中國儲能網(wǎng)訊：隨著可再生能源的發(fā)展，鋰電池儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。然而，鋰電池儲能電站（Lithium Battery Energy Storage Power Station，LBESPS）的安全問題也隨之凸顯。鋰電池具有高能量密度、長壽命、高效率和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但在高溫、過充或短路等極端條件下，可能會發(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能系統(tǒng)中面臨較高的風(fēng)險。
鋰電池儲能電站發(fā)生起火事故后，高溫導(dǎo)致的電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)難以通過傳統(tǒng)滅火手段抑制，加之儲能電站內(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法徹底解決儲能電站的安全問題，迫切需要轉(zhuǎn)變思路，從運(yùn)行過程中的安全風(fēng)險預(yù)警入手，實(shí)時監(jiān)測儲能系統(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)均對鋰電池儲能電站安全問題和預(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“預(yù)警”與“報警”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)時發(fā)出警示，以便采取措施排除風(fēng)險；而報警技術(shù)通常在事故進(jìn)入不可逆階段時啟動，主要用于緊急響應(yīng)。當(dāng)前許多鋰電池儲能電站將報警系統(tǒng)作為主要防護(hù)手段，忽視了預(yù)警的主動性和前瞻性，導(dǎo)致事故防控效率較低。市場上也有許多號稱能夠?qū)崿F(xiàn)“預(yù)警”的技術(shù)產(chǎn)品，以專業(yè)性極強(qiáng)的理論原理迷惑儲能電站投資方，但其產(chǎn)品實(shí)際上僅能實(shí)現(xiàn)“報警”的功能，這也引起了市場對“預(yù)警”技術(shù)的認(rèn)可度下降。
其次，行業(yè)內(nèi)尚無對預(yù)警技術(shù)預(yù)警能力的準(zhǔn)確厘定方式，也缺乏對安全風(fēng)險預(yù)警的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同預(yù)警技術(shù)在應(yīng)用場景和工程實(shí)現(xiàn)上的差異性無法明確區(qū)分，產(chǎn)生對預(yù)警技術(shù)有效性和適用性的混淆。
最后，市場上已出現(xiàn)多種鋰電池儲能電站安全預(yù)警技術(shù)，這些技術(shù)針對儲能電站安全風(fēng)險的預(yù)警各有側(cè)重，但對這些技術(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)踐來看，少數(shù)企業(yè)開始了為鋰電池儲能電站安全風(fēng)險預(yù)警作出嘗試，如華為、天合儲能等企業(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，對電芯電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與早期風(fēng)險識別，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)也推動多項安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、IEC、GB系列）落地，部分企業(yè)也采取通過TüV、UL等第三方認(rèn)證的方式來增強(qiáng)產(chǎn)品可信度，但市場存在的技術(shù)宣傳口徑不一、功能界定不清等問題仍未得到解決。
本文通過對鋰電池儲能電站不同安全風(fēng)險源的分析，構(gòu)建事故發(fā)展圖譜，從中梳理現(xiàn)有鋰電池儲能電站安全風(fēng)險預(yù)警的不同技術(shù)路線，系統(tǒng)比較各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景，為鋰電池儲能電站安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)的市場選擇提供科學(xué)依據(jù)。
鋰電池儲能安全防護(hù)及事故發(fā)展圖譜
鋰電池儲能電站安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)立足于對儲能電站事故發(fā)展過程中特征信號的監(jiān)測和分析，而對事故發(fā)展的研究應(yīng)當(dāng)從安全風(fēng)險源開始。
● 鋰電池儲能電站安全防護(hù)內(nèi)涵及風(fēng)險源
LBESPS的安全性涉及整個系統(tǒng)，通常在多重風(fēng)險源共同作用下引發(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、主動安全和被動安全三個層面。
↑ 鋰電池儲能電站安全防護(hù)的內(nèi)涵
美國電科院在2024年的白皮書中建立了雙軸分析（Biaxial Analysis）框架，從事故根因和失效元素兩個方面對電池儲能系統(tǒng)的事故風(fēng)險源進(jìn)行了組合、比較和分析。該白皮書認(rèn)為，電池儲能系統(tǒng)的事故根因有四大類，分別是儲能器件或系統(tǒng)的預(yù)定架構(gòu)布局或功能的設(shè)計缺陷、儲能系統(tǒng)器件的制造缺陷、儲能系統(tǒng)器件集成和建設(shè)中的不當(dāng)、儲能器件或系統(tǒng)的超限運(yùn)行；而失效元素可歸結(jié)為三類，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)過對提供的26起公開事故的風(fēng)險源開展雙軸分析，發(fā)現(xiàn)72%的的故障發(fā)生在建設(shè)、調(diào)試或運(yùn)營的前兩年，集成和建設(shè)中的不當(dāng)是最常見的事故根因，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)險源組合。
