中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著可再生能源的發(fā)展，鋰電池儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。然而，鋰電池儲(chǔ)能電站（Lithium Battery Energy Storage Power Station，LBESPS）的安全問(wèn)題也隨之凸顯。鋰電池具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、高效率和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但在高溫、過(guò)充或短路等極端條件下，可能會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象，從而引發(fā)火災(zāi)或爆炸。這些安全隱患使得鋰離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中面臨較高的風(fēng)險(xiǎn)。
鋰電池儲(chǔ)能電站發(fā)生起火事故后，高溫導(dǎo)致的電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)難以通過(guò)傳統(tǒng)滅火手段抑制，加之儲(chǔ)能電站內(nèi)的空間布局復(fù)雜、火災(zāi)傳播速度快，使消防撲救更加困難。更特殊的是，由于殘余電能的釋放和未被根除的化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)能電站火情被控制后極易出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，這使得消防救援的效果大打折扣。因此，基于事故后的消防手段無(wú)法徹底解決儲(chǔ)能電站的安全問(wèn)題，迫切需要轉(zhuǎn)變思路，從運(yùn)行過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警入手，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在隱患，在事故發(fā)生之前采取有效措施，從根本上降低事故發(fā)生率。
盡管政策和行業(yè)均對(duì)鋰電池儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題和預(yù)警技術(shù)高度重視，但當(dāng)前安全預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先是行業(yè)內(nèi)對(duì)“預(yù)警”與“報(bào)警”的概念差異性未形成統(tǒng)一認(rèn)知。預(yù)警技術(shù)應(yīng)當(dāng)能夠在隱患初現(xiàn)時(shí)發(fā)出警示，以便采取措施排除風(fēng)險(xiǎn)；而報(bào)警技術(shù)通常在事故進(jìn)入不可逆階段時(shí)啟動(dòng)，主要用于緊急響應(yīng)。當(dāng)前許多鋰電池儲(chǔ)能電站將報(bào)警系統(tǒng)作為主要防護(hù)手段，忽視了預(yù)警的主動(dòng)性和前瞻性，導(dǎo)致事故防控效率較低。市場(chǎng)上也有許多號(hào)稱(chēng)能夠?qū)崿F(xiàn)“預(yù)警”的技術(shù)產(chǎn)品，以專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)的理論原理迷惑儲(chǔ)能電站投資方，但其產(chǎn)品實(shí)際上僅能實(shí)現(xiàn)“報(bào)警”的功能，這也引起了市場(chǎng)對(duì)“預(yù)警”技術(shù)的認(rèn)可度下降。
其次，行業(yè)內(nèi)尚無(wú)對(duì)預(yù)警技術(shù)預(yù)警能力的準(zhǔn)確厘定方式，也缺乏對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同預(yù)警技術(shù)在應(yīng)用場(chǎng)景和工程實(shí)現(xiàn)上的差異性無(wú)法明確區(qū)分，產(chǎn)生對(duì)預(yù)警技術(shù)有效性和適用性的混淆。
最后，市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種鋰電池儲(chǔ)能電站安全預(yù)警技術(shù)，這些技術(shù)針對(duì)儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警各有側(cè)重，但對(duì)這些技術(shù)在不同事故各發(fā)展階段的應(yīng)用效果缺乏系統(tǒng)研究，不同技術(shù)的優(yōu)劣也尚未被行業(yè)充分理解。
從行業(yè)實(shí)踐來(lái)看，少數(shù)企業(yè)開(kāi)始了為鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警作出嘗試，如華為、天合儲(chǔ)能等企業(yè)已在實(shí)際工程中部署預(yù)警技術(shù)，包括云BMS、多傳感器融合以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，對(duì)電芯電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與早期風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，盡可能提升在事故全發(fā)展階段預(yù)警的能力。在標(biāo)準(zhǔn)化與功能規(guī)范方面，行業(yè)也推動(dòng)多項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、IEC、GB系列）落地，部分企業(yè)也采取通過(guò)TüV、UL等第三方認(rèn)證的方式來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品可信度，但市場(chǎng)存在的技術(shù)宣傳口徑不一、功能界定不清等問(wèn)題仍未得到解決。
本文通過(guò)對(duì)鋰電池儲(chǔ)能電站不同安全風(fēng)險(xiǎn)源的分析，構(gòu)建事故發(fā)展圖譜，從中梳理現(xiàn)有鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的不同技術(shù)路線(xiàn)，系統(tǒng)比較各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，為鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)的市場(chǎng)選擇提供科學(xué)依據(jù)。
鋰電池儲(chǔ)能安全防護(hù)及事故發(fā)展圖譜
鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)立足于對(duì)儲(chǔ)能電站事故發(fā)展過(guò)程中特征信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析，而對(duì)事故發(fā)展的研究應(yīng)當(dāng)從安全風(fēng)險(xiǎn)源開(kāi)始。
● 鋰電池儲(chǔ)能電站安全防護(hù)內(nèi)涵及風(fēng)險(xiǎn)源
LBESPS的安全性涉及整個(gè)系統(tǒng)，通常在多重風(fēng)險(xiǎn)源共同作用下引發(fā)缺陷，并逐步演化發(fā)展，最終導(dǎo)致熱失控，形成火災(zāi)、爆炸等安全事故。因此，安全防護(hù)作為系統(tǒng)性工程，需要考慮本征安全、主動(dòng)安全和被動(dòng)安全三個(gè)層面。
↑ 鋰電池儲(chǔ)能電站安全防護(hù)的內(nèi)涵
美國(guó)電科院在2024年的白皮書(shū)中建立了雙軸分析（Biaxial Analysis）框架，從事故根因和失效元素兩個(gè)方面對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的事故風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了組合、比較和分析。該白皮書(shū)認(rèn)為，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的事故根因有四大類(lèi)，分別是儲(chǔ)能器件或系統(tǒng)的預(yù)定架構(gòu)布局或功能的設(shè)計(jì)缺陷、儲(chǔ)能系統(tǒng)器件的制造缺陷、儲(chǔ)能系統(tǒng)器件集成和建設(shè)中的不當(dāng)、儲(chǔ)能器件或系統(tǒng)的超限運(yùn)行；而失效元素可歸結(jié)為三類(lèi)，分別是電芯或模塊等電池組件、電池管理系統(tǒng)（Battery Management Systems，BMS）或能量管理系統(tǒng)（Energy Management Systems，EMS）等控制系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中除了電池組件和控制系統(tǒng)外的其他用于系統(tǒng)平衡（Balance of System，BOS）的設(shè)備。經(jīng)過(guò)對(duì)提供的26起公開(kāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)源開(kāi)展雙軸分析，發(fā)現(xiàn)72%的的故障發(fā)生在建設(shè)、調(diào)試或運(yùn)營(yíng)的前兩年，集成和建設(shè)中的不當(dāng)是最常見(jiàn)的事故根因，BOS和控制系統(tǒng)的故障占絕大多數(shù)，BOS的集成和建設(shè)不當(dāng)則是出現(xiàn)概率最高的安全事故風(fēng)險(xiǎn)源組合。
