重点内容速览：

| 电芯自身安全性

| 逆变器性能对储能项目安全性的影响

| 消防措施保证储能安全

近期全球范围内发生多起储能电站事故。5月15日，美国加州一座250MW的Gateaway储能电站失火，持续近两周最终解除警告； 4月27日，德国尼尔莫尔商业区的锂电池储能集装箱发生的火灾。 据不完全统计，2023年至今，全球发生储能安全事故超过了70起，其中韩国最多，美国紧随其后。
 

这些储能电站事故已经引起了国家相关部门的重视，并正酝酿对储能消防安全隐患进行全面的排查和整改工作。 据了解，相关部门近期已经约访了包括储能厂家、施工、运营等相关方调研意见，储能消防安全隐患排查及整改动作将很快落实。

本文将会介绍目前储能电站的安全解决方案。从技术上来看，一般可以从三个方面来保证储能电站的安全，即电芯自身安全性、逆变器性能和消防系统。
 

电芯自身安全性

安全性最主要来源于电芯本身。

电芯质量好、一致性好，出现故障的概率就小或耐用性强，所以大中型储能项目进行关键设备选择时，一定要采用一线品牌的电芯。 当然，就算是一线品牌的电芯也要选择技术相对先进的产品。

比如5月份发生事故的美国Gateaway储能电站是由美国LS Power运营，采用了韩国LG Chem的三元锂电池，日本NEC ES的系统解决方案，仍然发生了火灾。后来有专家分析原因之一就是，该储能电站的电芯比较老旧。该项目2020年并网，到发生火灾时已经运行4年了，当时的三元锂电池技术相对而言比较落后，热失控温度在120℃~140℃之间。
 

当然，储能电站所使用的电芯类型除了三元锂电池，还有磷酸铁锂电池、液流电池、钠离子电池等。国内的大型储能电站更多的是选用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂技术热失控温度在250℃~300℃之间，相对更加安全。据业内人士估计，未来磷酸铁锂电池可能会占大型储能电站市场的95%，其余5%留给其他类型的电池，比如液流电池、钠离子电池等。
 

新版的国标《电力储能用锂离子电池》（GB/T36276-2023）已于2023年12月28日正式发布，并将在2024年7月1日正式实施。
 

其中，新国标作为锂离子电池开展型式试验、出厂试验及抽样检测的执行依据，对行业影响重大。在安全与可靠性方面，新国标有很多新的变化。例如，增加了过载性能、震动性能、液冷管路耐压性能、高海拔绝缘性能、高海拔耐压性能、安全保护性能要求及试验方法。
 

从厂商方面来看，第一梯队有宁德时代、亿纬锂能等厂商；第二梯队有瑞浦能源、中航锂电、海辰新能源等。当然，还有国轩高科、欣旺达、比亚迪等电池厂商也有相关产品。

逆变器性能对储能项目安全性的影响
 

一般来说，储能电站使用的逆变器会串联能源管理系统（EMS）与电池管理系统（BMS）来对电池进行保护。其中，EMS为决策环节，逆变器PCS为执行环节，BMS为监控环节。PCS在储能系统中处于中间环节，向上与 EMS通讯互动，向下管理 BMS更多的起到保护作用，比如当储能电站与外界的大电网连接，如果大电网出现不利于储能电站的频率或电压波动， PCS会起到保护直流侧电池组的职责，所以 PCS也是安全中特别关键的环节。
 

从难易程度来看，PCS的难度最高。 因为电芯的生产过程中需要管理的材料只有三、四十种，而PCS的生产过程种需要调度的配件高达上千种，所以PCS生产的复杂度更高。 加上逆变器的生产包括了电力电子、高压电气、控制、芯片等领域，技术壁垒更高。
 

