Innovación. La estrategia de seguridad de la batería Growatt APX

A medida que avanza el desarrollo de las energías renovables, aumenta el número de sistemas de almacenamiento en baterías que se instalan en los hogares. Aunque estos sistemas contribuyen a la sostenibilidad y la independencia energética, los posibles problemas de seguridad asociados a ellos han empezado a captar la atención de los consumidores.

Una de las principales preocupaciones es el riesgo de fuga térmica. Las características químicas únicas de las baterías de litio, unidas a su capacidad de almacenamiento de alta densidad energética, las hacen susceptibles de sufrir incendios y explosiones cuando se utilizan o dañan de forma inadecuada.

El principio que conduce al desbordamiento térmico de las pilas se muestra en la siguiente figura:

Figura 1: Principio del desbordamiento térmico de la batería

Entre ellas, la causa principal del desbordamiento térmico en los sistemas de almacenamiento de baterías residenciales puede atribuirse a diversos factores eléctricos, como la sobrecarga, la sobretensión y los cortocircuitos.

Para hacer frente a este problema, es crucial que tanto fabricantes como consumidores den prioridad a una tecnología de baterías de alta calidad que incorpore funciones de seguridad avanzadas.

Como excelente fabricante en el área de las energías renovables, Growatt ha desarrollado una estrategia de seguridad integral desde el nivel de célula de batería individual hasta el nivel de sistema global. Este libro blanco pretende ofrecer una visión general de las medidas de seguridad implementadas en el sistema de baterías APX.

Figura 2: Diseño de la batería Growatt APX  

Estrategia de seguridad a nivel de celda

La célula de la batería es el corazón del sistema de baterías, y su seguridad es fundamental para garantizar la fiabilidad y seguridad generales de la solución de almacenamiento de energía.

En la seguridad de la celda de la batería influyen tres factores principales: el sistema químico de la celda de la batería, la calidad de producción de la celda de la batería y la supervisión de la temperatura en tiempo real durante el funcionamiento.

a) Química de las baterías:

En la actualidad, dos sistemas químicos de baterías muy populares son las baterías de Litio Ferro Fosfato (LFP) y las de Níquel Cobalto Manganeso (NCM). Como puede observarse en los gráficos de las características de las dos baterías que figuran a continuación, la batería NCM  tiene una mayor densidad de energía, y la batería LFP presenta una mayor estabilidad térmica, seguridad y vida útil. seguridad y duración.

Al mismo tiempo, las baterías LFP generan menos calor de reacción que las baterías NCM durante los procesos de carga y descarga.

Teniendo en cuenta estos factores, el sistema de baterías APX de Growatt ha elegido el material LFP como química celular. Esta decisión tiene su origen en dar prioridad a la seguridad y la fiabilidad general del sistema de baterías durante funcionamiento.

Figura 3: Características de las células LFP y NCM

b) Adquisición de baterías

El compromiso de Growatt con la seguridad y la fiabilidad de sus soluciones de almacenamiento de energía se ve subrayado por su colaboración a largo plazo con uno de los principales proveedores de baterías de China. Esta asociación estratégica está diseñada con un objetivo claro: garantizar la alta consistencia de cada célula de batería y minimizar los defectos durante el proceso de fabricación.

Además, antes de la producción de los módulos, Growatt comprueba los parámetros de las celdas para garantizar la consistencia en cada módulo de batería. El enfoque en la consistencia y el control de calidad se extiende desde las celdas individuales todo el módulo de la batería, haciendo hincapié en la seguridad de la batería.

c) Control de la temperatura de las celdas en tiempo real

La temperatura de las celdas es un parámetro crítico en los sistemas de baterías, ya que las altas temperaturas pueden provocar fugas térmicas y plantear graves riesgos para la seguridad. El sistema de baterías APX incorpora 8 sensores de temperatura de alta sensibilidad para controlar la temperatura de cada célula en tiempo real (un sensor por cada célula adyacente).

En caso de que se detecten temperaturas anormales durante el funcionamiento, el sistema de baterías desconecta inmediatamente el sistema para evitar un mayor calentamiento de las celdas de la batería.

