鉅大LARGE | 點擊量：920次 | 2019年05月14日
基于氣相分析的熱失控預警應用技術研究
4月24-26日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“儲能電站與技術應用（三）”專場，煙臺創(chuàng)為新能源科技有限公司總工程師李明明在會上分享了主題報告《基于氣相分析的熱失控預警應用技術研究》，以下為演講實錄：
李明明：各位專家、同仁大家下午好！關于電化學儲能電站的安全是目前多方的焦慮點，特別是近期已經(jīng)連續(xù)發(fā)生了多起電動汽車火災事故，使得如火如荼的儲能項目建設也更加重視儲能電站的運維安全。下面我拋磚引玉，將公司最近幾年的研發(fā)和應用成果，基于氣相分析的熱失控預警應用技術研究給大家做一下匯報。
首先請允許我簡單介紹一下創(chuàng)為公司，創(chuàng)為新能源以儲能安全解決方案為主營業(yè)務，專注新能源汽車、儲能電站安全防護領域技術研究和解決方案提供與實施。公司是國家高新技術企業(yè)、泰山產(chǎn)業(yè)領軍人才單位、科技型中小企業(yè)、山東省軟件企業(yè)和省中小企業(yè)“隱形冠軍企業(yè)”。從2011年成立研發(fā)團隊來，一直致力于儲能安全技術方面的研究。每年產(chǎn)值增長率是100%。目前承擔了多項行業(yè)標準牽頭制定工作，在儲能安全標準方面參與了多個省市地方標準的關于儲能電站建設和運營的標準。創(chuàng)為熱失控預警技術已經(jīng)在新能源汽車行業(yè)形成了大規(guī)模應用。
儲能的安全我認為涉及到多個緯度的協(xié)同運維管理，是一個系統(tǒng)性的安全保證方案策略。我今天主要從這三個方面給大家做下匯報，一是儲能安全法規(guī)現(xiàn)狀，二是熱失控預警研究，三是儲能系統(tǒng)的應用方案。
目前隨著電動汽車火災事故事件和社會影響力的不斷發(fā)酵，今天下午一位專家報告中也統(tǒng)計報告了多起的火災事故。我們看一下，韓國的儲能電站事故目前影響也比較大，國內(nèi)也有幾起儲能項目事故。可見大規(guī)模的儲能電池堆火災事故一旦發(fā)生就會造成嚴重后果，只有通過數(shù)據(jù)在線檢測，實現(xiàn)早期熱事故預警，才能有效防止安全事故發(fā)生，做到防患于未燃，同時與電池管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和消防系統(tǒng)進行融合聯(lián)動控制，才能有效保護儲能電站的安全。從法規(guī)方面看，汽車標準比較活躍，從2014年發(fā)展新能源汽車一直到現(xiàn)在出臺了不少關于電動汽車安全方面的交通行業(yè)標準?？梢钥吹絁T/T1240標準3月1日開始實施，標準中提出了預警和防護。針對電化學儲能電站消防方面標準缺失，目前關于滅火劑和滅火措施的有效性均未得到有效性驗證，需要針對儲能電站的消防安全進行系統(tǒng)性深入性的研究?，F(xiàn)在是各個地區(qū)，北京、山西、江蘇省出臺了相應的地標，已經(jīng)提供了一個的安全防護思路。大家可以在會后找一下相應的文件。對于研究團隊來說，團體標準有幾個聯(lián)盟在做一些相關的標準。在基礎研究方面清華、北理工、中科大等在做相關研究，我們做了多傳感器融合預警技術和不同滅火藥劑的應用研究。這是電動汽車鋰離子動力電池的安全測試要求。對于附錄C中對熱事故檢測的參考。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
對于鋰電池本體安全來說，存在主要的危險是一個熱失控現(xiàn)象，它除正常重放電外還存在潛在的副反應。一旦發(fā)生熱失控過程是不可逆轉的，通過改良材料、正負極圖層或者通過一些添加劑可以改善安全性能，但無法根除。對于熱失控的誘發(fā)和蔓延，如何防治？這是我們應該主要關心的一個問題。鋰離子電池火災具有一定的特殊性，因為它具有復燃性。我們可以看如果在紅色線，上面這個紅色的線條是會形成防蔓延。BMS工作是在圖上的藍色區(qū)域運行，也就是主動安全管理的工作范圍，這個時間如果發(fā)現(xiàn)電池的異?；驖撛诘臒崾鹿市盘柲鞘亲詈玫摹τ谌绾谓缍ㄋ{色線和紅色線之間的邊界，我們在邊界上去如何發(fā)現(xiàn)它，當有單顆電芯一旦發(fā)生熱失控，我們需要立即識別并采取進一步措施，防止熱蔓延火災事件是我們需要做的工作。
