储能锂离子电站的主动安全

储能锂离子电站的主动安全是指通过实时监测、早期预警等手段及时发现和消除电网储能系统故障或造成严重后果前的故障，避免后续损失。

国内外现有的主动安全保护方法大多基于：根据电池热失控机制，分析电池热失控状态的主要因素，提取相关特征，收集和处理特征数量，实现信号预警或联动保护控制。

目前，国内电池热失控的主流判断方法有三种：一是电池管理系统（BMS）实时监测电池运行过程中的温度、电压、电流等数据；二是电池内部运行状态和温度能反映电池充放电热失控状态；三是电池模块在不同阶段释放的气体类型和浓度不同。电池热失控可通过实时监测电池模块的气体类型和浓度来判断。

判断基于电池内部温度的热失控

BMS可以实时监控电池的表面电流、电压、温度等数据，然后确定电池模块是否处于热失控状态。缺点是电池是一个完全密封的整体，表面充电状态不能充分反映电池的内部工作状态，特别是当大功率充放电时，电池模块内外温差很大（最大20℃）。

当电池内部温度反映电池安全状态时，有两种基于电池内部温度的热失控预警方法：嵌入式传感器测量方法和测量内部阻抗-温度对应关系方法。

嵌入式电池传感器法(如嵌入式布拉格光纤传感器等。)会改变电池结构，难以与现有的电池生产工艺相匹配，难以应用和推广。

基于阻抗相移监测电池内部温度的方法有效地弥补了嵌入式传感器的缺陷。当电池工作时，内部阻抗相移与电池内部温度密切相关。在电池热失控的早期阶段，表面温度没有明显变化，但电池内部阻抗相移明显异常。然而，该方法的缺点是依赖于高成本的精密测量仪器。

根据电池工作状态的变化，光纤传感器接收到的光折射率和折射光波长会发生变化。结合BMS，可以准确实时监测电池内部温度等性能指标，有效预警电池热失控。

具体来说，在电池过充的初始阶段，30-90Hz频带中动态阻抗的斜率由负变为正。此时，切断充电可以成功避免电池热失控事故的声音，预警时间比热失控早580秒。此外，该方法不需要复杂的数学模型和参数，有利于大规模推广和应用，成本低。

判断基于电池气体的热失控

在锂离子电池热失控的早期阶段，内部电化学反应会释放大量气体。通过将气体传感器放置在储能电池模块周围，检测相关气体的类型和浓度，是有效预警电池热失控的一种方法。

不同阶段的电池热失控产生不同的气体类型和浓度。

早期热失控电池模块外壳完好，无明显温度升高，会产生大量二氧化碳、一氧化碳、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、甲烷等气体。

随着热失控的进一步恶化，电池模块外壳破裂，温度急剧上升，电池电化学反应产生大量气体，产气率上升。二甲醚、甲酸甲酯、乙烯等有害气体开始产生。

磷酸铁锂电池模块发现，氢浓度变化是电池热失控过程中最敏感的，可作为电池热失控的预警气体。

判断基于电池内部气压的热失控

内部压力法的基础是：当电池正常工作时，内部压力与大气压一致；当电池热失控时，内部电化学反应在短时间内释放大量气体，电池内部压力显著增加。

由于单个电池的个体容量和体积的限制，单个电池发生热失控时产生的气体无法达到预设气压阈值，难以触发热失控预警。

此外，由热失控引起的气压变化峰值时间较短（一般约100ms），然后气压迅速上升，导致泄压阀打开，电池内气压迅速下降。由于气压传感器的采样频率等因素，可能无法及时监测电池内气压的快速变化，也无法触发预警。

判断基于电池膨胀力的热失控

膨胀力检测方法的基础是：锂离子电池电池充放电时，内部锂离子的嵌入/沉淀会改变电池厚度，使电池膨胀。当电池充电时，内部锂离子从正极中取出并嵌入负极，导致负极间距增大，电池膨胀。当锂离子电池热失控时，电池的膨胀力会发生显著变化。

然而，该方法仍处于试验研究阶段，问题平静主要体现在以下几个方面：一是电池类型和体积不同，内部膨胀变化不同（磷酸铁锂电池明显小于三元锂电池）；二是电池本体材料系统相同或相似，不同负极系统的两种电池充放电膨胀变化不同(811三元正极材料电池与硅碳负极材料一起使用时，膨胀力明显大于与石墨系统配合的负极。；第三，电池处于不同的荷电状态，其膨胀力变化不同(3元523电池，80%荷电状态时膨胀力变化最明显)。

判断基于声信号的热失控

电池排气声信号在热失控和正常工作状态下具有特异性。特征提取后，可形成有效的识别特征集。基于电池排气声信号的热失控预警精度可达92.31%。

该方法具有实施速度快、灵敏度高、成本低、声学信号检测方便、应用范围广等优点；缺点是只能识别电池排气声信号，判断是否准确定位热失控故障单元。