中國儲能網(wǎng)訊：9月10-11日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院、南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院聯(lián)合100余家機構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在深圳召開。此次大會主題是“綠色、經(jīng)濟、安全、發(fā)展”。
來自行業(yè)主管機構(gòu)、國內(nèi)外駐華機構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領(lǐng)域的600余家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1317位嘉賓參加了本屆大會。
11日上午，長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師夏向陽受邀在“新能源動力系統(tǒng)控制技術(shù)專場”分享了主題報告，主題為《電化學(xué)儲能電站電池健康狀態(tài)的智慧數(shù)據(jù)分析》。
夏向陽：大家下午好，我是來自長沙理工大學(xué)的夏向陽！我匯報的題目是《電化學(xué)儲能電站電池健康狀態(tài)的智慧數(shù)據(jù)分析》。
我將從以下五個部分向各位專家做匯報，首先看背景，大家都很清楚，從風(fēng)光可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重逐漸增大，2020年化石占比是81.7%，到2050年預(yù)計化石能源只占到40%，這也是“雙碳目標”。而可再生能源發(fā)電從2020年的14%到2050年要占到50.3%，這也是我們2050年的目標，說明到2050年以后，我們的新能源占比已經(jīng)超過了一半以上。這么多新能源，大家都清楚，它的不穩(wěn)定性會直接影響到電力系統(tǒng)的安全，而儲能技術(shù)作為支撐新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定最重要的技術(shù)和基礎(chǔ)裝備之一。
右下圖可以看到，這是大型量的儲能電站，鋰電池在作為一個密閉空間，在外界的誘因下，存儲的能量會發(fā)生熱失控，導(dǎo)致災(zāi)害事故的發(fā)生，所以儲能的安全存在挑戰(zhàn)。怎樣準確判斷電池的健康狀態(tài)呢？它的安全怎樣呢？這是我們很關(guān)心的問題。
我們對電池的研究很多，數(shù)據(jù)分析也有很多方法，基本歸為三類：一類是直接實驗，利用全充全放獲取電池現(xiàn)有的可用容量，通過電化學(xué)的阻抗法，獲取電池的特性，這是一種方式，就是直接實驗。第二類是建立模型，現(xiàn)在用得比較多的一階模型、二階模型等等，通過模型的輸入，看看電池的老化程度。第三類就是數(shù)據(jù)驅(qū)動，現(xiàn)在有大量的數(shù)據(jù)進行分析，像基于回歸模型，支持向量回歸機模型等，通過大量的數(shù)據(jù)判斷電池狀態(tài)。
接下來看看現(xiàn)在能采集到的電池的數(shù)據(jù)，我們團隊有個很好的研究基礎(chǔ)和平臺，分析數(shù)據(jù)來源非常較多關(guān)鍵，我也希望在座各位同仁在數(shù)據(jù)上能進行分享合作，現(xiàn)在我們主要的四個數(shù)據(jù)來源：第一個是跟國網(wǎng)湖南電力公司共建的“規(guī)模化電池儲能應(yīng)用技術(shù)”湖南省工程研究中心，如芙蓉儲能站，大靈山儲能站等數(shù)據(jù)我們都可以共享。第二個是我們學(xué)校購置了一個平臺，100千瓦時/200千瓦時的儲能平臺，雖然比較小，但所有的BMS和EMS都齊全。第三個是長沙理工大學(xué) 學(xué)校有一個威小電流電芯的測試平臺。第四是美國國家NASA、馬里蘭大學(xué)公開電池老化數(shù)據(jù)。
電池管理系統(tǒng)，單個電芯的電壓、溫度和電池狀態(tài)都可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，單個電池簇的平均電壓、最高電壓、最低電壓、平均溫度、最高溫度、最低溫度、SOH等電池外特性參數(shù)均可以進行測試。
這些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)怎么分析呢？大家可以看到，我們現(xiàn)在運行的這些BMS，可以算出電池簇的累計充電電量，包括整個電站的運營過程中存儲大量的屬性特性，以湖南某儲能電站為例，可以檢測到電流、電壓、溫度、累計充電量、累計放電量、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)。其中像電流、電壓、溫度等直接采用傳感器測量。像充電電量，多少荷電量，都是通過算法算出來的，這些都就是現(xiàn)在運行情況的狀態(tài)。
我們怎么在這個基礎(chǔ)上更深一步呢？這就是我們團隊提出的，在這個基礎(chǔ)上如何 繼續(xù)提升更多的特征量，呢？我們發(fā)現(xiàn)容量的變化量、能量的變化量、電壓的變化量、電流的變化量和時間的變化量，以及上述數(shù)據(jù)的二次處理如熵值等，跟電池的健康狀態(tài)有很大的關(guān)系。電池的老化過程中，我們的能量變化曲線可以看到，同時容量的突變等等，都有一些老化的特征，同時可以看到采樣的點數(shù)，我們采樣的點數(shù)是電池的老化，包括時間的變化量，隨著時間變長電池是逐漸老化的變化的趨勢，包括容量增量的曲線，溫度變化等等，這些特征量可能更能準確表現(xiàn)電池的老化狀態(tài)。我們對這些數(shù)據(jù)進行直接或間接的監(jiān)測，對數(shù)據(jù)的變化率、熵、有序度等進行再處理，來實現(xiàn)對電池的有效評估。突變量更能體現(xiàn)它衰老前的前兆。
