鋰電池儲能系統(tǒng)安全設(shè)計

摘 要：【目的】分析集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)安全特性，指明儲能系統(tǒng)消防安全設(shè)計缺陷，提出儲能系統(tǒng)安全設(shè)計思路?！痉椒ā炕趯δ芟到y(tǒng)現(xiàn)有安全及消防設(shè)計分析，從電池管理、電池成組結(jié)構(gòu)和電氣拓?fù)?、消防設(shè)計等方面出發(fā)，結(jié)合工程實際，提出提高集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)安全性能的若干技術(shù)方案。【結(jié)果】分散式電池管理架構(gòu)、基于電池模塊級的防短路設(shè)計、低壓分散變換式電氣拓?fù)?，以及面向電池模塊的精細(xì)化消防系統(tǒng)可以作為提高儲能系統(tǒng)安全性能的有效手段?！窘Y(jié)論】該技術(shù)方案可以為儲能行業(yè)系統(tǒng)安全設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；儲能系統(tǒng)；安全設(shè)計

中圖分類號：TM911" " " 文獻標(biāo)志碼：A" "文章編號：1003-5168（2025）01-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.016

Safety Design of Lithium-ion Battery Energy Storage System

ZHANG Pengjie GUAN Yuwen CAO Zengli LUO Jun

（Pinggao Group Energy Storage Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China）

Abstract： [Purposes] This paper analyzed the safety characteristics of the container type lithium-ion battery energy storage system pointed out the defects of the fire safety design of energy storage system， and then put forward safety design ideas of energy storage system. [Methods] Based on safety and fire protection design for energy storage system， and considering battery management， battery group structure， electrical topology and fire protection design， schemes to improve the safety performance of the lithium-ion battery energy storage system are proposed. [Findings] Distributed battery management architecture， anti short circuit design based on battery module level， low-voltage distributed transformation electrical topology， and refined fire protection system for battery modules could be used as the effective means to improve the safety performance of energy storage system. [Conclusions] The technical solutions can provide reference for system security design for energy storage system.

Keywords： lithium-ion battery; energy storage system; safety design

收稿日期：2024-09-29

作者簡介：張鵬杰（1994—），男，本科，研究方向：儲能技術(shù)。

通信作者：羅軍（1987—），男，碩士，工程師，研究方向：儲能技術(shù)。

0 引言

“雙碳”目標(biāo)的提出，意味著未來數(shù)十年內(nèi)我國將完成能源轉(zhuǎn)型，以非化石能源為主的電能將成為一次能源主體，新能源發(fā)電、電氣化交通、氫能源、智能用電終端等將迎來極大的發(fā)展。可以預(yù)見，在未來多端口的開放式電網(wǎng)中，各類形式的儲能技術(shù)必將成為其中的必備要素，獲得更大的發(fā)展空間。鋰電池儲能是目前眾多儲能技術(shù)中發(fā)展最快速的儲能形式，但鋰電池化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝等特性決定其無法完全避免因內(nèi)部熱失控導(dǎo)致起火燃爆事故。近年來，全球鋰電池儲能電站安全事故時有發(fā)生，造成巨大的財產(chǎn)損失，也引起了公眾對鋰電池儲能安全性的普遍憂慮，安全性成為制約儲能行業(yè)發(fā)展的重要因素。

針對鋰電池儲能電站的安全問題，國外較早開展了相關(guān)研究工作，形成如UL9540、NFPA855等占主導(dǎo)地位的儲能安全標(biāo)準(zhǔn)，明確了儲能電站安裝、尺寸、隔離，以及滅火和控制系統(tǒng)的要求，具有較強的指導(dǎo)意義。國內(nèi)也已形成一系列儲能行業(yè)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電力儲能用鋰離子電池、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）、變換器等核心設(shè)備的國標(biāo)日趨完善［1］。但國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏向于規(guī)范零部件的技術(shù)要求及試驗方法，對儲能系統(tǒng)的設(shè)計、制造、評估、運維、應(yīng)急處置等缺乏健全的設(shè)計導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)體系，普遍存在零部件滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、但儲能系統(tǒng)存在安全隱患的情況［2］。

本研究在分析集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)安全特性的基礎(chǔ)上，從工程應(yīng)用出發(fā)，基于儲能系統(tǒng)電池管理、電氣拓?fù)?、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和消防設(shè)計等多個角度，提出兼顧成本及可行性的、旨在提高集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)安全性能的優(yōu)化技術(shù)方案。

