电化学储能电池实际应用中的安全管理探讨与实践

电化学储能电池实际应用中的安全管理探讨与实践

杨诚

上海齐耀重工有限公司 200090

摘要：近年来围绕“双碳”目标的产业实践广泛开展，我国先后提出了建设现代能源体系和新型电力系统两个重要目标，储能系统作为支撑技术得到了快速发展和广泛应用，储能式电池在储能领域扮演着重要角色。随着其应用领域的不断拓展，安全问题也逐渐显现，特别是储能电池在消防安全方面更是“备受关注”。建立一套快速可靠的火灾监测与精准抑制的应急响应系统迫在眉睫。 

通过更严格的设计标准、设置超前火灾探测预警、监测并实现联动控制，可以在早期迅速发现火灾风险及时作出应急响应，有效降低电池热失控带来的火灾和爆炸风险。基于此，本文对电化学储能电池火灾监测与应急响应进行研究，并结合自身实际工作经验探讨如何从防火设计角度最大程度地保障储能电池模块的安全运行，给出管理建议和应对措施。

关键词：储能式电池模块；火灾监测；应急响应

引言：当今世界新型储能发展迅速，自“十四五”以来，我国新增的新型储能装机直接推动经济投资超1千亿元。随着技术应用更新迭代、上下游产业链进一步拓展，新型储能产业已经成为我国经济发展的“新引擎”。

根据CIES 发布的《2024年中国新型储能产业发展白皮书》中介绍，2023年我国储能累计装机功率约为83.7GW（其中：新型储能累计装机功率约为32.2GW，同比增长196.5%）。2023年我国新增装机量约26.6GW（其中：新型储能新增装机量约21.3GW，与去年同期相比增长了近3.6倍）。2023年中国新型储能累计装机中，各技术路径占比情况为：锂离子电池占比94.9%，液流电池占比0.9%，压缩空气储能占比0.6%，飞轮储能占比0.5%，铅蓄电池占比1.1%。

虽然我国在新型储能领域尤其是电化学储能方面取得了斐然的成绩，但作为一名从事安全生产工作的一线人员，我们也应正确认识到，现阶段电化学储能电池在技术上仍未达到本质意义上的安全，电化学储能电池在遇到短路、过热、挤压等情况会引发电池内部的链式反应，使热失控的过程不可逆转，连锁反应会使电池产生更多的热量和气体，最终引发火灾和爆炸等严重事故。

因此，对电化学储能电池在实际使用过程中的安全隐患进行探究及改善，实现电化学储能安全可持续发展具有重要的实际意义。

一、电化学储能电池工作原理

储能式电池模块是一种能够储存电能并在需要时释放电能的装置。其工作原理基于电化学反应，在充电时将电能转化为化学能储存，在放电时将化学能再转化为电能输出。储能式电池模块由多个电池单体组成，在充电时，电荷通过充电控制系统逐个存储到电池单体中；在放电时，各电池单体释放电荷，通过放电控制系统输出电能。通过管理充电和放电过程中的电流和电压，以及控制电池温度和循环次数，实现对储能系统的合理使用和保护。储能式电池模块的工作原理关乎电化学、材料科学和控制技术，其高效、安全地运行不仅有利于提高电化学储能电池利用效率，还对可再生能源的普及和应对能源变化具有重要意义。

图1 电化学储能电池工作原理

二、电化学储能电池火灾主要特点

2.1 易于复燃，一次性扑灭难度大

以锂离子电池为例，电池在发生短路、过载等异常情况后，电池内部会发生剧烈化学反应，引发内部温度持续升高，当电池内部温度突破临界值我们则可以认为电池已处于热失控状态。高温会加速可燃气体的产生并加大电池内部压力，当可燃气体浓度达到爆炸条件时，受到高温的作用就会形成爆炸。

电池内的正极材料和负极材料还能分别生成氧化剂和还原剂，不断产生热量和可燃气体，导致复燃情况反复出现，加大了消防救援难度。

2.2 选址及平面布置不利于应急救援

目前储能电池模块在建设规划时主要分两类：储能电站式和预制舱式。大部分企业在项目建设前期选址时，未能对电化学储能系统开展充分的危险源风险辨识和风险控制，未能全面地考虑风向、地势、水源等环境因素可能对系统带来的影响。设备平面布置通常较为紧凑，导致防火分隔难以落实、防火间距不足。事故发生后火势迅速蔓延，采用传统水系统灭火时，无法有效的对起火点实施精准的冷却、隔离处置。

