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轨道交通车辆用动力锂离子电池的安全设计
2022-01-10 14:36:35· 来源：电动学堂 作者：龙源等
文章来源：１.中车株洲电力机车有限公司２.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心锂离子电池已具备在轨道交通领域应用的能力。与其他领域的电池系统相比，
文章来源：１.中车株洲电力机车有限公司２.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心
锂离子电池已具备在轨道交通领域应用的能力。与其他领域的电池系统相比，轨道交通用电池系统的容量高、电压高、能量多，同时轨道交通车辆速度快、运量大、逃生困难，因此在安全性方面具有更高的要求。目前，针对轨道交通动力电池系统的安全设计和评价技术还不成熟，而电动汽车领域动力电池系统无法完全适用于轨道交通领域。在锂离子电池系统中，安全风险等级划分不清晰，电池本身安全特征与整车安全性能指标要求联系不够密切，无法保证系统安全风险评估和预防措施的有效性，影响锂离子电池在轨道交通领域的应用。
综上所述，有必要针对轨道交通动力锂离子电池应用中的安全问题，开展电池系统安全设计工作。本文作者针对轨道交通电池系统应用中存在的典型风险场景，分析安全设计环节中的主要问题，并提出相应的研究方案。
１轨道交通动力锂离子电池应用安全现状
动力锂离子电池已在电动汽车和储能领域得到广泛应用，在电动汽车上的应用已进入快速商业化推广阶段；而在轨道交通领域，早期多用于地面储能，随着电池性能的不断提升及产业规模的不断扩大，在高铁辅助电源、混合动力驱动动车组、混合动力驱动机车、城市地铁车辆和有轨电车上逐渐开始得到应用。
轨道交通车辆电池系统的安全设计方案相比电动汽车更复杂，安全性要求更高。目前，国内结合轨道交通实际运用环境和工况，并参考电动汽车领域动力电池测试标准框架，制定了轨道交通动力电池系统的系列安全标准，对整车安全要求及设计、电池系统试验、电池系统综合性能评估要求等方面进行了规范。
锂离子电池测试标准安全试验目标是验证产品的安全性能是否满足要求，而不是指导产品安全防护设计，因此在锂离子电池失效机理分析和防护设计方面有提升空间。有必要针对电池系统安全风险的关键问题进行深入研究，提出更全面的储能系统安全评价和防护设计方案。
２电池系统安全风险关键问题
２.１电池系统大面积热失控防护问题
热失控是指电池内部因发生异常反应放热而造成温度不可控上升的过程。轨道交通车辆的动力锂离子电池系统一般由数千乃至数万只单体电池串并联构成，若出现大面积能量单元热失控，将会对电池系统乃至整车安全带来严重影响。轨道交通动力锂离子电池系统安全设计研究的关键，在于控制并阻止电池系统发生大面积的热失控。
图１列举了可能引发电池系统大面积热失控的主要因素。从事故发生原因可以概括为：外短路、过充电、内短路以及其他不可预知的原因。
在不同故障场景下，需要对电池系统进行针对性的防护设计，如外短路可通过增加系统熔断器进行防护，过充电一般通过电池管理系统（ＢＭＳ）进行主动保护；对于内短路等不可预知的故障原因，需增加必要的被动消防措施。在上述防护设计中，仍然存在以下问题：
①针对锂离子电池系统的熔断器匹配选型缺少依据。
轨道交通用电池系统电压等级更高，需要由多个低电压电池单元串联构成。对于多层级、多节点、多能量单元的电池系统而言，需要进行多级熔断防护设计，且不同层级的防护目标、保护时序、能量等级均不相同，必须要考虑熔断器与系统安全设计边界条件的匹配性。
②电池过充电场景下的故障容错时间不清晰。当系统发生ＢＭＳ失效或充电机失控等故障，造成电池过充电时，在不同保护目标下，应充分考虑电池过充耐受程度和性能衰退情况，根据系统安全设计目标，进行过充防护的故障容错时间判定。
③针对锂离子电池热失控风险的等级划分不明确。由于存在内短路等不可预知因素，电池系统存在一定概率的热失控风险。对于不同电池单元类型、不同系统设计以及不同滥用场景，热失控的外部风险特征并不相同。在特定安全目标下，不同的风险等级需对应不同的被动防护设计，以保证电池系统热失控风险控制的有效性。
２.２电池系统防护目标及边界条件控制
２.２.１外短路防护目标及边界条件控制
在锂离子电池系统防护设计中，不起火、不爆炸是防护设计的底线。在实际使用中，某些防护场景不仅要求电池系统不得出现安全风险，还需保证电池性能不发生损伤，其中典型的防护场景为电池外短路防护。锂离子电池系统外短路防护边界如图２所示。
