中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：摘要
住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅是可以為消費(fèi)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(chǔ)能部署增長的主要因素，但電動(dòng)汽車(EV)市場規(guī)模的快速增長將會(huì)繼續(xù)壓低鋰離子電池的價(jià)格，這將進(jìn)一步激勵(lì)電池市場快速發(fā)展。
0 序言
盡管住宅用戶對于電池儲(chǔ)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(chǔ)能用能系統(tǒng)仍存在安全隱患。針對這一問題，本報(bào)告受對英國住宅電儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在故障機(jī)制、與故障相關(guān)的危害、風(fēng)險(xiǎn)緩解以及現(xiàn)有安全標(biāo)準(zhǔn)和目前正在制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛研究。報(bào)告發(fā)現(xiàn)，如果電池儲(chǔ)能制造商和安裝商遵循最佳的行業(yè)實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)，以顯著降低住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)。
?該評估報(bào)告的一部分涉及與利益相關(guān)者，以便更好地了解他們的擔(dān)憂，收集他們的改進(jìn)建議，并解決他們面臨的問題。一個(gè)重要的觀點(diǎn)是，雖然電池儲(chǔ)能行業(yè)仍處在早期階段，但現(xiàn)在是考慮所有潛在安全情況以及如何正確地運(yùn)營電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)候了，需要制定相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，因?yàn)殡姵貎?chǔ)能系統(tǒng)將廣泛部署，并逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧Ｒ虼?，建立技術(shù)合理、更具意義的安全標(biāo)準(zhǔn)對于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成功至關(guān)重要。
根據(jù)最近的一些研究，鋰離子電池的主要火災(zāi)特征可歸納為以下三種風(fēng)險(xiǎn)類別：
?當(dāng)電池發(fā)生故障和熱失控并蔓延時(shí)，電池組內(nèi)部產(chǎn)生的熱量過多，這突出了電池組隔離設(shè)計(jì)的必要性，以最大限度地降低蔓延風(fēng)險(xiǎn)，并限制電池/模塊之間的火災(zāi)蔓延。早期檢測和在單個(gè)電池開始失效時(shí)冷卻方法，對于避免電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱失控至關(guān)重要。
?電池或電池組發(fā)生熱失控故障會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體，這是由于電池升溫時(shí)壓力迅速升高和排氣口釋放造成的。而在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部署中必須考慮對電池產(chǎn)生的氣體的管理和排放。
?在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，需要特別考慮如何處理電池發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生的有毒氣體。
從電池單元到系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)安裝，各個(gè)層面的風(fēng)險(xiǎn)緩解都有很多可能性。許多緩解風(fēng)險(xiǎn)和要求都包含在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或正在制定的標(biāo)準(zhǔn)中。以下是有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)緩解的一些注意事項(xiàng)：
?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(nèi)方面發(fā)揮著核心作用。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)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(shí)會(huì)發(fā)生。對于結(jié)構(gòu)良好的18650電池，內(nèi)部事件的故障率估計(jì)為千萬分之一(0.1ppm)。這意味著1萬個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中就有一塊電池發(fā)生故障（假設(shè)一個(gè)5kWh的電池儲(chǔ)地能系統(tǒng)采用500個(gè)18650電池）。這并不是說每一萬個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中必然有1個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障，并且有很大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)和構(gòu)造應(yīng)該能夠防止電池故障的蔓延。因?yàn)閱蝹€(gè)電池故障應(yīng)該是可控的。
?如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好，則應(yīng)考慮由單個(gè)電池引起的熱失控事件的蔓延。這對于緩解電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)非常重要，并且將對其整體風(fēng)險(xiǎn)評估產(chǎn)生重大影響。控制電池組內(nèi)的單個(gè)電池故障，可以降低電池儲(chǔ)能系統(tǒng)故障和住宅火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。而適用于住宅鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)（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(chǔ)能系統(tǒng)的安全要求可以 分為電氣安裝要求、電網(wǎng)連接要求、產(chǎn)品安全監(jiān)管要求、危險(xiǎn)品監(jiān)管要求。其產(chǎn)品安全涉及幾類安全標(biāo)準(zhǔn)，例如電能儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。即將發(fā)布的版本的IEC62933-5-2標(biāo)準(zhǔn)很可能要求鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)符合BSEN62619、IEC62485-5（制定中）和IEC63056等標(biāo)準(zhǔn)。如果制定和發(fā)布這些標(biāo)準(zhǔn)的目的是作為低電壓指令或通用產(chǎn)品安全指令下的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，或在其他標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常僅根據(jù)BSEN62619標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。
1、簡介
住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅是可以為消費(fèi)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(bào)告對住宅電池儲(chǔ)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了審查，以了解可能需要采取哪些進(jìn)一步措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)是鋰離子電池技術(shù)，因?yàn)樗F(xiàn)在主導(dǎo)著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)。
該研究描述了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)、市場狀況以及對已經(jīng)發(fā)布的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)數(shù)據(jù)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(fēng)險(xiǎn)或影響的電池儲(chǔ)能設(shè)計(jì)和安裝中的最佳實(shí)踐等緩解措施。
幸運(yùn)的是，英國鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)記錄很少，因此該報(bào)告包括在應(yīng)用中如何處理鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，還考慮了熱失控、內(nèi)部壓力快速升高以及產(chǎn)生毒性氣體的原因和影響。
2、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
