锂电池储能系统安全设计

摘 要：【目的】分析集装箱式锂电池储能系统安全特性，指明储能系统消防安全设计缺陷，提出储能系统安全设计思路。【方法】基于对储能系统现有安全及消防设计分析，从电池管理、电池成组结构和电气拓扑、消防设计等方面出发，结合工程实际，提出提高集装箱式锂电池储能系统安全性能的若干技术方案。【结果】分散式电池管理架构、基于电池模块级的防短路设计、低压分散变换式电气拓扑，以及面向电池模块的精细化消防系统可以作为提高储能系统安全性能的有效手段。【结论】该技术方案可以为储能行业系统安全设计提供参考。

关键词：锂离子电池；储能系统；安全设计

中图分类号：TM911" " " 文献标志码：A" "文章编号：1003-5168（2025）01-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.016

Safety Design of Lithium-ion Battery Energy Storage System

ZHANG Pengjie GUAN Yuwen CAO Zengli LUO Jun

（Pinggao Group Energy Storage Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China）

Abstract： [Purposes] This paper analyzed the safety characteristics of the container type lithium-ion battery energy storage system pointed out the defects of the fire safety design of energy storage system， and then put forward safety design ideas of energy storage system. [Methods] Based on safety and fire protection design for energy storage system， and considering battery management， battery group structure， electrical topology and fire protection design， schemes to improve the safety performance of the lithium-ion battery energy storage system are proposed. [Findings] Distributed battery management architecture， anti short circuit design based on battery module level， low-voltage distributed transformation electrical topology， and refined fire protection system for battery modules could be used as the effective means to improve the safety performance of energy storage system. [Conclusions] The technical solutions can provide reference for system security design for energy storage system.

Keywords： lithium-ion battery; energy storage system; safety design

收稿日期：2024-09-29

作者简介：张鹏杰（1994—），男，本科，研究方向：储能技术。

通信作者：罗军（1987—），男，硕士，工程师，研究方向：储能技术。

0 引言

“双碳”目标的提出，意味着未来数十年内我国将完成能源转型，以非化石能源为主的电能将成为一次能源主体，新能源发电、电气化交通、氢能源、智能用电终端等将迎来极大的发展。可以预见，在未来多端口的开放式电网中，各类形式的储能技术必将成为其中的必备要素，获得更大的发展空间。锂电池储能是目前众多储能技术中发展最快速的储能形式，但锂电池化学成分、内部结构、生产工艺等特性决定其无法完全避免因内部热失控导致起火燃爆事故。近年来，全球锂电池储能电站安全事故时有发生，造成巨大的财产损失，也引起了公众对锂电池储能安全性的普遍忧虑，安全性成为制约储能行业发展的重要因素。

针对锂电池储能电站的安全问题，国外较早开展了相关研究工作，形成如UL9540、NFPA855等占主导地位的储能安全标准，明确了储能电站安装、尺寸、隔离，以及灭火和控制系统的要求，具有较强的指导意义。国内也已形成一系列储能行业安全相关标准，电力储能用锂离子电池、电池管理系统（Battery Management System， BMS）、变换器等核心设备的国标日趋完善［1］。但国内标准偏向于规范零部件的技术要求及试验方法，对储能系统的设计、制造、评估、运维、应急处置等缺乏健全的设计导则和标准体系，普遍存在零部件满足标准要求、但储能系统存在安全隐患的情况［2］。

本研究在分析集装箱式锂电池储能系统安全特性的基础上，从工程应用出发，基于储能系统电池管理、电气拓扑、产品结构和消防设计等多个角度，提出兼顾成本及可行性的、旨在提高集装箱式锂电池储能系统安全性能的优化技术方案。

1 锂电池储能系统安全特性分析

集装箱式锂电池储能系统是由储能单元、管理系统、变流系统等设备组成并放置于密闭空间的单元集合。储能系统采用数百节单体电池串并联组成高压电池簇，再由多个电池簇并联接入后级储能变流器集中并网。该技术存在如下缺点：一是高压系统能量大，短路容量大，若出现外部短路，回路内所有电池单体均流过短路电流，易造成过流引发大范围热失控；二是能量密度高，大量电池模块集中放置在集装箱内，若单个模块起火，易造成链式蔓延事故。集装箱式锂电池储能系统火灾具有燃烧激烈﹑热蔓延迅速，毒性强﹑烟尘大﹑危险性大，易复燃﹑扑救难度大等特点［3］，目前，储能系统尚无标准化的消防设计导则和切实可行的灭火技术。各储能厂家基本参考已有规范配置储能消防系统，一般以集装箱为单位，配置烟感、温感、气体探测器、消防主机、柜式七氟丙烷灭火装置等设备。当烟感或温感检测到烟雾、高温后，触发消防主机，消防主机报警闭锁空调等通风设备，并启动七氟丙烷灭火装置，喷射出七氟丙烷气体，对封闭防护区进行全淹没式气体灭火［4］。

