中國儲能網訊：2023年4月22日17時56分，甘肅省民勤縣某磷酸鐵鋰儲能電站發(fā)生火災，造成站內1個儲能電池艙燒損，直接經濟損失約410萬元。此后，武威市消防救援支隊在《中國設備工程》發(fā)表《一起儲能電站火災事故的分析與研究》（以下簡稱《事故分析》），披露了本次事故的詳細信息。
圖1：電站火災現場照片
1．事故定性 — 磷酸鐵鋰電池熱失控事故
該儲能電站設有4座集裝箱式儲能電池艙及儲能升壓一體艙。每個電池艙內含14個電池簇，每個電池簇內裝配25個電池模塊。此次起火艙室為1號電池艙。
圖2：1號電池艙內部空間示意圖
依據報案人對事故現場描述，1號電池艙火災前出現“嘭”狀爆炸聲，其后起火部位處有白色煙氣并伴有刺激性氣味，5min后出現黑煙。相關理論表明，電池組內部熱失控時，其內部電解液首先發(fā)生化學反應產生白色煙氣，此后電池組內部出現大規(guī)模短路，導致溫度急劇升高引發(fā)明火，明火點燃相關可燃物生成黑煙。因此，現場事故描述符合鋰電池熱失控特征。
據災后勘驗結果，起火電池中指定模塊呈現擠壓變形狀態(tài)，其余模塊電池均為鼓脹變形狀態(tài)。相關理論表明，電池熱失控過程中，起火點模塊電池最先發(fā)生故障，其電解液分解放熱并產生氣體鼓脹和向外噴放，同時，相鄰電池逐漸受外熱相繼產生氣體鼓脹，對內部氣體已經排空的起火點模塊電池進行擠壓，導致其最終呈現擠壓變形狀態(tài)。因此，災后勘驗結果亦符合鋰電池熱失控外觀特征。
最后，經過對事故外因的核查，外來火源和供電回路過壓等外因被排除，隨后提取電站內部監(jiān)控中心數據進行分析，發(fā)現1號電池艙第4簇第12模塊帶動其周圍模塊在火災前出現了電壓等指標異常變化及BMS告警，這一事實符合該模塊電池最先熱失控后造成周圍模塊相繼受熱短路，最終引發(fā)火災的邏輯順序。
綜上，該起火事故最終被定性為磷酸鐵鋰電池熱失控事故。
表1 事故前電站監(jiān)控中心后臺記錄的事件
2. 事故分析 — 儲能電站主動安全防控設備亟待完善
1）BMS未能準確評估電池狀態(tài)
依據電站內部監(jiān)控中心數據（表1），本次熱失控為第4簇第12模塊電池過壓升溫，帶動周圍模塊大面積短路導致。
進一步追溯該模塊過壓升溫的原因，該模塊設計充電時間為2h，而當日15時暨事故發(fā)生前兩小時左右，現場測試人員對電池進行滿充測試，實際充電時間達到了3h，是可能導致電池進入過充濫用的高風險行為。
出于事故防范和安全運營的角度，電站對測試人員操作的安全性應配置有效的監(jiān)測，并在發(fā)現不恰當操作時給出及時示警。然而，電站BMS只在事故發(fā)生前20分鐘處進行了過壓告警，而在事故前兩小時現場人員進行超時滿充測試操作時，BMS沒有對超時充電操給出進行任何風險提示。
從電池機理出發(fā)，電池是否進入過充狀態(tài)以電池荷電狀態(tài)（SOC）為判定基準，當監(jiān)測到電池SOC超過100%時，則可以判定電池處于過充狀態(tài)。
理論上，BMS可以實現簇級SOC評估，但實際工程中其評估誤差往往較高，在實際工程案例中可高達65%；此外，BMS自身失效率也較高，據美國電力研究協(xié)會（EPRI）統(tǒng)計，2024年儲能電池故障案例中有29%來自儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)失效導致的操作不當。因此在本事故中，BMS可能由于對SOC的評估不準（低估了電池的SOC），導致電池在超時充電時未能及時給出風險提示。
