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清华思客|冯旭宁:电池安全助力电动汽车与储能电站安全运行

编辑名称:匿名2022-06-29

来源:转载

电池安全助力电动汽车与储能电站安全运行


编者按:我国电动汽车市场正在不断扩大,然而,大众对于电池汽车电池安全问题的担忧依然普遍存在。如何理解电池安全?如何保障电池安全?本期我们邀请清华大学车辆与运载学院冯旭宁老师为我们讲解《电池安全助力电动汽车与储能电站安全运行》。


2021年,我国电动汽车销量已超过300万辆,储能电站装机量超过5GWh,且总量仍在高速增长。两类产品的高速发展均受益于我国的能源低碳化鼓励政策,得益于储能用锂离子电池成本的持续下降。然而,2021年发生电动汽车火灾3000余起,“4·16”大红门储能电站事故造成较大的经济损失,引发了对电池安全问题的社会性关注。


01为什么大众对储能电站事故投以极高的关注?


新兴技术和产品受到的公众关注度高,对安全事故的容忍度一般较低。

“4·16”储能电站事故发生后,北京市全面停止了储能电站的建设和使用。国内已公开报道的储能电站事故数量尚不足两位数,就已经对行业发展造成了影响。相比之下,年均3000余起的电动汽车火灾,反而对汽车行业影响不大。


五年前,三元锂离子电池刚开始装备电动汽车时,少量的起火事故引发了行业大讨论,至今电动客车上仍然禁止使用三元锂离子电池。目前,我国储能电站设计延续了电动客车对三元锂离子电池的禁用要求,大多采用磷酸铁锂电池进行建设。


从安全科学的角度而言,安全意味着发生事故的概率是社会大众可以接受的。

传统燃油车的自燃概率大约是万分之一点五,而电动汽车仅是传统燃油车的五分之一。对于储能电站而言,其安全建设目标也应在万分之一以内。


我们做个简单的计算:一辆电动汽车的车载电池约有一百度电,对应一百节量级的电池;而一个储能电站的电池可能有一万度电,对应一万节量级的电池。如果储能电站简单地采用了车用电池,在每节电池自燃概率相同的条件下,就会算出当前的车用电池技术无法保证储能电站的事故概率也能控制在万分之一以下。储能电站应遵循更严格的电池安全设计标准。


02制定严格的产品技术标准,是降低事故概率最重要的措施。

作为世贸组织成员国,中国标准与相应的国际标准保持一致。我国电动汽车销量世界第一,在国际标准体系建设过程中,具有相当的话语权。经过十余年的国际协作,车用电池的安全标准体系已经初步建立,尤其是中国主导的电池系统安全标准,为人员逃生留出了足够的时间,为降低电动汽车事故中的人员伤亡比例做出了重要贡献。相应地,储能电站的安全标准体系仍在建设当中,我国的国家标准、行业标准、团体标准均已进入论证阶段,将从明年开始发挥重要作用。


了解电池安全事故发生的原理,方能开发对症下药的安全技术。

锂离子电池的能量密度较高,其正极多采用电压较高的过渡金属氧化物材料,负极则采用电压较低、还原性较强的含锂材料。氧化物和还原剂在有限的空间内堆放,就有条件发生剧烈的氧化还原反应,并放出大量的热量,该现象称为电池的“热失控”。


电池热失控除将电池温度快速升高外,还产生大量的可燃烟气。可燃烟气从电池内部泄放出来,在电池外部遇到足够的空气,满足引燃条件后,进一步发生燃烧甚至爆炸。“热失控+燃烧”这一双核失效机制,为电池安全防护技术提出了挑战。


清华思客|冯旭宁:电池安全助力电动汽车与储能电站安全运行


03过十余年攻关,我国已经研发出系统性的电池安全防护技术,包括:本质安全技术,主动安全技术,被动安全技术。


电池的本质安全技术,即电池本身具有较好的化学稳定性,不易发生热失控,且热失控后造成的危害较小。一般地,希望电池内部热化学反应的起始温度高一些,热失控的触发温度也高一些,电池热失控达到的最高温度低一些。比如三元锂离子电池的热失控最高温度可达1000℃,磷酸铁锂电池的热失控最高温度也就600℃,因此倾向于认为磷酸铁锂电池的安全性更好一些。锂离子电池普遍采用的液态有机电解质(简称“电解液”)为电池燃烧提供了燃料来源,从这点意义上来说,一节250Ah的磷酸铁锂储能电池含有约1kg的电解液,其燃烧危害也不容小觑。


