中國儲能網訊：5月24-26日，由中國化學與物理電源行業(yè)協會主辦，200余家機構共同支持的第十一屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。本次大會主題是“堅守儲能安全底線，推動產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。
在5月25日上午的“儲能安全與標準檢測認證”專場，SGS通標標準技術服務有限公司高級技術經理宿斌分享了主題報告《鋰離子電池系統(tǒng)安全分析及國際標準概述》。經演講人本人授權同意，小編整理了演講速記，并將速記內容分享如下：
宿斌：各位同仁、各位領導，大家上午好！
我是來自SGS通標標準技術服務有限公司的高級技術經理宿斌，我今天跟大家一塊分享的演講題目是《鋰離子電池系統(tǒng)安全分析及國際標準概述》，近期社會上比較關注一些儲能系統(tǒng)的事故問題，我以前也是做儲能系統(tǒng)研發(fā)的，所以跟大家一塊分享一些儲能系統(tǒng)的事故分析。
我的演講題目分為四個部分：一、鋰離子電池系統(tǒng)的安全問題；二、鋰離子電池系統(tǒng)安全風險原因分析；三、鋰離子電池系統(tǒng)相關國際標準概述；四、關于SGS。
儲能系統(tǒng)在日常生活當中隨處可見，應用已經非常廣泛，在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用戶側都有儲能系統(tǒng)的相關應用。大批量、大規(guī)模的應用也造成了全世界范圍內引發(fā)的儲能系統(tǒng)事故，我在這邊做了一個儲能電站在全球的起火和爆炸的不完全事故統(tǒng)計。我們在這個圖上面可以看到在韓國2017年到2020年已經相繼發(fā)生了29起嚴重的儲能系統(tǒng)事故，在中國不完全統(tǒng)計發(fā)生了4起，在山西、江蘇、北京等地。在英國利物浦風電場2020年9月份發(fā)生1起，美國2012年到2019年相繼發(fā)生3起，日本同時也有。這么多的儲能電站的事故也給我們提了一個警示，我們的儲能系統(tǒng)在蓬勃發(fā)展的同時，對我們系統(tǒng)的安全性的要求也是越來越高了。
下面通過三個事故來分析一下儲能系統(tǒng)發(fā)生事故的原因。第一個是韓國4月6日儲能電站發(fā)生嚴重的起火爆炸事故。儲能電站安裝在韓國忠清南道，光伏裝機總規(guī)模3.4MW，配的儲能系統(tǒng)是10MWh。當時這個火災事故燒了7個PACK、140個電池，造成經濟損失達到人民幣258萬。當時的事故調查說是儲能單元內部發(fā)生，有可能是單體電芯的內短路造成熱失控，引起級聯反應。韓國29起儲能電站的事故總結了兩點原因：一是大多數的事故發(fā)生在充電中或者說充電完成之后。充電中和充電完成之后的電芯電壓是非常高的，能量也是非常高的，活性也很大。這種時候，我們的儲能系統(tǒng)的并聯有可能造成系統(tǒng)內并聯簇的環(huán)流，并聯簇的環(huán)流就可能對其中某些簇的單體電芯造成過充的影響。單體電芯一直處在過充狀態(tài)，它有可能產生鋰枝晶，發(fā)生一些內短路，造成熱失控的現象。第二個，儲能電站設計的時候，消防系統(tǒng)一般都是用七氟丙烷，而七氟丙烷是用來隔絕空氣，阻止它發(fā)生熱失控、發(fā)生燃燒，但是七氟丙烷不能夠對熱失控單體電芯或者系統(tǒng)進行降溫。一旦消防員或者現場人員進行滅火救災的時候，很有可能打開儲能集裝箱系統(tǒng)，里面會有一些可燃氣體突然間有空氣涌入的話，它會在一個密閉環(huán)境里發(fā)生爆炸風險。
