中國儲能網訊：摘要
住宅電池儲能系統(tǒng)不僅是可以為消費者節(jié)省成本的具有吸引力的一種選擇，而且通過最大限度地利用可再生能源。盡管電池的高成本一直是其限制儲能部署增長的主要因素，但電動汽車(EV)市場規(guī)模的快速增長將會繼續(xù)壓低鋰離子電池的價格，這將進一步激勵電池市場快速發(fā)展。
0 序言
盡管住宅用戶對于電池儲能系統(tǒng)發(fā)生的安全事故知之甚少，但在住宅環(huán)境中使用電池儲能用能系統(tǒng)仍存在安全隱患。針對這一問題，本報告受對英國住宅電儲能系統(tǒng)的潛在故障機制、與故障相關的危害、風險緩解以及現有安全標準和目前正在制定的標準進行了廣泛研究。報告發(fā)現，如果電池儲能制造商和安裝商遵循最佳的行業(yè)實踐和標準，以顯著降低住宅電池儲能系統(tǒng)在應用中的風險。
?該評估報告的一部分涉及與利益相關者，以便更好地了解他們的擔憂，收集他們的改進建議，并解決他們面臨的問題。一個重要的觀點是，雖然電池儲能行業(yè)仍處在早期階段，但現在是考慮所有潛在安全情況以及如何正確地運營電池儲能系統(tǒng)的時候了，需要制定相關的安全標準和準則，因為電池儲能系統(tǒng)將廣泛部署，并逐漸成為人們日常生活的一部分。因此，建立技術合理、更具意義的安全標準對于電池儲能系統(tǒng)的成功至關重要。
根據最近的一些研究，鋰離子電池的主要火災特征可歸納為以下三種風險類別：
?當電池發(fā)生故障和熱失控并蔓延時，電池組內部產生的熱量過多，這突出了電池組隔離設計的必要性，以最大限度地降低蔓延風險，并限制電池/模塊之間的火災蔓延。早期檢測和在單個電池開始失效時冷卻方法，對于避免電池儲能系統(tǒng)的熱失控至關重要。
?電池或電池組發(fā)生熱失控故障會產生大量有毒氣體，這是由于電池升溫時壓力迅速升高和排氣口釋放造成的。而在電池儲能系統(tǒng)的設計和部署中必須考慮對電池產生的氣體的管理和排放。
?在設計通風系統(tǒng)時，需要特別考慮如何處理電池發(fā)生火災產生的有毒氣體。
從電池單元到系統(tǒng)設計和系統(tǒng)安裝，各個層面的風險緩解都有很多可能性。許多緩解風險和要求都包含在現有標準或正在制定的標準中。以下是有關風險緩解的一些注意事項：
?電池管理系統(tǒng)(BMS)在將電池保持在電壓、電流和溫度的工作窗口內方面發(fā)揮著核心作用。電池儲能系統(tǒng)的安全標準具有適用于電池管理系統(tǒng)(BMS)的特定要求和測試。
?雖然電池單元故障雖然很少見，但確實會發(fā)生。對于結構良好的18650電池，內部事件的故障率估計為千萬分之一(0.1ppm)。這意味著1萬個電池儲能系統(tǒng)中就有一塊電池發(fā)生故障（假設一個5kWh的電池儲地能系統(tǒng)采用500個18650電池）。這并不是說每一萬個電池儲能系統(tǒng)中必然有1個電池儲能系統(tǒng)發(fā)生故障，并且有很大的火災風險。電池儲能系統(tǒng)的正確設計和構造應該能夠防止電池故障的蔓延。因為單個電池故障應該是可控的。
?如果系統(tǒng)設計良好，則應考慮由單個電池引起的熱失控事件的蔓延。這對于緩解電池儲能系統(tǒng)的風險非常重要，并且將對其整體風險評估產生重大影響?？刂齐姵亟M內的單個電池故障，可以降低電池儲能系統(tǒng)故障和住宅火災的風險。而適用于住宅鋰離子電池儲能系統(tǒng)的標準（例如BSEN62619和IEC62933-5-2）包含對電池故障蔓延的評估。
英國對電池儲能系統(tǒng)的安全要求可以 分為電氣安裝要求、電網連接要求、產品安全監(jiān)管要求、危險品監(jiān)管要求。其產品安全涉及幾類安全標準，例如電能儲能系統(tǒng)、鋰離子電池、控制和電池管理系統(tǒng)、電力電子變流器系統(tǒng)和逆變器以及電磁兼容性（EMC）。
一些適用于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的標準目前正在制定或最近發(fā)布。最近發(fā)布的第一版IEC62933-5-2涵蓋了住宅電池儲能系統(tǒng)的安全性。即將發(fā)布的版本的IEC62933-5-2標準很可能要求鋰離子電池儲能系統(tǒng)應符合BSEN62619、IEC62485-5（制定中）和IEC63056等標準。如果制定和發(fā)布這些標準的目的是作為低電壓指令或通用產品安全指令下的協(xié)調標準，或在其他標準或法規(guī)（如BS7671）中引用，它將有助于明確表明符合法規(guī)的過程。當前的電池儲能系統(tǒng)通常僅根據BSEN62619標準進行測試。
