仿真法评测:磷酸铁锂&锰酸锂电瓶串并联 广东

尽管这项研究旨在向消防法规和有管辖权的有关部门提供有用信息,但FM Global公司在一份名为《自动喷水灭火系统的发展》报告中提供了与自动喷淋灭火系统的定位、水排放密度以及电池系统与可燃和不可燃物体的空间隔离相关具体指南信息。FM Global公司在其门户网站上发布了锂离子电池储能系统灭火指南。

本文以电动汽车用90A·h锰酸锂LiMn2O4和60A·h磷酸铁锂LiFePO4能量型电池为测试对象,实验使用美国Arbin公司BTS2000及其数据采集系统进行电池测试。

当前,业内对分布式发电进行持续性的投资,而“断网”发电技术将促进产品向储能应用的渗透。微电网的快速扩张将进一步提供行业增长的动力。镍锰钴氧化电池(Nickel manganese cobalt oxide)、磷酸铁锂(lithium iron phosphate)及镍钴铝氧化物(nickel cobalt aluminum oxide)电池将成为这类应用部署所采用的二次电池(secondary batteries)。

随着锂离子电池成本的不断下降,在过去十年中,美国储能系统装机容量已经从1MW增加到了近700MW。但根据全球商业地产保险商和风险管理咨询机构FM Global公司最近发布的一份调查报告,业界厂商很少对储能系统的有效防火策略进行研究来指导用户的商业运营。

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目前,锂离子电池市场的核心参与企业包括:特斯拉、松下、三星、日立化成工业(Hitachi Chemical)、日本汤浅、飞利浦、A123 Systems、三洋、LG化学、恩那德尔公司、东芝、辉能科技(ProLogium)、Valence、美国埃克塞德科技集团、Saft 电池、Energies Power、路华、Padre电子、鼎昌、江森自控及金霸王。

FM Global公司对磷酸铁锂电池或镍锰钴氧化物电池进行自由燃烧和喷淋试验时的放热率比较

显然,当电池性能存在不一致性,并将动力电池组串并联使用时,性能指标往往达不到单体电池原有水平,所以评价电池系统的性能并不能将单体电池性能进行简单叠加,而是需要对电池储能系统中串联支路的能量利用率以及并联支路的电流不平衡度进行准确评估,从而保证系统的效率和安全性。

据外媒报道,据全球市场洞察公司(Global Market Insights, Inc.)发布的报告显示,到2024年,锂离子电池市场的市值将逾600亿美元。

Ditch表示,“我们的研究表明,在商业和工业行业领域的电池储能系统应用中,可以采用自动喷水装置,并保持适当间距,可以使其安全运营。”

研究人员为分析动力锂离子电池的特性设计了大量等效电路模型,通常分析单体电池在不同倍率、不同温度和不同老化程度下的充放电特性。

2016年,中东和非洲锂离子电池市场的市值在10亿美元以上,随着对可再生能源电网基础设施研发的持续投资,未来还将呈现增长态势。对偏远地区的微电网进行的投资将进一步推动其产品需求。

FM Global公司高级首席研究工程师Benjamin Ditch在该公司分阶段进行的实际测试报告中发表声明说:“储能系统一方面带来安全保护挑战,另一方面为清洁能源的发展带来了巨大希望。”其测试是在FM Global公司的研究园区内进行的,该园区是世界上最大消防技术实验室。

锂离子电池凭其重量轻、体积小、寿命长、电压高和无污染等优势,逐步取代铅酸、镍氢、镍镉等电池,并且凭其充放电效率高的特点在电网储能应用中得到了重视。但是,受动力锂离子电池技术的限制,为满足电网储能应用的要求,需将电池串联到一定的电压等级,再将电池组并联,以达到较高容量。

据估计,到2024年,日本锂离子电池市场的增幅将达到8%以上,业内对汽车行业的前景持乐观态度,智能设备应用率的提升将促进产品需求。日本政府致力于限制排放量,未来趋势将向可持续能源的利用转型,这将进一步推动锂电池行业的市场增长。

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以电流作为输入量,并以电池电压作为输出量,通过等效元件的串并联来模拟电池的电学性能。如电池在充放电过程中表现出的欧姆内阻、电化学极化以及浓差极化等现象,均可以通过模型参数以较高的精度表示。

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其测试范围从单个电池模块到完整的电池储能系统,每个储能系统包含16个电池模块。总体而言,磷酸铁锂电池的危险性较低,喷水被认为是这两种电池测试最有效的灭火剂。

同时,通过研究大容量储能技术和储能拓扑结构,发现先串后并的电池拓扑结构有利于对储能系统各个单体电池进行检测和管理。以比亚迪深圳总部储能示范系统为例,系统由16个并联支路组成,每个支路由252个单体串联连接至800V直流母线,再接功率变换器系统(power conversionssystem,PCS)与电网连接,所构成的1MW储能系统的性能与各单体的状态参数密切相关。

•洒水喷头可有效延迟或防止火势蔓延至相邻的电池储能系统。

由于电池极化电压的建立和静置过程消退均呈现指数函数增加或者衰减的特性,同时为便于电学仿真和计算,通常使用Rc阻容的模型对电池的极化电压进行建模。

•如果电池储能系统可能引起火灾,需要配置安全人员进行看守,直到所有可能损坏的电池储能系统设备从该区域移除。

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•电池储能系统和其他可燃物之间的隔离对于有效防火至关重要。

电池模型与精度分析

最新阶段的测试主要集中在由磷酸铁锂电池或镍锰钴氧化物电池组成的电池储能系统上,并假设电池在“滥用”条件下运行,即通常减少火灾危险的专有电池管理系统未被激活。

本文在锰酸锂电池和磷酸铁锂电池电学模型的基础上,提出基于等效电路微分方程的串并联仿真方法,通过试验验证串并联仿真精度,研究影响动力锂离子电池组电流不平衡度的各项因素,拟出有效的电池组性能预测及评价手段。

测试的主要结果涉及从小型到大型电池储能系统的火灾测试,这其中包括:

据报道,随着越来越多的能源开发商将电池储能系统纳入太阳能发电设施计划中,很多保险公司正在评估电池储能系统可能带来的火灾风险。为此,美国一家保险公司制定并发布一份电池储能系统消防指南。

最后的建议是,由于涉及锂离子电池的火灾在初始事件发生后的几分钟到几天内随时会重新点燃,为了防止重新点燃,需要对电池进行充分冷却。

在非营利组织财产保险研究小组和美国消防研究基金会合作开展的第一阶段缓解火灾风险的研究中,对电池储能系统进行了火灾危险评估,并开发了锂离子电池储能系统的安装实践、消防指导以及应急安全策略。

FM Global公司的调查报告指出,“锂离子电池和其他电池之间的主要区别在于热失控反应的可能性,这种反应会导致可燃气体泄漏,并随之可能燃烧。”

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