周正 徐仕先 丁衛(wèi)華 于海全 劉紅興 方李焰

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

在“碳達峰、碳中和”背景下，大容量儲能技術(shù)可以促進新能源消納，平滑風電、光電，滿足電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻等需求。國內(nèi)外儲能市場主要有機械儲能、電磁儲能、化學儲能。其中，化學電池具有比能量高、循環(huán)次數(shù)長、深度充放、環(huán)保優(yōu)良的優(yōu)點，逐漸成為儲能技術(shù)中的領(lǐng)先者。但是隨著電化學儲能電站的快速建設(shè)，其安全性問題也逐漸突顯，直至2021年4月，全球已發(fā)生多起電化學儲能電站起火或爆炸事故。

1 電池安全影響因素分析

1.1 單體電池的安全性

電化學儲能電站的最小結(jié)構(gòu)就是單體電池，其中單體電池的安全性主要體現(xiàn)在溫度超標和溫度失控兩方面。其溫度超標和溫度失控主要由以下原因造成：

1）電池充、放電過程內(nèi)阻產(chǎn)生熱量。電池在設(shè)計完工后，其內(nèi)部存在電阻，在電池充、放電時，外部電能會依據(jù)電池內(nèi)阻大小而產(chǎn)生熱量，導致電池溫度升高。如果電池溫度過高，電池內(nèi)部熱量會不斷累積，最終造成起火與爆炸事故［1］。

2）電池內(nèi)部SEI膜破損造成電解液“燃燒”。電池內(nèi)部的SEI膜（隔離膜）一旦受到外力破損，電池內(nèi)部正極和負極會直接接觸，造成電池短路。電池一旦發(fā)生短路，電池內(nèi)部的電解液會蒸發(fā)并發(fā)生分解，造成電池鼓包，隨后分解的同時會發(fā)生燃燒反應(yīng)，導致電池進入熱失控狀態(tài)，同時伴隨爆炸發(fā)生。

1.2 電池組的安全性

電化學儲能電站由大量單體電池組成，每節(jié)單體電池通過串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成電池組。由于設(shè)備制造以及出廠品控的原因，單體電池的電芯會有些許差異，而針對整個電池組而言，電芯容量最差的單體電池往往起著決定性作用。電池組設(shè)計過程中，并未設(shè)計單個電芯之間的隔離裝置，這就導致單個電芯出現(xiàn)起火爆炸時，該電池組必然受到影響，導致更大的火災(zāi)和爆炸。據(jù)了解，單體20 Ah的電芯熱失控能量約480 000 J，72節(jié)電芯構(gòu)成的5 kW電池組熱失控能量約34 560 000 J。因此，國內(nèi)大部分廠商會將單體電芯的容量適當增加，減小電池組電芯數(shù)量，適當減少因電芯不一致而造成的電池組安全風險。

2 儲能電池安全性研究方法

針對儲能電站存在的危險性，國內(nèi)外學者開展了電化學儲能安全性研究。目前電化學儲能電站的安全性研究主要從以下幾個方面進行：①根據(jù)電池管理系統(tǒng)（BMS）測量的電池外部電路參數(shù)，綜合評價電池組運行狀況；②與外部電路參數(shù)不同，采取測量電池內(nèi)部參數(shù)，尋求電池內(nèi)部參數(shù)與電池安全運行的關(guān)系；③針對電池熱失控前期化學反應(yīng)的特殊氣體進行測量，構(gòu)建氣體參數(shù)模型用以儲能電池組的安全預警。

2.1 基于BMS獲取電池外部參數(shù)

電池的外部參數(shù)隨著外部施加條件的不同而產(chǎn)生的數(shù)值不同，例如電池的充、放電電流、電壓、外部溫度等。自電化學儲能電站開發(fā)以來，研究團隊對BMS的研究也從未間斷。

鄭杭波［2］針對新能電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)進行研究，通過對電池外部參數(shù)如電壓、電流等參數(shù)進行實時記錄，引入模糊診斷專家系統(tǒng)，研制出具有分布式結(jié)構(gòu)的燃料電池大客車鋰電池管理系統(tǒng)。宗夢然［3］對電網(wǎng)儲能用電池管理系統(tǒng)的硬件和軟件進行了設(shè)計，通過對多種主模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了電網(wǎng)儲能電池檢測、評估、通信等多方位的功能。唐達獒［4］利用改進PNGV模型，對電池健康度進行建模，通過分析得出模型中各個參數(shù)辨識方法，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，建立了參數(shù)可變的電池模型，并證明了其實用性。石雪倩等［5］提出了一種動態(tài)調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)可用容量的電池管理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)相比，電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略動態(tài)調(diào)整電池組，延長充放電時間，提高儲能系統(tǒng)可用容量和降低系統(tǒng)故障率的目的。徐振軒［6］通過對大容量儲能電池管理系統(tǒng)的模型和算法研究，設(shè)計并開發(fā)了一個由9個功能模塊組成的儲能電池管理系統(tǒng)，經(jīng)過實際運行表明該系統(tǒng)功能完善，界面友好，應(yīng)用價值較高。

然而，電壓、電流等檢測一直無法完全避免電池運行故障，且電池本身導熱性較差，電池內(nèi)部的實際溫度與外部溫度存在誤差，因此通過對儲能電站外部運行參數(shù)的監(jiān)測，無法掌握電池內(nèi)部實際狀態(tài)，導致測量的參數(shù)具有滯后性。

2.2 基于電池內(nèi)部溫度估計的預警技術(shù)

儲能電池熱失控的根本原因就是其內(nèi)部溫升無法準確控制，單體失控熱量將會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成儲能電池組起火爆炸?；陔姵貎?nèi)部溫度的精確測量一直是國內(nèi)外研究熱點，其中電池熱模型的建立和電化學阻抗譜（EIS）獲得了研究人員更多的關(guān)注。