雙軸分析框架具有較高的分析能力，但對(duì)于事故發(fā)展路線(xiàn)研究而言，風(fēng)險(xiǎn)源組合偏多。本文對(duì)其進(jìn)一步提煉，將鋰電池儲(chǔ)能電站安全事故風(fēng)險(xiǎn)源劃分為四大類(lèi)：電池本體缺陷、外部劇烈沖擊、運(yùn)行環(huán)境惡化以及管控系統(tǒng)失效。
電池本體缺陷：電池本體作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，其自身的安全性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。電池制造過(guò)程中的瑕疵，如金屬異物雜質(zhì)、隔膜與極片對(duì)齊不良、極片損傷導(dǎo)致的毛刺等，極易導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。此外，電池制造中的某些缺陷會(huì)引發(fā)異常衰竭，容易誘發(fā)過(guò)充、過(guò)放等過(guò)程，也增加了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
外部劇烈沖擊：包括絕緣失效和外部短路等造成的電流沖擊、在運(yùn)行前后受到機(jī)械沖擊、受周邊設(shè)備起火產(chǎn)生的熱沖擊等。電流沖擊將直接導(dǎo)致電池局部迅速升溫，并造成電池保護(hù)裝置損壞甚至爆炸，進(jìn)而引發(fā)保護(hù)裝置附近的二次事故發(fā)生。機(jī)械沖擊會(huì)破壞電池結(jié)構(gòu)和外殼，或擠壓引起隔膜破裂，引起電池異常衰竭、電解液滲漏或內(nèi)短路（Internal Short Circuit，ISC）等故障。熱沖擊則直接誘發(fā)電池不可控溫升，觸發(fā)熱失控導(dǎo)致火災(zāi)事故。
運(yùn)行環(huán)境惡化：儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行環(huán)境包括合適的溫度、濕度、鹽度、粉塵度等。高溫環(huán)境會(huì)加速電池老化，甚至直接引發(fā)熱失控，而低溫環(huán)境會(huì)大幅度增加電池析鋰的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致ISC發(fā)生。高濕高鹽和粉塵環(huán)境都會(huì)降低電池系統(tǒng)的外部絕緣性能，加大漏電和外短路風(fēng)險(xiǎn)。
管控系統(tǒng)失效：BMS、EMS和儲(chǔ)能變流器（Power Conversion System，PCS）是儲(chǔ)能電站的核心管控系統(tǒng)，BMS負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測(cè)、評(píng)估、保護(hù)以及均衡等，對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行感知，EMS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和能量調(diào)度，起到?jīng)Q策作用，PCS擔(dān)任執(zhí)行角色，控制儲(chǔ)能電池的充、放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換等。三者的可靠性直接關(guān)乎系統(tǒng)的安全運(yùn)行。若BMS關(guān)聯(lián)的傳感器失效，或三者本體發(fā)生故障，或三者以及電池之間信號(hào)傳輸失效，將導(dǎo)致電池的異常無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)或處理，電池的運(yùn)行可能出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放，均會(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等BOS失效，也會(huì)在很大程度上加劇安全風(fēng)險(xiǎn)。
● 鋰電池儲(chǔ)能電站安全事故發(fā)展圖譜及信號(hào)特征
下圖是本文提出的鋰電池儲(chǔ)能電站安全事故發(fā)展圖譜，其中展示了從各種安全風(fēng)險(xiǎn)源出發(fā)，經(jīng)過(guò)不同路徑逐步發(fā)展至內(nèi)短路乃至熱失控的過(guò)程，并給出了各步驟中電池狀態(tài)的變化和可檢測(cè)的特征信號(hào)。
↑ 鋰電池儲(chǔ)能電站安全事故發(fā)展圖譜
從圖中可以看出，在儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展的早期，通常是電池本體缺陷或管控系統(tǒng)失效帶來(lái)安全隱患，如電池生產(chǎn)過(guò)程引入的金屬異物導(dǎo)致的內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)、BMS信號(hào)采集缺失引起的過(guò)充風(fēng)險(xiǎn)等。在此階段中，電池沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行，也沒(méi)有其他的顯著異常，難以對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效識(shí)別，但可以基于對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)到管控系統(tǒng)失效。隨著電池的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，伴隨著可能出現(xiàn)的外部劇烈沖擊或運(yùn)行環(huán)境惡化，導(dǎo)致電池出現(xiàn)濫用，出現(xiàn)早期故障。在此階段中，電池內(nèi)部發(fā)生明顯變化，可能出現(xiàn)產(chǎn)氣、膨脹、開(kāi)裂、析鋰、微短路等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對(duì)電池的機(jī)械性能、電化學(xué)性能產(chǎn)生影響，可以被超聲波、力傳感器等檢測(cè)到，在運(yùn)行數(shù)據(jù)中也潛藏著風(fēng)險(xiǎn)信息。當(dāng)這些濫用過(guò)程持續(xù)發(fā)展至嚴(yán)重內(nèi)短路后，電池狀態(tài)開(kāi)始向熱失控邁進(jìn)，進(jìn)入熱失控早期階段。此時(shí)電池內(nèi)部劇烈產(chǎn)氣，高氣壓引發(fā)電池開(kāi)閥放氣并發(fā)出響聲，同時(shí)釋放的還有反應(yīng)生成的微粒子，這些過(guò)程產(chǎn)物能夠被氣體傳感器、微粒子傳感器、聲信號(hào)傳感器接收，運(yùn)行數(shù)據(jù)也出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。在此階段末期，電壓開(kāi)始迅速下降，溫度開(kāi)始急劇上升，溫度傳感器能夠感知到相關(guān)變化。等到溫度上升過(guò)程變得不可控，電池正式進(jìn)入熱失控階段，高溫引起電解液蒸汽和產(chǎn)生的H2發(fā)生燃燒，進(jìn)一步點(diǎn)燃電池的其他部件，生成濃郁的煙霧，甚至產(chǎn)生爆炸，煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯仍O(shè)備可以檢測(cè)到這些信號(hào)。
● 基于安全事故發(fā)展圖譜的警情通告概念剖析
從安全事故發(fā)展圖譜可以看出，安全隱患階段和早期故障階段的電池僅出現(xiàn)微小的性能波動(dòng)，且所有特征信號(hào)變化緩慢，距離熱失控尚有天級(jí)以上時(shí)間尺度的有效時(shí)間，在這兩個(gè)階段進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)警情通告可實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隱患進(jìn)行有效的控制乃至消除，在此時(shí)使用的預(yù)警技術(shù)可稱(chēng)之為“安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)”。如果在安全隱患階段和早期故障階段并未對(duì)潛在安全隱患進(jìn)行有效管控，則安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)入熱失控前期階段。該階段持續(xù)時(shí)間較短，通常在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)之間，在此階段僅少量特征信號(hào)發(fā)生較大變化，利用這些特征信號(hào)可以發(fā)出警情通告，在安全事故發(fā)展到熱失控階段前對(duì)其進(jìn)行遏制，在此階段使用的預(yù)警技術(shù)可稱(chēng)之為“熱失控預(yù)警技術(shù)”。若安全風(fēng)險(xiǎn)未能得到有效控制，任由其發(fā)展至熱失控階段，極短時(shí)間內(nèi)立即起火冒煙乃至爆炸，此時(shí)僅能通過(guò)消防裝置進(jìn)行滅火除煙等善后工作，熱失控造成的損失已無(wú)法挽救，在此階段使用的預(yù)警技術(shù)事實(shí)上是“消防報(bào)警技術(shù)”。
鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)對(duì)比
基于鋰電池儲(chǔ)能電站安全事故發(fā)展中各個(gè)階段的信號(hào)特征，可以對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。從信號(hào)來(lái)源上可以將預(yù)警技術(shù)分為艙體信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)、電池信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)三大類(lèi)。
● 艙體信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)
在鋰電池故障演化過(guò)程中，產(chǎn)生的微粒子和氣體將釋放至電池外部進(jìn)入電池艙內(nèi)，通過(guò)艙體內(nèi)的傳感器可以對(duì)微粒子和氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此基于氣體和微粒子傳感進(jìn)行電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的技術(shù)是艙體信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)。
微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)
微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)是對(duì)儲(chǔ)能電池在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)所釋放的微小顆粒物（如金屬粒子、電解液分解產(chǎn)物、氣溶膠等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種預(yù)警技術(shù)。微粒子通常具有亞微米級(jí)的粒徑，其信號(hào)能夠反映儲(chǔ)能電池的內(nèi)部故障，是儲(chǔ)能電池預(yù)警的重要信號(hào)之一。
根據(jù)鋰電池儲(chǔ)能安全事故發(fā)展圖譜，微粒子信號(hào)主要發(fā)生在熱失控早期，此時(shí)電池電極材料和電解液分解產(chǎn)生微顆粒和氣溶膠，開(kāi)始大量釋放到電池外部，從而能夠被外部微粒子傳感器檢測(cè)。一般而言，微粒子傳感器常采用光散射技術(shù)或電阻式檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行微粒子信號(hào)采集，前者監(jiān)測(cè)微粒子對(duì)光的散射強(qiáng)度和分布，該結(jié)果與微粒子的濃度和尺寸密切相關(guān)，后者通過(guò)微粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的電阻變化來(lái)測(cè)量其濃度和尺寸。因此，微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)與傳統(tǒng)熱失控監(jiān)測(cè)采用的煙霧信號(hào)報(bào)警相比響應(yīng)更快。
但從工程應(yīng)用角度考慮，一方面微粒子信號(hào)受到濕度、粉塵等背景信號(hào)干擾嚴(yán)重，預(yù)警技術(shù)環(huán)境適應(yīng)能力較差，另一方面產(chǎn)生微粒子時(shí)已是熱失控早期，且微粒子從熱失控電池釋放到被傳感器檢測(cè)到尚需要一定的時(shí)間，此時(shí)電池事故已基本進(jìn)入最后階段，難以得到有效的控制。因此根據(jù)此前對(duì)警情通告概念的定義，微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)最終僅能起到報(bào)警的效果。
氣體信號(hào)預(yù)警技術(shù)
在鋰離子電池?zé)崾Э氐脑缙陔A段，電壓、電流等參數(shù)的變化較為緩慢，電池溫度的升高也并不顯著，但當(dāng)電池溫度開(kāi)始超過(guò)一定限度時(shí)，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，累積氣壓超過(guò)電池殼體閥門(mén)承壓閾值后閥門(mén)打開(kāi)，氣體釋放至外部環(huán)境中，如下圖所示。氣體的釋放通常在熱失控前幾十乃至數(shù)百秒發(fā)生，且氣體的種類(lèi)和濃度反映了熱失控的演變過(guò)程，因此基于氣體信號(hào)可以進(jìn)行較精確和靈敏的熱失控預(yù)警。
↑ 基于氣體傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器的熱失控監(jiān)測(cè)結(jié)果
研究表明，電池?zé)崾Э剡^(guò)程中產(chǎn)生的多種氣體中，H2是最早被檢測(cè)的氣體。電池在老化過(guò)程中析出的鋰會(huì)與電解液反應(yīng)生成H2，故而在電池開(kāi)閥前其內(nèi)部就以積聚了一定量的H2。市場(chǎng)上常見(jiàn)的H2傳感器有電化學(xué)傳感器和半導(dǎo)體傳感器兩種。電化學(xué)傳感器通過(guò)化學(xué)電極上吸附H2發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流來(lái)檢測(cè)氣體濃度，具有很高的選擇性和精度，但電極吸附位點(diǎn)可能會(huì)被其他氣體占據(jù)，從而導(dǎo)致傳感能力下降，俗稱(chēng)“電極毒化”，因此電化學(xué)傳感器壽命較短。半導(dǎo)體傳感器利用氣體在傳感器表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)改變傳感器電阻，以此檢測(cè)氣體濃度，該傳感器對(duì)氣體選擇性較低，且對(duì)環(huán)境溫度和濕度變化較為敏感，但壽命相對(duì)較長(zhǎng)。此外，還有通過(guò)氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光來(lái)識(shí)別氣體種類(lèi)和濃度的紅外線(xiàn)傳感器和利用超聲波穿過(guò)氣體發(fā)生衰減來(lái)分辨氣體濃度的超聲波傳感器，但前者成本較高，且僅適用于氣體濃度較高的場(chǎng)景，后者對(duì)超聲波衰減數(shù)據(jù)的分析需要強(qiáng)力的算法支持。
從工程應(yīng)用角度來(lái)看，雖然氣體信號(hào)預(yù)警技術(shù)是一種快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、有效的熱失控預(yù)警方案，但仍有部分問(wèn)題需要重視。首先是對(duì)氣體傳感器的選擇，傳統(tǒng)的氣體傳感器往往受到溫度、濕度等環(huán)境的影響，對(duì)氣體檢測(cè)精度和傳感器自身壽命也有一定的局限性，因此采用和開(kāi)發(fā)新的氣敏材料或技術(shù)，構(gòu)建能夠在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行、精確測(cè)量、快速響應(yīng)的氣體傳感器，是提升氣體信號(hào)預(yù)警技術(shù)能力的關(guān)鍵。其次是氣體的擴(kuò)散速度對(duì)預(yù)警時(shí)間的影響。與微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)類(lèi)似，氣體從開(kāi)閥釋放到被檢測(cè)到需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，但氣體（尤其是H2）分子遠(yuǎn)小于微粒子，其擴(kuò)散速度較快，故預(yù)警效果更為可靠。Shi等通過(guò)對(duì)氣體擴(kuò)散行為的實(shí)驗(yàn)和仿真，確認(rèn)安裝在儲(chǔ)能艙頂部的傳感器可以在熱失控前145秒發(fā)出預(yù)警，且三個(gè)傳感器的檢測(cè)時(shí)間比單個(gè)傳感器提前了116.43秒。即使如此，氣體信號(hào)預(yù)警技術(shù)仍然只能在熱失控前期發(fā)出預(yù)警，預(yù)警效果有限。
● 電池信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)
BMS系統(tǒng)能夠通過(guò)電池表面?zhèn)鞲衅鞲兄姵乇砻鏈囟取⒍穗妷汉投穗娏鞯葍?nèi)部信號(hào)，然而在鋰電池安全事故發(fā)展過(guò)程中還會(huì)存在電池膨脹、內(nèi)部產(chǎn)氣、開(kāi)閥噴氣等過(guò)程，可以通過(guò)力和聲等信號(hào)進(jìn)行靈敏的檢測(cè)。因此，在電池表面嵌入相關(guān)信號(hào)傳感器，原位監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部信號(hào)，是市場(chǎng)上進(jìn)行電池安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的重要方向。
