聚焦安全：固定式电池储能系统的风险识别与应对策略

  固定式电池储能系统（BESS）已被开发用于多种用途，促进了可再次生产的能源的整合和能源转型。在过去十年中，BESS的安装基础大幅度增长，与此同时，BESS故障事件的数量也呈上涨的趋势。对这些事件的深入分析为提高BESS的安全性提供了宝贵经验。本文讨论了电池单体、模块和机架层面的多个安全层次，以阐明电池热失控和BESS故障的机制。进一步深入探讨了BESS的不同安全方面，包括系统架构、系统考量、安全标准、典型质量上的问题、故障统计和最终的原因。文中推荐并总结了各种缓解策略，强调了多学科方法在了解、管理和减轻与BESS相关风险中的重要性。总体而言，本文可作为理解BESS安全性的指南。

  间歇性可再次生产的能源发电的实施要增加电力存储。电池储能系统（BESS）是一种利用电池和其他电气设备存储电能的存储解决方案。近年来，公用事业规模的总装机功率达到50GW，固定式BESS已成为全世界可再次生产的能源整合的重要贡献者。欧盟委员会最近预计到2030年在欧盟安装总计200GW的BESS，这进一步凸显了该领域的增长。此外，在商业和工业（C&I）领域有大量的用户侧安装。随着BESS装机容量的迅速增加，人们对这些大型设施的运行安全的担忧也在增加。在此，总结了每个方面，并提出了针对固定式BESS的缓解策略。 尽管锂离子电池始终存在一些残余风险，但通过应用设计原则、安全措施、保护和合适的组件，可以使BESS变得安全。BESS的整体安全性基于功能安全概念，包括针对各种场景的多层解决方案。图1展示了锂离子BESS的典型安全层级，包括以下几个层面：

  电池单体层面：选择最适合特定应用负载曲线和边界条件的电池化学体系和设计。电池设计包括基本的机械保护，如排气盘和其他针对内部故障的保护元件。

  模块层面：一定要符合机架的热保护和机械保护概念。模块还包括一层电池管理系统（BMS），该系统通过收集电流、电池电压和温度等数据，确保每个电池单体保持在安全运行窗口内。

  机架层面：包括机架BMS、用于防止外部故障的电气保护设施（保险丝和接触器），以及针对机械威胁的被动保护和针对热威胁的主动保护。

  系统层面：包括一个系统控制器，用于协调组件之间的内部相互作用，并作为与“外部”的接口。在运行过程中，环境传感器持续监测BESS周围的不正常的情况。一旦检测到任意的毛病，它们会通知温度控制电池进行冷却/通风和安全监测系统。此外，灭火系统对于防止BESS内火灾的发生和蔓延至关重要。 上述安全层级相互关联、协同工作，以确保BESS的整体安全和效率。在接下来的章节中，将详细讨论每个安全层级，进一步探索它们在系统中的功能、机制和相互作用。本工作中使用的详细缩写及其定义列在缩写表中。

  锂离子电池单体由正极、负极、隔膜和电解液组成。传统锂离子电池采用液态电解液，浸润在隔膜和电极孔隙中，全固态电池中固态电解质兼具隔膜和电解液功能。锂离子电池有多种化学体系，商业电池常用正极材料包括LCO、LFP、NMC、LMO、NCA等，负极常搭配石墨或LTO，应用于交通和储能领域。

  图2:不同的电极材料及其容量和工作电位（相对于Li/Li+）。阴极和阳极材料的组合产生了不一样的锂离子电池化学物质。EV：电动汽车；UPS：不间断电源。

  锂离子电池对电压和温度敏感，石墨基锂离子电池在2.5 - 4.3V电压范围和 - 30 - 55°C温度范围能安全运作，低温时性能直线下降且有锂枝晶等安全问题。电池运行产生焦耳热，正常情况下可散热，但经常使用会因循环和日历老化导致容量下降，常见非能量型故障有内阻增加、锂损失、鼓包、漏液等，虽不引发热失控但影响电池可靠性。

  热失控触发条件与反应过程：电池在非额定工况（热、电、机械滥用）下会触发一系列放热反应。当阳极SEI膜约90°C开始分解，聚合物隔膜（如PE）在120 - 140°C熔化导致内短路和自热，正极材料在150 - 250°C分解释放氧气，引发电解液氧化分解，200°C以上锂与氧气和电解液反应，250°C时产生大量可燃气体，若产热速率大于散热速率，电池温度失控，严重时引发火灾爆炸。

