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中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，大力發(fā)展新能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展成為全球共識(shí)。儲(chǔ)能能夠促進(jìn)新能源消納，提高電力系統(tǒng)靈活性，支撐新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，已成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，盡管面臨國際競爭、疫情等不利因素，但是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)仍保持高速發(fā)展態(tài)勢。根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計(jì)，2022年，國內(nèi)新增投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模達(dá)7.3 GW/15.9 GWh，功率規(guī)模首次突破7 GW，能量規(guī)模首次突破15 GWh，與2021年同期相比，增長率均超過200%。單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模與以往相比大幅提升，百兆瓦級(jí)項(xiàng)目成為常態(tài)。

  

  表12021—2022年全球儲(chǔ)能事故

  注：不包括戶用儲(chǔ)能事故。信息來源：CNESA全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫。

  

1 鋰離子電池儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

  安全評(píng)價(jià)是保障儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，國內(nèi)外行業(yè)組織和科研機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域積極開展研究，取得了一定的進(jìn)展，初步建立了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

  

1.1 電池安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

  IEC(國際電工委員會(huì))、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、UL等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)均制定了多項(xiàng)評(píng)估儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性的標(biāo)準(zhǔn)，旨在提高鋰離子電池在儲(chǔ)能終端應(yīng)用上的安全性，促進(jìn)技術(shù)升級(jí)。

  表2電池安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

  國際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，負(fù)責(zé)制定儲(chǔ)能用鋰離子電池分技術(shù)的委員會(huì)是IEC/TC21/SC21A(含堿性及其他非酸性電解質(zhì)二次電池和電池組)，具體由其下設(shè)的WG 5(工業(yè)設(shè)備用鋰離子電池)負(fù)責(zé)制定，目前已經(jīng)制定了IEC 62619和IEC 63056兩項(xiàng)儲(chǔ)能用鋰蓄電池標(biāo)準(zhǔn)。其中IEC 62619是工業(yè)設(shè)備用鋰蓄電池的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為“保護(hù)傘”標(biāo)準(zhǔn)，IEC 63056是根據(jù)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)制定的對鋰蓄電池/電池組系統(tǒng)的特殊要求和附加要求。在運(yùn)輸安全領(lǐng)域，UN(聯(lián)合國危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸委員會(huì))制定了UN 38.3^[9]，IEC將該標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成了IEC 62281。

  國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院(電子標(biāo)準(zhǔn)院，賽西/CESI)作為工信部鋰離子電池及類似產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工作組秘書處承擔(dān)單位，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌、組織我國儲(chǔ)能用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。目前已經(jīng)牽頭制定了兩項(xiàng)電能存儲(chǔ)用鋰電池強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)：GB xxxx《電能存儲(chǔ)系統(tǒng)用鋰蓄電池和電池組安全要求》(計(jì)劃號(hào)：20214450-Q-339，報(bào)批中)和GB 40165，IEC 62619(2022版)的國內(nèi)轉(zhuǎn)化工作也在進(jìn)行中。此外，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)(CIPAS)等社團(tuán)組織也制定了相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

  國外標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，UL(美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室)制定了全球首部電能存儲(chǔ)用電池標(biāo)準(zhǔn)UL 1973，該標(biāo)準(zhǔn)在北美普遍使用，其電池安全標(biāo)準(zhǔn)考慮全面而嚴(yán)謹(jǐn)，具有相當(dāng)?shù)挠绊懥?。歐洲、日韓等國家及地區(qū)多以直接轉(zhuǎn)換IEC 62619為主，澳洲則是同時(shí)引用IEC和UL標(biāo)準(zhǔn)。

  盡管全球范圍內(nèi)制定了多項(xiàng)儲(chǔ)能用鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)，但是現(xiàn)有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)只能滿足對儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性評(píng)估的基本要求，缺少評(píng)估長周期循環(huán)后鋰電池安全性的試驗(yàn)項(xiàng)目/標(biāo)準(zhǔn)，缺少相應(yīng)的鋰離子電池安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

  現(xiàn)有安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用對象都是未投入使用的出廠6個(gè)月以內(nèi)的鋰電池新品。眾所周知，鋰離子電池因其制造工藝引入的缺陷和外部激源因素引發(fā)的其他問題會(huì)在長周期循環(huán)后被放大，增加鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)，最終增加發(fā)生安全事故的概率。后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，在考慮如何更有針對性地評(píng)估新品的同時(shí)還應(yīng)考慮長周期循環(huán)對鋰離子電池安全性的影響，并制定評(píng)估長周期循環(huán)后鋰離子電池安全性的項(xiàng)目或標(biāo)準(zhǔn)。此外，鋰離子電池的安全性因其使用的材料體系、隔膜、電解液的不同存在一定的差異。當(dāng)前，國內(nèi)外并未制定鋰離子電池安全等級(jí)評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，厘清影響鋰電池安全差異的因素，制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也是提高儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性的重要手段。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

  儲(chǔ)能系統(tǒng)集成了電池、儲(chǔ)能變流器以及各類輔助系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)首先要符合其對應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，例如鋰離子電池需滿足電池產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，當(dāng)這些子系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，還需考慮子系統(tǒng)之間的兼容性以及整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境適用性。儲(chǔ)能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)是保證儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的安全安裝和運(yùn)營的重要支撐。

  

  表3儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

  國際電工委員會(huì)(IEC) TC120負(fù)責(zé)制定國際儲(chǔ)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲、日本、韓國等國家及地區(qū)通常直接等同或修訂采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。

  IEC 62933-5-2以IEC 62933-5-1為基礎(chǔ)，提供了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全要求，其第一版發(fā)布于2020年，第二版正在修訂中。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)(包括鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng))的危險(xiǎn)因素、安全風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)降低措施以及系統(tǒng)安全驗(yàn)證和測試。對于儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全驗(yàn)證和測試，IEC 6293-5-2允許使用模擬信號(hào)來測試或者通過文件審查方式來驗(yàn)證。IEC 62933-5-4則基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了使用實(shí)際電信號(hào)的測試方法和程序。

  美國非常重視儲(chǔ)能安全，其標(biāo)準(zhǔn)制定也相對領(lǐng)先和完善。美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)是北美最大的安全標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)，于2016年發(fā)布了第一版儲(chǔ)能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)UL 9540，并被批準(zhǔn)為美國和加拿大雙國國家標(biāo)準(zhǔn)。目前UL 9540第三版正在修訂中。UL 9540標(biāo)準(zhǔn)從材料、零部件、結(jié)構(gòu)要求、安全失效分析、功能安全、測試評(píng)估、標(biāo)簽和說明書方面對儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了全面要求，是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全保證的基石。UL 9540被美國電工法NEC和國際消防規(guī)范IFC等眾多規(guī)范引用，是儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入北美的強(qiáng)制準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。

  為了評(píng)估電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控蔓延的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全，UL于2017年發(fā)布了UL 9540A，目前第5版正在修訂中。該標(biāo)準(zhǔn)從電芯、模塊、單位以及安裝層級(jí)共4個(gè)層級(jí)對電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行測試，獲取電芯熱失控特性參數(shù)和電芯釋放氣體的燃燒特性參數(shù)，以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控蔓延時(shí)的氣體/煙霧/熱釋放速率、熱輻射、起火和爆炸情況等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以有效地評(píng)估電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，減少消防安全顧慮。