北京416事件，大家已經非常清楚了，其中中國電科院給了一份報告，說出了八個誘因，這八個誘因已經分析得非常全面和到位。誘因一是儲能電池安全質量，就是單體電芯。雖然我們選用了同一批次的，也是在篩選的時候選的是比較優(yōu)越的一致性很好的電芯，但是我們也不排除其中有某些單體電芯內部有雜質或者生產過程中造成小問題，我們篩選過程中沒有發(fā)現，但是在實際長期運行的時候會發(fā)生細微的變化，時間越來越長，過充對造成熱失控的危險性越來越大；誘因二是儲能系統(tǒng)的電氣拓撲，我們在系統(tǒng)并網的時候，也就是ACDC轉換的時候，儲能系統(tǒng)里面的一次保護、二次保護，我們有時候會因為成本的原因或者是現場安裝的原因進行縮減，造成安全隱患；誘因三是電池管理系統(tǒng)（BMS），有些事故發(fā)生的時候BMS并沒有報警，這也警示了整個系統(tǒng)的安全性，我們的軟件控制和警示部分也需要加強；誘因四是現場電纜和線束現場布局，也有可能在錯綜復雜交錯的電纜之間，如果發(fā)生了過充的事故，有可能會引起一些閃弧的現象，會波及到其他的電池儲能系統(tǒng)；誘因五是電站防火設計，整個儲能電站會有很多集裝箱的排布，集裝箱與集裝箱之間或者是整個儲能系統(tǒng)的設計中間有沒有防火的設計，比如說需要增加防火墻；誘因六是電站配套的監(jiān)控預警滅火系統(tǒng)及消防用水，這個事故發(fā)生的時候，消防員在一側滅火的同時，有可能消防用水會流到另外一側，有可能引起另外一側電站的短路；誘因七是氣象環(huán)境，有時候儲能環(huán)境應用環(huán)境是在風沙比較大的地方，比如說高原地區(qū)，如果有一些沙塵暴或者有一些風沙，對我們的通風系統(tǒng)進行堵塞，有可能會對整個儲能系統(tǒng)的散熱進行影響。另外是絕緣也會有影響，整個儲能系統(tǒng)長期運行在高溫環(huán)境下，比如說它的散熱通風都被堵掉，它在高溫環(huán)境下運行，對整個系統(tǒng)單體電芯是一個不良的運行環(huán)境；誘因八是現場人員的操作和管理制度，這也是我們在建儲能電站時候一定要非常注意的一點，要有經驗的人員、有嚴格的管理規(guī)章制度去嚴格執(zhí)行。
第三個事故是美國麥肯錫分析了APS儲能電站發(fā)生的事故，當時的事故報告做了幾點分析和總結。因為這個事故發(fā)生的時候也是有消防員在現場滅火時發(fā)生了嚴重的事故。整個儲能系統(tǒng)的通風設計是有一些缺陷，因為電池儲能系統(tǒng)在里面的單體電芯發(fā)生熱失控的時候，整個集裝箱是密閉的，它里面析出的可燃氣體在集裝箱內不能及時有效進行通風排出，在去滅火的同時打開門，發(fā)生了空氣涌入，在密閉環(huán)境發(fā)生爆炸的現象。它就提出了幾點建議：建議更新現有的標準和法規(guī)，中國一直在加大力度更新我們的標準，作為以后儲能電站設計和運營的依據；它也是建議我們在設計儲能系統(tǒng)的時候要注意通風滅火和冷卻系統(tǒng)的熱分析、熱處理。我發(fā)現整個儲能系統(tǒng)在實際運行過程當中，儲能系統(tǒng)上層的PACK和最底下PACK的溫差是比較大的，我們的BMS設計的溫差報警保護區(qū)間在實際運行當中有可能會調大溫差報警保護，因為熱量是往上走的，上層PACK的溫度一直在高溫環(huán)境下運行，下層PACK的溫度比上層運行環(huán)境溫度低一些，造成整體系統(tǒng)一致性運行時間差別越來越大，可能會造成整個系統(tǒng)的安全隱患；最后它提到了開展教育和培訓，制定應急響應政策。整個儲能系統(tǒng)運營，因為它是一個能量密集型的聚集體，所以這也是屬于比較危險的運行，所以我們的專業(yè)運行維護人員也需要有一個專業(yè)的培訓。
儲能系統(tǒng)的安全問題。其中最關鍵的就是鋰離子電池部分，鋰電池在整個儲能系統(tǒng)的成本也是占據到60%-70%。在一個密閉的空間里面集聚大量的鋰電池是非常危險的。其中的一個單體發(fā)生了熱失控，很有可能級聯到其他的單體電芯甚至到其他的PACK和其他的簇。除了單體電芯之外，儲能系統(tǒng)里面還有很多的電氣設備，這些電氣設備有一些絕緣或者高電壓、大電流的涌入，也會對這些保護設備造成沖擊。其中的一些設備和線纜發(fā)生了一些老化，也有可能造成系統(tǒng)內單體電芯或者是PACK的短路。
通常情況下，鋰電池在發(fā)生熱失控的時候會析出大量的氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、苯、甲苯等有機體，這些都屬于可燃氣體。我們在做9540A評估的時候，發(fā)現鋰離子單體或者是PACK析出的氣體里面，氫氣和一氧化碳占的成分是比較大的，也有可能析出氯化氫、氟化氫等有毒氣體。假如說在集裝箱內發(fā)生熱失控，它析出大量的氫氣和一氧化碳，有可能會造成整個事故的蔓延。
