动力电池梯次利用储能系统电热安全研究现状及展望*

2022-05-20田培根朱冒煜

电气工程学报 2022年1期

肖曦田培根于璐吴岩慈松朱冒煜

(1. 清华大学电机工程与应用电子技术系北京 100084；2. 西安理工大学电气工程学院西安 710048；3. 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院葫芦岛 123000；4. 华电内蒙古能源有限公司呼和浩特 010000)

1 引言

我国第一批新能源动力电池已进入了规模化退役期，预计2025年退役动力电池将接近80万吨[1]。退役动力电池仍具有70%以上的剩余容量[2]，若直接进入拆解循环不仅缩短了动力电池使用寿命，造成资源浪费，其拆解的重金属还会造成环境污染。目前，全国已有9个省市地区发布了动力电池回收梯次利用相关政策，150多家企业被选择为示范试点企业，率先开展了相关应用研究及商业模式探索。电动汽车退役动力电池回收价格低廉，符合储能电站要求、有利于降低电力储能装备成本，可以在储能领域大量推广动力电池的梯次利用[3]。但与全新电池相比，梯次动力电池经电动汽车长期使用，电池本身更容易发生枝晶生长、阻抗增加、内部电化学结构变化，导致系统安全风险增高。目前，国内外已经爆发了相关安全事故，北京丰台大红门及澳大利亚特斯拉储能项目Victorian Big Battery(VBB)于2021年先后发生火灾，造成巨大经济损失。电热安全已经成为了动力电池梯次利用储能系统大规模建设推广的关键影响因素，其安全问题越来越受到重视。2021年9月27日，国家能源局印发了《新型储能项目管理规范(暂行)》，明确规定新建动力电池梯次利用储能项目中梯次利用电池均要取得相应资质机构出具的安全评估报告，已建和新建的动力电池梯次利用储能项目须建立在线监控平台，实时监测电池性能参数，定期进行维护和安全评估，做好应急预案。现阶段，我国针对动力电池梯次利用储能系统的电热安全研究刚起步，随着建设需求的增加及政策的完善驱动，亟待大力加强动力电池梯次利用储能系统电热安全研究，从空间、时间、流程三个维度来建立完整的动力电池梯次利用储能系统电热安全体系、研究系列安全管理方法。空间上需要建立从梯次电池单体到模组到储能系统整体全方位的电热安全管理方案，时间上需要建立从电池筛选到储能系统构建到系统运行的安全操作策略，流程上需要建立从前兆安全风险识别评估到安全预警分析再到安全预案决策执行的电热安全管控流程。

基于现实需求，本文对动力电池梯次利用储能系统电热安全研究现状做了分析及展望。首先对国内外梯次电池储能相关政策、示范工程及储能电站安全事故进行了梳理总结，其次从电、热两个方面分析梯次电池热失控机理和储能系统发生安全事故的风险诱因，并从热、电防护两个方面总结了梯次电池储能安全技术，最后对梯次动力储能系统安全方面的未来研究方向进行展望。

2 动力电池梯次利用现状

2.1 动力电池梯次利用政策

近年来，国家愈加重视动力电池的梯次利用，目前已经针对性出台了50余项政策，20余项标准[4]。由国家部门出台的相关政策如表1所示[5-7]。国家每年都对相关政策进行细化，对汽车废旧电池的梯次利用的扶持力度也在持续加大。

表1 动力电池梯次利用相关政策

2.2 梯次电池的相关标准

梯次电池现行标准分为三类：动力电池梯次利用通用标准、利用标准和管理规范标准[8]，具体如表2所示。

表2 动力电池利用相关标准

(1) 通用标准。GB/T 33598—2017《车用动力电池回收利用拆解规范》主要适用于退役动力电池组、电池模块的拆解，不适用于单体退役动力电池的拆解[9]。GB/T 34013—2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》主要适用于对车载电池的产品规格尺寸的规定[10]。GB/T 34014—2017《汽车动力蓄电池编码规则》主要规定了动力电池的编码规则、编码对象和代码的结构组成等[11]。GB/T 34015—2017《车用动力电池回收利用余能检测》主要规定了退役动力电池的余能检测的术语和检测要求、检测流程及检测方法[12]。

(2) 利用标准。GB/T 34015.2—2020《车用动力电池回收利用梯次利用第2部分：拆卸要求》规定了退役动力电池的定义、总体要求、工作要求、存放要求等，主要适用于退役动力电池的回收利用环节[13]。DB34/T 3077—2018《车用锂离子动力电池回收利用放电技术规范》规定了电动汽车用废旧锂离子动力电池拆解前放电的术语和定义、总体要求、设备环境要求及作业要求[14]。DB31/T 1053—2017《电动汽车动力蓄电池回收利用规范》规定了电动汽车动力蓄电池回收利用的基本原则、编码与溯源管理，废旧动力蓄电池拆卸、检测、梯级利用条件，适用于废旧动力蓄电池的回收、贮运、梯级利用及再生利用的一般要求，但是仅适用于上海市范围内[15]。DB44/T 1203—2013《电动汽车用锂离子动力电池回收利用规范》规定了电动汽车用废旧锂离子动力电池的收集、贮运、处理及回收利用企业的一般要求[16]。

