中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)”在深圳隆重召開， 來自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、西班牙、日本、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項(xiàng)目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會(huì)。
TüV南德意志集團(tuán)儲(chǔ)能事業(yè)部高級(jí)技術(shù)經(jīng)理張書博在國(guó)際儲(chǔ)能專場(chǎng)，以“儲(chǔ)能電池，我們不僅僅關(guān)注濫用測(cè)試”為題，發(fā)表了精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
張書博：尊敬的各位來賓，女士們、先生們，大家早上好！我來自TüV南德意志集團(tuán)儲(chǔ)能事業(yè)部的技術(shù)經(jīng)理張書博。很高興有機(jī)會(huì)和大家分享儲(chǔ)能電池方面的經(jīng)驗(yàn)。
對(duì)于儲(chǔ)能電池，剛剛James Biggins先生也說了，安全，包括在美國(guó)市場(chǎng)，大家都十分重視電池的安全問題。因?yàn)殡姵兀绕滗囯姵貧v史不是很悠久，安全方面不是很成熟?，F(xiàn)在大部分的鋰電池都是以電池的濫用測(cè)試為安全的基準(zhǔn)，怎么樣叫濫用測(cè)試？對(duì)于電池來說，如果超出正常的使用范圍條件下，那這就是濫用條件。濫用條件主要有三種：溫度，熱濫用，比如電池在超過它的正常使用范圍之后，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)一些熱失控現(xiàn)象，還有機(jī)械濫用，比如沖擊還有針刺濫用，還有電器濫用，過充、過放。濫用測(cè)試很重要，很多電池研發(fā)者以濫用者考慮電池安全使用的條件。TüV南德意志集團(tuán)在最近十多年的時(shí)間里也通過大量的濫用測(cè)試?yán)锪撕芏嘟?jīng)驗(yàn)，各種不同儲(chǔ)能電池在各種濫用條件下的反應(yīng)情況。這些濫用條件下的結(jié)果是對(duì)于電池研發(fā)者來說可以提供一些經(jīng)驗(yàn)，在電池研發(fā)過程中怎么樣提供一個(gè)很合理的保護(hù)。
電池為什么會(huì)出現(xiàn)濫用條件呢？為什么在濫用條件下會(huì)有熱失控的反應(yīng)？大家可以看一下，我這邊圖上給了一個(gè)圖示，電化學(xué)窗口，這是以電壓為例。當(dāng)電池的電壓，比如充電電壓在電化學(xué)窗口之外，電池可能產(chǎn)生熱失控條件，會(huì)產(chǎn)生濫用條件。大家可以看左邊的圖示，不同體系的電池電壓不同，對(duì)于研發(fā)者來說會(huì)非常關(guān)注這個(gè)電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓多少、最大的承受充電電壓是多少。為什么電池超過電化學(xué)窗口會(huì)有這些危險(xiǎn)條件？大家可以看到，現(xiàn)在很多電池標(biāo)準(zhǔn)都出了左邊圖示里面最大充電電流、最大充電電壓，還有不同溫度下，電池在什么范圍內(nèi)是安全的。我左邊五邊形的圖給出來了，主要三方面的因素，溫度，溫度過高或者過低，電池有可能產(chǎn)生一些不良的反應(yīng)。電流電壓也一樣，電流過大或者電壓過高，或者電池出現(xiàn)過放，超出這個(gè)范圍之后，電池就可能處于不安全的范圍，所以傳統(tǒng)的一般安全考慮都要考慮電壓溫度和電流三個(gè)方面的保護(hù)條件。
電池為什么出現(xiàn)熱濫用？最根本的原因還是溫度，不管是電壓過高或者是過放或者電流過大，最終產(chǎn)生的熱失控的原因都是由于溫度過高。當(dāng)電池溫度不斷提高，提高到某個(gè)值之后，電池結(jié)構(gòu)當(dāng)中有些材料會(huì)有自加熱特性，到達(dá)這個(gè)溫度之后，即便外面不提供加熱，這個(gè)電池的溫度會(huì)持續(xù)緩慢上升。當(dāng)電池溫度上升到某個(gè)值之后，這個(gè)電池會(huì)出現(xiàn)熱濫用情況，這個(gè)圖上，一般電池120度左右，通常的大部分電池可以承受。當(dāng)溫度超過120度，甚至到150度以上，基本上所有鋰電池都會(huì)在某個(gè)溫度點(diǎn)出現(xiàn)熱失控。到某個(gè)溫度之后，這個(gè)電池即便外面不給它加熱條件，它也會(huì)持續(xù)緩慢上升，一直到它熱失控點(diǎn)，那電池就會(huì)出現(xiàn)起火、爆炸這樣我們接受不了的情況。
