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鋰離子電池熱失控特性試驗
目前絕大多數(shù)儲能電站都采用鋰離子電池為儲能部件，所以首先需要模擬并構建鋰離子電池在儲能系統(tǒng)中的工作特性和產(chǎn)生熱失控的條件，進而研究鋰離子電池熱失控特性，獲取可以用于火災預警探測的參數(shù)信息。
試驗采用以過充方式使鋰離子電池產(chǎn)生熱失控的試驗方法。圖1給出了某規(guī)格鋰離子電池由于過充而產(chǎn)生熱失控過程中溫度與電壓的關系曲線示例。
該試驗采用特制的試驗裝置，對不同電池表面溫度下釋放出的氣體特性進行實測，獲取的相應試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。
熱失控過程劃分與探測
根據(jù)對鋰離子電池熱失控試驗結果和可用于熱失控預警探測的參數(shù)特征，將鋰離子電池熱失控劃分為如圖3所示的4個階段。
圖3所示的4個階段都有其明顯的特征，由這些特征可以總結出如下結論：
a. 熱失控初期：可以根據(jù)電量和溫度變化初步判斷電池開始出現(xiàn)熱失控跡象。但由于儲能電站中電池是分組方式工作的，且不存在全充全放工況，故根據(jù)電量變化預判電池熱失控基本沒法實現(xiàn)。此階段電池電極溫度變化有別于日常運行時的溫度變化，可以做預警參考。
b. 熱失控早期：該階段電池電極溫度明顯變化，而且已經(jīng)有熱解氣體釋放。合理設置電池表面溫度探測器和氣體探測器均能有效探測電池熱失控特征，及時采取處置措施。該階段是對鋰電池熱失控進行熱失控探測預警的最佳階段。
c. 熱失控中期：電池表面溫度明顯升高，泄壓閥打開，同時熱解出含有大量可燃性氣體的氣溶膠。在該階段無論是對溫度進行探測還是對熱解氣體探測，都十分容易實現(xiàn)，但該階段熱失控發(fā)展過程的不確定性給處置危險也帶來了極大的不確定性。
d. 熱失控后期：即進入了完全的失控狀態(tài)，一旦進入該階段，大量的濃煙產(chǎn)生，部分電池也會產(chǎn)生火焰、轟燃。應該說災害已經(jīng)發(fā)生，需要考慮的就只剩下如何防止災害擴大了。
上述試驗結果和特征為消防系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)進行安全運行保障提供了必不可少的依據(jù)。這些試驗也是合理設置消防系統(tǒng)以實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)安全運行保障的前提條件。
從上述試驗結果，并本著越早發(fā)現(xiàn)電池熱失控隱患越有利于進行應急處置的原則，也可以看出：對鋰離子電池電極溫度探測是最佳選擇，對鋰離子電池表面溫度探測次之，然后才是對電池熱解出來的氣體進行探測。
根據(jù)隱患預警為主、滅火救援為輔的火災防控理念，火災自動報警系統(tǒng)對鋰離子電池熱失控進行火災預警探測應遵循以下基本準則：
a. 在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患。即在鋰離子電池熱失控初期或早期階段完成隱患預警探測。
根據(jù)鋰離子電池熱失控各階段可探測特征，對電極溫度或電池熱解出的微量氣體進行探測，并設置合適的報警設定值，均可在電池熱失控早期發(fā)現(xiàn)鋰離子電池熱失控隱患，這是儲能系統(tǒng)安全運行保障防護的最佳方案，也是對應急處置最有利的探測階段。該方案需要采集所有電池的電極溫度，因此需要合適的溫度傳感器。對熱解出的微量氣體探測，則需要靈敏度較高且可靠性高的氣體傳感器，同時對氣體探測器的設置也有較高要求。
