鋰離子電池儲能產(chǎn)品的電氣安全設(shè)計分析

周 俊 玲

（鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451450）

在新時代背景下，我國提出了將構(gòu)建新能源電力體系作為未來儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。近年來，新能源已成為我國儲能產(chǎn)業(yè)的支柱行業(yè)，其中，鋰離子電池由于能量密度高、放電量較低、無記憶效應(yīng)、壽命周期較長、綠色環(huán)保等特點，在儲能產(chǎn)業(yè)市場中占有較大份額。為進一步提高鋰離子電池產(chǎn)品的核心競爭力，本文簡述了鋰離子電池儲能產(chǎn)品的基本概念，分析了鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全要求、現(xiàn)存問題，并提出了相關(guān)設(shè)計思路。

1 鋰離子電池儲能產(chǎn)品概述

電力系統(tǒng)作為儲能產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用場景，按照技術(shù)類型可以劃分為機械儲能、電磁儲能以及電化學(xué)儲能。由于機械儲能受外界環(huán)境影響限制較大，而電磁儲能商業(yè)化程度又較小，電化學(xué)儲能自然而然成為電力市場中應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù)。鋰離子電池作為電化學(xué)儲能類型中主要的儲能方式，其優(yōu)點有高能量、高功率，循環(huán)壽命長，響應(yīng)速度快等，其主要應(yīng)用在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)或者不間斷供電系統(tǒng)等方面。鋰離子電池儲能產(chǎn)品中，以電池柜為例，其主要組成部分有電池包與高壓盒。電池包內(nèi)部含有電池模組以及監(jiān)控單元；高壓盒內(nèi)部含有控制單元、檢測單元、電流傳感器、電阻器、熔斷器等高壓部件。鋰離子電池儲能產(chǎn)品一旦發(fā)生短路等問題很容易引發(fā)安全事故，在使用過程中需要格外注意其電氣安全，因此，基于儲能視角下對鋰離子電池產(chǎn)品的電氣安全設(shè)計進行分析是相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計重點。

2 鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全要求

在鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全設(shè)計方面，大部分儲能產(chǎn)品以及大型儲能系統(tǒng)，主要采用基本絕緣外加接地保護的方式進行安全設(shè)計，從而防止間接觸電。但是個別小型并網(wǎng)鋰離子電池儲能產(chǎn)品在進行充放電時，出于節(jié)約成本、提高電能轉(zhuǎn)換率等原因，沒有在并網(wǎng)充放電與交流電網(wǎng)間設(shè)置隔離措施，一旦發(fā)生故障，在鋰離子電池儲能系統(tǒng)接觸不良的情況下，高壓極有可能與鋰離子電池柜產(chǎn)生聯(lián)電效應(yīng)，最終導(dǎo)致工作人員觸電。因此，鋰離子電池儲能產(chǎn)品需要嚴格按照相關(guān)電氣安全要求進行設(shè)計。鋰離子電池儲能產(chǎn)品在進行安全設(shè)計時，應(yīng)考慮到儲能產(chǎn)品在工作時承受的系統(tǒng)電壓、沖擊電壓、一過性電壓，需要符合我國關(guān)于鋰離子電池管理系統(tǒng)中的技術(shù)規(guī)范，并保證不同隔離線路間的電氣間隙以及過電距離符合《電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求，對于絕緣材料的安全設(shè)計應(yīng)符合《電力儲能用鋰離子電池》中對于材料絕緣阻抗以及介電強度中的標準。強調(diào)鋰離子電池儲能產(chǎn)品的電氣安全，是對產(chǎn)品使用者與儲能產(chǎn)品負責(zé)的行為，不但可以促進鋰離子電池行業(yè)的健康發(fā)展，還能通過提高性能獲得使用者好評，進一步擴大消費市場。

3 鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全常見問題

雖然鋰離子電池產(chǎn)品在我國儲能行業(yè)中占有大量市場，但其相關(guān)短板也需要我們采取積極態(tài)度去面對。據(jù)相關(guān)資料顯示，僅2022 年，我國已發(fā)生超過十起儲能電站安全事故，這些安全事故的發(fā)生與鋰離子電池有著密切關(guān)系。由于其能量較高，并且內(nèi)部可燃可爆的特點，在鋰離子電池儲能產(chǎn)品中電氣安全問題主要集中在鋰離子電池本體、鋰離子電池運行環(huán)境以及鋰離子電池管理系統(tǒng)等方面。

3.1 鋰離子電池本體

在鋰離子電池儲能產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，難免存在金屬鐵、鎳等異物，在電池老化的過程中，這些金屬異物會附著在電池負極周圍，造成電池內(nèi)部輕微短路甚至發(fā)展成為硬導(dǎo)通，從而導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э氐慕Y(jié)果。此外，鋰離子電池在使用過程中，電解液的分解產(chǎn)物將在鋰離子電池的陰極、陽極形成電解質(zhì)界面膜，這些界面膜經(jīng)過充放電將不斷增厚，在鋰離子電池的陽極形成鋰枝晶，這些鋰枝晶刺穿隔膜將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)短路，伴隨鋰離子電池內(nèi)部短路位置點不斷發(fā)熱，即使不接觸氧氣也可以引發(fā)電池?zé)崾Э氐葐栴}。由于鋰離子電池本身電化學(xué)原理特性，加上設(shè)計水平不高，難免會出現(xiàn)電氣安全事故。

