鋰離子電池儲(chǔ)能電站早期預(yù)警系統(tǒng)研究

王春力，貢麗妙，亢 平，譚業(yè)超，李明明

?

鋰離子電池儲(chǔ)能電站早期預(yù)警系統(tǒng)研究

王春力，貢麗妙，亢 平，譚業(yè)超，李明明

（煙臺(tái)創(chuàng)為新能源科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

研究鋰離子電池儲(chǔ)能電站消防預(yù)警技術(shù)對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。本文通過對(duì)電池?zé)崾Э丶盁釘U(kuò)散特征識(shí)別展開討論，由于鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)會(huì)伴隨著可燃?xì)怏w緩慢釋放，如果能夠提取電池?zé)崾Э卦缙跉怏w參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行研究分析，可以在此基礎(chǔ)上建立電池系統(tǒng)的熱失控預(yù)警機(jī)制。本文采用加熱方式和過充方式誘發(fā)電池?zé)崾Э貧怏w提取試驗(yàn)，通過采氣試驗(yàn)進(jìn)行氣體成分含量分析，確定了將一氧化碳和溫度作為典型的偵測(cè)依據(jù)來實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э氐脑缙陬A(yù)警。并將這種電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警判斷應(yīng)用到了儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)中，同時(shí)結(jié)合多級(jí)預(yù)警及防護(hù)機(jī)制和安全聯(lián)動(dòng)策略做了深入研究，確定了鋰離子電池儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，從系統(tǒng)部件、聯(lián)動(dòng)通信、人員安全3個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要說明，在保證快速有效的檢測(cè)出電池?zé)崾Э貭顟B(tài)的同時(shí)快速聯(lián)動(dòng)消防設(shè)施，極大提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

鋰離子電池；熱失控；儲(chǔ)能；消防；預(yù)警

近年來，各種電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目如雨后春筍一般涌現(xiàn)，遍布在用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、新能源并網(wǎng)及微電網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外近期發(fā)生多起鋰離子電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故，2018年7月2日，韓國(guó)一風(fēng)力發(fā)電園區(qū)內(nèi)ESS儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)生重大火災(zāi)事故，造成706m2規(guī)模電池建筑和3500塊以上鋰電池全部燒毀，可見火災(zāi)事故一旦發(fā)生就會(huì)造成嚴(yán)重后果，此時(shí)對(duì)鋰離子電池?zé)崾鹿侍卣鲄?shù)進(jìn)行識(shí)別、熱失控早期預(yù)警、安全聯(lián)動(dòng)和消防防護(hù)顯得尤為重要。

鋰離子電池儲(chǔ)能電站的安全問題是需要警鐘長(zhǎng)鳴的重大課題[1]。隨著鋰離子電池新材料的研發(fā)、電池制作技術(shù)的創(chuàng)新以及眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的參與，鋰離子電池的性能正日益提高，單體安全性能也得到極大提高[2]。但由于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)單體電池容量更大，電池簇單體數(shù)量更多，電池簇并聯(lián)數(shù)量更大，電池堆電流更大，電池簇充放電深度更深，電池簇運(yùn)行一致性和壽命要求更為嚴(yán)格[3]，在使用過程中極易出現(xiàn)局部熱失控現(xiàn)象，存在巨大的安全隱患[4]。

本文針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鲄?shù)識(shí)別、復(fù)合型熱失控火災(zāi)探測(cè)器、多級(jí)預(yù)警機(jī)制和安全聯(lián)動(dòng)策略做了研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 熱失控特征識(shí)別

1.1 熱失控及熱擴(kuò)散特征識(shí)別

電池?zé)崾Э丶盁釘U(kuò)散特征識(shí)別是開展鋰離子儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外一些團(tuán)隊(duì)對(duì)熱失控及熱擴(kuò)展早期形成識(shí)別方法進(jìn)行了研 究[5]，主要包括以下幾種方法：①通過BMS獲取的電池表體溫度、電壓、電流和放電倍率參數(shù)作為判別條件的研究[6-7]；②基于電池模組的壓力應(yīng)變的檢測(cè)方法；③基于內(nèi)阻變化的熱失控探測(cè)研 究[8-9]；④電池過充和加熱導(dǎo)致熱失控試驗(yàn)，采集氣體，并用色譜分析法進(jìn)行氣體成分及含量的分析來判別熱失控的預(yù)警方法[10]。

