电池存储的技术灾难？专家由于经常失败和缺乏软件而引起警报

Konrad Wolfenstein

10 个月前

一项揭露真相的调查显示：这些错误将电池储能系统推向极限，并给运营商造成数百万美元的损失——图片来源：Xpert.Digital

电池性能已达极限？常见错误如何危及储能的未来——以及现在需要采取哪些措施。

揭幕调查：这些错误使电池存储达到其极限，并且运营商耗资数百万

能源转型以及对稳定灵活电网日益增长的需求，使得电池储能系统（BESS）备受关注。这些系统在整合可再生能源、稳定电网以及提供各种能源服务方面发挥着关键作用。尽管BESS潜力巨大，但其行业在日常运行和管理这些复杂系统方面仍然面临着诸多挑战。Twaice近期发布的“ BESS专业人士调查”研究报告，揭示了这些挑战，并为该行业的难题领域和未来发展方向提供了宝贵的见解。

电池储能系统（BESS）行业涵盖专注于在电池系统中存储电能的公司和技术。这些储能解决方案在能源转型中发挥着核心作用，因为它们能够高效利用太阳能和风能等波动性大、受天气影响的可再生能源，通过存储多余的能量并在需要时将其输回电网。

这项调查涵盖了80多位行业专家，包括工厂经理、运营维护人员和企业高管，结果清晰地表明：电池储能系统的运行比人们通常认为的更为复杂，也更容易出现故障。该研究的一项关键发现证实，系统性能和可用性是运营商最关心的问题。超过半数的受访者（58%）认为这是他们面临的主要挑战。这一高比例凸显了进一步提高电池储能系统可靠性和效率的必要性，以最大限度地提高其经济效益，并为能源转型做出贡献。

调查中另一项令人担忧的发现是技术问题的发生频率。近半数受访者（46%）表示每月至少遇到一次技术故障。如果考虑储能系统（BESS）行业内不同专业群体的视角，这一比例还会更高。在对系统平稳运行负有全面责任的电厂经理中，这一比例高达53%。从运行人员的角度来看，问题更加突出：高达73%的运行和维护人员表示经常遇到技术问题。这些数据清楚地表明，储能系统运行中的技术故障并非罕见，而是一个反复出现且令人头疼的问题，它不仅占用大量资源，而且对设施的整体性能产生负面影响。

该研究还表明，储能系统（BESS）行业尚未找到最佳技术栈，尤其是在软件解决方案领域。仅有略超过半数（55%）的受访者对他们用于管理系统的技术和工具表示满意。这种相对较低的满意度表明，目前许多可用的软件解决方案尚未针对储能系统运行的特定需求和挑战进行优化定制。因此，迫切需要能够提供更全面的分析功能、改进数据集成并降低储能系统管理复杂性的专用软件解决方案。

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可再生能源：现在一切都与储能系统有关

Stephan博士Rohr精辟地总结了整体数据战略的必要性。他强调，储能系统（BESS）行业的成功与数据管理密不可分。Stephan博士表示：“任何想要取得成功的人都需要一个整体数据战略，必须从一开始就考虑数据，在项目的所有阶段都加以利用，并进行正确的分析，而不是仅仅将其视为附加功能。”Rohr这句话强调，数据不仅仅是储能系统运行的副产品，而是一项关键资产，必须进行战略性利用，以优化性能、及早发现问题并最大限度地提高设施的经济效益。

Twaice的调查结果凸显出储能系统（BESS）行业正处于转折点。从纯粹的安全导向型运营向储能设施的积极商业化转型，需要数据和技术处理方式的根本性转变。储能系统运营商迫切需要获取可靠的数据和先进的分析工具，以最大限度地降低风险、抓住市场机遇并充分发挥系统的性能。

对系统性能和可用性问题进行详细分析

“BESS 专业人士调查”更详细地探讨了与电池储能系统性能和可用性相关的各种具体问题。这些问题可以分为不同类别，每一类问题都有不同的成因，并对 BESS 的运行产生不同的影响。

