中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：摘 要：安全性是鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要議題，探究鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故成因，開(kāi)展儲(chǔ)能系統(tǒng)安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)與早期預(yù)警及事故風(fēng)險(xiǎn)的管控與防護(hù)等研究具有重要意義。本文立足于韓國(guó)公開(kāi)的其國(guó)內(nèi)近期發(fā)生的鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故調(diào)查報(bào)告，對(duì)電池本體、外部激源、運(yùn)行環(huán)境及管理系統(tǒng)等引致安全事故的因素進(jìn)行了分析，梳理了四類(lèi)因素作用下電池及系統(tǒng)安全事故的觸發(fā)及演化規(guī)律，探討了四類(lèi)因素間的相互影響機(jī)制，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的同時(shí)提出了鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管理的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池；儲(chǔ)能系統(tǒng)；安全事故；熱失控；早期預(yù)警
儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage systems，ESS)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)消納及分布式發(fā)電高效利用的重要環(huán)節(jié)。隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步及其成本的降低，以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展及工程應(yīng)用。相比鉛酸、鈉硫等電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage systems，BESS)而言，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、自放電率低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。然而，鋰離子電池采用沸點(diǎn)低、易燃的有機(jī)電解液，且材料體系熱值高，在電池本體或電氣設(shè)備等發(fā)生故障后，易觸發(fā)電池材料的放熱副反應(yīng)，引致電池?zé)崾Э?，進(jìn)而可能演化成儲(chǔ)能系統(tǒng)燃燒爆炸等重大安全事故。國(guó)內(nèi)外鋰電池儲(chǔ)能的工程應(yīng)用中均有火災(zāi)事故發(fā)生，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。安全問(wèn)題已逐漸成為鋰電池儲(chǔ)能電站建設(shè)及大規(guī)模應(yīng)用的首要問(wèn)題，探究鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故成因，開(kāi)展儲(chǔ)能系統(tǒng)安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)與早期預(yù)警及事故風(fēng)險(xiǎn)的管控與防護(hù)等研究具有重要意義。
1 韓國(guó)鋰電儲(chǔ)能電站安全事故概述
近三年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)增長(zhǎng)迅速，據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(China Energy Storage Alliance，CNESA)統(tǒng)計(jì)，僅2017—2018年間電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)由2926.6 GW增長(zhǎng)至6625.4 GW，年增幅126.4%。其中，韓國(guó)鋰電儲(chǔ)能在其可再生能源證書(shū)獎(jiǎng)勵(lì)政策激勵(lì)之下迅速發(fā)展，2018年全球新增電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)中，韓國(guó)幾乎占據(jù)全球45%。然而，韓國(guó)儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)安全事故的數(shù)量和比率也處于全球首位。2017—2019年期間，報(bào)道的韓國(guó)儲(chǔ)能電站事故已近30起。對(duì)此，韓國(guó)組織相關(guān)電池廠(chǎng)家及研究機(jī)構(gòu)對(duì)2019年6月前其境內(nèi)23起儲(chǔ)能安全事故開(kāi)展了調(diào)查及分析，表1匯總了2019年6月前韓國(guó)儲(chǔ)能事故情況。
