軌道交通車輛用動力鋰離子電池的安全設(shè)計

龍 源,周興振,王占國,張維戈

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001;2.北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心,北京 100044)

鋰離子電池已具備在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的能力。與其他領(lǐng)域的電池系統(tǒng)相比,軌道交通用電池系統(tǒng)的容量高、電壓高、能量多,同時軌道交通車輛速度快、運(yùn)量大、逃生困難,因此在安全性方面具有更高的要求[1-2]。目前,針對軌道交通動力電池系統(tǒng)的安全設(shè)計和評價技術(shù)還不成熟,而電動汽車領(lǐng)域動力電池系統(tǒng)無法完全適用于軌道交通領(lǐng)域。在鋰離子電池系統(tǒng)中,安全風(fēng)險等級劃分不清晰,電池本身安全特征與整車安全性能指標(biāo)要求聯(lián)系不夠密切,無法保證系統(tǒng)安全風(fēng)險評估和預(yù)防措施的有效性,影響鋰離子電池在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用。

綜上所述,有必要針對軌道交通動力鋰離子電池應(yīng)用中的安全問題,開展電池系統(tǒng)安全設(shè)計工作。本文作者針對軌道交通電池系統(tǒng)應(yīng)用中存在的典型風(fēng)險場景,分析安全設(shè)計環(huán)節(jié)中的主要問題,并提出相應(yīng)的研究方案。

1 軌道交通動力鋰離子電池應(yīng)用安全現(xiàn)狀

動力鋰離子電池已在電動汽車和儲能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,在電動汽車上的應(yīng)用已進(jìn)入快速商業(yè)化推廣階段;而在軌道交通領(lǐng)域,早期多用于地面儲能[3],隨著電池性能的不斷提升及產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,在高鐵輔助電源、混合動力驅(qū)動動車組、混合動力驅(qū)動機(jī)車、城市地鐵車輛和有軌電車上逐漸開始得到應(yīng)用。

軌道交通車輛電池系統(tǒng)的安全設(shè)計方案相比電動汽車更復(fù)雜,安全性要求更高。目前,國內(nèi)結(jié)合軌道交通實際運(yùn)用環(huán)境和工況,并參考電動汽車領(lǐng)域動力電池測試標(biāo)準(zhǔn)框架,制定了軌道交通動力電池系統(tǒng)的系列安全標(biāo)準(zhǔn)[4],對整車安全要求及設(shè)計、電池系統(tǒng)試驗、電池系統(tǒng)綜合性能評估要求等方面進(jìn)行了規(guī)范。

鋰離子電池測試標(biāo)準(zhǔn)安全試驗?zāi)繕?biāo)是驗證產(chǎn)品的安全性能是否滿足要求,而不是指導(dǎo)產(chǎn)品安全防護(hù)設(shè)計,因此在鋰離子電池失效機(jī)理分析和防護(hù)設(shè)計方面有提升空間。有必要針對電池系統(tǒng)安全風(fēng)險的關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究,提出更全面的儲能系統(tǒng)安全評價和防護(hù)設(shè)計方案。

2 電池系統(tǒng)安全風(fēng)險關(guān)鍵問題

2.1 電池系統(tǒng)大面積熱失控防護(hù)問題

熱失控是指電池內(nèi)部因發(fā)生異常反應(yīng)放熱而造成溫度不可控上升的過程。軌道交通車輛的動力鋰離子電池系統(tǒng)一般由數(shù)千乃至數(shù)萬只單體電池串并聯(lián)構(gòu)成,若出現(xiàn)大面積能量單元熱失控,將會對電池系統(tǒng)乃至整車安全帶來嚴(yán)重影響。軌道交通動力鋰離子電池系統(tǒng)安全設(shè)計研究的關(guān)鍵,在于控制并阻止電池系統(tǒng)發(fā)生大面積的熱失控。

圖1列舉了可能引發(fā)電池系統(tǒng)大面積熱失控的主要因素。從事故發(fā)生原因可以概括為:外短路、過充電、內(nèi)短路以及其他不可預(yù)知的原因。

