Các biện pháp bảo vệ an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng pin là gì?

Các biện pháp bảo vệ an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng pin là gì?

Một Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) tích hợp hàng megawatt-giờ năng lượng vào một diện tích nhỏ gọn. Khi hoạt động trong các thông số thiết kế, hệ thống này sạc và xả một cách đáng tin cậy trong nhiều năm. Tuy nhiên, khi một tế bào đơn lẻ trong dàn gồm hàng trăm tế bào bắt đầu rơi vào trạng thái mất kiểm soát nhiệt, phản ứng dây chuyền có thể phá hủy toàn bộ container chỉ trong vài phút. Kiến trúc an toàn của một BESS được thiết kế đúng cách giải quyết rủi ro này thông qua bốn lớp bảo vệ độc lập.

Lớp Một: Bảo vệ ở cấp độ tế bào thông qua Hệ thống Quản lý Pin

Mỗi tế bào lithium-ion trong hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có một cửa sổ hoạt động an toàn được xác định bởi điện áp, nhiệt độ và dòng điện. Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát từng tế bào ở khoảng thời gian dưới một giây. Khi điện áp của một tế bào vượt quá 4,25 V trong quá trình sạc — ngưỡng trên đó nguy cơ mạ lithium và ngắn mạch bên trong gia tăng nhanh — BMS ra lệnh cho hệ thống chuyển đổi công suất giảm hoặc ngừng dòng sạc đến chuỗi đó. Khi nhiệt độ của một tế bào vượt quá 60°C trong quá trình xả, BMS giảm công suất của chuỗi hoặc ngắt kết nối hoàn toàn.

BMS theo dõi trạng thái sức khỏe bằng cách so sánh dung lượng thực tế với dung lượng ghi trên nhãn. Một tế bào pin suy giảm xuống còn 70% dung lượng ban đầu sẽ sinh nhiệt nhiều hơn mỗi chu kỳ sạc-xả so với một tế bào pin khỏe mạnh vì điện trở trong của nó đã tăng lên. BMS đánh dấu các tế bào cần thay thế trước khi chúng trở thành mối nguy hiểm về nhiệt. Các hệ thống hiện đại từ những nhà tích hợp có kinh nghiệm sử dụng cảm biến điện áp và nhiệt độ dự phòng—hai cảm biến độc lập cho mỗi mô-đun tế bào—do đó, sự cố của một cảm biến đơn lẻ sẽ không tạo ra điểm mù.

Tầng Hai: Quản lý và chứa nhiệt

Nhiệt vừa là triệu chứng vừa là nguyên nhân gây hỏng hóc. Một container hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) hoạt động trong môi trường có nhiệt độ xung quanh 40°C mà không có làm mát chủ động sẽ khiến nhiệt độ bên trong giá đỡ tăng cao hơn nhiệt độ môi trường từ 8–12°C chỉ do chu kỳ sạc–xả. Việc vận hành liên tục ở nhiệt độ trên 35°C làm gia tốc quá trình suy giảm tế bào theo cấp số mũ—khoảng gấp đôi tốc độ suy giảm cho mỗi lần tăng 10°C so với nhiệt độ danh định. Các hệ thống làm mát bằng chất lỏng, trong đó chất làm mát được tuần hoàn qua các tấm tản nhiệt tiếp xúc trực tiếp với từng mô-đun, giúp duy trì độ chênh lệch nhiệt độ giữa các tế bào trong toàn bộ giá đỡ ở mức ±2°C. Các hệ thống làm mát bằng không khí sử dụng đối lưu cưỡng bức phù hợp với các lắp đặt mật độ thấp hơn nhưng cho phép xuất hiện các gradient nhiệt lớn hơn.

Việc bao bọc vật lý bên trong giá đỡ ngăn chặn sự cố ở một tế bào đơn lẻ lan rộng. Các tấm ngăn bằng thép giữa các mô-đun hấp thụ và tản nhiệt cục bộ. Các rào cản chống cháy có thời gian chịu lửa tối thiểu 60 phút theo tiêu chuẩn IEC 62485-5 phân cách các giá đỡ pin với thiết bị điện tử công suất, máy biến áp và thiết bị đóng cắt bên trong container.

Lớp ba: Phát hiện và dập tắt đám cháy

Hiện tượng chạy nhiệt không kiểm soát giải phóng một dấu hiệu dạng khí-aerosol đặc trưng — hơi dung môi điện ly, carbon monoxide và hydro — có thể được phát hiện bởi các cảm biến khí thải chuyên dụng sau 3–5 phút trước khi tế bào xả khí hoặc bốc lửa. Việc phát hiện sớm kích hoạt đồng thời ba hành động: ngắt kết nối điện đối với chuỗi bị ảnh hưởng, kích hoạt hệ thống thông gió của container để loại bỏ khí dễ cháy, và khởi động hệ thống dập tắt.

Các chất dập lửa dạng khí dung phun đầy bên trong container bằng các hạt vi mô chứa kali, làm gián đoạn phản ứng cháy ở cấp độ phân tử mà không để lại cặn gây hư hại thiết bị điện tử. Khác với hệ thống phun nước, hệ thống khí dung hiệu quả đối với đám cháy loại B (chất điện phân dạng lỏng) và không tạo ra đường dẫn chập mạch do nước đọng lại. Tiêu chuẩn NFPA 855 yêu cầu các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có công suất vượt quá 50 kWh phải được bảo vệ bởi một hệ thống dập lửa tự động phù hợp với hóa học của pin.

