Safety detection and verification of energy storage in lithium-ion battery based on fire fault tree model

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0039

Abstract

Abstract:

Large-scale energy storage applications require high safety measurements for lithium-ion batteries. Thus, the safety detection technology of lithium-ion batteries for energy storage should be fully explored to improve the safety performance of batteries. As the first national standard for energy storage batteries in China, GB/T 36276—2018 “Lithium ion battery for electrical energy storage" estimates whether the specified safety test provisions are scientific and reasonable and whether the test methods are feasible and need to be verified. First, based on the safety accident promotion factors of lithium batteries, this study decomposes the necessary fire factors via the fire accident tree principle. Then the Boolean algebraic algorithm is used to simulate and scientifically propose the safety detection items of energy storage batteries. The results are compared and analyzed with the national standard GB/T 36276—2018, which verifies the scientific rationality of the current national standard terms. Finally, based on the test platform, 14 safety testing experiments are performed on lithium-ion batteries for energy storage in different systems, such as lithium ternary, lithium titanate, lithium iron phosphate, and lithium manganate, to verify the proposed test items. The operability and feasibility of the safety test clauses in the national standard GB/T 36276—2018 have been verified for the first time at home and abroad, providing basis and data support for revising the new version of the national standard GB/T 36276.

Key words: energy storage, lithium ion battery, safety, testing, standard

CLC Number:

F 407.61

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Figures/Tables 12

Fig. 1

Fig. 2

Table 1

Table 2

Table 3

Table 4

Fig. 3

Fig. 4

Table 5

Table 6

Table 7

Table 8

References 19

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基本事件组合	测试项目	测试对象	测试目的	仪器设备
x₁x₄x₇x₈x₁₂	过充电	储能电池单体、模块	模拟发生过充电的安全性	充放电设备
x₁x₄x₅x₆x₈x₁₂	过放电	储能电池单体、模块	模拟发生过放电的安全性	充放电设备
x₁x₄x₅x₆x₈x₁₅	短路	储能电池单体、模块	模拟发生短路时的安全性	短路试验测试系统
x₁x₄x₅x₆x₈x₁₁x₁₃x₁₄	挤压	储能电池单体、模块	模拟外力挤压时的安全性	挤压测试系统
x₁x₄x₅x₆x₈x₁₃x₁₄	震动	储能电池单体、模块	模拟不可抗拒因素或地质灾害等引起的安全性问题	震动测试系统
x₁x₄x₅x₆x₈x₁₁x₁₃x₁₄	冲击	储能电池单体、模块	模拟不可抗拒因素或地质灾害等引起的安全性问题	冲击测试系统
x₁x₄x₅x₆x₈x₁₁x₁₃x₁₄	跌落	储能电池单体、模块	模拟安装或维修时造成的自由跌落	跌落测试系统
x₁	低气压	储能电池模块	模拟在高空低气压运输或运行时的安全特性	低气压箱
x₁	盐雾	储能电池单体	模拟在海边高盐雾地区的使用情况	盐雾箱
x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₈x₁₀x₁₅	热失控	储能电池单体	模拟电池单体发生热失控时的安全性	加速量热仪
x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₈x₁₀x₁₅	热失控扩散	储能电池模块	模拟电池单体发生热失控时，触发电池模块系统内相邻或其他部位电池单体热失控的现象	加速量热仪
x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₈x₁₀x₁₅	灼燃试验	储能电池单体	模拟外部缆线及其他零件燃烧对单体电池的影响	灼燃测试平台
x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₈x₁₀x₁₅	火烧试验	储能电池模块	模拟泄漏电解液燃烧或其他电池热失控对上层电池安全性的影响	火烧试验系统