電池在不同條件下，根據(jù)電壓和溫度條件，從第一到第七不同區(qū)域內(nèi)電池可能出現(xiàn)的熱失控或者通過隔膜溶解造成段落或者其他方面的問題，比如氧氣從氧化物當(dāng)中釋放出來形成一些起火條件。
怎么防止電池?zé)崾Э?？濫用測(cè)試非常重要，通過濫用測(cè)試可以看到電池對(duì)于濫用條件的抵抗能力，電池研發(fā)的時(shí)候也非常關(guān)注怎么樣讓電池抵抗熱濫用，比如前面說的機(jī)械濫用、熱濫用、電器濫用，各種條件下電池安全。在座有很多朋友來自電池企業(yè)，你想做到電池抵抗所有濫用條件，這是很困難的。另外一個(gè)手段是怎么減少濫用條件，現(xiàn)在很多標(biāo)準(zhǔn)中持續(xù)關(guān)注到這點(diǎn)，很多標(biāo)準(zhǔn)中，現(xiàn)在比較傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是以濫用作為安全的條件，在這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，我們經(jīng)常坐車的時(shí)候會(huì)把主動(dòng)保護(hù)失效，什么叫主動(dòng)保護(hù)？對(duì)于電池保護(hù)有兩種：一是被動(dòng)保護(hù)，被動(dòng)保護(hù)就是電池當(dāng)中本身固有的，上面有CID、PDC等保護(hù)元器件，它形成的保護(hù)是被動(dòng)保護(hù)。二是主動(dòng)保護(hù)，BMS，BMS需要檢測(cè)電池的溫度、電壓、電流的條件，當(dāng)條件超出電化學(xué)窗口之后，BMS通過切斷它的充電電流、放電電流來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，這就是主動(dòng)保護(hù)。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中通常會(huì)把主動(dòng)保護(hù)失效掉，為什么失效？因?yàn)橹鲃?dòng)保護(hù)通常來說從傳統(tǒng)意義來說，很多電池保護(hù)不是很可靠，實(shí)際使用當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)保護(hù)失效。比如你用的MOS管、繼電器作為分段，他們都出現(xiàn)問題，它的保護(hù)是否可靠就不一定。現(xiàn)在關(guān)注點(diǎn)，如果電池沒有辦法抵御所有濫用條件，是不是通過可靠的BMS，讓電池減少承受濫用條件。這是我今天和大家分享的要點(diǎn)。
現(xiàn)在很多標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，包括VD2510等，已經(jīng)對(duì)電池保護(hù)的終端可靠性提出比較深的要求。因?yàn)樵缙谖覀冋J(rèn)為BMS不可靠，會(huì)把主動(dòng)保護(hù)失效掉，只要看電池在濫用條件下會(huì)不會(huì)出現(xiàn)熱濫用、爆炸、起火等不可接受的結(jié)果。左邊的圖示給的是通常BMS的結(jié)構(gòu)，通常我們會(huì)考慮三方面的保護(hù)，溫度、電流、電壓，我會(huì)設(shè)定溫度保護(hù)，過充、過放的保護(hù)，電流保護(hù)，同時(shí)BMS還提供均衡電路，因?yàn)殡姵氐囊恢滦圆荒敲春茫彝ㄟ^均衡電路相當(dāng)于電池使用中，它的電壓盡可能是一致的，減少它的濫用條件。BMS其實(shí)從結(jié)構(gòu)來說，現(xiàn)在主要有三種，一種是機(jī)動(dòng)式，一種是分散式，有三種不同的BMS。BMS的結(jié)構(gòu)，BMS可以放在電池里或者儲(chǔ)能系統(tǒng)里面提供這個(gè)保護(hù)功能，左邊的圖示是半分散式的BMS的結(jié)構(gòu)。
BMS是屬于主動(dòng)保護(hù)，保護(hù)可靠性決定在什么方面？功能安全，BMS的硬件、軟件是不是經(jīng)過功能安全的驗(yàn)證，當(dāng)BMS里面存在一些系統(tǒng)失效、潛在失效條件之后，你的保護(hù)功能存不存在？你能不能繼續(xù)保證你的保護(hù)功能？左邊是我列出來功能安全方面不同標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中存在要驗(yàn)證的方面。后面會(huì)詳細(xì)和大家分析。尤其針對(duì)我們TüV南德意志一直和很多儲(chǔ)能企業(yè)都有合作，他們?cè)陂_發(fā)過程中和我有溝通，我把存在的主要問題，研發(fā)當(dāng)中儲(chǔ)能電池存在的問題和大家分享。
