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烟台创为李明明:锂离子电池热失控预警与应用技术研究

时间:  2019-10-09 18:06  来源:  汽车总站网   作者:  编辑部

为应对电池安全这一全球重大挑战,推动电池安全领域的国际合作,美国能源部(DOE)和德国科学教育部(BMBF)及相关国际知名学者发起了国际电池安全研讨会(International Battery Safety Workshop,IBSW),并相继于2015年在德国慕尼黑工业大学、2017年在美国Sandia国家实验室,成功举办了第一届和第二届国际电池安全研讨会(IBSW)。2019年10月8日,第三届国际电池安全研讨会在北京召开,大会由清华大学电池安全实验室主办,会议主题是“为电动汽车制造更安全的高比能电池”。

8日下午举行的电池安全技术峰会B上,烟台创为新能源科技有限公司技术总工李明明发表了主题演讲,以下为演讲实录。

大家下午好!我来自山东烟台创为新能源科技有限公司,我们公司一直致力于基于气象的热失控预警技术研究,已经有八年的工作,现在这个技术已经被广泛应用在市场上。我今天下午主要报告内容是将我们目前做的一些工作,做的一些研究成果给大家做一下分享和汇报。

主要从三个方面,目前从这两天开会好多专家都提到了各种新能源汽车还有储能电站的一些事故,就促使它的一些标准法规的出台。这些标准法规是如何要求的呢?我们在这里给大家做一下简单的介绍。第二从创为热失控技术的研究,从它的定性和定量这两个方面做哪些研究工作,给大家做一个汇报。第三个是我们系统在工程当中的应用方案。

首先我们看一下标准法规的安全现状,从2014年国内开始发展新能源汽车,一直到2019年,因为新能源汽车安全事故增多,出现了很多相关的标准。这些标准主要是在15年和16年、17年形成了一些相应的法定式的标准,还有产品类的标准,主要的标准,像7258在2017年强制性的国标,提到了报警后五分钟之内应该是不得起火爆炸,指的是电池箱外部的。在2019年有一个交通部的标准,1240,这个标准对电池箱装有灭火装置和电池舱灭火装置都做了详细的功能要求,大家也可以通过相应的网站下载得到,主要说的是预警还有防护。防护指的不同灭火药剂,刚才王老师还有李总给大家做了不同灭火药剂对不同体系电池的防护策略的使用说明。

汽车,目前交通部在直接管理,在交通部的标准当中,我们目前比较关注的是有几个标准。特别是1240这几个标准,它里面规定了热失控预警还有电解液泄漏的检测功能,我们通过可筛选性的技术手段去识别危险的信号。针对国标当中大家比较关注7258,还有三项标准是今年年底发布的,电动汽车、电动客车还有电动汽车锂离子蓄电池的安全要求,已经明确了五分钟预警的问题,还有提供的热事故信号需要提供给驾乘人员,我们如何对热事故进行识别,这是我们创为一直在做的工作。

这是详细的标准内容,因为时间关系,不多描述了。针对团体类的标准,今年出了不少关于团体类的标准,一个是电动汽车安全技术条件,另外还有客车类型划分及等级评定要求,这里面也把相关的具有报警及自动灭火装置的规定写进去了相应的标准当中。对抛去车以外的像储能电站作为锂电池大规模应用来说,目前也受到社会广泛关注。因为它的能量密度越来越高,电池堆越来越大,一旦发生事故确实非常危险。

目前咱们国内也发生了几起储能电站的安全事故,近期在9月24日韩国江源平昌郡发生一个事故,时隔两小时火被扑灭,中间这个图片是我在网上下载截取的。他们17年8月份到19年5月份韩国已经发生23起,是有电机保护系统不良,还有运营环境不友善,比如风尘比较大,或者在海边受到盐碱的侵蚀,第三安装时候的疏忽,第四还有储能系统的集成控制系统,像EMS、BMS保护系统不善。一个是有电气类的火灾,还有本身因为在安装运营操作的时候不良导致的安全火灾事故。另外还有一个就是电池本体的安全事故,像我们刚才介绍的关于汽车在应用的时候,静止状态下或者在充电过程中形成的一些火灾事故。

针对储能类的安全标准法规,最近也有相关的标准出台。相应的有团体类的标准,储能系统的火灾预警及防护装置,还有中国工程建设标准化协会里面的,目前正在起草中的锂离子电池储能系统防火技术规程这些标准。同时还有一个可借鉴性的标准,是叫做中国船级社颁布的,近期颁布实施,纯电动动力电池船检验指南,主要是对蓄电池电力推进技术提出了一些安全要求,还有船舶的布置,消防要求,检验实验要求。这些提供了相应的一些标准要求,像地方法规,北京市储能电站的,还有山西省的,这些标准的出台也是为了让我们的电池应用的时候更安全。相应的标准大家可以在相关的部门下载得到。

