鋰離子電池?zé)崾Э靥匦耘c可探測性試驗、研究  

>>>> 鋰離子電池?zé)崾Э靥匦栽囼?/span>

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(gòu)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?zé)崾Э靥匦?，獲取可以用于火災(zāi)預(yù)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(guān)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(yīng)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?zé)崾Э卦囼灲Y(jié)果和可用于熱失控預(yù)警探測的參數(shù)特征，將鋰離子電池?zé)崾Э貏澐譃槿鐖D3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(jié)出如下結(jié)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(yù)判電池?zé)崾Э鼗緵]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(yù)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(shè)置電池表面溫度探測器和氣體探測器均能有效探測電池?zé)崾Э靥卣?，及時采取處置措施。該階段是對鋰電池?zé)崾Э剡M行熱失控探測預(yù)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(yīng)該說災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生，需要考慮的就只剩下如何防止災(zāi)害擴大了。

上述試驗結(jié)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(shè)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(jié)果，并本著越早發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э仉[患越有利于進行應(yīng)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?zé)峤獬鰜淼臍怏w進行探測。

根據(jù)隱患預(yù)警為主、滅火救援為輔的火災(zāi)防控理念，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)對鋰離子電池?zé)崾Э剡M行火災(zāi)預(yù)警探測應(yīng)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?zé)崾Э爻跗诨蛟缙陔A段完成隱患預(yù)警探測。

　　根據(jù)鋰離子電池?zé)崾Э馗麟A段可探測特征，對電極溫度或電池?zé)峤獬龅奈⒘繗怏w進行探測，并設(shè)置合適的報警設(shè)定值，均可在電池?zé)崾Э卦缙诎l(fā)現(xiàn)鋰離子電池?zé)崾Э仉[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(yīng)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(shè)置也有較高要求。

　　b.不求最早，但求及時。

　　根據(jù)試驗結(jié)果，對鋰離子電池表面溫度進行探測，并設(shè)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?zé)崾Э仉[患探測，并在發(fā)出報警信號后為應(yīng)急處置提供足夠的應(yīng)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?zé)崾Э仉[患預(yù)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(shè)置合適的報警設(shè)定值實現(xiàn)對鋰離子電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)預(yù)警探測。由于確定了合適的火災(zāi)隱患報警設(shè)定值，且某些原理和規(guī)格的鋰離子電池?zé)崾Э匕l(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(zāi)自動報警系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)隱患預(yù)警信號后，應(yīng)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(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫懦龅臒峤饬Ｗ臃植疾町惡艽螅哉嬲龊孟老到y(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(zāi)防控理念與消防系統(tǒng)防護設(shè)置的基本原則  

>>>> 儲能電站的火災(zāi)防控應(yīng)以本質(zhì)安全為主、消防保障為輔的基本防控理念

本質(zhì)安全是根本。儲能電站自身應(yīng)具備足夠的安全等級，在此基礎(chǔ)上輔以必要的消防保護手段。在二者都發(fā)揮相應(yīng)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(zhì)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(yīng)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(yīng)急處置所需的便捷性與安全性。

>>>> 儲能電站火災(zāi)防控中消防系統(tǒng)設(shè)置的基本原則

消防系統(tǒng)對儲能電站的火災(zāi)防控應(yīng)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(yīng)急處置人員安全及必要的應(yīng)急處置而設(shè)置的防護。通常以一個報警區(qū)域為一個基本防護單元。預(yù)制艙式的儲能電站可以將每個預(yù)制艙都分別劃分為一個報警區(qū)域；在建筑內(nèi)設(shè)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(xué)儲能系統(tǒng)安全運行而設(shè)置的防護。通常應(yīng)以電池箱（包）為基本單元。原則上每個電池箱外應(yīng)設(shè)置一個火災(zāi)報警控制單元，用于采集該電池箱（包）內(nèi)的各種火災(zāi)探測參數(shù)，并將相應(yīng)信息傳輸給該區(qū)域的火災(zāi)報警控制器，同時接受該控制器的控制指令，完成預(yù)設(shè)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(zāi)自動報警系統(tǒng)及設(shè)置  

儲能電站專用火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是指安裝在儲能電站的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，具備監(jiān)控、探測儲能電站中各類設(shè)備的火災(zāi)隱患、火災(zāi)征兆或火災(zāi)初期特征，輔助處置火災(zāi)隱患和初期火災(zāi)等功能。系統(tǒng)由儲能電站專用的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)現(xiàn)場工作站、專用火災(zāi)報警控制器、火災(zāi)報警控制單元、電池表面溫度探測器、CO探測器及其他火災(zāi)探測器、電氣切斷裝置、火災(zāi)聲光警報器及疏散指示裝置等組件組成。系統(tǒng)內(nèi)各部件的性能與設(shè)置如下：

　　a.儲能電站火災(zāi)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(zāi)自動報警系統(tǒng)內(nèi)所有信息，并能提示各類信息含義、給出預(yù)判趨勢和處置建議的裝置。一般設(shè)置在消防控制室內(nèi)。

　　b.儲能電站專用火災(zāi)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(guān)信息，并將相應(yīng)信息傳輸給現(xiàn)場工作站，完成系統(tǒng)內(nèi)共用消防設(shè)施和特定公共功能的控制。一般設(shè)置在消防控制室內(nèi)。

　　區(qū)域控制器需要完成對所在報警區(qū)域內(nèi)所有消防設(shè)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(guān)的信息，并發(fā)出相應(yīng)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(shè)置在自己的報警區(qū)域內(nèi)。

　　c.火災(zāi)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(shè)置的各種探測器的探測信號，將相關(guān)信息傳輸給火災(zāi)報警控制器，并在收到火災(zāi)報警控制器的指令后，聯(lián)動控制本防區(qū)的相關(guān)電氣切斷裝置和自動滅火設(shè)施，并有相應(yīng)的光指示。該火災(zāi)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(shè)置一個專有的火災(zāi)報警控制單元，通常設(shè)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(yīng)接收報警控制單元的控制，其結(jié)構(gòu)形式、報警設(shè)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(fēng)冷的儲能裝置時，探測器的設(shè)置位置和報警設(shè)定值還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

　　e.電氣切斷裝置：受火災(zāi)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(guān)聯(lián)。是儲能系統(tǒng)安全運行保障防護的重要部件，通常設(shè)置在電池箱（包）附近。

　　f.基本防護用的火災(zāi)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(zāi)探測器，一般由該區(qū)域設(shè)置的區(qū)域火災(zāi)報警控制器直接控制。

　　g.火災(zāi)聲光警報器：儲能電站專用火災(zāi)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(nèi)的區(qū)域火災(zāi)報警控制器直接控制。黃色光警報用于應(yīng)急處置人員快速識別有火災(zāi)隱患的報警區(qū)域；紅色光警報表示該區(qū)域內(nèi)有危險，禁止人員進入。這兩種火災(zāi)聲光警報器均應(yīng)設(shè)置在報警區(qū)域入口外明顯位置。

儲能電站專用火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)置還應(yīng)該與電池管理系統(tǒng)有機結(jié)合起來，合理地選擇獲取鋰電池?zé)崾Э馗麟A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(yīng)急處置人員提供鋰電池?zé)崾Э匚ｋU來臨定時發(fā)出警告信息。

本文有刪減，全文載于《建筑電氣》2023年第10期，詳文請見雜志。

版權(quán)歸《建筑電氣》所有。

　　作者：

　　丁宏軍，男，應(yīng)急管理部沈陽消防研究所，研究員，國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心副主任。

　　李小白，男，應(yīng)急管理部沈陽消防研究所，助理研究員。

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