肖 曦 田培根 于 璐 吳 巖 慈 松 朱冒煜

(1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100084；2. 西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710048；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 123000；4. 華電內(nèi)蒙古能源有限公司 呼和浩特 010000)

1 引言

我國第一批新能源動(dòng)力電池已進(jìn)入了規(guī)模化退役期，預(yù)計(jì)2025年退役動(dòng)力電池將接近80萬噸[1]。退役動(dòng)力電池仍具有70%以上的剩余容量[2]，若直接進(jìn)入拆解循環(huán)不僅縮短了動(dòng)力電池使用壽命，造成資源浪費(fèi)，其拆解的重金屬還會(huì)造成環(huán)境污染。目前，全國已有9個(gè)省市地區(qū)發(fā)布了動(dòng)力電池回收梯次利用相關(guān)政策，150多家企業(yè)被選擇為示范試點(diǎn)企業(yè)，率先開展了相關(guān)應(yīng)用研究及商業(yè)模式探索。電動(dòng)汽車退役動(dòng)力電池回收價(jià)格低廉，符合儲(chǔ)能電站要求、有利于降低電力儲(chǔ)能裝備成本，可以在儲(chǔ)能領(lǐng)域大量推廣動(dòng)力電池的梯次利用[3]。但與全新電池相比，梯次動(dòng)力電池經(jīng)電動(dòng)汽車長期使用，電池本身更容易發(fā)生枝晶生長、阻抗增加、內(nèi)部電化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)增高。目前，國內(nèi)外已經(jīng)爆發(fā)了相關(guān)安全事故，北京豐臺(tái)大紅門及澳大利亞特斯拉儲(chǔ)能項(xiàng)目Victorian Big Battery(VBB)于2021年先后發(fā)生火災(zāi)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。電熱安全已經(jīng)成為了動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模建設(shè)推廣的關(guān)鍵影響因素，其安全問題越來越受到重視。2021年9月27日，國家能源局印發(fā)了《新型儲(chǔ)能項(xiàng)目管理規(guī)范(暫行)》，明確規(guī)定新建動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能項(xiàng)目中梯次利用電池均要取得相應(yīng)資質(zhì)機(jī)構(gòu)出具的安全評(píng)估報(bào)告，已建和新建的動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能項(xiàng)目須建立在線監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池性能參數(shù)，定期進(jìn)行維護(hù)和安全評(píng)估，做好應(yīng)急預(yù)案?，F(xiàn)階段，我國針對(duì)動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的電熱安全研究剛起步，隨著建設(shè)需求的增加及政策的完善驅(qū)動(dòng)，亟待大力加強(qiáng)動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全研究，從空間、時(shí)間、流程三個(gè)維度來建立完整的動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全體系、研究系列安全管理方法。空間上需要建立從梯次電池單體到模組到儲(chǔ)能系統(tǒng)整體全方位的電熱安全管理方案，時(shí)間上需要建立從電池篩選到儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建到系統(tǒng)運(yùn)行的安全操作策略，流程上需要建立從前兆安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別評(píng)估到安全預(yù)警分析再到安全預(yù)案決策執(zhí)行的電熱安全管控流程。

基于現(xiàn)實(shí)需求，本文對(duì)動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全研究現(xiàn)狀做了分析及展望。首先對(duì)國內(nèi)外梯次電池儲(chǔ)能相關(guān)政策、示范工程及儲(chǔ)能電站安全事故進(jìn)行了梳理總結(jié)，其次從電、熱兩個(gè)方面分析梯次電池?zé)崾Э貦C(jī)理和儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)誘因，并從熱、電防護(hù)兩個(gè)方面總結(jié)了梯次電池儲(chǔ)能安全技術(shù)，最后對(duì)梯次動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)安全方面的未來研究方向進(jìn)行展望。

2 動(dòng)力電池梯次利用現(xiàn)狀

2.1 動(dòng)力電池梯次利用政策

近年來，國家愈加重視動(dòng)力電池的梯次利用，目前已經(jīng)針對(duì)性出臺(tái)了50余項(xiàng)政策，20余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[4]。由國家部門出臺(tái)的相關(guān)政策如表1所示[5-7]。國家每年都對(duì)相關(guān)政策進(jìn)行細(xì)化，對(duì)汽車廢舊電池的梯次利用的扶持力度也在持續(xù)加大。

表1 動(dòng)力電池梯次利用相關(guān)政策

2.2 梯次電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

梯次電池現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分為三類：動(dòng)力電池梯次利用通用標(biāo)準(zhǔn)、利用標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8]，具體如表2所示。

表2 動(dòng)力電池利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

(1) 通用標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 33598—2017《車用動(dòng)力電池回收利用拆解規(guī)范》主要適用于退役動(dòng)力電池組、電池模塊的拆解，不適用于單體退役動(dòng)力電池的拆解[9]。GB/T 34013—2017《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》主要適用于對(duì)車載電池的產(chǎn)品規(guī)格尺寸的規(guī)定[10]。GB/T 34014—2017《汽車動(dòng)力蓄電池編碼規(guī)則》主要規(guī)定了動(dòng)力電池的編碼規(guī)則、編碼對(duì)象和代碼的結(jié)構(gòu)組成等[11]。GB/T 34015—2017《車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)》主要規(guī)定了退役動(dòng)力電池的余能檢測(cè)的術(shù)語和檢測(cè)要求、檢測(cè)流程及檢測(cè)方法[12]。

(2) 利用標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 34015.2—2020《車用動(dòng)力電池回收利用梯次利用第2部分：拆卸要求》規(guī)定了退役動(dòng)力電池的定義、總體要求、工作要求、存放要求等，主要適用于退役動(dòng)力電池的回收利用環(huán)節(jié)[13]。DB34/T 3077—2018《車用鋰離子動(dòng)力電池回收利用放電技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了電動(dòng)汽車用廢舊鋰離子動(dòng)力電池拆解前放電的術(shù)語和定義、總體要求、設(shè)備環(huán)境要求及作業(yè)要求[14]。DB31/T 1053—2017《電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用規(guī)范》規(guī)定了電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用的基本原則、編碼與溯源管理，廢舊動(dòng)力蓄電池拆卸、檢測(cè)、梯級(jí)利用條件，適用于廢舊動(dòng)力蓄電池的回收、貯運(yùn)、梯級(jí)利用及再生利用的一般要求，但是僅適用于上海市范圍內(nèi)[15]。DB44/T 1203—2013《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池回收利用規(guī)范》規(guī)定了電動(dòng)汽車用廢舊鋰離子動(dòng)力電池的收集、貯運(yùn)、處理及回收利用企業(yè)的一般要求[16]。

(3) 管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 38698.1—2020《車用動(dòng)力電池回收利用管理規(guī)范第1部分：包裝運(yùn)輸》適用于電動(dòng)汽車退役鋰離子動(dòng)力蓄電池包、模組、單體的包裝和道路運(yùn)輸，規(guī)定了車用退役動(dòng)力電池回收利用包裝運(yùn)輸?shù)男g(shù)語和定義、分類要求、一般要求、包裝要求、運(yùn)輸要求以及標(biāo)志要求[17]。