技术问题发生频率详情

上述高频率的技术问题（平均每月46%，运行维护人员的故障率甚至高达73%）令人担忧。这表明，储能系统（BESS）的实际运行经常受到意外故障和中断的困扰。这些问题可能由多种原因造成，包括单个组件故障、软件错误以及极端天气等外部因素。如此高的技术故障率凸显了对更强大的系统、更完善的监控和维护以及更有效的故障排除和解决机制的迫切需求。

细胞失衡：一个影响深远的渐进性问题

电池储能系统（BESS）行业普遍存在一个特别值得关注的问题，虽然该问题在调查中并未明确量化，但却是电池单体不平衡现象。电池储能系统由众多独立的电池单体组成，这些单体以模块或串联的方式连接。理想情况下，系统中的所有电池单体都应具有相同的特性，并在运行过程中表现一致。然而，在现实中，电池单体之间的不平衡现象十分普遍，并且会随着时间的推移而加剧。

细胞失衡可能由多种原因引起，包括：

制造公差：即使是高质量的电池，其电化学性能也会有细微的差异。
温度梯度：电池储能系统内的不同位置会导致温度分布不均匀，从而对电池的老化产生不同的影响。
电流分布：组件和电池组中电流分布不均也会导致不同的负载和电池老化。
老化效应：随着电池老化，由于老化速度不同，电池之间的差异会越来越大。

细胞失衡的后果多种多样，且均为负面后果：

能量浪费：电池充放电不均匀会导致储能系统总容量利用率低下。容量较低的电池会限制总可用容量。
安全风险增加：过充或欠充的电池更容易发生热失控和其他安全问题。不平衡状态会危及整个系统的稳定性。
整体容量和性能降低：电池不平衡会降低电池存储的可用容量，并且还会损害性能，尤其是在高放电或充电速率下。
加速老化和缩短寿命：承受更大负载或在不利条件下运行的电池老化速度更快。因此，电池不平衡会缩短整个电池组的寿命，并导致部件过早更换。

散热问题：过热会严重影响性能并带来安全隐患

电池储能系统运行的另一个关键挑战是冷却。电池在运行过程中会产生热量，尤其是在高电流充放电期间。因此，有效的冷却对于将电池的工作温度维持在最佳范围内至关重要。过热会导致性能下降、加速老化，最坏的情况下甚至会导致热失控——电池不受控制地过热并可能起火，这是一种危险的事件。

冷却问题可能由多种原因造成：

冷却系统尺寸不足：在某些情况下，冷却系统的尺寸可能不足以散发运行过程中产生的热量，尤其是在环境温度较高或储能系统高强度使用的情况下。
冷却部件故障：冷却系统的风扇、水泵、散热器或其他部件的机械或电气缺陷会导致冷却故障。
堵塞或污染：冷却通道可能会被灰尘、污垢或腐蚀物堵塞，从而降低冷却性能。
冷却策略效率低下：冷却系统控制不当或冷却组件布置不当会导致电池储能系统内部冷却不均匀和出现热点。

冷却系统出现问题的后果十分严重：

性能损失：高温下，电池单体的性能会下降。内阻增大，导致电压损失和能量效率降低。
安全风险：过热是热失控的主要风险因素。冷却系统故障会显著增加此类事件发生的概率。
加速老化：高温工作会加速电池内部的化学降解过程，从而缩短其使用寿命。

数据管理与集成：信息过载的挑战

Twaice 的调查还指出，数据管理和集成方面的困难是一项重大挑战（34% 的受访者表示）。现代电池储能系统是高度复杂的系统，会产生包括电压、电流、温度、荷电状态、故障代码等在内的各种数据。有效采集、分析和利用这些数据对于优化电池储能系统 (BESS) 的运行、故障诊断和寿命预测至关重要。

