中國儲能網(wǎng)訊：
作者：管敏淵 1 沈建良 1徐國華 1湯舜 2張煒鑫 2 曹元成 2
單位：1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司；2. 華中科技大學電氣與電子工程學院
引用：管敏淵, 沈建良,徐國華, 等. 鋰離子電池儲能系統(tǒng)靶向消防裝備設計與性能[J]. 儲能科學與技術, 2023, 12(4): 1131-1138.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0719
摘 要 鋰電池儲能系統(tǒng)是構建新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標的關鍵支撐，但鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全問題成為了制約儲能系統(tǒng)大規(guī)模推廣的關鍵瓶頸，現(xiàn)有基于固定建筑物式的傳統(tǒng)氣體滅火系統(tǒng)適用性不強，無法撲滅鋰離子電池火災及抑制復燃。本工作面向典型預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)，基于多層協(xié)同預警技術和不同防護滅火策略實現(xiàn)了對儲能系統(tǒng)的靶向消防防控裝備開發(fā)。首先，基于煙/溫感探測器、可燃氣體傳感器、Pack溫度傳感器構建了多層協(xié)同的預警技術，實現(xiàn)對電氣火災、鋰離子電池火災的精準預警。其次，在現(xiàn)有七氟丙烷滅火系統(tǒng)基礎上增加鋰電池火災專用抑制系統(tǒng)，滿足國標電氣場所消防設計要求的同時保障鋰電池火災抑制需求。通過主管道、應急管道、噴嘴的布局定位安裝，所設計的抑制系統(tǒng)支持Pack級主動防護，能將鋰離子電池抑制劑輸送到Pack，實現(xiàn)對鋰離子電池火災的早期撲滅并能多次啟動，抑制鋰離子電池火災復燃及蔓延。滅火系統(tǒng)和抑制系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，各自發(fā)揮優(yōu)勢，全方位保障鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全。
關鍵詞 儲能系統(tǒng)；鋰離子電池；預警；消防裝備；精準定位
儲能能夠為電網(wǎng)運行提供調峰、調頻、備用、需求響應支撐等多種服務，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟性和安全性的重要手段。加快儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于構建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，推進我國能源行業(yè)供給側改革、推動能源生產(chǎn)和利用方式變革具有重要戰(zhàn)略意義，同時還利于實現(xiàn)我國“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的偉大目標。
以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術由于其循環(huán)性能好、無記憶效應、比能量高等優(yōu)點，成為目前電力儲能領域裝機容量增長最快的儲能技術。但目前儲能電池包括鋰離子電池、鉛酸電池等仍未達到本質安全，一旦電池處于短路、過熱、擠壓等濫用條件下，電池可能產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)內部電解液和電極材料的鏈式反應，進而發(fā)生熱失控，并可能發(fā)展為大規(guī)模的爆炸、火災事故。電化學儲能系統(tǒng)是以電池為基礎的，具有發(fā)生火災或爆炸的危險本質，特別是在密閉空間，一旦某一儲能單元發(fā)生火災，將會引起相鄰多臺儲能單元的連鎖火災反應甚至箱體爆炸，火災荷載大、危險性高且難于撲救。
