詳解 | 電化學儲能系統防火防爆設計

摘要

近兩年，中國儲能產業迎來爆發式增長。相較于其他儲能技術，由于生產技術的快速進步、制造成本的逐步下降等因素，鋰離子電池具備更顯著的競爭力，在儲能領域的市場滲透率越來越高。為了正確高效地實現儲能系統安全設計和驗證，本文針對儲能系統的特點及分類，從儲能系統危害、標準和認證、儲能系統安全性研究及設計等幾個方面梳理了電化學儲能系統的分析與設計。

儲能系統的介紹

儲能系統（Energy Storage System，簡稱ESS）是一種可完成存儲電能和供電的系統，具有平滑過渡、削峰填谷、調頻調壓等功能。

儲能系統的定義

· NFPA 855

Energy Storage Systems (ESS). One or more devices, assembled together, capable of storing energy in order to supply electrical energy at a future time to the local power loads, to the utility grid, or for grid support.

· UL 9540

ENERGY STORAGE SYSTEM (ESS) – Equipment that receives energy and then provides a means to store that energy in some form for later use in order to supply electrical energy when needed.

儲能系統是一種能夠接受能量并以某種方式將其存儲以便需要時能對外提供電能的裝置。

儲能系統的分類

按照存儲方式的不同，可以分為化學儲能和物理儲能。化學儲能包括氫、碳氫、碳氫氧還有電化學儲能方式。電化學儲能中又包括鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池和鈉基電池等。物理儲能則有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和儲能等。

各種儲能方式的系統功率和放電時間對比

電化學儲能系統安全的重要性

電化學儲能電站通過化學反應進行電池正負極的充電和放電，實現能量轉換。目前，電化學儲能行業已初步形成產業規模，2020 年裝機規模約2494.7 兆瓦，預計到2025 年累計裝機量有望達到27154.6 兆瓦，實現61.2%年復合增長率的規模增長。

電化學儲能系統的危害

目前，由于鋰離子電池由于其較高的能量密度，較長的使用壽命，被廣泛用作動力電池，也被視作新能源電動汽車的核心部件。然而，近些年屢屢可以聽到鋰離子電池燃爆事故的相關報道。據新能源汽車國家大數據聯盟報道，相比2019年，2020年起火事故增幅達47%，共發生124起。而2021年上半年有報道記錄56起電動汽車起火爆炸事件。

隨著新能源汽車的逐步推廣，鋰離子電池燃爆事故所引發公眾對其的焦慮有增無減，安全問題始終是儲能行業面臨的一大挑戰。電力專家分析，儲能電站的事故原因一般是源于三個方面：外部因素、內部因素、熱失控行為。

儲能系統安全設計及要點認證

U儲能系統的認證

因為儲能系統的電池容量比普通電子設備要大得多，一旦發生事故，可能會導致更加嚴重的后果，因此需要進行更加嚴格的認證。

UL 9540A 儲能系統和設備：

儲能系統UL9540A認證，簡稱UL9540，是一項電氣和電子設備的安全標準，它是針對儲能系統、電動汽車以及其它設備和部件而制定的。

UL9540的主要目標是減少這些設備和部件的安全事故，并為它們的安全性制定了最高標準。同時，該標準還為電動汽車以及其它設備和部件制定了高質量的測試要求，以確保產品符合UL9540標準。此外，該標準還針對電氣和電子產品可能遇到的使用環境、相關材料、制造過程等方面的特殊要求制定了相應標準。

UL9540A針對防火防爆、消防安全設計

電池儲能系統安裝參數：確定儲能機柜之間及到外殼或墻壁的間距，防止火勢擴散及蔓延到頂部線纜的可能性。

安裝通風要求：量化燃燒產生的煙霧量及熱量

消防設施：評估消防設施（內部和外部）的有效性

消防策略和應對：表征潛在火災事件的大小、記錄測試中BESS機柜復燃情況及釋放氣體成分和總量

UL 9540A 的測試要求

從電芯層級—模塊層級—機柜層級測試—安裝層級，提出了系統的評估方法，主要評估方法及測試邏輯如下圖。

系統評估方法流程圖

UL 9540A 測試邏輯

儲能系統的安全設計

當我們拿到測試數據后，我們該如何去設計防火防爆，針對前面的認證測試所獲得的參數，按照以下流程去推進，最終呈現一個集裝箱的儲能系統，并能夠獲得一定的安全等級。

儲能系統設計流程

熱失控火災傳播評估

通過大型的容器，對于電池熱失控以后獲得氣體釋放的一個實驗，下圖為標準上的示意圖，當出現電芯泄放以后有一個明顯的降溫，因為在排氣過程中，它是一個氣體膨脹對外做工的過程，因此它的溫度會有一個抖降，這里我們就把它定義為發生熱釋放。

熱失控釋放氣體組分

大部分以氫氣和二氧化碳為主，在不同的SOC下釋放處的氣體類別也不同，氫氣是一個相對比較危險的物質，當氫氣的含量越高時危險性就越大，釋放出來的氣體的爆炸下線大部分在4-6%左右，這個跟氫氣的爆炸下線是幾乎一樣的，燃燒速率可以達到60cm/s，爆炸壓力最高達16bar。

來自：AUSTIN R. BAIRD

燃燒速度Su

· 隨著濃度的增加，燃燒速度先上升達到最大值，然后降低

· 隨著氫氣濃度的增加燃燒速度也變大

· 受其他成分的影響，燃燒速度呈現波動

泄爆設計

泄爆設計——NFPA 68

影響因素：箱體的尺寸結構以及內部結構與長徑比、箱體耐壓、釋放氣體的爆炸特性等

結論

儲能系統火災過程是一個從局部隱患演變故障事件的過程，而安全風險隱患及演變存在于儲能電站的設備選型、系統集成、安裝調試、運行維護、設施報廢等全壽命周期過程任何一個環節。在儲能系統的設計、建設和運行中，應嚴格執行技術標準，做好預防性設計，發揮監控系統和消防措施的作用，利用數據分析與狀態評價及時發現缺陷、及時預警、及時處理，在發生事故時力求實現控制事故范圍、保障人身安全、減少經濟損失。