儲能電站磷酸鐵鋰電池模組滅火參數的仿真優化

葉祥虎 杜建華 譚必蓉 瞿常

摘要：

為研究儲能場景下磷酸鐵鋰電池組熱失控火災的最佳滅火方式，通過火災動力學模擬軟件建立儲能電池模組等尺寸模型；對模型開展不同熱失控位置、細水霧流量、霧滴直徑和細水霧噴頭布置位置的仿真實驗.仿真結果表明：細水霧流量和霧滴直徑對滅火效果有很大影響，適當增大細水霧流量、減小霧滴直徑可以明顯提升滅火效果；，綜合滅火系統設計安全性及制造成本，確定最佳滅火參數組合為細水霧流量2.0 L·min-1、霧滴直徑200 μm、細水霧噴頭布置位置為電池箱頂部中央.

關鍵詞：

儲能電站； 磷酸鐵鋰電池； 火災動力學模擬； 滅火仿真； 細水霧

中圖分類號： X 932文獻標志碼： A ??文章編號： 1000-5013（2023）04-0435-07

Simulation and Optimization of Fire Extinguishing Parameters for Lithium Phosphate Battery Modules in Energy Storage Power Plants

YE Xianghu1，2， DU Jianhua1，2， TAN Birong1，2， QU Chang1，2

（1. Key Laboratory of Mechanical and Electrical Equipment Process Monitoring and System Optimization of University of Fujian Province， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；，

2. College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）

Abstract： In order to study the best fire extinguishing method of thermal runaway fire of lithium phosphate battery modules under the energy storage scenario， the fire dynamics simulation software is used to establish the energy storage battery module model， and the simulation experiments are carried out on the model with different thermal runaway position， water mist flow rate， droplet diameter and water mist nozzle placement. The simulation results show that the water mist flow rate and droplet diameter have great influence on the fire extinguishing effect. Appropriately increasing the water mist flow rate and decreasing droplet diameter can obviously improve the fire extinguishing effect. Comprehensively considering the fire extinguishing system design safety and manufacturing cost， the best fire extinguishing parameter combination is determined as： water mist flow rate of 2.0 L·min-1， droplet diameter of 200 μm， and water mist nozzle layout position is the top center of the battery box.

Keywords：

energy storage power station；， lithium phosphate battery；， fire dynamics simulation；， fire extinguishing simulation；， water mist

電化學儲能技術是目前電力儲能系統中應用最廣泛的技術［1］.磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池具備更好的安全性和循環性，成本較低，更適用于電力存儲系統［2］.電化學儲能系統的火災安全在儲能系統中有著重要地位，探究儲能磷酸鐵鋰電池的火災最佳滅火方式對電化學儲能消防安全具有重要意義.

目前，國內外關于鋰電池火災滅火方式、滅火劑、火災特點的研究頗多.饒慧等［3］使用4種滅火系統分別對三元和磷酸鐵鋰電池引發的火災進行滅火實驗，結果發現壓力水霧的滅火效果最佳.趙藍天等［4］使用細水霧對儲能單個磷酸鐵鋰電池模組和簇級磷酸鐵鋰電池模組進行熱失控滅火實驗，結果表明，細水霧對磷酸鐵鋰儲能電池熱失控引發的火災具有良好的滅火效果.Zhu等［5］將表面活性劑添加到細水霧進行鋰電池火災滅火實驗，結果表明，含有表面活性劑的細水霧可以有效抑制鋰電池熱失控.王文和等［6］使用火災動力學模擬（FDS）軟件研究不同細水霧特性對18650鋰電池火災的影響.劉得星［7］利用FDS軟件研究不同細水霧參數對車載鋰電池火災的影響，得出車載電池包最佳細水霧流量、霧滴直徑、初速度等參數組合.陸佳政等［8］使用氟基快速滅火和鈍化降溫防復燃方法對儲能電池模組火災進行滅火，實驗結果表明，該方法可以撲滅火災初期明火且不復燃.陳吉清等［9］使用FDS軟件建立車用鋰電池單體燃燒數值模擬，通過與實驗結果的對比仿真模型可以準確模擬出單體電池燃燒火情演變過程.禹進等［10］基于實際儲能柜建立1∶1模型，提出改良二分法修正熱釋放速率，從而提高FDS軟件中儲能電站鋰電池火災模擬的準確性.蔡興初等［11］通過模型檢驗全氟己酮滅火系統應用于儲能電池艙的滅火效果，驗證了該滅火系統應用于儲能電池艙的可行性.然而，針對儲能場景下的磷酸鐵鋰電池模組火災，其細水霧流量、霧滴直徑、噴頭布置位置等關鍵參數的滅火仿真研究仍存在較大的空缺.

由于進行真實磷酸鐵鋰儲能場景下的滅火實驗成本巨大、危險系數高，因此，本文采用FDS軟件對磷酸鐵鋰儲能電站場景下的儲能柜中磷酸鐵鋰電池模組進行等尺寸模型建模，對模型的關鍵參數開展仿真實驗，研究磷酸鐵鋰儲能電站場景下的最佳細水霧滅火方式.

