中國儲能網訊：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)約和科技裝備司聯合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯合240余家機構共同支持的第十三屆中國國際儲能大會在杭州召開。
來自行業(yè)主管機構、國內外駐華機構、科研單位、電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的1011余家產業(yè)鏈供應鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會，其中245家企業(yè)展示了儲能產品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證等新型儲能全產業(yè)鏈。
5月25日下午，深圳普瑞賽思檢測技術有限公司項目高級工程師王敏受邀在儲能檢測、認證與標準專場分享了主題報告，報告題目為《儲能檢測、認證與標準》。以下是報告主要內容：
王敏：各位同行的專家，還有在座的領導，大家下午好！
今天我報告的主題是：儲能電池測試評價標準、方法和技術。
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。通過對這些事故進行調查可以發(fā)現，這些儲能艙使用年限是從6個月到4年不等，可以說跨度稍微有點大。對它的失效階段進行分析發(fā)現，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。
儲能系統(tǒng)失效模式大致歸結為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；二是應對電氣故障的保護系統(tǒng)不完善；三是運營環(huán)境管理的不足，例如儲能艙里發(fā)生了凝露、灰塵吸附，可能會導致絕緣性能下降，從而引發(fā)電氣故障；四是儲能系統(tǒng)綜合管理體系的欠缺。
我想我們都認同安全是一個產品的底線，我們不僅要保證產品在出廠時安全，更要保證它在全生命周期的安全。要做到這一點就需要從三個角度出發(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、電池結構出發(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，當電池的一致性變差之后，要確保這個管理系統(tǒng)還能起到有效的控制作用；還有對系統(tǒng)內組件維護維修等。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)運行的可靠性，確?，F場火災處置方式有效可行，最后還需要對安全事故做出診斷。我們診斷出原因，才能從設計環(huán)節(jié)上避免它形成一個閉環(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，材料是電池設計的底層，一般我們會進行形貌、熱穩(wěn)定性、機械性能、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。接下來是從產品的角度，我們把材料組裝成一個電池之后，這個電池也應該具有一定的安全性，我們通常會考察它的可靠性，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、內短路、外短路、擠壓、過充過放等。對于模組層級產品還要驗證熱失控擴散蔓延的情況，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，以驗證它的性能邊界。比如說對它進行低溫析鋰循環(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，還有產氣的速率、體積，熱失控的各種溫度，包括熱失控過程中內阻變化、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，我們也會想去了解一個電芯失效之后產生的粉塵，它的電導率成分是怎樣的，它沉積到其他電池表面是否會降低其他電池的絕緣性能。常見的測試方法，一個是這種集氣測試，另外是絕熱溫升測試，我們實驗室目前也是配備了這兩個設備。
這里展示了這兩個測試的數據情況，可以看到中間是集氣測試數據，我們主要研究熱失控產氣的體積，還有氣體成分。還要研究產氣的速率，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氣的體積，下面這里就展示了產氣的速率。右上角的圖中，我們還對比不同觸發(fā)方式，產生氣體的成分。另外就是，我們一般研究這3個溫度點，T1是自產熱的起始點，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，也是內部熱失控無法抑制的溫度。T3是最高溫度，這里會影響到熱失控蔓延的速度。
