มาตรการป้องกันความปลอดภัยของระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่คืออะไร

มาตรการป้องกันความปลอดภัยของระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่คืออะไร

ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) สามารถจัดเก็บพลังงานได้เป็นเมกะวัตต์-ชั่วโมงภายในพื้นที่จำกัด เมื่อทำงานภายใต้พารามิเตอร์การออกแบบ มันจะชาร์จและคายประจุได้อย่างเชื่อถือได้เป็นเวลาหลายปี แต่เมื่อเซลล์เพียงหนึ่งเดียวในชั้นวางที่มีเซลล์หลายร้อยตัวเข้าสู่ภาวะร้อนล้น (thermal runaway) ปฏิกิริยาลูกโซ่อาจทำลายคอนเทนเนอร์ทั้งหมดภายในไม่กี่นาที สถาปัตยกรรมความปลอดภัยของ BESS ที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมจัดการความเสี่ยงนี้ผ่านระบบป้องกันที่แยกจากกันสี่ชั้น

ชั้นที่หนึ่ง: การป้องกันระดับเซลล์ผ่านระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System)

เซลล์ลิเธียม-ไอออนแต่ละเซลล์ในระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) มีช่วงการใช้งานที่ปลอดภัย ซึ่งกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และกระแสไฟฟ้า ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ตรวจสอบแต่ละเซลล์ทุกช่วงเวลาที่สั้นกว่าหนึ่งวินาที เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์หนึ่งๆ เกิน 4.25 โวลต์ระหว่างการชาร์จ—ซึ่งเป็นค่าเกณฑ์ที่ความเสี่ยงของการเกิดลิเธียมพลาติงและวงจรลัดภายในจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว—BMS จะสั่งให้ระบบแปลงพลังงานลดหรือหยุดกระแสไฟฟ้าสำหรับสายชาร์จนั้นทันที เมื่ออุณหภูมิของเซลล์หนึ่งๆ เกิน 60 องศาเซลเซียสระหว่างการปล่อยพลังงาน BMS จะลดกำลังงานของสายดังกล่าว หรือตัดการเชื่อมต่อทั้งหมด

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ติดตามสถานะสุขภาพโดยเปรียบเทียบความจุจริงกับความจุที่ระบุไว้บนป้ายชื่อ เซลล์ที่เสื่อมสภาพจนเหลือเพียง 70% ของความจุเดิมจะสร้างความร้อนมากขึ้นในแต่ละรอบการชาร์จ-คายประจุ เนื่องจากความต้านทานภายในเพิ่มสูงขึ้น BMS จะระบุเซลล์ที่ควรเปลี่ยนก่อนที่จะกลายเป็นอันตรายด้านความร้อน ระบบสมัยใหม่จากผู้รวมระบบระดับมืออาชีพใช้การตรวจวัดแรงดันและอุณหภูมิแบบสำรองซ้ำซ้อน — โดยมีเซ็นเซอร์อิสระสองตัวต่อโมดูลเซลล์ — จึงไม่เกิดจุดบอดจากการล้มเหลวของเซ็นเซอร์เพียงตัวเดียว

ชั้นที่สอง: การจัดการความร้อนและการกักเก็บ

ความร้อนเป็นทั้งอาการและสาเหตุของความล้มเหลว คอนเทนเนอร์ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส โดยไม่มีระบบระบายความร้อนแบบใช้พลังงาน จะทำให้อุณหภูมิภายในแร็กเพิ่มขึ้น 8–12 องศาเซลเซียสเหนืออุณหภูมิแวดล้อม จากการชาร์จและคายประจุเพียงอย่างเดียว การทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงกว่า 35 องศาเซลเซียสจะเร่งการเสื่อมสภาพของเซลล์แบบทวีคูณ — โดยอัตราการเสื่อมสภาพจะเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 10 องศาเซลเซียสเหนือค่ามาตรฐาน ระบบระบายความร้อนด้วยของไหล (liquid cooling systems) ซึ่งส่งของไหลหล่อเย็นผ่านแผ่นเย็น (cold plates) ที่สัมผัสโดยตรงกับแต่ละโมดูล จะควบคุมความแปรผันของอุณหภูมิระหว่างเซลล์ได้ภายในช่วง ±2 องศาเซลเซียสทั่วทั้งแร็ก ส่วนระบบระบายความร้อนด้วยอากาศที่ใช้การพาความร้อนแบบบังคับ (air-cooled systems with forced convection) เหมาะสมสำหรับการติดตั้งที่มีความหนาแน่นต่ำ แต่ยอมให้เกิดความต่างของอุณหภูมิที่กว้างกว่า

