Мониторинг температуры батареи в системах хранения энергии: от точек измерения до защиты системы.

Мониторинг температуры является базовой функцией в системах хранения энергии на основе батарей, но ценность измерения во многом зависит от места измерения температуры и способа использования полученных данных.

В системах хранения энергии тепло выделяется не только от самих батарей. Токонесущие соединения, шины, контакторы, предохранители, кабели и другие электрические компоненты также могут стать локальными источниками тепла. Поэтому значение температуры, измеренное в одном месте, может отражать лишь часть картины.

В случае аккумуляторных батарей и высоковольтных электрических систем мониторинг температуры необходимо рассматривать как часть более широкой архитектуры мониторинга и защиты.

Где следует измерять температуру?

Не существует единой температурной точки, которая могла бы отражать состояние всей аккумуляторной батареи целиком.

Различные части системы могут испытывать разные температурные условия.

На уровне батареи мониторинг температуры может быть сосредоточен на отдельных элементах или модулях, поскольку температура батареи влияет на зарядку, разрядку и общие условия эксплуатации.

На электрическом уровне внимание следует уделить и другим областям:

• Соединения шин

• Кабельные клеммы

• Точки подключения сильноточных соединений

• контакторы постоянного тока

• Точки установки предохранителей

• Другие компоненты внутри батарейного отсека или электрического корпуса.

Эти участки не обязательно обладают теми же тепловыми характеристиками, что и элементы батареи.

Таким образом, в стойке может быть нормальная средняя температура, в то время как конкретная точка подключения будет значительно нагреваться по сравнению с окружающей средой.

Это одна из причин, почему расположение датчика имеет такое же важное значение, как и сам датчик.

Наличие очага повышенной температуры может быть важнее, чем средняя температура.

Иногда мониторинг температуры батареи рассматривается главным образом как способ обнаружения общего повышения температуры.

Однако для защиты системы местоположение источника повышения температуры может иметь не меньшее значение.

Локальное увеличение может быть связано со следующими факторами:

• Повышенное контактное сопротивление

• Ненадежное или поврежденное соединение

• Высокая концентрация тока

• Плохое рассеивание тепла

• Аномальная нагрузка

• Старение компонентов

Таким образом, датчик температуры, установленный в соответствующем электрическом соединении, может предоставлять информацию, которая не была бы видна при обычном измерении температуры окружающей среды.

Это особенно актуально для компактных конструкций систем хранения энергии, где сильноточные компоненты установлены близко друг к другу.

Цель состоит не в том, чтобы разместить датчики повсюду. Задача состоит в том, чтобы определить точки, где данные о температуре могут предоставить полезную информацию о состоянии батареи и электрической системы.

Температура батареи и электрическая температура — это разные измерения.

Температуру батареи и температуру электрических компонентов не следует автоматически рассматривать как одно и то же.

Аккумуляторная ячейка может работать в пределах допустимого температурного диапазона, в то время как клемма кабеля или шинное соединение испытывают аномальный локальный нагрев.

Может произойти и обратное. Температура аккумуляторного модуля может повыситься из-за условий эксплуатации, в то время как окружающие электрические соединения останутся в пределах нормы.

Это различие имеет значение, когда данные о температуре используются для принятия решений о мерах защиты.

Система мониторинга должна понимать, что представляет собой каждое измерение, а не рассматривать все значения температуры как взаимозаменяемые.

Поэтому при определении архитектуры мониторинга следует учитывать физическое расположение каждой точки измерения.

От данных с датчиков к решениям по системам управления батареями (BMS).

Измерение температуры становится более полезным, когда оно интегрировано с системой управления зданием (BMS) и более широкой системой управления.

Система управления батареей (BMS) может использовать информацию о температуре вместе с другими параметрами батареи, такими как напряжение ячейки, напряжение блока и ток заряда/разряда, чтобы определить, работает ли батарея в пределах заданных параметров.

Температура может влиять на принятие ряда решений, в том числе:

• Следует ли продолжать зарядку или разрядку

• Следует ли ограничивать ток

• Следует ли при возникновении нештатной ситуации подавать сигнал тревоги?

• Достигнут ли порог защиты

• Нужно ли батарее переходить в другое рабочее состояние?

Важно отметить, что датчик не принимает решение о защите самостоятельно.

Датчик обеспечивает измерение. Система управления батареей (BMS) интерпретирует данные в соответствии с настроенной логикой защиты и управления.

Это различие становится все более важным по мере того, как в аккумуляторных системах используется все больше точек мониторинга и более подробная информация о работе.

Разница температур также может нести полезную информацию.

Абсолютная температура не всегда является единственной полезной величиной.

Разница между точками измерения может предоставить дополнительную информацию о состоянии аккумуляторной системы.

Например, если несколько сопоставимых участков батареи работают в схожих условиях, но в одном месте наблюдается постоянная разница температур, это различие может потребовать дальнейшего исследования.

Тот же принцип применим и к точкам электрического соединения.

Отдельное значение температуры может показаться приемлемым, если рассматривать его отдельно, в то время как сравнение нескольких точек может выявить аномальную закономерность.

Благодаря этому многоточечный контроль температуры полезен не только для защиты, но и для мониторинга состояния и технического обслуживания.

Таким образом, качество архитектуры мониторинга зависит как от производительности датчиков, так и от способа интерпретации собранных данных.

Проводной и беспроводной мониторинг температуры

Выбор между проводным и беспроводным датчиком зависит от физической структуры системы.

Проводные датчики обеспечивают простое подключение к системе мониторинга, но большее количество точек измерения может увеличить потребность в проводке.

В аккумуляторной стойке с множеством модулей и несколькими точками мониторинга прокладка кабелей может стать практическим аспектом проектирования.