雙軸分析框架具有較高的分析能力，但對于事故發(fā)展路線研究而言，風(fēng)險源組合偏多。本文對其進(jìn)一步提煉，將鋰電池儲能電站安全事故風(fēng)險源劃分為四大類：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：電池本體作為儲能系統(tǒng)的核心部件，其自身的安全性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。電池制造過程中的瑕疵，如金屬異物雜質(zhì)、隔膜與極片對齊不良、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引發(fā)異常衰竭，容易誘發(fā)過充、過放等過程，也增加了熱失控的風(fēng)險。
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)境會加速電池老化，甚至直接引發(fā)熱失控，而低溫環(huán)境會大幅度增加電池析鋰的風(fēng)險，導(dǎo)致ISC發(fā)生。高濕高鹽和粉塵環(huán)境都會降低電池系統(tǒng)的外部絕緣性能，加大漏電和外短路風(fēng)險。
管控系統(tǒng)失效：BMS、EMS和儲能變流器（Power Conversion System，PCS）是儲能電站的核心管控系統(tǒng)，BMS負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測、評估、保護(hù)以及均衡等，對電池狀態(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，控制儲能電池的充、放電過程，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傳輸失效，將導(dǎo)致電池的異常無法及時發(fā)現(xiàn)或處理，電池的運(yùn)行可能出現(xiàn)過充或過放，均會增加安全風(fēng)險。此外，冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等BOS失效，也會在很大程度上加劇安全風(fēng)險。
● 鋰電池儲能電站安全事故發(fā)展圖譜及信號特征
下圖是本文提出的鋰電池儲能電站安全事故發(fā)展圖譜，其中展示了從各種安全風(fēng)險源出發(fā)，經(jīng)過不同路徑逐步發(fā)展至內(nèi)短路乃至熱失控的過程，并給出了各步驟中電池狀態(tài)的變化和可檢測的特征信號。
↑ 鋰電池儲能電站安全事故發(fā)展圖譜
從圖中可以看出，在儲能電站安全風(fēng)險發(fā)展的早期，通常是電池本體缺陷或管控系統(tǒng)失效帶來安全隱患，如電池生產(chǎn)過程引入的金屬異物導(dǎo)致的內(nèi)短路風(fēng)險、BMS信號采集缺失引起的過充風(fēng)險等。在此階段中，電池沒有經(jīng)過長期的運(yùn)行，也沒有其他的顯著異常，難以對安全風(fēng)險進(jìn)行有效識別，但可以基于對運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析監(jiān)測到管控系統(tǒng)失效。隨著電池的長時間運(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、開裂、析鋰、微短路等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對電池的機(jī)械性能、電化學(xué)性能產(chǎn)生影響，可以被超聲波、力傳感器等檢測到，在運(yùn)行數(shù)據(jù)中也潛藏著風(fēng)險信息。當(dāng)這些濫用過程持續(xù)發(fā)展至嚴(yán)重內(nèi)短路后，電池狀態(tài)開始向熱失控邁進(jìn)，進(jìn)入熱失控早期階段。此時電池內(nèi)部劇烈產(chǎn)氣，高氣壓引發(fā)電池開閥放氣并發(fā)出響聲，同時釋放的還有反應(yīng)生成的微粒子，這些過程產(chǎn)物能夠被氣體傳感器、微粒子傳感器、聲信號傳感器接收，運(yùn)行數(shù)據(jù)也出現(xiàn)明顯的波動。在此階段末期，電壓開始迅速下降，溫度開始急劇上升，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)備可以檢測到這些信號。
● 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，且所有特征信號變化緩慢，距離熱失控尚有天級以上時間尺度的有效時間，在這兩個階段進(jìn)行安全風(fēng)險警情通告可實(shí)現(xiàn)對安全隱患進(jìn)行有效的控制乃至消除，在此時使用的預(yù)警技術(shù)可稱之為“安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)”。如果在安全隱患階段和早期故障階段并未對潛在安全隱患進(jìn)行有效管控，則安全風(fēng)險進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)入熱失控前期階段。該階段持續(xù)時間較短，通常在數(shù)分鐘至數(shù)小時之間，在此階段僅少量特征信號發(fā)生較大變化，利用這些特征信號可以發(fā)出警情通告，在安全事故發(fā)展到熱失控階段前對其進(jìn)行遏制，在此階段使用的預(yù)警技術(shù)可稱之為“熱失控預(yù)警技術(shù)”。若安全風(fēng)險未能得到有效控制，任由其發(fā)展至熱失控階段，極短時間內(nèi)立即起火冒煙乃至爆炸，此時僅能通過消防裝置進(jìn)行滅火除煙等善后工作，熱失控造成的損失已無法挽救，在此階段使用的預(yù)警技術(shù)事實(shí)上是“消防報警技術(shù)”。
