{{{sourceTextContent.title}}}

Sicherheitstest für Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Sicherheitstest für Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme

{{{sourceTextContent.description}}}

Mit dem zunehmenden Einsatz großer Lithium-Ionen-Batteriepakete im Stromnetz wird der Brandschutz bei Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersystemen immer wichtiger. Bei dem Experiment zum thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien wurde eine geringe Menge brennbarer Gase festgestellt. Durch die Analyse der Zusammensetzung des ausgetretenen Gases können der CO-Gehalt und die Systemtemperatur als Hauptgrundlage für die Systemwarnung verwendet und ein Mechanismus zum Schutz vor thermischem Durchgehen für Lithium-Ionen-Batterien eingerichtet werden.

Das Lithium-Ionen-Batterie-Thermal-Runaway-Warnsystem wurde dem Energiespeichersystem hinzugefügt, und in Kombination mit dem mehrstufigen Schutzmechanismus und der Sicherheitsverknüpfungstechnologie wurde der Gesamtrahmen des auf dem Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersystem basierenden Brandsicherheitssystems entworfen. Die Komponenten, die Kommunikation und die Personensicherheit im Brandschutzsystem wurden ausgearbeitet. Dieses System kann den thermischen Runaway-Status von Lithium-Ionen-Batterien genau überwachen und Brandschutzvorrichtungen schnell miteinander verbinden, wodurch die Sicherheit und Stabilität des Batteriespeichersystems während des Betriebs erheblich verbessert wird.

1 Forschung zu Identifizierungsmethoden für Thermal Runaway

Die Forschung über das Brandschutzsystem von Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersystemen basiert auf der Identifizierung der thermischen Durchschlagseigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien. Gegenwärtig werden im In- und Ausland hauptsächlich Methoden zur frühzeitigen Erkennung des thermischen Durchgehens angewandt:

① Erfassung von Schlüsseldaten wie Temperatur, Spannung und Strom der Batterie durch das Batteriemanagementsystem BMS zur Beurteilung und Untersuchung

② Methode zur Messung des Drucks auf die Batteriemodule mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen-Sensoren;

③ Verfahren zur Erkennung des thermischen Durchgehens zur Ermittlung des Innenwiderstandswertes von Batterien;

③ Verfahren zur Bestimmung des thermischen Durchgehens durch Sammeln von ausgetretenem Gas aus Batterien und Analysieren der Gaszusammensetzung und des Gasgehalts.

Methode ①: Wenn sich das Batteriemanagementsystem einmal aufgehängt hat, verliert es die Fähigkeit, thermisches Durchgehen zu erkennen. Verglichen mit den Methoden ② und ③ ist die Gasdetektion die effektivste Frühwarnmethode für das thermische Durchgehen von Batterien, die eine rechtzeitige und schnelle Warnung liefern kann, wenn eine einzelne Batterie thermisches Durchgehen erlebt. Daher ist die bevorzugte Methode zur Analyse und Identifizierung von Thermal-Runaway-Gasen die Gasdetektion.

Analyse und Erforschung von Thermal-Runaway-Gasen

Das Austreten von brennbaren Gasen und chemische Reaktionen gehen mit dem gesamten Prozess des thermischen Durchgehens der Batterie einher. Die Umgebung, in der sich die Batterien im Energiespeichersystem befinden, ist unter normalen Umständen relativ stabil, aber sobald die Batterien ein thermisches Durchgehen erzeugen, treten unweigerlich anormale Parameter wie Temperatur, Gas und Lichtintensität im Energiespeichersystem auf.

Das Hauptproblem bei den Sicherheitsmechanismen für das thermische Durchgehen von Batterien ist die genaue Bestimmung der Gaswerte in den frühen Stadien des thermischen Durchgehens. Gasparameter können den Zustand des thermischen Durchgehens der Batterie genau anzeigen und Fehleinschätzungen, die durch die Arbeitsumgebung der Batterie selbst verursacht werden, wirksam vermeiden. Die frühzeitige und wirksame Warnmethode für das thermische Durchgehen der Batterie ist die Gasüberwachung, und die Auswahl von Gasdetektoren steht im Mittelpunkt der Forschung.

2 Experiment zur Extraktion von Thermal Runaway Gas

(1) Die Erwärmung führt zu einem thermischen Runaway-Gas-Extraktionsversuch.

1) Aufbau des Schemas.

