熱失控預警系統
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-24
熱失控預警系統的實例教程
在所有的事故原因中，熱失控問題占有很大比例。本文通過對動力電池熱失控過程的分析，設計出一套熱失控預警系統。這樣至少保證在整車發生熱失控之前能夠通知到車內的乘客，避免造成人員傷亡，同時能夠盡量減少事故帶來的財產損失。
一、熱失控過程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內部產熱速率遠大于散熱速率，在電池內部積累了大量的熱量，從而引發單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會擴散到整個電池系統，導致整個電池系統甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動力電池系統熱失控發生的過程，我們外接熱源的方式對電池進行加熱從而引發熱失控。試驗表明，在單體電池發生熱失控時伴隨有電池電壓的變化、電池及環境溫度的變化、電池包內氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現異常的的信號分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個大類，分別進行分析。
針對溫度信號在熱失控過程中的分析：電池的溫度在熱失控發生前會有一個持續的較快速率的上升過程，如圖1數據所示（橫軸時間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時間內，溫度從室溫25℃持續升高到62℃。隨后發生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節電池能量釋放完之后溫度會下降，到第787秒第二節電池熱失控，同樣溫度短時間內急劇上升。如此發生連環性的熱失控反應，最后整個電池包都發生熱失控。
針對單體電池電壓信號在熱失控過程中的分析：電池的電壓在熱失控發生之前基本維持在平臺電壓保持不變。在熱失控發生的瞬間，實測在2秒內電壓會下降到1V以下。圖2（橫軸時間單位為S，縱軸電壓單位為V）中符合以上特征，第一個發生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測電壓的電路受損燒毀均為無效值。
展開 什么是電池熱失控？
電池熱失控是指電池持續放熱的連鎖反應，導致電池組溫度急劇上升，進而引發電池燃燒事故的過程。熱失控有三個過程，誘發、發生到蔓延，其中引發熱失控的主要原因是過熱、過充、內短路、碰撞等因素。
為何新能源車電池著火速度很快？
新能源汽車采用的一般都是鋰電池，屬于化學電池，某些極端情況下會導致電極短路，化學反應比較劇烈，被破壞的電池發熱燃燒，此外車內有很多易燃物，比如汽車座椅等會加速火勢蔓延。
如何通過技術手段檢測發現可能產生的問題？
電池管理系統 (BMS)是電動汽車動力電池系統的重要組成，作用是監控電池狀態，保障運行安全。通過配備不同的傳感器，BMS可以監測和收集比如溫度、壓力、異常氣體、煙霧等，診斷到故障后，發出預警，并要求整車控制器進行有效處理，以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害。
需要提前多久提示車主，才是安全的？
今年我國正式發布和實施了三項強制性國家標準（《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》和《電動汽車用動力蓄電池安全要求》）來進一步規范電動汽車的安全標準。其中增加了電池系統熱事件報警信號及電池系統熱擴散試驗的標準，要求電池單體發生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。相信隨著技術的發展，電動汽車的安全性將得到進一步地提升。
不少社區禁止安裝充電樁，擔心靜止狀態下新能源車會自燃或發生充電過程的事故，能否通過傳感器設備及時發現問題？
這個問題回到了剛剛提及的BMS電池管理系統，該系統就是用來監測電池的實時狀態，預警問題的發生，包括電壓、氣體、煙霧、溫度、壓力等不同維度，全面監測電池的健康狀況。不同的傳感器各有優劣勢，一般會通過多個不同的傳感器檢測動力電池熱失控情況。
為了盡可能減少人員傷亡及損失，及時發現火情，提前預警，顯得非常重要。
展開 Jin等報道了基于探測H2實現熱失控早期預警的方法，該方法發現基于H2濃度探測可以檢測鋰枝晶的形成，即使只有微米尺度也能通過探測H2濃度進行識別。而后對8.8 kWh磷酸鐵鋰模組進行的過充實驗表明，H2在H2、CO、CO2、HCl、HF、SO2這6種常見氣體中首先被探測到，探測時間比煙霧提前639 s，比火災提前769 s。
2.3 電信號
電信號為電池管理系統時刻監測的重要信號，而對熱失控時電信號變化的研究是預警的關鍵。Feng等用大型加速量熱儀對大容量鋰離子電池的研究表明，電壓下降和溫度上升之間具有時間延遲，大約為15 s。同時，通過小電流脈沖充放電法發現隨著電池溫度的升高，電池的電阻逐漸增加。Ren等深入研究了這個現象，揭示了內短路導致的電信號變化和熱失控導致的溫升現象之間的關系。BMS內置的電壓傳感器可以很好地監測電池的終端電壓。一旦檢測到異常信號，可以很快發出警報。電壓監測的優勢是能夠定位模組內有故障的電池。同時，儲能電站電池數量巨大，需布置更多電壓傳感器，導致較高的計算成本。目前儲能電站的監測預警設備主要是煙霧報警器和溫度傳感器?，F有的研究表明，基于溫度的熱失控監測預警方式無法根據表面溫度判斷電池是否發生熱失控從而預測內部溫度。煙霧探測技術是熱失控孕育到一定程度才會預警，此時已經有發生火災的趨勢。VOC氣體探測則無法鑒別該氣體是漏液故障還是熱失控氣體排放。綜上可知，對于熱失控早期預警技術新方法的研究不多，且信號處理、成本和工程布置也是一大難題，僅憑單一參數預警使得誤報率始終較高，未來需要開發多參數耦合預警技術實現對熱失控早期的精確識別。
