全尺寸预制舱式储能柜热失控早期征兆分析

面对我国实现碳达峰、碳中和目标和建设生态文明的迫切需求，提升新能源在能源供给中的比例，开展风、光等新能源并网势在必行。然而风、光等新能源受季节、气候等变化影响，导致电网的鲁棒性和可靠性降低，需要建设与之相适应的储能系统

。其中，锂离子电池因能量密度高、循环次数多、使用寿命长等优点，在储能系统中得到广泛应用

。然而，锂离子电池本身存在热失控风险，因其可靠性和安全性问题导致的火灾、爆炸事故频发，产生了严重后果，限制了锂离子电池储能系统应用推广

。通过分析锂离子储能系统火灾事故过程，普通的点型感烟和感温火灾探测器已难以满足锂离子储能系统火灾的早期报警需求

。同时，现行储能系统相关标准中电池管理系统BMS 安全要求的缺失

，储能系统典型设计等重要环节未能涵盖消防安全内容

，也是迫切需要解决的问题。本工作就锂离子电池储能系统安全的相关研究进行论述。

帝人富瑞特把SOLOTEX OCTA定位为新一代高功能面料，短纤维将以替代羽绒的中棉结构体为核心展开，还可以作为面向无纺布及其他纤维组合结构体等的纤维材料加以广泛推介。另一方面，长纤维则以运动装等服装用面料为主展开，通过假捻加工和混纺加工、精纺交捻等与其他面料的复合加工，力争面向从服装面料到工业材料的多种领域推广。

1 相关研究现状

在锂离子电池安全故障预测方面，有学者

通过引入机器学习的方法，开展数据驱动的预测算法研究，提出利用有限元模拟(FE)对公开电池数据

进行补充，取得较好的预测结果。利用BMS 数据开展电池健康状态估算

，对退役电池的梯次健康状况快速评估

等方面也有相关研究。电化学储能系统本身具有复杂的拓扑结构、管理逻辑，在系统运行中产生的故障信息对于热失控、火灾事故的预判是有必要的，然而，锂离子电池多用于电动汽车、通信基站等均不涉及建筑消防系统，导致针对性的消防技术方法较为缺乏。随着锂离子电池在储能电站、预制舱式储能柜等场景进行规模化应用，迫切需要开展针对性的监测预警、阻隔防控及灭火处置等新技术研究。

二是注重沟通协调，强调监管合力。针对地方政府隐性债务等财政金融风险，突出“三个联动”，牵头构筑长效化的监管机制。突出“内部联动”，加强办内负责金融监管与负责债务监管的处室合作，共享案例，互通信息；突出“财金联动”，加强与金融监管部门的联动，共同排查风险，提出警示；突出“央地联动”，加强与浙江省财政厅、金融办等地方主管单位的沟通协调，央地部门共同分析形势，探讨难点，商议对策。

(1)挑选与组织价值观匹配的员工。在员工招聘的过程中，员工选拔的依据通常是建立在以岗位为基础的任职资格之上的，通过学历、专业、技术、能力、经验等方面的测评来做出用人决策。这在某种程度上能够选拔出符合岗位要求的员工，但未必会是一个优秀的员工，因为真正对员工的绩效产生驱动作用的是特质、动机、自我概念、社会角色、态度、价值观等这些内在的相对稳定的素质。技术和能力可以通过培训教育得到一定程度的改善，但是价值观和动机等素质很难通过教育发生明显的改变，所以在招聘环节应该关注应征者的相关素质，挑选更适合企业的员工。

在热火朝天的新农村建设中，一定不要忽视和遗忘赡养老人，莫使农村养老成“死角”。让优良传统回归，让亲情伦理彰显，善莫大焉！

进一步分析不同电箱在热失控过程中温度的发展变化过程。根据电箱内部悬空热电偶及电箱底部热电偶采集数据对电池柜内部的热失控发展蔓延情况进行分析，见图5。

分析电芯电压相对正常工作电压3.25 V的偏移情况，如图4(b)所示。在热滥用条件下，实验电芯的电压偏离正常电压0.2 V 左右，处于高位运行状态，在52 min 时，电芯发生短路、断路的状况导致实验电芯和相邻电芯的电压发生突降，然后其电压以5个电芯串联的状况迅速升高，直至发生热失控事故。

2 实验设计

2.1 全尺寸实验平台及电池模块

为研究预制舱式储能柜中单体电芯发生热失控的早期征兆，研究团队搭建锂离子储能系统热失控实验平台，见图1(a)，实验平台以典型预制舱式储能柜1∶1 比例搭建，开展全尺寸实验测试。实验采用3.65 V/280 Ah 的方形磷酸铁锂电池，电池工作电压为2.5～3.25 V，容量为280 Ah，内阻为(0.18±0.05)mΩ，重量约为5.51 kg。电池的正常工作温度为(25±2)℃，电池使用绝对温度0～65 ℃(充电)，-35～65 ℃(放电)。电池的正极活性材料为磷酸铁锂，负极活性材料为石墨，尺寸约为72 mm×174 mm×207 mm，见图1(b)。