2.3 触电、中毒和爆炸风险性高

电化学储能电池发生起火后，伴随火灾形成的燃烧产物通常含有大量的有毒有害和易燃易爆气体，如：H2、CH4、C2H4等属于易燃易爆气体，氟化物则属于有毒有害气体。这类气体在电池失火后会在相对密闭的空间内形成大量的烟雾，阻挡和延缓救援行动的开展并导致救援人员在吸入后产生中毒情况。同时随着易燃易爆气体的不断产生，室内压力逐渐增高，当达到爆炸浓度极限时，最终将引发爆炸事故。

另一方面为了考虑经济效益，储能电池利用电网谷峰之间的电价差异对电池进行充电、放电，使电池长期处于高压带电状态。起火后若没有及时切断电池系统供电，救援行动时人员发生触电的危险性将大大提高。

2.4 救援时间长，后勤压力大

电化学储能电池发生火灾后会形成连锁反应，电池表面明火在被扑灭后，电池因受到外壳的“保护”，使得灭火剂（通常为水或泡沫液）无法深入内部进行冷却，此时电池内芯依然处于高温状态并持续放热。内部高温的积聚是导致电池多次复燃的主要原因。

根据美国国家消防协会（NFPA）最近的一份报告显示：扑灭一辆起火燃油车的用水量约为1吨，而扑灭一辆电动车的用水量在十几吨到100吨。公开资料还显示，在2023年4月，一辆特斯拉Model S因碰撞起火，消防员花费近7小时，消耗106吨水才将火灾扑灭。

由此我们可以看出电化学储能电池在事故发生后对应急救援和后勤保障工作带来巨大的挑战。

三、电化学储能电池安全管理现状及问题

目前，我国在电化学储能电池领域的设计主要还是参照2015年8月1日实施的GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》作为设计依据。规范编制时我国的电力储能领域尚处于技术发展初期，在理论技术方面还处于探索阶段，同时对电化学储能的实际应用尚处于试验的验证阶段，所以在市场应用方面的场景也较为单一。随着时间的推移、技术更新迭代，现今我国在电力储能方面的规模和应用场景均发生了巨大的变化，安全风险显著提升，以下列举几个电化学储能在消防安全方面存在的一些共性问题：

3.1 规范标准模糊，整体安全设计定位偏低

从已发生火灾的案例分析来看，电化学储能电池一旦失控引发火灾，其燃烧现象主要体现在：火灾燃烧强度大、复燃发生率高、同时还兼具爆炸和有害气体产生等多种复合风险并存的情况，应急处置难度不同于一般火灾。但《电化学储能电站设计规范》中，除了将钠硫电池火灾危险性定为甲类，列为严重危险等级外。对其它型式的电池在火灾危险性分类中均定为戊类，属轻危险等级。同时对新型锂离子电池储能系统在火灾危险性方面存在的风险认识不充分，相应的消防标准体系尚未建立。目前锂离子电池储能电站在安装、运行、管理等过程的消防安全缺少相关数据做对比分析，导致消防标准体系在制定设计标准时相对偏低，无法做到控制火势、扑灭火灾及减少受灾损失的目的。

3.2 电化学储能电池火灾探测和预警机制的滞后

各种技术、类型的电化学储能电池因自身材料特性不同，在电池安全失效的早期，会有多种异常特征，如：电压异常、电流异常、温度异常等，如果能在电池失效的早期有效监测、预警到异常信号，将能够把安全风险管控前移，有效降低事故发生的可能性。

GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》第11.4.1条规定：主控通信室、配电装置室、继电器室、电池室、PCS室、电缆夹层及电缆竖井应设置火灾自动报警系统。同时根据《规范》中表11.4.2条规定：探测器设置类型为感烟式火灾探测器、吸入式感烟探测器和线型感烟探测器。在各类电化学储能电池中，锂离子电池的技术和产业链最为成熟，也是目前市场应用最广的一种电化学储能电池，但锂离子电池在失效早期的主要技术特征具体表现为释放大量热量，温度会在短时间迅速升高，如改为设置感温火灾探测器将更有利于灾情的早期探测、预警。