圖1 電池系統(tǒng)熱失控的主要因素Fig.1 Main factors of thermal runaway of battery system

在不同故障場景下,需要對電池系統(tǒng)進(jìn)行針對性的防護(hù)設(shè)計,如外短路可通過增加系統(tǒng)熔斷器進(jìn)行防護(hù),過充電一般通過電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)行主動保護(hù);對于內(nèi)短路等不可預(yù)知的故障原因,需增加必要的被動消防措施。在上述防護(hù)設(shè)計中,仍然存在以下問題:

①針對鋰離子電池系統(tǒng)的熔斷器匹配選型缺少依據(jù)。軌道交通用電池系統(tǒng)電壓等級更高,需要由多個低電壓電池單元串聯(lián)構(gòu)成。對于多層級、多節(jié)點(diǎn)、多能量單元的電池系統(tǒng)而言,需要進(jìn)行多級熔斷防護(hù)設(shè)計,且不同層級的防護(hù)目標(biāo)、保護(hù)時序、能量等級均不相同,必須要考慮熔斷器與系統(tǒng)安全設(shè)計邊界條件的匹配性。

②電池過充電場景下的故障容錯時間不清晰。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生BMS失效或充電機(jī)失控等故障,造成電池過充電時,在不同保護(hù)目標(biāo)下,應(yīng)充分考慮電池過充耐受程度和性能衰退情況,根據(jù)系統(tǒng)安全設(shè)計目標(biāo),進(jìn)行過充防護(hù)的故障容錯時間判定[5]。

③針對鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險的等級劃分不明確。由于存在內(nèi)短路等不可預(yù)知因素,電池系統(tǒng)存在一定概率的熱失控風(fēng)險。對于不同電池單元類型、不同系統(tǒng)設(shè)計以及不同濫用場景,熱失控的外部風(fēng)險特征并不相同。在特定安全目標(biāo)下,不同的風(fēng)險等級需對應(yīng)不同的被動防護(hù)設(shè)計,以保證電池系統(tǒng)熱失控風(fēng)險控制的有效性。

2.2 電池系統(tǒng)防護(hù)目標(biāo)及邊界條件控制

2.2.1 外短路防護(hù)目標(biāo)及邊界條件控制

在鋰離子電池系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計中,不起火、不爆炸是防護(hù)設(shè)計的底線。在實際使用中,某些防護(hù)場景不僅要求電池系統(tǒng)不得出現(xiàn)安全風(fēng)險,還需保證電池性能不發(fā)生損傷,其中典型的防護(hù)場景為電池外短路防護(hù)。鋰離子電池系統(tǒng)外短路防護(hù)邊界如圖2所示。

圖2 電池外短路防護(hù)邊界劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of battery external short-circuit protection boundary division

從圖2可知,電池外短路防護(hù)目標(biāo)可劃分為安全邊界和性能邊界兩種條件。目前,鋰離子電池系統(tǒng)外短路防護(hù)的主要措施是在電池系統(tǒng)主回路中增加熔斷器保護(hù),首要防護(hù)目標(biāo)是保證電池不發(fā)生起火、爆炸等安全事故,因此在外短路防護(hù)邊界中存在安全防護(hù)邊界。此外,在熔斷器熔斷過程中,鋰離子電池系統(tǒng)同樣會在短時內(nèi)流過大電流,可能會對電池性能產(chǎn)生如材料破壞、產(chǎn)生枝晶等損傷,造成電池性能衰減或安全隱患。對于安全防護(hù)等級較高或需再次使用的電池,防護(hù)目標(biāo)應(yīng)為電池性能不發(fā)生損傷,對應(yīng)存在一個性能防護(hù)邊界。

目前,研究者針對電池外短路特性進(jìn)行了相應(yīng)的試驗研究和分析,包括控制鋰離子電池的外短路電阻、荷電狀態(tài)等條件,以限制電池的外短路電流,分析電池外短路全過程中的電流、電壓、溫度等參數(shù)的變化[6-8]。部分研究學(xué)者建立了熱電耦合模型,分析電池在外短路過程中的電流和產(chǎn)熱速率的特征變化[9-11]。這些研究方式和結(jié)果存在以下問題:

①所有研究測試均采用不可控外短路的方式,即電池從短路開始持續(xù)放電,直至電量放完。在實際使用情景中,存在熔斷保護(hù)裝置,熔斷時間一般很短,通常為幾到幾十毫秒。目前,鋰離子電池在該時間長度下的短路研究未見報道。