2.2 实验设计及测试方法

搭建全尺寸实验平台，模拟锂离子电池在储能柜中发生热失控后烟气蔓延、传热传质的机理规律，实验平台布局及测试过程如图2所示。整个实验平台由5 个标准电池柜和1 个功率转换系统柜(PCS)构成，其中5 个电池柜包括1 个实验电池柜(标红)和4个测试电池柜，见图2(a)。

如图2(b)所示，在实验电池柜中，分2 列布置有16 个电池箱，依次为1#～16#，单列8 个电池箱，其中1#为实验电箱，2#和9#电箱贴邻1#实验电箱(标黄)，其他电箱标记为淡蓝色；单个电池箱内部，以13 块电芯为一组串联，4 组并行，共计52 个电芯。储能柜内部空间相对封闭，且实验过程未考虑空调、通风冷却等辅助系统运行情况，仅测试电池本身发生热失控的过程。

实验电池箱内部电池排列布置情况如图2(c)所示，其中蓝色为SOC=100%的满充电池，其余为测试电池，电芯间用连接板依次进行串联、并联，以模拟真实的布置状况。满充电池共计5 个，其中，1#电芯为中央实验电芯，一侧布置有电加热板，从上方开始沿顺时针方向依次编号为2#～5#电芯。设置电加热板功率为500 W，可通过电控模块进行稳定的热能输出，以模拟储能系统运行过程中发生热失控的情况，其背面布置有隔热材料实现热量的单向输出，近似单个电芯过充条件下的产热量。

2.3 测试方法

活动之后，我做了两次安抚。一次是对同学们的安抚，主要是详述解忧杂货店各位店员的付出和努力，以取得同学们的理解和支持；一次是对店员的安抚，毕竟是第一次，积极的肯定会让他们更勇敢地面对自身存在的问题。后来，店长黎一鸣发来了反思总结：

2.2.2 病症的分析：诊断必须全面，因为在一个患者身上往往存在不止一种疾病。例如患者因为肺炎住院，而肺炎可以并发休克、呼吸衰竭，肺炎患者可以伴发其他疾病如高血压、糖尿病、冠心病、慢性肝炎等等。在诊断时必须理清关系，即原发病和并发症的关系、诱因病因和靶器官受损的关系、原发病和合并症的关系、原发病和后遗症的关系。如1例患者有胸水、腹水、下肢浮肿和心包积液，有可能原发病是心包炎，此时心包积液引起心包填塞是因，而胸水、腹水和下肢浮肿是果。也有可能肝硬化是原发病，是因；而胸水、腹水、下肢浮肿和心包积液都是果。

实验开始后，启动电加热板，同步开始温度、气体浓度相关参数的采集；待发生热失控后，关闭电加热板，继续采集温度、气体浓度相关参数；待电池柜顶部布置的探测器响应，并联动启动灭火系统，结束实验。然后，将实验箱静置24 h后，进行开箱拆除操作，并整理实验仪器、清理实验平台以便开展下次实验。

3 实验结果与讨论

3.1 温度及电压分析

通过布置在5个电芯前面两个面的热电偶测量其温度变化过程(图3)，其中1#电芯在138 min 时发生热失控，温度超过100 ℃，5#电芯距离加热板较远，其发生热失控的时间明显滞后于1#电芯，然而，在150 min左右，其温度反超1#电芯，显示其热失控过程剧烈。在160～165 min，1#～5#电芯均发生剧烈燃烧过程，温度超过1000 ℃，然而燃烧过程较快，温度迅速回落。

通过电压/电流监测模块采集满充电芯的端电压变化情况，如图4(a)所示。1#实验电芯的电压，在加热板作用下，电压逐渐升高至3.5～3.75 V；考虑电池本身的工作电压为3.25 V，可以近似认为电池电压处于高位运行，估计其原因是电池外部受热温度上升导致电池内部离子的扩散运动更加剧烈进而拉高电池的电压。在52 min时，5个电芯的电压均出现回落，其中1#实验电芯的回落最为明显，然后电压又迅速回升，在75 min30 s时，电压突破4 V，并逐渐升高，电压的变化时间均早于图3 中温度的变化时间，采用电压作为电芯预警的参量能有效提升单一温度参数的预警效果，本实验中，电压和温度变化的间隔差异在几十分钟以上。在165 min 时，电压再次回落到0 V，并迅速升至最高点达到16.5 V，和图3 中温度达到峰值时间近似，电池中的大量电能在热失控过程中的释放也是推高热失控的关键因素之一。同时，按照单颗电芯正常工作电压为3.25 V估算，预计为5个电芯均发生故障导致其电压骤然升高，然后电压回落为0 V，可认为热失控过程中储能系统电路已处于损毁开路状态。