(3) 管理规范标准。GB/T 38698.1—2020《车用动力电池回收利用管理规范第1部分：包装运输》适用于电动汽车退役锂离子动力蓄电池包、模组、单体的包装和道路运输，规定了车用退役动力电池回收利用包装运输的术语和定义、分类要求、一般要求、包装要求、运输要求以及标志要求[17]。

(4) 国外标准。针对动力电池梯次利用，国外目前只有北美梯次利用动力电池标准UL 1974:2018《再利用电池的评估》，其涵盖了梯次利用电池分类、筛选方法以及相应梯次利用工厂的技术要求，以帮助梯次利用企业对退役电池梯次利用流程实现规范化管理[8]。

目前虽然已经出台了大量的有关梯次电池相关标准，对退役动力电池梯次的拆解、筛选、利用、运输等方面的做出了相关规定，但是并未出台安全方面的具体政策和标准，随着越来越多的梯次电池安全事故的出现，亟需出台更多更完善的安全性标准。

2.3 动力电池梯次利用储能系统工程

目前，国内外已经有了系列动力电池储能系统工程，如美国、德国、日本等国家在梯次动力电池方面研究起步较早，其典型示范工程如表3所示[18-21]。

表3 国外动力电池梯次利用示范工程

美国通用公司和瑞典ABB集团开展了退役动力电池研究，对雪佛兰汽车的退役动力电池进行梯次利用，主要用作商用备用电源来储存太阳能发电系统、风力发电系统所等所产生的电力。美国EnerDel公司和日本伊藤忠商社合作，将退役动力电池用于部分新建公寓。美国Duke Energy也和日本伊藤忠商社合作进行了退役动力电池的再利用研究，并用于辅助家庭供电。由日产汽车和住友集团合资成立的4R Energy公司，主要解决了汽车动力电池的二次利用问题，在美国和日本租售日产Leaf汽车的退役动力电池用作家庭储能设备。Sharp公司自主研发了智能功率调节器，将退役的动力电池用作家庭储能。日本Toyota公司利用凯美瑞汽车的退役动力电池，完成了黄石国家公园设施的储能和供电，延长2倍退役电池的使用年限。德国BOSCH集团建设2 MW/2 MW·h光伏电站储能系统，全部采用宝马ActiveE和i3电动汽车的退役动力电池。

在国内，动力电池的梯次利用已经成为了国家的重大战略[22]。国内多家电池制造企业也开展了大量的退役动力电池的梯次利用研究工作并建设了大量的示范工程，如表4所示[23-27]。

表4 国内动力电池梯次利用储能系统工程

2.4 动力电池梯次利用储能系统安全事故

近年来，随着国内外动力电池梯次利用储能系统的飞速发展，越来越多的大型储能电站开始兴建。但由于缺少具体的安全性实施规范，导致近年来储能电站事故频发。其中韩国储能电站发生火灾安全事故的数量和比率处于全球首位。2019～2021年，韩国储能电站事故接近30起。表5展示了2019年6月前韩国储能事故的典型案例[28]。

表5 2019年6月前韩国储能电站事故典型案例

2021年4月6日，韩国由LG新能源供应电池的一光伏电站储能系统再次发生起火事故。频频发生安全事故让韩国对储能电站的安全性产生担忧。2021年4月16日，北京市丰台区大红门西厂甲14号院内电站发生火灾，在对电站南区进行处置的过程中，电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸，导致2名消防员牺牲，1名消防员受伤，电站内1名员工失联。相关单位并未公布具体事故原因，但符合锂离子电池的安全事故诱发机制，即电池在内外部激源的影响下，超出其安全技术承受能力突发热失控[29]。2021年7月30日，储能容量为300 MW/450 MW·h的澳大利亚特斯拉最大储能项目VBB在调试期间发生火灾，其主要原因是热管理系统冷却液泄漏导致电池内短路，引发热失控。但是，锂电池出现热失控的原因却是多方面的，具体的核心问题仍然需要分析研究。随着动力电池的大规模退役，越来越多的动力电池退役并加入到梯次利用行列，需要尽快分析出安全事故的诱因，并建立健全的安全预警机制。

3 动力电池梯次利用储能系统电热安全风险诱因

3.1 大容量电池储能系统组成结构

储能系统中最小的单元是电芯，为了满足储能电压、电流、容量需求，电池单元连接到一个固定的串联电池单元拓扑结构中，通过统一的边界与外部进行联系成为模组。当多个电池模组经过串并联的方式形成大容量电池柜体，并与电器元件、加热和冷却系统(热管理系统)、双向PCS(储能变流器)、EMS(能源管理系统)以及BMS(电池管理系统)等部分组成储能系统。图1为其具体成组方式示意图。

图1 大容量电池储能系统成组方式示意图

3.2 锂电池热失控机理

目前国内外梯次动力电池大为锂离子电池，锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电率很低等优势。锂离子电池单体发生安全事故主要根源在于热失控，而热失控的发生主要是因为电池内部过热触发电池材料的链式放热副反应。图2可简单描述梯次动力电池热失控机理，当保护负极材料及SEI(固体电解质界面)膜由于温度过高而分解，并与周边化学材料反应并引发隔膜崩溃、大规模内短路内部产气、内部物质喷出流动等情况。锂离子电池的热失控现象，主要有高温、火焰喷射和大量气体烟雾产生。

