一氧化碳傳感器在集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前全球能源狀況日益緊張，新能源行業(yè)的發(fā)展已成為必然趨勢。儲能作為新能源領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)在部分區(qū)域建立了儲能電站，對提升配電網(wǎng)對分布式電源的接納能力、穩(wěn)定電網(wǎng)末端節(jié)點電壓水平、作為電網(wǎng)故障或檢修時的備用電源等方面發(fā)揮著巨大作用。同時，在智能電網(wǎng)建設(shè)的變用電環(huán)節(jié)中，儲能電站也具有很大的經(jīng)濟價值，其安全性穩(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性意義重大。

隨著我國碳達峰與碳中和目標的提出，新能源在一次能源消費中的比重不斷提高，逐步替代化石能源。習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上強調(diào)，要實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。隨著新能源成為主力能源，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行將面臨更大的挑戰(zhàn)。儲能由于具有選址容易、配置靈活等特點，是實現(xiàn)可再生能源消納和保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的有效手段，已經(jīng)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)作為一種新型儲能裝備，具有較高的功率密度和能量密度、壽命長、可靠性高及環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)都具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，江蘇、河南、湖南、青海和福建等地電網(wǎng)側(cè)百兆瓦級鋰離子電池儲能電站相繼建設(shè)投運，在平抑新能源電力波動、提升清潔能源外送能力、電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和電力輔助服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。大容量集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)成為未來發(fā)展的趨勢。

集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)是以標準集裝箱為載體，將鋰離子電池、電池管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和配電系統(tǒng)集成在集裝箱內(nèi)，以實現(xiàn)高集成度、大容量和可移動的儲能裝置。然而，鋰離子電池的電解液溶劑具有閃點低、化學(xué)活性高和極易燃燒的特點，即使在集裝箱設(shè)計中考慮了防護措施，仍很難避免由于鋰電池過充電、過放電、短路和機械性破壞時所導(dǎo)致的儲能電池內(nèi)部熱失控，進而導(dǎo)致爆炸、燃燒等連鎖反應(yīng)。當(dāng)某一組鋰電池發(fā)生熱失控后，會對周圍的電池產(chǎn)生強烈的熱沖擊，造成熱失控蔓延，同時生成大量烷烴類可燃氣體，可能發(fā)生嚴重的火災(zāi)甚至爆炸事故。近年來，電化學(xué)儲能電站安全事故時有發(fā)生，國內(nèi)外已總計發(fā)生30多起儲能電站起火事故，造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全問題成為制約行業(yè)快速發(fā)展的重要因素，越來越受到社會各界的關(guān)注。

我國部分研究機構(gòu)近年來開展了儲能電池火災(zāi)防護技術(shù)研究、電化學(xué)儲能電池?zé)崾Э貙嶒灆z測技術(shù)研究等基礎(chǔ)性課題研究。然而，現(xiàn)有的研究主要針對單體電池及電池模塊級別，對鋰離子電池儲能柜、電池簇及儲能系統(tǒng)開展的相關(guān)實驗研究較少，相關(guān)安全測試方法、標準規(guī)范尚未建立健全。此外，集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)電池簇單體數(shù)量多，電池簇并聯(lián)數(shù)量大。單體鋰離子電池一旦發(fā)生熱失控火災(zāi)，燃燒溫度高，燃燒速度快，撲救難度大。不同化學(xué)體系的鋰離子電池燃燒差異性大，產(chǎn)生大量的有毒、有害煙氣，在燃燒過程中可能存在爆炸的危險。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后造成劇烈燃燒，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)整體失火或爆炸，給消防滅火救援工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。

