当前位置: 首页 > news >正文

整车——动力电池安全预警

背景

针对新能源电车电池热失控的不安全隐患,研究早期热失控预警模型。

引发锂电热失控的3大触发条件:1、机械滥用(外力机械变形)2、电滥用(过充过放)3、热滥用(BMS温度管理不当)

目标–智能预警大模型

基于数据数据+云平台的早期热失控预警 ==构建特征数据集 + 异常检测 + 建模预测 + 预警

构建特征集

常见的:电压(还OK)、电流、温度(效果一般)、膨胀力、阻值、气体(优秀)、压力(优秀)
常用的预警气体:为 H2、CO、CO2
近年来,电解质挥发气体由于在热失控过程中最先释放出来
而引起了广泛关注,并被证明可提前数小时发出报警信号。
参数变形:平均偏差值、自身差值、熵值特征

  • 特斯拉等厂商通过监测电气隔离电阻、温度、电压等参数,触发降载、冷却或防火措施
  • 特斯拉的BMS通过检监测电池的电气隔离电阻、温度电压等参数在检测到异常时发出警报并采取措施,降低负载、增加冷却或激活防火措施
  • 特斯拉的某些BMS可以通过监测电池包内的压力变化来检测热失控

特征数据预处理
降维(T-SNE或自编码器映射到潜空间),时间间隔(加时间戳)、滤波去噪、归一化

选择依据
1、锂离子电池喷发气体是火灾形成的主要燃烧物质之一,研究其喷发过程可为热失控预警系统和灭火策略提供重要理论基础
2、池内部的压力可以用来反映其内部状态,基于压力来分析电池的喷发过程可能比基于温度的分析更加准确

异常识别现状

锂电池热失控特征参数检测主要分为 基于阈值、基于模型、基于数据驱动。

  • 基于阈值:将动力电池的热失控特征参数与预设阈值参数比较 (缺点:静态,忽略了动力电池运行的动态性,预测的基础不扎实导致预测结果不准确)
    其他方法:计算安全度得分设定阈值、设定动态阈值
  • 基于模型:电化学模型、等效电路模型、电热耦合模型(电热耦合模型对热失控特征参数的识别精度更高)
  • 基于数据驱动:利用机器学习模型(香农熵、波动性等识别异常电芯,或者用各种聚类方法、LOF、3sigma)

在算安全度得分时,综合考虑电池的各种参数、一致性,使用不同特征组合多次评价,累加后取平均值

预测现状

ML预测模型+优化

  • 常用的预测模型:LSTM、Transformer、GRU、BP神经网络、IDBO
    为了减少误差可以从原来的多步预测做直接预测,如Dliner、DLSTM
  • 优化方法:注意力机制、遗传算法、动态阈值、用GNN对全生命周期状态转移建模

预警效果

预警比热失控发生提前的时间从几秒到几小时不等,
例如基于大数据的智能预警可以提前2h46min(GMM+XGBoost+每周增量学习+异常检测时用了多级检测策略对SOH动态评估+贝叶斯+LOF);

基于温度的热失控预警,若使用一般的LSTM做预测可能只能在失控前的秒级给出预警,如LSTM-TCN;

一些先进的气体传感器可以在电热失控发生前5~15min内检测到气体泄漏

基于 气体 、气压

在锂离子电池热失控早期任务中,多项研究表明,基于气体、电池内部压力的分析比起传统的分析BMS的电池温度、电压、电流等信号,可以更准确的预测到热失控,实现有实际价值的早期预警

基于气压的热失控预警要早于基于电池表面温度的预警,甚至可能早于基于产气组分的识别

在这里插入图片描述
锂离子电池在热失控过程中会发生一系列的连锁反应,使得电池内部温度升高,电解质溶剂挥发气体增加,电池内部压力大幅增加,直至安全阀打开或外壳破裂,释放出大量高度易燃的气体,通常这种状态下的温度已经达到自燃温度,气体产物将开始燃烧或发生爆炸。
锂离子电池热失控产气的主要成分为 CO、H2、CO2 和碳氢化合物等
基于 FT-IR 和在线气体分析仪实时检测气体

⚠️随着锂离子电池的循环使用,其内部组件逐渐老化,需要根据电池的实际使用情况制定热失控预警技术,而且,在不同 SOC 的热失控下要选择适合的特征气体成分和含量建立预警机制

热失控机理(气体篇)

