周 俊 玲
(鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 451450)
在新時代背景下,我國提出了將構(gòu)建新能源電力體系作為未來儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。近年來,新能源已成為我國儲能產(chǎn)業(yè)的支柱行業(yè),其中,鋰離子電池由于能量密度高、放電量較低、無記憶效應(yīng)、壽命周期較長、綠色環(huán)保等特點,在儲能產(chǎn)業(yè)市場中占有較大份額。為進(jìn)一步提高鋰離子電池產(chǎn)品的核心競爭力,本文簡述了鋰離子電池儲能產(chǎn)品的基本概念,分析了鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全要求、現(xiàn)存問題,并提出了相關(guān)設(shè)計思路。
電力系統(tǒng)作為儲能產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用場景,按照技術(shù)類型可以劃分為機(jī)械儲能、電磁儲能以及電化學(xué)儲能。由于機(jī)械儲能受外界環(huán)境影響限制較大,而電磁儲能商業(yè)化程度又較小,電化學(xué)儲能自然而然成為電力市場中應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù)。鋰離子電池作為電化學(xué)儲能類型中主要的儲能方式,其優(yōu)點有高能量、高功率,循環(huán)壽命長,響應(yīng)速度快等,其主要應(yīng)用在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)或者不間斷供電系統(tǒng)等方面。鋰離子電池儲能產(chǎn)品中,以電池柜為例,其主要組成部分有電池包與高壓盒。電池包內(nèi)部含有電池模組以及監(jiān)控單元;高壓盒內(nèi)部含有控制單元、檢測單元、電流傳感器、電阻器、熔斷器等高壓部件。鋰離子電池儲能產(chǎn)品一旦發(fā)生短路等問題很容易引發(fā)安全事故,在使用過程中需要格外注意其電氣安全,因此,基于儲能視角下對鋰離子電池產(chǎn)品的電氣安全設(shè)計進(jìn)行分析是相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計重點。
在鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全設(shè)計方面,大部分儲能產(chǎn)品以及大型儲能系統(tǒng),主要采用基本絕緣外加接地保護(hù)的方式進(jìn)行安全設(shè)計,從而防止間接觸電。但是個別小型并網(wǎng)鋰離子電池儲能產(chǎn)品在進(jìn)行充放電時,出于節(jié)約成本、提高電能轉(zhuǎn)換率等原因,沒有在并網(wǎng)充放電與交流電網(wǎng)間設(shè)置隔離措施,一旦發(fā)生故障,在鋰離子電池儲能系統(tǒng)接觸不良的情況下,高壓極有可能與鋰離子電池柜產(chǎn)生聯(lián)電效應(yīng),最終導(dǎo)致工作人員觸電。因此,鋰離子電池儲能產(chǎn)品需要嚴(yán)格按照相關(guān)電氣安全要求進(jìn)行設(shè)計。鋰離子電池儲能產(chǎn)品在進(jìn)行安全設(shè)計時,應(yīng)考慮到儲能產(chǎn)品在工作時承受的系統(tǒng)電壓、沖擊電壓、一過性電壓,需要符合我國關(guān)于鋰離子電池管理系統(tǒng)中的技術(shù)規(guī)范,并保證不同隔離線路間的電氣間隙以及過電距離符合《電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求,對于絕緣材料的安全設(shè)計應(yīng)符合《電力儲能用鋰離子電池》中對于材料絕緣阻抗以及介電強(qiáng)度中的標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)調(diào)鋰離子電池儲能產(chǎn)品的電氣安全,是對產(chǎn)品使用者與儲能產(chǎn)品負(fù)責(zé)的行為,不但可以促進(jìn)鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展,還能通過提高性能獲得使用者好評,進(jìn)一步擴(kuò)大消費(fèi)市場。
雖然鋰離子電池產(chǎn)品在我國儲能行業(yè)中占有大量市場,但其相關(guān)短板也需要我們采取積極態(tài)度去面對。據(jù)相關(guān)資料顯示,僅2022 年,我國已發(fā)生超過十起儲能電站安全事故,這些安全事故的發(fā)生與鋰離子電池有著密切關(guān)系。由于其能量較高,并且內(nèi)部可燃可爆的特點,在鋰離子電池儲能產(chǎn)品中電氣安全問題主要集中在鋰離子電池本體、鋰離子電池運(yùn)行環(huán)境以及鋰離子電池管理系統(tǒng)等方面。
在鋰離子電池儲能產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中,難免存在金屬鐵、鎳等異物,在電池老化的過程中,這些金屬異物會附著在電池負(fù)極周圍,造成電池內(nèi)部輕微短路甚至發(fā)展成為硬導(dǎo)通,從而導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э氐慕Y(jié)果。此外,鋰離子電池在使用過程中,電解液的分解產(chǎn)物將在鋰離子電池的陰極、陽極形成電解質(zhì)界面膜,這些界面膜經(jīng)過充放電將不斷增厚,在鋰離子電池的陽極形成鋰枝晶,這些鋰枝晶刺穿隔膜將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)短路,伴隨鋰離子電池內(nèi)部短路位置點不斷發(fā)熱,即使不接觸氧氣也可以引發(fā)電池?zé)崾Э氐葐栴}。由于鋰離子電池本身電化學(xué)原理特性,加上設(shè)計水平不高,難免會出現(xiàn)電氣安全事故。
