提升安全性能的儲能系統設計
為響應中國2030年碳達峰戰略,推進節能減排,促進大氣污染治理,有必要將充電站建設納入規劃之中,同時在電力系統中還具有調峰、調頻、提高系統穩定性和優化電能質量的作用。 空氣凈化www.futabashoukai.com
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儲能系統廣泛應用于大容量場合,對電力系統的調壓、調頻等具有重要作用,而儲能系統安全事故頻發,儲能安全成為重要課題。電化學儲能類型可分為鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、釩液流電池等。鉛酸電池性能可靠、價格低,但能量密度和功率密度均較低;鈉硫電池具有原料成本低、充放電效率高、存儲壽命長等優勢,但需要附加供熱和保溫裝置。釩液流電池壽命長、可深度放電、電解質溶液可反復再生,卻存在體積大、比能量低、密封性不好等問題。鈉硫電池和釩液流電池只能放電,不能充電,嚴格說不是二次電池。鋰離子電池的壽命長、可靠性高、耐高溫、容量大, 但導電性能差。近年來,國內已運行的儲能裝置中,鋰離子電池占比高達80%,并呈逐年遞增的態勢。 www.futabashoukai.com
本文重點討論大容量靜止儲能系統的安全問題。據統計,近10年來,國內外共發生了30多起大容量儲能電站起火爆炸事故,事故大多采用鋰離子電池,還有兩起事故采用了鉛酸電池和鈉硫電池。 環保網站www.futabashoukai.com
事故主要原因有:絕大多數事故發生在充電后休止狀態,此時電池電壓較高,電池活性較大,易引發事故;并聯電池簇之間形成環流,導致電池電芯過充,電壓過高形成內短路,造成火災。新能源汽車的起火爆炸事故達到幾百余起,動力電池基本采用的都是鋰離子電池,故障大多是由于熱失控引起的,其次是在充電過程中,對電動車使用不當引起的自燃,汽車碰撞引起電池起火也占了相當大的比重。 環保網站www.futabashoukai.com
1 研究現狀 www.futabashoukai.com
目前,如要提高儲能系統的安全性,可從5方面入手:
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改善電芯的結構及材料; 空氣凈化www.futabashoukai.com
改善 PCS的結構及控制策略;
提高電池管理系統對電池管理的精確性;
改變儲能子系統現有的控制架構;
改善電池 Pack的結構及材料。
1.1 電芯安全的研究現狀
電芯安全性涉及電芯符合標準與否、電芯標準是否有缺陷、電芯成組方式等方面。
文獻給出了鋰離子電池在電化學儲能電站的國家標準和能源行業標準,而滿足要求的 電芯才能在儲能電站中應用。從相關資料上可以查出,2018年廣東質監局抽查其20家企業的20批次的鋰離子電池產品,其不合格率為15%;從 相關數據可以看出,市場中有很多不合格的鋰離 子電池涌入,如不嚴格監管,可能會造成更多的儲 能事故。文獻指出了韓國儲能電站爆炸的原因可能是由于電芯內部問題。對于電池是否符合標準是一方面,但即使符合標準的電池也不一定是安全的。研究了電芯串并聯對電芯參數的變化,電芯先并聯可以有效減小電芯參數的變化,但并沒有考慮到電芯在長期使用后,會導致各并聯電芯的內阻不一致,其之間在充電結束后 會形成環流,造成電芯的過充過放,引發熱失控。文獻研究了串聯鋰離子電池成組的拓撲,同時并聯電容進行均衡管理,但各串聯電池的電池荷電狀態(SOC)值不一致時,當某個電池達到SOC值下限,就會停止輸出,影響了儲能系統的輸出容量。
目前電芯成組都采用先并后串的工藝,沒有采用先串后并的成組方式,目的是為了提高儲能系統的能量密度,但這種方式并聯的幾個電芯如果性能不一致則會產生環流,并且該環流不可測也不可控,構成安全隱患。
1.2 PCS安全的研究現狀
電池組通過PCS和應用對象連接,實現可控的功率控制和能量交換。