當前電化學儲能系統(tǒng)的消防設計中的消防系統(tǒng)建設標準是基于固定建筑消防火災，通過實施全淹沒滅火方式進行滅火。采用的滅火劑主要是以七氟丙烷為代表的鹵代烷烴滅火劑，常溫下為氣態(tài)，其滅火機理主要是切斷燃燒鏈，適用于撲滅表面火災，可用于電氣火災。然而鋰離子電池火災是由內至外發(fā)熱類型的深位火災，采用七氟丙烷滅火劑往往撲滅明火后會復燃。同時，火災預警系統(tǒng)采用的是煙感探測器和溫感探測器?；跓煾泻蜏馗刑綔y器的誤報率非常高，火災控制系統(tǒng)工作原理是只有當火災預警系統(tǒng)同時接收到煙感報警信號和溫感報警信號時，才能發(fā)出啟動滅火系統(tǒng)的控制信號。鋰離子電池著火部位基本在Pack(電池模組)內，當火災預警系統(tǒng)探測到火災信號時，鋰離子電池火災已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模了。在滅火裝置方面，針對電化學儲能系統(tǒng)火災應用的滅火裝置主要包括：懸掛式滅火裝置、柜式滅火裝置、探火管滅火裝置。傳統(tǒng)懸掛式滅火裝置，保護范圍有限，動作響應嚴重滯后，其一般吊裝在集裝箱的頂部，依靠感溫玻璃泡探測周圍環(huán)境達到68 ℃則自行啟動。針對鋰離子電池火災，傳統(tǒng)懸掛式滅火裝置響應速度慢，且一套裝置的滅火劑容量有限，裝置保護的范圍較小。柜式滅火裝置，是目前儲能系統(tǒng)中應用最多的滅火裝置，其滅火裝置布置在集裝箱開門角落。柜式滅火裝置存在的主要問題是保護的區(qū)域半徑有限，針對集裝箱狹長型的結構特點，存在保護死角，且滅火劑很難及時到達電池Pack箱內起火位置，不利于第一時間控制火災。探火管滅火裝置是通過探火管纏繞在火災隱患附近，進而實現(xiàn)點對點噴射滅火，存在動作響應慢、滅火范圍小的問題，并且經(jīng)過工程應用發(fā)現(xiàn)，往往明火持續(xù)5 s以后，探火管滅火裝置才會啟動，因此其保護的范圍相對有限，不能對整個集裝箱儲能系統(tǒng)實施防護。
因此針對電化學儲能系統(tǒng)，結合儲能系統(tǒng)結構特點研發(fā)一種高效率且結構和布局設計合理的滅火裝置迫在眉睫。本工作基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)預制艙結構特點，構建了多層協(xié)同預警技術，實現(xiàn)對電氣火災、電池火災的精準火災預警。參考現(xiàn)有消防建設標準的基礎上，在現(xiàn)有七氟丙烷滅火系統(tǒng)基礎上增加鋰離子電池火災抑制系統(tǒng)，通過抑制系統(tǒng)中的Pack級釋放管道布置及時將全氟己酮滅火劑輸送至熱失控Pack，實現(xiàn)對熱失控電池的精準防控，防止電池火災蔓延。滅火系統(tǒng)和抑制系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，全面保障電化學儲能系統(tǒng)安全運行。
1 多層系統(tǒng)預警技術
目前，國內鋰離子電池儲能系統(tǒng)中的消防系統(tǒng)是參照固定建筑物式標準GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》進行設計和驗收，采用的是標準的感煙/溫感應器，系統(tǒng)為集中控制方式，如圖1所示?；跓煾泻蜏馗刑綔y器的誤報率非常高，火災控制系統(tǒng)工作原理是只有當火災預警系統(tǒng)同時接收到煙感報警信號和溫感報警信號時，才能發(fā)出啟動滅火系統(tǒng)的控制信號。對于鋰離子電池而言，鋰離子電池著火部位基本在Pack內，當火災預警系統(tǒng)探測到火災信號時，儲能系統(tǒng)中電池火災已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模了。因此，目前電化學儲能系統(tǒng)的火災預警系統(tǒng)設置亟需改進。
