提升安全性能的储能系统设计
为响应中国2030年碳达峰战略,推进节能减排,促进大气污染治理,有必要将充电站建设纳入规划之中,同时在电力系统中还具有调峰、调频、提高系统稳定性和优化电能质量的作用。
储能系统广泛应用于大容量场合,对电力系统的调压、调频等具有重要作用,而储能系统安全事故频发,储能安全成为重要课题。电化学储能类型可分为铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、钒液流电池等。铅酸电池性能可靠、价格低,但能量密度和功率密度均较低;钠硫电池具有原料成本低、充放电效率高、存储寿命长等优势,但需要附加供热和保温装置。钒液流电池寿命长、可深度放电、电解质溶液可反复再生,却存在体积大、比能量低、密封性不好等问题。钠硫电池和钒液流电池只能放电,不能充电,严格说不是二次电池。锂离子电池的寿命长、可靠性高、耐高温、容量大, 但导电性能差。近年来,国内已运行的储能装置中,锂离子电池占比高达80%,并呈逐年递增的态势。
本文重点讨论大容量静止储能系统的安全问题。据统计,近10年来,国内外共发生了30多起大容量储能电站起火爆炸事故,事故大多采用锂离子电池,还有两起事故采用了铅酸电池和钠硫电池。
事故主要原因有:绝大多数事故发生在充电后休止状态,此时电池电压较高,电池活性较大,易引发事故;并联电池簇之间形成环流,导致电池电芯过充,电压过高形成内短路,造成火灾。新能源汽车的起火爆炸事故达到几百余起,动力电池基本采用的都是锂离子电池,故障大多是由于热失控引起的,其次是在充电过程中,对电动车使用不当引起的自燃,汽车碰撞引起电池起火也占了相当大的比重。
1 研究现状
目前,如要提高储能系统的安全性,可从5方面入手:
改善电芯的结构及材料;
改善 PCS的结构及控制策略;
提高电池管理系统对电池管理的精确性;
改变储能子系统现有的控制架构;
改善电池 Pack的结构及材料。
1.1 电芯安全的研究现状
电芯安全性涉及电芯符合标准与否、电芯标准是否有缺陷、电芯成组方式等方面。
文献给出了锂离子电池在电化学储能电站的国家标准和能源行业标准,而满足要求的 电芯才能在储能电站中应用。从相关资料上可以查出,2018年广东质监局抽查其20家企业的20批次的锂离子电池产品,其不合格率为15%;从 相关数据可以看出,市场中有很多不合格的锂离 子电池涌入,如不严格监管,可能会造成更多的储 能事故。文献指出了韩国储能电站爆炸的原因可能是由于电芯内部问题。对于电池是否符合标准是一方面,但即使符合标准的电池也不一定是安全的。研究了电芯串并联对电芯参数的变化,电芯先并联可以有效减小电芯参数的变化,但并没有考虑到电芯在长期使用后,会导致各并联电芯的内阻不一致,其之间在充电结束后 会形成环流,造成电芯的过充过放,引发热失控。文献研究了串联锂离子电池成组的拓扑,同时并联电容进行均衡管理,但各串联电池的电池荷电状态(SOC)值不一致时,当某个电池达到SOC值下限,就会停止输出,影响了储能系统的输出容量。
目前电芯成组都采用先并后串的工艺,没有采用先串后并的成组方式,目的是为了提高储能系统的能量密度,但这种方式并联的几个电芯如果性能不一致则会产生环流,并且该环流不可测也不可控,构成安全隐患。
1.2 PCS安全的研究现状
电池组通过PCS和应用对象连接,实现可控的功率控制和能量交换。
文献研究了适用于大容量应用场合的储能变流器,其拓扑结构一般为单级式,与双级式相比,可以有效地降低储能的功率损耗,并连接相当容量的电池组,以提高效率。文献指出在储能系统中的电池出口处一般会配置直流机械开关做短路保护,问题是当PCS的直流母线有短路,由于机械开关时延大(几十毫秒),在短路过程中,电池组承受很大的短路电流,造成不可逆的损伤。电池组由大量的单体电池构成,具有不均衡的特性却承受相同的出力,对电池组的损伤会持续加重。文献研究了两个金氧半场效晶体管 (MOSFET)串联组成的双向控制开关作为储能 系统的硬件保护,但是采用的MOSFET开关管会加大储能系统的功率损耗,降低储能系统功率输出效率。
