中國儲能網(wǎng)訊：5月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦，200余家機構(gòu)共同支持的第十一屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。本次大會主題是“堅守儲能安全底線，推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。
在5月25日上午的“儲能安全與標準檢測認證”專場，SGS通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司高級技術(shù)經(jīng)理宿斌分享了主題報告《鋰離子電池系統(tǒng)安全分析及國際標準概述》。經(jīng)演講人本人授權(quán)同意，小編整理了演講速記，并將速記內(nèi)容分享如下：
宿斌：各位同仁、各位領(lǐng)導(dǎo)，大家上午好！
我是來自SGS通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司的高級技術(shù)經(jīng)理宿斌，我今天跟大家一塊分享的演講題目是《鋰離子電池系統(tǒng)安全分析及國際標準概述》，近期社會上比較關(guān)注一些儲能系統(tǒng)的事故問題，我以前也是做儲能系統(tǒng)研發(fā)的，所以跟大家一塊分享一些儲能系統(tǒng)的事故分析。
我的演講題目分為四個部分：一、鋰離子電池系統(tǒng)的安全問題；二、鋰離子電池系統(tǒng)安全風(fēng)險原因分析；三、鋰離子電池系統(tǒng)相關(guān)國際標準概述；四、關(guān)于SGS。
儲能系統(tǒng)在日常生活當(dāng)中隨處可見，應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用戶側(cè)都有儲能系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用。大批量、大規(guī)模的應(yīng)用也造成了全世界范圍內(nèi)引發(fā)的儲能系統(tǒng)事故，我在這邊做了一個儲能電站在全球的起火和爆炸的不完全事故統(tǒng)計。我們在這個圖上面可以看到在韓國2017年到2020年已經(jīng)相繼發(fā)生了29起嚴重的儲能系統(tǒng)事故，在中國不完全統(tǒng)計發(fā)生了4起，在山西、江蘇、北京等地。在英國利物浦風(fēng)電場2020年9月份發(fā)生1起，美國2012年到2019年相繼發(fā)生3起，日本同時也有。這么多的儲能電站的事故也給我們提了一個警示，我們的儲能系統(tǒng)在蓬勃發(fā)展的同時，對我們系統(tǒng)的安全性的要求也是越來越高了。
下面通過三個事故來分析一下儲能系統(tǒng)發(fā)生事故的原因。第一個是韓國4月6日儲能電站發(fā)生嚴重的起火爆炸事故。儲能電站安裝在韓國忠清南道，光伏裝機總規(guī)模3.4MW，配的儲能系統(tǒng)是10MWh。當(dāng)時這個火災(zāi)事故燒了7個PACK、140個電池，造成經(jīng)濟損失達到人民幣258萬。當(dāng)時的事故調(diào)查說是儲能單元內(nèi)部發(fā)生，有可能是單體電芯的內(nèi)短路造成熱失控，引起級聯(lián)反應(yīng)。韓國29起儲能電站的事故總結(jié)了兩點原因：一是大多數(shù)的事故發(fā)生在充電中或者說充電完成之后。充電中和充電完成之后的電芯電壓是非常高的，能量也是非常高的，活性也很大。這種時候，我們的儲能系統(tǒng)的并聯(lián)有可能造成系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)簇的環(huán)流，并聯(lián)簇的環(huán)流就可能對其中某些簇的單體電芯造成過充的影響。單體電芯一直處在過充狀態(tài)，它有可能產(chǎn)生鋰枝晶，發(fā)生一些內(nèi)短路，造成熱失控的現(xiàn)象。第二個，儲能電站設(shè)計的時候，消防系統(tǒng)一般都是用七氟丙烷，而七氟丙烷是用來隔絕空氣，阻止它發(fā)生熱失控、發(fā)生燃燒，但是七氟丙烷不能夠?qū)崾Э貑误w電芯或者系統(tǒng)進行降溫。一旦消防員或者現(xiàn)場人員進行滅火救災(zāi)的時候，很有可能打開儲能集裝箱系統(tǒng)，里面會有一些可燃氣體突然間有空氣涌入的話，它會在一個密閉環(huán)境里發(fā)生爆炸風(fēng)險。