表1 2017年8月—2019年6月韓國(guó)儲(chǔ)能電站事故
在相關(guān)事故的調(diào)研及驗(yàn)證性測(cè)試中，調(diào)查團(tuán)隊(duì)將儲(chǔ)能電站事故致因總結(jié)為以下四個(gè)方面：電池系統(tǒng)缺陷、應(yīng)對(duì)電氣故障的保護(hù)系統(tǒng)不周、運(yùn)營(yíng)環(huán)境管理不足、儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合管理體系欠缺。其中，電池內(nèi)部及成組問(wèn)題、外部電氣故障、電池保護(hù)裝置(直流接觸器爆炸)、水分/粉塵/鹽水等造成的接觸電阻增大及絕緣性能下降等問(wèn)題將可能直接誘發(fā)電池?zé)崾Э?。而電池管理系統(tǒng)(battery management systems，BMS)、儲(chǔ)能變流器(power conversion systems，PCS)、能量管理系統(tǒng)(energy management systems，EMS)之間信息共享不完備或不及時(shí)，PCS和電池之間的保護(hù)配置與協(xié)調(diào)不當(dāng)、PCS故障修理后電池的異常、測(cè)量裝置及管理系統(tǒng)之間發(fā)生沖突等系統(tǒng)管理問(wèn)題，則可能使故障不能及時(shí)有效地得到管控而演化為事故。
在電池本體安全性方面，該調(diào)研報(bào)告中對(duì)模擬制作的極片折疊和切割不良電池進(jìn)行充放電測(cè)試，在約180次循環(huán)過(guò)程中未發(fā)生能夠?qū)е缕鸹鸬碾姵貎?nèi)部短路問(wèn)題，未明確提出電池內(nèi)部故障是否能觸發(fā)安全事故演化。然而，從事故觸發(fā)階段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，充電后等待階段的事故發(fā)生占比超過(guò)60%，如圖1所示。
圖1 2017年8月—2019年6月韓國(guó)鋰電池儲(chǔ)能電站事故發(fā)生階段統(tǒng)計(jì)圖
在充電后等待階段中，系統(tǒng)通常處于斷路狀態(tài)，外部電氣故障等外部激源觸發(fā)電池?zé)崾Э氐母怕蕦@著降低。同時(shí)，該階段中電池本體通常處于高SOC狀態(tài)，一方面更易受外部濫用觸發(fā)熱失控，另一方面電池可能存在局部過(guò)充問(wèn)題，由電池本體引發(fā)的系統(tǒng)安全事故概率將顯著上升。事實(shí)上，韓國(guó)在2019年8月至12月間又新增5起儲(chǔ)能電站事故，后續(xù)報(bào)道指出所有的5個(gè)BESS的電池都處在高SOC狀態(tài)(>90%)下，電池逐漸過(guò)熱引起起火，由電池本體觸發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故的可能性極大。
一般而言，鋰離子電池本體需要工作于適宜的電壓、電流、溫度及SOC等參數(shù)的安全窗口內(nèi)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋰電池本體故障及安全演化機(jī)理進(jìn)行了深入研究[]，認(rèn)為過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流、過(guò)熱等濫用行為以及電池內(nèi)部短路是導(dǎo)致電池安全狀態(tài)演化至熱失控的直接原因。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)整體，觸發(fā)上述濫用過(guò)程的原因復(fù)雜且相互交叉，需要從系統(tǒng)層面進(jìn)行分析[6]。結(jié)合韓國(guó)儲(chǔ)能事故調(diào)查報(bào)告，我們圍繞電池本體濫用機(jī)制，對(duì)報(bào)告所提四個(gè)方面因素進(jìn)行了歸納和梳理，旨在從系統(tǒng)層面厘清鋰電池儲(chǔ)能電站安全觸發(fā)及演化機(jī)制，為系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)與早期預(yù)警及安全風(fēng)險(xiǎn)的管控等提供依據(jù)。
