中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2023年4月22日17時(shí)56分，甘肅省民勤縣某磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，造成站內(nèi)1個(gè)儲(chǔ)能電池艙燒損，直接經(jīng)濟(jì)損失約410萬元。此后，武威市消防救援支隊(duì)在《中國設(shè)備工程》發(fā)表《一起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的分析與研究》（以下簡(jiǎn)稱《事故分析》），披露了本次事故的詳細(xì)信息。
圖1：電站火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)照片
1．事故定性 — 磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厥鹿?/strong>
該儲(chǔ)能電站設(shè)有4座集裝箱式儲(chǔ)能電池艙及儲(chǔ)能升壓一體艙。每個(gè)電池艙內(nèi)含14個(gè)電池簇，每個(gè)電池簇內(nèi)裝配25個(gè)電池模塊。此次起火艙室為1號(hào)電池艙。
圖2：1號(hào)電池艙內(nèi)部空間示意圖
依據(jù)報(bào)案人對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)描述，1號(hào)電池艙火災(zāi)前出現(xiàn)“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(xiàn)黑煙。相關(guān)理論表明，電池組內(nèi)部熱失控時(shí)，其內(nèi)部電解液首先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生白色煙氣，此后電池組內(nèi)部出現(xiàn)大規(guī)模短路，導(dǎo)致溫度急劇升高引發(fā)明火，明火點(diǎn)燃相關(guān)可燃物生成黑煙。因此，現(xiàn)場(chǎng)事故描述符合鋰電池?zé)崾Э靥卣鳌?/span>
據(jù)災(zāi)后勘驗(yàn)結(jié)果，起火電池中指定模塊呈現(xiàn)擠壓變形狀態(tài)，其余模塊電池均為鼓脹變形狀態(tài)。相關(guān)理論表明，電池?zé)崾Э剡^程中，起火點(diǎn)模塊電池最先發(fā)生故障，其電解液分解放熱并產(chǎn)生氣體鼓脹和向外噴放，同時(shí)，相鄰電池逐漸受外熱相繼產(chǎn)生氣體鼓脹，對(duì)內(nèi)部氣體已經(jīng)排空的起火點(diǎn)模塊電池進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致其最終呈現(xiàn)擠壓變形狀態(tài)。因此，災(zāi)后勘驗(yàn)結(jié)果亦符合鋰電池?zé)崾Э赝庥^特征。
最后，經(jīng)過對(duì)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(nèi)部監(jiān)控中心數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)電池艙第4簇第12模塊帶動(dòng)其周圍模塊在火災(zāi)前出現(xiàn)了電壓等指標(biāo)異常變化及BMS告警，這一事實(shí)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(zāi)的邏輯順序。
綜上，該起火事故最終被定性為磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厥鹿省?/span>
表1 事故前電站監(jiān)控中心后臺(tái)記錄的事件
2. 事故分析 — 儲(chǔ)能電站主動(dòng)安全防控設(shè)備亟待完善
1）BMS未能準(zhǔn)確評(píng)估電池狀態(tài)
依據(jù)電站內(nèi)部監(jiān)控中心數(shù)據(jù)（表1），本次熱失控為第4簇第12模塊電池過壓升溫，帶動(dòng)周圍模塊大面積短路導(dǎo)致。
進(jìn)一步追溯該模塊過壓升溫的原因，該模塊設(shè)計(jì)充電時(shí)間為2h，而當(dāng)日15時(shí)暨事故發(fā)生前兩小時(shí)左右，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員對(duì)電池進(jìn)行滿充測(cè)試，實(shí)際充電時(shí)間達(dá)到了3h，是可能導(dǎo)致電池進(jìn)入過充濫用的高風(fēng)險(xiǎn)行為。
出于事故防范和安全運(yùn)營的角度，電站對(duì)測(cè)試人員操作的安全性應(yīng)配置有效的監(jiān)測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)不恰當(dāng)操作時(shí)給出及時(shí)示警。然而，電站BMS只在事故發(fā)生前20分鐘處進(jìn)行了過壓告警，而在事故前兩小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行超時(shí)滿充測(cè)試操作時(shí)，BMS沒有對(duì)超時(shí)充電操給出進(jìn)行任何風(fēng)險(xiǎn)提示。
從電池機(jī)理出發(fā)，電池是否進(jìn)入過充狀態(tài)以電池荷電狀態(tài)（SOC）為判定基準(zhǔn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池SOC超過100%時(shí)，則可以判定電池處于過充狀態(tài)。
理論上，BMS可以實(shí)現(xiàn)簇級(jí)SOC評(píng)估，但實(shí)際工程中其評(píng)估誤差往往較高，在實(shí)際工程案例中可高達(dá)65%；此外，BMS自身失效率也較高，據(jù)美國電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）統(tǒng)計(jì)，2024年儲(chǔ)能電池故障案例中有29%來自儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)失效導(dǎo)致的操作不當(dāng)。因此在本事故中，BMS可能由于對(duì)SOC的評(píng)估不準(zhǔn)（低估了電池的SOC），導(dǎo)致電池在超時(shí)充電時(shí)未能及時(shí)給出風(fēng)險(xiǎn)提示。
