“储能热管理研究院”的研究员撰写并发布了这篇《储能温控开启增长级》全套文章,这是其中内容之一。
温控是储能安全经济运行的重要保障
储能电站事故频发,危及生命财产安全。
据不完全统计,2011年-2021年10年间,全球共发生50起储能电站起火爆炸事故。其中,韩国30起、中国3起、美国2起、日本1起、比利时1起。据中国能源报报道,2021年“4.16”北京大红门储能电站事故导致3人死亡,1人受伤,直接损失1660.81万元。
部分储能安全事故原因分析
储能电站事故主要原因在于:锂电池自身及管理系统缺陷、锂电池内部热失控、充放电散热不畅。
国家能源局发布《电力安全生产“十四五”行动计划》,重点强调电化学储能安全运行技 术提升;《新型储能项目管理规范(暂行)(征求意见稿)》强调坚持安全第一原则,提出全生命周期安全管理要求,提出原则上不新建大型动力电池梯次利用储能项目,避免高安全问题发展。
储能安全事件状态分布情况
1.1 温控作为热管理执行者保障储能系统安全
①热管理是保障储能系统运行安全的重要手段
两个角度提升储能运行安全:①提升电池本身安全性能,降低穿刺、短路等恶况发生概率,主要依靠电池企业技术提升;②通过热管理提升电池运行期间稳定性,使电池在充放电、静置等状态时,维持在安全运行参数范围,避免进入热失控状态,主要依靠BMS对锂电池进行状态监测,依靠温控设备对锂电池进行恒温恒湿控制。
电化学储能系统结构示意图
②BMS监测储能电池温度变化,是储能系统中热管理决策者。
③温控是储能系统热管理执行者,保持储能电池运行适宜温湿度状态。
温控系统执行BMS热管理策略,通过采集温度数据并按照一定的逻辑通过控制加热、制冷等设备调节储能系统内部温湿度,使电池处于安全、高效的运行状态。
锂电池最佳温度区间10-35℃,温控技术要求凸显
储能电池工作温度区间及电池失控情况
温湿度控制影响锂电池综合性能,关系储能全生命周期经济性
温湿度控制不当会使得锂电池容量衰竭、寿命缩减、性能下降,继而降低储能全生命周期内经济性。
电池工作温度差异
湿度对于锂电池主要影响:
过高环境湿度会加剧电池内部反应,导致电池鼓包和外壳破裂最后降低电解液的热稳定性。湿度为100%工况下的热失控临界时间比50%湿度下提前了7.2%,湿度在一定范围内加剧电池热失控的进程。
温度对于锂电池主要有3方面影响:
1)容量和寿命:温度过高或过低,都会破坏电极材料,导致金属离子溶出,锂电池容量衰减越快、循环寿命缩短。若电池工作环境温度提高15°,则电池寿命将缩短50%。
2)热失控风险:锂电池充放电产生热量若无法及时散出,将导致锂电池内部高温,易引发SEI膜分解放热、电解液吸热蒸发、隔膜熔化等问题,导致正负极短路、电池失效,严重时甚至引发燃烧爆炸等安全问题,同时单个电池热失控易引发连锁反应造成储能系统热失控。
3)低温特性:温度较低时,锂电池电荷转移不良、充电性能下降,轻则导致锂在负极析出、积累,降低电池的容量和热安全性,重则刺破隔膜造成短路。低温也会严重缩短电池使用寿命, -40℃下锂电池循环寿命未到25℃下的一半。
锂电池放电倍率越大、工作时长越长,产热量越多
电池产热由焦耳热和反应热两部分组成,均受到环境温度、工作时长、充放电倍率影响。
左图:电池温度20℃下,电池放热功率、 放热量与时间关系曲线;右图:1C下,电池放热功率、放热量与时间关系曲线
①充放电倍率增大,电池放热速率明显升高,在20℃下,1C倍率产热速率较0.3C增加了530.5%;②电池工作时长有关,产热越多,易造成累积热量越多;③环境温度的升高会导致电池对流散热难度增大。
Mdule实测时1个循环电芯温升变化图
储能系统大容量、高倍率为发展趋势,温控需求扩大
储能从备用转向主用,主动参与调频、调峰等,大容量、高倍率成发展趋势,带动电池产热量提升。
储能从备用变主用
共享储能电站技术方案示意图
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