基于锂离子电池储能系统的消防安全技术

孟祥鹏

摘  要：基于锂离子电池储能系统的消防安全对于保障电池储能系统的安全稳定运行具有重要作用。文章基于锂离子电池热失控特征分析选择了基于电池气体分析的热失控鉴别方法，并充分结合多级防护机制来进行消防安全系统设计，有效提升了电池储能系统工作的安全性。

关键词：锂离子电池;消防安全;储存系统

中圖分类号：TM912        文献标志码：A         文章编号：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

随着储能系统在配电网中的应用越来越广泛，基于电池储能系统的消防安全技术也越来越受到人们的重视，主要原因在于储层系统一旦发生事故将可能造成重大的经济损失和人员伤亡。2018年7月在韩国发生了一起由于储层系统中设备过热导致的重大火灾，在这场火灾事故中共有720平米的储能建筑以及3600组锂电池损毁，对电网系统造成了非常严重的经济损失。可见在储能系统应用中其消防安全建设至关重要。在储能系统消防安全研究中关于锂离子电池的消防安全一直是国内外专家学者们研究的重点内容。我国大亚湾核电站在储能系统应用中建立了一个基于铁锂蓄电池的大容量储层消防安全系统，在核反应堆工作过程中应用该系统可以对其温度变化情况进行有效监控，数据显示该系统可以显著降低反应堆堆芯融化概率，对于保障大亚湾核电站的安全具有重要作用。基于此，本文为了提高储层系统的安全性在其中加入了锂离子电池热失控预警，并充分结合其他防护机制以及安全技术，构建了基于锂离子电池储能系统消防安全技术体系。该体系对锂离子电池的失控状态进行全程监控，一旦出现风险问题便会进行预警，并联动消防安全装置，对于保障电池储层系统运行的稳定性和安全性具有重要意义。

1 锂离子电池热失控特征分析及提取

1.1 锂离子电池热失控鉴别方法

对于锂离子电池热失控状态的有效鉴别是研究锂离子电池储层系统消防安全的重要基础。经过多年的发展，国内外已经形成了多种锂离子电池热失控鉴别方法，目前在实际应用中较为常见的方法有如下四种。一是基于电池管理系统来获取锂离子电池的电压、电流以及温度等关键参数，然后对其热失控状态进行鉴别;二是通过应变式传感器来对电池模组压力进行测量;三是通过检测分析电池内阻数值的变化情况对其热失控进行有效鉴别;四是通过采集分析电池泄露气体的成分及含量来对其热失控进行鉴别[2]。

1.2 基于电池气体分析的热失控鉴别方法

在锂离子电池热失控发生的整个过程中均会伴随着化学反应以及可燃气体的泄露。由于储层系统所在的环境相对较为稳定，因此一旦出现电池热失控，将会导致系统中的温度以及气体等参数发生异常变化。应用该方法对电池热失控进行鉴别其核心在于如何采取有效措施来准确提取锂离子电池热失控过程中所泄露出来的可燃气体，并对气体中的成分以及不同成分的含量进行分析[3]。通常来说随着电池热失控状态的不断加剧，所泄露出来的气体的浓度也会不断增加，整个过程中可以分为早期状态、可见烟、火焰以及高热四个阶段。对于早期状态主要应用气体探测器对电池所泄露出来的气体进行检测，在可见烟、火焰以及高热三个阶段则主要利用感烟探测器、视频探测器、感光探测器以及感温探测器进行检测，如图1所示。

1.3 电池热失控气体提取实验

为了进一步明确基于电池气体分析的热失控鉴别方法在电池热失控鉴别中的有效性和可靠性，本文开展电池热失控气体提取实验进行分析。采用一对400w加热片加热150A·h的锂电池。为了有效避免锂电池在加热过程中由于热胀作用导致电池变形，进而电池与加热片之间发生分离，加热片热量损伤，难以加热电池使其达到热失控标准，在整个加热过程中应该采用夹具保障电池和加热片之间能够充分贴合。在加热片加热过程中采用温度传感器对电池的实时温度进行检测。在实验加热过程中得到气体浓度数据如图2所示。从中可以看到在电池加热早期，由于加热温度没有达到泄压阀数值，因此气体浓度整体呈现平滑增长的状态。在加热温度达到了泄压阀数值之后，气体浓度开始快速升高。因此可以通过气体浓度的数值变化情况对电池热失控状态进行有效判断。在对气体浓度进行分析时应该注重选择合理的气体类型，从而保障热失控状态判断的有效性和可靠性[4]。本文基于上述考虑最终选择一氧化碳作为气体浓度检测的气体。

