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    2022年, 第11卷, 第8期 刊出日期:2022-08-05 上一期   
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    本期栏目: 电化学储能安全专刊 
    本期中英文目录
    2022 (8):  0. 
    摘要 ( 47 )   PDF(2623KB) ( 89 )  
    相关文章 | 计量指标
    电化学储能安全专刊
    绝热条件下280 Ah大型磷酸铁锂电池热失控特性分析
    宋来丰, 梅文昕, 贾壮壮, 王青松
    2022 (8):  2411-2417.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0349
    摘要 ( 112 )   HTML ( 122 )   PDF(3549KB) ( 305 )  

    随着新能源产业的快速发展,锂离子电池在储能领域得到广泛应用。为了更好地防控储能电站火灾爆炸事故,需要对储能用磷酸铁锂电池的热失控特性进行更加深入的研究。本工作使用280 Ah磷酸铁锂电池进行绝热条件下电池热失控实验,得到自产热温度T1为70.26 ℃、热失控触发温度T2为200.65 ℃、热失控最高温度为340.72 ℃,热失控过程中出现两个温升速率峰值分别为3.59 ℃/s和1.28 ℃/s。同时定量分析了电池自产热阶段的动力学参数,电池热失控过程中释放的总热量为1511 kJ。最后分析了电池在绝热环境中破裂损坏的原因,是由于内部压力过大,反应较为剧烈所导致的。本工作研究内容弥补了280 Ah大型磷酸铁锂电池绝热条件下电池热失控特性研究的空白,对储能电站火灾爆炸事故具有理论指导意义。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    储能锂离子电池预制舱热失控烟气流动研究
    徐成善, 鲁博瑞, 张梦启, 王淮斌, 金昌勇, 欧阳明高, 冯旭宁
    2022 (8):  2418-2431.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0369
    摘要 ( 88 )   HTML ( 42 )   PDF(9836KB) ( 110 )  

    随着电化学储能的大规模应用,储能系统的安全事故时有发生。在储能系统中,锂离子电池一旦发生热失控,其产生的可燃烟气极易被点燃,从而造成起火、爆炸事故。大型储能系统的电池热失控和蔓延产生的烟气流动危害极大,且试验成本高。因此,基于模型对储能预制舱的热失控烟气流动行为进行研究具有重要意义。本工作针对方壳磷酸铁锂电池开展了热失控喷发产气的测试,获取了电池喷发的产气量和气体成分。以此作为模型输入,通过Flacs软件建立了兆瓦时级的储能预制舱模型,研究了预制舱内多种热失控情景下的烟气流动行为。仿真结果表明,电池热失控后舱内的可燃气体积受电池位置和失控电池数量影响。热失控电池小于3只时,模组位置越高可燃烟气扩散的面积越大;热失控电池多于3只时,随着电池数目增多,发生热失控的模组位置越低,可燃烟气扩散的面积越大。对于同一个高度的模组,不同的位置形成的可燃烟气体积基本一致,且电池室中的可燃烟气会扩散至控制室。此外,在预制舱两侧增加泄压板,可有效地将舱内可燃气体排出,但泄压效果受泄压板位置和泄压面积影响。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    液冷板抑制锂离子电池组热失控蔓延性能及优化设计
    张越, 孔得朋, 平平
    2022 (8):  2432-2441.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0289
    摘要 ( 83 )   HTML ( 31 )   PDF(6516KB) ( 111 )  

    本工作通过数值方法研究了液冷板抑制锂离子电池组热失控蔓延的能力,并针对传统直流道液冷板在高温环境中应用出现的问题进行了优化设计。基于阿仑尼乌斯公式搭建了方形NCM电池组热失控蔓延模型,并与已有研究结果进行对比,证明该模型准确性较高。基于此模型进行后续液冷板抑制研究,其中液冷板置于电池之间。为了保证液冷板在高温环境中的可靠性,首先分析了板内流体温度表现。结果表明,当针刺电池发生热失控后,直流道液冷板在流速为0.01 m/s和0.05 m/s时流体最高温度超过沸点;流速为0.1 m/s时流体最高温度则低于沸点,且可以有效抑制电池组热失控蔓延。针对直流道液冷板流体温度过高的问题,采用变密度法对液冷板流道进行拓扑优化。分析了优化后液冷板的抑制性能,并与直流道液冷板进行对比。结果表明,优化后液冷板的抑制效果更优秀,且流体温度及液冷功耗均低于传统直流道液冷板:当流速为0.05 m/s和0.1 m/s时,流体最高温度相较直流道液冷板分别降低33 ℃和28 ℃,功耗分别降低17%和26%。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于动态可重构电池网络的储能系统本质安全机制及实例分析
    张从佳, 施敏达, 徐晨, 黄震宇, 慈松
    2022 (8):  2442-2451.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0282
    摘要 ( 84 )   HTML ( 32 )   PDF(2244KB) ( 334 )  