1、簡介
住宅電池儲能系統(tǒng)不僅是可以為消費者節(jié)省成本的具有吸引力的一種選擇，而且通過最大限度地利用可再生能源。本報告對住宅電池儲技術及其應用進行了審查，以了解可能需要采取哪些進一步措施來降低風險。重點是鋰離子電池技術，因為它現在主導著電池儲能系統(tǒng)的新設計。
該研究描述了電池儲能系統(tǒng)的運營維護、市場狀況以及對已經發(fā)布的電池儲能系統(tǒng)火災數據的審查。此外，還闡述了鋰離子電池如何發(fā)生故障，以及低故障風險或影響的電池儲能設計和安裝中的最佳實踐等緩解措施。
幸運的是，英國鋰離子電池儲能系統(tǒng)的火災記錄很少，因此該報告包括在應用中如何處理鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災的經驗和教訓，還考慮了熱失控、內部壓力快速升高以及產生毒性氣體的原因和影響。
2、電池儲能系統(tǒng)
2.1、電池儲能系統(tǒng)的設計
電池儲能系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：電池子系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)外殼、功率轉換子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)和接線端子（如圖1所示）。
圖1電池儲能系統(tǒng)內部組件簡化示意圖
2.2、電源轉換子系統(tǒng)
電源轉換子系統(tǒng)(PCS)在與電源之間的能量傳輸中發(fā)揮著關鍵作用。它包逆變器/充電器，通常采用雙向設計，但有時可能是單獨的組件。在為電池充電時，它從交流電源（連接點）汲取電流并將其轉換為直流電。當將電力輸出到電網或本地“自供電”時，逆變器將電池子系統(tǒng)提供的直流電源轉換為交流電源。
目前市場上的電池儲能通常是以下三種類型之一：
?使用“現成的”雙向逆變器。
?使用專有設計的逆變器或改裝的商業(yè)產品。
?僅作為“儲能系統(tǒng)”提供的雙向逆變器 ，需要安裝商、系統(tǒng)集成商或最終用戶提供合適的電源轉換器。
充電器/逆變器可以單獨管理儲能系統(tǒng)輸入或輸出的電力，或者可以集成其他本地的可再生能源，最常見的是太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
2.3、輔助子系統(tǒng)
輔助子系統(tǒng)包括旨在執(zhí)行電池儲能系統(tǒng)輔助功能（例如供暖、通風、消防 、空調系統(tǒng)）的所有必要設備。
2.4、控制子系統(tǒng)
控制子系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制電池儲能系統(tǒng)。它可能包括通信子系統(tǒng)、保護子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。
2.5、電池子系統(tǒng)
電池子系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)(BMS)和分為多個模塊的電池組成。
為了安全運行，電池需要保持在其電壓、溫度和電流的額定范圍內，因此需要電池管理系統(tǒng)(BMS)進行管理。對于規(guī)模較大的電池儲能系統(tǒng)，通常采用單獨的電池管理系統(tǒng)(BMS)在不同的級別上運行。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池儲能系統(tǒng)中安全系統(tǒng)的關鍵部分，此外還有硬件保護功能。
在設計安全的電池子系統(tǒng)時必須考慮許多因素。電池管理系統(tǒng)(BMS)的設計和工程是一個安全的關鍵問題。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池安全運行的核心。如果設計得當，電池管理系統(tǒng)(BMS)將提早發(fā)現潛在問題，并采取行動減輕潛在后果。
3、電池技術
