浅谈锂电池储能电站火灾危险及对策研究分析

【摘要】锂电池储能技术，因其快速响应、能量密度高的特点，为解决大电网的调频调峰、发电侧的可再生能源友好接入、用户侧的削峰填谷及维持孤网稳定运行等问题提供了一种有效的解决途径。本文结合锂电池的结构机理，对锂电池储能电站火灾危险性进行了系统分析，并对储能电站火灾防范和应急处置提出建议，以便为锂电池储能电站消防安全技术研究提供参考。

【关键词】锂电池储能电站；火灾危险性；应急处置

引言

随着风能、太阳能等可再生能源在能源结构中占比不断提升，越来越多的间歇性、波动性能源的接入需求，以及锂电池成本的下降，锂电池储能电站在新能源并网以及电力系统辅助服务等领域不断被运用。随着锂电池储能电站的建设，国内外锂电池储能电站的火灾逐渐增多，大家对锂电池储能电站消防安全问题非常关注。现对锂电池储能电站的火灾危险性进行分析，探讨研究储能电站火灾防范和应急处置对策。

一、锂电池储能电站概述

(一)锂电池储能电站应用。锂电池储能电站具有高效率、应用灵活、响应速度快等优点，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段，适应新一轮能源革命的发展形势，近年来在国内外的应用呈上升趋势。截至2020年年底，我国已投运的新型电力储能累计装机容量达到3.28８吉瓦，计划到2025年实现新型储能装机容量达3000万千瓦以上。锂电池储能电站投运后将接入源网荷储控制系统，为电网提供调峰、调频、备用、事故应急响应等多种服务，满足电网在可再生能源消纳、电网安全运行等方面的迫切需求，同时在提高能源综合利用效率，助推绿色能源发展等方面发挥重要作用。

(二)锂电池储能电站组成。首先由多个锂电池单体经串并联后构成电池模块，电池模块经串联连接构成模块电池箱(如图1所示)，后多个模块电池箱通过并联集成安置在一个集装箱内成储能电池舱(如图2所示)，多个电池舱再加上系统配套的PCS(储能变流器)舱、SVG舱、总控舱等组成一个锂电池储能电站。

图1模块锂电池箱的串联连接情况 图2由多组模块电池箱连接成的电池舱内部情况

二、锂电池储能电站的火灾危险性

(一)锂电池单体的火灾危险性。

1.锂电池的构造。锂电池一般由正极、隔膜、负极、有机电解液和电池外壳组成，适应不同应用场景，有各种形状和构造(如图3所示)。锂电池负极一般都使用石墨材料。电解液常用碳酸酯类作为溶剂，添加剂可能不尽相同。锂电池正极材料差异较大，常见有磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料等。隔膜主要是正、负极分隔开来，一般采用高强度、薄膜化的聚烯烃系多孔膜，是防止电子通过的，但可以让锂离子通过。锂电池充放电是依靠锂离子在正极和负极之间移动来完成的(如图4所示)。锂电池的电极材料、隔膜、电解液均是易燃物，其中火灾危险性*的是隔膜。

