鋰離子電池儲能系統的消防安全研究

崔一君，王德偉

（1.張家口市消防救援支隊；2.國網冀北張家口風光儲輸新能源有限公司，河北 張家口 075000）

在時代的發展下，節能降耗成為各行各業的主要方向，儲能技術被大規模應用于電力系統發電、輸電、用電環節中，在推動我國能源供給改革的同時，為智能電網的實現打下了堅實基礎。鋰離子電池儲能技術為儲能技術的代表技術，其具有靈活快速的特點，但凡事都有利弊，鋰離子電池儲能技術的普及也不例外，其不足之處在于，引發了多次火災安全事故，造成重大財產損失，且對相關工作人員、消防人員、周圍居民造成了生命威脅。因此，鋰離子電池儲能系統的消防安全被提上日程。

1 鋰離子電池儲能系統概述

鋰離子電池儲能系統是一種以集裝箱為代表的預制艙式儲能系統，其可借助鋰電池電化學反應進行能量轉換。通常情況下，鋰離子電池儲能系統包括電池系統、能量管理系統、電池管理系統(BMS)、變流器系統（PCS)、冷卻系統、消防系統以及照明和監控系統等，且會因配置不同而增加變壓器系統，并借助其完成電池系統和電網間的升降壓。

就鋰離子電池儲能系統的電池系統而言，其多由數個電池組組成，電池組由多個電池包組成。由于電池包結構不同，所以電池儲能系統可以應用帶有電池管理系統（BMS）。就鋰離子電池儲能系統的能量管理系統而言，其主要作用為實時監控電站的運行狀態信息，監控內容包括但不限于系統功率曲線、電池電壓溫度信息、累計處理電量信息、其他約定的監測信息。就鋰離子電池儲能的電池管理系統而言，其主要功能為管理電池組充放電保護，一方面，確保充滿電時單個電池的電壓差異小于設定值，同時，保證電池組各單體電池的均充；另一方面，對電池組中的各個單體電池的過溫、短路、過壓狀態進行檢測，通過適合手段保護、延長電池使用壽命。

就鋰離子電池儲能系統的電流器系統而言，其主要目的是實現交直流轉換，并對電池系統的充放電進行管理、對電池儲能系統的充放電功率進行控制。就鋰離子電池儲能系統的冷卻系統而言，其可發揮控制環境溫度的作用。就鋰離子電池儲能系統的消防系統而言，其主要目的是控制鋰離子電池系統的熱穩定性，降低火災事故發生率。

由于鋰離子電池儲能系統具有容量大、適應性強、靈活性較高等優勢，所以在電力儲能系統中有著較好的應用前景。

2 鋰離子電池儲能系統火災特征及蔓延特征

鋰離子電池儲能系統火災特征及蔓延特征如下：（1）燃燒激烈，熱蔓延迅速。因為活潑金屬鋰與水發生猛烈反應后會產生Li2O、H2，其會增強燃燒的劇烈程度，并使火勢快速蔓延。（2）毒性強、煙塵大、危險性強。鋰電池燃燒時會釋放大量會對人體造成危害的氣體、粉塵顆粒，且會出現突然性的爆炸現象。（3）易復燃，撲救難度大。如果鋰離子電池儲能系統出現火災，使用常規方法是無法從根源上抑制火災的，即只能撲滅明火，在一段時間后會復燃。

3 鋰離子電池儲能系統的消防安全分析

3.1 鋰離子電池儲能系統技術規范適用性不足

鋰離子電池儲能系統為新型系統，其雖然被廣泛應用于電力系統發電、輸電、用電環節中，但我國在此方面仍處于探索階段。因此，即便國際電委會、全球電力儲能標準技術委員會、美國保險商實驗室、國際標準化組織等已在全球范圍內發布有關于鋰離子電池儲能系統的技術標準，但其適用性、規范性不足，所以在潛移默化中增加了火災事故的發生率。

3.2 缺乏針對性的消防滅火劑

上述提到了鋰離子電池儲能系統火災具有易復燃、撲救難度大的特點，且常規方法無法從根源上抑制火災。比如，CO2、七氟丙烷、鹵代烷1301等只能撲滅明火，一段時間后會出現復燃現象，且其不具備滅火與降溫的雙重功能。又如，水噴淋系統技術雖然相對成熟，且可達到良好的降溫滅火效果，但其撲救時間相對較長、耗水量較大，且會使儲能電站的電池出現短路，無法正常使用。

