鋰離子電化學儲能系統的風險與應對

文/楊尚丹 孫亦鍇 岳文彥

編輯 趙苡萱

構建以新能源為主體的新型電力系統是電力行業響應我國碳達峰、碳中和戰略布局的重要技術路徑。具體就電源側而言，根據國家能源局7 月16 日發布的《國家能源局發布1-6 月份全國電力工業統計數據》，截至2021 年6 月，我國風力發電、光伏發電裝機已達5.6億kW，占全部發電裝機容量的24.8%。預計到2030 年，非水可再生能源（風能、太陽能等）的裝機容量將達到12 億kW。

非水可再生能源具有出力與負荷需求時空匹配性不佳的特點，隨著非水可再生能源在電力系統滲透率的升高，給電力實時供需平衡帶來很大挑戰，亟需技術手段來補償電力供需失衡。

電池儲能系統介紹

儲能技術是補償電力實時供需偏差的最有效技術手段之一。近年來，儲能技術成為研究熱點，各類技術百花齊放，但目前具有商業化價值的儲能技術不多。在各類儲能技術中，以磷酸鐵鋰電池為代表的電化學儲能系統以其能量密度高、充放電效率高、自放電率低、動態響應性能優異等特點，成本接近商業化拐點，已經在電力系統中表現出推廣應用的技術經濟可行性。

近期多省在新建的新能源項目中要求，必須配置儲能設施，且功率為新能源項目核準容量的5%～30%不等，儲能時長為1 ～4小時。出于安全和方便運維的角度，現階段電化學儲能系統的主流集成方案是將電池、電池就地控制保護系統、電池管理系統、空調系統、消防系統等直流側設備集成在一個箱內，將變流器和變壓器集成在交流預制艙內。

電池儲能系統基本組成結構如圖1 所示：系統主要由直流側電池和交流側變流變壓組成，同時配以電池管理系統和能量管理系統。其中，直流側確保能量存儲和釋放，將電芯串并聯集成模組，適當數量的模組串并聯形成電池簇，根據系統集成的電壓和能量要求，考慮和變流器的匹配，將電池簇串并聯形成電池組。電池組與交流側變流器連接，變流器是進行直流電能和交流電能的轉換，確保和電網之間進行能量交換。

圖1 電化學儲能系統基本組成結構

同其他電力設備相比，儲能系統結構設計簡潔、布置清晰。但是，鋰離子電池并非本征安全電池，且電池集裝箱內堆疊大量高化學能鋰電池，存在安全隱患。與此同時，系統對直流電氣設計要求較高，電池多級串并聯后，輸出電流通常達到數千安培。直流電流沒有過零點，關斷過程中易產生電弧，有火災隱患。

近年來，國內外發生了一些儲能電站起火爆炸事故，造成了非常嚴重的人員傷亡和財產損失。為此，在大規模推廣電化學儲能應用之前，儲能系統的安全問題必須引起十足的重視。

電化學儲能系統安全事故及原因分析

筆者收集了一些案例，以案例入手分析事故原因和鋰離子電池系統的火災特點。

2017—2019 年期間，韓國發生儲能電站大小事故20 余起（見表1），一方面，是在利好政策刺激下，很多公司在沒有對儲能的安全性充分驗證的情況下，急于建設鋰離子電池儲能電站，電池儲能系統質量參差不齊，埋下安全隱患。另一方面，應對電氣故障的保護不當、運營管理不足和儲能系統綜合管理體系欠缺也是造成這些事故的主要原因。

表1 2017年8月—2019年6月韓國儲能電站事故

2021 年4 月16 日，北京市豐臺區“光儲充”一體化項目在工作人員調試過程中發生著火、爆炸事故，造成兩名消防人員犧牲的重大損失。

2021 年7 月30 日， 澳大利亞“維多利亞大電池”儲能電站在調試過程中起火，經過4 天多的燃燒，現場火災得到控制。該起事故中，儲能電站使用的電芯已經通過了UL1973 檢測。UL（Underwriter Laboratories Inc.）安全試驗所是美國最有權威的從事安全試驗的專業機構。在其發布的UL1973 中，從電氣試驗、機械試驗、環境試驗、電芯失效試驗、產線試驗等方面，詳細規定了電化學儲能安全相關的要求或試驗方法。但即便如此，仍未能避免7 月30 日“維多利亞大電池”儲能電站的火災發生，可見在電池本體質量之外，結合多方面因素的系統級的安全設計也非常重要。

鋰離子電化學儲能系統熱失控、失火特點

鋰離子電池發生熱失控、失火的過程具有以下4 個特點：一是電池自身為可燃物（電芯、電解質），易復燃、撲滅難度大。二是在熱失控燃燒過程中，釋放大量高溫可燃、有毒氣體（氫氣、一氧化碳、氟化物等），可燃氣體聚集造成儲能系統爆炸當量高。三是失火過程還疊加了電氣火災，消防滅火工作復雜。四是從儲能系統的集成來看，多個電芯集成在一個電池模組里，多個模組堆疊至于電池架上，當電池著火時,滅火介質難以第一時間到達著火位置。