FDS軟件通過大渦模型對這些方程和模型進行求解，可得到溫度、氣體濃度等參數的空間分布［14］.

1.2 物理模型與計算區域

對儲能式磷酸鐵鋰電池以某儲能柜等尺寸建立熱失控物理模型，如圖1所示.

儲能柜模型長、寬、高分別為0.685，0.550，0.330 m，單元格大小為1.96 mm×1.96 mm×1.94 mm.網格單元應盡量接近立方體，這樣計算結果會更加準確［15］.模型中有24塊磷酸鐵鋰單體電池，每個單體電池長、寬、高分別為0.17，0.07，0.20 m.每個電池中心布置1個溫度熱電偶，一共24個溫度熱電偶，分別編號為THCP1～THCP24，用以求取數值模擬中儲能柜的溫度變化.設置4個Z方向XY平面溫度切片，分別位于電池上、中、下和電池箱頂部，用以比較電池箱內部空間溫度分布.

由于電池內部結構過于復雜，難以建成與實際電池結構一致的仿真模型.磷酸鐵鋰電池主要由電解液、正極、負極和隔膜組成，根據磷酸鐵鋰電池4種材料比例將電

池模型簡化為1個電芯單元［16］.電池模型中材料的熱力學參數，如表1所示.表1中：c為比熱容；α為熱吸收系數.

根據文獻［17］電解液材料的質量損失率、熱釋放速率（HRR）和總釋放熱量（THR）曲線，可得到電解液熱釋放速率峰值約為550 kW·m-2，總釋放熱量約為131 MJ·m-2，燃燒熱值約為16.8 kJ·g-1.根據文獻［9］中鋰電池正極、負極和隔膜的燃燒特性參數曲線圖，可得到正極、負極和隔膜的HRR峰值為30.12，133.06，57.64 kW·m-2，有效燃燒熱為1.36，4.91，18.63 MJ·kg-1.

FDS中設置燃燒模型有兩種方式［18］：一是通過直接定義材料的熱釋放速率；二是根據燃燒物在空氣中的燃燒反應的化學方程式推出燃燒物的化學屬性.混合燃燒模型化學反應方程式為

CaHbOcNe→xCO2+yH2O+zCO+mN2+Soot.（6）

式（6）中：Soot為物體燃燒產生的煙氣.

電池燃燒采用混合燃燒模型，由于電解液在電池熱失控熱量釋放中具有主要影響［7］，所以，以電解液化學成分為基礎得到的等效燃燒物為C6.3H7.1O2.1N.設定電池表面的起始燃燒功率為25 kW·m-2，持續5 s引起電池熱失控.

2 仿真結果與數值分析

2.1 不同流量滅火效果

選用的中間電池為熱失控電池，如圖2所示.對比熱失控電池周圍熱電偶溫度變化，采用最高溫度點（THCP12）的溫度變化表示細水霧滅火效果，細水霧作用時間為10 s.

根據GB 50898-2013《細水霧滅火系統技術規范》［19］中細水霧滅火流量的相關規定，當在類似配電箱、電子機房等區域滅火時，細水霧流量不小于2 L·（min·m3）-1，結合模型尺寸，可計算出流量不應小于0.25 L·min-1.

水粒直徑不大于1 000 μm為細水霧［20］，為了得到最佳流量，選擇不同霧滴直徑（d）進行5種細水霧流量（q）的細水霧滅火仿真，細水霧噴頭位于電池箱頂部中央位置，得到電池箱內溫度-時間曲線，如圖3所示.圖3中：θ為電箱內的溫度；t為仿真時間.由圖3可知：各工況下，在70～80 s時溫升速率最快，在80～90 s時溫度達到最高，隨后逐漸下降，最終在某一溫度點達到平衡；當霧滴直徑為500，400，300 μm時，細水霧流量為0.3，0.5 L·min-1工況下，電池箱內溫度沒有明顯降低，流量越高，降溫效果越明顯；當細水霧流量從2.0 L·min-1提升到5.0 L·min-1時，霧滴直徑500，400 μm工況下的降溫效果沒有明顯提升，霧滴直徑300，200 μm工況下的最終溫度平衡點幾乎相同.雖然細水霧流量升高2.5倍，但是對溫度的抑制并沒有明顯提升，流量超出一定的閾值時，增大流量也無法達到明顯的降溫效果，因此，選擇細水霧流量為2.0 L·min-1最合適.

2.2 不同霧滴直徑滅火效果

在最佳細水霧流量2.0 L·min-1下進行不同霧滴直徑的滅火效果仿真，其溫度-時間曲線，如圖4所示.

由圖4可知：電池箱內的整體溫度隨著霧滴直徑的減小不斷降低，這是因為相同流量下，直徑越小的霧滴表面積比更大，氣化過程中可以吸收更多的熱量以達到更好的降溫效果；當d＜200 μm時，減小霧滴直徑，降溫效果不明顯.霧滴直徑大小與細水霧噴淋系統管道壓力及噴頭的設計有關，霧滴直徑越小，對系統的壓力和噴頭要求越高，系統設計制造成本就會增加.因此，選擇霧滴直徑為200 μm最合適.

