中國儲能網訊：2023年4月22日17時56分，甘肅省民勤縣某磷酸鐵鋰儲能電站發(fā)生火災，造成站內1個儲能電池艙燒損，直接經濟損失約410萬元。此后，武威市消防救援支隊在《中國設備工程》發(fā)表《一起儲能電站火災事故的分析與研究》（以下簡稱《事故分析》），披露了本次事故的詳細信息。
圖1：電站火災現場照片
1．事故定性 — 磷酸鐵鋰電池熱失控事故
該儲能電站設有4座集裝箱式儲能電池艙及儲能升壓一體艙。每個電池艙內含14個電池簇，每個電池簇內裝配25個電池模塊。此次起火艙室為1號電池艙。
圖2：1號電池艙內部空間示意圖
依據報案人對事故現場描述，1號電池艙火災前出現“嘭”狀爆炸聲，其后起火部位處有白色煙氣并伴有刺激性氣味，5min后出現黑煙。相關理論表明，電池組內部熱失控時，其內部電解液首先發(fā)生化學反應產生白色煙氣，此后電池組內部出現大規(guī)模短路，導致溫度急劇升高引發(fā)明火，明火點燃相關可燃物生成黑煙。因此，現場事故描述符合鋰電池熱失控特征。
據災后勘驗結果，起火電池中指定模塊呈現擠壓變形狀態(tài)，其余模塊電池均為鼓脹變形狀態(tài)。相關理論表明，電池熱失控過程中，起火點模塊電池最先發(fā)生故障，其電解液分解放熱并產生氣體鼓脹和向外噴放，同時，相鄰電池逐漸受外熱相繼產生氣體鼓脹，對內部氣體已經排空的起火點模塊電池進行擠壓，導致其最終呈現擠壓變形狀態(tài)。因此，災后勘驗結果亦符合鋰電池熱失控外觀特征。
最后，經過對事故外因的核查，外來火源和供電回路過壓等外因被排除，隨后提取電站內部監(jiān)控中心數據進行分析，發(fā)現1號電池艙第4簇第12模塊帶動其周圍模塊在火災前出現了電壓等指標異常變化及BMS告警，這一事實符合該模塊電池最先熱失控后造成周圍模塊相繼受熱短路，最終引發(fā)火災的邏輯順序。
綜上，該起火事故最終被定性為磷酸鐵鋰電池熱失控事故。
表1 事故前電站監(jiān)控中心后臺記錄的事件
2. 事故分析 — 儲能電站主動安全防控設備亟待完善
1）BMS未能準確評估電池狀態(tài)
依據電站內部監(jiān)控中心數據（表1），本次熱失控為第4簇第12模塊電池過壓升溫，帶動周圍模塊大面積短路導致。
進一步追溯該模塊過壓升溫的原因，該模塊設計充電時間為2h，而當日15時暨事故發(fā)生前兩小時左右，現場測試人員對電池進行滿充測試，實際充電時間達到了3h，是可能導致電池進入過充濫用的高風險行為。
出于事故防范和安全運營的角度，電站對測試人員操作的安全性應配置有效的監(jiān)測，并在發(fā)現不恰當操作時給出及時示警。然而，電站BMS只在事故發(fā)生前20分鐘處進行了過壓告警，而在事故前兩小時現場人員進行超時滿充測試操作時，BMS沒有對超時充電操給出進行任何風險提示。
從電池機理出發(fā)，電池是否進入過充狀態(tài)以電池荷電狀態(tài)（SOC）為判定基準，當監(jiān)測到電池SOC超過100%時，則可以判定電池處于過充狀態(tài)。
理論上，BMS可以實現簇級SOC評估，但實際工程中其評估誤差往往較高，在實際工程案例中可高達65%；此外，BMS自身失效率也較高，據美國電力研究協(xié)會（EPRI）統(tǒng)計，2024年儲能電池故障案例中有29%來自儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)失效導致的操作不當。因此在本事故中，BMS可能由于對SOC的評估不準（低估了電池的SOC），導致電池在超時充電時未能及時給出風險提示。
圖3：某儲能電站BMS評估各簇SOC一致性良好的電池時出現近66%的誤差