Funciones de protección del sistema eléctrico

a) Supervisión de la corriente y la tensión del sistema

La implementación de sistemas de gestión de baterías (BMS) independientes para cada módulo de batería en el sistema de baterías APX es un elemento de seguridad clave. APX es una característica de seguridad clave. Cada módulo de batería del sistema de baterías APX está equipado con su propio BMS dedicado, que proporciona aislamiento y autonomía para las funciones de supervisión y control.

Figura 4: Sistema BMS independiente para cada módulo de batería

El BMS supervisa continuamente parámetros del sistema como la corriente y la tensión. Cuando la corriente supera el rango de seguridad, el módulo de batería puede desconectarse del sistema para evitar un funcionamiento anómalo posterior.

Además, el aislamiento de los módulos problemáticos minimiza el impacto en el sistema global, permitiendo que los módulos no afectados sigan funcionando con normalidad.

Además, el módulo de batería APX también está equipado con un fusible, que puede evitar que el cortocircuito de la batería se deteriore y se convierta en una fuga térmica de la batería en condiciones extremas de cortocircuito.

b) Transformador de aislamiento entre el BMS y el puerto de salida de la batería

En comparación con los sistemas de baterías convencionales, Growatt APX integra no sólo un BMS en cada módulo de batería, sino también un transformador de aislamiento para garantizar que no se produzca una conexión directa entre la célula interna y el puerto de la batería. La energía y la información pueden intercambiarse a través de ondas electromagnéticas.

Figure 5: Isolation transformer design

Este diseño garantiza la seguridad de la instalación y el mantenimiento para el instalador debido a la presencia de 0 V en el puerto de la batería.

Además, puede proteger las células de la alta tensión del lado del inversor para evitar el desbordamiento térmico.

Figura 6: 0 V en el puerto de la batería durante la instalación

Cuando finalmente se produce una situación crítica, la siguiente estrategia de diseño de protección puede ayudar a reducir el riesgo de exposición al fuego y expansión.

Protección de la estructura mecánica

La batería Growatt APX dispone de un diseño de protección IP66 y puede adaptarse a diversas circunstancias de instalación.

Al mismo tiempo, el diseño del nivel de protección IP66 proporciona un entorno de protección completamente sellado para el interior de la batería. Un espacio completamente cerrado puede proporcionar las siguientes protecciones:

a) Este espacio cerrado sirve como protección integral, impidiendo la entrada de oxígeno para bloquear eficazmente la combustión con llama abierta.

Figure 7: IP66 isolation design

b) Encierra el gas de alta temperatura y el humo generado por el desbordamiento térmico de la célula en el interior de la batería al máximo para evitar la propagación de la alta temperatura y minimizar el riesgo de incendio. (Nota: Basándose en el fenómeno de prueba de UL9540A, la alta temperatura derretirá la tira de sellado y el humo se propagará al exterior).

Figura 8: El gas y el humo a alta temperatura se encierran en un módulo

Certificados del sistema de baterías Growatt APX

Certificado de nivel de célula:

UL 1642: Reconocida internacionalmente como norma para evaluar exhaustivamente la seguridad y fiabilidad de las baterías de litio en diversas condiciones extremas.

UL 1642

Certificado de nivel de batería Growatt APX:

ANSI/CAN/UL 9540A:2019: UL 9540A es un método de ensayo utilizado para evaluar los impactos de embalamiento térmico en un BESS. Este informe demuestra que no existe riesgo de fuga térmica del pack de baterías inicializado a otros y no se observaron llamas durante la prueba.

VDE-AR-E 2150-50:2017: Esta es la primera norma de seguridad integral del mundo para sistemas de almacenamiento de energía, que cubre la mayoría de los riesgos de seguridad implicados en los sistemas de almacenamiento de energía, incluida la seguridad eléctrica, compatibilidad electromagnética, seguridad funcional, gestión de la energía, seguridad del transporte seguridad, seguridad de la instalación, gestión del desmantelamiento, etc.

IEC 62619:2017: especifica los requisitos y ensayos para el funcionamiento seguro de las pilas de litio secundarias y baterías secundarias de litio utilizadas en aplicaciones industriales, incluidas las aplicaciones estacionarias.

UL 9540A:2019                     VDE-AR-E 2150-50:2017                IEC 62619:2017