鋰離子電池儲能產(chǎn)品對于運(yùn)行環(huán)境的要求較高,適宜的溫度可以保證鋰離子電池正常運(yùn)行。首先,低溫將會降低電導(dǎo)率,增加電池阻抗,使鋰離子電池化學(xué)反應(yīng)速率下降并且產(chǎn)生陽極析鋰。其次,高溫不適合鋰離子電池運(yùn)行,當(dāng)鋰離子電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升時會引發(fā)熱濫用,導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э?。此外,電池組內(nèi)的不同電池單體溫度差異過大時,電池單體可能存在過充或者過放,也會影響到整個電池系統(tǒng)的電氣安全。因此,鋰離子電池的運(yùn)行環(huán)境也是影響儲能產(chǎn)品電氣安全問題之一。
當(dāng)鋰離子電池的管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,有很大幾率引發(fā)安全事故。首先,當(dāng)鋰離子電池能量管理系統(tǒng)中高壓線路與低壓線路的電氣間隙過短容易導(dǎo)致電池內(nèi)部出現(xiàn)電弧及火花。其次,當(dāng)鋰離子電池監(jiān)測系統(tǒng)中的絕緣檢測電路沒有按照規(guī)定進(jìn)行安裝,鋰離子電池系統(tǒng)將出現(xiàn)短路現(xiàn)象。最后,鋰離子電池監(jiān)測系統(tǒng)與鋰離子儲能變流器、能量管理系統(tǒng)三者之間信息共享不完善時,將使鋰離子電池內(nèi)部故障進(jìn)一步演變成為安全事故。目前,鋰離子電池管理系統(tǒng)故障是導(dǎo)致儲能產(chǎn)品發(fā)生安全事故的重要原因。
隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,我國加大了對鋰離子儲能產(chǎn)品安全問題的關(guān)注程度,針對上述提到的鋰離子電池儲能產(chǎn)品中電氣安全常見問題,本文將從提高鋰離子電池本體設(shè)計水平以及優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)兩方面提出設(shè)計思路,助力我國鋰離子電池儲能產(chǎn)品發(fā)展。
鋰離子電池本體設(shè)計水平是影響鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全的重要因素。通過選用質(zhì)量好的鋰離子電池單體,在生產(chǎn)過程中避免混入其他金屬雜質(zhì),可以提升鋰離子電池儲能產(chǎn)品的電氣安全。此外,提升鋰離子電池本體中電芯設(shè)計水平,也是提高電氣安全的重要措施。在進(jìn)行電芯相關(guān)電氣安全設(shè)計時,首先應(yīng)保證正負(fù)極之間的絕緣性能,通過利用PP 等高分子的塑料隔膜材料,可以達(dá)到絕緣保護(hù)的目的。其次,應(yīng)關(guān)注正負(fù)極極耳與電池外殼之間的絕緣性能,兩者之間的絕緣設(shè)計主要依賴于附加絕緣材料。如軟包電芯絕緣設(shè)計,主要通過在正負(fù)極極耳與電池外殼之間添加機(jī)械強(qiáng)度較高并且可以耐受高溫的絕緣材料而達(dá)到絕緣目的。最后,應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)制造過程中對于電芯絕緣性能的檢查,如檢查隔膜是否存在破損、纏繞等情況。通過提高鋰離子電池本體的設(shè)計水平可以避免鋰離子電池儲能產(chǎn)品出現(xiàn)內(nèi)短路,延長鋰離子電池儲能產(chǎn)品的使用壽命。
通過優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng),可以減少安全隱患的發(fā)生。鋰離子電池管理系統(tǒng)主要分為電池控制環(huán)節(jié)以及電池監(jiān)測環(huán)節(jié),在電池監(jiān)測環(huán)節(jié)中,由于絕緣檢測電路只能在鋰離子電池并網(wǎng)前進(jìn)行檢測,可以在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化時,采用繼電器滿足其他檢測要求。其次,對于電池控制環(huán)節(jié)優(yōu)化,可以通過加設(shè)主動熱管理系統(tǒng),保證熱失控部位的強(qiáng)制冷卻。優(yōu)化鋰離子電池控制環(huán)節(jié),可以阻止熱失控情況的發(fā)生。此外,對于鋰離子電池儲能產(chǎn)品外殼進(jìn)行接地可靠性設(shè)計,也是優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)的重要手段。在接地時可以優(yōu)先選擇接地電阻,然后進(jìn)行鋰離子電池絕緣耐壓測試,在通過測試后,鋰離子電池可以在避免絕緣擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。對鋰離子電池管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可以提高鋰離子電池系統(tǒng)功能,保障鋰離子電池儲能產(chǎn)品的安全使用。
綜上所述,在我國儲能產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展進(jìn)程中,鋰離子電池儲能產(chǎn)品作為其重要產(chǎn)業(yè)支柱,為能源的轉(zhuǎn)型與變革提供了助力,文章著眼于鋰離子電池儲能產(chǎn)品的安全問題,從提高鋰離子電池本體設(shè)計水平以及優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)等角度分析了鋰離子儲能產(chǎn)品的電氣安全設(shè)計,以期為我國鋰離子電池儲能行業(yè)帶來新的思考與啟發(fā)。