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GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》

作者:官亦标 来源:储能标准化信息 发布时间:2021-01-29 浏览:
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GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》

官亦标

中国电力科学研究院有限公司,新能源与储能运行控制国家重点实验室

一、编制背景

随着电池储能应用规模逐渐增加,暴露出储能系统在质量和安全方面存在诸多问题和风险,对于电力系统来说,电池储能是一个新生事物,目前不能把它当做一个完全可靠完全成熟的标准化设备,一旦出现风险,责任重大,对相关方、对整个行业的影响巨大。主要原因在于电池具有不同于一般电力系统元件(物理器件)的特殊性和复杂性,特殊性主要体现在其内部的化学体系决定其固有潜在安全隐患,复杂性主要体现在其性能及其影响因素复杂多变,不同的标准不同的测试条件会得到不同的电池质量与安全测试评价结果。另外,储能电池与动力电池在应用需求、测试方法、关键性能、安全要求、标准适用等方面存在巨大的差异,动力电池行业的相关标准及应用管理经验不适用于储能行业,电池储能设备投运前若不能严格有效地执行适用于储能应用需求的标准,若不能实现事前、事中、事后全环节闭环监管,对于电池储能电站的安全可靠和高效稳定运行来说将是巨大的隐患。

从电池储能的结构层级角度,电池单体串并联组成电池模块,电池模块串并联组成电池簇,电池簇并联组成电池储能系统,电池储能系统并联组成电池储能电站,各个层级扮演不同的角色和作用,层层严格检验并确保电池工作参数和性能指标符合正确逻辑地逐级传递,是一个有机的整体,缺一不可,是保障电池储能系统符合相关标准要求以及从根本上提升电池储能电站整体质量和安全的关键。

电池单体是电池储能系统的最小组成单元,直接反映电池制造技术水平,其性能特别是循环性能与热失控等安全性能是电池储能系统整体质量和安全的基石,对电池单体进行标准化检验是为了从根源上保障电池储能电站整体的质量与安全。

电池模块是电池储能系统的最小模块化单元,直接反映电池分选配组及模块化制造技术水平,其性能特别是循环性能和热失控扩散等安全性能是电池储能系统整体性能的基础,也是最能直观反映系统整体性能的最小模块化单元,对电池模块进行标准化检验是为了保障电池模块层级的质量与安全设计水平。

电池簇是电池储能系统的功能化单元,直接反映电池系统集成和电池管理技术水平,其性能特别是初始充放电能量以及能量效率是系统整体性能的关键因素,直接决定了系统各项功能和性能指标的实现,对电池簇进行标准化检验是为了保障电池工作参数及性能指标的逐级正确传递以及电池簇层级的设计制造水平。

电池储能系统(预制舱式电池储能系统)是电池储能电站最小可独立运行的系统化单元,直接反映储能系统集成与管理技术水平,其性能特别是初始充放电能量、能量效率等基本性能以及高低电压穿越等涉网性能直接决定电池储能电站的整体质量和安全,对电池储能系统进行标准化检验是为了保障电池工作参数及性能指标的逐级正确传递以及电池储能系统层级的质量与安全。

本标准的编制即是针对电力储能用锂离子电池单体、电池模块、电池簇,考虑了储能电池与动力电池在应用需求、测试方法、关键性能、安全要求、标准适用等方面的差异,兼顾电力储能应用需求和锂离子电池技术发展水平,为锂离子电池在电力储能应用制定了基本性能、循环性能、安全性能方面的门槛性要求,侧重点在于对电池关键参数的定义和性能测试方法更贴近电力储能应用实际条件。电池储能系统中与电池直接相关的标准要求在电化学储能系统接入电网相关标准中规定,由此形成从电池核心部件到系统的闭环标准体系。

本标准的编制工作组涵盖了电力用户、科研机构、主流电池企业,在标准编制过程中,参编单位对相关技术指标及技术要求的确定进行了摸底测试,充分融合了实际应用需求与电池技术水平现状。

