[发明专利]控温防火防爆一体化的锂电池储能电站及其控制方法

说明书

本发明属于电能储存新技术领域，提供了控温防火防爆一体化的锂电池储能电站及其控制方法。建立以防火防爆并且电气绝缘的惰性气体为工质的密封循环系统，将多个锂电池储能单元分别置于抗爆密封柜中，并接入循环系统。通过控制流经每个密封柜的气体温度、流量来调节锂电池温度。当锂电池发生爆炸燃烧事故时，通过控制阀门快速切换系统功能，在惰性气体保护下密封收集锂电池的烟气，阻止可燃烟气继续爆炸燃烧。本发明具有如下优点：(1)使储能电站的锂电池工作温度处于最佳状态。(2)隔绝了锂电池热失控的可燃烟气与大气接触，防止了着火爆炸。(3)更易于与电气、消防自动控制相配合，较适于大型储能电站建设。

技术领域

本发明属于电能储存新技术领域，涉及一种控温防火防爆一体化的锂电池储能电站及其控制方法。

背景技术

储能是能源改革和多元清洁能源供应体系建设的重要环节。锂离子电池储能作为一种电化学储能方式，在世界范围内正在快速发展。至2020年底，全球已投运的锂离子电池储能装机规模已达到13.1GW，中国锂离子电池储能的装机规模已达2902MW。随着锂离子电站的大规模应用，锂离子电池储能电站的安全风险突出显现。外部过热、碰撞、挤压、过量充电、枝晶造成的内短路等条件都有可能引发锂离子电池的热失控。热失控的过程中，温度达到某阈值，引发放热反应，所放出的热量在电池内部积聚造成温度升高，进而引发更多的放热反应，最终导致电池起火和爆炸，甚至于引起整个电池组、储能电站的起火和爆炸。对于储能电站中所使用的锂离子电池，即使对于外部的过热、碰撞、挤压等条件严格限制，电池的热失控仍有可能被触发。例如，锂离子电池生产过程中难以避免的不一致性会造成不一致的老化，而不一致的老化极易引发部分电池过充，进而触发热失控；锂离子电池由于老化、低温快充、内部不一致等问题产生的金属锂枝晶可以刺穿隔膜，引发电池的内短路，造成热失控；锂离子电池一旦发生封装不严，水蒸汽漏入电池内部与电解液中的锂盐发生反应，同样易于触发热失控。因此，锂离子电池热失控所引发的起火、爆炸等安全问题，是制约锂离子电池储能电站发展的主要瓶颈，因此锂离子电池储能电站的防火防爆技术有待更进一步发展。

为防范锂离子电池的热失控，人们已经采取了很多技术手段。首先，是提升锂离子电池质量和一致性，能够减小产生锂离子电池产生严重锂枝晶的风险。第二，是给予锂离子电池更好的控制，其中包括电压、电流控制和温度控制，以避免电池过充和过冷过热等问题。第三，是限制锂离子电池热失控在单个电池中的发展和在电池组，储能电池柜中的蔓延。其中一些主要的手段包括采用锂电池安全阀，在电池产生热失控的过程中进行泄气；在电池组中或电池组间增加隔热阻燃材料，限制火灾蔓延所带来的热失控传播；对于锂离子电池的热失控进行早期预警，进而及时采用灭火措施。

然而，现有技术手段对控制锂电池热失控依然存在着很多不足。首先是，提高电池质量和一致性，这与锂离子电池大规模生产、大规模应用的需求量相矛盾。对于工业应用的产品而言，合格率不可能达到100％，生产总量和应用规模越大，出现事故电池的绝对数量会越多。同时应用规模越大，也越难于保证对每个锂电池电压、电流和温度的控制精度，这也使得发生事故的可能性增加。而单个锂离子电池的着火、爆炸，极可能会造成整个储能电站的着火、爆炸。另外，在锂离子电池安全阀设计中，将汽化的电解液从电池中放出，能够很大程度上提高单个电池的安全性。但可燃的电解液蒸气与空气混合，极容易到达闪点或爆炸极限，会在极快的速度内引发更为严重的电堆、电站尺度的燃烧或爆炸。当储能电站的锂离子电池组间没有很好的相互分隔，即有效阻止火焰、爆炸传播时，即使成功早期预警，由于大量锂离子电池已着火，其防爆灭火仍是极为困难的。