  美國消防協(xié)會(huì)(NFPA)在2019年正式發(fā)布第一版NFPA 855，目前最新版為2023版。為了控制儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)明確要求儲(chǔ)能系統(tǒng)必須UL 9540列名，并給出了安裝間距、存儲(chǔ)能量、防火隔離、通風(fēng)、火災(zāi)探測、消防抑制等儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝要求。對于超出安裝限制條件的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，必須提供UL 9540A測試報(bào)告以支持其安裝許可。

  澳大利亞和新西蘭于2019年聯(lián)合制定了AS/NZS 5139:2019，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)的一般安裝要求，對BESS的安裝位置進(jìn)行了限制，并對BESS附近的其他設(shè)備進(jìn)行了限制。

  在中國，全國電力儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC TC550)負(fù)責(zé)電力儲(chǔ)能領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，其制定的儲(chǔ)能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 36558—2018《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》、GB/T 40090—2021《儲(chǔ)能電站運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》和GB/T 42288—2022《電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全規(guī)程》。為滿足北京市儲(chǔ)能項(xiàng)目安全建設(shè)需求，2021年12月，北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1893—2021《電力儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行規(guī)范》正式發(fā)布，明確了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)及退役和應(yīng)急處置要求。

2 鋰離子電池儲(chǔ)能安全評(píng)價(jià)相關(guān)理論研究

  2.1 鋰離子電池本征安全研究

  鋰離子儲(chǔ)能電池本身是影響儲(chǔ)能安全的首要因素，作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，電池在各種復(fù)雜工況下存在潛在的過充、短路、擠壓、振動(dòng)、碰撞等引起的突發(fā)性燃燒和爆炸現(xiàn)象，是實(shí)際應(yīng)用中面臨的安全難題。因此，要從根本上解決鋰離子電池的安全性問題，需要從電池本征安全方面展開研究。

  本征安全主要是在材料層面提升各電芯材料的熱穩(wěn)定性，在工藝層面從設(shè)計(jì)和制造的角度保證電芯可靠性。目前，在正極材料方面，主要通過材料選型、本體改性(表面包覆、元素?fù)诫s等)與材料復(fù)配，提升材料熱穩(wěn)定性；隔膜材料方面，為了改善隔膜熱穩(wěn)定性，通常在隔膜表面涂上一層耐高溫的涂覆材料，以改善隔膜熱收縮性能，同時(shí)提高隔膜穿刺強(qiáng)度，防止鋰枝晶刺穿，提升電池安全性；電解液材料方面，通過在電解液中引入阻燃、過充保護(hù)等安全添加劑來有效改善電池安全；集流體材料方面，通過改善集流體的力學(xué)性能，避免其在加工使用過程中形成毛刺和斷裂，以降低電芯安全風(fēng)險(xiǎn)；電芯設(shè)計(jì)方面，overhang設(shè)計(jì)、NP比設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全閥設(shè)計(jì)、絕緣保護(hù)等均會(huì)對電芯安全產(chǎn)生影響，綜合優(yōu)化各方面設(shè)計(jì)因素是實(shí)現(xiàn)電芯高穩(wěn)定性、高安全的關(guān)鍵之一；工藝制造方面，減少內(nèi)部異物、邊緣毛刺等對電池安全有著至關(guān)重要的影響，通過制造工藝升級(jí)、產(chǎn)線智能化改造、過程監(jiān)測強(qiáng)化等措施降低電芯缺陷，是降低電池安全隱患的重要舉措。此外，固態(tài)電池作為下一代電池技術(shù)，有望徹底解決鋰離子電池本征安全問題。有機(jī)電解液熱分解溫度與隔膜融化溫度在160 ℃以下，而固態(tài)電解質(zhì)熱分解溫度高(如氧化物固態(tài)電解質(zhì)熱分解溫度在500 ℃以上)，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液和隔膜，可以大大降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。

  

2.2 鋰離子電池儲(chǔ)能故障及事故數(shù)據(jù)集

  儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各類故障是誘發(fā)電池?zé)崾Э亍?dǎo)致火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的重要原因。儲(chǔ)能系統(tǒng)涉及的故障類型多樣，而電池?zé)崾Э氐恼T發(fā)可能是多種故障耦合作用的結(jié)果。為進(jìn)一步挖掘分析儲(chǔ)能系統(tǒng)故障的發(fā)生條件、故障部位、表現(xiàn)形式、故障后果等，有必要建立儲(chǔ)能事故綜合信息平臺(tái)，通過對儲(chǔ)能事故、故障等信息的進(jìn)一步收集，逐步構(gòu)建起儲(chǔ)能故障數(shù)據(jù)集。

  目前儲(chǔ)能事故信息平臺(tái)的建設(shè)尚處于起步階段，國外EPRI(美國電力研究院)上線了事故wiki頁面，對全球事故進(jìn)行簡單的匯總和統(tǒng)計(jì)。國內(nèi)還沒有公共權(quán)威的儲(chǔ)能事故信息發(fā)布平臺(tái)，亟需建立專業(yè)化的儲(chǔ)能事故信息平臺(tái)以促進(jìn)事故信息及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)布，不斷總結(jié)事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

  儲(chǔ)能事故信息的數(shù)據(jù)來源涉及產(chǎn)業(yè)鏈各方以及監(jiān)管部門，需要全產(chǎn)業(yè)鏈共同支持以及多方合作協(xié)調(diào)。信息平臺(tái)在建設(shè)過程中需要結(jié)合市場需求，不斷改進(jìn)優(yōu)化，保證信息的準(zhǔn)確、及時(shí)更新。平臺(tái)的建設(shè)不僅有利于信息資源的合作共享，儲(chǔ)能安全水平的提升，也有利于政府監(jiān)管。通過平臺(tái)一系列科學(xué)的、系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)化的分析模型工具，可以對收集到的事故、事故征候、其他不安全事件相關(guān)信息進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的安全建議。

  圖1為事故信息平臺(tái)架構(gòu)提出了初步設(shè)計(jì)方案。平臺(tái)將綜合事故、項(xiàng)目、產(chǎn)品、企業(yè)、測試以及產(chǎn)品溯源、警情和事故調(diào)查等多渠道信息，通過數(shù)據(jù)集成并提供可視化分析，進(jìn)一步挖掘分析儲(chǔ)能事故/故障的發(fā)生條件、部位、表現(xiàn)形式、故障后果等特征規(guī)律，確定引發(fā)儲(chǔ)能電池?zé)崾Э氐膬?chǔ)能故障數(shù)據(jù)集，并為未來儲(chǔ)能事故分析、故障識(shí)別等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

  平臺(tái)不僅可以對產(chǎn)品信息、項(xiàng)目信息、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、事故信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，亦將在儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型、安全評(píng)價(jià)甚至事故故障的預(yù)測等方面發(fā)揮越來越重要的作用，有效提升信息平臺(tái)價(jià)值和公共服務(wù)能力，也為日后引入人工智能方法提供必不可少的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。上述均有待于更細(xì)致和深入地研究，此外關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的脫敏、不同信息平臺(tái)的對接也有待在建設(shè)過程中逐步完善。

