鋰離子電池儲能系統火災防控技術分析

鄧力頻

（漢壽縣消防救援大隊，湖南 常德 415900）

在鋰離子電池蓄能系統的具體應用中，火災防控是一項至關重要的內容。為達到良好的火災防控效果，我們首先需要對鋰離子電池蓄能系統的火災特征進行科學分析，并明確此類系統目前的火災防控現狀，然后，以此為依據，對火災防控裝置和系統進行科學設計，并采取合理的技術措施來做好鋰離子電池蓄能系統的火災防控工作。通過這樣的方式，才可以及時發現和消除鋰離子電池蓄能系統的火災情況，盡最大限度降低火災帶來的不良影響，從而達到良好的安全保障效果。

1 鋰離子電池蓄能系統火災特征分析

1.1 很高的溫度和很快的燃燒速度

在鋰離子電池蓄能系統的燃燒過程中，其內部的局部溫度會超出銅的熔點，達到1083℃以上。而通過紅外熱成像技術測試發現，在三元鋰離子電池蓄能系統的燃燒過程中，其溫度一般都可以達到800～1000℃。在高溫作用下，鋰離子電池蓄能系統中的化學反應速度也會進一步加快，經相應的實驗測試發現，有部分鋰離子電池中的電芯從出現明火到火焰完全熄滅的時間僅需要6～9s，具有非常快的燃燒速度。

1.2 較遠的火焰噴射距離和內溶物飛濺

單體鋰離子電池通常會有泄壓口設置，在鋰離子電池內部發生熱失控后，其中的高溫高壓氣體泄放時刻與泄放壓力之間具有緊密聯系。比如，在主動著火形式的鋰離子電池中，其著火的過程便是壓力泄放的過程，因為壓力泄放面積比較小，泄壓過程中形成的火焰就具有較大的噴射距離。通過試驗測定發現，其火焰噴射距離可達到3～5m。

1.3 化學體系不同的鋰離子電池具有較大燃燒特征差異

由于不同鋰離子電池具有不同的化學體系，在熱失控情況下，其內部的副反應也會不同，從而產生不同的溫度和壓力，最終導致不同的著火形式。比如，磷酸鐵形式的鋰離子電池在熱失控狀態下，其內部溫度通常比較低，比溢出的可燃氣體點火能更低，如果外部沒有引火源，通常不會著火；但是，三元鋰離子電池在熱失控狀態下的內部溫度卻比較高，通常會超出溢出可燃氣體的點火能，所以，當此類電池破口時，可燃氣體將會直接被點燃，火焰也會噴射而出。

2 鋰離子電池蓄能系統火災防控現狀分析

2.1 專用滅火劑現狀

相比普通形式的火災，鋰離子電池蓄能系統的火災與其存在很大的差異性，因為鋰離子電池屬于含能物質，一旦發生火災，其燃燒將會十分激烈，且熱量蔓延速度也會很快，同時，伴隨著較大的煙塵和較強的毒性，具有很大的撲救難度，且滅火后也很容易復燃。因為這些特征的存在，使得現有的滅火劑并不能將鋰離子電池蓄能系統的火災隱患有效消除。在發生了熱失控后，鋰離子電池蓄能系統將會自發燃燒，熱量、燃燒物以及助燃物都可以由鋰離子電池自身所提供，這樣就很容易形成火三角，且容易產生爆炸事故。基于此，針對鋰離子電池蓄能系統的火災，其滅火劑不僅需要具備快速將明火撲滅的能力，同時，又需要具備快速降溫的能力，這樣才可以及時將鋰離子電池蓄能系統的火災撲滅，并有效防止其復燃。因此，在鋰離子電池蓄能系統的火災防控過程中，可對現有滅火劑所具備的優點加以充分利用，最好通過氣液結合的形式進行滅火，以此達到良好的滅火效果，并實現持續降溫。同時，也需要對鋰離子電池的熱失控原理進行深入研究，以便及時發現早期的熱失控點，保持滅火劑的精準、持續噴射，讓鋰離子電池蓄能系統的火災能夠在萌芽階段被消除。表1是幾種常見滅火劑在鋰離子電池蓄能系統火災控制中的主要應用特點：