数据管理和集成面临的挑战包括：

数据量和数据种类：电池储能系统产生的数据量可能非常庞大。此外，数据通常以不同的格式存在，并且来自各种不同的来源。
数据质量：并非所有数据都具有相同的价值。测量误差、噪声或不完整的数据都会使分析复杂化，并导致错误的结论。
数据集成：储能系统（BESS）数据通常需要集成到现有的能源管理系统（EMS）、电网控制系统或云平台中。这种集成可能很复杂，需要标准化的接口和协议。
数据分析与可视化：原始数据本身信息量有限。需要借助高级分析工具和可视化技术，才能从数据中提取相关信息，并使其可用于储能系统（BESS）的运行。

数据管理和整合不足的后果包括：

运行效率低下：如果没有全面的数据分析，就很难优化储能系统运行，调整充放电策略，或者对电网或市场的变化做出反应。
故障检测延迟：如果没有有效的数据监控和分析，电池不平衡、冷却问题或初期劣化等问题可能无法被检测到，并且会恶化。
电池寿命预测有限：如果没有全面的数据分析，几乎不可能准确预测电池寿命和维护需求。这使得长期规划和成本效益分析变得复杂。

电池性能衰减与寿命管理：电池的倒计时

另一项被31%的受访者提及的重要问题是电池储能系统的衰减和寿命管理。电池是消耗性组件，其容量和性能会随时间推移而下降。这种衰减过程不可避免，但受多种因素影响，包括工作温度、充放电循环次数、荷电状态和电流倍率。

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退化和生命周期管理领域面临的挑战包括：

容量衰减：电池的可用容量会随着时间推移而降低。这种容量衰减是电池内部化学和物理变化引起的自然老化过程。
性能衰减：除了容量衰减外，电池的性能，尤其是在高电流倍率下，也会随着时间的推移而下降。这是由于电池内部电阻增加造成的。
电池续航时间预测：准确预测电池续航时间非常复杂，取决于多种因素。制造商提供的规格通常只是估计值，实际情况可能有所不同。
优化使用寿命：储能系统运营商面临的挑战是如何设计系统的运行方式，以最大限度地延长使用寿命，同时又不影响经济效益和满足系统要求。

降解和生命周期管理不善的后果包括：

使用寿命缩短：更快的衰减会导致电池储能系统的使用寿命缩短，更换成本更高。
经济损失：容量损失和性能下降会降低储能系统运行的收入，因为可以存储和提供的能量减少了。
长期规划的不确定性：不准确的使用寿命预测使得对新型电池储能系统的维护、更换和投资进行长期规划变得更加困难。

减少性能退化和延长使用寿命的策略

鉴于这些挑战，实施能够减缓电池储能系统性能衰减并延长其使用寿命的策略和措施至关重要。这些策略可分为以下几个方面：

智能充电管理：温和充电，延长使用寿命

智能充电管理是降低电池衰减的关键因素。这包括设计充电过程，使电池承受的压力尽可能小，并在最佳条件下运行。

最佳充电状态 (SoC)：建议将电池的充电状态保持在适中的范围内，通常在 20% 到 80% 之间。过高的充电状态（100%）和过低的放电状态（接近 0%）都会对电池造成压力并加速其老化。避免这些极端情况有助于显著延长电池寿命。这个范围通常被称为优化电池寿命的“最佳点”。

避免极端情况：始终避免完全充电和深度放电是智能充电管理的关键。可以通过限制最大充电状态和设置放电深度限制等策略来避免这些极端情况。

降低充电速度：快速充电，尤其是在高电量状态下，比慢速充电对电池造成的压力更大。交流电 (AC) 充电通常比直流电 (DC) 快速充电更温和。对于充电时间要求不高的应用，降低充电速度可以有效延长电池寿命。现代充电系统通常提供调节充电速度的选项，以满足特定需求。

温度管理：冷却机头，延长使用寿命

如前所述，工作温度是电池性能衰减的关键因素。因此，有效的温度管理对于将电池保持在最佳温度范围内至关重要。

最佳温度范围：锂离子电池的理想温度范围通常在 15°C 至 35°C 之间。保持在此范围内可最大限度地降低电池衰减率并延长其使用寿命。

避免极端温度：过高或过低的温度都会损害电池。应避免在低于 10°C 的温度下充电，因为这会导致锂沉积和容量损失。在高于 40°C 的温度下储存也会加速电池性能下降。