2.3 儲(chǔ)能用鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理及火蔓延機(jī)制

  鋰離子電池?zé)崾Э氐谋举|(zhì)是濫用條件觸發(fā)電池內(nèi)部的鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)，放出熱量進(jìn)一步提升電池內(nèi)部的溫度，并成功觸發(fā)更高溫度區(qū)間的副反應(yīng)，形成“熱量-溫度-反應(yīng)”閉環(huán)回路，該回路在高溫度條件下循環(huán)直至發(fā)生熱失控。以儲(chǔ)能用鋰離子電池為例，其熱失控機(jī)理可以總結(jié)為：在濫用條件下電池溫度異常升高，首先觸發(fā)電池內(nèi)部負(fù)極表面的保護(hù)層(SEI膜)的分解，電解液的還原/氧化反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度逐漸升高。在150～160 ℃，隔膜開始收縮和熔化；然后發(fā)生內(nèi)部短路，內(nèi)部電解液蒸氣壓增大，副反應(yīng)產(chǎn)氣導(dǎo)致安全閥打開。隨著電池溫度的升高，發(fā)生鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)，負(fù)極的活性鋰會(huì)與電解液反應(yīng)并產(chǎn)生巨大的熱量，觸發(fā)磷酸鋰正極釋放氧氣并與電解液發(fā)生反應(yīng)釋放熱量。電極中剩余的鋰與黏合劑在更高的溫度下反應(yīng)，進(jìn)一步提高電池溫度直至發(fā)生熱失控。上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)順序和反應(yīng)溫度區(qū)間因電池材料體系和熱失控觸發(fā)方式等因素的變化而呈現(xiàn)一定的差異性，但本質(zhì)上是上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)相互交替、疊加所導(dǎo)致。

  在儲(chǔ)能電池系統(tǒng)中，單節(jié)電池發(fā)生熱失控釋放大量的熱量，并通過對流、輻射、傳導(dǎo)等形式將熱傳遞到相鄰電池，當(dāng)觸發(fā)電池周圍的鄰近電池溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí)，即誘發(fā)熱失控蔓延。Feng等人通過對6節(jié)25 Ah方形硬殼三元電池模組開展針刺觸發(fā)下的熱失控傳播實(shí)驗(yàn)，揭示了熱失控蔓延機(jī)制，即在熱失控蔓延過程中，高溫?zé)崾Э仉姵赝ㄟ^正面殼體接觸而向鄰近電池側(cè)向劇烈傳熱，導(dǎo)致被加熱電池內(nèi)部沿厚度方向產(chǎn)生巨大溫度梯度，當(dāng)被加熱電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí)，即發(fā)生熱失控蔓延。而對于儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池而言，其熱失控蔓延機(jī)制類似，Song等人分析了280 Ah磷酸鐵鋰電池模組熱失控蔓延過程中的熱流路徑。他們發(fā)現(xiàn)通過殼體接觸面?zhèn)鬟f的用于觸發(fā)熱失控蔓延的熱量僅占單體電池?zé)崾Э乜偖a(chǎn)熱的5%～7%，而超過75%的能量用于電池自產(chǎn)熱。此外，也有一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方式分析了儲(chǔ)能用電池模組在不同電連接方式，不同觸發(fā)方式，不同荷電狀態(tài)，不同間距，不同環(huán)境壓力、不同電極體系、不同環(huán)境氛圍等因素下的熱失控蔓延特性。具體可以歸納為：相比于無連接和串聯(lián)模組，并聯(lián)模組呈現(xiàn)最高的熱失控傳播危害性；增大電池間距和降低荷電狀態(tài)均會(huì)有效延緩熱失控蔓延行為的發(fā)生；過充、針刺、加熱觸發(fā)方式對模組前三節(jié)電池?zé)崾Э芈有袨楫a(chǎn)生影響，對后幾節(jié)電池的影響不大；電池體系對模組熱失控傳播的影響較大，三元電池相較于磷酸鐵鋰電池更容易發(fā)生熱失控，并且在熱失控蔓延的過程 中會(huì)出現(xiàn)大量的射流火，而磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控蔓延的難度較大，且在熱失控過程中未見到射流火等明火行為；隨著環(huán)境壓力的降低，鋰離子電池?zé)崾Э芈拥乃俾蕰?huì)降低，同時(shí)熱失控蔓延過程中燃燒燃爆導(dǎo)致的傳熱量也會(huì)降低；此外，空氣氛圍下的模組熱失控傳播速度比氮?dú)夥諊碌哪＝M熱失控傳播速度更快。當(dāng)某一模組完全失控并起火時(shí)，即使模組之間有空氣域存在，模組間的熱失控蔓延也會(huì)發(fā)生；導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是模組全部熱失控產(chǎn)生的射流火面積和放熱量的增加加速了模組間的固體傳熱量，進(jìn)而導(dǎo)致模組間的熱失控蔓延行為。針對鋰離子電池包，當(dāng)電池包內(nèi)任一模組內(nèi)單體觸發(fā)熱失控時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)在無防護(hù)的作用下都會(huì)發(fā)生熱失控蔓延，熱失控蔓延會(huì)呈現(xiàn)倒敘蔓延、順序蔓延等多種蔓延現(xiàn)象，電池包的蔓延行為則呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的規(guī)律。盡管國內(nèi)外學(xué)者對電池模組熱失控蔓延開展了大量的研究，然而這些研究工況與儲(chǔ)能電站實(shí)際場景存在一定出入。對于真實(shí)儲(chǔ)能電站場景下的熱失控蔓延且出現(xiàn)燃燒行為，其火災(zāi)場景屬于頂棚射流火焰范疇，火焰對模組中毗鄰電池的輻射傳熱加劇，進(jìn)而加快模組熱失控蔓延，因此，揭示火焰對電池模組熱失控蔓延的影響機(jī)制，對于儲(chǔ)能電站的消防安全設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

  

  綜上所述，對于鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理，前人大多研究不同濫用條件、材料體系等因素下電池?zé)崾Э匮莼瘷C(jī)制和差異，對于儲(chǔ)能故障導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐娜湕l演化過程及機(jī)制缺乏系統(tǒng)認(rèn)知，不同故障類型導(dǎo)致的電池濫用形式及熱安全邊界尚未明確。未來將重點(diǎn)開展誘導(dǎo)電池?zé)崾Э毓收项愋图澳Ｊ阶R(shí)別分析，確定誘導(dǎo)不同材料體系電池?zé)崾Э氐呐R界故障條件及熱安全邊界閾值，明確多因素動(dòng)態(tài)耦合激勵(lì)下電池?zé)崾Э匦袨榧捌淠芰苛鲃?dòng)分布特征，揭示不同儲(chǔ)能故障作用下電池系統(tǒng)熱安全邊界演化規(guī)律及熱失控致災(zāi)機(jī)制，對于規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)安全應(yīng)用具有重要科學(xué)意義。