从已发生的储能电站安全事故来看，一旦集装箱式锂电池储能系统某处起火燃烧，基本会演变为整个系统的火灾事故，足以证明现有的储能系统消防设计存在弊端，不能有效起到防护作用。经分析，集装箱式锂电池储能系统至少存在以下问题。

①烟感、温感、柜式七氟丙烷等设备安装位置固定，而起火燃烧的电池位置未知，可能会因距离过远导致监测滞后，不能在第一时间侦探到火情，造成火势蔓延。

②七氟丙烷灭火介质喷射后，气态物质较空气重，会因灭火介质下沉使防护区间下移，不能保证上层电池处于有效的气体淹没浓度。

③锂电池热失控后内部化学反应具有延续性，明火扑灭后易复燃，但目前所有气体灭火装置均有介质浓度及释放时长的要求，难以对储能系统形成持续长效保护。

④常用的七氟丙烷或Novec1230等灭火介质，利用分子汽化迅速冷却火焰温度，窒息并化学抑制灭火，但长时间降温效果不明显，并非最优的锂电池火灾灭火介质。

⑤锂电池在起火燃烧前会产生大量烟雾，烟感探测后通过消防主机闭锁储能系统空调或出风口，形成封闭气体消防空间，大量可燃气体填充封闭空间时极易形成爆炸等更为严重的安全事故。

2 锂电池储能系统安全及消防优化设计

锂电池过充、过放、电池模块外短路等是储能系统热失控的主要因素，传统的消防设计难以满足储能系统灭火要求。本研究基于对储能系统安全特性的分析，结合工程实践经验，提出以下锂电池储能系统安全及消防优化设计思路。

2.1 分散式电池管理架构

目前，锂电池储能系统用电池管理系统一般采用三级架构：安装在电池模块上的电池采集模块，以簇为单位配置的簇级主控单元，以系统为单位配置的系统主控单元。该架构呈现“底简顶繁”的特点，电池采集模块负责采集电池单体电压和温度，无电池管理功能。通过CAN通信方式，将数据传输至簇级主控单元，由其完成簇内的电池管理功能，并通过在电池采集模块与簇级主控单元之间的通信协议内增加心跳信号以保证通信正常。确保电池单体不过充过放是避免电池出现热失控的重要预防手段，上述技术方案将保护和监测分离，存在一定失效概率，可能出现BMS主控单元无法感知电池单体电压或温度异常的情况，导致储能系统安全性能降低。因此，针对现有BMS，提出以下改进措施。

①以电池模块为单元实现完善的电池管理功能，电池采集模块不仅具备电压、温度采集功能，还具备基本的电池管理功能，不依靠外部主控单元，提升电池模块安全性。簇级或系统级主控单元更多地实现数据存储、数据分析等高级功能，并可与远端电池数据云平台对接，实现基于大数据分析的预警和远程故障判断功能。

②目前储能系统用BMS基本沿用电动汽车BMS设计思路，但电动汽车运行条件苛刻，对高低温、震动、污秽条件等环境因素考虑较充分，BMS功能也较复杂。储能系统用BMS在环境适应性、功能需求方面较电动汽车简化，应针对性地开发低成本化储能系统专用BMS产品，仅需满足基本功能，削减不必要的功能或硬件成本。低成本化的主从一体式BMS与电池模块结合，可实现成本可控前提下的安全性能提升。

③电池模块温度采集不仅布置在电池模块上，还应布置在接插件或对外连接铜排上，及时探测因未牢固插接或连接的连接点处过温情况，防止外部过温诱发电池模块热失控。

2.2 基于电池模块级的防短路设计

锂电池储能系统普遍采用多节电池单体串并联组成高压大容量电池簇的成组方式，在电池簇末端配置高压箱，内置BMS主控单元、熔断器、断路器、可控高压继电器、供电电源等部件，实现整簇电池的电池管理和电气保护。储能系统电气回路熔断配置如图1所示。电池簇常见的电气设计如图1（a）所示。从电池外部短路角度来看，在电池PACK内，防短路设计较为完善，但在电池PACK连接线间、电池簇对外连接线等外部连接点处，可能会由于线缆破损、接线错误等导致电池外部短路发生，郭伟军［5］调查了一例由于施工工人错接串联线导致电池短路热失控进而引发储能系统起火爆炸的事故。图1（a）中A、B两点间发生外短路，则线路末端熔断器无法起到短路保护作用，存在安全隐患。考虑保持熔断器数量不变，将其移至图1（b）中位置，即电池簇串联线路中段，保护区域将等效扩大一倍，可以对上述情况进行有效防护。更进一步，如图1（c）所示，以电池PACK为单位配置熔断器，即线路中任意两点短路均在保护范围内，大幅降低电池模块由于外短路导致热失控的可能性。若按照电池PACK为单位配置熔断器，将带来系统成本增加，但成本可控，具有可实施性；若成本受限，可采用图1（b）设计，或在一簇内串联线路中多点适当增加一定数量熔断器，也可大幅提升系统安全性。