(4) 國外標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)動(dòng)力電池梯次利用，國外目前只有北美梯次利用動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)UL 1974:2018《再利用電池的評(píng)估》，其涵蓋了梯次利用電池分類、篩選方法以及相應(yīng)梯次利用工廠的技術(shù)要求，以幫助梯次利用企業(yè)對(duì)退役電池梯次利用流程實(shí)現(xiàn)規(guī)范化管理[8]。

目前雖然已經(jīng)出臺(tái)了大量的有關(guān)梯次電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)退役動(dòng)力電池梯次的拆解、篩選、利用、運(yùn)輸?shù)确矫娴淖龀隽讼嚓P(guān)規(guī)定，但是并未出臺(tái)安全方面的具體政策和標(biāo)準(zhǔn)，隨著越來越多的梯次電池安全事故的出現(xiàn)，亟需出臺(tái)更多更完善的安全性標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)工程

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有了系列動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工程，如美國、德國、日本等國家在梯次動(dòng)力電池方面研究起步較早，其典型示范工程如表3所示[18-21]。

表3 國外動(dòng)力電池梯次利用示范工程

美國通用公司和瑞典ABB集團(tuán)開展了退役動(dòng)力電池研究，對(duì)雪佛蘭汽車的退役動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用，主要用作商用備用電源來儲(chǔ)存太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所等所產(chǎn)生的電力。美國EnerDel公司和日本伊藤忠商社合作，將退役動(dòng)力電池用于部分新建公寓。美國Duke Energy也和日本伊藤忠商社合作進(jìn)行了退役動(dòng)力電池的再利用研究，并用于輔助家庭供電。由日產(chǎn)汽車和住友集團(tuán)合資成立的4R Energy公司，主要解決了汽車動(dòng)力電池的二次利用問題，在美國和日本租售日產(chǎn)Leaf汽車的退役動(dòng)力電池用作家庭儲(chǔ)能設(shè)備。Sharp公司自主研發(fā)了智能功率調(diào)節(jié)器，將退役的動(dòng)力電池用作家庭儲(chǔ)能。日本Toyota公司利用凱美瑞汽車的退役動(dòng)力電池，完成了黃石國家公園設(shè)施的儲(chǔ)能和供電，延長2倍退役電池的使用年限。德國BOSCH集團(tuán)建設(shè)2 MW/2 MW·h光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)，全部采用寶馬ActiveE和i3電動(dòng)汽車的退役動(dòng)力電池。

在國內(nèi)，動(dòng)力電池的梯次利用已經(jīng)成為了國家的重大戰(zhàn)略[22]。國內(nèi)多家電池制造企業(yè)也開展了大量的退役動(dòng)力電池的梯次利用研究工作并建設(shè)了大量的示范工程，如表4所示[23-27]。

表4 國內(nèi)動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)工程

2.4 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故

近年來，隨著國內(nèi)外動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的飛速發(fā)展，越來越多的大型儲(chǔ)能電站開始興建。但由于缺少具體的安全性實(shí)施規(guī)范，導(dǎo)致近年來儲(chǔ)能電站事故頻發(fā)。其中韓國儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)安全事故的數(shù)量和比率處于全球首位。2019～2021年，韓國儲(chǔ)能電站事故接近30起。表5展示了2019年6月前韓國儲(chǔ)能事故的典型案例[28]。

表5 2019年6月前韓國儲(chǔ)能電站事故典型案例

2021年4月6日，韓國由LG新能源供應(yīng)電池的一光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)再次發(fā)生起火事故。頻頻發(fā)生安全事故讓韓國對(duì)儲(chǔ)能電站的安全性產(chǎn)生擔(dān)憂。2021年4月16日，北京市豐臺(tái)區(qū)大紅門西廠甲14號(hào)院內(nèi)電站發(fā)生火災(zāi)，在對(duì)電站南區(qū)進(jìn)行處置的過程中，電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸，導(dǎo)致2名消防員犧牲，1名消防員受傷，電站內(nèi)1名員工失聯(lián)。相關(guān)單位并未公布具體事故原因，但符合鋰離子電池的安全事故誘發(fā)機(jī)制，即電池在內(nèi)外部激源的影響下，超出其安全技術(shù)承受能力突發(fā)熱失控[29]。2021年7月30日，儲(chǔ)能容量為300 MW/450 MW·h的澳大利亞特斯拉最大儲(chǔ)能項(xiàng)目VBB在調(diào)試期間發(fā)生火災(zāi)，其主要原因是熱管理系統(tǒng)冷卻液泄漏導(dǎo)致電池內(nèi)短路，引發(fā)熱失控。但是，鋰電池出現(xiàn)熱失控的原因卻是多方面的，具體的核心問題仍然需要分析研究。隨著動(dòng)力電池的大規(guī)模退役，越來越多的動(dòng)力電池退役并加入到梯次利用行列，需要盡快分析出安全事故的誘因，并建立健全的安全預(yù)警機(jī)制。

3 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全風(fēng)險(xiǎn)誘因

3.1 大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)中最小的單元是電芯，為了滿足儲(chǔ)能電壓、電流、容量需求，電池單元連接到一個(gè)固定的串聯(lián)電池單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過統(tǒng)一的邊界與外部進(jìn)行聯(lián)系成為模組。當(dāng)多個(gè)電池模組經(jīng)過串并聯(lián)的方式形成大容量電池柜體，并與電器元件、加熱和冷卻系統(tǒng)(熱管理系統(tǒng))、雙向PCS(儲(chǔ)能變流器)、EMS(能源管理系統(tǒng))以及BMS(電池管理系統(tǒng))等部分組成儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖1為其具體成組方式示意圖。

圖1 大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成組方式示意圖

3.2 鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理

目前國內(nèi)外梯次動(dòng)力電池大為鋰離子電池，鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、自放電率很低等優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池單體發(fā)生安全事故主要根源在于熱失控，而熱失控的發(fā)生主要是因?yàn)殡姵貎?nèi)部過熱觸發(fā)電池材料的鏈?zhǔn)椒艧岣狈磻?yīng)。圖2可簡單描述梯次動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理，當(dāng)保護(hù)負(fù)極材料及SEI(固體電解質(zhì)界面)膜由于溫度過高而分解，并與周邊化學(xué)材料反應(yīng)并引發(fā)隔膜崩潰、大規(guī)模內(nèi)短路內(nèi)部產(chǎn)氣、內(nèi)部物質(zhì)噴出流動(dòng)等情況。鋰離子電池的熱失控現(xiàn)象，主要有高溫、火焰噴射和大量氣體煙霧產(chǎn)生。

圖2 鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理圖

3.3 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)多級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)誘因

針對(duì)梯次電池老化等特有問題以及鋰電池儲(chǔ)能本身的問題，下面從單元級(jí)、模組級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層面分別討論梯次電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)的誘發(fā)因素，如圖3所示。

