锂离子电池充放电循环测试灭火系统设计探讨

2020-07-05张贤凯易胜男熊蕊蕊

今日消防 2020年6期

张贤凯　易胜男　熊蕊蕊

摘要：随着新能源锂离子的发展，三元电池成为主流，但其提高能量密度的同时，加大了安全风险，本文分析了锂离子电池的充放电生产过程中的火灾危险性，从厂房建筑防火控制措施，设备消防系统配备双重预防及控制机制着手，对充放电循环生产过程中的火灾风险进行预防和控制，为锂离子电池制造企业的生产过程消防灭火技术、安全管理提供一定的参考借鉴。

关键词：锂离子电池;充放电循环;热失控;建筑防火;本质安全

1 引言

近年来，随着全球新能源汽车市场需求的不断扩大，锂电池行业的发展十分迅猛。而当前随着锂电池能量密度的不断提高，暴露出不少安全问题，其中锂电池在制造时的安全性已经成为各锂电池企业关注的重点[1]。三元锂电池的能量密度一直在提升，使得锂电池功率增大，续航时间延长[2]，但由于能量密度大，生產过程中，充放电的循环发生热失控风险较大，瞬间放出大量的热量，引起火灾甚至爆炸事故发生[3]。

目前，国内外相关研究主要集中在锂离子电池热特性理论[4]、电池材料[5-6]及电解液热稳定性[1，7]等方面，对锂离子电池，尤其是三元锂电池生，生产过程中的灭火技术缺少深入的研究。由此，本文以锂离子电池生产中的充放电循环为例，从其火灾危险性着手，对其有效的灭火技术措施进行分析设计。

2 锂离子电池充放电循环火灾危险性分析

三元锂离子电池火灾危险主要体现在充放电循环生产环节，其火灾危险性如下：

（1）锂离子电池生产过程如粉尘管控不足，金属粉尘进入电池内，刺穿隔膜，充放电循环式，形成内短路，引发火灾甚至爆炸。行业内此类事故多发。

（2）充放电循环时，如设备异常造成充电电压高于设计电压值，电芯本体会因为温度不断升高点燃内部电解液等易燃易爆物质，发生内部热失控，引起火灾，甚至爆炸。

（3）异常情况下，电池正负极壳体外部短路时，短路点的大电流击穿电芯，引起电芯冒烟起火。

（4）充放电设备存放多颗电池，设备内部容积有限，发生热失控处理不及时，高温引起内部电解液挥发，会形成引起易燃易爆环境，造成火灾爆炸事故。

（6）充放电厂房生产区域内，设备往往呈巷道式布置，一颗电芯发生火灾爆炸，如果灭火、排烟不及时，会引起整改区域火情、烟雾蔓延，造成较大火灾爆炸事故，或救援人员人身伤害。

因此，考虑到锂离子火灾危险性大，充放电循环设备设计多种、综合的消防灭火其他对于充放电生产工序的火灾的及时有效处置非常关键。

3 锂离子电池充放电循环生产工序火灾设计原则

应对锂离子电池火灾，首先要从设计上要考虑多重手段，本质安全与管理手段并行，多管齐下：主要遵从如下原则：

（1）既要有效、又要及时;尽力将火灾控制在单个库位单个电芯，防止波及到其他区域。

（2）既要灭火，又要排烟;既要防止火势造成财产损失，又要防止火情或烟雾对救援人员造成伤害

（3）既要从源头控制，又要从全局考虑;考虑对单个库位及整个区域的影响。

（4）既要设备设施响应，又要人为干预。自动与手动相结合。

4 综合灭火措施的设计

4.1设备本质安全设计及设备消防设计

以某工厂“充放电循环产线”为例，其中设备采用巷道式布置在狭长封闭空间，通道上运行堆垛车，并作为消防通道，厂区狭小，设备密集，电池存放量大。

4.1.1 本质安全设计

循环测试设备针床内部包含测试监控软件实时采集锂电池在充放电过程中的电压、电流、温度数据。

设备程序针对锂离子电池的循环过程中出现的异常等级设计了两种不同层级的保护逻辑，通过自动切断充放电循环来预防电池出现冒烟起火：

一级保护：指单电芯在充放电过程中单个采样点的电压、电流、温度采样数据上升、下降、波动并超出设定的阈值，软件监测到此类数据时会联锁停止单电芯充放电过程，防止发生冒烟起火。

二级保护：在某一设定的时间周期内，采样电压连续波动点数及波动值超出设定的阈值，软件在检测到此类异常数据时立刻通知电源柜停止夹具内所有电芯的充放电流程。

4.1.2 设备消防设计

循环设备前后方各一个烟雾探测器，电芯壳体温度检测探头（内置于测试针床），电压电流温度采样线，惰性气体喷射嘴（喷射1230灭火剂），测试针床的上下夹具接口设置有可自动闭合的消防门即设备门，消防门闭合后针床内部可形成一个与外界完全隔绝的环境。设备外部配备1230自动灭火系统，应对电芯冒烟起火的自动响应。

单电芯在充放电时，在某一设定的时间周期内，同一个针床内N个电芯的壳体温度采样值超出设定的阈值（N值可任意设置），或任一烟雾探测器检测到烟雾信号且任一电芯壳体温度采样值超出设定的的阈值，此时测试针床立刻将电芯与探针组分离，自动将消防门闭合（隔绝外部空气进入），并控制惰性气体储气罐阀门自动打开向测试针床内喷射1230惰性气体，1230气体为新型灭火剂，专门针对锂离子电池火灾处置，自动响应反应迅速，6s即可响应，60s内即可对火情进行有效压制。

同时，设备每个库位设计水喷淋系统，水消防管路布局合理，库位内设计有喷淋机构，喷淋区域能够覆盖整个库位。设备水喷淋系统作为1230灭火剂的补充使用。当1230不能有效扑灭火情时，手动启动消费水喷淋，对库位进行灭火压制;

每层库位配备排烟系统，火灾发生时，操作装置在信号作用下将阀门打开，进行排烟。

4.2厂房建筑防火灭火布置设计

结合建筑防火设计规范要求，同时针对锂电池行业危险性，对厂房建设防火设计如下：

4.2.1防火分隔

充放电循环区域应进行独立的防火分隔，隔墙耐火时间大于3h。

4.2.2区域高度

区域设备高度不应超过2m，便于进行灭火救援;货架只车间顶部距离不少于0.8-1m，预留容烟空间。

4.2.3疏散救援通道

区域纵向设置不少于0.9*1.8m的救援通道;中部位置需要设置横向的应急救援通道，宽度不小于0.9m，并设置安全出口，横向通道的数量为每隔20m设置一个;

4.2.4安全出口：

区域内最少两个安全出口，并尽量以对角方式进行设置;区域设置观察窗。