热失控及监测预警技术研究

  连线新能源   2019-08-12 次浏览

2018年11月24日由连线新能源（NElinked）主办的2018中国新能源汽车动力电池安全技术论坛在上海舜元科创大厦成功举行，近四百人齐聚本次论坛，会议现场气氛热烈。

本次论坛邀请到烟台创为新能源科技有限公司的技术专家李明明，为大家分享了主题为《热失控及监测预警技术研究》的演讲。

整理后的速记内容如下：

各位朋友、各位同仁大家好：

我来自烟台创为新能源科技有限公司，本次演讲题目是热失控及监测预警技术研究，对如何捕捉危险信号以及如何预警进行讲解。

    公司成立于2015年，从成立之日起公司在热失控及监测预警技术研究方面即开展了大量的研究工作，包括和一些学校建立热失控的相关理论研究课题。目前已经在客车和储能领域有了广泛型的应用。截止到目前，烟台创为新能源研发的探测预警装置市场占有量已接近四十万套。

    公司和复旦大学千人计划专家开展了基础热失控机理研究、国家应急管理部消防研究所组建成立联合实验室，首创动力电池气体分析，下面就所做相关实验和大家交流分享。

从2012年开始我们就组建团队立项研究热失控及监测预警技术，2013年、2014年进展比较缓慢，市场对热失控的认知也比较少，2015年、2016年进入起步阶段，公司经过一系列研发，同时在部分整车厂做了一整系列的试验和研究，2016年、2017年进入快速发展阶段，也是从这个时间点开始，新能源汽车进入逐渐推广的过程，随着保有量的增多，发生的事故也在增多。

2017年、2018年新能源汽车市场发展迅速，随着汽车动力电池、储能电池应用的增多，随之而来的电池火灾事故也增多，特别2018年经通报出的火灾事故发生近50起。新能源汽车连续的燃烧事故，引起了各方面的关注，包括一些行业命令、整车厂召回甚至事故调查机制的问题越来越受到关注。烟台创为新能源也有一些自己的专利和研究，同时参加了很多标准组，做课题研究，做相应的标准职称。烟台创为新能源牵头制定了部分有关标准，包括牵头制定新能源客车电池箱监测及报警装置、储能系统火灾预警及消防防护系统等标准。参与制定北京、山西等部分地区储能系统设计技术规范的地标，近期烟台创为新能源正参与制定船舶运输纯电动车辆的安全防护标准，对于创为新能源来说主要是做探测预警，同时也在开展电化学储能电站的消防安全标准方面的课题研究。

    创为新能源科技有限公司经过大量的案例分析发现，在市场上发生乘用车动力电池火灾事故已经近百起。其中我们发现了一个重大问题就是不单是漏液，其中一部分已经运行一年到一年半时间，针对预警设备，拆开之后发现里面有防漏阀，我们认为整套装置按照正向研发的思路研发应用是有一定社会价值的。

    热失控事故安全防护现状，本次分享会涉及到车用和储能方面目前的标准法规状态，以及热失控气体预警做的一些研究，除去热失控还有一些是隔膜以及电解液的成分研究做的实验分析，最后是整车系统的应用介绍。

首先看标准法规，标准法规在2015年已有相应的标准，特别是2016年之前都提到了自动灭火装置。在2017年机动车安全运行条件当中，电动汽车安全条件里面提到的实际上是这两个装置，一个是预警，一个是灭火。

相对于灭火器来说针对电池火灾，初期的电池火灾可以扑灭掉，对于大型火灾，形成热扩散，无法有效扑灭，因此这里主要讲预警部分。为什么说是防护装置，因为这里面有灭火，必须把火灭掉，目前没有有效的办法可以把电池火灾顺利扑灭，因其本身有复燃的可能。

关于执行市场准入制度，实际上准入制度符合消防法的标准。动力锂离子电池火灾防控产品技术鉴定通知，天津消防研究所负责防护装置的技术鉴定试验工作，沈阳消防研究所负责预警装置的技术鉴定试验工作，汽车上用的报警和灭火装置由应急管理部消防产品合格评定中心负责进行技术鉴定。在国标《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》其中几个关键词，泄露、起火、爆炸，触发热失控的参数可以通过各种技术手段监测实现，通过BMS或其它手段给出预警信息。