鋰電池儲能安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)對比
基于鋰電池儲能電站安全事故發(fā)展中各個階段的信號特征，可以對安全風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警。從信號來源上可以將預(yù)警技術(shù)分為艙體信號傳感預(yù)警技術(shù)、電池信號傳感預(yù)警技術(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)三大類。
● 艙體信號傳感預(yù)警技術(shù)
在鋰電池故障演化過程中，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)，通過艙體內(nèi)的傳感器可以對微粒子和氣體進(jìn)行監(jiān)測，因此基于氣體和微粒子傳感進(jìn)行電池儲能安全風(fēng)險預(yù)警的技術(shù)是艙體信號傳感預(yù)警技術(shù)。
微粒子信號預(yù)警技術(shù)
微粒子信號預(yù)警技術(shù)是對儲能電池在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異?；蚬收蠒r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)測的一種預(yù)警技術(shù)。微粒子通常具有亞微米級的粒徑，其信號能夠反映儲能電池的內(nèi)部故障，是儲能電池預(yù)警的重要信號之一。
根據(jù)鋰電池儲能安全事故發(fā)展圖譜，微粒子信號主要發(fā)生在熱失控早期，此時電池電極材料和電解液分解產(chǎn)生微顆粒和氣溶膠，開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。一般而言，微粒子傳感器常采用光散射技術(shù)或電阻式檢測技術(shù)進(jìn)行微粒子信號采集，前者監(jiān)測微粒子對光的散射強(qiáng)度和分布，該結(jié)果與微粒子的濃度和尺寸密切相關(guān)，后者通過微粒子在氣體中運(yùn)動時的電阻變化來測量其濃度和尺寸。因此，微粒子信號預(yù)警技術(shù)與傳統(tǒng)熱失控監(jiān)測采用的煙霧信號報警相比響應(yīng)更快。
但從工程應(yīng)用角度考慮，一方面微粒子信號受到濕度、粉塵等背景信號干擾嚴(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到尚需要一定的時間，此時電池事故已基本進(jìn)入最后階段，難以得到有效的控制。因此根據(jù)此前對警情通告概念的定義，微粒子信號預(yù)警技術(shù)最終僅能起到報警的效果。
氣體信號預(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)電池溫度開始超過一定限度時，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氣體，累積氣壓超過電池殼體閥門承壓閾值后閥門打開，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，且氣體的種類和濃度反映了熱失控的演變過程，因此基于氣體信號可以進(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)測結(jié)果
研究表明，電池?zé)崾Э剡^程中產(chǎn)生的多種氣體中，H2是最早被檢測的氣體。電池在老化過程中析出的鋰會與電解液反應(yīng)生成H2，故而在電池開閥前其內(nèi)部就以積聚了一定量的H2。市場上常見的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)生電流來檢測氣體濃度，具有很高的選擇性和精度，但電極吸附位點(diǎn)可能會被其他氣體占據(jù)，從而導(dǎo)致傳感能力下降，俗稱“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)來改變傳感器電阻，以此檢測氣體濃度，該傳感器對氣體選擇性較低，且對環(huán)境溫度和濕度變化較為敏感，但壽命相對較長。此外，還有通過氣體吸收特定波長的紅外光來識別氣體種類和濃度的紅外線傳感器和利用超聲波穿過氣體發(fā)生衰減來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景，后者對超聲波衰減數(shù)據(jù)的分析需要強(qiáng)力的算法支持。
從工程應(yīng)用角度來看，雖然氣體信號預(yù)警技術(shù)是一種快速、簡便、經(jīng)濟(jì)、有效的熱失控預(yù)警方案，但仍有部分問題需要重視。首先是對氣體傳感器的選擇，傳統(tǒng)的氣體傳感器往往受到溫度、濕度等環(huán)境的影響，對氣體檢測精度和傳感器自身壽命也有一定的局限性，因此采用和開發(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、精確測量、快速響應(yīng)的氣體傳感器，是提升氣體信號預(yù)警技術(shù)能力的關(guān)鍵。其次是氣體的擴(kuò)散速度對預(yù)警時間的影響。與微粒子信號預(yù)警技術(shù)類似，氣體從開閥釋放到被檢測到需要經(jīng)過一定的時間，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等通過對氣體擴(kuò)散行為的實(shí)驗(yàn)和仿真，確認(rèn)安裝在儲能艙頂部的傳感器可以在熱失控前145秒發(fā)出預(yù)警，且三個傳感器的檢測時間比單個傳感器提前了116.43秒。即使如此，氣體信號預(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。