    随着电化学储能的快速发展,储能系统本质安全的问题日益凸显。然而,电池单体固有的差异性与传统固定串并联成组方式的不匹配所带来的电池系统“短板效应”是造成目前电化学储能系统安全性和经济性问题的本质原因。近年来,基于动态可重构电池网络(dynamically reconfigurable battery network,DRBN)的数字储能系统得到了广泛的关注。DRBN通过低功耗功率半导体器件与电池进行深度耦合,将电池从电化学反应装置转变为一种新型数字装置,并通过毫秒级电池物理连接拓扑重构从原理上杜绝了由于过充过放所带来的热堆积和热失控问题,实现了电池系统级本质安全。此外,DRBN能够快速诊断并切除故障电池,同时保持电化学储能的正常运行,极大提升了系统的可用性和可靠性。最后,本工作通过实际工程案例数据阐述数字储能系统在突发故障时的在线诊断和快速自动隔离疑似故障方面的本质安全机制,为电化学储能系统安全性和经济性提供一种新的路径。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    不同类型气体探测对磷酸铁锂电池储能舱过充安全预警有效性对比
    石爽, 吕娜伟, 马敬轩, 尹康涌, 孙磊, 张宁, 金阳
    2022 (8):  2452-2462.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0240
    摘要 ( 105 )   HTML ( 41 )   PDF(14748KB) ( 316 )  

    研究储能舱内不同探测器预警有效性对储能系统的安全运行具有重要意义。本工作首先介绍了磷酸铁锂电池热失控过程和产气机理,以13 Ah和50 Ah方形硬壳磷酸铁锂电池为研究对象,搭建了典型储能舱环境,采用1 C电流对电池单体过充至热失控,同时监测电池表面温度、电压及舱内可见光和红外图像,采用H2、CO、VOC、可燃气探测器、烟感和温感进行安全预警,分析了不同探测器对电池热失控预警的有效性。试验结果表明,在电池过充至热失控的过程中,所有探测器报警由先到后排序为H2、CO、VOC、感烟探测器,可燃气探测器和感温探测器未报警。电池的容量越高,过充后产气的量越大,产生的白烟也更明显,且H2、CO、VOC这些特征气体探测器报警的时间越早,更有利于大容量电池的热失控预警;其中H2探测器报警时间早、变化特征明显,更适合预警电池热失控;烟感的报警时间过晚,不能有效预警。研究结果可为磷酸铁锂储能舱热失控预警提供有效的试验和数据支撑。

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    全尺寸预制舱式储能柜热失控早期征兆分析
    许磊, 刘晓鹏, 王勇俞
    2022 (8):  2463-2470.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0280
    摘要 ( 110 )   HTML ( 35 )   PDF(3819KB) ( 255 )  

    面向电化学储能应用中出现热失控、火灾、燃爆等一系列消防安全问题,通过开展预制舱式储能柜热失控实体实验研究,分析预制舱式储能系统在热失控早期出现的征兆信息,探索提升电化学储能系统的消防技术方法。首先,本文分析了预制舱式储能系统在热滥用的触发条件下,其电压、温度、氧浓度和CO浓度等关键参数的变化规律,系统讨论了储能系统热失控过程及其早期征兆表现规律。研究结果表明,在热滥用条件下,电芯表面温度迅速升高,系统发生热失控时,其最高温度可达1000 ℃以上;电压值征兆变化明显早于温度变化,其征兆的早期特征尤为显著,认为电压信号可作为储能系统热失控预警的征兆信号;电箱内温度变化情况显示,电箱下方发生热失控时,液冷系统的隔板有效延迟电箱内部温度变化,保护电池系统安全;获取CO浓度在电箱和电柜内的变化情况,可为气体探测器的设置应用提供基础数据,通过氧浓度估算热释放速率峰值较大,但总热量较低,因而开展初期预警征兆,用以防控储能系统火灾是可行的。针对电化学储能系统热失控的复杂特点,发展多信息融合的检测、预警技术,具有非常重要的意义和应用价值。

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    锂离子电池组过充燃烧爆炸特性
    卓萍, 朱艳丽, 齐创, 王聪杰, 高飞
    2022 (8):  2471-2479.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0276
    摘要 ( 112 )   HTML ( 51 )   PDF(5699KB) ( 289 )  

    为研究锂离子电池组的燃烧爆炸特性,本工作以铝壳方型锰酸锂电池及其电池组作为研究对象,采用2 C电流恒流过充且设置较高截止电压,考察其热失控后燃烧爆炸特性。实验结果表明,锂离子电池单体过充774 s后瞬时发生安全阀破裂、射流火和爆炸,距离爆心45 cm处爆炸最大压强达到556 kPa。由13个单体电池串联构成的电池组在不带BMS的情况下过充后依次发生安全阀破裂、射流火,局部发生爆炸,实验时形成多个压力峰值,距离爆心45 cm处最大爆炸压强为915 kPa。当锂离子电池组以6.5 cm间距布置时,过充其中一个电池组可引发其他电池组发生燃烧,形成火灾蔓延。