主动冷却：许多电池储能系统（BESS）应用需要主动冷却来调节电池工作温度，尤其是在高功率需求或温暖气候下。目前有多种冷却技术可供选择，包括空气冷却、液体冷却和相变材料冷却。选择合适的冷却技术取决于具体的应用需求和环境条件。

使用优化：温和的操作策略以实现最长使用寿命

电池储能系统的使用方式对其寿命有显著影响。优化使用策略可以最大限度地减少性能衰减，延长电池寿命。

放电深度 (DoD) 限制：频繁的深度放电比浅放电对电池的损耗更大。限制放电深度，例如限制在 80% 的放电深度，可以显著增加电池的充电循环次数。制造商通常会提供其电池最大放电深度的建议值。

减少高电流放电：充电和放电过程中的高电流负载都会导致电池发热加剧和电池应力增大。限制高电流放电可以减少电池衰减并延长电池寿命。在许多应用中，可以调整运行策略，使峰值负载由电池储能系统满足，而基本负载运行则采用较低的电流倍率。

循环管理：充放电循环次数是影响电池寿命的关键因素。例如，通过智能存储管理来限制每日充电循环次数，可以延长电池寿命。在某些应用中，可以将存储主要用于特定时间段或事件，从而减少每日循环次数。

先进技术和软件解决方案：智能助力长寿命

现代技术和软件解决方案在优化储能系统运行和延长其使用寿命方面发挥着至关重要的作用。

电池管理系统（BMS）：现代BMS是精密的控制系统，能够实时监测和优化电池状态。它们记录各种参数，例如单体电池电压、温度、电流和荷电状态。基于这些数据，BMS可以控制充放电过程、补偿单体电池不平衡、调节冷却以及检测故障情况。先进的BMS还具备寿命预测算法，并能根据电池状态自适应地调整运行策略。

分析平台：基于云的分析平台能够集中收集和分析来自各种系统的电池储能系统（BESS）数据。它们提供实时监控、趋势分析、故障诊断和预测性维护功能。通过利用大数据分析和人工智能，这些平台可以提供有关电池健康状况和性能的宝贵见解，从而有助于优化运行和延长使用寿命。

定期软件更新：逆变器、能源管理系统和电池管理系统的软件都在不断开发和改进。定期软件更新可确保系统采用最新的算法和功能，并与当前的需求和趋势保持最佳匹配。

维护和保养：定期检查以确保持久性能

除了技术措施外，定期维护和保养对于电池储能系统的长期性能和使用寿命至关重要。

定期检查：应进行例行检查，以便及早发现磨损、损坏或异常情况。这包括检查连接件、电缆、冷却组件、外壳，以及测量电池电压和温度。

清洁的环境：保持清洁干燥的环境对于防止腐蚀和污染至关重要。应定期清洁电池，去除灰尘和污垢。使用合适的工具和清洁剂，以免造成损坏。

创新方法：超越标准操作

除了既定策略外，还有一些创新方法，这些方法未来可能在延长电池储能系统寿命方面发挥更大的作用。

在最佳范围内循环充电（“极致老化优化”）：一些研究表明，在某些应用中，将电池电量 (SoC) 控制在非常窄的范围内（例如 15% 到 50% SoC）循环充电，可以显著延长电池寿命。这种策略被称为“极致老化优化”，旨在使电池主要在衰减率最低的范围内运行。

容量扩展：在某些情况下，随着时间的推移，通过物理或虚拟方式扩展电池储能系统的整体容量可能具有经济优势。这可以通过更换单个模块或集成额外的储能容量来实现。虚拟容量扩展可以通过智能管理储能使用来实现，例如，通过减少放电深度并根据当前需求调整可用容量。