文獻研究了適用于大容量應用場合的儲能變流器,其拓撲結構一般為單級式,與雙級式相比,可以有效地降低儲能的功率損耗,并連接相當容量的電池組,以提高效率。文獻指出在儲能系統中的電池出口處一般會配置直流機械開關做短路保護,問題是當PCS的直流母線有短路,由于機械開關時延大(幾十毫秒),在短路過程中,電池組承受很大的短路電流,造成不可逆的損傷。電池組由大量的單體電池構成,具有不均衡的特性卻承受相同的出力,對電池組的損傷會持續加重。文獻研究了兩個金氧半場效晶體管 (MOSFET)串聯組成的雙向控制開關作為儲能 系統的硬件保護,但是采用的MOSFET開關管會加大儲能系統的功率損耗,降低儲能系統功率輸出效率。
文獻針對單元級聯式高壓變流器的關鍵技術進行研究,該變流器無需考慮直流側短路問 題和電容均壓問題,并且3個模塊的結構完全相同,便于控制,提高了工作的可靠性,但采用的可關斷器件較多,造成很高的開關損耗。
在大容量應用場合,PCS一般采用單級式拓 撲結構和單元級聯式拓撲結構,單級式拓撲結構會因為直流側母線短路,使電池組承受很大的短路電流,對電池造成不可逆的損傷;單元級聯式拓撲結構所需的可關斷器件較多,造成較大的開關損耗。
1.3 BMS安全的研究現狀
BMS的功能主要是根據采集電芯的電壓、電流、溫度及絕緣電阻的數據,利用相應的算法實現SOC、電池健康度(SOH)的估算,實現對電芯的充電管理、放電管理、均衡管理、熱管理以及故障 診斷和保護,同時對數據進行存儲和通信。通過對控制策略和通信方式的不斷優化,使BMS可更加準確地了解電芯的狀態,成為電芯的“大腦”, 對電芯發出的數據做出合理反饋。
文獻研究了雙控制器的3級架構儲能電池管理系統,雖然極大豐富了BMS的對外接口, 但由于各級架構之間以及與控制器之間的接線繁多,并沒有考慮到線阻對于BMS的影響,一旦受到污染或沖擊導致接線之間短路,將會在電芯之間形成短路。文獻描述與鋰電池管理系統相比,液流電池管理系統不僅要實現對電池的監測、荷電狀態和健康狀態的估算外,還要測量管道的流量和壓力、控制氣路閥,因此設備之間的連接線束大大增加,增大了設備之間短路的概率,降低了安全性能。文獻研究了ZigBee無線通信方式的電池管理系統,實現了采集單元到管理單元之間數據的無線傳輸,但還是會存在導線老化的現象,增加故障率。
BMS基本是采用電池管理單元(BMU)、電池充電單元(BCU)再到微機制動控制單元(MBCU) 的二級或三級的管理通信架構。最低一級BMU匯集12節左右電芯的單體電壓數據及其他一些溫度數據,再逐級向上匯集。由此 BMU 測量單元與電芯間有大量電壓測量線,有的以電路板形式匯集,但都不能避免大量的電線或板線連接,一旦受到沖擊或污染,線間短路則引起電芯短路。
1.4 儲能系統框架的研究現狀
儲能系統的管理與控制框架是指如何對構成 儲能子系統的各個部件或設備進行管理,如何分級、如何設計數據的雙向傳遞和傳送路徑,是提高整個系統安全的重要方面。
文獻的靜止儲能協調控制框架為: BMS和PCS將全部數據傳輸給協調控制器,PCS 將部分關鍵數據傳送給BMS,協調控制器經過處理后傳輸給上位機;當上位機給協調控制器下發調度指令,協調控制器經過處理后,直接給 PCS 下發協調指令,同時 PCS在接收到 BMS許可的 情況下,才可以改變控制模式,如 圖 2(a)所 示。文獻的移動儲能協調控制框架為:當充電槍與車輛對接后,充電信號就會激活整車控制器 (VCU),VCU同時激活BMS和充電樁,BMS作為電池的直接管理者,BMS控制充電樁給動力電池充電,如圖2(b)所示。
圖2 儲能子系統框架圖
目前儲能電站大多采用傳統儲能子系統控制框架,由上位機控制協調控制器,協調控制器根據PCS和BMS的數據進行邏輯判斷,最終輸出控制指令給PCS,同時PCS也會根據部分 BMS的關鍵數據,選擇執行的模式。電動汽車采用移動儲能子系統控制框架,當充電槍插入汽車,會激活VCU,VCU就會激活BMS和PCS,此時的PCS為充電樁,BMS根據檢測的電池數據,控制PCS給電芯進行充電。
BMS作為最了解電芯的設備,理應由其控制PCS,但傳統儲能采用協調控制器控制PCS,往往會因為數據時效性、完整性以及準確性而導致電池過充或過放而引發熱失控,同時現有的控制策略沒有考慮到讓輸出功率隨著電芯SOC值的變化而變化,總以恒定功率輸出,加速了對電池的過度使用,因此這種協調控制框架不利于維護儲能系統的安全。
1.5 電池Pack及箱體安全的研究現狀
