近日，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布了24個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)創(chuàng)新與應(yīng)用典型案例，旨在進(jìn)一步推動(dòng)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(yàn)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(gè)典型案例——“高海拔復(fù)雜條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控安全防護(hù)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(guó)儲(chǔ)能大會(huì)”上發(fā)布，敬請(qǐng)關(guān)注。

高海拔復(fù)雜條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控安全防護(hù)技術(shù)研究

華電西藏能源有限公司

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

西藏自治區(qū)那曲市色尼區(qū)12萬(wàn)kW光伏發(fā)電電力保供項(xiàng)目，是目前西藏自治區(qū)最大的光伏項(xiàng)目，需配備容量為30MW/120MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)。項(xiàng)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(qiáng)、環(huán)境相對(duì)惡劣，設(shè)備運(yùn)距遠(yuǎn)和人口流動(dòng)少等特點(diǎn)。

本項(xiàng)目通過搭建電池模塊層級(jí)的熱失控測(cè)試平臺(tái)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全預(yù)警與分級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池模組層級(jí)電芯間不發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散與降溫、降功率、停機(jī)，以及滅火分級(jí)管控目標(biāo)，構(gòu)建了儲(chǔ)能系統(tǒng)安全防控技術(shù)體系。

二、解決方案

高海拔復(fù)雜條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱失控安全防護(hù)是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行的重要舉措。

儲(chǔ)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(dǎo)致儲(chǔ)能電站的起火或爆炸。儲(chǔ)能電站發(fā)生安全事故主要有電池本體故障、外部激源、運(yùn)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(jī)械等的刺激下，電池會(huì)發(fā)生熱失控反應(yīng)，釋放出大量高溫可燃?xì)怏w混合物而發(fā)生爆炸。運(yùn)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(yùn)行環(huán)境不佳將影響電池及系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而演化為事故。管理系統(tǒng)故障：管理系統(tǒng)是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心控制單元和決策單元，如果電池儲(chǔ)能系統(tǒng)缺乏內(nèi)部可行的安全設(shè)計(jì)，一旦某個(gè)電池出現(xiàn)故障，很容易導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體失控。

圖1  儲(chǔ)能系統(tǒng)事故誘發(fā)擴(kuò)散示意圖

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

解決方案：

1. 高海拔復(fù)雜條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱阻隔防護(hù)技術(shù)

針對(duì)高海拔、大溫差、強(qiáng)輻射等復(fù)雜條件下電池模組電芯間的熱失控?cái)U(kuò)散難以抑制的問題，通過搭建電池模塊層級(jí)的熱失控測(cè)試平臺(tái)，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(yàn)證擬選熱阻隔材料阻隔效果，確定高海拔地區(qū)應(yīng)用環(huán)境及場(chǎng)景下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱失控安全防護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池模組層級(jí)電芯間不發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散，且電池簇外部無(wú)明火。

圖2  高海拔儲(chǔ)能系統(tǒng)熱阻隔材料

2. 高海拔復(fù)雜條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全預(yù)警與分級(jí)保護(hù)技術(shù)

針對(duì)高海拔、大溫差、強(qiáng)輻射條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)不系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警不精準(zhǔn)、防控措施不充分等問題，本項(xiàng)目根據(jù)災(zāi)前干預(yù)、災(zāi)后阻隔與滅火抑爆等火災(zāi)發(fā)生全過程管控要求，基于全壽命周期電池儲(chǔ)能系統(tǒng)故障精準(zhǔn)診斷及預(yù)警技術(shù)、協(xié)同保護(hù)及高效滅火技術(shù)，分析電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電、熱、聲、氣等信息采集布置方式及探測(cè)位置，確定預(yù)警、降溫、降功率、停機(jī)、滅火分級(jí)管控策略，構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)安全防控技術(shù)體系。

圖3  高海拔儲(chǔ)能系統(tǒng)多重監(jiān)測(cè)預(yù)警

圖4  技術(shù)路線圖

三、關(guān)鍵點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

（一） 研究基礎(chǔ)

多年來，比亞迪汽車工業(yè)有限公司在儲(chǔ)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(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用磷酸鐵鋰電池高安全性、低成本的特點(diǎn)，打造第一款具有高安全等級(jí)的儲(chǔ)能電芯。儲(chǔ)能電池的安全控制全方位協(xié)同了電芯設(shè)計(jì)、電池結(jié)構(gòu)等工段。目前累計(jì)出貨量超過20GWh，分布于全球23個(gè)國(guó)家的超過400個(gè)城市，事故發(fā)生率為0%。在儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用，液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量超過5GWh。

圖5  刀片電池

（二） 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）歸納高海拔場(chǎng)站特點(diǎn)，針對(duì)高海拔場(chǎng)站特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)需求分析：

