基于磷酸铁锂电池的储能系统安全特性开发设计研究.pdf

第4期基于磷酸铁锂电池的储能系统安全特性开发设计研究冯沛1，常楚鑫2，夏文杰2，张舒燕1（1.国家能源集团国华能源投资有限公司，北京100033；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲412000）摘要：以液冷储能系统为例，从热管理、消防和电气3 个方面，探究在新能源发电应用场景中磷酸铁锂（LFP）电池储能系统的安全特性，对LFP电池系统进行开发设计研究。采用热仿真手段和相关试验标定方法，对液冷电池包进行热管理优化设计，结果表明：以0.5 倍额定功率进行充放电实验，优化后设计方案可实现包内温差2 和最高温度32，热管理性能提升。此外，基于电池热失控机理分析，推出了Pack级储能消防方案，并对保护策略及熔断器的多重冗余设计进行了系统分析。关键词：可再生能源；锂离子电池；储能系统；电池管理系统中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：2096-7691（2023）04-068-05作者简介：冯沛（1983），男，硕士，工程师，现任职于国家能源集团国华能源投资有限公司，主要从事氢能和储能技术研究与应用工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：冯沛，常楚鑫，夏文杰，等.基于磷酸铁锂电池的储能系统安全特性开发设计研究 J.能源科技，2023，21（4）：68-72.0引言光伏、风力发电具有波动性、间歇性和随机性特点1，新能源发电独立运行系统很难提供连续稳定的能量输出，实际发电功率与预测误差较大。高比例接入电力系统后，新能源的出力特性与电力系统负荷间的平衡问题突显2，需通过配置大规模储能电站，以改善整个发电系统的功率输出特性，有效减少弃风弃光损失，从而促进可再生能源消纳。在新型电力系统“双高”特征下，储能技术可以有效提升系统的调节能力和支撑能力3-4，为电网安全稳定运行提供重要保障，源网侧配置电池储能系统已成为解决风光消纳问题的主要技术手段之一。随着技术攻关和产业升级，LFP电池在效率、能量密度和循环寿命等关键指标上均获得了显著提高5-7，并且相较于其他新型储能，LFP电池储能系统设备安装灵活，项目建设周期较短。近年来，LFP电池储能系统装机量迎来爆发式增长，已实现从产业应用到规模化的转变，在新能源场站配储中占据市场主导地位。在可再生能源场站的实际运行中，所配置电池系统的热稳定性和安全性问题至关重要8，两者与系统的使用寿命息息相关，进而直接影响到整个新能源场站的经济性和安全性。为优化LFP电池储能系统的热稳定性和安全性，本文从系统集成角度出发，以液冷储能系统为例，从热管理、消防和电气3 个方面，对LFP电池系统的安全性进行开发设计研究。通过热仿真手段和相关试验标定，对液冷电池包进行热管理优化设计，并分析比较了不同倍率下储能电池包的热负荷情况，简要阐述了“新能源+储能”应用场景中LFP电池储能的系统特性。此外，基于电池热失控机理分析，推出了电池Pack级消防优化方案，并对安全保护策略及熔断器的多重冗余设计进行了系统论述。1LFP电池储能的系统特性随着新能源发电量的占比提高，系统缺乏充足的灵活调节电源的能力，新能源协调发电计划安排和优化调度运行难度较大9。而在“新能源+储能”组合场景中，电池储能系统提供了备用容量和功率支撑10-11，通过适时吸收或释放电量，改善整个发电系统的功率输出特性，进而有效缓解新能源发电与电力系统之间需要实时平衡的矛盾。综合考虑经济性、安全性和产业成熟度等因素，LFP电池储能已成为现阶段新能源配储的主要解决方案，已实现从产业应用到规模化的发展。LFP电池储能系统由电池预制舱、升压变流一体机和能量管理系统组成，如图1所示。第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023第4期冯沛等：基于磷酸铁锂电池的储能系统安全特性开发设计研究储能系统电池预制舱能量管理系统（EMS）升压变流一体机电池Pack/Rack预制舱舱体空调、消防等辅助系统储能变流器（PCS）升压变压器开关柜图1储能系统组成在可再生能源发电系统中，储能系统拓扑架构对储能电站构建具有重要影响，从技术路线上可分为集中式、分布式和高压级联式拓扑。目前，源网侧配储以集中式（大储）为主，用户侧工商业配储以分布式为主。2储能系统热管理研究电池包（Pack）作为储能系统最小模块化单元，直接决定了储能系统的热性能。为有效验证液冷平台产品的热管理方案，需结合热仿真手段和相关实验测试技术标定的方法，对电池包热特性进行综合评估和研究。Pack 单包规格为1P52S，共由52 个280 Ah磷酸铁锂电芯组成，其额定功率P=2803.252=46 592 W。