  對于鋰離子電池模組熱失控蔓延問題，以往研究對熱失控傳播機(jī)制的解釋大多停留在熱失控電池對鄰近電池外部傳熱的維度，忽略了電池自產(chǎn)熱貢獻(xiàn)，因此，量化模組熱失控蔓延過程中的電池自產(chǎn)熱貢獻(xiàn)是儲(chǔ)能電池模組熱失控蔓延問題研究的重點(diǎn)。同時(shí)，目前的研究大多在敞開環(huán)境下開展，而在實(shí)際儲(chǔ)能電站場景下，電池模組層層堆疊于電池支架上，一旦發(fā)生熱失控故障，同時(shí)在滿足點(diǎn)火源條件下，熱失控過程噴射的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃誘發(fā)劇烈燃燒，噴射火焰對同層電池模組劇烈傳熱，同時(shí)也炙烤上層支架電池模組，其熱失控蔓延方向可能涉及水平和豎直方向兩個(gè)維度。因此，開展儲(chǔ)能預(yù)制艙內(nèi)電池模組豎直和水平熱失控蔓延特性研究及火焰輻射傳熱對熱失控蔓延影響機(jī)制的研究是未來儲(chǔ)能用電池模組熱失控蔓延研究的重點(diǎn)，可為儲(chǔ)能電站的消防安全設(shè)計(jì)提供更多的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

3 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬技術(shù)

  鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)依賴于各種特征參量及指標(biāo)，數(shù)值模擬技術(shù)由于能夠解析電池、模組、系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動(dòng)特征及演化機(jī)制，在儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方面具有顯著優(yōu)勢。目前，鋰離子電池?zé)釀?dòng)力學(xué)建模已成為領(lǐng)域研究重點(diǎn)，大量學(xué)者針對鋰離子電池單體、模組和預(yù)制艙/電站三個(gè)層面的熱失控行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。 

3.1 電池單體的數(shù)值模擬技術(shù)

目前針對單體電池的數(shù)值模擬研究主要集中在熱失控方面，通常采用Arrhenius定律描述電池在熱失控時(shí)內(nèi)部一系列副反應(yīng)的放熱速率，對于電池?zé)崾Э剡^程中的排氣及噴射火行為數(shù)值研究則相對較少。一些研究者基于集總模型和CFD方法對電池排氣過程進(jìn)行了數(shù)值分析，獲得了電池內(nèi)部壓力變化及排氣特征。由于鋰離子電池的排氣及燃燒是一個(gè)高度瞬態(tài)的過程，因此對火焰燃燒特征及外部瞬態(tài)流場的精確模擬是一個(gè)難點(diǎn)。Kim等基于多孔介質(zhì)模型建立了鋰離子電池排氣和熱失控行為的數(shù)值模型，但在計(jì)算精度上存在不足。中國石油大學(xué)(華東)孔得朋團(tuán)隊(duì)首次提出了動(dòng)態(tài)邊界耦合電池內(nèi)外熱失控特征參數(shù)的新方法，實(shí)現(xiàn)了噴射火火焰高度和熱釋放率變化的準(zhǔn)確預(yù)測；之后建立了多相排氣過程的多尺度數(shù)值模型，揭示了電池?zé)崾Э剡^程中氣體以及顆粒的噴射機(jī)制。然而，現(xiàn)有模型大多未考慮力學(xué)響應(yīng)，例如排氣時(shí)開閥、殼體破裂等行為的影響。面向大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)需求，未來單體層級(jí)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)向熱失控-燃爆-力響應(yīng)多物理場耦合方向發(fā)展。同時(shí)，還需要進(jìn)一步完善數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證方法，保障數(shù)值模擬的可靠性。

  3.2 電池模組的數(shù)值模擬技術(shù)

  模組層級(jí)的數(shù)值模擬技術(shù)主要集中于熱失控傳播相關(guān)研究?，F(xiàn)有模型主要包括熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和三維熱模型兩種，其中熱阻網(wǎng)絡(luò)模型將電池作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，忽略電池內(nèi)部溫度梯度變化，在計(jì)算效率上具有明顯優(yōu)勢；三維熱模型則更為精確，可以呈現(xiàn)出電池內(nèi)部溫度分布情況，缺點(diǎn)是計(jì)算量更大。大量學(xué)者利用熱失控傳播模型研究了過充、過熱、針刺等觸發(fā)方式下電池組的熱失控特征變化，另外部分研究分析了相變材料、風(fēng)冷、液冷等熱管理方式對熱失控傳播的抑制效果，主要關(guān)注模組熱安全方面的表現(xiàn)。此外，考慮到電池排氣對模組中熱失控傳播行為的重要影響，Mishra等人通過三維CFD模型對模組氣體擴(kuò)散的影響展開了分析，同時(shí)，中國石油大學(xué)(華東)孔得朋團(tuán)隊(duì)基于CFD模擬研究了噴射火影響下的熱失控傳播，揭示了火焰對電池失效的傳熱貢獻(xiàn)。然而，CFD模擬通常需要巨大的計(jì)算資源，這限制了其在大尺度空間上的進(jìn)一步應(yīng)用。針對這一問題，孔得朋團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于耦合熱阻網(wǎng)絡(luò)和CFD的數(shù)值模擬技術(shù)，初步提出了兼顧精度與效率的解決方案。但隨著儲(chǔ)能規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，對計(jì)算資源的需求將繼續(xù)增大，提出高效的熱失控建模方案仍是未來重要的研究方向。

  3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)

  由于儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際規(guī)模遠(yuǎn)大于單體及模組，因此針對艙/電站層級(jí)的數(shù)值模擬多將內(nèi)部的電池單體及模組作為一個(gè)整體，忽略單體及模組內(nèi)部的梯度變化，以簡化模型，減少數(shù)值計(jì)算量。相關(guān)數(shù)值模擬研究多采用FLACS和FDS(fire dynamics simulator)仿真軟件，主要對儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控過程中的煙氣擴(kuò)散、燃燒和爆炸現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值分析；此外，部分學(xué)者針對儲(chǔ)能電站的安全防護(hù)措施，如加裝隔離板、噴淋滅火等開展數(shù)值研究，對儲(chǔ)能電站安全設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。然而，由于仿真軟件的局限性，目前的研究只能對氣體燃燒爆炸過程進(jìn)行分析且多關(guān)注于事故后果，對于儲(chǔ)能安全防護(hù)措施的數(shù)值研究還相對匱乏。在實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控事故中，可燃?xì)怏w的燃燒與爆炸會(huì)加快模組間的熱失控傳播，產(chǎn)生新的可燃?xì)怏w參與反應(yīng)并進(jìn)一步加劇事故的危險(xiǎn)性。但現(xiàn)有模型均未考慮熱失控傳播和可燃?xì)怏w排放的耦合關(guān)系，因此未來系統(tǒng)層級(jí)的模擬研究仍需進(jìn)一步完善。