圖3 梯次電池?zé)崾Э卣T發(fā)因素圖

3.3.1 單體電熱安全風(fēng)險(xiǎn)誘因

梯次動(dòng)力電池單體發(fā)生安全事故主要因?yàn)闊崾Э?，熱失控的原因主要有三種。

電池內(nèi)部原因，梯次動(dòng)力電池在篩選中未能篩選出電芯有缺陷或內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)有異常的電池，使用過程中細(xì)微金屬碎屑導(dǎo)致內(nèi)短路或電池老化程度過重，電芯內(nèi)部產(chǎn)生枝晶鋰，觸發(fā)了電池的內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控。文獻(xiàn)[30]認(rèn)為電池固液相電勢(shì)差可以在一定程度上反映電池析鋰風(fēng)險(xiǎn)。在同樣的充電應(yīng)力下，隨著電池老化，電池內(nèi)短路可能逐漸升高。同樣老化狀態(tài)的電池，充電電流越大，電池發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)隨充電電流增長而增長。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電池的過充和過放過程中銅枝晶生長等副反應(yīng)會(huì)降低梯次電池的安全性，增加熱失控發(fā)生的概率。在極端條件下電池發(fā)生外短路現(xiàn)象，過高的電流大量放熱也會(huì)導(dǎo)致熱失控發(fā)生。

梯次動(dòng)力電池長時(shí)間處于低溫或高溫環(huán)境運(yùn)行中，長時(shí)間在低溫情況下運(yùn)行會(huì)使電池陽極表面析出金屬鋰，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶生長，刺破隔膜造成電池內(nèi)短路[31]。此外，電池長時(shí)間處于惡劣環(huán)境下也會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)，例如空氣過于濕潤、電磁干擾等[32]。

3.3.2 模組電熱安全風(fēng)險(xiǎn)誘因

從模組級(jí)安全性考慮，其主要問題與常規(guī)儲(chǔ)能電站相同，基本有如下幾點(diǎn)。

(1) 電池組結(jié)構(gòu)布局不合理，散熱情況考慮不周，導(dǎo)致電池組局部過熱。

(2) 電池組充放電流過大，時(shí)間過長。

(3) 電池一致性問題，即電池串聯(lián)模組中個(gè)電池單體性能存在差異。

梯次動(dòng)力電池雖然經(jīng)過篩選重組，但只是在一定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)成組而無法做到完全趨于一致。由于梯次電池來自不同廠家、不同批次，其制造工藝、生產(chǎn)環(huán)境和材質(zhì)、電池的容量、內(nèi)阻、充放電率、電池老化程度的差異都會(huì)造成電池性能的不同，導(dǎo)致電池的不一致性。梯次電池經(jīng)過長期使用，電池本身老化嚴(yán)重，相比于新電池更容易引發(fā)安全問題。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電池內(nèi)阻差異造成環(huán)流，電池溫度升高，加速新電池老化。同時(shí)系統(tǒng)散熱能耗高，進(jìn)一步降低了充放電效率，電池組的不一致性會(huì)發(fā)生“木桶效應(yīng)”，即電池單體的過充或過放導(dǎo)致整個(gè)電池組的性能逐漸降低，最終縮短電池組使用壽命，甚至造成電池變形、爆炸等安全隱患。

3.3.3 系統(tǒng)電熱安全風(fēng)險(xiǎn)誘因

梯次動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全誘因有其內(nèi)部和外部的因素。內(nèi)部系統(tǒng)因素有電源轉(zhuǎn)換器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)之間的協(xié)調(diào)、控制與管理不合理。電芯間出現(xiàn)缺陷時(shí)，信號(hào)不能及時(shí)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，通常是在起火后告警；關(guān)鍵部件(電路板、接觸器等)失效導(dǎo)致打火、拉??；直流母線上的負(fù)載發(fā)生短路，短路電流通過母線傳遞給電池簇，瞬間短路大電流會(huì)加劇電池內(nèi)部急劇升溫引發(fā)事故；直流繼保系統(tǒng)故障引發(fā)持續(xù)大電流；監(jiān)管防護(hù)系統(tǒng)故障缺陷；直流配電網(wǎng)絡(luò)中電力電子設(shè)備缺少足夠的電氣隔離措施等。外部因素有電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS、PCS、變壓器以及相關(guān)繼電保護(hù)設(shè)備、通信設(shè)備等系列一次、二次設(shè)備存在質(zhì)量缺陷、安裝調(diào)試過程不規(guī)范、設(shè)置不合理、絕緣不到位。甚至工作人員的操作失誤、系統(tǒng)運(yùn)維未能遵守安全標(biāo)準(zhǔn)、氣象環(huán)境因素以及儲(chǔ)能防火系統(tǒng)的故障，均直接或間接引起儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生安全事故，但從已有的儲(chǔ)能電站事故分析，安全問題往往是以上多種因素作用發(fā)生的結(jié)果。

3.4 梯次電池?zé)崾Э靥匦匝芯?/h3>

梯次電池老舊，電池參數(shù)離散度大，效率和可靠性低，發(fā)生系統(tǒng)安全事故的概率增大，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電、熱管理提出了更為苛刻的要求。為了更好地掌握梯次電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)理，當(dāng)前學(xué)者主要從試驗(yàn)觀測(cè)以及仿真建模分析兩個(gè)方面展開了研究。

3.4.1 鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э匮芯?/p>

(1) 試驗(yàn)研究。試驗(yàn)觀測(cè)是使用不同方式觸發(fā)電池?zé)崾Э?，通過溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀地對(duì)電池?zé)崾Э靥匦赃M(jìn)行研究。清華大學(xué)馮旭寧[33]對(duì)25 A·h大容量鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐恼T發(fā)機(jī)理進(jìn)行了研究。正極材料為三元鋰，負(fù)極材料為石墨，隔膜為PE基質(zhì)的陶瓷隔膜，使用EV-ARC 對(duì)三元鋰電池進(jìn)行絕熱熱失控測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)SEI膜開始分解溫度為50 ℃，PE 隔膜初始分解溫度為127.3 ℃，PE隔膜基質(zhì)完全閉孔熔化時(shí)溫度為140 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到259 ℃時(shí)，隔膜完全崩潰，產(chǎn)熱速率加快，溫度急劇上升，故熱失控臨界溫度為259 ℃。文獻(xiàn)[34]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于0%、25%、50%、75%和100% SOC電池，熱失控的觸發(fā)溫度分別為(278.0±6.0) ℃、(280.0±19.2) ℃、(257.6±12.6) ℃、(256.7±8.5) ℃和(235.6±7.3) ℃，熱失控之前電池的凈吸熱量范圍為56.806～64.054 kJ。文獻(xiàn)[35]以23 A·h軟包NCM523動(dòng)力電池為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)對(duì)SOC為25%、75% 的電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度分別為140.34 ℃、163.12 ℃，可見SOC較高的電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度高，相比SOC低的電池來說不易觸發(fā)熱失控。但是75%SOC電池相較于25%SOC電池?zé)崾Э氐淖罡邷囟雀?0.07 ℃，最大溫升速率大111.37 ℃/min，即 SOC高的電池?zé)崾Э匾坏┌l(fā)生，其化學(xué)反應(yīng)放熱更加劇烈，熱失控破壞性較大。文獻(xiàn)[36]總結(jié)了部分鋰離子電池?zé)崾Э嘏R界溫度，三元鋰電池?zé)崾Э嘏R界溫度在99～259 ℃，差值為160 ℃；磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э嘏R界溫度在131～218 ℃，差值為87 ℃，并指出由于試驗(yàn)條件以及不同配比的鋰離子電池，熱失控臨界溫度存在著不可避免的差異。以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然都對(duì)提高鋰離子電池?zé)崾Э匕踩蕴峁┲匾膮⒖?，但是研究范圍不夠?qū)挿?，部分觸發(fā)方式無法具體實(shí)施導(dǎo)致研究受限。

