǎng)時代，電池儲能系統(tǒng)將被廣泛用于各種工業(yè)、商業(yè)和居民場景，如可再生能源、電動汽車和不間斷電源等

。然而，電池系統(tǒng)在實際運(yùn)行過程中，受當(dāng)前電、熱和安全管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平的限制，容易引發(fā)內(nèi)短路、熱失控等安全問題

。因此，電池儲能系統(tǒng)的可靠性和安全性等性能指標(biāo)成為了制約儲能系統(tǒng)商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵因素。

為了解決儲能系統(tǒng)安全性問題，傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)通常采用各種故障診斷方法

?，F(xiàn)有的故障診斷方法主要分為基于電池模型和無電池模型兩大類?；谀Ｐ偷姆椒ㄍㄟ^比較模型預(yù)測值與實測值的差異，實現(xiàn)故障預(yù)警

；無電池模型的方法依賴樣本數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗對電池故障進(jìn)行診斷

。然而，這些故障診斷方法著眼于故障發(fā)生后的預(yù)警，難以從電熱管理的角度降低故障發(fā)生的概率，且無法實現(xiàn)故障電池的精準(zhǔn)切除，在保障儲能系統(tǒng)本質(zhì)安全層面仍有所欠缺。

Study on the Yellow River Tourism in Shanxi Oriented by the All-For-One Tourism_____________________SANG Ziyu,HU Weixia 1

混合勵磁型磁通切換電動機(jī)(flux switching hybrid excitation machine，F(xiàn)SHM )是在永磁磁通切換電動機(jī)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種新型無刷電動機(jī)，其永磁體、電樞繞組和勵磁繞組都置于定子內(nèi)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、可靠，適合高速運(yùn)行。

本質(zhì)安全最初應(yīng)用于煤礦、化工等行業(yè)，近些年來在電化學(xué)儲能領(lǐng)域逐漸得到重視，被認(rèn)為是從根源上消除或減少危險的途徑

。傳統(tǒng)安全管理方法著眼于控制危險發(fā)生時造成的危害，而本質(zhì)安全的核心理念是將危險發(fā)生的概率降低至足夠小甚至為零。目前針對電池領(lǐng)域的本質(zhì)安全討論較少，相關(guān)研究仍有待深入。

4類結(jié)節(jié)的檢查者均建議進(jìn)行肺穿刺活檢。發(fā)現(xiàn)惡性結(jié)節(jié)16例，占總體檢查人數(shù)的0.85%，占4類結(jié)節(jié)36%，其中男性13例，女性3例，平均年齡60歲。4類結(jié)節(jié)有短毛刺、胸膜凹陷征共15例，其中11例病理為惡性，占73%。

傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)通常采取固定串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，電池系統(tǒng)的性能取決于最弱的電池單體或模組，易引發(fā)過充、過放、熱堆積等問題，進(jìn)而造成內(nèi)短路、熱失控等嚴(yán)重故障。為了解決傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)由于“短板效應(yīng)”造成的本質(zhì)安全欠缺問題，本工作提出了一種基于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的儲能系統(tǒng)架構(gòu)，通過低功耗功率半導(dǎo)體器件與電池進(jìn)行深度耦合，將電池從電化學(xué)反應(yīng)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新型數(shù)字裝置，從可控并聯(lián)降低熱損耗、動態(tài)重組防止熱堆積、故障電池的快速切除3個方面闡述了該系統(tǒng)的本質(zhì)安全機(jī)制，并提出了一種基于開路電壓(open circuit voltage，OCV)實時檢測的故障隔離方法，解決了傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)“測不準(zhǔn)”“斷不開”的難題。最后，本工作通過實際工程案例數(shù)據(jù)闡述數(shù)字儲能系統(tǒng)在突發(fā)故障時的在線診斷和快速自動隔離疑似故障方面的本質(zhì)安全機(jī)制，為提高電化學(xué)儲能系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供一種新的路徑。

