一种储能电站锂电池热失控早期预警和精准定位方法

本发明属于锂电池安全领域，具体涉及一种储能电站锂电池热失控早期预警和精准定位方法。

背景技术：

1、当前，全球能源体系正经历从化石能源向可再生能源的转型。风电、光伏等清洁能源因其可再生性和环保性受到广泛关注，但它们的随机性和间歇性特点给电网的稳定运行带来挑战。因此，储能技术成为解决这一问题的关键，而锂电池储能技术凭借其高效能、长寿命、环保无污染及灵活部署等优势，逐渐占据了储能领域的重要的地位。

2、在电化学储能电站实际运行过程中，大量的电池经过串并联形成电池模组和电池簇后被集中使用，缺乏高效精确的热失控预警和监测手段，很容易造成大面积的火焰蔓延甚至爆炸事故的发生。传统的电池安全监测手段主要依赖传感器采集电池运行过程中的电压、温度参数或电池安全阀开启后泄漏的可燃气体。受限于体积约束与经济成本考量，电池模组箱内的传感器配置数量有限，无法实现每个电芯的直接有效监控。受热扩散与气体扩散过程的延迟影响，温度传感器与气体传感器的响应速度存在滞后性，难以即时反映电芯的实时状态。此外，大量的传感器会造成误报警数量的上升，给电站的运维管理带来很大困难。

3、分布式光纤技术可以在长距离上进行温度、振动、应力测量，适用于管道、电缆、输送带等长距离设施的监测，但由于其成本较高，容易受到机械损伤或弯曲过大等因素的影响及对局部热点敏感性差的原因，无法对锂电池系统中的热危险点进行有效探测，因此未能在储能电站中得到广泛应用。在已公开的专利申请中，分布式光纤在储能系统中大多使用的是传统的、应用在管道、电缆、石油储罐等长距离应用场景的解调设备，这些设备精度较低，只能达到0.5 m级的响应精度，需要多圈缠绕在被测物体表面，且在模组间连接产生的光损耗较大，这种技术无法在储能系统中应用。

4、为提高储能系统中锂电池的定位精度，亟需采用高空间分辨率的分布式光纤技术，并调整光纤敷设、模组间光纤的连接与布局策略以适应工程实践。同时，开发一种有效的早期预警算法，提高预警的可靠性也至关重要。

技术实现思路

1、为有效解决现有技术中对于电池模组热异常检测不及时、定位不精确的问题，本发明提供一种能电站锂电池热失控早期预警和精准定位方法，结合储能电站锂电池热失控问题的早期预警与精准定位技术，通过创新性地集成高分辨式分布式多模光纤传感系统与先进的数据处理算法，大大降低储能电站中温度采集传感器的使用数量和管理成本。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种能电站锂电池热失控早期预警和精准定位方法，包括如下步骤：

4、s01、采用高分辨式分布式多模光纤，沿电池模组箱体的内部，以往复弯曲方式精密敷设在电池表面的汇流排上，并涂覆光纤固定凝胶，保证高分辨式分布式多模光纤和电池表面的紧密接触；

5、s02、利用光纤接口将电池模组箱体内的高分辨式分布式多模光纤安全引出，并通过光纤熔接技术，实现相邻的电池模组间的高分辨式分布式多模光纤的无缝连接，构建成一个连续、可靠的光纤传感网络，覆盖整个储能电站的电池区域；

6、s03、采用光纤测温主机作为控制单元，光纤测温主机发出并接收布里渊散射光信号，利用布里渊光时域反射技术，实时、准确地获取电池模组箱体内不同区间的温度分布数据，实现高精度的温度监测；

7、s04、引入基于密度的无监督异常检测算法，自动分析采集到的温度分布数据，识别出异常的温度变化趋势，进而实现储能电站锂电池热失控的早期预警；同时，对异常温度数据的空间分布进行精确分析，确定热失控发生的具体位置，实现精准定位。

8、进一步地，所述高分辨式分布式多模光纤包括纤芯、耐高温涂覆层、光纤接头；所述的光纤测温主机测温的定位精度不大于±0.05m，测温精度不大于±0.05℃，测量距离不小于3.0 km，弯折直径不小于5 cm，纤芯直径为50 μm或62.5 μm，光纤接头用于连接高分辨式分布式多模光纤和光纤测温主机。

