基于锂电池的储能系统设计与性能分析

基于锂电池的储能系统设计与性能分析

徐祖宏

杭州华弗能源科技有限公司

摘要：储能技术的大发展亟需各种相关标准和规范，但是我国在这方面的工作还需发展和完善，鉴于此，本刊自2019年设立了“储能标准与规范”栏目，目的是改善我国储能技术研究实验和数据分析不规范的问题，栏目主编为中国科学院物理研究所李泓研究员。该栏目内容包括“基础科学实验规范”和“产业技术标准与规范”。“基础科学实验规范”方面，将介绍实验原理，推荐实验流程，样品准备条件，推荐实验设备，数据分析方法，数据可能获得的结论和意义；“产业技术标准与规范”方面，将介绍我国在锂电池及其它储能技术方面制定的标准和规范方面的具体内容、要点。

关键词：锂电池；储能系统；设计；性能分析

引言

锂离子电池储能系统近几年开始在国内发展建设，成为解决弃光弃风电量、电网调峰调频、削峰填谷等问题的又一重点方向。锂离子电池储能系统按布置方式主要可分为仓储式布置和集装箱式布置两种方式，其中利用仓储式布置方式的工程应用较少，利用集装箱式布置方式的工程应用较多。本文从技术角度分析了这两种布置方式的设计要点，同时又对其进行了建设成本的分析。

1仓储式锂离子电池储能系统的设计要点

仓储式锂离子电池储能系统的设计要点主要包括站址选择、设备选型、充放电量计算、性能和暖通等5个方面，本分主要对前4个方面进行分析说明。

1.1站址选择

锂离子电池储能系统根据应用场景的不同可分为电源侧系统、电网侧系统和用户侧系统，其中电源侧系统主要用以火电联合调频和配套新能源发电两种模式，对于前者储能系统的站址选择一般需靠近电厂的主厂房和高压厂变配电楼，对于后者站址则一般选择在新能源场站的升压变系统旁。对于电网侧系统，站址的选择会比较考究，一般是在电力系统网架结构的中心附近或者是电力负荷比较集中的区域。对于用户侧系统而言，站址的选择较为灵活，一般是利用空余场地即可。

1.2设备选型

1.2.1锂离子电池

目前用于储能系统的锂离子电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两种，磷酸铁锂电池的理论容量为170mAh/g，循环性能好，且单体电池在90%充放电深度下循环3000次后容量保持率为80%以上，并且安全性高，可在1C～3C工况下持续充放电，且充放电稳定。三元锂电池的理论容量为220mAh/g，比磷酸铁锂电池高，但充放电倍率只能在1C～2C，且安全性较低。除此之外，在磷酸铁锂电池的晶体结构中，氧元素是以磷氧四面体结构的型式存在，然后分子结构非常稳定，在1000℃条件下都不会释放出助燃气体氧气，热稳定性高。而在三元锂电池的晶体结构中，层状结构带来了不稳定，当工作温度上升至200℃左右时，内部材料就会分解，并会释放出助燃气体氧气，有可能会出现起火、爆炸等热失控现象，热稳定性低。2021年我国新增锂离子电池投运规模为2GW，其中新增磷酸铁锂电池的占比超过95%以上，由此可见磷酸铁锂电池安全性高、循环寿命长的特点非常适合电化学储能系统的建设。

1.2.2功率变换系统

功率变换系统（PCS）作为储能电池与电网连接的功率接口设备，承担着控制电网与储能电池间能量双向流动的功能。PCS内置的数字控制单元用于检测电网侧和电池直流侧的电压和电流，控制高频功率器件的导通和关断，进而控制PCS交流输出端的电压幅值和相位，从而控制能量在电网与储能系统间的流动。当储能电池充电时，变流器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量存储在储能装置中；放电时变流器工作在逆变器状态，将储能装置释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统。由上可知，功率变换系统在储能系统中起着承上启下的关键作用，在设计选择时既要与电池直流侧的额定输入电压、电流相匹配，又要与升压变压器的交流电压相对应，同时还要担负起对充放电量的响应时间和强弱控制作用。

1.3充放电量计算

储能系统与并网点之间的电能交换需经过功率变换系统（PCS）、升压变压器和集电线路三个环节。在充放电过程中，每个充电和放电过程都会有一定的电量损失，同时还要考虑电池系统本身存在的自放电现象。另外，储能电池的充放电量还与电池的充放电深度（DOD）和使用寿命有关，使用的循环次数越多，衰减越多，则充放电量越少。以西部地区一座32MW/64MWh的磷酸铁锂电池储能系统为例，电池的充放电深度（DOD）取0.9，年衰减率取2%，单次循环充放电系统效率为0.9，若系统全年运行天数为330天，平均每天电池循环次数1.4次，设计寿命为10年，则第1年充放电量为23950.08MWh，第2年充放电量为23471.08MWh，每年衰减率按2%计，则第10年充放电量为19639.07MWh，由此可见，在10年的设计全生命周期内，该储能系统的放电量总计为217945.74MWh。