图2 锂离子电池热失控机理图

3.3 动力电池梯次利用储能系统多级安全风险诱因

针对梯次电池老化等特有问题以及锂电池储能本身的问题，下面从单元级、模组级、系统级三个层面分别讨论梯次电池储能安全风险的诱发因素，如图3所示。

图3 梯次电池热失控诱发因素图

3.3.1 单体电热安全风险诱因

梯次动力电池单体发生安全事故主要因为热失控，热失控的原因主要有三种。

电池内部原因，梯次动力电池在筛选中未能筛选出电芯有缺陷或内部化学结构有异常的电池，使用过程中细微金属碎屑导致内短路或电池老化程度过重，电芯内部产生枝晶锂，触发了电池的内短路导致热失控。文献[30]认为电池固液相电势差可以在一定程度上反映电池析锂风险。在同样的充电应力下，随着电池老化，电池内短路可能逐渐升高。同样老化状态的电池，充电电流越大，电池发生内短路的风险随充电电流增长而增长。

在系统运行时，电池的过充和过放过程中铜枝晶生长等副反应会降低梯次电池的安全性，增加热失控发生的概率。在极端条件下电池发生外短路现象，过高的电流大量放热也会导致热失控发生。

梯次动力电池长时间处于低温或高温环境运行中，长时间在低温情况下运行会使电池阳极表面析出金属锂，严重会导致锂枝晶生长，刺破隔膜造成电池内短路[31]。此外，电池长时间处于恶劣环境下也会有安全风险，例如空气过于湿润、电磁干扰等[32]。

3.3.2 模组电热安全风险诱因

从模组级安全性考虑，其主要问题与常规储能电站相同，基本有如下几点。

(1) 电池组结构布局不合理，散热情况考虑不周，导致电池组局部过热。

(2) 电池组充放电流过大，时间过长。

(3) 电池一致性问题，即电池串联模组中个电池单体性能存在差异。

梯次动力电池虽然经过筛选重组，但只是在一定标准内成组而无法做到完全趋于一致。由于梯次电池来自不同厂家、不同批次，其制造工艺、生产环境和材质、电池的容量、内阻、充放电率、电池老化程度的差异都会造成电池性能的不同，导致电池的不一致性。梯次电池经过长期使用，电池本身老化严重，相比于新电池更容易引发安全问题。在系统运行过程中，电池内阻差异造成环流，电池温度升高，加速新电池老化。同时系统散热能耗高，进一步降低了充放电效率，电池组的不一致性会发生“木桶效应”，即电池单体的过充或过放导致整个电池组的性能逐渐降低，最终缩短电池组使用寿命，甚至造成电池变形、爆炸等安全隐患。

3.3.3 系统电热安全风险诱因

梯次动力电池储能系统电热安全诱因有其内部和外部的因素。内部系统因素有电源转换器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)之间的协调、控制与管理不合理。电芯间出现缺陷时，信号不能及时传输到管理系统中，通常是在起火后告警；关键部件(电路板、接触器等)失效导致打火、拉弧；直流母线上的负载发生短路，短路电流通过母线传递给电池簇，瞬间短路大电流会加剧电池内部急剧升温引发事故；直流继保系统故障引发持续大电流；监管防护系统故障缺陷；直流配电网络中电力电子设备缺少足够的电气隔离措施等。外部因素有电池储能系统BMS、PCS、变压器以及相关继电保护设备、通信设备等系列一次、二次设备存在质量缺陷、安装调试过程不规范、设置不合理、绝缘不到位。甚至工作人员的操作失误、系统运维未能遵守安全标准、气象环境因素以及储能防火系统的故障，均直接或间接引起储能系统发生安全事故，但从已有的储能电站事故分析，安全问题往往是以上多种因素作用发生的结果。

3.4 梯次电池热失控特性研究

梯次电池老旧，电池参数离散度大，效率和可靠性低，发生系统安全事故的概率增大，对储能系统电、热管理提出了更为苛刻的要求。为了更好地掌握梯次电池热失控发生机理，当前学者主要从试验观测以及仿真建模分析两个方面展开了研究。