  3.4 總結(jié)與發(fā)展方向

  現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)值模擬技術(shù)主要分為電池單體、模組及儲(chǔ)能系統(tǒng)/預(yù)制艙三個(gè)層級(jí)：單體電池?cái)?shù)值模擬研究主要關(guān)注電池在熱失控時(shí)的內(nèi)部反應(yīng)和溫度表現(xiàn)，近年來熱失控過程中的排氣和噴射火行為也得到了關(guān)注，然而現(xiàn)有模型大多未考慮力學(xué)響應(yīng)的影響，如安全閥的開啟過程、殼體破裂等；模組層級(jí)的數(shù)值模擬技術(shù)主要針對熱失控傳播開展研究，包括不同觸發(fā)方式下電池組的熱失控特征變化，以及熱管理方式對熱失控傳播的抑制效果等，主要關(guān)注模組熱安全方面的表現(xiàn)，同時(shí)也有部分研究分析了氣體擴(kuò)散行為對熱失控傳播的影響，但巨大的計(jì)算量限制了進(jìn)一步應(yīng)用；儲(chǔ)能系統(tǒng)、預(yù)制艙層級(jí)的熱失控?cái)?shù)值模擬研究主要關(guān)注煙氣擴(kuò)散、燃燒和爆炸后果，對儲(chǔ)能電站安全防護(hù)措施也開展了部分?jǐn)?shù)值研究，然而由于仿真軟件及模型的局限性，現(xiàn)有數(shù)值研究均未考慮熱失控傳播過程對煙氣擴(kuò)散、燃燒、爆炸行為的影響。

  綜上所述，數(shù)值模擬技術(shù)已在鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，為儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，但仍面臨著許多不足和挑戰(zhàn)。隨著規(guī)?；娀瘜W(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展，儲(chǔ)能安全對數(shù)值模擬技術(shù)提出了更多要求：

  （1）在儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)中，單體層級(jí)單一的熱模型已不能滿足要求。隨著規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大，模組以及預(yù)制艙層級(jí)面臨著熱失控、燃燒爆炸以及力學(xué)響應(yīng)等全方位的安全評(píng)價(jià)需求。因此，單體層級(jí)模型應(yīng)作為數(shù)值研究基礎(chǔ)，并向熱失控-燃爆-力響應(yīng)多物理場耦合的方向發(fā)展，以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的要求。此外，為了保證數(shù)值模擬的可靠性，還需要進(jìn)一步研究完善數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證方法。

  （2）儲(chǔ)能模組內(nèi)電池處于受限空間，熱失控火焰將促進(jìn)模組內(nèi)熱失控的傳播^[68]。當(dāng)前電池組熱失控模型僅局限于燃燒對失效傳播行為的單方面影響，對于模組內(nèi)火焰和熱失控耦合過程的模擬，如火蔓延行為，仍然存在空白。因此，未來針對電池組的仿真模型應(yīng)當(dāng)考慮火焰和熱失控的相互作用，以更全面地開展儲(chǔ)能模組安全評(píng)價(jià)。同時(shí)，需要進(jìn)一步提高面向模組和系統(tǒng)層級(jí)的CFD模擬計(jì)算效率，以適應(yīng)大尺度空間的計(jì)算需求。

  （3）對于更大規(guī)模的預(yù)制艙、電站層級(jí)，當(dāng)前的數(shù)值模擬研究多關(guān)注于燃燒爆炸分析，缺少對安全防護(hù)措施的研究，未來需要進(jìn)一步完善。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的事故發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，電池的熱失控傳播決定著煙氣擴(kuò)散、燃燒、爆炸演化過程。因此，未來面向儲(chǔ)能預(yù)制艙層級(jí)的數(shù)值模擬技術(shù)需要考慮熱失控傳播和可燃?xì)怏w排放的耦合過程，以實(shí)現(xiàn)對事故演化和致災(zāi)后果更加準(zhǔn)確地預(yù)測和模擬。

4 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全測試評(píng)價(jià)技術(shù)

  除數(shù)值模擬外，實(shí)驗(yàn)測試是獲得鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)性能的關(guān)鍵手段?，F(xiàn)階段，對鋰離子電池單體、模組、簇等層級(jí)安全指標(biāo)的測試方法與技術(shù)已初步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但是對系統(tǒng)層級(jí)涉及電氣安全、消防安全等指標(biāo)方面的測試技術(shù)方法仍不明確和統(tǒng)一，目前仍側(cè)重于對有效的安全技術(shù)方面的研究。

  

4.1 電池單體的安全測試技術(shù)

為了避免電池因內(nèi)部瑕疵發(fā)生內(nèi)短路從而誘發(fā)熱失控，造成起火、爆炸等安全事故，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)制定了一些試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行模擬，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并評(píng)估電池發(fā)生起火、爆炸時(shí)的危險(xiǎn)性。IEC 62619中引入了內(nèi)部短路試驗(yàn)，目的是確定電池內(nèi)部短路不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組系統(tǒng)起火或火災(zāi)在蓄電池組系統(tǒng)外蔓延?？紤]到內(nèi)部短路試驗(yàn)的局限性和可操作性，在GB 31241—2014和GB T31485—2015中引入了擠壓和針刺試驗(yàn)，檢驗(yàn)電池內(nèi)部是否存在可誘發(fā)內(nèi)部短路的金屬雜質(zhì)等缺陷以及電池正負(fù)極接觸時(shí)是否會(huì)發(fā)生內(nèi)部短路。

電池?zé)釣E用和電濫用同樣會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)短路誘發(fā)熱失控。IEC 62619規(guī)定的電池?zé)釣E用是將滿電電池放置在熱箱中，熱箱以(5±2) ℃/min速率升至(85±5) ℃，并保持3 h后停止加熱，若電池發(fā)生起火爆炸則不合格，GB/T 31241—2014中電池?zé)釣E用同樣是將電池放置在熱箱中以(5±2) ℃/min速率升溫，但是考慮到隔膜的熔點(diǎn)等問題將熱濫用的溫度和時(shí)間分別改為(130±2) ℃和1 h。UL 1973的熱濫用試驗(yàn)則采用UL 1642的試驗(yàn)方法，高溫?cái)R置溫度為(130±2) ℃，時(shí)間僅為10 min。該項(xiàng)目不僅考察了儲(chǔ)能用鋰離子電池長時(shí)間高溫?cái)R置的安全性能，還考慮了高溫?cái)R置時(shí)電池的溫度，其中(130±2) ℃要更符合實(shí)際應(yīng)用。此外，在IEC、GB、UL標(biāo)準(zhǔn)中都有過壓充電考核項(xiàng)目，目的是考核電池發(fā)生過壓充電時(shí)材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對電池的設(shè)計(jì)和選材有指導(dǎo)意義。

電池長周期循環(huán)老化后材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差、內(nèi)部缺陷因素誘發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)升高。然而，現(xiàn)有儲(chǔ)能用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的使用對象都是新電池，缺少對長周期循環(huán)老化后電池安全性的評(píng)估項(xiàng)目，而且部分儲(chǔ)能事故是在投入運(yùn)營一定時(shí)間后發(fā)生的。因此還需研發(fā)對電池長周期循環(huán)后安全性的評(píng)估項(xiàng)目或者是進(jìn)行模擬試驗(yàn)，建立相關(guān)檢測技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)對使用過的電池進(jìn)行測試和評(píng)估。

  

4.2 鋰離子電池模組的安全測試評(píng)價(jià)技術(shù)

鋰離子電池系統(tǒng)通常由眾多模組和電池管理系統(tǒng)串聯(lián)組成。模組配有監(jiān)測單元用于采集電池單體的電壓和溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給電池管理系統(tǒng)。模組通常沒有完備的保護(hù)設(shè)備，依賴于電池系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)來為其提供電氣保護(hù)(如防止過充或過放等)。此外，模組一般依賴于電池系統(tǒng)的外殼為其提供機(jī)械和環(huán)境保護(hù)。然而，模組本身也需具備一定的電氣濫用耐受能力，GB/T 36276—2018對鋰離子電池模組提出了相應(yīng)的安全要求，包括過充電、短路、擠壓、跌落等測試，此外電池系統(tǒng)的部分測試也可以適用于模組，比如耐壓、絕緣和熱失控測試等。其中短路和熱失控?cái)U(kuò)散測試是表征電池模組安全的重要測試項(xiàng)，對鋰離子電池系統(tǒng)的安全影響重大。

