鋰離子電池儲能系統(tǒng)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(wǎng)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(fā)展下，節(jié)能降耗成為各行各業(yè)的主要方向，儲能技術(shù)被大規(guī)模應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、用電環(huán)節(jié)中，在推動我國能源供給改革的同時，為智能電網(wǎng)的實現(xiàn)打下了堅實基礎(chǔ)。鋰離子電池儲能技術(shù)為儲能技術(shù)的代表技術(shù)，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(shù)的普及也不例外，其不足之處在于，引發(fā)了多次火災(zāi)安全事故，造成重大財產(chǎn)損失，且對相關(guān)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(tǒng)的消防安全被提上日程。

1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)概述

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

就鋰離子電池儲能系統(tǒng)的電池系統(tǒng)而言，其多由數(shù)個電池組組成，電池組由多個電池包組成。由于電池包結(jié)構(gòu)不同，所以電池儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用帶有電池管理系統(tǒng)（BMS）。就鋰離子電池儲能系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)而言，其主要作用為實時監(jiān)控電站的運行狀態(tài)信息，監(jiān)控內(nèi)容包括但不限于系統(tǒng)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(jiān)測信息。就鋰離子電池儲能的電池管理系統(tǒng)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(shè)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(tài)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(tǒng)的電流器系統(tǒng)而言，其主要目的是實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，并對電池系統(tǒng)的充放電進行管理、對電池儲能系統(tǒng)的充放電功率進行控制。就鋰離子電池儲能系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)而言，其可發(fā)揮控制環(huán)境溫度的作用。就鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防系統(tǒng)而言，其主要目的是控制鋰離子電池系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，降低火災(zāi)事故發(fā)生率。

由于鋰離子電池儲能系統(tǒng)具有容量大、適應(yīng)性強、靈活性較高等優(yōu)勢，所以在電力儲能系統(tǒng)中有著較好的應(yīng)用前景。

2 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)特征及蔓延特征

鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)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(fā)生猛烈反應(yīng)后會產(chǎn)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(xiàn)突然性的爆炸現(xiàn)象。（3）易復燃，撲救難度大。如果鋰離子電池儲能系統(tǒng)出現(xiàn)火災(zāi)，使用常規(guī)方法是無法從根源上抑制火災(zāi)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(tǒng)的消防安全分析

3.1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范適用性不足

鋰離子電池儲能系統(tǒng)為新型系統(tǒng)，其雖然被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、用電環(huán)節(jié)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(shù)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(nèi)發(fā)布有關(guān)于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的技術(shù)標準，但其適用性、規(guī)范性不足，所以在潛移默化中增加了火災(zāi)事故的發(fā)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(tǒng)火災(zāi)具有易復燃、撲救難度大的特點，且常規(guī)方法無法從根源上抑制火災(zāi)。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(xiàn)復燃現(xiàn)象，且其不具備滅火與降溫的雙重功能。又如，水噴淋系統(tǒng)技術(shù)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(xiàn)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(shù)消防項目設(shè)置具有輕系統(tǒng)、重部件的傾向，所以集成化度低、兼容性差，使得相關(guān)部件無法協(xié)同操作。而這對鋰電池消防滅火技術(shù)的推廣應(yīng)用造成了直接影響，且制約了鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全的可靠性。

4 鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全技術(shù)支持

4.1 建立科學合理的消防測試模型及技術(shù)規(guī)范

消防測試模型及技術(shù)規(guī)范是鋰離子電池儲能技術(shù)消防安全的技術(shù)支持的要點。具體而言，消防測試模型可使相關(guān)工作人員理清儲能系統(tǒng)鋰電池火災(zāi)特性，并對離電池火災(zāi)與常規(guī)電氣火災(zāi)的差異進行有效分析，從而為測試鋰電池火災(zāi)防控裝置、全面評估消防安全技術(shù)效果提供技術(shù)支持、理論依據(jù)。

4.2 設(shè)計開發(fā)新型滅火劑

由于鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)與其他火災(zāi)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(shè)計開發(fā)新型滅火器。首先，需結(jié)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(jié)合鋰電池熱失控及熱蔓延規(guī)律進行核殼結(jié)構(gòu)滅火器的設(shè)計，以確保降溫的精準性。再次，需采用適合手段優(yōu)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(shù)，在設(shè)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(shè)計開發(fā)時，需將環(huán)保重視起來。具體表現(xiàn)為，需思考滅火劑釋放后是否會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，這些物質(zhì)是否會對環(huán)境造成污染、是否會對電氣系統(tǒng)造成腐蝕或使其絕緣性降低。

4.3 集成化消防系統(tǒng)的研究

鋰電池儲能系統(tǒng)的消防系統(tǒng)具有高度集成化，所以要想使其效用最大限度地發(fā)揮出來，就需將集成化消防系統(tǒng)的研究提上日程。在進行集成化消防系統(tǒng)的研究時，需由同一廠家對消防系統(tǒng)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(xié)同操作。如此一來，才可充分提高消防系統(tǒng)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(jié)合實際情況進行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)的有效應(yīng)用，實現(xiàn)視頻傳輸、輔助功能的集成與傳輸。