图3几种形状的锂电池结构 图4锂电池充放电原理图

2.锂电池火灾危险性。锂电池在密闭的空间存储了大量的能量，具有一定的危险性，“热失控”是导致锂电池起火的常见原因。锂电池热失控的常见因素有：一是内部短路。锂电池在使用过程中负极表面会形成一些“小毛刺”(即锂枝晶)，如果锂枝晶的长度超过隔膜的厚度，就会穿透隔膜，导致电池内短路。锂电池隔膜本就很薄，现为了追求高续航，提高电池能量密度，隔膜越来越薄。超薄的隔膜、可燃的电解液，再加上内部的锂枝晶，这些因素很容易导致电池内部短路进而热失控。二是过充过放电。锂电池过度充电会逐渐导致电池温度升高，高温使隔膜收缩融化，造成正负极相互接触而短路放热。高温也会使电解液分解产生气体，气体在密封的电池内部形成压力致锂电池膨胀外壳撑破，导致外部空气进入电池内部发生氧化反应，从而热失控引发燃烧爆炸。同样，外部大功率过放电也会导致电池内部发热并膨胀，出现和过充类似的破坏过程导致起火。三是化学反应放热。电池的高能量密度值是通过升高电压来获得的，若电解液耐高压能力不足，就会被氧化分解放热使电池温度升高，高温会引发电池内部各种副反应。电池温度会进一步升高，引起电解液与正极材料、黏结剂热反应，并终导致燃烧爆炸。四是制造工艺缺陷。电池工艺本身的瑕疵导致电芯极耳过长，会与极片或壳体接触形成内短路。还有在制备过程中带入微粒或灰尘，极片切割形成金属毛刺，隔膜上存在微孔洞等都会增加短路的危险性。五是使用过程缺陷。多批次甚至同批次的单体电池在容量、内阻等性能指标上距离标称值有一定误差，成组前分选不严格，导致锂电池单体间的一致性不好，或者受到撞击、挤压、穿刺、振动、跌落等会导致热失控，终诱发起火或者爆炸

(二)锂电池储能电站的火灾危险性。

1.锂电池单体热失控。锂电池储能电站具有串并联数量多、规模大、运行功率大等特点，如某个锂电池热失控，通过热传导、热辐射会引发相邻电池单体发生热失控，又因锂电池之间均有线路相连接，增加火灾蔓延渠道，导致整个锂电池舱火灾蔓延。

2.电气故障。电气故障是锂电池储能电站火灾的主要原因，因锂电池储能站中除锂电池外还存在大量附属电气设备，这些都将影响到储能电站的整体火灾危险性，如果使用运营过程中管理不到位，将会发生电气方面的火灾。比如，因意外的大电流(雷电、浪涌)、高电压侵入锂电池储能电站会引发火灾。一方面是因为锂电池储能电站中的电气设备高度集成，对大电流、高电压的抵御能力不足；另一方面是因为锂电池储能电站中通信等线路多，增加了大电流、高电压侵入的渠道。

3.电池管理系统失效。锂电池储能电站中，电池管理系统(BMS)是一个关键部件。BMS可实时监测锂电池的各种状态(电压、电流、温度、荷电状态、健康状态等)，对锂电池充电与放电过程进行安全管理(如防止过充、过放管理)，对锂电池可能出现的故障进行报警和应急保护处理以及对锂电池的运行进行优化控制，并保证锂电池安全、可靠、稳定地运行。一旦BMS维护保养不到位出现故障，容易导致锂电池起火或BMS自身引发火灾。比如，一起锂电池储能电站火灾，通过监控观察，在电站先起火的3s内，多处BMS先后爆燃，随后蔓延至电池端发生拉弧爆燃，引发了火灾。通过对未燃烧的BMS勘验，发现因长期的发热超温使部分电气元件腐蚀、绝缘老化，已不能满足原设计的电阻、绝缘要求，难以发挥监测、保护作用。

4.施工维修过程不规范操作。锂电池储能电站是由大量锂电池单体串并联连接而成，容量较大，短路时电流会很大。施工检修过程中一些不规范的操作*易引发火灾。比如，某锂电池储能电站建设过程中，因建设周期短，施工采用的功率线接头端口型号相同，施工人员长时间重复劳作情况下，因操作不慎，将功率线正负极接反了，导致电池外短路引发火灾。

三、锂电池储能电站的火灾防范对策

(一)提高锂电池自身的安全防御。锂电池储能电站应选用质量可靠的锂电池制造厂商的产品，电动汽车等退役的锂电池，因电池性能、寿命等方面有所退化，不宜简单合并用于大规模储能电站。电池模块成组前，应对单体电池电压、内阻、电流、容量等参数的一致性进行筛选，确保重要参数一致。锂电池储能电站还应安装电池管理系统(BMS)，对数据及时采集与实时监控，保证电池发挥*效率的同时让电池保持在*工作温区，还能让BMS从外部来保持电池的一致性，提高安全性能。