若電站能實現對電池SOC等電池日常運行指標的精準實時評估，并在相應指標超限時及時提醒運維人員停止對應電池濫用行為，則可極大地降低后續(xù)的熱失控風險。
2）BMS未能及時檢出電池早期故障
拋開事故中的人為超時充電因素，第4簇第12模塊電池內部缺陷也可能是其在本次事故中率先起火的原因。由于BMS自身的存儲和算力有限，無法基于長周期數據的分析實現對電池早期故障的預警，因此起火點模塊電池在事故前可能已有累積的早期故障（如內部活性物質損失、內短路等）未被及時檢出。
內短路是大多數電池熱失控的重要原因，歷史儲能電站熱失控事故案例中有90%均源自內短路。內短路從開始出現異常到發(fā)生熱失控會經歷數十到數百小時，在故障早期會表現電壓曲線上某些特征量的異常。若電站能準確識別、檢出早期內短路電池并及時更換，則可以遏制其最終發(fā)展為熱失控。
3）電站BMS未能及時對熱失控進行報警
本次事故發(fā)生前20分鐘，起火點第4簇第12模塊電池已經出現升溫，但BMS在當時僅僅給出了過壓警告，未對可能導致起火的危險溫升現象作出提示；此外，起火點模塊電池出現過溫后，艙內14簇各模塊電池受熱出現了整體溫升現象，BMS也未對該現象及此后的熱失控作任何明確提示。
事實上，目前市場上普遍應用的BMS報警往往采用較為粗糙的單一指標（如電壓、溫度等）閾值，當指標超過閾值時觸發(fā)警報，存在報警不及時、不可靠的問題。此外，BMS的溫度感知也常出現失效、溫漂等故障，容易造成誤報漏報。
若能對電池多維信號進行復雜模型分析，在熱失控發(fā)生早期實現報警，則可以指示運維人員及時采取斷電等措施抑制熱失控發(fā)展，最終避免嚴重事故的發(fā)生。
3. 事故反思 — 儲能主動安全勢在必行
儲能電站的安全防控體系應包含本征安全、主動安全、被動安全三個環(huán)節(jié)。其中，主動安全環(huán)節(jié)貫穿于電站運行維護階段，通過分析儲能電站運行數據，實時評估電池安全狀態(tài)，識別和定位安全風險隱患，通過主動運維措施，可及時排除故障風險，避免嚴重事故發(fā)生。
然而，目前多數儲能電站的運行監(jiān)測主要依賴BMS。BMS存在電池狀態(tài)評估精度低、自身失效率高、難以檢出電池早期故障等問題。在本次事故中，BMS自身缺陷正是造成事故的重要風險因素。此外，現有儲能電站運維手段也存在不足。定期的被動運維檢修依靠人工檢修，工作量大，效率低下，難以及時發(fā)現安全隱患。
基于這一背景，北京西清能源科技有限公司依托清華大學四川能源互聯(lián)網研究院研發(fā)了一套完整的儲能電站主動安全及智能運維技術，并基于此成功研發(fā)了儲能主動安全一站式預警系統(tǒng)。自從2020年實現國內首臺最大單體儲能電站應用以來，目前已累計覆蓋儲能裝機容量超過4.0GWh，單站最大容量超過600MWh。
圖4：西清能源首創(chuàng)的主動安全三級防控體系
針對本事故中因BMS缺陷而造成的各個安全漏洞環(huán)節(jié)，西清主動安全系統(tǒng)可以實現：
1）電站安全狀態(tài)評估：基于大數據-電池機理融合模型實現電池單體級SOC及SOH評估，評估誤差3%，相比電站BMS簇級評估的顆粒度更細，且評估精度相比國標要求提升40%，可在SOC越限、電池異常衰竭時及時發(fā)出風險告警。
圖5：西清儲能主動安全系統(tǒng)在線安全評估界面