熱信號(hào)預(yù)警技術(shù)
電池溫度是衡量其安全性最直接有效的指標(biāo)。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，電池存在加速老化、熱膨脹、熱失控等安全隱患，因此通過(guò)溫度傳感器直接監(jiān)測(cè)電池表面溫度，實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)電池是否過(guò)熱，是一種行之有效的預(yù)警方式。一般而言，熱信號(hào)預(yù)警技術(shù)主要對(duì)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)作以下判斷：①溫度是否超出閾值上限，此為熱失控的重要指標(biāo)之一；②溫升速率是否超出閾值上限，此為熱失控的直接表現(xiàn)特征；③不同電池單體之間溫差是否超出閾值上限，此為電池模塊冷卻系統(tǒng)失效的主要表現(xiàn)，也是部分電池異常衰竭的重要誘因。
熱信號(hào)預(yù)警技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。常見(jiàn)的溫度傳感器有熱電偶、電阻溫度探測(cè)器（Resistance Temperature Detector，RTD）和熱敏電阻（分為Positive Temperature Coefficient，PTC和Negative Temperature Coefficient，NTC兩類(lèi)）。熱電偶是一種通過(guò)測(cè)量不同金屬接點(diǎn)之間的電壓差來(lái)判斷溫度變化的溫度傳感器，響應(yīng)速度快、量程寬，適用于檢測(cè)極端溫度范圍。RTD是一種利用金屬（通常是鉑）的電阻隨溫度變化而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的傳感器，精度高、線(xiàn)性好，適用于對(duì)溫度要求較高的儲(chǔ)能系統(tǒng)。熱敏電阻根據(jù)溫度變化改變其電阻值，通常用于監(jiān)測(cè)較小范圍的溫度變化。
在實(shí)際應(yīng)用中，熱信號(hào)預(yù)警技術(shù)所依賴(lài)的溫度傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用或溫度波動(dòng)較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)漂移或失效，因此使用壽命較短。同時(shí)，當(dāng)溫度和溫升速率超限時(shí)，電池已經(jīng)基本進(jìn)入熱失控階段，熱信號(hào)預(yù)警技術(shù)無(wú)法提供足夠的反應(yīng)時(shí)間用于消除安全風(fēng)險(xiǎn)，因此該技術(shù)僅能起到報(bào)警作用。
聲信號(hào)預(yù)警技術(shù)
聲信號(hào)預(yù)警技術(shù)主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是通過(guò)檢測(cè)電池開(kāi)閥放氣時(shí)排氣聲進(jìn)行預(yù)警，另一類(lèi)是在電池表面安裝超聲探測(cè)器來(lái)進(jìn)行預(yù)警。前者應(yīng)當(dāng)歸屬于艙體信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)，在艙體中安裝聲音傳感器，利用空氣中340米每秒的聲速來(lái)即時(shí)獲取電池開(kāi)閥信號(hào)，響應(yīng)速度遠(yuǎn)超微粒子信號(hào)和氣體信號(hào)。但該技術(shù)的弊端也很明顯，受到環(huán)境噪聲的干擾十分嚴(yán)重，且聲信號(hào)的穿透能力較弱，難以穿過(guò)層層堆疊的電池模塊，故而該技術(shù)應(yīng)用較少。
使用超聲探測(cè)電池內(nèi)部變化是一種新興的檢測(cè)技術(shù)。一般而言，該技術(shù)需要在電池表面安裝兩個(gè)壓電圓盤(pán)傳感器，分別用作激發(fā)器和接收器，前者產(chǎn)生超聲波信號(hào)，后者接收穿過(guò)電池內(nèi)部并反射回的信號(hào)。因?yàn)槌暡ㄔ诠腆w和液體中衰減較低，但在氣體中衰減速度非?？?，且對(duì)微小形變十分敏感，因此當(dāng)電池發(fā)生膨脹，或內(nèi)部出現(xiàn)氣泡或裂縫時(shí)，能夠通過(guò)超聲波的變化迅速識(shí)別故障。但顯而易見(jiàn)，對(duì)復(fù)雜變化的超聲波信號(hào)的分析能力決定了該技術(shù)的檢測(cè)效果。超聲波可以在安全隱患階段和早期故障階段就探測(cè)到電池的異常，提前感知安全風(fēng)險(xiǎn)，因此是一種非常有效的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)。
↑ 鋰電池超聲波檢測(cè)裝置原理圖與信號(hào)圖
考慮工程實(shí)際，兩個(gè)主要的困難限制了超聲波預(yù)警技術(shù)在鋰電池儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用推廣。一是技術(shù)成本，超聲波傳感器需要發(fā)射和接收超聲波，內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分精密，復(fù)雜的超聲波信號(hào)分析也需要更強(qiáng)大的信號(hào)處理系統(tǒng)，這些都增加了該技術(shù)的應(yīng)用成本。二是傳感器安裝難度較大，不同于其他電池表面?zhèn)鞲衅靼惭b于任意位置差別不大，超聲波傳感器有兩個(gè)裝置，二者的安裝位置相當(dāng)講究，通常與信號(hào)分析算法相適應(yīng)，傳感器安裝位置不當(dāng)會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，這也嚴(yán)重影響了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。
力信號(hào)預(yù)警技術(shù)
在電池內(nèi)部發(fā)生機(jī)械損傷、產(chǎn)氣膨脹、開(kāi)閥放氣等過(guò)程時(shí)，電池表面的機(jī)械力也隨之異常變化，因此可以采用力信號(hào)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。通過(guò)在電池的關(guān)鍵部位（如電池外殼、電池組裝體、端子等）安裝力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池所承受的力學(xué)參數(shù)，與正常運(yùn)行時(shí)的力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，信號(hào)異常變化時(shí)表明電池存在安全風(fēng)險(xiǎn)。
力信號(hào)傳感器一般分為兩類(lèi)，一類(lèi)是壓電或壓阻傳感器，采用壓電材料將外部壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行采集，另一類(lèi)是應(yīng)變式傳感器，感應(yīng)電池外殼或其他結(jié)構(gòu)的微小形變。前者適合檢測(cè)較大的力變化或力沖擊，后者則對(duì)微小力響應(yīng)敏感。
力信號(hào)傳感預(yù)警技術(shù)可以準(zhǔn)確探測(cè)電池產(chǎn)氣膨脹、外部力沖擊、開(kāi)閥放氣、模塊力均衡等過(guò)程，在早期對(duì)電池的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，且具有較高的精度，是一種強(qiáng)大的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)。但同樣的，復(fù)雜的力信號(hào)需要更先進(jìn)的信號(hào)處理系統(tǒng)才能更準(zhǔn)確的進(jìn)行故障識(shí)別。
在工程應(yīng)用上，力信號(hào)傳感器受到溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響非常嚴(yán)重，高精度、高靈敏度的力信號(hào)傳感器成本也較高，因此難以進(jìn)行推廣應(yīng)用。
● 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)
