高海拔复杂条件下电池储能系统热失控安全防护技术研究

近日，中国电力企业联合会发布了24个电化学储能行业创新与应用典型案例，旨在进一步推动行业安全高质量发展，发掘总结并交流推广成功经验和有益做法，发挥典型引领作用。今天我们推出第二十个典型案例——“高海拔复杂条件下电池储能系统热失控安全防护技术研究”。相关案例集还将在2025年3月27日举办的“第三届中国储能大会”上发布，敬请关注。

高海拔复杂条件下电池储能系统热失控安全防护技术研究

华电西藏能源有限公司

一、项目简介

西藏自治区那曲市色尼区12万kW光伏发电电力保供项目，是目前西藏自治区最大的光伏项目，需配备容量为30MW/120MWh的储能系统。项目所在地具有海拔高、空气密度小，年平均气温低、昼夜温差大，气候干燥、雷暴天气多，紫外辐射强、环境相对恶劣，设备运距远和人口流动少等特点。

本项目通过搭建电池模块层级的热失控测试平台、电池储能系统消防安全预警与分级保护系统，实现电池模组层级电芯间不发生热失控扩散与降温、降功率、停机，以及灭火分级管控目标，构建了储能系统安全防控技术体系。

二、解决方案

高海拔复杂条件下电池储能系统的热失控安全防护是实现储能电站安全运行的重要举措。

储能电站的安全问题是系统性问题，往往由某一因素引发，多因素交互作用演化发展，最终导致储能电站的起火或爆炸。储能电站发生安全事故主要有电池本体故障、外部激源、运行环境因素和管理系统故障四类原因。电池本体故障：其诱发安全事故的原因主要包括电池制造过程中的瑕疵、电池老化等带来安全性退化，可能造成电池内短路，引起局部过热造成热失控。外部激源：在外界电、热、机械等的刺激下，电池会发生热失控反应，释放出大量高温可燃气体混合物而发生爆炸。运行环境因素：锂电池需要在各参数的安全范围内工作，运行环境不佳将影响电池及系统的可靠性，进而演化为事故。管理系统故障：管理系统是电化学储能系统的核心控制单元和决策单元，如果电池储能系统缺乏内部可行的安全设计，一旦某个电池出现故障，很容易导致储能系统的整体失控。

图1  储能系统事故诱发扩散示意图

所以，发展高海拔复杂条件下的热失控防护技术是电站安全运行的重要举措，也是电池储能系统发展的必然趋势。热失控防护技术关系到电池储能系统在储能领域的地位，解决电池储能的安全问题必然会促进储能行业发展。

解决方案：

1. 高海拔复杂条件下电池储能系统的热阻隔防护技术

针对高海拔、大温差、强辐射等复杂条件下电池模组电芯间的热失控扩散难以抑制的问题，通过搭建电池模块层级的热失控测试平台，分析不同布置方式、类型、结构下热阻隔材料的热阻隔效果，验证拟选热阻隔材料阻隔效果，确定高海拔地区应用环境及场景下电池储能系统的热失控安全防护技术，实现电池模组层级电芯间不发生热失控扩散，且电池簇外部无明火。

图2  高海拔储能系统热阻隔材料

2. 高海拔复杂条件下电池储能系统消防安全预警与分级保护技术

针对高海拔、大温差、强辐射条件下电池储能系统安全设计不系统、监测预警不精准、防控措施不充分等问题，本项目根据灾前干预、灾后阻隔与灭火抑爆等火灾发生全过程管控要求，基于全寿命周期电池储能系统故障精准诊断及预警技术、协同保护及高效灭火技术，分析电池储能系统电、热、声、气等信息采集布置方式及探测位置，确定预警、降温、降功率、停机、灭火分级管控策略，构建储能系统安全防控技术体系。

图3  高海拔储能系统多重监测预警

图4  技术路线图

三、关键点与创新点

（一） 研究基础

多年来，比亚迪汽车工业有限公司在储能电芯领域磷酸铁锂电池技术上，首创将刀片电池应用于储能系统，利用磷酸铁锂电池高安全性、低成本的特点，打造第一款具有高安全等级的储能电芯。储能电池的安全控制全方位协同了电芯设计、电池结构等工段。目前累计出货量超过20GWh，分布于全球23个国家的超过400个城市，事故发生率为0%。在储能系统方面，合作单位曾攻克了电池并联的均流控制技术、液冷散热技术、高效模组技术、PCS（储能变流器）模块开发及系统联调匹配等技术难题，并进行规模化应用，液冷储能系统累计装机容量超过5GWh。