3.4.1 锂离子动力电池热失控研究

(1) 试验研究。试验观测是使用不同方式触发电池热失控，通过温度数据进行分析，可以直观地对电池热失控特性进行研究。清华大学冯旭宁[33]对25 A·h大容量锂离子动力电池热失控的诱发机理进行了研究。正极材料为三元锂，负极材料为石墨，隔膜为PE基质的陶瓷隔膜，使用EV-ARC 对三元锂电池进行绝热热失控测试时，发现SEI膜开始分解温度为50 ℃，PE 隔膜初始分解温度为127.3 ℃，PE隔膜基质完全闭孔熔化时温度为140 ℃，当温度达到259 ℃时，隔膜完全崩溃，产热速率加快，温度急剧上升，故热失控临界温度为259 ℃。文献[34]的试验发现对于0%、25%、50%、75%和100% SOC电池，热失控的触发温度分别为(278.0±6.0) ℃、(280.0±19.2) ℃、(257.6±12.6) ℃、(256.7±8.5) ℃和(235.6±7.3) ℃，热失控之前电池的净吸热量范围为56.806～64.054 kJ。文献[35]以23 A·h软包NCM523动力电池为研究对象，发现对SOC为25%、75% 的电池热失控触发温度分别为140.34 ℃、163.12 ℃，可见SOC较高的电池热失控触发温度高，相比SOC低的电池来说不易触发热失控。但是75%SOC电池相较于25%SOC电池热失控的最高温度高70.07 ℃，最大温升速率大111.37 ℃/min，即 SOC高的电池热失控一旦发生，其化学反应放热更加剧烈，热失控破坏性较大。文献[36]总结了部分锂离子电池热失控临界温度，三元锂电池热失控临界温度在99～259 ℃，差值为160 ℃；磷酸铁锂电池热失控临界温度在131～218 ℃，差值为87 ℃，并指出由于试验条件以及不同配比的锂离子电池，热失控临界温度存在着不可避免的差异。以上的试验数据虽然都对提高锂离子电池热失控安全性提供重要的参考，但是研究范围不够宽泛，部分触发方式无法具体实施导致研究受限。

此外，目前的试验分析主要针对单一某电池与单一触发方式。由于动力电池梯次利用储能系统，电池的种类、容量、寿命等无法做到一致并且其热失控触发方式具有随机性、复杂性，后续需要针对梯次电池特点进行更全面的电池热失控试验分析。

(2) 仿真研究。仿真建模分析是为了描述锂离子电池的热行为过程，从锂离子电池的生热机理和热特性出发对电池生热速率进行计算，并建立能够准确描述电池热行为的热模型。电池热失控建模主要有两种方法：基于量热学的方法和基于化学反应的方法，相对应的是量热学模型和化学反应生热模型。量热学模型的建立需要对电池材料或单体电池进行热量测定，并基于Arrhenius公式对其热特性进行表征。目前应用最为广泛的是BERNARDI等[37]在1985年提出的生热速率模型，假设电池温度是恒定的，但是会随着外界变化发生变化，其理论表达式如式(1)所示

式中，I为总电流；V为电池电压；Ij为电极反应电流；Uj,avg为平均开路电压；q˙phase为可逆热；q˙mixing为电池内部物质混合不均造成的浓度梯度的产热率；为材料相变反应产生的热速率。

对于热量的散失，其主要包括三部分：传导散热、对流散热和辐射散热，在电池内部，热量的散失只有热传导的方式，因此其控制方程如式(2)所示

式中，左侧项表示在方向n(n=x,y,z)上来自电池内部的热传导通量。ch为对流传热系数；sT为电池各个边界的温度；Tamb为环境温度；ε为辐射系数(辐射率)；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数(Stefan-Boltzmann constant)。目前，热模型通常以三维的方式被呈现，因为其可以更加直观地展示电池的温度分布[38]。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)、有限体积(Finite volume method，FVM)和有限元(Finite element method，FEM)的3D热模型建模方法是目前常用的热模型建立方法[39]。

3.4.2 梯次电池模组或系统级别的热失控

梯次电池模组或系统级别的热失控建模需要深入电池单体、模组、系统之间的扩散机理，基于扩散机理来限制并隔绝热失控的扩散，避免对整个储能系统造成灾害。清华大学FENG等[40]建立了大容量方形锂离子电池模组(6块电池)的3D热失控扩展模。该模型建立过程中，使用经验公式来简化热失控反应动力学的计算，并通过针刺热失控触发试验对该模型的建模准确性进行了验证。文献[41]对锂离子电池模组进行热失控仿真，通过对锂电池发生热失控时释放气体的分布进行数据分析，发现释放气体对周围锂离子电池热失控的发生影响较小，研究成果可为磷酸铁锂离子电池模组的设计以及气体探测系统的设计提供参考依据。文献[42]对某锂电池模组以不同工况进行放电测试，探究了锂电池模组在不同倍率、不同功率下的放电性能。发现电池长时间处于不合理温度下工作不仅影响锂电池放电性能，还容易触发电池热失控。文献[43]研究了在过充和过热两种情况共存情况下，锂离子电池的热失控行为；考察了充电倍率、环境温度和散热系数对锂离子电池热失控特性的影响。研究有助于提高复杂工况下电池热失控预警技术的可靠性。目前储能电池系统模组级热失控建模研究较少，并对梯次电池储能系统模组级热失控做出针对研究。由于梯次电池模组或系统级别的热失控建模需要深入电池单体、模组、系统之间的扩散机理。对于梯次动力电池来说，需要在探究传统锂电池模组级热失控分析的基础上，考虑其寿命短、容量不足的问题，探究其热失控扩散机理，并针对此问题开展对应的隔绝、限制热扩散研究工作。

4 动力电池梯次利用储能系统电热安全保护

4.1 梯次电池检测技术

动力电池在不同环境、不同工况使用下的性能比较复杂，为了满足其安全和经济效应，实现能量利用的最大化，需要对其进行性能测试和筛选分组，以便在安全的前提下最大限度地利用退役电池的剩余容量[44]。