數(shù)字儲能電站由20 個儲能集裝箱構(gòu)成，每個儲能集裝箱的輸出規(guī)格為四路125 kW 交流電源，電壓等級為0.4 kV。一個集裝箱包含4 組DESS，每個DESS的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，其電氣規(guī)格為716 V/600 Ah。一個DESS由若干個電池模組按照3并14串的動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成。其中，電池模組為磷酸鐵鋰電池，由16 個電池單體以串聯(lián)的方式連接而成，模組的電氣規(guī)格為51.2 V/200 Ah。

1 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的工作原理

針對差異化性能的電池單體大規(guī)模集成的電池儲能系統(tǒng)，動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)電池狀態(tài)檢測、運(yùn)行控制和故障隔離等功能的基礎(chǔ)

。DRBN由大量的電池單體(模組)與高頻電力電子開關(guān)通過串并聯(lián)的方式構(gòu)成，在實際運(yùn)行時，通過開關(guān)的高頻動作，既可以選擇特定的電池接入系統(tǒng)，又能夠改變現(xiàn)有拓?fù)涞拇⒙?lián)關(guān)系。此外，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)還具備將任何一個電池從系統(tǒng)中隔離的能力。在不同的可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個單體(模組)對應(yīng)開關(guān)的數(shù)量不同，一般地，隨著開關(guān)數(shù)量的增加，系統(tǒng)對故障的處理能力增強(qiáng)，但控制復(fù)雜度也相應(yīng)升高

。

我們采用語法可接受度測試，來探索中國英語學(xué)習(xí)者是否具有區(qū)分限定與非限定動詞的元語言能力。語法可接受度測試是心理語言學(xué)常用的研究工具，可以反映出學(xué)習(xí)者的顯性知識。

對于電池系統(tǒng)，電的變化快于力的變化，而力的變化又快于熱的變化，從電的角度快速捕捉系統(tǒng)異常，是快速診斷電池故障、減小故障損失、提高系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵所在。而對于電池模組，其內(nèi)部的變化最終都會反映到外特性上，模組是一端口網(wǎng)絡(luò)，其電學(xué)外特性包括端口工作電壓、開路電壓、模組電流等，其中開路電壓與模組SOC 有著一一對應(yīng)的關(guān)系

，是反映電池容量狀態(tài)的重要參數(shù)。電池模組內(nèi)部的過充、過放、內(nèi)短路、絕緣損壞等故障都可以通過模組的OCV異常體現(xiàn)出來。因此，精確的OCV測量對電池的故障隔離意義重大。

其中，?

表示電池容量的增量，單位是Ah；

表示流過電池的電流大小，單位是A，符號充電為正，放電為負(fù)；

表示電池接入系統(tǒng)的時間，單位是h。

從式(1)不難看出，對于電池網(wǎng)絡(luò)的容量管控，可以從電流和時間兩個角度入手?，F(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)都是以調(diào)節(jié)電流為手段，通過在電池網(wǎng)絡(luò)中加入電阻、電容、線圈繞組、電力電子變換器等元件或設(shè)備

，改變電流在不同單體或模組間的分布，實現(xiàn)容量管控。這種方式由于引入了額外的器件，會增大能量損耗，使電池網(wǎng)絡(luò)的效率降低。

動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)則是通過調(diào)節(jié)時間來實現(xiàn)充放電控制

。圖1 展示了一種動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇?/p>

并

串，每個電池單體

C

與一個開關(guān)

S

串聯(lián)，每

個并聯(lián)單體會與一個旁路開關(guān)

S

并聯(lián)，為電流提供通路。當(dāng)并聯(lián)組內(nèi)的

個單體均從系統(tǒng)斷開時，旁路開關(guān)才會閉合。電池系統(tǒng)充放電的過程可以視為一個個很短的時間段

T

的疊加，這個時間段被稱為重構(gòu)周期，在每個重構(gòu)周期開始前，系統(tǒng)會對負(fù)載需求和電池狀態(tài)進(jìn)行評估，并選擇最優(yōu)的控制方案對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行重構(gòu)。目前文獻(xiàn)中的控制策略有排序法