圖1 現(xiàn)有鋰離子電池儲能系統(tǒng)典型消防系統(tǒng)
儲能系統(tǒng)火災除了鋰離子電池因熱失控引發(fā)的電池火災外，還存在電氣設備短路、老化所引起的電氣火災，電氣火災分為電氣柜內部火災和艙級電氣火災。因此，針對儲能系統(tǒng)不同火災類型，可選擇不同的預警探測器，以實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)安全預警精準可靠和維護便捷等功能。
1.1 煙/溫感探測器
針對傳統(tǒng)艙級電氣火災，選用煙/溫感探測器來探測。煙/溫感探測器具有成本低和維護簡單等優(yōu)勢，以40尺(1尺=0.333 m)集裝箱為例，在集裝箱頂部及內部空間可選擇性地安裝部分煙/溫感探測器。電氣火災燃燒猛、蔓延快、易形成大面積燃燒，燃燒時會產(chǎn)生大量煙霧，并引起環(huán)境溫度升高。因此，可通過監(jiān)測煙霧濃度和溫度來實現(xiàn)艙級電氣火災的防范。
煙感探測器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。溫感探測器是利用探測器中的熱敏元件發(fā)生物理變化，響應異常溫度、溫度速率等將溫度信號轉變?yōu)殡娦盘?，并進行報警處理。如表1所示，煙/溫感探測器具有成本低、維護簡單等優(yōu)勢，適用于探測鋰離子電池儲能系統(tǒng)中的傳統(tǒng)電氣火災。
表1 煙/溫感探測器的選取及應用
注：1.dB/m表示1 mW功率為參考功率的分貝數(shù)，數(shù)值越小，靈敏度越高。 ；2.dB/m表示1 mW光功率為基礎的絕對功率，是探測器靈敏度的單位。
1.2 可燃氣體傳感器
可燃氣體傳感器是將某一種可燃性氣體的體積分數(shù)轉化為對應電信號的轉換器，主要由電極裝置和傳感材料組成，電極裝置采用標準實驗裝置。儲能系統(tǒng)中鋰離子電池會在多種使用不恰當?shù)臈l件下發(fā)生熱失控，隨著熱失控進一步惡化，可燃氣體逐漸加速溢出，且在電池爆破時，可燃氣體瞬間大量噴出，并伴有大量煙霧產(chǎn)生。在具體實驗測試過程中，發(fā)現(xiàn)當電池表面溫度達到60 ℃時，會檢測到CO、H2等可燃氣體。這說明可燃氣體傳感器能在鋰離子電池發(fā)生明火之前探測到電池熱失控現(xiàn)象，但依然滯后于電池溫度。
當前可燃氣體傳感器雖然能一定程度上檢測到鋰離子電池熱失控的發(fā)生，但易受到其他雜質氣體的影響，并且壽命短，通常只有一到兩年的使用周期，后續(xù)維護成本高。可燃氣體傳感器的價格遠高于煙/溫感探測器，將可燃氣體傳感器布置到每一個Pack內，會大大增加儲能系統(tǒng)成本，在當前儲能系統(tǒng)難以盈利的現(xiàn)狀下是很難推廣應用的。因此，本解決方案將可燃氣體傳感器用于艙級布置，當檢測到一定濃度的可燃氣體時，聯(lián)動預制艙排煙風機進行排風，從而降低艙內爆炸濃度。
1.3 Pack溫度傳感器
對于鋰離子電池儲能系統(tǒng)而言，將火災控制在Pack級別是保障整個儲能系統(tǒng)安全的重要一環(huán)。要想實現(xiàn)Pack級火災安全防控，首先需要利用傳感器精準識別電池熱失控發(fā)生情況。對于鋰離子電池火災過程而言，首先是升溫，然后是初爆、漏液、火災。因此，如圖2所示，選擇合適的溫度傳感器進行Pack級布置，能實現(xiàn)發(fā)生熱失控鋰離子電池的精準定位。