4.1.1 梯次动力电池安全性能检测

动力电池从电车上退役后进入梯次流程，需要对电池安全性能进行检测。首先针对外观进行检查，将存在变形、鼓包、部件不完整、破损、漏液、生锈、腐蚀或者极柱损坏等不安全电池做拆解回收利用，不进入梯次利用行类。其次查看梯次电池的厂家、型号、批次确定电池相关参数，并检测梯次电池电压、电阻、容量、内阻等数据，将内阻过高、容量过低充放电测试速率较高的电池筛选淘汰，其测试数据还可为退役动力电池梯次筛选做一定的数据支撑[45]。其中具体的检测方法多样，如电压电流可用电压表测试；内阻可以使用直流测量法、交流测量法或国内已有的内阻测试仪测量，如DME-50型电池测试仪器等；容量和能量可以通过完全充放电测试测定。其具体流程如图4所示。

图4 梯次电池安全性能初检流程图

4.1.2 退役动力电池梯次筛选聚类技术

由于退役动力电池来自不同厂家、不同批次并且经过长时间的使用性能差异性较大。从安全、可靠、应用价值最大化的角度出发，动力电池通过基本安全性能检测之后，必须对电池进行筛选重组实现分级利用。退役动力电池梯次筛选聚类技术涉及众多学科，如软件技术、测控技术、制造工业等。文献[46]是退役动力锂离子电池进行温度及直流内阻特性试验，分析电池的直流内阻与SOC、温度、倍率之间的关系，系统评估单体电池性能的方法。文献[47]提出了一种基于神经网络的筛选方法，提取电池充电曲线的关键特征，并将其输入到所提筛选神经网络模型中，试验表明是此方法筛分效率可达到传统容量测试方法的9倍。文献[48]介绍了一种用于磷酸铁锂电池的快速、准确确定退役动力电池一致性的方法和系统，可用于现场筛选磷酸铁锂电池，并根据直流电阻对电池进行分类。在筛选过程中，采用静态特征聚类并进行动态特征排序，提高了排序精度，降低了梯级利用过程中由于特性不一致造成的电池损耗。文献[49]是一种筛选前性能测定工作，通过容量测定、脉冲特征曲线以及电化学阻抗谱测试等多种方法对退役电池进行性能表征，最后根据各性能指标进行综合评判，将退役电池进行一致性分级，结果为电池的后续筛选工作提供参考。文献[50]从电池一致性判断依据、筛选成组、均衡技术三个方面，汇总了众多退役电池一致性的筛选原则，提出了提高退役动力电池一致性的解决方法。一是对退役动力电池严格分选成组，提高组内电池间的一致性；二是利用电池均衡技术降低电池的不一致性。文献[51]对退役动力电池筛选应用做了比较全面的叙述，从划分聚类、层次聚类、密度聚类等聚类算法及评价方法进行了比较分析，明确其优缺点、适用范围及评价指标，为后续实现快速精准筛选开展更深入的研究提供借鉴参考。

梯次动力电池单体筛选聚类技术针对退役电池性能离散度高、安全风险因素较多等问题有了诸多解决方法。在实际应用中，还需要满足筛选技术的模块化、精准化、快速化的实施要求，提高退役动力电池的使用率，提高其经济效益。从梯次动力电池单体级别安全的角度出发，选择筛选技术时需要针对不同应用工况选用不同筛选技术，达到“因地制宜”的效果。筛选所用测试参数需要可靠准确，可用不同方式进行测量。

4.2 热安全保护技术

梯次电池作为二次使用的旧电池，由于电池老化，相同环境下电池比新电池的内阻及温升更大[52]，退役动力电池工作时温度更高且成组后温度的不一致性会加剧。当电池未能处于最佳温度区间时更容易引发安全问题，并且电池单体、模组以及电池簇之间的温度不均也会引发安全问题。因此，电池的热管理系统(BTMSs)对于储能系统的安全性非常重要。目前电池热管理系统主要分为主动式和被动式，其具体如图5所示。

图5 电池热管理系统架构图[53]

目前实际应用较多的是空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却的方法[54]，其方法各有利弊，如表6[55]所示。

表6 热管理技术对比表

空气冷却方式是通空气流动将电池箱内温度进行交换达到控制系统温度的作用，具有简单易行、成本低等优点。针对梯次电池储能应用，文献[56]究了风冷热管理方案和运行策略，结果表明对于磷酸铁锂电池簇和镍钴锰电池簇增加风冷系统后，簇内电池最大温差可由无风冷时的10 K降低至4 K左右，电池的最大温升由30 K降低至10 K左右，风冷热管理能够满足适宜退役动力电池正常工作时的温度范围。热管是一种利用热导率和相变的传热装置，在两个固体界面之间提供高效的传热。其冷却效率较高，电池组温均性较强，但是由于其成本高、安装较为复杂，在大规模储能系统中很少使用。液体冷却方式是通过冷清液作为载体对电池箱内温度进行控制，具有冷却效率高、导热系数大、电池组温均性较强等优点，液体冷却系统已成功地应用于一些乘用车。例如，奔驰S400 Blue HYBRID采用液冷设计，制冷剂作为冷却介质。但是系统其质量较大，并且冷却液泄漏会给储能系统带来更多的安全风险，因此在大规模储能中使用较少。