目前随着发电侧和风能、太阳能侧储能环节的火热，从去年开始，各个电池厂都对储能进行了投入。对于储能来说，美、德、日本、澳大利亚等国发展储能比较早，他们都是小别墅，他们自己搞一个储能装置即可进行调控，这些国家虽然也在发展，但是进展比较缓慢，尤其在标准方面，我们重点关注一下美国的标准，特别关注9540和9540A，9540A其中提到了电池储能系统热失控的评测方法。标准从单体电池组或者电池包整个系统做了一个评测，对于热失控怎么评测，一直是这个行业的一个难题，总而言之热失控已经成为消防专行业的一个难题，火灾产生时会释放爆炸性气体，同时如果把火灾扑灭了又有重新复燃的可能性。我们应分为几个优先等级进行研究，首先要逃生。

对于储能电站相关标准，在美国，锂电池储能项目建设进展相对缓慢，消防安全问题成为主要阻力之一。美国纽约消防局（FDNY）正与纽约州能源研究与发展局（NYSERDA）、美国消防协会、保险公司，以及爱迪生联合电气公司合作，致力于制定电池安全的程序和协议，热失控是安全专家和消防人员最关心的问题之一，同时还有在火灾中电池释放爆炸性气体的问题。

在德国，尽管政府并没有限制储能系统应用于室内，但也明确提出德国储能市场虽趋于成熟，但安全规则的标准化工作仍在同步进行。其中，德国太阳能产业协会基于锂离子电池家用储能系统的安全性作了一篇全方位的报告，并对电池系统隐患来源、可能的预防措施和可能采取的纠正措施进行了说明。

在日本，为促进储能技术应用，一些涉及储能的审批程序虽逐步简化，但仍通过有关指南和条例规范储能技术应用，包括火灾与灾害管理局、内政和通信部制定的消防条例和防火条例，都对危险物质和大规模储能电池进行了相应的规定。

澳大利亚标准协会起草AS/NZS 5139安全标准，这份草案涵盖对各类型储能电池系统安装的具体要求和规定，以分辨并减轻与储能系统安装有关的各种隐患。同时，澳大利亚标准协会发布了储能标准路线图，这份路线图指出，推广储能首先必须要重点关注储能系统的安装、产品安全和性能标准。

国内一些团队做了大量的基础研究，比如说北京理工大学对于电芯配组的功率、内阻、容量、极化、温升、电压、自放电率等参数进行了研究 清华大学开展了基于内阻变化的热失控探测研究。沈阳消防研究所开展了电动汽车电气火灾防护技术研究。我们公司开展了多传感器融合的热失控预警技术研究，并成功应用于多家新能源客车厂和储能电站。中国科学技术大学研究了七氟丙烷等灭火剂对锂电池火灾的灭火效率，这些研究都有相应论文，大家可以查询下。

刚才讲了一些法规和储能标准，接下来我们看一下对于热失控来说目前有哪些技术可以提前发现热失控。比如说双向隔膜技术，正常来说如果是短路，特别是刺穿隔膜，隔膜是非常薄的，如果有硬物刺穿导致短路，有人提出用双层隔膜，针对于内短路来说，正负极之间的电压，测量正极和隔膜之间的电压可能为零，这就是一个潜在隐患。通过非嵌入式参数或者说其他的测量方式，还有包括硬件，电池发生热失控之前开始鼓包压力是不一样的，可以在电池模组上进行测量。

其次就是通过放电功率，有些厂家已经开始使用相应技术在测量，因为内短路测量技术还是有一些难点的，要针对于铅酸电池测内阻，还是主流技术，对于磷酸铁锂电池这个技术还是比较难的，内阻变化这个有待进一步研究。

能否在红线阈值前或在泄压阀工作之前把这个状态捕捉到，实际上我们做的是在黄红之间结合部位的工作，这是一个防患未然的装置，极端状态需要预警，同时需要加一个灭火装置进行防护，最好还是内短路形成之前，就分辨并且筛选出来。这个技术制造领域专家正在做相应研究，我们主要做热失控相邻状态的探测技术。

    前面主要讲的是气体，很多大学或者实践研究机构都在做气体方面的研究，通过一个密封装置，通过加热电池，通过采样化验成分，结果主要是一氧化碳、二氧化碳，和一些氢元素。

刚才谈到加热，还有过充，2014年、2015年以及更早期的实验，通过过充之后主要有一氧化碳和二氧化碳，总的分析为常见性气体一氧化碳、二氧化碳、氢气。整个变化过程中对气体进行解析，结论还是二氧化碳占27%，氢气占23%，一氧化碳占4.9%。我们认为没有一个事物是安全的，要发现潜伏的危险，怎么分辨是我们要做的工作。