● 電池信號傳感預(yù)警技術(shù)
BMS系統(tǒng)能夠通過電池表面?zhèn)鞲衅鞲兄姵乇砻鏈囟?、端電壓和端電流等?nèi)部信號，然而在鋰電池安全事故發(fā)展過程中還會存在電池膨脹、內(nèi)部產(chǎn)氣、開閥噴氣等過程，可以通過力和聲等信號進(jìn)行靈敏的檢測。因此，在電池表面嵌入相關(guān)信號傳感器，原位監(jiān)測電池內(nèi)部信號，是市場上進(jìn)行電池安全風(fēng)險預(yù)警的重要方向。
熱信號預(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)溫度過高時，電池存在加速老化、熱膨脹、熱失控等安全隱患，因此通過溫度傳感器直接監(jiān)測電池表面溫度，實(shí)時觀測電池是否過熱，是一種行之有效的預(yù)警方式。一般而言，熱信號預(yù)警技術(shù)主要對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。
熱信號預(yù)警技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋰電池儲能系統(tǒng)中。常見的溫度傳感器有熱電偶、電阻溫度探測器（Resistance Temperature Detector，RTD）和熱敏電阻（分為Positive Temperature Coefficient，PTC和Negative Temperature Coefficient，NTC兩類）。熱電偶是一種通過測量不同金屬接點(diǎn)之間的電壓差來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測量溫度的傳感器，精度高、線性好，適用于對溫度要求較高的儲能系統(tǒng)。熱敏電阻根據(jù)溫度變化改變其電阻值，通常用于監(jiān)測較小范圍的溫度變化。
在實(shí)際應(yīng)用中，熱信號預(yù)警技術(shù)所依賴的溫度傳感器在長時間使用或溫度波動較大時會出現(xiàn)漂移或失效，因此使用壽命較短。同時，當(dāng)溫度和溫升速率超限時，電池已經(jīng)基本進(jìn)入熱失控階段，熱信號預(yù)警技術(shù)無法提供足夠的反應(yīng)時間用于消除安全風(fēng)險，因此該技術(shù)僅能起到報警作用。
聲信號預(yù)警技術(shù)
聲信號預(yù)警技術(shù)主要分為兩類，一類是通過檢測電池開閥放氣時排氣聲進(jìn)行預(yù)警，另一類是在電池表面安裝超聲探測器來進(jìn)行預(yù)警。前者應(yīng)當(dāng)歸屬于艙體信號傳感預(yù)警技術(shù)，在艙體中安裝聲音傳感器，利用空氣中340米每秒的聲速來即時獲取電池開閥信號，響應(yīng)速度遠(yuǎn)超微粒子信號和氣體信號。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，且聲信號的穿透能力較弱，難以穿過層層堆疊的電池模塊，故而該技術(shù)應(yīng)用較少。
使用超聲探測電池內(nèi)部變化是一種新興的檢測技術(shù)。一般而言，該技術(shù)需要在電池表面安裝兩個壓電圓盤傳感器，分別用作激發(fā)器和接收器，前者產(chǎn)生超聲波信號，后者接收穿過電池內(nèi)部并反射回的信號。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常快，且對微小形變十分敏感，因此當(dāng)電池發(fā)生膨脹，或內(nèi)部出現(xiàn)氣泡或裂縫時，能夠通過超聲波的變化迅速識別故障。但顯而易見，對復(fù)雜變化的超聲波信號的分析能力決定了該技術(shù)的檢測效果。超聲波可以在安全隱患階段和早期故障階段就探測到電池的異常，提前感知安全風(fēng)險，因此是一種非常有效的安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)。
↑ 鋰電池超聲波檢測裝置原理圖與信號圖
考慮工程實(shí)際，兩個主要的困難限制了超聲波預(yù)警技術(shù)在鋰電池儲能電站中的應(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)雜的超聲波信號分析也需要更強(qiáng)大的信號處理系統(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裝置，二者的安裝位置相當(dāng)講究，通常與信號分析算法相適應(yīng)，傳感器安裝位置不當(dāng)會對檢測結(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、開閥放氣等過程時，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進(jìn)行安全風(fēng)險預(yù)警。通過在電池的關(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)時監(jiān)測電池所承受的力學(xué)參數(shù)，與正常運(yùn)行時的力信號進(jìn)行對比，信號異常變化時表明電池存在安全風(fēng)險。
力信號傳感器一般分為兩類，一類是壓電或壓阻傳感器，采用壓電材料將外部壓力轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行采集，另一類是應(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。前者適合檢測較大的力變化或力沖擊，后者則對微小力響應(yīng)敏感。