此外，目前的試驗(yàn)分析主要針對(duì)單一某電池與單一觸發(fā)方式。由于動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池的種類、容量、壽命等無法做到一致并且其熱失控觸發(fā)方式具有隨機(jī)性、復(fù)雜性，后續(xù)需要針對(duì)梯次電池特點(diǎn)進(jìn)行更全面的電池?zé)崾Э卦囼?yàn)分析。

(2) 仿真研究。仿真建模分析是為了描述鋰離子電池的熱行為過程，從鋰離子電池的生熱機(jī)理和熱特性出發(fā)對(duì)電池生熱速率進(jìn)行計(jì)算，并建立能夠準(zhǔn)確描述電池?zé)嵝袨榈臒崮Ｐ?。電池?zé)崾Э亟Ｖ饕袃煞N方法：基于量熱學(xué)的方法和基于化學(xué)反應(yīng)的方法，相對(duì)應(yīng)的是量熱學(xué)模型和化學(xué)反應(yīng)生熱模型。量熱學(xué)模型的建立需要對(duì)電池材料或單體電池進(jìn)行熱量測(cè)定，并基于Arrhenius公式對(duì)其熱特性進(jìn)行表征。目前應(yīng)用最為廣泛的是BERNARDI等[37]在1985年提出的生熱速率模型，假設(shè)電池溫度是恒定的，但是會(huì)隨著外界變化發(fā)生變化，其理論表達(dá)式如式(1)所示

式中，I為總電流；V為電池電壓；Ij為電極反應(yīng)電流；Uj,avg為平均開路電壓；q˙phase為可逆熱；q˙mixing為電池內(nèi)部物質(zhì)混合不均造成的濃度梯度的產(chǎn)熱率；為材料相變反應(yīng)產(chǎn)生的熱速率。

對(duì)于熱量的散失，其主要包括三部分：傳導(dǎo)散熱、對(duì)流散熱和輻射散熱，在電池內(nèi)部，熱量的散失只有熱傳導(dǎo)的方式，因此其控制方程如式(2)所示

式中，左側(cè)項(xiàng)表示在方向n(n=x,y,z)上來自電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)通量。ch為對(duì)流傳熱系數(shù)；sT為電池各個(gè)邊界的溫度；Tamb為環(huán)境溫度；ε為輻射系數(shù)(輻射率)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)(Stefan-Boltzmann constant)。目前，熱模型通常以三維的方式被呈現(xiàn)，因?yàn)槠淇梢愿又庇^地展示電池的溫度分布[38]?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)、有限體積(Finite volume method，F(xiàn)VM)和有限元(Finite element method，F(xiàn)EM)的3D熱模型建模方法是目前常用的熱模型建立方法[39]。

3.4.2 梯次電池模組或系統(tǒng)級(jí)別的熱失控

梯次電池模組或系統(tǒng)級(jí)別的熱失控建模需要深入電池單體、模組、系統(tǒng)之間的擴(kuò)散機(jī)理，基于擴(kuò)散機(jī)理來限制并隔絕熱失控的擴(kuò)散，避免對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)造成災(zāi)害。清華大學(xué)FENG等[40]建立了大容量方形鋰離子電池模組(6塊電池)的3D熱失控?cái)U(kuò)展模。該模型建立過程中，使用經(jīng)驗(yàn)公式來簡化熱失控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，并通過針刺熱失控觸發(fā)試驗(yàn)對(duì)該模型的建模準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[41]對(duì)鋰離子電池模組進(jìn)行熱失控仿真，通過對(duì)鋰電池發(fā)生熱失控時(shí)釋放氣體的分布進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)釋放氣體對(duì)周圍鋰離子電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生影響較小，研究成果可為磷酸鐵鋰離子電池模組的設(shè)計(jì)以及氣體探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。文獻(xiàn)[42]對(duì)某鋰電池模組以不同工況進(jìn)行放電測(cè)試，探究了鋰電池模組在不同倍率、不同功率下的放電性能。發(fā)現(xiàn)電池長時(shí)間處于不合理溫度下工作不僅影響鋰電池放電性能，還容易觸發(fā)電池?zé)崾Э?。文獻(xiàn)[43]研究了在過充和過熱兩種情況共存情況下，鋰離子電池的熱失控行為；考察了充電倍率、環(huán)境溫度和散熱系數(shù)對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э靥匦缘挠绊?。研究有助于提高?fù)雜工況下電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)的可靠性。目前儲(chǔ)能電池系統(tǒng)模組級(jí)熱失控建模研究較少，并對(duì)梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模組級(jí)熱失控做出針對(duì)研究。由于梯次電池模組或系統(tǒng)級(jí)別的熱失控建模需要深入電池單體、模組、系統(tǒng)之間的擴(kuò)散機(jī)理。對(duì)于梯次動(dòng)力電池來說，需要在探究傳統(tǒng)鋰電池模組級(jí)熱失控分析的基礎(chǔ)上，考慮其壽命短、容量不足的問題，探究其熱失控?cái)U(kuò)散機(jī)理，并針對(duì)此問題開展對(duì)應(yīng)的隔絕、限制熱擴(kuò)散研究工作。

4 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全保護(hù)

4.1 梯次電池檢測(cè)技術(shù)

動(dòng)力電池在不同環(huán)境、不同工況使用下的性能比較復(fù)雜，為了滿足其安全和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量利用的最大化，需要對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試和篩選分組，以便在安全的前提下最大限度地利用退役電池的剩余容量[44]。

4.1.1 梯次動(dòng)力電池安全性能檢測(cè)

動(dòng)力電池從電車上退役后進(jìn)入梯次流程，需要對(duì)電池安全性能進(jìn)行檢測(cè)。首先針對(duì)外觀進(jìn)行檢查，將存在變形、鼓包、部件不完整、破損、漏液、生銹、腐蝕或者極柱損壞等不安全電池做拆解回收利用，不進(jìn)入梯次利用行類。其次查看梯次電池的廠家、型號(hào)、批次確定電池相關(guān)參數(shù)，并檢測(cè)梯次電池電壓、電阻、容量、內(nèi)阻等數(shù)據(jù)，將內(nèi)阻過高、容量過低充放電測(cè)試速率較高的電池篩選淘汰，其測(cè)試數(shù)據(jù)還可為退役動(dòng)力電池梯次篩選做一定的數(shù)據(jù)支撐[45]。其中具體的檢測(cè)方法多樣，如電壓電流可用電壓表測(cè)試；內(nèi)阻可以使用直流測(cè)量法、交流測(cè)量法或國內(nèi)已有的內(nèi)阻測(cè)試儀測(cè)量，如DME-50型電池測(cè)試儀器等；容量和能量可以通過完全充放電測(cè)試測(cè)定。其具體流程如圖4所示。