第一條，BMS一定要保證電池能處于正常的電化學(xué)窗口里面，不要超過電化學(xué)窗口，超過電化學(xué)窗口，電池存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。電化學(xué)窗口一定要注意，下面的控制溫度是電芯表面溫度，它控制充放條件是控制環(huán)境溫度，外界提供的溫度怎么樣。電池本身來說，我關(guān)心的不是外界溫度，電池里面通過一些冷卻、散熱，我也可以維持它正常的電化學(xué)窗口當(dāng)中來操作。但是，你電芯表面溫度比較高之后，當(dāng)電池溫度到某個(gè)點(diǎn)，比如溫度在120度上某個(gè)點(diǎn)，比如150度左右，你的電池就會(huì)出現(xiàn)自發(fā)熱條件，就會(huì)不可逆的最后出現(xiàn)熱失控。在電化學(xué)窗口中一個(gè)非常重要的是要監(jiān)控電氣的溫度，這樣就會(huì)出現(xiàn)非常困難的問題，對(duì)于儲(chǔ)能電池來說，里面可能存在很多電芯，很多串、并電芯組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)。如果監(jiān)測(cè)溫度不合理，監(jiān)測(cè)點(diǎn)，比如一個(gè)模組監(jiān)測(cè)三個(gè)電芯溫度，其他電芯出現(xiàn)溫度過高可能沒有辦法監(jiān)控到。這是實(shí)際操作中很困難的。很多要求控制每個(gè)電芯的溫度都不超過上限溫度，這種情況下怎么合理的去設(shè)置這個(gè)溫度采樣點(diǎn)就非常重要。如果超過電化學(xué)窗口，BMS要進(jìn)入安全模式，如果溫度過高，超過上限溫度或者低于下限溫度，會(huì)讓它進(jìn)入安全模式，不能充電和放電。
第二，軟件方面，BMS一定要通過一些軟件，通過電壓采集、電流采集，把電池的信息讀到BMS里面，通過軟件我會(huì)設(shè)定它在什么溫度下來保護(hù)或者電流到多少或者電壓到多少，我來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。這種情況下你需要采用一些軟件編程，軟件編程我和國(guó)內(nèi)很多企業(yè)聊過，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)開發(fā)BMS的過程，沒有按照功能安全，大家可以看到右邊的V字形的圖，這是功能安全當(dāng)中對(duì)IEC61508的軟件功能驗(yàn)證方面的正常，如何驗(yàn)證一個(gè)程序。很多企業(yè)并不是走V字形，而是走倒V，它不是按照正常程序?qū)浖到y(tǒng)設(shè)計(jì)，每一步通過驗(yàn)證保證軟件的可靠性，實(shí)際當(dāng)中，BMS開發(fā)的時(shí)候大家就要考慮功能安全，尤其考慮到和功能安全公司合作去看到，有哪些功能安全當(dāng)中應(yīng)該考慮的風(fēng)險(xiǎn)，沒有考慮到的風(fēng)險(xiǎn)問題。軟件安全下面列了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這都是可以考慮的，比如IEC61508、汽車用的功能安全I(xiàn)SO26262-2，還包括62061，都可以作為考慮。
對(duì)于電壓性能采集，對(duì)于電池系統(tǒng)來說非常重要的電壓采樣，包括電池測(cè)試也是非常重要。如何把電池電壓能測(cè)得很準(zhǔn)確。如果電池電壓測(cè)得不準(zhǔn)確就會(huì)造成實(shí)際采集的電壓和實(shí)際的電壓不一樣，那鋰電池已經(jīng)插入電化學(xué)窗口，你可能不知道。我下面給大家兩個(gè)圖示：左邊的是方形電池，電池和電壓測(cè)兩線，有絕緣墊圈，這樣保證他們不要接觸。我看過一些企業(yè)，他們測(cè)試的時(shí)候直接沒有采用試線法，他們直接接觸，如果電壓測(cè)量線和電芯之間有壓降，電流線上有比較大的壓降，對(duì)于儲(chǔ)能來說電流比較大，采用壓降就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的電壓不是真正的電壓，你電量過放，電壓已經(jīng)低于2V，但是你通過電壓測(cè)量線還是高于那個(gè)值。電流線一部分分析，你當(dāng)成電芯的電壓，電芯已經(jīng)過放，但是檢測(cè)不出來。所以很多標(biāo)準(zhǔn)里面明確要求電壓測(cè)量線保證電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性，如果精度達(dá)不到，同樣會(huì)造成實(shí)際測(cè)量的電壓值可能會(huì)和你真正的電芯實(shí)際的值有差異。
