軌道交通車輛用動力鋰離子電池的安全設計

龍 源,周興振,王占國,張維戈

(1.中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001;2.北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心,北京 100044)

鋰離子電池已具備在軌道交通領域應用的能力。與其他領域的電池系統相比,軌道交通用電池系統的容量高、電壓高、能量多,同時軌道交通車輛速度快、運量大、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的安全設計和評價技術還不成熟,而電動汽車領域動力電池系統無法完全適用于軌道交通領域。在鋰離子電池系統中,安全風險等級劃分不清晰,電池本身安全特征與整車安全性能指標要求聯系不夠密切,無法保證系統安全風險評估和預防措施的有效性,影響鋰離子電池在軌道交通領域的應用。

綜上所述,有必要針對軌道交通動力鋰離子電池應用中的安全問題,開展電池系統安全設計工作。本文作者針對軌道交通電池系統應用中存在的典型風險場景,分析安全設計環節中的主要問題,并提出相應的研究方案。

1 軌道交通動力鋰離子電池應用安全現狀

動力鋰離子電池已在電動汽車和儲能領域得到廣泛應用,在電動汽車上的應用已進入快速商業化推廣階段;而在軌道交通領域,早期多用于地面儲能[3],隨著電池性能的不斷提升及產業規模的不斷擴大,在高鐵輔助電源、混合動力驅動動車組、混合動力驅動機車、城市地鐵車輛和有軌電車上逐漸開始得到應用。

軌道交通車輛電池系統的安全設計方案相比電動汽車更復雜,安全性要求更高。目前,國內結合軌道交通實際運用環境和工況,并參考電動汽車領域動力電池測試標準框架,制定了軌道交通動力電池系統的系列安全標準[4],對整車安全要求及設計、電池系統試驗、電池系統綜合性能評估要求等方面進行了規范。

鋰離子電池測試標準安全試驗目標是驗證產品的安全性能是否滿足要求,而不是指導產品安全防護設計,因此在鋰離子電池失效機理分析和防護設計方面有提升空間。有必要針對電池系統安全風險的關鍵問題進行深入研究,提出更全面的儲能系統安全評價和防護設計方案。

2 電池系統安全風險關鍵問題

2.1 電池系統大面積熱失控防護問題

熱失控是指電池內部因發生異常反應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一般由數千乃至數萬只單體電池串并聯構成,若出現大面積能量單元熱失控,將會對電池系統乃至整車安全帶來嚴重影響。軌道交通動力鋰離子電池系統安全設計研究的關鍵,在于控制并阻止電池系統發生大面積的熱失控。

圖1列舉了可能引發電池系統大面積熱失控的主要因素。從事故發生原因可以概括為:外短路、過充電、內短路以及其他不可預知的原因。

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

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

①針對鋰離子電池系統的熔斷器匹配選型缺少依據。軌道交通用電池系統電壓等級更高,需要由多個低電壓電池單元串聯構成。對于多層級、多節點、多能量單元的電池系統而言,需要進行多級熔斷防護設計,且不同層級的防護目標、保護時序、能量等級均不相同,必須要考慮熔斷器與系統安全設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。當系統發生BMS失效或充電機失控等故障,造成電池過充電時,在不同保護目標下,應充分考慮電池過充耐受程度和性能衰退情況,根據系統安全設計目標,進行過充防護的故障容錯時間判定[5]。

③針對鋰離子電池熱失控風險的等級劃分不明確。由于存在內短路等不可預知因素,電池系統存在一定概率的熱失控風險。對于不同電池單元類型、不同系統設計以及不同濫用場景,熱失控的外部風險特征并不相同。在特定安全目標下,不同的風險等級需對應不同的被動防護設計,以保證電池系統熱失控風險控制的有效性。

2.2 電池系統防護目標及邊界條件控制

2.2.1 外短路防護目標及邊界條件控制

在鋰離子電池系統防護設計中,不起火、不爆炸是防護設計的底線。在實際使用中,某些防護場景不僅要求電池系統不得出現安全風險,還需保證電池性能不發生損傷,其中典型的防護場景為電池外短路防護。鋰離子電池系統外短路防護邊界如圖2所示。

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

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

目前,研究者針對電池外短路特性進行了相應的試驗研究和分析,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、溫度等參數的變化[6-8]。部分研究學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熱速率的特征變化[9-11]。這些研究方式和結果存在以下問題:

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放電,直至電量放完。在實際使用情景中,存在熔斷保護裝置,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,當出現電池系統外短路故障時,電路中電流一般為數千安培[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邊界條件的研究。對于實際應用中大容量、高電壓、多層級的電池系統,缺少不同防護等級下的定量研究,對于外短路安全的精準防護設計,缺少理論和設計依據。

2.2.2 過充防護目標及邊界條件控制

目前,針對過充場景的防護主要依靠BMS進行過充閾值保護。BMS的過充保護邏輯一般是設置多級故障,分別采取報警、降功率及切除繼電器等保護動作。在電動汽車領域,仍存在過充引起大面積電池熱失控,進而發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邊界條件設置不合理,比如對于特定電池系統,過充防護的延時應如何要求;在特定充電機參數條件下,當BMS或充電機控制指令發生故障時,多長時間內會觸發電池安全風險邊界而導致事故,備用防護措施預留多長時間等。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熱失控的一種主要方式。人們對過充電進行了廣泛研究,包括不同倍率下過充電觸發熱失控的表現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進行了分析[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]。為保證系統應用安全,軌道交通目前優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。當前針對電池過充場景的研究,與軌道交通的實際應用情況有偏差。