電化學儲能系統消防設計通常包含探測系統和滅火系統兩部分。探測系統可對艙內的可燃氣體、溫度進行探測。滅火系統通常以七氟丙烷自動滅火裝置為主體。但七氟丙烷只能撲滅明火，降溫效果不佳，需要較長冷卻時間才能抑制鋰離子電池的復燃。由鋰離子電池引起的失火在燃燒過程中釋放可燃氣體（如氫氣、一氧化碳等）且自身電極、電解液均為可燃物，極易發生復燃并點燃其他尚未著火的電芯。

鋰離子電化學儲能系統失火原因分析

對電化學儲能系統失火原因分析，發現電池單體內部短路往往是造成電芯溫度升高，引發熱失控、熱擴散及電池燃燒、爆炸的主要原因。電池內短路可能有三方面原因：一是在加工過程中的品控不足。在加工過程中，因隔膜表面導電粉塵、正負極錯位、極片毛刺、水分含量高、電解液分布不均及材料含有金屬雜質等原因，都會造成電池發生內短路。

二是在使用過程中，集裝箱溫度控制不佳、過充、碰撞等原因都會造成電池內短路。

三是電池管理系統（BMS）失效。電池管理系統（BMS）失效也是電池發生熱失控的可能原因。BMS 一般由三層架構組成，對儲能系統的電池進行全面實時的監控、管理與保護，測量、采集單體電池電壓和溫度、簇電池電流等數據。當電池出現過充（過電壓）、過放（欠電壓）、過電流、短路、高溫和通訊故障情況時，BMS應當能第一時間根據預設安全策略及時切出相應電池簇，并將信息上傳至能量管理平臺或上級監控系統。若BMS 發生故障，會導致儲能系統運行在危險的工作狀態而不自知，繼而引發更嚴重的事故。

應對措施

在電池單體層面

應嚴抓電池生產過程的質量控制，嚴控電芯的生產工藝和原材料供給，將不良制造工藝帶來的安全隱患降至最低。相關研究機構和廠商應加強對鋰離子電池老化、熱失控和系統級事故演化機理的分析研究。

在系統集成層面

應從電氣設計、熱管理、消防等措施方面優化系統集成方案。第一，電芯、電池模組在集裝箱內多級堆疊，工作過程中發熱量大，應穩抓熱管理方案，采用高效可靠的系統換熱技術。第二，針對鋰電池系統熱失控和火災的特點，須設計合理消防方案，設立自動報警、自動消防措施，并制定根據事故發展階段對應的安全措施。第三，應在對電芯性能測試充分的前提下進行系統設計。例如，直流側高壓儲能系統具有高效、節省占地空間和經濟成本的顯著優勢，然而與低壓系統相比，該方案對電芯質量和一致性要求較高，更容易引起電池的過度充放，應當引起重視。

在政策標準層面

應繼續深入完善儲能系統技術標準和檢測認證體系。電化學儲能系統在電力系統中的應用處于大量推廣前期，各類廠家都在籌劃布局進入儲能市場，市場活躍但還缺乏完善的規范。

2019 年1 月，全國電力儲能標準化技術委員會發布了GB/T 36276—2018《電力儲能用鋰離子電池》，對電力儲能用鋰離子電池的性能要求、電池單體和模塊的熱特性的檢測、單體電池的絕熱溫升測試和熱失控試驗提出了實驗方法和檢測規則。2021 年8 月，國家發改委、國家能源局發布《電化學儲能電站安全管理暫行辦法（征求意見稿）》，提出對儲能電站安全相關的核心部件或單元開展到貨抽檢。但尚缺乏對于儲能系統整體的性能和安全評估標準與檢測方法。目前有關部門和業界正加速推動政策標準制定和落地。

在使用層面

儲能系統的安全運行是給電力系統提供有效支撐以及給場站帶來經濟收益的基本前提。在進行投資決策和選型時，在儲能系統性能滿足各地區并網標準的前提下，應綜合考慮系統使用的電芯質量、電池組排布、電池集裝箱的維護通道設計、消防方案等方面的先進性和合理性。在運維和安全管理層面，應科學使用儲能系統，避免電池過充過放、撞擊、震動等，現場運維人員應按照要求對設備和運行環境進行定期巡檢和維護，做到隱患早發現早治理。

在運行過程中，鋰離子電池容量逐步發生不可逆衰減，可以對儲能系統狀態進行全生命周期監測，通過模擬、實驗和大數據分析對儲能系統運行狀態準確評估，對儲能系統運行邊界進行自適應調參，避免電池過度充放。場站須加強儲能電站的安全運行管理和技術監督制度的建設，明確管理職責和責任主體，針對不同類型的儲能事故隱患和事故類型制定相應的應急預案。

鋰離子電池儲能系統給電力系統穩定運行帶來有力支撐，同時也帶來一些安全隱患。隨著鋰離子電池成本進一步降低，儲能系統的安全問題將成為制約鋰離子電池儲能系統大規模推廣應用的關鍵因素。須從電池本體研制、系統集成、標準制定、科學運維等全方面貫徹落實安全措施。（本文作者單位系中節能風力發電股份有限公司）