1 鋰電池儲能系統(tǒng)安全特性分析

集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)是由儲能單元、管理系統(tǒng)、變流系統(tǒng)等設(shè)備組成并放置于密閉空間的單元集合。儲能系統(tǒng)采用數(shù)百節(jié)單體電池串并聯(lián)組成高壓電池簇，再由多個電池簇并聯(lián)接入后級儲能變流器集中并網(wǎng)。該技術(shù)存在如下缺點：一是高壓系統(tǒng)能量大，短路容量大，若出現(xiàn)外部短路，回路內(nèi)所有電池單體均流過短路電流，易造成過流引發(fā)大范圍熱失控；二是能量密度高，大量電池模塊集中放置在集裝箱內(nèi)，若單個模塊起火，易造成鏈?zhǔn)铰邮鹿?。集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)具有燃燒激烈﹑熱蔓延迅速，毒性強﹑煙塵大﹑危險性大，易復(fù)燃﹑撲救難度大等特點［3］，目前，儲能系統(tǒng)尚無標(biāo)準(zhǔn)化的消防設(shè)計導(dǎo)則和切實可行的滅火技術(shù)。各儲能廠家基本參考已有規(guī)范配置儲能消防系統(tǒng)，一般以集裝箱為單位，配置煙感、溫感、氣體探測器、消防主機、柜式七氟丙烷滅火裝置等設(shè)備。當(dāng)煙感或溫感檢測到煙霧、高溫后，觸發(fā)消防主機，消防主機報警閉鎖空調(diào)等通風(fēng)設(shè)備，并啟動七氟丙烷滅火裝置，噴射出七氟丙烷氣體，對封閉防護區(qū)進行全淹沒式氣體滅火［4］。

從已發(fā)生的儲能電站安全事故來看，一旦集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)某處起火燃燒，基本會演變?yōu)檎麄€系統(tǒng)的火災(zāi)事故，足以證明現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)消防設(shè)計存在弊端，不能有效起到防護作用。經(jīng)分析，集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)至少存在以下問題。

①煙感、溫感、柜式七氟丙烷等設(shè)備安裝位置固定，而起火燃燒的電池位置未知，可能會因距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致監(jiān)測滯后，不能在第一時間偵探到火情，造成火勢蔓延。

②七氟丙烷滅火介質(zhì)噴射后，氣態(tài)物質(zhì)較空氣重，會因滅火介質(zhì)下沉使防護區(qū)間下移，不能保證上層電池處于有效的氣體淹沒濃度。

③鋰電池?zé)崾Э睾髢?nèi)部化學(xué)反應(yīng)具有延續(xù)性，明火撲滅后易復(fù)燃，但目前所有氣體滅火裝置均有介質(zhì)濃度及釋放時長的要求，難以對儲能系統(tǒng)形成持續(xù)長效保護。

④常用的七氟丙烷或Novec1230等滅火介質(zhì)，利用分子汽化迅速冷卻火焰溫度，窒息并化學(xué)抑制滅火，但長時間降溫效果不明顯，并非最優(yōu)的鋰電池火災(zāi)滅火介質(zhì)。

⑤鋰電池在起火燃燒前會產(chǎn)生大量煙霧，煙感探測后通過消防主機閉鎖儲能系統(tǒng)空調(diào)或出風(fēng)口，形成封閉氣體消防空間，大量可燃?xì)怏w填充封閉空間時極易形成爆炸等更為嚴(yán)重的安全事故。

2 鋰電池儲能系統(tǒng)安全及消防優(yōu)化設(shè)計

鋰電池過充、過放、電池模塊外短路等是儲能系統(tǒng)熱失控的主要因素，傳統(tǒng)的消防設(shè)計難以滿足儲能系統(tǒng)滅火要求。本研究基于對儲能系統(tǒng)安全特性的分析，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，提出以下鋰電池儲能系統(tǒng)安全及消防優(yōu)化設(shè)計思路。

2.1 分散式電池管理架構(gòu)

目前，鋰電池儲能系統(tǒng)用電池管理系統(tǒng)一般采用三級架構(gòu)：安裝在電池模塊上的電池采集模塊，以簇為單位配置的簇級主控單元，以系統(tǒng)為單位配置的系統(tǒng)主控單元。該架構(gòu)呈現(xiàn)“底簡頂繁”的特點，電池采集模塊負(fù)責(zé)采集電池單體電壓和溫度，無電池管理功能。通過CAN通信方式，將數(shù)據(jù)傳輸至簇級主控單元，由其完成簇內(nèi)的電池管理功能，并通過在電池采集模塊與簇級主控單元之間的通信協(xié)議內(nèi)增加心跳信號以保證通信正常。確保電池單體不過充過放是避免電池出現(xiàn)熱失控的重要預(yù)防手段，上述技術(shù)方案將保護和監(jiān)測分離，存在一定失效概率，可能出現(xiàn)BMS主控單元無法感知電池單體電壓或溫度異常的情況，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)安全性能降低。因此，針對現(xiàn)有BMS，提出以下改進措施。