、動態(tài)規(guī)劃法

、模型預(yù)測控制法

、機(jī)器學(xué)習(xí)法

等。

“溫比亞”露出了她真實的面容，原來是一位猙獰兇殘的巫婆。她吼叫著，像只餓狼。上天悲切，嚎啕痛哭；大地顫抖，呻吟不止。樓下碗口粗的梧桐樹，被摁彎了腰，頑強(qiáng)抗?fàn)幹?；咯吱咯吱——這只巨獸撕咬著樓房厚厚的墻壁；密集的雨滴擊打著玻璃窗，抬頭一望，窗戶淚流滿面，一肚子委屈。巫婆在外瘋狂地叫囂：“哈哈，這個世界是我的！是我的！”看我一臉不屑，她怒火萬丈，隔窗向我挑戰(zhàn)。我起身干脆打開一扇窗，她伸出冰冷的手拽我，怎奈我紋絲不動，她氣急敗壞又無可奈何。我戴著花鏡，繼續(xù)看書。哈，看誰能笑到最后。

動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計盡管也用到了大量的電力電子開關(guān)，但與電力電子變換器的容量管控方案有著本質(zhì)上的區(qū)別。這里的開關(guān)用于控制每個電池的充放電時長，其通斷頻率小于或等于重構(gòu)頻率，屬于Hz 量級。相對而言，電力電子變換器要實現(xiàn)斬波、整流、逆變等功能，其開關(guān)頻率屬于kHz甚至MHz量級，在大部分的場合下變換器還需要級聯(lián)使用，這進(jìn)一步增大了系統(tǒng)的能量損耗。

發(fā)燒本身是一種疾病嗎？把燒退了就能把病治好嗎？如果我們都能了解有關(guān)發(fā)燒的基本常識，很多醫(yī)患糾紛就能避免，濫用輸液的現(xiàn)象也能減少很多。

2 基于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)安全機(jī)制分析

為了滿足負(fù)載對于電壓和功率的需求，傳統(tǒng)電池系統(tǒng)通常將大容量電池單體或模組串聯(lián)給負(fù)載供電。在整個充放電周期內(nèi)，電芯會源源不斷地流過工作電流，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)負(fù)載功率過大、電芯的冷卻環(huán)境較差時，就會在電芯內(nèi)部產(chǎn)生熱堆積。此外，由于各個電芯的參數(shù)存在差異性，且不同電芯的散熱條件不同，電芯的溫度分布也存在不一致性。這會導(dǎo)致局部電芯的溫度過高，嚴(yán)重地影響電池的使用壽命，同時增加了故障發(fā)生的風(fēng)險。

一方面，為了降低故障發(fā)生的概率，電池系統(tǒng)需要控制電芯的發(fā)熱，防止溫度過高。傳統(tǒng)的電池網(wǎng)絡(luò)為了避免電芯的直接并聯(lián)帶來的安全隱患，通常選用大容量電芯串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，以滿足負(fù)載的功率需求。圖3對比了最大輸出功率相同的傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)與DRBN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，DRBN將大容量的電芯替換成

個小容量電芯的柔性并聯(lián)，這樣做既可以實現(xiàn)可控并聯(lián)降低熱損耗，又能夠通過拓?fù)涞膭討B(tài)重組防止單個電芯的熱堆積，進(jìn)而避免電芯的溫度過高。

考慮到負(fù)載曲線具有波動大、難以預(yù)測等特點(diǎn)，針對不同功率的負(fù)載，動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)在保證本質(zhì)安全時的側(cè)重點(diǎn)也不同。以放電為例，假定系統(tǒng)的最大輸出功率為