相变材料(PCM)是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质[57]。这种材料将成为节能环保的最佳绿色环保载体，在我国已经列为国家级研发利用序列。因此使用相变材料冷却既符合国家政策，并且相较于其他方式具有结构简单、形状适应能力强、温度均一性好的特点。如DEY等[58]提出利用潜热系统(Latent heat of system，LHSB)对锂离子电池组进行热管理，其潜热系统主要使用相变材料，通过相变材料的吸热储能特性来防止热逃逸。但是纯相变材料导热系数低，不利于热量的传播，可以采用优化电池组排布进行解决。文献[59]验证了电池组温度分布与电池间距、矩形、线形、环形三种成组方式之间的关系。文献[60]验证了矩形圆柱电池模组，平行排列方式相比于非平行排列方式，对相变材料的利用率更高，整体散热效果更好，其电池最优间距为4～5 mm。文献[61]针对圆柱型锂离子电池组散热问题，设计了一种新型的相变材料(PCM)-水套式液冷耦合散热结构模型。在一定时间内可以将电池表面的温度控制在适宜的工作温度范围(20～45 ℃)，保证电池的正常工作。文献[62]证明了电化学-热耦合模型对储能电池包的温度与内部流速分布的分析可行性，并通过改变出风孔数量和风扇挡板形状改善了冷却系统的冷却效果。

4.3 电安全保护技术

为了满足储能系统的电压、功率、容量需求，筛选过后的梯次动力电池需要以串并联的方式组成模组级单元。其最大的不安全因素来源于同组电池的不一致性，可以采用相应的技术来保证储能系统的安全有效运行。

4.3.1 电池均衡技术

电池均衡技术目的是保证电池充放电的平衡，使电池模组安全高效运行。目前电池均衡技术分为均衡控制策略和均衡控制拓扑两个方向研究。均衡控制策略通过实时检测单电池电压、电流、SOC等参数制定相应的均衡策略，如最大值均衡法、平均值比较法等[63]。但是均衡策略的算法复杂，具体工程中难以实施，推广受限。均衡控制拓扑的研究对现有的拓扑结构进行改进和优化相对比较成熟，分为被动均衡和主动均衡，如图6所示。

图6 传统均衡拓扑示意图

表7为电池模组级均衡技术对比。可以看出其控制方式各有优劣，需要在不同的工况选择不同的均衡拓扑和均衡控制策略以便保证梯次动力模组级安全性。

表7 电池均衡技术对比

电池均衡技术经过长时间发展已经有了不少成果，文献[64]为解决磷酸铁键电池组内部不平衡性，提出双向能量转移式均衡电路及控制方法，解决串联电池组在充放电时，没有均衡或均衡效果不佳的问题，仿真证明其有效性。文献[65]使用以SOC为均衡目标的均衡控制策略，并对被动均衡和主动均衡两种均衡方式进行了分组试验。结果表明，主动均衡和被动均衡都能够有效改善电池的不一致性，主动均衡相比于被动均衡效果更优。文献[66]提出一种拓扑结构，基于一个由两个二极管组成的小等匝比高隔离变压器组成的隔离单元，试验证明了拓扑的可靠性，并易于使用，并且该设计可防止任何单电池之间的线路连接中断。文献[67]以主动均衡中的基于双向DC/DC变换器为基本均衡拓扑，设计基于蚁群算法(ACO)-Elman动态神经网络的模糊PID控制系统，均衡控制策略以粒子群算法(PSO)对量化因子寻优处理，结果表明其均衡速度快、效率高。文献[68]探究主被动混合均衡电路的理论可行性，并将主动均衡大电流特点与被动均衡简单控制特点相结合，提出一种动态式双阈值主被动均衡控制策略，在充电过程中减少无效循环充放电次数、提高效率、同时降低了过充过放现象发生的可能性，提高系统的安全性。文献[69]对现有的电池均衡控制研究现状进行分析，按照不同的电路拓扑结构，将其分为被动均衡和主动均衡两类。又根据能量转换方式的不同，将主动均衡方法按照从简到繁，从原理方法、改进的方式和优缺点三个方面，总结现有的主动均衡方案。通过对主动均衡控制方法的分析研究，总结了目前亟待解决的问题，并对未来的发展进行了展望。文献[70]对串联锂离子电池组均衡拓扑结构的研究进展进行了综述。通过横向(被动、主动均衡拓扑之间以及主动均衡中基于不同电器元件之间)与纵向对比(均衡拓扑改进前后的特性)全面分析了其优缺点与发展历程，其结果有利于均衡拓扑结构的优化与创新，并对模组级储能安全提供理论指导。文献[71]介绍了一种智能分时的主被动协同均衡技术，通过结合现有均衡技术的优点，可高效快速实现对梯次电池的均衡。文献[72]用钛酸锂电池和超级电容相集成，提出了一种电容模块兼具均衡和储能功能的储能系统，用于电动汽车等领域。文献[73]基于正激变换器的双向DC/DC变换器及开关阵列提出的主动均衡电路拓扑，提升了电池的可用容量和电池组的一致性效果。

