用于一个或多个能量存储设备的故障检测的系统、方法和设备与流程

本公开大体上涉及对一个或多个能量存储设备(例如，一个或多个电池)的监测，并且更具体地，涉及例如经由超声询问(ultrasound interrogation)对一个或多个能量存储设备的潜在故障(在其发生之前)进行检测。

背景技术：

1、能量存储系统(ess，其可包括一个或多个能量存储设备，例如，电池)可实现与可再生能源(例如，太阳能光伏(pv)、风、潮汐等)和/或发电系统的广泛集成，以改善孤立的(isolated)能源和存储设施以及电网的能量分配和存储效率。ess可保护能源安全，减少碳排放，并为一系列利益相关者带来新的收入来源。然而，在美国，只有约2.5％的总发电量依赖于电网储能。广泛安装ess的主要障碍是系统成本和安全问题。电化学能量存储技术(例如，锂离子和其他液体电解质电池)表现出高功率或能量密度、高充电和放电效率、快速的能量传送响应时间以及易于携带，这对于某些应用可能是特别可取的。实际上，可充电dc电池由于其成本降低、高周期性和技术成熟，已经成为储能的主要选择。

2、将锂离子和其他液体电解质电池广泛用于ess的主要障碍是电池/系统故障的可能性，尤其是ess的一个或多个电池的灾难性故障(称为“热失控”)，这可能导致火灾或爆炸。热失控事件以及随之而来的火灾和爆炸是灾难性液体电解质电池故障的主要原因。当一个或多个电池的运行状态开始偏离正常的电池运行状态行为时，升高的环境温度(例如，高于80℃)会触发ess电池的额外内部加热。当电池开始偏离正常运行状态时，正反馈循环迅速发生，导致不可控制的放热反应。此类事件的主要触发因素是电池单元内产生热量和/或气体。产生气体的热量可以是由电极材料的分解和/或液体电解质的分离引起的，液体电解质是易燃的碳酸盐。热失控可由内部和外部短路引起，或可由过充电、过热或过放电产生的气体引起。一旦开始，电极材料的分解和/或液体电解质的分离导致电解质电解、电解质降解和电池电阻增加，这又会促使在较高电流使用状态下电池过热。

3、与新设备相比，不良健康状态(soh)能量存储设备(例如，电池)具有较低的充电容量，因此具有较低的放电能力。在单个能量存储设备的情况下，该设备的soh可随着充电和放电循环次数的增加而降低，直到该设备对于其内在目的不再有用。此外，如果设备在其整个寿命周期内总是以相同的恒定电流和/或恒定电压(例如，针对具有优良soh的设备所推荐的)充电和放电，则恒定电流和恒定电压充电/放电可能在设备寿命的末期变为过充电和过放电。因此，设备会偏离其正常运行状态，潜在地导致正反馈循环，从而导致热失控。当使用相同的充电和放电参数(例如，恒定电流和电压)对多个能量存储设备(每个能量存储设备具有不同的soh)进行集体充电和放电时，这种风险会增加。在这种情况下，多个能量存储设备中的一个或多个可能具有不良的soh，因此偏离其正常运行状态，从而潜在地导致热失控。

4、在与由过充电、过热和/或过放电以及随后的电解质电解和电解质降解导致的气体产生相关的故障期间，锂离子电池可进入危险的运行状态，因为锂离子电池在能量存储设备或ess的各个电池或电池单元内放出易燃气体。存在于能量存储设备外壳内的气体增加了内部气压，并促使能量存储设备外壳膨胀。当ess中的单个电池开始出现故障时，ess中其他电池的电负载或热负载会增加，这会促使其他电池也出现故障。来自附近起火或过热的电池的负载和/或热量的突然变化会导致ess的更多电池经历热失控。

5、检测热失控前兆的常规方法包括检测电压变化、检测温度快速上升(例如，每秒≥4℃)或检测气体逸出。这种方法通常提前大约30秒到5分钟来提供快速转变到热失控状态的预警。然而，30秒到5分钟的警报对于采取纠正措施来说是不切实际的，例如，向附近的工人报警，通知消防和安全组，或者确定哪个或哪些能量存储设备导致了预警。此外，快速转变到热失控状态的常规预警通常发生在有缺陷的电池或能量存储设备被永久损坏之后。

6、在常规系统中，负责潜在地最小化与操作ess相关联的风险的ess的主要部件是电池管理系统(bms)，该电池管理系统包括温度监测模块以及电压和电流监测模块。bms可以使用监测到的信息来估计soc、soh和/或电池电阻，并且可以包括与ess的每个电池或能量存储设备相关联的开关控制模块。遗憾的是，如通过许多历史灾难事件所展示的，常规的bms模块不足以可靠地检测与释放的可燃气体、过充电、过放电、电解质电解、电解质降解和/或ess的各个电池或设备中电阻增加相关的即将发生的ess或各个能量存储设备故障。