1.2 基于氣體特征量的識(shí)別

鋰離子電池因其自身和外部條件導(dǎo)致熱失控并最終燃燒的整個(gè)過程，都伴隨著可燃?xì)怏w緩慢釋放、泄壓、電解液和反應(yīng)氣體釋放、快速分解產(chǎn)生煙霧、高熱至火焰的產(chǎn)生[11]。電池系統(tǒng)一般處于穩(wěn)態(tài)的電池包環(huán)境，相對(duì)正常穩(wěn)態(tài)環(huán)境，其采集的上述數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變化特性，而一旦熱失控產(chǎn)生，勢(shì)必引起氣象、煙霧、溫度和光敏傳感器的數(shù)據(jù)異常變化。依據(jù)熱失控產(chǎn)生的背景參考圖如圖1所示[12]。電池火災(zāi)發(fā)生的以上物理量如圖2所示。

關(guān)鍵問題在于如何提取電池?zé)崾Э卦缙跉怏w參數(shù)，并建立電池系統(tǒng)的熱失控預(yù)警機(jī)制。該參數(shù)能夠明確表征熱失控隱患，并不會(huì)因?yàn)閯?dòng)力電池系統(tǒng)本身的工作環(huán)境而引發(fā)錯(cuò)誤信號(hào)。如圖2所示，氣體探測(cè)可以進(jìn)行早期預(yù)警，重點(diǎn)為如何選取氣體探測(cè)器，并進(jìn)行可行性和適用性研究。

圖1 熱失控產(chǎn)生背景

圖2 電池火災(zāi)探測(cè)過程

1.2.1 熱失控氣體提取試驗(yàn)

1.2.1.1 加熱方式誘發(fā)熱失控氣體成分提取試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)方案

準(zhǔn)備IP67的熱失控氣體采集箱（帶兩個(gè)球閥、一個(gè)壓力表），用兩個(gè)300W加熱片對(duì)120 A·h磷酸鐵鋰電池進(jìn)行加熱，在進(jìn)行加熱試驗(yàn)時(shí)，需要使用夾具將鋰電池和加熱片夾緊，防止電池在加熱的過程中由于電池殼體膨脹變形導(dǎo)致加熱片與電池殼體不能緊密連接，加熱片的熱量不能充分傳遞至電池，不能觸發(fā)電池?zé)崾Э?，?dǎo)致試驗(yàn)失敗；在加熱片與電池的接觸面及電池背面部署溫度探測(cè)器；在實(shí)驗(yàn)箱頂部部署動(dòng)力電池?zé)崾Э靥綔y(cè)裝置，并使用監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)控制器的氣體、煙霧和溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；電池放入采集箱，電池加熱相關(guān)準(zhǔn)備工作完成后，關(guān)閉采集箱門，鎖死箱門，關(guān)閉兩個(gè)球閥；部署攝像機(jī)，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行錄制，加熱過程中，溫度數(shù)據(jù)、控制器的傳感器數(shù)據(jù)及錄像時(shí)間需要校時(shí)；開始加熱電池工作，待檢測(cè)到電池防爆閥打開后，關(guān)閉加熱電源；打開球閥，開啟取樣泵，把取樣泵的氣體排放至安全區(qū)域，工作兩分鐘；把采氣袋接到采樣泵排氣管上，打開采氣袋閥門，開始取氣；取氣結(jié)束后，先關(guān)閉采樣泵，再關(guān)閉采氣袋閥門，最后關(guān)閉箱體上球閥。熱失控氣體采集箱整體布置見圖3。

圖3 熱失控氣體采集箱整體布置圖

（2）試驗(yàn)判定

本次試驗(yàn)中，電池材料受到加熱片加熱，產(chǎn)生氣體，復(fù)合氣體傳感器采集的氣體濃度呈平滑增長(zhǎng)狀態(tài)；鋰電池的泄壓閥在爆開后，復(fù)合氣體傳感器探測(cè)到的氣體濃度呈明顯上升狀態(tài)，參考圖4。由此可以確認(rèn)，可以使用某類氣體作為鋰電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警的判斷依據(jù)，該類氣體滿足以下條件：①非空氣主要的構(gòu)成氣體；②有相應(yīng)氣體傳感器對(duì)其進(jìn)行定量檢測(cè)；③電池防爆閥在打開前、后，該類氣體濃度有明顯對(duì)比。

圖4 復(fù)合傳感器綜合探測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù)的圖表可以看出，鋰電池在防爆閥打開后并且熱失控發(fā)生前，產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，并迅速超出了復(fù)合氣體傳感器的測(cè)量量程（體積分?jǐn)?shù)）1000×10-6，具體數(shù)值參考表1。

