Litiumjonbatterisäkerhet: En effektiv långsiktig strategi
Låt oss börja med att göra en sak klar - litiumjonbatterier kan vara säkra.
Miljarder litiumjonceller produceras varje år, och antalet kommer att fortsätta växa under det kommande decenniet. Med ett så stort antal celler kan alla andra elektroniska baserade enheter misslyckas. Därför är utmaningen i huvudsak att hantera dessa underpresterande kärnor så tidigt som möjligt innan en händelse inträffar.
För energilagringssystem kan olika nivåer av säkerhetshantering tillämpas. Medan cell- och systemtillverkare övervakar cell- och systemsäkerhet genom några av dessa koncept, kan operatörerna också se till att deras system är säkra genom att använda specialiserad batterilanalys.
Så vad kan litiumjoncelltillverkare, systemutvecklare och operatörer göra för att minimera fel och säkerställa säkerheten? Att upprätthålla ett säkert och pålitligt batterisystem kräver tre lager.
Lager 1: Produktionskvalitetskontroll och åldrande testning
Lager 2: Batteryhanteringssystem
Lager 3: Att få molnet att fungera
Dessa tre lager liknar ett rally där vi behöver en pålitlig bil, en förare och en co-pilot.
Lager 1: Produktionskvalitetskontroll och åldrande test
Batterier kan betraktas som rallybilar. För rally behöver vi en pålitlig bil av hög kvalitet.
Celltillverkare kan emellertid inte garantera 100% kvalitet för varje cell. Därför spelar kvalitetstest en avgörande roll i det traditionella tillvägagångssättet för att förhindra litiumbatterifel.
Off-line-tester genomförs efter produktionen för att se om cellerna uppfyller de givna kvalitetsstandarderna. Dessa tester är emellertid vanligtvis inte särskilt grundliga och de kan söka igenom de många testerna för att hitta de uppenbara dåliga äpplen. Strax efter produktionen används ofta analyser som initial kapacitet eller impedansmätningar för att identifiera defekta celler.
Certifieringstester är kritiska för varje produkt eftersom de måste genomföras ur ett juridiskt perspektiv. I dessa tester måste standardiserade tester utföras och tillverkaren måste visa säkerhetsrelaterat beteende.
För att förstå batteriernas åldrande beteende utförs kalendertester och cykeltester under månader och år i föreskrivna laboratorietester. Dessa tester är emellertid tidskrävande, kostsamma, kontrollerar endast vissa delar av batteriet och är inte skalbara för fältutplacerade system. Batterierna på våra vägar, i våra hem, eller anslutna till nätet upplever olika miljöförhållanden och lastprofiler än de som testas i labbet.
Produktionskvalitetstest utvärderar endast en specifik tidpunkt, varför det behövs ett extra lager av säkerhet.
Lager 2: Batteryhanteringssystem
Battery Management Systems (BMS) kan betraktas som rallyförare som fokuserar på vägen och konsekvent håller sina bilar säkra på banan. Men de behöver mer tid och resurser för att se den större bilden.
BMSS håller batterier inom sitt förväntade säkra driftsområde och minimerar påverkan av ett enda cellfel på det drabbade förpackningen eller modulen. De gör detta av:
Mätning av cellspänning, ström och temperatur
Beräkning och övervakning av laddningstillståndet (SOC)
Balansera celler till samma spänningsnivå för säker drift
Om värden är nära marginella eller överskrider gränsvillkoren, bör BMS föra systemet till ett säkert tillstånd genom att ändra drift eller stänga av batterisystemet. BMS är en passiv men nödvändig säkerhetsåtgärd.
Tyvärr har BMS sina nackdelar:
Det ser bara det nuvarande tillståndet
Endast cellerna i motsvarande batteripaket kan ses
Begränsad beräkningskraft och följer enkla regler
På grund av dessa begränsningar kan BMS inte upptäcka säkerhetsrelaterade avvikelser som inträffar inom ett specificerat värderingsintervall, köra djupgående analyser för att mer exakt beräkna batteristatus eller förutsäga långsiktiga trender. Som tidigare incidenter har visat kan BMS: s begränsningar leda till litiumjonbatterifel som kan riskera företag. Detta bidrar också till komplexiteten i att bedöma säkerhetsrisker, eftersom kvaliteten på BMS måste beaktas utöver batteriets tillverkningskvalitet. Sensorer kan misslyckas, vilket leder till säkerhetskritiska händelser. Sensorkvalitet och datorkraft kan förbättras, vilket leder till högre kostnader. Men frågan kvarstår: Om BMS övervakar batteriet, som övervakar BMS?
Lager 3: Att få molnet att fungera
Molnbaserad batterianalys kan betraktas som co-pilot för en rallybil, vilket säkerställer rätt rutt och strategi. BMS fokuserar på det omedelbara problemet, medan molnet tar hand om den stora bilden.
Molnbaserad analys ger ett extra lager av säkerhet till BMS. BMS-data samlas in i molnet och skapar en historisk databas som möjliggör djupare, mer avancerad analys av batterisystemets beteende under drift och laddning under verkliga förhållanden. Denna analys använder fysiskt baserade batterimodeller och maskininlärning för att bestämma och förutsäga åldrande och säkerhet för batteri. Jämfört med en BMS är molnanalys en förebyggande säkerhetsåtgärd eftersom de analyserar långsiktiga hälsotrender och upptäcker avvikelser. Detta är viktigt eftersom säkerhetskritiska åldrande mekanismer till och med kan uppstå om BMS håller batteriet inom sitt förväntade värdeintervall under hela sin livscykel.