在锂离子电池标准化技术方面，有研究分析锂离子电池在实际应用中的情况，认为标准化的测试方法对电池研发、技术应用具有重要作用

。国外电化学储能系统技术标准以国际电工委员会(IEC)

的自愿性标准和美国保险商实验室(UL)测试标准

为代表，国内标准以国标为主导，行标、团标为补充，多为自愿性标准

，如《电化学储能电站设计规范》等强制性标准也在修订中，然而锂离子电池储能系统迅猛发展，迫切需要标准化技术方法进行支撑。因此，本工作按照全尺寸储能箱搭建实验平台，并按照储能系统标准结构布置锂离子电池，开展全尺寸预制舱式储能柜热失控实验，获取温度、电压、气体等早期特征的变化情况，分析储能柜的早期征兆，为热失控、火灾早期检测预警提供技术支撑。

在锂离子电池热失控、火灾方面，有学者分析了电芯级、模组级的热失控过程，认为锂离子电池发生热失控时，其温度、电压会发生剧烈变化，释放出CO 等多种气体

。进一步地，有学者

通过实验及建模的方法研究了18650型电池热失控中燃烧行为、气体射流速率/压力、火焰高度的情况，热失控过程中产生H

、CO及VOC等多种气体，气体压力可达1.5 MPa。开展单个及多个圆柱电池的热失控灭火实验，讨论了水喷淋在扑救锂离子电池火灾中的作用，虽然应用水喷淋能够对火灾进行控制，但不能有效扑救火灾，同时导致CO、H

等可燃气体浓度增加，CO

浓度降低等状况

。现有研究对于厘清锂离子电池热失控、火灾及灭火的相关机理，进行了有效的探索，然而研究对象多为单体电芯，缺乏针对系统级的实验研究。同时，有学者通过分析国内外机构在锂离子储能系统安全方面的研究成果，认为对锂离子储能柜、储能集装箱等级别的火灾特性分析尚存在不足

。因而，迫切需要结合锂离子电池储能系统结构布置，开展针对系统级别的热失控、火灾特性研究，分析锂离子电池在储能系统中的热失控早期征兆。

如图5(a)所示，其中1#电箱(实验电箱)内部温度迅速升高过程同电芯单体的温度变化情况基本相符。同时，1#电箱背侧的9#电箱和其上方的2#电箱的温度变化最为显著，因此需要在电箱间进行热阻隔，对单个电箱发生热失控进行有效延缓以防止热失控蔓延。由于电芯安全阀位于电池正上方，在图5(b)中明显看出，2#电箱底部温度变化更为显著，和1#电箱内部的温度变化过程类似，根据电芯喷射火焰的方向及温度分布情况，可以看出在上下电箱间进行热阻隔尤为必要。并根据2#电箱温度变化情况，可以看出虽然其温度最高可达1000 ℃以上，但是持续时间较短，在图5(a)中曲线显示2#电箱内部温度变化情况，明显滞后于其底部的变化。因此，根据其温度变化过程选取液冷板作为不同电箱间的热阻隔设计方法，既可兼顾电箱内部温度管理，又能有效阻隔下部电箱热失控导致的温度剧烈升高。

3.2 气体浓度分析

实验电池柜中氧气浓度变化过程如图6(b)所示，初始条件下，气体分析仪采集氧气浓度为20.8%(体积分数)，在141.2 min，氧气浓度出现阶梯式下降，在162 min达到峰值，氧气浓度下降为15.3%(体积分数)。假设实验过程中，储能柜同外部环境相对封闭，根据实验平台的整体尺寸6 m×2.4 m×2.9 m，氧气密度1.43 g/L，消耗单位质量氧气产热值1.31 ×10

kJ/kg，进而估算其热释放速率峰值为4.3 MW，虽然其峰值较高，但其对应的时间跨度较小，因而总热值不高，见图6(a)。在储能系统热失控早期，仅较少电池发生事故时，采用必要的火灾防控技术能有效对储能系统火灾进行处置。

3.2.1 氧浓度分析

12次测定结果偏差均处于标准值-20%～+20%，符合LS/T 6115-2016[5]中关于X射线检测仪器校准与测量准确度的要求。

实验测试布置的探测器主要包括：电压/电流监测模块、K型热电偶、气体分析仪等，其中K型热电偶在电芯处、电箱内、电柜内均有布置，气体分析仪测试的气体成分包括O

、CO，其中O

气体分析仪在实验储能柜顶部布置，CO 气体分析仪在电池箱和电池柜顶部均有布置。

通过设置在电柜顶部的气体分析仪，分析氧气浓度及一氧化碳等气体浓度的变化。通过氧气浓度变化估算电池热失控过程中产热量，通过分析一氧化碳气体浓度变化情况研究预警探测中一氧化碳作为表征气体的阈值的参数设置，针对气体浓度的具体分析如下。

