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煙臺創為李明明:基于氣相分析的熱失控預警應用技術研究

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國儲能網 發布時間:2019-06-26 瀏覽:
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中國儲能網訊:6月19—20日,由中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會聯合江蘇省電機工程學會、全國微電網與分布式電源并網標準化技術委員會、中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司等單位聯合召開的“第三屆全國電網側暨用戶側儲能技術應用高層研討會”在蘇州市太湖假日酒店舉行。來自電網公司、設計院、系統集成商、電池生產企業、投融資機構等單位的280余位嘉賓出席了本次研討會。

會議期間,惠州億緯鋰能股份有限公司儲能事業部總經理陳翔分享了主題報告《用戶側儲能系統運營實踐分享》,以下是演講全文:

李明明:各位領導、各位同仁大家下午好。我來自山東煙臺李明明,今天下午我主要針對于儲能安全熱失控的探測預警技術給大家做一下分享,因為之前楊主任還有黃主任都基于比較宏觀的,還有整個系統安全,特別是楊主任對于探測、隔離和防護進行了一些整體的介紹,黃主任也是通過消防局更高一層的法規方面給大家做了一個應用層的系統級的構造和防護。

我這里只拿出預警這方面,把我們這幾年做的工作給大家做一下分享。我們公司主要從事兩大板塊,一個是汽車板塊,一個是儲能安全方面,實際上它都有一個共同的特點就是電池,我們公司都是圍繞著電池做它的早期預警的,因為我們單位專門是做探測、預警,但是滅火裝置我們公司也不生產,也是外面采購的。

目前也是承擔了不少的課題項目,獲得了不少榮譽,年增長率大約是100%。首先汽車的應用范圍比較廣,新能源汽車從2014年到現在逐漸的推廣,在17號工信部又開展了關于新能源汽車安全排查的通知,這些信息表明隨著自燃事件不斷的發生或者儲能電站燃燒事件的發展,引起了社會的廣泛關注。

我們目前為止基于熱失控探測技術的探測器目前出貨量已經30多萬套,到現在應該已經40多萬套了。我今天主要從三個方面講一下,第一點是安全法規現狀,國內沒有相應的法規,但是各地區有相應的標準或者正在制訂的標準。

第二個是我在熱失控預警方面我們和國內外都做了哪些研究。

第三個,我們在儲能系統應用當中實施的一些案例,給大家做一下匯報。

我們先看儲能安全法規現狀。因為目前主要是圍繞著它后期的維護或者建設初期的設計階段進行了消防安全的設計,也沒有相應的法規對它的滅火劑的使用或者探測怎么進行防護有標準化體系的建立。我們可以關注一下火災事件,韓國有20幾起事故,國內也有幾起案例,可以看到火災形式一旦形成很難制止它或者中止掉,必須通過一定的隔離手段減少火災事故的發生。

汽車上的法規比較健全了,特別是在2016到2018年之間,出臺的關于公共客車的、道路客車還有城市客車之間的標準,主要是提高了兩種,早期的是自動滅火裝置,后期的就是預警和防護。后期也出臺了像公共汽電車輛專用安全設施技術要求,標紅的是預警,黑色的是防護裝置,主要是滅火藥劑,什么樣的滅火藥劑對鋰電池的滅火有更好的作用,現在來講有降溫作用的藥劑對防護來說在實際應用當中能起到比較有效的作用,特別像前幾天自燃事件的電動客車,消防隊員過去以后都會使用大劑量的水,他們使用手提式的超級干粉滅火裝置根本就沒起到什么作用。

在儲能上目前定義的標準主要是由地方標準,其中有江蘇省電網的關于預制艙電流相關技術措施,我們也看到它里面的標準提出了氫氣和液化可燃氣體的預警方式,還有就是配備的滅火藥劑希望能夠通入每個PACK或者連接處。在山西出臺了火電廠集裝箱式儲能系統消防設計與管理標準,北京出臺了儲能電站建設及運行規范。國內工程標準協會也在起草電化學儲能側的消防技術規范,也在做相應的標準。

