储能电站磷酸铁锂电池预制舱火灾
事故分析
郭鹏宇1，王智睿2，钱  磊3
(1.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京  210000;
2.国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏 镇江  212000;
3.国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司，江苏 无锡  214000)
Analysis of a Fire Accident in the Prefabricated Cabin of Lithium Iron Phosphate Battery in an Energy Storage Power Station
GUO Pengyu1, WANG Zhirui2, QIAN Lei3
(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing  210000, Jiangsu Province, China;
2. Zhenjiang Power Supply Company, Zhenjiang  212000, Jiangsu Province, China;
3. Wuxi Power Supply Company, Wuxi  214000, Jiangsu Province, China)
〔摘 要〕 针对一起储能电站磷酸铁锂电池预制舱火灾事故，从电力专业角度出发，结合消防知识对成灾原因进行分析，并给出了相关的过充、短路试验结果，指出火灾原因是电池反接造成的电池过充，并对产品设计改进、储能电站火灾调查和应急处置制订提出了相应的建议。
〔关键词〕 储能电站；火灾事故；过充试验；短路试验
Abstract: In view of a fire accident in the prefabricated compartment of lithium iron phosphate battery in an energy storage power station, according to the fire control knowledge, the causes of the fire accident are analyzed from electrical specialty perspective and the results of relevant over-charging and short-circuit tests are given. It is pointed out that the cause of the fire is the overcharge caused by the reverse connection of the battery, the suggestions for the improvement of relevant product design, fire investigation and emergency treatment formulation of energy storage power station are put forward.
Key words: energy storage power station; fire accident; over-charging test; short-circuit test
中图分类号:TM912    文献标识码:A    文章编号:1008-6226 (2019) 12-0026-05
0  引言
随着电化学电池储能电站的规模化应用，其消防安全愈发引人关注。目前，电化学储能电站中常用的磷酸铁锂电池消防研究仍处于探索阶段，现从一起用户侧储能电站火灾分析，讨论当前储能电站消防安全及火灾事故分析存在的问题。
2018年8月某日，某市开发区某公司投资建设的储能项目2号磷酸铁锂电池舱在施工调试过程中发生火灾，造成2号电池舱及舱内模块电池箱不同程度的受损，幸无人员伤亡。
1  储能站基本情况
该储能项目建有电池舱4个，PCS舱4个，SVG舱1个，总控舱1个。每个电池舱由216个模块电池箱组成，每个模块电池箱(25V344Ah)由32节单体电池组成，每个电池舱的总容量为
2 MWh、电压等级为DC 700 V。
起火时的现场示意如图1所示。火灾发生时，站内工作人员赵某、汪某、刘某3人在2号舱工作，赵某从南向北依次进行接线，汪某、刘某二人在南侧门口处调试BMS系统，快下班时突然发现2号舱起火，3人一起灭火，但干粉灭火器未能扑灭初期火灾。
图1  2号舱起火时现场示意
2  火灾过程调查
2.1  现场勘验防护措施
火灾发生时，储能舱内存有大量带电的磷酸铁锂电池，释放了大量的有毒气体。在现场勘验时，工作人员准备了防触电设备，并采取了触电应急措施，以对舱内气体进行采样检测。
2.2  2号舱灾后概貌
南侧两组电池柜中上部位过火，下部较为完好。北侧两组电池柜全部过火，设备烧损程度重于南侧。中间部位设置的七氟丙烷钢瓶上部高温变、下部保持原，压力表指针正常，气体未释放。东北角电池箱中上部位局部变较重，烟熏痕迹较重，西北角电池箱整体变，烟熏痕迹较轻。
2.3  火灾原因分析
比亚迪厂房起火经核实，火灾发生时汪某、刘某二人已完成BMS系统调试工作并断开24 V电源；第三方技术人员在BMS系统中并未发现相关数据，排除了BMS故障。
工作人员在起火部位正下方地面的燃烧残留物底部发现3根烧损的功率线，经鉴定为电气短路熔痕。据赵某确认，由于持续大量重复劳动导致麻癖大意，出现功率线连接失误，从接线失误到发生火灾间隔时间约1 min。赵某在发现火灾后，第一时间意识到接线错误，遂迅速拔掉若干错误接线。