②在現(xiàn)有測試中,受短路電阻和測試對象的限制,短路電流一般為幾百安培。在實際使用時,當(dāng)出現(xiàn)電池系統(tǒng)外短路故障時,電路中電流一般為數(shù)千安培[12]。目前的研究性測試中,缺少對該等級短路電流的定量影響分析。

③缺少對于不同類型電池外短路防護(hù)邊界條件的研究。對于實際應(yīng)用中大容量、高電壓、多層級的電池系統(tǒng),缺少不同防護(hù)等級下的定量研究,對于外短路安全的精準(zhǔn)防護(hù)設(shè)計,缺少理論和設(shè)計依據(jù)。

2.2.2 過充防護(hù)目標(biāo)及邊界條件控制

目前,針對過充場景的防護(hù)主要依靠BMS進(jìn)行過充閾值保護(hù)。BMS的過充保護(hù)邏輯一般是設(shè)置多級故障,分別采取報警、降功率及切除繼電器等保護(hù)動作。在電動汽車領(lǐng)域,仍存在過充引起大面積電池?zé)崾Э?進(jìn)而發(fā)生著火甚至爆炸的事故。究其原因,在于過充情景特殊狀況下的電池故障容錯時間以及防護(hù)邊界條件設(shè)置不合理,比如對于特定電池系統(tǒng),過充防護(hù)的延時應(yīng)如何要求;在特定充電機(jī)參數(shù)條件下,當(dāng)BMS或充電機(jī)控制指令發(fā)生故障時,多長時間內(nèi)會觸發(fā)電池安全風(fēng)險邊界而導(dǎo)致事故,備用防護(hù)措施預(yù)留多長時間等。這些問題,目前了解得均不夠清晰。

過充電是鋰離子電池觸發(fā)熱失控的一種主要方式。人們對過充電進(jìn)行了廣泛研究,包括不同倍率下過充電觸發(fā)熱失控的表現(xiàn)以及過充電過程中電池電壓、溫度等變化的情況,并對電池過充電熱失控的主要反應(yīng)進(jìn)行了分析[13-15]。目前的研究存在以下不足:

①研究的主要對象為三元正極材料鋰離子電池(較易觸發(fā)熱失控)和磷酸鐵鋰正極鋰離子電池,而針對鈦酸鋰材料的過充電研究很少[13-16]。為保證系統(tǒng)應(yīng)用安全,軌道交通目前優(yōu)先選擇鈦酸鋰正極鋰離子電池,其次為磷酸鐵鋰正極鋰離子電池,幾乎沒有三元正極材料鋰離子電池。當(dāng)前針對電池過充場景的研究,與軌道交通的實際應(yīng)用情況有偏差。

②當(dāng)前主要選擇持續(xù)過充的方式觸發(fā)電池?zé)崾Э?而針對鋰離子電池在不同深度[過充電壓及荷電狀態(tài)(SOC)]、不同次數(shù)下定量過充的研究成果很少,因此,對于鋰離子電池過充設(shè)計中的故障容錯時間分析缺少依據(jù)。

2.3 電池系統(tǒng)安全等級劃分

對已開展的鋰離子電池安全性測試進(jìn)行分析可知,目前電池安全性測試結(jié)果普遍采用定性分析。即對于電池的安全評價,仍停留在是否通過的定性劃分階段,缺少對于電池系統(tǒng)安全性的層級劃分。在實際設(shè)計使用中,針對不同的應(yīng)用場景和安全性需求,應(yīng)劃分不同的安全等級需求,并針對不同的安全目標(biāo),提出相應(yīng)的安全設(shè)計方案。

由于電池存在內(nèi)短路等不可預(yù)知的安全隱患,最終有可能出現(xiàn)部分熱失控等極端風(fēng)險。為控制電池?zé)崾Э氐陌l(fā)展和劃分風(fēng)險等級,有必要增加被動防護(hù)設(shè)計作為防護(hù)底線,同時該設(shè)計會影響電池系統(tǒng)最終的安全特征,如圖3所示。

圖3 電池?zé)崾Э仫L(fēng)險與被動防護(hù)安全設(shè)計關(guān)系Fig.3 Relation between battery thermal runaway risk and passive protection safety design