圖4 梯次電池安全性能初檢流程圖

4.1.2 退役動(dòng)力電池梯次篩選聚類技術(shù)

由于退役動(dòng)力電池來自不同廠家、不同批次并且經(jīng)過長時(shí)間的使用性能差異性較大。從安全、可靠、應(yīng)用價(jià)值最大化的角度出發(fā)，動(dòng)力電池通過基本安全性能檢測(cè)之后，必須對(duì)電池進(jìn)行篩選重組實(shí)現(xiàn)分級(jí)利用。退役動(dòng)力電池梯次篩選聚類技術(shù)涉及眾多學(xué)科，如軟件技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、制造工業(yè)等。文獻(xiàn)[46]是退役動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)行溫度及直流內(nèi)阻特性試驗(yàn)，分析電池的直流內(nèi)阻與SOC、溫度、倍率之間的關(guān)系，系統(tǒng)評(píng)估單體電池性能的方法。文獻(xiàn)[47]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的篩選方法，提取電池充電曲線的關(guān)鍵特征，并將其輸入到所提篩選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，試驗(yàn)表明是此方法篩分效率可達(dá)到傳統(tǒng)容量測(cè)試方法的9倍。文獻(xiàn)[48]介紹了一種用于磷酸鐵鋰電池的快速、準(zhǔn)確確定退役動(dòng)力電池一致性的方法和系統(tǒng)，可用于現(xiàn)場(chǎng)篩選磷酸鐵鋰電池，并根據(jù)直流電阻對(duì)電池進(jìn)行分類。在篩選過程中，采用靜態(tài)特征聚類并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征排序，提高了排序精度，降低了梯級(jí)利用過程中由于特性不一致造成的電池?fù)p耗。文獻(xiàn)[49]是一種篩選前性能測(cè)定工作，通過容量測(cè)定、脈沖特征曲線以及電化學(xué)阻抗譜測(cè)試等多種方法對(duì)退役電池進(jìn)行性能表征，最后根據(jù)各性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，將退役電池進(jìn)行一致性分級(jí)，結(jié)果為電池的后續(xù)篩選工作提供參考。文獻(xiàn)[50]從電池一致性判斷依據(jù)、篩選成組、均衡技術(shù)三個(gè)方面，匯總了眾多退役電池一致性的篩選原則，提出了提高退役動(dòng)力電池一致性的解決方法。一是對(duì)退役動(dòng)力電池嚴(yán)格分選成組，提高組內(nèi)電池間的一致性；二是利用電池均衡技術(shù)降低電池的不一致性。文獻(xiàn)[51]對(duì)退役動(dòng)力電池篩選應(yīng)用做了比較全面的敘述，從劃分聚類、層次聚類、密度聚類等聚類算法及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了比較分析，明確其優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及評(píng)價(jià)指標(biāo)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)篩選開展更深入的研究提供借鑒參考。

梯次動(dòng)力電池單體篩選聚類技術(shù)針對(duì)退役電池性能離散度高、安全風(fēng)險(xiǎn)因素較多等問題有了諸多解決方法。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要滿足篩選技術(shù)的模塊化、精準(zhǔn)化、快速化的實(shí)施要求，提高退役動(dòng)力電池的使用率，提高其經(jīng)濟(jì)效益。從梯次動(dòng)力電池單體級(jí)別安全的角度出發(fā)，選擇篩選技術(shù)時(shí)需要針對(duì)不同應(yīng)用工況選用不同篩選技術(shù)，達(dá)到“因地制宜”的效果。篩選所用測(cè)試參數(shù)需要可靠準(zhǔn)確，可用不同方式進(jìn)行測(cè)量。

4.2 熱安全保護(hù)技術(shù)

梯次電池作為二次使用的舊電池，由于電池老化，相同環(huán)境下電池比新電池的內(nèi)阻及溫升更大[52]，退役動(dòng)力電池工作時(shí)溫度更高且成組后溫度的不一致性會(huì)加劇。當(dāng)電池未能處于最佳溫度區(qū)間時(shí)更容易引發(fā)安全問題，并且電池單體、模組以及電池簇之間的溫度不均也會(huì)引發(fā)安全問題。因此，電池的熱管理系統(tǒng)(BTMSs)對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性非常重要。目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，其具體如圖5所示。

圖5 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)架構(gòu)圖[53]

目前實(shí)際應(yīng)用較多的是空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻的方法[54]，其方法各有利弊，如表6[55]所示。

表6 熱管理技術(shù)對(duì)比表

空氣冷卻方式是通空氣流動(dòng)將電池箱內(nèi)溫度進(jìn)行交換達(dá)到控制系統(tǒng)溫度的作用，具有簡單易行、成本低等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)梯次電池儲(chǔ)能應(yīng)用，文獻(xiàn)[56]究了風(fēng)冷熱管理方案和運(yùn)行策略，結(jié)果表明對(duì)于磷酸鐵鋰電池簇和鎳鈷錳電池簇增加風(fēng)冷系統(tǒng)后，簇內(nèi)電池最大溫差可由無風(fēng)冷時(shí)的10 K降低至4 K左右，電池的最大溫升由30 K降低至10 K左右，風(fēng)冷熱管理能夠滿足適宜退役動(dòng)力電池正常工作時(shí)的溫度范圍。熱管是一種利用熱導(dǎo)率和相變的傳熱裝置，在兩個(gè)固體界面之間提供高效的傳熱。其冷卻效率較高，電池組溫均性較強(qiáng)，但是由于其成本高、安裝較為復(fù)雜，在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中很少使用。液體冷卻方式是通過冷清液作為載體對(duì)電池箱內(nèi)溫度進(jìn)行控制，具有冷卻效率高、導(dǎo)熱系數(shù)大、電池組溫均性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，液體冷卻系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于一些乘用車。例如，奔馳S400 Blue HYBRID采用液冷設(shè)計(jì)，制冷劑作為冷卻介質(zhì)。但是系統(tǒng)其質(zhì)量較大，并且冷卻液泄漏會(huì)給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來更多的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在大規(guī)模儲(chǔ)能中使用較少。