9、进一步地，耐高温涂覆层由具备高导热性的柔性高分子有机硅材料制成，导热系数大于3.0w/(m·k)，可以承受200℃高温，具备良好的绝缘性，涂覆层厚度不大于2 mm，可以将锂电池或其汇流排处的热量有效传递至纤芯，在有效保护纤芯的同时具备了柔韧性。

10、进一步地，所述光纤固定凝胶具有低界面热阻、良好的电气绝缘特性及高导热率，导热系数不小于4.0w/(m·k)，工作温度为-40~200 ℃，凝固后可确保高分辨式分布式多模光纤和汇流排有良好的接触。

11、进一步地，所述光纤接口位于电池模组箱体，包含光纤进口和光纤出口，贯通电池模组箱体的侧壁，内有套管用于保护高分辨式分布式多模光纤。

12、进一步地，所述光纤测温主机的测温定位精度不大于±0.05m，测温精度不大于±0.05℃，测量距离不小于3.0 km。

13、进一步地，所述s04包括如下步骤：

14、步骤1、获取光纤测温主机输出的数据x、y，其中，x指测温点相对光纤测温主机的光纤接口处的距离，y指与x对应的测温点0.05 m范围内的平均温度；

15、步骤2、对于由距离x、平均温度y组成的数组，计算数组中任意两测温点p、q间的欧几里得距离，得到距离矩阵；

16、；

17、其中，对于任意的两个测温点p、q，代表测温点p（xi，yi）与测温点q（xj，yj）间的欧几里得距离，xi， xj分别代表第i个测温点相对光纤测温主机的光纤接口处的距离和第j个测温点相对光纤测温主机的光纤接口处的距离，yi，yj分别代表第i个测温点0.05 m范围内的平均温度和第j个测温点0.05 m范围内的平均温度；

18、步骤3、对于任一测温点p，计算测温点p与所有测温点的距离，然后按照距离由小到大的顺序进行排序，找到与测温点p距离最近的k个测温点，将第k个测温点称为测温点p的k近邻距离，记作k-distance；对于其中的任一测温点q，将满足与测温点p的距离d(p ,q)小于k-distance的测温点q的集合称为测温点p的邻域，即：

19、；

20、通过下式计算任意两测温点p、q间的可达距离：

21、；

22、其中，k-distance(q)为q点的k近邻距离；

23、步骤4、计算测温点p局部可达密度，测温点p的局部可达密度指测温点p到其邻域内的所有测温点的平均可达距离的倒数，用密度表示，计算方法如下：

24、；

25、其中，代表测温点p的邻域；

26、步骤5、对于每个测温点，计算离群因子lof，并根据离群因子lof的阈值和温度条件识别离群点；若离群因子lof大于或等于1.5，表明测温点q的密度与整体数据密度差异较大，测温点q被视为离群点；离群因子lof小于1.5且越接近于1，表明测温点q越正常；

27、；

28、其中，代表点q的离群因子，代表点q的局部可达密度；代表点p的局部可达密度；

29、步骤6、根据温度报警阈值和离群因子lof的阈值输出离群点及离群点起始距离范围，将距离-温度分布结果可视化呈现，标记出离群点。

30、进一步地，所述s04中，锂电池热失控早期预警和精准定位采用高分辨式分布式多模光纤获得的温度异常点或异常区间的绝对温度值、不同位置温差、不同时刻温差作为热失控预警参量，当热失控预警参数达到设定的早期预警阈值时，则发出热失控预警信息；具体的预警策略需根据实验测试结果确定；根据温度异常点或以异常区间所处的高分辨式分布式多模光纤的位置，准确定位热失控电池在储能电站中所处的位置。

31、有益效果：

32、1、本发明解决了传统分布式光纤在储能系统中应用时定位精度差的问题，每隔0.05m一个测温点，每个通道最多可覆盖3 km，等效于60000个测温点。

33、2、本发明中，光纤直接敷设在电池表面或汇流排表面，无需多圈缠绕即可精准定位故障电池，降低了施工难度，避免电池设置预紧力对光纤造成的破坏。

34、3、本发明通过基于密度的无监督异常检测算法实现了储能电站锂电池单体热失控故障的早期预警与精确定位，电站运营人员可更早地对故障电池做出处置措施，将储能电站的热失控灾害事故扼杀在萌芽状态。

35、4、本发明通过光纤实现对储能电站所有锂电池的长时间测温，大大降低温度采集传感器的使用数量和管理成本，提升温度管理装置的可靠性。