短路測試是將充滿電的模組正負(fù)極經(jīng)外部電阻短路，模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)輸、安裝、維護(hù)或運(yùn)行過程中輸出端被意外短路的情況，通常外部電阻值在20 mΩ以內(nèi)。由于鋰離子電池單體的內(nèi)阻特別小，100 Ah以上的LiFePO₄電芯通常在1 mΩ以內(nèi)，因此短路電流會(huì)特別大，可以達(dá)到上千安培，對模組內(nèi)電芯、連接器、線纜的大電流承受能力都是極其嚴(yán)峻的考驗(yàn)，很容易發(fā)生電池泄氣、起火或者爆炸事故。如果模組有合適的熔絲或者過流保護(hù)設(shè)計(jì)，則可以快速切斷短路電流，有效保障模組的安全。

熱失控?cái)U(kuò)散測試是用合適的方法使模組中的一個(gè)電池單體熱失控，觀察熱失控是否會(huì)蔓延進(jìn)而造成整個(gè)模組甚至電池系統(tǒng)的起火或者爆炸。該測試主要評(píng)估電池系統(tǒng)或模組承受單個(gè)電池單體失效的能力。良好的模組設(shè)計(jì)可以有效地抑制電池?zé)崃吭趩误w之間傳遞，使熱失控只局限在1顆或者相鄰幾顆電池單體內(nèi)，不會(huì)造成整個(gè)模組的起火或者爆炸。

  

4.3 鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電氣安全評(píng)價(jià)技術(shù)

在儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣安全評(píng)價(jià)技術(shù)方面，全球標(biāo)準(zhǔn)暫不完善。除UL 9540對儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣安全有明確的測試方法外，其他國際或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC、EN、GB暫時(shí)沒有以儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣安全為主要評(píng)價(jià)對象的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

UL 9540是針對儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，其范圍涵蓋充放電系統(tǒng)、控制保護(hù)系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、通信、冷熱管理系統(tǒng)等，包含離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了較為清晰的電氣安全要求，規(guī)定了如下儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電氣要求：①電氣結(jié)構(gòu)方面規(guī)定了非金屬材料、危險(xiǎn)部件的防護(hù)罩和防護(hù)措施、電氣間隔和分離、絕緣水平和保護(hù)性接地、控制系統(tǒng)的要求；②電氣測試包括溫升測試、絕緣耐壓測試、脈沖測試、接地和等電位測試、絕緣電阻測試；③EMC測試：EMI、靜電放電、射頻、快速瞬變、抗浪涌能力等。

然而，在IEC標(biāo)準(zhǔn)體系中，大部分鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)都更關(guān)注電芯本體安全，僅有部分標(biāo)準(zhǔn)涉及鋰離子電池系統(tǒng)的電氣安全設(shè)計(jì)和測試要求，但是存在測試和評(píng)價(jià)內(nèi)容不全，標(biāo)準(zhǔn)范圍覆蓋不全，缺少可操作性等問題。此外，在目前的測試和評(píng)價(jià)中，BMS的電氣安全常被忽略，但是和BMS相關(guān)的電氣失效是測試中較為常見的失效。其主要原因是BMS最初被使用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，電氣架構(gòu)一般被設(shè)計(jì)為安全電壓，或者浮地系統(tǒng)，對電氣安全的要求極少考慮和電網(wǎng)電壓等級(jí)相關(guān)的電氣安全。

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣安全評(píng)價(jià)應(yīng)充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣安全和電化學(xué)安全風(fēng)險(xiǎn)。電氣安全應(yīng)關(guān)注儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)過程中的電氣故障對人員和動(dòng)物、設(shè)備、財(cái)產(chǎn)及環(huán)境造成直接或者間接的危害和概率。電化學(xué)安全則應(yīng)結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣安全來綜合考慮。鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存在由于設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)的不周導(dǎo)致電氣拉弧、短路、對地故障等一次故障，進(jìn)而引起鋰離子電池的電/熱方面的二次失效，最后發(fā)生熱失控乃至起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，也是電氣安全評(píng)價(jià)應(yīng)考慮的方向。未來，應(yīng)在IEC 62477-1、IEC 62040、IEC 62485-5和UL 9540等已有的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出一個(gè)新的國際適用的標(biāo)準(zhǔn)，適合鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣安全的電氣結(jié)構(gòu)要求、測試要求和評(píng)價(jià)要求，旨在考慮常規(guī)的電氣對人/動(dòng)物、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境的危險(xiǎn)外，也可以通過降低電氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而降低鋰離子電池火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

  

4.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全評(píng)價(jià)技術(shù)

  消防安全是儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的重要組成部分，是保障系統(tǒng)整體安全的最后一道屏障。儲(chǔ)能系統(tǒng)中包含多類消防設(shè)施，大致可分為探測預(yù)警類、滅火抑制類、通風(fēng)排煙和防爆抑爆類。

  4.4.1 探測預(yù)警

  早期感知辨識(shí)電池?zé)崾Э卣髡滋卣鲗τ诜婪痘鈨?chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)和爆炸事故至關(guān)重要。2023年工信部等六部委發(fā)布了關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見，意見中明確提出加強(qiáng)儲(chǔ)能電池?zé)崾Э匕踩A(yù)警技術(shù)和評(píng)價(jià)體系的開發(fā)與應(yīng)用，研發(fā)基于聲、熱、力、電、氣多物理參數(shù)的智能安全預(yù)警技術(shù)，發(fā)展基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和人工智能算法的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全狀態(tài)智能評(píng)估技術(shù)?，F(xiàn)階段，青鳥消防、霍尼韋爾等國內(nèi)外消防產(chǎn)品制造商圍繞儲(chǔ)能電站的火災(zāi)探測問題，從工程應(yīng)用的角度分別提出了以PACK級(jí)、預(yù)制艙級(jí)、場站級(jí)為架構(gòu)的多層級(jí)、一體化的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警方案。在PACK層面，通常采用小型化、柔性、嵌入式的傳感設(shè)備，如感溫線纜或微型感溫探測器、電解液泄漏探測器、吸氣式煙霧和氣體探測器等。預(yù)制艙采用感溫和感煙火災(zāi)探測，手動(dòng)報(bào)警，CO或甲烷、氫氣等可燃?xì)怏w探測等傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。對于儲(chǔ)能場站，依托集控中心采用視頻圖像采集、紅外熱成像測溫等手段進(jìn)行遠(yuǎn)距離、寬范圍的集中監(jiān)控，并基于電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的大量多維數(shù)據(jù)，構(gòu)建了智慧消防管理云平臺(tái)。同時(shí)，圍繞故障狀態(tài)下電池的聲、熱、力、氣等多維特征參量演化規(guī)律，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對單一或耦合參量的特征識(shí)別和故障狀態(tài)預(yù)測技術(shù)開展了大量而深入的研究工作。鋰離子電池在熱失控前析出鋰枝晶、局部過熱、產(chǎn)氣、鼓包、安全閥打開、爆燃等一系列過程伴隨著電流、電壓、電化學(xué)阻抗等電氣參量變化，鋰電池內(nèi)部和表面溫度顯著升高，安全閥開啟以及氣體爆噴發(fā)生特征聲音，電解液等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和熱分解導(dǎo)致氫氣、CO、碳?xì)浠衔镆约昂跓熈Ｗ拥臄U(kuò)散蔓延，氣體釋放造成電池模組、電氣柜等封閉空間的壓力陡增。研究人員在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境通過阻抗測量裝置、熱電偶、感溫光纖、應(yīng)變片、氣體傳感器、壓力變送器以及聲音、圖像、熱成像等采集設(shè)備對電池?zé)崾Э厝^程多物理參量進(jìn)行采樣分析，基于大量數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)分析，研究出了具有不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)回歸預(yù)測模型和預(yù)測預(yù)警樣機(jī)。然而，當(dāng)前針對鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用還處在早期試驗(yàn)階段，今后探測感知技術(shù)和設(shè)備的大范圍工程應(yīng)用需要從結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、精準(zhǔn)度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、使用年限、安裝形式等多方面綜合考慮。截至目前，針對鋰離子電池儲(chǔ)能設(shè)施探測預(yù)警方面的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未全面建立?？傊?，在全球工業(yè)體系向數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型的趨勢下，基于多維數(shù)據(jù)泛在感知和高速云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)挖掘算法和人工智能模型，建立科學(xué)合理的工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為實(shí)現(xiàn)針對鋰離子儲(chǔ)能設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)高效預(yù)測預(yù)警提供行之有效的解決方案。