2 消防安全系统研究

2.1 我国消防安全系统发展现状

现阶段我国电池储层安全消防系统主要是基于《火灾自动报警系统设计规范》进行研发设计的，在该系统中主要通过烟雾传感器和温度传感器来进行烟雾和温度的实时监测，采用集中控制方式来进行系统设计，其消防安全系统电网与通信设施之间相互隔离。预置舱电网火灾报警系统为例进行分析，该系统为典型的国内消防安全系统，其系统方案设计主要是参考建筑业中应用的火灾报警系统。将该系统应用于电池储能系统中主要存在两个方面的问题，一是该系统的烟雾传感器和温度传感器难以对锂离子电池热失控早期的相关参数进行有效检测;二是通信系统由于与电网隔离，因此难以实现与能量管理系统或者电池管理系统之间的联动管理。

2.2 消防安全系统应用设计

2.2.1 多级防护机制设计

为了能够在单个电池出现热失控时能够及时准确预警，在该消防安全系统中采用多级防护机制设计，即在电池内部、电池舱以及封闭式电池簇等各个部分进行分区探测防护。锂离子电池在发生热失控时，电解液的泄露可能会导致电网设备发生间接电击以及起火等危险事故。通过单体电池内的监测装置可以在电解液发生泄露早期实现对热失控的有效监测和预警，有效提升系统的预警功能。同时在单体电池发生热失控时可以通过电池包内的探测器有效联动灭火系统进行防护处理。对于磷酸铁锂电池来说，早期的单体火灾很容易被扑灭。

消防安全系统采用分级预警机制和多级安全防护机制，可以有效控制大范围的火灾风险，保障储层系统的安全。

2.2.2 探测器参考阈值

本文在消防安全系统设计中主要检测电池表面温度以及一氧化碳浓度两个指标来对电池热失控状态进行综合判断，有效提高预警的准确性。

2.2.3 多级防护联动机制

在消防安全系统设计中消防安全主机是核心组件，其可以对整个消防安全系统进行控制。在接到报警信号之后消防安全主机会对预警信号进行逻辑分析，基于分析结果选择对灭火报警装置发出控制信号或者对电动装置发出控制信号。在消防安全系统联动控制方式设计方面需要注意两个问题。一是能够对电池热失控状态准确报警，二是防护设施在电池出现热失控后能够及时反应，实现消防安全系统、电池管理系统以及动力环境系统等多系统的联动。

2.3 消防安全系统框架设计

2.3.1 消防安全系统的主要构成部件

消防安全系统的主要构成部件包括控制主机、传感器、报警设施以及用户操作开关等。控制主机是整个消防安全系统的核心部件，负责数据的实时采集和处理，并负责消防安全系统的联动。传感器的主要作用为对储能系统中电池的表面温度以及一氧化碳含量进行实时监测，然后将监测数据传输到主机对电池的热失控状态进行综合判断。报警设施主要是在电池出现热失控状态时及时进行报警，具体采用声光报警器以及气体喷洒指示灯进行报警。用户操作开关主要是在关键时刻由用户进行紧急启动或者停止的开关。

2.3.2 消防安全系统通信设计

在设计消防安全通信线路时应该注意三个方面。一是保障消防安全系统与电池管理系统之间有一条在火灾情况下可以进行有效通信的线路;二是在探測装置与后台显示系统之间也必须设计一条通信线路，便于工作人员能够对监测数据及时分析;三是在站内空调和电池管理系统之间设计一条通信线路，在发生火灾时可以及时关闭空调。

3 结束语

综上所述，基于锂离子电池储层系统的消防安全技术对于保障储层系统的安全稳定工作具有重要意义。本文在锂离子电池热失控特征参数分析的基础上，选择了基于电池气体分析的热失控鉴别方法和多级预警多级防护的联动系统，进行消防安全系统的设计，该系统在电池发生热失控状态时可以及时预警，并与灭火设备联动，有效提升了电池储能系统的安全性。

参考文献：

[1]张明轩，冯旭宁，欧阳明高，等.三元锂离子动力电池针刺热失控实验与建模[J].汽车工程，2015，37（7）：743-750.

[2]凌志斌，黄中，田凯.大容量电池储能系统技术现状与发展[J].供用电，2018，35（9）：3-8.

[3]高平，许铤，王寅.储能用锂离子电池及其系统国内外标准研究[J].储能科学与技术，2017，6（2）：270-274.

[4]刘璐，李相俊，贾学翠，等.梯次利用储能电池管理技术与试验应用[J].电力建设，2016，37（1）：77-83.