从故障到预见：保障电池储能系统安全稳定运行

电池储能系统（BESS）的快速增长正在帮助充分释放可再生能源的潜力。随着电池储能大规模部署，人们越来越关注如何在这些资产的整个生命周期内安全可靠地运营。对于一种基于电化学过程的技术，另一个重要方面进入了视野：如何在早期阶段识别风险并防止故障发生？

SERMA集团能源与可再生能源事业部故障分析经理Cyril Marino博士探讨了故障分析如何帮助我们设计更安全、更具韧性和更持久的BESS——以及测试、人工智能和网络安全如何帮助在技术问题演变为代价高昂的故障之前加以预防。SERMA集团是一家独立技术公司，专注于电池和能源系统的测试、分析、可靠性及安全评估。

专访SERMA集团故障分析经理Cyril Marino博士

电池储能在欧洲的部署正在加速。我们如何确保这些资产能够运行数十年？

BESS的预期寿命约为20至30年。要实现这一目标，需要考虑三个阶段。第一阶段是设计阶段，需要从一开始就解决风险和潜在问题。第二阶段是运营阶段，系统需要持续监控。第三阶段是维护：如果某个组件发生故障，需要及时将其停运并更换。关键是要防止故障演变为经济损失。

有哪些最容易被忽视的风险会影响电池性能和寿命？

在SERMA，我们从事故障分析，从错误中学习是我们的职责。

我们看到热管理仍然是热门话题，也是高风险之一。

电芯对温度高度敏感，电芯中温度较高的工作区域会老化得更快。电池充电也会产生热量，由此产生的温差并不总能被BMS（电池管理系统）控制。

从整个系统来看，冷却等辅助组件也必须纳入考量。它们需要电力，而当这些电力来自电池时，就会产生寄生负载。例如，在某些装置中，太阳能板为冷却系统供电。夜间没有太阳能发电时，电池必须自行供电给冷却系统。如果没有足够的能量维持其运行，这可能会带来风险。

对BESS而言，一个全新且极其关键的因素是网络安全。现代BESS越来越多地连接到远程监控、能量管理和监控系统。这种连接性创造了额外的网络安全攻击面。网络钓鱼和用户凭证泄露可能为攻击者提供进入与BESS相连的企业或运营网络的入口。有些小风险如数据窃取。但最大的风险是有人获取网络访问权限并修改控制参数、扰乱运营或导致系统关闭。

我们在电力系统中看到，一个问题可能产生多米诺骨牌效应：如果某个环节出了问题，它也可能影响系统的其他部分。

此外，数据存储和控制的位置可能构成地缘政治风险。例如，对于一些来自中国的逆变器，数据库由当地制造商控制，数据可能通过位于境外的服务器进行处理。

如何管理这些风险？

在设计BESS时，有多种方式应对风险。以热管理为例，不同的冷却系统可以将冷却直接输送到电池中需要的位置，而额外的温度传感器可以改进预警系统，帮助更早地识别潜在问题。在可能的情况下，最好将冷却系统连接到独立的电源，以避免寄生负载。

电池技术也有影响。NMC（镍锰钴）等技术在电池热失控过程中能够产生氧气，而LFP（磷酸铁锂）化学体系则不会。热失控是电池电芯内部一种自我强化的过热过程。使用NMC电池时，事故期间温度可能超过1000°C，而LFP电池的温度因此可以保持在600°C以下。因此，化学体系的选择应基于应用的具体要求和条件。

在发生意外时，合适的灭火系统是另一个关键考量。需要仔细选择正确的系统，而不是仅仅因为它符合标准就选用。重要的是要理解电池燃烧时可能会产生氧气。如果电池起火，仅仅设计用于降低氧气水平的系统可能无法奏效。

另一方面，网络安全始于对人员的正确培训。必须使他们能够理解并应对这些风险。为了保护BMS，一个有效的措施是网络分段。如果系统的某一部分发生故障或遭受网络攻击，分段可以防止问题蔓延到整个装置或更广泛的网络。此外，数据存储和控制应在安全环境中管理，以降低潜在的地缘政治风险。

欧洲需要拥有自己的数据中心来支撑这类关键基础设施。

测试和验证在预测电池故障中扮演什么角色，人工智能如何支持这一过程？

测试和验证有助于在问题发生之前识别BESS的极限和潜在弱点。仅依赖通用标准是不够的。每个系统都有自己的特性，应在不同的运行和环境条件下进行测试，例如在40°C等高温下，或在更高和更低的电流下。这有助于确定极限在哪里，以及如何使系统更加稳健。

电池健康监测正越来越多地受益于人工智能。传统上，数学模型是基于经验、监测、实验室测试、实验和运营反馈来开发的。借助人工智能，我们现在可以结合来自不同领域的不同类型数学模型，并利用运营数据加以改进。

例如，我们可以监测温度、电压和电流，以及电池的内阻。人工智能可以利用这些数据在早期阶段识别潜在风险。这是该领域的一场重大革命。监测系统可以非常接近预测可能发生的事情，这使我们有可能延长系统的使用寿命。

延长电池寿命是否是提升储能可持续性的一个杠杆？

绝对是。延长电池寿命从经济和环境角度来看都是有意义的。电池最终会被回收，但其生命周期应尽可能延长，以充分发挥电池的价值。这可以降低成本并带来环境效益。

例如，汽车电池在不再用于汽车后仍然可以提供能量。问题是还剩余多少寿命。由于潜在风险，最终用途需要仔细评估。在某些情况下，需要获得认证，而这可能成本高昂。在每个案例中这是否具有经济价值仍然值得商榷。

此外，新电池法规规定，进入欧盟的新电池需要含有一定比例的回收材料。因此，回收将成为电池生命周期中不可或缺的一部分。

展望未来五到十年，什么对大规模电池储能的长期性能最为重要？

气候风险将发挥关键作用。BESS需要能够抵抗风、空气和高温，并为极端气候条件做好准备。与光伏系统结合使用时，电池需要应对波动性并适应发电量的变化。它们还需要在需要时向电网馈电。

关键点在于，必须优化电池使用，在保持寿命和安全性的同时充分发挥系统效能。人工智能将显著有助于提高效率、优化电池寿命并创建额外的安全屏障。归根结底，这也关乎系统的盈利能力。

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