1）海拔高、空氣稀薄、空氣密度小，導(dǎo)致空氣對(duì)流散熱弱，空氣擊穿風(fēng)險(xiǎn)高。

2）年平均氣溫低、晝夜溫差大，對(duì)系統(tǒng)溫度控制要求高，須具備低溫啟動(dòng)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(yáng)輻照好、紫外輻射強(qiáng)，輻射強(qiáng)影響系統(tǒng)暴露壽命。

5）設(shè)備運(yùn)距遠(yuǎn)、人口流動(dòng)少，對(duì)設(shè)備運(yùn)維要求高。

圖6  高海拔儲(chǔ)能電站

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

針對(duì)四類安全事故的主要原因，提出高海拔地區(qū)應(yīng)用環(huán)境及場(chǎng)景下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱失控安全防護(hù)技術(shù)。

1）電池本體安全——刀片電池高安全設(shè)計(jì)。

相比于卷繞電池易發(fā)生拐角析鋰、鋰枝晶引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)高海拔環(huán)境設(shè)計(jì)的疊片電池工藝無(wú)析鋰風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)內(nèi)短路隱患。

圖7  電池橫截面及拆解對(duì)比

針對(duì)高海拔環(huán)境設(shè)計(jì)的超大長(zhǎng)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(duì)表面積約為320Ah 伏達(dá)電池的1.83倍，可用換熱面積約為320Ah 伏達(dá)電池的1.98倍。

針對(duì)高海拔環(huán)境設(shè)計(jì)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(zhǎng)等特性，全壽命周期不漏液。針對(duì)高海拔環(huán)境設(shè)計(jì)的陶瓷極柱，壽命更長(zhǎng)，長(zhǎng)效防護(hù)不漏液。

2）外部激源阻隔——電池安全隔離、系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)。

一般電池的導(dǎo)熱系數(shù)為2.11W/(m?K)，空氣的導(dǎo)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(shí)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(shí)電池之間的熱量傳遞。隔熱材料應(yīng)具有高工作溫度，低導(dǎo)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(chǔ)能系統(tǒng)單柜柜體采用耐火鋼板防護(hù)，耐火極限不低于2h的隔墻保護(hù)。雙面涂層柜體間進(jìn)行空氣間隙隔熱，增大系統(tǒng)間熱阻，抑制熱源橫向擴(kuò)散，保護(hù)系統(tǒng)安全。

圖8  高海拔設(shè)計(jì)刀片電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

高海拔儲(chǔ)能系統(tǒng)具有獨(dú)立配電匯流設(shè)計(jì)。配電匯流柜獨(dú)立設(shè)計(jì)使系統(tǒng)電氣完全隔離，實(shí)現(xiàn)電芯+柜體+電氣三重隔離，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，有效阻隔熱蔓延。

高海拔儲(chǔ)能系統(tǒng)具備三級(jí)直流熔斷設(shè)計(jì)，快速熔斷，切斷一次設(shè)備故障，保護(hù)電池艙，防止故障范圍擴(kuò)大。

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

圖9  防雷器與避雷器

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

分布式熱管理具有以下優(yōu)勢(shì)：一簇一管理、路徑短、冷卻液流量均勻、溫度一致性好、簇級(jí)獨(dú)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(xué)——高海拔消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考電池?zé)崾Э氐难葑冞^程，結(jié)合高海拔環(huán)境特點(diǎn)及電氣安全、風(fēng)險(xiǎn)防范等要求，電池系統(tǒng)的火災(zāi)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具備以下多重預(yù)警功能：

熱管理設(shè)計(jì)預(yù)防：液冷系統(tǒng)散熱效率較高，從抑制熱擴(kuò)散方面避免熱失控對(duì)電池產(chǎn)生損傷。

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

提前預(yù)警：煙感、溫感、可燃?xì)怏w傳感器觸發(fā)報(bào)警，開啟聲光報(bào)警器和警鈴，自動(dòng)滅火系統(tǒng)滅火。

四、實(shí)際成效

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

五、經(jīng)濟(jì)效益及推廣前景

電池儲(chǔ)能是成熟的新型儲(chǔ)能技術(shù)，“十四五”期間裝機(jī)規(guī)模持續(xù)快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年底新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬(wàn)kW以上。本項(xiàng)目將有效解決電池儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期應(yīng)用安全技術(shù)難題，助力儲(chǔ)能規(guī)?；】蛋l(fā)展，有效促進(jìn)和優(yōu)化新能源產(chǎn)業(yè)的升級(jí)并加大國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，將極大推動(dòng)故障診斷、預(yù)警報(bào)警、消防等安全相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊。

本項(xiàng)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(dá)22722萬(wàn)kWh，電費(fèi)收益為7638.39萬(wàn)元。在電池模塊層級(jí)的熱失控測(cè)試平臺(tái)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全預(yù)警與分級(jí)保護(hù)系統(tǒng)有效支撐下，儲(chǔ)能系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。