文献针对单元级联式高压变流器的关键技术进行研究,该变流器无需考虑直流侧短路问 题和电容均压问题,并且3个模块的结构完全相同,便于控制,提高了工作的可靠性,但采用的可关断器件较多,造成很高的开关损耗。
在大容量应用场合,PCS一般采用单级式拓 扑结构和单元级联式拓扑结构,单级式拓扑结构会因为直流侧母线短路,使电池组承受很大的短路电流,对电池造成不可逆的损伤;单元级联式拓扑结构所需的可关断器件较多,造成较大的开关损耗。
1.3 BMS安全的研究现状
BMS的功能主要是根据采集电芯的电压、电流、温度及绝缘电阻的数据,利用相应的算法实现SOC、电池健康度(SOH)的估算,实现对电芯的充电管理、放电管理、均衡管理、热管理以及故障 诊断和保护,同时对数据进行存储和通信。通过对控制策略和通信方式的不断优化,使BMS可更加准确地了解电芯的状态,成为电芯的“大脑”, 对电芯发出的数据做出合理反馈。
文献研究了双控制器的3级架构储能电池管理系统,虽然极大丰富了BMS的对外接口, 但由于各级架构之间以及与控制器之间的接线繁多,并没有考虑到线阻对于BMS的影响,一旦受到污染或冲击导致接线之间短路,将会在电芯之间形成短路。文献描述与锂电池管理系统相比,液流电池管理系统不仅要实现对电池的监测、荷电状态和健康状态的估算外,还要测量管道的流量和压力、控制气路阀,因此设备之间的连接线束大大增加,增大了设备之间短路的概率,降低了安全性能。文献研究了ZigBee无线通信方式的电池管理系统,实现了采集单元到管理单元之间数据的无线传输,但还是会存在导线老化的现象,增加故障率。
BMS基本是采用电池管理单元(BMU)、电池充电单元(BCU)再到微机制动控制单元(MBCU) 的二级或三级的管理通信架构。最低一级BMU汇集12节左右电芯的单体电压数据及其他一些温度数据,再逐级向上汇集。由此 BMU 测量单元与电芯间有大量电压测量线,有的以电路板形式汇集,但都不能避免大量的电线或板线连接,一旦受到冲击或污染,线间短路则引起电芯短路。
1.4 储能系统框架的研究现状
储能系统的管理与控制框架是指如何对构成 储能子系统的各个部件或设备进行管理,如何分级、如何设计数据的双向传递和传送路径,是提高整个系统安全的重要方面。
文献的静止储能协调控制框架为: BMS和PCS将全部数据传输给协调控制器,PCS 将部分关键数据传送给BMS,协调控制器经过处理后传输给上位机;当上位机给协调控制器下发调度指令,协调控制器经过处理后,直接给 PCS 下发协调指令,同时 PCS在接收到 BMS许可的 情况下,才可以改变控制模式,如 图 2(a)所 示。文献的移动储能协调控制框架为:当充电枪与车辆对接后,充电信号就会激活整车控制器 (VCU),VCU同时激活BMS和充电桩,BMS作为电池的直接管理者,BMS控制充电桩给动力电池充电,如图2(b)所示。
图2 储能子系统框架图
目前储能电站大多采用传统储能子系统控制框架,由上位机控制协调控制器,协调控制器根据PCS和BMS的数据进行逻辑判断,最终输出控制指令给PCS,同时PCS也会根据部分 BMS的关键数据,选择执行的模式。电动汽车采用移动储能子系统控制框架,当充电枪插入汽车,会激活VCU,VCU就会激活BMS和PCS,此时的PCS为充电桩,BMS根据检测的电池数据,控制PCS给电芯进行充电。
BMS作为最了解电芯的设备,理应由其控制PCS,但传统储能采用协调控制器控制PCS,往往会因为数据时效性、完整性以及准确性而导致电池过充或过放而引发热失控,同时现有的控制策略没有考虑到让输出功率随着电芯SOC值的变化而变化,总以恒定功率输出,加速了对电池的过度使用,因此这种协调控制框架不利于维护储能系统的安全。
1.5 电池Pack及箱体安全的研究现状
