研究背景

储能技术是构建新型电力系统、保障国家能源安全、支撑“双碳”目标实现的重大战略基础。以电化学储能为代表的新型储能，凭借调节响应快、系统布置灵活、建设周期短等突出优势，已在可再生能源并网消纳、电网调峰调频、备用电源支撑等关键场景中发挥不可替代的作用。其中，锂离子电池凭借高能量密度、长循环寿命与成熟产业化基础，已成为当前电化学储能的主流技术路线。

然而，锂电池作为高度耦合的电-热-化学多场系统，其热失控风险始终是制约大规模储能安全应用的核心瓶颈。在各类滥用条件下，过充被公认为引发热失控的最主要诱因——过充过程中，正极材料持续脱锂、电解液剧烈氧化分解，伴随电压异常抬升、本体温度快速攀升，并释放大量可燃气体（如H₂、CO等），极易触发单体热失控，并进一步通过热蔓延引发模组级甚至簇级链式反应，造成严重火灾爆炸事故。

当前，储能电站普遍依赖电池管理系统（BMS）对端电压与表面温度进行状态监测，但该方式存在响应滞后、阈值僵化、误报率高等固有缺陷；而配套消防系统多采用烟感、温感等传统探测器，仅在热失控中后期（如明火、浓烟或高温辐射阶段）才触发报警，完全丧失早期干预窗口。尽管已有研究尝试引入电压微分、温度梯度、气体浓度等单一参量作为预警指标，但单参数判据鲁棒性差、抗干扰能力弱；在多参数融合方向，主流方案往往需加装光纤测温、压力传感器、超声探头等专用硬件，显著推高系统成本；或依赖深度神经网络等高算力模型，超出当前BMS嵌入式平台的实时处理能力，难以落地部署。更关键的是，多数研究成果局限于实验室单体或小模组尺度，缺乏在真实储能单元（即电池簇级）工况下的系统性验证，亦未将预警逻辑与消防执行系统进行深度协同设计。

因此，亟需构建一套不依赖新增硬件、完全复用现有BMS与消防系统感知能力的多参数融合分级预警方法，并同步建立与之匹配的预警—响应—处置一体化防控机制，切实提升储能电站热失控风险的主动防御能力。

研究亮点

1. 首次揭示过充热失控全过程“电压–温度–气体”三段式演化规律，奠定分级预警物理基础
基于280 Ah磷酸铁锂储能模组的系统性过充试验（全程1880 s，直至热失控发生），精准识别并划分热失控演化的三个典型阶段：
• 阶段Ⅰ（初始过充）：电压持续缓慢上升，温度缓慢升至约50℃，无明显气体释放；
• 阶段Ⅱ（泄压阀开启）：电压出现先降后升特征，温升速率显著跃升，H₂与CO气体开始大量逸出；
• 阶段Ⅲ（热失控爆发）：电压骤降，温度急剧攀升至数百摄氏度，H₂/CO浓度迅速达传感器量程上限。
据此提出严格匹配物理进程的三级预警逻辑，实现预警信号与热失控演化阶段的精准耦合。

2. 创新提出基于既有设备的轻量化多参数分级预警策略，工程误报率极低
策略深度融合三类可复用信号：
• 温升速率：按温度区间差异化设定响应时间窗（30 s / 1 min / 5 min），动态适配不同热演化阶段；
• 电压斜率：在单体电压＞4.9 V后，20 s内拟合斜率＜–0.2 mV/s即触发判据；
• 气体浓度：H₂或CO任一气体浓度＞600 ppm即满足条件。
尤为关键的是，该策略经两座100 MW/200 MWh规模化储能电站在3个月内累计20亿余条真实运行数据的统计验证：各温度区间温升速率的99.99%分位数均显著低于预警阈值，从工程数据层面充分证实该策略具备极高的可靠性与极低的误报率，有效破解传统BMS“频繁误报、不敢信赖”的行业痛点。

3. 首创“BMS–消防”联合防控架构，实现监测–预警–处置闭环贯通
在零硬件增配前提下，明确BMS与消防主机的功能边界与协同机制：
• BMS负责电压、温度等电热参量的实时采集、分析与一级/二级预警；
• 消防主机负责H₂/CO等特征气体的精准探测与三级预警；
• 依据预警等级自动触发分级响应：
 ✓ 一级告警：BMS推送告警信息，同步指令PCS停机、断开簇级断路器；
 ✓ 二级告警：叠加声光报警，并启动强制排风（检测到H₂时优先启动）；
 ✓ 三级告警：立即启动全氟己酮等洁净灭火剂喷射。
该架构彻底打破“监测归监测、消防归消防”的割裂现状，推动储能安全体系从“只监不控”迈向“监–控–防”一体化、智能化新范式。

图文导读