這是紋波測試，GB/T34120-2017有提到電化學儲能系統(tǒng)儲能變流器紋波不應超過5%，超過的情況下會對電芯造成怎樣的損害呢？這里我們也做了一個驗證，在電池充電電流上疊加紋波電流，然后模擬PCS直流側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中說紋波對電池容量衰減沒有太大的影響，根據我們的驗證發(fā)現還是有影響的，只是說它在室溫下影響比較??；在疊加低溫之后，它的影響是比較明顯的，可以從這個圖看出來，它在很短的時間內容量就發(fā)生了明顯的衰減。
這是動態(tài)擠壓測試，用來驗證模組的機械可靠性，這個臺架是我們和德國大眾共同開發(fā)的，左邊是它的示意圖。這個測試的目的是讓一個重物自由落體，砸到樣品表面，并沖擊侵入特定深度，驗證它是否會失效，或者漏夜等，同時我們也會用高速攝像進行過程的記錄。右邊是這個測試的一個典型的數據，我們會記錄過程最大的壓力，包括降落板整個過程下落位移的變化，會記錄到上面降落板接觸到模組表面一瞬間的時間點，同時算出接觸時的速度，最終也會計算出來最終侵入的深度。
系統(tǒng)安全，我們主要是驗證BMS、BPU、EMS這一塊功能安全。首先肯定要保證它的精度，驗證它的精度。比如說包括電流采集精度，還有SOC估算精度。二是驗證它的保護能力，比如說過壓、過流保護、高溫保護、低溫保護、熱管理方面的功能。最后我們也是要驗證它的故障診斷和預警的能力，包括對其中一個電芯進行絕緣失效，或者是做一個冷卻液泄漏，單電芯內短路，考察系統(tǒng)在運行過程中是否能夠及時報警。
上面這個測試是把幾個模組形成了電池簇，使其中一個模組SOC放電到一個很低的水平，然后對這個系統(tǒng)進行放電過程的過流過壓保護的驗證。下面測試我們是對一個系統(tǒng)中單電芯植入的故障，包括內短路故障還有電解液泄漏的故障，考察系統(tǒng)在運行過程中告警情況，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工作站，對EIS進行了檢測。
消防安全，消防安全首先肯定驗證的是滅火劑，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，目前使用最多的應該還是全氟己酮。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，產生酸性物質，可能會腐蝕到金屬的部件，還有密封件等。同時它也缺少全尺度滅火實驗的支撐。二是對消防系統(tǒng)安全的驗證，首先要對消防組件可靠性進行驗證，比如防爆排風，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、機柜、儲能艙進行熱失控擴散測試，驗證多級消防模塊功能。比如是否及時觸發(fā)，并且能夠起到較好的抑制效果。最后我們也需要對這個測試進行拆解分析，進行事故的調查，故障的重現。
這是一個機柜的熱失控實驗，它首先通過加熱片對左下角模組進行加熱，使其中的電芯失效之后產生氣體，通過引爆氣體使模組熱失控，然后觀察它擴散的過程。通常這一類測試因為風險比較高，而且監(jiān)測的信號也比較多，對我們檢測機構還有檢測人員、場地都提出了很高的要求。做這一類測試時，我們都會配套到高速的數據采集系統(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，另外也會配備點火器，高壓水泵等。這是一個消防驗證的示意圖。這個視頻和圖是我從網上找到的，但是實驗室完全有能力完成完全一樣的測試。
總結，前面我只是提到了一些電池測試，但儲能系統(tǒng)非常復雜，包含了很多部件。這里還要對它的儲能變流器、BMS、EMS、整機進行一些測試，這里我就不再贅述了。
說完測試，我們再反過來看一下災害預警和防控相關的標準，這些標準里都提到對可燃氣體要有報警設備，還要做到早期火災預警，還包括建議進行實體火災模擬實驗。下面也提到視頻監(jiān)控最好具有煙霧級火焰識別功能，達到火災預警效果，設置手動火災報警按紐?？傮w來說它的方向都是趨向于做到早期預警，火災監(jiān)控告警，自動精準的消防防控系統(tǒng)，火災的消防處置。通過全球專利布局可以看到最大的是電池材料改性這一塊布局，第二大部分就是電池系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預警，可以說預警對于電池的安全是非常重要的。