團隊標準目前有多個正在起草,包含本次會議的電化學協會也在起草相應的一些標準。

在這個領域里好多大學都做了一些研究,世界各個高校、研究所都在從事相關的技術研究,可能有些技術研究成果目前還沒有特別公開。

這個可以參考以下電動汽車,泄露、期貨核爆炸,這個是直接或者間接導致它熱失控產生的狀態,后期他們描述了一個詞叫熱失控,熱失控肯定是火災形成了,比如說漏液狀態,不一定是熱失控就會引起火災,但是它可能是導致你火災的一個非常危險的狀態,因為電解液泄露了,并且這種東西是經過霧化以后極易被點燃或者是引起火災,所以后續把這個詞定義為熱失控。

對于熱失控的參數測量,今天我們主要講熱失控的預測,對于熱失控的測量目前都是通過BMS的,電氣法情況來進行測量的,當然也有SOC或者電壓下降的速度,比如溫升速率達到1秒鐘一攝氏度,連續上升三秒,可能就判定它是熱失控發生了,這些是電氣信號的參數。

第二部分,說一下熱失控發展和探測。目前國內外研究機構非常多,包括國內的戴姆勒,消防試驗研究中心,還有幾個消防所的研究機構,還有楊主任的機構他們也在研究電池火災。電池火災有個特點,首先電池熱失控存在負反應,無法根除,只有通過多種技術的聯合使用,通過PTC電極、或者是添加劑,或者是隔膜的防護,或者是隔離技術的防護,阻燃性電解液,電解液中添加阻燃效果的添加劑,可以改善,但是無法根除。

前幾天王子冬主任說鋰電池特別有特點,天生爆脾氣,就好比一個炸彈。

第二個對于熱蔓延防控,認為單體熱失控沒有問題,你如何防止它的蔓延這是我們最主要要做的工作。

再一個鋰電池具有復燃性,你只有把它的溫度降下來,比如100攝氏度以下,它就不容易產生或者根本產生不了了。

上面有個表格,我們做的工作都是基于藍色條和紅色條之間,因為在藍色條的更早期可以通過電氣信號的測量可以獲得它的數據,可以通過內短路的方式,也可以通過電氣信號測試。像電壓的壓降狀態可以獲得,或者是溫度狀態。但是我們做的紅色條是代表防冒閥(音)一旦打開,防冒閥一旦打開以后這個時間點應該是盡早的預警,或者更早期一些,不要讓它形成熱蔓延失控,進行單顆電芯的熱失控預警。下面這幾個圖是目前清華大學在做的關于內短路的方案,這個大家可以搜集一下。

這個是基于氣體分析的,氣體分析也不是我們公司獨立在研究,這些是有根據來源的,這是我摘錄的論文資料。這是美國阿貢國家實驗室的,認為熱失控以后產生的氣體分析,他們做了定性的分析,主要有一些一氧化碳、二氧化碳、氫氣這種混合類氣體。

這是奧爾良大學的分析,它也是有二氧化碳、氫氣、一氧化碳,這是幾個成分的占比。我們也是基于這些數據后期開展了我們自己的工作,我們自己搭建了試驗平臺,這個表是我們做的一個定性的分析,雖說是借鑒了國外的論文,但是我們要復現一下,這個我是取了五種氣體,包括氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、乙烯和丙烯。我委托國家化學工業氣體質量監督檢驗中心替我們做氣體分析,最上面的是基本氣體,防冒閥沒打開之前我做的化驗,一氧化碳是11.5PPM, 后期都達到了400以上PPM的數值。我這個用的是一升的氣袋送檢的。

