近日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布了24個電化學儲能行業(yè)創(chuàng)新與應用典型案例，旨在進一步推動行業(yè)安全高質(zhì)量發(fā)展，發(fā)掘總結(jié)并交流推廣成功經(jīng)驗和有益做法，發(fā)揮典型引領(lǐng)作用。今天我們推出第二十個典型案例——“高海拔復雜條件下電池儲能系統(tǒng)熱失控安全防護技術(shù)研究”。相關(guān)案例集還將在2025年3月27日舉辦的“第三屆中國儲能大會”上發(fā)布，敬請關(guān)注。

高海拔復雜條件下電池儲能系統(tǒng)熱失控安全防護技術(shù)研究

華電西藏能源有限公司

一、項目簡介

西藏自治區(qū)那曲市色尼區(qū)12萬kW光伏發(fā)電電力保供項目，是目前西藏自治區(qū)最大的光伏項目，需配備容量為30MW/120MWh的儲能系統(tǒng)。項目所在地具有海拔高、空氣密度小，年平均氣溫低、晝夜溫差大，氣候干燥、雷暴天氣多，紫外輻射強、環(huán)境相對惡劣，設(shè)備運距遠和人口流動少等特點。

本項目通過搭建電池模塊層級的熱失控測試平臺、電池儲能系統(tǒng)消防安全預警與分級保護系統(tǒng)，實現(xiàn)電池模組層級電芯間不發(fā)生熱失控擴散與降溫、降功率、停機，以及滅火分級管控目標，構(gòu)建了儲能系統(tǒng)安全防控技術(shù)體系。

二、解決方案

高海拔復雜條件下電池儲能系統(tǒng)的熱失控安全防護是實現(xiàn)儲能電站安全運行的重要舉措。

儲能電站的安全問題是系統(tǒng)性問題，往往由某一因素引發(fā)，多因素交互作用演化發(fā)展，最終導致儲能電站的起火或爆炸。儲能電站發(fā)生安全事故主要有電池本體故障、外部激源、運行環(huán)境因素和管理系統(tǒng)故障四類原因。電池本體故障：其誘發(fā)安全事故的原因主要包括電池制造過程中的瑕疵、電池老化等帶來安全性退化，可能造成電池內(nèi)短路，引起局部過熱造成熱失控。外部激源：在外界電、熱、機械等的刺激下，電池會發(fā)生熱失控反應，釋放出大量高溫可燃氣體混合物而發(fā)生爆炸。運行環(huán)境因素：鋰電池需要在各參數(shù)的安全范圍內(nèi)工作，運行環(huán)境不佳將影響電池及系統(tǒng)的可靠性，進而演化為事故。管理系統(tǒng)故障：管理系統(tǒng)是電化學儲能系統(tǒng)的核心控制單元和決策單元，如果電池儲能系統(tǒng)缺乏內(nèi)部可行的安全設(shè)計，一旦某個電池出現(xiàn)故障，很容易導致儲能系統(tǒng)的整體失控。

圖1  儲能系統(tǒng)事故誘發(fā)擴散示意圖

所以，發(fā)展高海拔復雜條件下的熱失控防護技術(shù)是電站安全運行的重要舉措，也是電池儲能系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。熱失控防護技術(shù)關(guān)系到電池儲能系統(tǒng)在儲能領(lǐng)域的地位，解決電池儲能的安全問題必然會促進儲能行業(yè)發(fā)展。

解決方案：

1. 高海拔復雜條件下電池儲能系統(tǒng)的熱阻隔防護技術(shù)

針對高海拔、大溫差、強輻射等復雜條件下電池模組電芯間的熱失控擴散難以抑制的問題，通過搭建電池模塊層級的熱失控測試平臺，分析不同布置方式、類型、結(jié)構(gòu)下熱阻隔材料的熱阻隔效果，驗證擬選熱阻隔材料阻隔效果，確定高海拔地區(qū)應用環(huán)境及場景下電池儲能系統(tǒng)的熱失控安全防護技術(shù)，實現(xiàn)電池模組層級電芯間不發(fā)生熱失控擴散，且電池簇外部無明火。

圖2  高海拔儲能系統(tǒng)熱阻隔材料

2. 高海拔復雜條件下電池儲能系統(tǒng)消防安全預警與分級保護技術(shù)

