产业报告：英国住宅储能系统安全风险分析（一）

住宅电池储能系统不仅是可以为消费者节省成本的具有吸引力的一种选择，而且通过最大限度地利用可再生能源。尽管电池的高成本一直是其限制储能部署增长的主要因素，但电动汽车(EV)市场规模的快速增长将会继续压低锂离子电池的价格，这将进一步激励电池市场快速发展。

0 序言

尽管住宅用户对于电池储能系统发生的安全事故知之甚少，但在住宅环境中使用电池储能用能系统仍存在安全隐患。针对这一问题，本报告受对英国住宅电储能系统的潜在故障机制、与故障相关的危害、风险缓解以及现有安全标准和目前正在制定的标准进行了广泛研究。报告发现，如果电池储能制造商和安装商遵循最佳的行业实践和标准，以显著降低住宅电池储能系统在应用中的风险。

•该评估报告的一部分涉及与利益相关者，以便更好地了解他们的担忧，收集他们的改进建议，并解决他们面临的问题。一个重要的观点是，虽然电池储能行业仍处在早期阶段，但现在是考虑所有潜在安全情况以及如何正确地运营电池储能系统的时候了，需要制定相关的安全标准和准则，因为电池储能系统将广泛部署，并逐渐成为人们日常生活的一部分。因此，建立技术合理、更具意义的安全标准对于电池储能系统的成功至关重要。

根据最近的一些研究，锂离子电池的主要火灾特征可归纳为以下三种风险类别：

•当电池发生故障和热失控并蔓延时，电池组内部产生的热量过多，这突出了电池组隔离设计的必要性，以最大限度地降低蔓延风险，并限制电池/模块之间的火灾蔓延。早期检测和在单个电池开始失效时冷却方法，对于避免电池储能系统的热失控至关重要。

•电池或电池组发生热失控故障会产生大量有毒气体，这是由于电池升温时压力迅速升高和排气口释放造成的。而在电池储能系统的设计和部署中必须考虑对电池产生的气体的管理和排放。

•在设计通风系统时，需要特别考虑如何处理电池发生火灾产生的有毒气体。

从电池单元到系统设计和系统安装，各个层面的风险缓解都有很多可能性。许多缓解风险和要求都包含在现有标准或正在制定的标准中。以下是有关风险缓解的一些注意事项：

•电池管理系统(BMS)在将电池保持在电压、电流和温度的工作窗口内方面发挥着核心作用。电池储能系统的安全标准具有适用于电池管理系统(BMS)的特定要求和测试。

•虽然电池单元故障虽然很少见，但确实会发生。对于结构良好的18650电池，内部事件的故障率估计为千万分之一(0.1ppm)。这意味着1万个电池储能系统中就有一块电池发生故障（假设一个5kWh的电池储地能系统采用500个18650电池）。这并不是说每一万个电池储能系统中必然有1个电池储能系统发生故障，并且有很大的火灾风险。电池储能系统的正确设计和构造应该能够防止电池故障的蔓延。因为单个电池故障应该是可控的。

•如果系统设计良好，则应考虑由单个电池引起的热失控事件的蔓延。这对于缓解电池储能系统的风险非常重要，并且将对其整体风险评估产生重大影响。控制电池组内的单个电池故障，可以降低电池储能系统故障和住宅火灾的风险。而适用于住宅锂离子电池储能系统的标准（例如BSEN62619和IEC62933-5-2）包含对电池故障蔓延的评估。

英国对电池储能系统的安全要求可以 分为电气安装要求、电网连接要求、产品安全监管要求、危险品监管要求。其产品安全涉及几类安全标准，例如电能储能系统、锂离子电池、控制和电池管理系统、电力电子变流器系统和逆变器以及电磁兼容性（EMC）。

一些适用于锂离子电池储能系统的标准目前正在制定或最近发布。最近发布的第一版IEC62933-5-2涵盖了住宅电池储能系统的安全性。即将发布的版本的IEC62933-5-2标准很可能要求锂离子电池储能系统应符合BSEN62619、IEC62485-5（制定中）和IEC63056等标准。如果制定和发布这些标准的目的是作为低电压指令或通用产品安全指令下的协调标准，或在其他标准或法规（如BS7671）中引用，它将有助于明确表明符合法规的过程。当前的电池储能系统通常仅根据BSEN62619标准进行测试。

1、简介

住宅电池储能系统不仅是可以为消费者节省成本的具有吸引力的一种选择，而且通过最大限度地利用可再生能源。本报告对住宅电池储技术及其应用进行了审查，以了解可能需要采取哪些进一步措施来降低风险。重点是锂离子电池技术，因为它现在主导着电池储能系统的新设计。

该研究描述了电池储能系统的运营维护、市场状况以及对已经发布的电池储能系统火灾数据的审查。此外，还阐述了锂离子电池如何发生故障，以及低故障风险或影响的电池储能设计和安装中的最佳实践等缓解措施。

幸运的是，英国锂离子电池储能系统的火灾记录很少，因此该报告包括在应用中如何处理锂离子电池储能系统火灾的经验和教训，还考虑了热失控、内部压力快速升高以及产生毒性气体的原因和影响。

2、电池储能系统

2.1、电池储能系统的设计

电池储能系统通常由以下几部分组成：电池子系统、储能系统外壳、功率转换子系统、控制子系统、辅助子系统和接线端子（如图1所示）。

图1电池储能系统内部组件简化示意图

2.2、电源转换子系统

电源转换子系统(PCS)在与电源之间的能量传输中发挥着关键作用。它包逆变器/充电器，通常采用双向设计，但有时可能是单独的组件。在为电池充电时，它从交流电源（连接点）汲取电流并将其转换为直流电。当将电力输出到电网或本地“自供电”时，逆变器将电池子系统提供的直流电源转换为交流电源。

