中國儲能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國國際儲能大會”在深圳隆重召開， 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會。
TüV南德意志集團儲能事業(yè)部高級技術(shù)經(jīng)理張書博在國際儲能專場，以“儲能電池，我們不僅僅關(guān)注濫用測試”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南德意志集團儲能事業(yè)部的技術(shù)經(jīng)理張書博。很高興有機會和大家分享儲能電池方面的經(jīng)驗。
對于儲能電池，剛剛James Biggins先生也說了，安全，包括在美國市場，大家都十分重視電池的安全問題。因為電池，尤其鋰電池歷史不是很悠久，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試為安全的基準，怎么樣叫濫用測試？對于電池來說，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，會不會出現(xiàn)一些熱失控現(xiàn)象，還有機械濫用，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南德意志集團在最近十多年的時間里也通過大量的濫用測試里了很多經(jīng)驗，各種不同儲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)果是對于電池研發(fā)者來說可以提供一些經(jīng)驗，在電池研發(fā)過程中怎么樣提供一個很合理的保護。
電池為什么會出現(xiàn)濫用條件呢？為什么在濫用條件下會有熱失控的反應(yīng)？大家可以看一下，我這邊圖上給了一個圖示，電化學窗口，這是以電壓為例。當電池的電壓，比如充電電壓在電化學窗口之外，電池可能產(chǎn)生熱失控條件，會產(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，對于研發(fā)者來說會非常關(guān)注這個電池的標準電壓多少、最大的承受充電電壓是多少。為什么電池超過電化學窗口會有這些危險條件？大家可以看到，現(xiàn)在很多電池標準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方面的保護條件。
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。當電池溫度不斷提高，提高到某個值之后，電池結(jié)構(gòu)當中有些材料會有自加熱特性，到達這個溫度之后，即便外面不提供加熱，這個電池的溫度會持續(xù)緩慢上升。當電池溫度上升到某個值之后，這個電池會出現(xiàn)熱濫用情況，這個圖上，一般電池120度左右，通常的大部分電池可以承受。當溫度超過120度，甚至到150度以上，基本上所有鋰電池都會在某個溫度點出現(xiàn)熱失控。到某個溫度之后，這個電池即便外面不給它加熱條件，它也會持續(xù)緩慢上升，一直到它熱失控點，那電池就會出現(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中釋放出來形成一些起火條件。
怎么防止電池熱失控？濫用測試非常重要，通過濫用測試可以看到電池對于濫用條件的抵抗能力，電池研發(fā)的時候也非常關(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。另外一個手段是怎么減少濫用條件，現(xiàn)在很多標準中持續(xù)關(guān)注到這點，很多標準中，現(xiàn)在比較傳統(tǒng)的標準是以濫用作為安全的條件，在這些標準當中，我們經(jīng)常坐車的時候會把主動保護失效，什么叫主動保護？對于電池保護有兩種：一是被動保護，被動保護就是電池當中本身固有的，上面有CID、PDC等保護元器件，它形成的保護是被動保護。二是主動保護，BMS，BMS需要檢測電池的溫度、電壓、電流的條件，當條件超出電化學窗口之后，BMS通過切斷它的充電電流、放電電流來實現(xiàn)保護，這就是主動保護。傳統(tǒng)的標準當中通常會把主動保護失效掉，為什么失效？因為主動保護通常來說從傳統(tǒng)意義來說，很多電池保護不是很可靠，實際使用當中可能會出現(xiàn)保護失效。比如你用的MOS管、繼電器作為分段，他們都出現(xiàn)問題，它的保護是否可靠就不一定?，F(xiàn)在關(guān)注點，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。
現(xiàn)在很多標準當中，包括VD2510等，已經(jīng)對電池保護的終端可靠性提出比較深的要求。因為早期我們認為BMS不可靠，會把主動保護失效掉，只要看電池在濫用條件下會不會出現(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)，通常我們會考慮三方面的保護，溫度、電流、電壓，我會設(shè)定溫度保護，過充、過放的保護，電流保護，同時BMS還提供均衡電路，因為電池的一致性不那么好，我通過均衡電路相當于電池使用中，它的電壓盡可能是一致的，減少它的濫用條件。BMS其實從結(jié)構(gòu)來說，現(xiàn)在主要有三種，一種是機動式，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能系統(tǒng)里面提供這個保護功能，左邊的圖示是半分散式的BMS的結(jié)構(gòu)。