，則任意時刻系統(tǒng)的放電功率為

其中，

是功率因子，范圍是0～1，表示當(dāng)前系統(tǒng)功率占最大輸出功率的比例。當(dāng)

接近1 時，系統(tǒng)必須工作在全選模式，以提供足夠大的電流，此時本質(zhì)安全主要體現(xiàn)在可控并聯(lián)能夠降低電芯的熱損耗；當(dāng)

變小時，系統(tǒng)可以工作在

選

的模式，此時本質(zhì)安全主要體現(xiàn)在電芯的動態(tài)重組能夠防止熱量在局部電芯上的堆積。

另一方面，大量電力電子開關(guān)與電芯的深度耦合也為故障電池的快速切除提供了有力手段。借助高頻電力電子開關(guān)的通斷特性，動態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠在實時運(yùn)行的條件下監(jiān)測每個電芯的開路電壓，進(jìn)而根據(jù)開路電壓對故障情況作出診斷，并能夠?qū)θ我怆娦緦嵤┪⒚爰壍那谐?/p>

磷灰石：呈棕黃色、褐紅色、肉紅色或紅色；中粗粒-偉晶狀六方柱晶體或復(fù)六方柱晶體，粒度一般為(0.5～2.5)cm×(0.3～1)cm，最大晶體為14cm×2cm。個別顆粒顯環(huán)帶狀，見有裂紋，裂紋中充填有石英、碳酸鹽、鐵質(zhì)等礦物。

2.1 可控并聯(lián)降低熱損耗

由于電芯間的差異性不可避免，在直接并聯(lián)的情況下往往會出現(xiàn)環(huán)流，電芯之間彼此充放電。當(dāng)差異性越大時，環(huán)流越顯著，甚至可以達(dá)到與工作電流同一量級。環(huán)流會造成局部電流過大，如果超過了電芯的最大電流閾值，就極易造成過放，對電芯造成損傷，同時大電流也會帶來發(fā)熱嚴(yán)重、電磁干擾等問題。

除了實現(xiàn)容量管控的功能外，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)還具備故障隔離能力。以圖1中的網(wǎng)絡(luò)為例，通過斷開電池單體對應(yīng)的開關(guān)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)單體級的任意故障隔離。而在某個單體因故障被系統(tǒng)隔離后，其他的電池單體仍然能夠繼續(xù)向負(fù)載供電，從而避免了固定串并聯(lián)電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，提高了電池的能量利用率。

為了避免環(huán)流，傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)往往不采取并聯(lián)方案，而是用一個容量足夠大的電池模組直接對負(fù)載供電。如圖4所示，假定這個大電芯的內(nèi)阻為

，工作電流為

，則每個電芯的發(fā)熱功率為

相比之下，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)由于具備電池模組間的均衡能力，且電池之間的柔性連接能夠有效遏制環(huán)流帶來的影響，故可以實現(xiàn)電池的可控并聯(lián)。以

并的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為例，當(dāng)功率因子

= 1 時，系統(tǒng)工作在全選模式，每個小電芯上流過的電流為

/

，電芯的內(nèi)阻為

/

，則每個電芯的發(fā)熱功率為

從式(3)和式(4)的對比可見，對于

并的系統(tǒng)，每個電芯的發(fā)熱功率是采用大電芯的1/

。這表明動態(tài)可重構(gòu)的連接方式能夠有效降低電芯的熱功率，抑制溫度的升高，從而降低故障發(fā)生的概率。

2.2 動態(tài)重組防止熱堆積

本質(zhì)安全強(qiáng)調(diào)從根源上消除部分危險、降低事故發(fā)生的概率

，而不是發(fā)生事故后盡可能減少故障帶來的損失。動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)從兩個層面保證了儲能系統(tǒng)的本質(zhì)安全，一是將故障發(fā)生的概率降低至足夠小甚至為零，二是故障發(fā)生后及時動作避免熱失控，如圖2所示。