相變材料(PCM)是指溫度不變的情況下而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)[57]。這種材料將成為節(jié)能環(huán)保的最佳綠色環(huán)保載體，在我國已經(jīng)列為國家級(jí)研發(fā)利用序列。因此使用相變材料冷卻既符合國家政策，并且相較于其他方式具有結(jié)構(gòu)簡單、形狀適應(yīng)能力強(qiáng)、溫度均一性好的特點(diǎn)。如DEY等[58]提出利用潛熱系統(tǒng)(Latent heat of system，LHSB)對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行熱管理，其潛熱系統(tǒng)主要使用相變材料，通過相變材料的吸熱儲(chǔ)能特性來防止熱逃逸。但是純相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低，不利于熱量的傳播，可以采用優(yōu)化電池組排布進(jìn)行解決。文獻(xiàn)[59]驗(yàn)證了電池組溫度分布與電池間距、矩形、線形、環(huán)形三種成組方式之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[60]驗(yàn)證了矩形圓柱電池模組，平行排列方式相比于非平行排列方式，對(duì)相變材料的利用率更高，整體散熱效果更好，其電池最優(yōu)間距為4～5 mm。文獻(xiàn)[61]針對(duì)圓柱型鋰離子電池組散熱問題，設(shè)計(jì)了一種新型的相變材料(PCM)-水套式液冷耦合散熱結(jié)構(gòu)模型。在一定時(shí)間內(nèi)可以將電池表面的溫度控制在適宜的工作溫度范圍(20～45 ℃)，保證電池的正常工作。文獻(xiàn)[62]證明了電化學(xué)-熱耦合模型對(duì)儲(chǔ)能電池包的溫度與內(nèi)部流速分布的分析可行性，并通過改變出風(fēng)孔數(shù)量和風(fēng)扇擋板形狀改善了冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。

4.3 電安全保護(hù)技術(shù)

為了滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓、功率、容量需求，篩選過后的梯次動(dòng)力電池需要以串并聯(lián)的方式組成模組級(jí)單元。其最大的不安全因素來源于同組電池的不一致性，可以采用相應(yīng)的技術(shù)來保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行。

4.3.1 電池均衡技術(shù)

電池均衡技術(shù)目的是保證電池充放電的平衡，使電池模組安全高效運(yùn)行。目前電池均衡技術(shù)分為均衡控制策略和均衡控制拓?fù)鋬蓚€(gè)方向研究。均衡控制策略通過實(shí)時(shí)檢測(cè)單電池電壓、電流、SOC等參數(shù)制定相應(yīng)的均衡策略，如最大值均衡法、平均值比較法等[63]。但是均衡策略的算法復(fù)雜，具體工程中難以實(shí)施，推廣受限。均衡控制拓?fù)涞难芯繉?duì)現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化相對(duì)比較成熟，分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)均衡拓?fù)涫疽鈭D

表7為電池模組級(jí)均衡技術(shù)對(duì)比。可以看出其控制方式各有優(yōu)劣，需要在不同的工況選擇不同的均衡拓?fù)浜途饪刂撇呗砸员惚ＷC梯次動(dòng)力模組級(jí)安全性。

表7 電池均衡技術(shù)對(duì)比

電池均衡技術(shù)經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展已經(jīng)有了不少成果，文獻(xiàn)[64]為解決磷酸鐵鍵電池組內(nèi)部不平衡性，提出雙向能量轉(zhuǎn)移式均衡電路及控制方法，解決串聯(lián)電池組在充放電時(shí)，沒有均衡或均衡效果不佳的問題，仿真證明其有效性。文獻(xiàn)[65]使用以SOC為均衡目標(biāo)的均衡控制策略，并對(duì)被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種均衡方式進(jìn)行了分組試驗(yàn)。結(jié)果表明，主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都能夠有效改善電池的不一致性，主動(dòng)均衡相比于被動(dòng)均衡效果更優(yōu)。文獻(xiàn)[66]提出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于一個(gè)由兩個(gè)二極管組成的小等匝比高隔離變壓器組成的隔離單元，試驗(yàn)證明了拓?fù)涞目煽啃?，并易于使用，并且該設(shè)計(jì)可防止任何單電池之間的線路連接中斷。文獻(xiàn)[67]以主動(dòng)均衡中的基于雙向DC/DC變換器為基本均衡拓?fù)?，設(shè)計(jì)基于蟻群算法(ACO)-Elman動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID控制系統(tǒng)，均衡控制策略以粒子群算法(PSO)對(duì)量化因子尋優(yōu)處理，結(jié)果表明其均衡速度快、效率高。文獻(xiàn)[68]探究主被動(dòng)混合均衡電路的理論可行性，并將主動(dòng)均衡大電流特點(diǎn)與被動(dòng)均衡簡單控制特點(diǎn)相結(jié)合，提出一種動(dòng)態(tài)式雙閾值主被動(dòng)均衡控制策略，在充電過程中減少無效循環(huán)充放電次數(shù)、提高效率、同時(shí)降低了過充過放現(xiàn)象發(fā)生的可能性，提高系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[69]對(duì)現(xiàn)有的電池均衡控制研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，按照不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將其分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩類。又根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，將主動(dòng)均衡方法按照從簡到繁，從原理方法、改進(jìn)的方式和優(yōu)缺點(diǎn)三個(gè)方面，總結(jié)現(xiàn)有的主動(dòng)均衡方案。通過對(duì)主動(dòng)均衡控制方法的分析研究，總結(jié)了目前亟待解決的問題，并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[70]對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。通過橫向(被動(dòng)、主動(dòng)均衡拓?fù)渲g以及主動(dòng)均衡中基于不同電器元件之間)與縱向?qū)Ρ?均衡拓?fù)涓倪M(jìn)前后的特性)全面分析了其優(yōu)缺點(diǎn)與發(fā)展歷程，其結(jié)果有利于均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化與創(chuàng)新，并對(duì)模組級(jí)儲(chǔ)能安全提供理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[71]介紹了一種智能分時(shí)的主被動(dòng)協(xié)同均衡技術(shù)，通過結(jié)合現(xiàn)有均衡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可高效快速實(shí)現(xiàn)對(duì)梯次電池的均衡。文獻(xiàn)[72]用鈦酸鋰電池和超級(jí)電容相集成，提出了一種電容模塊兼具均衡和儲(chǔ)能功能的儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[73]基于正激變換器的雙向DC/DC變換器及開關(guān)陣列提出的主動(dòng)均衡電路拓?fù)?，提升了電池的可用容量和電池組的一致性效果。

電池均衡技術(shù)方面在降低成本、減小電路體積、降低電路損耗等方面有了眾多的成果。但是針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)模組級(jí)來說，在保證其安全的基礎(chǔ)上，追求更高的能量利用率和更好經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)需要解決的問題。

4.3.2 可重構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)

目前可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為可以提高安全性、可靠性的儲(chǔ)能系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注。數(shù)字可重構(gòu)系統(tǒng)創(chuàng)造性地把互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的精華部分“盡力而為”的工作模式和“軟件控制分組交換”的技術(shù)體系引入大規(guī)模電池成組中，其核心通過對(duì)每個(gè)電池單體或模塊的電流、電壓和溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，分析形成電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖顑?yōu)控制策略并實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄74-75]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 可重構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)圖