BMS是屬于主動保護，保護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)過功能安全的驗證，當BMS里面存在一些系統(tǒng)失效、潛在失效條件之后，你的保護功能存不存在？你能不能繼續(xù)保證你的保護功能？左邊是我列出來功能安全方面不同標準當中存在要驗證的方面。后面會詳細和大家分析。尤其針對我們TüV南德意志一直和很多儲能企業(yè)都有合作，他們在開發(fā)過程中和我有溝通，我把存在的主要問題，研發(fā)當中儲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窗口里面，不要超過電化學窗口，超過電化學窗口，電池存在熱失控的風險。電化學窗口一定要注意，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窗口當中來操作。但是，你電芯表面溫度比較高之后，當電池溫度到某個點，比如溫度在120度上某個點，比如150度左右，你的電池就會出現(xiàn)自發(fā)熱條件，就會不可逆的最后出現(xiàn)熱失控。在電化學窗口中一個非常重要的是要監(jiān)控電氣的溫度，這樣就會出現(xiàn)非常困難的問題，對于儲能電池來說，里面可能存在很多電芯，很多串、并電芯組成的儲能系統(tǒng)。如果監(jiān)測溫度不合理，監(jiān)測點，比如一個模組監(jiān)測三個電芯溫度，其他電芯出現(xiàn)溫度過高可能沒有辦法監(jiān)控到。這是實際操作中很困難的。很多要求控制每個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)置這個溫度采樣點就非常重要。如果超過電化學窗口，BMS要進入安全模式，如果溫度過高，超過上限溫度或者低于下限溫度，會讓它進入安全模式，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，通過軟件我會設(shè)定它在什么溫度下來保護或者電流到多少或者電壓到多少，我來實現(xiàn)保護。這種情況下你需要采用一些軟件編程，軟件編程我和國內(nèi)很多企業(yè)聊過，現(xiàn)在國內(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，這是功能安全當中對IEC61508的軟件功能驗證方面的正常，如何驗證一個程序。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，每一步通過驗證保證軟件的可靠性，實際當中，BMS開發(fā)的時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，有哪些功能安全當中應(yīng)該考慮的風險，沒有考慮到的風險問題。軟件安全下面列了幾個標準，這都是可以考慮的，比如IEC61508、汽車用的功能安全ISO26262-2，還包括62061，都可以作為考慮。
對于電壓性能采集，對于電池系統(tǒng)來說非常重要的電壓采樣，包括電池測試也是非常重要。如何把電池電壓能測得很準確。如果電池電壓測得不準確就會造成實際采集的電壓和實際的電壓不一樣，那鋰電池已經(jīng)插入電化學窗口，你可能不知道。我下面給大家兩個圖示：左邊的是方形電池，電池和電壓測兩線，有絕緣墊圈，這樣保證他們不要接觸。我看過一些企業(yè)，他們測試的時候直接沒有采用試線法，他們直接接觸，如果電壓測量線和電芯之間有壓降，電流線上有比較大的壓降，對于儲能來說電流比較大，采用壓降就會導致測量的電壓不是真正的電壓，你電量過放，電壓已經(jīng)低于2V，但是你通過電壓測量線還是高于那個值。電流線一部分分析，你當成電芯的電壓，電芯已經(jīng)過放，但是檢測不出來。所以很多標準里面明確要求電壓測量線保證電壓測量的準確性，如果精度達不到，同樣會造成實際測量的電壓值可能會和你真正的電芯實際的值有差異。
對于不分斷開端，前面說把主動保護作為不可靠保護，左邊的圖是一個繼電器，繼電器會出現(xiàn)什么問題？會再連，它分斷的時候會有很高的溫度，觸點會發(fā)生粘連，出現(xiàn)過充就沒有辦法保護了?，F(xiàn)在很多電池在實際當中，就是我們知道有些案例，我記得幾年前有一個大巴車起火，后面分析大巴車起火的原因是過充之后電流沒有分斷，這個報告我沒有看過，但是從通常的原因分析來說，可能就是用的計算器發(fā)生粘連，通常的電池保護也會出現(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，看實際當中對電池結(jié)構(gòu)方面的考慮，哪個更合適。
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？儲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斷，如果不存在帶電分斷，你要在電池打開的時候，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比較低，電流不能過大，正常情況下100A分斷，低溫情況下50A分斷，根據(jù)承受的電流能力不同，在溫度10度以上是100A分斷，10度以下就降50A分斷，這是降額使用，BMS在降額條件下，同樣保證電流使用不會超出電化學窗口。對于超出電化學窗口的情況下，一個持續(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，兩個解釋：一是準確，二是精密。右邊的圖揭示了什么是準確，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，我們同樣也要能實現(xiàn)電芯的電壓、電流溫度這些值不會超出它的電化學窗口。
在零部件故障，尤其電芯上面，本身一些主動保護元件、被動保護元件，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，才能保證這個電池在繼續(xù)使用當中不會出現(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我們知道里面儲能電池已經(jīng)出現(xiàn)故障了，包括漏液的時候要保證電解液不會露到外面，如果大家有興趣，我們可以和大家以后討論，當儲能電池出現(xiàn)事故的情況下，能和消防和其他取得聯(lián)動，這里面會有很多細節(jié)的問題需要和大家進一步討論。
通過TüV南德意志近十年對儲能電池的測試，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主動保護會發(fā)揮非常大的作用。但是BMS出現(xiàn)主動保護的可靠性，尤其功能安全驗證就會變得非常、非常重要。我們在儲能電池開始設(shè)計的時候要考慮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，知道標準方面有什么要求。如果一開始不知道這些要求，你可能到這邊來測試認證的時候，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。
由于時間關(guān)系，沒有辦法和大家詳細把這些功能安全方面的細節(jié)給大家分享。希望大家會后有時間、有機會也可以拿我的名片，和我這邊進行溝通。謝謝大家！
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
