中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：9月10-11日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院、南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院聯(lián)合100余家機(jī)構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在深圳召開。此次大會(huì)主題是“綠色、經(jīng)濟(jì)、安全、發(fā)展”。
來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的600余家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1317位嘉賓參加了本屆大會(huì)。
11日上午，長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師夏向陽(yáng)受邀在“新能源動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)專場(chǎng)”分享了主題報(bào)告，主題為《電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池健康狀態(tài)的智慧數(shù)據(jù)分析》。
夏向陽(yáng)：大家下午好，我是來(lái)自長(zhǎng)沙理工大學(xué)的夏向陽(yáng)！我匯報(bào)的題目是《電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池健康狀態(tài)的智慧數(shù)據(jù)分析》。
我將從以下五個(gè)部分向各位專家做匯報(bào)，首先看背景，大家都很清楚，從風(fēng)光可再生能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重逐漸增大，2020年化石占比是81.7%，到2050年預(yù)計(jì)化石能源只占到40%，這也是“雙碳目標(biāo)”。而可再生能源發(fā)電從2020年的14%到2050年要占到50.3%，這也是我們2050年的目標(biāo)，說(shuō)明到2050年以后，我們的新能源占比已經(jīng)超過(guò)了一半以上。這么多新能源，大家都清楚，它的不穩(wěn)定性會(huì)直接影響到電力系統(tǒng)的安全，而儲(chǔ)能技術(shù)作為支撐新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定最重要的技術(shù)和基礎(chǔ)裝備之一。
右下圖可以看到，這是大型量的儲(chǔ)能電站，鋰電池在作為一個(gè)密閉空間，在外界的誘因下，存儲(chǔ)的能量會(huì)發(fā)生熱失控，導(dǎo)致災(zāi)害事故的發(fā)生，所以儲(chǔ)能的安全存在挑戰(zhàn)。怎樣準(zhǔn)確判斷電池的健康狀態(tài)呢？它的安全怎樣呢？這是我們很關(guān)心的問(wèn)題。
我們對(duì)電池的研究很多，數(shù)據(jù)分析也有很多方法，基本歸為三類：一類是直接實(shí)驗(yàn)，利用全充全放獲取電池現(xiàn)有的可用容量，通過(guò)電化學(xué)的阻抗法，獲取電池的特性，這是一種方式，就是直接實(shí)驗(yàn)。第二類是建立模型，現(xiàn)在用得比較多的一階模型、二階模型等等，通過(guò)模型的輸入，看看電池的老化程度。第三類就是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在有大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，像基于回歸模型，支持向量回歸機(jī)模型等，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)判斷電池狀態(tài)。
接下來(lái)看看現(xiàn)在能采集到的電池的數(shù)據(jù)，我們團(tuán)隊(duì)有個(gè)很好的研究基礎(chǔ)和平臺(tái)，分析數(shù)據(jù)來(lái)源非常較多關(guān)鍵，我也希望在座各位同仁在數(shù)據(jù)上能進(jìn)行分享合作，現(xiàn)在我們主要的四個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)源：第一個(gè)是跟國(guó)網(wǎng)湖南電力公司共建的“規(guī)模化電池儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)”湖南省工程研究中心，如芙蓉儲(chǔ)能站，大靈山儲(chǔ)能站等數(shù)據(jù)我們都可以共享。第二個(gè)是我們學(xué)校購(gòu)置了一個(gè)平臺(tái)，100千瓦時(shí)/200千瓦時(shí)的儲(chǔ)能平臺(tái)，雖然比較小，但所有的BMS和EMS都齊全。第三個(gè)是長(zhǎng)沙理工大學(xué) 學(xué)校有一個(gè)威小電流電芯的測(cè)試平臺(tái)。第四是美國(guó)國(guó)家NASA、馬里蘭大學(xué)公開電池老化數(shù)據(jù)。