目前，通過將熱電偶或溫度傳感器直接植入電池內(nèi)部是測量儲能電池內(nèi)部溫度最直接的方法，前人基于熱力學理論，對LiFePO4/石墨鋰離子電池構(gòu)建了熱力學模型，在惰性氣體氛圍下，將熱電偶埋設(shè)在電池內(nèi)部，在實驗條件下確認了該模型的可靠性。趙喬［7］以電網(wǎng)儲能用大容量鋰電池為實驗對象，進行了鋰電池EIS的測量試驗，得到了鋰離子電池EIS與內(nèi)部溫度之間的關(guān)系，同時利用軟件Zsimp Win對所有狀態(tài)下的阻抗模型參數(shù)進行辨識，找尋與內(nèi)部溫度相關(guān)、SOC無關(guān)的參數(shù)，最后通過對預測溫度的誤差修正，保證內(nèi)部溫度估算的精確度。秦世超［8］以磷酸鐵鋰電池為研究對象，設(shè)計了以SOC和溫度控制變量的交流阻抗測量實驗，通過實驗獲得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Arrhenius的形式對阻抗模值與內(nèi)部溫度進行擬合，建立了基于阻抗模值的電池內(nèi)部溫度估算函數(shù)關(guān)系式，同時利用該方程式對不同工況下的鋰離子電池內(nèi)部溫度進行了在線檢測。針對電池內(nèi)部溫度估計的預警技術(shù)仍然處于研究階段，且研究人員多研究單體電池內(nèi)部溫度估算方法，針對儲能用電池組缺乏相應(yīng)的內(nèi)部溫度評估技術(shù)，大規(guī)模商用還有待商榷。

2.3 檢測氣體成分預警電池事故

電化學儲能電站電池一旦出現(xiàn)熱失控，便會發(fā)生化學反應(yīng)，并伴隨著大量氣體產(chǎn)生，針對早期生成的氣體進行精準檢測，可以將事故影響降至最低，避免大規(guī)模的起火、爆炸。雖然產(chǎn)生的氣體種類繁多，但是根據(jù)檢測方法與判別模型，不是所有的氣體都可以用于檢測?？捎糜跈z測的氣體需滿足以下要求：①與常規(guī)空氣成分不同；②擴散及傳播迅速；③檢測技術(shù)成熟可靠。針對該技術(shù)，國內(nèi)學者也開展了深入的研究。吳敏［9］提出了一種基于單片機STM32 F103的動力電池儲能系統(tǒng)有害氣體檢測與預警裝置，采用MQ-2煙霧（甲烷）傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-8氫氣傳感器作為信號采集器，測量在無煙、輕微煙、中度煙、濃煙情況下傳感器輸出的電壓值，并實現(xiàn)聲光報警的功能。鄭志坤［10］通過搭建磷酸鐵鋰單體電池失控及氣體探測實驗平臺，開展熱失控6類特征氣體（氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氯化氫、氟化氫和二氧化硫）在線探測，結(jié)果氫氣在火災(zāi)前13 min率先被探測到，具有一定的超前性。此外，鄭志坤［10］設(shè)計了電池簇過充試驗平臺，模擬過充過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在探測氫氣的同時切斷電源可抑制電池內(nèi)部熱量聚集，論證了氫氣探測預警技術(shù)的可行性。王銘民等［11］以硬殼磷酸鐵鋰電池模組和軟包磷酸鐵鋰電池模組作為試驗對象，搭建真實的儲能倉實驗平臺，采用可見光攝像頭、氣體探測器、紅外監(jiān)控系統(tǒng)進行全方位的監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池熱失控各階段反應(yīng)現(xiàn)象對應(yīng)的氣體濃度存在差異，同時定義了一級預警氣體：氫氣、一氧化碳、二氧化碳，二級預警氣體：氯化氫、氟化氫。圖1為學者用熱成像儀監(jiān)控電池組爆燃過程。

圖1 熱成像儀監(jiān)控電池爆燃過程

3 結(jié)論

通過對電池安全性影響分析，主要論述了目前學者對于儲能電站熱失控預警技術(shù)的研究結(jié)果，結(jié)論如下：

1）根據(jù)電化學儲能電站自身的BMS監(jiān)控電池狀態(tài)僅處于基礎(chǔ)安全保證，不能實質(zhì)反映電池內(nèi)部情況。

2）針對電池內(nèi)部運行參數(shù)進行測量，仍然處于研究階段，目前善不具備裝機實際檢測。

3）氣體探測預警可提前警告電池模組運行的狀態(tài)，適用性較強，但電池模組不同狀態(tài)下產(chǎn)生的氣體種類和濃度不同，因此可結(jié)合多組分氣體參數(shù)綜合模型進行診斷分析。

4）研究低溫下過充超早期階段預警技術(shù)已經(jīng)成為熱點，可有效的為熱失控提供更早期警告，保障儲能電池模組的安全運行。

4 建議

針對目前實際儲能電站配備的安全性措施以及預警技術(shù)研究，提出以下幾點建議：

1）針對儲能配套安全系統(tǒng)進行統(tǒng)一的出廠第三方儲能電池安全性評價，針對模組管控、電池檢測和消防設(shè)備進行評估。

2）運用數(shù)值模擬技術(shù)，對電池倉的分布形式以及散熱通風、消防設(shè)施布置位置進行優(yōu)化，改善電池模組運行環(huán)境。

3）針對單一電池簇研制獨立的微消防單元，切斷其與周圍電池簇的聯(lián)系，避免事故擴大。

4）對鋰離子儲能電池的失效以及爆燃進行深層次機理研究，從微觀化學反應(yīng)發(fā)生的條件入手，做到及時預警。