應對儲能電站熱失控的安全防護方法

儲能鋰離子電站主動安全，指存在安全隱患的電網儲能系統發生故障或者造成嚴重后果之前，通過實時監測、早期預警等手段及時發現并排除故障，避免后續損失。

(資料圖)

國內外已有的主動安全防護方法依據大多為：根據電池熱失控機理，對電池熱失控狀態的主要因素進行表征分析，提取相關特征后，通過對特征量進行采集和處理，從而實現信號預警或聯動防護控制。

目前，國內電池熱失控主流判別方法有三個：其一是，電池管理系統（BMS）實時監測電池運行時的溫度、電壓、電流等數據；其二是，電池內部運行狀態、溫度等能反映電池充放電熱失控狀態；其三是，電池模組熱失控不同階段釋放氣體種類、濃度不一樣，通過對電池模組氣體種類及濃度進行實時監測可以對電池熱失控進行判斷。

基于電池內部溫度的熱失控判別

BMS可以實時監測電池表面電流、電壓、溫度等數據，進而確定電池模組是否處于熱失控狀態。缺點是電池是一個完全密封的整體，表面荷電狀態不能充分反映電池內部工作狀態，特別是大功率充放電時，電池模組內外溫度差很大（最大可達20℃）。

電池內部溫度時反映電池安全狀態最直接有效的信號，基于電池內部溫度的熱失控預警方法主要有兩種：內嵌傳感器測量法與測量內部阻抗-溫度對應關系法。

電池內嵌傳感器法（如內嵌布拉格光纖傳感器等）會改變電池結構，難以與現有電池生產工藝匹配，應用推廣困難。

基于阻抗相移監測電池內部溫度法有效彌補了內嵌傳感器的缺陷。電池工作時，內部阻抗相移與電池內部溫度具有很強的相互聯系。電池熱失控早期，表面溫度無明顯變化，但電池內部阻抗相移明顯異常。不過這種方法的缺點是需要依賴精密測量儀器，成本較高。

測量內部阻抗-溫度對應關系法，依據是電池工作狀態變化時，光纖傳感器接受到的光折射率、折射光波長會隨之變化，結合BMS，可以準確地實時監測電池內部溫度等性能指標，對電池熱失控進行有效預警。

具體來看，電池過充開始階段，在30-90Hz頻帶內動態阻抗的斜率由負轉正，此時切斷充電可成功避免電池熱失控事故的發聲，預警時間比熱失控提前580秒。而且，該法不需要復雜的數學模型和參數，有利于大規模推廣應用，成本較低。

基于電池氣體的熱失控判別

鋰離子電池熱失控早期，內部電化學反應會釋放大量氣體，通過在儲能電池模組周圍放置氣體傳感器探測相關氣體種類及濃度是一種可對電池熱失控進行有效預警的方法。

電池熱失控不同階段產生的氣體種類及濃度不同。

熱失控早期電池模組外殼完好，無明顯溫度上升情況，會產生大量二氧化碳、一氧化碳、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、甲烷等氣體。

隨著熱失控情況的進一步惡化，電池模組外殼出現破裂，溫度劇烈升高，電池電化學反應產生大量氣體，產氣率上升。二甲醚、甲酸甲酯、乙烯等有害氣體開始產生。

磷酸鐵鋰電池模組研究發現，電池熱失控過程中，氫氣濃度變化最為靈敏，可將其作為電池熱失控預警氣體。

基于電池內部氣壓的熱失控判別

內部氣壓法依據為：電池正常工作時，內部氣壓與大氣壓一致；電池發生熱失控時，內部電化學反應短時間內釋放大量氣體，電池內部氣壓大幅上升。

該法漏判率較高，原因是受單個電池個體容量、體積等限制，單個電池發生熱失控時產生的氣體無法達到預設氣壓閾值，難以觸發熱失控預警。

此外，電池由于熱失控引起的氣壓變化峰值時間較短（一般為100ms左右），隨后氣壓迅速上升導致泄壓閥開啟，電池內部氣壓迅速回落。受氣壓傳感器采樣頻率等因素影響，可能無法及時監測電池內部氣壓的迅速變化，無法觸發預警。

基于電池膨脹力的熱失控判別

膨脹力檢測法依據為：鋰離子電池電芯進行充放電時，內部鋰離子的嵌入/析出會導致電芯厚度改變，使得電芯發生膨脹現象。電池充電時，內部鋰離子從正極脫出嵌入負極，導致負極間距增大，使電芯膨脹。鋰離子電池熱失控時，電芯膨脹力會發生顯著變化。

不過，該法尚處于試驗研究階段，問題平靜主要表現在以下幾個方面：其一是，電池種類及體積大小不同，內部膨脹力變化不同（磷酸鐵鋰電池膨脹力明顯小于三元鋰電池）；其二是，電池本體材料體系相同或相近，不同負極體系的兩種電池，充放電膨脹力變化情況也不同（811三元正極材料電池配合硅碳負極材料使用時，膨脹力明顯大于配合石墨體系負極）；其三是，電池處于不同荷電狀態，其膨脹力變化不同（三元523電芯，荷電狀態80%時膨脹力變化最明顯）等。

基于聲信號的熱失控判別

電池排氣聲信號在熱失控狀態下和正常工作狀態下具有特異性，進行特征提取后，可形成有效的識別特征集?；陔姵嘏艢獾穆曅盘栠M行熱失控預警，準確率可達92.31%。

該法優點是實施速度快、靈敏度高、成本低，且聲學信號易于檢測，應用范圍廣等；缺點是僅能識別電池排氣聲信號，進行有無判斷，無法精確定位熱失控故障單元。

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