為了對系統(tǒng)安全性進(jìn)行等級評價,首先需要對電池系統(tǒng)熱失控過程中的眾多特征參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性評價,建立電池?zé)崾Э仫L(fēng)險評價體系。以此為基礎(chǔ),結(jié)合鋰離子電池系統(tǒng)的安全防護(hù)設(shè)計特征,如介入時間、降溫速率和防火效果等[17],綜合評價電池系統(tǒng)安全性,并建立安全評價體系。

3 安全防護(hù)設(shè)計

3.1 電池外短路防護(hù)設(shè)計研究

鋰離子電池外短路防護(hù)中,存在兩條反時限的防護(hù)邊界,分別為性能防護(hù)邊界和安全防護(hù)邊界。兩條防護(hù)邊界將熔斷器的熔斷特性劃分為3個區(qū)間,分別對應(yīng)熔斷保護(hù)后無電池性能損傷和安全風(fēng)險、熔斷保護(hù)后存在電池性能損傷但無安全風(fēng)險以及無法進(jìn)行熔斷保護(hù)且存在安全風(fēng)險,具體見圖4。

圖4 電池外短路防護(hù)邊界條件研究Fig.4 Research on boundary condition of battery external shortcircuit protection

針對電池系統(tǒng)外的短路防護(hù)安全設(shè)計,需要明確電池性能防護(hù)邊界和安全防護(hù)邊界,作為設(shè)計依據(jù)。對于特定電池類型,需要采用試驗測試逼近兩條邊界條件,即設(shè)計電流與熔斷時間的正交試驗,逐漸逼近并擬合出兩條防護(hù)邊界曲線。測試過程的關(guān)鍵在于搭建時間、電流雙重可控的外短路測試平臺,通過控制短路極限電阻,實現(xiàn)對電流的控制,同時利用電力電子器件的高頻開關(guān)特性,實現(xiàn)對短路時間的控制。

由于短路對電池造成的影響存在累積效應(yīng),測試過程中可能需要進(jìn)行多次短路,次數(shù)根據(jù)安全防護(hù)等級和防護(hù)目標(biāo)設(shè)定。若電池在短路測試后出現(xiàn)安全問題,則證明已達(dá)到安全防護(hù)邊界;若未出現(xiàn)安全問題,則可對電池進(jìn)行相應(yīng)的性能標(biāo)定測試,研究是否存在性能損傷,判斷是否達(dá)到電池的性能防護(hù)邊界。電池外短路防護(hù)邊界測試流程見圖5。

圖5 外短路防護(hù)邊界測試流程Fig.5 Testing process of external short-circuit protection boundary

在測試過程中,參考性能測試(RPT)主要包括容量測試、內(nèi)阻測試、容量增量曲線分析和交流阻抗分析等,并結(jié)合后續(xù)電池內(nèi)部材料分析的結(jié)果[18-19],建立電池外部參數(shù)與內(nèi)部材料變化之間的關(guān)系,從機(jī)理角度解釋防護(hù)邊界選定的原因,以實現(xiàn)通過有限數(shù)量的試驗,對鋰離子電池防護(hù)邊界的準(zhǔn)確擬合。

3.2 電池過充防護(hù)設(shè)計研究

過充防護(hù)的研究重點(diǎn)在于鋰離子電池在不同條件下對過充風(fēng)險的耐受程度,分析鋰離子電池系統(tǒng)中BMS、充電機(jī)等出現(xiàn)故障時,電池在特定場景下的過充耐受程度,從而劃定過充條件下的安全防護(hù)邊界和性能防護(hù)邊界。鋰離子電池過充防護(hù)的研究測試過程見圖6。

圖6 過充防護(hù)設(shè)計測試流程Fig.6 Testing process of overcharge protection design

圖6中:n為過充試驗開展的遞進(jìn)步長,N為過充試驗的最大程度。

與電池外短路測試不同,進(jìn)行電池過充測試時,受試驗安全的限制,無法進(jìn)行容量、容量增量曲線分析和交流阻抗分析等測試。需要進(jìn)行輔助材料測試,分析電池在過充過程中的結(jié)構(gòu)變化。此外,由于過充后電池內(nèi)部可能存在體系和能量存儲異常,無法直接對全電池進(jìn)行拆解分析,需要對選定電池進(jìn)行相應(yīng)的半電池等效過充測試。可對半電池內(nèi)部材料進(jìn)行SEM、XRD等測試,并結(jié)合精修計算,對鋰離子電池晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。綜合材料測試和基本性能測試結(jié)果,分析電池變化機(jī)理,共同確定性能防護(hù)邊界。