การกักเก็บทางกายภาพภายในแร็กช่วยป้องกันไม่ให้ความล้มเหลวของเซลล์เดี่ยวแพร่กระจายออกไป แผ่นแบ่งทำจากเหล็กที่ติดตั้งระหว่างโมดูลจะดูดซับและกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นในบริเวณจำกัด กำแพงกันเพลิงที่มีค่าความต้านทานไฟไหม้ไม่น้อยกว่า 60 นาที ตามมาตรฐาน IEC 62485-5 แยกแร็กแบตเตอรี่ออกจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง หม้อแปลงไฟฟ้า และอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ภายในคอนเทนเนอร์

ชั้นที่สาม: การตรวจจับและระงับเพลิง

เมื่อเกิดภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) จะปล่อยสารละอองเฉพาะตัวออกมา ได้แก่ ไอของอิเล็กโทรไลต์ คาร์บอนมอนอกไซด์ และไฮโดรเจน ซึ่งสามารถตรวจจับได้ด้วยเซ็นเซอร์วัดก๊าซที่ปล่อยออกนอกระบบ (off-gas sensors) ภายในเวลา 3–5 นาที ก่อนที่เซลล์จะปล่อยก๊าซหรือเกิดเปลวเพลิง การตรวจจับล่วงหน้าจะกระตุ้นการดำเนินการสามประการพร้อมกัน ได้แก่ การตัดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าของสายเซลล์ที่ได้รับผลกระทบ การเปิดใช้งานระบบระบายอากาศภายในคอนเทนเนอร์เพื่อขจัดก๊าซที่ติดไฟได้ และการเริ่มต้นระบบระงับเพลิง

ตัวแทนดับเพลิงแบบสเปรย์อัดแรงจะปล่อยอนุภาคที่มีโพแทสเซียมเข้าไปในพื้นที่ภายในภาชนะ ซึ่งจะขัดขวางปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่ระดับโมเลกุล โดยไม่ทิ้งคราบตกค้างที่อาจทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ต่างจากหัวจ่ายน้ำแบบสปริงเกอร์ อุปกรณ์ดับเพลิงแบบสเปรย์อัดแรงสามารถใช้ดับเพลิงประเภทบี (ของเหลวอิเล็กโทรไลต์) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และไม่ก่อให้เกิดเส้นทางลัดวงจรผ่านแอ่งน้ำที่สะสมอยู่ มาตรฐาน NFPA 855 กำหนดให้ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ที่มีความจุเกิน 50 กิโลวัตต์-ชั่วโมง ต้องติดตั้งระบบดับเพลิงอัตโนมัติที่เหมาะสมกับชนิดของเคมีภัณฑ์ในแบตเตอรี่

ชั้นที่สี่: การแยกฉนวนไฟฟ้าและการแยกการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

เมื่อตัวควบคุมระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ตรวจจับสภาวะผิดปกติ—ไม่ว่าจะเป็นความร้อน ไฟฟ้า หรือโครงสร้าง—การป้องกันขั้นแรกจะเป็นการแยกวงจรไฟฟ้าเสมอ ตัวต่อแบบกระแสตรง (DC-side contactors) จะเปิดออกระหว่างชั้นวางแบตเตอรี่กับระบบแปลงพลังงาน ส่วนเบรกเกอร์กระแสสลับ (AC breaker) ที่จุดเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้า (point of common coupling) จะเปิดพร้อมกัน เพื่อแยกระบบ BESS ทั้งระบบออกจากแหล่งพลังงาน (เช่น การชาร์จจากกริด) และโหลดอย่างสมบูรณ์ การแยกแบบกาลวานิก (galvanic isolation) นี้ช่วยป้องกันไม่ให้กระแสลัดวงจรแพร่กระจาย และทำให้เจ้าหน้าที่กู้ภัยที่เข้าใกล้ตู้คอนเทนเนอร์ต้องเผชิญเพียงพลังงานที่เก็บไว้ซึ่งค่อยๆ ลดลง แทนที่จะเป็นข้อบกพร่องด้านไฟฟ้าที่ยังได้รับพลังงานอยู่อย่างต่อเนื่อง

กรณีศึกษา: การติดตั้งระบบ BESS สำหรับภาคอุตสาหกรรม สามารถทนต่อแรงดันกระชากจากกริดได้

โรงงานผลิตในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ติดตั้งระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ขนาด 2 เมกะวัตต์-ชั่วโมง เพื่อลดพีคโหลดและเป็นแหล่งจ่ายไฟสำรอง โดยจัดหาอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบบูรณาการจากผู้ผลิตในมณฑลเหลียวหนิง ประเทศจีน ระหว่างเหตุการณ์ที่ระบบสายส่งไฟฟ้าปิด-เปิดโดยไม่ได้วางแผนซึ่งก่อให้เกิดแรงดันชั่วคราวสูงกว่าค่าปกติ 2.7 เท่า ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ตรวจจับแรงดันเกินภายในเวลา 4 มิลลิวินาที และตัดการเชื่อมต่อของคอนแทคเตอร์กระแสตรง (DC contactors) ก่อนที่คลื่นแรงดันจะถึงเซลล์แบตเตอรี่ สายการผลิตของโรงงานยังคงดำเนินการต่อโดยใช้พลังงานจาก BESS เป็นระยะเวลา 22 นาที ขณะที่ระบบสายส่งไฟฟ้าค่อยๆ กลับสู่ภาวะเสถียร การตรวจสอบหลังเหตุการณ์ยืนยันว่าไม่มีความเสียหายใดๆ ต่อเซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วจากบันทึกสุขภาพของระบบ (state-of-health logs) ของ BMS

คำถามที่พบบ่อย

ช่วงอุณหภูมิใดปลอดภัยสำหรับการใช้งาน BESS

เซลล์ลิเธียมเฟอร์โรฟอสเฟต (LFP) สามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยในช่วงอุณหภูมิ -20°C ถึง 60°C สำหรับการปล่อยพลังงาน และ 0°C ถึง 45°C สำหรับการชาร์จ การใช้งานนอกช่วงดังกล่าวจะเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของเซลล์ ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบแอคทีฟ (active thermal management) จะรักษาอุณหภูมิของเซลล์ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุด คือ 15–35°C เพื่อให้ได้อายุการใช้งานสูงสุด

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ตรวจจับความล้มเหลวของเซลล์ที่กำลังจะเกิดขึ้นได้อย่างไร

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ตรวจสอบการลดลงของแรงดันไฟฟ้าขณะใช้งาน แนวโน้มของความต้านทานภายใน และความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ เซลล์ที่มีความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นเกินร้อยละ 30 จากค่าพื้นฐาน หรือมีแรงดันไฟฟ้าเบี่ยงเบนเกิน 100 มิลลิโวลต์จากค่าเฉลี่ยของสายเซลล์ จะกระตุ้นสัญญาณแจ้งเตือน

ระบบดับเพลิงแบบสเปรย์แอโรซอลปลอดภัยสำหรับระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) หรือไม่

ใช่ ระบบดับเพลิงแบบแอโรซอลที่ใช้สารประกอบโพแทสเซียมได้รับการรับรองโดยเฉพาะสำหรับเพลิงจากแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน ตามข้อกำหนดการทดสอบ UL 9540A ระบบนี้ไม่ทิ้งคราบสารนำไฟฟ้าไว้ และไม่ก่อให้เกิดอันตรายด้านไฟฟ้าเช่นเดียวกับระบบที่ใช้น้ำ

ระยะห่างขั้นต่ำระหว่างภาชนะเก็บระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) คือเท่าใด

NFPA 855 กำหนดระยะห่างขั้นต่ำไว้ที่ 3 ฟุต (0.9 เมตร) ระหว่างภาชนะเก็บระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) หรือระหว่างภาชนะเก็บ BESS กับโครงสร้างที่มีผู้อยู่อาศัย สำหรับการติดตั้งขนาดใหญ่ที่มีกำลังเก็บพลังงานเกิน 250 กิโลวัตต์-ชั่วโมง อาจจำเป็นต้องใช้ระยะห่างที่มากกว่านี้ตามข้อบังคับด้านการดับเพลิงท้องถิ่น

ควรตรวจสอบระบบความปลอดภัยของระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) บ่อยแค่ไหน

ควรตรวจสอบการสอบเทียบแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทุกปี ควรทดสอบความสามารถในการดับเพลิงตามแนวทางของผู้ผลิตทุกหกเดือน การทดสอบความจุแบบปล่อยประจุเต็มระดับแร็กแนะนำให้ทำทุกสองปี

สามารถติดตั้งระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ภายในอาคารที่มีผู้ใช้งานได้อย่างปลอดภัยหรือไม่

ได้ ภายใต้มาตรการควบคุมและระบบระบายอากาศที่เหมาะสมตามข้อกำหนด IFC 1206 และ NFPA 855 แบตเตอรี่ชนิด LFP ถูกแนะนำสำหรับการติดตั้งภายในอาคาร เนื่องจากมีอุณหภูมิเริ่มต้นของการลุกลามความร้อนสูงกว่าแบตเตอรี่ชนิด NMC ผู้จัดจำหน่าย เช่น Sinotech Group มีการจัดเตรียมระบบ BESS ที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับการติดตั้งภายในอาคาร