从图２可知，电池外短路防护目标可划分为安全边界和性能边界两种条件。目前，锂离子电池系统外短路防护的主要措施是在电池系统主回路中增加熔断器保护，首要防护目标是保证电池不发生起火、爆炸等安全事故，因此在外短路防护边界中存在安全防护边界。此外，在熔断器熔断过程中，锂离子电池系统同样会在短时内流过大电流，可能会对电池性能产生如材料破坏、产生枝晶等损伤，造成电池性能衰减或安全隐患。对于安全防护等级较高或需再次使用的电池，防护目标应为电池性能不发生损伤，对应存在一个性能防护边界。
目前，研究者针对电池外短路特性进行了相应的试验研究和分析，包括控制锂离子电池的外短路电阻、荷电状态等条件，以限制电池的外短路电流，分析电池外短路全过程中的电流、电压、温度等参数的变化。部分研究学者建立了热电耦合模型，分析电池在外短路过程中的电流和产热速率的特征变化。这些研究方式和结果存在以下问题：
①所有研究测试均采用不可控外短路的方式，即电池从短路开始持续放电，直至电量放完。在实际使用情景中，存在熔断保护装置，熔断时间一般很短，通常为几到几十毫秒。目前，锂离子电池在该时间长度下的短路研究未见报道。
②在现有测试中，受短路电阻和测试对象的限制，短路电流一般为几百安培。在实际使用时，当出现电池系统外短路故障时，电路中电流一般为数千安培。目前的研究性测试中，缺少对该等级短路电流的定量影响分析。
③缺少对于不同类型电池外短路防护边界条件的研究。对于实际应用中大容量、高电压、多层级的电池系统，缺少不同防护等级下的定量研究，对于外短路安全的精准防护设计，缺少理论和设计依据。
２.２.２过充防护目标及边界条件控制
目前，针对过充场景的防护主要依靠ＢＭＳ进行过充阈值保护。ＢＭＳ的过充保护逻辑一般是设置多级故障，分别采取报警、降功率及切除继电器等保护动作。在电动汽车领域，仍存在过充引起大面积电池热失控，进而发生着火甚至爆炸的事故。究其原因，在于过充情景特殊状况下的电池故障容错时间以及防护边界条件设置不合理，比如对于特定电池系统，过充防护的延时应如何要求；在特定充电机参数条件下，当ＢＭＳ或充电机控制指令发生故障时，多长时间内会触发电池安全风险边界而导致事故，备用防护措施预留多长时间等。这些问题，目前了解得均不够清晰。
过充电是锂离子电池触发热失控的一种主要方式。人们对过充电进行了广泛研究，包括不同倍率下过充电触发热失控的表现以及过充电过程中电池电压、温度等变化的情况，并对电池过充电热失控的主要反应进行了分析。目前的研究存在以下不足：
①研究的主要对象为三元正极材料锂离子电池（较易触发热失控）和磷酸铁锂正极锂离子电池，而针对钛酸锂材料的过充电研究很少。为保证系统应用安全，轨道交通目前优先选择钛酸锂正极锂离子电池，其次为磷酸铁锂正极锂离子电池，几乎没有三元正极材料锂离子电池。当前针对电池过充场景的研究，与轨道交通的实际应用情况有偏差。
②当前主要选择持续过充的方式触发电池热失控，而针对锂离子电池在不同深度［过充电压及荷电状态（ＳＯＣ）］、不同次数下定量过充的研究成果很少，因此，对于锂离子电池过充设计中的故障容错时间分析缺少依据。
２.３电池系统安全等级划分
对已开展的锂离子电池安全性测试进行分析可知，目前电池安全性测试结果普遍采用定性分析。即对于电池的安全评价，仍停留在是否通过的定性划分阶段，缺少对于电池系统安全性的层级划分。在实际设计使用中，针对不同的应用场景和安全性需求，应划分不同的安全等级需求，并针对不同的安全目标，提出相应的安全设计方案。
由于电池存在内短路等不可预知的安全隐患，最终有可能出现部分热失控等极端风险。为控制电池热失控的发展和划分风险等级，有必要增加被动防护设计作为防护底线，同时该设计会影响电池系统最终的安全特征，如图３所示。
为了对系统安全性进行等级评价，首先需要对电池系统热失控过程中的众多特征参数进行系统性评价，建立电池热失控风险评价体系。以此为基础，结合锂离子电池系统的安全防护设计特征，如介入时间、降温速率和防火效果等，综合评价电池系统安全性，并建立安全评价体系。
３安全防护设计
３.１电池外短路防护设计研究
锂离子电池外短路防护中，存在两条反时限的防护边界，分别为性能防护边界和安全防护边界。两条防护边界将熔断器的熔断特性划分为３个区间，分别对应熔断保护后无电池性能损伤和安全风险、熔断保护后存在电池性能损伤但无安全风险以及无法进行熔断保护且存在安全风险，具体见图４。