集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)早期探測和安全預(yù)警

在電池火災(zāi)前期，進行有效準確地探測并預(yù)警，采取相應(yīng)的消防手段，防止火災(zāi)的進一步蔓延。在安全閥打開前，應(yīng)做好電池故障診斷工作，及早進行預(yù)警。當(dāng)電池安全閥打開時，會產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，如CO的體積分數(shù)可以從2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外，釋放氣體如CO2、CH4、揮發(fā)性有機化合物（VOC）等，在安全閥打開時都有明顯的增加，因此，可以通過相關(guān)的氣體傳感器，再配合煙霧傳感器、火災(zāi)探測器、溫度傳感器等，根據(jù)電站電池的熱失控特性，設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警閾值，將多種特征參數(shù)進行耦合，當(dāng)不同傳感器參數(shù)達到所設(shè)閾值時，發(fā)出警報，實現(xiàn)鋰離子電池火災(zāi)早期探測和預(yù)警，并根據(jù)警報采取相應(yīng)的控制措施，防止鋰離子電池火災(zāi)的進一步擴大。

此外，應(yīng)根據(jù)量程和靈敏度，選取適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱吞綔y器，同時設(shè)置冗余系統(tǒng)，保證電站火災(zāi)早期探測和預(yù)警裝置的準確響應(yīng)。

我們可以從動力鋰電池?zé)崾Э貢r產(chǎn)生的大量氣體入手，鋰離子電池熱失控的時候，電池內(nèi)部會有大量的一氧化碳釋放出來。一氧化碳不僅是易燃易爆的氣體，更可以與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，使其失去與氧氣結(jié)合的能力，從而導(dǎo)致我們?nèi)毖跎踔林舷?。所以我們可以通過檢測一氧化碳的濃度來判斷電池?zé)崾Э?。在這里工采網(wǎng)給大家推薦一款紐扣式一氧化碳傳感器（CO傳感器）TGS5141

TGS5141一氧化碳傳感器CO傳感器是費加羅研發(fā)的可電池驅(qū)動的電化學(xué)式傳感器，使用一個特殊的電極取代了儲水器，由于去除了TGS5042中使用的儲水器，TGS5141與TGS5042相比，其外形尺寸縮減到只有后者的10％大小。非常適用于高集成電子產(chǎn)品，對CO的靈敏度高、將CO濃度線性輸出，設(shè)計方便，自帶出廠預(yù)標定靈敏度系數(shù)，方便用戶使用與性能追溯，壽命長達10年以上。

畢竟是事關(guān)我們的生命安全，對于精度還是有要求的，測量不準的話又怎么能給出正確的警報呢？TGS5141輸出電流與一氧化碳濃度之間在0～1，000ppm范圍內(nèi)顯示了± 5％以內(nèi)偏差的較高直線性。不同濃度CO對應(yīng)的輸出電流可以參考下圖。

同時我們也要關(guān)注傳感器的長期穩(wěn)定性，這就要求傳感器壽命足夠長，更要求傳感器輸出長期穩(wěn)定，不然會使報警值改變，造成早報晚報甚至不報等情況了。TGS5141的壽命長達十年以上，長期穩(wěn)定性也是十分優(yōu)秀，可以參考下圖。（Y軸顯示的是在任何時間點300ppm一氧化碳中的輸出電流（I）和測試第一天300ppm一氧化碳中的輸出電流（Io）的比值。）

儲能電站內(nèi)會有各種各樣的氣味，要是傳感器抗干擾性不好的話，也是很容易造成誤報的，所以這個傳感器要求對CO靈敏度高，對其他氣體的靈敏度越低越好。TGS5141就很好，對大部分氣體的靈敏度都是非常低的，對CO靈敏度又很高的，見下圖。

并且考慮到電站內(nèi)的溫度范圍是比較寬廣的，基本所有傳感器受溫度的影響又是比較明顯的，所以廠家針對TGS5141做出了溫度補償系數(shù)表，OEM客戶可以直接利用補償系數(shù)對傳感器進行溫度補償，從而使傳感器在不同溫度下也能有高精度的輸出。補償系數(shù)見下圖。

原文標題:一氧化碳傳感器在集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用