在新能源侧配置的储能电站中，运行工况多为0.5 倍额定功率（0.5 P），单个LFP电芯充放电平均热功率取12.5 W计算，每个电芯重量m=5.4 kg，电池比热容取1.0 kJ/（kg）。按照0.5 P工况计算，电池包理论发热功率：P1=12.552=650 W2.1Pack热性能优化为优化电池包的散热性能，液冷板采用了微流道技术，以质量分数50%乙二醇溶液作为冷却介质，并通过导热胶填充手段，有效填充电芯与液冷板之间的间隙，降低热阻提高传热效率。以5 L/min流量、20 入水口温度、25 环境温度和发热功率等参数作为边界条件，并考虑电池比热容，对液冷电池包进行热力学仿真，按照BMU温度采样点位置，在每个铝排上设置一个温度采样点。仿真模型各机械结构接触良好，计算过程中忽略材料物性变化、自然空气对流、铝排焦耳热及辐射换热等影响，电池包三维结构如图2所示。由图3可知，通过电池包铝排采样点温度变化曲线及温度分布表明，工况为0.5 P放电2 h，静置0.5 h，0.5 P充电2 h，1 个循环t=16 200 s，其中7 200 s放电循环结束，9 000 s静置结束。在7 200 s时，铝排最高采样温度 28.6，最低采样温度 26.3，最大温差2.3，进出水口温差2.3，单体电芯表面最大温差4.7。在9 000 s时，铝排最高采样温度25.3，最低采图2电池包三维结构29.028.528.027.527.026.526.025.525.024.524.023.523.002 0004 0006 0008 00010 00012 00014 00016 000时间/s温度/（a）采样点处温度随时间变化曲线温度/28.556 027.716 826.867 026.018 525.169 424.320 223.471 022.621 921.772 726.871 6 27.271 7 27.156 2 26.282 1 26.463 2 26.842 5 23.074 27.330 7 23.496 9 23.395 5 24.181 6 24.390 2 27.813 2 27.529 8 27.484 5 28.150 5 28.163 5 27.639 6 26.870 3 27.772 3 24.064 6 28.370 6 28.451 2 24.150 9 28.505 2 28.497 9 28.551 6 28.533 5（b）7 200 s电芯温度分布温度/25.228 724.679 324.129 923.580 523.031 122.481 621.932 221.382 820.833 423.670 7 24.181 6 24.836 2 24.504 7 25.033 9 22.573 9 25.169 3 25.216 2 22.691 7 25.187 3 24.675 22.710 9 23.678 6 23.603 8 22.340 7 23.251（c）9 000 s电芯温度分布图3Pack热仿真69第4期样温度23.3，最大温差2.0，进出水口温差1.2，单体电芯表面最大温差3.5。在0.5 P额定工况下，周期内电芯的最高温度可控制在29 以内，处于电芯最佳温度范围（15 35）；周期内电芯的温升和温差分别控制在6.0 和2.5 以内，均处于较优水平。为充分验证热设计仿真结果，对单Pack进行充放电热性能实验标定，如图4所示。在环温下静置5 h后，以0.5 倍额定功率（0.5 P）进行充放电循环试验，整个过程冷水机组持续开启，见表1。图4热性能实验表1试验边界条件试验边界条件流量工质环温入口水温入口压力出口压力输入参数5.0 L/min50%乙二醇溶液25 （2）20 （1）1.9 Bar1.7 Bar工况在（252）环境下，搁置5 h；单次循环：0.5 P放电2 h，静置0.5 h；0.5 P充电2 h，静置0.5 h；试验表明，通过对液冷电池包进行热管理优化设计，在0.5 P工况下，充放电阶段结束后BMS采集到的电芯极耳处温度在 29 32，整个试验周期内电芯均处于最佳温度域内。测得电池包内最大温差为2，均满足液冷电池包产品的开发需求，同时，为电池包精细化热管理研究提供了有效参考。2.2不同倍率下Pack热特性在不同的充放电倍率下，电芯的产热量存在较大的差异，一般来说，充放电倍率越高，电芯热功率越大。以280 Ah磷酸铁锂电芯为例，在0.5 P工况下，充放电平均热功率为12.5 W，而在1 C工况下，充放电平均热功率为 32 W40 W，在高倍率下整个电池包热负荷会大幅提升。为定量分析充放电倍率与电池包热负荷的关系，分别对 0.25 P、0.5 P、0.75 P 和 1 P工况下的液冷电池包进行热管理研究试验，如图 5所示。