對于熱失控會產(chǎn)生哪些氣體，不同溫度下釋放什么樣的氣體。大部分研究結果表明是對于氫氣和一氧化碳這種比較明顯的氣體會有識別信號。下面是我們在做的一些工作。這里重點介紹一下。我們主要做的工作是氣體探測類型選型研究，然后定量數(shù)據(jù)的確認研究。第二是電池系統(tǒng)真實熱失控及火災發(fā)生、發(fā)展過程中各項理化參數(shù)的實時監(jiān)測平臺。第三是研制熱失控探究預警裝置對熱失控實現(xiàn)早期預警。下邊是氣體定性的研究。我們采用加熱磷酸鐵電池和三元電池，當熱失控發(fā)生時采用氣袋采樣的方式，做了有氧氣、氮氣、一氧化碳、乙烯、丙烯的含量的分析。在試驗開始后抽取一代基礎氣體，后面的二三四五袋氣體樣品是每隔兩分鐘左右抽取一袋氣體，通過數(shù)據(jù)表我們可以看到氣體成分的對比量是多少，我們認為一氧化碳可以作為一個特征氣體。預警是不是一定要到400-500PPM呢？不是的，后面就做了另外一個實驗。目前BMS對于電池的管控溫度在45~60攝氏度進行斷電保護，我們通過過充方式，通過氣袋采集分析法，從電池電極測量溫度從60攝氏度到100攝氏度，每10攝氏度進行氣袋采樣的氣體分析。通過數(shù)據(jù)表我們可以看到如果是電池的表體溫度接近80攝氏度，看危險氣體有哪些是稀出的。實驗結果表明，大家可以看到在70攝氏度和80攝氏度之間，CO數(shù)據(jù)對應了150-340PPM之間，這個點是非常危險的點，可以作為預警的定量值，后期經(jīng)過多次試驗是驗證比較有效的值。
對于氣體分析來說如果采用氣相分析，你要考慮到電池包內(nèi)部的影響，它還有一些電解液成分還有一些隔膜。有些傳感器會交叉感染。我們后期輔助了大量關于隔膜的實驗。時間關系不過多分析。主要做了電解液的分析的判別。如何去除電解液、塑膠、膠體、金屬漆等的的干擾，還要實現(xiàn)運行過程中可能由于某一顆電芯會有破裂，需要對電解液漏液進行預警。這是剛剛做的幾個預制艙式儲能箱電池包熱失控預警實驗，真實的一個儲能箱，通過試驗數(shù)據(jù)曲線我們可以看到，一氧化碳和氫氣的數(shù)據(jù)變化上升值是非常相似的，做實驗用的是整包電池。我們通過這些試驗可以看到基于氣體的分析，需要多傳感器的融合應用。對于交叉感染來說特別像一氧化碳和氫氣，你如何去把氫氣和一氧化碳兩個信號區(qū)分開來，這是非常難的一項工作。我們對預警就分成幾級預警，不一定是火災事故但可能是熱事故或者電氣早期火災信號的危險源，均需要識別并提供預警信息。
通過這些實驗數(shù)據(jù)，我們認為整個儲能電站的安全防護系統(tǒng)的設計應該是系統(tǒng)化的設計，應該同BMS、PCS、排風或者紅外的熱成像視頻監(jiān)測等多重聯(lián)動，實現(xiàn)智慧立體的消防。遇到危險狀況下，因為集裝箱受制于空間的問題，有的儲能是分布式的，消防車沒法進去，你只能使用管道有效輸送到pack或者模組當中去。我特意加了一張汽車的，汽車就這么使用的，每個pack進行一個防護。對于儲能來說，對系統(tǒng)安全融合、數(shù)據(jù)共享進行聯(lián)動是必然的趨勢。比如因為儲能電站電池起火以后，不一定是爆炸對人產(chǎn)生危險，可能產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)生的毒性氣體，可能導致人身危險。我們的主張是在每一個儲能里面，pack首先要進行安全防護，對電池箱單元體、電池柜、儲能集裝箱淹沒防護和外部消防應急接口設置四重消防保護。每級火災防控的火災探測器自動啟動滅火，緊急狀況下可通過手動啟動滅火，也可通過消防主站后臺系統(tǒng)啟動消防裝置，不同滅火介質(zhì)分階段介入。
基于儲能電池熱失控模型，建立分級預警機制，根據(jù)預警級別的不同采取相應的應對措施。智慧消防系統(tǒng)應做到火災隱患數(shù)據(jù)采集的準確性高、數(shù)據(jù)算法的適用性強、與消防裝置的聯(lián)動性好、信息維護管理的友好性好、遠程交互指令的實用操作性強和遠端訪問層的靈活性高。目前，我們研發(fā)的裝置已經(jīng)在新能源汽車有了規(guī)?；膽茫趦δ茈娬痉矫嬉灿薪賯€應用現(xiàn)場。為了儲能的安全我們會不懈努力，持續(xù)研發(fā)，迭代技術，感謝聆聽，謝謝大家！