3.3 消防灭火设施设计标准未有效分类制定

电化学储能电池起火燃烧的原因复杂且电池的技术种类、规格繁多，若将所有电池种类均按同一分类的火灾类型来设置自动灭火设施，很难做到精准、有效地抑制电池燃烧。而现行规范对灭火设施并没有提出明确的相关国家强制标准，各地均根据自身情况结合经验制定灭火设施的设计要求。

例如，部分企业参照电子设备场所的设计要求来设置灭火设施或者按传统模式的自动喷水灭火系统来设计，在实际应用中传统水系统在扑灭储能电池火灾中，仅能起到将燃烧物与周边可燃物进行分隔的作用，却无法实现窒息和冷却的灭火机理。同时水具有一定的导电性，传统水喷淋系统在灭火救援过程中喷射大量的水，可能引发电气短路，存在扩大电气事故的救援范围和导致次生灾害的发生。

四、电化学储能电池安全技术对策

4.1 提高设计规范标准，完善消防验收制度

随着去年国家能源局在《防止电化学储能电站火灾事故的重点要求》中提出的“二十五项措施”以及国标《电化学储能电站安全规程》、国标《电化学储能电站应急演练规程》等多个涉及安全政策文件或标准的陆续发布和实施，国标《电化学储能电站设计规范》也在加快修订。同时各地方、行业也在积极探索新的管理模式、制定新的规范标准，电化学储能的消防安全体系标准正逐步完善。

2023年11月山东省住建厅，发布了《山东省建设工程消防设计审查验收技术指南（电化学储能电站）》，对电化学储能电站的消防验收设计审查提出具体要求，主要对总平面布局、建筑与结构、电气与控制、供暖通风与空气调节以及给排水作出规定。同时指南还规定锂离子电池厂房火灾危险性类别参照乙类，耐火等级不应低于二级。相对2014年版国标《电化学储能电站设计规范》火灾危险性类别戊类的分类，大幅提高了锂离子电池火灾危险性等级，这是里程碑式的创新，极具参考意义。我们在工作中应根据自身情况加以参考、吸收，从项目设计源头上做好安全风险辨识和风险控制，制定行之有效的控制措施和管理方法。

4.2 设置高精度探测器和早期预警装置

针对电池特性，在失效早期通常都会产生一些不同寻常的异常现象，比如：电压和电流异常、温度升高、气体产生等。因此，在不同的应用场景下通过测量或估算这些特征信号来监控初期的热失控也是提高电池安全性的有效方法之一。

以锂离子电池为例，我们可以设置包括但不限于以下一种或多种的监控和监测装置：

（1）感温探测器：锂电池在发生内短路时，会释放大量热量，温度会在短时间迅速升高，利用电池热过载升温这个特点，设置感温探测器相比于感烟探测器能提早5～10分钟发现异常情况。

（2）气体探测器：电池热过载升温影响，锂电池会产生大量易燃易爆的气体。占比最高的气体分别是CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6，这七种气体占比可达99%以上。

图2
电化学储能电池可燃气体释放采集

部分电池设备厂商也会根据电池热失控释放气体，开发出适用于自家的特征气体探测器，用来监测电化学储能站的安全。企业在采购时可以选择厂家配套的气体探测器安装，这样可以更有效地做到异常状态的早期监测。

（3）电池管理系统（BMS）：依靠内置的电压传感器和温度传感器实时对pack中每个锂离子电池单体端电压和表面温度进行监控。一旦监测到异常信号，BMS即会触发报警。

（4）电压传感器：通过冗余性设计应用智能算法，控制电路和准确的电压阈值来监视每个锂离子电池单元中电压异常现象。

（5）超声波监测：利用声波在电池内部传导并与电极材料发生相互作用，从而获得电池电解液产气、电解液浸润状况、负极析锂分布、荷电状态和健康状态等内部结构特征变化的监控。
 

图3超声波检测原理图

通过采用多种类型探测、监测装置的设置和应用，可以从多维度、全方位地强化电化学储能电池在使用过程中的实时监控和安全监测，通过技术手段将安全监测装置与电气控制端进行信号的互相关联，当发现异常情况后及时发送信号，联动断开电池簇（组）断路器同时启动通风系统和自动灭火装置并发送报警信号，有利于在电池失效早期发现安全隐患，及时预警、精准抑制。

