熱失控預(yù)警技術(shù)的案例
鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控防控技術(shù)研究進(jìn)展
深入理解鋰電池熱失控特性及演化過(guò)程才能獲得可靠和先進(jìn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警、抑制、滅火、抑爆技術(shù)。（2）在儲(chǔ)能電站監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，電信號(hào)、溫度信號(hào)和氣體信號(hào)作為單一的監(jiān)測(cè)信號(hào)預(yù)警效果較差。未來(lái)需要構(gòu)建以電信號(hào)為基礎(chǔ)，溫度和氣體信號(hào)為核心，煙霧和火焰信號(hào)為輔助的電-熱-氣-煙-光多參數(shù)耦合的熱失控全過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，并根據(jù)預(yù)警結(jié)果，提供相應(yīng)的事故處置措施，如熱失控早期熱管理，熱失控發(fā)生期斷電冷卻、抑制，火災(zāi)初期進(jìn)行滅火。（3）在熱失控抑制、滅火和抑爆技術(shù)方面。熱失控發(fā)生期，利用阻隔技術(shù)將熱失控模組數(shù)量限制在一定范圍內(nèi)，之后對(duì)其進(jìn)行冷卻降溫，可有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站熱失控的安全應(yīng)對(duì)。在火災(zāi)初期，要針對(duì)鋰電池火災(zāi)特點(diǎn)利用既能熄滅氣體火災(zāi)，又能高效降溫的滅火介質(zhì)或滅火技術(shù)抑制儲(chǔ)能電站火災(zāi)。同時(shí)，儲(chǔ)能電站鋰電池熱失控后容易出現(xiàn)氣體擴(kuò)散、運(yùn)移在受限空間積聚后延遲點(diǎn)火發(fā)生爆炸的特征現(xiàn)象，可據(jù)此開(kāi)發(fā)有效的通風(fēng)稀釋、惰化和抑爆技術(shù)。
（本文來(lái)源：微信公眾號(hào)“儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)”ID:esst2012 作者：喻航 張英 徐超航 余思瀚 單位：武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院）
展開(kāi) 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池熱失控過(guò)程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)
圖3（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)挝粸閂）為第二個(gè)發(fā)生熱失控的電池的電壓特征。與圖2的特征類(lèi)似，只是開(kāi)始時(shí)間平移到第787秒。
針對(duì)電池包內(nèi)氣壓信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：如圖4（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)蜬Pa），電池包內(nèi)放置兩個(gè)氣壓傳感器，正常大氣壓為101KPa，在第720 秒發(fā)生第一次單體電池熱失控，此時(shí)氣壓會(huì)上升到120KPa。由于電池包內(nèi)存在平衡泄壓閥，一段時(shí)間后氣壓會(huì)下降到101KPa。與第二個(gè)發(fā)生單體熱失控的時(shí)間吻合，在第787 秒，氣壓第二次上升到120KPa，隨后下降。以此連鎖反應(yīng)，直至整包熱失控。通過(guò)以上分析，得出兩條結(jié)論，可作為熱失控報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)的依據(jù)。一個(gè)是熱失控首先發(fā)生在單體電池，然后慢慢擴(kuò)散，最終引起整個(gè)電池包的熱失控，升級(jí)為整車(chē)嚴(yán)重事故。這之間一般會(huì)有5分鐘以上的預(yù)警時(shí)間。報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)就是要準(zhǔn)確把握這段時(shí)間，及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)警。另一個(gè)是熱失控發(fā)生時(shí)有電壓、溫度、氣壓的明顯數(shù)據(jù)異常特征，報(bào)警設(shè)計(jì)的條件要從這些特征中提取。
二、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池熱失控報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)圖
上圖是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池熱失控預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)圖。現(xiàn)將各部分的名稱(chēng)及在系統(tǒng)中的功能詳細(xì)描述如下：
BIC：電池信息采集單元。檢測(cè)串聯(lián)單體電芯的電壓，模組電壓，電池溫度。
BMU：電池管理單元。主要進(jìn)行電池熱失控的報(bào)警條件判斷，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境溫度的監(jiān)控及喚醒，氣壓的檢測(cè)（可選項(xiàng)）。
VCU：整車(chē)控制單元。接受熱失控報(bào)警信號(hào)并結(jié)合整車(chē)情況采取相應(yīng)措施，包括給儀表進(jìn)行報(bào)警提示、傳數(shù)據(jù)給T-BOX、下高壓電等整車(chē)邏輯相應(yīng)的處理等。
ICU：儀表控制單元。執(zhí)行VCU命令，報(bào)警提示乘員危險(xiǎn)。
T-BOX：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端。
展開(kāi) 新能源汽車(chē)電池熱失控著火，檢測(cè)預(yù)警用什么傳感器？
如何通過(guò)技術(shù)手段檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的問(wèn)題？能否通過(guò)傳感器設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題？
什么是電池熱失控？
電池熱失控是指電池持續(xù)放熱的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池組溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池燃燒事故的過(guò)程。熱失控有三個(gè)過(guò)程，誘發(fā)、發(fā)生到蔓延，其中引發(fā)熱失控的主要原因是過(guò)熱、過(guò)充、內(nèi)短路、碰撞等因素。
為何新能源車(chē)電池著火速度很快？
新能源汽車(chē)采用的一般都是鋰電池，屬于化學(xué)電池，某些極端情況下會(huì)導(dǎo)致電極短路，化學(xué)反應(yīng)比較劇烈，被破壞的電池發(fā)熱燃燒，此外車(chē)內(nèi)有很多易燃物，比如汽車(chē)座椅等會(huì)加速火勢(shì)蔓延。
如何通過(guò)技術(shù)手段檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的問(wèn)題？
電池管理系統(tǒng) (BMS)是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成，作用是監(jiān)控電池狀態(tài)，保障運(yùn)行安全。通過(guò)配備不同的傳感器，BMS可以監(jiān)測(cè)和收集比如溫度、壓力、異常氣體、煙霧等，診斷到故障后，發(fā)出預(yù)警，并要求整車(chē)控制器進(jìn)行有效處理，以防止高溫、低溫、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、漏電等對(duì)電池和人身的損害。
需要提前多久提示車(chē)主，才是安全的？