b. 不求最早，但求及時。
根據(jù)試驗結果，對鋰離子電池表面溫度進行探測，并設置合適的報警條件，可以在熱失控早期偏后階段完成對鋰離子電池熱失控隱患探測，并在發(fā)出報警信號后為應急處置提供足夠的應急處置時間。該報警時間雖然滯后于對電極溫度探測報警時間，但此時泄壓閥尚未打開，仍處于熱失控早期階段。比對熱失控中期氣體探測報警時間提前很多，適用于對所有類型的鋰離子電池熱失控隱患預警探測。
隨著溫度和壓力升高，電池在其泄壓閥打開后直接進入了熱失控中期階段，此時大量的氣體伴隨著熱氣流經(jīng)泄壓口涌出。此時非常適合采用氣體探測器對熱解出來的各類氣體進行探測，并設置合適的報警設定值實現(xiàn)對鋰離子電池熱失控火災預警探測。由于確定了合適的火災隱患報警設定值，且某些原理和規(guī)格的鋰離子電池熱失控發(fā)展相對較緩、熱失控中期持續(xù)時間較長，同時部分類型的鋰離子電池在報警聯(lián)動斷電后具有延緩或終止熱失控進程特性，也能保證火災自動報警系統(tǒng)發(fā)出火災隱患預警信號后，應急處置人員有充足的時間排除隱患。
由于不同原理的鋰離子電池的熱失控特性和相同原理、不同規(guī)格的鋰離子電池的熱失控特性差異都非常大，甚至相同原理、相同規(guī)格而不同生產(chǎn)企業(yè)的鋰離子電池的熱失控特性也有很大差別，同時由于電池組制冷方式不同也導致鋰離子電池熱失控釋放出的熱解粒子分布差異很大，所以真正做好消防系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)安全運行保障防護前，必須先獲取該儲能系統(tǒng)選用的鋰離子電池特性和電池組安裝方式特性。
儲能電站火災防控理念與消防系統(tǒng)防護設置的基本原則
儲能電站的火災防控應以本質安全為主、消防保障為輔的基本防控理念
本質安全是根本。儲能電站自身應具備足夠的安全等級，在此基礎上輔以必要的消防保護手段。在二者都發(fā)揮相應的安全作用條件下，使儲能電站達到安全運行的基本條件。
儲能電站的本質安全主要包括以下3個方面：
a. 電池本身安全：主要包括電池原理、使用材料、制造工藝、一致性篩選與組合、組合工藝等。
b. 充放電管理安全：主要包括電壓、電流、溫度與溫升控制等。
c. 電氣線路安全：主要包括使用線纜的連接可靠性與阻燃性、電氣保護裝置匹配性與動作及時性、應急處置便捷性等。電氣線路安全不但要考慮運行安全，還需要考慮應急處置所需的便捷性與安全性。
儲能電站火災防控中消防系統(tǒng)設置的基本原則
消防系統(tǒng)對儲能電站的火災防控應以立足于盡早發(fā)現(xiàn)隱患、及時排除隱患，防患于未“燃”為基本原則。根據(jù)現(xiàn)階段儲能電站的特點，可以分為以下2種防護：
a. 基本防護：為保障建筑物、運維人員和應急處置人員安全及必要的應急處置而設置的防護。通常以一個報警區(qū)域為一個基本防護單元。預制艙式的儲能電站可以將每個預制艙都分別劃分為一個報警區(qū)域；在建筑內設置儲能裝置時，可以將每個防火分區(qū)都單獨劃分為一個報警區(qū)域。
b. 安全運行保障防護：為保障電化學儲能系統(tǒng)安全運行而設置的防護。通常應以電池箱（包）為基本單元。原則上每個電池箱外應設置一個火災報警控制單元，用于采集該電池箱（包）內的各種火災探測參數(shù)，并將相應信息傳輸給該區(qū)域的火災報警控制器，同時接受該控制器的控制指令，完成預設的聯(lián)動控制，保障儲能系統(tǒng)安全運行。
