中國儲能網訊：摘要
住宅電池儲能系統不僅是可以為消費者節省成本的具有吸引力的一種選擇，而且通過最大限度地利用可再生能源。盡管電池的高成本一直是其限制儲能部署增長的主要因素，但電動汽車(EV)市場規模的快速增長将會繼續壓低锂離子電池的價格，這将進一步激勵電池市場快速發展。
0 序言
盡管住宅使用者對于電池儲能系統發生的安全事故知之甚少，但在住宅環境中使用電池儲能用能系統仍存在安全隐患。針對這一問題，本報告受對英國住宅電儲能系統的潛在故障機制、與故障相關的危害、風險緩解以及現有安全标準和目前正在制定的标準進行了廣泛研究。報告發現，如果電池儲能制造商和安裝商遵循最佳的行業實踐和标準，以顯著降低住宅電池儲能系統在應用中的風險。
該評估報告的一部分涉及與利益相關者，以便更好地了解他們的擔憂，收集他們的改進建議，并解決他們面臨的問題。一個重要的觀點是，雖然電池儲能行業仍處在早期階段，但現在是考慮所有潛在安全情況以及如何正确地營運電池儲能系統的時候了，需要制定相關的安全标準和準則，因為電池儲能系統将廣泛部署，并逐漸成為人們日常生活的一部分。是以，建立技術合理、更具意義的安全标準對于電池儲能系統的成功至關重要。
根據最近的一些研究，锂離子電池的主要火災特征可歸納為以下三種風險類别：
當電池發生故障和熱失控并蔓延時，電池組内部産生的熱量過多，這突出了電池組隔離設計的必要性，以最大限度地降低蔓延風險，并限制電池/子產品之間的火災蔓延。早期檢測和在單個電池開始失效時冷卻方法，對于避免電池儲能系統的熱失控至關重要。
電池或電池組發生熱失控故障會産生大量有毒氣體，這是由于電池升溫時壓力迅速升高和排氣口釋放造成的。而在電池儲能系統的設計和部署中必須考慮對電池産生的氣體的管理和排放。
在設計通風系統時，需要特别考慮如何處理電池發生火災産生的有毒氣體。
從電池單元到系統設計和系統安裝，各個層面的風險緩解都有很多可能性。許多緩解風險和要求都包含在現有标準或正在制定的标準中。以下是有關風險緩解的一些注意事項：
電池管理系統(BMS)在将電池保持在電壓、電流和溫度的工作視窗内方面發揮着核心作用。電池儲能系統的安全标準具有适用于電池管理系統(BMS)的特定要求和測試。
雖然電池單元故障雖然很少見，但确實會發生。對于結構良好的18650電池，内部事件的故障率估計為千萬分之一(0.1ppm)。這意味着1萬個電池儲能系統中就有一塊電池發生故障（假設一個5kWh的電池儲地能系統采用500個18650電池）。這并不是說每一萬個電池儲能系統中必然有1個電池儲能系統發生故障，并且有很大的火災風險。電池儲能系統的正确設計和構造應該能夠防止電池故障的蔓延。因為單個電池故障應該是可控的。
如果系統設計良好，則應考慮由單個電池引起的熱失控事件的蔓延。這對于緩解電池儲能系統的風險非常重要，并且将對其整體風險評估産生重大影響。控制電池組内的單個電池故障，可以降低電池儲能系統故障和住宅火災的風險。而适用于住宅锂離子電池儲能系統的标準（例如BSEN62619和IEC62933-5-2）包含對電池故障蔓延的評估。
英國對電池儲能系統的安全要求可以 分為電氣安裝要求、電網連接配接要求、産品安全監管要求、危險品監管要求。其産品安全涉及幾類安全标準，例如電能儲能系統、锂離子電池、控制和電池管理系統、電力電子變流器系統和逆變器以及電磁相容性（EMC）。