1.4性能

仓储式锂离子电池厂房的设计耐火等级不应低于二级，厂房内防火墙的设计耐火极限不应低于4h，电池室应设计在靠外墙布置，办公室和休息室等公共区域不应设计在锂离子电池厂房内。仓储式锂离子电池厂房的设计除了要满足文献4的要求外，还需要满足建筑设计防火规范和火力发电厂与变系统设计的防火标准等其它相关规定，例如当锂离子电池厂房当每层建筑面积不大于150m²时，要设置1个安全出口，且厂房内任一点至最近安全出口的直线距离和电池室四周的隔墙都有相应的设计要求。除此之外，在设计仓储式锂离子电池厂房时需要考虑室内消火栓并配置喷雾水枪，还需要设计自动灭火系统、防烟设施、排烟设施、性能自动报警系统、可燃气体报警设备和性能应急照明等设施，涉及电气、建筑、结构、暖通、给排水等诸多专业。

2电池性能风险及设计技术分析

2.1磷酸铁锂电池性能风险分析

国内科研人员对326Ah的大型磷酸铁锂电池进行燃烧试验，发现当此类电池受到外部因素的刺激时，有可能释放大量的热能，同时随着氢气、一氧化碳以及甲烷等可燃气体排出，进而产生明火，严重时可引起热失控，甚至爆炸。常见的刺激因素包括电池短路、过度充电、工作温度或环境温度过高、过度放电、挤压或者撞击等。在相关试验中，研究人员使用的电池模组容量为1.3Ah~326Ah，当温度接近140℃时，电池进入热失控状态，随着热量释放，然后产生明火后，电池温度快速升高，可形成热射流，最高的燃烧温度约为700℃。燃烧过程中释放的可燃气体进一步加剧了性能风险，如果在较为狭小密闭的空间内，电池组有可能引起爆炸。另外，性能危险系数与电池的容量存在直接关联，因为容量较大的电池组可提供更多的可燃物。表1为电池燃烧试验的部分数据，从中可知，当电池容量较大时，其热释放速率通常也更大，燃烧后的质量损失占比均高于20%。

2.2针对锂电池性能的设计介质分析

在磷酸铁锂电池性能中，可用的设计介质包括气体、固体以及液体。在气体设计介质方面，六氟丙烷、七氟丙烷、全氟已酮可用于抑制和扑灭锂电池性能；在固体设计介质方面，干粉设计器具有一定的效果；液体设计介质包括水和泡沫设计器。经过设计试验，各类设计介质在锂电池性能设计中的应用效果。在实际应用中，全氟乙酮成为当前扑灭锂电池性能的主要介质，其优势体现在5个方面，分别为效率高、洁净、安全以及无毒无害。全氟乙酮具有吸热和隔离氧气的双重作用，氧气的隔离能够阻断性能，吸热可避免性能复燃。对比全氟乙酮、CO2、惰性气体设计介质，其设计效率约为CO2的4倍、惰性气体的8倍。虽然全氟乙酮设计介质性能优异，但其采购价格较高，根据调查，一支2kg含量的全氟乙酮灭火器价格约为800元。该项目为锂电池储能系统，每个预制舱内的电池数量多达210块，设计系统设计应该综合考虑成本和效果，因此全氟乙酮不适宜大规模部署和应用。另外，当锂电池进入热失控状态后，全氟乙酮的性能抑制效果也存在一定的局限性。通过对比可知，水不仅能够快速扑灭明火，还能降低锂电池的温度，阻止可燃烧介质复燃。从设计机理来看，水的渗透性较强，能够全面覆盖失火的电池，从使用成本来看，水的设计成本远低于其他各类设计介质。因此在锂电池储能系统性能设计中，可将水作为最主要的设计介质。