圖3：某儲(chǔ)能電站BMS評(píng)估各簇SOC一致性良好的電池時(shí)出現(xiàn)近66%的誤差
若電站能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池SOC等電池日常運(yùn)行指標(biāo)的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估，并在相應(yīng)指標(biāo)超限時(shí)及時(shí)提醒運(yùn)維人員停止對(duì)應(yīng)電池濫用行為，則可極大地降低后續(xù)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
2）BMS未能及時(shí)檢出電池早期故障
拋開事故中的人為超時(shí)充電因素，第4簇第12模塊電池內(nèi)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(chǔ)和算力有限，無法基于長周期數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)電池早期故障的預(yù)警，因此起火點(diǎn)模塊電池在事故前可能已有累積的早期故障（如內(nèi)部活性物質(zhì)損失、內(nèi)短路等）未被及時(shí)檢出。
內(nèi)短路是大多數(shù)電池?zé)崾Э氐闹匾?，歷史儲(chǔ)能電站熱失控事故案例中有90%均源自內(nèi)短路。內(nèi)短路從開始出現(xiàn)異常到發(fā)生熱失控會(huì)經(jīng)歷數(shù)十到數(shù)百小時(shí)，在故障早期會(huì)表現(xiàn)電壓曲線上某些特征量的異常。若電站能準(zhǔn)確識(shí)別、檢出早期內(nèi)短路電池并及時(shí)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(shí)對(duì)熱失控進(jìn)行報(bào)警
本次事故發(fā)生前20分鐘，起火點(diǎn)第4簇第12模塊電池已經(jīng)出現(xiàn)升溫，但BMS在當(dāng)時(shí)僅僅給出了過壓警告，未對(duì)可能導(dǎo)致起火的危險(xiǎn)溫升現(xiàn)象作出提示；此外，起火點(diǎn)模塊電池出現(xiàn)過溫后，艙內(nèi)14簇各模塊電池受熱出現(xiàn)了整體溫升現(xiàn)象，BMS也未對(duì)該現(xiàn)象及此后的熱失控作任何明確提示。
事實(shí)上，目前市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的BMS報(bào)警往往采用較為粗糙的單一指標(biāo)（如電壓、溫度等）閾值，當(dāng)指標(biāo)超過閾值時(shí)觸發(fā)警報(bào)，存在報(bào)警不及時(shí)、不可靠的問題。此外，BMS的溫度感知也常出現(xiàn)失效、溫漂等故障，容易造成誤報(bào)漏報(bào)。
若能對(duì)電池多維信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜模型分析，在熱失控發(fā)生早期實(shí)現(xiàn)報(bào)警，則可以指示運(yùn)維人員及時(shí)采取斷電等措施抑制熱失控發(fā)展，最終避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。
3. 事故反思 — 儲(chǔ)能主動(dòng)安全勢(shì)在必行
儲(chǔ)能電站的安全防控體系應(yīng)包含本征安全、主動(dòng)安全、被動(dòng)安全三個(gè)環(huán)節(jié)。其中，主動(dòng)安全環(huán)節(jié)貫穿于電站運(yùn)行維護(hù)階段，通過分析儲(chǔ)能電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估電池安全狀態(tài)，識(shí)別和定位安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，通過主動(dòng)運(yùn)維措施，可及時(shí)排除故障風(fēng)險(xiǎn)，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。
然而，目前多數(shù)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行監(jiān)測(cè)主要依賴BMS。BMS存在電池狀態(tài)評(píng)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(fēng)險(xiǎn)因素。此外，現(xiàn)有儲(chǔ)能電站運(yùn)維手段也存在不足。定期的被動(dòng)運(yùn)維檢修依靠人工檢修，工作量大，效率低下，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(xué)四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研發(fā)了一套完整的儲(chǔ)能電站主動(dòng)安全及智能運(yùn)維技術(shù)，并基于此成功研發(fā)了儲(chǔ)能主動(dòng)安全一站式預(yù)警系統(tǒng)。自從2020年實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首臺(tái)最大單體儲(chǔ)能電站應(yīng)用以來，目前已累計(jì)覆蓋儲(chǔ)能裝機(jī)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(dòng)安全三級(jí)防控體系
針對(duì)本事故中因BMS缺陷而造成的各個(gè)安全漏洞環(huán)節(jié)，西清主動(dòng)安全系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：
1）電站安全狀態(tài)評(píng)估：基于大數(shù)據(jù)-電池機(jī)理融合模型實(shí)現(xiàn)電池單體級(jí)SOC及SOH評(píng)估，評(píng)估誤差3%，相比電站BMS簇級(jí)評(píng)估的顆粒度更細(xì)，且評(píng)估精度相比國標(biāo)要求提升40%，可在SOC越限、電池異常衰竭時(shí)及時(shí)發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)告警。
圖5：西清儲(chǔ)能主動(dòng)安全系統(tǒng)在線安全評(píng)估界面
