产业气象站|韩国锂离子电池储能电站安全事故的分析及思考
1、韩国锂电储能电站安全事故概述
近三年来 ， 国内外锂电池储能系统装机增长迅速 ， 据统计 ， 仅2017—2018年间电化学储能装机由2926.6GW增长至6625.4GW ， 年增幅126.4% 。 其中 ， 韩国锂电储能在其可再生能源证书奖励政策激励之下迅速发展 ， 2018年全球新增电化学储能装机中 ， 韩国几乎占据全球45% 。 然而 ， 韩国储能电站发生火灾安全事故的数量和比率也处于全球首位 。 2017—2019年期间 ， 报道的韩国储能电站事故已近30起 。 对此 ， 韩国组织相关电池厂家及研究机构对2019年6月前其境内23起储能安全事故开展了调查及分析 ， 表1汇总了2019年6月前韩国储能事故情况 。
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在相关事故的调研及验证性测试中 ， 调查团队将储能电站事故致因总结为以下四个方面：电池系统缺陷、应对电气故障的保护系统不周、运营环境管理不足、储能系统综合管理体系欠缺 。 其中 ， 电池内部及成组问题、外部电气故障、电池保护装置(直流接触器爆炸)、水分/粉尘/盐水等造成的接触电阻增大及绝缘性能下降等问题将可能直接诱发电池热失控 。 而电池管理系统(batterymanagementsystems ， BMS)、储能变流器(powerconversionsystems ， PCS)、能量管理系统(energymanagementsystems ， EMS)之间信息共享不完备或不及时 ， PCS和电池之间的保护配置与协调不当、PCS故障修理后电池的异常、测量装置及管理系统之间发生冲突等系统管理问题 ， 则可能使故障不能及时有效地得到管控而演化为事故 。
在电池本体安全性方面 ， 该调研报告中对模拟制作的极片折叠和切割不良电池进行充放电测试 ， 在约180次循环过程中未发生能够导致起火的电池内部短路问题 ， 未明确提出电池内部故障是否能触发安全事故演化 。 然而 ， 从事故触发阶段的统计结果来看 ， 充电后等待阶段的事故发生占比超过60% ， 如图1所示 。
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在充电后等待阶段中 ， 系统通常处于断路状态 ， 外部电气故障等外部激源触发电池热失控的概率将显著降低 。 同时 ， 该阶段中电池本体通常处于高SOC状态 ， 一方面更易受外部滥用触发热失控 ， 另一方面电池可能存在局部过充问题 ， 由电池本体引发的系统安全事故概率将显著上升 。 事实上 ， 韩国在2019年8月至12月间又新增5起储能电站事故 ， 后续报道指出所有的5个BESS的电池都处在高SOC状态(>90%)下 ， 电池逐渐过热引起起火 ， 由电池本体触发储能系统安全事故的可能性极大 。
一般而言 ， 锂离子电池本体需要工作于适宜的电压、电流、温度及SOC等参数的安全窗口内 。 国内外学者已对锂电池本体故障及安全演化机理进行了深入研究 ， 认为过充、过放、过电流、过热等滥用行为以及电池内部短路是导致电池安全状态演化至热失控的直接原因 。 储能系统作为一个整体 ， 触发上述滥用过程的原因复杂且相互交叉 ， 需要从系统层面进行分析 。 结合韩国储能事故调查报告 ， 我们围绕电池本体滥用机制 ， 对报告所提四个方面因素进行了归纳和梳理 ， 旨在从系统层面厘清锂电池储能电站安全触发及演化机制 ， 为系统安全性评价与早期预警及安全风险的管控等提供依据 。
2、锂电池储能系统安全事故演化分析
储能安全问题是系统性问题 ， 事故的发生往往由多因素交互作用演化发展 ， 最终导致电池滥用及热失控的发生 。 借鉴韩国储能事故报告对安全诱因的分类 ， 本文将安全事故成因划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类 ， 并讨论四类诱发因素的相互作用机制及对电池滥用和失控过程的触发机制 。 图2归纳了四类诱发因素交互及滥用触发关系 。
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