①以電池模塊為單元實現(xiàn)完善的電池管理功能，電池采集模塊不僅具備電壓、溫度采集功能，還具備基本的電池管理功能，不依靠外部主控單元，提升電池模塊安全性。簇級或系統(tǒng)級主控單元更多地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等高級功能，并可與遠(yuǎn)端電池數(shù)據(jù)云平臺對接，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)警和遠(yuǎn)程故障判斷功能。

②目前儲能系統(tǒng)用BMS基本沿用電動汽車BMS設(shè)計思路，但電動汽車運行條件苛刻，對高低溫、震動、污穢條件等環(huán)境因素考慮較充分，BMS功能也較復(fù)雜。儲能系統(tǒng)用BMS在環(huán)境適應(yīng)性、功能需求方面較電動汽車簡化，應(yīng)針對性地開發(fā)低成本化儲能系統(tǒng)專用BMS產(chǎn)品，僅需滿足基本功能，削減不必要的功能或硬件成本。低成本化的主從一體式BMS與電池模塊結(jié)合，可實現(xiàn)成本可控前提下的安全性能提升。

③電池模塊溫度采集不僅布置在電池模塊上，還應(yīng)布置在接插件或?qū)ν膺B接銅排上，及時探測因未牢固插接或連接的連接點處過溫情況，防止外部過溫誘發(fā)電池模塊熱失控。

2.2 基于電池模塊級的防短路設(shè)計

鋰電池儲能系統(tǒng)普遍采用多節(jié)電池單體串并聯(lián)組成高壓大容量電池簇的成組方式，在電池簇末端配置高壓箱，內(nèi)置BMS主控單元、熔斷器、斷路器、可控高壓繼電器、供電電源等部件，實現(xiàn)整簇電池的電池管理和電氣保護。儲能系統(tǒng)電氣回路熔斷配置如圖1所示。電池簇常見的電氣設(shè)計如圖1（a）所示。從電池外部短路角度來看，在電池PACK內(nèi)，防短路設(shè)計較為完善，但在電池PACK連接線間、電池簇對外連接線等外部連接點處，可能會由于線纜破損、接線錯誤等導(dǎo)致電池外部短路發(fā)生，郭偉軍［5］調(diào)查了一例由于施工工人錯接串聯(lián)線導(dǎo)致電池短路熱失控進而引發(fā)儲能系統(tǒng)起火爆炸的事故。圖1（a）中A、B兩點間發(fā)生外短路，則線路末端熔斷器無法起到短路保護作用，存在安全隱患。考慮保持熔斷器數(shù)量不變，將其移至圖1（b）中位置，即電池簇串聯(lián)線路中段，保護區(qū)域?qū)⒌刃U大一倍，可以對上述情況進行有效防護。更進一步，如圖1（c）所示，以電池PACK為單位配置熔斷器，即線路中任意兩點短路均在保護范圍內(nèi)，大幅降低電池模塊由于外短路導(dǎo)致熱失控的可能性。若按照電池PACK為單位配置熔斷器，將帶來系統(tǒng)成本增加，但成本可控，具有可實施性；若成本受限，可采用圖1（b）設(shè)計，或在一簇內(nèi)串聯(lián)線路中多點適當(dāng)增加一定數(shù)量熔斷器，也可大幅提升系統(tǒng)安全性。

2.3 低壓分散變換式電氣拓?fù)?/p>

儲能系統(tǒng)電池組通常由多個電池簇并聯(lián)如圖2（a）所示。本研究從安全角度出發(fā)，提出一種低壓分散變換的電池成組設(shè)計如圖2（b）所示。將單個低壓、小容量電池模塊（≤60 V、≤10 kWh）與電力電子變換器組成一個整體，電池模塊通過電力電子變換器進行電氣隔離及升壓變換，若干個電池模塊串并聯(lián)接入一條直流母線中，該直流母線接入后級儲能變流器，實現(xiàn)交直流電能雙向變換。

