12-金阳-锂离子电池储能电站早期安全预警关键技术.pdf

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1、锂离子电池储能电站早期安全预警关键技术金阳郑州大学电气与信息工程学院2023年5月24日第十三届中国国际储能大会-储能安全与系统集成专场 锂电池是世界上目前装机规模最大的电化学储能技术，但安全问题仍未解决23人死亡2人重伤燃烧4天4夜2021年4月2019年4月2021年7月安全性是当前储能发展亟需解决的核心问题！美国APS储能电站爆炸北京丰台储能电站爆炸全球最大储能电站爆燃加强储能安全状态感知、诊断和预警研发高安全新型储能技术研究需求韩国忠清南道储能电站爆炸2021年4月反复起火研究需求“加强储能电池多维度安全测试技术、热失控安全预警技术开发与应用”传统、单一的火灾预警方法，难以满足电池储能

2、大规模发展形势下日益迫切的安全预警需要。“开发基于声、热、力、电、气多物理参数的智能安全预警技术”2023年1月工信部、国家能源局等6部门联合发布指导意见为新型电力系统安全、高质量构建保驾护航3储能安全提升技术路线45C2H5OCOOPF4(CH2OCO2Li)2Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O22.5O2+C3H4O33CO2+2H2O2Li+2C3H4O3(EC)LiO(CH2)4OLi+2CO2C2H5OCOOC2H5+PF5C2H5OCOOPF4+HF+C2H4C2H5OCOOPF4PF3O+CO2+C2H4+HF多维物理参量电气声热光压电池失效过程伴随多维物理参量产生和演变多

3、维物理参量产生机理6BMS/阻抗测量装置：检测电池电压、电流、容量及交流阻抗参数，完成对电池参数的跟踪和分析。电化学/半导体/燃烧式气体传感器：捕获电池内部产生的气体。超声发射/声音采集装置：捕获和识别电池特定信号，进而判定电池故障。K型热电偶/光纤/NTC热敏温度传感器：监测电池外部温度变化。膨胀计：原位测量锂电池应变压力。可见光摄像系统：监测电池多个方位形体状况。压力变送器：测量电池周围或模组内部气体压力变化。多维物理参量传感检测方法研究框架与电池热失控关系密切的电池多参量特征研究对象研究目标揭示多参量特征与安全状态映射关系，实用化多参量监测预警方法局部过热电池安全状态演变过程产气析出锂枝

4、晶结构坍塌热失控.电热声气力光鼓包安全阀打开电流电压电化学阻抗氢气一氧化碳碳氢化合物等可见光摄像中出现“白烟”表面温度动态阻抗估算的内部温度安全阀打开出现的特征声音释放气体引起的气压变化关联关系7需充分静置电池离线测量多频点分析时间长稳态数据分析动态参数拟合难热失控预警需求 电化学阻抗在线测量 数据处理耗时短 热失控“判据”清晰X传统电化学阻抗谱检测方法可以反映电池的内部温度、荷电状态（SOC）等，但从实时性、可实施性方面考虑，无法直接用于锂离子电池热失控早期预警。不匹配电化学阻抗谱测量特点电池动态阻抗在线监测预警8市场主流硬壳电池的安全阀具备情况比亚迪国轩宁德时代中天亿纬典型容量138/20

5、2 Ah105 Ah120 Ah28 Ah100 Ah有无安全阀有有有有有出于安全性的考虑，主流的储能电池普遍具备安全阀，且各安全阀的开启特征相似。安全阀打开特征基本一致电池热失控特征声音辨识和预警9具有穿孔板的电池模组点声源模组级声场仿真模型声传播仿真分析-模组级0.5kHz1kHz2kHz声音频率升高，声波绕射能力下降，损耗增加仿真分析电池安全阀开启声经模组穿孔面板传出时的声传播衍射和衰减特性规律，使其能够被应用于故障源的定位。模组前面板对安全阀声音的阻挡程度相对较小；对各频率分量阻碍程度差异相对较小。不影响安全阀声音的接收和识别。内部声压级0.5kHz1.0kHz2.0kHz约120dB

6、衰减2.9dB衰减 3.2dB衰减4.7dB电池热失控特征声音辨识和预警10湖北大唐龙感湖储能电站-声音探测器应用案例11原位平台测试系统氩气流速控制3D打印微型电池微结构实时成像气路气体在线检测黏结剂H2锂枝晶生长，产氢锂枝晶-CF2-CH22-+Li-CF=CH-CF=CH-LiFH2(PVDF)C电池单体内部析出锂枝晶产生氢气氢气气体探测和预警12 提出利用氢气探测内部微量锂枝晶析出预警，并明确预警阈值50ppm未出现冒烟、着火氢气报警,切断电池簇预警方式较热失控提前时间探测阶段处置措施传统烟感报警0-30s气化电解液产生后消防联动传统温感报警0-