目前市场上的电池储能通常是以下三种类型之一：

•使用“现成的”双向逆变器。

•使用专有设计的逆变器或改装的商业产品。

•仅作为“储能系统”提供的双向逆变器 ，需要安装商、系统集成商或最终用户提供合适的电源转换器。

充电器/逆变器可以单独管理储能系统输入或输出的电力，或者可以集成其他本地的可再生能源，最常见的是太阳能发电系统。

2.3、辅助子系统

辅助子系统包括旨在执行电池储能系统辅助功能（例如供暖、通风、消防 、空调系统）的所有必要设备。

2.4、控制子系统

控制子系统用于监测和控制电池储能系统。它可能包括通信子系统、保护子系统和管理子系统。

2.5、电池子系统

电池子系统由电池管理系统(BMS)和分为多个模块的电池组成。

为了安全运行，电池需要保持在其电压、温度和电流的额定范围内，因此需要电池管理系统(BMS)进行管理。对于规模较大的电池储能系统，通常采用单独的电池管理系统(BMS)在不同的级别上运行。电池管理系统(BMS)是电池储能系统中安全系统的关键部分，此外还有硬件保护功能。

在设计安全的电池子系统时必须考虑许多因素。电池管理系统(BMS)的设计和工程是一个安全的关键问题。电池管理系统(BMS)是电池安全运行的核心。如果设计得当，电池管理系统(BMS)将提早发现潜在问题，并采取行动减轻潜在后果。

3、电池技术

表1显示了当今电池储能系统中最常用的铅酸电池和锂离子电池的特性。

表1铅酸电池与锂离子电池的特性

电池储能系统中使用的电池技术可能会有所不同，但目前市场上用于构建电池储能系统的大多数电池都是锂离子电池。然而，阀控式铅酸电池传统上一直占主导地位，并且仍在许多已安装的电池储能系统中使用。对于这种应用，铅酸电池的主要缺点是它们在充电/深度放电时的寿命有限。因此，它们通常并不用于住宅电池储能系统。因此，该报告并没有进一步介绍铅酸电池。

3.1、锂离子电池

锂离子电池由一系列不同的电池材料和组件构成，其中主要反应是锂离子分别传输和嵌入到阴极和阳极中。最常见的阳极材料是石墨，但也有硬碳和钛酸盐的替代品。硬碳和钛酸盐提供了更好的动力能力和循环寿命，但能量密度并不高。而电池阴极材料通常是金属氧化物，一些最常见的阴极类型是NMC（锂化镍锰钴氧化物）、NCA（锂化镍钴铝氧化物）、LCO（锂化钴氧化物）和LFP（磷酸铁锂）。它们都具有各自不同的特性，但磷酸铁锂电池（LFP）具有较低的电压，因此比其他电池具有较低的能量密度。

阳极和阴极由多孔隔板隔开，隔板通常由多层聚合物组成。电极和隔膜浸泡在电解液中，电极之间的电解液可以输送锂离子。而电解质由溶解有锂盐（LiPF6）的有机溶剂组成。

3.1.1、锂离子电池

如今有三种不同形状的电池：圆柱形、软包电池和棱柱形。电极可以堆叠或卷绕。电池是密封的，在正常操作下不应发生排气。

锂离子电池的不同外形尺寸

电池串联和并联以分别增加电压和容量。对于规模较大的电池组，电池通常分组为称为模块的子组，然后可以将模块串联或并联以形成完整的电池组。

电池的生产和电池构造可能相当复杂。而现有电池和系统标准的应用涉及性能和安全性，尽管它们会不断进行审查和改进，但它们并没有完全解决涉及电池设计和制造的所有复杂性，因此偶尔会出现电池故障。而化学或结构的适度变化可能会产生严重后果。从安全角度来看，应该记住的是，如今市场上有数十亿块电池，从这个角度来看，事故率实际上非常低，大约百万分之一或者可能低至千万分之一。

4、英国储能市场回顾

英国市场部署的电池储能系统通常来自全球供应商和英国本土厂商，预计未来几年供应商的数量会增加。电池储能系统的价格可能会有很大差异。根据一份调查报告，电池价格从500英镑到10,000英镑不等，并且不包括安装成本。而电池储能系统成本（不包括安装成本）的平均约为1,000英镑/kWh。根据储能系统的复杂性，其安装成本可能从500英镑到2,000英镑以上不等。一些电池储能系统还采用逆变器，而这可能需要增加约1,000英镑的成本。

4.1、电池储能系统的安装示例

4.2、英国市场电池储能系统示例

在英国市场上可以找到的产品示如表2所示。该表总结了每家电池储能系统制造商网的信息。这些住宅电储能系统的储能容量范围从2.5到25.2kWh之间。电池模块的标称电压一般在50V左右，但有些电池储能系统的标称电压更高。虽然无法为每个储能系统找到每个电池模块的额定容量，然而其范围从1kWh和6.3kWh之间。电池储能系统采用的电池通常是锂镍锰钴氧化物(NMC)电池或磷酸铁锂(LiFePO4)电池。

这些电池产品均带有CE标志。电池模块测试的常用电池安全标准是IEC62619。对于逆变器，IEC62109-1和IEC62109-2是常用的安全标准。许多住宅电池储能系统还根据UL1973（电池模块）和UL1741（逆变器）等标准获得了北美市场的认证。具体而言，对于英国市场，逆变器还需要符合工程建议G.83/2(G98)和G.59/3(G99)。国内BESS的适用标准总结在第7节和附录1中。

表2英国采用的电池储能系统产品