基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全技術

孟祥鵬

摘? 要：基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全對于保障電池儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要作用。文章基于鋰離子電池熱失控特征分析選擇了基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法，并充分結合多級防護機制來進行消防安全系統(tǒng)設計，有效提升了電池儲能系統(tǒng)工作的安全性。

關鍵詞：鋰離子電池;消防安全;儲存系統(tǒng)

中圖分類號：TM912? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0150-02

Abstract： The fire safety based on lithium-ion battery energy storage system plays an important role in ensuring the safe and stable operation of the battery energy storage system. Based on the analysis of thermal runaway characteristics of lithium-ion battery， this paper chooses the thermal runaway identification method based on battery gas analysis， and fully combines the multi-level protection mechanism to design the fire safety system， which effectively improves the safety of the battery energy storage system.

Keywords： lithium-ion battery; fire safety; storage system

隨著儲能系統(tǒng)在配電網中的應用越來越廣泛，基于電池儲能系統(tǒng)的消防安全技術也越來越受到人們的重視，主要原因在于儲層系統(tǒng)一旦發(fā)生事故將可能造成重大的經濟損失和人員傷亡。2018年7月在韓國發(fā)生了一起由于儲層系統(tǒng)中設備過熱導致的重大火災，在這場火災事故中共有720平米的儲能建筑以及3600組鋰電池損毀，對電網系統(tǒng)造成了非常嚴重的經濟損失。可見在儲能系統(tǒng)應用中其消防安全建設至關重要。在儲能系統(tǒng)消防安全研究中關于鋰離子電池的消防安全一直是國內外專家學者們研究的重點內容。我國大亞灣核電站在儲能系統(tǒng)應用中建立了一個基于鐵鋰蓄電池的大容量儲層消防安全系統(tǒng)，在核反應堆工作過程中應用該系統(tǒng)可以對其溫度變化情況進行有效監(jiān)控，數據顯示該系統(tǒng)可以顯著降低反應堆堆芯融化概率，對于保障大亞灣核電站的安全具有重要作用。基于此，本文為了提高儲層系統(tǒng)的安全性在其中加入了鋰離子電池熱失控預警，并充分結合其他防護機制以及安全技術，構建了基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防安全技術體系。該體系對鋰離子電池的失控狀態(tài)進行全程監(jiān)控，一旦出現風險問題便會進行預警，并聯動消防安全裝置，對于保障電池儲層系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

1 鋰離子電池熱失控特征分析及提取

1.1 鋰離子電池熱失控鑒別方法

對于鋰離子電池熱失控狀態(tài)的有效鑒別是研究鋰離子電池儲層系統(tǒng)消防安全的重要基礎。經過多年的發(fā)展，國內外已經形成了多種鋰離子電池熱失控鑒別方法，目前在實際應用中較為常見的方法有如下四種。一是基于電池管理系統(tǒng)來獲取鋰離子電池的電壓、電流以及溫度等關鍵參數，然后對其熱失控狀態(tài)進行鑒別;二是通過應變式傳感器來對電池模組壓力進行測量;三是通過檢測分析電池內阻數值的變化情況對其熱失控進行有效鑒別;四是通過采集分析電池泄露氣體的成分及含量來對其熱失控進行鑒別[2]。

1.2 基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法

在鋰離子電池熱失控發(fā)生的整個過程中均會伴隨著化學反應以及可燃氣體的泄露。由于儲層系統(tǒng)所在的環(huán)境相對較為穩(wěn)定，因此一旦出現電池熱失控，將會導致系統(tǒng)中的溫度以及氣體等參數發(fā)生異常變化。應用該方法對電池熱失控進行鑒別其核心在于如何采取有效措施來準確提取鋰離子電池熱失控過程中所泄露出來的可燃氣體，并對氣體中的成分以及不同成分的含量進行分析[3]。通常來說隨著電池熱失控狀態(tài)的不斷加劇，所泄露出來的氣體的濃度也會不斷增加，整個過程中可以分為早期狀態(tài)、可見煙、火焰以及高熱四個階段。對于早期狀態(tài)主要應用氣體探測器對電池所泄露出來的氣體進行檢測，在可見煙、火焰以及高熱三個階段則主要利用感煙探測器、視頻探測器、感光探測器以及感溫探測器進行檢測，如圖1所示。

1.3 電池熱失控氣體提取實驗

為了進一步明確基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法在電池熱失控鑒別中的有效性和可靠性，本文開展電池熱失控氣體提取實驗進行分析。采用一對400w加熱片加熱150A·h的鋰電池。為了有效避免鋰電池在加熱過程中由于熱脹作用導致電池變形，進而電池與加熱片之間發(fā)生分離，加熱片熱量損傷，難以加熱電池使其達到熱失控標準，在整個加熱過程中應該采用夾具保障電池和加熱片之間能夠充分貼合。在加熱片加熱過程中采用溫度傳感器對電池的實時溫度進行檢測。在實驗加熱過程中得到氣體濃度數據如圖2所示。從中可以看到在電池加熱早期，由于加熱溫度沒有達到泄壓閥數值，因此氣體濃度整體呈現平滑增長的狀態(tài)。在加熱溫度達到了泄壓閥數值之后，氣體濃度開始快速升高。因此可以通過氣體濃度的數值變化情況對電池熱失控狀態(tài)進行有效判斷。在對氣體濃度進行分析時應該注重選擇合理的氣體類型，從而保障熱失控狀態(tài)判斷的有效性和可靠性[4]。本文基于上述考慮最終選擇一氧化碳作為氣體濃度檢測的氣體。