北京416事件，大家已經(jīng)非常清楚了，其中中國電科院給了一份報告，說出了八個誘因，這八個誘因已經(jīng)分析得非常全面和到位。誘因一是儲能電池安全質(zhì)量，就是單體電芯。雖然我們選用了同一批次的，也是在篩選的時候選的是比較優(yōu)越的一致性很好的電芯，但是我們也不排除其中有某些單體電芯內(nèi)部有雜質(zhì)或者生產(chǎn)過程中造成小問題，我們篩選過程中沒有發(fā)現(xiàn)，但是在實際長期運行的時候會發(fā)生細微的變化，時間越來越長，過充對造成熱失控的危險性越來越大；誘因二是儲能系統(tǒng)的電氣拓撲，我們在系統(tǒng)并網(wǎng)的時候，也就是ACDC轉(zhuǎn)換的時候，儲能系統(tǒng)里面的一次保護、二次保護，我們有時候會因為成本的原因或者是現(xiàn)場安裝的原因進行縮減，造成安全隱患；誘因三是電池管理系統(tǒng)（BMS），有些事故發(fā)生的時候BMS并沒有報警，這也警示了整個系統(tǒng)的安全性，我們的軟件控制和警示部分也需要加強；誘因四是現(xiàn)場電纜和線束現(xiàn)場布局，也有可能在錯綜復(fù)雜交錯的電纜之間，如果發(fā)生了過充的事故，有可能會引起一些閃弧的現(xiàn)象，會波及到其他的電池儲能系統(tǒng)；誘因五是電站防火設(shè)計，整個儲能電站會有很多集裝箱的排布，集裝箱與集裝箱之間或者是整個儲能系統(tǒng)的設(shè)計中間有沒有防火的設(shè)計，比如說需要增加防火墻；誘因六是電站配套的監(jiān)控預(yù)警滅火系統(tǒng)及消防用水，這個事故發(fā)生的時候，消防員在一側(cè)滅火的同時，有可能消防用水會流到另外一側(cè)，有可能引起另外一側(cè)電站的短路；誘因七是氣象環(huán)境，有時候儲能環(huán)境應(yīng)用環(huán)境是在風(fēng)沙比較大的地方，比如說高原地區(qū)，如果有一些沙塵暴或者有一些風(fēng)沙，對我們的通風(fēng)系統(tǒng)進行堵塞，有可能會對整個儲能系統(tǒng)的散熱進行影響。另外是絕緣也會有影響，整個儲能系統(tǒng)長期運行在高溫環(huán)境下，比如說它的散熱通風(fēng)都被堵掉，它在高溫環(huán)境下運行，對整個系統(tǒng)單體電芯是一個不良的運行環(huán)境；誘因八是現(xiàn)場人員的操作和管理制度，這也是我們在建儲能電站時候一定要非常注意的一點，要有經(jīng)驗的人員、有嚴格的管理規(guī)章制度去嚴格執(zhí)行。
第三個事故是美國麥肯錫分析了APS儲能電站發(fā)生的事故，當(dāng)時的事故報告做了幾點分析和總結(jié)。因為這個事故發(fā)生的時候也是有消防員在現(xiàn)場滅火時發(fā)生了嚴重的事故。整個儲能系統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計是有一些缺陷，因為電池儲能系統(tǒng)在里面的單體電芯發(fā)生熱失控的時候，整個集裝箱是密閉的，它里面析出的可燃氣體在集裝箱內(nèi)不能及時有效進行通風(fēng)排出，在去滅火的同時打開門，發(fā)生了空氣涌入，在密閉環(huán)境發(fā)生爆炸的現(xiàn)象。它就提出了幾點建議：建議更新現(xiàn)有的標準和法規(guī)，中國一直在加大力度更新我們的標準，作為以后儲能電站設(shè)計和運營的依據(jù)；它也是建議我們在設(shè)計儲能系統(tǒng)的時候要注意通風(fēng)滅火和冷卻系統(tǒng)的熱分析、熱處理。我發(fā)現(xiàn)整個儲能系統(tǒng)在實際運行過程當(dāng)中，儲能系統(tǒng)上層的PACK和最底下PACK的溫差是比較大的，我們的BMS設(shè)計的溫差報警保護區(qū)間在實際運行當(dāng)中有可能會調(diào)大溫差報警保護，因為熱量是往上走的，上層PACK的溫度一直在高溫環(huán)境下運行，下層PACK的溫度比上層運行環(huán)境溫度低一些，造成整體系統(tǒng)一致性運行時間差別越來越大，可能會造成整個系統(tǒng)的安全隱患；最后它提到了開展教育和培訓(xùn)，制定應(yīng)急響應(yīng)政策。整個儲能系統(tǒng)運營，因為它是一個能量密集型的聚集體，所以這也是屬于比較危險的運行，所以我們的專業(yè)運行維護人員也需要有一個專業(yè)的培訓(xùn)。
儲能系統(tǒng)的安全問題。其中最關(guān)鍵的就是鋰離子電池部分，鋰電池在整個儲能系統(tǒng)的成本也是占據(jù)到60%-70%。在一個密閉的空間里面集聚大量的鋰電池是非常危險的。其中的一個單體發(fā)生了熱失控，很有可能級聯(lián)到其他的單體電芯甚至到其他的PACK和其他的簇。除了單體電芯之外，儲能系統(tǒng)里面還有很多的電氣設(shè)備，這些電氣設(shè)備有一些絕緣或者高電壓、大電流的涌入，也會對這些保護設(shè)備造成沖擊。其中的一些設(shè)備和線纜發(fā)生了一些老化，也有可能造成系統(tǒng)內(nèi)單體電芯或者是PACK的短路。