2.3 低压分散变换式电气拓扑

储能系统电池组通常由多个电池簇并联如图2（a）所示。本研究从安全角度出发，提出一种低压分散变换的电池成组设计如图2（b）所示。将单个低压、小容量电池模块（≤60 V、≤10 kWh）与电力电子变换器组成一个整体，电池模块通过电力电子变换器进行电气隔离及升压变换，若干个电池模块串并联接入一条直流母线中，该直流母线接入后级储能变流器，实现交直流电能双向变换。

高压集中变换与低压分散变换的区别在于，前者为将多个电池模块直接串联组成的高压大容量电池簇，后者为拆分为若干个串联或并联关系的电池功率模块。从安全角度出发，该设计具有以下明显优势：①电池组串电压等级低、容量小，其短路电流大大降低，可以减少电池热失控风险；②各电池组串之间的隔离型电力电子变换器实现了电气隔离，本簇电池发生故障时，不同电池组串之间无故障蔓延的电气通道，实现了故障的隔离；③以隔离型电力电子变换器作为电池组串输出接口，当发生外短路时，隔离变换器输出能力有限，阻断了电池组串外短路的路径，降低了风险；④电池模块之间相互独立和隔离，维护和异常情况处理无触电风险，拆卸和更换更加方便。

该设计虽然在电池模块能量转换效率及成本方面存在劣势，但在安全性、可控性、电能吞吐量和可维护性等方面均优于传统高压组串集中变换设计，是一种更导向安全的技术方案，尤其适合工商业等人流密集环境应用的储能系统。

2.4 面向电池模块的精细化消防系统

针对锂电池火灾，目前尚无绝对有效的消防灭火介质。最佳灭火措施为使用水灌注式消防，但该措施存在较多困难，如高压大容量储能系统在水消防过程中可能会发生电击等次生危害、现有集装箱式锂电池储能系统结构难以有效进行水喷射或水浸没式消防等。针对储能系统消防的不足，有研究人员提出了基于电池模块或较小防火区间的精准式消防方案，如在每个电池模块中均预留灭火介质喷射管道，通过传感器检测火情发生位置，消防主机启动相应管道阀门，定点喷射灭火介质。该方案具有精准、迅速等优点，但实施成本较高。

探火管感温自启动灭火装置是一种简单可靠、灭火及时的探火/灭火装置，其采用柔性探火管作为火灾探测设备及灭火剂输送和喷放管道。探火管可以方便地布置到每一个潜在着火源的最近处，一旦发生火灾，探火管受热破裂，立即释放灭火剂灭火。本研究基于探火管特性，提出一种面向电池模块的高精度、低成本消防设计方案如图3所示。图中黑色管线为探火管，布置在每个电池模块正上方，当火灾发生时，探火管在受热温度最高处被软化并爆破，探火管中压力下降，启动外置容器阀，灭火介质通过探火管破裂的出口释放灭火。

基于探火管的储能系统灭火技术，可以保证任何一个电池模块出现火情时，均能在最短时间内将灭火剂喷射到起火电池模块，较之以整个集装箱为保护区域的传统消防方式更为精准且高效。此外，探火管灭火装置无需电源及控制，灭火速度快、效率高，且可根据需要填充灭火介质，适用于七氟丙烷、Novec1230等灭火介质。探火管灭火装置单套成本约为柜式灭火装置的1/10，即使在储能系统内配置多套探火管灭火装置，仍然具有较高的成本优势。

4 结论

储能系统安全技术提升有利于储能行业健康快速发展。为提升锂电池储能系统安全性能，本研究提出以下安全设计及消防措施。

①BMS对于保证储能系统安全至关重要，可将传统的电池检测单元-簇主控-系统主控的“底简顶繁”架构优化为电池模块级BMS-系统采集器的“底繁顶简”的架构，增强BMS个体保护性能。

②以电池模块为单位配置熔断器或断路器，有利于在电池模块或电池簇发生外部短路时起到有效保护作用。

③将储能系统传统的高压大容量电池组串集中变换设计优化为低压小容量电池组串分散式变换设计，以提升电池模块的主动防护性能，并降低电池不一致性对系统全生命周期吞吐电量的影响。

④基于全空间淹没式气体消防装置，开发基于探火管的精细化消防系统，实现面向电池模块的精准消防。

参考文献：

［1］李建林， 谭宇良， 周喜超， 等. 国内外电化学储能产业消防安全标准对比分析［J］.现代电力， 2020， 37（3）： 277-284.

［2］刘璐， 牛萌， 李建林，等. 电化学储能系统标准现状与体系架构研究［J］. 电力建设， 2020， 41（4）： 63-72.

［3］张洋，吕中宾，姚浩伟，等.集装箱式锂离子电池储能系统消防系统设计［J］.消防科学与技术，2020，39（2）：143-146.

［4］胡振恺， 李勇琦， 彭鹏. 电池储能系统火灾预警与灭火系统设计［J］. 消防科学与技术， 2020， 39（10）： 1434-1438.

［5］郭伟军. 对一起磷酸铁锂电池储能电站火灾的调查与思考［C］//中国消防协会.2019中国消防协会科学技术年会论文集.江苏省镇江市消防支队，2019.