详解 | 电化学储能系统防火防爆设计

摘要

近两年，中国储能产业迎来爆发式增长。相较于其他储能技术，由于生产技术的快速进步、制造成本的逐步下降等因素，锂离子电池具备更显著的竞争力，在储能领域的市场渗透率越来越高。为了正确高效地实现储能系统安全设计和验证，本文针对储能系统的特点及分类，从储能系统危害、标准和认证、储能系统安全性研究及设计等几个方面梳理了电化学储能系统的分析与设计。

储能系统的介绍

储能系统（Energy Storage System，简称ESS）是一种可完成存储电能和供电的系统，具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。

储能系统的定义

· 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.

储能系统是一种能够接受能量并以某种方式将其存储以便需要时能对外提供电能的装置。

储能系统的分类

按照存储方式的不同，可以分为化学储能和物理储能。化学储能包括氢、碳氢、碳氢氧还有电化学储能方式。电化学储能中又包括锂离子电池、液流电池、铅蓄电池和钠基电池等。物理储能则有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能和储能等。

各种储能方式的系统功率和放电时间对比

电化学储能系统安全的重要性

电化学储能电站通过化学反应进行电池正负极的充电和放电，实现能量转换。目前，电化学储能行业已初步形成产业规模，2020 年装机规模约2494.7 兆瓦，预计到2025 年累计装机量有望达到27154.6 兆瓦，实现61.2%年复合增长率的规模增长。

电化学储能系统的危害

目前，由于锂离子电池由于其较高的能量密度，较长的使用寿命，被广泛用作动力电池，也被视作新能源电动汽车的核心部件。然而，近些年屡屡可以听到锂离子电池燃爆事故的相关报道。据新能源汽车国家大数据联盟报道，相比2019年，2020年起火事故增幅达47%，共发生124起。而2021年上半年有报道记录56起电动汽车起火爆炸事件。

随着新能源汽车的逐步推广，锂离子电池燃爆事故所引发公众对其的焦虑有增无减，安全问题始终是储能行业面临的一大挑战。电力专家分析，储能电站的事故原因一般是源于三个方面：外部因素、内部因素、热失控行为。

储能系统安全设计及要点认证

U储能系统的认证

因为储能系统的电池容量比普通电子设备要大得多，一旦发生事故，可能会导致更加严重的后果，因此需要进行更加严格的认证。

UL 9540A 储能系统和设备：

储能系统UL9540A认证，简称UL9540，是一项电气和电子设备的安全标准，它是针对储能系统、电动汽车以及其它设备和部件而制定的。

UL9540的主要目标是减少这些设备和部件的安全事故，并为它们的安全性制定了最高标准。同时，该标准还为电动汽车以及其它设备和部件制定了高质量的测试要求，以确保产品符合UL9540标准。此外，该标准还针对电气和电子产品可能遇到的使用环境、相关材料、制造过程等方面的特殊要求制定了相应标准。

UL9540A针对防火防爆、消防安全设计

电池储能系统安装参数：确定储能机柜之间及到外壳或墙壁的间距，防止火势扩散及蔓延到顶部线缆的可能性。

安装通风要求：量化燃烧产生的烟雾量及热量

消防设施：评估消防设施（内部和外部）的有效性

消防策略和应对：表征潜在火灾事件的大小、记录测试中BESS机柜复燃情况及释放气体成分和总量

UL 9540A 的测试要求

从电芯层级—模块层级—机柜层级测试—安装层级，提出了系统的评估方法，主要评估方法及测试逻辑如下图。

系统评估方法流程图

UL 9540A 测试逻辑

储能系统的安全设计

当我们拿到测试数据后，我们该如何去设计防火防爆，针对前面的认证测试所获得的参数，按照以下流程去推进，最终呈现一个集装箱的储能系统，并能够获得一定的安全等级。

储能系统设计流程

热失控火灾传播评估

通过大型的容器，对于电池热失控以后获得气体释放的一个实验，下图为标准上的示意图，当出现电芯泄放以后有一个明显的降温，因为在排气过程中，它是一个气体膨胀对外做工的过程，因此它的温度会有一个抖降，这里我们就把它定义为发生热释放。

热失控释放气体组分

大部分以氢气和二氧化碳为主，在不同的SOC下释放处的气体类别也不同，氢气是一个相对比较危险的物质，当氢气的含量越高时危险性就越大，释放出来的气体的爆炸下线大部分在4-6%左右，这个跟氢气的爆炸下线是几乎一样的，燃烧速率可以达到60cm/s，爆炸压力最高达16bar。

来自：AUSTIN R. BAIRD

燃烧速度Su

· 随着浓度的增加，燃烧速度先上升达到最大值，然后降低

· 随着氢气浓度的增加燃烧速度也变大

· 受其他成分的影响，燃烧速度呈现波动

泄爆设计

泄爆设计——NFPA 68

影响因素：箱体的尺寸结构以及内部结构与长径比、箱体耐压、释放气体的爆炸特性等

结论

储能系统火灾过程是一个从局部隐患演变故障事件的过程，而安全风险隐患及演变存在于储能电站的设备选型、系统集成、安装调试、运行维护、设施报废等全寿命周期过程任何一个环节。在储能系统的设计、建设和运行中，应严格执行技术标准，做好预防性设计，发挥监控系统和消防措施的作用，利用数据分析与状态评价及时发现缺陷、及时预警、及时处理，在发生事故时力求实现控制事故范围、保障人身安全、减少经济损失。