针对电池系统外的短路防护安全设计，需要明确电池性能防护边界和安全防护边界，作为设计依据。对于特定电池类型，需要采用试验测试逼近两条边界条件，即设计电流与熔断时间的正交试验，逐渐逼近并拟合出两条防护边界曲线。测试过程的关键在于搭建时间、电流双重可控的外短路测试平台，通过控制短路极限电阻，实现对电流的控制，同时利用电力电子器件的高频开关特性，实现对短路时间的控制。
由于短路对电池造成的影响存在累积效应，测试过程中可能需要进行多次短路，次数根据安全防护等级和防护目标设定。若电池在短路测试后出现安全问题，则证明已达到安全防护边界；若未出现安全问题，则可对电池进行相应的性能标定测试，研究是否存在性能损伤，判断是否达到电池的性能防护边界。电池外短路防护边界测试流程见图５。
在测试过程中，参考性能测试（ＲＰＴ）主要包括容量测试、内阻测试、容量增量曲线分析和交流阻抗分析等，并结合后续电池内部材料分析的结果，建立电池外部参数与内部材料变化之间的关系，从机理角度解释防护边界选定的原因，以实现通过有限数量的试验，对锂离子电池防护边界的准确拟合。
３.２电池过充防护设计研究
过充防护的研究重点在于锂离子电池在不同条件下对过充风险的耐受程度，分析锂离子电池系统中ＢＭＳ、充电机等出现故障时，电池在特定场景下的过充耐受程度，从而划定过充条件下的安全防护边界和性能防护边界。锂离子电池过充防护的研究测试过程见图６。
图６中：ｎ为过充试验开展的递进步长，Ｎ为过充试验的最大程度。
与电池外短路测试不同，进行电池过充测试时，受试验安全的限制，无法进行容量、容量增量曲线分析和交流阻抗分析等测试。需要进行辅助材料测试，分析电池在过充过程中的结构变化。此外，由于过充后电池内部可能存在体系和能量存储异常，无法直接对全电池进行拆解分析，需要对选定电池进行相应的半电池等效过充测试。可对半电池内部材料进行ＳＥＭ、ＸＲＤ等测试，并结合精修计算，对锂离子电池晶体结构进行分析。综合材料测试和基本性能测试结果，分析电池变化机理，共同确定性能防护边界。
３.３电池热失控风险及安全评价体系
当锂离子电池内部能量异常释放时，会引起温度不可控地急剧上升，从而发生热失控，可能导致起火甚至爆炸。电池发生热失控时，可能存在多种外部表观参数，如温度、电压、火焰、气体和压力等。不同类型电池外在的表现特征和形式，可能受封装、材料、电解液含量、容量等因素的影响，存在差异。
锂离子电池热失控的典型特征参数都具有明显的时间效应。一部分电池在热失控初期即会剧烈释放能量，所有能量可能会在几十甚至几秒内释放完毕，产生剧烈的燃烧和爆炸现象；而某些电池可能在整个热失控过程中存在明显的演变过程，能量初期释放速度较缓慢，后期逐渐加快。不同类型锂离子电池的热失控发展阶段推演规律不同，需要针对具体电池进行典型热失控触发测试，并统计不同边界条件下热失控特征参数的演变规律，从中筛选出可衡量电池风险等级的特征参数，建立分阶段的热失控风险评价体系。
锂离子电池热失控特征参数仅代表本征风险特征。对于系统而言，设计不同的被动消防措施，可对锂离子电池系统发生热失控的风险边界进行控制，因此需要结合电池安全本征和被动防护设计，对电池系统热失控风险进行综合评价，研究思路如图７所示。
从图７可知，统计分析锂离子电池发生热失控的风险特征时，可将电池热失控过程风险进行阶段化分析。不同阶段的锂离子电池热失控风险，对于被动消防设计的需求不同，如消防措施的类型、时间、成本及次生危害等因素，都可能对电池系统整体安全性造成影响。被动消防设计，需要在建立电池热失控风险评价体系和阶段性分析的基础上，针对特定的消防措施进行阶段化的定量测试研究。通过对消防系统进行模型化处理，以各阶段反应过程、发热量及反应时间等参数为依据，分析锂离子电池系统在不同边界条件下的整体安全性。
４结语
与其他类型电池相比，锂离子电池具有明显的性能优势，在当前动力电池技术应用不断成熟的环境下，会在轨道交通领域得到大面积推广和应用。为保证轨道交通领域电池应用安全和车辆的可靠性运行，针对轨道交通应用特点及安全需求的动力锂离子电池应用技术研究必不可少。
本文作者通过对轨道交通电池系统安全设计的研究，梳理动力电池系统的典型故障，并针对该模式下的外短路熔断防护有效性、锂离子电池过充防护有效性进行分析，明确了电池性能防护边界和安全防护边界，提出了锂离子电池外短路熔断防护设计和电池过充防护设计的依据及相应防护边界的测试方法。此外，基于不同边界条件下锂离子电池热失控特征参数的演变规律，提出了电池热失控安全风险评价体系的分析方案以及热失控风险综合评价的研究方法。相关研究，对于轨道交通新能源机车车辆的发展，可起到技术支持和设计指导作用。
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