在电池发生热失控之后,如何抑制电池的热蔓延,电池Pack及箱体的安全在储能系统中就显得至关重要。而电池 Pack 的结构和材料、电池Pack的充放电控制以及集装箱内设备的集成也成为储能安全的重中之重。文献针对电池包箱体的结构和材料进行优化设计,电池包内仅有冷却水管给电池进行降温,存在较大的安全隐患, 并没有其他消防安全设备和探测装置对可能发生事故的电池包进行有效的检测与防护。文献提出了集装箱式储能电池成组技术,分析了电池模组的3种成组方式以及将BMS和磷酸铁锂电池进行集成,电池采用先串联后并联模式能够监测到每一块电池,但会增大电池管理的成本,由于单体电池SOC的限制,导致储能系统输出容量减小。同时设备集成考虑的并不全面,仍需要完成与PCS以及协调控制器的接线问题,使通信电缆的长度增加,影响到通信的及时性,而电缆暴露在 空气中,也会加剧老化程度。文献分别研究采用蜂窝式单独腔体结构、放熔断器的镍带设计等方式和在每个电池包上对应设置一个灭火冷却机构的方式来防止电池热失控蔓延。这些文献分别只从物理和化学方面单独来防止热失控蔓延,措施比较单一,储能安全存在较大的风险。
从储能安全方面来看,电池Pack的设计过于简单,未能在电池Pack中加入消防设备抑制内部电池的热蔓延,其内部电池采用先串联后并联成 组方式的储能系统会受到个别单体电池SOC的影响,导致储能系统的输出容量变小。而储能系统框架大多采用分布式结构,只将 电池 和BMS集成在集装箱内,储能子系统对外仍需要连接PCS,线阻会随接线长度的增加而增加,而线阻会影响到 BMS与 PCS、协调控制器之间的通信,同时目前的集装箱内有化学隔离和物理隔离措施来阻止电池热蔓延。
2提高安全性能的储能子系统设计建议及思路
从用户角度提高安全和可靠性能,主要思路: 一是通过有效的监测和评估手段,掌握电池目前的性能状态,以及在当前环境下电池可容许的运行性能要求,或者希望改善运行环境的程度,即尽可能全面获取电池的状态和可允许的运行指标要求,即监测信息方面;二是通过有效控制使电池运行在较好的性能状态,不超出允许的运行指标限值,即控制协调方面。一个高效和安全的系统设计更接近这样的目标。
为此,储能子系统的主控制单元尽应可能掌握该系统的全面数据,能评估或计算更深一步的信息,并且对系统有全面的控制能力,不能有另外不受控制的控制指令产生。
储能子系统在中大容量静止储能应用场景, 会以一个机柜、一个或多个集装箱形式存在。由多个电芯构成电池组,再由多个电池组构成集装箱,再由多个集装箱构成储能子系统。
2.1 单体无线式 BMS与电芯集成
目前的BMS 为多级管理架构,各级管理架 构之间采用大量线缆连接,经过各种不确定因素的长期影响,易导致线缆发生老化、接触不良以及短路等故障,给储能系统带来较大的安全隐患。
电芯需要测量的一次参数有电压、电流、温 度,其他SOC和SOH 等参数为二次参数,依据一次参数计算得出,可称为电芯BMS。这些参数测量后可通过无线方式传送并汇集到Pack电池监控单元。再由 Pack电池监控单元与集装箱电池监控单元通过无线的方式进行数据交换,进而汇集到储能系统监控单元。后面通信级可采用无线或有线方式,一般采用有线方式,因和一次功率回路物理上分离,不会引起安全性问题。
电芯 BMS可在电芯生产时集成装配,电芯 BMS完全掌握电芯的相关参数,使电芯BMS和电芯达到完美的契合,在电芯串并联成组时,单 体电芯BMS与Pack 电池监控单元实现精准配组。
2.2 电池Pack及箱体设计
Pack内的电芯按串联设计,再与其他 Pack 按工程需要串联到合适的电压等级,并在每串安装电流传感器。每串 Pack配置一套 DC/DC 变流器,多个Pack先串联再并联构成集装箱,达到合适的容量要求,如图3所示。
图3 箱体及电池 Pack内部图
每个Pack内配置压力传感器、烟气传感器、 消防装置。当有部分电芯发生形变而引起 Pack 内压力变化,可由压力传感器测得;当有部分电芯 产生气体或烟雾时,由烟气传感器测得;当Pack电池监控单元综合各种传感数据,判断处于紧急状况时,可自行启动内部的消防装置。
Pack串配置独立的DC/DC变流器:一是保护作用,当串内发生短路或过流时,可实施微秒级短路保护;二是该变流器接受集装箱电池监控单元控制,使本串电池按最佳状态运行,并有效抑制串间环流。
在电池管理系统中,最低一级为电芯 BMS, 再到Pack电池监控单元、Pack串级、集装箱级、系统级监控单元。每一级都有各自的功能,并通过数据交换进行功能协同。