当锂离子电池遭遇机械、电、热等滥用情况时,极易引发热失控,电池内部会发生一系列链式反应,迅速释放出大量热量。随着温度的升高,锂离子电池内部通常经历了如下过程:固体电解质界面(Solid Electrolyte Interphase, SEI)膜分解、阳极-电解液反应、阴极-电解液反应、电解液分解反应,以及阳极-粘结剂分解反应。
1、SEI 膜一般在 90~120℃分解,一旦 SEI 膜在高温下分解,暴露出的石墨阳极会再次发生电化学反应生成 SEI 膜;在 120~250℃之间,SEI 膜重分解-再生反应同时发生,这个过程会产生CO2、O2、C2H4等
在这里插入图片描述
2、阳极-电解液反应
由于 SEI 膜的分解,阳极失去保护作用而暴露于电解液中,此时电解液与石墨阳极之间也会发生化学反应,阳极插层锂与电解液反应会释放出易燃的碳氢化合物。当阳极嵌入锂的量越多,化学反应的活化能越低,反应产热量越多。阳极嵌入锂可以和水分发生反应,从而产生 H2;阳极石墨或者炭黑(导电添加剂)可能发生燃烧,生成 CO

3、阴极分解及阴极-电解液反应
随着内部化学反应的进行,温度也随之升高,阴极材料开始发生放热分解反应并释放氧气一般来说,氧气与电解液的放热副反应是造成热失控的主要原因(因为放热较多),而释氧量取决于阴极的锂化状态。阴极不能通过电池放电完全锂化,即使在 SOC 为 0%的情况下,阴极也可能会释放少量氧气。
4、电解液分解反应
电解液反应一般包括锂盐的分解反应及其产物与溶剂的反应、溶剂的氧化反应以及痕量水的电解反应;当温度超过200℃时,有机溶剂将会发生放热分解反应并释放出 CO2、CO、氟化物和碳氢化合物。在高温下,锂盐 LiF6 遇热发生分解或水解,可以与其他有机物质或水发生反应,最终生成 HF(气态 HF 具有超强的毒性和高腐蚀性,会腐蚀电池外壳)。
随着温度升高,电解液会与阴极释放的 O2 发生反应,产生CO和H2O;当氧气含量充足时,会生成CO2和水。

5、阳极-粘结剂分解反应
在温度高于 230℃时,阳极石墨颗粒脱落,锂直接暴露在周围的电解质和粘结剂中,当温度超过 260℃时,发生反应会生成 H2 和氟化物等气体
随着上述锂离子电池内部化学反应的发生和气体分解产物的积累,锂离子电池内部的压力上升,从而触发安全阀的开启,释放出的可燃气体将会进一步增加与热失控相关的危险

总结

由前人的研究成果:电池热失控前主要释放电解液挥发气体,一般也会检测到小部分的 CO、H2、C2H4、CH3OCHO、HF 和 CH3OCH3 。

产气成分分析

不同热失控触发方式下、不同阴极材料下、不同SOC下产气的成分都会有所区别,

  • 过充和过热诱导下的热失控要比其他滥用下的反应更加剧烈和严重,但不同触发方式下的热失控主要产气成分相似
  • 在正常充放电状态下,气体组分与阴极材料无关,仅仅是总量有所不同,主要气体包括 CO2、C2H6、
    C2H4、CH4 和 C2H5F
  • 电池内部能量会随着SOC 的增加而增加,所以热失控的严重程度也将随之加剧,SOC 也会影响锂离子电池热失控过程中排出气体的毒性

电池气体的研究方法

原位光谱/色谱分析法、光纤传感技术、电化学/半导体气体传感器MEMS气体传感器、引压管/内压传感法
光纤传感技术:将空芯光纤植入电池内部,气体扩散进入光纤空芯,激光诱导光热效应,检测相位变化,可识别C₂H₄、CO₂等气体
在这里插入图片描述

电池压力的研究方法

在这里插入图片描述

  • 目前较多研究者采用耐压密封罐体来进行电池热失控实验,通过测量罐内的压力变化,以推测电池热失控的产气速率和产气压
  • 锂离子电池在热失控过程中可能产生 10.3 MPa甚至更高的压力

锂离子电池热失控温度-压力演化特性

实验1:Lei Boxia 等测量了商用 18650 LMO 电池的表面温度和电池内外部压力,他们将引压线直接导入电池内部来测量内部压力。当排气发生时,电池内部的压力约为 1.2 MPa,而外部压力在排气过程中最高可达到 2.1 MPa
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
结论:随着电池内部化学反应产生的气体越来越多,电池内部的压力先缓慢升高,到达峰值后有急速回落,单最终的压力也会比正常压力大,而外部压力则会随着气体的累积,在某一刻突然爆发式升高。温度则是随着反应的发生越来越高

