中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月24～26日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司與國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合240余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十三屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州召開。
來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(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1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中245家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認(rèn)證等新型儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日下午，深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司項(xiàng)目高級工程師王敏受邀在儲(chǔ)能檢測、認(rèn)證與標(biāo)準(zhǔn)專場分享了主題報(bào)告，報(bào)告題目為《儲(chǔ)能檢測、認(rèn)證與標(biāo)準(zhǔn)》。以下是報(bào)告主要內(nèi)容：
王敏：各位同行的專家，還有在座的領(lǐng)導(dǎo)，大家下午好！
今天我報(bào)告的主題是：儲(chǔ)能電池測試評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、方法和技術(shù)。
首先我們從安全的角度出發(fā)來講。我們都知道近幾年發(fā)生了很多儲(chǔ)能箱的安全事故，包括美國、韓國、中國、澳大利亞、歐洲都有事故的發(fā)生。通過對這些事故進(jìn)行調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，這些儲(chǔ)能艙使用年限是從6個(gè)月到4年不等，可以說跨度稍微有點(diǎn)大。對它的失效階段進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，65%都是在滿充過程中發(fā)生了失效，還有剩下一部分是在修理中、安裝中、充電中發(fā)生的失效。
儲(chǔ)能系統(tǒng)失效模式大致歸結(jié)為4大方面的原因：首先是電池系統(tǒng)缺陷，主要指的是制造過程中引入的缺陷；二是應(yīng)對電氣故障的保護(hù)系統(tǒng)不完善；三是運(yùn)營環(huán)境管理的不足，例如儲(chǔ)能艙里發(fā)生了凝露、灰塵吸附，可能會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，從而引發(fā)電氣故障；四是儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合管理體系的欠缺。
我想我們都認(rèn)同安全是一個(gè)產(chǎn)品的底線，我們不僅要保證產(chǎn)品在出廠時(shí)安全，更要保證它在全生命周期的安全。要做到這一點(diǎn)就需要從三個(gè)角度出發(fā)。首先就是本征安全，要保證電池自身的安全性，從材料組分、電池結(jié)構(gòu)出發(fā)，探究到電池使用安全邊界。確保它在特定場合下，還有多因素耦合狀態(tài)下的安全特性。二是保證它的系統(tǒng)安全，這里主要針對的是電池的大腦，也就是它的各種管理系統(tǒng)，要保證它的可靠性。例如，當(dāng)電池的一致性變差之后，要確保這個(gè)管理系統(tǒng)還能起到有效的控制作用；還有對系統(tǒng)內(nèi)組件維護(hù)維修等。三是消防安全，消防安全是安全保障各環(huán)節(jié)中的最后一道防線。我們要做到多級消防系統(tǒng)的安全。首先確保滅火試劑、消防系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，確?，F(xiàn)場火災(zāi)處置方式有效可行，最后還需要對安全事故做出診斷。我們診斷出原因，才能從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上避免它形成一個(gè)閉環(huán)。