Tầng bốn: Cách ly điện và ngắt kết nối với lưới điện

Khi bộ điều khiển hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) phát hiện điều kiện sự cố — nhiệt, điện hoặc cơ cấu — hành động bảo vệ đầu tiên luôn là cách ly điện. Các công tắc tiếp điểm ở phía DC mở ra giữa các giá pin và hệ thống chuyển đổi điện năng. Bộ ngắt mạch xoay chiều (AC) tại điểm kết nối chung với lưới điện cũng đồng thời mở ra, tách toàn bộ hệ thống BESS ra khỏi cả nguồn năng lượng (sạc từ lưới) lẫn tải. Việc cách ly galvanic này ngăn dòng sự cố lan truyền và đảm bảo rằng những người ứng cứu đầu tiên tiếp cận container chỉ phải đối mặt với năng lượng tích trữ đang suy giảm chứ không phải một sự cố điện đang được cấp điện chủ động.

Vụ việc: Hệ thống BESS công nghiệp chịu đựng đợt tăng áp trên lưới điện

Một cơ sở sản xuất tại Đông Nam Á đã lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) công suất 2 MWh nhằm giảm tải đỉnh và cung cấp điện dự phòng, được cung cấp bởi một nhà cung cấp thiết bị điện tích hợp có trụ sở tại Liêu Ninh, Trung Quốc. Trong một sự kiện đóng lại lưới điện ngoài kế hoạch gây ra xung điện áp đạt 2,7 lần điện áp định mức, hệ thống quản lý pin (BMS) đã phát hiện tình trạng quá áp trong vòng 4 mili giây và ngắt các công tắc tiếp điểm một chiều (DC contactors) trước khi xung này lan tới các tế bào pin. Dây chuyền sản xuất của cơ sở tiếp tục hoạt động nhờ nguồn điện từ BESS trong 22 phút trong khi lưới điện ổn định trở lại. Kiểm tra sau sự cố cho thấy không có tổn hại nào đối với các tế bào pin, điều này được xác nhận bởi nhật ký trạng thái sức khỏe (state-of-health) của BMS.

Các câu hỏi thường gặp

Dải nhiệt độ nào là an toàn cho hoạt động của BESS?

Các tế bào lithium sắt phốt phát (LFP) hoạt động an toàn trong khoảng nhiệt độ từ -20°C đến 60°C khi xả điện và từ 0°C đến 45°C khi sạc. Việc vận hành ngoài dải nhiệt độ này sẽ làm tăng tốc độ suy giảm hiệu suất. Hệ thống quản lý nhiệt chủ động duy trì nhiệt độ tế bào trong dải tối ưu từ 15°C đến 35°C nhằm đạt tuổi thọ chu kỳ cao nhất.

BMS phát hiện dấu hiệu sắp xảy ra sự cố tế bào như thế nào?

BMS giám sát độ sụt điện áp dưới tải, xu hướng điện trở trong và độ lệch điện áp giữa các tế bào. Một tế bào có điện trở trong tăng hơn 30% so với giá trị ban đầu hoặc có điện áp lệch hơn 100 mV so với trung bình của chuỗi sẽ kích hoạt cảnh báo.

Các hệ thống dập lửa dạng khí dung có an toàn cho BESS không?

Có. Các hệ thống khí dung sử dụng tác nhân dựa trên kali đã được xác nhận cụ thể cho đám cháy pin lithium-ion theo yêu cầu thử nghiệm UL 9540A. Chúng không để lại cặn dẫn điện và không tạo ra các mối nguy về điện như các hệ thống dùng nước.

Khoảng cách tách tối thiểu giữa các container BESS là bao nhiêu?

NFPA 855 yêu cầu khoảng cách tối thiểu là 3 feet (0,9 mét) giữa các container BESS hoặc giữa một container BESS và công trình có người ở. Các lắp đặt lớn hơn 250 kWh có thể yêu cầu khoảng cách tách lớn hơn theo các sửa đổi cục bộ của quy chuẩn phòng cháy chữa cháy.

Các hệ thống an toàn BESS nên được kiểm tra thường xuyên như thế nào?

Việc hiệu chuẩn điện áp và nhiệt độ của hệ thống quản lý pin (BMS) nên được xác minh hàng năm. Chức năng của hệ thống dập lửa cần được kiểm tra hai lần mỗi năm theo quy trình do nhà sản xuất quy định. Việc kiểm tra dung lượng xả đầy đủ ở cấp độ giá đỡ được khuyến nghị thực hiện mỗi hai năm một lần.

Có thể lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) một cách an toàn trong tòa nhà đang có người sinh hoạt không?

Có, miễn là có các biện pháp chứa đựng và thông gió phù hợp theo IFC 1206 và NFPA 855. Hóa chất LFP được ưu tiên cho các lắp đặt trong nhà do nhiệt độ bắt đầu hiện tượng chạy nhiệt (thermal runaway) cao hơn so với NMC. Các nhà cung cấp như Sinotech Group cung cấp các cấu hình BESS được thiết kế đặc biệt cho việc triển khai trong nhà.