结果表明，在0.25 P工况下，平衡后BMS采集到的电芯极耳处温度在24 31；在0.5 P工况下，平衡后 BMS采集到的电芯极耳处温度在 27 32；在0.75 P工况下，平衡后BMS采集到的电芯极耳处温度在29 37；在1P工况下，平衡后BMS采集到的电芯极耳处温度在35 45；在高倍率充放电（1P）工况下，充放电阶段结束后能将电池包温度有效控制在45 以内，包内最大温差为5。323028262422201804-13 12：0004-13 18：0004-14 00：0004-14 06：0004-14 12：00BMS电芯最高温度BMS电芯最低温度温度/（a）0.25 P3230282624222004-11 20：0004-12 00：0004-12 04：00BMS电芯最高温度BMS电芯最低温度温度/（b）0.5 P09：0010：0011：0012：0013：00BMS电芯最高温度BMS电芯最低温度温度/14：0015：0016：0017：003836343230282624222018（c）0.75 P10：0011：0012：0013：00BMS电芯最高温度BMS电芯最低温度温度/14：0015：0016：00454035302520（d）1 P图5不同充放电倍率下的采样温度70第4期3Pack级消防策略及方案储能系统的消防设计至关重要，可以最大程度地减少事故风险，保护人员和财产安全，并提高整个能源系统的可靠性和稳定性。3.1电池热失控机理分析从电池安全事故的诱发机理分析，触发热失控/内短路的行为大致可以分为机械滥用、电滥用和热滥用12。其中，机械滥用使电池发生机械变形和隔膜物理破裂，触发电池内部短路；电滥用使过充、过放等导致电池析锂、枝晶生长，引起电池内短路；热滥用使得隔膜大规模收缩崩溃，造成电池内短路13。锂离子电池发生内短路时，会产生大电流和大量的局部热量，最终导致热失控，电池燃烧产生明火后，难以通过常规手段进行有效抑制14。3.2消防策略及方案优化由上述机理分析可知，电池宜采用预防为主、防消结合的安全策略，针对液冷储能预制舱，消防系统应采用全自动Pack级消防设计方案。Pack级消防方案关键在于配备外置式探测器及灭火装置，可对每个电池包进行复合探测（烟、温、CO、VOC等），进而实现对电池包早期热失控感知、智能判觉及提前抑制。预制舱内消防系统包括外置式探测、舱级探测、消防控制器、紧急启停按钮、声光报警器、气体灭火装置、气体喷洒指示灯等部件，以Pack为最小防护单元，配置全氟己酮灭火剂的气液两相灭火技术方案，联合“三合一”外置式探测器对每个电池包进行全方位监控、实时探测。4储能系统电气安全优化储能系统电气安全需考虑电池系统外部短路和电池系统内部短路。在电池系统外部短路情况下，通过BMS实现就地故障隔离，将问题电池簇退出运行，同时上报保护信息。在电池系统内部短路情况下，BMS存在漏判风险，通过配置继电器、断路器、熔断器等硬件保护装置，实现故障隔离，保障系统安全。4.1电池系统内短路保护设计电池系统内部短路保护装置需考虑分段能力和熔断时间，通过多重冗余设计，实现分级保护功能和电芯本体安全，进而减小故障带来的经济损失。参考280 Ah电芯短路曲线，短路峰值电流为3 000 A，考虑实验过程中短路导体内阻对短路电流影响较大，且电池簇内短路通常不会为单电芯短路，需考虑Pack级及以上的短路电流，通过试验得到短路电流为12 000 A。考虑温度修正等因素，熔断器额定电流通常选取线路额定电流1.52 倍，选取熔断器额定电流为250 A；而给电池配套的熔断器需根据电池短路电流与熔断器熔断曲线选取，所选熔断器最大分段能力为250 kA，满足短路工况分断要求。根据高压箱选取的熔断器与Pack熔断器时间-电流曲线，短路电流取试验值12 000 A，高压箱熔断器弧前时间：t1=19 46912 0002=0.135ms；熔断时间：t2=53 53912 0002=0.37ms；Pack内熔断器弧前时间：t1=62 20012 0002=0.43ms；熔断时间：t2=236 00012 0002=1.64ms。可得高压箱熔断器弧前时间为0.135 ms及熔断时间0.37 ms，Pack熔断器弧前时间为0.43 ms及熔断时间1.64 ms。因此，短路工况下由高压箱内熔断器先于Pack内熔断保护，且其熔断时间低于Pack熔断器弧前时间，实现分级保护。4.2电池系统外短路保护策略如果电池的电压、电流、温度等模拟量出现超过安全保护门限的情况时，电池管理系统能够实现就地故障隔离，将问题电池簇退出运行，同时上报保护信息。消防联动控制单元对来自探测器的数据进行分析处理，具体控制逻辑如下：（1）一级报警。无外部信号输出，探测器增加采样频率，控制器记录报警信息。（2）二级报警。判定储能电站有安全隐患，火灾报警控制器发出预警，并将数据传送到BMS系统（通过BMS再传给EMS系统），消防联动控制单元控制警报系统声光报警器急促蜂鸣和灯闪，启动排风系统。