3.3 消防裝備集成化度低、兼容性差

就目前情況而言，多數消防項目設置具有輕系統、重部件的傾向，所以集成化度低、兼容性差，使得相關部件無法協同操作。而這對鋰電池消防滅火技術的推廣應用造成了直接影響，且制約了鋰離子電池儲能系統的消防安全的可靠性。

4 鋰離子電池儲能系統的消防安全技術支持

4.1 建立科學合理的消防測試模型及技術規范

消防測試模型及技術規范是鋰離子電池儲能技術消防安全的技術支持的要點。具體而言，消防測試模型可使相關工作人員理清儲能系統鋰電池火災特性，并對離電池火災與常規電氣火災的差異進行有效分析，從而為測試鋰電池火災防控裝置、全面評估消防安全技術效果提供技術支持、理論依據。

4.2 設計開發新型滅火劑

由于鋰離子電池儲能系統火災與其他火災存在較大差異，且具有較強的危害性，所以需要基于實際情況設計開發新型滅火器。首先，需結合實際情況篩選滅火材料分子，選擇合適的材料分子進行滅火劑的制作。其次，需結合鋰電池熱失控及熱蔓延規律進行核殼結構滅火器的設計，以確保降溫的精準性。再次，需采用適合手段優化鋰電池滅火劑的噴射方式、噴射壓力、噴射時間等功能參數，在設計新型高效的通用型滅火器的同時降低成本。此外，在進行新型滅火劑的設計開發時，需將環保重視起來。具體表現為，需思考滅火劑釋放后是否會產生有毒有害物質，這些物質是否會對環境造成污染、是否會對電氣系統造成腐蝕或使其絕緣性降低。

4.3 集成化消防系統的研究

鋰電池儲能系統的消防系統具有高度集成化，所以要想使其效用最大限度地發揮出來，就需將集成化消防系統的研究提上日程。在進行集成化消防系統的研究時，需由同一廠家對消防系統的各個部件進行集成研究，確保其可相互無縫配合運行，并形成整體協同操作。如此一來，才可充分提高消防系統的靈活性及安全性。同時，可將無人駕駛智能遙控消防直升機利用起來，其具有較好的滅火性能，且行動快捷靈敏。此外，還可結合實際情況進行物聯網技術、5G技術的有效應用，實現視頻傳輸、輔助功能的集成與傳輸。

5 鋰離子電池儲能系統的消防安全系統的應用設計

5.1 多級防護機制設計

消防安全應當遵循預防為主的原則，因為一旦出現火災安全事故，將會帶來不可預估的后果。所以，在進行鋰離子電池儲能系統的消防安全系統應用設計時，需將多級防護機制設計放在首位。也就是說，需根據實際情況，在電池內部、封閉式電池簇、電池倉等各部分設置探測裝置，做到分區探測防護，及時準確地預警熱失控現象。同時，可通過滅火裝置與電池包內的探測器的聯動，實現對單體電池發現熱失控時的有效防護控制，從而在早期解決熱失控現象，降低火災安全事故帶來的不良影響。

5.2 探測器參考閾值

探測器參考閾值主要為電池表面溫度、一氧化碳濃度，因為這兩個指標可以對電池熱失控狀態進行綜合判斷，從而將熱失控預警的精準性大大提高。

5.3 多級防護聯動機制

消防安全主機為消防安全系統的核心組件，可做到對整個消防安全系統進行合理的控制。具體而言，消防安全主機在接到報警信號后，會對預警信號進行邏輯分析，在獲得分析結果后選擇性地發出控制信號（滅火報警裝置或電動裝置）。

在進行消防安全系統聯動控制方式設計時，需考慮2個問題：一是電池熱失控狀態的準確報警；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、電池管理系統以及動力環境系統等多系統的聯動。

5.4 消防安全系統框架設計

（1）消防安全系統的主要構成部件。就鋰離子電池儲能系統的消防安全系統而言，其由控制主機、傳感器、報警設施以及用戶操作開關等部件構成。就控制主機而言，其主要負責數據采集及處理，實現消防安全系統的聯動，為消防安全系統的核心部件。傳感器的作用是實時測量電池表面溫度及一氧化碳含量。報警設施的主要目的是根據檢測數據判斷電池是否出現熱失控狀態，并利用聲光報警器或氣體噴灑指示燈進行報警。用戶操作開關的主要作用為：在緊急時刻，由用戶進行緊急啟動或停止。