2 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故演化分析
儲(chǔ)能安全問(wèn)題是系統(tǒng)性問(wèn)題，事故的發(fā)生往往由多因素交互作用演化發(fā)展，最終導(dǎo)致電池濫用及熱失控的發(fā)生。借鑒韓國(guó)儲(chǔ)能事故報(bào)告對(duì)安全誘因的分類(lèi)，本文將安全事故成因劃分為電池本體、外部激源、運(yùn)行環(huán)境及管理系統(tǒng)四類(lèi)，并討論四類(lèi)誘發(fā)因素的相互作用機(jī)制及對(duì)電池濫用和失控過(guò)程的觸發(fā)機(jī)制。圖2歸納了四類(lèi)誘發(fā)因素交互及濫用觸發(fā)關(guān)系。
圖2 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故誘發(fā)因素及其交互關(guān)系
2.1 電池本體因素
由電池本體誘發(fā)安全事故的來(lái)源主要包括電池制造過(guò)程的瑕疵以及電池老化帶來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性退化兩方面。
電池在生產(chǎn)制造過(guò)程中，存在涂布過(guò)程金屬污染物顆粒混入、正負(fù)極流體邊緣毛刺等概率。雖然韓國(guó)儲(chǔ)能事故調(diào)查中對(duì)該類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行了驗(yàn)證性測(cè)試，指出180次循環(huán)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)電池故障，但受循環(huán)次數(shù)和循環(huán)工況的限制，該結(jié)果的得出未考慮毛刺、顆粒隨電池老化而發(fā)生形態(tài)演化問(wèn)題。研究表明，F(xiàn)e、Ni等金屬顆粒污染物混入電池內(nèi)后，會(huì)隨著電池老化的進(jìn)行逐漸分解并沉積在負(fù)極表面，形成枝晶并逐漸演化為微內(nèi)短路。由于Fe、Ni等金屬熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于Li，形成的微內(nèi)短路不像鋰枝晶會(huì)熔融消退，而是逐漸擴(kuò)展為硬短路，導(dǎo)致隔膜結(jié)構(gòu)破壞及熱失控的發(fā)生，其危害甚至高于鋰枝晶生長(zhǎng)造成的內(nèi)短路。
關(guān)于鋰離子電池的老化過(guò)程性能變化，理論研究已經(jīng)定性揭示了這個(gè)過(guò)程：在鋰離子電池運(yùn)行過(guò)程中，副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池的陽(yáng)極和陰極都發(fā)生老化。對(duì)碳基陽(yáng)極來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生一層SEI(固體電解質(zhì)界面)膜，SEI 膜對(duì)電池正常運(yùn)行有益且必要，但電解質(zhì)分解產(chǎn)生的副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池性能衰退。老化過(guò)程中SEI膜因電解質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物的沉積而變厚；陰極的表面也會(huì)產(chǎn)生一層表面膜，在老化過(guò)程中膜的厚度變化不會(huì)很明顯，但其孔隙率、電導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)會(huì)因副反應(yīng)產(chǎn)物的沉積堵塞已生成的表面膜微孔且隨著時(shí)間發(fā)生變化。負(fù)極的SEI膜變厚，使電池阻抗增加和發(fā)生不可逆的鋰損失，最終造成容量衰減；而正極的活性顆粒受到沉積物的阻塞同樣會(huì)增加阻抗，導(dǎo)致可用活性物質(zhì)和容量減少。
上述論斷是電池在常規(guī)使用條件(適宜溫度，一般為20～40 ℃；低倍率放電；容量衰減小于20%)下電池內(nèi)部的變化；在非常規(guī)的運(yùn)行環(huán)境及管理系統(tǒng)因素影響下，如高溫或低溫環(huán)境、高倍率充放電或電池容量衰減大于20%時(shí)，電池內(nèi)部發(fā)生的老化過(guò)程更加復(fù)雜多變，逐漸演化為安全問(wèn)題。