目前大型集中式储能逆变器市场中，排名前三的供应商分别是上能电气、阳关电源和科华数据，不过近年来华为的发展势头也很快，大有后来居上之势。 前三家供应商基本瓜分了100MWh以上储能项目的逆变器市场，合计市占率高达80%。 其中上能电气市占率约40%，优势较大，主要原因可能在于上能电气不开展系统集成业务，而阳光电源开展集成业务。 上能电气专注于公用逆变器及附属系统，可与市面上所有储能系统集成，包括海博思创、电工时代、宁德下属的时代星云、比亚迪在内均会采购上能电气的储能逆变器； 而阳光电源的集成业务与其他集成商构成竞争关系，因此，其他集成商可能不会首选阳光电源的储能逆变器产品。
 

难度第二大的是BMS。 BMS包括硬件解决方案和软件，未来偏向硬件的层面会越来越多。 随着储能市场的兴起，这两年国内很多芯片厂商都开始开发BMS相关芯片，包括BMS AFE和MCU相关芯片，以及隔离芯片等。 未来几年BMS芯片市场的竞争可能会非常激烈。
 

难度第三大的是EMS，一般来说，EMS可以认为是纯粹的软件系统，门槛不是很高，仅需熟悉电网并网标准及运行特性即可。 有专家认为，市场上有能力做工控软件的公司只需要几个月就可以获得突破。
 

 消防措施保证储能安全

一般来说，锂离子电池生产所需要的材料主要包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜及包装材料等。而电池包主要包含电池模组、盖板、防护层、散热系统和电池托盘等 。

上图就是基于兆易创新的GD32E505 MCU设计的7kW图腾柱无桥PFC储能逆变器方案。方案核心采用GD32E505 MCU控制，实现电压外环，电流内环双闭环控制。具有系统稳定，输出无静差，动态性能响应快，低THD，PF值大于0.99等一系列优点。软件实现过零点软启动很好解决图腾PFC拓扑电流在过零处尖峰问题。
 

据琻捷电子专家在一次公开分享中表示，由于锂离子电池结构的特性，如果发生热失控的话，随着温度的上升，最早是隔膜分解，随后电解液、EC等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量的产生。
 

隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的产生，这种累积的互相增强的破坏作用，后果就是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火，甚至爆炸。
 

那么，该如何防止储能项目发生起火或者爆炸的事故呢？ 其实，可以从PACK级别消防和先进的气体检测技术出发。 结合监控稀有气体，比如一氧化碳、甲烷等，提前发现隐情并进行预警。
 

还有一种解决方案，就是利用技术监控固定空间的粒子数量，比如部分PACK内连接线缆等被加热升温时粒子数量会急剧上升。 这种监控粒子数量的方案比监控从电解液中加热蒸发出来的稀有气体方案能更早知道电池内部的情况，可提前45分钟发出预警。
 

假如将这种技术与 PACK级喷淋消防技术相结合，便可以解决整个大型储能电站发生严重事故或火灾的问题。 因为如果消防喷淋全部做到PACK级别，可针对PACK单独喷淋降温，在未发生爆炸前就将其完全冷却，阻断事故蔓延。不过，目前这种技术还有一定的挑战，那就是成本比较高，如何降低成本是该技术推广的最大挑战。如果消防可以做到便宜高效，则更可以保障大型储能项目安全，有利于GWh级别的项目推广。
 

其实，国内系统集成商对于储能电站的安全防范观点已不仅仅停留在电芯环节，而是走向了“电芯-Pack-系统级”三重消防理念。
 

2023年7月1日正式实施的国家 标准《电化学储能电站安全规程》（GB/T 42288-2022）也提及了“Pack级消防”的概念。
 

 结语

目前，大型储能电站项目是热门项目，很多国家和地区都在大力推广，但也有很多技术难点需要行业内企业和专家共同努力，一起解决，安全问题就是其中之一。因此，采用一线品牌的先进电芯、高可靠性EMS、完备的消防监控，才能最大程度上避免储能电站事故发生，保障员工、工厂、产品的安全生产。