电化学储能安全性分析及预警技术进展

2023-02-10周正徐仕先丁卫华于海全刘红兴方李焰

工业安全与环保 2023年2期

周正徐仕先丁卫华于海全刘红兴方李焰

（江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

在“碳达峰、碳中和”背景下，大容量储能技术可以促进新能源消纳，平滑风电、光电，满足电网的调峰、调频等需求。国内外储能市场主要有机械储能、电磁储能、化学储能。其中，化学电池具有比能量高、循环次数长、深度充放、环保优良的优点，逐渐成为储能技术中的领先者。但是随着电化学储能电站的快速建设，其安全性问题也逐渐突显，直至2021年4月，全球已发生多起电化学储能电站起火或爆炸事故。

1 电池安全影响因素分析

1.1 单体电池的安全性

电化学储能电站的最小结构就是单体电池，其中单体电池的安全性主要体现在温度超标和温度失控两方面。其温度超标和温度失控主要由以下原因造成：

1）电池充、放电过程内阻产生热量。电池在设计完工后，其内部存在电阻，在电池充、放电时，外部电能会依据电池内阻大小而产生热量，导致电池温度升高。如果电池温度过高，电池内部热量会不断累积，最终造成起火与爆炸事故［1］。

2）电池内部SEI膜破损造成电解液“燃烧”。电池内部的SEI膜（隔离膜）一旦受到外力破损，电池内部正极和负极会直接接触，造成电池短路。电池一旦发生短路，电池内部的电解液会蒸发并发生分解，造成电池鼓包，随后分解的同时会发生燃烧反应，导致电池进入热失控状态，同时伴随爆炸发生。

1.2 电池组的安全性

电化学储能电站由大量单体电池组成，每节单体电池通过串联、并联构成电池组。由于设备制造以及出厂品控的原因，单体电池的电芯会有些许差异，而针对整个电池组而言，电芯容量最差的单体电池往往起着决定性作用。电池组设计过程中，并未设计单个电芯之间的隔离装置，这就导致单个电芯出现起火爆炸时，该电池组必然受到影响，导致更大的火灾和爆炸。据了解，单体20 Ah的电芯热失控能量约480 000 J，72节电芯构成的5 kW电池组热失控能量约34 560 000 J。因此，国内大部分厂商会将单体电芯的容量适当增加，减小电池组电芯数量，适当减少因电芯不一致而造成的电池组安全风险。

2 储能电池安全性研究方法

针对储能电站存在的危险性，国内外学者开展了电化学储能安全性研究。目前电化学储能电站的安全性研究主要从以下几个方面进行：①根据电池管理系统（BMS）测量的电池外部电路参数，综合评价电池组运行状况；②与外部电路参数不同，采取测量电池内部参数，寻求电池内部参数与电池安全运行的关系；③针对电池热失控前期化学反应的特殊气体进行测量，构建气体参数模型用以储能电池组的安全预警。

2.1 基于BMS获取电池外部参数

电池的外部参数随着外部施加条件的不同而产生的数值不同，例如电池的充、放电电流、电压、外部温度等。自电化学储能电站开发以来，研究团队对BMS的研究也从未间断。

郑杭波［2］针对新能电动汽车锂电池管理系统进行研究，通过对电池外部参数如电压、电流等参数进行实时记录，引入模糊诊断专家系统，研制出具有分布式结构的燃料电池大客车锂电池管理系统。宗梦然［3］对电网储能用电池管理系统的硬件和软件进行了设计，通过对多种主模块的设计，实现了电网储能电池检测、评估、通信等多方位的功能。唐达獒［4］利用改进PNGV模型，对电池健康度进行建模，通过分析得出模型中各个参数辨识方法，在此基础上，结合试验数据，建立了参数可变的电池模型，并证明了其实用性。石雪倩等［5］提出了一种动态调节储能系统可用容量的电池管理系统，与传统电池管理系统相比，电池管理系统可以根据控制策略动态调整电池组，延长充放电时间，提高储能系统可用容量和降低系统故障率的目的。徐振轩［6］通过对大容量储能电池管理系统的模型和算法研究，设计并开发了一个由9个功能模块组成的储能电池管理系统，经过实际运行表明该系统功能完善，界面友好，应用价值较高。