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    动力电池热失控排气策略
    王洋, 卢旭, 张宇新, 刘龙
    2022 (8):  2480-2487.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0142
    摘要 ( 125 )   HTML ( 39 )   PDF(5732KB) ( 254 )  

    为研究车用锂离子电池热失控后喷射气体的扩散过程,特选取CONVERGE的CFD代码对100%SOC状态下,方形三元锂离子电池做热失控电芯气体喷射仿真。采用示踪粒子标记法,分析了四种方案下热失控气体在电池包内部的扩散规律、堆积情况和电池包排气口处气体质量流量特性。研究结果表明:热失控气体喷射4.3 s时将扩散至箱体顶部,在顶部产生气体堆积后,再逐渐向四周散开,最快22.3 s气体就能扩散至整个箱体上半部分;箱体上排气口的设置会影响气体在电池包内部的扩散和堆积,比较四种方案发现,将排气口设置在箱体上半部分,并增加排气口数量,有助于气体排出电池包,减少内部气体堆积;仅依靠排气口无法将箱体内热失控气体全部排出,在电池包内部角落处可以观测到明显的气体堆积现象。

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    双层结构预制舱式磷酸铁锂储能电站热失控气体爆炸模拟
    尹康涌, 陶风波, 梁伟, 牛志远
    2022 (8):  2488-2496.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0087
    摘要 ( 135 )   HTML ( 29 )   PDF(5193KB) ( 222 )  

    双层结构预制舱式储能可以有效节约储能占地面积,适用于在土地资源紧张的区域应用。然而,这种储能形式单位面积电池容量加倍,在热失控等极端条件下的安全性面临严峻考验。利用气体爆炸数值模拟方法,研究双层结构预制舱式磷酸铁锂储能电站热失控气体爆炸后果。首先,对双层结构预制舱式储能进行介绍;然后,通过爆炸模拟软件FLACS建立双层预制舱式储能电站简化模型;最后,以锂离子电池过充热失控引发的汽化电解液为燃料,仿真研究了双层预制储能舱的热失控燃烧爆炸特性。研究表明:双层储能舱内部气体爆炸产生的冲击波在打开泄压孔后向四周扩散,冲击周围相邻储能舱,有引起连环爆炸的危险;相比于下层储能舱爆炸,上层储能舱泄压孔打开后空间开阔,泄压降温效果更为显著,爆炸产生的高温和超压冲击效果较差。本文的研究成果可以为双层结构预制舱式储能电站安全消防设计提供理论和数据支撑。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    全氟己酮气体灭火系统在磷酸铁锂电池储能预制舱的应用
    蔡兴初, 朱一鸣, 姜可尚, 席旭峰, 张艺超, 林惟实
    2022 (8):  2497-2504.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0252
    摘要 ( 83 )   HTML ( 32 )   PDF(6983KB) ( 93 )  

    “双碳”目标下,需要建设大量与“风”“光”等新能源配套的磷酸铁锂电池储能电站,但磷酸铁锂电池具有较大火灾危险性,其灭火措施研究尚不完善。全氟己酮灭火剂是一种新型哈龙和氢氟烃类灭火剂的优良替代品,对其是否适用于扑灭储能锂电池火灾并抑制其热失控存有争议。基于全氟己酮应用于磷酸铁锂电池火灾的既往研究成果,优化了全氟己酮气体应用于磷酸铁锂电池储能电池舱的灭火方式,采用“局部应用”与“全淹没”灭火方式相结合,通过模型试验验证了灭火效果并得出了相关设计参数,以工程案例详细论述了全氟己酮气体灭火系统在储能电池舱的应用方案。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    轨道交通动力锂离子电池安全性测试标准分析
    赵亚文, 黄彧, 张言茹
    2022 (8):  2505-2518.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0043
    摘要 ( 160 )   HTML ( 29 )   PDF(2389KB) ( 657 )  

    随着锂离子电池在动车组、地铁、有轨电车等轨道交通车辆的不断应用,其在使用过程中的安全性及安全性能评测越来越受到广泛关注,国内外各大标准化组织和应用企业都制定了相应的安全评价标准。本工作详细介绍了国内外轨道交通领域中具有引导性和规范性的现行标准,包括TJ/JW 126—2020、Q/CRRC J39—2019、TJ/JW 127—2020、Q/CRRC J37.1—2019、IEC 62928:2017和IEC 62619:2017,重点在电池单体、电池模块、电池包、电池系统4个层面,从电气安全、机械安全、环境安全3个角度对IEC标准和国内标准的电池安全性能评测方法进行详尽对比分析,辨析国内外在使用范围、测试对象、测试方法以及测试要求等方面的差异性。通过全面分析可以看出,国内标准对于动力锂离子电池在机械、环境、电气3个方面设置的试验项目都较为全面,基本都高于国外标准的要求;而国外标准的试验更侧重于电气安全要求。最后,基于机车车辆和电动汽车使用条件和使用工况的不同,对轨道交通用锂离子电池安全标准的进一步完善提出了改进意见,以提高轨道交通电池系统评测的科学性和针对性,为新型储能系统在轨道交通的应用发展奠定重要的基础。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    荷电状态和电池排列对锂离子电池热失控传播的影响
    张青松, 赵洋, 刘添添
    2022 (8):  2519-2525.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0177
    摘要 ( 148 )   HTML ( 36 )   PDF(2967KB) ( 220 )  

