近日，中國電力企業聯合會發布了24個電化學儲能行業創新與應用典型案例，旨在進一步推動行業安全高質量發展，發掘總結并交流推廣成功經驗和有益做法，發揮典型引領作用。今天我們推出第二十個典型案例——“高海拔復雜條件下電池儲能系統熱失控安全防護技術研究”。相關案例集還將在2025年3月27日舉辦的“第三屆中國儲能大會”上發布，敬請關注。

高海拔復雜條件下電池儲能系統熱失控安全防護技術研究

華電西藏能源有限公司

一、項目簡介

西藏自治區那曲市色尼區12萬kW光伏發電電力保供項目，是目前西藏自治區最大的光伏項目，需配備容量為30MW/120MWh的儲能系統。項目所在地具有海拔高、空氣密度小，年平均氣溫低、晝夜溫差大，氣候干燥、雷暴天氣多，紫外輻射強、環境相對惡劣，設備運距遠和人口流動少等特點。

本項目通過搭建電池模塊層級的熱失控測試平臺、電池儲能系統消防安全預警與分級保護系統，實現電池模組層級電芯間不發生熱失控擴散與降溫、降功率、停機，以及滅火分級管控目標，構建了儲能系統安全防控技術體系。

二、解決方案

高海拔復雜條件下電池儲能系統的熱失控安全防護是實現儲能電站安全運行的重要舉措。

儲能電站的安全問題是系統性問題，往往由某一因素引發，多因素交互作用演化發展，最終導致儲能電站的起火或爆炸。儲能電站發生安全事故主要有電池本體故障、外部激源、運行環境因素和管理系統故障四類原因。電池本體故障：其誘發安全事故的原因主要包括電池制造過程中的瑕疵、電池老化等帶來安全性退化，可能造成電池內短路，引起局部過熱造成熱失控。外部激源：在外界電、熱、機械等的刺激下，電池會發生熱失控反應，釋放出大量高溫可燃氣體混合物而發生爆炸。運行環境因素：鋰電池需要在各參數的安全范圍內工作，運行環境不佳將影響電池及系統的可靠性，進而演化為事故。管理系統故障：管理系統是電化學儲能系統的核心控制單元和決策單元，如果電池儲能系統缺乏內部可行的安全設計，一旦某個電池出現故障，很容易導致儲能系統的整體失控。

圖1  儲能系統事故誘發擴散示意圖

所以，發展高海拔復雜條件下的熱失控防護技術是電站安全運行的重要舉措，也是電池儲能系統發展的必然趨勢。熱失控防護技術關系到電池儲能系統在儲能領域的地位，解決電池儲能的安全問題必然會促進儲能行業發展。

解決方案：

1. 高海拔復雜條件下電池儲能系統的熱阻隔防護技術

針對高海拔、大溫差、強輻射等復雜條件下電池模組電芯間的熱失控擴散難以抑制的問題，通過搭建電池模塊層級的熱失控測試平臺，分析不同布置方式、類型、結構下熱阻隔材料的熱阻隔效果，驗證擬選熱阻隔材料阻隔效果，確定高海拔地區應用環境及場景下電池儲能系統的熱失控安全防護技術，實現電池模組層級電芯間不發生熱失控擴散，且電池簇外部無明火。

圖2  高海拔儲能系統熱阻隔材料

2. 高海拔復雜條件下電池儲能系統消防安全預警與分級保護技術

針對高海拔、大溫差、強輻射條件下電池儲能系統安全設計不系統、監測預警不精準、防控措施不充分等問題，本項目根據災前干預、災后阻隔與滅火抑爆等火災發生全過程管控要求，基于全壽命周期電池儲能系統故障精準診斷及預警技術、協同保護及高效滅火技術，分析電池儲能系統電、熱、聲、氣等信息采集布置方式及探測位置，確定預警、降溫、降功率、停機、滅火分級管控策略，構建儲能系統安全防控技術體系。

圖3  高海拔儲能系統多重監測預警

圖4  技術路線圖

三、關鍵點與創新點

（一） 研究基礎

多年來，比亞迪汽車工業有限公司在儲能電芯領域磷酸鐵鋰電池技術上，首創將刀片電池應用于儲能系統，利用磷酸鐵鋰電池高安全性、低成本的特點，打造第一款具有高安全等級的儲能電芯。儲能電池的安全控制全方位協同了電芯設計、電池結構等工段。目前累計出貨量超過20GWh，分布于全球23個國家的超過400個城市，事故發生率為0%。在儲能系統方面，合作單位曾攻克了電池并聯的均流控制技術、液冷散熱技術、高效模組技術、PCS（儲能變流器）模塊開發及系統聯調匹配等技術難題，并進行規模化應用，液冷儲能系統累計裝機容量超過5GWh。

