在24日下午的“儲能電站規(guī)劃與設(shè)計(jì)”專場，深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司電池測試資深工程師范亞飛分享了主題報(bào)告《儲能電池的安全測評與災(zāi)害防控》。會務(wù)組對發(fā)言人的演講速記做了梳理，方便大家會后交流、學(xué)習(xí)，以下是速記全文：
范亞飛：各位專家同仁，大家下午好!很榮幸能夠代表我們公司來這兒跟大家分享一下我們在電池檢測這塊所做的一些工作。
第一個環(huán)節(jié)，我想先介紹一下我們公司，普瑞賽思是一家第三方的檢測機(jī)構(gòu)，過去幾年內(nèi)主要專注于電池的檢測，包括動力電池、儲能電池還有消費(fèi)類電池的檢測與認(rèn)證，我們也有一些新能源汽車核心零部件，比如充電樁、電機(jī)控制系統(tǒng)的檢測，也有一些電池的分析工作。
接下來進(jìn)入今天的正題，主要分三部分：儲能系統(tǒng)安全風(fēng)險分析、儲能電池安全評估評價和檢驗(yàn)項(xiàng)目、結(jié)論。
第一部分，這是一個完整的儲能系統(tǒng)，是來自于韓國的儲能系統(tǒng)，主要包括電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，還有消防的，還有逆變器系統(tǒng)。具體失效的可能性，比如電芯環(huán)節(jié)可能會失效。電芯在使用過程中會老化，制造過程中會有一些制造的缺陷，有可能電芯在充放電過程中會膨脹，擠壓這個模組其他的電池。還有外殼的密封失效，也包括電池泄露，也有一些絕緣情況。連接失效、連接松脫時，可能會有一些異常的高溫情況。電池力阻的增大，電池管理系統(tǒng)的失效，這個可能更嚴(yán)重，比如對電池SOC的估計(jì)出現(xiàn)偏差，電池儲能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能會有效率下降，嚴(yán)重SOC不準(zhǔn)確有可能會作為電池的過充電或者過放電，有可能導(dǎo)致整個儲能系統(tǒng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的災(zāi)害，會燒毀整個儲能系統(tǒng)。
這是整個系統(tǒng)的風(fēng)險點(diǎn)。具體到電池，在全生命周期內(nèi)，電池有可能有其他幾種模式，比如過充或者過放，制造缺陷引起的內(nèi)部短路，在使用過程中有一些正負(fù)極短路和外部短路情況，還有電池的保護(hù)裝置失效。同時，在實(shí)際運(yùn)行過程中儲能電站可能在高溫環(huán)境重運(yùn)行，也可能在低溫環(huán)境中運(yùn)行。供應(yīng)商提供電池時都會給到一個具體的溫度范圍，比如零下20度到45度，如果超出這個范圍鋰電池可能會出現(xiàn)一些異常情況。比如低溫下充電可能造成電池內(nèi)短路。這都是比較嚴(yán)重的情況。
下面這幾個圖片是一些具體的變形案例(見PPT)，電池的保護(hù)裝置壞掉了，中間這個圖下面是因?yàn)殡姵貎?nèi)短路造成電壓有波動，不是一個穩(wěn)定的狀態(tài)，有可能會在正負(fù)10mV之內(nèi)波動。
二、儲能電池安全測試評價和驗(yàn)證項(xiàng)目。
這是目前我收集到的部分對電池尤其是儲能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括我國的GB/T 36276，還有UL9540，還有UL9540A，9540A是針對電池?zé)岚踩闆r的標(biāo)準(zhǔn)，還有不是具有很針對性的，比如62619等都是針對電池的標(biāo)準(zhǔn)，但在儲能系統(tǒng)中也是適用的。