二、编制过程

2015.12:在北京召开了标准编制工作启动会,确立工作的总体目标,成立编制工作组,制定标准编制大纲和工作计划。

2016.04:在宁德召开大纲审查会。标准编制组在充分调研国内外电力储能相关标准和电池技术发展现状的基础上,组织研讨本标准编写框架。

2016.06:在洛阳召开第一次编制组工作会议。会议邀请了相关专家,重点讨论并明确了储能电池的层级划分及定义。

2016.08:在深圳召开第二次编制组工作会议。会议重点讨论了相关名词术语以及各个层级电池测试内容。

2016.12:在珠海召开第三次工作组会议。会议详细讨论了各个层级电池的技术指标以及测试方法,各参编单位开展实际测试并验证相关指标的合理性。

2017.03:在惠州召开第四次工作组会议。编制组对标准初稿内容达成一致意见,形成标准征求意见稿。

2017.04:在网上发布公开征求意见稿,同时定向征求相关单位意见,根据各单位反馈意见,编制小组对意见进行了汇总处理,并对征求意见稿进行了修改完善,形成标准送审稿。

2017.05:在北京召开标准送审稿审查会。

三、标准编制的主要特点和重要内容解读

本标准与动力电池等其他行业标准相比具有鲜明的储能应用特色,编制思维更贴近储能应用实际需求,注重追根溯源,关注从电池单体、电池模块、电池簇到电池系统层级的关键工作参数以及性能的逐级传递和正确的逻辑关系,对电池各个层级都提出了明确要求,呈现的有效信息充足,拒绝模糊地带,可以满足当前行业发展阶段对储能电池的测试评价需求。

本标准对保障现阶段储能电池的应用质量与安全将起到关键作用,主要解决了以下九个方面的问题和痛点:

(1)解决电池容量标注的问题:按照电力系统实际运行的容量(W/Wh)标注电池技术规格,而不是传统的容量(A/Ah)。

本标准定义了电池单体、电池模块、电池簇三个层级,进一步定义了额定充放电功率/能量等术语及相应的符号,突出了电力储能应用需要明确的电池功率、能量等关键信息,对规格信息的标示统一了要求,明确用于电力储能的锂离子电池需要标示出标称电压、额定充放电功率、额定充放电能量等最关键的技术规格信息。

(2)解决测试评价条件与实际应用条件脱节的问题:以功率-能量(W-Wh)作为测试评价条件,放弃传统的电流-容量(A-Ah)测试评价条件。

标准里提出的技术指标要求反映了在功率法评价体系下电池面向应用条件的真实技术水平。

(3)解决充放电能力对等问题:将充电性能和放电性能置于同等地位,分别提出技术要求并展示信息。

对于充电性能和放电性能存在差异的产品来说,通过该标准要求充分展现全面的技术信息,解决信息不对称问题。

(4)以全方位综合技术性能要求约束电池额定值、工作参数的设定及安全可靠性设计:通过倍率、滥用安全等性能要求传导至设计制造环节重视安全可靠性设计。

累计42个试验项目,从基本性能、循环性能、安全性能三方面对电池各个层级提出了全面的技术要求;标准设置的试验项目是相互制约、自成体系的综合技术要求,每个电池层级全部试验项目合格才能满足型式试验合格的要求;要兼顾所有的技术性能指标,需全面考虑电池相关的组成结构、工艺、热管理、电管理、连接件等方面的设计和生产控制。

其中倍率性能要求的作用,首先是限制不理性地定义额定功率等关键控制参数值,其次也与安全可靠性关联;安全存在概率问题,运行存在突发滥用情况,标准和检测本身不是目的,而是通过标准和检测的约束传导至设计制造环节要重视安全可靠性设计、研发及品控等,通过加强设计(如散热、连接)而不是偷工减料让产品安全风险回归正常概率;支撑突发失控及滥用条件下的安全可靠性;支撑系统的多年寿命以及安全可靠性保证。

(5)以电池单体、电池模块层级的循环性能要求作为电池寿命的统一评判标准,可满足对系统寿命的期望。

循环性能按照最严苛的满充满放条件评价,相对于实际运行工况属于加速测试,可以向下兼容浅充浅放条件的寿命期望。目前对电池系统层级提出的寿命要求只能说是一种寿命期望,电池系统层级的寿命目前阶段不方便直接验证,未来将通过全尺寸储能系统实证平台结合建模来解决系统层级寿命评估的问题;标准里规定了电池单体、电池模块层级的满充满放条件下的循环寿命要求,是对系统理论寿命做出预期的统一评判标准,可传导至电池设计制造环节,以对电池本体寿命的保证满足用户对系统寿命的期望。