3.3 電池?zé)崾Э仫L(fēng)險及安全評價體系

當(dāng)鋰離子電池內(nèi)部能量異常釋放時,會引起溫度不可控地急劇上升,從而發(fā)生熱失控,可能導(dǎo)致起火甚至爆炸。電池發(fā)生熱失控時,可能存在多種外部表觀參數(shù),如溫度、電壓、火焰、氣體和壓力等。不同類型電池外在的表現(xiàn)特征和形式,可能受封裝、材料、電解液含量、容量等因素的影響,存在差異。

鋰離子電池?zé)崾Э氐牡湫吞卣鲄?shù)都具有明顯的時間效應(yīng)。一部分電池在熱失控初期即會劇烈釋放能量,所有能量可能會在幾十甚至幾秒內(nèi)釋放完畢,產(chǎn)生劇烈的燃燒和爆炸現(xiàn)象;而某些電池可能在整個熱失控過程中存在明顯的演變過程,能量初期釋放速度較緩慢,后期逐漸加快。不同類型鋰離子電池的熱失控發(fā)展階段推演規(guī)律不同,需要針對具體電池進(jìn)行典型熱失控觸發(fā)測試,并統(tǒng)計不同邊界條件下熱失控特征參數(shù)的演變規(guī)律,從中篩選出可衡量電池風(fēng)險等級的特征參數(shù),建立分階段的熱失控風(fēng)險評價體系。

鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鲄?shù)僅代表本征風(fēng)險特征。對于系統(tǒng)而言,設(shè)計不同的被動消防措施,可對鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控的風(fēng)險邊界進(jìn)行控制,因此需要結(jié)合電池安全本征和被動防護(hù)設(shè)計,對電池系統(tǒng)熱失控風(fēng)險進(jìn)行綜合評價,研究思路如圖7所示。

圖7 電池系統(tǒng)熱失控風(fēng)險綜合評價研究思路Fig.7 Research route of comprehensive evaluation of thermal runaway risk on battery system

從圖7可知,統(tǒng)計分析鋰離子電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險特征時,可將電池?zé)崾Э剡^程風(fēng)險進(jìn)行階段化分析。不同階段的鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險,對于被動消防設(shè)計的需求不同,如消防措施的類型、時間、成本及次生危害等因素,都可能對電池系統(tǒng)整體安全性造成影響。被動消防設(shè)計,需要在建立電池?zé)崾Э仫L(fēng)險評價體系和階段性分析的基礎(chǔ)上,針對特定的消防措施進(jìn)行階段化的定量測試研究。通過對消防系統(tǒng)進(jìn)行模型化處理,以各階段反應(yīng)過程、發(fā)熱量及反應(yīng)時間等參數(shù)為依據(jù),分析鋰離子電池系統(tǒng)在不同邊界條件下的整體安全性。

4 結(jié)語

與其他類型電池相比,鋰離子電池具有明顯的性能優(yōu)勢,在當(dāng)前動力電池技術(shù)應(yīng)用不斷成熟的環(huán)境下,會在軌道交通領(lǐng)域得到大面積推廣和應(yīng)用。為保證軌道交通領(lǐng)域電池應(yīng)用安全和車輛的可靠性運(yùn)行,針對軌道交通應(yīng)用特點(diǎn)及安全需求的動力鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)研究必不可少。

本文作者通過對軌道交通電池系統(tǒng)安全設(shè)計的研究,梳理動力電池系統(tǒng)的典型故障,并針對該模式下的外短路熔斷防護(hù)有效性、鋰離子電池過充防護(hù)有效性進(jìn)行分析,明確了電池性能防護(hù)邊界和安全防護(hù)邊界,提出了鋰離子電池外短路熔斷防護(hù)設(shè)計和電池過充防護(hù)設(shè)計的依據(jù)及相應(yīng)防護(hù)邊界的測試方法。此外,基于不同邊界條件下鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鲄?shù)的演變規(guī)律,提出了電池?zé)崾Э匕踩L(fēng)險評價體系的分析方案以及熱失控風(fēng)險綜合評價的研究方法。相關(guān)研究,對于軌道交通新能源機(jī)車車輛的發(fā)展,可起到技術(shù)支持和設(shè)計指導(dǎo)作用。