接下來，我從測試的角度來講一下怎么來保證全生命周期的安全。首先本征安全這里對材料做出一些挑選和檢測，材料是電池設(shè)計(jì)的底層，一般我們會(huì)進(jìn)行形貌、熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、組分分析、全相分析一系列檢測，確保我們使用的材料性能是ok的。接下來是從產(chǎn)品的角度，我們把材料組裝成一個(gè)電池之后，這個(gè)電池也應(yīng)該具有一定的安全性，我們通常會(huì)考察它的可靠性，濫用安全、微濫用安全這一塊。濫用安全這一塊，主要是保證這個(gè)電池在一些極端的情況下，它的安全邊界在哪里。常見的濫用安全包括了針刺、內(nèi)短路、外短路、擠壓、過充過放等。對于模組層級產(chǎn)品還要驗(yàn)證熱失控?cái)U(kuò)散蔓延的情況，探究中間這些隔熱材料是否能有效抑制或者減緩熱失控蔓延的發(fā)生。微濫用這一塊更多是模擬電池在日常使用中常遇到惡劣工況，以驗(yàn)證它的性能邊界。比如說對它進(jìn)行低溫析鋰循環(huán)，微過充過放循環(huán)，微短路循環(huán)，還有電氣絕緣失效。還有一些其他的測試，比如絕熱溫升ARC、熱失控氣體分析等。
熱失控特性研究對于電池的研究是非常重要的一塊，我們通常研究的過程特征就包括了電壓，還有產(chǎn)氣的速率、體積，熱失控的各種溫度，包括熱失控過程中內(nèi)阻變化、熱場分布等。除此之外，我們也需要知道熱失控之后產(chǎn)生了是什么樣氣體成分，爆炸極限是什么，燃燒速率、氣體毒性是怎樣的。除此之外，我們也會(huì)想去了解一個(gè)電芯失效之后產(chǎn)生的粉塵，它的電導(dǎo)率成分是怎樣的，它沉積到其他電池表面是否會(huì)降低其他電池的絕緣性能。常見的測試方法，一個(gè)是這種集氣測試，另外是絕熱溫升測試，我們實(shí)驗(yàn)室目前也是配備了這兩個(gè)設(shè)備。
這里展示了這兩個(gè)測試的數(shù)據(jù)情況，可以看到中間是集氣測試數(shù)據(jù)，我們主要研究熱失控產(chǎn)氣的體積，還有氣體成分。還要研究產(chǎn)氣的速率，這里就和它的比能量掛鉤的。中間這張圖，中間的小圖就展示了壓力還有產(chǎn)氣的體積，下面這里就展示了產(chǎn)氣的速率。右上角的圖中，我們還對比不同觸發(fā)方式，產(chǎn)生氣體的成分。另外就是，我們一般研究這3個(gè)溫度點(diǎn)，T1是自產(chǎn)熱的起始點(diǎn)，這里是它失去穩(wěn)定性的起始溫度。T2是熱失控的觸發(fā)溫度，也是內(nèi)部熱失控?zé)o法抑制的溫度。T3是最高溫度，這里會(huì)影響到熱失控蔓延的速度。
這是紋波測試，GB/T34120-2017有提到電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能變流器紋波不應(yīng)超過5%，超過的情況下會(huì)對電芯造成怎樣的損害呢？這里我們也做了一個(gè)驗(yàn)證，在電池充電電流上疊加紋波電流，然后模擬PCS直流側(cè)電壓和電流紋波對電池的影響。這里我們考察了溫度、紋波振幅、頻率對容量的影響。之前我也有注意到一些文獻(xiàn)中說紋波對電池容量衰減沒有太大的影響，根據(jù)我們的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)還是有影響的，只是說它在室溫下影響比較小；在疊加低溫之后，它的影響是比較明顯的，可以從這個(gè)圖看出來，它在很短的時(shí)間內(nèi)容量就發(fā)生了明顯的衰減。
這是動(dòng)態(tài)擠壓測試，用來驗(yàn)證模組的機(jī)械可靠性，這個(gè)臺(tái)架是我們和德國大眾共同開發(fā)的，左邊是它的示意圖。這個(gè)測試的目的是讓一個(gè)重物自由落體，砸到樣品表面，并沖擊侵入特定深度，驗(yàn)證它是否會(huì)失效，或者漏夜等，同時(shí)我們也會(huì)用高速攝像進(jìn)行過程的記錄。右邊是這個(gè)測試的一個(gè)典型的數(shù)據(jù)，我們會(huì)記錄過程最大的壓力，包括降落板整個(gè)過程下落位移的變化，會(huì)記錄到上面降落板接觸到模組表面一瞬間的時(shí)間點(diǎn)，同時(shí)算出接觸時(shí)的速度，最終也會(huì)計(jì)算出來最終侵入的深度。