3.2 鋰離子電池運行環(huán)境

鋰離子電池儲能產(chǎn)品對于運行環(huán)境的要求較高，適宜的溫度可以保證鋰離子電池正常運行。首先，低溫將會降低電導(dǎo)率，增加電池阻抗，使鋰離子電池化學(xué)反應(yīng)速率下降并且產(chǎn)生陽極析鋰。其次，高溫不適合鋰離子電池運行，當(dāng)鋰離子電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升時會引發(fā)熱濫用，導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э?。此外，電池組內(nèi)的不同電池單體溫度差異過大時，電池單體可能存在過充或者過放，也會影響到整個電池系統(tǒng)的電氣安全。因此，鋰離子電池的運行環(huán)境也是影響儲能產(chǎn)品電氣安全問題之一。

3.3 鋰離子電池管理系統(tǒng)

當(dāng)鋰離子電池的管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，有很大幾率引發(fā)安全事故。首先，當(dāng)鋰離子電池能量管理系統(tǒng)中高壓線路與低壓線路的電氣間隙過短容易導(dǎo)致電池內(nèi)部出現(xiàn)電弧及火花。其次，當(dāng)鋰離子電池監(jiān)測系統(tǒng)中的絕緣檢測電路沒有按照規(guī)定進行安裝，鋰離子電池系統(tǒng)將出現(xiàn)短路現(xiàn)象。最后，鋰離子電池監(jiān)測系統(tǒng)與鋰離子儲能變流器、能量管理系統(tǒng)三者之間信息共享不完善時，將使鋰離子電池內(nèi)部故障進一步演變成為安全事故。目前，鋰離子電池管理系統(tǒng)故障是導(dǎo)致儲能產(chǎn)品發(fā)生安全事故的重要原因。

4 鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全設(shè)計思路

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國加大了對鋰離子儲能產(chǎn)品安全問題的關(guān)注程度，針對上述提到的鋰離子電池儲能產(chǎn)品中電氣安全常見問題，本文將從提高鋰離子電池本體設(shè)計水平以及優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)兩方面提出設(shè)計思路，助力我國鋰離子電池儲能產(chǎn)品發(fā)展。

4.1 提高鋰離子電池本體設(shè)計水平

鋰離子電池本體設(shè)計水平是影響鋰離子電池儲能產(chǎn)品電氣安全的重要因素。通過選用質(zhì)量好的鋰離子電池單體，在生產(chǎn)過程中避免混入其他金屬雜質(zhì)，可以提升鋰離子電池儲能產(chǎn)品的電氣安全。此外，提升鋰離子電池本體中電芯設(shè)計水平，也是提高電氣安全的重要措施。在進行電芯相關(guān)電氣安全設(shè)計時，首先應(yīng)保證正負極之間的絕緣性能，通過利用PP 等高分子的塑料隔膜材料，可以達到絕緣保護的目的。其次，應(yīng)關(guān)注正負極極耳與電池外殼之間的絕緣性能，兩者之間的絕緣設(shè)計主要依賴于附加絕緣材料。如軟包電芯絕緣設(shè)計，主要通過在正負極極耳與電池外殼之間添加機械強度較高并且可以耐受高溫的絕緣材料而達到絕緣目的。最后，應(yīng)加強生產(chǎn)制造過程中對于電芯絕緣性能的檢查，如檢查隔膜是否存在破損、纏繞等情況。通過提高鋰離子電池本體的設(shè)計水平可以避免鋰離子電池儲能產(chǎn)品出現(xiàn)內(nèi)短路，延長鋰離子電池儲能產(chǎn)品的使用壽命。

4.2 優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)

通過優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)，可以減少安全隱患的發(fā)生。鋰離子電池管理系統(tǒng)主要分為電池控制環(huán)節(jié)以及電池監(jiān)測環(huán)節(jié)，在電池監(jiān)測環(huán)節(jié)中，由于絕緣檢測電路只能在鋰離子電池并網(wǎng)前進行檢測，可以在進行系統(tǒng)優(yōu)化時，采用繼電器滿足其他檢測要求。其次，對于電池控制環(huán)節(jié)優(yōu)化，可以通過加設(shè)主動熱管理系統(tǒng)，保證熱失控部位的強制冷卻。優(yōu)化鋰離子電池控制環(huán)節(jié)，可以阻止熱失控情況的發(fā)生。此外，對于鋰離子電池儲能產(chǎn)品外殼進行接地可靠性設(shè)計，也是優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)的重要手段。在接地時可以優(yōu)先選擇接地電阻，然后進行鋰離子電池絕緣耐壓測試，在通過測試后，鋰離子電池可以在避免絕緣擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。對鋰離子電池管理系統(tǒng)進行優(yōu)化可以提高鋰離子電池系統(tǒng)功能，保障鋰離子電池儲能產(chǎn)品的安全使用。

綜上所述，在我國儲能產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展進程中，鋰離子電池儲能產(chǎn)品作為其重要產(chǎn)業(yè)支柱，為能源的轉(zhuǎn)型與變革提供了助力，文章著眼于鋰離子電池儲能產(chǎn)品的安全問題，從提高鋰離子電池本體設(shè)計水平以及優(yōu)化鋰離子電池管理系統(tǒng)等角度分析了鋰離子儲能產(chǎn)品的電氣安全設(shè)計，以期為我國鋰離子電池儲能行業(yè)帶來新的思考與啟發(fā)。