對于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，可以通過電芯間的動態(tài)重組防止熱堆積，其原理如圖5所示。當(dāng)功率因子

較小時，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)會采用

選

的控制模式，即在每個重構(gòu)周期內(nèi)會在

個并聯(lián)電芯中選擇

個接入系統(tǒng)，未被選中的電芯則不會有電流經(jīng)過，從而不會產(chǎn)生新的熱量，有利于防止熱堆積。在重構(gòu)周期結(jié)束后，控制器會根據(jù)電芯的狀態(tài)重新選擇新的電池組合接入系統(tǒng)，當(dāng)某個電芯接入系統(tǒng)的時間過長時，系統(tǒng)會將該電芯從系統(tǒng)中斷開一段時間，防止出現(xiàn)局部過熱的情況。在整個充放電循環(huán)中，每個電芯的產(chǎn)熱量為

其中，

為每個電芯接入時長的占空比，

為總充放電時間。可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)通過動態(tài)調(diào)節(jié)每個電芯的占空比，實現(xiàn)電芯的熱平衡，避免了局部電芯的溫度過高，從而降低故障發(fā)生的概率。

兩性雜雙子表面活性劑在水溶液中的自組裝行為:耗散粒子動力學(xué)模擬······································徐 毅 毛新建 郭思宇 馮 劍 (6,912)

2.3 故障電池的快速切除

本質(zhì)安全并不意味著系統(tǒng)不能發(fā)生故障，故障的發(fā)生、發(fā)展、失控是一個逐漸演變的過程，如果電池系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生的早期及時診斷出故障并快速切除，防止故障發(fā)展到熱失控的地步，那么這樣的系統(tǒng)也滿足本質(zhì)安全的條件。

對于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，本工作提出了一種基于OCV 的故障診斷方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級的故障診斷和微秒級的故障切除，并且在故障隔離后系統(tǒng)剩余部分仍然能夠正常運(yùn)行。對于該方案的具體內(nèi)容將在下一節(jié)詳細(xì)闡述。

3 儲能系統(tǒng)故障診斷與隔離方法

儲能電站運(yùn)行的過程中容易發(fā)生內(nèi)短路、熱失控等故障，而鋰離子電池的故障檢測與隔離是重難點(diǎn)

。本節(jié)首先對儲能電池的常見故障以及現(xiàn)有的故障檢測方法進(jìn)行分析，得出OCV 能夠很好地反映電池模組的故障情況，接著闡述了在動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中準(zhǔn)確測量OCV 的方法，最后提出了一種以O(shè)CV檢測為基礎(chǔ)的故障診斷與隔離方法。

3.1 鋰離子電池常見故障及診斷方法

鋰離子電池應(yīng)用到儲能系統(tǒng)時，一方面，為了滿足負(fù)載對于功率和電壓的需求，需要串并聯(lián)大量的電池模組，大量的電池連接會增加系統(tǒng)運(yùn)行時發(fā)生故障的概率，也會帶來故障難以實時診斷和隔離的問題；另一方面，由于電池老化和應(yīng)用環(huán)境的不同，儲能電池組在使用過程中的不一致性會增加，從而給儲能系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患

。

鋰離子電池的故障可以分為漸變性故障和突發(fā)性故障，其中突發(fā)性故障由于預(yù)警時間更短、診斷難度更高、潛在危害更大，是儲能系統(tǒng)本質(zhì)安全亟待解決的問題。

為了推進(jìn)農(nóng)墾“聯(lián)合聯(lián)盟聯(lián)營”，建設(shè)“農(nóng)墾國際大糧商”，廣東農(nóng)墾聯(lián)合黑龍江、天津、廣西、湖北、安徽及山東等7個墾區(qū)共同發(fā)起成立中墾國際農(nóng)產(chǎn)品物流投資股份有限公司，旨在打造一個開放共享、自主可控的全國性安全農(nóng)產(chǎn)品流通平臺，建設(shè)“立足華南、輻射全國、面向全球”的農(nóng)產(chǎn)品流通骨干網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品線上線下交易為一體、信息服務(wù)和金融服務(wù)為兩翼的業(yè)務(wù)布局，服務(wù)于國家糧食安全、食品安全戰(zhàn)略，努力開創(chuàng)我國農(nóng)產(chǎn)品“大生產(chǎn)+大流通”新格局。