系統(tǒng)安全，我們主要是驗(yàn)證BMS、BPU、EMS這一塊功能安全。首先肯定要保證它的精度，驗(yàn)證它的精度。比如說包括電流采集精度，還有SOC估算精度。二是驗(yàn)證它的保護(hù)能力，比如說過壓、過流保護(hù)、高溫保護(hù)、低溫保護(hù)、熱管理方面的功能。最后我們也是要驗(yàn)證它的故障診斷和預(yù)警的能力，包括對其中一個(gè)電芯進(jìn)行絕緣失效，或者是做一個(gè)冷卻液泄漏，單電芯內(nèi)短路，考察系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是否能夠及時(shí)報(bào)警。
上面這個(gè)測試是把幾個(gè)模組形成了電池簇，使其中一個(gè)模組SOC放電到一個(gè)很低的水平，然后對這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行放電過程的過流過壓保護(hù)的驗(yàn)證。下面測試我們是對一個(gè)系統(tǒng)中單電芯植入的故障，包括內(nèi)短路故障還有電解液泄漏的故障，考察系統(tǒng)在運(yùn)行過程中告警情況，我們也考察了在不同循環(huán)階段容量還有電芯EIS的變化。這里我們專門配備了荷蘭的電化學(xué)工作站，對EIS進(jìn)行了檢測。
消防安全，消防安全首先肯定驗(yàn)證的是滅火劑，我們需要找到一種有效的滅火劑。市面上常見的滅火劑可以說各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前使用最多的應(yīng)該還是全氟己酮。但全氟己酮也是有一定的問題，比如說它比較容易吸收水分，產(chǎn)生酸性物質(zhì)，可能會(huì)腐蝕到金屬的部件，還有密封件等。同時(shí)它也缺少全尺度滅火實(shí)驗(yàn)的支撐。二是對消防系統(tǒng)安全的驗(yàn)證，首先要對消防組件可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，比如防爆排風(fēng)，測試過程中是否穩(wěn)定。還包括各種氣體，探測系統(tǒng)，還有滅火劑輸送管道是否穩(wěn)定。另外是要對模組、機(jī)柜、儲(chǔ)能艙進(jìn)行熱失控?cái)U(kuò)散測試，驗(yàn)證多級消防模塊功能。比如是否及時(shí)觸發(fā)，并且能夠起到較好的抑制效果。最后我們也需要對這個(gè)測試進(jìn)行拆解分析，進(jìn)行事故的調(diào)查，故障的重現(xiàn)。
這是一個(gè)機(jī)柜的熱失控實(shí)驗(yàn)，它首先通過加熱片對左下角模組進(jìn)行加熱，使其中的電芯失效之后產(chǎn)生氣體，通過引爆氣體使模組熱失控，然后觀察它擴(kuò)散的過程。通常這一類測試因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)比較高，而且監(jiān)測的信號也比較多，對我們檢測機(jī)構(gòu)還有檢測人員、場地都提出了很高的要求。做這一類測試時(shí)，我們都會(huì)配套到高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)，紅外攝像，還有各種智能傳感器，去監(jiān)測艙體里氣壓，氫氣，一氧化碳，二氧化碳，氧氣濃度等，另外也會(huì)配備點(diǎn)火器，高壓水泵等。這是一個(gè)消防驗(yàn)證的示意圖。這個(gè)視頻和圖是我從網(wǎng)上找到的，但是實(shí)驗(yàn)室完全有能力完成完全一樣的測試。
總結(jié)，前面我只是提到了一些電池測試，但儲(chǔ)能系統(tǒng)非常復(fù)雜，包含了很多部件。這里還要對它的儲(chǔ)能變流器、BMS、EMS、整機(jī)進(jìn)行一些測試，這里我就不再贅述了。
