锂离子电池储能电站早期安全预警及防护

储能技术是支撑我国新能源发展和保障能源安全的关键技术之一，在促进新能源并网消纳、保障电网稳定运行等方面发挥着重要作用。现有广泛应用于规模化储能的锂离子电池存在安全隐患，锂离子电池储能电站火灾和爆炸事故频发，造成了巨大的负面影响。本书针对锂离子电池储能电站的安全性问题，结合作者的研究实践，提出了适用于储能电站环境的早期预警及防护措施，详细阐述了阻抗预警、内部温度预警、特征气体预警、特征声音预警、特征声音故障定位、特征图像预警等早期预警方法，以及气体爆炸特性及防护、火灾事故处置等防护措施，并对关键技术进行了系统的分析论证、仿真和实验研究，同时给出了大量应用案例。
本书可作为储能、电池领域技术人员的参考用书，也可以作为电气工程和储能专业的高年级本科生和研究生的教学参考书。

金阳，博士毕业于西安交通大学电气工程学院，现任郑州大学电气工程学院教授，博士生导师，郑州大学电网储能与电池应用研究中心主任，中国电工技术学会储能系统与装备专业委员会，主要研究方向为规模化电池储能安全防护。入选2020年《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人中国榜单，河南省中原青年拔尖人才等。

适读人群 ：作为储能、电池领域技术人员的参考用书，也可以作为电气工程和储能专业的高年级本科生和研究生的教学参考书
本书是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目。
这是一本有理论、有实践、有分析、有仿真的技术著作，详细阐述了储能电站热失控过程、早期安全预警、高效消防技等相关安全性问题。
书中采用全彩印刷，完美呈现火灾预警模拟过程中的相关细节和过程！

前言
锂离子电池储能电站早期安全预警及防护
21世纪是新能源革命蓬勃发展的时代。大力发展可再生能源，是人类解决资源短缺、能源危机和环境污染等问题的必由之路。然而，可再生能源发电的大规模并网问题一直是制约其发展的关键。新能源配套储能，是目前世界上公认的消纳可再生能源最有效的途径之一。2020年我国电化学储能新增装机容量为785.1MW，其中锂离子电池储能新增装机容量为762.3MW。得益于“十四五”期间更多利好政策的颁布，预计在2020—2024年期间电化学储能的年复合增长率将有望超过65%，2024年年底电化学储能的市场装机规模将接近24GW。
然而，锂离子电池本身存在着不能忽视的安全隐患，随着电池能量密度等指标的提高，锂离子电池的安全性问题也越发尖锐。已经报道了多起锂离子电池储能电站安全事故，储能电池的安全性已经成为了当前重要的研究方向。相对电动汽车而言，储能电站电池数量多、排列相对密集，运行工况更加严峻。若单体电池因故障发生热失控，极易导致周围电池发生连锁反应，引发储能舱着火和爆炸事故。现有的储能电站预警手段尚不足以完全避免安全事故的发生，因此需要更加有效和及时的早期预警系统或者装置相互配合，从而全面保障储能电站的安全可靠运行。
本书结合作者多年来的研究实践，详细叙述了锂离子电池储能电站的早期安全预警和防护技术细节。第1章阐述了锂离子电池储能电站存在的安全隐患，梳理分析了国内外一系列锂离子电池储能电站安全事故，并总结了现行的电化学储能及锂离子电池储能电站相关安全规范；第2章阐述了锂离子电池热失控相关原理和过程，为热失控预警方法的研究做理论准备；第3章主要讨论了磷酸铁锂电池单体及模组过充特性、热蔓延问题和热防护方法；第4章提出了锂离子电池储能电站早期安全预警的概念；第5～10章系统深入地论述了阻抗预警、内部温度预警、特征气体预警、特征声音预警、特征声音故障定位、特征图像预警等早期预警方法基础理论、仿真建模、实验验证与实施细节；第11、12章介绍了预制舱式锂离子电池储能电站的爆炸特性和防护要点，以及火灾事故中的灭火剂选择和能效问题。本书力求从储能电站的实际运行环境出发，以精练准确的文字和翔实的内容，帮助相关领域读者了解储能电站的安全需求、掌握储能电站的早期安全预警方法和防护要点，助力我国储能行业的健康发展。
本书是作者所在团队在电化学储能安全领域研究开发工作的结晶，也是多年研究成果的集中体现。在此对团队博士、硕士研究生的辛苦付出表示由衷的感谢。还要感谢国网江苏省电力有限公司电力科学研究院对本书中电池模组燃烧实验研究提供的支持和帮助。
锂离子电池储能安全涉及电气、电化学、安全工程、材料等多学科交叉，我们希望将研究团队在该领域的研究成果与心得体会奉献给读者。但由于作者水平有限，有些理论与技术还在探讨中，书中难免存在疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。
金阳
2021年冬于郑州大学电气工程学院