  电池化学体系：高能量型正极材料（如NCA）电池放热反应更剧烈，不同研究表明LCO热稳定性较差（起始放热温度约150°C），LFP和LMO较好（起始放热温度约200°C），常见正极材料热稳定性排序为LFP LMO NMC NCA LCO。

  电池容量：容量越高，存储电能越多，热失控时释放热量越大，如68Ah的LFP软包电池热失控释放热量是1.3Ah的LFP 18650电池的69倍。

  电池SOC：SOC越高，热失控时热量释放和功率增加越显著，LMO软包电池在高SOC（60%）时自热峰值功率呈指数增长，SOC还影响热失控在电池间的传播。

  电池SOH：老化导致容量损失，SOH降低使电池热失控反应程度减轻，但老化电池（尤其是低温老化导致锂枝晶的电池）热失控起始温度更低、发展更快，安全阀门在过热时可降低热失控风险。此外，有机电解液在热失控和燃烧中释放大量热量，NMC正极释放氧气不足以完全燃烧电解液，电池排气、材料和可燃气体在空气中燃烧释放能量远高于无空气情况。

  热管理与热失控传播抑制：与电池单体层面安全不同，模块和机架需应对电池自身产生的热和气体危害。热失控释放热量会使相邻电池温度上升，引发热失控传播风险，且模块和机架设计趋向高单位体积内的包含的能量，电池间距变窄，加剧了此风险。热失控时气体释放带来风险，可燃气体排放可能引发火灾爆炸，温度可达750 - 1000°C，释放的有毒化合物（如HF和CO）危害环境和人体健康。

  整体架构：尽管电池储能系统有多种架构变体，但从概念上有相似之处。典型BESS包含电池部分（电池机架）、功率转换系统（PCS）、变压器（用于电网连接）等。电池机架在左侧，包含串联电池模块，模块由多个单体电池串并联配置，提供一定电压范围（模块20 - 100V，机架200 - 1500V），多个机架并联实现总电流（100 - 1000A）。功率转换系统在中间，与电池机架通过低压直流开关设备连接，包括双向逆变器实现电池充放电，其大小决定BESS功率输出，同时控制有功和无功功率，有多种类型（如PCS100、PCS120）可扩展到多兆瓦设计，与BESS控制器通信接收功率设定点，其保护和切换机制对安全至关重要。变压器及中压开关设备根据电网连接需求（电压、能量和功率要求）选择，用于升压或降压，电网连接点为PCC，有不同电压等级，相应使用不相同开关设备。

  电池管理系统（BMS）：BMS对电池安全至关重要，监测电池电压、电流、温度和SOC等状态，防止滥用，还进行电池均衡，有被动和主动两种均衡方法。BMS通常多层设计，模块内有奴隶BMS测量单体电池数据并传输到机架BMS，机架BMS与奴隶BMS通信并控制直流连接器或断路器，并行连接的机架通过直流组合器耦合，组合器提供隔离和保护，可含额外保险丝和断路器。

  图8.4 MW BESS的单线图，带有两个尺寸电池，每个电池包括八个电池架和一个PCS和中压/低压变压器。

  BESS控制器：将所有组件集成，确保满足电网规范，控制充放电功率，接收BMS数据，触发断路器操作，控制消防、HVAC和环境传感器，与SCADA系统通信，实现智能电网集成，接收操作任务并向转换器发送设定点。

  HVAC、消防联动控制系统和外壳：HVAC维持电池充电和放电时的温度和湿度；消防联动控制系统在热失控或火灾时保障安全；外壳方便操作维护，有多种尺寸和设计（如室内外机柜、容器），可定制，如10ft、20ft、40ft容器等。

  图10.BESS设计示例：对于较小的系统，通常使用容器集成解决方案，如图左侧所示。在这种情况下，上述所有组件都集成到一个框架（机柜或容器）中。大型系统通常使用多个容器，电池放置在单独的容器中，其余设备放置在其专用外壳中。图的右侧显示了应用防滑系统概念的这种布置。

  安全与可靠性关系及设计的基本要求：安全和可靠性相关，不可妥协，系统需设计在故障危及安全时能“停止运行”，在不影响安全的故障后能以“跛行模式”运行。需进行FMEA分析故障，考虑故障可检测性、对性能和安全影响及是否需设计更改。可靠性可通过多种技术估计（如RBD方法），需考虑组件老化（MTBF计算）、设计裕度、软件因素等，设计应确保系统可靠。

