中國儲能網(wǎng)訊：9月20日，位于美國加州蒙特利縣的埃爾克霍恩變電站發(fā)生火災，火災由特斯拉的儲能系統(tǒng)Megapack起火所致。據(jù)了解，目前火災已經(jīng)得到控制，但起火的具體原因尚不明確。
在不到一年兩個月的時間里，特斯拉的儲能系統(tǒng)Megapack已經(jīng)誘發(fā)了兩起火災。2021年7月30日，澳大利亞維多利亞州的維多利亞儲能電站中，Megapack系統(tǒng)著火，當時該系統(tǒng)還在測試中。Megapack是特斯拉于2019年7月發(fā)布的大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)。根據(jù)公司網(wǎng)站介紹，系統(tǒng)每個單元可以儲存超過3 MWh的能量。Megapack儲能系統(tǒng)中最早使用的電池是三元鋰電池，2021年5月，特斯拉將Megapack中的一部分電池改為磷酸鐵鋰電池，以降低生產成本，提高安全性，并緩解三元鋰電池中鎳的供應緊張的狀況。
根據(jù)特斯拉公司最新介紹，在經(jīng)過改進后，目前Megapack系統(tǒng)每個單元的儲能容量為3.9MWh，額定功率為1.9MW。
據(jù)autoevoltuion網(wǎng)站介紹，加州埃爾克霍恩儲能電站由美國太平洋天然氣和電力公司(PG&E)管理。太平洋天然氣和電力公司今年4月啟用了特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)，在埃爾克霍恩電站中，Megapack儲能系統(tǒng)的總容量為182.5兆瓦。
特斯拉公司在官方網(wǎng)站上介紹，Megapack儲能系統(tǒng)能夠為電網(wǎng)可靠而安全地儲存能量，每個電池模塊都單獨配有逆變器，以提高效率和增加安全性。通過云軟件平臺的更新，Megapack的性能會隨著時間的推移得到不斷優(yōu)化。Megapack系統(tǒng)經(jīng)過廣泛的防火測試，包括集成系統(tǒng)的安全測試，采用了專門的監(jiān)控軟件，能夠進行一周七天、每天24小時監(jiān)控支持。
防不勝防的電池熱失控
從全球范圍的電化學儲能項目來看，特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)的火災事故，不是個案。
在前不久于杭州舉辦的第十二屆中國國際儲能大會中，據(jù)歐盟科學院院士、中國科技大學教授孫金華介紹，截至目前，全球總共發(fā)生了60多起電化學儲能火災事故，大部分儲能電池使用的是三元鋰電池，事故發(fā)生時段主要在設備調試階段和充放電后的休止中。
在此次大會中，福建星云電子股份有限公司總裁助理劉震等多位業(yè)內人士向澎湃新聞記者表示，電化學儲能的安全是一個系統(tǒng)性問題。導致電化學儲能電站起火的原因很多，包括電池、電氣設備本身的質量問題，也包括系統(tǒng)保護措施設計的不完備，PCS（雙向儲能變流器）和BMS（電池管理系統(tǒng)）以及EMS（能量管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)之間的控制及保護功能協(xié)調性差等，施工過程中出現(xiàn)的質量問題、運行和維護管理不當?shù)染彩莾δ茈娬酒鸹鸬脑颉?
不過，盡管儲能電站起火的原因眾多，但電池本身的熱失控，以及電池模塊和系統(tǒng)的熱失控擴散，是行業(yè)目前關注的焦點。
特斯拉去年7月澳大利亞的火災事故調查報告顯示，Megapack儲能系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)內泄漏導致電池短路，并引發(fā)電子元件起火，而局部過熱造成了電池熱失控，熱失控蔓延，進而導致火災。
通常而言，電化學電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故被稱為熱失控。孫金華在大會發(fā)言中說，“以鋰離子電池為例，電池的金屬氧化物正極具有氧化性，而電池的電解液、隔膜等是可燃材料，具有還原性。氧化性和還原性物質組成在一起，在一定情況下就會發(fā)生氧化還原反應?！?