不同于傳統(tǒng)方法控制電流的思路，DRBN的核心思想是通過控制電池的充放電時間來調(diào)節(jié)電池容量。電池容量的變化可以用電流和時間的乘積來表示，即

3.2 電池模組OCV的測量

傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)采用模組間固定串并聯(lián)的方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中只能采樣到模組的工作電壓，而DRBN由于能夠?qū)⑷我獾碾姵啬＝M從系統(tǒng)中斷開，為實時測量模組的OCV提供了有力手段

。

文獻(xiàn)[24]提出并驗證了一種基于DRBN 的電池OCV 測量方法，其中電壓的暫態(tài)過程可以通過增加10 ms的測量延遲來克服，此外也可以增加卡爾曼濾波環(huán)節(jié)以提高OCV的測量精度。

3.3 故障診斷與隔離的流程

根據(jù)前文的分析，電池模組的OCV 能夠較為理想地反映模組內(nèi)部的故障，考慮到可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)具備精確可靠地測量模組OCV 的能力，提出一種基于OCV 閾值法的電池系統(tǒng)故障診斷與隔離方案，其流程如圖6所示，具體的步驟為：

（1）檢測OCV，進(jìn)行故障診斷。并聯(lián)在模組兩端的電壓傳感器實時測量模組的OCV，故障診斷模塊判斷其是否處于安全范圍內(nèi)。假定每節(jié)電池單體的正常電壓范圍為[

,

]，每個電池模組包含

節(jié)單體，則模組的安全電壓范圍為[

×

,

×

]，若檢測到模組的電壓不在該區(qū)間內(nèi)，則判斷該模組可能出現(xiàn)異常。

（2）切除故障模組，保證持續(xù)供電。故障電壓發(fā)生后，異常信號反饋到能量交換機(jī)的時間約為150 ms，此時系統(tǒng)會在微秒級的時間內(nèi)切除故障模組。可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)會對拓?fù)溥M(jìn)行動態(tài)重構(gòu)，選用其他未故障模組保證正常供電。

（3）判斷故障類型，電池模組的故障通常分為電池本體的故障和連接組件的故障，有的故障是不可恢復(fù)的，例如內(nèi)短路、熱失控等，但有的故障是可自恢復(fù)的，例如絕緣問題等。而且，現(xiàn)場的電磁干擾、傳感器的噪聲等也可能使電壓出現(xiàn)異常。因此，無法僅根據(jù)電壓異常判定電池模組發(fā)生故障。在檢測到異常電壓信號后切除異常模組，此時傳感器繼續(xù)檢測OCV，若模組的電壓無法恢復(fù)正常水平，說明電池模組內(nèi)發(fā)生了不可逆的故障，需要停機(jī)檢修；否則需要進(jìn)一步診斷。

（4）若切除異常模組后，其OCV 恢復(fù)到正常水平，則一段時間后將該模組嘗試性接入系統(tǒng)。若接入后模組正常運(yùn)行，則說明故障排除，模組可以繼續(xù)投入系統(tǒng)運(yùn)行；否則需要停機(jī)檢修。

4 實例分析

對數(shù)字儲能電站的實際運(yùn)行及突發(fā)故障的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗證了上述本質(zhì)安全機(jī)制。

4.1 系統(tǒng)描述

對于10 MW/34 MWh 數(shù)字儲能電站，其系統(tǒng)架構(gòu)自下而上分為4 個層級：電池單體、電池模組、數(shù)字儲能系統(tǒng)(digital energy storage system，DESS)、數(shù)字儲能集裝箱，參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