表1 幾種常見滅火劑在鋰離子電池蓄能系統火災控制中的主要應用特點

隨著科學技術的不斷發展，相關單位與研究者也需要對鋰離子電池蓄能系統火災專用的新型滅火劑進行開發，從而充分滿足其火災撲救需求，實現鋰離子電池蓄能系統火災的良好防控。

2.2 消防系統現狀

因為蓄能系統在消防安全規范方面存在一定的缺失，所以當前的蓄能消防依然處在一種雖然存在但不一定有效的狀態。隨著鋰離子電池蓄能成本的持續下降，部分生產廠家會對廉價設備進行應用，這樣會使鋰離子電池存在更大的火災隱患，從而讓鋰離子電池蓄能系統的火災防控面臨更多困難。基于此，在鋰離子電池蓄能系統的火災防控系統設計中，設計者一定要注重火災蔓延趨勢的有效阻隔，并通過多次釋放滅火介質的方式來避免鋰離子電池蓄能系統的火災蔓延，這樣才可以達到良好的滅火降溫效果。具體設計時，可以將大空間沉浸式滅火作為基礎，讓滅火焦點在電池包以及電池簇上聚集，從而實現一套鋰離子電池蓄能系統火災防控設施的有效集成。通過這樣的方式，不僅可實現鋰離子電池蓄能系統火災的有效撲救，同時，也能夠讓電氣設備方面的火災消防系統得以良好兼顧，讓多種物理量形式的火災預警、視頻監控設施、BMS、各種探測設備和滅火設備之間發揮出協同作用。

3 鋰離子電池蓄能系統火災防控裝置及其系統設計分析

3.1 火災防控裝置設計

為實現鋰離子電池蓄能系統火災的有效防控，本次設計了一種鋰離子電池蓄能系統的火災防控裝置，該裝置主要組成部分包括裝置外箱、連接管、驅動裝置、保護板、容器、鋼瓶蓋板、底部支架、滅火劑瓶組等。因為我國目前依然沒有相應的國家和行業標準，所以在該火災防控裝置設計中，將全氟己酮用作主要的滅火介質，其執行標準按照《氣體滅火系統及部件》GB25972-2010來確定。通過抽真空充氮氣試驗發現，在溫度恒定為45℃、保壓壓力是4.5MPa的狀態下，鋁合金Q345/6061等材料樣本表現并未出現質量變化或腐蝕等現象。由此可證實，全氟己酮作為滅火劑在鋰離子電池蓄能系統火災防控中具有很強的適用性。

在該鋰離子電池蓄能系統火災防控裝置中，其主要的功能單元有3個：第一是前端探測單元，第二是管路單元，第三是控制單元。

具體應用中，通過前端探測單元內設置的復合型探測裝置，可對鋰離子電池蓄能系統的熱失控故障進行及時探測，在探測到了熱失控故障后，報警裝置會立即將報警信號輸出。如果經探測發現鋰離子電池蓄能系統出現了明火，自動啟動信號會立即被發送到控制單元。當啟動信號被控制單元接收后，第一瓶全氟己酮滅火劑啟動裝置會立即開啟，并通過主管路和支管路進行滅火介質的定點噴放，從而快速將明火撲滅。在經過預設計之后，第二瓶全氟己酮滅火劑的驅動裝置也會隨之開啟，以此來實現滅火介質的持續補充，從而讓火災溫度得以有效控制，避免鋰離子電池蓄能系統的火災復燃和蔓延。

3.2 火災防控系統設計

為進一步保障鋰離子電池蓄能系統的火災防控效果，對一種基于鋰離子電池蓄能集裝箱的火災防控系統進行了設計，該系統不僅可以對鋰離子電池蓄能系統的火災情況作出及時探測，并使其火災得以良好防控，同時，也具備良好的信息交互功能，可將鋰離子電池蓄能系統的模組級別作為依據，對其影響范圍進行實時、全面的火災監測，從而實現火災位置的準確判斷和火災的精確撲救。

