锂离子电池储能产品的电气安全设计分析_周俊玲.pdf

第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology锂离子电池储能产品的电气安全设计分析周 俊 玲（郑州电力职业技术学院，河南 郑州 451450）在新时代背景下，我国提出了将构建新能源电力体系作为未来储能产业的发展方向。近年来，新能源已成为我国储能产业的支柱行业，其中，锂离子电池由于能量密度高、放电量较低、无记忆效应、寿命周期较长、绿色环保等特点，在储能产业市场中占有较大份额。为进一步提高锂离子电池产品的核心竞争力，本文简述了锂离子电池储能产品的基本概念，分析了锂离子电池储能产品电气安全要求、现存问题，并提出了相关设计思路。1 锂离子电池储能产品概述电力系统作为储能产业的主要应用场景，按照技术类型可以划分为机械储能、电磁储能以及电化学储能。由于机械储能受外界环境影响限制较大，而电磁储能商业化程度又较小，电化学储能自然而然成为电力市场中应用最为广泛的储能技术。锂离子电池作为电化学储能类型中主要的储能方式，其优点有高能量、高功率，循环寿命长，响应速度快等，其主要应用在电能质量调节或者不间断供电系统等方面。锂离子电池储能产品中，以电池柜为例，其主要组成部分有电池包与高压盒。电池包内部含有电池模组以及监控单元；高压盒内部含有控制单元、检测单元、电流传感器、电阻器、熔断器等高压部件。锂离子电池储能产品一旦发生短路等问题很容易引发安全事故，在使用过程中需要格外注意其电气安全，因此，基于储能视角下对锂离子电池产品的电气安全设计进行分析是相关产品的设计重点。2 锂离子电池储能产品电气安全要求在锂离子电池储能产品电气安全设计方面，大部分储能产品以及大型储能系统，主要采用基本绝缘外加接地保护的方式进行安全设计，从而防止间接触电。但是个别小型并网锂离子电池储能产品在进行充放电时，出于节约成本、提高电能转换率等原因，没有在并网充放电与交流电网间设置隔离措施，一旦发生故障，在锂离子电池储能系统接触不良的情况下，高压极有可能与锂离子电池柜产生联电效应，最终导致工作人员触电。因此，锂离子电池储能产品需要严格按照相关电气安全要求进行设计。锂离子电池储能产品在进行安全设计时，应考虑到储能产品在工作时承受的系统电压、冲击电压、一过性电压，需要符合我国关于锂离子电池管理系统中的技术规范，并保证不同隔离线路间的电气间隙以及过电距离符合电化学储能电站用锂离子电池技术规范中相关要求，对于绝缘材料的安全设计应符合电力储能用锂离子电池中对于材料绝缘阻抗以及介电强度中的标准。强调锂离子电池储能产品的电气安全，是对产品使用者与储能产品负责的行为，不但可以促进锂离子电池行业的健康发展，还能通过提高性能获得使用者好评，进一步扩大消费市场。3 锂离子电池储能产品电气安全常见问题虽然锂离子电池产品在我国储能行业中占有大量市场，但其相关短板也需要我们采取积极态度去面对。据相关资料显示，仅2022年，我国已发生超过十起储能电站安全事故，这些安全事故的发生与锂离子电池有着密切关系。由于其能量较高，并且内部可燃可爆的特点，在锂离子电池储能产品中电气安全问题主要集中在锂离子电池本体、锂离子电池运行环境以及锂离子电池管理系统等方面。3.1锂离子电池本体在锂离子电池储能产品的生产制造过程中，难免存在金属铁、镍等异物，在电池老化的过程中，这些金属异物会附着在电池负极周围，造成电池内资讯聚焦2023 年第 12 卷储能科学与技术部轻微短路甚至发展成为硬导通，从而导致锂离子电池热失控的结果。此外，锂离子电池在使用过程中，电解液的分解产物将在锂离子电池的阴极、阳极形成电解质界面膜，这些界面膜经过充放电将不断增厚，在锂离子电池的阳极形成锂枝晶，这些锂枝晶刺穿隔膜将引发锂离子电池内短路，伴随锂离子电池内部短路位置点不断发热，即使不接触氧气也可以引发电池热失控等问题。