對(duì)于不分?jǐn)嚅_端，前面說把主動(dòng)保護(hù)作為不可靠保護(hù)，左邊的圖是一個(gè)繼電器，繼電器會(huì)出現(xiàn)什么問題？會(huì)再連，它分?jǐn)嗟臅r(shí)候會(huì)有很高的溫度，觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生粘連，出現(xiàn)過充就沒有辦法保護(hù)了?，F(xiàn)在很多電池在實(shí)際當(dāng)中，就是我們知道有些案例，我記得幾年前有一個(gè)大巴車起火，后面分析大巴車起火的原因是過充之后電流沒有分?jǐn)?，這個(gè)報(bào)告我沒有看過，但是從通常的原因分析來說，可能就是用的計(jì)算器發(fā)生粘連，通常的電池保護(hù)也會(huì)出現(xiàn)MOS管被擊穿的情況。
電流采樣，采用兩種方式：分流器和霍爾元器件，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，看實(shí)際當(dāng)中對(duì)電池結(jié)構(gòu)方面的考慮，哪個(gè)更合適。
聯(lián)鎖功能，經(jīng)常有電池廠的朋友問為什么有聯(lián)鎖的要求？?jī)?chǔ)能電池最大的問題是上面很多連接器可能沒有辦法存在帶電分?jǐn)?，如果不存在帶電分?jǐn)?，你要在電池打開的時(shí)候，連接器斷電就需要聯(lián)鎖功能保證可靠性。
降額使用，電池在低溫下電流可能會(huì)比較低，電流不能過大，正常情況下100A分?jǐn)?，低溫情況下50A分?jǐn)啵鶕?jù)承受的電流能力不同，在溫度10度以上是100A分?jǐn)啵?0度以下就降50A分?jǐn)啵@是降額使用，BMS在降額條件下，同樣保證電流使用不會(huì)超出電化學(xué)窗口。對(duì)于超出電化學(xué)窗口的情況下，一個(gè)持續(xù)的電壓電流監(jiān)控也是非常重要的，這樣才能保證電池即便出現(xiàn)故障之后，一樣知道電池的狀態(tài)。
在BMS精度方面的檢查，我用精確性，兩個(gè)解釋：一是準(zhǔn)確，二是精密。右邊的圖揭示了什么是準(zhǔn)確，什么是精密。
在BMS經(jīng)常采用通訊功能，采用通訊就要考慮通訊的可靠性，當(dāng)通訊出現(xiàn)故障，沒有辦法知道電池信息的情況下，BMS應(yīng)該要進(jìn)入安全模式。
BMS出現(xiàn)過溫或者其他的條件下，我們同樣也要能實(shí)現(xiàn)電芯的電壓、電流溫度這些值不會(huì)超出它的電化學(xué)窗口。
在零部件故障，尤其電芯上面，本身一些主動(dòng)保護(hù)元件、被動(dòng)保護(hù)元件，出現(xiàn)故障的情況下，微電池出現(xiàn)故障，我們要保證電池與其他電芯能真正隔離開，才能保證這個(gè)電池在繼續(xù)使用當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)其他熱失控的條件。
前面Mr.James Biggins也提到，在北美非常重視電池起火的條件，在起火出現(xiàn)漏液或者起火條件，我們?nèi)绾伪ＷC我們知道里面儲(chǔ)能電池已經(jīng)出現(xiàn)故障了，包括漏液的時(shí)候要保證電解液不會(huì)露到外面，如果大家有興趣，我們可以和大家以后討論，當(dāng)儲(chǔ)能電池出現(xiàn)事故的情況下，能和消防和其他取得聯(lián)動(dòng)，這里面會(huì)有很多細(xì)節(jié)的問題需要和大家進(jìn)一步討論。
通過TüV南德意志近十年對(duì)儲(chǔ)能電池的測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)電信的抗濫用能力不斷提高，我們發(fā)現(xiàn)以前的針刺或者過充、短路測(cè)試，失敗率逐年下降。不管怎么樣，電芯沒有辦法抵御所有的濫用條件，BMS防止它出現(xiàn)濫用條件的BMS主動(dòng)保護(hù)會(huì)發(fā)揮非常大的作用。但是BMS出現(xiàn)主動(dòng)保護(hù)的可靠性，尤其功能安全驗(yàn)證就會(huì)變得非常、非常重要。我們?cè)趦?chǔ)能電池開始設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮BMS功能安全問題，應(yīng)該盡早和我們TüV南德意志取得溝通，現(xiàn)在手上很多項(xiàng)目都是在它研發(fā)階段，一開始就跟我這邊建立聯(lián)系，知道標(biāo)準(zhǔn)方面有什么要求。如果一開始不知道這些要求，你可能到這邊來測(cè)試認(rèn)證的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)你走了很大的彎路。最重要的是在BMS研發(fā)開始階段就要考慮到怎么樣去避免走這些彎路。
由于時(shí)間關(guān)系，沒有辦法和大家詳細(xì)把這些功能安全方面的細(xì)節(jié)給大家分享。希望大家會(huì)后有時(shí)間、有機(jī)會(huì)也可以拿我的名片，和我這邊進(jìn)行溝通。謝謝大家！
（本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審核）