表1 復(fù)合傳感器綜合探測(cè)數(shù)據(jù)表

（3）試驗(yàn)結(jié)論

本次試驗(yàn)采集氣樣委托化學(xué)工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心做了氣體成分含量分析。氣體采樣結(jié)果見表2。

表2 氣體采樣分析結(jié)果

注：數(shù)據(jù)為體積分?jǐn)?shù)。

1.2.1.2 過充方式誘發(fā)熱失控氣體成分提取試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)方案

用恒流充電設(shè)備對(duì)120 A·h磷酸鐵鋰電池充電，電池箱內(nèi)鋰電池芯組因過充導(dǎo)致表面溫升熱，鼓包，從電池表體溫度60～100 ℃每間隔10 ℃采集氣體樣袋，期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO濃度。

（2）試驗(yàn)過程

當(dāng)電池表面溫度達(dá)到58.7 ℃時(shí)，電池箱內(nèi)置傳感器的氣敏傳感器檢測(cè)出CO氣體并且濃度開始逐漸上升，通過觀察窗可以看到電池發(fā)生了輕微鼓包，此時(shí)電池表面溫度為58.7 ℃，一氧化碳濃度為（體積分?jǐn)?shù)）20×10-6。試驗(yàn)布置圖如圖5所示。

圖5 過充方式誘發(fā)熱失控氣體成分提取試驗(yàn)布置圖

經(jīng)過5次氣體采集，停止過充實(shí)驗(yàn)，采集到電池從溫升初期到熱失控5個(gè)階段的氣體樣品，并詳細(xì)記錄了電池表面的溫升狀態(tài)和形變狀態(tài)。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

本次試驗(yàn)采集氣樣委托化學(xué)工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心做了氣體成分含量分析。氣體采樣結(jié)果見表3。

表3 氣體采樣分析結(jié)果

注：數(shù)據(jù)為體積分?jǐn)?shù)。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)論

兩次試驗(yàn)采集氣樣均委托化學(xué)工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心做了氣體成分含量分析，通過采氣試驗(yàn)進(jìn)行氣體分析的結(jié)果及氣體選擇條件，可以確認(rèn)一氧化碳作為典型的偵測(cè)依據(jù)來實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э氐脑缙陬A(yù)警。從表2、表3中看出二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕鈱儆诖髿鈽?gòu)成氣體而且5個(gè)氣體樣品數(shù)值變化量極小，不具備參考價(jià)值。相比于烯類氣體，針對(duì)CO的傳感器的應(yīng)用具有技術(shù)應(yīng)用成熟、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，適用于鋰離子電池的早期預(yù)警使用。

一氧化碳和溫度數(shù)據(jù)的復(fù)合型判別，可以有效地提高鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警識(shí)別的有效性，避免單一數(shù)據(jù)判別導(dǎo)致的誤報(bào)和漏報(bào)情況。

2 鋰離子電池儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)研究

2.1 儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前儲(chǔ)能電站中單預(yù)置艙系統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)及消防報(bào)警設(shè)計(jì)參照GB 50116《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，配置使用典型感溫和典型感煙探測(cè)器，消防預(yù)警系統(tǒng)采用獨(dú)立的通訊方式，在本地集中控制[13]，圖6是一個(gè)典型40英尺（1英尺=0.3048 m）預(yù)置艙儲(chǔ)能電站火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖6 典型40英尺預(yù)置艙儲(chǔ)能電站火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

這種方式參考建筑類應(yīng)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在儲(chǔ)能電站安全消防預(yù)警系統(tǒng)的適用方面，存在兩點(diǎn)重要的缺陷：①典型感煙和典型感溫火災(zāi)探測(cè)器不適用于鋰離子電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警，探測(cè)預(yù)警一定是火災(zāi)已經(jīng)從電池包蔓延到儲(chǔ)能艙后的結(jié)果，屬于鋰離子電池?zé)釘U(kuò)散事故發(fā)生后的報(bào)警。②獨(dú)立的系統(tǒng)通訊機(jī)制，缺少與BMS或EMS智慧聯(lián)動(dòng)的安全管理策略。

2.2 鋰離子電池儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.2.1 多級(jí)預(yù)警及防護(hù)

多級(jí)預(yù)警是指從電池包內(nèi)部、電池簇（封閉式電池簇）和電池艙空間進(jìn)行分區(qū)探測(cè)預(yù)警的方式，目的是在電池單體發(fā)生熱失控時(shí)得以快速識(shí)別。