  4.4.2 滅火抑制

  目前國內(nèi)工程中多使用七氟丙烷和全氟己酮滅火系統(tǒng)，但應(yīng)急管理部天津消防研究所通過在實(shí)尺度儲(chǔ)能預(yù)制艙內(nèi)的電池模組滅火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，全淹沒設(shè)計(jì)的七氟丙烷、全氟己酮雖能有效撲滅儲(chǔ)能電池模組的初期火災(zāi)，但無法防止模組發(fā)生復(fù)燃?；诖?，有學(xué)者通過搭建1∶1的儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探究了細(xì)水霧對儲(chǔ)能電池模組的滅火效果，并發(fā)現(xiàn)在模組內(nèi)設(shè)置細(xì)水霧噴頭能有效撲滅電池明火并防止復(fù)燃。然而，在儲(chǔ)能系統(tǒng)高電壓運(yùn)行狀態(tài)下，水基滅火劑的使用可能會(huì)造成電路短路或設(shè)備故障，因此其工程應(yīng)用還需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。近兩年來，針對儲(chǔ)能滅火痛點(diǎn)問題，研究人員又在新型滅火劑和改良的滅火方式方面有所發(fā)力。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用間歇噴霧模式釋放滅火劑，在降低滅火劑用量的同時(shí)提高了滅火效率。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)采用簇級(jí)釋放全氟己酮的方式明顯優(yōu)于艙級(jí)釋放方式。在新型滅火劑方面，研究人員探究了羧甲基纖維素與氯化鋁溶液混合制備的水凝膠滅火劑的滅火性能，以及含物理、化學(xué)復(fù)合添加劑水霧對電池火災(zāi)的抑制效果。北京理工大學(xué)研究了F-500對鋰離子電池火災(zāi)的滅火機(jī)制，發(fā)現(xiàn)3%的F-500溶液可通過吸收特征氣體和出色的冷卻能力來抑制電池火災(zāi)。此外，液氮因其優(yōu)秀的冷卻和窒息滅火效能，受到了研究人員的重點(diǎn)關(guān)注^[86-88]，應(yīng)急管理部天津消防研究所正在基于實(shí)際尺度的儲(chǔ)能預(yù)制艙液氮滅火試驗(yàn)，研發(fā)儲(chǔ)能用液氮滅火系統(tǒng)和工程應(yīng)用方案。

  

  4.4.3 通風(fēng)排煙與泄爆抑爆

  儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池?zé)崾Э剡^程中釋放的大量可燃?xì)怏w在預(yù)制艙內(nèi)積聚，極易引發(fā)系統(tǒng)的爆炸事故。為了防止儲(chǔ)能爆炸事故的發(fā)生，需加入主動(dòng)通風(fēng)、抑爆和被動(dòng)泄爆措施。目前我國缺少專門針對儲(chǔ)能系統(tǒng)及儲(chǔ)能電站工程的防煙排煙設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，《山東省建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)審查驗(yàn)收技術(shù)指南(電化學(xué)儲(chǔ)能電站)》(征求意見稿)中要求儲(chǔ)能電站防煙排煙設(shè)施應(yīng)按照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)規(guī)范》(T/CEC 373)^[89]中要求通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用防爆型，具備聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)和現(xiàn)場手動(dòng)啟動(dòng)功能，且啟動(dòng)時(shí)每分鐘排風(fēng)量不小于設(shè)備間容積。

  儲(chǔ)能系統(tǒng)泄爆主要采用設(shè)置泄壓口的泄爆方式，但目前國內(nèi)并沒有針對儲(chǔ)能系統(tǒng)泄爆面積的計(jì)算方法，工程中多參考美國NFPA 68中給出的方法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。在抑爆方面，多利用惰性氣體控制預(yù)制艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度、降低可燃?xì)怏w極限氧濃度的方法來防止爆炸的發(fā)生。應(yīng)急管理部天津消防研究所針對電池?zé)崾Э禺a(chǎn)出易爆氣體的含量、組分和爆炸極限等特征，研究了惰性氣體主動(dòng)惰化抑爆應(yīng)用技術(shù)，以及兼具“滅火-降溫-抑爆”功能的液氮、二氧化碳多相滅火劑聯(lián)用技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)滅火、降溫、抑爆的一體化防控。

  綜上所述，目前針對鋰離子電池儲(chǔ)能的消防安全技術(shù)正處于發(fā)展階段，對應(yīng)的評(píng)價(jià)技術(shù)尚不健全和完善。未來在儲(chǔ)能系統(tǒng)探測預(yù)警方面，應(yīng)基于多維數(shù)據(jù)泛在感知和高速云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)挖掘算法和人工智能模型，建立科學(xué)合理的探測預(yù)警工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并提出探測預(yù)警效能的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法；在滅火技術(shù)方面，需要研發(fā)清潔高效經(jīng)濟(jì)的滅火技術(shù)，并統(tǒng)一滅火設(shè)施試驗(yàn)方法和滅火效能評(píng)價(jià)指標(biāo)，明確評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值，建立儲(chǔ)能系統(tǒng)滅火設(shè)備效能定量分級(jí)評(píng)價(jià)方法；在通風(fēng)排煙效能評(píng)價(jià)方面，需要研究明確儲(chǔ)能系統(tǒng)通風(fēng)排煙設(shè)施效能評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立通風(fēng)排煙系統(tǒng)效能的分級(jí)評(píng)價(jià)方法；在泄爆與抑爆方面，需要研發(fā)高效成熟的泄爆抑爆技術(shù)，逐步建立儲(chǔ)能用泄爆抑爆設(shè)施效能的評(píng)價(jià)技術(shù)和方法。