2）電站安全隱患辨識(shí)及診斷：基于模式識(shí)別算法可對(duì)電站內(nèi)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患—如BMS對(duì)SOC評(píng)估不準(zhǔn)、傳感器失效、均衡失效以及熱管理系統(tǒng)故障等問題進(jìn)行識(shí)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(chǔ)能主動(dòng)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(shè)備故障。
圖6：西清儲(chǔ)能主動(dòng)安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障類型統(tǒng)計(jì)
基于狀態(tài)評(píng)估及異常識(shí)別的結(jié)果，融合專家知識(shí)及運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了故障診斷及智能運(yùn)維知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢出的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行診斷分析，并提供有針對(duì)性的運(yùn)維措施建議。
圖7：西清儲(chǔ)能主動(dòng)安全系統(tǒng)的故障分析診斷功能
3）電池早期故障準(zhǔn)確識(shí)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(zhǔn)確識(shí)別電池早期故障特征，實(shí)現(xiàn)內(nèi)短路電池、異常衰竭檢出準(zhǔn)確率>99%，相比報(bào)警算法粗糙、無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)短路檢出的BMS實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，可將熱失控的誘發(fā)早期故障及時(shí)檢出并扼殺在搖籃里。
圖8：西清儲(chǔ)能主動(dòng)安全系統(tǒng)在某儲(chǔ)能電站檢出的內(nèi)短路電池案例
4）熱失控及時(shí)告警：基于多指標(biāo)復(fù)雜模式聯(lián)動(dòng)分析算法，可提前15分鐘以上發(fā)現(xiàn)熱失控征兆，通過采取及時(shí)斷電等措施抑制熱失控進(jìn)程，避免事故發(fā)展到消防階段。
表2：西清主動(dòng)安全系統(tǒng)與BMS的安全防控能力比較
表3：西清主動(dòng)安全系統(tǒng)評(píng)估功能及效用
西清主動(dòng)安全系統(tǒng)在目前儲(chǔ)能電站主動(dòng)安全市場(chǎng)上占有率高于80%，已在山東、江蘇、內(nèi)蒙古、重慶多地大型儲(chǔ)能電站獲得實(shí)際工程應(yīng)用，守護(hù)超過4.0GWh電站的安全，其中單站最大容量超過600MWh，且已投運(yùn)于國內(nèi)最大的兩個(gè)百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站。
圖9：西清主動(dòng)安全系統(tǒng)部分應(yīng)用項(xiàng)目分布
4．結(jié)語
2011年以來，全球已發(fā)生大型儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故100余起，安全事故成為阻礙儲(chǔ)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(biāo)委等多次發(fā)文要求加強(qiáng)儲(chǔ)能運(yùn)行安全建設(shè)，2023年11月，國家能源局對(duì)儲(chǔ)能電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)能力作出嚴(yán)格規(guī)定，提出“各電力企業(yè)應(yīng)于2024年12月31日前完成本企業(yè)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，2025年以后新建及存量電化學(xué)儲(chǔ)能電站應(yīng)全部納入監(jiān)測(cè)范圍”；此后，廣東省、山東省等地方部委陸續(xù)發(fā)布儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)國家方針向地方實(shí)踐的逐步滲透。
表4. 加強(qiáng)儲(chǔ)能主動(dòng)安全建設(shè)的政策號(hào)召
2025年2月17日，工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》，明確提出“加強(qiáng)新型儲(chǔ)能各技術(shù)路線熱失控及燃燒爆炸失效機(jī)理研究，發(fā)展基于電壓、溫度、荷電狀態(tài)、變化率等運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)智能傳感器，結(jié)合先進(jìn)算法開發(fā)高精度儲(chǔ)能系統(tǒng)安全故障預(yù)判和診斷技術(shù)、儲(chǔ)能電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)、儲(chǔ)能電池狀態(tài)和殘值評(píng)估技術(shù)及相關(guān)驗(yàn)證技術(shù)”，該方案嚴(yán)密契合將電站安全防控建設(shè)融入日常安全評(píng)估、早期故障檢出和重大事故預(yù)警三大環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)安全防控主動(dòng)、科學(xué)與體系化的實(shí)踐要求。
圖10：工信部2月17日發(fā)文細(xì)則
作為國內(nèi)儲(chǔ)能主動(dòng)安全技術(shù)的領(lǐng)創(chuàng)者，西清能源愿攜手全行業(yè)同仁積極響應(yīng)政策號(hào)召，精研覃思，奮楫篤行，助力電化學(xué)儲(chǔ)能主動(dòng)安全專業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，推動(dòng)國家新能源戰(zhàn)略實(shí)施和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