鋰電池儲(chǔ)能電站在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了大量的時(shí)序電壓和電流數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)挖掘儲(chǔ)能電站內(nèi)部的安全風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)行中的異常或潛在故障并提出預(yù)警，可以有效避免電池和系統(tǒng)的故障乃至安全事故。利用運(yùn)行數(shù)據(jù)分析進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的技術(shù)是當(dāng)前鋰電池儲(chǔ)能電站中使用最廣泛、前景最廣大的預(yù)警技術(shù)。結(jié)合歷史運(yùn)行和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，該預(yù)警技術(shù)可分為基于模型的算法、基于統(tǒng)計(jì)分析的算法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法三大類(lèi)。
模型算法
最早的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法是基于知識(shí)的方法，通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則庫(kù)或故障樹(shù)等先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。后續(xù)逐漸將這些知識(shí)轉(zhuǎn)化為基于數(shù)學(xué)和物理的電池模型，基于對(duì)電池運(yùn)行機(jī)理、經(jīng)驗(yàn)、特征的理解，構(gòu)建能夠反映電池運(yùn)行過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的模型，由模型的參數(shù)和狀態(tài)來(lái)反映風(fēng)險(xiǎn)和故障。根據(jù)物理場(chǎng)的不同，用于電池故障診斷和安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的模型包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、等效電路模型（Equivalent Circuit Model，ECM）、熱模型、電化學(xué)模型以及多物理場(chǎng)耦合模型等，其中ECM因其精度可接受、計(jì)算簡(jiǎn)單、方便快捷而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的鋰電池儲(chǔ)能電站中。
ECM通常由代表開(kāi)路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）的理想電壓源、代表電池動(dòng)態(tài)特性的電阻-電容（Resistance-Capacitance，RC）回路和代表內(nèi)阻的電阻組成，以電流為輸入，端電壓作為輸出。ECM可以根據(jù)電池運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算電池SOC、SOH、直流內(nèi)阻等重要參數(shù)，從而判斷電池是否存在異常衰竭等安全風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步建立ISC故障模型，確定ISC電流、ISC電阻等參數(shù)作為ISC的量化指標(biāo)。此外，采用結(jié)構(gòu)分析方法計(jì)算ECM殘差，可以檢測(cè)各種傳感器和冷卻系統(tǒng)的故障。
模型算法的精度嚴(yán)重依賴(lài)于模型本身對(duì)復(fù)雜電池體系的吻合程度。模型與電池體系約相似，模型復(fù)雜度越高，則模型精度越高，但同時(shí)模型計(jì)算量也越大，響應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng)。因此在當(dāng)前的工程實(shí)踐中，仍折衷選用ECM來(lái)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行模擬。在安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中，ECM能夠?qū)?nèi)短路、容量異常衰竭等故障進(jìn)行快速識(shí)別，但受到模型本身復(fù)雜度的影響，對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警能力略有不如，需要結(jié)合其他算法共同進(jìn)行。
統(tǒng)計(jì)分析算法
統(tǒng)計(jì)分析算法是對(duì)電池運(yùn)行中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用各種統(tǒng)計(jì)方法診斷出電池中的故障和風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，從而進(jìn)行預(yù)警的方法。常用的統(tǒng)計(jì)分析算法包括相關(guān)系數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（Empirical Mode Decomposition，EMD）、局部離群因子（Local Outlier Factor，LOF）和信息熵方法等。
相關(guān)系數(shù)法可用于判斷兩條曲線(xiàn)的趨勢(shì)是否匹配，因此可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)差的變化來(lái)檢測(cè)傳感器故障、連接故障和短路故障等。EMD將運(yùn)行數(shù)據(jù)分解為不同頻率的固有模態(tài)函數(shù)，當(dāng)產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，電池的相頻特性也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)分析相應(yīng)的頻帶可以識(shí)別出風(fēng)險(xiǎn)單元。離群點(diǎn)檢測(cè)是通過(guò)距離或密度測(cè)量發(fā)現(xiàn)與預(yù)期模式不一致的異常行為，它不需要數(shù)據(jù)的具體分布就可以量化每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的離群程度，可以檢測(cè)出如管控系統(tǒng)失效、電池單體狀態(tài)顯著異常等風(fēng)險(xiǎn)。信息熵方法可以衡量時(shí)間序列數(shù)據(jù)的隨機(jī)性或無(wú)序程度。
通常，統(tǒng)計(jì)分析算法僅從電池運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取有用的特征用于安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，而不需要建立精確的電池分析模型，因此該方法適合多重安全風(fēng)險(xiǎn)的診斷，提高預(yù)警技術(shù)的整體性能。但是，對(duì)于某些具有相似的響應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)和微小故障問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)分析算法的識(shí)別精度大幅度下降。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法
機(jī)器學(xué)習(xí)算法是通過(guò)在線(xiàn)訓(xùn)練和改進(jìn)來(lái)更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的方法。從廣義上來(lái)說(shuō)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法是一種通過(guò)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，賦予計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)能力并以此讓它完成直接編程無(wú)法完成的預(yù)測(cè)任務(wù)的方法。參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量越大，機(jī)器學(xué)習(xí)的效果越好，預(yù)測(cè)也就越精確。因此機(jī)器學(xué)習(xí)算法往往和大數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。大數(shù)據(jù)是指無(wú)法在一定時(shí)間范圍內(nèi)用常規(guī)程序進(jìn)行管理和處理的數(shù)據(jù)集合，其核心是利用海量數(shù)據(jù)的價(jià)值，機(jī)器學(xué)習(xí)算法就是大數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)。