一些适用于锂離子電池儲能系統的标準目前正在制定或最近釋出。最近釋出的第一版IEC62933-5-2涵蓋了住宅電池儲能系統的安全性。即将釋出的版本的IEC62933-5-2标準很可能要求锂離子電池儲能系統應符合BSEN62619、IEC62485-5（制定中）和IEC63056等标準。如果制定和釋出這些标準的目的是作為低電壓指令或通用産品安全指令下的協調标準，或在其他标準或法規（如BS7671）中引用，它将有助于明确表明符合法規的過程。目前的電池儲能系統通常僅根據BSEN62619标準進行測試。
1、簡介
住宅電池儲能系統不僅是可以為消費者節省成本的具有吸引力的一種選擇，而且通過最大限度地利用可再生能源。本報告對住宅電池儲技術及其應用進行了審查，以了解可能需要采取哪些進一步措施來降低風險。重點是锂離子電池技術，因為它現在主導着電池儲能系統的新設計。
該研究描述了電池儲能系統的營運維護、市場狀況以及對已經釋出的電池儲能系統火災資料的審查。此外，還闡述了锂離子電池如何發生故障，以及低故障風險或影響的電池儲能設計和安裝中的最佳實踐等緩解措施。
幸運的是，英國锂離子電池儲能系統的火災記錄很少，是以該報告包括在應用中如何處理锂離子電池儲能系統火災的經驗和教訓，還考慮了熱失控、内部壓力快速升高以及産生毒性氣體的原因和影響。
2、電池儲能系統
2.1、電池儲能系統的設計
電池儲能系統通常由以下幾部分組成：電池子系統、儲能系統外殼、功率轉換子系統、控制子系統、輔助子系統和接線端子（如圖1所示）。
圖1電池儲能系統内部元件簡化示意圖
2.2、電源轉換子系統
電源轉換子系統(PCS)在與電源之間的能量傳輸中發揮着關鍵作用。它包逆變器/充電器，通常采用雙向設計，但有時可能是單獨的元件。在為電池充電時，它從交流電源（連接配接點）汲取電流并将其轉換為直流電。當将電力輸出到電網或本地“自供電”時，逆變器将電池子系統提供的直流電源轉換為交流電源。
目前市場上的電池儲能通常是以下三種類型之一：
使用“現成的”雙向逆變器。
使用專有設計的逆變器或改裝的商業産品。
僅作為“儲能系統”提供的雙向逆變器 ，需要安裝商、系統內建商或最終使用者提供合适的電源轉換器。
充電器/逆變器可以單獨管理儲能系統輸入或輸出的電力，或者可以內建其他本地的可再生能源，最常見的是太陽能發電系統。
2.3、輔助子系統
輔助子系統包括旨在執行電池儲能系統輔助功能（例如供暖、通風、消防 、空調系統）的所有必要裝置。
2.4、控制子系統
控制子系統用于監測和控制電池儲能系統。它可能包括通信子系統、保護子系統和管理子系統。
2.5、電池子系統
電池子系統由電池管理系統(BMS)和分為多個子產品的電池組成。
為了安全運作，電池需要保持在其電壓、溫度和電流的額定範圍内，是以需要電池管理系統(BMS)進行管理。對于規模較大的電池儲能系統，通常采用單獨的電池管理系統(BMS)在不同的級别上運作。電池管理系統(BMS)是電池儲能系統中安全系統的關鍵部分，此外還有硬體保護功能。
在設計安全的電池子系統時必須考慮許多因素。電池管理系統(BMS)的設計和工程是一個安全的關鍵問題。電池管理系統(BMS)是電池安全運作的核心。如果設計得當，電池管理系統(BMS)将提早發現潛在問題，并采取行動減輕潛在後果。
3、電池技術
表1顯示了當今電池儲能系統中最常用的鉛酸電池和锂離子電池的特性。
表1鉛酸電池與锂離子電池的特性
電池儲能系統中使用的電池技術可能會有所不同，但目前市場上用于建構電池儲能系統的大多數電池都是锂離子電池。然而，閥控式鉛酸電池傳統上一直占主導地位，并且仍在許多已安裝的電池儲能系統中使用。對于這種應用，鉛酸電池的主要缺點是它們在充電/深度放電時的壽命有限。是以，它們通常并不用于住宅電池儲能系統。是以，該報告并沒有進一步介紹鉛酸電池。
