一氧化碳传感器在集装箱式锂离子电池储能系统中的应用

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一氧化碳传感器在集装箱式锂离子电池储能系统中的应用 [复制链接]

当前全球能源状况日益紧张，新能源行业的发展已成为必然趋势。储能作为新能源领域的新兴产业，已经在部分区域建立了储能电站，对提升配电网对分布式电源的接纳能力、稳定电网末端节点电压水平、作为电网故障或检修时的备用电源等方面发挥着巨大作用。同时，在智能电网建设的变用电环节中，储能电站也具有很大的经济价值，其安全性稳定性对于整个系统的经济性意义重大。

随着我国碳达峰与碳中和目标的提出，新能源在一次能源消费中的比重不断提高，逐步替代化石能源。习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上强调，要实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。随着新能源成为主力能源，电网的稳定运行将面临更大的挑战。储能由于具有选址容易、配置灵活等特点，是实现可再生能源消纳和保证电网安全、稳定运行的有效手段，已经在电源侧、电网侧和用户侧等领域得到广泛应用。

 

 

集装箱式锂离子电池储能系统作为一种新型储能装备，具有较高的功率密度和能量密度、寿命长、可靠性高及环境适应性强等优点，在电源侧、电网侧和用户侧都具有广泛的应用前景。近年来，江苏、河南、湖南、青海和福建等地电网侧百兆瓦级锂离子电池储能电站相继建设投运，在平抑新能源电力波动、提升清洁能源外送能力、电网调峰、调频和电力辅助服务等领域发挥了重要作用。大容量集装箱式锂离子电池储能系统成为未来发展的趋势。

集装箱式锂离子电池储能系统是以标准集装箱为载体，将锂离子电池、电池管理系统、监控系统、空调系统、消防系统和配电系统集成在集装箱内，以实现高集成度、大容量和可移动的储能装置。然而，锂离子电池的电解液溶剂具有闪点低、化学活性高和极易燃烧的特点，即使在集装箱设计中考虑了防护措施，仍很难避免由于锂电池过充电、过放电、短路和机械性破坏时所导致的储能电池内部热失控，进而导致爆炸、燃烧等连锁反应。当某一组锂电池发生热失控后，会对周围的电池产生强烈的热冲击，造成热失控蔓延，同时生成大量烷烃类可燃气体，可能发生严重的火灾甚至爆炸事故。近年来，电化学储能电站安全事故时有发生，国内外已总计发生30多起储能电站起火事故，造成财产损失和人员伤亡。锂离子电池储能系统的安全问题成为制约行业快速发展的重要因素，越来越受到社会各界的关注。

我国部分研究机构近年来开展了储能电池火灾防护技术研究、电化学储能电池热失控实验检测技术研究等基础性课题研究。然而，现有的研究主要针对单体电池及电池模块级别，对锂离子电池储能柜、电池簇及储能系统开展的相关实验研究较少，相关安全测试方法、标准规范尚未建立健全。此外，集装箱式锂离子电池储能系统电池簇单体数量多，电池簇并联数量大。单体锂离子电池一旦发生热失控火灾，燃烧温度高，燃烧速度快，扑救难度大。不同化学体系的锂离子电池燃烧差异性大，产生大量的有毒、有害烟气，在燃烧过程中可能存在爆炸的危险。当火灾发生后造成剧烈燃烧，导致储能系统整体失火或爆炸，给消防灭火救援工作带来巨大的挑战。

集装箱式锂离子电池储能系统火灾早期探测和安全预警

在电池火灾前期，进行有效准确地探测并预警，采取相应的消防手段，防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前，应做好电池故障诊断工作，及早进行预警。当电池安全阀打开时，会产生大量的气体和烟雾，如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外，释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物（VOC）等，在安全阀打开时都有明显的增加，因此，可以通过相关的气体传感器，再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等，根据电站电池的热失控特性，设定相应的预警阈值，将多种特征参数进行耦合，当不同传感器参数达到所设阈值时，发出警报，实现锂离子电池火灾早期探测和预警，并根据警报采取相应的控制措施，防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

此外，应根据量程和灵敏度，选取适当的传感器和探测器，同时设置冗余系统，保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

我们可以从动力锂电池热失控时产生的大量气体入手，锂离子电池热失控的时候，电池内部会有大量的一氧化碳释放出来。一氧化碳不仅是易燃易爆的气体，更可以与人体内的血红蛋白结合，使其失去与氧气结合的能力，从而导致我们缺氧甚至窒息。所以我们可以通过检测一氧化碳的浓度来判断电池热失控。在这里工采网给大家推荐一款纽扣式一氧化碳传感器（CO传感器）TGS5141：

TGS5141一氧化碳传感器CO传感器是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器，使用一个特殊的电极取代了储水器，由于去除了TGS5042中使用的储水器，TGS5141与TGS5042相比，其外形尺寸缩减到只有后者的10％大小。非常适用于高集成电子产品，对CO的灵敏度高、将CO浓度线性输出，设计方便，自带出厂预标定灵敏度系数，方便用户使用与性能追溯，寿命长达10年以上。

毕竟是事关我们的生命安全，对于精度还是有要求的，测量不准的话又怎么能给出正确的警报呢？TGS5141输出电流与一氧化碳浓度之间在0～1，000ppm范围内显示了± 5％以内偏差的较高直线性。不同浓度CO对应的输出电流可以参考下图。

 

 

同时我们也要关注传感器的长期稳定性，这就要求传感器寿命足够长，更要求传感器输出长期稳定，不然会使报警值改变，造成早报晚报甚至不报等情况了。TGS5141的寿命长达十年以上，长期稳定性也是十分优秀，可以参考下图。（Y轴显示的是在任何时间点300ppm一氧化碳中的输出电流（I）和测试第一天300ppm一氧化碳中的输出电流（Io）的比值。）

 

 

储能电站内会有各种各样的气味，要是传感器抗干扰性不好的话，也是很容易造成误报的，所以这个传感器要求对CO灵敏度高，对其他气体的灵敏度越低越好。TGS5141就很好，对大部分气体的灵敏度都是非常低的，对CO灵敏度又很高的，见下图。

 

 

并且考虑到电站内的温度范围是比较宽广的，基本所有传感器受温度的影响又是比较明显的，所以厂家针对TGS5141做出了温度补偿系数表，OEM客户可以直接利用补偿系数对传感器进行温度补偿，从而使传感器在不同温度下也能有高精度的输出。补偿系数见下图。