電池單體發(fā)生電解液泄漏、熱失控早期是儲(chǔ)能電站消防預(yù)警的重要標(biāo)志特征。只有在電池包內(nèi)才可以有效的實(shí)現(xiàn)早預(yù)測(cè)電池異常狀態(tài)，提高熱失控預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性與可靠性。

鋰離子電池的電解液泄漏，可能導(dǎo)致高壓安全、絕緣失效，間接造成電擊、起火等危險(xiǎn)[14]。而單體電池發(fā)生熱失控時(shí)，電池包內(nèi)部的探測(cè)器可以安裝在熱擴(kuò)散未形成聯(lián)動(dòng)的滅火系統(tǒng)，對(duì)于磷酸鐵鋰電池來說初期單體火災(zāi)很容易做到撲滅或早期的抑制，在電池包中安裝使用探測(cè)控制器對(duì)鋰離子儲(chǔ)能電站來說顯得尤為重要。

為提高消防預(yù)警準(zhǔn)確性，儲(chǔ)能電站的消防系統(tǒng)需要實(shí)行分級(jí)預(yù)警機(jī)制，采用多級(jí)消防處理控制，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)大范圍的起火風(fēng)險(xiǎn)，可有效保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全。

圖7是一個(gè)40英尺預(yù)置鋰離子儲(chǔ)能電站的多級(jí)預(yù)警及防護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案，對(duì)56個(gè)電池包和7個(gè)電池簇箱進(jìn)行了探測(cè)預(yù)警及管道式滅火裝置安全防護(hù)，該方案已經(jīng)實(shí)施并投入運(yùn)行。

圖7 40英尺預(yù)置鋰離子儲(chǔ)能站多級(jí)預(yù)警及防護(hù)應(yīng)用方案

2.2.2 多級(jí)安全聯(lián)動(dòng)策略

儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)中的消防預(yù)警主機(jī)是消防聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備的核心組件。它通過接收電池?zé)崾Э靥綔y(cè)器發(fā)出的熱失控報(bào)警信號(hào)，按照預(yù)設(shè)邏輯實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，它可以直接發(fā)出控制信號(hào)（用于電池包內(nèi)置式滅火裝置的啟動(dòng)），控制邏輯復(fù)雜，可以通過電動(dòng)裝置間接發(fā)出控制信號(hào)。

本系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制策略主要基于兩方面，一是如何快速有效地檢測(cè)出電池的熱事故隱患和熱失控狀態(tài)；二是在出現(xiàn)熱失控的狀態(tài)下如何快速啟動(dòng)消防設(shè)施，實(shí)現(xiàn)有效滅火。針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大等特點(diǎn)，結(jié)合儲(chǔ)能站內(nèi)消防、動(dòng)環(huán)等系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，采用分層管理的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)系統(tǒng)等的深度融合，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全[15]。

結(jié)合大規(guī)模儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行管理、 故障診斷和警告保護(hù)等安全設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮異常 情況下電池?zé)崾Э靥幚聿呗?，消防預(yù)警系統(tǒng)與 BMS協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)在熱失控狀態(tài)下切斷電池的運(yùn)行狀態(tài)及啟動(dòng)消防系統(tǒng)。多級(jí)安全聯(lián)動(dòng)策略示意圖，如圖8所示。

2.3 儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)研究

基于上述研究基礎(chǔ)，儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)與BMS系統(tǒng)信息一體化、協(xié)同監(jiān)控。依據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 16806—2006《消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)》等消防標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合電化學(xué)儲(chǔ)能電站的實(shí)際需求，初步設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用方案。

消防系統(tǒng)由熱失控探測(cè)器、消防控制主機(jī)、緊急啟停開關(guān)、聲光報(bào)警器、滅火裝置等部件組成。

儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 多級(jí)安全聯(lián)動(dòng)策略示意圖

圖9 儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 儲(chǔ)能電站消防預(yù)警系統(tǒng)部件

（1）消防控制主機(jī)

內(nèi)置UPS不間斷電源，保證站內(nèi)斷電情況下，持續(xù)工作時(shí)間不小于2小時(shí)），由消防主機(jī)提供并管理系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的電源，實(shí)時(shí)顯示站內(nèi)探測(cè)器采集數(shù)據(jù)與火災(zāi)報(bào)警信號(hào)歷史數(shù)據(jù)查詢，并導(dǎo)出報(bào)表，負(fù)責(zé)消防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。至少提供以太網(wǎng)、CAN、RS485、干接點(diǎn)4類通信接口，滿足常用的組網(wǎng)通信方式。