圖3揭示了鋰離子電池老化過(guò)程所有可能經(jīng)歷的內(nèi)部變化。電池的首次充電過(guò)程使負(fù)極(一般為嵌鋰碳)和電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成SEI膜；在電池的后續(xù)循環(huán)過(guò)程中，電化學(xué)寄生副反應(yīng)使SEI沉積并變厚，電極材料的不斷膨脹與收縮導(dǎo)致新的活性位點(diǎn)暴露出來(lái)，在快速充放電或電極活性物質(zhì)分布不均勻的情況下，活性物質(zhì)(模型中一般簡(jiǎn)化為顆粒)容易發(fā)生粉化、碎裂、脫落或結(jié)構(gòu)錯(cuò)位；與此同時(shí)，如果電池長(zhǎng)期在高于其額定電流的電流密度下快速充電或低溫下充電，其負(fù)極表面容易形成金屬鋰枝晶。金屬鋰用作電池負(fù)極時(shí)，也容易產(chǎn)生枝晶，若這兩種枝狀晶體逐漸生長(zhǎng)，容易刺穿隔膜，引起電池內(nèi)部的短路。此外，當(dāng)電池過(guò)放電時(shí)(1～2 V)，負(fù)極的集流體銅箔開(kāi)始溶解，在電極上析出形成銅枝晶，易造成電池短路，同樣，正極集流體鋁的表面氧化膜長(zhǎng)時(shí)間與電解質(zhì)相互作用可能發(fā)生溶解，使得鋁箔被電解質(zhì)腐蝕。
圖3 鋰離子電池老化造成的內(nèi)部變化
電池制造瑕疵及老化過(guò)程枝晶生長(zhǎng)可能造成的直接后果是電池內(nèi)短路，并由內(nèi)部短路位置的局部過(guò)熱逐漸觸發(fā)電池材料的鏈?zhǔn)椒艧岣狈磻?yīng)。電池過(guò)熱時(shí)觸發(fā)的副反應(yīng)帶有正極金屬氧化物晶格釋氧的放熱反應(yīng)，即使在外界強(qiáng)制冷卻或人為密封隔離(無(wú)氧)的情形下，也不能有效阻止鋰離子電池的熱失控發(fā)生。
電池本體因素也是外部激源及管理系統(tǒng)失效產(chǎn)生的原因之一。老化嚴(yán)重的電池有可能產(chǎn)生鼓脹及排氣漏液等問(wèn)題，進(jìn)而腐蝕銅排及連接件等部件，造成接觸電阻增大、絕緣性能降低，觸發(fā)外部激源。電池初始狀態(tài)及老化程度的不同將造成電池系統(tǒng)的不一致性，在規(guī)?；山M的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池間的不一致性將對(duì)BMS、PCS等管理系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。初始缺陷或老化程度更高的短板電池可能在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期滿(mǎn)充滿(mǎn)放，甚至過(guò)充過(guò)放，使得內(nèi)部缺陷逐漸被放大，最終導(dǎo)致單體及系統(tǒng)的失效。
鑒于電池本體因素的長(zhǎng)周期演化特征，研究如何通過(guò)電池內(nèi)部老化機(jī)理、電池間不一致性演化以及對(duì)應(yīng)的外部參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性演化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和早期預(yù)警，是當(dāng)前鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管理亟需突破的重點(diǎn)。
2.2 外部激源因素
外部激源包括絕緣失效造成的電流沖擊及外部短路等問(wèn)題，也包括除電池外部件高溫產(chǎn)熱造成的熱沖擊，以及某電池?zé)崾Э睾笥|發(fā)的熱失控蔓延過(guò)程。一般而言，儲(chǔ)能電站通常為廠(chǎng)站或集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電池通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，外部機(jī)械激源，如擠壓、針刺等行為不構(gòu)成儲(chǔ)能電站安全性的主要矛盾。
外部短路將直接導(dǎo)致電池迅速升溫。常規(guī)的換熱條件下(自然對(duì)流、室溫發(fā)生故障)，新的鋰離子電池發(fā)生外部短路會(huì)發(fā)生過(guò)熱和觸發(fā)材料相關(guān)的副反應(yīng)，老化電池因?yàn)閮?nèi)阻變化的原因，同一短路條件下(SOC、短路電阻相同)可能更容易過(guò)熱。外部短路的危害與其作用時(shí)間直接相關(guān)，值得說(shuō)明的是儲(chǔ)能系統(tǒng)以及電池本體通常具備主動(dòng)和被動(dòng)的過(guò)流保護(hù)裝置，如系統(tǒng)的熔斷器、電池內(nèi)的正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、電流阻斷裝置(CID)等，能夠有效降低外部短路作用時(shí)間。
在電沖擊方面，韓國(guó)事故研究表明，外部電沖擊可能造成電池保護(hù)裝置(直流接觸器等)的損壞甚至爆炸，進(jìn)而造成保護(hù)裝置附件的二次短路事故發(fā)生，產(chǎn)生火災(zāi)，并以熱沖擊的形式作用于電池，誘發(fā)更大規(guī)?；馂?zāi)事故。