今年我國(guó)正式發(fā)布和實(shí)施了三項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（《電動(dòng)汽車(chē)安全要求》、《電動(dòng)客車(chē)安全要求》和《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》）來(lái)進(jìn)一步規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)的安全標(biāo)準(zhǔn)。其中增加了電池系統(tǒng)熱事件報(bào)警信號(hào)及電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時(shí)間。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的安全性將得到進(jìn)一步地提升。
不少社區(qū)禁止安裝充電樁，擔(dān)心靜止?fàn)顟B(tài)下新能源車(chē)會(huì)自燃或發(fā)生充電過(guò)程的事故，能否通過(guò)傳感器設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題？
這個(gè)問(wèn)題回到了剛剛提及的BMS電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)就是用來(lái)監(jiān)測(cè)電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，預(yù)警問(wèn)題的發(fā)生，包括電壓、氣體、煙霧、溫度、壓力等不同維度，全面監(jiān)測(cè)電池的健康狀況。不同的傳感器各有優(yōu)劣勢(shì)，一般會(huì)通過(guò)多個(gè)不同的傳感器檢測(cè)動(dòng)力電池熱失控情況。
展開(kāi) 基于lab-on-fiber技術(shù)原位監(jiān)測(cè)鋰離子電池熱失控
來(lái)源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的出現(xiàn)，并在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池獲得了蓬勃發(fā)展，然而電池熱失控被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動(dòng)汽車(chē)與新型儲(chǔ)能規(guī)模化發(fā)展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機(jī)制，并提出早期預(yù)警策略以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。導(dǎo)致電池熱失控的根源，是電池內(nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)”。最具代表性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)包括：外部電、熱、機(jī)械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→負(fù)極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開(kāi)啟→正極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→電解液分解、產(chǎn)氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達(dá)800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。由此可見(jiàn)，“溯源電池熱失控發(fā)生的內(nèi)在誘因，厘清各分步反應(yīng)之間的耦聯(lián)關(guān)系，揭示熱失控主導(dǎo)機(jī)制與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，前移熱失控預(yù)警時(shí)間窗口”是從根本上解決儲(chǔ)能安全問(wèn)題的核心。然而，由于電池的密閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。最新報(bào)道的具有“透視”檢測(cè)能力的科學(xué)儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價(jià)格昂貴，無(wú)法應(yīng)用于電池使用終端。如何科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，成為當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國(guó)際性科學(xué)難題。
02
成果掠影
近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華教授和王青松研究員團(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊(duì)提出了一種可植入電池內(nèi)部的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)商業(yè)化鋰電池熱失控全過(guò)程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。
展開(kāi) 
儲(chǔ)能電池系統(tǒng)熱失控安全監(jiān)測(cè)傳感器解決方案
分類(lèi)概括如下▼
鋰電池熱失控反應(yīng)特征非常劇烈-失控難控制
熱失控預(yù)警：儲(chǔ)能電池多維度安全監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)受到國(guó)家層面高度重視！
針對(duì)熱失控預(yù)警技術(shù)，2022年08月29，工信部公開(kāi)征求對(duì)《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》的意見(jiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指導(dǎo)意見(jiàn)》）給出了指導(dǎo)意見(jiàn)。
電池系統(tǒng)集成、檢測(cè)評(píng)價(jià)和回收利用中指導(dǎo)意見(jiàn)：
加強(qiáng)儲(chǔ)能電池多維度安全測(cè)試技術(shù)、熱失控安全預(yù)警技術(shù)和評(píng)價(jià)體系的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(shù)。
儲(chǔ)能系統(tǒng)智能預(yù)警安防中指導(dǎo)意見(jiàn)：
開(kāi)發(fā)基于聲、熱、力、電、氣多物理8參數(shù)的智能安全預(yù)警技術(shù)，以及高效、清潔的消防技術(shù)。
電池儲(chǔ)能安全該如何化解？
電池熱失控是指電池持續(xù)放熱的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池組溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池燃燒事故的過(guò)程。熱失控有三個(gè)過(guò)程，誘發(fā)、發(fā)生到蔓延，其中引發(fā)熱失控的主要原因是過(guò)熱、過(guò)充、內(nèi)短路、碰撞等因素。
在鋰離電池熱失控早期，由于電池溫度、放電電壓、放電電流等特征識(shí)別參數(shù)的變化非常緩慢，通過(guò)現(xiàn)代 BMS 無(wú)法及早地監(jiān)測(cè)到電池故障，而此時(shí)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的氣體物質(zhì)，因此，利用氣體檢測(cè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池熱失控早期預(yù)警是最有效的辦法。
從餅圖中可看出，電池在熱失控過(guò)程中產(chǎn)生這些主要?dú)怏w的組分構(gòu)成非常類(lèi)似，如圖所示 氣體成分主要為二氧化碳(CO2)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)，其余小部分氣體主要為小分子烴類(lèi)物質(zhì)(CH4、C2H4等)。
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