（2）鋰電池?zé)崾Э靥綔y(cè)器

探測(cè)器對(duì)CO、煙霧、溫度等參量變化情況，對(duì)鋰電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)做出綜合判斷，一體化設(shè)計(jì)。

（3）外部報(bào)警裝置

儲(chǔ)能站內(nèi)部安裝站內(nèi)聲光報(bào)警器，儲(chǔ)能站外部安裝站外聲光報(bào)警器與氣體噴灑指示燈，在系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警與滅火器啟動(dòng)時(shí)，能及時(shí)警示工作人員。

（4）用戶操作開關(guān)

包括緊急啟動(dòng)、緊急停止、自動(dòng)與手動(dòng)狀態(tài)切換，一體化設(shè)計(jì)。

（5）后臺(tái)主站系統(tǒng)

能夠展示消防預(yù)警系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)與報(bào)警數(shù)據(jù)及驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器，能把火災(zāi)報(bào)警信息醒目提示給監(jiān)控人員。

2.3.2 消防預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)通信設(shè)計(jì)

通信線路包括以下內(nèi)容。

（1）消防預(yù)警系統(tǒng)必須有通信線與站內(nèi)儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)(BMS)通信聯(lián)動(dòng)，應(yīng)在火災(zāi)狀態(tài)等極限情況下可靠通信。

（2）消防預(yù)警系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)可直接接入后臺(tái)系統(tǒng)或由儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺(tái)系統(tǒng)。

（3）站內(nèi)空調(diào)可由消防預(yù)警系統(tǒng)或儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)控制直接控制，在空間滅火裝置啟動(dòng)前，關(guān)閉葉扇，達(dá)到更好的滅火效果。

通信內(nèi)容包括如下。

（1）主機(jī)信息：UPS后備電源的充電、滿電、欠壓等信息；用戶操作開關(guān)信息。

（2）防護(hù)區(qū)信息：正常與報(bào)警信息、滅火器啟動(dòng)、已使用等信息；各路干接點(diǎn)控制信息。

（3）故障信息：部件供電故障、通信故障等信息。

2.3.3 消防預(yù)警系統(tǒng)為檢修人員的安全考慮

（1）手動(dòng)自動(dòng)模式

系統(tǒng)分為手動(dòng)模式與自動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可主動(dòng)啟動(dòng)滅火裝置；手動(dòng)模式下，滅火裝置由人員手動(dòng)啟動(dòng)。人員進(jìn)站檢修應(yīng)將系統(tǒng)置于手動(dòng)模式，離站時(shí)置于自動(dòng)模式。

（2）滅火裝置延時(shí)啟動(dòng)模式

滅火裝置啟動(dòng)前，應(yīng)有延時(shí)功能，保證人員安全撤離，延時(shí)時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。

3 結(jié) 語

隨著鋰離子電池儲(chǔ)能電站的規(guī)模化應(yīng)用，如何保證儲(chǔ)能電站的消防安全成為其發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)。本文在電池?zé)崾Э丶盁釘U(kuò)散識(shí)別特征參數(shù)分析基礎(chǔ)上，提出了適用于鋰離子電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)早期預(yù)警的復(fù)合型熱失控火災(zāi)探測(cè)器，并在站內(nèi)進(jìn)行多級(jí)預(yù)警和防護(hù)設(shè)計(jì)，與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，在保證快速有效地檢測(cè)出電池?zé)崾Э貭顟B(tài)的同時(shí)快速聯(lián)動(dòng)消防設(shè)施，實(shí)現(xiàn)有效安全防護(hù)，極大提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

然而，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防方面的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求較低，且不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，工程中應(yīng)用的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)為建筑物中使用的探測(cè)預(yù)警裝置，配置的滅火劑和滅火措施的有效性均未得到驗(yàn)證，后續(xù)需要針對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)早期預(yù)警及消防安全進(jìn)行系統(tǒng)及深入的研究。

[1] 高平, 許鋌, 王寅. 儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2017, 6(2): 270-274.

GAO Ping, XU Ting, WANG Yin. Research on the standards of lithium ion battery and its system used in energy storage[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(2): 270-274.

[2] 吳寧寧, 吳可, 高雅, 等. 鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2010(10): 49-52.

[3] 吳福保, 楊波, 葉季蕾, 等. 大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用及典型設(shè)計(jì)[C]//第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第15分會(huì)場(chǎng)-大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研討會(huì), 2011: 3-8.