這是目前整個標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的要對電池進(jìn)行檢測的具體檢測項(xiàng)目。主要分四個大類：壽命評價，這包括高低溫性能、循環(huán)性能、存儲性能、環(huán)境測試，涉及到實(shí)際在儲能系統(tǒng)運(yùn)行工況中的環(huán)境，比如在高海拔地方可能會有低氣壓的環(huán)境驗(yàn)證，海邊可能有鹽霧的驗(yàn)證，還有機(jī)械測試，比如振動測試，機(jī)械沖擊，這可能在儲能系統(tǒng)中去檢測振動的不是太多，但在動力電池系統(tǒng)會檢測振動，會檢測機(jī)械沖擊還有一些安全的測試項(xiàng)目，這是今天主要分享的內(nèi)容。比如包括電極安全、機(jī)械安全、熱安全，過充、過放、擠壓、溫度測試等。
除了測試項(xiàng)目外，還有對電池安全性能的評價，這個評價不只是為了確定這個電池是不是符合標(biāo)準(zhǔn)。這只是目的之一，但熱失控安全的評價主要是探索這個廠家的電芯在什么樣的情況下有可能會發(fā)生熱失控，邊界條件在哪里。比如它在短路，5毫歐和10毫歐有什么區(qū)別，性能55度和45度工作性能又有什么區(qū)別。主要是從材料性能開始到整個電芯的性能，進(jìn)行一個安全邊界的探索工作。
各位可能關(guān)心的更重要的是驗(yàn)證的項(xiàng)目，能不能通過GB/T 36276或者能不能通過9540A或者62610。這些都是驗(yàn)證的項(xiàng)目，直接給出一個測試的結(jié)果，這個電池符不符合標(biāo)準(zhǔn)，符合標(biāo)準(zhǔn)就給你通過的資質(zhì)，不通過就要回去進(jìn)行整改，但整改的方向要通過前面熱安全評價部分確認(rèn)。因?yàn)橹挥心惴浅Ａ私膺@個電池的各項(xiàng)參數(shù)后才能對電池的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也有這種情況，只有了解之后才能設(shè)計(jì)儲能系統(tǒng)的BMS，才能優(yōu)化儲能系統(tǒng)運(yùn)行的工況，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的工況不斷進(jìn)行調(diào)整，保證這個電池在安全的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行的工作。
這是第一個要分享的案例，外短路的測試，上面兩個列出了UL1973和GB/T 36276測試標(biāo)準(zhǔn)和判定方法，最主要的差別就是短路電阻，36276里是5毫歐，1973里是20毫歐，這兩個是有差別的。
左邊是新鮮電池的短路測試，右邊是老化之后容量衰減了50%左右。做這個項(xiàng)目是因?yàn)槲覀兂薪恿四暇W(wǎng)科技部的一個項(xiàng)目，我們在里面承擔(dān)了一部分工作，去驗(yàn)證老化之后電池的安全性，我們現(xiàn)在有一個梯次利用的場景。
新鮮電池在發(fā)生外部短路時，短路電阻36276的標(biāo)準(zhǔn)是5毫歐。在新電池發(fā)生短路時在安全區(qū)間內(nèi)。下面T1、T2、T3、T4、T5是我們布在電芯不同地方的目的。整個溫度是保持在50度以下的。即使發(fā)生了短路，情況是沒有那么明顯的。但對于老化之后的電池，在老化之后短路電阻瞬間下降的產(chǎn)熱。比較高的綠線是我們布置的傳感器(見PPT)，就是探測電池有沒有漏液?？梢钥吹皆诙搪钒l(fā)生后電池發(fā)生漏夜，在漏液的瞬間因?yàn)楦邷卣麄€電池出現(xiàn)了熱失控的情況，溫度就升得比較高。
這個短路電阻的影響在這個PPT里看得比較清楚，我們是對同樣兩個模組，一個進(jìn)行10毫歐的外短路，另外一個進(jìn)行94毫歐的外短路。但給出來截然不同的兩種結(jié)果。在10毫歐短路時，因?yàn)槎搪冯娏鞅容^大，就會觸發(fā)整個模組保護(hù)板的保護(hù)，后面電路斷開之后沒有持續(xù)的電流，整個模組在一個安全范圍內(nèi)，但94毫歐外短路時，因?yàn)殡娮柘喈?dāng)于升高了，電流比較小，導(dǎo)致保護(hù)電路沒有及時啟動，造成保護(hù)板有燒毀情況。這個情況在單體電池里也會有發(fā)現(xiàn)，比如對單體電芯來說1毫歐的短路和20毫歐的短路結(jié)果也不一樣。因?yàn)?毫歐的短路，短路電流很大，很快會熔斷，不會有其他的異常升溫，但20毫歐貨樣更大的短路時，會持續(xù)對電池升溫，有一個加熱的過程，造成后來有熱失控的發(fā)生，因?yàn)殡姵夭粩嘤屑訜徇^程。對電池的加熱是造成電池失效一個很大的比例。