常用的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)器學(xué)習(xí)算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）、長(zhǎng)短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）等。這些算法能夠揭示運(yùn)行數(shù)據(jù)中潛在的相關(guān)性和因果關(guān)系，從看似波瀾不驚的數(shù)據(jù)中挖掘出潛藏在深處的風(fēng)險(xiǎn)隱患，并據(jù)此對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)然，這些算法提高了安全預(yù)警技術(shù)的準(zhǔn)確性、預(yù)測(cè)效率和持久性，但仍依賴(lài)于最合適的超參數(shù)、訓(xùn)練算法和激活函數(shù)，以降低計(jì)算復(fù)雜度。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠提供精確的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，但是需要大量的故障和風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行提前學(xué)習(xí)。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往難以收集到的大規(guī)模的高質(zhì)量電池風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，且復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法通常也需要較大的計(jì)算資源，因此需要對(duì)所提供的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行仔細(xì)甄別，確認(rèn)其功能與效果。
● 各預(yù)警技術(shù)的比較
上述的各種預(yù)警技術(shù)在鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展過(guò)程中的不同階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。在工程應(yīng)用上，需要綜合考慮各預(yù)警技術(shù)的壽命、經(jīng)濟(jì)性、裝配容易度、預(yù)警效果和技術(shù)容易度，不同預(yù)警技術(shù)的對(duì)比結(jié)果如下圖所示：
↑ 不同預(yù)警技術(shù)的工程對(duì)比
由圖中可以看出，在上述預(yù)警技術(shù)中，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的預(yù)警技術(shù)具有最大的工程優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也伴隨著極高的技術(shù)門(mén)檻。因此，當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些亂象，許多預(yù)警技術(shù)供應(yīng)商通過(guò)對(duì)“大數(shù)據(jù)”、“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“人工智能”等概念進(jìn)行過(guò)度宣傳和混淆，使得行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)信息不對(duì)稱(chēng)，給儲(chǔ)能電站投資方帶來(lái)困擾。
很多供應(yīng)商號(hào)稱(chēng)使用了“大數(shù)據(jù)”或“機(jī)器學(xué)習(xí)”，但技術(shù)和產(chǎn)品并沒(méi)有真正達(dá)到相應(yīng)的水平，僅能對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和展示，無(wú)法對(duì)大規(guī)模、多樣化、高速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行深度存儲(chǔ)、處理、分析和應(yīng)用。由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，許多供應(yīng)商在強(qiáng)調(diào)“大數(shù)據(jù)”、“機(jī)器學(xué)習(xí)”時(shí)，忽略了數(shù)據(jù)的質(zhì)量保障和標(biāo)準(zhǔn)化，也使得所謂的“機(jī)器學(xué)習(xí)”預(yù)警技術(shù)難以發(fā)揮應(yīng)有的效果。更有甚者，有些供應(yīng)商可能僅僅具備設(shè)定幾個(gè)閾值來(lái)檢測(cè)電池異常的能力，并沒(méi)有真正采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，卻聲稱(chēng)其擁有“大數(shù)據(jù)分析能力”，在推廣時(shí)過(guò)度包裝產(chǎn)品，擾亂市場(chǎng)。而由于技術(shù)壁壘的存在，以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的“黑箱性”，預(yù)警技術(shù)供應(yīng)商也以此為借口拒絕解釋預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)方式，進(jìn)一步降低了投資方的信任，還可能導(dǎo)致人工誤判，影響實(shí)際操作中的決策。因此，為了確保鋰電池儲(chǔ)能電站在實(shí)際運(yùn)行中能有效應(yīng)對(duì)各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，提升電站的可靠性和安全性，本文建議對(duì)基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)警算法制定詳細(xì)的功能規(guī)范，包括訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)源與質(zhì)量的相關(guān)規(guī)定、算法預(yù)警的對(duì)象和有效性論證、第三方檢測(cè)報(bào)告等，提高相關(guān)技術(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化水平，幫助投資方深入了解技術(shù)供應(yīng)商的實(shí)際能力，增強(qiáng)投資方對(duì)相關(guān)技術(shù)的信任，規(guī)范市場(chǎng)環(huán)境。
鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)工程應(yīng)用
當(dāng)前，多種鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)各具特色，其優(yōu)缺點(diǎn)并存。因此，在工程實(shí)踐中，通常會(huì)綜合考量，選擇一種或多種預(yù)警技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。本部分將對(duì)鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)在工程應(yīng)用中應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行探討，并對(duì)已知的鋰電池儲(chǔ)能電站工程中所采用的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最終，本研究團(tuán)隊(duì)將展示其研發(fā)的基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的預(yù)警技術(shù)在多年實(shí)際應(yīng)用中的檢測(cè)結(jié)果。
● 鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警在工程應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
在工程應(yīng)用中，鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是確保預(yù)警技術(shù)科學(xué)性、有效性和可操作性的基礎(chǔ)和重要依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括UL標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)國(guó)家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)的實(shí)施提供了指導(dǎo)框架。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋰電池儲(chǔ)能安全的要求主要集中在電池本體、管控系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效性和消防措施的及時(shí)應(yīng)對(duì)上。北美采用的功能安全標(biāo)準(zhǔn)主要有《UL 1973:2022 Batteries for Use in Stationary and Motive Auxiliary Power Applications》和《UL 9540:2020 Standard for Energy Storage Systems and Equipment》，對(duì)系統(tǒng)安全作出了危害等級(jí)劃分。歐盟則主要采用《IEC 62619:2022 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Safety requirements for secondary lithium cells and batteries, for use in industrial applications》和《IEC 62933-5-2:2020 Electrical energy storage (EES) systems - Part 5-2: Safety requirements for grid-integrated EES systems - Electrochemical-based systems》對(duì)電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能電站的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估與衡量。