本報訊近日，受臺風(fēng)疊加影響，山東青州、壽光等地遭受嚴(yán)重洪災(zāi)，災(zāi)情引起全國關(guān)注，牽動全國人民的心。9月1日，四川美豐化工股份有限公司加藍(lán)了解到救災(zāi)前線消防車輛急需優(yōu)質(zhì)車用尿素，并且面臨加注車用尿素不方便、加注費(fèi)時費(fèi)力、效率不高等困難。

由于電池單體以固定連接的方式形成模組，而模組是通過可重構(gòu)的方式連接，因此儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模組級充放電均衡以及故障隔離控制。DESS中集成了電池能量交換機(jī)、電池能量集線器、電池能量適配器、電池能量網(wǎng)卡、雙向換流器等設(shè)備，用于系統(tǒng)的狀態(tài)檢測和運(yùn)行控制

。

4.2 運(yùn)行過程描述

儲能電站中的電池模組取自電動大巴的退役動力電池，由16 節(jié)電池單體串聯(lián)而成，模組額定電壓51.2 V，額定容量200 Ah，切除電壓41.6 V。每節(jié)單體的安全電壓范圍為2.6～3.6 V，故模組的安全電壓范圍為41.6～57.6 V。模組以3并14串可重構(gòu)連接方式構(gòu)成DESS，向負(fù)載供電，DESS 的負(fù)載曲線如圖8所示。放電分為兩個階段，第一階段(211～492 s)的放電功率為50 kW，放電電流約為75 A，第二階段(492～553 s)的放電功率為125 kW，放電電流約為190A。正常工況下，系統(tǒng)執(zhí)行3 選2、14 選13 的控制策略，即每個重構(gòu)周期(2 s)內(nèi)，在3 個并聯(lián)電池模組中選擇剩余容量大的2 個模組放電，在14 個串聯(lián)電池組中選擇剩余容量大的13個電池組放電。當(dāng)檢測到故障發(fā)生時，則執(zhí)行4.1節(jié)中的故障隔離策略。

4.3 系統(tǒng)級本質(zhì)安全機(jī)制實例分析

4.3.1 電學(xué)性能分析

圖9展示了系統(tǒng)中3個并聯(lián)模組的OCV變化曲線，可以觀察到其中的2號模組在放電過程中發(fā)生了一次故障，在492 s 時，2 號模組的端電壓跌落至20 V 左右，明顯低于安全電壓范圍的下限值。此時系統(tǒng)立刻動作，將2號模組切除，防止了故障進(jìn)一步擴(kuò)大。由于DESS 原本工作在3 選2 的模式下，因此切除2 號模組后，1 號和3 號模組仍可以繼續(xù)放電，從而保證了系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

從圖9中還可以觀察到，當(dāng)2號模組被切除后，其OCV 又恢復(fù)到50 V 附近的正常電壓水平。這說明電池模組發(fā)生了自恢復(fù)，例如負(fù)載功率的突增導(dǎo)致電池模組的絕緣損壞，當(dāng)加在模組上的電壓被撤去后，絕緣性能恢復(fù)，電池端電壓也隨之恢復(fù)到正常水平。此時2 號模組仍可能具備繼續(xù)使用的能力，需要對其進(jìn)行二次診斷。

總之，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的分析相比，裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，不僅減少了施工量，降低了人工成本，而且還可以在很大程度上節(jié)省原材料，降低施工噪聲，粉塵污染，建筑垃圾和合理的污水排放，對節(jié)能環(huán)保十分有利，目前我國應(yīng)用建筑工業(yè)化一直處于起步階段。如果我們國家要實施大規(guī)模的工業(yè)化建設(shè)，就要積極開展相應(yīng)的研究，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)。