    当前锂离子电池热失控传播特性研究主要聚焦于电池形态和触发方式,本研究采用自行研制的锂电池阵列级联热失控实验平台,对不同荷电状态(state of charge,SOC)及不同排列间隔的锂离子电池热失控传播特性开展研究。结果表明:热失控传播速度随着SOC的增加而加快,100%SOC电池组中热失控传播结束时间比70%SOC电池组热失控传播结束时间少70 s,100%SOC电池组热失控最高温度可达621.81 ℃,50%SOC的电池不会出现热失控传播现象;对于100%SOC的电池,电池间横向间距越大,热失控越难在电池组之间传播,当电池间横向间距为3 mm时,热失控不会在电池组中传播。电池间的热失控主要以层传层的形式传播。本研究对优化电池布置、防止和控制电池热失控传播具有较高的应用价值。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于多孔介质模化的大容量电池储能热管理系统性能分析方法
    李明飞, 饶睦敏, 孙婉妹, 崔树鑫, 陈伟
    2022 (8):  2526-2536.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0111
    摘要 ( 60 )   HTML ( 12 )   PDF(14817KB) ( 64 )  

    良好的热管理设计是保证电池储能装置使用性能及寿命的关键。大容量电池储能装置因电池单体多,内部结构复杂,开展详细的热管理数值分析难度很大。本工作提出了电池模块的多孔介质模化方法,并针对MW级集装箱式大容量电池储能空气冷却热管理系统开展流热耦合数值分析。研究表明,该方法实现了电池舱和电池模块内部流动传热的耦合计算,考虑了其相互影响,能获得更为丰富而准确的热管理系统流动传热特性。各电池模块内的空气流量分配不均,电池舱气流及热量积聚形成的流场、温度场特性,是造成电池模块温度差异的主要原因。本工作提出的研究方法可为大容量集中式电池储能热管理系统的设计和优化提供借鉴。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于WOA-BPNN的锂电池极片涂布缺陷检测识别
    钟健平, 费韬
    2022 (8):  2537-2545.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0226
    摘要 ( 79 )   HTML ( 17 )   PDF(1431KB) ( 208 )  

    锂电池的正、负极片是锂电池的重要组成部分,极片涂布的质量很大程度上影响着电池的性能和使用寿命,而有缺陷的极片往往是电池安全隐患的根源。为了进一步提高锂电池极片涂布缺陷检测与识别的自动化性能水平,本工作提出了一套基于WOA-BPNN的锂电池极片涂布缺陷检测识别算法。首先,对采集到的锂电池极片涂布图像进行图像预处理操作;接着,将图像中的缺陷目标区域分割出来后,提取其形态、灰度、纹理特征;然后,搭建误差反向传播网络(back propagation neural network,BPNN),并将串行融合后的融合特征向量作为网络的输入;最后,在训练神经网络分类模型的过程中,使用鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm,WOA)用于辅助调参,以进一步提高模型的识别准确率。本工作算法可精确实现对划痕、漏金属、孔洞、裂纹、异污、脱碳等8种常见的锂电池极片涂布缺陷的检测与识别,实验结果证明,当检测的锂电池极片宽度为200 mm,检测精度为0.05 mm,检测速度为60 m/min时,本工作算法的平均漏检率为1.68%,平均误检率为0%,平均分类识别准确率为97.08%。本工作算法能够有效应用于高速高精度的锂电池极片涂布缺陷检测场合,在锂电池智能制造领域具有一定的实用价值。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    软包磷酸铁锂电池高电压浮充后热安全研究
    尹涛, 贾隆舟, 常修亮, 戴作强, 郑莉莉
    2022 (8):  2546-2555.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0088
    摘要 ( 140 )   HTML ( 26 )   PDF(9693KB) ( 154 )  

