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烟台创为李明明:基于气相分析的热失控预警应用技术研究

4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“储能电站与技术应用(三)”专场,烟台创为新能源科技有限公司 总工程师李明明在会上分享了主题报告《基于气相分析的热失控预警应用技术研究》,以下为演讲实录:

烟台创为李明明:基于气相分析的热失控预警应用技术研究

李明明:各位专家、同仁大家下午好!关于电化学储能电站的安全是目前多方的焦虑点,特别是近期已经连续发生了多起电动汽车火灾事故,使得如火如荼的储能项目建设也更加重视储能电站的运维安全。下面我抛砖引玉,将公司最近几年的研发和应用成果,基于气相分析的热失控预警应用技术研究给大家做一下汇报。

首先请允许我简单介绍一下创为公司,创为新能源以储能安全解决方案为主营业务,专注新能源汽车、储能电站安全防护领域技术研究和解决方案提供与实施。公司是国家高新技术企业、泰山产业领军人才单位、科技型中小企业、山东省软件企业和省中小企业“隐形冠军企业”。从2011年成立研发团队来,一直致力于储能安全技术方面的研究。每年产值增长率是100%。目前承担了多项行业标准牵头制定工作,在储能安全标准方面参与了多个省市地方标准的关于储能电站建设和运营的标准。创为热失控预警技术已经在新能源汽车行业形成了大规模应用。

储能的安全我认为涉及到多个纬度的协同运维管理,是一个系统性的安全保证方案策略。我今天主要从这三个方面给大家做下汇报,一是储能安全法规现状,二是热失控预警研究,三是储能系统的应用方案。

烟台创为李明明:基于气相分析的热失控预警应用技术研究

目前随着电动汽车火灾事故事件和社会影响力的不断发酵,今天下午一位专家报告中也统计报告了多起的火灾事故。我们看一下,韩国的储能电站事故目前影响也比较大,国内也有几起储能项目事故。可见大规模的储能电池堆火灾事故一旦发生就会造成严重后果,只有通过数据在线检测,实现早期热事故预警,才能有效防止安全事故发生,做到防患于未燃,同时与电池管理系统、电气系统和消防系统进行融合联动控制,才能有效保护储能电站的安全。从法规方面看,汽车标准比较活跃,从2014年发展新能源汽车一直到现在出台了不少关于电动汽车安全方面的交通行业标准。可以看到JT/T1240标准3月1日开始实施,标准中提出了预警和防护。针对电化学储能电站消防方面标准缺失,目前关于灭火剂和灭火措施的有效性均未得到有效性验证,需要针对储能电站的消防安全进行系统性深入性的研究。现在是各个地区,北京、山西、江苏省出台了相应的地标,已经提供了一个的安全防护思路。大家可以在会后找一下相应的文件。对于研究团队来说,团体标准有几个联盟在做一些相关的标准。在基础研究方面清华、北理工、中科大等在做相关研究,我们做了多传感器融合预警技术和不同灭火药剂的应用研究。这是电动汽车锂离子动力电池的安全测试要求。对于附录C中对热事故检测的参考。

对于锂电池本体安全来说,存在主要的危险是一个热失控现象,它除正常重放电外还存在潜在的副反应。一旦发生热失控过程是不可逆转的,通过改良材料、正负极图层或者通过一些添加剂可以改善安全性能,但无法根除。对于热失控的诱发和蔓延,如何防治?这是我们应该主要关心的一个问题。锂离子电池火灾具有一定的特殊性,因为它具有复燃性。我们可以看如果在红色线,上面这个红色的线条是会形成防蔓延。BMS工作是在图上的蓝色区域运行,也就是主动安全管理的工作范围,这个时间如果发现电池的异常或潜在的热事故信号那是最好的。对于如何界定蓝色线和红色线之间的边界,我们在边界上去如何发现它,当有单颗电芯一旦发生热失控,我们需要立即识别并采取进一步措施,防止热蔓延火灾事件是我们需要做的工作。