力信號傳感預(yù)警技術(shù)可以準(zhǔn)確探測電池產(chǎn)氣膨脹、外部力沖擊、開閥放氣、模塊力均衡等過程，在早期對電池的安全風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警，且具有較高的精度，是一種強(qiáng)大的安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)。但同樣的，復(fù)雜的力信號需要更先進(jìn)的信號處理系統(tǒng)才能更準(zhǔn)確的進(jìn)行故障識別。
在工程應(yīng)用上，力信號傳感器受到溫度、濕度、振動等環(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)
鋰電池儲能電站在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了大量的時序電壓和電流數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)挖掘儲能電站內(nèi)部的安全風(fēng)險，及時發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)行中的異?；驖撛诠收喜⑻岢鲱A(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)險預(yù)警的技術(shù)是當(dāng)前鋰電池儲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)計分析的算法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法三大類。
模型算法
最早的安全風(fēng)險預(yù)警方法是基于知識的方法，通過專家經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則庫或故障樹等先驗(yàn)知識進(jìn)行風(fēng)險評估。后續(xù)逐漸將這些知識轉(zhuǎn)化為基于數(shù)學(xué)和物理的電池模型，基于對電池運(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)行過程中安全風(fēng)險相關(guān)的模型，由模型的參數(shù)和狀態(tài)來反映風(fēng)險和故障。根據(jù)物理場的不同，用于電池故障診斷和安全風(fēng)險預(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)模型以及多物理場耦合模型等，其中ECM因其精度可接受、計算簡單、方便快捷而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的鋰電池儲能電站中。
ECM通常由代表開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）的理想電壓源、代表電池動態(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。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)分析方法計算ECM殘差，可以檢測各種傳感器和冷卻系統(tǒng)的故障。
模型算法的精度嚴(yán)重依賴于模型本身對復(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，但同時模型計算量也越大，響應(yīng)時間也越長。因此在當(dāng)前的工程實(shí)踐中，仍折衷選用ECM來對電池狀態(tài)進(jìn)行模擬。在安全風(fēng)險預(yù)警中，ECM能夠?qū)?nèi)短路、容量異常衰竭等故障進(jìn)行快速識別，但受到模型本身復(fù)雜度的影響，對其他風(fēng)險的預(yù)警能力略有不如，需要結(jié)合其他算法共同進(jìn)行。
統(tǒng)計分析算法
統(tǒng)計分析算法是對電池運(yùn)行中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用各種統(tǒng)計方法診斷出電池中的故障和風(fēng)險狀態(tài)，從而進(jìn)行預(yù)警的方法。常用的統(tǒng)計分析算法包括相關(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的趨勢是否匹配，因此可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)差的變化來檢測傳感器故障、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)險時，電池的相頻特性也會發(fā)生變化，通過分析相應(yīng)的頻帶可以識別出風(fēng)險單元。離群點(diǎn)檢測是通過距離或密度測量發(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數(shù)據(jù)點(diǎn)的離群程度，可以檢測出如管控系統(tǒng)失效、電池單體狀態(tài)顯著異常等風(fēng)險。信息熵方法可以衡量時間序列數(shù)據(jù)的隨機(jī)性或無序程度。
通常，統(tǒng)計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)險監(jiān)測，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)險的診斷，提高預(yù)警技術(shù)的整體性能。但是，對于某些具有相似的響應(yīng)的安全風(fēng)險和微小故障問題，統(tǒng)計分析算法的識別精度大幅度下降。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法