我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)首先參考了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在鋰電池儲(chǔ)能電站的本質(zhì)安全和消防安全上進(jìn)行了嚴(yán)格的管理?！禛B/T 36276-2023 電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》《GB/T 34131-2023 電力儲(chǔ)能用電池管理系統(tǒng)》《GB/T 42314-2023 電化學(xué)儲(chǔ)能電站危險(xiǎn)源辨識(shí)技術(shù)導(dǎo)則》《GB/T 43522-2023 電力儲(chǔ)能用鋰離子電池監(jiān)造導(dǎo)則》《GB/T 42288-2022 電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全規(guī)程》等推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提出了重要的指導(dǎo)建議，《GB 8897.4-2008 原電池第4部分：鋰電池的安全要求》《GB 51048-2014 電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》和《GB 44240-2024 電能存儲(chǔ)系統(tǒng)用鋰蓄電池和電池組安全要求》等強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更對(duì)鋰電池儲(chǔ)能電站中重要的安全風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了強(qiáng)制規(guī)定。除此以外，我國(guó)基于工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)始重視鋰電池儲(chǔ)能電站的運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控安全，相繼發(fā)布并實(shí)施了《GB/T 42726-2023 電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》《GB/T 44133-2024 智能電化學(xué)儲(chǔ)能電站技術(shù)導(dǎo)則》《GB/T 44767-2024 電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》，明確電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備的基本功能，包括數(shù)據(jù)采集與分析、異常診斷和故障報(bào)警等，給出不同信息報(bào)送的時(shí)間頻次要求，加強(qiáng)對(duì)鋰電池儲(chǔ)能電站主動(dòng)安全的引導(dǎo)和管理。
在具體的工程實(shí)踐中，需要根據(jù)儲(chǔ)能電站的實(shí)際情況落實(shí)上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保工程中采取的預(yù)警技術(shù)符合相關(guān)規(guī)定，特別注意根據(jù)工程的具體要求選擇合適的傳感器、預(yù)警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)平臺(tái)，制定詳細(xì)的實(shí)施方案，確保風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮有效作用。
● 鋰電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)在工程應(yīng)用中的統(tǒng)計(jì)分析
隨著我國(guó)鋰電池儲(chǔ)能電站的迅猛發(fā)展，安全風(fēng)險(xiǎn)逐漸成為儲(chǔ)能電站的關(guān)鍵控制因素，安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)亦在儲(chǔ)能電站中獲得了廣泛應(yīng)用。為確保消防安全，所有儲(chǔ)能電站均無(wú)一例外地采用了熱信號(hào)和氣體信號(hào)預(yù)警技術(shù)。此外，國(guó)家電投海陽(yáng)100兆瓦/200兆瓦時(shí)儲(chǔ)能電站采納了微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)以進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，大唐東營(yíng)廣饒鹽化120兆瓦/240 兆瓦時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目綜合運(yùn)用了開(kāi)閥聲信號(hào)、阻抗譜分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，而三峽能源烏蘭察布550兆瓦/1100兆瓦時(shí)風(fēng)光配儲(chǔ)場(chǎng)站則配置了融合模型、統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等多元分析方法的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)。根據(jù)對(duì)合作伙伴的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在運(yùn)行和已規(guī)劃的部分鋰電池儲(chǔ)能電站中，各類(lèi)預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用比例如下圖所示：
↑ 不同安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)在鋰電池儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用占比
統(tǒng)計(jì)分析揭示，熱信號(hào)與氣體信號(hào)預(yù)警技術(shù)的采納率達(dá)到了100%。這一現(xiàn)象可歸因于溫度與特征氣體作為電池?zé)崾Э氐闹苯又笜?biāo)，它們能夠在一定程度上提供有效的熱失控預(yù)警，或作為熱失控信息的報(bào)警信號(hào)。相對(duì)地，超聲信號(hào)與力信號(hào)預(yù)警技術(shù)的采納率為0%，這表明這兩種預(yù)警技術(shù)的成熟度及預(yù)警效能尚未達(dá)到可忽略其附加信號(hào)傳感器高昂成本的水平。少數(shù)儲(chǔ)能電站采用了開(kāi)閥聲信號(hào)預(yù)警技術(shù)，原因在于在電池艙體內(nèi)安裝少量聲信號(hào)接收器的成本較低，且能在電池開(kāi)閥時(shí)提供一次預(yù)警，從而增加一層安全風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)，因此該技術(shù)也獲得了相當(dāng)程度的青睞。大多數(shù)儲(chǔ)能電站聲稱(chēng)采用了運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，特別是大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，然而由于市場(chǎng)上相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，其真實(shí)性和有效性仍存疑。值得注意的是，微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)的高采納比例，這反映出眾多儲(chǔ)能電站已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)消防措施的局限性，并愿意采用新技術(shù)對(duì)熱失控進(jìn)行早期預(yù)警。然而，這也表明市場(chǎng)對(duì)微粒子信號(hào)預(yù)警技術(shù)的理解仍停留在宣傳層面，易受產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)影響，尚未形成對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)的深刻理解，在選擇預(yù)警技術(shù)時(shí)存在一定程度的盲目性。
