基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全技術(shù)

孟祥鵬

摘? 要：基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全對(duì)于保障電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。文章基于鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鞣治鲞x擇了基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法，并充分結(jié)合多級(jí)防護(hù)機(jī)制來(lái)進(jìn)行消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效提升了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工作的安全性。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;消防安全;儲(chǔ)存系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM912? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全技術(shù)也越來(lái)越受到人們的重視，主要原因在于儲(chǔ)層系統(tǒng)一旦發(fā)生事故將可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。2018年7月在韓國(guó)發(fā)生了一起由于儲(chǔ)層系統(tǒng)中設(shè)備過(guò)熱導(dǎo)致的重大火災(zāi)，在這場(chǎng)火災(zāi)事故中共有720平米的儲(chǔ)能建筑以及3600組鋰電池?fù)p毀，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成了非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失?？梢?jiàn)在儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中其消防安全建設(shè)至關(guān)重要。在儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全研究中關(guān)于鋰離子電池的消防安全一直是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。我國(guó)大亞灣核電站在儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中建立了一個(gè)基于鐵鋰蓄電池的大容量?jī)?chǔ)層消防安全系統(tǒng)，在核反應(yīng)堆工作過(guò)程中應(yīng)用該系統(tǒng)可以對(duì)其溫度變化情況進(jìn)行有效監(jiān)控，數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)可以顯著降低反應(yīng)堆堆芯融化概率，對(duì)于保障大亞灣核電站的安全具有重要作用?；诖?，本文為了提高儲(chǔ)層系統(tǒng)的安全性在其中加入了鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警，并充分結(jié)合其他防護(hù)機(jī)制以及安全技術(shù)，構(gòu)建了基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全技術(shù)體系。該體系對(duì)鋰離子電池的失控狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)控，一旦出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題便會(huì)進(jìn)行預(yù)警，并聯(lián)動(dòng)消防安全裝置，對(duì)于保障電池儲(chǔ)層系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

1 鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鞣治黾疤崛?/p>

1.1 鋰離子電池?zé)崾Э罔b別方法

對(duì)于鋰離子電池?zé)崾Э貭顟B(tài)的有效鑒別是研究鋰離子電池儲(chǔ)層系統(tǒng)消防安全的重要基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了多種鋰離子電池?zé)崾Э罔b別方法，目前在實(shí)際應(yīng)用中較為常見(jiàn)的方法有如下四種。一是基于電池管理系統(tǒng)來(lái)獲取鋰離子電池的電壓、電流以及溫度等關(guān)鍵參數(shù)，然后對(duì)其熱失控狀態(tài)進(jìn)行鑒別;二是通過(guò)應(yīng)變式傳感器來(lái)對(duì)電池模組壓力進(jìn)行測(cè)量;三是通過(guò)檢測(cè)分析電池內(nèi)阻數(shù)值的變化情況對(duì)其熱失控進(jìn)行有效鑒別;四是通過(guò)采集分析電池泄露氣體的成分及含量來(lái)對(duì)其熱失控進(jìn)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?zé)崾Э匕l(fā)生的整個(gè)過(guò)程中均會(huì)伴隨著化學(xué)反應(yīng)以及可燃?xì)怏w的泄露。由于儲(chǔ)層系統(tǒng)所在的環(huán)境相對(duì)較為穩(wěn)定，因此一旦出現(xiàn)電池?zé)崾Э兀瑢?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的溫度以及氣體等參數(shù)發(fā)生異常變化。應(yīng)用該方法對(duì)電池?zé)崾Э剡M(jìn)行鑒別其核心在于如何采取有效措施來(lái)準(zhǔn)確提取鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程中所泄露出來(lái)的可燃?xì)怏w，并對(duì)氣體中的成分以及不同成分的含量進(jìn)行分析[3]。通常來(lái)說(shuō)隨著電池?zé)崾Э貭顟B(tài)的不斷加劇，所泄露出來(lái)的氣體的濃度也會(huì)不斷增加，整個(gè)過(guò)程中可以分為早期狀態(tài)、可見(jiàn)煙、火焰以及高熱四個(gè)階段。對(duì)于早期狀態(tài)主要應(yīng)用氣體探測(cè)器對(duì)電池所泄露出來(lái)的氣體進(jìn)行檢測(cè)，在可見(jiàn)煙、火焰以及高熱三個(gè)階段則主要利用感煙探測(cè)器、視頻探測(cè)器、感光探測(cè)器以及感溫探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，如圖1所示。

1.3 電池?zé)崾Э貧怏w提取實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步明確基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法在電池?zé)崾Э罔b別中的有效性和可靠性，本文開(kāi)展電池?zé)崾Э貧怏w提取實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。采用一對(duì)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(guò)程中由于熱脹作用導(dǎo)致電池變形，進(jìn)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(dá)到熱失控標(biāo)準(zhǔn)，在整個(gè)加熱過(guò)程中應(yīng)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(guò)程中采用溫度傳感器對(duì)電池的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)驗(yàn)加熱過(guò)程中得到氣體濃度數(shù)據(jù)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(méi)有達(dá)到泄壓閥數(shù)值，因此氣體濃度整體呈現(xiàn)平滑增長(zhǎng)的狀態(tài)。在加熱溫度達(dá)到了泄壓閥數(shù)值之后，氣體濃度開(kāi)始快速升高。因此可以通過(guò)氣體濃度的數(shù)值變化情況對(duì)電池?zé)崾Э貭顟B(tài)進(jìn)行有效判斷。在對(duì)氣體濃度進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)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(cè)的氣體。