圖5  刀片電池

（二） 創新點

（1）歸納高海拔場站特點，針對高海拔場站特點進行技術需求分析：

1）海拔高、空氣稀薄、空氣密度小，導致空氣對流散熱弱，空氣擊穿風險高。

2）年平均氣溫低、晝夜溫差大，對系統溫度控制要求高，須具備低溫啟動能力。

3）氣候干燥、濕度低、雷暴天氣多，易產生靜電，系統有防雷暴需求。

4）太陽輻照好、紫外輻射強，輻射強影響系統暴露壽命。

5）設備運距遠、人口流動少，對設備運維要求高。

圖6  高海拔儲能電站

（2）高海拔儲能電站發生安全事故主要有電池本體故障、外部激源、運行環境因素和管理系統故障四類原因。

針對四類安全事故的主要原因，提出高海拔地區應用環境及場景下電池儲能系統的熱失控安全防護技術。

1）電池本體安全——刀片電池高安全設計。

相比于卷繞電池易發生拐角析鋰、鋰枝晶引發安全風險，針對高海拔環境設計的疊片電池工藝無析鋰風險，無內短路隱患。

圖7  電池橫截面及拆解對比

針對高海拔環境設計的超大長寬比電池結構，散熱更優，不易產生熱聚集。377Ah刀片電池的相對表面積約為320Ah 伏達電池的1.83倍，可用換熱面積約為320Ah 伏達電池的1.98倍。

針對高海拔環境設計的加厚陶瓷隔膜，抗刺穿、熱失效閾值更高。刀片電池使用陶瓷-聚丙烯隔膜更耐刺穿、更耐高溫，電池發生熱失控的溫度閾值更高。

刀片電池極柱使用陶瓷工藝，具有耐高溫、耐高壓、壽命長等特性，全壽命周期不漏液。針對高海拔環境設計的陶瓷極柱，壽命更長，長效防護不漏液。

2）外部激源阻隔——電池安全隔離、系統安全防護設計。

一般電池的導熱系數為2.11W/(m?K)，空氣的導熱系數為0.023W/(m?K)。增加電池間的空氣間隙厚度，既可減少相互之間的傳熱，又能增加向環境的散熱。間隙較小，熱失控時電池變形劇烈，不能阻止膨脹后的電池之間的接觸；間隙較大，影響系統的體積能量密度。更高熱阻的隔熱材料可有效降低在熱失控發生時電池之間的熱量傳遞。隔熱材料應具有高工作溫度，低導熱系數和較小的體積，以最小限度地影響電池系統的能量密度。

刀片電池儲能系統單柜柜體采用耐火鋼板防護，耐火極限不低于2h的隔墻保護。雙面涂層柜體間進行空氣間隙隔熱，增大系統間熱阻，抑制熱源橫向擴散，保護系統安全。

圖8  高海拔設計刀片電池儲能系統

高海拔儲能系統具有獨立配電匯流設計。配電匯流柜獨立設計使系統電氣完全隔離，實現電芯+柜體+電氣三重隔離，降低熱失控風險，有效阻隔熱蔓延。

高海拔儲能系統具備三級直流熔斷設計，快速熔斷，切斷一次設備故障，保護電池艙，防止故障范圍擴大。

高海拔儲能系統配置防雷器、避雷器來防止多雷暴環境對系統的影響。

圖9  防雷器與避雷器

3）運行環境穩定——高海拔液冷系統密封隔絕設計。高海拔儲能系統配備了單柜獨立供熱、通風和空氣調節設計，以提升溫度一致性。

分布式熱管理具有以下優勢：一簇一管理、路徑短、冷卻液流量均勻、溫度一致性好、簇級獨立溫控和故障影響小。

圖10  分布式熱管理結構示意圖

4）系統管理科學——高海拔消防系統設計。

參考電池熱失控的演變過程，結合高海拔環境特點及電氣安全、風險防范等要求，電池系統的火災消防系統的設計具備以下多重預警功能：

熱管理設計預防：液冷系統散熱效率較高，從抑制熱擴散方面避免熱失控對電池產生損傷。

安全狀態早期預警：通過大數據及智能監測BMS（電池管理系統）持續監測電池的安全狀態，提高狀態的檢測精度，實現極早期預警。

提前預警：煙感、溫感、可燃氣體傳感器觸發報警，開啟聲光報警器和警鈴，自動滅火系統滅火。

四、實際成效

本項目的實施將有利于形成長期穩定的產學研合作，極大地推動科研院所基礎理論研究成果向工程應用方向轉化，助力儲能產業的轉型升級。同時，本項目的研究成果將提高電池儲能系統的安全性能，減輕由其火災爆炸事故、退役，以及報廢等帶來的生態環境壓力，保障人民的生命和財產安全。

五、經濟效益及推廣前景

電池儲能是成熟的新型儲能技術，“十四五”期間裝機規模持續快速發展，預計到2025年底新型儲能裝機規模達3000萬kW以上。本項目將有效解決電池儲能系統全壽命周期應用安全技術難題，助力儲能規模化健康發展，有效促進和優化新能源產業的升級并加大國際競爭優勢。儲能產業的快速發展，將極大推動故障診斷、預警報警、消防等安全相關產業的快速發展，市場前景廣闊。

本項目于2022年12月8日投產發電，截至2024年6月底，發電量達22722萬kWh，電費收益為7638.39萬元。在電池模塊層級的熱失控測試平臺、電池儲能系統消防安全預警與分級保護系統有效支撐下，儲能系統安全穩定運行。