    磷酸铁锂电池以其较好的安全性在储能领域得到了广泛应用。本工作以额定容量21 Ah的软包磷酸铁锂电池为实验对象,在25 ℃下以4.05 V、4.25 V、4.50 V和5.0 V高电压下浮充电24 h。研究单体高温热失控和材料热稳定性。结果表明,在4.25 V、4.50 V和5.0 V电压下均出现鼓胀,电压升高鼓胀加剧。在5.0 V电池破裂,负极活性材料溶解,铜集流体裸露,同时出现大量锂沉积。在4.05 V、4.25 V和4.50 V下浮充后的高温热失控试验中发现,随电压升高电池破裂温度下降,热失控触发温度由249.86 ℃升至278.65 ℃,提前破裂释放能量使得热失控触发温度升高,但并不具有较好的安全性,热失控最高温度由484.67 ℃升至516.08 ℃,最大温升速率也明显升高,且热失控触发到最高温度时间缩短,高电压浮充后电池热稳定性变差,热失控更加剧烈。隔膜在120.63 ℃开始发生相变,在367.06 ℃开始分解。而正、负极未出现明显分解,其自身热稳定性较好。因此应避免高电压使用,保持电池安全使用和稳定运行。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    束缚力对磷酸铁锂电池安全性影响
    刘伯峥, 曹六阳, 曾涛, 殷雅侠, 郭玉国
    2022 (8):  2556-2563.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0250
    摘要 ( 144 )   HTML ( 34 )   PDF(5918KB) ( 535 )  

    本工作采用循环寿命末期的大容量方型铝壳磷酸铁锂动力电池,以测试金属板模拟电池单体在电池系统中的束缚力场景,系统地研究了束缚力对动力电池过放电、过充电、外部短路、加热、针刺5项安全性能的影响。结果表明,束缚力对电池安全性能有显著影响,束缚力(约3 kN)的存在可有效降低电池安全风险,提高电池安全性能。束缚力的存在可有效避免过放电电池鼓胀及漏液,降低过充电爆炸概率,减缓外部短路引发的内阻及鼓胀增长,减少漏液、内部短路的发生,延缓加热触发热失控的温度,提高针刺安全性,避免浓烟释放和起火。本研究有助于提高科研人员对方型磷酸铁锂动力电池安全性的认识,为电池系统设计、安全标准制定等提供数据支撑。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    滴定-气相色谱技术在锂离子电池析锂定量检测中的应用
    孙涛, 沈腾腾, 刘昕, 任东生, 刘金海, 郑岳久, 王鲁彦, 卢兰光, 欧阳明高
    2022 (8):  2564-2573.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0117
    摘要 ( 164 )   HTML ( 22 )   PDF(3182KB) ( 386 )  

    锂离子电池在快速充电时会诱发负极析锂,造成严重的容量衰减和可能的安全问题。因此,准确识别电池内部的析锂量对于解决这些问题至关重要。本工作研究了滴定-气相色谱仪(titration gas chromatography,TGC)技术在石墨负极锂离子电池上定量检测析锂的有效性,实现了该方法在石墨负极析锂定量检测上的应用,最小检测极限为2.4 μmol金属锂。首先,利用已知浓度的标准气体对气相色谱仪(gas chromatography,GC)进行标定,确定了氢气浓度与GC检测到氢气信号面积之间的关系,进一步通过不同金属锂含量的样本对实验装置的可行性进行分析,证明了所开发的检测系统可以实现金属锂含量的定量检测,并确定了金属锂含量与TGC检测到氢气浓度的关系。在此基础上,使用核磁共振定量析锂检测技术,对TGC方法用于石墨负极析锂的定量检测的有效性和准确性进行了验证。最后,利用所开发的TGC检测系统,对两个不同析锂程度的1 Ah软包电池进行了析锂定量检测,与根据容量衰减估算的电池析锂的量相比,TGC检测的析锂量的误差小于7%,实现了电池析锂量的准确检测。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于组合赋权与TOPSIS的储能电站电池安全运行风险评价
    肖勇, 徐俊
    2022 (8):  2574-2584.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0127
    摘要 ( 136 )   HTML ( 31 )   PDF(1466KB) ( 151 )  

    为了改变储能电站电池由于运行不良引发的火灾和爆炸事故频发的现状,本工作介绍了一种基于组合赋权与逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)的储能电站电池安全运行风险评价方法。首先,通过查阅文献、标准规范和事故调查报告等手段统计识别发生事故的原因,并在已有标准规定的前提下,描述了电池运行中应具备的安全状态。从电池基本情况、电池使用工况、外部刺激、运行环境、安全监控保护系统、人为因素6个方面建立风险评价体系。其次,利用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和熵权法分别确定风险评价体系中指标的主观权重和客观权重,并对2种权重进行组合。最后,使用TOPSIS法与标准值进行比较来对电池安全运行风险作综合评价。将该方法应用于4所储能电站的电池运行风险评价中,评价结果显示,其中3所储能电站电池运行虽然存在问题,但总体的安全状况相对良好,另有1所储能电站电池在运行风险指标管理多方面存在较严重问题并亟须改进。结果符合各现场电池运行风险的实际情况,证明了该方法具有合理性和可行性。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    基于TWP-SVR的锂离子电池健康状态估计
    韦荣阳, 毛阗, 高晗, 彭建仁, 杨健
    2022 (8):  2585-2599.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0184
    摘要 ( 61 )   HTML ( 18 )   PDF(5490KB) ( 135 )  

