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韩国锂离子电池储能电站安全事故的分析及思考

北极星储能网  来源:储能科学与技术    2020/10/14 9:23:07  我要投稿  

北极星储能网讯:摘 要:安全性是锂离子电池储能系统的重要议题,探究锂电池储能系统安全事故成因,开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。本文立足于韩国公开的其国内近期发生的锂电储能系统安全事故调查报告,对电池本体、外部激源、运行环境及管理系统等引致安全事故的因素进行了分析,梳理了四类因素作用下电池及系统安全事故的触发及演化规律,探讨了四类因素间的相互影响机制,总结经验教训的同时提出了锂电储能系统安全管理的发展方向。

(来源:微信公众号:储能科学与技术  ID:esst2012)

关键词:锂离子电池;储能系统;安全事故;热失控;早期预警

储能系统(energy storage systems,ESS)是现代电力系统及智能电网的重要组成部分,也是实现可再生能源并网消纳及分布式发电高效利用的重要环节。随着电池技术的不断进步及其成本的降低,以锂离子电池为主的电化学储能系统近年来得到了迅速发展及工程应用。相比铅酸、钠硫等电池储能系统(battery energy storage systems,BESS)而言,锂离子电池储能系统具有能量密度高、转换效率高、自放电率低、使用寿命长等优势。然而,锂离子电池采用沸点低、易燃的有机电解液,且材料体系热值高,在电池本体或电气设备等发生故障后,易触发电池材料的放热副反应,引致电池热失控,进而可能演化成储能系统燃烧爆炸等重大安全事故。国内外锂电池储能的工程应用中均有火灾事故发生,造成了严重的经济损失及社会影响。安全问题已逐渐成为锂电池储能电站建设及大规模应用的首要问题,探究锂电池储能系统安全事故成因,开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。

1韩国锂电储能电站安全事故概述

近三年来,国内外锂电池储能系统装机增长迅速,据中关村储能产业技术联盟(China Energy Storage Alliance,CNESA)统计,仅2017—2018年间电化学储能装机由2926.6 GW增长至6625.4 GW,年增幅126.4%。其中,韩国锂电储能在其可再生能源证书奖励政策激励之下迅速发展,2018年全球新增电化学储能装机中,韩国几乎占据全球45%。然而,韩国储能电站发生火灾安全事故的数量和比率也处于全球首位。2017—2019年期间,报道的韩国储能电站事故已近30起。对此,韩国组织相关电池厂家及研究机构对2019年6月前其境内23起储能安全事故开展了调查及分析,表1汇总了2019年6月前韩国储能事故情况。

表12017年8月—2019年6月韩国储能电站事故

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在相关事故的调研及验证性测试中,调查团队将储能电站事故致因总结为以下四个方面:电池系统缺陷、应对电气故障的保护系统不周、运营环境管理不足、储能系统综合管理体系欠缺。其中,电池内部及成组问题、外部电气故障、电池保护装置(直流接触器爆炸)、水分/粉尘/盐水等造成的接触电阻增大及绝缘性能下降等问题将可能直接诱发电池热失控。而电池管理系统(battery management systems,BMS)、储能变流器(power conversion systems,PCS)、能量管理系统(energy management systems,EMS)之间信息共享不完备或不及时,PCS和电池之间的保护配置与协调不当、PCS故障修理后电池的异常、测量装置及管理系统之间发生冲突等系统管理问题,则可能使故障不能及时有效地得到管控而演化为事故。

在电池本体安全性方面,该调研报告中对模拟制作的极片折叠和切割不良电池进行充放电测试,在约180次循环过程中未发生能够导致起火的电池内部短路问题,未明确提出电池内部故障是否能触发安全事故演化。然而,从事故触发阶段的统计结果来看,充电后等待阶段的事故发生占比超过60%,如图1所示。

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图12017年8月—2019年6月韩国锂电池储能电站事故发生阶段统计图

在充电后等待阶段中,系统通常处于断路状态,外部电气故障等外部激源触发电池热失控的概率将显著降低。同时,该阶段中电池本体通常处于高SOC状态,一方面更易受外部滥用触发热失控,另一方面电池可能存在局部过充问题,由电池本体引发的系统安全事故概率将显著上升。事实上,韩国在2019年8月至12月间又新增5起储能电站事故,后续报道指出所有的5个BESS的电池都处在高SOC状态(>90%)下,电池逐渐过热引起起火,由电池本体触发储能系统安全事故的可能性极大。

一般而言,锂离子电池本体需要工作于适宜的电压、电流、温度及SOC等参数的安全窗口内。国内外学者已对锂电池本体故障及安全演化机理进行了深入研究[],认为过充、过放、过电流、过热等滥用行为以及电池内部短路是导致电池安全状态演化至热失控的直接原因。储能系统作为一个整体,触发上述滥用过程的原因复杂且相互交叉,需要从系统层面进行分析[6]。结合韩国储能事故调查报告,我们围绕电池本体滥用机制,对报告所提四个方面因素进行了归纳和梳理,旨在从系统层面厘清锂电池储能电站安全触发及演化机制,为系统安全性评价与早期预警及安全风险的管控等提供依据。


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