然而，电压、电流等检测一直无法完全避免电池运行故障，且电池本身导热性较差，电池内部的实际温度与外部温度存在误差，因此通过对储能电站外部运行参数的监测，无法掌握电池内部实际状态，导致测量的参数具有滞后性。

2.2 基于电池内部温度估计的预警技术

储能电池热失控的根本原因就是其内部温升无法准确控制，单体失控热量将会产生连锁反应，造成储能电池组起火爆炸。基于电池内部温度的精确测量一直是国内外研究热点，其中电池热模型的建立和电化学阻抗谱（EIS）获得了研究人员更多的关注。

目前，通过将热电偶或温度传感器直接植入电池内部是测量储能电池内部温度最直接的方法，前人基于热力学理论，对LiFePO4/石墨锂离子电池构建了热力学模型，在惰性气体氛围下，将热电偶埋设在电池内部，在实验条件下确认了该模型的可靠性。赵乔［7］以电网储能用大容量锂电池为实验对象，进行了锂电池EIS的测量试验，得到了锂离子电池EIS与内部温度之间的关系，同时利用软件Zsimp Win对所有状态下的阻抗模型参数进行辨识，找寻与内部温度相关、SOC无关的参数，最后通过对预测温度的误差修正，保证内部温度估算的精确度。秦世超［8］以磷酸铁锂电池为研究对象，设计了以SOC和温度控制变量的交流阻抗测量实验，通过实验获得的数据，应用Arrhenius的形式对阻抗模值与内部温度进行拟合，建立了基于阻抗模值的电池内部温度估算函数关系式，同时利用该方程式对不同工况下的锂离子电池内部温度进行了在线检测。针对电池内部温度估计的预警技术仍然处于研究阶段，且研究人员多研究单体电池内部温度估算方法，针对储能用电池组缺乏相应的内部温度评估技术，大规模商用还有待商榷。

2.3 检测气体成分预警电池事故

电化学储能电站电池一旦出现热失控，便会发生化学反应，并伴随着大量气体产生，针对早期生成的气体进行精准检测，可以将事故影响降至最低，避免大规模的起火、爆炸。虽然产生的气体种类繁多，但是根据检测方法与判别模型，不是所有的气体都可以用于检测。可用于检测的气体需满足以下要求：①与常规空气成分不同；②扩散及传播迅速；③检测技术成熟可靠。针对该技术，国内学者也开展了深入的研究。吴敏［9］提出了一种基于单片机STM32 F103的动力电池储能系统有害气体检测与预警装置，采用MQ-2烟雾（甲烷）传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MQ-8氢气传感器作为信号采集器，测量在无烟、轻微烟、中度烟、浓烟情况下传感器输出的电压值，并实现声光报警的功能。郑志坤［10］通过搭建磷酸铁锂单体电池失控及气体探测实验平台，开展热失控6类特征气体（氢气、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢、氟化氢和二氧化硫）在线探测，结果氢气在火灾前13 min率先被探测到，具有一定的超前性。此外，郑志坤［10］设计了电池簇过充试验平台，模拟过充过程，结果发现在探测氢气的同时切断电源可抑制电池内部热量聚集，论证了氢气探测预警技术的可行性。王铭民等［11］以硬壳磷酸铁锂电池模组和软包磷酸铁锂电池模组作为试验对象，搭建真实的储能仓实验平台，采用可见光摄像头、气体探测器、红外监控系统进行全方位的监测，结果发现磷酸铁锂电池热失控各阶段反应现象对应的气体浓度存在差异，同时定义了一级预警气体：氢气、一氧化碳、二氧化碳，二级预警气体：氯化氢、氟化氢。图1为学者用热成像仪监控电池组爆燃过程。