說完測試，我們再反過來看一下災(zāi)害預(yù)警和防控相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)里都提到對可燃?xì)怏w要有報(bào)警設(shè)備，還要做到早期火災(zāi)預(yù)警，還包括建議進(jìn)行實(shí)體火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)。下面也提到視頻監(jiān)控最好具有煙霧級火焰識(shí)別功能，達(dá)到火災(zāi)預(yù)警效果，設(shè)置手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按紐?？傮w來說它的方向都是趨向于做到早期預(yù)警，火災(zāi)監(jiān)控告警，自動(dòng)精準(zhǔn)的消防防控系統(tǒng)，火災(zāi)的消防處置。通過全球?qū)＠季挚梢钥吹阶畲蟮氖请姵夭牧细男赃@一塊布局，第二大部分就是電池系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)警，可以說預(yù)警對于電池的安全是非常重要的。
隨著近幾年AI技術(shù)的發(fā)展，還有深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)在電池中的應(yīng)用，這些技術(shù)也不斷被應(yīng)用到鋰電池監(jiān)測和診斷領(lǐng)域。我們公司也做了相關(guān)的研究，接下來我就通過兩個(gè)工作匯報(bào)一下我們做的進(jìn)展。
首先我們做了失效誘因的分析模型，大家知道火災(zāi)事故分析的過程中通常都會(huì)遵循這樣一個(gè)流程，首先會(huì)找到起火點(diǎn)、起火源，對它周邊環(huán)境進(jìn)行分析。然后找到失效電池的數(shù)據(jù)，對它提出一種失效模式，通過驗(yàn)證最后確認(rèn)事故的原因。這里有一個(gè)問題，在提出失效模式環(huán)節(jié)，其實(shí)是非常依賴于人為經(jīng)驗(yàn)，我們就在想是否能夠開發(fā)一個(gè)模型取代人為判定的部分。
這里我們也是用了一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們把電壓、溫度、失效方法輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，獲得了這樣一個(gè)模型。這兩張圖是一個(gè)訓(xùn)練過程的圖，可以看到隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，Loss不斷降低，準(zhǔn)確率也在不斷增加。從這個(gè)混淆矩陣，大家可以更直觀看到模型的結(jié)果。左邊是一個(gè)訓(xùn)練過程，可以看到總體還是達(dá)到了比較好的訓(xùn)練效果。右邊是我們重點(diǎn)要看的驗(yàn)證集的效果，可以看到這個(gè)模型對于加熱和短路數(shù)據(jù)識(shí)別的準(zhǔn)確率都達(dá)到了89%-93%。對于針刺數(shù)據(jù)識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到70%左右。我們可以再更進(jìn)一步看一下，大家可以看最中間綠色的塊是69.6%，識(shí)別錯(cuò)誤的這一部分，被識(shí)別成什么了呢？剩下一大部分，也就是剩下的23%，都被識(shí)別成了短路，還有一小部分被識(shí)別成了加熱。對于短路數(shù)據(jù)來說，其余識(shí)別錯(cuò)誤的部分全部被識(shí)別成了針刺。從這里我們也可以看出來針刺數(shù)據(jù)和短路數(shù)據(jù)在特征上應(yīng)該有一部分重疊，或者非常相近的部分。最終這里我們達(dá)成的效果，我們拿到了失效的數(shù)據(jù)，輸入到模型，這個(gè)模型給到我們一個(gè)失效原因。比如說這里可能有98%的概率是由外部火源導(dǎo)致的失效，2%的概率是針刺導(dǎo)致的。