5 鋰離子電池儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)技術(shù)

  鋰離子電池儲(chǔ)能電站的安全評(píng)價(jià)是一個(gè)龐大的體系，需要從電池安全、電氣安全、運(yùn)行狀態(tài)、消防設(shè)計(jì)與配置、安裝環(huán)境、工程規(guī)范性、可靠性與可維護(hù)性、運(yùn)維管理、廠商服務(wù)等多個(gè)因素考慮，并根據(jù)儲(chǔ)能電站的風(fēng)險(xiǎn)特性和評(píng)價(jià)需求選擇合適的評(píng)價(jià)方法。表4梳理了國外標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)術(shù)論文和技術(shù)報(bào)告中主要涉及的儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)方法。IEC 62933-5-1-2017中的安全評(píng)價(jià)方法相對具體：故障類型及其影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)、危害與可操作性分析(HAZOP)等方法被推薦用于評(píng)價(jià)著火、爆炸或有毒氣體排放的可能性，而失效模式效應(yīng)與關(guān)鍵性分析法(FMECA)可用于低風(fēng)險(xiǎn)和低復(fù)雜度系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)。上述方法在其他國外標(biāo)準(zhǔn)中也得到了簡要列舉，其應(yīng)用要依據(jù)IEC制定的相應(yīng)規(guī)范。此外，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也研究了傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用。例如，DNV咨詢公司2015年發(fā)布的大規(guī)模、固定式、并網(wǎng)的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)估手冊使用FMECA對不同層級(jí)故障的嚴(yán)重程度和概率進(jìn)行量化，提出相應(yīng)的緩解措施并形成最終的安全評(píng)價(jià)報(bào)告。由美國能源部資助、桑迪亞(Sandia)國家實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)的技術(shù)報(bào)告(SAND2020-9360)《Grid-scale Energy Storage Hazard Analysis & Design Objectives for System Safety》使用系統(tǒng)理論過程分析(STPA)對發(fā)電側(cè)的電池儲(chǔ)能電站進(jìn)行危險(xiǎn)性分析。STPA也被桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國麻省理工學(xué)院的學(xué)者用于鋰離子儲(chǔ)能電站的安全評(píng)價(jià)，并與傳統(tǒng)的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 (PRA)進(jìn)行比較。赫瑞瓦特大學(xué)馬來西亞分校的學(xué)者則對STPA方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了混合概率分析模式的安全評(píng)價(jià)方法(STPA-H)，在復(fù)雜儲(chǔ)能電站的安全評(píng)價(jià)中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。近期，美國獨(dú)立研究所Jensen Hughes使用領(lǐng)結(jié)模型(Bowtie model)確定儲(chǔ)能電站的火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)，并提出了緩解措施。

  

  表4國外標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)術(shù)論文和技術(shù)報(bào)告中舉例的儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)方法

  綜上，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織在儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)方法方面取得了一定進(jìn)展，但隨著儲(chǔ)能電池技術(shù)的不斷迭代，儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，儲(chǔ)能電站的安全評(píng)價(jià)將愈發(fā)復(fù)雜，傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法的效率將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)體系仍需進(jìn)一步完善，需要結(jié)合儲(chǔ)能電池本質(zhì)安全提升、系統(tǒng)安裝方式、消防有效性評(píng)價(jià)等技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行及時(shí)調(diào)整與更新安全風(fēng)險(xiǎn)，充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)投運(yùn)后容量衰減、老化過程伴隨的安全性能演變，以及全生命周期運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，進(jìn)一步優(yōu)化安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出可量化的科學(xué)評(píng)價(jià)方法。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)飛速發(fā)展，儲(chǔ)能電站的管理運(yùn)行也趨向智能化?；诖髷?shù)據(jù)和人工智能的儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)將為這一領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇。數(shù)值模擬技術(shù)可在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段為儲(chǔ)能電站的安全評(píng)價(jià)提供幫助，物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測和人工智能算法可在工作過程中高效精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

6 結(jié)論與展望

  為推動(dòng)全球鋰離子電池儲(chǔ)能規(guī)?；踩珣?yīng)用，對儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本文重點(diǎn)從電池安全評(píng)價(jià)基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬技術(shù)、安全測試評(píng)價(jià)技術(shù)和安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究進(jìn)展綜述，并得到以下主要結(jié)論。

  （1）在故障導(dǎo)致熱失控機(jī)理方面，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)主要針對電池?zé)崾Э貦C(jī)理及電池?zé)崾Э匮莼c蔓延機(jī)制方面開展研究，對于儲(chǔ)能故障導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐娜湕l演化過程及機(jī)制缺乏系統(tǒng)認(rèn)知。未來應(yīng)通過構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)故障與事故數(shù)據(jù)集，著眼于故障誘導(dǎo)電池?zé)崾Э乇憩F(xiàn)形式和演化機(jī)制的研究，明確對不同故障類型導(dǎo)致的電池濫用形式及電池?zé)岚踩吔?，揭示故障誘導(dǎo)下的儲(chǔ)能電池?zé)崾Э丶爸聻?zāi)演化機(jī)制。

  （2）在數(shù)值模擬技術(shù)方面，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在電池單體熱失控內(nèi)部反應(yīng)和溫度表現(xiàn)，以及電池模組熱失控傳播等熱安全模擬方面已進(jìn)行了較為充分的研究，但關(guān)于熱失控后產(chǎn)氣-致災(zāi)行為的預(yù)測模型缺失，且針對大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)算模型相對簡化，模擬技術(shù)仍不完善。因此，未來需要建立故障-電池?zé)崾Э?產(chǎn)氣模型及系統(tǒng)層級(jí)熱失控燃爆耦合模型，提出儲(chǔ)能系統(tǒng)全鏈條的安全模擬技術(shù)。

  （3）在安全評(píng)價(jià)技術(shù)方面，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)主要針對儲(chǔ)能用鋰離子電池，規(guī)定了基本性能、安全性能等關(guān)鍵性能和技術(shù)指標(biāo)的測試方法，但針對儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)技術(shù)的研究相對有限，缺乏電氣危害、火災(zāi)、爆炸和毒性等關(guān)鍵指標(biāo)的定量評(píng)價(jià)，尚未針對應(yīng)用場景和運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)開展評(píng)價(jià)方法研究。因此，構(gòu)建覆蓋多體系、多場景、多要素，融合動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)的安全性能等級(jí)評(píng)價(jià)體系，發(fā)展涵蓋“單體-模組-簇-系統(tǒng)-電站”層層分級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性能等級(jí)評(píng)價(jià)技術(shù)，是未來的研究趨勢。

  （4）在安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，國際上已發(fā)布IEC 62619、IEC 63056、IEC 62933-5系列標(biāo)準(zhǔn)以及UL 1973、UL 9540和UL 9540A等標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了電池安全、儲(chǔ)能系統(tǒng)安全和不同層級(jí)電池的熱失控蔓延評(píng)價(jià)。國內(nèi)發(fā)布了GB 40165—2021、GB/T 36276、GB/T 36558等電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)均不涉及鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全等級(jí)評(píng)價(jià)。因此，未來亟需制定國際適用的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性能等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為全球儲(chǔ)能安全提供中國方案。