圖2 預警探測器選擇
溫度傳感器成本低、維護簡單，能實現(xiàn)鋰離子電池儲能系統(tǒng)Pack預警效果。依據(jù)鋰離子電池熱失控典型溫度特征和工程應用實踐，適用于Pack溫度傳感器的探頭直徑不能超過1 mm，并且需要響應速度快，能經(jīng)受住300 ℃以上的高溫，從而實現(xiàn)多次探測的目的。
2 儲能系統(tǒng)防護裝備設計
如圖3所示，預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災可分為電氣火災和電池火災兩種。電氣火災和電池火災是兩種不同類型的火災，電氣火災主要由于線路漏電、短路、過負荷、老化等，進而產(chǎn)生局部高溫，致使電氣設備中可燃物著火。電池火災主要是由于單體遭到濫用(包括機械濫用、電濫用和熱濫用等)時，電池內部材料發(fā)生一系列不可控的放熱電化學反應直至熱失控，引發(fā)電池燃燒、爆炸。并且單體電芯的熱失控極易發(fā)生蔓延，導致整個電池模組、電池簇、電池系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模的火災，造成極大的經(jīng)濟損失和人員安全風險。針對電化學儲能系統(tǒng)，需要做到能夠精準識別兩種火災類型，通過消防裝備的設計和優(yōu)化，結合適用性強的滅火劑，從而實現(xiàn)火災的快速有效撲滅。
圖3 預制艙式電化學儲能系統(tǒng)防控系統(tǒng)示意圖
對于電氣火災，可采用七氟丙烷氣體滅火劑。現(xiàn)有預制艙式電化學儲能系統(tǒng)配套的是七氟丙烷滅火劑，雖然對電池火災適用性不強，但能夠滿足電氣火災的滅火需求。當控制模塊接收到報警信號時，七氟丙烷滅火劑通過全淹沒管道、全淹沒噴嘴進行釋放，實現(xiàn)對電氣火災的撲滅。
由于電池火災是一種內源性火災，用傳統(tǒng)隔絕空氣的原理來實現(xiàn)滅火不具備適用性，電化學反應過程中的熱失控是火災的根源，電池火災滅火劑應具備撲滅明火和降溫防復燃兩種特征?，F(xiàn)有配套的七氟丙烷并不具備降溫能力，因此對于電池火災，不能使用七氟丙烷滅火劑。全氟己酮是一種氫氟碳滅火劑，是一種清澈、無色、無味的液體，具有良好的絕緣性能，對鋰離子電池火災能起到快速撲滅和持續(xù)降溫的效果，并且不會傷害電子元器件和其他正常電池，避免二次損傷?；谌和獪缁饎┖歪尫殴艿啦贾?，可構建用于撲滅鋰離子電池火災的抑制系統(tǒng)，與七氟丙烷滅火系統(tǒng)協(xié)同作用，全面保障儲能系統(tǒng)安全。
2.1 Pack級主動防護
圖4為本工作中鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防裝備設計圖，包括七氟丙烷滅火系統(tǒng)和全氟己酮抑制系統(tǒng)，兩種滅火介質分別存儲(七氟丙烷滅火劑瓶組、全氟己酮抑制劑瓶組)，全淹沒管道、全淹沒噴嘴，Pack級主管道、Pack級應急管道，Pack噴嘴等。兩種系統(tǒng)互相獨立又彼此支撐配合，由區(qū)控電磁閥進行控制。
圖4 消防裝備設計圖
現(xiàn)有預制艙式電化學儲能系統(tǒng)消防裝備只有一套基于全淹沒滅火方式的七氟丙烷裝置，不具備對電池火災的早期識別、精準定位和及時撲滅防止蔓延等功能。本工作所設計的Pack級主管道按照Pack級噴嘴設計，能將抑制劑精準輸送到每一個Pack，從而實現(xiàn)對電池火災的精準撲滅，防止電池明火向周圍電池Pack蔓延，造成系統(tǒng)級別火災。
除了通過消防裝置主管道和噴嘴的設計實現(xiàn)Pack防護滅火外，消防裝置還需具備啟?？煽?、應急機械啟動等功能。鋰離子電池發(fā)生熱失控產(chǎn)生燃爆后，采用全氟己酮一定程度上能快速撲滅明火，但內部熱失控反應依然在繼續(xù)，熱量繼續(xù)產(chǎn)生，當熱量累積到一定程度時會發(fā)生復燃現(xiàn)象。因此，消防裝置需啟?？煽兀啥啻吾尫?，從而實現(xiàn)對鋰離子電池火災的持續(xù)抑制。