在電池發生熱失控之后,如何抑制電池的熱蔓延,電池Pack及箱體的安全在儲能系統中就顯得至關重要。而電池 Pack 的結構和材料、電池Pack的充放電控制以及集裝箱內設備的集成也成為儲能安全的重中之重。文獻針對電池包箱體的結構和材料進行優化設計,電池包內僅有冷卻水管給電池進行降溫,存在較大的安全隱患, 并沒有其他消防安全設備和探測裝置對可能發生事故的電池包進行有效的檢測與防護。文獻提出了集裝箱式儲能電池成組技術,分析了電池模組的3種成組方式以及將BMS和磷酸鐵鋰電池進行集成,電池采用先串聯后并聯模式能夠監測到每一塊電池,但會增大電池管理的成本,由于單體電池SOC的限制,導致儲能系統輸出容量減小。同時設備集成考慮的并不全面,仍需要完成與PCS以及協調控制器的接線問題,使通信電纜的長度增加,影響到通信的及時性,而電纜暴露在 空氣中,也會加劇老化程度。文獻分別研究采用蜂窩式單獨腔體結構、放熔斷器的鎳帶設計等方式和在每個電池包上對應設置一個滅火冷卻機構的方式來防止電池熱失控蔓延。這些文獻分別只從物理和化學方面單獨來防止熱失控蔓延,措施比較單一,儲能安全存在較大的風險。
從儲能安全方面來看,電池Pack的設計過于簡單,未能在電池Pack中加入消防設備抑制內部電池的熱蔓延,其內部電池采用先串聯后并聯成 組方式的儲能系統會受到個別單體電池SOC的影響,導致儲能系統的輸出容量變小。而儲能系統框架大多采用分布式結構,只將 電池 和BMS集成在集裝箱內,儲能子系統對外仍需要連接PCS,線阻會隨接線長度的增加而增加,而線阻會影響到 BMS與 PCS、協調控制器之間的通信,同時目前的集裝箱內有化學隔離和物理隔離措施來阻止電池熱蔓延。
2提高安全性能的儲能子系統設計建議及思路
從用戶角度提高安全和可靠性能,主要思路: 一是通過有效的監測和評估手段,掌握電池目前的性能狀態,以及在當前環境下電池可容許的運行性能要求,或者希望改善運行環境的程度,即盡可能全面獲取電池的狀態和可允許的運行指標要求,即監測信息方面;二是通過有效控制使電池運行在較好的性能狀態,不超出允許的運行指標限值,即控制協調方面。一個高效和安全的系統設計更接近這樣的目標。
為此,儲能子系統的主控制單元盡應可能掌握該系統的全面數據,能評估或計算更深一步的信息,并且對系統有全面的控制能力,不能有另外不受控制的控制指令產生。
儲能子系統在中大容量靜止儲能應用場景, 會以一個機柜、一個或多個集裝箱形式存在。由多個電芯構成電池組,再由多個電池組構成集裝箱,再由多個集裝箱構成儲能子系統。
2.1 單體無線式 BMS與電芯集成
目前的BMS 為多級管理架構,各級管理架 構之間采用大量線纜連接,經過各種不確定因素的長期影響,易導致線纜發生老化、接觸不良以及短路等故障,給儲能系統帶來較大的安全隱患。
電芯需要測量的一次參數有電壓、電流、溫 度,其他SOC和SOH 等參數為二次參數,依據一次參數計算得出,可稱為電芯BMS。這些參數測量后可通過無線方式傳送并匯集到Pack電池監控單元。再由 Pack電池監控單元與集裝箱電池監控單元通過無線的方式進行數據交換,進而匯集到儲能系統監控單元。后面通信級可采用無線或有線方式,一般采用有線方式,因和一次功率回路物理上分離,不會引起安全性問題。
電芯 BMS可在電芯生產時集成裝配,電芯 BMS完全掌握電芯的相關參數,使電芯BMS和電芯達到完美的契合,在電芯串并聯成組時,單 體電芯BMS與Pack 電池監控單元實現精準配組。
2.2 電池Pack及箱體設計
Pack內的電芯按串聯設計,再與其他 Pack 按工程需要串聯到合適的電壓等級,并在每串安裝電流傳感器。每串 Pack配置一套 DC/DC 變流器,多個Pack先串聯再并聯構成集裝箱,達到合適的容量要求,如圖3所示。
圖3 箱體及電池 Pack內部圖
每個Pack內配置壓力傳感器、煙氣傳感器、 消防裝置。當有部分電芯發生形變而引起 Pack 內壓力變化,可由壓力傳感器測得;當有部分電芯 產生氣體或煙霧時,由煙氣傳感器測得;當Pack電池監控單元綜合各種傳感數據,判斷處于緊急狀況時,可自行啟動內部的消防裝置。
Pack串配置獨立的DC/DC變流器:一是保護作用,當串內發生短路或過流時,可實施微秒級短路保護;二是該變流器接受集裝箱電池監控單元控制,使本串電池按最佳狀態運行,并有效抑制串間環流。
在電池管理系統中,最低一級為電芯 BMS, 再到Pack電池監控單元、Pack串級、集裝箱級、系統級監控單元。每一級都有各自的功能,并通過數據交換進行功能協同。