为从本质上降低锂离子电池的燃烧危害,科学家们正在开发采用固态电解质的锂离子电池(简称“固态电池”)。不过,前提是固态电池的能量密度、寿命、成本等综合指标都能与液态电池竞争。目前,主要通过阻燃添加剂、高耐热性隔膜等方式,调控正负极之间的氧化还原反应。在电池能够通过安全标准方面,这些低成本的方案起到了良好的效果。


电池的主动安全技术,即主动监测电池安全状态,控制电池在正常工作范围内运行,出现异常及时预警或报警,并开展主动安全处置。电动汽车和储能电站都应具有安全监控系统,系统内运行有电池安全预警与报警算法。电池失效时通常伴随有剧烈的声、光、热等现象,事故报警相对容易。而基于电池运行数据对事故进行预警的难度相对较大。


电池安全预警算法一般纠结于检出率和误报率两个指标,高检出率一般意味着高误报率。误报率高的算法经常引起监控人员不堪其扰而关闭预警系统的事件,进而导致重大安全事故。出现这类问题主要是因为传感器采集的信号特征与电池内部失效状态并非一一对应,需要基于模型进行寻优估计。还可以引入具有学习功能的人工智能技术,提升算法的检出率。


合理地设定模型参数和预警阈值,取决于工程师对电池失效机理的认识水平,也是储能电池产品的核心竞争力之一。定期使用专用设备以及标准化运维流程开展储能电池系统的健康体检,对于及时检出故障也是有必要的。发生预警事件之后,可以基于监控平台联动消防等机制进行处理,用户知情后可以考虑是否更换故障电池。国家标准中要求电动汽车具有预警和报警功能,并且按特定的格式上传数据到监管平台。储能电站相关的国家级数据监管平台正在建设当中。


电池的被动安全技术,即在事故发生后设置防护机制,使得单节电池的问题得到限制,不会扩散到相邻电池。保障人的生命和健康是安全设计的底线,被动安全技术的首要设计思路即——假定会有电池发生问题,在问题发生后,设置相应的机制延缓电池失效的扩散速度,降低次生灾害,保障人员及时逃生。


车用电池系统和储能电站的电池簇中,电池堆叠密度都比较高。车用电池系统以平面堆叠方式为主,抑制失效扩散主要通过设置隔热层实现。储能电站的电池簇以立体式堆叠为主,抑制失效扩散还需要考虑高度方向的热阻隔。热阻隔需要配合散热降温才能取得理想的效果,导流降温有助于减少热量在电池系统内的聚集。对隔热层复合相变材料增加吸热功能,可以取得更好的扩散抑制效果。


除热阻隔之外,电池失效引发的结构移位以及导电烟气的扩散都可能造成高压电气系统短路拉弧。电弧温度可达数千摄氏度,将进一步破坏既定的防护结构,是一个需要特殊考虑的问题。为了应对电池系统起火的可能情况,消防系统设计时,需要同时考虑隔热、降温、烟气导流、抑弧等电池系统失效特有的因素。


清华思客|冯旭宁:电池安全助力电动汽车与储能电站安全运行


上述三大安全技术相结合的安全标准体系,使得锂离子电池及其系统的运行更加稳定,支撑了电动汽车和储能电站的安全运行。在我国迈向“2030碳达峰”、“2060碳中和”的征程中,电动汽车和储能电站也必将扮演更加重要的角色。

作者简介


冯旭宁

冯旭宁,男,清华大学车辆与运载学院,助理教授,党委委员。长期从事储能电池系统安全问题的科学研究,所开发的安全防控技术,广泛应用于储能电池及其系统的事故溯源、标准评价、诊断预警、蔓延阻断等规模化应用场景。


供稿 | 冯旭宁

约稿 | 魏奕萌

编辑 | 魏奕萌

排版 | 惠   珺



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