锂电池储能系统多参量传感监测与智能诊断

金阳郑州大学2025.11.15 研究背景与挑战 汇报目录 研究进展与创新 三、研究总结与展望 一、研究背景与挑战一储能电站安全事故频发 储能是构建新型电力系统，实现能源转型的重要技术和基础装备，截至2024年底我国储能装机规模占全球总装机比例40%，位列世界第一 全球储能电站事故频发，累计已超过百起，严重影响储能产业发展 一、项自背景与挑战一锂电池储能电站结构 电池储能系统是一个复杂的大规模、非线性、多层级的能量存储与转换系统 单体3.2V 容量314Ah 电量~1kWh 一、项自背景一储能电站安全预警和防护能力不足 储能系统安全探测维度单一、灵敏性差，难以精准识电池内部早期故障严重依赖事故后被动消防措施，缺乏主动防护和有效阻断的方法 舱内被动消防（喷淋式或浸没式） 事后防护无法避免事敌 函需建立多参量主动安全防护新体系实现“精准探测及时预警、主动防护 一、项目背景技术挑战 电池是一个复杂的电化学能量存储与转换系统，失效过程涉及“电-热-力-化多场耦合，微观材料失效到宏观参量演化解析难 一、项目背景技术挑战 电池故障种类多且各物理量演化相互交织、发展速度快故障早期传感信号特征弱精准辨识难 一、项目背景技术挑战 储能系统层级结构复杂，单体数量多且堆积密度高，信号耦合、衰减、交又干扰,有限参量的高效集成应用难 一、项目背景研究框架 团队近几年开展了储能电池多场耦合失效机理、内外部传感探测方法、智能诊断模型研究，期望全面提升储能电站安全状态感知和防护水平。 从电池材料失效机理出发探素微观结构变化与宏观物理量关联关系 、研究背景与挑战 汇报目录 研究进展与创新 三、研究总结与展望 研究进展与创新 >1：多场耦合失效机理 挑战1：失效过程解析难 2：内外部多参量传感探测 挑战2：安全状态诊断难 3：储能系统智能诊断模型 研究进展与创新1一多场耦合失效机理 ■模拟电池内部析锂、短路、产气等单一/复合故障，建立电-温-气-声-压多物理场原位协同表征方法，表征失效早期电池关键特征信号表达情况 单一／复合故障模拟技术 研究进展与创新1-多场耦合失效机理 确定了失效过程多参量信号产生演变时序，形成热失控全链条“电-热-力-化”多物理场耦合关系图谱，将电池失效过程关键参量分辨率从器件层提升到材料层 研究进展与创新 1多场耦合失效机理 挑战1：失效过程解析难 >2：内外部多参量传感探测 挑战2：安全状态诊断难 3：储能系统智能诊断模型 挑战3：装备集成应用难 研究进展与创新2-内外部多参量传感探测 国家标准规定电池单体故障时不应在防爆阀（安全阀）之外的位置发生破裂提出以电池安全阀开启特征声音信号识别电池内部异常产气的故障声纹识别方法 研究进展与创新2-内外部多参量传感探测 电池安全阀开启后，电解液会持续从电池内部泄漏，若接触电火花或高温环境，可能引发有机电解液蒸汽爆炸；对于密封等级更高的液冷模组而言，后果更为严重 研究进展与创新2-内外部多参量传感探测 建立了声纹识别-时延定位-噪声抑制三位一体电池安全阀开启识别模型，实现强干扰下敌障声音识别准确率97.4% 研究进展与创新2－内外部多参量传感探测 解决了密闭储能舱环境下声音回响、衰减和干扰难题，研制了电化学储能专用声音定位器，获工信部第二届能源电子产业创新大赛金奖 电化学储能专用声音定位器 工信部能源电子产业创新大赛 噪声环境下故障辨识率97.4%（比同类技术提高约12%） 二、研究进展与创新2-内外部多参量传感探测 ■在江苏、河南、西藏、新疆等地区进行推广应用，防护的储能项目规模达15GWh 甘肃省中核汇能玉门15MW/60MWh储能项目河南省大唐内黄田氏一期风电配储40MW/80MWh储能项目河南省大唐内黄田氏二期风电配储22.5MW/45MWh储能项目河南省河南省投资集团部陵150MW/300MWh储能项目河南省中核汇能河南公司龙安区100MW/200MWh独立共享储能项目河南省中核汇能河南公司濮阳50MW/100MWh储能项目河南省中核汇能陕西公司绳池24MW/48MWh储能项目河南省大唐河南公司三门峡100MW/200MWh储能项目湖北省大唐湖北龙感湖储能项目宁夏自治区国投甘肃公司石嘴山光伏配储20MWh项目山东省龙源电力招远200MW/400MWh储能项目四川省中核汇能四川风电配储项目新疆自治区新华发电乌什250MW/1000MWh储能项目浙江省国电投浙江工商业46MWh储能项目 研究进展与创新2一内外部多参量传感探测 ■新疆乌什500MW/2GWh储能项目应用电化学储能专用声音探测器2150个入选中电联“电化学储能行业创新与应用典型案例 电化学储能行业创新与应用典型案例 中电报格准话（2024）284号 中电联关于公布电化学储能行业创新与应用典型案例的通知 储能站所在区域康属新疆维吾尔自治区阿克苏地区乌什十县：·场地位于乌什县东侧，距离乌什县直线距离约49km； 研究进展与创新2一内外部多参量传感探测 内部温度：开发了基于热电效应的内部植入式温度薄膜传感器通过情性材料的封装和保护，实时在电解液腐蚀环境下捕获电池内部极片表面的温度场分布 基于热电效应的传感原理 双导体回路温度差产生热电势，测热电势与T。得到采集端温度 研究进展与创新2-内外部多参量传感探测 内部应变：开发了基于压阻原理的电池内部植入式压力薄膜传感器与电池铝塑膜和电芯极片进行一体化封装，实现对极片循环收缩膨胀及不可逆膨胀动态响应 植入电池内部的测试效果 压力传感器制备 压力检测栅区 压力传感点位在内部的纵向分布 研究进展与创新 1多场耦合失效机理 挑战1：失效过程解析难 2：内外部多参量传感探测 挑战2：安全状态诊断难 3:1储能系统智能诊断模型 挑战3：装备集成应用难 研究进展与创新3一储能系统智能诊断模型 提出了基于电流源激励的大容量电池极小阻抗在线测量方法，通过注入激励电流同步采集响应电压实现单频点阻抗快速计算。 ■开发了第二代增强型电池管理系统（E-BMS），融合动态阻抗在线采集功能 研究进展与创新3一储能系统智能诊断模型 1研发的E-BMS从控和主控装置，与现有电池PACK进行集成，实现阻抗、相角分瓣率的显著提升，以及在大电流充放电条件下的阻抗变化灵敏辨识。 研究进展与创新3-储能系统智能诊断模型 ■构建了基于一阶残差模型的微过充早期预警方法，实时拟合阻抗一阶曲线并计算残差，利用残差越限特征实现电池微过充状态的精准判断 微过充预警实验 研究进展与创新3一储能系统智能诊断模型 建立了面向储能电站结构化BMS数据的多层级异常诊断分析方法，实现电芯级电压异常和模组级温度异常以及簇SOC不一致性的智能诊断 研究进展与创新3一储能系统智能诊断模型 并对储能电站中异常电芯电压的空间分布和位置进行统计，为大规模储能电站故障隐患的精准定位和能量效率的均衡优化提供决策支持， 研究背景与挑战 汇报目录 二、研究进展与创新 三、研究总结与展望 总结和展望 欢迎到郑州大学参观交流！ 金阳 郑州大学电气与信息工程学院 yangjin@zzu.edu.cn