2.1、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：電池子系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)外殼、功率轉(zhuǎn)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(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部組件簡化示意圖
2.2、電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)
電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)(PCS)在與電源之間的能量傳輸中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它包逆變器/充電器，通常采用雙向設(shè)計(jì)，但有時(shí)可能是單獨(dú)的組件。在為電池充電時(shí)，它從交流電源（連接點(diǎn)）汲取電流并將其轉(zhuǎn)換為直流電。當(dāng)將電力輸出到電網(wǎng)或本地“自供電”時(shí)，逆變器將電池子系統(tǒng)提供的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。
目前市場上的電池儲(chǔ)能通常是以下三種類型之一：
?使用“現(xiàn)成的”雙向逆變器。
?使用專有設(shè)計(jì)的逆變器或改裝的商業(yè)產(chǎn)品。
?僅作為“儲(chǔ)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(zhuǎn)換器。
充電器/逆變器可以單獨(dú)管理儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)輔助功能（例如供暖、通風(fēng)、消防 、空調(diào)系統(tǒng)）的所有必要設(shè)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(chǔ)能系統(tǒng)。它可能包括通信子系統(tǒng)、保護(hù)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(gè)模塊的電池組成。
為了安全運(yùn)行，電池需要保持在其電壓、溫度和電流的額定范圍內(nèi)，因此需要電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)行管理。對于規(guī)模較大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，通常采用單獨(dú)的電池管理系統(tǒng)(BMS)在不同的級(jí)別上運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中安全系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，此外還有硬件保護(hù)功能。
在設(shè)計(jì)安全的電池子系統(tǒng)時(shí)必須考慮許多因素。電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)和工程是一個(gè)安全的關(guān)鍵問題。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池安全運(yùn)行的核心。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，電池管理系統(tǒng)(BMS)將提早發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取行動(dòng)減輕潛在后果。
3、電池技術(shù)
表1顯示了當(dāng)今電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)中使用的電池技術(shù)可能會(huì)有所不同，但目前市場上用于構(gòu)建電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的大多數(shù)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(dǎo)地位，并且仍在許多已安裝的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用。對于這種應(yīng)用，鉛酸電池的主要缺點(diǎn)是它們在充電/深度放電時(shí)的壽命有限。因此，它們通常并不用于住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，該報(bào)告并沒有進(jìn)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(gòu)成，其中主要反應(yīng)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(dòng)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(zhì)由溶解有鋰鹽（LiPF6）的有機(jī)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(yīng)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(chǎn)和電池構(gòu)造可能相當(dāng)復(fù)雜。而現(xiàn)有電池和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用涉及性能和安全性，盡管它們會(huì)不斷進(jìn)行審查和改進(jìn)，但它們并沒有完全解決涉及電池設(shè)計(jì)和制造的所有復(fù)雜性，因此偶爾會(huì)出現(xiàn)電池故障。而化學(xué)或結(jié)構(gòu)的適度變化可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。從安全角度來看，應(yīng)該記住的是，如今市場上有數(shù)十億塊電池，從這個(gè)角度來看，事故率實(shí)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(chǔ)能市場回顧
英國市場部署的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常來自全球供應(yīng)商和英國本土廠商，預(yù)計(jì)未來幾年供應(yīng)商的數(shù)量會(huì)增加。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)格可能會(huì)有很大差異。根據(jù)一份調(diào)查報(bào)告，電池價(jià)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(chǔ)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(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的復(fù)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的安裝示例
以下是安裝住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩個(gè)示例。需要注意的是，這兩個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)都沒有安裝在居住區(qū)內(nèi)。
在車庫安裝的Varta-Storage‘Pulse’電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
在戶外墻壁安裝的特斯拉Powerwall電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
4.2、英國市場電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示例
在英國市場上可以找到的產(chǎn)品示如表2所示。該表總結(jié)了每家電池儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商網(wǎng)的信息。這些住宅電儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量范圍從2.5到25.2kWh之間。電池模塊的標(biāo)稱電壓一般在50V左右，但有些電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓更高。雖然無法為每個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)找到每個(gè)電池模塊的額定容量，然而其范圍從1kWh和6.3kWh之間。電池儲(chǔ)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(chǎn)品均帶有CE標(biāo)志。電池模塊測試的常用電池安全標(biāo)準(zhǔn)是IEC62619。對于逆變器，IEC62109-1和IEC62109-2是常用的安全標(biāo)準(zhǔn)。許多住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還根據(jù)UL1973（電池模塊）和UL1741（逆變器）等標(biāo)準(zhǔn)獲得了北美市場的認(rèn)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(nèi)BESS的適用標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)在第7節(jié)和附錄1中。
表2英國采用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品