  集成组件时的考虑因素：集成不同组件（如新型锂离子电池和BMS到现有系统）时，除基本电气规格外，还需考虑成本、交付时间、可用性、保修和库存等，以及供应商与产品成熟度、合作能力（如共享FMEA等数据）、固件修改能力、电池和BMS系统测试（包括单体和模块性能、电池架电气测试）、可靠性/安全弱点检查（与供应商合作，考虑常见故障如接地故障、保护故障、BMS通信故障、处理器冻结等），新电池和BMS验证后需对总系统进行扩展FMEA分析，通过硬件和软件修改（如添加断开装置、通信链路和看门狗）提高系统完整性，确保安全运行并发出警告和报警信号，安全标准和最佳实践随技术发展不断演进，需要专业知识和技能进行系统设计、集成、控制和操作。

  图12.显示UPS、锂离子电池和BMS的完整系统，以及UPS和BMS之间的潜在断开方式和通信。

  5.1.标准类型与组织：许多国家为保障BESS安全实施了多种法规和法律要求，并提供了降低潜在运行危害的指导方针。适用于BESS的安全标准和规范涵盖从电池单体、模块、机架到系统安装层面，主要有美国保险商实验室（UL）、国际电工委员会（IEC）、联合国（UN）和美国国家消防协会（NFPA）四类标准。

  表1.BESS的关键安全标准，从电池/模块/机架级别到BESS安装级别。

  5.2.UL标准：UL是美国组织，经职业安全与健康管理局（OSHA）授权制定安全标准。UL 1973、UL 1642和UL 9540A常用于电池层面安全。UL 1973确保BESS在实际应用（如光伏集成）中的安全可靠；UL 1642涵盖作为产品电源的锂原电池和可充电锂电池，旨在降低安全风险；UL 9540A是评估BESS热失控火灾传播的标准测试方法，可在BESS多个层面进行测试，也涵盖安装层面安全，其在UL 9540（能源存储系统和设备标准）中被引用，UL 9540为BESS安全可靠运行提供框架，但不涉及单个组件（如电池）。

  5.3.IEC标准：IEC总部位于瑞士，与国际标准化组织（ISO）密切相关。IEC 62619标准（可能伴随IEC 63056标准）规定了工业应用（包括固定式应用）中锂离子电池安全运行的要求和测试。在BESS安装层面，IEC 62933 - 5 - 1和IEC 62933 - 5 - 2分别规定了电网集成式储能系统的安全考虑因素（如危害识别、风险评估、风险降低）和要求（如人员安全以及与周围环境和生物相关的安全事项）。

  5.4.UN标准：电池安全的一个关键方面是遵守联合国制定的运输标准UN38.3，该标准可对从电池单体到模块的各级电池进行测试和认证，确保其在运输过程中的安全。

  5.5.NFPA标准：NFPA是美国专注于防火和减灾的标准组织。其多种标准和规范涉及BESS不同安全方面，如NFPA 855是BESS安装标准，提供全面的防火标准，确保安装得当。

  6.1.质量审计情况：电池系统需接受工厂质量审计，专业审计公司（如Clean Energy Associates，CEA）对储能系统来进行全面评估，以降低运行风险。CEA对超30GWh的BESS项目审计发现1300多个制造质量问题，按制造阶段分为电池单体层面（30%）、模块制造层面（23%）和系统层面（48%）问题，系统层面问题几乎占总缺陷的一半（如图13所示）。

  图13.在超过30 GWh的锂离子储能项目的工厂质量审计中发现的制造质量问题。

  消防安全相关问题：26%的被检BESS电池存在火灾探测和抑制系统质量问题，18%存在热管理系统缺陷，这些对功能安全至关重要，故障会显著增加火灾风险。例如，执行器故障导致无法释放灭火剂，烟雾和温度传感器无响应或布线不当影响烟雾检测，火灾报警终止按钮失灵可能导致误操作（灭火剂误释放或喷水系统误启动），损坏储能设备。

  系统层面问题根源：主要源于BESS集成过程大多为手动且劳动密集，以及上游组件缺陷在早期质量检查中可能被忽略。

  7.1.故障事件趋势与规模相关性：随着BESS市场快速扩张，故障事件（包括火灾和爆炸）增多。自2018年以来，平均每年记录超10起故障，2023年约15起（如图14所示）。现有统计难以确定故障频率与BESS规模的相关性，但大型BESS因连接组件多（如更多电池直流容器）技术上更易故障，过去三年大型系统（能量50MWh）故障报告增多。