（2）消防安全系統通信設計。消防安全系統通信設計需考慮以下幾個方面：①確保消防安全系統、電池管理系統中有一條可以在火災情況下有效通信的線路。②探測裝置與后臺顯示系統之間有一條在火災情況下可以有效通信的線路。③站內空調和電池管理系統之間有一條通信線路。

6 鋰離子電池儲能系統的滅火要點

在進行鋰離子電池儲能系統的滅火時，需做到沉著冷靜、正確決策；合理選用滅火劑，科學處置火災；注意保持安全距離，正確處理緊急狀況；現場監控熱失控溫度，防止復燃發生，具體如下：

（1）沉著冷靜，正確決策。消防人員到達火災現場后，需及時切斷相關電源，以免鋰電池過充、過電、過熱。在進行密閉倉庫鋰電池火災處理時，需先找到鋰電池起火部位，并在不破壞周圍空間的情況下，啟動滅火裝置，將火災控制在電池盒內。同時，需征詢專家意見，采用輔助決策系統查詢、研討火災事故處理方法。

（2）合理選用滅火劑，科學處置火災。鋰金屬在高溫情況下具有極高的反應活性，CO2、七氟丙烷、鹵代烷1301等只能撲滅明火，一段時間后會出現復燃現象，且其不具備滅火與降溫的雙重功能；水噴淋系統技術雖然相對成熟，且可達到良好的降溫滅火效果，但其撲救時間相對較長、耗水量較大，且會使儲能電站的電池出現短路問題，無法正常使用。所以，在進行鋰離子電池儲能系統滅火時，需選擇合理的滅火器，并對火災進行科學處置。比如，可先采用銅粉，使銅粉與鋰金屬產生反應，生成銅－鋰合金，純化液態鋰表面而起到滅火作用，然后迅速散出燃燒時產生的熱量，使得燃燒的鋰迅速降溫，從而達到降低燃燒強度的目的。又如，可將吸熱冷卻、隔離氧氣窒息滅火戰術方法撲滅火災。此外，在處置火災時，消防人員需佩戴好個人防護工具，采取臥姿射水。

（3）注意保持安全距離，正確處理緊急狀況。在進行滅火時，需確保人員之間保持安全距離，并根據實際情況，對消防車的行車路線進行合理規劃。同時，可結合實際情況進行觀察哨的設置，做到及時發現爆炸的可能性，并根據實際情況做出正確指令。

（4）現場監控熱失控溫度，防止復燃發生。在進行鋰離子電池儲能系統火災處理時，需盡可能增加火場用水量，因為其具有一定的特殊性。通過增加用水量可在一定程度上降低電池內部的溫度，并降低復燃現象的發生率。比如，可將噴霧或開花水槍等方式利用起來，借助其冷卻電池。通過這一方式，可有效降低電池表面及內部的溫度，減少電解液排氣。此外，考慮到鋰電池可持續放電，所以在熄滅明火后，消防人員需繼續進行冷卻降溫。

7 結語

綜上所述，鋰離子電池儲能系統為儲能系統的一種，與其他儲能系統相比，其具有容量大、適應性強、靈活性較高等優勢，但凡事都有利弊，鋰離子電池儲能系統也不例外。其不足之處在于：很容易引發火災，且對人民的財產安全及生命安全造成威脅。所以，如何保障鋰離子電池儲能系統的消防安全成為工作人員需深入探討的課題，上述先是就鋰電池儲能系統火災的特征進行了分析，然后提出了針對性的消防安全措施，旨在為相關工作人員開展消防安全工作提供保障。具體而言，鋰離子電池儲能系統的消防安全需要建立科學合理的消防測試模型及技術規范、設計開發新型滅火劑、集成化消防系統的研究；鋰離子電池儲能系統的消防安全系統的應用設計需從多級防護機制設計、探測器參考閾值、多級防護聯動機制、消防安全系統框架設計等方面入手；在進行鋰離子電池儲能系統的滅火時，需做到沉著冷靜、正確決策；合理選用滅火劑，科學處置火災；注意保持安全距離，正確處理緊急狀況；現場監控熱失控溫度，防止復燃發生。