機(jī)器學(xué)習(xí)算法是通過在線訓(xùn)練和改進(jìn)來更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險預(yù)警的方法。從廣義上來說，機(jī)器學(xué)習(xí)算法是一種通過利用數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，賦予計算機(jī)學(xué)習(xí)能力并以此讓它完成直接編程無法完成的預(yù)測任務(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)是指無法在一定時間范圍內(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)險隱患，并據(jù)此對安全風(fēng)險進(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)測效率和持久性，但仍依賴于最合適的超參數(shù)、訓(xùn)練算法和激活函數(shù)，以降低計算復(fù)雜度。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠提供精確的安全風(fēng)險預(yù)警，但是需要大量的故障和風(fēng)險運(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算資源，因此需要對所提供的機(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)在鋰電池儲能電站安全風(fēng)險發(fā)展過程中的不同階段進(jìn)行監(jiān)測和預(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)的對比結(jié)果如下圖所示：
↑ 不同預(yù)警技術(shù)的工程對比
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，同時也伴隨著極高的技術(shù)門檻。因此，當(dāng)前市場上出現(xiàn)了一些亂象，許多預(yù)警技術(shù)供應(yīng)商通過對“大數(shù)據(jù)”、“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“人工智能”等概念進(jìn)行過度宣傳和混淆，使得行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)信息不對稱，給儲能電站投資方帶來困擾。
很多供應(yīng)商號稱使用了“大數(shù)據(jù)”或“機(jī)器學(xué)習(xí)”，但技術(shù)和產(chǎn)品并沒有真正達(dá)到相應(yīng)的水平，僅能對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和展示，無法對大規(guī)模、多樣化、高速增長的數(shù)據(jù)集進(jìn)行深度存儲、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，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)定幾個閾值來檢測電池異常的能力，并沒有真正采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，卻聲稱其擁有“大數(shù)據(jù)分析能力”，在推廣時過度包裝產(chǎn)品，擾亂市場。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，為了確保鋰電池儲能電站在實(shí)際運(yùn)行中能有效應(yīng)對各種潛在風(fēng)險，提升電站的可靠性和安全性，本文建議對基于大數(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)來源與質(zhì)量的相關(guān)規(guī)定、算法預(yù)警的對象和有效性論證、第三方檢測報告等，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)投資方對相關(guān)技術(shù)的信任，規(guī)范市場環(huán)境。
鋰電池儲能安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)工程應(yīng)用
當(dāng)前，多種鋰電池儲能安全風(fēng)險預(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。本部分將對鋰電池儲能安全風(fēng)險預(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，并對已知的鋰電池儲能電站工程中所采用的安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。最終，本研究團(tuán)隊將展示其研發(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)用中的檢測結(jié)果。
● 鋰電池儲能安全風(fēng)險預(yù)警在工程應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
在工程應(yīng)用中，鋰電池儲能安全風(fēng)險預(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，國內(nèi)外關(guān)于鋰電池儲能安全風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)主要包括UL標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)以及我國國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)的實(shí)施提供了指導(dǎo)框架。