[4] 李仕錦, 程福龍, 薄長(zhǎng)明. 我國(guó)規(guī)模儲(chǔ)能電池發(fā)展及應(yīng)用研究[J]. 電源技術(shù), 2012(6): 905-907.

LI Shijin, CHENG F ulong, BO Changming. Development and application of large scale energy storage battery in China[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2012(6): 905-907.

[5] RICHARD JOHNSON. Thermal runaway detection in Li ion cells [D]. Sheffield : The University of Sheffield, 2017.

[6] XIONG J, BANVAIT H L. Li failure detection of over-discharged Li-ion batteries –proceedings of the electric vehicle conference[C]//Greenville, SC, 2012: 1-5.

[7] TIAX (2014) System and methods for detection of internal shorts in batteries: US 20140266229 A1[P]. 2014.

[8] FENG Xuning. Thermal runaway propagation in lithium ion battery pack-initiation, Propagation and prevention[D]. Beijing: Tsinghua University, 2016.

[9] 張明軒, 馮旭寧, 歐陽明高, 等. 三元鋰離子動(dòng)力電池針刺熱失控實(shí)驗(yàn)與建模[J]. 汽車工程, 2015(7): 743-750, 75.

ZHANG Mingxuan, FENG Xuning, OUYANG Minggao, et al. NCM Li-ion power battery nail penetration thermal runaway experiments modeling[J]. Automotive Engineering, 2015(7): 743-750, 75.

[10] GOLUBKOV ANDREY W, FUCHS DAVID, WAGNER JULIAN. Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes[J]. The Royal Society of Chemistry, 2014(4): 3633-3642.

[11] FREDRIK LARSSON, SIMON BERTILSSON, MAURIZIO FURLANI. Gas explosions and thermal runaways during external heating abuse of commercial lithium-ion graphite-LiCoO2cells at different levels of ageing[J]. Journal of Power Sources, 2018, 373: 220-231.

[12] GI-HEON KIM, AHMAD PESARAN, KANDLER SMITH. Thermal abuse modeling of Li-ion cells and propagation in modules. In conjunction with the 8th Advanced Automotive Battery Conference[C]//2008: 13-16.

[13] 汪超, 阮海明, 曾驅(qū)虎. 儲(chǔ)能電站消防系統(tǒng): CN201420857008. 5[P]. 2015-07-29.

[14] 何向明, 馮旭寧, 歐陽明高. 車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2016, 34(6): 32-38.

[15] 李圣勇. 大規(guī)模儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的研究[D]. 南寧: 廣西大學(xué), 2014.

Research on early warning system of lithium ion battery energy storage power station

WANG Chunli, GONG Limiao, KANG Ping, TAN Yechao, LI Mingming

(Yantai Chungway New Energy Technology Co., Ltd., Yantai 264000, Shandong, China)

It is very important for the safe operation of the energy storage system to study the fire warning technology of Li-ion battery energy storage power station. The recognition of thermal runaway and thermal diffusion characteristics of lithium-ion batteries is discussed. The combustible gases will be generated slowly at the beginning the thermal runaway of lithium-ion batteries. if the gas of thermal runaway of batteries can be extracted and analyzed in the early state, the thermal runaway early warning system of the battery can be established on this basis. In this paper, heating and overcharging methods were used to trigger the battery thermal runaway and gas emission, and the gas composition is analyzed , it is confirmed that carbon monoxide can be detected to achieve early warning of Li-ion battery thermal runaway. It introduces the application status of fire warning system in energy storage power station and points out its shortcomings. The multilevel early warning and protect mechanism and security linkage strategy were studied. At last, the design framework of fire warning system for lithium ion battery energy storage power station is exported. The system is briefly explained from the aspects of system components, linkage communication and personnel safety. The system ensures fast and effective detection of the thermal runaway state of batteries while fast linkage of fire protection facilities, greatly improving the reliability of the energy storage system.

Li-ion battery; thermal runaway; energy storage; fire safety; early warning

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0174

TP 277

A

2095-4239（2018）06-1152-07

2018-09-03；

2018-09-30。

王春力（1983—），女，碩士，工程師，主要從事動(dòng)力電池?zé)崾Э匕踩夹g(shù)研究，E-mail：wangchunli@chungway.com；

李明明，工程師，主要從事電化學(xué)儲(chǔ)能安全防護(hù)技術(shù)研究，E-mail：limingming@chungway.com。