火灾现场错误接线箱体照片如图2所示，火灾现场发现的3根烧损功率线照片如图3所示。
图2  火灾现场错误接线照片
图3  火灾现场3根烧损功率线
功率线正确接法的还原照片如图4所示，功率线错误接法的还原照片如图5所示。
3  火灾原因分析
3.1  电气连接
2号电池舱内电池的线路连接示意如图6所示。每簇有27个模块，模块电压25.9 V。
假设在满电情况下，有8个模块反接。若视正常串联的电池簇为700 V恒压源(电压为U
AB
)，则
相当于反接的
8个模块电池(电压为U
CE
)与700 V
恒压源对剩余19个未反接电池(电压为U
CD
)充电，如图7所示。
起火部位
赵
汪刘
N
27
28
图4  功率线正确接法还原图5  功率线错误接法还原
图6  8个模块反接时电池簇的接线示意
理论上，每块未反接电池上承受的过充电压为：(U AB +U CE )/19=(700+8×25.9)÷19=47.7 V 则每块未反接电池理论上的过充倍率为：47.7÷25.9=1.84倍
此外，由图7可见，随着反接电池模组数量的增加，未反接电池模组数量的减少，电流I CD 势必逐渐增大。当未反接电池模组数量减至零时，R CD 间电阻为零，发生短路。
图7  8个模块反接时电池簇等效反充电的示意
3.2  电池过充试验
锂离子电池在充电时，Li +不完全脱出，生成 LiFePO 4和FePO 4，反应如下：
LiFePO 4→(1-x)LiFePO 4+xFePO 4+xLi ++xe -当电池过充时，Li +大量脱出，FePO 4增多，
形成较大的极化电阻和极化电势，使电池的电压快速升高。另外，过多的Li +脱出会导致正极材料的不
可逆分解，释放大量的氧气和热量，使电解液分
解和集流体腐蚀，产生的气体和热量还会使电池发生燃烧甚至爆炸。
一般认为，磷酸铁锂电池耐过充电和过放电性能不好，如额定电压为3.2 V 的电池充电到 4.2 V (1.31倍额定电压)以上时，电解液就会分解，使电池膨胀。现对磷酸铁锂电池过充电压倍率进行试验验证。
3.2.1  过充试验对象
试验所用磷酸铁锂电池模组由32块单体电池“4并8串”组成。单体额定电压
3.2 V，
额定容量86 Ah，模组额定电压25.6 V，额定容量2 752 Ah，额定电量8.8 kWh，宽420 mm，深600 mm，高240 mm，如图8所示。3.2.2  过充试验机
试验用的电池模组过充试验机最高输出电压60 V，最大输出电流100A/CH×2CH，放置于试验舱体外部，如图9所示。
700 V  DC
D
C
E
一簇电池中剩余
19个未反接电池
模组
一簇电池中8个反接电池模组
700 V  DC
反接电池模组
A
B
29
图8  过充试验设备电池模组
图9  模组过充试验机
3.2.3  可见光及电压电流记录
根据过充试验中的可见光监控记录，以0.5C 和1C 倍率充电。第一个安全阀打开时，模组电压均为42.45 V，约为1.66倍额定电压，过充电压电流曲线如图10所示，模组电压升至约43 V 时陡然下降。
图10  过充电压电流曲线
综上所述，
当充电电压达到电池额定电压1.31倍时，电池电解液开始分解；当充电电压压达到1.66倍额定电压时，安全阀打开。3.3  电池短路试验
在火灾事故发生后，有观点认为是反接造成短
路引发的火灾，现对电池短路试验进行研究(试验所用磷酸铁锂电池模组同电池过充试验)。3.3.1  短路试验机
模组电池短路试验机最大输出电流5 kA，配备远控主机，可对短路过程进行远程控制并实时显示短路电流，如图11所示。
图11  模组电池短路试验机
3.3.2  可见光及电压电流记录
根据短路试验中的可见光监控记录，整个短路试验过程时间较为短暂，无安全阀打开现象。在短路开关接通瞬间，各串联节点电压出现骤降，最低降至2.2 V；随后迅速攀升至2.4 V，经过短暂时间后，迅速恢复至短路前的电压水平。
出现这种电压变化趋势主要是：短路后，模组电压按照各单体内阻和跨接在总正、总负接线柱上
的外阻进行重新分配，由于外阻较小，与各单体内阻之和处于同一量级，因此外电路电压低至18 V 左右。随后模组出现短时的恒流放电，电压监测结果表现为短暂保持在2.4 V 左右，在回路出现断开点后，短路电流消失，外电路电压监测值重新回到25.6 V 的正常水平。
本次短路试验由于瞬间电流过大，超出短路试验机量程，导致未采集到电流曲线。
综上所述，模组整体进行外部短路时，短路线或模组内部金属连接件易在短时间内被大电流熔断，电池模组内部反应不够充分，热量积聚较为困难，较难发生整体热失控和燃烧现象。
4  结论与建议
(1) 对于并接的若干电池簇而言，其中少量电
180
50150451204090356030
30250
009:48:29充电电流，A
电压，V
09:53:2909:58:29充电电流，A
电压，V
10:03:2910:08:29
池簇中发生电池反接会引起电池过充造成的热失控。当电池簇中的电池全部反接，或者被过充电池发生击穿时，可视为电池短路。
(2) 该起火灾原因是电池反接造成过充，而非电池短路。从电气专业角度看，电池短路和电池过充的电化学物理过程有着较大差异，预防和应对机制制订的准确性有赖于事故原因的正确分析，这对后续工作意义重大。
(3) 产品设计缺陷亟待改进。在本次事故中，反接的功率线接头端口型号相同，连接时无法区分，作业人员长时间重复劳作容易发生反接情况。建议
参考文献：
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