电池均衡技术方面在降低成本、减小电路体积、降低电路损耗等方面有了众多的成果。但是针对大规模储能系统模组级来说，在保证其安全的基础上，追求更高的能量利用率和更好经济性是一个需要解决的问题。

4.3.2 可重构储能系统

目前可重构网络技术作为可以提高安全性、可靠性的储能系统受到了越来越多的关注。数字可重构系统创造性地把互联网系统架构中的精华部分“尽力而为”的工作模式和“软件控制分组交换”的技术体系引入大规模电池成组中，其核心通过对每个电池单体或模块的电流、电压和温度等信息进行实时测量，分析形成电池网络拓扑的最优控制策略并实现当前时刻最优电池网络拓扑[74-75]。系统架构如图7所示。

图7 可重构系统架构图

清华大学CI等[76]率先确定其基本拓扑结构，对相关技术进行综述，并对这一新兴领域的未来研究提供见解。文献[77]基于可重构电池组，提出路径组合优化策略，有效抑制了可重构电池组的内部环流，而且优化了策略的求解时间。文献[78]概述了可重构电池网络在实现电池的充放电管理、电池组一致性、电热安全管理方面所具备优势，在面对高离散度的退役动力电池分选重组利用时，表现出了技术的优越性。文献[79]对动态可重构电池网络技术进行了试验设计，验证了可重构储能系统适用于差异较大的退役动力电池组。文献[80]基于可重构电池网络，提出了一种提高多芯电池放电效率的软硬件协同设计方案，通过去除旁路电路来缓解短路，并具有低开关复杂度、低维护成本和高可扩展性。文献[81]基于可重构网络，提出了一种适用于大规模可重构交流电池组的分层平衡算法，在保证电压输出的同时，通过增加电池冗余，提高系统的安全性。文献[82]介绍了一种新型的动力电池阵列动态重构方法，该方法不考虑电池的实际物理位置，根据电池的健康状态对电池进行重组，通过试验证明其可靠性，为可重构均衡技术提供了一种新的方法。

传统模组级固定串并联加BMS的组合方式经过长时间运行[83-85]，电池组有容量严重下降并导致效率、安全性、可靠性、寿命及经济性等问题。数字储能系统将不同电芯的能量进行数字化处理和网络化管控，实现微秒级输出，彻底屏蔽了电池池物理和化学上的差异性[86]，并克服短板效应，提高储能系统的安全稳定性，其功能性指标对比如表8所示。从梯次电池储能系统安全角度触发，由于可重构网络架构很大程度上消除退役动力电池单体或模块在充放电过程中的差异性，屏蔽系统短板效应带来的一系列电池应用问题，因此提高了系统的可靠性和安全性。

表8 功能性指标对比表

传统电池均衡技术还是可重构技术都是为了保证系统的安全，安全技术手段的多样可以保证梯次电池储能系统在不同环境、不同工况、不同需求下寻找出最优的安全保护方法。

4.4 动力电池梯次利用储能系统级安全预警及处理技术

梯次动力电池组成的储能电站在运作的过程中，因使用的电池是退役动力电池，所以相对于传统储能电站，发生安全事故的概率会大大提高。其中，火灾事故尤为突出[87]。梯次电池储能系统的安全性分析方面分为两部分。首先是针对系统的安全预警技术，可以在源头阻止安全事故的发生；二是当火灾发生后，如何正确地处理事故避免储能系统的二次伤害。

4.4.1 动力电池梯次利用储能系统电热安全预警技术

当电池发生热失控时，会伴随局部温度突变、系统电压电流异常、可燃气体缓慢释放等热失控。因此通过对电池运行的历史数据分析、特征参数检验、热失控演化趋势的分析可以提前判断系统危险的发生。文献[88]为了了解热失控的可能性，考虑了热的产生和散热，并进一步提出了一个无量纲参数，即热失控数(TRN)用来预测热失控发生的可能性。文献[89]进一步提出储能安全状态(SOS)，基于安全与风险成反比的概念来评估储能系统的安全性。文献[90]提出一种基于互信息的故障识别方法，可以将电池组中低容量电池和与之放电性质相似的微短路电池精准识别，为系统安全管理提供了可靠的参数识别手段。文献[91]提出了一种基于偏微分方程(PDE)模型的锂电池热故障实时诊断方法，并利用某商用锂离子电池在加性发热故障下的故障数据验证了该方案的有效性。文献[92]通过电池运行数据，分析电池热失控过程，识别电池电压、温度等故障信号等信息，可以进行短路的早期检测。文献[93]研究了锂电池组外部短路的在线故障诊断问题。并提出了一种基于模型的电池组故障在线诊断方案，通过试验证明该方法能在3.5 s内有效诊断外短路故障，且电压误差小于25 mV。文献[94]针对锂离子电池组的典型故障，包括传感器故障和继电器故障，提出了一种基于混合系统的系统故障诊断方案。试验表明，能够及时有效地检测出来传感器和继电器的故障，其中±0.006 V的小规模电压传感器故障时间在19 s内。文献[95]研究了并联锂离子电池组的故障特征，提出了一种识别并联锂离子电池组连接故障和内阻增大故障的方法，通过估计电阻及其标准差来判断大电池是否存在连接松动或内阻增大的情况，结合后估计的电阻、标准电压和温度作为故障指示灯，共同确定具体的故障类型和位置。文献[96]总结了分布式储能的应用模式与分布式储能电站设计方法，归纳了电化学储能电站安全防护所采用的状态监控、预警、消防等关键技术措施，可为分布式储能的安全应用提供参考。文献[97]通过采气并进行气体成分含量分析，从系统部件、联动通信、人员安全三个方面确定储能电站消防预警系统架构，来提高储能电站的安全性。OJO等[98]提出一种基于神经网络的热故障检测方法，根据电池管理系统(BMS)提供的数据准确估计表面温度，其在保持高精度同时可以兼容不同的电池类型和老化。文献[99]提出了基于电池电压、可燃气体、温度、烟雾等的多级预警系统及分级预警策略，实现灭火系统的早期预警，并以退役磷酸铁锂电芯热失

