电池储能不安全？温度、电流、电压传感器能否化解安全问题

电子发烧友网报道（文/李诚）在各国大力推进“碳中和”的背景下，电池储能是一种实现绿低碳最为行之有效的办法，电池储能市场也迎来了新的拐点。自储能产业的发展被提上日程以来，储能电池市场呈现了指数型增长的态势，甚至电池储能市场出现了供不应求的局面，随着电池储能系统装机量的增加，宁德时代、中航锂电、比亚迪等电池企业也在储能应用板块持续加码，迎接万亿市场的到来。
 
电池储能快速增长，安全问题不容忽视
 
电池储能的快速发展对于构建新型绿色能源，实现“碳中和”目标有着积极的推动意义。但是安全问题似乎又成为了限制电池储能行业发展的一大因素，据不完全统计，2021年全球范围内储能火灾事故将近30余起，电池储能安全形势十分严峻，在造成巨大经济损失的同时，还带来了血和泪的教训。
 
2021年4月16日，位于北京丰台区的国轩福威斯光储充供电有限公司变电室突发大火，北楼发生爆炸。据北京消防警情报告，此次因储能电站南楼的电池储能柜突发大火，火灾牵连至北楼引发爆炸，该爆炸事故造成了两名消防员牺牲，一位值班员工遇难以及一位消防员受伤的惨剧。事故后经现场调查与仿真事故发生过程等多方论证后，得出此事爆炸事故是由电池热失控引起的。
 
今年年初，1月12日和17日，韩国接连发生了两起储能电站火灾事故。在蔚山南区SK能源公司发生火灾后的第5天，位于庆尚北道军威郡牛宝郡新谷里的太阳能发电厂突发大火。经鉴定，这起火灾的最初起火点为厂房内的电池储能设备，同样这起火灾也是因为储能电池内部热失控引起的。
 
现如今落地的储能项目越来越多，项目的规模也越来越大，电池储能的安全性能与可靠性正面临着诸多的质疑与考验，储能安全究竟该如何化解？
 
电池储能安全该如何化解？
 
在电池储能系统中，实现降低火灾风险最为行之有效的办法就是在电池组的电路中加入对电池温度、电流、电压的感知系统，并对处于异常状态的电池进行管理，这也是常被我们称之为BMS的电池管理系统。
 
BMS集成了温度传感器、电流传感器与电压传感器等对电池状态感知的元件。在电池储能应用中，温度传感器主要是负责对电池温度变化的感知，当电池温度达到一定阈值时BMS会自动终止电池的充放电操作；电流传感器主要负责对电池电流的变化进行感知，BMS能够对电流的变化判断出电池储能系统是否有短路的发生；电压传感器主要负责对电池电压变化进行监控，方便BMS判断电池当前的电量情况，避免过充的情况发生。着三种传感器的加入最终目都是为了实现电池的热管理，从源头上避免电池热失控的问题出现，提高电池储能系统的安全性与可靠性。
 
TDK动力电池温度传感器
 
此前，TDK为避免汽车动力电池出现热失控的问题，推出了一款满足车规级动力电池应用的温度传感器B58703M1103A。
 

 
图源：TDK

 
TDK推出的这款传感器能够满足在－40℃到150℃两种极端环境下的应用，同时为增加传感器的可靠性和使用寿命，TDK还将此款温度传感器的短时耐受温度提高到了200℃。同时该传感器还通过了有关汽车储能的化学与机械冲击测试，使用寿命达到了LV 124的标准，电阻也达到LV 123 H3等级，相当于2.5 kV DC。卓越的电气特性进一步降低了传感器在汽车生命周期内的损坏率，实现汽车动力电池长期稳定的温度监测。
 
在传感器的连接部分，TDK采用了外置双绞线的设计，减少PCB上的电路铺设，提高EMC性能。在传感器的固定部分采用了化学性质活跃度较低的铜合金圆环设计，简化了传感器的安装难易程度，提高了元器件热耦合性和防止腐蚀的能力。
 
TI电流、电压、温度监控传感器
 
在电流、电压监测方面，TI也推出了一款具有高精度的数字型功率监控器INA229-Q1 。该芯片集成了电流、电压、温度测量等多种功能。       
 

 
图源：TI

 
在电流监测方面，TI为该芯片专门设计了20位的Δ-ΣADC用以提升信号采样的速率，为进一步优化在测量时产生的噪声，ADC的转换时间可根据实际应用，在50µs到4.12ms内进行选择，采样平均值在1X至1024X之间。同时，该芯片还支持范围为－0.3V至+85V的电阻式分流器感测元件测量±163.84mV或±40.96mV的满量程差分输入，采样精度在±0.5%以内。在温度测量方面，片上集成了一个用于裸片温度测量的温度传感器，测量误差值在±1℃之间。
 
为尽可能地降低环境因素造成测量结果的误差，在芯片的研发阶段，TI为其加入了低温漂和增益漂移设计。得益于极低的失调电压和噪声，使得该芯片能够在mA至kA的宽电流应用中使用，并且芯片不会因为较宽的电流测量范围而产生额外的电能损耗。同时基于该芯片较低的输入电流偏置特性，搭配较大的电流检测电阻器，能够实现精度更高的电流变化测量，测量精度可达到微安级。
 
结语
 
在“碳中和”与“碳达峰”的政策背景，以及高比例的可再生能源的消纳压力之下，新能源在电力系统中的地位不断提升，电池储能的发展也被提上了日程。储能电站火灾频发致使各界对储能安全的关注提升到了一个新的高度，在储能应能中为避免电池热失控，温度、电流、电压传感器的使用必不可少。