测试对象	测试项目	测试方法及要求
电池单体	过充电	充电至电压达到充电终止电压的1.5倍或时间达到1 h，不应起火、爆炸。
	过放电	放电至时间达到90 min或电压达到0 V，不应起火、爆炸。
	短路	正负极经外部短路10 min，不应起火、爆炸。
	挤压	挤压至电压达到0 V或变形量达到30%或挤压力达到(13±0.78) kN，不应起火、爆炸。
	跌落	正极或负极端子朝下从1.5 m高处自由跌落到水泥地面上1次，不应起火、爆炸。
	低气压	在低压环境中静置6 h，不应起火、爆炸、漏液。
	加热	以5 ℃的速率由环境温度升至(130±2) ℃并保持30 min，不应起火，爆炸。
	热失控	触发电池达到热失控的判定条件，不应起火、爆炸。
电池模块	过充电	充电至任一电池单体电压达到充电终止电压的1.5倍或时间达到1 h，不应起火、爆炸。
	过放电	放电至时间达到90 min或任一电池单体电压达到0 V，不应起火、爆炸。
	短路	正负极经外部短路10 min，不应起火、爆炸。
	挤压	挤压至变形量达到30%或挤压力达到(13±0.78) kN，不应起火、爆炸。
	跌落	正极或负极端子朝下从1.2 m高度处自由跌落到水泥地面上1次，不应起火、爆炸。
	盐雾与高温高湿	在海洋性气候条件下应满足盐雾性能要求，在喷雾-贮存循环条件下，不应起火、爆炸、漏液，外壳应无破裂现象；在非海洋性气候条件下应满足高温高湿性能要求，在高温高湿贮存条件下，不应起火、爆炸、漏液，外壳应无破裂现象。
	热失控扩散	特定位置的电池单体触发达到热失控的判定条件，不应起火、爆炸，不应发生热失控扩散。

电池编号	产品所属系别	电池类型	额定电压/V	额定容量/Ah	内阻/mΩ	充电终止电压/V	放电终止电压/V	质量/g
1#	磷酸铁锂	能量型	3.2	100	<1.0	3.65	2.50	2670
2#	磷酸铁锂	能量型	3.2	120	<1.0	3.65	2.50	2850
3#	钛酸锂	能量型	2.5	10	<1.2	2.7	1.5	287
4#	三元	能量型	3.7	26	<1.2	4.2	3.0	585
5#	锰酸锂	能量型	3.7	35	<1.2	4.2	2.7	810

样品编号	产品所属系别	电池类型	电池能量 /Wh	电池功率 /W	连接方式	额定电压 /V	额定容量 /Ah	充电终止电压 /V	放电终止电压 /V	外形尺寸 (长×宽×高)/mm
1#	磷酸铁锂	能量型	1920	860	5串1并	16	120	单体3.75	单体2.50	195×200×167
2#	磷酸铁锂	能量型	640	640	9串	26.4	50	单体3.75	单体2.50	440×85×54
3#	三元	功率型	38070	3807	—	141	271	单体4.20V	单体2.75	1200×1000×870
4#	三元	功率型	148	148	2并	3.7	40	单体4.20V	单体2.75	230×165×25
5#	磷酸铁锂	功率型	265	265	7串	23.1	11.5	单体3.65	单体2.50	192×63×47

编号	试验项目	样品种类	电池数量
1	过充	磷酸铁锂电池单体、三元电池单体	2 2
2	过放	磷酸铁锂电池单体	2
3	短路	磷酸铁锂电池单体及模块	各2
4	挤压	磷酸铁锂电池单体	2
5	针刺	锰酸锂电池单体三元电池模块	2 2
6	跌落	磷酸铁锂电池模块	2
7	振动	磷酸铁锂电池模块	2
8	盐雾	磷酸铁锂电池模块三元电池模块	2 2
9	高空低气压	磷酸铁锂电池单体	2
10	温度冲击	磷酸铁锂电池单体	2
11	绝热温升试验	磷酸铁锂电池单体	2
12	热失控	磷酸铁锂电池单体	2
13	热失控扩散	磷酸铁锂电池模块	2
14	灼燃	钛酸锂单体	2