清華大學(xué)CI等[76]率先確定其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行綜述，并對(duì)這一新興領(lǐng)域的未來研究提供見解。文獻(xiàn)[77]基于可重構(gòu)電池組，提出路徑組合優(yōu)化策略，有效抑制了可重構(gòu)電池組的內(nèi)部環(huán)流，而且優(yōu)化了策略的求解時(shí)間。文獻(xiàn)[78]概述了可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理、電池組一致性、電熱安全管理方面所具備優(yōu)勢(shì)，在面對(duì)高離散度的退役動(dòng)力電池分選重組利用時(shí)，表現(xiàn)出了技術(shù)的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[79]對(duì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了可重構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)適用于差異較大的退役動(dòng)力電池組。文獻(xiàn)[80]基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，提出了一種提高多芯電池放電效率的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方案，通過去除旁路電路來緩解短路，并具有低開關(guān)復(fù)雜度、低維護(hù)成本和高可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[81]基于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種適用于大規(guī)?？芍貥?gòu)交流電池組的分層平衡算法，在保證電壓輸出的同時(shí)，通過增加電池冗余，提高系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[82]介紹了一種新型的動(dòng)力電池陣列動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法，該方法不考慮電池的實(shí)際物理位置，根據(jù)電池的健康狀態(tài)對(duì)電池進(jìn)行重組，通過試驗(yàn)證明其可靠性，為可重構(gòu)均衡技術(shù)提供了一種新的方法。

傳統(tǒng)模組級(jí)固定串并聯(lián)加BMS的組合方式經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行[83-85]，電池組有容量嚴(yán)重下降并導(dǎo)致效率、安全性、可靠性、壽命及經(jīng)濟(jì)性等問題。數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)將不同電芯的能量進(jìn)行數(shù)字化處理和網(wǎng)絡(luò)化管控，實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)輸出，徹底屏蔽了電池池物理和化學(xué)上的差異性[86]，并克服短板效應(yīng)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，其功能性指標(biāo)對(duì)比如表8所示。從梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全角度觸發(fā)，由于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很大程度上消除退役動(dòng)力電池單體或模塊在充放電過程中的差異性，屏蔽系統(tǒng)短板效應(yīng)帶來的一系列電池應(yīng)用問題，因此提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

表8 功能性指標(biāo)對(duì)比表

傳統(tǒng)電池均衡技術(shù)還是可重構(gòu)技術(shù)都是為了保證系統(tǒng)的安全，安全技術(shù)手段的多樣可以保證梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同環(huán)境、不同工況、不同需求下尋找出最優(yōu)的安全保護(hù)方法。

4.4 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)級(jí)安全預(yù)警及處理技術(shù)

梯次動(dòng)力電池組成的儲(chǔ)能電站在運(yùn)作的過程中，因使用的電池是退役動(dòng)力電池，所以相對(duì)于傳統(tǒng)儲(chǔ)能電站，發(fā)生安全事故的概率會(huì)大大提高。其中，火災(zāi)事故尤為突出[87]。梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性分析方面分為兩部分。首先是針對(duì)系統(tǒng)的安全預(yù)警技術(shù)，可以在源頭阻止安全事故的發(fā)生；二是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，如何正確地處理事故避免儲(chǔ)能系統(tǒng)的二次傷害。

4.4.1 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全預(yù)警技術(shù)

當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，會(huì)伴隨局部溫度突變、系統(tǒng)電壓電流異常、可燃?xì)怏w緩慢釋放等熱失控。因此通過對(duì)電池運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)分析、特征參數(shù)檢驗(yàn)、熱失控演化趨勢(shì)的分析可以提前判斷系統(tǒng)危險(xiǎn)的發(fā)生。文獻(xiàn)[88]為了了解熱失控的可能性，考慮了熱的產(chǎn)生和散熱，并進(jìn)一步提出了一個(gè)無量綱參數(shù)，即熱失控?cái)?shù)(TRN)用來預(yù)測(cè)熱失控發(fā)生的可能性。文獻(xiàn)[89]進(jìn)一步提出儲(chǔ)能安全狀態(tài)(SOS)，基于安全與風(fēng)險(xiǎn)成反比的概念來評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[90]提出一種基于互信息的故障識(shí)別方法，可以將電池組中低容量電池和與之放電性質(zhì)相似的微短路電池精準(zhǔn)識(shí)別，為系統(tǒng)安全管理提供了可靠的參數(shù)識(shí)別手段。文獻(xiàn)[91]提出了一種基于偏微分方程(PDE)模型的鋰電池?zé)峁收蠈?shí)時(shí)診斷方法，并利用某商用鋰離子電池在加性發(fā)熱故障下的故障數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方案的有效性。文獻(xiàn)[92]通過電池運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析電池?zé)崾Э剡^程，識(shí)別電池電壓、溫度等故障信號(hào)等信息，可以進(jìn)行短路的早期檢測(cè)。文獻(xiàn)[93]研究了鋰電池組外部短路的在線故障診斷問題。并提出了一種基于模型的電池組故障在線診斷方案，通過試驗(yàn)證明該方法能在3.5 s內(nèi)有效診斷外短路故障，且電壓誤差小于25 mV。文獻(xiàn)[94]針對(duì)鋰離子電池組的典型故障，包括傳感器故障和繼電器故障，提出了一種基于混合系統(tǒng)的系統(tǒng)故障診斷方案。試驗(yàn)表明，能夠及時(shí)有效地檢測(cè)出來傳感器和繼電器的故障，其中±0.006 V的小規(guī)模電壓傳感器故障時(shí)間在19 s內(nèi)。文獻(xiàn)[95]研究了并聯(lián)鋰離子電池組的故障特征，提出了一種識(shí)別并聯(lián)鋰離子電池組連接故障和內(nèi)阻增大故障的方法，通過估計(jì)電阻及其標(biāo)準(zhǔn)差來判斷大電池是否存在連接松動(dòng)或內(nèi)阻增大的情況，結(jié)合后估計(jì)的電阻、標(biāo)準(zhǔn)電壓和溫度作為故障指示燈，共同確定具體的故障類型和位置。文獻(xiàn)[96]總結(jié)了分布式儲(chǔ)能的應(yīng)用模式與分布式儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)方法，歸納了電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全防護(hù)所采用的狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)警、消防等關(guān)鍵技術(shù)措施，可為分布式儲(chǔ)能的安全應(yīng)用提供參考。文獻(xiàn)[97]通過采氣并進(jìn)行氣體成分含量分析，從系統(tǒng)部件、聯(lián)動(dòng)通信、人員安全三個(gè)方面確定儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，來提高儲(chǔ)能電站的安全性。OJO等[98]提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱故障檢測(cè)方法，根據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS)提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估計(jì)表面溫度，其在保持高精度同時(shí)可以兼容不同的電池類型和老化。文獻(xiàn)[99]提出了基于電池電壓、可燃?xì)怏w、溫度、煙霧等的多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)及分級(jí)預(yù)警策略，實(shí)現(xiàn)滅火系統(tǒng)的早期預(yù)警，并以退役磷酸鐵鋰電芯熱失

