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张书博:二次锂电池储能系统的风险缓解

日期:2019-05-07    来源:中国储能网

国际充换电网

2019
05/07
10:49
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关键词: 储能电池市场 锂电池 储能系统

   4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月24日下午的“国际储能市场与政策专场”,TV 南德意志集团储能事业部高级技术经理张书博在会上分享了主题报告《二次锂电池储能系统的风险缓解》,以下为演讲实录:

  张书博:各位储能界的朋友们,大家下午好!很高兴利用这个时间跟大家分享一下储能电池的风险缓解的问题,我今天讲的内容是从电池本身来分析如何降低它的风险。

  在2018年可以说韩国的储能电池市场火了,怎么火了?有两方面的含义,刚刚田女士给大家展示过韩国的储能电池份额在全球不是很高,但是去年韩国储能电站有报道的火灾就有16起,韩国大概有1000多座储能电站,那么平均不到100个电站就发生一次火灾。这说明什么问题呢?储能电池的风险还是非常大。如何降低储能电池的风险呢?事实上锂离子储能电池发展的历史并不长,但是各种国际标准、国家标准和行业标准还是不少的,例如IEC 62619,JIS 8715-2,UL 1973和VDE 2510-50等。

  前面Mr.KODAMA先生介绍了日本储能电池的发展状况时介绍,日本在2011年有一场大地震,这场地震对于日本人民来说是一场大灾难,但对于储能电池发展却是一个机遇。在这个地震后,日本的储能电池增长是非常迅速的。实际上储能电池的增长离不开政府的鼓励和支持。政府一些相应的补贴措施刺激了储能市场的增长。但是政府不能补贴那些性能和安全性不好的电池。这就需要制定准入的条件,这些条件就是通过合适的标准来保障电池的安全性和性能。

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  SBA 1101就是在2011年福岛核电站事故之后由日本电池工业协会推出的锂离子储能电池的安全标准,这个标准在2012年就是转化成日本的国标JIS 8715-2。 IEC(国际电工委员会)在JIS 8715-2的基础上制定了锂离子储能电池安全标准IEC 62619,这个标准大部分采用了日本的JIS 8715-2标准。这些标准都是从风险控制角度来考虑如何通过测试来验证电池的安全问题。

  除了安全标准,还有很多性能标准。刚刚田女士也讲到了在南澳,锂离子储能对于新能源储能并网应用的案例。在南澳电网出现故障的时候,这个储能电池系统,发挥了很重要的作用。那么如何判断储能电池能满足并网应用的要求呢? 电池IEC 61427-2标准规定了调频调峰等并网应用对电池的考核方法。T?V S?D 独立开发的PPP 51088标准就描述了基于IEC 61427-2对储能电池并网应用的加速测试方法。

  对于锂离子储能电池,电气风险、热风险、化学风险和机械风险是其最主要的风险。这些风险可能是由于电击、起火、泄漏和跌落挤压造成的。

  对于锂离子储能电池,热风险和电气风险尤其值得我们特别关注。

  关于第一个电击危害,首先要考虑防直接触电。直接触电就时直接接触带电体而产生的触电。当你的储能电池的最大电压超过60伏的时候,这个电池就有直接触电风险。注意这里指的是电池的最大电压,而不是标称电压。有些标准中把这个概念写错了。对于最大电压为60伏的电池系统,标称电压可能只有52伏左右。防止直接触电的方法可以是通过带电体的绝缘保护;也通过盖板或外壳保护;或者通过障碍保护;还可以通过无法接近保护。

  对于60伏以下的电池系统不需要考虑防触电,这是不是意味着完全不用考虑绝缘问题呢?其实不然,对于电池来说,发生起火和爆炸的危险可能由于电池短路造成的。如果你的电池的绝缘做的不好,即使60伏以下的电池也可能发生短路,对电池来说这是十分危险的。

  另外一个预防电击危害的要求是防间接触电,间接触电是指电气设备发生了一个故障,使原本不带电的部件带电,当我们触摸到这些部件而引起的触电就是间接触电。根据我刚刚说的IEC62485-5,当电池最大电压大于120伏时就需要防止间接触电。那间接触电的防止方法是什么呢?我们可以通过自动断开电源保护来防止间接触电,也可以通过二类结构或等效绝缘保护,还可以通过不导电场所,等电位连接或电气隔离保护。

  我们可以参照通用电气安全的五项安全原则要求电池用户进行停电操作。即安全断电,防止开关重合闸,确认断电状态,短路并接地,和屏蔽邻近带电体。但对电池来说第四项短路并接地要慎用,前面说过电池短路十分危险。电池是没有办法真正断电的,在电池进行安装和维护的时候,如果没有办法真正断电,就需要配戴个人防护用品,比如绝缘手套、绝缘安全帽和全脸护目镜,并使用绝缘工具进行工作。

  第二个危害是热的危害。我们需要关注一个危害是由什么原因造成的。对每个电池来说都有一个正常的操作窗口。左边那个图是充电窗口,右边的是放电窗口,当电池的电压、电流和温度都在操作窗口之内,你的电池是安全的。当超出这个操作窗口,电池的温度可能持续上升,当温度上到一定程度,电池的某些材料就会达到自加热温度,电池温度将会不可逆转地上升,直到电池产生热失控。电池有一个防止热失控的非常重要的零部件,就是BMS(电池管理系统)。BMS保障电池工作在操作窗口之内。电池无论在发生过电压、过电流和过温的时候,电池都可以得到一定的保护,不会再给电池充电,从而这个电池的热失控风险会降低很多。很多电池企业在设计电池管理系统时,忽略了对BMS设计的一个最重要的要求,就是BMS的功能安全。因为对于电池管理系统来说,BMS都是通过主动保护实现安全功能,就是需要进行采样,当电压、电流和温度不在工作窗口范围时,BMS必须使你的电池进入安全模式。

  对于BMS进行功能安全评估时,我们需要考虑系统失效、随机失效和潜在失效。BMS保证电池在操作窗口内工作必须考虑到:软件的可靠性;电压测量的可靠性;不分断开关的检测;传感器断线检测;联锁功能检测;降额功能测试;超出操作窗口的功能检查;检查BMS测量准确性;零部件或通讯故障下的表现。

  下面介绍化学风险,电池发生泄露时会有电解液流出。电解液是有毒的,会对金属件造成腐蚀,也会造成环境污染。有的标准中也对电池出现泄压之后要求有声光报警,这些在设计的时候都是要考虑的。另外电池泄压时,电解液不能泄露到电池外面。在控制化学危害中十分重要的一个文件就是安全数据表,在选用电芯的时候要求供应商提供数据表,确认到潜在危害的种类,包括确认第一救助方法,灭火方法,消除事故方法,处置和储存,曝露控制,物理和化学特性,稳定性,反应性,毒性和环境信息。

  最后,我给大家介绍一下机械危害。刚刚Mr.KODAMA先生介绍了,在日本申请电池补贴的时候,会增加测试,单体要增加针刺和挤压测试。也可以在系统级别做一个50千牛的挤压测试。这些都是模拟地震时,这个电池可能会承受的一些机械危害。

  今天给大家介绍的电池的几项主要的风险和缓解风险的措施,行业内很多企业有很多不同的避免风险的成功经验,大家可以互相学习,使储能电池越来越安全。谢谢大家!
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