圖3：某儲能電站BMS評估各簇SOC一致性良好的電池時出現近66%的誤差
若電站能實現對電池SOC等電池日常運行指標的精準實時評估，并在相應指標超限時及時提醒運維人員停止對應電池濫用行為，則可極大地降低后續(xù)的熱失控風險。
2）BMS未能及時檢出電池早期故障
拋開事故中的人為超時充電因素，第4簇第12模塊電池內部缺陷也可能是其在本次事故中率先起火的原因。由于BMS自身的存儲和算力有限，無法基于長周期數據的分析實現對電池早期故障的預警，因此起火點模塊電池在事故前可能已有累積的早期故障（如內部活性物質損失、內短路等）未被及時檢出。
內短路是大多數電池熱失控的重要原因，歷史儲能電站熱失控事故案例中有90%均源自內短路。內短路從開始出現異常到發(fā)生熱失控會經歷數十到數百小時，在故障早期會表現電壓曲線上某些特征量的異常。若電站能準確識別、檢出早期內短路電池并及時更換，則可以遏制其最終發(fā)展為熱失控。
3）電站BMS未能及時對熱失控進行報警
本次事故發(fā)生前20分鐘，起火點第4簇第12模塊電池已經出現升溫，但BMS在當時僅僅給出了過壓警告，未對可能導致起火的危險溫升現象作出提示；此外，起火點模塊電池出現過溫后，艙內14簇各模塊電池受熱出現了整體溫升現象，BMS也未對該現象及此后的熱失控作任何明確提示。
事實上，目前市場上普遍應用的BMS報警往往采用較為粗糙的單一指標（如電壓、溫度等）閾值，當指標超過閾值時觸發(fā)警報，存在報警不及時、不可靠的問題。此外，BMS的溫度感知也常出現失效、溫漂等故障，容易造成誤報漏報。
若能對電池多維信號進行復雜模型分析，在熱失控發(fā)生早期實現報警，則可以指示運維人員及時采取斷電等措施抑制熱失控發(fā)展，最終避免嚴重事故的發(fā)生。
3. 事故反思 — 儲能主動安全勢在必行
儲能電站的安全防控體系應包含本征安全、主動安全、被動安全三個環(huán)節(jié)。其中，主動安全環(huán)節(jié)貫穿于電站運行維護階段，通過分析儲能電站運行數據，實時評估電池安全狀態(tài)，識別和定位安全風險隱患，通過主動運維措施，可及時排除故障風險，避免嚴重事故發(fā)生。
然而，目前多數儲能電站的運行監(jiān)測主要依賴BMS。BMS存在電池狀態(tài)評估精度低、自身失效率高、難以檢出電池早期故障等問題。在本次事故中，BMS自身缺陷正是造成事故的重要風險因素。此外，現有儲能電站運維手段也存在不足。定期的被動運維檢修依靠人工檢修，工作量大，效率低下，難以及時發(fā)現安全隱患。
基于這一背景，北京西清能源科技有限公司依托清華大學四川能源互聯網研究院研發(fā)了一套完整的儲能電站主動安全及智能運維技術，并基于此成功研發(fā)了儲能主動安全一站式預警系統(tǒng)。自從2020年實現國內首臺最大單體儲能電站應用以來，目前已累計覆蓋儲能裝機容量超過4.0GWh，單站最大容量超過600MWh。
圖4：西清能源首創(chuàng)的主動安全三級防控體系
針對本事故中因BMS缺陷而造成的各個安全漏洞環(huán)節(jié)，西清主動安全系統(tǒng)可以實現：
1）電站安全狀態(tài)評估：基于大數據-電池機理融合模型實現電池單體級SOC及SOH評估，評估誤差3%，相比電站BMS簇級評估的顆粒度更細，且評估精度相比國標要求提升40%，可在SOC越限、電池異常衰竭時及時發(fā)出風險告警。
圖5：西清儲能主動安全系統(tǒng)在線安全評估界面