保修和合同管理：保障与长期盈利能力

质保和合同管理对于电池储能系统的经济效益和长期安全至关重要。电池储能系统属于长期投资，全面的质保是最大限度降低投资风险的必要条件。

担保的重要性：为投资提供长期保障

电池储能系统综合保修提供多种形式的保障：

长期保障：电池储能系统通常设计使用寿命为10年或更长。涵盖此期限的质保可为投资提供长期保障。10年质保期在电池储能系统行业很常见，在某些情况下，甚至提供更长的质保期。
性能保证：性能保证确保电池在特定时间内保持一定的最低容量。这项保证对系统的经济效益至关重要，因为它确保电池在其整个使用寿命期间都能达到预期性能。通常，制造商保证电池在经过一定年限或循环次数后，容量保持率能达到 70% 或 80%。
产品保修：产品保修涵盖材料和制造缺陷。它保障因生产缺陷导致的过早失效，并保证用户有权维修或更换缺陷部件。

合同管理和保修条款：细节决定成败。

电池储能系统的保修条款通常复杂且因系统而异。因此，谨慎的合同管理至关重要，以便全面了解情况并确保在需要时能够提出保修索赔。
条款和条件的复杂性：储能系统（BESS）的保修协议可能内容繁多且细节详尽。这些协议通常包含必须仔细审查和理解的具体条款和细则。建议在审查合同时寻求法律意见，以确保条款和条件合理且易于理解。
符合运行限制：保修通常以遵守特定的运行限制为前提。这些限制可能与温度、充电状态、电流速率或其他运行参数有关。因此，必须持续监控运行数据，以确保符合保修条件。
文档记录：准确记录运行数据、维护工作和故障情况通常是提出保修索赔的先决条件。系统地记录和存档所有相关数据至关重要，以便在需要时提供证据。

对运营的影响：保修条款作为指导原则

保修条款对电池储能系统的运行策略和维护计划有直接影响。

优化运行策略：保修条款通常会规定系统运行的运行范围，以避免影响保修。因此，必须优化运行策略，使其既满足系统要求，又符合保修条款。例如，这可能意味着限制荷电状态范围或避免高电流放电。
维护计划：定期维护和检查通常是维持保修的先决条件。因此，必须制定维护计划，以确保遵守所需的维护周期和程序。这可能包括进行目视检查、测量电池参数或更换磨损部件。

财务方面：成本节约和规划保障

有效的保修和合同管理对储能系统运营具有重大的财务影响。

节省成本：有效的保修单可以节省大量的维修或部件更换费用。如果产品出现缺陷或意外故障，保修单可能涵盖维修或更换费用。

规划保障：清晰的保修条款有助于在系统整个生命周期内进行更完善的财务规划。了解保修条款能帮助运营商更好地估算长期运营成本，并最大限度地降低财务风险。

技术支持：保修管理软件

现代技术和软件解决方案也可以在保修和合同管理领域提供宝贵的支持。

监控工具：专用软件工具可以自动监控保修条件和运行参数。这些工具可以监控运行是否符合限制条件、跟踪维护周期，并在必要时发出警告。

预测性维护：分析平台和预测性维护系统能够及早发现潜在问题，并有助于保障保修索赔。通过分析运行数据，这些系统可以在异常情况和早期缺陷导致故障之前检测到它们。这使得及时采取维护措施成为可能，并可为保修索赔提供依据。

实现储能系统成功运行的整体方法

Twaice 的“BESS 专业人士调查”清晰地表明，电池储能系统的运行面临着诸多挑战。技术问题、电池不平衡、冷却问题、数据管理以及性能衰减等，都只是需要优化的几个方面。克服这些挑战并充分发挥电池储能的潜力，需要采取综合性的方法，包括技术创新、优化运行策略、精细的维护管理以及有效的保修和合同管理。只有持续有效地实施这些措施，BESS 行业才能充分发挥其潜力，并为能源转型做出实质性贡献。储能的未来在很大程度上取决于能否持续提高电池储能系统的可靠性、效率和使用寿命。