2.2 噴放功能測試
2.2.1 試驗模型與布置
對于預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防裝備的性能檢測至關重要，本工作針對預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)結構特點和火災特性，進行了一種能及時預警、精準定位、啟停可控的靶向安全防控技術和裝備。在此基礎上，進行了一整套消防裝置的噴放功能測試和驗證。
圖5為靶向消防裝置測試模型。抑制劑存儲裝置內充裝全氟己酮抑制劑，并充壓至存儲壓力，搭建40尺集裝箱模型，集裝箱內兩側根據(jù)應用場景布滿電池架，共設置15個電池架排成一排，每個電池架7層，電池架長550 mm，寬600 mm，高2200 mm，每一層高275 mm。最遠端一個電池架根據(jù)圖紙安裝電池箱模型，內部設置應急啟動、溫度傳感器、局部釋放管和噴嘴等。集裝箱圍護結構(含門窗)承受內壓的允許壓強(內外壓強差)不宜低于1200 Pa，并參照GB 50370開設泄壓口。在抑制劑存儲裝置出口處、局部釋放管道的最不利點噴嘴處分別安裝壓力變送器，采用記錄儀同時監(jiān)測驅動裝置電壓信號和壓力變送器信號。
圖5 集裝箱內布置示意圖
2.2.2 局部噴放要求
自動模式下啟動局部噴放，火災抑制裝置控制系統(tǒng)設置到自動狀態(tài)，觸發(fā)最不利點的電池箱傳感器，抑制劑存儲裝置能根據(jù)設定程序啟動容器閥和控制閥，其抑制劑噴放到對應電池箱內；驅動裝置從監(jiān)測到啟動電壓信號(抑制劑瓶組啟動，抑制劑開始從瓶組進入管道)至最不利點處的壓力信號不小于0.5 MPa(管道內抑制劑到達末端噴嘴處開始釋放)的時間不大于1 s。
測試動作流程如圖6所示，當布置在Pack級內的傳感器感應到電池發(fā)生溫度異常時，由預警主機接收感應信號并進行判定。預警主機根據(jù)所設定的程序向滅火劑瓶組和控制閥發(fā)出啟動信號，滅火劑瓶組啟動，通過主管道和分管道達到指定噴嘴位置釋放滅火劑直至明火撲滅。
圖6 自動啟動動作流程
3 裝置實況驗證
為了驗證所開發(fā)的靶向消防裝備對鋰離子電池火災的效果，本工作搭建了1∶1全尺寸實驗平臺。具體測試方法參考2.2節(jié)噴放功能測試，具體技術要求和測試方法可參考T/CIAPS0015—2022團體標準《預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災抑制裝置測試方法》。根據(jù)應用場景，所設計的裝置火災抑制試驗空間容積為40尺標準集裝箱，選取1個100%荷電狀態(tài)(SOC)的電池模組，安裝在電池箱內，電池單體容量為80 Ah，電池Pack容量不小于8 kWh，電池單體及模組之間根據(jù)實際工況串并聯(lián)，在集裝箱內布置方式如圖5所示。
如圖7所示，采用加熱板安裝在電池模組中間，同時加熱兩個電池單體，加熱裝置宜選用平面狀，長寬尺寸與電池單體接近，且與電池直接接觸，功率500～1200 W，電池箱內設置電磁點火裝置，溫度數(shù)據(jù)采集頻率10 Hz。
圖7 熱失控加熱示意圖
預警系統(tǒng)開啟，打開加熱裝置對電池模組進行加熱，同時打開靜電點火器進行持續(xù)點火，直至電池熱失控引燃明火，斷開加熱裝置，預警控制裝置自動介入探測與滅火程序，抑制劑分三階段釋放，首次探測觸發(fā)進行第一次釋放，時間120 s，中途停止30 s，繼而第二次釋放10 s，繼續(xù)停止30 s，第三次繼續(xù)釋放10 s，過程循環(huán)探測，可重復觸發(fā)。通過24 h靜電點火器持續(xù)點火，連續(xù)視頻監(jiān)控、溫度數(shù)據(jù)采集驗證其復燃狀況。試驗應記錄以下數(shù)據(jù)：明火起始時間T0；預警裝置發(fā)出啟動指令時間T1；裝置啟動噴放時間T2(參考對應噴嘴管道探測到壓力變化)；明火撲滅時間T3；24 h內復燃情況；火災抑制裝置響應時間為T2～T1。