控為例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。文獻(xiàn)[100]提出了一種基于磷酸鋰電池儲(chǔ)能安全管理系統(tǒng)的熱失控預(yù)警方法，從溫度、氣體、煙霧、紅外視頻監(jiān)控等多個(gè)方面進(jìn)行熱失控預(yù)警和防火保護(hù)，此方法能夠快速定位熱失控發(fā)生的區(qū)域，并快速執(zhí)行相應(yīng)的切斷動(dòng)作、消防報(bào)警操作，節(jié)省了大量的人工成本，保證了蓄電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止了重大火災(zāi)事故的發(fā)生。

4.4.2 動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全處理技術(shù)當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生安全問題出現(xiàn)起火、爆炸、散發(fā)有毒氣體的現(xiàn)象，由于鋰離子電池火災(zāi)與普通火災(zāi)不同，鋰電池火災(zāi)是由電池內(nèi)部熱失控而引發(fā)的，故應(yīng)對(duì)常規(guī)火災(zāi)所使用的隔絕氧氣或切斷燃燒鏈的方法并不能徹底撲滅鋰電池火災(zāi)。針對(duì)鋰電池火災(zāi)的成因，現(xiàn)有試驗(yàn)已證明七氟丙烷對(duì)單體電池和電池簇具有滅火效果。但通過對(duì)已發(fā)生的儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的分析，七氟丙烷并未完全將火災(zāi)撲滅，最終采用大量水撲滅，也因此造成了更大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，后續(xù)需要對(duì)現(xiàn)有的滅火器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和升級(jí)，包括增大滅火器中七氟丙烷的濃度和容量等，足以應(yīng)付突發(fā)的大型鋰電池火災(zāi)。文獻(xiàn)[101]對(duì)電池儲(chǔ)能電站的五大安全風(fēng)險(xiǎn)因素(包含火災(zāi)、爆炸、中毒、觸電、灼燙等)進(jìn)行分析并給出相對(duì)應(yīng)的解決方法，為火災(zāi)事故的后續(xù)處理提供可靠參考。最后要對(duì)儲(chǔ)能電站相關(guān)工作人員進(jìn)行充分的安全知識(shí)培訓(xùn)和火災(zāi)預(yù)防演練，這樣就能夠保證有火災(zāi)等突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，儲(chǔ)能電站的工作人員能夠第一時(shí)間響應(yīng)，從而做到把損失降至最低。

5 研究現(xiàn)狀分析及展望

動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能的發(fā)展與我國“碳中和”“碳達(dá)峰”的政策息息相關(guān)，當(dāng)大量退役動(dòng)力電池梯次應(yīng)用到儲(chǔ)能系統(tǒng)中，對(duì)梯次電池儲(chǔ)能電-熱安全問題的研究更加重要。基于現(xiàn)狀分析，未來針對(duì)梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究可從以下幾方面展開。

(1) 政策標(biāo)準(zhǔn)。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)動(dòng)力電池的回收篩選做了相關(guān)規(guī)定。但是篩選、分級(jí)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不完善，無法滿足不同廠家、批次、種類、電池參數(shù)和結(jié)構(gòu)的需求，缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)。在儲(chǔ)能層面，目前的儲(chǔ)能安全標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能安全，包括出廠前和出廠后的功能安全目標(biāo)、出廠前功能安全設(shè)計(jì)驗(yàn)證、出廠后功能安全保養(yǎng)驗(yàn)證等內(nèi)容。但是標(biāo)準(zhǔn)覆蓋不全面，還需要針對(duì)梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)從電芯、模組、系統(tǒng)三個(gè)層面出臺(tái)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，健全動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

(2) 熱失控機(jī)理。當(dāng)前熱失控特性研究主要針對(duì)電芯層面，對(duì)于熱失控的反應(yīng)機(jī)理方面研究也比較深入。但是相關(guān)研究主要以新電池為研究對(duì)象，未考慮梯次電池可充放電次數(shù)少容量低的特點(diǎn)，研究成果精準(zhǔn)性欠缺，導(dǎo)致梯次電池的熱失控更加不可預(yù)知。因此需要重點(diǎn)考慮可充放電次數(shù)、容量等梯次電池獨(dú)有的特性來展開熱失控機(jī)理的研究。另外，目前主要針對(duì)單體的熱失控進(jìn)行研究，還需要加強(qiáng)對(duì)梯次電池模組、系統(tǒng)級(jí)別的熱失控研究，深入研究電池單體、模組、系統(tǒng)之間的熱失控耦合及擴(kuò)散機(jī)理。

(3) 電安全保護(hù)。電池均衡技術(shù)方面研究正在蓬勃發(fā)展，均衡性能隨著拓?fù)涞牟粩喔倪M(jìn)而加強(qiáng)，主被動(dòng)均衡可以相互組合或者根據(jù)不同工況分級(jí)管控，改進(jìn)單一方式的缺陷。但是對(duì)于大型的梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，復(fù)雜的均衡拓?fù)浜途饪刂撇呗噪y以在工程中大量應(yīng)用，需要從安全、簡單、成本、有效多個(gè)角度做進(jìn)一步的優(yōu)化。

可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在大規(guī)模儲(chǔ)能方面展現(xiàn)其先進(jìn)性，并已有部分示范工程。但是電熱安全管控技術(shù)體系尚待進(jìn)一步系統(tǒng)化和完整化。可以研究靜動(dòng)態(tài)一體的安全評(píng)估方法，先量化梯次電池的靜態(tài)安全性能，進(jìn)行梯次電池的二次篩選，然后考慮歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)安全性?；陟o動(dòng)態(tài)一體的安全性能來重構(gòu)最安全的儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)洌_(dá)到可重構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電、熱安全預(yù)警分析、故障預(yù)判和定位，實(shí)現(xiàn)故障電池快速精準(zhǔn)隔離，提高其安全性。

6 結(jié)論

電力儲(chǔ)能系統(tǒng)為動(dòng)力電池梯次利用提供了良好的解決方案，但是動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的電熱安全問題已經(jīng)影響了系統(tǒng)大規(guī)模的建設(shè)推廣。本文梳理分析了動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的電熱安全風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)機(jī)理、安全技術(shù)研究的最新進(jìn)展，得出了以下結(jié)論，可以對(duì)動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)電熱安全管理研究提供參考建議。

(1) 需要針對(duì)梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)從電芯、模組、系統(tǒng)三個(gè)層面出臺(tái)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)化完善動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

(2) 需要考慮從可充放電次數(shù)、容量等梯次電池獨(dú)有的特性來展開熱失控機(jī)理的研究。需要加強(qiáng)梯次電池模組、系統(tǒng)級(jí)別的熱失控研究，并重點(diǎn)研究電池單體、模組、系統(tǒng)之間的熱失控耦合及擴(kuò)散機(jī)理。

(3) 可重構(gòu)技術(shù)在動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的電熱安全管理上具有領(lǐng)先性，但是其電熱安全管控技術(shù)體系尚待進(jìn)一步系統(tǒng)化和完整化?；陟o動(dòng)態(tài)一體的安全性能評(píng)估來重構(gòu)最安全的儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?，可以?shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電、熱安全預(yù)警分析、故障預(yù)判和定位，實(shí)現(xiàn)故障電池快速精準(zhǔn)隔離，提高系統(tǒng)的安全性。