通常情況下，鋰電池在發(fā)生熱失控的時候會析出大量的氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、苯、甲苯等有機體，這些都屬于可燃氣體。我們在做9540A評估的時候，發(fā)現(xiàn)鋰離子單體或者是PACK析出的氣體里面，氫氣和一氧化碳占的成分是比較大的，也有可能析出氯化氫、氟化氫等有毒氣體。假如說在集裝箱內(nèi)發(fā)生熱失控，它析出大量的氫氣和一氧化碳，有可能會造成整個事故的蔓延。
在標準里面對熱失控也有清晰的定義，像國標36276、IEC62619、UL1973、UL9540A都定義了單體電芯熱失控的定義，我們國標36276同時也定義了模組的級聯(lián)熱失控的定義。這是熱失控的整個過程，就是單體電芯從開始加熱到它析氣，一直到爆炸燃燒，最后燃燒結(jié)束，一共有五個階段，不再贅述。風(fēng)險原因分析：1.電池系統(tǒng)的缺陷。單體電芯在選的時候，一致性沒有選好，另外一個就是我們系統(tǒng)內(nèi)的保護邏輯沒有設(shè)計得非常完善；2.應(yīng)對絕緣檢測的保護系統(tǒng)不夠，有可能在整個系統(tǒng)里面會發(fā)生與外部絕緣失控，產(chǎn)生閃弧，造成短路；3.儲能電站建設(shè)完以后需要管理和維護；4.BMS、EMS之間的協(xié)調(diào)管控以及預(yù)警失效等問題也需要我們注意。
儲能系統(tǒng)的安全設(shè)計涉及到很多部分，像電化學(xué)安全，就是單體電芯；也涉及到機械結(jié)構(gòu)安全，像鹽霧、擠壓碰撞；弱電安全是采樣電壓、SOC估算、BMS預(yù)警；高壓安全涉及到絕緣、連接器、過流過壓；熱安全就是我們的熱處理，就是我們的集裝箱整個運行的環(huán)境，一定不要在高溫環(huán)境下運行，它產(chǎn)生的熱量一定要由我們的熱處理系統(tǒng)把熱量帶走；使用安全，像熱失控的預(yù)警、熱擴散的預(yù)警，在我們的儲能系統(tǒng)里面也要加強設(shè)計。
這部分是相對于我們的國際標準的概述。在北美地區(qū)延用的是UL9540的要求，其中它對單體電芯、PACK和簇的要求是UL1973和UL9540A，我們簽的LOGO是下方的SGS，C是加拿大，US是美國。這邊要注意是如果我們要加C的話，其中我們設(shè)計的零部件也是要符合加拿大的標準。在歐洲那邊，我們并網(wǎng)的時候要用到各個國家的標準要求，德國有VDE2510，我們的電池需要測IEC62619和IEC63056儲能系統(tǒng)。在澳洲可以用ICE的標準，也可以用UL1973的標準。日本是JIS8715-2，韓國是KC62619，跟IEC62619標準相同。在系統(tǒng)的標準里面，我們除了這些標準測試以外還要注意，假如說我們用塑料，它有阻燃等級和IP等級的要求。關(guān)于電氣間隙和爬電距離，也是要參考UL60950和UL840，其中一些線束和端子也是需要符合一些標準要求，包括右邊的功能安全部分，尤其我們在做LEC62619和北美UL1973的同時，也要評估IEC60730和UL60730或者是IEC/UL61508部分的功能安全評估。
關(guān)于UL9540A，它是在NFPA855儲能系統(tǒng)安裝標準里面會提到。假如說我們的儲能系統(tǒng)有一些安裝距離和安裝容量的要求，比如說整體系統(tǒng)大于600千瓦時或者單簇大于50千瓦時，或者簇與簇之間的安裝距離小于0.934米，都是需要提供UL9540A的評估，我們現(xiàn)在也給各大廠家做了UL9540A的評估報告。
這部分，我就不再贅述了，大家可以拍一下，這是出口北美或者出口歐洲，或者出口日本、澳洲需要做的一系列的認證。左邊是我們發(fā)出的證書樣本，現(xiàn)在我們SGS針對UL9540A也是做了很多的廠家。
介紹一下SGS。SGS是國際公認的NO.1的檢測認證機構(gòu)，全球有9萬4千名員工，有2萬6千個分支機構(gòu)和實驗室。我們在上海和深圳都投有電池檢測實驗室，也是獲得了CNAS和美國A2LA的資質(zhì)認可，也獲得IECEE CBTL的認可，我們對歐洲、北美、日本和韓國包括全球各個國家的出口認證都有相應(yīng)的解決方案。
我們涉及的產(chǎn)品包括18650消費類單體電芯、一些大的儲能或者是動力電池，以及輕量級的，譬如說平衡車、搖擺車、電動自行車、電動摩托車以及大的儲能系統(tǒng)的電池和動力電池，包括無人機、割草機或者AGV無人車電池出口認證，我們都能提供全球的認證解決方案。
這是我們給大家發(fā)的證書的LOGO，下面是CB，中間是NA（北美地區(qū)的），然后日本的PSE，美國的CTIA，然后德國的GS和我們的安全生產(chǎn)SGS的認證。由于時間關(guān)系，我的演講就到此結(jié)束，如果大家有什么問題我們可以會后繼續(xù)交流，謝謝大家！
