高安全性能鋰電池儲能系統集成技術

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高安全性能鋰電池儲能系統集成技術電化學儲能技術是未來能源結構轉變和電力生產消費方式變革的戰略性支撐技術，可以解決可再生能源發電的間歇性和隨機波動性問題，提高電力系統調峰能力，應對電網的突發性故障，滿足經濟社會發展對優質安全、可靠供電的要求。隨着電化學儲能站的大量建設，安全風險也在逐步凸顯，近年來，國內外均有個別儲能電站出現着火、爆炸事故的案例。鋰電池的安全性能問題來自於電池的熱失控。鋰電池除了正常的充放電反應外，還存在潛在的副反應。當電池溫度過高或者充電電壓過高的時候，這些副反應就會被引發，並釋放大量熱量。如果熱量得不到及時疏散，還會引起電池溫度和壓力的急劇上升，形成惡性循環，最後導致熱失控，造成安全事故。

目錄

二、應用案例

1. 項目概述

目前國際、國內大部分鋰電池儲能系統均採用集裝箱式電池簇集成方式。電池模組排列於集裝箱兩側，中間為通道位置。電池模組間，沒有物理屏障防止熱失控蔓延。儲能集裝箱配備氣體滅火系統。實踐證明，這種配置方式，不能全面保證儲能系統運行安全。本項目提出了鋰離子電池熱失控前先行浸水冷卻控溫的解決方案，另配備了危險氣體探測、報警及排放聯動系統，把鋰電池熱失控導致火災事故扼殺在萌芽狀態，從根本上解決了電池熱失控帶來的安全隱患。

2.主要效益

（一）樂多港智慧園區儲能電站

北京高新技術創業投資有限公司2019年至2020年，在樂多港智慧園區建設了磷酸鐵鋰儲能電站。儲能電站占地大約350平方米。儲能電站採用高安全性能磷酸鐵鋰電池組作為儲能電源，設計總容量為2兆瓦/8兆瓦時，每500千瓦/2兆瓦時為1個儲能單元，共計4個單元，2020年12月竣工完成調試後投入使用。 2020年12月18日投運至今，已安全穩定運行207天，完成充電量190萬度，放電量180萬度，系統運行穩定，未有非正常停機現象及安全人身設備事故。

樂多港儲能電站採用一種獨立分隔艙高安全性鋰電池儲能系統，從設計、施工、到最後的調試，僅用兩個月時間完成，樂多港儲能電站於2020年12月18日投入使用。目前已安全運行約6個多月。整套裝備從本質安全、主動安全、被動安全等多方面進行集成組裝，充分將安全作為集成第一要素，通過近半年的驗證，系統運行正常。

（二）中關村壹號綜合能源服務項目屬于海淀北部能源互聯網項目子項目

中關村壹號綜合能源服務項目的儲能部分利用中關村壹號E區地下空間，採用「地下式」布置，建設規模為4MW/13.84MWh。儲能電站採用高安全性能磷酸鐵鋰電池組作為儲能電源，占用部分庫房和停車場空閒位置，採用電池簇模塊化集中式布置方案，每個電池簇安裝於一個1300(W) ×1200(D) ×2800(H)的電池櫃，保證各電池簇之間的物理隔離，且在電池超溫時，採用浸沒式水冷卻方式。項目現以基本完成現場建設安裝工作，等待投運。中關村壹號儲能項目進行了用戶側儲能電站建設，為驗證利用綜合體地下空間建設電化學儲能系統的可行性做出重要示範。

三、技術要點

1、設計實施了針對項目特點的危險氣體排放孔和泄爆板。在電池集裝箱上部，危險氣體容易聚集區域，設置危險氣體排除孔，及防止壓力超限的泄爆板。

2、設計了簇級浸沒式水冷卻策略，實施針對電池簇直接水冷卻浸沒冷卻系統，當局部電池發生熱失控時，電池閥動作，以冷卻水完全浸沒電池簇的方式，防止熱失控擴散。電池艙內配備常規「探火管式」氣體消防系統作為備用，當浸沒式水冷系統拒動時，氣體消防系統啟動，打破了儲能系統固有的氣體消防先動作的設計理念。

3、採用單個電池艙浸沒式水冷卻系統，從根本上杜絕電池二次復燃問題。通過BMS系統與消防控制系統通訊互聯，提前鎖定電池艙體熱失控準確位置，在電池內部溫升進入鋰電池SEI膜鈍化層分解前到熱失控的幾分鐘時間內，「浸沒式」水冷卻系統向故障電池艙內注水冷卻，保證電池內部出現故障時，達到電池不起明火的效果。

4、電池簇單艙布置，每艙電池容量206kWh，實現艙室間物理隔離，艙室之間填充耐火2小時防火岩棉，單艙電池簇發生熱失控後不會蔓延到其它艙室，將火災影響降低至最低範圍，同時降低熱失控狀態下能量的聚集。

5、集裝箱頂部設置危險氣體排放孔，鋰電池發生熱失控前期，產生的微量危險氣體可通過危險氣體排放孔排出，當危險氣體達到一定濃度時，可燃氣體探測器動作聯啟集裝箱前端防爆風機和末端雙層百葉，使集裝箱內部與外部形成良好的空氣循環，減少危險氣體的聚集。

6、集裝箱內配置可燃氣體監測、煙溫感傳感器，可聯鎖啟動停機及水冷卻系統，電氣設備配置滅火效果更好的氣溶膠，整個儲能系統配套多種消防系統方案，多方面保障儲能系統安全穩定運行。

7、集裝箱頂部設置危險氣體排放孔，鋰電池發生熱失控前期，產生的微量危險氣體可通過危險氣體排放孔排出，當危險氣體達到一定濃度時，可燃氣體探測器動作聯啟集裝箱前端防爆風機和末端雙層百葉，使集裝箱內部與外部形成良好的空氣循環，減少危險氣體的聚集。

四、應用前景

北京作為我國首都和北方經濟中心，社會經濟條件較好、電價峰谷價差較大，進行用戶側儲能項目商業化開發和示範完全是必要的。在用戶側，儲能可促進整個用戶側的智能化用電，提高整體用電管理水平，以及用戶的運營效率。通過採用磷酸鐵鋰電池組作為儲能電源，儲能電源本身即可當不間斷電源，又可以當作儲能電站進行發電。在電力處於「谷」時段蓄電，在電力處於「峰」時段放電，給企業負載設備供電，實現電力削峰填谷；這不但可以降低電網的峰值負荷，有利於電網的安全運行，實現企業的節能減排，還能通過峰谷電價套利，產生巨大的經濟效益，大幅降低生產成本。