一种锂离子电池危险性评估方法与流程

本发明涉及电池危险性评估的技术领域，具体涉及一种用于定量评估电池所处工作环境的安全性的方法。

背景技术：

随着人们生活要求的日益提高，锂离子电池在大规模应用上需要更快的充放电倍率和更大的容量。而这些因素的增加会极大的影响电池本身的安全性。例如电池在充放电循环过程中会产生大量的热量，加之空间受限和时间积累的效应，易引发单体电池的温度升高，当超过电池正常工作温度范围后，单体电池内部材料会发生分解，提高电池内部的压力。如果温度不能及时控制，会引发电池的热失控。而这类热失控风险对于装载大量锂离子电池单元的电动汽车、储能电站等是不能容许的。

目前有关于锂离子电池引发的安全事故被诸多媒体报导，如三星galaxynote7爆炸事故，特斯拉电动汽车着火事故等。电池的安全事故的发生易造成消费者的恐慌，对生产商经济效益产生巨大影响。科学合理的评估电池的危险性，有益于生产厂商能定量的评估出电池的安全系数，针对该安全系数制定安全标准。锂离子电池在国标gb6944-2012中被分为第9类“其他类”。然而该分类过于广泛，很难给予电池行业合适的安全规范。本发明通过定量化处理电池发生危险事故的各个事件，提出评价电池危险性的风险计算方法，并根据该计算方法提出如何给予相应的安全阈值。

技术实现要素：

本发明的目的是评估锂离子电池在特定的工作环境下的危险性，评估电池在该工作场合下是否处于安全风险范围之内。

本发明采用的技术方案为：一种锂离子电池危险性评估方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)通过事故树分析方法得出电池在特定使用场合下可能的电、热、机械的失效模式或基本事件，计算每种失效模式下的结构重要度系数作为其对应权重；

步骤(2)根据eucar对于电池失效危险程度划分，得到每种失效模式或者基本事件发生危险程度(0～7级)，并统计其发生的可能性概率得到事件发生的可能性程度(0～10级)，通过对每种失效模式或基本事件的危险程度与可能性程度乘积及加权和计算电池发生事故的风险值；

步骤(3)以对于电池生产、使用安全的要求，定量划定电池的最大危险程度、最大发生可能性程度和最高风险值要求作为电池生产的安全阈值。

其中，步骤(1)中通过事故树分析方法的除了可以得出的失效模式对应的权重，还可以得出失效模式下每个基本事件所对应的权重，使用基本事件评估可以更加准确得出电池的风险值。

其中，步骤(3)中电池安全阈值划定与国家或者企业对于电池安全要求有关，且对于每个程度的危险值，单独从发生失效可能性和安全风险值来划分。

其中，电池评估的风险值对应于特定的使用场合，每个使用场合具有不同的失效模式和事故发生方法，因此，安全阈值也需根据该使用场合制定。

本发明的锂离子电池危险性评估方法与现有技术相比具有如下优异效果。

(1)对电池发生危险性事故的所有涉及区域进行了定量化处理，包括危险性程度、事件发生概率、危险控制系数等。相比现在的模糊评估手段更加科学、准确。

(2)可以定量的设定安全阈值，对于电池的安全性界限更加准确、清晰。

(3)电池风险值跟电池使用环境有很大关系，可以根据电池使用环境如存储、车用、储能电站等划定相关的风险阈值，得到电池在不同使用环境下所需要的安全标准。

(4)通过事故树分析电池发生的可能性事件可以更加全面的得到电池发生事故的基本因素，从而能更加全面的评估出电池的风险值。

附图说明

图1为锂离子电池存储与运输过程事故树分析，其中t为顶上事件，a为中间事件，x为基本事件；

图2为风险区域；

图3为本发明具体实施流程。

具体实施方式

本发明主要内容如下：

1.风险值

电池危险性可以分为多种模式如电，热，机械等。这些危险模式细分如表1所示：

表1锂离子电池危险模式

为了区分电池在以上滥用条件下的失效危险程度，eucar将电池失效的危险程度分为0～7种危险指数，如表2所示：

表2失效危险程度分类

这7种程度基本概括了电池系统发生在不同滥用条件下的失效情形，以s(severity)来表示。而在不同的应用场合，锂离子电池的对不同滥用条件发生失效的可能性是不一样的。对于电池存储与运输来说，其中热和机械的失效模式应为主体，而电的失效模式相对来说就很低。为了针对电池不同使用环境，我们采用权重分析法来进行分析。比如在电池存储与运输中，热和机械两种失效模式分别占50％，而电则为0％。以hrn(hazardrisknumber)来表示电池的风险值，则电池总体风险值(n种失效模式叠加)应为各项风险值的加权和：

其中hrni代表第i种失效模式发生的电池风险值，wi为各种失效模式的权重。其计算方法定义为失效严重度与发生概率的乘积：

hrni＝li×si(2)