Um zu verhindern, dass die Ausdehnung und Verformung der Lithiumbatterie zu einem unzureichenden Kontakt zwischen dem Heizelement und der Batteriehülle führt, was zu einem Wärmeverlust des Heizelements führt und dazu, dass die Temperatur der Batterie nicht den Thermal-Runaway-Standard erreicht, was sich auf den experimentellen Effekt auswirkt, ist es notwendig, die Batterie und das Heizelement während des gesamten experimentellen Prozesses aneinander zu befestigen; Verwendung von Temperatursensoren zur Überwachung der Echtzeit-Temperatur des Heizelements und der Batterie und Anordnung von Geräten zur Überwachung des thermischen Durchgehens der Batterie um und auf der Versuchsbox, um Schlüsselparameter wie Gas, Rauch und Temperatur in Echtzeit in der Versuchsbox zu überwachen und zu speichern; Um ein visuelles Verständnis des thermischen Durchgehens der Batterie während des gesamten Versuchsablaufs zu erhalten und den Versuchsablauf zu kontrollieren, wurde eine Mikrokamera zur Aufzeichnung des Versuchs verwendet. Wenn beobachtet wurde, dass sich das explosionssichere Ventil der Batterie aufgrund der hohen Temperatur öffnete, wurde die Erwärmung sofort gestoppt; Verwenden Sie eine Probenahmepumpe, um genügend Gas in einen sicheren Bereich abzulassen, und sammeln und versiegeln Sie das Gas, nachdem es sich abgekühlt und stabilisiert hat.

2) Experimentelle Ergebnisse.

Aus den Gaskonzentrationsdaten im Experiment geht hervor, dass in der Anfangsphase der Batterieerwärmung aufgrund der Temperatur, die den Schwellenwert des Überdruckventils der Lithiumbatterie nicht erreicht, ein gleichmäßiger Anstieg der Gaskonzentration festgestellt wurde; wenn die Temperatur der Lithiumbatterie den Schwellenwert des Überdruckventils erreicht, steigt die Gaskonzentration stark an. Durch die Analyse kann festgestellt werden, dass eine bestimmte Art von Gaskonzentrationswert verwendet werden kann, um den frühen Zustand des thermischen Durchgehens von Lithiumbatterien zu beurteilen. Die ausgewählte Gasart muss folgende Anforderungen erfüllen: geringer Anteil in der Luft, niedrige Kosten für die quantitative Erfassung und die Fähigkeit, signifikante Veränderungen in der Konzentration dieser Gasart nach dem thermischen Durchgehen der Batterie zu erkennen

.

(2) Eine Überladung führt zu einem Experiment zur Gasextraktion durch thermisches Durchgehen.

Versuchsplan. In diesem Experiment wurde eine 150A - h Lithiumbatterie mit einem Konstantstromladegerät überladen. Mit Hilfe des gezeigten Gassammelgeräts= wurde das in Abständen von 10 ℃ zwischen 60~100 ℃ erzeugte Gas entnommen und gesammelt, und die Änderungen der Batterietemperatur und des Batteriezustands wurden detailliert aufgezeichnet.

(3) Experimentelle Schlussfolgerung

Alle Gasproben, die in diesem Kapitel des Experiments gesammelt wurden, wurden auf ihre Gaszusammensetzung analysiert. Aus den Daten geht hervor, dass sich die Werte von Stickstoff und Sauerstoff während des Versuchsprozesses nicht wesentlich ändern. Kohlendioxid ist einer der Hauptbestandteile der Atmosphäre, so dass diese drei Gasarten keinen signifikanten Referenzwert haben. Die Analyse- und Überwachungskosten für olefinische Gase sind relativ hoch und eignen sich nicht für eine Förderung. Daher eignet sich Kohlenmonoxidgas, dessen Gehalt sich vor und nach dem Experiment erheblich ändert und das leicht zu überwachen und zu analysieren ist, für die Frühwarnung bei thermischem Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien. Um die Alarmgenauigkeit zu verbessern und Fehlalarme und Auslassungen zu vermeiden, werden Kohlenmonoxidgehalt und Temperaturdaten in Kombination betrachtet.

3 Anwendungsdesign des Brandsicherheitssystems

3.1 Mehrstufiger Schutzmechanismus

Der mehrstufige Schutz bezieht sich auf die Trennungserkennung und die Schutzmethode für verschiedene Teile der Batterie, insbesondere für den internen Teil der Batterie, den eingeschlossenen Batterie-Cluster und das Batteriefach, mit dem Ziel einer rechtzeitigen und schnellen Warnung im Falle eines thermischen Durchgehens einer einzelnen Batterie. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie thermisch durchbrennt, kann es zum Auslaufen von Elektrolyt kommen, was zu Hochspannung, Isolationsversagen, indirektem Stromschlag, Feuer und anderen Gefahren in Stromnetzgeräten führen kann.