具體應用中，如果鋰離子電池因熱失控而發生了火災，探測器將會立即發出報警，在BMU接收到來自探測器的報警信號后，會立即將信號上傳給火災抑制裝置，并將其中的滅火介質噴放功能啟動。將主管路以及支管路設置在鋰離子電池組中，便可對其熱失控情況進行良好保護。BMU主要對相應的電磁閥開啟進行控制，在鋰離子電池蓄能系統沒有發生火災的情況下，電磁閥將保持關閉，管路內只有一條通道讓滅火介質通過，以此來實現鋰離子電池熱失控情況的有效防控；在發生火災時，電磁閥便會開啟，滅火介質可通過主管以及各個支管進入電池組中，從而達到良好的滅火降溫效果。

4 鋰離子電池蓄能系統的火災撲救策略分析

4.1 滅火劑的合理選用

在鋰離子電池蓄能系統發生火災時，一項最重要的撲救措施就是對滅火劑進行合理的選擇與應用。通過各種滅火劑的實際應用特點分析可知，全氟己酮在目前鋰離子電池蓄能系統的火災撲救中屬于最適用的一種滅火劑。除此之外，Novecl230等新型滅火劑對于鋰離子電池蓄能系統的火災也具有較好的撲救效果，但是，此類滅火劑在我國并未得到廣泛應用，具體的應用方法與滅火效果保障還有待進一步研究。同時，我國目前依然并未制定出相應的方法與標準來進行鋰離子電池火災中的滅火劑效能測試。基于此，在對滅火劑進行選擇的過程中，還需要對其使用劑量、滅火濃度、噴射殘留、誤噴危害以及環境適應性等進行綜合考慮，并結合鋰離子電池蓄能系統火災現場的具體情況來進行滅火劑的合理選擇與應用。另外，由于鋰離子電池蓄能系統在火災情況下具有較大的火焰強度，所以在對其滅火濃度進行設置時，一定要通過實際測試的形式來科學確定其濃度，以此來確保鋰離子電池蓄能系統的火災撲救效果。

4.2 滅火措施的良好應用

經相關研究與分析發現，鋰離子電池蓄能系統的主要火災形式可以按照兩種來進行劃分：（1）三元鋰離子電池類的主動噴射火燃燒形式；（2）磷酸鐵鋰離子電池類的被動式預混氣體燃燒形式。雖然不同類型的鋰離子電池蓄能機組的著火形式存在差異，但是，在火災發生時，其滅火措施卻具有一致性。通過大量的試驗與研究發現，不論是主動式噴射燃燒形式，或者是被動式預混氣體燃燒形式，所有鋰離子電池蓄能系統在剛剛起火燃燒時都具有最大的火焰強度，如果蓄能系統所處環境為密閉環境，甚至可能導致爆炸事故的發生。為實現此類情況的有效防控，可通過預先抑制加早期噴發的措施來進行火災撲救，通過對鋰離子電池蓄能系統初期熱失控時的煙霧、氣體等特征監測，可及時發現其熱失控狀態，并及時通過滅火劑來進行降溫抑制，盡可能在鋰離子電池蓄能機組明火出現時便開始滅火劑的噴放，以此達到良好的控溫效果，實現明火出現概率的有效降低，同時，也可以進一步控制火勢的蔓延和轟燃等情況。如果鋰離子電池蓄能系統處在室外的開放空間中，可通過滅火劑的大量噴射來達到持續降溫效果，并將起火的鋰離子電池和其他電池分離，并通過水浸沒等的方式來防止火勢蔓延。

5 結語

綜上所述，在鋰離子電池蓄能系統的應用過程中，如果發生了火災事故，其發展勢態和影響程度都比較嚴重。基于此，消防部門、火災撲救人員以及使用者都應該對鋰離子電池蓄能系統的火災特征及其防控現狀加以明確。然后以此為依據，通過鋰離子電池蓄能系統火災防控設備、系統及其火災撲救措施的合理應用來達到良好的火災防控效果，盡最大限度降低鋰離子電池蓄能系統火災所造成的不良影響，保障鋰離子電池蓄能系統及其周邊環境的安全性。