熱沖擊將直接造成電池單體或模塊過(guò)熱，有可能演化為熱失控。觸發(fā)熱沖擊的原因包括連接件老化故障產(chǎn)生的電弧、熱失控電池瞬時(shí)大量放熱給附近電池等等。如果電池散熱條件良好或配備有足夠強(qiáng)度的主動(dòng)熱管理措施，通往熱失控的路線(xiàn)會(huì)能夠被切斷，就可以避免嚴(yán)重的危害發(fā)生。因此，包括短路在內(nèi)的故障發(fā)生時(shí)，嚴(yán)格監(jiān)控電池表面溫度，通過(guò)主動(dòng)降溫等熱管理措施避免其超過(guò)自加熱溫度，是降低電池失效和過(guò)熱發(fā)生熱失控的有力措施。
2.3 運(yùn)行環(huán)境因素
如前文所述，鋰電池需要工作于各參數(shù)的安全窗口范圍，需要通過(guò)初始電熱管理設(shè)計(jì)、BMS/PCS/EMS以及空調(diào)系統(tǒng)等管控來(lái)維持合理的運(yùn)行環(huán)境。運(yùn)行環(huán)境管理不善將逐漸影響電池及系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而演化為事故。在韓國(guó)儲(chǔ)能事故調(diào)查報(bào)告中，驗(yàn)證性測(cè)試證明了水分、鹽霧及粉塵將降低電池內(nèi)模塊絕緣性能，從而以外部激源為路徑觸發(fā)電池系統(tǒng)火災(zāi)。
環(huán)境溫度對(duì)鋰離子電池安全運(yùn)行至關(guān)重要，將對(duì)電池本體安全因素產(chǎn)生重要影響。低溫環(huán)境會(huì)減小電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率、降低電解液內(nèi)離子的擴(kuò)散率和電導(dǎo)率、使SEI膜處的阻抗增加、鋰離子在固相電極內(nèi)擴(kuò)散速率減小、界面動(dòng)力學(xué)變差，石墨負(fù)極處極化作用顯著增強(qiáng)。低溫充電時(shí)石墨負(fù)極將發(fā)生鋰電鍍，這會(huì)使負(fù)極被金屬鋰沉積物包裹，造成嚴(yán)重的容量損失，甚至當(dāng)鋰枝晶生長(zhǎng)刺破隔膜時(shí)造成電池內(nèi)短路。高溫環(huán)境不利于電池散熱，當(dāng)電池內(nèi)部生熱量大于外部散熱量時(shí)，其溫度會(huì)逐漸上升至過(guò)熱狀態(tài)，過(guò)熱電池會(huì)觸發(fā)各種材料濫用反應(yīng)，電池內(nèi)部放熱更大，觸發(fā)熱失控。
電池間溫差過(guò)大將構(gòu)成各電池老化速率的不一致性，影響系統(tǒng)整體性能，并且不一致性增大到一定程度，將嚴(yán)重影響B(tài)MS管控性能[18]。盡管韓國(guó)儲(chǔ)能事故調(diào)查報(bào)告中認(rèn)為電池溫差不直接造成系統(tǒng)事故，但在系統(tǒng)不一致性長(zhǎng)期演化下，BMS對(duì)短板電池的管控將存在SOC/SOH估計(jì)誤差、短板電池過(guò)充過(guò)放等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)也可能導(dǎo)致安全事故。
2.4 管理系統(tǒng)因素
管理系統(tǒng)因素不僅包括BMS、PCS、EMS以及對(duì)應(yīng)的聯(lián)動(dòng)管控邏輯，也包括管理規(guī)章制度等人的因素。前者是系統(tǒng)的核心控制和決策單元，主要作用是對(duì)電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，對(duì)保障電池安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有重要意義。韓國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故大都是在充電完成后的高SOC狀態(tài)下發(fā)生的，存在局部過(guò)充的可能性，這與管理系統(tǒng)的可靠性直接相關(guān)。在韓國(guó)儲(chǔ)能事故二期報(bào)告中，調(diào)查團(tuán)隊(duì)分析EMS歷史記錄證實(shí)了這一點(diǎn)，發(fā)生事故的BESS存在部分電芯的電壓超過(guò)了電池企業(yè)的建議的上限充電電壓(4.15 V)30 mV，并且連續(xù)壓差超過(guò)400 mV。此外，2018年6月24日的EMS記錄電芯在SOC為0時(shí)放電約3 min的情況。