对于热失控会产生哪些气体,不同温度下释放什么样的气体。大部分研究结果表明是对于氢气和一氧化碳这种比较明显的气体会有识别信号。下面是我们在做的一些工作。这里重点介绍一下。我们主要做的工作是气体探测类型选型研究,然后定量数据的确认研究。第二是电池系统真实热失控及火灾发生、发展过程中各项理化参数的实时监测平台。第三是研制热失控探究预警装置对热失控实现早期预警。下边是气体定性的研究。我们采用加热磷酸铁电池和三元电池,当热失控发生时采用气袋采样的方式,做了有氧气、氮气、一氧化碳、乙烯、丙烯的含量的分析。在试验开始后抽取一代基础气体,后面的二三四五袋气体样品是每隔两分钟左右抽取一袋气体,通过数据表我们可以看到气体成分的对比量是多少,我们认为一氧化碳可以作为一个特征气体。预警是不是一定要到400-500PPM呢?不是的,后面就做了另外一个实验。目前BMS对于电池的管控温度在45~60摄氏度进行断电保护,我们通过过充方式,通过气袋采集分析法,从电池电极测量温度从60摄氏度到100摄氏度,每10摄氏度进行气袋采样的气体分析。通过数据表我们可以看到如果是电池的表体温度接近80摄氏度,看危险气体有哪些是稀出的。实验结果表明,大家可以看到在70摄氏度和80摄氏度之间,CO数据对应了150-340PPM之间,这个点是非常危险的点,可以作为预警的定量值,后期经过多次试验是验证比较有效的值。

对于气体分析来说如果采用气相分析,你要考虑到电池包内部的影响,它还有一些电解液成分还有一些隔膜。有些传感器会交叉感染。我们后期辅助了大量关于隔膜的实验。时间关系不过多分析。主要做了电解液的分析的判别。如何去除电解液、塑胶、胶体、金属漆等的的干扰,还要实现运行过程中可能由于某一颗电芯会有破裂,需要对电解液漏液进行预警。这是刚刚做的几个预制舱式储能箱电池包热失控预警实验,真实的一个储能箱,通过试验数据曲线我们可以看到,一氧化碳和氢气的数据变化上升值是非常相似的,做实验用的是整包电池。我们通过这些试验可以看到基于气体的分析,需要多传感器的融合应用。对于交叉感染来说特别像一氧化碳和氢气,你如何去把氢气和一氧化碳两个信号区分开来,这是非常难的一项工作。我们对预警就分成几级预警,不一定是火灾事故但可能是热事故或者电气早期火灾信号的危险源,均需要识别并提供预警信息。

烟台创为李明明:基于气相分析的热失控预警应用技术研究

通过这些实验数据,我们认为整个储能电站的安全防护系统的设计应该是系统化的设计,应该同BMS、PCS、排风或者红外的热成像视频监测等多重联动,实现智慧立体的消防。遇到危险状况下,因为集装箱受制于空间的问题,有的储能是分布式的,消防车没法进去,你只能使用管道有效输送到pack或者模组当中去。我特意加了一张汽车的,汽车就这么使用的,每个pack进行一个防护。对于储能来说,对系统安全融合、数据共享进行联动是必然的趋势。比如因为储能电站电池起火以后,不一定是爆炸对人产生危险,可能产生的燃烧产生的毒性气体,可能导致人身危险。我们的主张是在每一个储能里面,pack首先要进行安全防护,对电池箱单元体、电池柜、储能集装箱淹没防护和外部消防应急接口设置四重消防保护。每级火灾防控的火灾探测器自动启动灭火,紧急状况下可通过手动启动灭火,也可通过消防主站后台系统启动消防装置,不同灭火介质分阶段介入。

基于储能电池热失控模型,建立分级预警机制,根据预警级别的不同采取相应的应对措施。智慧消防系统应做到火灾隐患数据采集的准确性高、数据算法的适用性强、与消防装置的联动性好、信息维护管理的友好性好、远程交互指令的实用操作性强和远端访问层的灵活性高。目前,我们研发的装置已经在新能源汽车有了规模化的应用,在储能电站方面也有近百个应用现场。为了储能的安全我们会不懈努力,持续研发,迭代技术,感谢聆听,谢谢大家!

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