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ACCURE 白皮书：可提高电池安全性的预测诊断

CLEANdata译 CLEANdata 2024-04-14

小刘：资产采用不同品牌的电芯究竟会给未来收益带来怎么样的风险差异？这或许是储能业界的融资机构、保险机构和业主最为关心的几个问题之一。如何从复杂的应用场景中剥离出与电芯相关的真实性能？这个问题很难回答，包括电芯企业。
如果无法判断产品真实性能，决策者会不会更倾向选择市场占有率比较高的品牌呢？
信息迷雾阻碍着产品性能进化的技术循环，也抑制了供应端的竞争，最终或将导致极高的行业集中度，甚至形成垄断。
回到《ACCURE白皮书：可提高电池安全性的预测诊断》，ACCURE能够得到目前电芯制造领域既得利益者的支持吗？恐怕很难。那市场通路在哪？也许如白皮书的结论提到的那样 “要成为能源和移动世界的关键支柱，电池必须安全可靠。预测诊断已被证明是有效的额外安全防护层，无需额外的硬件或产品修改即可实施。这也使得 ACCURE 与国际合作伙伴共同提供智能保险产品成为可能。”

锂离子电池 (LIB) 是我们清洁能源未来的关键推动者。如今，LIB 已经为从电动滑板车到船舶和并网储能系统的设备提供动力。然而，与所有能源技术一样，电池也存在一定的故障风险。对于锂离子电池来说，这可能会导致产气和燃烧，从而可能危害人员和财产。不断提高能量密度的趋势实际上是火上浇油。
图 1 显示了 LIB 设计中通常进行的权衡。为了实现更高的能量密度，制造商使用更多的活性材料，同时最大限度地降低安全裕度。由于单个电池中存储的能量更多，因此在发生故障时会释放更多的能量。随着电池行业的快速发展，电池事故数量也随之增加。一个突出的例子是 2019 年亚利桑那州McMicken APS 站点发生的火灾。电池故障导致其中一个储能集装箱发生大规模爆炸，造成数百万美元的损失，并导致数名消防员入院治疗。在汽车领域，通用汽车、现代汽车和起亚汽车在 2020 年至 2021 年间因发生 30 多起电池起火事件而不得不召回超过 20 万辆电动汽车。所有这些事件都涉及在电池行业拥有数十年经验的世界领先公司。
图1：电池电芯设计中典型权衡的图示

1 电池故障类型
严重的电池事故包括导致有毒气体（包括氢氟酸）释放的电池破损、内部短路和火灾。一旦锂离子电池着火，几乎不可能被扑灭，因为其活性材料分解会产生氧气，不断助长火势——形成可怕的热失控。一个主要问题在于，一旦一个电芯发生热失控，事件很容易蔓延到邻近的电芯，最终摧毁整个储能系统和/或邻近的设施。
图 2 说明了电池系统的原因、电池内部过程以及由此产生的故障机制。电池故障的主要原因之一是制造缺陷。这些可以发生在电芯、模组或系统级别。
图 2：说明电池故障的根本原因（外圈）、电芯内部过程（中圈）以及最终导致的故障机制（内圈）。

电芯层面的常见问题包括材料污染、生产过程中的不均匀性或安全裕度不足。通用汽车在 2021 年底表示，对雪佛兰 Bolt 系列火灾的内部调查表明，阳极片撕裂和隔膜折叠是根本原因。
• 在模组层面，不良的电芯连接、错误的热管理或电芯不匹配可能会导致安全问题。例如，半自动化甚至全自动焊接不仅会对电芯施加短暂但明显的热应力，而且还会带来一定的故障率。每天有数百万个电芯被组装成模组，即使是彻底的质量管理程序有时也会漏掉这些错误。
• 在系统层面，多个电池模组的协调不良或状态估计错误可能会引发毁灭性的错误链。此类系统级错误可能是 2018 年至 2019 年间韩国大型电池储能系统火灾的很大一部分原因。
运行故障可能会带来额外的危险。锂离子电池设计为在明确规定的温度、电压和电流边界条件范围内工作。在这些限制之外操作 LIB 不仅会导致加速老化，还会触发热失控等关键故障机制。虽然每个锂离子电池都配备了电池管理系统 (BMS)，负责将电池保持在安全工作范围内，但现实表明，即使来自世界领先供应商的 BMS 也可能发生故障，有时会造成毁灭性的影响（请参阅下一章）。