孫金華介紹說，“電池熱失控的初始力量主要來自于電池充放電循環(huán)的熱量積累，如果熱量不能及時導出，就會使系統(tǒng)的溫度升高，誘發(fā)初始反應即電池負極表面的SEI膜分解，繼而會誘發(fā)主控反應，即隔膜產生大量焦耳熱后導致的系列反應，包括電解液的分解、電解液與正極的反應等。”
據(jù)了解，電池熱失控一般的原因有內因和外因，內因包括電池老化，例如極化導致內阻增大，鋰金屬沉積刺穿隔膜，內部雜質刺穿隔膜；外因包括意外事故引發(fā)電池機械結構損傷，電池局部受熱、電池過充過放、過壓、外短路等。
而在電池模組中，電池單體發(fā)生熱失控后，觸發(fā)與其相鄰或其它部位的電池單體發(fā)生熱失控，就是熱失控擴散。熱失控擴散可能通過能量傳導，例如熱能傳導、電能傳導、以及機械能傳導，也可以通過噴出物起火加速熱失控擴散。熱量進一步積累，便可能導致火災、氣體釋放和爆炸。
根據(jù)孫金華及其團隊的研究，當電池與電池的間距不同，某一熱失控的電池向下一個電池傳遞熱量的主控機制是熱輻射傳導、熱能傳導還是熱電流傳導也不同。其發(fā)現(xiàn)，當電池間距大于某一數(shù)值，電池之間的熱失控的傳導就會從熱能傳導主控轉為熱輻射傳導主控。
不過，就目前的電池熱失控機理而言，研究也還存在盲點。孫金華坦言，“目前單體電池、電池模組的火災特性，已有的研究比較詳盡，但電池簇（由電池模組進一步組成）的火災特性以及火蔓延特性這一塊，無論國際還是國內的研究都還屬于空白。另外，對儲能電站的預制艙內熱失控氣體產生以后的運輸規(guī)律的研究也還不透徹。這都是未來需要繼續(xù)探索的領域?！?
電池本體、監(jiān)控、消防三位一體守護電化學儲能安全
盡管風險重重，但發(fā)展電化學儲能又是大勢所趨。
相比于機械儲能、儲氫、儲熱等其它儲能技術，電化學儲能又有著明顯的優(yōu)勢。據(jù)中信證券新能源汽車分析師汪浩介紹，電化學儲能的優(yōu)勢包括系統(tǒng)規(guī)模大，響應速度快，在毫秒時間尺度內能夠實現(xiàn)規(guī)定范圍內的電能輸入和輸出。此外，電化學儲能能夠精確控制，能夠在可調范圍的任何功率點穩(wěn)定輸出。此外，其還具有雙向調節(jié)能力，充電時為用電負荷，放電時為發(fā)電電源。
如何保障安全與穩(wěn)定，是發(fā)展電化學儲能亟需解決的重大問題。記者從多位業(yè)內人士處了解到，未來電化學儲能電站的安全管理應覆蓋全生命周期，構建本體安全、主動安全、消防防御三重防線。
首先，電池安全是電化學儲能的本體安全。孫金華說，要從電池材料和結構本身來預防電池熱失控，電解液、隔膜、正極材料的改進很重要。電解液方面，要研發(fā)難燃和不燃的電解液，例如固態(tài)電解液，同時保證電解液的電化學性能跟原位電解液基本一致。正極材料方面，由于正極材料分解會發(fā)生大量氧氣，與電解液反應，因此需要對正極材料摻雜材料或者進行包裹處理，提升金屬氧化物的穩(wěn)定性。隔膜方面，目前電池隔膜熔化溫度在120-140攝氏度之間，隔膜一旦熔化電池瞬間會形成內短路，因此要發(fā)展耐高溫的隔膜，例如有機隔膜和無機陶瓷隔膜。
此外，提高電池的一致性，選用安全高效的熱管理系統(tǒng)，抑制電池的溫升，嵌入泡沫金屬、包覆相變材料實現(xiàn)電池被動式冷卻等也是未來提高電池應用安全性的重點。
其次是以監(jiān)控和預防為主的主動安全。中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2022年中國儲能產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展白皮書》（以下簡稱“白皮書”）中指出，在儲能電站的主動安全方面，應該基于數(shù)字化技術提高監(jiān)控、運維水平，實時監(jiān)控整體電站的硬件狀態(tài)，在異常故障時做到實時通知，提高故障診斷的準確率和自動化處理效率，做好系統(tǒng)安全狀態(tài)的早期預警，避免電池從出現(xiàn)故障發(fā)展到熱失控的狀態(tài)。
在這方面，電池管理系統(tǒng)（BMS）應該發(fā)揮出重要的作用。《白皮書》指出，電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池組實施數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷，進行動態(tài)管理。跟動力電池的BMS相比，儲能電池BMS在硬件邏輯結構、通信協(xié)議、管理系統(tǒng)參數(shù)等方面存在差異，其對響應速度、數(shù)據(jù)處理能力、均衡管理能力提出了更高的要求。
在大會中，據(jù)杭州高特電子設備股份有限公司總經(jīng)理徐劍虹介紹，現(xiàn)有儲能電池BMS技術上普遍存在的三大問題是，“首先，BMS雖然已經(jīng)在監(jiān)測電池的溫度和電壓，測不到、測不準的問題普遍存在。例如，電池溫度監(jiān)測點一般放置在匯流排上，而匯流排是良好的熱導體，也即是說，電芯如果發(fā)生溫度變化，熱量部分被耗散，導致溫度監(jiān)測不準。”徐劍虹說。
由于采集的電壓和溫度都是電芯外部的參數(shù)，無法獲取電池內部的真實溫度，因而無法準確計算電池的真實狀態(tài)，如電池容量、衰減率等，徐劍虹說，“電動汽車以及儲能電站的燃燒爆炸事故，其實都可以通過預先獲知電池內部的溫度，而提前判斷電池熱失控實現(xiàn)保護，但是由于溫度采樣的延時和溫度梯度的影響，使得在熱失控已經(jīng)發(fā)生后系統(tǒng)才給出警告和保護，為時已晚?！?