同時我們有一個電池堆健康判斷方法，通過對電池堆簇的放電電量的對應(yīng)關(guān)系，我們來求得它的變化率及健康狀態(tài)。
同時電流、電壓、溫度這些東西對我們來說是外特征，我們可以從外面測量到。而電池里面的內(nèi)在特征怎么樣，運行過程會發(fā)生什么變化呢？在座各位從儲能來說，化學(xué)特征變化就是我們常說的電阻和電容等電壓。所以我們通過這圖些可以看到，在不同的充電深度循環(huán)老化過程中，它的內(nèi)在特征有沒有發(fā)生變化。我們可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，換電容量的增加，歐姆內(nèi)阻慢慢往上走，極化內(nèi)阻也在慢慢往上走。（見PPT）這些特征才能真正反映它的衰老情況。我們在這個基礎(chǔ)上，右邊這個模型，R、電阻、電容以前大家設(shè)定為固定組，現(xiàn)在設(shè)定為變化參數(shù)，隨著充放電使用次數(shù)的增多，或者使用環(huán)境變化，電阻電容是變化的，這才能準確反映電池的衰老狀態(tài)。
還有一個問題，就是在使用過程中發(fā)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)，每天上百萬條的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對我們來說很多是無用的。同時有些數(shù)據(jù)是缺失的，如何對這些數(shù)據(jù)進行整理和處理，這也是我們在智慧處理的方法。像異常數(shù)據(jù)檢測和特征數(shù)據(jù)讀取、篩選等等，我們把每天大量的數(shù)據(jù)進行分析處理，提取有用的數(shù)據(jù)進行分析，才能得出準確的效果。
我們團隊在能夠準確判斷電池狀態(tài)以后，如何在這個基礎(chǔ)上實現(xiàn)安全并網(wǎng)，因為我是博士，學(xué)電氣的，我們更多是研究如何在把儲能系統(tǒng)跟電網(wǎng)進行結(jié)合。電網(wǎng)要求是 對安全性要求很高的，如果儲能系統(tǒng)接上電網(wǎng)帶來不穩(wěn)定的話，肯定不要 能接上去。所以我們團隊提出，儲能系統(tǒng)主動安全運行研究，儲能系統(tǒng)在安全的情況下并上電網(wǎng)，如何并，這是我們團隊研究的方向。
第一，基于特征數(shù)據(jù)信息熵的鋰離子儲能電站電芯健康狀態(tài)評估與預(yù)測方法，我們從電芯、電池PACK、電池簇、電池堆，我們進行了大量的分析，通過大量的數(shù)據(jù)分析，得出電池異常老化的情況。右下角是電池的布局分布，某些電池的異常情況，通過這些東西特性可以知道，某些電芯出現(xiàn)什么情況。這個成果我們已在國外期刊上也發(fā)表了。
我們是怎么樣實現(xiàn)呢？我們相當于在BMS系統(tǒng)中抓取一套系統(tǒng)，同時數(shù)據(jù)送到我們開發(fā)的電池評價系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)是并行的，可以同時處理，我們可以在下面進行邊緣計算，算出電芯的健康情況，跟BMS并行，不影響數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)也是這個系統(tǒng)，我們進行大量分析。同時把數(shù)據(jù)算完以后，送到EMS，提供一個控制策略評價的依據(jù)。怎么控制？這里有很多電池簇，是投哪簇？怎么投？如果我們發(fā)現(xiàn)電池簇1出現(xiàn)問題或者老化，怎么辦？我們是不是改為投電池簇2或者3，我們通過算法能夠算出電池簇存在的老化情況，我們是不是能夠改變它的控制方式，而不是按照常規(guī)的。所以我們將來更多是以功率平衡、損耗、荷電狀態(tài)、避免諧振、健康狀態(tài)、經(jīng)濟指標等來實現(xiàn)儲能電站安全經(jīng)濟性，這個研究結(jié)論我們在《電工技術(shù)學(xué)報》和《太陽能學(xué)報》等期刊上已經(jīng)發(fā)表了，所以儲能的安全直接支撐了將來的并網(wǎng)控制。
結(jié)論：我們也做研發(fā)了一套電池健康狀態(tài)評價系統(tǒng)，已經(jīng)調(diào)試過了，我剛才跟一位專家也說到，我們有很多數(shù)據(jù)，但是我們沒有裂化數(shù)據(jù)，就是我們的極化電阻、極化電容和內(nèi)阻的老化閥值，到了什么時候會發(fā)生事故，就是我們說的熱失控。我們沒有這個數(shù)據(jù)，現(xiàn)在特別希望在座的各位將來能加強合作，把裂化數(shù)據(jù)的閾值發(fā)現(xiàn)出來，如果發(fā)現(xiàn)出來以后：第一可以對電池進行在線監(jiān)測，這個比我們現(xiàn)在用的電池充放電3000次、5000次、上萬次，比這種方式更能準確判斷電池的壽命和衰老狀態(tài)。我們主要在電池的健康特征和自身健康的關(guān)系方面進行研究。第二能提取反映電池健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)特征量，健康狀態(tài)用數(shù)據(jù)特征量來表達。第三依據(jù)計算特征數(shù)據(jù)熵值大小來判斷有序程度，實現(xiàn)對簇內(nèi)電芯老化程度及均衡性的分析判斷。電池不一致性也是在座各位談?wù)摵芏嗟?，也是影響電池的因素之一。第四是實現(xiàn)控制儲能系統(tǒng)多變流器協(xié)同支撐電網(wǎng)的安全運行，提升儲能電站整體安全性。昨天多個專家談到說了，華智科技也談到這個，提高儲能電站的整體安全性。我相信只要把這些因素做好，儲能系統(tǒng)才能更好地在電網(wǎng)和其他地方做得運行更安全、更可靠，儲能行業(yè)才能做大做強。
謝謝！
【責(zé)任編輯：周曉晴】