4.3 设置高效消防介质及消防设施

按照目前主流电化学储能电池模块的布置方式和燃烧特性，其火灾类型主要分为：A类火灾（A类深位火灾）、B类火灾、C类火灾和D类火灾几种类型，在面对组合存在且灭火性质不同的复合火灾条件下，如何选择一种具有相对可靠性和广泛适用性的灭火介质和灭火方式成为我们目前亟需思考的问题。

图4不同灭火剂的灭火原理及优缺点

（1）选择气液两相气雾灭火技术的复合型灭火系统，通过高压气体对系统配水管内的灭火剂的二次激化，形成微米级的雾化颗粒喷洒释放，在电池箱内形成雾气弥漫，降低火场氧气含量、降低室内环境温度和隔绝热辐射的多重作用，有效扑灭初期火灾并防止电池自身特性导致的复燃发生；

（2）选择具有多级、间歇性喷射的气体灭火系统，应具有不少于3次的间歇喷射以及持续降温功能，通过循环多次点喷可有效抑制热失控，并形成全淹没状态，达到不复燃的要求；

（3）选择专用电池箱喷头，通过管路喷头将灭火药剂直接作用于失控电芯内，达到早期精准处置的效果；

（4）选择新型脉冲式热气溶胶自动灭火系统，在火灾未形成或者火灾刚发生时，通过气溶胶技术隔离、稀释阻燃剂并抑制链式反应，可快速消灭火源，防止火灾扩散，从而将火灾影响降低到最低限度；

（5）设置消防给水系统，消防水源应优先采用市政供水，也可采用消防水池或天然水源供水，应采用两路供水模式保证供水可靠，同时还应根据电池的火灾特性，选择是否设置沙池；

（6）设置通风排烟设施，根据电池特性可选用防爆型通风排烟设施，当室内可燃气体浓度大于报警阈值时，联动断开电池簇（组）的供电并联动启动事故通风系统和报警装置，同时应保证设备正常运行时处于自动状态，避免电池工作状态中的热积蓄。

五、电化学储能电池管理措施

5.1 完善应急救援预案

建立完善的应急救援预案是储能电池使用过程中重要的安全保障措施，企业应根据自身实际情况编制应急预案，明确各级人员在应对突发事故中的职责和任务，同时加强企业从业人员的经常性培训并定期组织开展相关的综合演练或单项演练，提升应急救援能力。

5.2 编制安全规程

根据最新发布的GB42288-2022《电化学储能电站安全规程》要求，建立安全生产责任制和安全生产规章制度，通过开展危险源辨识工作，梳理现场作业过程中存在的风险点，做出风险等级划分。根据风险等级和风险数量针对性地编制岗位安全操作规程。

5.3 加快推进安全标准化建设

应根据项目自身特点创建符合电化学储能电池特色的安全标准化体系，通过对安全生产责任制、安全施工组织设计、安全检查、安全教育、特种作业管理、专项管理、高风险管理、安全标志、安全事故处理、应急管理等全方位策划，全面推进现场安全标准化工作。

结束语

本文对电化学储能电站（池）在项目建设和日常应用中的安全风险进行了分析，并在安全管理方面提出了相应的对策。同时开展了相关理论研究和实际测试，验证部分安全设施防护性能，得到了以下结论。

（1）布拉格光纤温度传感器具有不受电磁干扰、重量轻和体积小、安装方便、耐腐蚀等优点，相比于传统光纤式温度传感器具有更好的温度分辨率和更高的温度灵敏度，大大提高电池失效时早期的温度变化监测。

（2）气液两相气雾灭火技术，通过高压气体二次激化，形成微米级的雾化颗粒喷洒释放，在电池箱内形成雾气弥漫，可对火灾形成多级间歇性喷射，形成内部全淹没状态达到不复燃的要求，灭火效能比传统灭火系统提升150%。

（3）通过提升预制舱式储能电站设备壳体制造以及内部装修、保温材料的防火等级要求，在外壳、铺地、保温等材料选择上均选用A1级不燃材料，同时对舱体内管线、孔洞等处实施防火封堵。使火灾发生后因受舱体的保护和限制，失控的火焰仅在燃烧、爆炸瞬间可能从预制舱短边端与长边连接缝隙处蹿出，其余火焰几乎均在舱体内部燃烧，有效地限制了火灾蔓延速度，减少过火面积。

参考文献

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

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