2）電站安全隱患辨識及診斷：基于模式識別算法可對電站內存在的安全風險隱患—如BMS對SOC評估不準、傳感器失效、均衡失效以及熱管理系統(tǒng)故障等問題進行識別、定位、告警，避免因BMS失效或熱管理系統(tǒng)故障造成電池濫用。在西清儲能主動安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障中，有近75%為BMS故障，13.1%為制冷設備故障。
圖6：西清儲能主動安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障類型統(tǒng)計
基于狀態(tài)評估及異常識別的結果，融合專家知識及運維現場經驗構建了故障診斷及智能運維知識圖譜，實現對檢出的風險隱患進行診斷分析，并提供有針對性的運維措施建議。
圖7：西清儲能主動安全系統(tǒng)的故障分析診斷功能
3）電池早期故障準確識別及診斷：基于多維健康因子提取、漏電流模型等智能算法準確識別電池早期故障特征，實現內短路電池、異常衰竭檢出準確率>99%，相比報警算法粗糙、無法實現內短路檢出的BMS實現質的飛躍，可將熱失控的誘發(fā)早期故障及時檢出并扼殺在搖籃里。
圖8：西清儲能主動安全系統(tǒng)在某儲能電站檢出的內短路電池案例
4）熱失控及時告警：基于多指標復雜模式聯動分析算法，可提前15分鐘以上發(fā)現熱失控征兆，通過采取及時斷電等措施抑制熱失控進程，避免事故發(fā)展到消防階段。
表2：西清主動安全系統(tǒng)與BMS的安全防控能力比較
表3：西清主動安全系統(tǒng)評估功能及效用
西清主動安全系統(tǒng)在目前儲能電站主動安全市場上占有率高于80%，已在山東、江蘇、內蒙古、重慶多地大型儲能電站獲得實際工程應用，守護超過4.0GWh電站的安全，其中單站最大容量超過600MWh，且已投運于國內最大的兩個百兆瓦級儲能電站。
圖9：西清主動安全系統(tǒng)部分應用項目分布
4．結語
2011年以來，全球已發(fā)生大型儲能電站火災爆炸事故100余起，安全事故成為阻礙儲能行業(yè)高效穩(wěn)定發(fā)展的首要瓶頸。近年來，國家能源局、工信部、國標委等多次發(fā)文要求加強儲能運行安全建設，2023年11月，國家能源局對儲能電站風險監(jiān)測能力作出嚴格規(guī)定，提出“各電力企業(yè)應于2024年12月31日前完成本企業(yè)監(jiān)測能力建設，2025年以后新建及存量電化學儲能電站應全部納入監(jiān)測范圍”；此后，廣東省、山東省等地方部委陸續(xù)發(fā)布儲能電站設計規(guī)范，實現國家方針向地方實踐的逐步滲透。
表4. 加強儲能主動安全建設的政策號召
2025年2月17日，工信部等八部門聯合印發(fā)《新型儲能制造業(yè)高質量發(fā)展行動方案》，明確提出“加強新型儲能各技術路線熱失控及燃燒爆炸失效機理研究，發(fā)展基于電壓、溫度、荷電狀態(tài)、變化率等運行關鍵參數智能傳感器，結合先進算法開發(fā)高精度儲能系統(tǒng)安全故障預判和診斷技術、儲能電池熱失控預警技術、儲能電池狀態(tài)和殘值評估技術及相關驗證技術”，該方案嚴密契合將電站安全防控建設融入日常安全評估、早期故障檢出和重大事故預警三大環(huán)節(jié)，實現安全防控主動、科學與體系化的實踐要求。
圖10：工信部2月17日發(fā)文細則
作為國內儲能主動安全技術的領創(chuàng)者，西清能源愿攜手全行業(yè)同仁積極響應政策號召，精研覃思，奮楫篤行，助力電化學儲能主動安全專業(yè)領域蓬勃發(fā)展，推動國家新能源戰(zhàn)略實施和“雙碳”目標的實現。