其中li为第i种失效模式发生的可能性程度，si为第i种失效模式发生失效的严重度。usabc对li从1～10进行定量表述，如表3所述：

表3失效模式发生可能性程度

关于权重wi的选择，我们可以通过事故树分析方法，计算各个失效模式的结构重要度系数，来得到各个失效模式的权重值。以电池存储和运输为例，电池在存储和运输过程中发生事故可以通过图1分析得到各项基本事件：

对该事故树进行布尔代数化简，可以得到顶上事件为：

t＝a1+a2＝x1+x2+x3+x4+x5(3)

对每个基本事件的进行结构重要度计算：

其中a1、a2分别代表了两种失效模式(热、机械)，通过结构重要度对比，我们可以得到相应的权重为40％和60％。这里如果需要将失效模式(热、机械)细分到每个基本事件，则每个基本事件x1、x2、x3、x4、x5的权重分别为20％。而公式(1)和(2)中的每个参数(li、si、wi)都需要从每个基本事件来计算。

2.风险阈值与控制系数

在电池评估中可以以hrn值对电池危险性进行评估，划定一个极限风险值hrn0作为电池储存或运输安全的判定依据：

低风险区域：hrn≤hrn0

高风险区域：hrn＞hrn0

除了需要对风险值进行约束外，还需要在其他方面来对其进行约束。比如，在高危险程度下，即使发生事故的概率很低也很难被消费者所接受，或者即使很低的危险程度，但高发生概率容易造成消费者使用恐慌。假设可能性极限值为l0，危险性程度极限值为s0。

li＜l0

si＜s0

则满足各方约束条件的区域位于图2中的低风险区域。该低风险区域可以作为电池行业安全生产和使用判定的标准。

虽然锂离子电池本身具有一定的危险性，在实际使用过程中，可以运用安全探测和控制手段来降低电池的危险性，从而达到将原本的风险值降低到临界风险值以下。比如使用阻燃添加剂、泄压阀可以大大降低电池失效时的危险程度(s)，使用过充保护装置(正极温度系数ptc)、热管理系统等可以降低电池发生过充、过热的概率。对于这些保护措施的添加，我们可以以危险性控制系数(hazardcontrolnumber，hcn)来对其进行定量。hcn可以根据控制程度从0到1进行划分，如表4所示：

表4危险控制系数

因此，公式(2)中风险值的计算方法变化为：

hrni＝li×si×(1-hcni)(7)

风险控制手段有很多种，在不同失效模式下，这些控制手段可以叠加，从而达到多重保护的目的：

下面结合图3和2例实施案例对本发明作进一步的详细描述。

实施案例1：锂离子电池存储与运输过程中，电池发生失效的危险指数(s1、s2)假设为5，在失效模式中，热模式权重(w1)占40％，而机械模式(w2)占60％。热失效模式发生的可能性程度(l1)假设为6，机械失效模式发生的可能性程度(l2)假设为5。此时电池存储和输运的危险指数为：

hrn＝l1×s1×w1+l2×s2×w2＝27(9)

若在防护系统中添加温度传感器来探测温度，并用热管理系统防止电池受到外界热影响而过热，则热失效模式下的风险控制指数(hcn1)假设为0.6，再使用一系列减震装置减少电池存储和运输过程中机械失效的影响，假设机械失效模式下的风险控制指数(hcn2)为0.5。则风险控制后的危险指数为：

hrn＝l1×s1×w1×(1-hcn1)+l2×s2×w2×(1-hcn2)＝12.3(10)

实施案例2：纯电动汽车电池运行过程中，导致电池发生失效的主要失效模式为热模式(高温、火焰)、电模式(过充、过放、内短路)、机械(针刺、挤压、冲撞)。这三种模式导致电池发生失效的危险指数分别为s1＝7、s2＝6、s3＝5，对应的权重分别为w1＝30％、w2＝60％、w3＝10％。热失效模式发生的可能性程度(l1)假设为4，电失效模式发生的可能性程度(l2)假设为6，机械失效模式发生的可能性程度(l3)假设为5。此时电动汽车运行时的危险指数为：

hrn＝l1×s1×w1+l2×s2×w2+l3×s3×w3＝32.5(11)

在电动汽车系统中，往往需要安装诸多保护装置。对于热失效模式，往往会安装热管理系统来管理电池系统的温度环境，提高电池系统的使用寿命。在该模式下的风险控制指数(hcn1)假设为0.6。为防止电池发生过充过放，可以安装防过充、防过放以及防海水倒灌导致外短路的安全装置，减少因电失效模式给电池系统造成的危险。假设电模式下的风险控制指数(hcn2)为0.6。在行车过程中，往往会有意外发生，如针刺、碰撞等，减震防护系统能降低机械失效模式对电池系统的危险程度。假设机械模式的风险控制指数(hcn3)为0.5。则风险控制后的危险指数为：

hrn＝l1×s1×w1×(1-hcn1)+l2×s2×w2×(1-hcn2)+l3×s3×w3×(1-hcn3)＝13.25(12)

以上实施例为两个关于锂离子电池的典型案例，但关于安全阈值，需要根据国家或者企业对于安全标准的规定进行划定。