針對高海拔、大溫差、強輻射條件下電池儲能系統(tǒng)安全設(shè)計不系統(tǒng)、監(jiān)測預警不精準、防控措施不充分等問題，本項目根據(jù)災前干預、災后阻隔與滅火抑爆等火災發(fā)生全過程管控要求，基于全壽命周期電池儲能系統(tǒng)故障精準診斷及預警技術(shù)、協(xié)同保護及高效滅火技術(shù)，分析電池儲能系統(tǒng)電、熱、聲、氣等信息采集布置方式及探測位置，確定預警、降溫、降功率、停機、滅火分級管控策略，構(gòu)建儲能系統(tǒng)安全防控技術(shù)體系。

圖3  高海拔儲能系統(tǒng)多重監(jiān)測預警

圖4  技術(shù)路線圖

三、關(guān)鍵點與創(chuàng)新點

（一） 研究基礎(chǔ)

多年來，比亞迪汽車工業(yè)有限公司在儲能電芯領(lǐng)域磷酸鐵鋰電池技術(shù)上，首創(chuàng)將刀片電池應用于儲能系統(tǒng)，利用磷酸鐵鋰電池高安全性、低成本的特點，打造第一款具有高安全等級的儲能電芯。儲能電池的安全控制全方位協(xié)同了電芯設(shè)計、電池結(jié)構(gòu)等工段。目前累計出貨量超過20GWh，分布于全球23個國家的超過400個城市，事故發(fā)生率為0%。在儲能系統(tǒng)方面，合作單位曾攻克了電池并聯(lián)的均流控制技術(shù)、液冷散熱技術(shù)、高效模組技術(shù)、PCS（儲能變流器）模塊開發(fā)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)匹配等技術(shù)難題，并進行規(guī)?；瘧?，液冷儲能系統(tǒng)累計裝機容量超過5GWh。

圖5  刀片電池

（二） 創(chuàng)新點

（1）歸納高海拔場站特點，針對高海拔場站特點進行技術(shù)需求分析：

1）海拔高、空氣稀薄、空氣密度小，導致空氣對流散熱弱，空氣擊穿風險高。

2）年平均氣溫低、晝夜溫差大，對系統(tǒng)溫度控制要求高，須具備低溫啟動能力。

3）氣候干燥、濕度低、雷暴天氣多，易產(chǎn)生靜電，系統(tǒng)有防雷暴需求。

4）太陽輻照好、紫外輻射強，輻射強影響系統(tǒng)暴露壽命。

5）設(shè)備運距遠、人口流動少，對設(shè)備運維要求高。

圖6  高海拔儲能電站

（2）高海拔儲能電站發(fā)生安全事故主要有電池本體故障、外部激源、運行環(huán)境因素和管理系統(tǒng)故障四類原因。

針對四類安全事故的主要原因，提出高海拔地區(qū)應用環(huán)境及場景下電池儲能系統(tǒng)的熱失控安全防護技術(shù)。

1）電池本體安全——刀片電池高安全設(shè)計。

相比于卷繞電池易發(fā)生拐角析鋰、鋰枝晶引發(fā)安全風險，針對高海拔環(huán)境設(shè)計的疊片電池工藝無析鋰風險，無內(nèi)短路隱患。

圖7  電池橫截面及拆解對比

針對高海拔環(huán)境設(shè)計的超大長寬比電池結(jié)構(gòu)，散熱更優(yōu)，不易產(chǎn)生熱聚集。377Ah刀片電池的相對表面積約為320Ah 伏達電池的1.83倍，可用換熱面積約為320Ah 伏達電池的1.98倍。

針對高海拔環(huán)境設(shè)計的加厚陶瓷隔膜，抗刺穿、熱失效閾值更高。刀片電池使用陶瓷-聚丙烯隔膜更耐刺穿、更耐高溫，電池發(fā)生熱失控的溫度閾值更高。