2）電站安全隱患辨識及診斷：基于模式識別算法可對電站內存在的安全風險隱患—如BMS對SOC評估不準、傳感器失效、均衡失效以及熱管理系統(tǒng)故障等問題進行識別、定位、告警，避免因BMS失效或熱管理系統(tǒng)故障造成電池濫用。在西清儲能主動安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障中，有近75%為BMS故障，13.1%為制冷設備故障。
圖6：西清儲能主動安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障類型統(tǒng)計
基于狀態(tài)評估及異常識別的結果，融合專家知識及運維現場經驗構建了故障診斷及智能運維知識圖譜，實現對檢出的風險隱患進行診斷分析，并提供有針對性的運維措施建議。
圖7：西清儲能主動安全系統(tǒng)的故障分析診斷功能
3）電池早期故障準確識別及診斷：基于多維健康因子提取、漏電流模型等智能算法準確識別電池早期故障特征，實現內短路電池、異常衰竭檢出準確率>99%，相比報警算法粗糙、無法實現內短路檢出的BMS實現質的飛躍，可將熱失控的誘發(fā)早期故障及時檢出并扼殺在搖籃里。
圖8：西清儲能主動安全系統(tǒng)在某儲能電站檢出的內短路電池案例
4）熱失控及時告警：基于多指標復雜模式聯(lián)動分析算法，可提前15分鐘以上發(fā)現熱失控征兆，通過采取及時斷電等措施抑制熱失控進程，避免事故發(fā)展到消防階段。
表2：西清主動安全系統(tǒng)與BMS的安全防控能力比較
表3：西清主動安全系統(tǒng)評估功能及效用
西清主動安全系統(tǒng)在目前儲能電站主動安全市場上占有率高于80%，已在山東、江蘇、內蒙古、重慶多地大型儲能電站獲得實際工程應用，守護超過4.0GWh電站的安全，其中單站最大容量超過600MWh，且已投運于國內最大的兩個百兆瓦級儲能電站。
圖9：西清主動安全系統(tǒng)部分應用項目分布
4．結語
2011年以來，全球已發(fā)生大型儲能電站火災爆炸事故100余起，安全事故成為阻礙儲能行業(yè)高效穩(wěn)定發(fā)展的首要瓶頸。近年來，國家能源局、工信部、國標委等多次發(fā)文要求加強儲能運行安全建設，2023年11月，國家能源局對儲能電站風險監(jiān)測能力作出嚴格規(guī)定，提出“各電力企業(yè)應于2024年12月31日前完成本企業(yè)監(jiān)測能力建設，2025年以后新建及存量電化學儲能電站應全部納入監(jiān)測范圍”；此后，廣東省、山東省等地方部委陸續(xù)發(fā)布儲能電站設計規(guī)范，實現國家方針向地方實踐的逐步滲透。
表4. 加強儲能主動安全建設的政策號召
2025年2月17日，工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲能制造業(yè)高質量發(fā)展行動方案》，明確提出“加強新型儲能各技術路線熱失控及燃燒爆炸失效機理研究，發(fā)展基于電壓、溫度、荷電狀態(tài)、變化率等運行關鍵參數智能傳感器，結合先進算法開發(fā)高精度儲能系統(tǒng)安全故障預判和診斷技術、儲能電池熱失控預警技術、儲能電池狀態(tài)和殘值評估技術及相關驗證技術”，該方案嚴密契合將電站安全防控建設融入日常安全評估、早期故障檢出和重大事故預警三大環(huán)節(jié)，實現安全防控主動、科學與體系化的實踐要求。
圖10：工信部2月17日發(fā)文細則
作為國內儲能主動安全技術的領創(chuàng)者，西清能源愿攜手全行業(yè)同仁積極響應政策號召，精研覃思，奮楫篤行，助力電化學儲能主動安全專業(yè)領域蓬勃發(fā)展，推動國家新能源戰(zhàn)略實施和“雙碳”目標的實現。