儲能電站專用火災自動報警系統(tǒng)及設置
儲能電站專用火災自動報警系統(tǒng)是指安裝在儲能電站的火災自動報警系統(tǒng)，具備監(jiān)控、探測儲能電站中各類設備的火災隱患、火災征兆或火災初期特征，輔助處置火災隱患和初期火災等功能。系統(tǒng)由儲能電站專用的火災自動報警系統(tǒng)現(xiàn)場工作站、專用火災報警控制器、火災報警控制單元、電池表面溫度探測器、CO探測器及其他火災探測器、電氣切斷裝置、火災聲光警報器及疏散指示裝置等組件組成。系統(tǒng)內各部件的性能與設置如下：
a. 儲能電站火災自動報警系統(tǒng)現(xiàn)場工作站：能接收、顯示、查詢、儲存整個儲能電站火災自動報警系統(tǒng)內所有信息，并能提示各類信息含義、給出預判趨勢和處置建議的裝置。一般設置在消防控制室內。
b. 儲能電站專用火災報警控制器：分為集中控制器和區(qū)域控制器。
集中控制器用于收集所有區(qū)域控制器的相關信息，并將相應信息傳輸給現(xiàn)場工作站，完成系統(tǒng)內共用消防設施和特定公共功能的控制。一般設置在消防控制室內。
區(qū)域控制器需要完成對所在報警區(qū)域內所有消防設備的信息采集與控制，接收、處理來自電池管理系統(tǒng)與安全運行相關的信息，并發(fā)出相應的控制指令，完成本報警區(qū)域的基本防護和安全運行保障防護功能。該控制器宜設置在自己的報警區(qū)域內。
c. 火災報警控制單元：實時接收、監(jiān)測、分析為儲能系統(tǒng)安全運行而設置的各種探測器的探測信號，將相關信息傳輸給火災報警控制器，并在收到火災報警控制器的指令后，聯(lián)動控制本防區(qū)的相關電氣切斷裝置和自動滅火設施，并有相應的光指示。該火災報警控制單元是各電池箱（包）安全運行的核心控制單元，一般每個電池箱（包）都設置一個專有的火災報警控制單元，通常設置在電池箱（包）附近。
d. 儲能系統(tǒng)安全運行保障專用探測器：包括電池表面溫度探測器（可對電池電極和電池表面溫度進行探測）、CO探測器及其他氣體探測器應接收報警控制單元的控制，其結構形式、報警設定值與安裝位置均需要與電池特性和電池箱特性相匹配，尤其保護風冷的儲能裝置時，探測器的設置位置和報警設定值還應根據(jù)現(xiàn)場情況確定。
e. 電氣切斷裝置：受火災報警控制單元控制，在收到切斷指令后能切斷電池箱（包）電氣回路，斷開有隱患的電池箱（包）與儲能系統(tǒng)的關聯(lián)。是儲能系統(tǒng)安全運行保障防護的重要部件，通常設置在電池箱（包）附近。
f. 基本防護用的火災探測器：包括感煙探測器、感溫探測器、氣體探測器等各類火災探測器，一般由該區(qū)域設置的區(qū)域火災報警控制器直接控制。
g. 火災聲光警報器：儲能電站專用火災聲光警報器可分為黃色光和紅色光兩種，均由該報警區(qū)域內的區(qū)域火災報警控制器直接控制。黃色光警報用于應急處置人員快速識別有火災隱患的報警區(qū)域；紅色光警報表示該區(qū)域內有危險，禁止人員進入。這兩種火災聲光警報器均應設置在報警區(qū)域入口外明顯位置。
儲能電站專用火災自動報警系統(tǒng)的設計和設置還應該與電池管理系統(tǒng)有機結合起來，合理地選擇獲取鋰電池熱失控各階段的特征，及時發(fā)現(xiàn)熱失控隱患，并在隱患處置過程中為應急處置人員提供鋰電池熱失控危險來臨定時發(fā)出警告信息。