展開 什么是熱失控擴散？
熱失控電池產生的熱量高于它可以消散的熱量時，熱量進一步積累，可能導致火災，爆炸和氣體釋放。如果電池系統中，由于一個電芯產生熱失控而引發其他電芯熱失控，即為熱失控擴散。國家標準GB/T 36276—2018中給出的熱失控擴散定義如表2所示。
熱失控的引發原因？
熱失控現象的產生原因可以分為兩類：內因和外因。內因主要指在電池設計及制造過程中產生的原因；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由于人員、外部條件等導致的原因。分類概括如下▼
鋰電池熱失控反應特征非常劇烈-失控難控制
熱失控預警：儲能電池多維度安全監測預警技術受到國家層面高度重視！
針對熱失控預警技術，2022年08月29，工信部公開征求對《關于推動能源電子產業發展的指導意見（征求意見稿）》的意見（以下簡稱《指導意見》）給出了指導意見。
電池系統集成、檢測評價和回收利用中指導意見：
加強儲能電池多維度安全測試技術、熱失控安全預警技術和評價體系的開發與應用，突破電池安全高效回收拆解、梯次利用和再生利用等技術。
儲能系統智能預警安防中指導意見：
開發基于聲、熱、力、電、氣多物理8參數的智能安全預警技術，以及高效、清潔的消防技術。
電池儲能安全該如何化解？
電池熱失控是指電池持續放熱的連鎖反應，導致電池組溫度急劇上升，進而引發電池燃燒事故的過程。熱失控有三個過程，誘發、發生到蔓延，其中引發熱失控的主要原因是過熱、過充、內短路、碰撞等因素。
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鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應用于各個行業，因其高能量的特點，預防電池熱失控進行電池熱管理控制一直是被企業重點關注的問題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內工作，而如何有效的預防鋰電池熱失控進行熱管理是企業面臨的嚴峻挑戰。海克斯康工業軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池熱失控和熱管理提供全新解決方案。
Cradle CFD軟件具備鋰電池的簡易平衡模型，同時還具備詳細電化學P2D模型，可以對單電池以及整體電池包進行熱仿真。針對電池熱失控問題，現有1D-3D耦合方法計算量大、輸入參數多、計算時間長等問題存在，Cradle CFD軟件開發了新的電池組的半經驗模型，可以給工程師提供高效的工作流程，快速計算開發出強大的鋰電池產品。
本期?？怂箍抵辈ブv堂請到了流體仿真專家李晶博士為我們詳細講解鋰電池熱失控和熱管理全新解決方案，同時幫助用戶了解并結合機器學習優化新能源電控系統解決方案，最后傳遞IGBT等快速傳熱分析所用的BCI-ROM新方法，超多干貨，精彩不容錯過！
8月8日 14:00
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鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應用于各個行業，因其高能量的特點，預防電池熱失控進行電池熱管理控制一直是被企業重點關注的問題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內工作，而如何有效的預防鋰電池熱失控進行熱管理是企業面臨的嚴峻挑戰。?？怂箍倒I軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池熱失控和熱管理提供全新解決方案
圖4熱失控演化過程示意圖Fig. 4Schematic diagram of thermal runaway evolution process
2 鋰電儲能系統熱失控監測預警技術
根據上述鋰電池熱失控特征溫度規律，將熱失控演化的六個過程劃分為三個階段，即熱失控早期、熱失控發生期和火災初期，如圖5所示。
實現“雙碳”目標，能源是“主戰場”，電池儲能是一種實現綠低碳最為行之有效的辦法，電池儲能市場也迎來了新的拐點。自儲能產業的發展被提上日程以來，儲能電池市場呈現了指數型增長的態勢，甚至電池儲能市場出現了供不應求的局面，隨著電池儲能系統裝機量的增加，寧德時代、中航鋰電、比亞迪等電池企業也在儲能應用板塊持續加碼，迎接萬億市場的到來。
電池儲能快速增長，安全問題不容忽視
電池儲能的快速發展對于構建新型綠色能源
本文通過對動力電池熱失控過程的分析，設計出一套熱失控預警系統。這樣至少保證在整車發生熱失控之前能夠通知到車內的乘客，避免造成人員傷亡，同時能夠盡量減少事故帶來的財產損失。
一、熱失控過程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內部產熱速率遠大于散熱速率，在電池內部積累了大量的熱量，從而引發單體電池的著火或爆炸。
提起新能源車，除了其環保的優勢之外，消費車在購車時反而會擔心更多，諸如續航里程是否夠用、充電是否方便、安全是否有保障等問題，都是影響消費者購車的決定性因素。而其中，安全更是消費者最關注的問題之一。
不論開什么車，安全永遠是第一位的，而與燃油車大部分都是碰撞后或是老舊車才有可能自燃相比，新能源車有可能在正常行駛時、甚至停放時就能自燃，這種自燃比碰撞后自燃更加可怕，百度隨便一搜都有滿篇的報道，這種層出不窮事件讓想購買新能源車的用戶有些膽怯