國際標(biāo)準(zhǔn)對鋰電池儲能安全的要求主要集中在電池本體、管控系統(tǒng)的長期有效性和消防措施的及時應(yīng)對上。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》，對系統(tǒng)安全作出了危害等級劃分。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》對電池系統(tǒng)和儲能電站的安全風(fēng)險進(jìn)行綜合評估與衡量。
我國的國家標(biāo)準(zhǔn)首先參考了國際標(biāo)準(zhǔn)，在鋰電池儲能電站的本質(zhì)安全和消防安全上進(jìn)行了嚴(yán)格的管理?！禛B/T 36276-2023 電力儲能用鋰離子電池》《GB/T 34131-2023 電力儲能用電池管理系統(tǒng)》《GB/T 42314-2023 電化學(xué)儲能電站危險源辨識技術(shù)導(dǎo)則》《GB/T 43522-2023 電力儲能用鋰離子電池監(jiān)造導(dǎo)則》《GB/T 42288-2022 電化學(xué)儲能電站安全規(guī)程》等推薦性國家標(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)儲能電站設(shè)計規(guī)范》和《GB 44240-2024 電能存儲系統(tǒng)用鋰蓄電池和電池組安全要求》等強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)更對鋰電池儲能電站中重要的安全風(fēng)險源進(jìn)行了強(qiáng)制規(guī)定。除此以外，我國基于工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，開始重視鋰電池儲能電站的運(yùn)行過程監(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)儲能電站技術(shù)導(dǎo)則》《GB/T 44767-2024 電化學(xué)儲能電站安全監(jiān)測信息系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》，明確電化學(xué)儲能電站安全監(jiān)測信息系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備的基本功能，包括數(shù)據(jù)采集與分析、異常診斷和故障報警等，給出不同信息報送的時間頻次要求，加強(qiáng)對鋰電池儲能電站主動安全的引導(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，制定詳細(xì)的實(shí)施方案，確保風(fēng)險預(yù)警技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮有效作用。
● 鋰電池儲能安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)在工程應(yīng)用中的統(tǒng)計分析
隨著我國鋰電池儲能電站的迅猛發(fā)展，安全風(fēng)險逐漸成為儲能電站的關(guān)鍵控制因素，安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)亦在儲能電站中獲得了廣泛應(yīng)用。為確保消防安全，所有儲能電站均無一例外地采用了熱信號和氣體信號預(yù)警技術(shù)。此外，國家電投海陽100兆瓦/200兆瓦時儲能電站采納了微粒子信號預(yù)警技術(shù)以進(jìn)行安全風(fēng)險預(yù)警，大唐東營廣饒鹽化120兆瓦/240 兆瓦時電化學(xué)儲能項目綜合運(yùn)用了開閥聲信號、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/1100兆瓦時風(fēng)光配儲場站則配置了融合模型、統(tǒng)計分析、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)對合作伙伴的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前在運(yùn)行和已規(guī)劃的部分鋰電池儲能電站中，各類預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用比例如下圖所示：
↑ 不同安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)在鋰電池儲能電站中的應(yīng)用占比
統(tǒng)計分析揭示，熱信號與氣體信號預(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警信號。相對地，超聲信號與力信號預(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傳感器高昂成本的水平。少數(shù)儲能電站采用了開閥聲信號預(yù)警技術(shù)，原因在于在電池艙體內(nèi)安裝少量聲信號接收器的成本較低，且能在電池開閥時提供一次預(yù)警，從而增加一層安全風(fēng)險防護(hù)，因此該技術(shù)也獲得了相當(dāng)程度的青睞。大多數(shù)儲能電站聲稱采用了運(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，微粒子信號預(yù)警技術(shù)的高采納比例，這反映出眾多儲能電站已經(jīng)認(rèn)識到傳統(tǒng)消防措施的局限性，并愿意采用新技術(shù)對熱失控進(jìn)行早期預(yù)警。然而，這也表明市場對微粒子信號預(yù)警技術(shù)的理解仍停留在宣傳層面，易受產(chǎn)品營銷影響，尚未形成對安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)的深刻理解，在選擇預(yù)警技術(shù)時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