目录
前言
第1章绪论
1.1锂离子电池储能应用前景广阔
1.2锂离子电池储能电站构成
1.3锂离子电池储能电站安全事故频发
1.4锂离子电池储能电站安全事故分析
1.5锂离子电池储能电站安全防护现状
1.5.1储能电站安全风险
1.5.2储能电站相关安全规范
1.6本章小结

第2章锂离子电池热失控过程
2.1锂离子电池工作原理
2.1.1锂离子电池充放电原理
2.1.2电池的相关评价指标
2.2锂离子电池产热机理
2.2.1正常工况下的产热机理
2.2.2滥用工况下的产热机理
2.3锂离子电池热失控机理
2.3.1锂离子电池热失控过程
2.3.2锂离子电池热失控特征参数
2.4锂离子电池热失控研究常用设备
2.4.1电池安全性测试设备
2.4.2电池参数测量仪器
2.5本章小结

第3章磷酸铁锂电池过充热失控特性
3.1电池热特性及机械特性
3.1.1过充热特性研究
3.1.2过充热特性仿真
3.1.3过充机械特性仿真
3.2过充热蔓延特性
3.2.1单体电池间热蔓延实验和仿真
3.2.2模组内单体热蔓延仿真
3.2.3模组间热蔓延仿真
3.3过充热防护设计
3.3.1不同散热条件对单体电池的影响
3.3.2不同散热条件对模组的影响
3.3.3电池簇热防护
3.4本章小结

第4章储能电站早期安全预警
4.1早期安全预警的概念
4.2多级安全预警系统
4.3系统构架和实现
4.4本章小结

第5章阻抗预警
5.1单频点阻抗
5.1.1电化学阻抗谱
5.1.2单频点阻抗的提出
5.2电流激励型阻抗测量设备
5.2.1设计思路
5.2.2设计方案
5.2.3数据处理和功能验证
5.3单频点阻抗过充预警
5.3.1过充前的单频点阻抗特征
5.3.2正常充电时单频点阻抗变化
5.3.3基于单频点阻抗的单体过充预警
5.3.4基于单频点阻抗的模组局部过充预警
5.4单频点阻抗鼓包预警
5.4.1过充鼓包前后的阻抗变化
5.4.2鼓包过程阻抗变化
5.4.3基于单频点的鼓包预警测试
5.5本章小结

第6章内部温度预警
6.1内部温度与阻抗
6.1.1内部温度测量挑战
6.1.2电化学阻抗谱与内部温度
6.1.3基于单频点阻抗的内部温度检测
6.2内部温度标定
6.2.1电池充放电过程中的阻抗变化
6.2.2最优阻抗频率的选择
6.2.3内部温度测量验证
6.3利用内部温度进行早期安全预警
6.4本章小结

第7章特征气体预警
7.1氢气产生机理
7.1.1氢气原位探测平台
7.1.2氢气探测实验
7.1.3氢气产生的反应机理
7.2氢气预警效果验证
7.2.1单体电池氢气预警效果
7.2.2电池模组级氢气预警效果
7.2.3电池簇级氢气预警效果
7.3氢气传感器及氢气预警工程应用
7.3.1氢气传感器介绍
7.3.2储能电站中氢气预警的应用
7.4本章小结

第8章特征声音预警
8.1特征声音信号产生
8.2安全阀声信号有效性
8.2.1单体电池安全阀声信号有效性
8.2.2电池模组安全阀声信号有效性
8.3安全阀声信号预警
8.3.1储能舱内部声信号采集与分析
8.3.2电池舱内声信号预处理
8.3.3声信号特征参数提取
8.3.4安全阀声信号模式识别
8.4本章小结

第9章特征声音故障定位
9.1声信号采集系统设计
9.2故障定位方法
9.2.1基于时延估计的定位算法
9.2.2互相关时差提取算法
9.3故障定位效果
9.3.1平台搭建与数据采集
9.3.2数据分析
9.4本章小结

第10章特征图像预警
10.1汽化电解液产生原理
10.2特征图像识别方法
10.2.1YOLO算法介绍
10.2.2算法改进策略
10.3特征图像识别预警效果
10.3.1数据集准备
10.3.2模型训练
10.3.3评价指标
10.3.4结果分析与对比
10.4本章小结

第11章储能电站气体爆炸特性及防护
11.1气体爆炸数值模型
11.1.1单层储能舱几何模型
11.1.2双层储能舱几何模型
11.1.3爆炸条件设置
11.2单层储能舱
11.2.1气体爆炸实验
11.2.2单层储能舱气体爆炸特性
11.2.3单层储能舱爆炸防护
11.3双层储能舱
11.3.1底层舱爆炸特性
11.3.2顶层舱爆炸特性
11.3.3结构可行性分析
11.4本章小结

第12章火灾事故处置
12.1储能电站火灾特性
12.2灭火介质选择
12.2.1灭火原理
12.2.2常用灭火剂
12.3灭火剂效果对比
12.3.1Novec1230灭火剂
12.3.2七氟丙烷灭火剂
12.3.3六氟丙烷灭火剂
12.3.4细水雾灭火剂
12.4本章小结
参考文献