    健康状态(state of health,SOH)是评估锂离子电池老化程度和剩余使用寿命的重要指标。然而,SOH无法通过直接测量获得,本工作提出了一种基于时间规整图(time warp profile,TWP)提取间接健康特征参数,使用支持向量机回归(vector machine regression,SVR)模型估计SOH的方法。首先,通过TWP将锂离子电池不同循环充放电压曲线转换为相位差异曲线。然后,从相位差异曲线中提取出4个间接健康特征。接着,采用线性核函数的SVR模型估计SOH。最后,以美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、美国保险商实验室公司和普渡大学(Underwriters Laboratories Inc.-Purdue University,UL-PUR)的开源数据集和储能电站实测数据进行验证。其中,储能电站数据实验结果表明,TWP-SVR模型的均方根误差(root mean square error,RMSE)、平均绝对误差(mean absolute error,MAE)的样本标准差(sample standard deviation,SSD)小于0.0015,四分位距(inter-quartile range,IQR)小于0.0022;平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)的SSD和IQR分别为0.0152和0.0220,表明所提TWP-SVR方法保持较高准确性的同时具有良好的稳定性。

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    基于三维电化学热耦合析锂模型的锂离子电池参数设计
    马勇, 李晓涵, 孙磊, 郭东亮, 杨景刚, 刘建军, 肖鹏, 钱广俊
    2022 (8):  2600-2611.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0225
    摘要 ( 98 )   HTML ( 22 )   PDF(9151KB) ( 174 )  

    锂离子电池负极析锂可能会诱发热失控,进而导致安全事故。而通过优化电池设计参数能够有效减少析锂副反应的发生,因此本工作提出一种基于三维电化学热耦合析锂模型的锂离子电池参数设计优化方法。首先,将模型参数进行分类,分别采用实验、精确测量、文献查找和参数辨识等方法获取相应的参数。同时加入可逆锂重嵌入机制和产热模型,建立三维电化学热耦合析锂模型。模型建立完成后,对模型精度进行验证,验证结果表明模型可以较好地模拟电池在常温和低温下端电压的变化,并且能够定量描述在低温大倍率充电期间电池内部的析锂程度、温度分布等非均一现象。最后,通过分析电极尺寸和极耳位置,研究电池设计参数对非均一析锂的影响。仿真结果表明:电极长度增加会导致电极区域温度差异和电流密度的不一致性增大,综合影响下使电池析锂时间略有提前,但对电池总体析锂程度影响较小;电池极耳位置处于长度方向的轴线对侧时能够有效缓解负极析锂,相对析锂程度降低了16.7%。

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    绝缘油浸没式冷却小型NCM811动力电池模组的温度场特性实验
    张进强, 王海民, 鲁南
    2022 (8):  2612-2619.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0261
    摘要 ( 82 )   HTML ( 11 )   PDF(2017KB) ( 146 )  

    锂离子电池因具有比能量密度大、放电功率高及生产工艺成熟等优势已成为电动汽车的主要储能单元。但是锂离子电池在充放电过程中会产生大量热,严重影响其运行安全和使用寿命。因此在锂离子电池运行过程中加入热管理系统,对于提高锂离子电池模组运行过程中安全性和使用寿命有重要作用。本工作以21700容量型NCM811锂离子动力电池模组为研究对象,通过实验研究了在不同充放电倍率下,绝缘油浸没式冷却系统在绝缘油静态冷却条件下的油浸没量(VR = 0.2、0.5和1)、环境温度(15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃)以及绝缘油动态冷却条件下油浸没量(VR = 0.2、0.5和1)、流量(3 mL/s、6 mL/s、9 mL/s和12 mL/s)和进出口位置变化对于电池模组温升特性的影响。结果表明,绝缘油浸没式冷却系统的应用对于降低模组最高温度及提高模组温度均匀性效果明显,在绝缘油静态冷却条件下,随着油浸没量增加,热管理效果提升明显,同时热管理效果对于环境温度变化十分敏感;在绝缘油动态冷却条件下,随着油浸没量和流量的增加,以及进出口方式的改变,电池模组热管理效果同样明显提升。

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    基于液冷电池模组的结构优化与热蔓延抑制
    朱佳俊, 张恒运, 徐康迪, 徐屾, 李培超
    2022 (8):  2620-2628.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0231
    摘要 ( 74 )   HTML ( 21 )   PDF(6985KB) ( 81 )  