3.1、锂離子電池
锂離子電池由一系列不同的電池材料群組件構成，其中主要反應是锂離子分别傳輸和嵌入到陰極和陽極中。最常見的陽極材料是石墨，但也有硬碳和钛酸鹽的替代品。硬碳和钛酸鹽提供了更好的動力能力和循環壽命，但能量密度并不高。而電池陰極材料通常是金屬氧化物，一些最常見的陰極類型是NMC（锂化鎳錳钴氧化物）、NCA（锂化鎳钴鋁氧化物）、LCO（锂化钴氧化物）和LFP（磷酸鐵锂）。它們都具有各自不同的特性，但磷酸鐵锂電池（LFP）具有較低的電壓，是以比其他電池具有較低的能量密度。
陽極和陰極由多孔隔闆隔開，隔闆通常由多層聚合物組成。電極和隔膜浸泡在電解液中，電極之間的電解液可以輸送锂離子。而電解質由溶解有锂鹽（LiPF6）的有機溶劑組成。
3.1.1、锂離子電池
如今有三種不同形狀的電池：圓柱形、軟包電池和棱柱形。電極可以堆疊或卷繞。電池是密封的，在正常操作下不應發生排氣。
锂離子電池的不同外形尺寸
電池串聯和并聯以分别增加電壓和容量。對于規模較大的電池組，電池通常分組為稱為子產品的子組，然後可以将子產品串聯或并聯以形成完整的電池組。
電池的生産和電池構造可能相當複雜。而現有電池和系統标準的應用涉及性能和安全性，盡管它們會不斷進行審查和改進，但它們并沒有完全解決涉及電池設計和制造的所有複雜性，是以偶爾會出現電池故障。而化學或結構的适度變化可能會産生嚴重後果。從安全角度來看，應該記住的是，如今市場上有數十億塊電池，從這個角度來看，事故率實際上非常低，大約百萬分之一或者可能低至千萬分之一。
4、英國儲能市場回顧
英國市場部署的電池儲能系統通常來自全球供應商和英國本土廠商，預計未來幾年供應商的數量會增加。電池儲能系統的價格可能會有很大差異。根據一份調查報告，電池價格從500英鎊到10,000英鎊不等，并且不包括安裝成本。而電池儲能系統成本（不包括安裝成本）的平均約為1,000英鎊/kWh。根據儲能系統的複雜性，其安裝成本可能從500英鎊到2,000英鎊以上不等。一些電池儲能系統還采用逆變器，而這可能需要增加約1,000英鎊的成本。
4.1、電池儲能系統的安裝示例
以下是安裝住宅電池儲能系統的兩個示例。需要注意的是，這兩個電池儲能系統都沒有安裝在居住區内。
在車庫安裝的Varta-Storage‘Pulse’電池儲能系統
在戶外牆壁安裝的特斯拉Powerwall電池儲能系統
4.2、英國市場電池儲能系統示例
在英國市場上可以找到的産品示如表2所示。該表總結了每家電池儲能系統制造商網的資訊。這些住宅電儲能系統的儲能容量範圍從2.5到25.2kWh之間。電池子產品的标稱電壓一般在50V左右，但有些電池儲能系統的标稱電壓更高。雖然無法為每個儲能系統找到每個電池子產品的額定容量，然而其範圍從1kWh和6.3kWh之間。電池儲能系統采用的電池通常是锂鎳錳钴氧化物(NMC)電池或磷酸鐵锂(LiFePO4)電池。
這些電池産品均帶有CE标志。電池子產品測試的常用電池安全标準是IEC62619。對于逆變器，IEC62109-1和IEC62109-2是常用的安全标準。許多住宅電池儲能系統還根據UL1973（電池子產品）和UL1741（逆變器）等标準獲得了北美市場的認證。具體而言，對于英國市場，逆變器還需要符合工程建議G.83/2(G98)和G.59/3(G99)。國内BESS的适用标準總結在第7節和附錄1中。
表2英國采用的電池儲能系統産品
作者：劉伯洵編譯 來源：中國儲能網