這是另外一個在儲能系統(tǒng)應(yīng)用場景下的非均衡充電情況(見PPT)。我們用了三個模組，模組一和模組二都是90%的SOC，就是為了驗(yàn)證這樣一個工況。比如中間的模組壞掉了，要進(jìn)行替換，但替換過去的模組有可能跟原始模組的SOC不一樣。
比如一個系統(tǒng)的SOC是90%，但你換上去的可能是30%，也可能整個系統(tǒng)是30%，但換進(jìn)去是100%的。這樣就會造成換進(jìn)去的模組有不均衡充電或者放電的過程。上面三幅圖是100Ah放電的情況，整個模組的SOC尤其是模組三，有一個短暫的上升，但后面還會有持平。后面也驗(yàn)證了150Ah的電流，但限定電流可能只有30Ah，后面兩個模組就沒有辦法充電或者放電了，因?yàn)槟＝M之間有一個保護(hù)。但這個是在儲能系統(tǒng)后面運(yùn)維的情況需要考慮的非均衡充電或者非均衡放電的情況。這是比較正常的一種狀況，在非均衡充電或者放電時是沒有安全事故的。但有可能有些情況，比如你整個系統(tǒng)的容量比較大，合上時有拉弧或者持續(xù)加熱的情況，也是需要我們?nèi)タ紤]的。
第三個案例是熱失控測試。這是我們自己設(shè)計(jì)的防爆罐子，右邊的曲線是一個電池我們對它進(jìn)行加熱熱失控了，黃色和灰線是在電池兩側(cè)分別布置兩個加熱板進(jìn)行加熱，棕紅色線是電池實(shí)際變化的曲線，前面因?yàn)闇囟缺容^低，在拐點(diǎn)之前是60度，保持得比較一致，但后面加熱可以看到藍(lán)線是電壓的線，電壓在突然下降那一瞬間電池已經(jīng)開啟了安全閥開啟動作。在這之前我們沒有停止加熱，但看到加熱功率還是一樣的，黃色的線已經(jīng)向上翹了。意味著電池發(fā)生開口之后已經(jīng)導(dǎo)熱了，導(dǎo)致整個加熱板的溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們給定的功率，電池已經(jīng)發(fā)生了不可控的熱失控。
這就會造成后面整個電池的燃燒，這個熱失控有可能會進(jìn)行擴(kuò)散。為什么要在罐子里做測試?因?yàn)槲覀冞€要分析熱失控之后的氣體。這是熱失控后的氣體情況(見PPT)。比如三元電池是左邊兩幅圖，磷酸鐵鋰是右邊兩幅圖，三元電池和磷酸鐵鋰在加熱時產(chǎn)生的氣體也不一樣。對于產(chǎn)品氣體的體積進(jìn)行歸一化處理時，右邊的表格里三元電池在加熱時產(chǎn)生的氣體體積在25度時每Ah可能要產(chǎn)生3升的前提，但鐵鋰來說每Ah可能產(chǎn)生8-9升的氣體。這也是需要考慮的，因?yàn)楫a(chǎn)生了這些氣體，圖表中的一些成分，比如有一氧化碳或者烷烴、烯烴類氣體都是可燃的，有些也是有毒的氣體。我們在設(shè)計(jì)時可能也可以用這些氣體做一個傳感的信號，也可以通過這些氣體的檢測來對儲能系統(tǒng)后面的預(yù)警或者消防做相應(yīng)的改善。
熱失控?cái)U(kuò)散，我們調(diào)查了熱失控?cái)U(kuò)散的路徑，同樣12顆電芯做成的不同路徑，有串聯(lián)和并聯(lián)的，但對于整個熱失控的擴(kuò)展來說，沒有特別大的區(qū)別，熱失控?zé)崃吭诘谝活w電芯發(fā)生熱失控后，熱量通過電池的大面?zhèn)鬟f到第二顆電池，最終造成整個電池的熱失控。這是因?yàn)橹虚g沒有有效的隔熱系統(tǒng)或者阻燃系統(tǒng)，如果在里面加入了有效的隔熱系統(tǒng)或者阻燃系統(tǒng)，擴(kuò)展速度有可能會降低或者不會擴(kuò)展，因?yàn)樵跓崾Э匕l(fā)生的初期，如果電池的散熱速度要大于產(chǎn)熱速度，有可能這些熱失控在最開始就會被抑制掉。