電池管理系統(tǒng)，單個(gè)電芯的電壓、溫度和電池狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，單個(gè)電池簇的平均電壓、最高電壓、最低電壓、平均溫度、最高溫度、最低溫度、SOH等電池外特性參數(shù)均可以進(jìn)行測(cè)試。
這些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)怎么分析呢？大家可以看到，我們現(xiàn)在運(yùn)行的這些BMS，可以算出電池簇的累計(jì)充電電量，包括整個(gè)電站的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存儲(chǔ)大量的屬性特性，以湖南某儲(chǔ)能電站為例，可以檢測(cè)到電流、電壓、溫度、累計(jì)充電量、累計(jì)放電量、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)。其中像電流、電壓、溫度等直接采用傳感器測(cè)量。像充電電量，多少荷電量，都是通過(guò)算法算出來(lái)的，這些都就是現(xiàn)在運(yùn)行情況的狀態(tài)。
我們?cè)趺丛谶@個(gè)基礎(chǔ)上更深一步呢？這就是我們團(tuán)隊(duì)提出的，在這個(gè)基礎(chǔ)上如何 繼續(xù)提升更多的特征量，呢？我們發(fā)現(xiàn)容量的變化量、能量的變化量、電壓的變化量、電流的變化量和時(shí)間的變化量，以及上述數(shù)據(jù)的二次處理如熵值等，跟電池的健康狀態(tài)有很大的關(guān)系。電池的老化過(guò)程中，我們的能量變化曲線可以看到，同時(shí)容量的突變等等，都有一些老化的特征，同時(shí)可以看到采樣的點(diǎn)數(shù)，我們采樣的點(diǎn)數(shù)是電池的老化，包括時(shí)間的變化量，隨著時(shí)間變長(zhǎng)電池是逐漸老化的變化的趨勢(shì)，包括容量增量的曲線，溫度變化等等，這些特征量可能更能準(zhǔn)確表現(xiàn)電池的老化狀態(tài)。我們對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行直接或間接的監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)的變化率、熵、有序度等進(jìn)行再處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的有效評(píng)估。突變量更能體現(xiàn)它衰老前的前兆。
同時(shí)我們有一個(gè)電池堆健康判斷方法，通過(guò)對(duì)電池堆簇的放電電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們來(lái)求得它的變化率及健康狀態(tài)。
同時(shí)電流、電壓、溫度這些東西對(duì)我們來(lái)說(shuō)是外特征，我們可以從外面測(cè)量到。而電池里面的內(nèi)在特征怎么樣，運(yùn)行過(guò)程會(huì)發(fā)生什么變化呢？在座各位從儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，化學(xué)特征變化就是我們常說(shuō)的電阻和電容等電壓。所以我們通過(guò)這圖些可以看到，在不同的充電深度循環(huán)老化過(guò)程中，它的內(nèi)在特征有沒(méi)有發(fā)生變化。我們可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，換電容量的增加，歐姆內(nèi)阻慢慢往上走，極化內(nèi)阻也在慢慢往上走。（見PPT）這些特征才能真正反映它的衰老情況。我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上，右邊這個(gè)模型，R、電阻、電容以前大家設(shè)定為固定組，現(xiàn)在設(shè)定為變化參數(shù)，隨著充放電使用次數(shù)的增多，或者使用環(huán)境變化，電阻電容是變化的，這才能準(zhǔn)確反映電池的衰老狀態(tài)。
還有一個(gè)問(wèn)題，就是在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)，每天上百萬(wàn)條的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)我們來(lái)說(shuō)很多是無(wú)用的。同時(shí)有些數(shù)據(jù)是缺失的，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和處理，這也是我們?cè)谥腔厶幚淼姆椒?。像異常?shù)據(jù)檢測(cè)和特征數(shù)據(jù)讀取、篩選等等，我們把每天大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，才能得出準(zhǔn)確的效果。