高壓集中變換與低壓分散變換的區(qū)別在于，前者為將多個電池模塊直接串聯(lián)組成的高壓大容量電池簇，后者為拆分為若干個串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系的電池功率模塊。從安全角度出發(fā)，該設(shè)計具有以下明顯優(yōu)勢：①電池組串電壓等級低、容量小，其短路電流大大降低，可以減少電池?zé)崾Э仫L(fēng)險；②各電池組串之間的隔離型電力電子變換器實現(xiàn)了電氣隔離，本簇電池發(fā)生故障時，不同電池組串之間無故障蔓延的電氣通道，實現(xiàn)了故障的隔離；③以隔離型電力電子變換器作為電池組串輸出接口，當(dāng)發(fā)生外短路時，隔離變換器輸出能力有限，阻斷了電池組串外短路的路徑，降低了風(fēng)險；④電池模塊之間相互獨立和隔離，維護和異常情況處理無觸電風(fēng)險，拆卸和更換更加方便。

該設(shè)計雖然在電池模塊能量轉(zhuǎn)換效率及成本方面存在劣勢，但在安全性、可控性、電能吞吐量和可維護性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)高壓組串集中變換設(shè)計，是一種更導(dǎo)向安全的技術(shù)方案，尤其適合工商業(yè)等人流密集環(huán)境應(yīng)用的儲能系統(tǒng)。

2.4 面向電池模塊的精細(xì)化消防系統(tǒng)

針對鋰電池火災(zāi)，目前尚無絕對有效的消防滅火介質(zhì)。最佳滅火措施為使用水灌注式消防，但該措施存在較多困難，如高壓大容量儲能系統(tǒng)在水消防過程中可能會發(fā)生電擊等次生危害、現(xiàn)有集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以有效進行水噴射或水浸沒式消防等。針對儲能系統(tǒng)消防的不足，有研究人員提出了基于電池模塊或較小防火區(qū)間的精準(zhǔn)式消防方案，如在每個電池模塊中均預(yù)留滅火介質(zhì)噴射管道，通過傳感器檢測火情發(fā)生位置，消防主機啟動相應(yīng)管道閥門，定點噴射滅火介質(zhì)。該方案具有精準(zhǔn)、迅速等優(yōu)點，但實施成本較高。

探火管感溫自啟動滅火裝置是一種簡單可靠、滅火及時的探火/滅火裝置，其采用柔性探火管作為火災(zāi)探測設(shè)備及滅火劑輸送和噴放管道。探火管可以方便地布置到每一個潛在著火源的最近處，一旦發(fā)生火災(zāi)，探火管受熱破裂，立即釋放滅火劑滅火。本研究基于探火管特性，提出一種面向電池模塊的高精度、低成本消防設(shè)計方案如圖3所示。圖中黑色管線為探火管，布置在每個電池模塊正上方，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，探火管在受熱溫度最高處被軟化并爆破，探火管中壓力下降，啟動外置容器閥，滅火介質(zhì)通過探火管破裂的出口釋放滅火。

基于探火管的儲能系統(tǒng)滅火技術(shù)，可以保證任何一個電池模塊出現(xiàn)火情時，均能在最短時間內(nèi)將滅火劑噴射到起火電池模塊，較之以整個集裝箱為保護區(qū)域的傳統(tǒng)消防方式更為精準(zhǔn)且高效。此外，探火管滅火裝置無需電源及控制，滅火速度快、效率高，且可根據(jù)需要填充滅火介質(zhì)，適用于七氟丙烷、Novec1230等滅火介質(zhì)。探火管滅火裝置單套成本約為柜式滅火裝置的1/10，即使在儲能系統(tǒng)內(nèi)配置多套探火管滅火裝置，仍然具有較高的成本優(yōu)勢。

4 結(jié)論

儲能系統(tǒng)安全技術(shù)提升有利于儲能行業(yè)健康快速發(fā)展。為提升鋰電池儲能系統(tǒng)安全性能，本研究提出以下安全設(shè)計及消防措施。

①BMS對于保證儲能系統(tǒng)安全至關(guān)重要，可將傳統(tǒng)的電池檢測單元-簇主控-系統(tǒng)主控的“底簡頂繁”架構(gòu)優(yōu)化為電池模塊級BMS-系統(tǒng)采集器的“底繁頂簡”的架構(gòu)，增強BMS個體保護性能。

②以電池模塊為單位配置熔斷器或斷路器，有利于在電池模塊或電池簇發(fā)生外部短路時起到有效保護作用。

③將儲能系統(tǒng)傳統(tǒng)的高壓大容量電池組串集中變換設(shè)計優(yōu)化為低壓小容量電池組串分散式變換設(shè)計，以提升電池模塊的主動防護性能，并降低電池不一致性對系統(tǒng)全生命周期吞吐電量的影響。

④基于全空間淹沒式氣體消防裝置，開發(fā)基于探火管的精細(xì)化消防系統(tǒng)，實現(xiàn)面向電池模塊的精準(zhǔn)消防。

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