第二个,我们把创为的研究给大家做一下汇报,我们围绕三个关键词,泄漏、起火和爆炸,触发热事件的参数,电压下降,或者气压内阻,通过相应的测量参数,像电气类的测量参数,如何做到早期的泄漏检测,或者起火之前的检测,不要让它五分钟之内将火蔓延到电池箱外部,这是我们要做的工作。对汽车来说还有储能来说,这是一个系统性的安全工作,并不是通过我们这套预警和被动消防的灭火装置施加以后,就一定安全了。我们强调在汽车或者储能来说,它是一个系统性安全的应用。我们只有通过各个环节和本体的安全,电气的安全,你的热管理的安全,还有我们消防早期预警的安全,加灭火剂的安全,整体的防护,才能使得我们整套系统应用起来更安全。我们认为这是一个系统性的工作,我们在其中只做了一个环节,如何早期识别它的隐患。

为了识别这个隐患,我在上面画了一个蓝色条和红色条,代表什么意思呢?蓝色条代表电池本题在运营过程中可能形成的内短路,早期识别现象。蓝色条早期识别出来,这是非常优良的一种技术,可以通过内阻,通过电压,通过温度可以测量,可以做到早期识别。如果没有通过被BMS管控,已经发生了红色条,刚才有清华的博士介绍了相关的一些内容,要防护到单体的安全。如果一旦形成热蔓延或者多节以后,再进行安全消防已经是非常滞后了。锂电池另外还有一个特点就是具有火灾的复燃性,刚才也有专家认为降温是非常有效的手段,通过后期的一些防护性的措施,让它发生火灾的不要进行持续性的复燃,为了后期的救援提供足够的时间。

如果针对单体的测量技术,目前常用的一些技术手段,一般是基于电气信号的测量技术。像电压、电流、放电倍率,单体电池或者表面温度,现在也有一些新的技术,通过光纤表体进行测温的,很多已经在储能上进行使用。还有一些通过声波或者压力的变化,当然压力的变化,我们认为它只有通过真正的阀打开,急剧释放出混合物以后,才不会被检测到。对于像电气,因为外部短路,或者电气电缆因为你的接头过热分解导致缓慢式的释放的易燃阶段,通过压力检测很难识别。还有一个条件,比如电解液的泄漏检测,通过压力检测,也是识别不到的。目前在市面上运行的车辆,我们识别了一百多起的案例。

这是我们在做的一些研究,我们是基于气象的热失控的预警判别。我们要搭建气体实验的选型研究,同时搭建了热失控的火灾过充和加热方式,导致它的热失控以后,我们搭建测试平台,再一个对测试平台进行联动策略,进行安全防护。这是我们做一个定性的PPT,如果热失控以后,产生哪些气体,我这个是通过采集的方式,采集了五个封装气体,1-5号,主要采集了五种气体,有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、丙烯,这几种气体成分,这几种气体成分我也是通过看各种文献以后,认为这是五种比较有典型特征可识别特征的几种气体成分。在这几种气体成分当中,如何能够识别到可识别的特征量,一氧化碳和乙烯可以作为特征量来识别,因为它从11.5PPM上升到五百多PPM,它的可识别性非常强,在这两个传感器做选择是非常有必要性的。如果仅仅知道它的趋势,如果像一氧化碳和氢气为主的趋势,你的量是多少,才能预警呢?后面我们做的实验是一个定量的实验。从60摄氏度到100摄氏度,60-100是每个电池的极耳温度,我们没有布到电池芯内部去。如果极耳表体的温度达到60或100摄氏度的时候,内部的温度已经是非常高了。这个电池使用的是磷酸铁锂电池,目前BMS管理的温度一般在45度,最高到60-65度之间,在70-80摄氏度已经是非常危险的工作了,这时候电池内部接近热失控的状态了。我们得出来的数据,在150-340之间PPM预警是非常合适的一个数值。乙烯,我们在定量过程中把它确认了,这个传感器不是市面上常用的传感器,需要定制,考虑到成本的因素,为了更符合我们现实当中的安全性,还有成本的因素考虑,所以我们认为一氧化碳是可以作为一个使用条件的。

通过具体的分析,我们需要做一些工作,像这种是膜的保护。电池箱和电池PACK当中并不是纯正的洁净的空间体,里面还有电线、隔膜,我们需要受热以后,对你的本体传感器造成影响。像电解液也是我们需要考虑的,在组装过程中或者生产过程中,或者在长期运行汽车当中,他们不同工况下会导致电解液的泄漏,我们要进行识别和判断。