這是我們研究熱失控?cái)U(kuò)展過程中電芯的影響，一個是53Ah的電芯，一個是37Ah的電芯，兩個電芯表現(xiàn)初步統(tǒng)的熱失控情況。比如53Ah的在200度范圍內(nèi)沒有發(fā)生熱失控。但37Ah的電芯在120度左右電池會壓開閥。我們做熱失控測試時有這樣的情況，因?yàn)榧訜釙r采取單面加熱和雙面加熱，對電池加熱的功率是不一樣的。在加熱過程中造成電池?zé)崾Э氐淖钪饕蚴窃诩訜岬教囟囟?，比?30度，有可能你的隔膜會潰縮，正負(fù)極之間接觸，造成電池短路產(chǎn)熱，最終導(dǎo)致電池產(chǎn)生一個熱失控。37Ah時的電芯為什么會在120度開啟，可能有一部分原因是因?yàn)檫@個電池相對比較小，電池外部的熱量向內(nèi)傳遞時速度要快一些。這個驗(yàn)證工作我們也在接著分析材料方面的影響。
另外一塊分享一下熱失控?cái)U(kuò)展，我們會對整個電池包的熱失控?cái)U(kuò)展，我們會對電池包其中某一顆電芯做一個熱失控，比如加熱觸發(fā)熱失控，看熱失控在整個電池系統(tǒng)中擴(kuò)展的情況。目標(biāo)電芯在2-3分鐘后電池箱內(nèi)的安全閥開啟了，對于儲能系統(tǒng)來說儲能柜大一點(diǎn)有可能開啟得更晚。熱失控電芯在高溫下會產(chǎn)生大量氣體，在安全閥開機(jī)之后會噴出來大量的氣體。這個氣體就是一個高溫的氣體，會在你電池箱的內(nèi)部聚集，會加熱其他的電池，導(dǎo)致最終電池出現(xiàn)一個熱失控的情況。如果第一顆電芯出現(xiàn)了熱失控，第一顆電芯和第二顆電芯之間熱失控的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二顆電芯和第三顆電芯熱失控的時間間隔。這時候電池箱內(nèi)整個溫度已經(jīng)很高了，會對電池箱內(nèi)的其他單體電芯加熱失控造成更多電池開閥，會有更多的高溫氣體在電池箱內(nèi)累計(jì)，會造成加速熱失控?cái)U(kuò)展的情況。比較嚴(yán)重的情況是燒到最后的，這可能在新能源汽車的各種新聞報(bào)道中也看到，有些電池箱爆炸的就是因?yàn)殡姵叵鋬?nèi)的可燃?xì)怏w累計(jì)在內(nèi)，會造成電池箱的熱失控。
這是我們GB/T 36276里特別強(qiáng)調(diào)的測試，絕熱溫升測試，研究電池在加熱情況下的熱反應(yīng)，去探索熱安全的邊界。比如熱失控發(fā)生的起點(diǎn)在哪里，中間會有一個什么樣的情況，可以從右邊的圖看到，紅色的是在絕熱環(huán)境下，藍(lán)色在正常環(huán)境下。在絕熱環(huán)境下熱失控拐點(diǎn)發(fā)生后，產(chǎn)熱功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過正常情況下的產(chǎn)熱功率。因?yàn)榻^熱情況下沒有散熱，導(dǎo)致整個熱量在內(nèi)部累計(jì)，會計(jì)算出一個產(chǎn)熱功率明顯增大。
電池的安全是系統(tǒng)性的，有多種因素會影響整個電池的安全性能，即使采用安全的電芯，最后也有可能由于工程設(shè)計(jì)的不合理造成電池在不合理的區(qū)間運(yùn)行，產(chǎn)生一個安全的風(fēng)險。也沒有絕對安全的電池化學(xué)體系，無論是三元還是鐵鋰還是鈦酸鋰，沒有絕對安全的，都有一定可能性會發(fā)生熱失控，我們可以通過選擇熱穩(wěn)定性高的電芯和優(yōu)化電池設(shè)計(jì)來減少熱失控?cái)U(kuò)散的過程，最后需要特別強(qiáng)調(diào)的是為保證電池系統(tǒng)的合理性和安全性，做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的也需要知道電芯的安全邊界，來優(yōu)化BMS或者優(yōu)化整個儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
我們公司在過去幾年內(nèi)一直做儲能電池，國內(nèi)一些主流的電池廠商還有國際上的一些新能源汽車廠商都是我們的合作伙伴，也都在我們那兒進(jìn)行了大量測試，歡迎有測試需求的跟我交流聯(lián)系，謝謝大家!