在標準里面對熱失控也有清晰的定義，像國標36276、IEC62619、UL1973、UL9540A都定義了單體電芯熱失控的定義，我們國標36276同時也定義了模組的級聯熱失控的定義。這是熱失控的整個過程，就是單體電芯從開始加熱到它析氣，一直到爆炸燃燒，最后燃燒結束，一共有五個階段，不再贅述。風險原因分析：1.電池系統(tǒng)的缺陷。單體電芯在選的時候，一致性沒有選好，另外一個就是我們系統(tǒng)內的保護邏輯沒有設計得非常完善；2.應對絕緣檢測的保護系統(tǒng)不夠，有可能在整個系統(tǒng)里面會發(fā)生與外部絕緣失控，產生閃弧，造成短路；3.儲能電站建設完以后需要管理和維護；4.BMS、EMS之間的協調管控以及預警失效等問題也需要我們注意。
儲能系統(tǒng)的安全設計涉及到很多部分，像電化學安全，就是單體電芯；也涉及到機械結構安全，像鹽霧、擠壓碰撞；弱電安全是采樣電壓、SOC估算、BMS預警；高壓安全涉及到絕緣、連接器、過流過壓；熱安全就是我們的熱處理，就是我們的集裝箱整個運行的環(huán)境，一定不要在高溫環(huán)境下運行，它產生的熱量一定要由我們的熱處理系統(tǒng)把熱量帶走；使用安全，像熱失控的預警、熱擴散的預警，在我們的儲能系統(tǒng)里面也要加強設計。
這部分是相對于我們的國際標準的概述。在北美地區(qū)延用的是UL9540的要求，其中它對單體電芯、PACK和簇的要求是UL1973和UL9540A，我們簽的LOGO是下方的SGS，C是加拿大，US是美國。這邊要注意是如果我們要加C的話，其中我們設計的零部件也是要符合加拿大的標準。在歐洲那邊，我們并網的時候要用到各個國家的標準要求，德國有VDE2510，我們的電池需要測IEC62619和IEC63056儲能系統(tǒng)。在澳洲可以用ICE的標準，也可以用UL1973的標準。日本是JIS8715-2，韓國是KC62619，跟IEC62619標準相同。在系統(tǒng)的標準里面，我們除了這些標準測試以外還要注意，假如說我們用塑料，它有阻燃等級和IP等級的要求。關于電氣間隙和爬電距離，也是要參考UL60950和UL840，其中一些線束和端子也是需要符合一些標準要求，包括右邊的功能安全部分，尤其我們在做LEC62619和北美UL1973的同時，也要評估IEC60730和UL60730或者是IEC/UL61508部分的功能安全評估。
關于UL9540A，它是在NFPA855儲能系統(tǒng)安裝標準里面會提到。假如說我們的儲能系統(tǒng)有一些安裝距離和安裝容量的要求，比如說整體系統(tǒng)大于600千瓦時或者單簇大于50千瓦時，或者簇與簇之間的安裝距離小于0.934米，都是需要提供UL9540A的評估，我們現在也給各大廠家做了UL9540A的評估報告。
這部分，我就不再贅述了，大家可以拍一下，這是出口北美或者出口歐洲，或者出口日本、澳洲需要做的一系列的認證。左邊是我們發(fā)出的證書樣本，現在我們SGS針對UL9540A也是做了很多的廠家。
介紹一下SGS。SGS是國際公認的NO.1的檢測認證機構，全球有9萬4千名員工，有2萬6千個分支機構和實驗室。我們在上海和深圳都投有電池檢測實驗室，也是獲得了CNAS和美國A2LA的資質認可，也獲得IECEE CBTL的認可，我們對歐洲、北美、日本和韓國包括全球各個國家的出口認證都有相應的解決方案。
我們涉及的產品包括18650消費類單體電芯、一些大的儲能或者是動力電池，以及輕量級的，譬如說平衡車、搖擺車、電動自行車、電動摩托車以及大的儲能系統(tǒng)的電池和動力電池，包括無人機、割草機或者AGV無人車電池出口認證，我們都能提供全球的認證解決方案。
這是我們給大家發(fā)的證書的LOGO，下面是CB，中間是NA（北美地區(qū)的），然后日本的PSE，美國的CTIA，然后德國的GS和我們的安全生產SGS的認證。由于時間關系，我的演講就到此結束，如果大家有什么問題我們可以會后繼續(xù)交流，謝謝大家！