可以看出來數據變化一氧化碳和乙烯可以作為定性的氣體分析,可以實現早期預警。但是我們看不出11.5到400多、500多PPM,甚至乙烯的含量到了接近600PPM了,在這段時間內你使用多少PPM是準確的,后期我就做了這個試驗,從60到100攝氏度從事過充方式,每隔十度我取一袋氣體,我就看它電池析出的氣體含量是多少。目前BMS管理的優良的溫度應該是25到45度之間,但是基于實際使用環境,比如夏天地面比較熱,或者建在比較空曠的地方受到太陽的照射,有可能里面的溫度能升高,有的能達到60度所以有的是到了60攝氏度的時候才給它停機。那么我就從60攝氏度開始一直到100攝氏度,每隔十度取一袋標準氣體,這個時候就可以看出來了,在70到80度之間已經是非常危險的狀態了,這個是電池表體溫度,實際內部溫度應該更高一些,可能達到150左右。

可以看到這是150PPM到340PPM之間,后期我們認為在這個數據之內進行預警是比較可靠穩定的,不會產生誤報。但是如果你在100PPM以內,你可能受到其他物體的干擾產生誤報。但是乙烯我們為什么沒有用呢,因為這種傳感器的價值太昂貴了,不便于后期的推廣,單體可能在600萬到800萬之間,還需要定制化。

基于此,你應該考慮電池包內部或者電池使用環境當中的交替,或者隔膜內的影響,它會有交叉感染的問題,你需要排除這些感染,這個大家過一下就可以了,這個是包材的影響,電解液的影響,電解液長期運行的時候,它可能是從某一個薄弱點,特別像防冒閥和呼吸閥就泄露出去了。當然目前箱體大多是基于絕緣狀態的檢測方式,但是那個時候可能電解液正好泄露到絕緣側或者是電解液泄露了,絕緣降低,你可以判斷出來。但是你通過氣體分析的時候,你完全可以抽取這個數據,認為它已經發生電解液泄露了,這是熱失控的早期表征。

電解液泄露這個問題后期我們也做了專門的研究,這個主要是高于60攝氏度以上我們做了一些數據的分析,一個是把信號干擾濾五除,如果真的有電解液泄露了,能不能通過現有的傳感器,選擇什么樣的傳感器,這是一個選型工作。

這是一個6米長,20尺的集裝箱,上面布的是空間的,我以爆炸點的電池包,紅色的爆炸信號是電池PACK,把電池全部過充一直到全部燃燒,每個PACK30到40度之間,這個跟點型感煙、點型感溫做了數據對比。后面有一些口是滅火使用的,檢驗哪種滅火藥劑更有效一些。

這個是做了一些數據,包含了一氧化碳、氫氣,是在40尺的集裝箱里面做的數據,后來發現一氧化碳和氫氣的數據上升狀態還是非常快速的。

這個是我們后期做的,七氟丙烷的、壓力水霧的、泡沫的,一共是使用了21個電池包,每個電池包都是30到40度之間,已經做了一個多月了,還沒有完畢,試驗結果發現還是具有降溫性能的。但是有些滅火藥劑像七氟丙烷、二氧化碳只有在早期能夠撲滅明火,但是半個小時以后整個電池包就全部腐爛了,這個也是在40尺集裝箱里面做的試驗。

總的做下來我們認為基于氣相的話應該是通過多級運行的方式,同時加上多級聯動,同時跟BMS進行聯動機制,才能夠使得數據更穩定。因為我們發現長期運行的電池PACK里面使用氣體測量的傳感器,目前國內有鄭州偉勝在生產,還使用了國內的霍尼韋爾的,日本費加羅,還有德國的,我們在使用這些傳感器的時候,明顯發現它的傳感器的穩定性和一致性不是非常好,因為他們都是在工業場合下或者加熱場合下來使用,你在使用它的時候肯定不太有時效性,你需要時效性的話就需要多加幾個傳感器組合使用,總的下來我覺得還沒有非常合適的傳感器應用于電池火災的探測。目前來說使用多種傳感器的組合是沒有辦法的方式,你也可以使用,但是達到八年以上還是比較難的,你必須做一些降低頻次使用,一旦失效,比如到最后只能使用溫度傳感器進行辨別了,早期你可以使用氣體的,比如交叉感染的問題,一氧化碳跟氫氣的,你要充1000PPM的氫氣,這個時候就分辨不出來到底是一氧化碳還是氫氣了。你要通過VOC傳感器更分不出來了,可能煙或者是其他的洗發水的味道都會導致它的數據急速上升,或者是硅膠的長期釋放狀態直接會讓它失效了,所以傳感器的綜合應用總而言之還是比較麻煩的。

