Page 13 - 电力与能源2021年第五期
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秦晓维, 等: 提升安全性能的储能系统设计 5 5
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本文重点讨论大容量静止储能系统的安全问
题。据统计, 近 10 年来, 国内外共发生了 30 多起
大容量储能电站起火爆炸事故, 事故大多采用锂
离子电池, 还有两起事故采用了铅酸电池和钠硫
电池。事故主要原因有: 绝大多数事故发生在充
电后休止状态, 此时电池电压较高, 电池活性较
大, 易引发事故; 并联电池簇之间形成环流, 导致
电池电芯过充, 电压过高形成内短路, 造成火灾。
新能源汽车的起火爆炸事故达到几百余起, 动力
电池基本采用的都是锂离子电池, 故障大多是由 图 1 储能子系统的一般应用架构图
于热失控引起的, 其次是在充电过程中, 对电动车
1 研究现状
使用不当引起的自燃, 汽车碰撞引起电池起火也
占了相当大的比重。 目前, 如要提高储能系统的安全性, 可从 5 方
在中等容量移动储能、 大容量储能飞速发展 面入手: 改善电芯的结构及材料; 改善 PCS 的结
过程中, 储能容量变得越来越大, 并且逐渐采用锂 构及控制策略; 提高电池管理系统对电池管理的
离子电池来取代铅酸电池。在这些场景应用锂电 精确性; 改变储能子系统现有的控制架构; 改善电
池之后, 储能的安全性能下降, 随之发生着火、 爆 池 Pack 的结构及材料。
炸事故, 电池应用安全性逐渐引起普遍重视。 1.1 电芯安全的研究现状
提高储能系统安全性, 可以从两个角度入手: 电芯安全性涉及电芯符合标准与否、 电芯标
一是从电池研究、 生产制造角度, 希望能生产更安 准是否有缺陷、 电芯成组方式等方面。
全可靠的电池, 即使遇到穿刺、 短路等恶劣工况, 文献[ 3-4 ] 给出了锂离子电池在电化学储能
也不会着火爆炸; 二是从电池使用角度, 尽可能使 电站的国家标准和能源行业标准, 而满足要求的
电池在充放电、 静置等状态时, 都维持在电池本身 电芯才能在储能电站中应用。从相关资料上可以
容许的安全范围内, 不会进入热失控状态。 查出, 2018 年广东质监局抽查其 20 家企业的 20
储能子系统或储能设备, 是以电池和储能变 批次的锂离子电池产品, 其不合格率为 15% ; 从
流器( PCS ) 为 核 心 构 成 的 一 个 相 对 独 立 的 结 构 相关数据可以看出, 市场中有很多不合格的锂离
体, 并在实际的应用场景中以一个相对独立的子 子电池涌入, 如不严格监管, 可能会造成更多的储
系统或者设备存在, 主要包括电芯、 电池管理系统 能事故。文献[ 5 ] 指出了韩国储能电站爆炸的原
( BMS ) 及附属传感器、 PCS 这 3 个部件, 另外大 因可能是由于电芯内部问题。对于电池是否符合
容量系统还会有消防等部件。储能系统再根据应 标准是一方面, 但即使符合标准的电池也不一定
用场景, 与其他子系统构成一个电力能源系统, 并 是安全的。文献[ 6 ] 研究了电芯串并联对电芯参
受一个统一的协调控制器调节, 一般应用架构如 数的变化, 电芯先并联可以有效减小电芯参数的
图 1 所示。 变化, 但并没有考虑到电芯在长期使用后, 会导致
整个系统的总控制单元可称 为 协 调 控 制 器 各并联电芯的内阻不一致, 其之间在充电结束后
( EMS ), 储能子系统通过本体的主控制单元与协 会形成环流, 造成电芯的过充过放, 引发热失控。
调控制器进行数据交换, 其他子系统也通过各自 文献[ 7 ] 研究了串联锂离子电池成组的拓扑, 同时
并联电容进行均衡管理, 但各串联电池的电池荷
的主控制单元与 EMS 数据交换。总之, 由 EMS
获取整个系统的运行数据, 统筹计算后下发合适 电状态( SOC ) 值不一致时, 当某个电池达到 SOC
的调节指令, 以实现整个系统的工作目标。 值下限, 就会停止输出, 影响了储能系统的输出
储能子系统中, 各单元如何改进设计、 主控单 容量。
元如何选择、 系统架构如何设计, 都会影响安全性 目前电芯成组都采用先并后串的工艺, 没有
能, 并且还有很多改进空间。因此, 本文试图总结 采用先串后并的成组方式, 目的是为了提高储能
相关的研究现状, 并给出改进思路以供业内参考。 系统的能量密度, 但这种方式并联的几个电芯如