3.2.2 CO浓度分析

总结来说，亚太各国签署实施RTA的确有利于该地区总体经济的发展，可以显著提高该地区人民的福利水平。同时，生效实施的RTA的协议质量比数量更有效，法定承诺率高的RTA比条款覆盖率高的RTA对经济增长的影响效应更大，WTO-X领域的条款质量比传统的WTO+领域的条款质量能更有力地推动亚太地区国家的经济增长。

分析电池包内和电池柜顶部的CO 浓度，可以看出本实验对应的储能系统设计方案中，由于电池箱内相对封闭，导致图7(a)和图7(b)的CO 浓度变化曲线具有较大差异。分析原因如下：在电池箱内部，加热初期有部分CO气体析出，气体浓度缓慢升高后稳定在100 mg/L左右；而电池柜顶部的CO气体较少，其浓度仅为0.1～0.3 mg/L。在布置气体预警装置时，应考虑储能系统内部气体流动导致的差异性，合理选择探测器阈值范围，避免误报、漏报，实现精准预警。同时，由于CO的分子量为28，同空气接近，在热失控初期温度值较低的情况下，在电池柜中大多处于悬浮状态，较难蔓延至电池柜顶部也是导致图7(b)中CO 浓度值变化较为迟缓的原因，在140 min 之后，CO 浓度在电池箱内和电池柜内部均有较大变化，应为电池发生热失控后，电芯猛烈燃烧导致电箱外壳被破坏，箱内CO大量扩散至储能柜中。在猛烈燃烧阶段，由于仅有少量CO 产生，且有大量CO 扩散到储能柜中，导致电池箱中的CO 浓度明显降低，对应图7(a)具有明显的下降阶段，相应图7(b)位置处于峰值水平状态。

3.3 热失控检测技术对比

实验结果显示，锂离子电池热失控早期征兆包括电压、温度、气体等多种特征，热失控检测技术分析对比如下：在电压监测方面，电池本身SOC状态、电网波动等多种因素均会影响电压传感器的监测结果，且不同规格电池电压波动区间具有差异，难以仅依靠电压信号判断电池是否发生热失控，应用难度较大。温度信号虽然已具有明确的指标对热失控进行判别，然而针对单个电芯均增设温度传感器的成本较高，且仅监测电芯表面温度也容易造成预警滞后。气体检测作为热失控早期的信号，监测可行性较高，现已有H

、CO及VOC等气体检测的成熟产品应用于电动汽车预警监测中。其中，H

析出时间点较早、且H

比空气密度低，可在储能簇顶部设置探测器实现早期监测预警；虽然现有氢气传感器存在成本高、寿命短、价格贵等不足，但可通过传感技术发展得到解决，具有较好应用前景；CO 检测技术较成熟且已有广泛应用，然而由于CO密度近似空气密度，在热失控初期温度值较低的情况下[图7(b)]，CO在电池柜中大多处于悬浮状态，较难蔓延至电池柜顶部，增加了探测器捕捉征兆信号的难度。

因此，针对电化学储能系统早期征兆的检测技术优劣各异，应发展多信息融合的探测、预警技术，克服单一信号探测的不足，提升预警探测的及时性、准确率。

4 结 论

通过对磷酸铁锂电池的预制舱式储能系统开展热失控实验研究，针对预制舱式储能系统的热失控早期征兆，分析储能系统在热滥用触发条件下，电压、温度、氧浓度、CO 浓度等参数变化过程，得出如下结论：

（1）分析电芯的电压、温度参数，电压值征兆变化明显早于温度变化，本工作实验条件下电压、温度变化的间隔差异几十分钟以上，电压信号可作为征兆参数进行预警防控；

（2）分析不同电箱温度的变化过程，在电箱下方发生热失控时，液冷系统的隔热板可有效延迟电箱内部温度变化，保护电池系统安全；

（3）磷酸铁锂电池早期析出气体能为早期预警提供征兆信息，在设置探测器时应考虑探测器位置及预制舱内部气体流动规律，合理设置阈值，避免误报、漏报，实现精准探测报警；

（4）虽然通过氧浓度估算热释放速率峰值较大，但总热量较低，因此针对预制舱式电化学储能系统，通过早期预警及时进行防控处置，磷酸铁锂储能系统火灾是可防控的；

（5）根据磷酸铁锂电池征兆特点，发展多信息融合的探索、预警技术，提升预警探测的及时性、准确率。

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