此外，現(xiàn)有的儲能電池管理系統(tǒng)需要通過采樣點、線束采集電壓、溫度等參數(shù)，大量的采樣點、線束，以及線束連結的接插件，將產生很多故障隱患。當線束老化、破損或受到擠壓，也容易產生漏電等問題。
另外，對電池管理系統(tǒng)而言，其實現(xiàn)均衡管理的能力很重要，均衡的目的是使的電池組可放容量最大化，目前儲能電池管理系統(tǒng)通用的均衡技術為被動均衡，即對整個電池組內電壓或容量高的電池，通過可控制的并聯(lián)電阻放掉一部分能量。該方法簡單，成本低，但消耗電池電能，均衡效果較差，無法均衡性能落后的電池。
對此，不少業(yè)內人士建議，未來儲能電池管理系統(tǒng)需要提高對溫度和安全參數(shù)檢測的精準度，予以及時響應，以實現(xiàn)高效、可靠的安全狀態(tài)分析和預警功能，并提供主動均衡管理和系統(tǒng)安全保護措施，無線電池管理系統(tǒng)也應提上議程。
儲能安全的最后一道防線，是消防安全。
在此次儲能大會中，很多消防業(yè)內人士承認，電化學儲能電站的火災一旦蔓延，滅火實際非常困難。據(jù)中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司副總工程師斯林軍介紹，現(xiàn)有的滅火劑包括水、全氟己酮、七氟丙烷、二氧化碳、氣溶膠等，都無法從根本上中斷電池內部連鎖分解反應。其中，氣體滅火劑主要熄滅明火，減低失控電池表面溫度，提供更多的反應時間；水基型滅火劑冷卻降溫效果最好。從滅火實踐來看，對于儲能電站的火災，最后的手段就是大水漫灌。
對于儲能電站的消防安全維護，斯林軍則從消防設計、防排煙設計、電池室布置、PCS室布置、暖通設計等方面給出了建議。
首先，儲能電站應該配備火災報警系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)和二次噴淋冷卻系統(tǒng)。其中，報警系統(tǒng)應該設置完善的可燃氣體探測器，通過煙感、溫感、消防報警信號與BMS溫度信號聯(lián)合判斷電池熱失控。而電池區(qū)域應該按規(guī)范設置氣體滅火系統(tǒng)，并與火災報警系統(tǒng)連鎖，一個獨立的電池區(qū)域作為一個防護區(qū)。因電池室著火后，人員難以靠近，建議每個電池區(qū)域上方設置雨淋噴頭，手動接入外部電源。
其次，儲能電站的通風系統(tǒng)應該能限制可燃氣體在最低爆炸極限的25%以下。電池室必須設置災后機械通風系統(tǒng)，采用防爆風機，可燃氣體探測系統(tǒng)應與通風系統(tǒng)聯(lián)動，預防熱失控過程中特別是明火滅后產生的氣體積聚導致的爆炸。
再次，在進行電池室的布置時，電池柜基座應該預埋槽鋼，找平、焊接、可靠接地。電池柜正面應預留足夠的維護通道，建議在1200MM以上。電池柜背靠背布置或靠墻布置時，應預留200MM以上的散熱空間。為防止事故擴大化，建議電池室電纜應上出線和橋架方式。