5 鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

5.1 多級防護機制設(shè)計

消防安全應(yīng)當遵循預防為主的原則，因為一旦出現(xiàn)火災(zāi)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(tǒng)的消防安全系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計時，需將多級防護機制設(shè)計放在首位。也就是說，需根據(jù)實際情況，在電池內(nèi)部、封閉式電池簇、電池倉等各部分設(shè)置探測裝置，做到分區(qū)探測防護，及時準確地預警熱失控現(xiàn)象。同時，可通過滅火裝置與電池包內(nèi)的探測器的聯(lián)動，實現(xiàn)對單體電池發(fā)現(xiàn)熱失控時的有效防護控制，從而在早期解決熱失控現(xiàn)象，降低火災(zāi)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(tài)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(lián)動機制

消防安全主機為消防安全系統(tǒng)的核心組件，可做到對整個消防安全系統(tǒng)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(jié)果后選擇性地發(fā)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(tǒng)聯(lián)動控制方式設(shè)計時，需考慮2個問題：一是電池熱失控狀態(tài)的準確報警；二是防護設(shè)施在電池出現(xiàn)熱失控后能夠及時反應(yīng)，實現(xiàn)消防安全系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及動力環(huán)境系統(tǒng)等多系統(tǒng)的聯(lián)動。

5.4 消防安全系統(tǒng)框架設(shè)計

（1）消防安全系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件。就鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全系統(tǒng)而言，其由控制主機、傳感器、報警設(shè)施以及用戶操作開關(guān)等部件構(gòu)成。就控制主機而言，其主要負責數(shù)據(jù)采集及處理，實現(xiàn)消防安全系統(tǒng)的聯(lián)動，為消防安全系統(tǒng)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(shè)施的主要目的是根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷電池是否出現(xiàn)熱失控狀態(tài)，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(guān)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(tǒng)通信設(shè)計。消防安全系統(tǒng)通信設(shè)計需考慮以下幾個方面：①確保消防安全系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)中有一條可以在火災(zāi)情況下有效通信的線路。②探測裝置與后臺顯示系統(tǒng)之間有一條在火災(zāi)情況下可以有效通信的線路。③站內(nèi)空調(diào)和電池管理系統(tǒng)之間有一條通信線路。

6 鋰離子電池儲能系統(tǒng)的滅火要點

在進行鋰離子電池儲能系統(tǒng)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(zāi)；注意保持安全距離，正確處理緊急狀況；現(xiàn)場監(jiān)控熱失控溫度，防止復燃發(fā)生，具體如下：

（1）沉著冷靜，正確決策。消防人員到達火災(zāi)現(xiàn)場后，需及時切斷相關(guān)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(zāi)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(zāi)控制在電池盒內(nèi)。同時，需征詢專家意見，采用輔助決策系統(tǒng)查詢、研討火災(zāi)事故處理方法。

（2）合理選用滅火劑，科學處置火災(zāi)。鋰金屬在高溫情況下具有極高的反應(yīng)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(xiàn)復燃現(xiàn)象，且其不具備滅火與降溫的雙重功能；水噴淋系統(tǒng)技術(shù)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(xiàn)短路問題，無法正常使用。所以，在進行鋰離子電池儲能系統(tǒng)滅火時，需選擇合理的滅火器，并對火災(zāi)進行科學處置。比如，可先采用銅粉，使銅粉與鋰金屬產(chǎn)生反應(yīng)，生成銅－鋰合金，純化液態(tài)鋰表面而起到滅火作用，然后迅速散出燃燒時產(chǎn)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(zhàn)術(shù)方法撲滅火災(zāi)。此外，在處置火災(zāi)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(jù)實際情況，對消防車的行車路線進行合理規(guī)劃。同時，可結(jié)合實際情況進行觀察哨的設(shè)置，做到及時發(fā)現(xiàn)爆炸的可能性，并根據(jù)實際情況做出正確指令。

（4）現(xiàn)場監(jiān)控熱失控溫度，防止復燃發(fā)生。在進行鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)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(nèi)部的溫度，并降低復燃現(xiàn)象的發(fā)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(nèi)部的溫度，減少電解液排氣。此外，考慮到鋰電池可持續(xù)放電，所以在熄滅明火后，消防人員需繼續(xù)進行冷卻降溫。

7 結(jié)語

綜上所述，鋰離子電池儲能系統(tǒng)為儲能系統(tǒng)的一種，與其他儲能系統(tǒng)相比，其具有容量大、適應(yīng)性強、靈活性較高等優(yōu)勢，但凡事都有利弊，鋰離子電池儲能系統(tǒng)也不例外。其不足之處在于：很容易引發(fā)火災(zāi)，且對人民的財產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)火災(zāi)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(guān)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(tǒng)的消防安全需要建立科學合理的消防測試模型及技術(shù)規(guī)范、設(shè)計開發(fā)新型滅火劑、集成化消防系統(tǒng)的研究；鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計需從多級防護機制設(shè)計、探測器參考閾值、多級防護聯(lián)動機制、消防安全系統(tǒng)框架設(shè)計等方面入手；在進行鋰離子電池儲能系統(tǒng)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(zāi)；注意保持安全距離，正確處理緊急狀況；現(xiàn)場監(jiān)控熱失控溫度，防止復燃發(fā)生。