管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)誤差及管控滯后甚至失效，是導(dǎo)致電池系統(tǒng)各種濫用以及電池本體非正常老化的直接原因。管理系統(tǒng)的可靠性、有效性一方面取決于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，另一方面取決于管控系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)是否合理。隨著電池本體因素演化，電池安全閾值參數(shù)都將發(fā)生變化，在強(qiáng)化管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)可靠性的同時(shí)，也需要通過(guò)定期維護(hù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)的校準(zhǔn)及判據(jù)的更新。
此外，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的廠(chǎng)內(nèi)驗(yàn)證測(cè)試(factory acceptance test，F(xiàn)AT)主要針對(duì)各單體設(shè)備，電池、PCS、BMS及EMS按照各設(shè)備對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，雖然針對(duì)各單體設(shè)備的國(guó)際、國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)設(shè)備提出了較為明確、嚴(yán)格的要求，但卻難以對(duì)其組成的完整系統(tǒng)的控制管理性能進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。而在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試(site acceptance test，SAT)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)受現(xiàn)場(chǎng)因素制約通常主要進(jìn)行典型工況充放電性能、功率響應(yīng)特性、系統(tǒng)充放電容量及效率的測(cè)試，依然難以對(duì)控制管理性能進(jìn)行有效的測(cè)試與驗(yàn)證。
2.5 韓國(guó)儲(chǔ)能事故經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
結(jié)合韓國(guó)儲(chǔ)能事故數(shù)據(jù)，以及四類(lèi)引致安全事故因素的分析，可以對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性管理做出以下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
（1）電池本體因素仍然是儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的核心，受現(xiàn)階段管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)管控可靠性限制，對(duì)電池本體的充放電SOC區(qū)間有必要適當(dāng)收緊。一般而言，鋰電池在20%～80%的SOC區(qū)間工作時(shí)充、放電內(nèi)阻均較小，發(fā)熱量也相應(yīng)較小，并且該區(qū)間工作不容易造成電池的過(guò)充過(guò)放問(wèn)題，有利于規(guī)避因此而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。
（2）電池老化因素及運(yùn)行環(huán)境因素的長(zhǎng)期演化將可能造成腐蝕性的絕緣部件損壞，需要強(qiáng)化絕緣檢測(cè)并進(jìn)行定期維護(hù)檢查，同時(shí)需要強(qiáng)化漏電斷路裝置、過(guò)電壓保護(hù)裝置、過(guò)電流保護(hù)裝置等電氣沖擊保護(hù)裝置的可靠性。
（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)配置足夠強(qiáng)度和靈活性的主動(dòng)熱管理系統(tǒng)是非常必要的。一方面，針對(duì)熱失控風(fēng)險(xiǎn)單元，可以采取強(qiáng)化制冷、調(diào)控冷卻介質(zhì)流量等主動(dòng)式熱管理策略來(lái)減緩甚至消除濫用電池內(nèi)部材料鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，降低或消除事故演化為火災(zāi)的概率；另一方面，當(dāng)局部熱失控發(fā)生時(shí)，主動(dòng)熱管理系統(tǒng)可以一定程度上阻斷熱失控蔓延，防止事故規(guī)模的擴(kuò)大，減少損失。