我們團(tuán)隊(duì)在能夠準(zhǔn)確判斷電池狀態(tài)以后，如何在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)，因?yàn)槲沂遣┦?，學(xué)電氣的，我們更多是研究如何在把儲(chǔ)能系統(tǒng)跟電網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合。電網(wǎng)要求是 對(duì)安全性要求很高的，如果儲(chǔ)能系統(tǒng)接上電網(wǎng)帶來(lái)不穩(wěn)定的話，肯定不要 能接上去。所以我們團(tuán)隊(duì)提出，儲(chǔ)能系統(tǒng)主動(dòng)安全運(yùn)行研究，儲(chǔ)能系統(tǒng)在安全的情況下并上電網(wǎng)，如何并，這是我們團(tuán)隊(duì)研究的方向。
第一，基于特征數(shù)據(jù)信息熵的鋰離子儲(chǔ)能電站電芯健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)方法，我們從電芯、電池PACK、電池簇、電池堆，我們進(jìn)行了大量的分析，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析，得出電池異常老化的情況。右下角是電池的布局分布，某些電池的異常情況，通過(guò)這些東西特性可以知道，某些電芯出現(xiàn)什么情況。這個(gè)成果我們已在國(guó)外期刊上也發(fā)表了。
我們是怎么樣實(shí)現(xiàn)呢？我們相當(dāng)于在BMS系統(tǒng)中抓取一套系統(tǒng)，同時(shí)數(shù)據(jù)送到我們開發(fā)的電池評(píng)價(jià)系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)是并行的，可以同時(shí)處理，我們可以在下面進(jìn)行邊緣計(jì)算，算出電芯的健康情況，跟BMS并行，不影響數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)也是這個(gè)系統(tǒng)，我們進(jìn)行大量分析。同時(shí)把數(shù)據(jù)算完以后，送到EMS，提供一個(gè)控制策略評(píng)價(jià)的依據(jù)。怎么控制？這里有很多電池簇，是投哪簇？怎么投？如果我們發(fā)現(xiàn)電池簇1出現(xiàn)問(wèn)題或者老化，怎么辦？我們是不是改為投電池簇2或者3，我們通過(guò)算法能夠算出電池簇存在的老化情況，我們是不是能夠改變它的控制方式，而不是按照常規(guī)的。所以我們將來(lái)更多是以功率平衡、損耗、荷電狀態(tài)、避免諧振、健康狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站安全經(jīng)濟(jì)性，這個(gè)研究結(jié)論我們?cè)凇峨姽ぜ夹g(shù)學(xué)報(bào)》和《太陽(yáng)能學(xué)報(bào)》等期刊上已經(jīng)發(fā)表了，所以儲(chǔ)能的安全直接支撐了將來(lái)的并網(wǎng)控制。
結(jié)論：我們也做研發(fā)了一套電池健康狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，已經(jīng)調(diào)試過(guò)了，我剛才跟一位專家也說(shuō)到，我們有很多數(shù)據(jù)，但是我們沒(méi)有裂化數(shù)據(jù)，就是我們的極化電阻、極化電容和內(nèi)阻的老化閥值，到了什么時(shí)候會(huì)發(fā)生事故，就是我們說(shuō)的熱失控。我們沒(méi)有這個(gè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在特別希望在座的各位將來(lái)能加強(qiáng)合作，把裂化數(shù)據(jù)的閾值發(fā)現(xiàn)出來(lái)，如果發(fā)現(xiàn)出來(lái)以后：第一可以對(duì)電池進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，這個(gè)比我們現(xiàn)在用的電池充放電3000次、5000次、上萬(wàn)次，比這種方式更能準(zhǔn)確判斷電池的壽命和衰老狀態(tài)。我們主要在電池的健康特征和自身健康的關(guān)系方面進(jìn)行研究。第二能提取反映電池健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)特征量，健康狀態(tài)用數(shù)據(jù)特征量來(lái)表達(dá)。第三依據(jù)計(jì)算特征數(shù)據(jù)熵值大小來(lái)判斷有序程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)簇內(nèi)電芯老化程度及均衡性的分析判斷。電池不一致性也是在座各位談?wù)摵芏嗟?，也是影響電池的因素之一。第四是?shí)現(xiàn)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)多變流器協(xié)同支撐電網(wǎng)的安全運(yùn)行，提升儲(chǔ)能電站整體安全性。昨天多個(gè)專家談到說(shuō)了，華智科技也談到這個(gè)，提高儲(chǔ)能電站的整體安全性。我相信只要把這些因素做好，儲(chǔ)能系統(tǒng)才能更好地在電網(wǎng)和其他地方做得運(yùn)行更安全、更可靠，儲(chǔ)能行業(yè)才能做大做強(qiáng)。
謝謝！
【責(zé)任編輯：周曉晴】