这是我从汽车跨到储能上,这是20英尺的一个集装箱,我们在这种里面使用的时候,左边这个图表是代表了一氧化碳,右边是代表了VOC的气体。可以看到它的上升斜率和整个曲线是非常吻合的,我在空间当中布的是氢气传感器,后期做了一个氢气的,氢气这个也是非常准确的,当然氢气和一氧化碳有互相交叉感染性,这个难题如果为了可靠性使用来说,它也是可以作为一种探测的手段,可以应用。这就是我们在做的基于气象分析,早期预警方面做的一些工作。

基于刚才做的这些研究,我们认为只有在火灾早期,在图表的右下角,在黄色部位,只有在早期不可见烟的时候,只有微量气体的时候,可以早期识别,这对早期预警是有很大帮助的。如果在高热状态和火眼状态识别,已经形成,通过传感器识别,那时候已经比较滞后了。基于刚才的研究,认为只有通过气象多复合性的传感器的应用,才能使你的检测更准确。因为你要满足像汽车一般要求是8-10年以上的质保期,运行过程中因为换传感器,去给它拆箱,造成的损失,整车厂也不会接受。要通过多传感器,不管是电化学的,半导体还是其他光电式的传感器,组合起来使用,达到质保期十年以上。

创为积累的实验过程是非常宝贵的财富,在系统的集成性应用,主要做了几个工作,一个是传感器的标定,定性和定量,这是我们要做的一个非常重要的工作。再一个就是算法,算法也是一个非常重要的核心,通过不同传感器的组合融合式的应用,通过算法的处理,才能达到它的可靠性,防误报和漏报。第三是高耐用性,指的是整个保护被使用场合下的长时间的生命周期,第四个就是休眠策略,休眠策略和低功耗策略是一样的,因为在乘用车的项目应用,更多考虑的是要求24小时长期的使用条件。这时候需要考虑到它的耐用性和休眠性,针对于可靠性和时效机制,这是为了保证获取更长的工作寿命设计的。后面这是一组数据表,做的不同灭火性能实验,不同型号的,我们通过这些实验认为,只有比较优良的降温效果,才能达到防止复燃的状态。很多做完了以后,比如喷30-40度的,在PACK箱,一次性释放,后期也会产生复燃,我们就会用水给它淹没,去消灭它的火烟。

整车的方案,黑色的是PACK箱,探测装在PACK箱里面了。这是在PACK箱内部进行的实验,探测是在里面的,灭火药剂也会放到里面去,预警的时候把信号输送到仪表上,让驾乘人员知道,采取联动策略。有的车厂根据自己车厂的需求,也会跟整车进行联动策略。比如进某大型车厂做的,如果发生三级以上的预警,汽车会降速,把逃生通道建立起来,五公里以下,人员可以顺利的逃生了。不同的车厂会有不同的策略来做。

这是比较具体的一个PACK箱内部的安装,一般探测控制器这种装置是安装在电池PACK的上部或侧上部这个位置,这种可燃气体更容易聚集,像氢气和一氧化碳容易在上空进行聚集。通讯主要应用的是碳探寻,有的为了电池包的轻量化,采用复合型的高强度材料在做,这是整车的布局,和刚才看到整车布局是类似一致的。这个不再过多说了。

我下面说一下关于储能,我们认为储能比较关键的一点,作为大规模的锂离子电池的应用,现在国内大部分使用的是磷酸铁锂电池。我们在应用的时候应该把PACK电池室还有电池室当中要预留相应的水接口,这是非常关键的四层防护。针对PACK的防护,在每个PACK实现早期探测,和消防药剂输送到里面是非常必要的。在空间里面进行预警和消防,没有什么作用的,因为电池外部PACK是包裹着厚厚的金属层,它的外罩防止了你的电池药剂能够输送到它的着火面上。标准的电池束相对来说比较密封,也有相应的空气循环系统,把探测和消防药剂通入到PACK箱当中是非常有必要的。

针对空间,如果在储能当中使用的时候,这种空间更多的针对的是电气火灾,PACK里面的火灾一旦发生以后,需要跟BMS进行有效联动,如果没有进行联动,电源不在断裂的情况下工作,火灾还会持续的。因为联动是一个非常重要的工作。

第四,外部消防水接口,针对于目前集装箱式的储能装置,或地下室分布式储能,有箱体的包裹,水没法有效的输入进去,一旦真的有火灾发生以后,特别像楼下的建筑物类的,你的消防车也进不去,只能通过消防管路输入进去。这是我们做的一个消防产品的技术鉴定,运行半年到近两年,PACK已经发生了一百多起,目前主要在宇通、中通和相应的储能企业应用近一百多个储能电站。这是我们做的一个图片,大家可以看一下。这是湖南长沙48兆瓦时储能电站的一个项目。

今天给大家汇报的就是这些。谢谢大家!
 

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