主動安全位于本征安全和被動安全之間，通過在線監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)來識別潛在風(fēng)險和早期故障并發(fā)出預(yù)警，是最重要的安全防護(hù)措施。本研究團(tuán)隊首次提出了LBESPS三級主動防控體系，涵蓋風(fēng)險源識別、電池故障監(jiān)測和熱失控預(yù)警，逐步降低事故發(fā)生的可能性。在風(fēng)險源識別方面，重點(diǎn)關(guān)注電池內(nèi)部析鋰、隔膜損傷、內(nèi)短路等電芯級別隱患，以及BMS通信異常、傳感器失效等系統(tǒng)級故障。電池故障監(jiān)測的核心參數(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)定多級閾值觸發(fā)預(yù)警。熱失控預(yù)警則是通過特征氣體濃度、溫度增長率等多維度判據(jù)，實(shí)時觸發(fā)聲光報警并推送處置指令至運(yùn)維人員。同時，團(tuán)隊開發(fā)了100%自主知識產(chǎn)權(quán)的基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的風(fēng)險預(yù)警算法，構(gòu)建“預(yù)警-控制-運(yùn)維”的閉環(huán)防控體系，基于評估預(yù)警信息提供智能運(yùn)維策略，及時消除安全風(fēng)險，降低嚴(yán)重事故的風(fēng)險，如下圖所示：
↑ 全站級主動安全三級防控體系
本研究團(tuán)隊運(yùn)用運(yùn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，與超過4吉瓦時的鋰電池儲能電站合作，開展安全風(fēng)險預(yù)警工作。監(jiān)測范圍包括電池本體、BMS以及冷卻系統(tǒng)。截至2024年12月，共識別出1178次安全風(fēng)險事件，其中主要風(fēng)險包括BMS失效、制冷設(shè)備故障、設(shè)備連接松動以及電池異常。相關(guān)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下圖所示：
↑ 檢出安全風(fēng)險統(tǒng)計
統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，在鋰電池儲能電站中，BMS的失效構(gòu)成了主要的安全風(fēng)險，其數(shù)量顯著高于其他類別。特別是NTC傳感器失效和電池均衡功能失效的風(fēng)險概率尤為突出，成為鋰電池儲能電站中最為關(guān)鍵的安全隱患。
通過審視鋰電池儲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)的過充和過放現(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)的安全問題。這些安全問題最終會表現(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)隊開發(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)險的源頭進(jìn)行有效的監(jiān)控和預(yù)警，避免了風(fēng)險進(jìn)一步發(fā)展至電池異常階段才發(fā)出預(yù)警信號。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
以山東省某100兆瓦/200兆瓦時集中式儲能電站為例，本研究團(tuán)隊開發(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。隨后的現(xiàn)場檢修記錄也確認(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。部分電池簇的溫度數(shù)據(jù)也發(fā)生異常波動，系統(tǒng)溫度控制出現(xiàn)了失效風(fēng)險。在發(fā)生預(yù)警信號后，現(xiàn)場工作人員進(jìn)行了即時檢修，確定電壓異常的原因是控制設(shè)備更換后接線松動所導(dǎo)致，溫度異常則是由NTC傳感器故障引發(fā)。
總體而言，通過及時檢測和診斷儲能電站系統(tǒng)故障與潛在風(fēng)險，及時發(fā)出預(yù)警并采取檢修措施，能夠極大程度確保儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。
本文圍繞鋰電池儲能電站安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)，對安全事故風(fēng)險源進(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)險預(yù)警技術(shù)并對比了優(yōu)缺點(diǎn)，分析了工程應(yīng)用中使用安全風(fēng)險預(yù)警技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和統(tǒng)計結(jié)果，為市場選擇鋰電池儲能電站安全風(fēng)險預(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)，鋰電池儲能電站的安全事故往往呈現(xiàn)出多階段的演變過程，每一階段的特征信號特征有所不同，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)，覆蓋鋰電池儲能電站的不同安全風(fēng)險。同時，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)際問題，因此在應(yīng)用時需更加注重預(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)的魯棒性與容錯能力。此外，面對市場上對基于大數(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)的市場競爭力。