在t=150 s，q=2.0 L·min-1，霧滴直徑分別為800，400，200 μm的工況下，Z軸方向的溫度切片圖，如圖5所示.由圖5可知：在d=200 μm工況下，降溫效果更明顯.

2.3 細水霧噴頭最佳布置位置

實際場景下，電池箱內熱失控電池可以是任意電池，為使仿真結果更具有代表性，將熱失控電池分別設置為中間及角落，細水霧的噴頭布置位置分別為頂部中央1個、頂部對角2個、頂部左右2個.仿真中細水霧采用的參數為q=2.0 L·min-1，d=200 μm，兩噴頭布置單個噴頭流量為1.0 L·min-1.對細水霧噴頭布置的基本要求是能將細水霧均勻分布填充防護空間［17］，由于電池箱體積不大，單個噴頭中央布置也能保證細水霧填充整個防護區域.對噴頭布置位置進行編號，分別為A1（中間熱失控、噴頭頂部中央）、A2（中間熱失控、噴頭頂部對角）、A3（中間熱失控、噴頭頂部左右）、A4（角落熱失控、噴頭頂部中央）、A5（角落熱失控、噴頭頂部對角）、A6（角落熱失控、噴頭頂部左右）.不同細水霧噴頭布置位置的仿真模型圖，如圖6所示.

不同起火位置下，不同噴頭布置位置的溫度-時間曲線，如圖7所示.由圖7可知：當起火位置為電池箱中間位置時，相比于A2，A3，單個噴頭位于頂部中央位置A1的溫度曲線下降最快，由于A1噴頭位于火源上方，霧滴可以快速達到火源，從而更快地達到降溫效果，而A2，A3噴頭離火源位置較遠，降溫效果不如A1；當起火位置為電池箱角落位置時，噴頭對角布置A5相比A4，A6有更好的降溫效果，這是因為雙噴頭讓細水霧在電池箱內分布得更均勻，霧滴更加容易達到火源位置.

由此可知，當起火位置位于電池箱中央位置時，單個噴頭滅火效果更佳；當起火位置位于電池箱角落位置時，雙噴頭對角布置滅火效果更佳.現實中電池箱內電池熱失控位置具有不確定性，而位于電池箱中間位置周圍有更多的鋰電池，熱失控影響更為惡劣，安全性更重要，因此，選取單噴頭中央布置為最佳細水霧噴頭布置位置.

2.4 仿真實驗對比驗證

由仿真實驗結果可得，最佳滅火參數組合為q=2.0 L·min-1，d=200 μm，單個噴頭頂部中央布置.為了更加直觀地證明該參數組合為最佳滅火參數組合，選取2種不同細水霧流量和霧滴直徑組合與其進行對比，噴頭布置位置皆為頂部中央.3種滅火參數組合的溫度-時間曲線，如圖8所示.仿真時間為150 s時，不同參數組合的Z軸溫度切片圖，如圖9所示.由圖8，9可知：相比參數組合q=1.0 L·min-1，d=400 μm，最佳參數組合（q=2.0 L·min-1，d=200 μm）減小了霧滴直徑，增大了細水霧流量，使降溫效果有近300 ℃的提升；而相比最佳參數組合，參數組合q=5.0 L·min-1，d=100 μm繼續增大細水霧流量、減小霧滴直徑，但其降溫效果并沒有明顯的提升.

3 結束語

為了研究儲能場景下磷酸鐵鋰電池組熱失控火災的最佳滅火方式，建立常用儲能柜電池箱模型，利用FDS軟件進行不同細水霧參數滅火仿真.仿真結果表明：當霧滴直徑分別為200，300，400，500 μm時，細水霧流量為2.0 L·min-1的滅火效果提升較為明顯；當細水霧流量為2.0 L·min-1時，霧滴直徑減小到200 μm，滅火能力提升最佳；在細水霧流量為2.0 L·min-1、霧滴直徑為200 μm工況下，進行不同起火位置及噴頭布置位置的滅火仿真，單個噴頭頂部中央布置更適合任意火源位置的火災撲滅.由于細水霧流量、霧滴直徑及噴頭布置位置等關鍵參數對細水霧系統撲滅火災能力有至關重要的影響，仿真結果對儲能場景磷酸鐵鋰電池組滅火系統設計具有極為重要的指導意義.

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（責任編輯：? 黃曉楠 ?英文審校： 劉源崗）

收稿日期： 2022-12-13

通信作者： 杜建華（1979-），男，副教授，博士，主要從事新能源動力電池系統安全狀態監測技術及消防技術的研究.E-mail：dujh@hqu.edu.cn.

基金項目： 福建省科技計劃引導性項目（2022Y0030）

http：∥www.hdxb.hqu.edu.cn