7、所公开主题的实施例可以解决上述问题和缺点中的一个或多个(除其他方面外)。

技术实现思路

1、所公开的主题系统的实施例提供了用于检测能量存储设备的热失控的前兆的系统、设备和方法，例如，通过使用超声询问来监测一个或多个能量存储设备的状态(或各自的状态)。在一些实施例中，响应于检测到热失控的一个或多个前兆，例如，当被监测的任何一个能量存储设备的运行状态被确定为表现出与正常运行状态特征不同或有差异的运行状态特征时，可以发出初始警告通知。替代地或附加地，在一些实施例中，响应于在被监测的任何一个能量存储设备中检测到热失控的一个或多个前兆，可以发出紧急停止命令(e-stop command)，例如，以便将表现出一个或多个前兆的能量存储设备与所有电流源自主断开。

2、在一些实施例中，超声询问系统(ultrasound interrogation system)可以操作性地联接到(例如，电连接到)(例如，能量存储系统(ess)的)电池管理系统(bms)。超声询问系统可使用超声来询问一个或多个能量存储设备，并且bms可管理一个或多个能量存储设备的充电和/或放电。在一些实施例中，一个或多个存储设备可以存储与一个或多个能量存储设备类型的正常运行状态特征对应的基线超声数据。在一些实施例中，正常运行状态特征可包括在一种或多种能量存储设备类型的多个正常充电/放电循环期间捕获的超声询问信号数据。替代性地或附加地，在一些实施例中，一个或多个数据处理设备可被编程为将存储在一个或多个存储设备中的超声询问信号数据与源自由超声询问系统监测的一个或多个能量存储设备的超声询问数据进行比较。在一些实施例中，可以在一个或多个能量存储设备类型的多个正常充电/放电循环期间捕获存储的超声询问信号数据。

3、所公开主题的实施例可应用于各种领域，例如但不限于能量存储设备的管理、能量存储设备运行状态监测、能量存储设备安全性和可靠性评估、能量存储设备健康状态(soh)监测、能量存储设备充电状态(soc)监测以及故障预测和预防。替代性地或附加地，所公开主题的实施例可应用于各种系统和能量存储设备，例如但不限于可充电dc电池、能量存储系统(ess)、电池管理系统(bms)、包括能量存储设备和能源的电子设备以及与ess相关联的发电系统。

4、所公开主题的实施例可识别各个能量存储设备(例如，ess或单个能量存储设备的锂离子电池)的潜在危险状况或运行状态，并且可以在确定设备状态偏离其正常运行状态时提供早期警报。在一些实施例中，当一个或多个能量存储设备首先开始表现出潜在的破坏性运行状态时，单个能量存储设备或多个能量存储设备可以自主地或自动地与电流源(例如，电池充电器)、电力负载和/或其他能量存储设备断开。在一些实施例中，断开可以足够早，以防止火灾或爆炸，通知人(例如，用户或操作者)、bms或潜在的热失控状况的其他系统，以便采取纠正措施，和/或防止对ess的能量存储设备的永久损坏。

5、在代表性实施例中，一种方法可包括检测对应于工作电池的超声能量信号变化，并且将检测到的信号变化与在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化进行比较。该方法还可包括当检测到的信号变化具有在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化的特征时，终止电池的运行。

6、在另一个代表性实施例中，一种系统可包括一个或多个处理器和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可存储计算机可读指令，计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器从电池中提取检测到的超声信号的至少一个特征，并且响应于所提取的特征中的一个或多个特征满足一个或多个阈值，生成指示电池故障的一个或多个信号。

7、在另一个代表性实施例中，一种方法可包括检测在电池充电或放电期间通过电池内部传输和/或从电池内部反射的超声。该方法可还包括至少部分基于检测到的超声满足一个或多个预定阈值，提供电池故障的指示。

8、在另一个代表性实施例中，一种系统可包括电池管理系统、超声询问系统、数据存储器和数据处理器。电池管理系统可被配置为管理一个或多个能量存储设备中的每一个的充电和/或放电。超声询问系统可操作性地联接到(例如，电连接到)电池管理系统，并且被配置为在其充电和/或放电期间使超声能量通过一个或多个能量存储设备。数据存储器可被配置为存储(i)源自离开一个或多个能量存储设备的超声能量的捕获数据实例，以及(ii)在一个或多个能量存储设备的充电和/或放电期间对应于该一个或多个能量存储设备的基线超声数据。数据处理器可与数据存储器通信。数据处理器可被配置为将每个捕获数据实例与基线超声数据进行比较，并且至少部分基于比较，检测一个或多个能量存储设备中的任何一个在其充电和/或放电期间的异常运行状态。

9、本公开的各种创新中的任何一种创新可组合使用或单独使用。提供
技术实现要素：
，以便以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。从参考附图进行的以下具体实施方式中，所公开的技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。