今天做的分享也是和大家共同讨论一下如何更有效保护电池安全。从整个系统特别是电池管理系统看，电池管理系统是最重要的管理系统，我们认为电池管理系统在做好电压电流温度的同时要和消防报警系统进行有效结合，其所做的是正常状态下的监测，创为的这个系统不是独立存在的，而是和BMS一样都是属于热管理范围之内的，这是我们做的研究。我们做了传感器选型工作，怎么选型，怎么探测出来。整个过程就是一个选型，通过什么传感器，或者通过外置的手段探测到火灾即将发生，我们通过加热方式测量，但是我们没有和他们一样测所有的气体，而是只选择了氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯，从图例中大家可以看到上下各有一个阀门，我们做了置换，氧气是21.14%，氮气是78.95%，二氧化碳是1.072%，可以看到从二号一直到五号，防漏阀已经打开了，测完一个区域后采集做数据分析，可以看到一号和二号到五号的区别就是一氧化碳飙升率相当多，相当于11PPM，增长到400多PPM，这个信号是完全可以识别出来的。同时乙烯也可以明显识别出来，乙烯正常状态下应该是没有的，一下子飙升到接近600，后期有所下降。二氧化碳也可以识别，但是二氧化碳在大气当中的含量太高了，不便于识别。一氧化碳、乙烯都可以识别，但乙烯的探测传感器成本较高。探测一氧化碳的传感器根据测试方式可分为电化学式和半导体式，现在一般电池包都是质保八年以上，探测比较纯的一氧化碳气体一般用半导体式，但半导体的缺点是寿命短。如果是一氧化碳的复合气体测量，一般使用电化学式，但缺点是成本高。因此要选择性价比好的产品，同时满足十年左右的应用。

这是通过过充不同阶段，在热失控发生前的数据测量，从电池表体温度60℃起，到电池表体温度100℃，每间隔10℃做一次气体分析，进行定性和定量，做一个临界值进行判定。通过试验发现在60到70摄氏度，或者说70摄氏度左右状态下，可以看到一氧化碳和乙烯都是可以判别，后期经过传感器选择，一氧化碳具有比较好的经济价值，我们选择用一氧化碳，到80摄氏度的时候，可以达到300PPM多数值，后续可以做相应的重复性数据特征，在70到80摄氏度时是需要预警的。后续相关单位在产品技术认证规范上也采纳了烟台创为新能源的意见，一氧化碳如果作为预警应该使用190PPM，正负50PPM作为预警判断条件。

烟台创为新能源不仅研究电池，还研究隔膜，电池和电池之间有包裹层，我们要研究状态，但是这个使用了类似PM2.5的测量传感器，特点是可以有效判别多种气体，同时又研究了一些电解液成分的判别，只有把所有的气体成分统一，对传感器的适应性做判别的时候才能更有效知道这里面有什么气体对传感器造成影响，因为电池包不是纯净体，可能有各种材料，或者说其他胶体，散发的气味可能会导致传感器失效，或者说有干扰，所以说要研究干扰信号，需要识别危险是否是电解液的泄露。如果选择一氧化碳传感器，只能检测一氧化碳，想要做漏液检测，则需再加装一个传感器，但是需要测出来电解液，因为电池包内部有硅胶，不要导致失效。最后结论为，可以完全分辨出电解液泄露，正常状态下是一个比较平滑的数据，如果加了10ml电解液之后，可以很有效测试出来。此部分工作也是在2015年到2017年之间我们和传感器厂家进行大量合作进行相应的技术研究。

后期我们提出进行多级测量，多级联动策略，不仅是一氧化碳，还有其他的参数，再加上温度，和BMS进行数据共享，通过这种方式上传给整车仪表。还有一个烟雾参数，发生火灾之后出现大量烟雾，通过这个参数可以最终确认，同时我们提出了几个预警值分别进行预警，因为采用不同的预警时间，可以有效和车进行联动，特别是在二级预警状态下可以把车速降低同时把车门打开，为人员建立逃生通道，所以需要多级预警方式。

    整个防护措施，除了本体设计安全还要有一个使用安全，对于整车来说，一般通过探测器一直到整车仪表，或者说通过独立式模块进行声光预警，或手动启动，现在车的集成度越来越高，需要把所有的预警信息集中到车载仪表盘。

对于储能电站，可通过多种防护手段防止火灾持续扩大，储能电站相对来说比较复杂，图例是我们做的一些示范工程，到目前已完成200多MW的储能电站项目，合作伙伴涉及主流整车企业和电池企业，同时公司已取得了相关的检验报告和资质认证。下一步新技术的研究方向为三元电池安全防护技术。