（4）電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系有待進(jìn)一步完善，特別是涉及PCS、BMS、EMS之間協(xié)調(diào)、控制與管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)級(jí)控制管理性能測(cè)試與驗(yàn)證手段需要建立，可考慮依托硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)，以使新電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段及儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)在調(diào)試前能實(shí)現(xiàn)較為完整的系統(tǒng)控制、保護(hù)、管理功能及性能驗(yàn)證。
（5）目前業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注和大力開(kāi)展的熱失控提前預(yù)警和消防安全技術(shù)，不能從根本上避免鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全事故。欲達(dá)成鋰電儲(chǔ)能電站“零事故”絕對(duì)安全的目標(biāo)，需要改變思路，從電池安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)著手，針對(duì)電池本體及運(yùn)行條件等多因素耦合作用的長(zhǎng)期演化特性，研發(fā)電池安全風(fēng)險(xiǎn)的早期預(yù)警系統(tǒng)，從源頭降低電池系統(tǒng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
3 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性的評(píng)價(jià)與早期預(yù)警
理解和分析儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故因素及其交互關(guān)系是開(kāi)展安全風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別的前提。電池本體因素、運(yùn)行環(huán)境因素通常為長(zhǎng)周期的漸變性演化因素。外部激源的產(chǎn)生一部分來(lái)自電池本體及運(yùn)行環(huán)境長(zhǎng)期作用結(jié)果，可以通過(guò)長(zhǎng)周期演化規(guī)律預(yù)測(cè)該類(lèi)外部激源產(chǎn)生概率，另一部分為偶發(fā)性因素，需要通過(guò)管理系統(tǒng)閾值判斷來(lái)識(shí)別和管控。
結(jié)合韓國(guó)儲(chǔ)能電站事故分析，電池本體因素及運(yùn)行環(huán)境因素逐漸演化是引起儲(chǔ)能電站事故的根本誘因。鑒于該類(lèi)因素的長(zhǎng)周期演化特性，我們將鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性評(píng)估劃分為兩個(gè)層次。一是安全狀態(tài)早期預(yù)警，二是熱失控的提前預(yù)警，如圖4所示。
圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全狀態(tài)預(yù)警
目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全預(yù)警均以管理系統(tǒng)某些特征參數(shù)的閾值判斷來(lái)識(shí)別電池是否有熱失控風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)安全管理的定義主要是指消防安全，對(duì)應(yīng)的早期預(yù)警主要是指熱失控的提前預(yù)警。針對(duì)鋰電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警包括判斷各種濫用閾值是否被觸發(fā)、是否監(jiān)測(cè)到濫用過(guò)程副反應(yīng)產(chǎn)氣等。然而發(fā)展到該階段時(shí)，電池內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)已經(jīng)產(chǎn)生，單體熱失控已不可逆；預(yù)警的主要目的是提前預(yù)判熱失控，給消防系統(tǒng)的介入爭(zhēng)取時(shí)間，控制事故的擴(kuò)大。
