浅谈锂电池储能系统消防安全技术

浅谈锂电池储能系统消防安全技术

彭昌

中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司 河北省石家庄市 050031

摘要：在储能系统与消防安全问题中，基于锂离子或动力电池的消防安全问题也成了国内专家学者们所探讨的焦点话题。基于此，我们为增强储层体系的稳定性，在其中加入了锂离子动力电池热失控预警，并有效融合其他保护体系的安全功能，形成了基于锂离子动力电池存储体系消防安全的框架。

关键词：锂电池；储能系统；消防安全

近年来，国内出现的电动存储能量管理系统火灾引发大伙对锂动力电池存储能量管理系统的广泛重视。据不完全统计资料，全球范围内锂电池储能着火安全事故在过去的一年里出现多达30起，引发了巨大的经济损失。所以，当锂离子动力电池生产成本下降到商业化的拐点后，储能体系的消防安全问题将变成抑制锂离子电池电力储能大面积普及的重要瓶颈问题。

一、锂电池火灾的事故原因

（一）短路对锂电池的影响

1、内部短路。因为电池滥用现象的存在，如充、放过度而使得支晶、电池在生产期间出现的杂质灰尘等，将恶化生成刺穿隔膜，进而引起微短路，电能量的释放会导致温度升高，而这一现象则会引起材料化学反应，从而使得短路路径出现扩大的情况，引起更严重的短路电流，这种恶性循环的存在，会引发热失控。

2、外部短路。用电动汽车作为示例进行说明，车辆在具体运行中出现危险的可能性较小，从一方面来讲，整车系统设置着熔断丝、电池管理系统，从另一方面来讲，电池可以在短时间内承受大电流冲击。在极限条件下，短路点越过熔断器，在这种情况下，电池管理系统同时失去效用，长时间的外短路通常会使得电路连接弱处出现烧毁的情况，引发热失控的可能性极小。当前，不少PACK企业借助回路中加熔断丝的举措，可以使得外短路导致的危害得到更大程度的控制。

（二）外部高温

受到锂电池构造特性的影响，在高温条件下，SEI膜、电解液、EC等会儿出现分解反应，且对于电解液而言，其分解物还会和正负极产生反应，诸多反应的存在，会产生较多的热量。隔膜融化会引起内短路，电能量释放则会使得热量增多，在这种破坏作用持续增强的情形下，电芯防爆破裂、电解液喷出，进而会出现燃烧现象。

二、锂离子电池火灾消防系统安全技术方案

以预置舱电网式火灾报警控制系统为例并加以分析，该控制系统是典型的中国国内消防安全控制系统，其系统方案设计主要是参考了建筑业中使用的火灾报警控制系统。

不过，将该系统运用在动力电池储能体系中主要存在着两方面的问题：一是该系统的烟雾感应器和温度传感器都无法对锂离子动力电池在热失控早期的有关参数进行有效监测；二是通信管理系统由于与供电设备分离，因而难以实现与电能管理系统和电池管理系统之间的联合管理工作。为克服上述二系统问题，现重新设计了火灾消防系统的安全技术方法：

（一）锂离子电池热失控检测

应用该方法的核心内容，就是如何采取相应措施来正确提取锂离子动力电池热失控处理过程中所泄漏产生的可燃气体，并对气中的成份及其各种成分的浓度加以分析。一般来说由于电池热失控状况的持续增加，其泄漏出的废气的含量将会持续上升，整个处理过程中可分成早期状态、可见烟雾、明火和高温四大阶段。对于早期状态，主要使用气体检测仪对电池中所泄漏产生的气体进行测量，而对于可见烟雾、明火和高温三种阶段则主要使用感烟探测器、视频检测仪、感光检测器以及感温探测器等进行检测，如图一所显示。

查看整个电池热失控探测过程，我们可以发现，整个过程可以分为五个阶段，第一个阶段是预警阶段，第二个阶段是热失控早期状态，第三个阶段是热失控可见烟阶段，第四个阶段是热失控可见火焰阶段，第五个阶段是热失控高热阶段。在不同的阶段需要采用不同的探测方式：在前两个阶段主要是通过气体探测器进行热失控的探测，根据气体的浓度进行预警处理。而在第二阶段热湿器热失控早期阶段。需要利用气体探测器对一氧化碳的浓度进行有效探测。在这一阶段需要的不仅仅是预警，而且需要提出一定的警戒线。而在第三阶段，系统内会产生烟雾现象，需要利用到感应探测器进行视频探测，相关的处理机制需要进行视频报警。在第四阶段出现火焰的时候，需要进行感光探测器处理，而在这一阶段需要做出的消防措施是需要手动灭火。在最后一阶段，系统产生高热现象，需要用感温探测器进行系统探测。而在这一阶段需要做出的消防措施是采用自动灭火的方式拉闸拉电进行灭火处置。在不同的电池热失控过程中，由热失控等级的提升进行产物浓度或强度的探测，在潜伏期采取预警，在早期采取警戒，在中期采取视频探测和报警，在中后期采取手动灭火，在后期火焰产生高热现象的时候，需要采用自动灭火装置，联合消防系统进行集中灭火处理。

（二）多级防护机制设计

锂离子电池当出现热失控情况后，电解液的泄漏将会造成整个系统出现间接触电和火灾等的危害情况。为能够在对单个电池发生热失控后能够进行正确报警，在整个消防安全体系中通过了多层保护体系设计，即对电池内部、电池舱和封闭式电池簇中的不同部分实施了分区检测保护。由于单体电池内部的检测设备能够在电解液出现泄漏早期进行对电失控的有效检测与警示，有效增强控制系统的警示作用。并且当单体电池出现热失控后能够利用电池包中的传感器有效结合消防体系进行防护处置。

（三）电气火灾消防机制

必须说明的是，目前在世界各地出现的起火事件中，有一半以上属于电力起火事件，而锂离子电池储能体系由巨大的内部电气系统组成。电力起火事件主要原因包括电线故障、设备超载、接触电流过大、电火花电弧和电动机过热起火。设备起火的消防设备主要分为监控系统和灭火设备，电气火灾监测系统的基本构成应该包含：电气设备火灾监测装置、剩余电流型电气火灾控制传感器和测温型电气设备、火灾监控探测器等。灭火设备主要分为室内外消火栓等设备，如手动喷射与扑救系统、一氧化碳废气自行消防系统、水喷洒自行消防系统、泡沫灭火器系统等。监控系统和灭火设备协同作用，才能保障电气火灾预警消防机制的有效性。对于前者来说，重点在于事前控制，对于后者来说，主要进行事后控制，二者使电气火灾消防机制形成一个闭环工作系统，能够将火灾隐患降至最低。

总结

综上所述，采用锂离子动力电池贮层管理系统的消防安全设计对保证贮层管理系统的安全平稳运行有着关键作用。论文在锂离子动力电池热失控特征参数研究的基础上，研究了基于电池气体识别的热失控重要技术以及多级报警多级保护的联动体系，进行消防安全体系的研究，该体系在动力电池出现热失控情况下能够进行警示，同时与消防装置连接，有效提高了动力电池储能体系的安全。

参考文献：

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[2]孟祥鹏. 基于锂离子电池储能系统的消防安全技术[J]. 科技创新与应用， 2020(26):2.

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