满充满放条件下电池本体的寿命是所有充放电深度条件下寿命的下限值,可用来预期电池系统满充满放条件下寿命理论上限值,可向下兼容实际工况条件下系统的寿命预期;目前标准设定的循环寿命技术要求基本可以覆盖实际运行工况寿命需求,辅以定期容量考核可以保证用户权益;非满充满放条件下的寿命评价目前难以形成统一的标准,比如工况曲线及对电池的普适性难以明确,也无法向上兼容满充满放条件下系统的寿命预期。

(6)排除技术路线风险以及设计制造技术和品质控制不过关的风险:强化对电池单体、电池模块热失控安全性能的要求,以电池单体、电池模块层级的安全性能要求从根源上为储能电池规模化应用守住安全底线。

从电触发、机械触发、环境触发、热触发不同的角度对电池本体热失控安全性能提出了全面的要求,要求电池在触发热失控的条件下不起火不爆炸。通过国标安全试验可以筛选出满足储能应用安全要求的电池产品;安全测试是一票否决,可从根源上为储能电池规模化应用设置安全准入门槛;通过安全标准要求可以排除电池技术路线的风险、排除设计和制造技术不过关的风险,降低风险发生概率至正常水平,即使突发极端滥用情况也能守住不起火不爆炸的底线。

(7)消解电池技术选型的困惑:不限制电池的技术类型和技术特点,只要满足标准规定的全部技术指标要求,都可以同台竞技,实现将技术问题交给标准、将经济性问题交给市场。

通过以下标n表示的充放电小时率来体现开放和不歧视的原则,仅用标准来衡量,在确定的技术规格参数条件下,考察电池的基本性能、循环性能、安全性能是否全面满足标准要求,不再纠结于具体的电池材料体系、电池的外壳类型(硬壳、软包、圆柱)、容量大小、倍率大小、能量密度、是否梯次利用等,让电池技术选型有据可依。

例如,电池的“C”应是由制造商自行把握的设计和学术语言,用户没有必要干涉或过度关心所谓的“多少C”,在规划设计、可研、采购、评审等环节过多干涉非必要性的技术细节,可能带来错误引导,并使技术陷入呆滞。理论上任意“C”的电池都能组成用户需要的系统容量,用户只需清晰明确系统总容量(充/放电功率/能量额定值)、效率、安全等应用需求,并明确场地面积、承重、预算等边界条件即可,剩下的是系统集成商对照明确的需求和边界条件按照技术现实和经济性的平衡原则去自由选择,用户按照统一的标准要求对供应商提供的方案开展全环节实际检验和验证。

(8)解决电池关键控制参数不明确的问题:设定电池单体、电池模块、电池簇递进的产品层级,对它们分别进行测试评价既相对独立又互为补充,形成一个有机的整体,明确电池实际运行电压和温度限值设定值应与型式试验的设定值保持一致,且应唯一,确保电池工作参数及性能逐级传递且符合正确的逻辑关系。

电池各个层级要全面满足标准型式试验技术要求,各层级工作/性能参数应唯一确定且符合逻辑地传递,各层级工作/性能参数应逐级收敛。具体来说,应符合下列要求:

(9)解决电池有效信息不足、信息不对称的问题:以详实的数据记录表的形式记录电池技术规格信息以及试验过程中重要的过程数据和结果数据,使技术性能指标之间不再孤立,避免出现片面和误导的情形。

除了提出明确的技术要求的性能指标外,本标准注重在试验数据记录方面提供丰富的全面技术信息,例如电压差、温度差等电池一致性指标以及能量密度、不同试验条件下的能量效率等性能指标在型式试验报告中均有记录,作为重要的标准化技术数据参考,用户可以依据记录的测试结果在供需双方技术约定中提出相关性能指标的具体要求。

