应对储能电站热失控的安全防护方法

储能锂离子电站主动安全，指存在安全隐患的电网储能系统发生故障或者造成严重后果之前，通过实时监测、早期预警等手段及时发现并排除故障，避免后续损失。

(资料图)

国内外已有的主动安全防护方法依据大多为：根据电池热失控机理，对电池热失控状态的主要因素进行表征分析，提取相关特征后，通过对特征量进行采集和处理，从而实现信号预警或联动防护控制。

目前，国内电池热失控主流判别方法有三个：其一是，电池管理系统（BMS）实时监测电池运行时的温度、电压、电流等数据；其二是，电池内部运行状态、温度等能反映电池充放电热失控状态；其三是，电池模组热失控不同阶段释放气体种类、浓度不一样，通过对电池模组气体种类及浓度进行实时监测可以对电池热失控进行判断。

基于电池内部温度的热失控判别

BMS可以实时监测电池表面电流、电压、温度等数据，进而确定电池模组是否处于热失控状态。缺点是电池是一个完全密封的整体，表面荷电状态不能充分反映电池内部工作状态，特别是大功率充放电时，电池模组内外温度差很大（最大可达20℃）。

电池内部温度时反映电池安全状态最直接有效的信号，基于电池内部温度的热失控预警方法主要有两种：内嵌传感器测量法与测量内部阻抗-温度对应关系法。

电池内嵌传感器法（如内嵌布拉格光纤传感器等）会改变电池结构，难以与现有电池生产工艺匹配，应用推广困难。

基于阻抗相移监测电池内部温度法有效弥补了内嵌传感器的缺陷。电池工作时，内部阻抗相移与电池内部温度具有很强的相互联系。电池热失控早期，表面温度无明显变化，但电池内部阻抗相移明显异常。不过这种方法的缺点是需要依赖精密测量仪器，成本较高。

测量内部阻抗-温度对应关系法，依据是电池工作状态变化时，光纤传感器接受到的光折射率、折射光波长会随之变化，结合BMS，可以准确地实时监测电池内部温度等性能指标，对电池热失控进行有效预警。

具体来看，电池过充开始阶段，在30-90Hz频带内动态阻抗的斜率由负转正，此时切断充电可成功避免电池热失控事故的发声，预警时间比热失控提前580秒。而且，该法不需要复杂的数学模型和参数，有利于大规模推广应用，成本较低。

基于电池气体的热失控判别

锂离子电池热失控早期，内部电化学反应会释放大量气体，通过在储能电池模组周围放置气体传感器探测相关气体种类及浓度是一种可对电池热失控进行有效预警的方法。

电池热失控不同阶段产生的气体种类及浓度不同。

热失控早期电池模组外壳完好，无明显温度上升情况，会产生大量二氧化碳、一氧化碳、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、甲烷等气体。

随着热失控情况的进一步恶化，电池模组外壳出现破裂，温度剧烈升高，电池电化学反应产生大量气体，产气率上升。二甲醚、甲酸甲酯、乙烯等有害气体开始产生。

磷酸铁锂电池模组研究发现，电池热失控过程中，氢气浓度变化最为灵敏，可将其作为电池热失控预警气体。

基于电池内部气压的热失控判别

内部气压法依据为：电池正常工作时，内部气压与大气压一致；电池发生热失控时，内部电化学反应短时间内释放大量气体，电池内部气压大幅上升。

该法漏判率较高，原因是受单个电池个体容量、体积等限制，单个电池发生热失控时产生的气体无法达到预设气压阈值，难以触发热失控预警。

此外，电池由于热失控引起的气压变化峰值时间较短（一般为100ms左右），随后气压迅速上升导致泄压阀开启，电池内部气压迅速回落。受气压传感器采样频率等因素影响，可能无法及时监测电池内部气压的迅速变化，无法触发预警。

基于电池膨胀力的热失控判别

膨胀力检测法依据为：锂离子电池电芯进行充放电时，内部锂离子的嵌入/析出会导致电芯厚度改变，使得电芯发生膨胀现象。电池充电时，内部锂离子从正极脱出嵌入负极，导致负极间距增大，使电芯膨胀。锂离子电池热失控时，电芯膨胀力会发生显著变化。

不过，该法尚处于试验研究阶段，问题平静主要表现在以下几个方面：其一是，电池种类及体积大小不同，内部膨胀力变化不同（磷酸铁锂电池膨胀力明显小于三元锂电池）；其二是，电池本体材料体系相同或相近，不同负极体系的两种电池，充放电膨胀力变化情况也不同（811三元正极材料电池配合硅碳负极材料使用时，膨胀力明显大于配合石墨体系负极）；其三是，电池处于不同荷电状态，其膨胀力变化不同（三元523电芯，荷电状态80%时膨胀力变化最明显）等。

基于声信号的热失控判别

电池排气声信号在热失控状态下和正常工作状态下具有特异性，进行特征提取后，可形成有效的识别特征集。基于电池排气的声信号进行热失控预警，准确率可达92.31%。

该法优点是实施速度快、灵敏度高、成本低，且声学信号易于检测，应用范围广等；缺点是仅能识别电池排气声信号，进行有无判断，无法精确定位热失控故障单元。

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