5種主動(dòng)安全防護(hù)法，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能電站熱失控！

儲(chǔ)能鋰離子電站主動(dòng)安全，指存在安全隱患的電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障或者造成嚴(yán)重后果之前，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、早期預(yù)警等手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，避免后續(xù)損失。

國(guó)內(nèi)外已有的主動(dòng)安全防護(hù)方法依據(jù)大多為根據(jù)電池熱失控機(jī)理，對(duì)電池?zé)崾Э貭顟B(tài)的主要因素進(jìn)行表征分析，提取相關(guān)特征后，通過(guò)對(duì)特征量進(jìn)行采集和處理，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)警或聯(lián)動(dòng)防護(hù)控制。

目前，國(guó)內(nèi)電池?zé)崾Э刂髁髋袆e方法有三個(gè)其一是，電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池運(yùn)行時(shí)的溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)；其二是，電池內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)、溫度等能反映電池充放電熱失控狀態(tài)；其三是，電池模組熱失控不同階段釋放氣體種類(lèi)、濃度不一樣，通過(guò)對(duì)電池模組氣體種類(lèi)及濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以對(duì)電池?zé)崾Э剡M(jìn)行判斷。

基于電池內(nèi)部溫度的熱失控判別

BMS可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池表面電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定電池模組是否處于熱失控狀態(tài)。缺點(diǎn)是電池是一個(gè)完全密封的整體，表面荷電狀態(tài)不能充分反映電池內(nèi)部工作狀態(tài)，特別是大功率充放電時(shí)，電池模組內(nèi)外溫度差很大（最大可達(dá)20℃）。

電池內(nèi)部溫度時(shí)反映電池安全狀態(tài)最直接有效的信號(hào)，基于電池內(nèi)部溫度的熱失控預(yù)警方法主要有兩種內(nèi)嵌傳感器測(cè)量法與測(cè)量?jī)?nèi)部阻抗-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系法。

電池內(nèi)嵌傳感器法（如內(nèi)嵌布拉格光纖傳感器等）會(huì)改變電池結(jié)構(gòu)，難以與現(xiàn)有電池生產(chǎn)工藝匹配，應(yīng)用推廣困難。

基于阻抗相移監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部溫度法有效彌補(bǔ)了內(nèi)嵌傳感器的缺陷。電池工作時(shí)，內(nèi)部阻抗相移與電池內(nèi)部溫度具有很強(qiáng)的相互聯(lián)系。電池?zé)崾Э卦缙冢砻鏈囟葻o(wú)明顯變化，但電池內(nèi)部阻抗相移明顯異常。不過(guò)這種方法的缺點(diǎn)是需要依賴精密測(cè)量?jī)x器，成本較高。

測(cè)量?jī)?nèi)部阻抗-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系法，依據(jù)是電池工作狀態(tài)變化時(shí)，光纖傳感器接受到的光折射率、折射光波長(zhǎng)會(huì)隨之變化，結(jié)合BMS，可以準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部溫度等性能指標(biāo)，對(duì)電池?zé)崾Э剡M(jìn)行有效預(yù)警。

具體來(lái)看，電池過(guò)充開(kāi)始階段，在30-90Hz頻帶內(nèi)動(dòng)態(tài)阻抗的斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正，此時(shí)切斷充電可成功避免電池?zé)崾Э厥鹿实陌l(fā)聲，預(yù)警時(shí)間比熱失控提前580秒。而且，該法不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用，成本較低。

基于電池氣體的熱失控判別

鋰離子電池熱失控早期，內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)會(huì)釋放大量氣體，通過(guò)在儲(chǔ)能電池模組周?chē)胖脷怏w傳感器探測(cè)相關(guān)氣體種類(lèi)及濃度是一種可對(duì)電池?zé)崾Э剡M(jìn)行有效預(yù)警的方法。

電池?zé)崾Э夭煌A段產(chǎn)生的氣體種類(lèi)及濃度不同。

熱失控早期電池模組外殼完好，無(wú)明顯溫度上升情況，會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳、一氧化碳、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、甲烷等氣體。

隨著熱失控情況的進(jìn)一步惡化，電池模組外殼出現(xiàn)破裂，溫度劇烈升高，電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，產(chǎn)氣率上升。二甲醚、甲酸甲酯、乙烯等有害氣體開(kāi)始產(chǎn)生。

磷酸鐵鋰電池模組研究發(fā)現(xiàn)，電池?zé)崾Э剡^(guò)程中，氫氣濃度變化最為靈敏，可將其作為電池?zé)崾Э仡A(yù)警氣體。

基于電池內(nèi)部氣壓的熱失控判別

內(nèi)部氣壓法依據(jù)為電池正常工作時(shí)，內(nèi)部氣壓與大氣壓一致；電池發(fā)生熱失控時(shí)，內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)短時(shí)間內(nèi)釋放大量氣體，電池內(nèi)部氣壓大幅上升。

改法漏判率較高，原因是受單個(gè)電池個(gè)體容量、體積等限制，單個(gè)電池發(fā)生熱失控時(shí)產(chǎn)生的氣體無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)氣壓閾值，難以觸發(fā)熱失控預(yù)警。

此外，電池由于熱失控引起的氣壓變化峰值時(shí)間較短（一般為100ms左右），隨后氣壓迅速上升導(dǎo)致泄壓閥開(kāi)啟，電池內(nèi)部氣壓迅速回落。受氣壓傳感器采樣頻率等因素影響，可能無(wú)法及時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部氣壓的迅速變化，無(wú)法觸發(fā)預(yù)警。

基于電池膨脹力的熱失控判別

膨脹力檢測(cè)法依據(jù)為鋰離子電池電芯進(jìn)行充放電時(shí)，內(nèi)部鋰離子的嵌入/析出會(huì)導(dǎo)致電芯厚度改變，使得電芯發(fā)生膨脹現(xiàn)象。電池充電時(shí)，內(nèi)部鋰離子從正極脫出嵌入負(fù)極，導(dǎo)致負(fù)極間距增大，使電芯膨脹。鋰離子電池?zé)崾Э貢r(shí)，電芯膨脹力會(huì)發(fā)生顯著變化。

不過(guò)，該法尚處于試驗(yàn)研究階段，問(wèn)題平靜主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面其一是，電池種類(lèi)及體積大小不同，內(nèi)部膨脹力變化不同（磷酸鐵鋰電池膨脹力明顯小于三元鋰電池）；其二是，電池本體材料體系相同或相近，不同負(fù)極體系的兩種電池，充放電膨脹力變化情況也不同（811三元正極材料電池配合硅碳負(fù)極材料使用時(shí)，膨脹力明顯大于配合石墨體系負(fù)極）；其三是，電池處于不同荷電狀態(tài)，其膨脹力變化不同（三元523電芯，荷電狀態(tài)80%時(shí)膨脹力變化最明顯）等。

基于聲信號(hào)的熱失控判別

電池排氣聲信號(hào)在熱失控狀態(tài)下和正常工作狀態(tài)下具有特異性，進(jìn)行特征提取后，可形成有效的識(shí)別特征集?；陔姵嘏艢獾穆曅盘?hào)進(jìn)行熱失控預(yù)警，準(zhǔn)確率可達(dá)92.31%。

該法優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施速度快、靈敏度高、成本低，且聲學(xué)信號(hào)易于檢測(cè)，應(yīng)用范圍廣等；缺點(diǎn)是僅能識(shí)別電池排氣聲信號(hào)，進(jìn)行有無(wú)判斷，無(wú)法精確定位熱失控故障單元。