在安全狀態(tài)早期預(yù)警階段，通過(guò)對(duì)電池運(yùn)行及環(huán)境因素的歷史數(shù)據(jù)分析、機(jī)理模型推演、演化趨勢(shì)判斷等開(kāi)展安全特性演化行為預(yù)判，有望實(shí)現(xiàn)潛在熱失控電池的更早期甄別，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)陌踩芸卮胧┛梢杂行П苊鉄崾Э氐陌l(fā)生。電池本體安全狀態(tài)演化識(shí)別包括內(nèi)短路發(fā)展估計(jì)、老化程度估計(jì)以及成組后的不一致性演化評(píng)價(jià)等方面。從系統(tǒng)層面來(lái)看，對(duì)電池間不一致性及其演化規(guī)律的識(shí)別，將有可能獲取更多安全狀態(tài)演化信息。例如某電池本體的電壓異常，其有可能是與電池組內(nèi)其他單體的可用容量、內(nèi)阻、自放電率、荷電狀態(tài)等存在明顯差異而導(dǎo)致，往往需要結(jié)合電池內(nèi)/外參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)引發(fā)電壓故障的原因?qū)嵤┖侠碓\斷。運(yùn)行環(huán)境因素對(duì)安全性的影響具備時(shí)間積累特性，并受管理系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)和管控性能的直接影響，同時(shí)運(yùn)行環(huán)境以邊界條件的形式影響電池本體安全狀態(tài)演化。綜合以上特征，借助儲(chǔ)能系統(tǒng)多尺度多場(chǎng)耦合建模仿真，并通過(guò)融合算法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互，分析電池系統(tǒng)宏觀(guān)特征表現(xiàn)變化的成因，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同熱失控觸發(fā)機(jī)制的識(shí)別和定位，是實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)早期預(yù)警的關(guān)鍵。
4 結(jié) 論
基于韓國(guó)儲(chǔ)能事故調(diào)查報(bào)告，對(duì)電池本體因素、外部激源因素、運(yùn)行環(huán)境因素及管理系統(tǒng)因素四個(gè)方面進(jìn)行了分析，梳理了四類(lèi)因素對(duì)電池及系統(tǒng)安全事故的觸發(fā)及演化規(guī)律，并探討了四類(lèi)因素間的相互影響機(jī)制，進(jìn)一步從中總結(jié)了儲(chǔ)能電站安全管理經(jīng)驗(yàn)，包括：限制電池本體充放電SOC區(qū)間以降低電池發(fā)熱及規(guī)避過(guò)充過(guò)放風(fēng)險(xiǎn)；強(qiáng)化絕緣檢測(cè)并進(jìn)行定期維護(hù)檢查，提升漏電斷路裝置、過(guò)電壓保護(hù)裝置、過(guò)電流保護(hù)裝置等電氣沖擊保護(hù)裝置的可靠性，降低外部激源沖擊風(fēng)險(xiǎn)；建立合理可靠的發(fā)展趨勢(shì)評(píng)估及安全狀態(tài)早期預(yù)警機(jī)制，從源頭降低電池系統(tǒng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
電池本體因素及運(yùn)行環(huán)境因素屬于長(zhǎng)期演化因素，同時(shí)也是部分外部激源的產(chǎn)生原因，對(duì)其演化規(guī)律的分析、監(jiān)測(cè)和評(píng)估有望實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全狀態(tài)的早期預(yù)警。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)多尺度多場(chǎng)耦合建模仿真并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互，分析電池系統(tǒng)外部特征行為變化的內(nèi)在誘因，診斷/辨識(shí)并定位潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)的早期預(yù)警。
安全狀態(tài)早期預(yù)警可以識(shí)別和定位安全狀態(tài)劣化單元，通過(guò)有效的安全管控(包括狀態(tài)劣化電芯的維護(hù)或更換)措施，干預(yù)電池安全特性的演化，避免電池發(fā)展到(臨近)熱失控階段，有望實(shí)現(xiàn)鋰電儲(chǔ)能電站的“零事故”絕對(duì)安全。主動(dòng)熱管理措施(強(qiáng)化制冷、調(diào)控冷卻介質(zhì)流量等)將在儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管控、干預(yù)安全特性演化、阻斷熱失控蔓延等方面發(fā)揮作用。建議發(fā)展鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)早期預(yù)警技術(shù)/系統(tǒng)的同時(shí)，研發(fā)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相適配的主動(dòng)熱管理系統(tǒng)。