每個Pack的殼體可采用防爆阻燃殼體,即當某一 Pack異常時,不至于波及臨近的Pack。集裝箱一級設計有效的熱交換通道,將每個Pack產生的熱量及時交換出去。消防主要由Pack內部的消防設施起作用,集裝箱一級主要是散熱通道不暢而引起溫度上升,甚至失控,也需配置消防設備。
2.3 應急快速響應和快速告警
儲能電站中安裝大量的傳感器,傳感器應包含檢測溫度、壓力、CO、H2、煙霧的功能,利用應急快速響應系統進行數據傳遞,傳感器通過檢測電池的溫度是否過高、電池箱內壓力是否過大以及CO、H2、煙霧的濃度是否過高,來判斷電池是否發生熱失控。如果發生,則將上傳至儲能子系統主控單元,儲能子系統主控單元判斷故障等級, 決定是否直接啟動消防設備以及選擇PCS為停機還是待機狀態。
當故障發生后,就會上傳至儲能子系統主控單元,儲能子系統主控單元經過協調處理,在判斷故障等級的同時迅速啟動快速告警。將故障信息推送至協調控制器和主站,并在本地顯示,提醒工作人員。如果是電池發生故障,儲能子系統主控 單元能智能地找到該故障電池的位置,并啟動物理隔離裝置和化學隔離設備,將該故障電池進行隔離,防止故障電池的熱蔓延,如果不是電池方面的故障,系統將智能判斷是否啟動消防設備及隔離設備。
2.4 基于 BMS主控的控制系統
與傳統的儲能系統控制架構相比,新型儲能子系統對外只與協調控制器進行數據交換,內部則由電池芯、BMS、各類傳感器、PCS和消防系統組成,其中由BMS的第三級架構作為儲能子系統的主控單元,設計的新型架構如圖4所示。
圖4 新型儲能控制框架圖
BMS、PCS、應急預警系統以及電池 部存 放 于 儲 能 集 裝 箱中,消防設備存放P在ac電k全池Pack中,防止電池火災的蔓延,儲能子系統主控單元負責收集所有數據進行處理,同時控制 PCS 和應急快速響應系統;PCS負責控制電池的充放電;應急快速響應系統負責檢測溫度、壓力以及煙霧濃度等,同時接受儲能子系統主控單元指令啟動消防設備。BMU將采集的單體電池數據上傳至 BCU,BCU 將采集的電池模組數據以及單體數據上傳至儲能子系統主控單元。
儲能 子 系 統 主 控 單 元 負 責 與 EMS 通 信, EMS將數據上傳至主站,并在本地的監控端顯示。EMS接受主站下發的指令后,經過處理直接給儲能子系統主控單元下發協調控制指令,儲能子系統主控單元負責與 PCS進行通信,控制電池進行充放電,同時PCS不再提供對EMS的數據接口,減少了新型儲能子系統對外通信線束,儲能子系統主控單元與應急快速響應系統通信,實時地將儲能電站的安全信息上傳至儲能子系統主控單元。
同時可以根據串并聯的電池數量預估電池的 最大電 流 和 電 壓 值,同 時 留 有 一 定 的 裕 度,在 BMS中設定電流、電壓以及溫度的限值。在電芯 充電過程中,BMS前期控制 PCS以恒流模式給 電芯充電,當達到 BMS 設定的SOC值時,控制 PCS以恒壓模式給 電芯充 電;在電芯放電過程中,由于電芯的SOC值在不斷減小,不能要求電 芯以恒功率進行放電,因此放電功率會隨SOC值 的減 小 而 減小,儲能子系統主控單元可以根據BCU上傳SOC值。根據特定的算法一直減小輸出功率,然后下發給PCS輸出功率指令,電池將以計算的輸出功率進行放電。當上位機要求輸出的功率和SOC值嚴重不匹配時,就會發出告警信號,經過短暫延時之后,由儲能子系統主控單元自動調整輸出功率。
3 結語
(1)針對現有儲能系統框架的多樣性,為了使 儲能系統的框架更加合理和統一,界定了儲能子系統的概念,并給出研究邊界,針對儲能子系統的框架進行了論述。
(2)對有關生產的電芯是否符合標準、電芯標 準是否有 缺 陷、電芯的組 成、PCS的拓撲結構、 PCS直流側短路的應對措施、BMS的架構和通信方式、電池Pack內的消防設施和箱體結構安全和儲能子系統協調控制框架的研究文獻進行評述, 并針對性地指出存在的問題。
(3)對BMS各架構之間的通信方式、BMS與電芯的集成、電 池Pack的內部消防設計、電池Pack串的可控設計、集裝箱體結 構設計、基于BMS為主控的控制系統和應急快速告警給出了改進的思路和建議。
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