Беспроводной мониторинг температуры позволяет сократить количество сигнальных проводов, необходимых между точками измерения и системой сбора данных. Это может быть полезно в условиях ограниченного пространства для установки или при распределении точек мониторинга по всей крупной электрической сети.

Беспроводное зондирование также может быть актуально, когда требуется мониторинг в таких местах, как шины, кабельные соединения или другие электрические интерфейсы, где прокладка дополнительной проводки неудобна.

Выбор по-прежнему должен основываться на полных системных требованиях, включая способ связи, условия установки, точность измерений, электропитание и требования к техническому обслуживанию.

Контроль температуры за пределами аккумуляторной ячейки

По мере того, как электрические архитектуры систем хранения энергии становятся все более компактными, мониторинг температуры не обязательно ограничивается только аккумуляторным модулем.

Электрический контур вокруг батареи также может содержать важную тепловую информацию.

Например, при сильноточном соединении может наблюдаться дополнительный нагрев из-за контактного сопротивления. Предохранитель может срабатывать в корпусе, где локальная температура значительно отличается от внешней температуры окружающей среды. Контактор также может испытывать собственные тепловые условия в зависимости от непрерывного тока и условий установки.

Эти измерения могут помочь инженерам отличить проблему, связанную с перегревом батареи, от проблемы, связанной с электрическим контуром.

Именно поэтому мониторинг температуры и выбор компонентов не следует рассматривать как совершенно отдельные задачи проектирования.

Тепловая среда вокруг защитного или коммутационного компонента может влиять на его рабочий запас, в то время как сам компонент может вносить вклад в локальную тепловую среду.

Размещение датчиков должно соответствовать электрической и тепловой архитектуре.

Размещение датчиков лучше всего рассматривать в совокупности с физической компоновкой системы хранения энергии.

Полезным подходом является определение:

Место, где выделяется тепло → место, где тепло может накапливаться → место, где изменения температуры могут указывать на ненормальное состояние

Это может привести к различным приоритетам обнаружения в разных частях системы.

Для контроля рабочих параметров батареи может потребоваться мониторинг температуры аккумуляторных модулей.

Шины и клеммы могут нуждаться в мониторинге, поскольку по ним протекают высокие токи.

Места соединений заслуживают внимания, поскольку локальное сопротивление может создавать концентрированный нагрев.

Мониторинг других компонентов может потребоваться, если их рабочая температура напрямую связана с требованиями к надежности или защите.

Этот подход более эффективен, чем простое увеличение количества датчиков.

Большее количество данных не означает автоматически более эффективный мониторинг. Точки сбора данных должны предоставлять информацию, на основе которой можно принимать решения.

Система мониторинга температуры и защита системы хранения энергии работают совместно.

Контроль температуры — это лишь один из уровней более крупной системы защиты.

В системах накопления энергии (BESS) электрическая защита может включать предохранители, контакторы постоянного тока, контроль изоляции, измерение тока и функции защиты системы управления батареей (BMS).

Мониторинг температуры предоставляет еще один источник информации, который может помочь выявить ненормальные условия эксплуатации.

Эти функции выполняют разные роли.

Датчик температуры определяет физическое состояние.

Система управления батареей (BMS) оценивает это состояние вместе с другой информацией о батарее.

Затем система управления может определить соответствующий ответ.

В зависимости от архитектуры системы и характера неисправности, функцию физической изоляции или прерывания могут выполнять предохранитель или контактор.

Четкое определение этих ролей важно при разработке комплексной стратегии защиты.

Это также предотвращает распространенную ошибку проектирования: ожидание, что одно устройство мониторинга или один компонент защиты самостоятельно решит проблему системного уровня.

Со временем данные о температуре приобретают все большую ценность.

Измерение температуры полезно в момент его проведения, но записанные данные о температуре могут иметь дополнительную ценность.

Непрерывный мониторинг позволяет отслеживать поведение конкретной точки в различных условиях зарядки и разрядки.

Со временем инженеры смогут выявить:

• Повторное повышение температуры в одном и том же месте

• Различия между секциями батареи

• Изменения теплового поведения при аналогичных нагрузках

• Аномальные температурные режимы

• Условия, предшествующие возникновению неисправности или необходимости проведения технического обслуживания.

Это выводит мониторинг температуры за рамки простого генерирования сигналов тревоги.

Это также может помочь в принятии решений по техническому обслуживанию, позволяя инженерам выявлять места, требующие более тщательного осмотра.

Для более крупных или сложных аккумуляторных систем эта историческая информация может стать особенно полезной, поскольку условия эксплуатации системы меняются в течение всего срока ее службы.

Разработка уровня мониторинга совместно с аккумуляторной стойкой.

Наилучшие результаты в плане контроля температуры достигаются при проектировании аккумуляторной стойки, а не после того, как уже определена электрическая архитектура.

Аккумуляторные модули, шины, сильноточные соединения, защитные компоненты, система охлаждения и точки измерения занимают одно и то же физическое пространство и взаимодействуют в тепловом отношении.

Таким образом, архитектура мониторинга должна отражать фактическую структуру стойки.

Это соответствует более широкому подходу к проектированию высоковольтных аккумуляторных батарей: мониторинг батарей, управление температурным режимом, защита и электрическая интеграция должны работать совместно, а не рассматриваться как отдельные задачи.

Для разработчиков систем хранения энергии практический вопрос заключается не просто в том, сколько датчиков температуры необходимо. Важно определить, какие точки необходимо контролировать, какую информацию предоставляет каждая точка и как эта информация будет использоваться системой управления батареей (BMS) или системным контроллером.

Именно поэтому датчики температуры становятся частью системного проектирования, а не просто еще одним компонентом, устанавливаемым внутри стойки.