Die Überwachung innerhalb des einzelnen Batteriepakets kann bei anormalen Batteriezuständen wie Elektrolytaustritt und thermischem Durchgehen so früh wie möglich Alarm schlagen und gefährliche Situationen rechtzeitig kontrollieren, bevor es zu einer thermischen Diffusion kommt. Wenn bei einer einzelnen Batterie ein thermisches Durchgehen auftritt, kann der Detektor im Inneren des Batteriesatzes in einem Feuerlöschsystem installiert werden, in dem die thermische Diffusion keine Verbindung herstellt. Bei Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien ist der erste Brand leicht zu löschen oder zu unterdrücken. Bei Lithium-Ionen-Energiespeichern ist der Einbau und die Verwendung eines Detektionscontrollers im Batteriepack besonders wichtig. Das Brandschutzsystem von Energiespeicherkraftwerken muss einen hierarchischen Warnmechanismus implementieren, eine mehrstufige Brandbekämpfungskontrolle einführen, das Risiko eines Großbrandes im Energiespeichersystem verringern und die Sicherheit des Energiespeichersystems wirksam gewährleisten.

3.2 Referenzschwelle des Detektors

Der Gas-Feuermelder wählt zwei Parameter aus: den Zähler des Batteriepacks und die Kohlenmonoxidkonzentration im Inneren des Batteriepacks für eine zusammengesetzte Erkennung, um ein umfassendes Urteil über den thermischen Durchschlag und die Brandsituation der Lithiumbatterie zu fällen und Fehlalarme und Auslassungen des Systems zu vermeiden. Wenn die Oberflächentemperatur der Batterie 60 ℃ erreicht, erkennt der Gassensor Kohlenmonoxidgas, und die Konzentration steigt allmählich an, wodurch die Batterie eine leichte Ausbeulung erfährt. Die Gaserkennung kann die Gaskonzentration und die Konzentrationsanstiegsrate ausgleichen und so die Erkennungsgenauigkeit verbessern.

3.3 Hauptkomponenten des Brandsicherheitssystems

(1) Steuerung des Hosts. Der Steuerrechner ist eine der Kernkomponenten des Brandschutzsystems und verantwortlich für die Verknüpfung des Brandschutzsystems, die Echtzeit-Analyse und die Verarbeitung der gesammelten Daten; er bietet mindestens vier Arten von Kommunikationsschnittstellen: Ethernet, Controller Area Network (CAN), RS485-Kommunikationsnetz und potentialfreier Kontakt.

(2) Sensoren. Die Sensoren sind für die Erfassung von Parametern wie Batterietemperatur, Kohlenmonoxidgaskonzentration und Rauchkonzentration verantwortlich und übertragen die Daten an den Host, um eine umfassende Beurteilung des thermischen Durchgehens und der Brandbedingungen von Lithiumbatterien zu ermöglichen.

(3) Alarmeinrichtungen. Im Falle eines thermischen Durchgehens der Batterie oder sogar einer Brandgefahr kann der Host die Arbeiter rechtzeitig durch Ton- und Lichtalarme sowie durch Gasversprühungsanzeiger warnen, die innerhalb und außerhalb der Station angebracht sind.

(4) Benutzergesteuerte Schalter. Zu den benutzerbetätigten Schaltern gehören Not-Start/Stopp-Schalter und automatische manuelle Umschalter.

3.4 Gestaltung der Kommunikation des Brandschutzsystems

Die Gestaltung der Kommunikationsleitungen umfasst die folgenden Aspekte:

① Es muss eine Leitung zwischen dem Brandschutzsystem und dem BMS vorhanden sein, die im Brandfall kommunizieren kann;

② Es gibt eine Kommunikationsleitung zwischen dem Detektionsgerät und dem Backend-Anzeigesystem, um die gesammelten Daten für das Personal anzuzeigen;

③ Es gibt eine Kommunikationsleitung zwischen der Klimaanlage der Station und dem BMS, um sicherzustellen, dass die Klimaanlage ausgeschaltet wird, wenn die Feuerlöschanlage aktiviert wird.

3.5 Sicherheitsvorkehrungen für das Personal

(1) Manueller automatischer Modus. Das Brandschutzsystem kann unabhängig zwischen manuellem und automatischem Modus wählen. Ist das System im automatischen Modus, bestimmen die vom Host erhaltenen Daten, ob die Feuerlöschanlage gestartet wird; ist das System im manuellen Modus, wird die Feuerlöschanlage vom Personal gesteuert, um die Sicherheit des Wartungspersonals in der Station zu gewährleisten.

(2) Verzögerter Startmodus der Feuerlöschanlage. Wenn die Feuerlöscheinrichtungen aktiviert werden, wird die Verzögerungszeit entsprechend der Situation vor Ort angepasst, um dem Personal die notwendige Zeit für die Evakuierung zu geben.

4 Schlussfolgerung

Auf der Grundlage der Analyse der charakteristischen Parameter des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien schlägt dieser Artikel ein Gasdetektions- und Warngerät vor, das auf dem Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersystem basiert, und entwirft ein mehrstufiges Warn- und Schutzverknüpfungssystem, um sicherzustellen, dass der thermische Durchgangszustand von Lithium-Ionen-Batterien schnell und genau detektiert und mit Feuerlöscheinrichtungen verknüpft werden kann, wodurch die Sicherheit des Batterie-Energiespeichersystems erheblich verbessert wird.