  7.2.故障与系统年龄及应用的关系：57%的BESS故障发生在运行前两年（如图15a所示），约50%的事故发生在系统运行时，16%在预调试和调试阶段（如图15b所示），调试不良是安全和性能不可靠的重要因素。近一半故障与太阳能集成有关。

  图15.（a） 基于系统年龄的BESS故障事件分析。（b） 事故发生时BESS状态的统计数据。

  7.3.应对高能密度电池故障的方法及影响：对于涉及高能量密度NMC电池的BESS系统能量故障，有时采用“任其燃烧”方法应对火灾爆炸，但会牺牲至少一个BESS容器并可能导致火势蔓延，燃烧产生的有毒烟雾对环境和人体健康有不利影响。

  了解BESS典型故障模式很重要，过往事件为调查根本原因提供了依据。故障元件包括电池、控制（传感、逻辑电路、通信系统）和其他组件（布线、冷却系统、母线MWh电网规模BESS故障源于液体冷却系统泄漏导致电池模块内电弧，产生大量热引发热失控。EPRI统计显示控制和其他组件分别占故障组件的46%和43%。

  BESS故障原因众多，电池层面包括化学体系不安全、制造缺陷、均衡不良、滥用触发故障、电池间缺乏热屏障、冷却不足、BMS失效（无法检测和应对异常）等；BESS火灾根本原因包括电击防护不足、通风和消防系统失效、运行环境管理不善、安装错误（电气安装不当）等；系统集成和运行层面，BMS、EMS和PMS集成运行困难，不同系统间可能出现通信错误。

  电池单体层面措施：选择热稳定的电池电极和电解液材料，研发下一代安全电池（如固态电池），实施安全设计（安全阀、热熔断器、电流中断装置、正温度系数保护），加强质量控制和自动化制造。

  模块和机架层面措施：精心设计电池热管理系统调节电池温度，增强功能和安全性，商业BESS常用强制风冷和液冷，相变材料和热管等技术也在研究中，热绝缘对抑制热失控传播至关重要，电池和模块间需适当热屏障。

  早期检测与预警方法：设置特征参数阈值是当前主要预警方法，但有时检测到异常时热失控可能已不可阻止。基于电化学、大数据分析和人工智能等新技术可更早发出异常警报并采取安全措施，预测系统、子系统或组件故障，预测消耗品剩余寿命和异常退化，BESS控制器内实时算法采用物理方法，云端算法利用全球数据进行大数据分析。

  系统层面考虑因素：对每个项目进行整体风险评估和危害缓解分析，定期检查测试通风和消防系统确保有效去除可燃气体和防止火灾蔓延，考虑现场供水、环境保护（如洪水区选址）、容器布局和通道安排等。

  事故前后规划：实施事故前规划（包括应急响应计划确保人员安全疏散、协助消防部门、对相关人员培训）和事故后恢复计划（解决退役问题，如系统断电、电池复燃可能、危险废物处理）。

  BESS的重要性与安全挑战：BESS在现代能源基础设施中至关重要，对可持续能源未来转型意义重大，但随着其全球部署加速，安全和可靠性成为关键问题。本文全面综述了BESS安全的关键方面，包括各层级安全考虑、标准、故障事件统计分析、根本原因和缓解策略。

  安全方面的理解与措施：理解从电池单体到整个系统的安全方面很重要，锂离子电池需特定运行条件，超出规格会导致性能下降和热失控等严重安全风险。安全措施包括选择合适电池化学体系、电池与模块间热绝缘、模块/机架内散热，以及采用水喷雾等灭火策略应对电池火灾的可燃和有毒排放。

  安全设计与可靠性要求：安全不可妥协，系统设计需在故障后能进入“跛行模式”或“停止”运行并发出警告和报警。可靠性分析、面向可靠性设计（DFR）和故障模式及影响分析（FMEA）对新BESS系统设计（即使是现有子系统集成）至关重要，需要系统设计、集成、控制、操作和测试方面的专业相关知识和技能。

  故障事件与应对策略：BESS故障事件数量与市场增长相关，需主动采取风险缓解措施。故障根源涵盖电池缺陷到系统集成和运行挑战，实施故障安全设计、早期检测系统和严格质量控制流程是预防故障和提高系统可靠性的关键步骤。

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