1、基于单一气体(预警效果有限)

黄峥等[182]基于 FT-IR 和 H2 探头实时监测了 86 A·h LFP 电池热失控产气过程,排出气体的主要成分为CO2 和 H2,分别占比 30.15%和 39.5%,其中 H2 排放的时间要早于其他气体成分。
Jin Yang 等[10]开发了一种基于 H2检测微量锂枝晶的方法,后续在电池舱中布置的 H2、CO、CO2、HCl、HF 和 SO2 气体传感器最先检测到 H2,且捕获 H2 的时间比监测到冒烟和着火分别早 639 s 和 769 s
Sun Jie 等[125]利用多气体监测仪对18650 电池安全阀冲爆后的 CO 气体进行检测,通过 CO 的含量突变判断电池是否处于热失控状态,可以实时监测电池安全状态。
而 Liao Zhenghai 等[118]基于 GASTEC 气体检测管检测了热失控后 HF 气体的含量,认为可以基于 HF 的气敏技术建立预警机制。
如果检测到 H2后立即采取措施,在无烟无火的情况下,完全可以阻止锂枝晶的生长,抑制热失控的进程

2、基于多种气体

王志荣等[189]开发了一套基于气体报警的锂离子电池高温预警系统,一旦特征气体 CO 和 H2 的含量达
到 120×10-4%时,装置即发出报警信号。
A. Raghavan等[190]通过在锂离子电池中内置光纤(Fiber Optic, FO)传感器,以监测电池内游离或溶解气体含量的变化,选择 CO2 和碳氢化合物两种气体来反映电池的安全状态。
D. Hill 等[191]利用新型气体传感器检测测试箱体内或气体出口处的气体,结果表明该传感器在热失控发生前 10 min 就提供了预警信号,排气组分包括 CO、CH4、C2H4、C2H6、C3H8、C3H6O3、C5H10O3、HF 及其他 VOC 气体。
王铭民等[192]基于对 LFP 电池过充实验的结果,如图 15 所示,认为 CO2、CO 和 H2 可作为一级预警气体,HF 和HCl 作为二级预警气体。图中 EX(LEL)表示以爆炸下限百分比表示的烃类气体。

3、基于融合技术的早期预警

Wang Qian 等[195]证明了钛酸锂电池内压的升高与下降可分别表征充电过程与放电过程
王春力等[194]将温度与 CO 气体信号结合作为锂离子电池热失控的预警
H. K. Kim 等[150]通过测量镍氢电池的内部压力来估计其运行状态
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

http://www.dtcms.com/a/486493.html

相关文章:

  • 主流神经网络快速应用指南
  • 【Linux系统】系统编程
  • 前端html基础标签
  • 名宿预定系统
  • -rpath-link的用法
  • 创建数据表修改数据表和删除数据表
  • 做设计及免费素材网站有哪些wordpress创建专题
  • 数据结构与算法(串)
  • 《PLECS仿真与实战:从建模到高端应用》-文章目录--点击蓝色目录可跳转到博文
  • 中国开头的网站怎么做网线水晶头接法
  • linux 做网站服装网站首页设计
  • iOS 应用加固与苹果软件混淆全解析 IPA 文件防反编译、混淆加密与无源码加固策略
  • 如果有两个网卡,他们端口都是什么样的? phy
  • LeetCode——Hot 100【​电话号码的字母组合​】
  • SFTP搭建小知识
  • 打印机打印空白如何解决,简单判断打印空白问题并解决
  • IDM下载失败故障排查技术文章大纲
  • 昆明模板建站代理乐亭中关村建站快车
  • 电影网站开发视频制作表格的软件
  • k8s NodePort 类型 Service 无法访问 plugin type=“flannel“ failed (add)
  • 鲲鹏服务器+银河麒麟系统安装KVM
  • 互联网大厂Java面试全解析及三轮问答专项
  • 大宗交易查询平台东莞seo公司首选3火星
  • 制作购物网站教程珠海哪个公司建设网站好
  • Github 的新动作
  • linux离线环境局域网远程ssh连接vscode
  • Electron 从低版本升级到高版本 - 开始使用@electron/remote的改造教程
  • 【源码讲解+复现】YOLOv10: Real-Time End-to-End Object Detection
  • GitHub Spec-Kit:AI 时代的规范驱动开发工具
  • 门户网站建设工作的自查报告wordpress获取链接