同时，本地控制器断开电池舱内总配电开关；EMS控制PCS停机，断开直流侧接触器，实现电池舱的电气隔离。（3）三级报警。判定储能电站空间内有发生热失控火灾（有明火产生），储能电站用火灾报警控制器联冯沛等：基于磷酸铁锂电池的储能系统安全特性开发设计研究71第4期动关闭排风系统，同时启动包级灭火装置，对整个电池舱进行全淹没喷放。5结语在能源转型的驱动下，可再生能源既蓬勃发展，又面临着挑战，“可再生能源+储能系统”的应用形式是现在以及未来可再生能源利用的主要形式之一。通过热仿真手段和相关试验标定方法，对液冷电池包进行热管理优化设计，结果表明，在0.5 P工况下，优化后设计方案可实现包内温差2 和最高温度32，且在高倍率（1 P）下，将温度控制在 45 以内。此外，基于电池热失控机理分析，推出了电池Pack级消防方案，并对保护策略及熔断器的多重冗余设计进行了系统分析，为提升储能系统在新能源发电系统中的可靠性提供重要参考和支撑。参考文献：1Wang，Wei，et al.An improved min-max power dispatchingmethod for integration of variable renewable energyJ.Applied Energy，2020，276.2Liu，Luyao，et al.Prediction of short-term PV power outputand uncertainty analysis J.Applied Energy，2018，227-228.3丛晶，宋坤，鲁海威，等.新能源电力系统中的储能技术研究综述J.电工电能新技术，2014，33（3）：53-59.4谭靖，李国杰，唐志伟.基于压缩空气储能的风电场功率调节及效益分析 J.电力系统自动化，2011，35（8）：33-37.5国家电网公司“电网新技术前景研究”项目咨询组，王松岑，来小康，等.大规模储能技术在电力系统中的应用前景分析 J.电力系统自动化，2013，37（1）：3-8+30.6昝文达，张睿，丁飞.锂离子电池电化学模型发展与应用 J.储能科学与技术，2023，1-14.7Zhang C，Wei Y L，Cao P F，et al.Energy storage system：Current studies on batteries and power condition system-ScienceDirectJ.RenewableandSustainableEnergyReviews，2018，82：3091-3106.8李晋，王青松，孔得朋，等.锂离子电池储能安全评价研究进展 J.储能科学与技术，2023，12（7）：2282-2301.9李相俊，马会萌，姜倩.新能源侧储能配置技术研究综述 J.中国电力，2022，55（1）：13-25.10毛兆明.国外用于太阳热发电和工业加工的热储能的研究 J.电工电能新技术，1984，3（4）：16-2211李升，姜程程，赵之瑜，等.分布式光伏电站接入低压配电网系统暂态电压稳定性研究 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optimizethe thermal management design of the liquid-cooled battery pack.The results show that,when a dischargingtest is carried out at a power equal to 0.5 times the rated power,the optimized design can achieve atemperature difference 2 and a maximum temperature 32,and the thermal management performance isimproved.In addition,based on the analysis of the battery thermal run-away mechanism,a Pack-levelenergy-storageandfireprotectionschemeislaunched,andtheprotectionstrategyandthemultipleredundancy design of fuse are systematically analyzed.Key Words：renewable energy;lithium-ion battery;energy storage system;battery management system（收稿日期：2022-11-30责任编辑：马小军）72