每个Pack的壳体可采用防爆阻燃壳体,即当某一 Pack异常时,不至于波及临近的Pack。集装箱一级设计有效的热交换通道,将每个Pack产生的热量及时交换出去。消防主要由Pack内部的消防设施起作用,集装箱一级主要是散热通道不畅而引起温度上升,甚至失控,也需配置消防设备。
2.3 应急快速响应和快速告警
储能电站中安装大量的传感器,传感器应包含检测温度、压力、CO、H2、烟雾的功能,利用应急快速响应系统进行数据传递,传感器通过检测电池的温度是否过高、电池箱内压力是否过大以及CO、H2、烟雾的浓度是否过高,来判断电池是否发生热失控。如果发生,则将上传至储能子系统主控单元,储能子系统主控单元判断故障等级, 决定是否直接启动消防设备以及选择PCS为停机还是待机状态。
当故障发生后,就会上传至储能子系统主控单元,储能子系统主控单元经过协调处理,在判断故障等级的同时迅速启动快速告警。将故障信息推送至协调控制器和主站,并在本地显示,提醒工作人员。如果是电池发生故障,储能子系统主控 单元能智能地找到该故障电池的位置,并启动物理隔离装置和化学隔离设备,将该故障电池进行隔离,防止故障电池的热蔓延,如果不是电池方面的故障,系统将智能判断是否启动消防设备及隔离设备。
2.4 基于 BMS主控的控制系统
与传统的储能系统控制架构相比,新型储能子系统对外只与协调控制器进行数据交换,内部则由电池芯、BMS、各类传感器、PCS和消防系统组成,其中由BMS的第三级架构作为储能子系统的主控单元,设计的新型架构如图4所示。
图4 新型储能控制框架图
BMS、PCS、应急预警系统以及电池 部存 放 于 储 能 集 装 箱中,消防设备存放P在ac电k全池Pack中,防止电池火灾的蔓延,储能子系统主控单元负责收集所有数据进行处理,同时控制 PCS 和应急快速响应系统;PCS负责控制电池的充放电;应急快速响应系统负责检测温度、压力以及烟雾浓度等,同时接受储能子系统主控单元指令启动消防设备。BMU将采集的单体电池数据上传至 BCU,BCU 将采集的电池模组数据以及单体数据上传至储能子系统主控单元。
储能 子 系 统 主 控 单 元 负 责 与 EMS 通 信, EMS将数据上传至主站,并在本地的监控端显示。EMS接受主站下发的指令后,经过处理直接给储能子系统主控单元下发协调控制指令,储能子系统主控单元负责与 PCS进行通信,控制电池进行充放电,同时PCS不再提供对EMS的数据接口,减少了新型储能子系统对外通信线束,储能子系统主控单元与应急快速响应系统通信,实时地将储能电站的安全信息上传至储能子系统主控单元。
同时可以根据串并联的电池数量预估电池的 最大电 流 和 电 压 值,同 时 留 有 一 定 的 裕 度,在 BMS中设定电流、电压以及温度的限值。在电芯 充电过程中,BMS前期控制 PCS以恒流模式给 电芯充电,当达到 BMS 设定的SOC值时,控制 PCS以恒压模式给 电芯充 电;在电芯放电过程中,由于电芯的SOC值在不断减小,不能要求电 芯以恒功率进行放电,因此放电功率会随SOC值 的减 小 而 减小,储能子系统主控单元可以根据BCU上传SOC值。根据特定的算法一直减小输出功率,然后下发给PCS输出功率指令,电池将以计算的输出功率进行放电。当上位机要求输出的功率和SOC值严重不匹配时,就会发出告警信号,经过短暂延时之后,由储能子系统主控单元自动调整输出功率。
3 结语
(1)针对现有储能系统框架的多样性,为了使 储能系统的框架更加合理和统一,界定了储能子系统的概念,并给出研究边界,针对储能子系统的框架进行了论述。
(2)对有关生产的电芯是否符合标准、电芯标 准是否有 缺 陷、电芯的组 成、PCS的拓扑结构、 PCS直流侧短路的应对措施、BMS的架构和通信方式、电池Pack内的消防设施和箱体结构安全和储能子系统协调控制框架的研究文献进行评述, 并针对性地指出存在的问题。
(3)对BMS各架构之间的通信方式、BMS与电芯的集成、电 池Pack的内部消防设计、电池Pack串的可控设计、集装箱体结 构设计、基于BMS为主控的控制系统和应急快速告警给出了改进的思路和建议。
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