表1顯示了當今電池儲能系統(tǒng)中最常用的鉛酸電池和鋰離子電池的特性。
表1鉛酸電池與鋰離子電池的特性
電池儲能系統(tǒng)中使用的電池技術可能會有所不同，但目前市場上用于構建電池儲能系統(tǒng)的大多數電池都是鋰離子電池。然而，閥控式鉛酸電池傳統(tǒng)上一直占主導地位，并且仍在許多已安裝的電池儲能系統(tǒng)中使用。對于這種應用，鉛酸電池的主要缺點是它們在充電/深度放電時的壽命有限。因此，它們通常并不用于住宅電池儲能系統(tǒng)。因此，該報告并沒有進一步介紹鉛酸電池。
3.1、鋰離子電池
鋰離子電池由一系列不同的電池材料和組件構成，其中主要反應是鋰離子分別傳輸和嵌入到陰極和陽極中。最常見的陽極材料是石墨，但也有硬碳和鈦酸鹽的替代品。硬碳和鈦酸鹽提供了更好的動力能力和循環(huán)壽命，但能量密度并不高。而電池陰極材料通常是金屬氧化物，一些最常見的陰極類型是NMC（鋰化鎳錳鈷氧化物）、NCA（鋰化鎳鈷鋁氧化物）、LCO（鋰化鈷氧化物）和LFP（磷酸鐵鋰）。它們都具有各自不同的特性，但磷酸鐵鋰電池（LFP）具有較低的電壓，因此比其他電池具有較低的能量密度。
陽極和陰極由多孔隔板隔開，隔板通常由多層聚合物組成。電極和隔膜浸泡在電解液中，電極之間的電解液可以輸送鋰離子。而電解質由溶解有鋰鹽（LiPF6）的有機溶劑組成。
3.1.1、鋰離子電池
如今有三種不同形狀的電池：圓柱形、軟包電池和棱柱形。電極可以堆疊或卷繞。電池是密封的，在正常操作下不應發(fā)生排氣。
鋰離子電池的不同外形尺寸
電池串聯(lián)和并聯(lián)以分別增加電壓和容量。對于規(guī)模較大的電池組，電池通常分組為稱為模塊的子組，然后可以將模塊串聯(lián)或并聯(lián)以形成完整的電池組。
電池的生產和電池構造可能相當復雜。而現有電池和系統(tǒng)標準的應用涉及性能和安全性，盡管它們會不斷進行審查和改進，但它們并沒有完全解決涉及電池設計和制造的所有復雜性，因此偶爾會出現電池故障。而化學或結構的適度變化可能會產生嚴重后果。從安全角度來看，應該記住的是，如今市場上有數十億塊電池，從這個角度來看，事故率實際上非常低，大約百萬分之一或者可能低至千萬分之一。
4、英國儲能市場回顧
英國市場部署的電池儲能系統(tǒng)通常來自全球供應商和英國本土廠商，預計未來幾年供應商的數量會增加。電池儲能系統(tǒng)的價格可能會有很大差異。根據一份調查報告，電池價格從500英鎊到10,000英鎊不等，并且不包括安裝成本。而電池儲能系統(tǒng)成本（不包括安裝成本）的平均約為1,000英鎊/kWh。根據儲能系統(tǒng)的復雜性，其安裝成本可能從500英鎊到2,000英鎊以上不等。一些電池儲能系統(tǒng)還采用逆變器，而這可能需要增加約1,000英鎊的成本。
4.1、電池儲能系統(tǒng)的安裝示例
以下是安裝住宅電池儲能系統(tǒng)的兩個示例。需要注意的是，這兩個電池儲能系統(tǒng)都沒有安裝在居住區(qū)內。
在車庫安裝的Varta-Storage‘Pulse’電池儲能系統(tǒng)
在戶外墻壁安裝的特斯拉Powerwall電池儲能系統(tǒng)
4.2、英國市場電池儲能系統(tǒng)示例
在英國市場上可以找到的產品示如表2所示。該表總結了每家電池儲能系統(tǒng)制造商網的信息。這些住宅電儲能系統(tǒng)的儲能容量范圍從2.5到25.2kWh之間。電池模塊的標稱電壓一般在50V左右，但有些電池儲能系統(tǒng)的標稱電壓更高。雖然無法為每個儲能系統(tǒng)找到每個電池模塊的額定容量，然而其范圍從1kWh和6.3kWh之間。電池儲能系統(tǒng)采用的電池通常是鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)電池或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池。
這些電池產品均帶有CE標志。電池模塊測試的常用電池安全標準是IEC62619。對于逆變器，IEC62109-1和IEC62109-2是常用的安全標準。許多住宅電池儲能系統(tǒng)還根據UL1973（電池模塊）和UL1741（逆變器）等標準獲得了北美市場的認證。具體而言，對于英國市場，逆變器還需要符合工程建議G.83/2(G98)和G.59/3(G99)。國內BESS的適用標準總結在第7節(jié)和附錄1中。
表2英國采用的電池儲能系統(tǒng)產品