2 消防安全系統(tǒng)研究

2.1 我國消防安全系統(tǒng)發(fā)展現狀

現階段我國電池儲層安全消防系統(tǒng)主要是基于《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》進行研發(fā)設計的，在該系統(tǒng)中主要通過煙霧傳感器和溫度傳感器來進行煙霧和溫度的實時監(jiān)測，采用集中控制方式來進行系統(tǒng)設計，其消防安全系統(tǒng)電網與通信設施之間相互隔離。預置艙電網火災報警系統(tǒng)為例進行分析，該系統(tǒng)為典型的國內消防安全系統(tǒng)，其系統(tǒng)方案設計主要是參考建筑業(yè)中應用的火災報警系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應用于電池儲能系統(tǒng)中主要存在兩個方面的問題，一是該系統(tǒng)的煙霧傳感器和溫度傳感器難以對鋰離子電池熱失控早期的相關參數進行有效檢測;二是通信系統(tǒng)由于與電網隔離，因此難以實現與能量管理系統(tǒng)或者電池管理系統(tǒng)之間的聯動管理。

2.2 消防安全系統(tǒng)應用設計

2.2.1 多級防護機制設計

為了能夠在單個電池出現熱失控時能夠及時準確預警，在該消防安全系統(tǒng)中采用多級防護機制設計，即在電池內部、電池艙以及封閉式電池簇等各個部分進行分區(qū)探測防護。鋰離子電池在發(fā)生熱失控時，電解液的泄露可能會導致電網設備發(fā)生間接電擊以及起火等危險事故。通過單體電池內的監(jiān)測裝置可以在電解液發(fā)生泄露早期實現對熱失控的有效監(jiān)測和預警，有效提升系統(tǒng)的預警功能。同時在單體電池發(fā)生熱失控時可以通過電池包內的探測器有效聯動滅火系統(tǒng)進行防護處理。對于磷酸鐵鋰電池來說，早期的單體火災很容易被撲滅。

消防安全系統(tǒng)采用分級預警機制和多級安全防護機制，可以有效控制大范圍的火災風險，保障儲層系統(tǒng)的安全。

2.2.2 探測器參考閾值

本文在消防安全系統(tǒng)設計中主要檢測電池表面溫度以及一氧化碳濃度兩個指標來對電池熱失控狀態(tài)進行綜合判斷，有效提高預警的準確性。

2.2.3 多級防護聯動機制

在消防安全系統(tǒng)設計中消防安全主機是核心組件，其可以對整個消防安全系統(tǒng)進行控制。在接到報警信號之后消防安全主機會對預警信號進行邏輯分析，基于分析結果選擇對滅火報警裝置發(fā)出控制信號或者對電動裝置發(fā)出控制信號。在消防安全系統(tǒng)聯動控制方式設計方面需要注意兩個問題。一是能夠對電池熱失控狀態(tài)準確報警，二是防護設施在電池出現熱失控后能夠及時反應，實現消防安全系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及動力環(huán)境系統(tǒng)等多系統(tǒng)的聯動。

2.3 消防安全系統(tǒng)框架設計

2.3.1 消防安全系統(tǒng)的主要構成部件

消防安全系統(tǒng)的主要構成部件包括控制主機、傳感器、報警設施以及用戶操作開關等。控制主機是整個消防安全系統(tǒng)的核心部件，負責數據的實時采集和處理，并負責消防安全系統(tǒng)的聯動。傳感器的主要作用為對儲能系統(tǒng)中電池的表面溫度以及一氧化碳含量進行實時監(jiān)測，然后將監(jiān)測數據傳輸到主機對電池的熱失控狀態(tài)進行綜合判斷。報警設施主要是在電池出現熱失控狀態(tài)時及時進行報警，具體采用聲光報警器以及氣體噴灑指示燈進行報警。用戶操作開關主要是在關鍵時刻由用戶進行緊急啟動或者停止的開關。

2.3.2 消防安全系統(tǒng)通信設計

在設計消防安全通信線路時應該注意三個方面。一是保障消防安全系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)之間有一條在火災情況下可以進行有效通信的線路;二是在探測裝置與后臺顯示系統(tǒng)之間也必須設計一條通信線路，便于工作人員能夠對監(jiān)測數據及時分析;三是在站內空調和電池管理系統(tǒng)之間設計一條通信線路，在發(fā)生火災時可以及時關閉空調。

3 結束語

綜上所述，基于鋰離子電池儲層系統(tǒng)的消防安全技術對于保障儲層系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作具有重要意義。本文在鋰離子電池熱失控特征參數分析的基礎上，選擇了基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法和多級預警多級防護的聯動系統(tǒng)，進行消防安全系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)在電池發(fā)生熱失控狀態(tài)時可以及時預警，并與滅火設備聯動，有效提升了電池儲能系統(tǒng)的安全性。

參考文獻：

[1]張明軒，馮旭寧，歐陽明高，等.三元鋰離子動力電池針刺熱失控實驗與建模[J].汽車工程，2015，37（7）：743-750.

[2]凌志斌，黃中，田凱.大容量電池儲能系統(tǒng)技術現狀與發(fā)展[J].供用電，2018，35（9）：3-8.

[3]高平，許鋌，王寅.儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)國內外標準研究[J].儲能科學與技術，2017，6（2）：270-274.

[4]劉璐，李相俊，賈學翠，等.梯次利用儲能電池管理技術與試驗應用[J].電力建設，2016，37（1）：77-83.