2 电池保护措施及故障诊断
精心设计的锂离子电池总是具有多层保护措施，以确保安全运行。最重要的保护措施如下。
2.1 被动安全特征
锂离子电池系统通常包含多个无源组件以确保整个系统的安全，包括：
• 在高电流或发生故障时断开电路的熔断器和继电器
• 排出气体以释放电芯（然而，释放的有毒气体可能会污染设施或被吹入住宅区） 压力的通风口
• 电流中断设备 (CID)，如果电池的内部压力超过预定义水平，则会中断电流路径
• 正热系数 (PTC) 热阻可在电池温度较高时降低电流
• 云母片等隔热材料可限制热传播
• 防火外壳，尽管仍会释放有毒气体，但仍可将电池模组内的火灾遏制住。
然而，被动安全组件是最大限度地减少已发生的危急情况造成的损害的最后手段——在许多情况下它们无法阻止这些情况发生。
2.2 电池管理系统
电池管理系统 (BMS) 是包含传感器、逻辑单元、执行器和通信接口的电子电路。BMS 确保电池在其规格范围内运行，通常涵盖以下任务：
• 通过传感器测量持续监控电池系统的电压、电流和温度
• 充电状态 (SOC)、功率状态 (SOP) 和健康状态 (SOH) 等估计值（由于 BMS 的计算能力有限，这些估计可能很糟糕。例如，特斯拉的中国 Model 3 汽车由于 SOC 估算不佳而面临严重问题。电池经常深度放电，从而对电池造成永久性损坏。）
• 执行主动或被动电池平衡，以确保所有电池都在相同的 SOC 下工作
• 与整个系统的其他部分（例如逆变器和能源管理系统）进行通信，以确保平稳运行
虽然 BMS 对锂离子电池的安全至关重要，但它们也有明显的缺点：它们只能看到相应电池包内的电池，几乎无法访问历史数据或其他电池系统的数据，并且计算能力有限。由于这些限制，它们检测异常或分析长期趋势的能力通常很小甚至没有。
2.3 预测诊断
提高移动应用和能源应用中电池安全性的有效策略是使用预测诊断。通过在早期阶段检测严重故障，电池运营商可以在造成任何损坏之前采取行动。由于诊断仅基于现有数据流，因此可以应用于任何 LIB 系统，无需对产品进行任何修改。预测诊断的概念如图 3 所示，总结如下。
图 3：ACCURE 预测诊断的流程示意图

步骤1：数据预处理
所有计算的起点是来自 BMS 的连续测量数据流（“原始数据”）。为了利用这些数据，需要进行广泛的数据清理：首先，需要检测并标记异常值和系统测量误差，以避免错误的解释。但更一般地说，每个 BMS 都有自己的（系统和统计）错误和特性，需要理解这些错误和特性才能理解数据。强大的云平台必须能够处理任何类型的输入数据，并且需要从每个新数据点得出正确的结论。
步骤2：故障检测
故障检测算法会仔细检查电池数据以检查是否存在潜在故障。可以通过电压、温度和电流等主要参数的变化或阻抗、开路电压曲线的变化或每个电池中的活性锂量等次要参数的变化来识别故障。为了跟踪次要参数，使用基于模型的算法，该算法通过数学方程考虑降阶物理/化学过程。识别和跟踪数百万个正在运行的相似电芯的这些参数中的特定模式，使这些算法能够在异常变得危险之前发现它们。
步骤3：报告
如果电池被识别为危险的，则会生成自动警告。事实证明，两级系统在这方面是有效的。
• 黄色警告表示电池出现系统性性能不佳或出现意外行为，例如由于BMS 校准错误或电池连接器松动。这些问题通常可以在出现问题之前由技术人员或软件更新来解决。
• 红色警告要求立即采取行动，因为严重故障即将发生。电池系统应进入安全运行状态，并需要由经过培训的专家进行调查或更换。


3. 预测诊断示例
ACCURE Battery Intelligence 管理着数十万个电池模组，运营着世界上最大的电池数据库之一，其中包括经历过严重故障的系统。下面介绍了此类系统的四个示例。为了保护我们合作伙伴的利益，所有结果都经过匿名处理并稍作修改，同时保留所有相关信息。
BMS故障检测 监管电芯是BMS的职责，但谁来监管BMS呢？大多数 BMS 不提供完全冗余。因此，虽然故障不太可能发生，但确实会发生，并且可能导致毁灭性的故障。图 4 显示了排名前 5 的电池供应商的电池电压曲线。
图 4：充电结束电压随时间增加，导致电压达到临界值

该电池的满充电电压随着时间的推移稳步增加，远超出其规格。这种过度充电不仅会导致加速老化，还会导致锂离子电池热失控。在线安全监控可以在此类 BMS 缺陷引发严重电池故障之前可靠地发现它们。
电芯之间的电压漂移
每当电池电芯以串联配置连接时，建议实施平衡系统。平衡系统平衡各个电池的 SOC，以最大限度地提高可用能量。因此，在正常操作中，电芯电压在整个大的 SOC 范围内应该是相同的。持续的电压漂移可能是电芯故障的先兆，可能导致产气和/或火灾。图 5 显示了故障电池模组随时间的电压漂移。
图 5：电池电芯之间的电压漂移超过可接受的限度，表明出现故障

从第 5 个月到第 6 个月之间开始的加速电压漂移是电池故障的有力指标。最终，电压漂移达到临界水平。ACCURE 的安全算法会自动警告此类不规则的电池行为。
基于模型的安全诊断
跟踪电池安全性的一种先进而强大的方法是通过基于模型的方法。这些算法反映了电化学关系和过程，从而揭示了有关电池内部状态的信息。图 6 给出了从运行数据中提取的 LIB 模型参数的一个示例。
图 6：基于模型的安全诊断跟踪活性锂随时间的损失

如果电池以相对较高的电流速率充电（可能在低温下），则可能会发生析锂。析锂不仅会使电池老化，还会形成金属枝晶并引发产气等副反应，从而构成安全威胁。它表现为不再可用于主要反应的锂损失。ACCURE 的安全算法密切跟踪电池中活性锂的损失，以预测安全关键事件。

4 结论
要成为能源和移动世界的关键支柱，电池必须安全可靠。预测诊断已被证明是有效的额外安全防护层，无需额外的硬件或产品修改即可实施。这也使得 ACCURE 与国际合作伙伴共同提供智能保险产品成为可能。

来源
https://www.accure.net/

扩展阅读
使用套利策略的电池储能可能面临资产快速衰减






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