隨著近幾年AI技術的發(fā)展，還有深度學習、機器學習在電池中的應用，這些技術也不斷被應用到鋰電池監(jiān)測和診斷領域。我們公司也做了相關的研究，接下來我就通過兩個工作匯報一下我們做的進展。
首先我們做了失效誘因的分析模型，大家知道火災事故分析的過程中通常都會遵循這樣一個流程，首先會找到起火點、起火源，對它周邊環(huán)境進行分析。然后找到失效電池的數據，對它提出一種失效模式，通過驗證最后確認事故的原因。這里有一個問題，在提出失效模式環(huán)節(jié)，其實是非常依賴于人為經驗，我們就在想是否能夠開發(fā)一個模型取代人為判定的部分。
這里我們也是用了一個卷積神經網絡，我們把電壓、溫度、失效方法輸入到卷積神經網絡中進行訓練，獲得了這樣一個模型。這兩張圖是一個訓練過程的圖，可以看到隨著訓練次數的增加，Loss不斷降低，準確率也在不斷增加。從這個混淆矩陣，大家可以更直觀看到模型的結果。左邊是一個訓練過程，可以看到總體還是達到了比較好的訓練效果。右邊是我們重點要看的驗證集的效果，可以看到這個模型對于加熱和短路數據識別的準確率都達到了89%-93%。對于針刺數據識別準確率達到70%左右。我們可以再更進一步看一下，大家可以看最中間綠色的塊是69.6%，識別錯誤的這一部分，被識別成什么了呢？剩下一大部分，也就是剩下的23%，都被識別成了短路，還有一小部分被識別成了加熱。對于短路數據來說，其余識別錯誤的部分全部被識別成了針刺。從這里我們也可以看出來針刺數據和短路數據在特征上應該有一部分重疊，或者非常相近的部分。最終這里我們達成的效果，我們拿到了失效的數據，輸入到模型，這個模型給到我們一個失效原因。比如說這里可能有98%的概率是由外部火源導致的失效，2%的概率是針刺導致的。
這是我們第二個工作，當時和南方電網一起合作的項目，用來做退役電池SOH快速評估。我們通常在檢測SOH時都需要對電池進行標準條件下滿充滿放，我們就在想是否可以只使用一部分充電的數據就可以快速評估SOH呢。我們對標借鑒了行業(yè)的一些研究思路，提取了充電數據中的特征參數，這里主要是指IC曲線的峰高特征參數。通過研究特征參數和容量之間相關性，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據清洗，我們總共切割了3700多圈循環(huán)數據，計算了每一圈充電、放電數據的IC曲線，提取了每個峰的峰高。另外我們也提取了靜態(tài)壓降，還有最大溫差這樣的數據。做這個工作的時候，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，它的數據量在1萬多個數據點。右邊這種方式是由恒壓轉恒流，再轉恒壓的方式，它的采樣間隔是0.1s-120s不等，最終數據量大概在3千個，可以說和前一種的數據量有數量級上的差別。
我們也是通過對濾波進行研究，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)現一個共同點，就是在3.6V-3.75V之間，它們都有一個比較強的峰。我們也把峰高參數和容量做了相關性的分析，發(fā)現它們呈現非常強的相關性。同時也提取了其他特征參數，最后我們也是根據規(guī)律選擇了多元線性回歸模型，右下角可以展示訓練結果，可以看到預測的結果整體誤差還是比較小的，這里是小于1%。
以上就是我報告的內容，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年就已經建立了能力完備、最具規(guī)模的動力電池和儲能電池檢測認證實驗室。我們檢測范圍包括了消費電子產品、新型電動車、電動汽車、儲能系統(tǒng)、軌道交通、電動船舶這些產品所使用的電池。同時也提供檢測認證，還有計量校準這方面技術服務。目前我們實驗室總面積已經超過了3萬平方米，分別坐落于深圳、惠州、南京。我們公司榮譽這一塊有4個比較重要的平臺，首先是工信部產業(yè)技術基礎公共服務平臺，另外也是國家級專精特新重點小巨人企業(yè)，廣東省動力電池測試評價工程技術研究中心，深圳市鋰離子電池安全技術標準服務平臺。
這里稍微介紹一下我們幾個實驗室，南京實驗室和惠州實驗室主要測試的對象都是動力和儲能電池這一塊，深圳主要針對3C及輕型動力及戶外儲能電池，主要做的是檢測檢驗、認證、儀校這方面的服務?；葜輰嶒炇覝y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沖擊實驗能力，還有11個獨立的防爆間可以并行開展各種安全測試。另外惠州有一個特色，可以做很多高風險的測試，比如說電池包、儲能柜級別的外部火燒，還有整車儲能系統(tǒng)級別的熱擴散，儲能箱/柜/艙、換電站這些消防測試，包括比較高的高空跌落。
以上就是我匯報的全部內容，謝謝大家！
