Bezpečnost baterie lithium-iontu: Efektivní dlouhodobá strategie
Začněme tím, že objasníme jednu věc - lithium -iontové baterie mohou být bezpečné.
Každý rok se produkují miliardy lithium-iontových buněk a toto číslo bude v příštím desetiletí i nadále růst. S tak velkým množstvím buněk může jakékoli jiné elektronické zařízení selhat. Výzvou je proto v zásadě řešit tato nedostatečně výkonná jádra co nejdříve předtím, než dojde k události.
U systémů skladování energie lze použít různé úrovně řízení bezpečnosti. Zatímco výrobci buněk a systému monitorují bezpečnost buněk a systému prostřednictvím některých z těchto konceptů, operátoři mohou také zajistit, aby jejich systémy byly bezpečné pomocí specializované analýzy baterií.
Co tedy mohou výrobci lithium-iontových buněk, vývojáři a operátoři systémů dělat, aby minimalizovali selhání a zajistili bezpečnost? Udržování bezpečného a spolehlivého bateriového systému vyžaduje tři vrstvy.
Vrstva 1: Produkční kontrola a testování stárnutí
Vrstva 2: Systémy správy baterií
Vrstva 3: Aby cloud fungoval
Tyto tři vrstvy jsou podobné rally, kde potřebujeme spolehlivé auto, řidiče a spolu-pilota.
Vrstva 1: Testy kontroly kvality výroby a stárnutí
Baterie lze považovat za rally automobily. Pro shromáždění potřebujeme spolehlivé, vysoce kvalitní auto.
Výrobci buněk však nemohou zaručit 100% kvalitu pro každou buňku. Proto testování kvality hraje klíčovou roli v tradičním přístupu k prevenci selhání lithiových baterií.
Testy off-line se provádějí po výrobě, aby se zjistilo, zda buňky splňují dané standardy kvality. Tyto testy však obvykle nejsou příliš důkladné a mohou procházet mnoha testy, aby našli zjevná špatná jablka. Brzy po produkci se často používají analýzy, jako je počáteční kapacita nebo měření impedance, pro identifikaci vadných buněk.
Certifikační testy jsou rozhodující pro každý produkt, protože musí být prováděny z právního hlediska. V těchto testech je třeba provést standardizované testy a výrobce musí prokázat chování související s bezpečností.
Abychom pochopili chování baterií, testy kalendáře a cyklistických testů se provádějí během měsíců a let při předepsaných laboratorních testech. Tyto testy jsou však časově náročné, nákladné, ovládají pouze určité části baterie a nejsou škálovatelné pro systémy nasazené pole. Baterie na našich silnicích, v našich domovech nebo připojené k mřížce zažívají různé podmínky prostředí a profily zatížení než baterie testované v laboratoři.
Testování kvality výroby pouze vyhodnocuje specifický čas v čase, a proto je zapotřebí další vrstva bezpečnosti.
Vrstva 2: Systém správy baterií
Systémy pro správu baterií (BMS) lze považovat za řidiče rally, kteří se zaměřují na silnici a důsledně udržují svá auta v bezpečí na trati. K vidění většího obrázku však potřebují více času a zdrojů.
BMSS udržují baterie v jejich očekávaném bezpečném provozním rozsahu a minimalizují dopad selhání jedné buňky na postižený balíček nebo modul. Dělají to:
Měření napětí, proudu a teploty buněk
Výpočet a sledování stavu poplatku (SOC)
Vyvážení buněk na stejnou úroveň napětí pro bezpečný provoz
Pokud jsou hodnoty blízké okrajovým nebo překračujícím okrajové podmínky, BMS by měl systém přivést do bezpečného stavu změnou provozu nebo vypnutím bateriového systému. BMS je pasivní, ale nezbytné bezpečnostní opatření.
Bohužel, BMS má své nevýhody:
Vidí pouze aktuální stav
Je vidět pouze buňky v odpovídající baterii
Omezený výpočetní výkon a dodržuje jednoduchá pravidla
Kvůli těmto omezením nemůže BMS detekovat anomálie související s bezpečností, které se vyskytují ve stanoveném rozsahu hodnot, provádějí hloubkovou analýzu, aby přesněji vypočítaly stav baterie nebo předpovídat dlouhodobé trendy. Jak ukázaly předchozí incidenty, omezení BMS může vést k poruchám lithium-iontových baterií, které mohou společnosti ohrožovat. To také přispívá ke složitosti hodnocení bezpečnostních rizik, protože kvalitu BMS je třeba zvážit kromě kvality výroby baterie. Senzory mohou selhat, což vede k bezpečnostním kritickým událostem. Kvalita senzoru a výpočetní síla může být zlepšena, což vede k vyšším nákladům. Otázkou však zůstává: Pokud BMS monitoruje baterii, kdo monitoruje BMS?
Vrstva 3: Aby cloud fungoval
Cloudovou analýzu baterií lze považovat za spolu-pilota automobilu Rally, což zajišťuje správnou trasu a strategii. BMS se zaměřuje na okamžitý problém, zatímco cloud se stará o celkový obraz.
Cloudová analytika přidává do BMS další vrstvu bezpečnosti. Data BMS jsou shromažďována v cloudu a vytvářejí historickou databázi, která umožňuje hlubší a pokročilejší analýzu chování bateriového systému při provozu a nabíjení za podmínek reálného světa. Tato analýza používá fyzicky založené modely baterií a strojové učení k určení a predikci stárnutí a bezpečnosti baterií. Ve srovnání s BMS je cloudová analytika preventivní bezpečnostní opatření, protože analyzují dlouhodobé zdravotní trendy a detekují anomálie. To je důležité, protože mechanismy stárnutí kritického kritického zabezpečení mohou nastat dokonce, pokud BMS udržuje baterii v očekávaném rozsahu hodnot během svého životního cyklu.