四、标准在储能电池全环节质量与安全技术监督检验中的应用

前已述及,电池具有不同于一般电力系统元件(物理器件)的特殊性和复杂性,对电池性能的评判严重依赖于统一的标准条件以及针对具体产品的全面实测数据。因此,只有全环节严格遵循标准要求并传导至产品设计制造,才能真正实现标准的价值,才能真正把控电池产品的初始质量与安全。这就需要用户将标准要求作为统一技术依据体现在规划、设计、可研、采购、评审、调试、验收、运行等事前事中事后技术监督的各个环节,且须依据标准规定的试验方法明确全环节技术监督检验具体要求及各环节的详细监督检验方案,由此才能形成对电池质量与安全管控的实质性约束,也由此才能传导至制造商真正将标准的技术要求融入到储能电池产品的正向设计开发和批量化生产管控过程。

从理论和实践来说,电池储能系统出现安全与质量问题的源头大概率还是看最核心的部件储能电池在电力系统大规模集中使用时的表现(容量、寿命、安全、可靠性等),为加强电池储能设备的质量与安全管控、提升电池储能设备投运前的标准化规范化水平、降低电池储能设备运行过程中安全和质量风险发生的概率,需将储能电池纳入全环节的质量与安全技术监督检验,将储能电池的出厂检验报告、型式试验报告和产品性能等级评价证书作为技术评判依据纳入储能设备采购的事前监督统一要求;将储能电池的到货抽检、电池储能系统并网检测纳入储能设备质量与安全事中监督流程;将电池储能系统运行过程中的充放电能量衰减率、能量效率的运行考核检测纳入储能设备质量事后监督流程。实现对投运的涉及到电网运行的电网侧、电源侧、用户侧储能设备进行全链条全环节闭环管理,引导储能行业走向严格执行储能标准的规范化健康可持续发展之路。

其中,出厂检验是供应商在自有试验平台依据标准要求自行开展的初步质量检验,检验项目有限,仅包含外观、极性、外形尺寸、初始充放电能量等基础性的试验项目,不能覆盖与电池质量与安全相关的关键电性能以及安全性能试验项目。

型式试验是通过对供应商自行送样的产品性能进行检测,检验供应商是否具备制造满足国标要求的储能电池产品的能力,电池的基本性能、循环性能、安全性能从根源上决定着储能电站的质量和安全水平,型式试验可为用户提供全面且准确的数据支撑,为电池技术选型、设备采购评审提供唯一可信的标准化技术信息,解决储能电池应用过程中的有效信息不足、信息不对称等痛点问题。

产品性能等级评价是在国标型式试验检验合格的基础上,结合对制造商进行生产线产品抽检的形式,以性能等级划分的形式结合详实的性能数据全方位展现和辨识储能电池产品的质量和安全技术水平,直接体现储能电池产品不同维度技术水平的区分度,为从根源上解决储能电池应用时的有效信息不足、信息不对称和技术比对筛选困难等痛点提供了一个更加便利的技术工具。

到货抽检是检验供应商实际供货产品是否满足国标中的短周期关键试验项目要求以及是否与型式试验送检产品性能一致,覆盖与电池质量与安全密切相关的关键电性能以及安全性能试验项目。由于电池的特殊性,无论是电池单体或者电池模块、电池簇、电池系统,其产品设计、原材料、生产工艺、品控、工作参数的改变对电池综合性能的影响巨大,因此对于用户来说,到货抽检是把控电池质量和安全的极其重要环节,是对供应商主动保证电池初始质量与安全的关键约束手段。

电池储能系统并网检测首先需要验证储能电池实际工作参数与检测参数的一致性和合理性,在此基础上验证与储能电池直接相关的储能系统关键指标是否满足采购要求,检验最终投运的储能系统是否能按照标准方法在标准认定以及双方技术约定的电池工作参数条件下达到承诺值,是规范储能设备接入电网的先决条件。

电池储能系统运行考核检测首先需要核查系统运行过程中电池实际工作参数与型式试验参数的一致性,在此基础上检验核查与储能电池直接相关的储能系统的充放电能量衰减率、能量效率等关键指标是否满足合同约定,是对供应商主动保证电池质保期内质量与安全的关键约束手段。

关键字:储能锂电池,国标

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