王培仑 傅春明 张栋
山东电工电气集团有限公司研发中心，山东 济南 250031
摘要：锂离子电池作为电化学储能及新能源汽车的核心部件，其安全性问题受到广泛的关注，本文对锂电池热失控早期预警技术进行研究，通过对锂电池电压、温度及故障产气浓度等多种参量进行一体化监测，综合分析多参数的实时数据及历史信息，确定电池的故障级别及发展趋势；通过综合灭火措施，实现电池故障的及时、有效处置。
关键词：锂离子电池；热失控；安全管理；气体检测
随着锂离子电池技术的发展，其市场需求正在不断扩大，锂离子电池已经在电动汽车、电化学储能等领域得到了广泛应用，但由于能量密度高及特有的电化学特性，锂离子电池在安全性及稳定性方面存在隐患。电池在使用过程中的过充、过放、外部短路等均可导致电池热失控，一旦进入热失控状态，大量释放的热量会导致电池负极SEI膜分解、正极活性物质分解和电解液的氧化分解，产生大量的气体，导致锂离子电池内部气体压力急剧升高，引起电池发生爆炸，进而危害人身及财产安全[1][2]。
1 锂离子电池热失控早期预警技术研究现状
为了提高故障响应速度，目前已有方案在电池管理系统的基础上增加气体检测功能。通过对电池故障机理的研究表明，在电池使用过程中，由于电解液的分解会产生部分气体，尤其在电池过充、过放及内部短路等情况下，会加速电池的产气速度，造成电池失效[4]。电池因受热或内部短路造成热失控情况下，气体的产生要早于电池温度的上升及电压的显著下降[5]。因此，该方案在电池箱内安装气体感测模块，通过感测电池热失控产生气体浓度值，并根据气体浓度值与参考值的比较来确定电池故障级别。
上述气体检测方案一般在电池箱内安装一个或多个气体感测模块，通过检测并分析箱内气体浓度表征电池故障级别。一般情况下，这种方案只对电池产生的单一气体或可燃气体总量进行检测，传感器易受到电池箱内密封材料挥发气体的影响；另外，锂电池的热解气体释放量受电池荷电状态（SOC）、电池温升等因素影响很大[6]，在不同环境下其热解气体的成分及含量变化较大，故采用单一气体作为检测手段，容易造成误报。另外，该方案在电池着火情况下不具备有效的灭火措施，仅将气体浓度值量化为报警级别上传后台系统。
此外，常规模式下电池管理系统在电池出现故障时只能通过切断主接触器隔离电池回路，一旦电池在使用过程中因故障达到热失控状态而起火，电池管理系统缺乏有效的灭火手段；因此，通常在电池系统中单独增加火灾预警及消防防护系统[7]。该系统一般由火灾探测器、消防控制器、灭火装置组成，实时监测电池火灾的相关数据，包括可燃气体、温度等参数，并在火灾发生时，自动启动灭火装置扑灭火灾。
2 电池安全管理系统设计
为了解决上述问题，本文提出一种具备电池故障早期预警功能的电池管理系统及方法，在传统电池管理系统的基础上，改进气体检测方案，提高气体检测灵敏度及精度，并通过实时监测包括电池电压、电流、温度、气体浓度等多种参数，综合分析各参数的历史数据，提高对电池状态预测的准确性；同时增加灭火装置，将灭火功能集成在电池安全管理系统中，这样既可完善电池热失控处置方案，对电池故障进行综合处理，提高灭火响应速度及成功率，又可以借助电池管理系统的计算、处理能力，提高故障判断准确性，防止灭火装置误动作或不动作；籍此做到对电池故障的早期预警、早期处置，增强电池系统的安全性。