● 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)在實(shí)際工程案例中的應(yīng)用結(jié)果
主動(dòng)安全位于本征安全和被動(dòng)安全之間，通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)和早期故障并發(fā)出預(yù)警，是最重要的安全防護(hù)措施。本研究團(tuán)隊(duì)首次提出了LBESPS三級(jí)主動(dòng)防控體系，涵蓋風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別、電池故障監(jiān)測(cè)和熱失控預(yù)警，逐步降低事故發(fā)生的可能性。在風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別方面，重點(diǎn)關(guān)注電池內(nèi)部析鋰、隔膜損傷、內(nèi)短路等電芯級(jí)別隱患，以及BMS通信異常、傳感器失效等系統(tǒng)級(jí)故障。電池故障監(jiān)測(cè)的核心參數(shù)則包括單體和簇電壓、溫度梯度、SOC估算偏差、內(nèi)阻偏差、參數(shù)不一致性等，并設(shè)定多級(jí)閾值觸發(fā)預(yù)警。熱失控預(yù)警則是通過(guò)特征氣體濃度、溫度增長(zhǎng)率等多維度判據(jù)，實(shí)時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警并推送處置指令至運(yùn)維人員。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警算法，構(gòu)建“預(yù)警-控制-運(yùn)維”的閉環(huán)防控體系，基于評(píng)估預(yù)警信息提供智能運(yùn)維策略，及時(shí)消除安全風(fēng)險(xiǎn)，降低嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)，如下圖所示：
↑ 全站級(jí)主動(dòng)安全三級(jí)防控體系
本研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，與超過(guò)4吉瓦時(shí)的鋰電池儲(chǔ)能電站合作，開(kāi)展安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作。監(jiān)測(cè)范圍包括電池本體、BMS以及冷卻系統(tǒng)。截至2024年12月，共識(shí)別出1178次安全風(fēng)險(xiǎn)事件，其中主要風(fēng)險(xiǎn)包括BMS失效、制冷設(shè)備故障、設(shè)備連接松動(dòng)以及電池異常。相關(guān)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下圖所示：
↑ 檢出安全風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)
統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，在鋰電池儲(chǔ)能電站中，BMS的失效構(gòu)成了主要的安全風(fēng)險(xiǎn)，其數(shù)量顯著高于其他類(lèi)別。特別是NTC傳感器失效和電池均衡功能失效的風(fēng)險(xiǎn)概率尤為突出，成為鋰電池儲(chǔ)能電站中最為關(guān)鍵的安全隱患。
通過(guò)審視鋰電池儲(chǔ)能電站安全事故的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)，管控系統(tǒng)的失效將導(dǎo)致電池持續(xù)的過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，進(jìn)而逐步引發(fā)包括析鋰、膨脹、產(chǎn)氣、微短路等在內(nèi)的安全問(wèn)題。這些安全問(wèn)題最終會(huì)表現(xiàn)為電池的異常衰竭和內(nèi)部短路等現(xiàn)象。然而，在上圖的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，電池異常僅占極小比例。這一現(xiàn)象表明，本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)能夠在BMS失效這一安全風(fēng)險(xiǎn)的源頭進(jìn)行有效的監(jiān)控和預(yù)警，避免了風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步發(fā)展至電池異常階段才發(fā)出預(yù)警信號(hào)。這進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)在預(yù)警方面的高效性和提前量的顯著性。
↑ 山東省某電站故障統(tǒng)計(jì)
以山東省某100兆瓦/200兆瓦時(shí)集中式儲(chǔ)能電站為例，本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)在電池艙中檢出了多次故障。比如監(jiān)測(cè)到某電池簇電壓與其他電池簇相比存在顯著差異，偏離了正常范圍，進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，BMS未能有效均衡電池單體之間的電壓差異，才導(dǎo)致了簇電壓異常變化，于是發(fā)出預(yù)警信號(hào)。隨后的現(xiàn)場(chǎng)檢修記錄也確認(rèn)了BMS均衡失效故障，證明了故障診斷的準(zhǔn)確性。在該儲(chǔ)能電站中還檢出了電壓和溫度異常的故障。從數(shù)據(jù)上看，某電池簇采集過(guò)程中出現(xiàn)了65535通訊異常，部分單體電壓采集結(jié)果也存在明顯偏離電池電壓合理值的趨勢(shì)。部分電池簇的溫度數(shù)據(jù)也發(fā)生異常波動(dòng)，系統(tǒng)溫度控制出現(xiàn)了失效風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)生預(yù)警信號(hào)后，現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行了即時(shí)檢修，確定電壓異常的原因是控制設(shè)備更換后接線(xiàn)松動(dòng)所導(dǎo)致，溫度異常則是由NTC傳感器故障引發(fā)。
總體而言，通過(guò)及時(shí)檢測(cè)和診斷儲(chǔ)能電站系統(tǒng)故障與潛在風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警并采取檢修措施，能夠極大程度確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。
本文圍繞鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)，對(duì)安全事故風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了分析，構(gòu)建了安全事故發(fā)展圖譜，介紹了不同安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)并對(duì)比了優(yōu)缺點(diǎn)，分析了工程應(yīng)用中使用安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為市場(chǎng)選擇鋰電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)提供了技術(shù)和樣本支持。
根據(jù)我們的研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池儲(chǔ)能電站的安全事故往往呈現(xiàn)出多階段的演變過(guò)程，每一階段的特征信號(hào)特征有所不同，因此為了確保全面的安全，可以采用多種預(yù)警技術(shù)的互補(bǔ)，覆蓋鋰電池儲(chǔ)能電站的不同安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)算法在儲(chǔ)能電站預(yù)警中具有巨大的潛力，需要進(jìn)一步推廣和提升該技術(shù)的應(yīng)用能力，但也要注意到這些技術(shù)在實(shí)際工程中的有效性和可操作性，如面臨數(shù)據(jù)不完整、遷移能力差等實(shí)際問(wèn)題，因此在應(yīng)用時(shí)需更加注重預(yù)警技術(shù)與工程實(shí)踐的結(jié)合，考慮多重影響因素，增強(qiáng)預(yù)警技術(shù)的魯棒性與容錯(cuò)能力。此外，面對(duì)市場(chǎng)上對(duì)基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)警算法的宣傳亂象，必須制定詳細(xì)的功能規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，行業(yè)協(xié)同制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系，確保算法的可解釋性、透明性和實(shí)際應(yīng)用效果，提升有效的安全預(yù)警技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