控为例验证了该系统的有效性。文献[100]提出了一种基于磷酸锂电池储能安全管理系统的热失控预警方法，从温度、气体、烟雾、红外视频监控等多个方面进行热失控预警和防火保护，此方法能够快速定位热失控发生的区域，并快速执行相应的切断动作、消防报警操作，节省了大量的人工成本，保证了蓄电池的安全稳定运行，防止了重大火灾事故的发生。

4.4.2 动力电池梯次利用储能系统电热安全处理技术当储能系统发生安全问题出现起火、爆炸、散发有毒气体的现象，由于锂离子电池火灾与普通火灾不同，锂电池火灾是由电池内部热失控而引发的，故应对常规火灾所使用的隔绝氧气或切断燃烧链的方法并不能彻底扑灭锂电池火灾。针对锂电池火灾的成因，现有试验已证明七氟丙烷对单体电池和电池簇具有灭火效果。但通过对已发生的储能电站火灾事故的分析，七氟丙烷并未完全将火灾扑灭，最终采用大量水扑灭，也因此造成了更大的经济损失。因此，后续需要对现有的灭火器进行重新设计和升级，包括增大灭火器中七氟丙烷的浓度和容量等，足以应付突发的大型锂电池火灾。文献[101]对电池储能电站的五大安全风险因素(包含火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等)进行分析并给出相对应的解决方法，为火灾事故的后续处理提供可靠参考。最后要对储能电站相关工作人员进行充分的安全知识培训和火灾预防演练，这样就能够保证有火灾等突发情况发生时，储能电站的工作人员能够第一时间响应，从而做到把损失降至最低。

5 研究现状分析及展望

动力电池梯次利用储能的发展与我国“碳中和”“碳达峰”的政策息息相关，当大量退役动力电池梯次应用到储能系统中，对梯次电池储能电-热安全问题的研究更加重要。基于现状分析，未来针对梯次电池储能系统的研究可从以下几方面展开。

(1) 政策标准。目前相关标准主要对动力电池的回收筛选做了相关规定。但是筛选、分级和评估标准不完善，无法满足不同厂家、批次、种类、电池参数和结构的需求，缺乏统一的质量管控标准。在储能层面，目前的储能安全标准主要规定了锂离子电池储能系统的功能安全，包括出厂前和出厂后的功能安全目标、出厂前功能安全设计验证、出厂后功能安全保养验证等内容。但是标准覆盖不全面，还需要针对梯次电池储能系统从电芯、模组、系统三个层面出台相关安全标准，健全动力电池梯次利用储能系统的安全标准体系。

(2) 热失控机理。当前热失控特性研究主要针对电芯层面，对于热失控的反应机理方面研究也比较深入。但是相关研究主要以新电池为研究对象，未考虑梯次电池可充放电次数少容量低的特点，研究成果精准性欠缺，导致梯次电池的热失控更加不可预知。因此需要重点考虑可充放电次数、容量等梯次电池独有的特性来展开热失控机理的研究。另外，目前主要针对单体的热失控进行研究，还需要加强对梯次电池模组、系统级别的热失控研究，深入研究电池单体、模组、系统之间的热失控耦合及扩散机理。

(3) 电安全保护。电池均衡技术方面研究正在蓬勃发展，均衡性能随着拓扑的不断改进而加强，主被动均衡可以相互组合或者根据不同工况分级管控，改进单一方式的缺陷。但是对于大型的梯次电池储能系统而言，复杂的均衡拓扑和均衡控制策略难以在工程中大量应用，需要从安全、简单、成本、有效多个角度做进一步的优化。

可重构电池网络技术在大规模储能方面展现其先进性，并已有部分示范工程。但是电热安全管控技术体系尚待进一步系统化和完整化。可以研究静动态一体的安全评估方法，先量化梯次电池的静态安全性能，进行梯次电池的二次筛选，然后考虑历史运行数据和实时监测数据评估梯次电池储能系统的动态安全性。基于静动态一体的安全性能来重构最安全的储能系统拓扑，达到可重构储能系统的电、热安全预警分析、故障预判和定位，实现故障电池快速精准隔离，提高其安全性。