2 消防安全系統(tǒng)研究

2.1 我國(guó)消防安全系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國(guó)電池儲(chǔ)層安全消防系統(tǒng)主要是基于《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的，在該系統(tǒng)中主要通過(guò)煙霧傳感器和溫度傳感器來(lái)進(jìn)行煙霧和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用集中控制方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其消防安全系統(tǒng)電網(wǎng)與通信設(shè)施之間相互隔離。預(yù)置艙電網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，該系統(tǒng)為典型的國(guó)內(nèi)消防安全系統(tǒng)，其系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要是參考建筑業(yè)中應(yīng)用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是該系統(tǒng)的煙霧傳感器和溫度傳感器難以對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э卦缙诘南嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行有效檢測(cè);二是通信系統(tǒng)由于與電網(wǎng)隔離，因此難以實(shí)現(xiàn)與能量管理系統(tǒng)或者電池管理系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)管理。

2.2 消防安全系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.2.1 多級(jí)防護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)

為了能夠在單個(gè)電池出現(xiàn)熱失控時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警，在該消防安全系統(tǒng)中采用多級(jí)防護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)，即在電池內(nèi)部、電池艙以及封閉式電池簇等各個(gè)部分進(jìn)行分區(qū)探測(cè)防護(hù)。鋰離子電池在發(fā)生熱失控時(shí)，電解液的泄露可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生間接電擊以及起火等危險(xiǎn)事故。通過(guò)單體電池內(nèi)的監(jiān)測(cè)裝置可以在電解液發(fā)生泄露早期實(shí)現(xiàn)對(duì)熱失控的有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警，有效提升系統(tǒng)的預(yù)警功能。同時(shí)在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)可以通過(guò)電池包內(nèi)的探測(cè)器有效聯(lián)動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)處理。對(duì)于磷酸鐵鋰電池來(lái)說(shuō)，早期的單體火災(zāi)很容易被撲滅。

消防安全系統(tǒng)采用分級(jí)預(yù)警機(jī)制和多級(jí)安全防護(hù)機(jī)制，可以有效控制大范圍的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保障儲(chǔ)層系統(tǒng)的安全。

2.2.2 探測(cè)器參考閾值

本文在消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要檢測(cè)電池表面溫度以及一氧化碳濃度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)電池?zé)崾Э貭顟B(tài)進(jìn)行綜合判斷，有效提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。

2.2.3 多級(jí)防護(hù)聯(lián)動(dòng)機(jī)制

在消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中消防安全主機(jī)是核心組件，其可以對(duì)整個(gè)消防安全系統(tǒng)進(jìn)行控制。在接到報(bào)警信號(hào)之后消防安全主機(jī)會(huì)對(duì)預(yù)警信號(hào)進(jìn)行邏輯分析，基于分析結(jié)果選擇對(duì)滅火報(bào)警裝置發(fā)出控制信號(hào)或者對(duì)電動(dòng)裝置發(fā)出控制信號(hào)。在消防安全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方式設(shè)計(jì)方面需要注意兩個(gè)問(wèn)題。一是能夠?qū)﹄姵責(zé)崾Э貭顟B(tài)準(zhǔn)確報(bào)警，二是防護(hù)設(shè)施在電池出現(xiàn)熱失控后能夠及時(shí)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)消防安全系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)等多系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

2.3 消防安全系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.3.1 消防安全系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件

消防安全系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件包括控制主機(jī)、傳感器、報(bào)警設(shè)施以及用戶操作開(kāi)關(guān)等。控制主機(jī)是整個(gè)消防安全系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并負(fù)責(zé)消防安全系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。傳感器的主要作用為對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的表面溫度以及一氧化碳含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)對(duì)電池的熱失控狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷。報(bào)警設(shè)施主要是在電池出現(xiàn)熱失控狀態(tài)時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，具體采用聲光報(bào)警器以及氣體噴灑指示燈進(jìn)行報(bào)警。用戶操作開(kāi)關(guān)主要是在關(guān)鍵時(shí)刻由用戶進(jìn)行緊急啟動(dòng)或者停止的開(kāi)關(guān)。

2.3.2 消防安全系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)消防安全通信線路時(shí)應(yīng)該注意三個(gè)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(zāi)情況下可以進(jìn)行有效通信的線路;二是在探測(cè)裝置與后臺(tái)顯示系統(tǒng)之間也必須設(shè)計(jì)一條通信線路，便于工作人員能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析;三是在站內(nèi)空調(diào)和電池管理系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)一條通信線路，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可以及時(shí)關(guān)閉空調(diào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于鋰離子電池儲(chǔ)層系統(tǒng)的消防安全技術(shù)對(duì)于保障儲(chǔ)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?zé)崾Э靥卣鲄?shù)分析的基礎(chǔ)上，選擇了基于電池氣體分析的熱失控鑒別方法和多級(jí)預(yù)警多級(jí)防護(hù)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行消防安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在電池發(fā)生熱失控狀態(tài)時(shí)可以及時(shí)預(yù)警，并與滅火設(shè)備聯(lián)動(dòng)，有效提升了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。

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