做傳感器的各種應用,我們認為最主要的應該關注于傳感器的標定,你在多少狀態下進行預警,還是你使用它的上升趨勢進行預警,另外你需要一個算法,有這么多的傳感器布置在里面,需要進行多種傳感器的綜合性的算法,融合性的應用。第三,選擇更耐用性的,不要選擇使用周期就兩年,對于儲能電站當中比較好插拔的地方,方便拆卸下來還好。一旦想在儲能電站里面預警PACK位置的定位,如果你只有兩年使用壽命的時候,你里面更換這個傳感器都不方便。當然你可以做一個外插拔的也可以。

還有一個休眠策略,在儲能上用的比較少,但在乘用車上這個用的比較多了,但是需要一個信號把它再喚醒,需要一個低功耗策略。

可靠性策略,就是在不同工況下,不同使用環境下的使用。平常使用不大的傳感器,一旦出現情況再喚醒功耗比較大的傳感器。判別傳感器失效還是需要持續研究的問題。

安全防護我們認為它就是一個系統級的工程,儲能電站特別像黃主任講的,包含站內的,一個是儲能站里面的,包含電池本體的,系統集成的時候應用的、組裝的各個環節當中都包含了安全性。我們認為對于消防的、安全早期預警來說,這只是其中的一個點,另外在后期消防接口的防護,特別有的地方消防車進不去,或者根本沒有地方噴灑大劑量的水,可能都會阻礙它最后的外部消防接口的問題。

這是我們的一些方案,把車載方案給大家做一個參考。汽車上的案例我們做的特別多了,比如八米的車有6個PACK或者8個PACK,每個PACK里面安裝一個探測控制器。預警以后車速要自動降低,比如達到三級預警以上以后它會自動降到5公里以下,5公里的時候車門會自動打開,形成一個逃生通道出來,因為5公里以下的時候有危險的話人就完全可以跳下車了。

給大家看看安裝方式。對于儲能來說,我們認為需要有一些像熱失控的檢測,特別是電線電纜在高溫狀態下分解的監測,這個時候很難去實現,如果是點型感煙、點型感溫的狀態,你需要更早期的發現。

對于多級防護我們認為是從電池PACK或者電池柜或者電池簇進行防護,在這種空間進行防護,還有電氣室進行防護。

最后水路預留接口,管道最好是有,因為一旦發生真的危險的時候,在這種狀態下才能徹底的把火撲滅。

不同的地方我們認為每個廠家都有不同的方案,這是一個和傳統方案差不多的方案。

2018年我們做了50多個儲能集裝箱,到現在為止已經做了接近150個這樣的儲能集裝箱了。早期我們也是上了一些七氟丙烷,因為滅火器我們自己不生產,都是業主方自己選購的。這是長沙48兆瓦時的儲能項目,這個里面早期預警裝置也是我們在開發的,包含后臺早期預警的系統。

這張圖挺有意思的,是最近新作的一個方案,他們認為這種管路式的空間噴不到電池簇或者電池PACK里,他想把它噴到風道當中,這兩個還沒有上電池簇,還沒有排到兩邊去,這個接口是噴到空間當中去的,不是噴在走廊里的,后期新做的都是噴到每個PACK里的。

在汽車上我們做的經驗就比較多了,比較主流的汽車電池都是我們的客戶,目前儲能電站我們也是剛剛在開始,這幾年主要是針對磷酸鐵鋰電池做了一些研究,后期我們是針對三元電池,因為三元電池跟磷酸鐵鋰完全不一樣,你通過氣相參數有的時候來不及。

今天我就跟大家分享這些,謝謝大家。

(本文根據會議錄音整理,未經演講人本人審核)

關鍵字:熱失控

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