由于锂离子电池本身电化学原理特性，加上设计水平不高，难免会出现电气安全事故。3.2锂离子电池运行环境锂离子电池储能产品对于运行环境的要求较高，适宜的温度可以保证锂离子电池正常运行。首先，低温将会降低电导率，增加电池阻抗，使锂离子电池化学反应速率下降并且产生阳极析锂。其次，高温不适合锂离子电池运行，当锂离子电池内部温度持续上升时会引发热滥用，导致锂离子电池热失控。此外，电池组内的不同电池单体温度差异过大时，电池单体可能存在过充或者过放，也会影响到整个电池系统的电气安全。因此，锂离子电池的运行环境也是影响储能产品电气安全问题之一。3.3锂离子电池管理系统当锂离子电池的管理系统出现故障时，有很大几率引发安全事故。首先，当锂离子电池能量管理系统中高压线路与低压线路的电气间隙过短容易导致电池内部出现电弧及火花。其次，当锂离子电池监测系统中的绝缘检测电路没有按照规定进行安装，锂离子电池系统将出现短路现象。最后，锂离子电池监测系统与锂离子储能变流器、能量管理系统三者之间信息共享不完善时，将使锂离子电池内部故障进一步演变成为安全事故。目前，锂离子电池管理系统故障是导致储能产品发生安全事故的重要原因。4 锂离子电池储能产品电气安全设计思路随着新能源产业的不断发展，我国加大了对锂离子储能产品安全问题的关注程度，针对上述提到的锂离子电池储能产品中电气安全常见问题，本文将从提高锂离子电池本体设计水平以及优化锂离子电池管理系统两方面提出设计思路，助力我国锂离子电池储能产品发展。4.1提高锂离子电池本体设计水平锂离子电池本体设计水平是影响锂离子电池储能产品电气安全的重要因素。通过选用质量好的锂离子电池单体，在生产过程中避免混入其他金属杂质，可以提升锂离子电池储能产品的电气安全。此外，提升锂离子电池本体中电芯设计水平，也是提高电气安全的重要措施。在进行电芯相关电气安全设计时，首先应保证正负极之间的绝缘性能，通过利用PP等高分子的塑料隔膜材料，可以达到绝缘保护的目的。其次，应关注正负极极耳与电池外壳之间的绝缘性能，两者之间的绝缘设计主要依赖于附加绝缘材料。如软包电芯绝缘设计，主要通过在正负极极耳与电池外壳之间添加机械强度较高并且可以耐受高温的绝缘材料而达到绝缘目的。最后，应加强生产制造过程中对于电芯绝缘性能的检查，如检查隔膜是否存在破损、缠绕等情况。通过提高锂离子电池本体的设计水平可以避免锂离子电池储能产品出现内短路，延长锂离子电池储能产品的使用寿命。4.2优化锂离子电池管理系统通过优化锂离子电池管理系统，可以减少安全隐患的发生。锂离子电池管理系统主要分为电池控制环节以及电池监测环节，在电池监测环节中，由于绝缘检测电路只能在锂离子电池并网前进行检测，可以在进行系统优化时，采用继电器满足其他检测要求。其次，对于电池控制环节优化，可以通过加设主动热管理系统，保证热失控部位的强制冷却。优化锂离子电池控制环节，可以阻止热失控情况的发生。此外，对于锂离子电池储能产品外壳进行接地可靠性设计，也是优化锂离子电池管理系统的重要手段。在接地时可以优先选择接地电阻，然后进行锂离子电池绝缘耐压测试，在通过测试后，锂离子电池可以在避免绝缘击穿现象的发生。对锂离子电池管理系统进行优化可以提高锂离子电池系统功能，保障锂离子电池储能产品的安全使用。综上所述，在我国储能产业的多元化发展进程中，锂离子电池储能产品作为其重要产业支柱，为能源的转型与变革提供了助力，文章着眼于锂离子电池储能产品的安全问题，从提高锂离子电池本体设计水平以及优化锂离子电池管理系统等角度分析了锂离子储能产品的电气安全设计，以期为我国锂离子电池储能行业带来新的思考与启发。2358