(二)加强储能电站的建设、维护和管理。锂电池储能电站禁止设置在人员密集场所、高层建筑内、地下建筑、易燃易爆等场所。应选择符合要求的设施设备，使用和容量相一致的电气线路，各部件匹配合理，防止因电气故障发生事故。设计时还应充分考虑安全保护性能，符合防火和防爆要求。在电池舱四周舱壁设置隔热阻燃衬层，采用具有耐高温绝热性能的材料。舱内应设置防爆型排风装置，电池舱之间保持一定防火间距，相互间的防火分隔、防火封堵等要到位，储能电站应设置相应的消防设施。还要加强施工过程的管理，确保施工人员按照操作规范施工，确保连接部位牢固。正常运营期间要定期组织技术人员对相关设备开展全面、彻底的检查，进行维护保养，及时消除安全隐患，保证设备完好运行。

(三)锂电池储能电站火灾的尽早探测。一般情况，火灾发生过程可分为初起、发展、猛烈和熄灭四个阶段。初起阶段火灾还没有蔓延扩散，此阶段通过自动报警系统及时探测到火警，可及早进行处置，减少灾害的扩大。目前主要采用的是传统的火灾自动报警感烟和感温探测器，只有等到烟雾和温度弥漫到整个舱室以后，才能起到预警作用，如采用吸入式感烟探测器，能够实现早期报警。或者根据不同锂电池的燃烧产生的不同可燃气体(如一氧化碳、氢气等)，有针对性地增设可燃气体探测器，可在起火前及早发现，防止火灾发生、蔓延和扩大，将损失降到。也可在每一个电池箱体内部加装探测器，当电池箱体内部有故障的时候，能够更早发现，并地定位到是哪个电池箱体发出的预警。

(四)锂电池储能电站火灾的快速抑制。目前锂电池储能站多采用无导电性的七氟丙烷自动灭火系统，灭火剂喷洒完毕后，在保持密封状态的电池舱内使灭火剂充分扩散来灭火。该灭火方式，灭火药剂无法早期作用于发生热失控的电池箱内部，也只能扑灭明火，无法从根本上抑制火灾。由于锂电池燃烧不需要氧气参与，属于内部材料化学反应，传统隔绝氧气灭火方法不起作用。如果不能持续冷却，内部反应一直持续，会发生复燃。扑救锂电池火灾的灭火剂要具备降温和灭火双重功能，水的降温灭火效果明显，大量、持续喷水是针对锂电池火灾有效的扑灭方法。当然关键要注意防止触电，启动时应“先断电、后灭火”，在灭火过程中不要触碰锂电池高压组件。建议采用模块级分布式细水雾灭火系统，让一个喷头保护一个电池模块，做到点对点防护，当发生热失控的时候，雾滴全覆盖电池模块内部，定向喷到发生热失控的电池箱体内，起到及早抑制火灾的目的。

四、安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

（一）概述

Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。

（二）应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

（三）系统结构

（四）系统功能

1.实时监管

对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。

2.智能监控

对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。

3.功率预测

对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。

4.收益分析

用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。

5.策略配置

微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。

五、硬件及其配套产品

六、结语

随着锂电池储能电站的规模化应用，如何保证锂电池储能电站的消防安全成为其发展的*一要务。锂电池生产企业要加快技术革新，进一步研究锂电池火灾机理，改善生产工艺，制造出*安全的锂电池。锂电池储能电站设计施工企业设计出安全保护性能优越的锂电池储能电站，并做好电池的安全施工。锂电池储能电站运营企业要利用多种火灾自动报警探测器组合实时监测，及早发现异常，减少锂电池储能电站火灾的发生。同时确保万一火灾发生时，利用熟练的事故预防措施和紧急情况下的处置办法，提高现场处置能力，防止火灾扩大蔓延，将灾害降到。

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