這是我們第二個(gè)工作，當(dāng)時(shí)和南方電網(wǎng)一起合作的項(xiàng)目，用來做退役電池SOH快速評估。我們通常在檢測SOH時(shí)都需要對電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件下滿充滿放，我們就在想是否可以只使用一部分充電的數(shù)據(jù)就可以快速評估SOH呢。我們對標(biāo)借鑒了行業(yè)的一些研究思路，提取了充電數(shù)據(jù)中的特征參數(shù)，這里主要是指IC曲線的峰高特征參數(shù)。通過研究特征參數(shù)和容量之間相關(guān)性，還有它的演化規(guī)律，提出一種線性模型。我們首先做的就是數(shù)據(jù)清洗，我們總共切割了3700多圈循環(huán)數(shù)據(jù)，計(jì)算了每一圈充電、放電數(shù)據(jù)的IC曲線，提取了每個(gè)峰的峰高。另外我們也提取了靜態(tài)壓降，還有最大溫差這樣的數(shù)據(jù)。做這個(gè)工作的時(shí)候，我們也使用了兩種不同的三元電池，使用了不同的采樣方式，不同的充電方式。比如說左邊這個(gè)三元電池用的是CCCV，就是恒流恒壓的充電方式。采樣間隔是恒定的1s，它的數(shù)據(jù)量在1萬多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。右邊這種方式是由恒壓轉(zhuǎn)恒流，再轉(zhuǎn)恒壓的方式，它的采樣間隔是0.1s-120s不等，最終數(shù)據(jù)量大概在3千個(gè)，可以說和前一種的數(shù)據(jù)量有數(shù)量級上的差別。
我們也是通過對濾波進(jìn)行研究，提取到比較平滑的IC曲線。左上角的兩張圖就是兩種三元體系提取出來的IC曲線，可以看到它們的形態(tài)還是有些差別的。但我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同點(diǎn)，就是在3.6V-3.75V之間，它們都有一個(gè)比較強(qiáng)的峰。我們也把峰高參數(shù)和容量做了相關(guān)性的分析，發(fā)現(xiàn)它們呈現(xiàn)非常強(qiáng)的相關(guān)性。同時(shí)也提取了其他特征參數(shù)，最后我們也是根據(jù)規(guī)律選擇了多元線性回歸模型，右下角可以展示訓(xùn)練結(jié)果，可以看到預(yù)測的結(jié)果整體誤差還是比較小的，這里是小于1%。
以上就是我報(bào)告的內(nèi)容，接下來我簡單介紹一下普瑞賽思。
首先普瑞賽思是成立于2013年，在2016年就已經(jīng)建立了能力完備、最具規(guī)模的動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池檢測認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室。我們檢測范圍包括了消費(fèi)電子產(chǎn)品、新型電動(dòng)車、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)、軌道交通、電動(dòng)船舶這些產(chǎn)品所使用的電池。同時(shí)也提供檢測認(rèn)證，還有計(jì)量校準(zhǔn)這方面技術(shù)服務(wù)。目前我們實(shí)驗(yàn)室總面積已經(jīng)超過了3萬平方米，分別坐落于深圳、惠州、南京。我們公司榮譽(yù)這一塊有4個(gè)比較重要的平臺(tái)，首先是工信部產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)，另外也是國家級專精特新重點(diǎn)小巨人企業(yè)，廣東省動(dòng)力電池測試評價(jià)工程技術(shù)研究中心，深圳市鋰離子電池安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)。
這里稍微介紹一下我們幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室，南京實(shí)驗(yàn)室和惠州實(shí)驗(yàn)室主要測試的對象都是動(dòng)力和儲(chǔ)能電池這一塊，深圳主要針對3C及輕型動(dòng)力及戶外儲(chǔ)能電池，主要做的是檢測檢驗(yàn)、認(rèn)證、儀校這方面的服務(wù)。惠州實(shí)驗(yàn)室測試能力非常完備，不僅具有3噸、5噸、10噸、20噸、40噸等各種型號的振動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ€有11個(gè)獨(dú)立的防爆間可以并行開展各種安全測試。另外惠州有一個(gè)特色，可以做很多高風(fēng)險(xiǎn)的測試，比如說電池包、儲(chǔ)能柜級別的外部火燒，還有整車儲(chǔ)能系統(tǒng)級別的熱擴(kuò)散，儲(chǔ)能箱/柜/艙、換電站這些消防測試，包括比較高的高空跌落。
以上就是我匯報(bào)的全部內(nèi)容，謝謝大家！