圖10是3個模組的放電電流曲線，可以觀察到在故障發(fā)生前，3 個電池模組均參與放電，由于系統(tǒng)工作在3 選2 的模式下，故每個時刻只有兩個模組通有電流。故障發(fā)生后，2 號模組立刻從系統(tǒng)斷開，其電流突變?yōu)榱悖? 號和3 號模組全導(dǎo)通，電流始終維持在最大值95 A附近。

將2 號模組切除后，OCV 又恢復(fù)到正常水平，為了進(jìn)一步診斷該模組的故障情況，在切除后經(jīng)過48 s 的時間，系統(tǒng)將2 號模組作嘗試性接入，從圖10可以觀察到，在540 s時，2號模組產(chǎn)生了一個電流尖峰，相應(yīng)地，3 號模組從系統(tǒng)斷開，電流突變?yōu)榱?。但是從圖9 可以看出，接入后2 號模組的OCV 又發(fā)生了跌落，說明故障再一次發(fā)生，此時系統(tǒng)立刻將2 號模組切除，換1、3 號模組放電。與第一次切除不同的是，這次2 號模組的OCV 沒有恢復(fù)，而是在較低的電壓區(qū)間內(nèi)不斷振蕩，說明模組內(nèi)的絕緣在經(jīng)過多次加壓后發(fā)生了不可逆的損傷，不具備繼續(xù)使用的條件，需要進(jìn)行檢修。

2017年底，戴威的伯樂之一、一直為ofo吶喊的天使投資人金沙江創(chuàng)投董事總經(jīng)理朱嘯虎也將手中的ofo股份“清倉”，全數(shù)出售給阿里和滴滴。此前，朱嘯虎一直想促成ofo和摩拜的合并，但遭到戴威強(qiáng)烈反對。

系統(tǒng)停止運(yùn)行后，用萬用表測量2號模組的端電壓，結(jié)果為9 V，遠(yuǎn)低于安全電壓下限41.6 V，證實模組發(fā)生了故障，也驗證了所提出的故障診斷和隔離策略的可行性。

4.3.2 溫度分析

圖11展示了3個模組的溫度曲線，在整個放電過程中，3個模組的溫度始終維持在24 ℃左右，最高溫度是1號模組達(dá)到的25 ℃，最低溫度是2號模組達(dá)到的23 ℃，最大絕對溫差為2 ℃。該系統(tǒng)采用了風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有的基于風(fēng)冷的熱管理系統(tǒng)通常只能將電池溫度差控制在5 ℃左右

，現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)對于電池溫差的要求也是小于5 ℃

。采用DRBN 后模組的溫差被控制在2 ℃以內(nèi)，這說明通過動態(tài)重構(gòu)和可控并聯(lián)的方式，電池模組有效避免了熱堆積，為可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)安全性能提供了有力支撐。

隨著建筑行業(yè)的不斷壯大，國際上對于建筑工程技術(shù)的呼聲越來越高，越來越多的國家進(jìn)行著建筑工程技術(shù)的交流。為了更好地利用資源，為了人類更好的居住環(huán)境，建筑工程技術(shù)國際化已然是大趨勢[2]。

5 結(jié) 論

本工作對儲能系統(tǒng)的本質(zhì)安全機(jī)制進(jìn)行了研究，針對傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)由于“短板效應(yīng)”難以實現(xiàn)本質(zhì)安全的難題，提出了一種基于DRBN的儲能系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)從兩個方面保障系統(tǒng)的本質(zhì)安全，一是通過毫秒級電池物理連接拓?fù)渲貥?gòu)從原理上杜絕了由于過充過放所帶來的熱堆積和熱失控問題；二是通過開關(guān)的高頻通斷實現(xiàn)故障模組的快速切除。最后，本工作通過實際工程案例數(shù)據(jù)闡述數(shù)字儲能系統(tǒng)在突發(fā)故障時的在線診斷和快速自動隔離疑似故障方面的本質(zhì)安全機(jī)制，為提高電化學(xué)儲能系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性提供一種新的路徑。

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