    本工作通过数值仿真研究了一种新型液冷壳体结构的电池模组热性能,并通过实验测量验证液冷壳体结构的散热和热蔓延抑制特性。模组由4×5颗圆柱电池和液冷壳体组成,壳体内部设计流道提供液冷散热。仿真模型通过建立电池模组的等效电路子模型(ECM)模拟电池产热,研究壳体内部流道排布对热性能影响,以电池模组最高温度、最大温差和进出口压降作为性能评价指标,并引入期望函数以获得优化的壳体流道排布。基于优化的流道组合制备了一进两出的液冷壳体,组装三元18650真实电池模组进行热性能实验研究。研究发现:一进两出结构的热性能优于一进一出结构,3 C放电速率和1 m/s入口流速下与基准案例相比,最优情形1(短边侧一进两出流道排布)的最高温度增加了0.3%,但温差减少了8.87%,压差减少了66.5%。真实电池模组实验中充放电倍率越大,电池温度越高,汇流排焦耳效应影响越大。降低冷却液温度会导致放电时间变短、电池模组能量效率下降。最后采用高功率电池产热模型模拟热失控,实验发现在热失控功率600 W下相邻电池温度在57.4 ℃,不会发生热失控与热蔓延,即新型液冷壳体兼具散热、均温和热蔓延抑制作用。

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    锂离子电容器的热特性及热模型
    闵凡奇, 吕桃林, 付诗意, 张立恒, 党国举, 晏莉琴, 解晶莹, 高云智
    2022 (8):  2629-2636.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0235
    摘要 ( 64 )   HTML ( 17 )   PDF(4785KB) ( 130 )  

    锂离子电容器具有寿命长、兼顾功率密度和能量密度等优点,充分了解其热特性对其广泛应用意义重大。在多种充放电倍率下进行了锂离子电容器的温升测试,并基于MATLAB和COMSOL Multiphysics 5.4软件进行了其热模型建立及研究。结果表明,随着充放电倍率的增大,锂离子电容器的发热量增加;基于MATLAB建立的集总参数热模型可以实现平均绝对误差不超过0.2 ℃的温升模拟;基于COMSOL构建的热模型中,随着放电倍率增加,温度分布差异增大,而将极耳布置方式改为对角布置可减小温度分布差异,使温度分布更加均匀,更有利于其性能发挥。

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    水凝胶对磷酸铁锂电池灭火实验性能
    陆剑心, 张英, 马出原, 邓康, 雷春英
    2022 (8):  2637-2644.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0279
    摘要 ( 64 )   HTML ( 14 )   PDF(6635KB) ( 341 )  

    水系灭火剂因兼具比热容高和隔绝性强的特点,在对锂电池火灾的扑灭过程中相对于其他灭火剂更为高效,然而传统水系灭火剂的保水以及附着能力有待进一步提高。本工作报道一种使用羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)与氯化铝(AlCl3)溶液混合制备的水凝胶络合物灭火剂。温度敏感性研究表明:凝胶分子的亲水性使其表现出保水性强和附着力高的特点,且在低温时有较好的流动性,高温又表现出足够的黏性,在方便使用的同时,又增加了锂电池全面降温效果。为探究水凝胶灭火剂的灭火性能,对磷酸铁锂电池组(LIBs)展开燃烧实验,通过对水凝胶灭火剂使用与否两种情况下的火焰图像、电池高度、燃烧温度等燃烧特性参数进行分析,对水凝胶灭火剂的灭火效果做出评估。结果表明:在喷射灭火剂后,电池组温度迅速降低至热失控温度200 ℃以下;水凝胶灭火剂对射流火焰有一定限制作用,且可以阻碍多个电池间热量传递;在使用水凝胶灭火剂后,电池均未发生复燃,说明水凝胶对锂电池火灾具有较好的灭火效果。

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    电化学储能产业发展对安全标准的需求
    唐亮, 尹小波, 吴候福, 刘鹏杰, 王青松
    2022 (8):  2645-2652.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0305
    摘要 ( 112 )   HTML ( 36 )   PDF(770KB) ( 494 )  

    储能作为新型电力系统的关键组成,市场规模取得了快速增长。在储能产业发展的同时,国内外储能项目事故也在不断发生,大多数是锂离子电池储能事故,引起了社会对储能安全的关切。储能产业亟需明确储能安全标准要求,提升储能产品和项目建设的准入门槛,避免恶性事故再度发生。本工作回顾了近两年国内外储能项目事故情况,统计了事故发生时储能项目所处的状态和储能技术类型,从事故角度分析了相应阶段对储能安全标准的需求。对电力储能系统安全相关标准,本工作重点梳理了主要的IEC标准、美国标准和国内现有的国家标准、地方标准,简要分析了相关标准的要求和特点,最后从储能项目全生命周期的角度总结了设计建设、运输、运维、消防安全、应急救援和退役回收等各阶段储能安全标准有待进一步解决的问题,并对下一步相关工作的开展给出建议,以期推动国内相关标准的完善,为储能产业安全健康发展奠定基础。

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    锂电储能系统热失控防控技术研究进展
    喻航, 张英, 徐超航, 余思瀚
    2022 (8):  2653-2663.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0116
    摘要 ( 278 )   HTML ( 46 )   PDF(3231KB) ( 806 )  