刀片電池極柱使用陶瓷工藝，具有耐高溫、耐高壓、壽命長等特性，全壽命周期不漏液。針對高海拔環(huán)境設(shè)計的陶瓷極柱，壽命更長，長效防護不漏液。

2）外部激源阻隔——電池安全隔離、系統(tǒng)安全防護設(shè)計。

一般電池的導熱系數(shù)為2.11W/(m?K)，空氣的導熱系數(shù)為0.023W/(m?K)。增加電池間的空氣間隙厚度，既可減少相互之間的傳熱，又能增加向環(huán)境的散熱。間隙較小，熱失控時電池變形劇烈，不能阻止膨脹后的電池之間的接觸；間隙較大，影響系統(tǒng)的體積能量密度。更高熱阻的隔熱材料可有效降低在熱失控發(fā)生時電池之間的熱量傳遞。隔熱材料應具有高工作溫度，低導熱系數(shù)和較小的體積，以最小限度地影響電池系統(tǒng)的能量密度。

刀片電池儲能系統(tǒng)單柜柜體采用耐火鋼板防護，耐火極限不低于2h的隔墻保護。雙面涂層柜體間進行空氣間隙隔熱，增大系統(tǒng)間熱阻，抑制熱源橫向擴散，保護系統(tǒng)安全。

圖8  高海拔設(shè)計刀片電池儲能系統(tǒng)

高海拔儲能系統(tǒng)具有獨立配電匯流設(shè)計。配電匯流柜獨立設(shè)計使系統(tǒng)電氣完全隔離，實現(xiàn)電芯+柜體+電氣三重隔離，降低熱失控風險，有效阻隔熱蔓延。

高海拔儲能系統(tǒng)具備三級直流熔斷設(shè)計，快速熔斷，切斷一次設(shè)備故障，保護電池艙，防止故障范圍擴大。

高海拔儲能系統(tǒng)配置防雷器、避雷器來防止多雷暴環(huán)境對系統(tǒng)的影響。

圖9  防雷器與避雷器

3）運行環(huán)境穩(wěn)定——高海拔液冷系統(tǒng)密封隔絕設(shè)計。高海拔儲能系統(tǒng)配備了單柜獨立供熱、通風和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計，以提升溫度一致性。

分布式熱管理具有以下優(yōu)勢：一簇一管理、路徑短、冷卻液流量均勻、溫度一致性好、簇級獨立溫控和故障影響小。

圖10  分布式熱管理結(jié)構(gòu)示意圖

4）系統(tǒng)管理科學——高海拔消防系統(tǒng)設(shè)計。

參考電池熱失控的演變過程，結(jié)合高海拔環(huán)境特點及電氣安全、風險防范等要求，電池系統(tǒng)的火災消防系統(tǒng)的設(shè)計具備以下多重預警功能：

熱管理設(shè)計預防：液冷系統(tǒng)散熱效率較高，從抑制熱擴散方面避免熱失控對電池產(chǎn)生損傷。

安全狀態(tài)早期預警：通過大數(shù)據(jù)及智能監(jiān)測BMS（電池管理系統(tǒng)）持續(xù)監(jiān)測電池的安全狀態(tài)，提高狀態(tài)的檢測精度，實現(xiàn)極早期預警。

提前預警：煙感、溫感、可燃氣體傳感器觸發(fā)報警，開啟聲光報警器和警鈴，自動滅火系統(tǒng)滅火。

四、實際成效

本項目的實施將有利于形成長期穩(wěn)定的產(chǎn)學研合作，極大地推動科研院所基礎(chǔ)理論研究成果向工程應用方向轉(zhuǎn)化，助力儲能產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。同時，本項目的研究成果將提高電池儲能系統(tǒng)的安全性能，減輕由其火災爆炸事故、退役，以及報廢等帶來的生態(tài)環(huán)境壓力，保障人民的生命和財產(chǎn)安全。

五、經(jīng)濟效益及推廣前景

電池儲能是成熟的新型儲能技術(shù)，“十四五”期間裝機規(guī)模持續(xù)快速發(fā)展，預計到2025年底新型儲能裝機規(guī)模達3000萬kW以上。本項目將有效解決電池儲能系統(tǒng)全壽命周期應用安全技術(shù)難題，助力儲能規(guī)?；】蛋l(fā)展，有效促進和優(yōu)化新能源產(chǎn)業(yè)的升級并加大國際競爭優(yōu)勢。儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，將極大推動故障診斷、預警報警、消防等安全相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場前景廣闊。

本項目于2022年12月8日投產(chǎn)發(fā)電，截至2024年6月底，發(fā)電量達22722萬kWh，電費收益為7638.39萬元。在電池模塊層級的熱失控測試平臺、電池儲能系統(tǒng)消防安全預警與分級保護系統(tǒng)有效支撐下，儲能系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。