文中所述锂离子电池安全管理系统，包括：主控制器MCU、电池电压/温度检测模块、气体浓度检测模块、灭火装置、热管理模块和通信模块。其中，电池电压/温度检测模块检测电池箱内单体电池电压及电池温度，将电压及温度采样值传输给MCU，电池电压/温度检测模块采用凌特LTC6811电池管理芯片及多个布置于电池单体上的温度传感器，每个电池管理芯片可监测多达12节串联电压及5路温度信息，芯片可串联使用，可堆叠式架构能支持几百个电池的监测，温度及电压数据采集后通过芯片内置SPI接口将电池电压/温度信息传输给MCU，MCU根据电池温度值控制热管理模块,对电池进行加热或散热处理。MCU通过气体浓度检测模块检测电池箱内多种可燃气体浓度，并参考电池单体电压、充放电电流、温度等参数，根据多种采样数据综合判定当前电池运行状态，在采样参数数据异常时根据模型识别算法进行特征识别，输出电池故障类型，同时将气体浓度、电池电压、温度值等数据通过通信模块上传至后台系统，供后台系统及时对电池故障进行处理。热管理模块主要用于对电池进行加热或散热处理，保证电池在容许的温度范围内使用。
3 电池安全管理系统策略
电池安全管理系统通过检测多种可燃气体浓度、电池电压/温度、充、放电电流等数据综合分析电池运行状况，并对电池故障做出判断。合理的运行策略既可以提高检测灵敏度及故障发生时的处置成功率，又可以降低误操作的风险，因此，考虑对系统进行如下设计。
在系统上电启动时，首先由MCU控制风扇启动三分钟，用于电池箱内换气，确保电池箱内不积存可燃气体，同时对气体传感器进行开机预热，保证传感器校准时箱内无可燃气体，提高气体检测准确性。系统运行时，分别判断各种气体浓度数据、电池电压、电池温度数据是否超出设定阈值，上述参数均超出设定阈值时，启动灭火装置并上传告警级别；或者，检测到明火或者燃烧现象时，启动灭火装置，并在启动灭火装置时同步断开主继电器、关闭风扇等多种措施提高灭火成功率并降低损失。另外，通过三类气体历史数据拟合出每种气体的浓度变化曲线及其在气体总量中的占比情况，并根据电池SOC及温度变化情况，采用滤波算法排除干扰，通过已建立的电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，输出电池故障级别及发展趋势，由此解决单一气体阈值法所造成的漏报、误报及预警滞后问题。
电池SOC-温度-气体浓度的数学模型的建立方法具体如下：
采用离线参数辨识法对某一类型的电池进行热失控产气测试，测试其在不同SOC及温度环境下产生多种气体的浓度数据和产气占比数据，分别得出SOC-多气体曲线和温度-多气体曲线，利用matlab仿真软件的多项式拟合功能将上述曲线拟合为多阶函数，得到电池SOC-温度-气体浓度的数学模型，并完成模型的参数辨识。
4 结论
锂电池安全管理系统采用多种气体传感器组合的方式对电池故障产生气体进行检测，并对检测气体浓度和成分占比进行分析，综合计算从而准确判断电池故障等级；采用电池电压、充放电电流、温度及故障产气浓度等多种参数综合判断电池当前状态，并对各参数的历史数据进行分析，通过建立的SOC-温度-气体浓度的数学模型，对电池故障进行预测，并通过滤波算法排除采样噪声干扰，有效解决了传统的阈值法监测方式的漏报、误报、预警滞后问题，实现早期可靠预警；系统在热管理、分级报警及控制的基础上增加热熔胶灭火功能，利用电池管理系统对多种参数的检测功能及强大的分析处理能力，综合多种手段，及时准确应对电池热失控状况，提高了电池灭火成功率，减少灭火装置误动作。
参考文献:
[1]何向明，冯旭宁，欧阳明高.车用锂离子动力电池系统的安全性[J].科技导报，2016，34 (6): 32-38.
[2] Wang Q S，Ping P，Zhao X J，et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery [J]. Jour- nal of Power Sources，2012，208: 210-224.
[3] 朱伟杰，史尤杰，雷博.锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计[J].储能科学与技术，2020，1：272-278.