图5  刀片电池

（二） 创新点

（1）归纳高海拔场站特点，针对高海拔场站特点进行技术需求分析：

1）海拔高、空气稀薄、空气密度小，导致空气对流散热弱，空气击穿风险高。

2）年平均气温低、昼夜温差大，对系统温度控制要求高，须具备低温启动能力。

3）气候干燥、湿度低、雷暴天气多，易产生静电，系统有防雷暴需求。

4）太阳辐照好、紫外辐射强，辐射强影响系统暴露寿命。

5）设备运距远、人口流动少，对设备运维要求高。

图6  高海拔储能电站

（2）高海拔储能电站发生安全事故主要有电池本体故障、外部激源、运行环境因素和管理系统故障四类原因。

针对四类安全事故的主要原因，提出高海拔地区应用环境及场景下电池储能系统的热失控安全防护技术。

1）电池本体安全——刀片电池高安全设计。

相比于卷绕电池易发生拐角析锂、锂枝晶引发安全风险，针对高海拔环境设计的叠片电池工艺无析锂风险，无内短路隐患。

图7  电池横截面及拆解对比

针对高海拔环境设计的超大长宽比电池结构，散热更优，不易产生热聚集。377Ah刀片电池的相对表面积约为320Ah 伏达电池的1.83倍，可用换热面积约为320Ah 伏达电池的1.98倍。

针对高海拔环境设计的加厚陶瓷隔膜，抗刺穿、热失效阈值更高。刀片电池使用陶瓷-聚丙烯隔膜更耐刺穿、更耐高温，电池发生热失控的温度阈值更高。

刀片电池极柱使用陶瓷工艺，具有耐高温、耐高压、寿命长等特性，全寿命周期不漏液。针对高海拔环境设计的陶瓷极柱，寿命更长，长效防护不漏液。

2）外部激源阻隔——电池安全隔离、系统安全防护设计。

一般电池的导热系数为2.11W/(m•K)，空气的导热系数为0.023W/(m•K)。增加电池间的空气间隙厚度，既可减少相互之间的传热，又能增加向环境的散热。间隙较小，热失控时电池变形剧烈，不能阻止膨胀后的电池之间的接触；间隙较大，影响系统的体积能量密度。更高热阻的隔热材料可有效降低在热失控发生时电池之间的热量传递。隔热材料应具有高工作温度，低导热系数和较小的体积，以最小限度地影响电池系统的能量密度。

刀片电池储能系统单柜柜体采用耐火钢板防护，耐火极限不低于2h的隔墙保护。双面涂层柜体间进行空气间隙隔热，增大系统间热阻，抑制热源横向扩散，保护系统安全。

图8  高海拔设计刀片电池储能系统

高海拔储能系统具有独立配电汇流设计。配电汇流柜独立设计使系统电气完全隔离，实现电芯+柜体+电气三重隔离，降低热失控风险，有效阻隔热蔓延。

高海拔储能系统具备三级直流熔断设计，快速熔断，切断一次设备故障，保护电池舱，防止故障范围扩大。

高海拔储能系统配置防雷器、避雷器来防止多雷暴环境对系统的影响。

图9  防雷器与避雷器

3）运行环境稳定——高海拔液冷系统密封隔绝设计。高海拔储能系统配备了单柜独立供热、通风和空气调节设计，以提升温度一致性。

分布式热管理具有以下优势：一簇一管理、路径短、冷却液流量均匀、温度一致性好、簇级独立温控和故障影响小。

图10  分布式热管理结构示意图

4）系统管理科学——高海拔消防系统设计。

参考电池热失控的演变过程，结合高海拔环境特点及电气安全、风险防范等要求，电池系统的火灾消防系统的设计具备以下多重预警功能：

热管理设计预防：液冷系统散热效率较高，从抑制热扩散方面避免热失控对电池产生损伤。

安全状态早期预警：通过大数据及智能监测BMS（电池管理系统）持续监测电池的安全状态，提高状态的检测精度，实现极早期预警。

提前预警：烟感、温感、可燃气体传感器触发报警，开启声光报警器和警铃，自动灭火系统灭火。

四、实际成效

本项目的实施将有利于形成长期稳定的产学研合作，极大地推动科研院所基础理论研究成果向工程应用方向转化，助力储能产业的转型升级。同时，本项目的研究成果将提高电池储能系统的安全性能，减轻由其火灾爆炸事故、退役，以及报废等带来的生态环境压力，保障人民的生命和财产安全。

五、经济效益及推广前景

电池储能是成熟的新型储能技术，“十四五”期间装机规模持续快速发展，预计到2025年底新型储能装机规模达3000万kW以上。本项目将有效解决电池储能系统全寿命周期应用安全技术难题，助力储能规模化健康发展，有效促进和优化新能源产业的升级并加大国际竞争优势。储能产业的快速发展，将极大推动故障诊断、预警报警、消防等安全相关产业的快速发展，市场前景广阔。

本项目于2022年12月8日投产发电，截至2024年6月底，发电量达22722万kWh，电费收益为7638.39万元。在电池模块层级的热失控测试平台、电池储能系统消防安全预警与分级保护系统有效支撑下，储能系统安全稳定运行。