②當前主要選擇持續過充的方式觸發電池熱失控,而針對鋰離子電池在不同深度[過充電壓及荷電狀態(SOC)]、不同次數下定量過充的研究成果很少,因此,對于鋰離子電池過充設計中的故障容錯時間分析缺少依據。

2.3 電池系統安全等級劃分

對已開展的鋰離子電池安全性測試進行分析可知,目前電池安全性測試結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,缺少對于電池系統安全性的層級劃分。在實際設計使用中,針對不同的應用場景和安全性需求,應劃分不同的安全等級需求,并針對不同的安全目標,提出相應的安全設計方案。

由于電池存在內短路等不可預知的安全隱患,最終有可能出現部分熱失控等極端風險。為控制電池熱失控的發展和劃分風險等級,有必要增加被動防護設計作為防護底線,同時該設計會影響電池系統最終的安全特征,如圖3所示。

圖3 電池熱失控風險與被動防護安全設計關系Fig.3 Relation between battery thermal runaway risk and passive protection safety design

為了對系統安全性進行等級評價,首先需要對電池系統熱失控過程中的眾多特征參數進行系統性評價,建立電池熱失控風險評價體系。以此為基礎,結合鋰離子電池系統的安全防護設計特征,如介入時間、降溫速率和防火效果等[17],綜合評價電池系統安全性,并建立安全評價體系。

3 安全防護設計

3.1 電池外短路防護設計研究

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

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

針對電池系統外的短路防護安全設計,需要明確電池性能防護邊界和安全防護邊界,作為設計依據。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邊界曲線。測試過程的關鍵在于搭建時間、電流雙重可控的外短路測試平臺,通過控制短路極限電阻,實現對電流的控制,同時利用電力電子器件的高頻開關特性,實現對短路時間的控制。

由于短路對電池造成的影響存在累積效應,測試過程中可能需要進行多次短路,次數根據安全防護等級和防護目標設定。若電池在短路測試后出現安全問題,則證明已達到安全防護邊界;若未出現安全問題,則可對電池進行相應的性能標定測試,研究是否存在性能損傷,判斷是否達到電池的性能防護邊界。電池外短路防護邊界測試流程見圖5。

圖5 外短路防護邊界測試流程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、內阻測試、容量增量曲線分析和交流阻抗分析等,并結合后續電池內部材料分析的結果[18-19],建立電池外部參數與內部材料變化之間的關系,從機理角度解釋防護邊界選定的原因,以實現通過有限數量的試驗,對鋰離子電池防護邊界的準確擬合。

3.2 電池過充防護設計研究

過充防護的研究重點在于鋰離子電池在不同條件下對過充風險的耐受程度,分析鋰離子電池系統中BMS、充電機等出現故障時,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邊界和性能防護邊界。鋰離子電池過充防護的研究測試過程見圖6。

圖6 過充防護設計測試流程Fig.6 Testing process of overcharge protection design

圖6中:n為過充試驗開展的遞進步長,N為過充試驗的最大程度。

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

3.3 電池熱失控風險及安全評價體系

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

鋰離子電池熱失控的典型特征參數都具有明顯的時間效應。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釋放完畢,產生劇烈的燃燒和爆炸現象;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展階段推演規律不同,需要針對具體電池進行典型熱失控觸發測試,并統計不同邊界條件下熱失控特征參數的演變規律,從中篩選出可衡量電池風險等級的特征參數,建立分階段的熱失控風險評價體系。

鋰離子電池熱失控特征參數僅代表本征風險特征。對于系統而言,設計不同的被動消防措施,可對鋰離子電池系統發生熱失控的風險邊界進行控制,因此需要結合電池安全本征和被動防護設計,對電池系統熱失控風險進行綜合評價,研究思路如圖7所示。

圖7 電池系統熱失控風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,統計分析鋰離子電池發生熱失控的風險特征時,可將電池熱失控過程風險進行階段化分析。不同階段的鋰離子電池熱失控風險,對于被動消防設計的需求不同,如消防措施的類型、時間、成本及次生危害等因素,都可能對電池系統整體安全性造成影響。被動消防設計,需要在建立電池熱失控風險評價體系和階段性分析的基礎上,針對特定的消防措施進行階段化的定量測試研究。通過對消防系統進行模型化處理,以各階段反應過程、發熱量及反應時間等參數為依據,分析鋰離子電池系統在不同邊界條件下的整體安全性。

4 結語

與其他類型電池相比,鋰離子電池具有明顯的性能優勢,在當前動力電池技術應用不斷成熟的環境下,會在軌道交通領域得到大面積推廣和應用。為保證軌道交通領域電池應用安全和車輛的可靠性運行,針對軌道交通應用特點及安全需求的動力鋰離子電池應用技術研究必不可少。

本文作者通過對軌道交通電池系統安全設計的研究,梳理動力電池系統的典型故障,并針對該模式下的外短路熔斷防護有效性、鋰離子電池過充防護有效性進行分析,明確了電池性能防護邊界和安全防護邊界,提出了鋰離子電池外短路熔斷防護設計和電池過充防護設計的依據及相應防護邊界的測試方法。此外,基于不同邊界條件下鋰離子電池熱失控特征參數的演變規律,提出了電池熱失控安全風險評價體系的分析方案以及熱失控風險綜合評價的研究方法。相關研究,對于軌道交通新能源機車車輛的發展,可起到技術支持和設計指導作用。