2.3高压细水雾设计装置运行控制方法

磷酸铁锂电池的采购成本较高，在一个电池储能预制舱内，任意电池模组出现失火，都可能导致性能蔓延至其他模组。因此，在高压细水雾设计系统控制中，采取预防为主的设计思路，任意电池模组起火，整个舱室内的所有高压细水雾喷头全部启动，进入喷雾设计模式。该设计方案的优点较为突出，一方面控制已经产生的明火，另一方面则是降低其他电池模组的温度。电池模组遇水之后并不会影响后续的使用和运行，因此该控制模式具备可行性。并且在运行控制方面，性能发生之后，应在第一时间内启动设计装置。该项目以自动设计为主要控制模式，配合性能报警监测系统，在传感器检测到高温或者烟雾后，自动执行灭火操作。另外，在实际的工作场景中要采用人工控制模式，作为自动控制模式的备用方案。在该项目中，设计了三种人工控制方案，分别为远程手动操作、现场手动操作以及应急操作。显然，性能报警系统是触发高压细水雾设计装置的关键因素，除了温度传感器、烟雾传感器之外，还应设置可燃气体探测器，用于检测CO、CH4等气体产物，进一步提高现场感知能力。

2.4性能排水设计

高压细水雾设计装置在设计过程中会产生较多的性能排水，必须设计专门的排水系统，防止性能水在舱室内聚集。细水雾直接喷射至电池模组壳体与电池的间隙内，在电池侧面设计数量充足的小孔洞，其作用是排出电池过热、燃烧时产生的可燃气体，同时溢出模组内的性能水。孔洞内溢出的性能水直接达到舱室的地面，经过地漏排出舱室，地漏的排水流量为15L/s。

3锂离子电池储能系统充电过程中性能的扑救对策

3.1加强力量调集

储能系统发生性能时按不小于三级的性能开展调派，优先调派大吨位水罐车、高倍数泡沫车、园林车、供气车、干粉车等，及时调配移动水炮、热成像仪、性能安全服务智能机器人、无人机、有毒气体探测仪等专业器材和个人防护装备。与此同时，应加强与电力、公安机关、住建、医疗、环保、通讯、气象、重型机械、配电设备等部门的联动，必要时派请建筑结构、化学，电能等行业专家到场研判。

3.2强化现场管控

由于储能系统电池储量大，系统的电流量大，工作电压高，容积大，因此锂电池储能系统性能事故风险性高，一旦产生短路等故障，非常容易引起连锁反应，使得能量集中化释放出来，造成储能系统发生爆炸。储能系统电池放电后的剩下电能仍有发生爆炸的风险性，有产生触电的风险。因而，做好现场各类安全管控至关重要。现场作战及工作人员应严格实行高等级防护，然后进一步贯彻落实预防炸、中毒、触电、腐蚀和烧伤等事故的对策。到场作战单位应在多点设定安全员，对现场的风险性区域和位置开展全过程进行观察和研判，实时查验易燃性、有毒气体浓度值和带电状况，预测分析可能造成的风险性，提早进行疏散，并制订疏散方式和线路。根据储能系统的电压、电流量、事故现场环境及其发生爆炸影响风险性，执行安全控制和交通出行控制。

3.3开展火情侦察

性能救援队伍接警后应迅速启动锂电池性能事故预案并及时向上级有关部门报送相关情况，到场后，应进一步与现场工作人员沟通，详细询问现场有无被困者、性能的状况（现场浓烟和火势情况、发生爆炸、性能蔓延的发展趋向）。利用固定性能设备，通过电池管理系统（BMS）、监控、浓烟警报等系统查验系统的有关数据和材料，获得机组的平面图、安装图、踏步表、电路原理图、控制图等基本材料，查验地下管线，电缆沟和外部房屋建筑。

3.4选择扑救措施

锂电池储能系统的性能安全处理需要具备高度的专业性和技术性，因而要求单位的技术紧急处理团队或技术专家第一时间到场。同时发生灾害时，储能系统的全部进、出线均应断电，优先选用固定性能设计系统进行设计。在没有经单位内部行业专家或技术工作人员评定，性能救援人员严禁擅自开启屋门，防止毁坏受限空间内的密闭环境。对已明确事故的储能系统，应多点位设定水枪屏障以避免发生爆炸危险，并利用移动性能炮、水力自摆性能炮、举高喷射臂性能炮控制火势和降温。假如未明确处理条件，应选用消防安全智能机器人稀释和水幕分离的方式，阻断辐射热源，以减少毒害作用和抑止其发生爆炸，并迅速疏散附近人员。

结语

锂离子电池储能系统主要分为仓储式和集装箱式两种布置方式，这两种布置方式既有相同的设计要点也有不同的设计要求，其中仓储式储能系统具有占地少、集约化程度高等特点，集装箱式储能系统具有同规模条件下投资相对较少、施工简单等特点。不同地区应根据工程建设的实际情况选择较为合适的布置方式。

参考文献

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[3]蔡晶菁.锂离子电池储能电站性能防控技术研究综述[J].消防科学与技术，2022，41（4）：472-477.