    储能电站锂离子电池火灾事故频发引起了人们对锂离子电池热失控特性和防控技术的关注与重视。本文将储能电站锂离子电池在外部滥用条件下的热失控演化过程划分为3个阶段和6个过程,分别是热失控早期、热失控发生期、火灾初期3个阶段和放热、产气、增压、喷烟、起火燃烧和气体爆炸6个过程。整个演化过程各阶段并不是独立的,而是化学反应重叠交叉进行的。因储能电站火灾与传统火灾燃烧特性差异较大,需根据其热失控演化过程特点提出针对性的防控措施。本文梳理了近年来锂离子电池热失控特性和防控技术的研究进展,对锂离子电池热失控演化过程、监测预警技术、热失控抑制和灭火技术等方面进行了归纳总结与展望。

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    锂离子电池储能系统消防技术的中国专利分析
    曹志成, 周开运, 朱家立, 刘高明, 严慜, 汤舜, 曹元成, 程时杰, 张炜鑫
    2022 (8):  2664-2670.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0253
    摘要 ( 87 )   HTML ( 14 )   PDF(1032KB) ( 131 )  

    以锂离子电池为代表的电化学储能技术当前进入了快速发展期,在我国能源消费结构调整和可再生能源比例提升方面具有重要意义。储能消防技术是锂离子电池储能系统规模化应用的安全保障。为了解储能消防技术的研发现状,本工作以国家知识产权局公布的专利检索与分析系统数据中的储能消防领域专利数据为分析对象,以灭火剂(A62D)、储能用消防装置(A62C)以及储能消防策略和逻辑方法(G06K)为主要内容,探讨了储能消防技术在国内的发展,并从专利年限分布、专利技术分布、专利地域分析及主要申请人4方面进行总结分析。结果表明,储能消防技术及其应用总体呈快速增长态势,其中消防装置研发专利申请占比多,专用灭火剂研发处于高质量发展期,消防机制设计仍处于缓慢增长期。北方地区申请单位以高校和事业单位居多,而南方地区申请单位以商业公司居多,这与电化学储能商业化应用水平是分不开的,总体上储能系统消防技术仍需要主要研发单位的引领探索。可以预见储能系统消防技术专利量仍然会保持发展态势,相关政策及市场结合将持续激发技术研发活力。

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    锂离子电池储能安全技术的发展态势
    霍丽萍, 栾伟玲, 庄子贤
    2022 (8):  2671-2680.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0259
    摘要 ( 110 )   HTML ( 45 )   PDF(2134KB) ( 448 )  

    电池储能是能源利用的重要环节,电池安全性是储能技术应用的前提和保障。为了解锂离子电池储能技术领域的全球发展态势,分析我国的发展现状,发现未来发展方向,本文基于IncoPat专利数据库进行检索,总结全球及中国专利申请数量的变化规律,对比分析专利主要来源国和主要申请人的申请情况及专利价值。基于IPC 技术分类,通过技术主题分布分析专利技术的不同领域分支及技术主题的发展趋势。研究发现,在有关锂离子电池储能应用安全技术的专利申请数量方面,我国和全球的发展态势一致,呈持续增长趋势。虽然来自我国申请人的专利数量最多,但合享价值度高的专利占比少,并且专利布局主要局限于本国,说明我国企业在关键技术的掌控上与日企和美企仍存在较大差距。目前全球该领域的专利研究主题主要分布在电池材料改进、状态监测、故障诊断及早期预警、热管理、电路平衡管理以及防火防爆灭火技术等方面。

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    掺杂技术在锰基层状富锂氧化物正极材料中应用进展
    陈紫莹, 丁翔, 童庆松, 李俊延, 黄景瑜
    2022 (8):  2681-2690.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0284
    摘要 ( 123 )   HTML ( 43 )   PDF(6967KB) ( 227 )  

    锂离子电池(LIBs)凭借能量密度高、能量转换效率高的优势,已成为当今最受欢迎的储能器件。嵌入型正极材料中,锰基层状富锂氧化物xLi2MnO3·(1-x)LiMO2具有最高的放电比容量和高工作电压,但存在结构稳定性差等问题限制其应用在大规模储能领域。本文通过对近期相关文献的探讨,综述了提高富锂正极材料的结构稳定性和电化学性能的策略,回顾了晶格掺杂对锰基层状富锂氧化物正极材料的结构改性设计,分析了锂(Li)位、过渡金属(TM)位和氧(O)位的不同掺杂对其结构和性能的影响,着重介绍了单掺杂和双掺杂两种方法,总结了不同离子在不同位置单掺杂的电化学性能对比,阐述了掺杂后材料的结构变化和影响性能的机制。综合分析表明,晶格掺杂策略对提高循环性能、倍率性能、首次放电容量、首次库仑效率和缓解电压衰减等有显著影响,其中双掺杂的协同效应相比于单掺杂具有更高的结构稳定性和更优异的电化学性能。希望能为富锂相正极材料在下一代高能量密度锂离子电池储能领域的广泛应用提供参考。

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