圖8為本工作所設計的靶向消防裝備的實測過程圖。在加熱的電池單體表面布置熱電偶，實時監(jiān)測電池表面溫度變化情況。根據(jù)電池表面溫度變化情況判斷消防裝置對熱失控電池的實際消防性能。
圖8 消防裝置驗證過程
圖9為熱失控電池表面溫度曲線圖。可以看到，在9 s左右，電池表面溫度達到60 ℃左右時，電池溫度急劇上升，這是由于電池隔膜發(fā)生熔化，電池內部正負極短路，從而放出大量熱量。滅火裝置開始啟動，釋放出全氟己酮抑制劑，在2 s內，電池溫度由200 ℃以上降到100 ℃以下，這代表電池明火能夠被迅速撲滅。除此之外，電池溫度在10 s內降至50 ℃。
圖9 熱失控電池表面溫度曲線
通過實際工況驗證，本工作所設計的靶向消防裝備實現(xiàn)了2 s內對熱失控電池的快速降溫，并且通過裝置的快速響應和精準定位功能，能夠將火災控制在儲能系統(tǒng)Pack級，有效防止了電池火災的蔓延。
4 結論
預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)在密閉空間存儲巨大的能量，具有危險性。解決了儲能系統(tǒng)安全性問題，就解決了鋰離子電池儲能系統(tǒng)大規(guī)模應用的最后一公里。本工作基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)結構和火災特點，通過不同傳感器的選取和布置構建多層系統(tǒng)預警技術，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)Pack探測分析和精準定位。在現(xiàn)有七氟丙烷滅火系統(tǒng)的基礎上設計了七氟丙烷滅火系統(tǒng)和全氟己酮抑制系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，各自發(fā)揮優(yōu)勢，并且更加具備經(jīng)濟性。通過抑制系統(tǒng)中管道、噴嘴的布局安裝，能夠支持多點位Pack多次啟動，更加有效抑制鋰離子電池復燃。
通過本工作所設計構建的靶向消防裝備的實際工況測試，能夠及時識別鋰離子電池熱失控位置，并且迅速撲滅鋰離子電池火災，實現(xiàn)了對預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全保障。
本工作從工程應用和實踐的角度構建的靶向消防裝備，目前仍存在一些改進方向和尚待解決的問題。
（1）氣體傳感器能夠實現(xiàn)對熱失控鋰離子電池的早期預警，但現(xiàn)有氣體傳感器價格昂貴、使用壽命短，大大限制了氣體傳感器在鋰離子電池儲能系統(tǒng)中的大規(guī)模應用。
（2）相較于七氟丙烷滅火系統(tǒng)，全氟己酮抑制系統(tǒng)對鋰離子電池火災適應性更強，能夠有效撲滅鋰離子電池明火和持續(xù)降溫抑制復燃，但全氟己酮在長期存儲過程中會釋放出一些氫氟酸，對接觸金屬造成腐蝕。
（3）在標準政策方面，針對預制艙式鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防規(guī)范，目前尚無正式的國家標準，所采用的參考固定建筑物式消防建設規(guī)范，對鋰離子電池儲能系統(tǒng)適應性不強。
因此，鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防裝備的大規(guī)模應用目前仍面臨新型材料的開發(fā)和成本的優(yōu)化，以及政策標準的積極推動的問題。
