鋰電池儲能電站早期預警系統研究

摘要：研究鋰電池儲能電站消防預警技術有關儲能系統的安全運行具有緊要意義。本文通過對電池熱失控及熱擴散特點識別展開討論，由于鋰電池發生熱失控時會伴隨著可燃氣體緩慢釋放，倘若能夠提取電池熱失控早期氣體參數并對其進行研究分解，可以在此基礎上建立電池系統的熱失控預警機制。本文采用加熱方式和過充方式誘發電池熱失控氣體提取實驗，通過采氣實驗進行氣體成分含量分解，確定了將一氧化碳和溫度作為典型的偵測根據來實現鋰電池熱失控的早期預警。并將這種電池熱失控早期預警判斷使用到了儲能電站消防預警系統中，同時結合多級預警及防護機制和安全聯動策略做了深入研究，確定了鋰電池儲能電站消防預警系統的設計架構，從系統部件、聯動通信、人員安全3個方面對系統設計做了簡要說明，在保證快速有效的測試出電池熱失控狀態的同時快速聯動消防設施，極大提高了儲能系統運行的可靠性。

關鍵詞：鋰電池；熱失控；儲能；消防；預警

近年來，各種電化學儲能項目如雨后春筍一般涌現，遍布在用戶側、電網側、發電側、新能源并網及微電網等各個范疇。國內外近期發生多起鋰電池儲能電站火災事故，2018年七月二日，韓國一風力發電園區內ESS儲能設備發生重大火災事故，造成706m2規模電池建筑和3500塊以上鋰電池全部燒毀，可見火災事故一旦發生就會造成嚴重后果，此時對鋰電池熱事故特點參數進行識別、熱失控早期預警、安全聯動和消防防護顯得尤為緊要。

鋰電池儲能電站的安全問題是要警鐘長鳴的重大課題。隨著鋰電池新材料的研發、電池制作技術的創新以及眾多科研機構和公司的參與，鋰電池的性能正日益提高，單體安全性能也得到極大提高。但由于大規模儲能系統單體電池容量更大，電池簇單體數量更多，電池簇并聯數量更大，電池堆電流更大，電池簇充放電深度更深，電池簇運行一致性和壽命要求更為嚴格，在使用過程中極易出現局部熱失控現象，存在巨大的安全隱患。

本文針對鋰電池熱失控特點參數識別、復合型熱失控火災檢測器、多級預警機制和安全聯動策略做了研究，在此基礎上對儲能電站消防預警系統進行架構設計。

1熱失控特點識別

1.1熱失控及熱擴散特點識別

電池熱失控及熱擴散特點識別是開展鋰離子儲能電站消防預警系統研究的基礎。國內外一些團隊對熱失控及熱擴展早期形成識別辦法進行了研究，緊要包括以下幾種辦法：①通過BMS獲取的電池表體溫度、電壓、電流和放電倍率參數作為判別條件的研究；②基于電池模組的壓力應變的測試辦法；③基于內阻變化的熱失控檢測研究；④電池過充和加熱導致熱失控實驗，采集氣體，并用色譜分解法進行氣體成分及含量的分解來判別熱失控的預警辦法。

1.2基于氣體特點量的識別

鋰電池因其自身和外部條件導致熱失控并最終燃燒的整個過程，都伴隨著可燃氣體緩慢釋放、泄壓、電解液和反應氣體釋放、快速分析出現煙霧、高熱至火焰的出現。電池系統一般處于穩態的電池組環境，相對正常穩態環境，其采集的上述數據呈現穩態變化特性，而一旦熱失控出現，勢必引起氣象、煙霧、溫度和光敏傳感器的數據異常變化。根據熱失控出現的背景參考圖如圖1所示。電池火災發生的以上物理量如圖2所示。

圖1熱失控出現背景

圖2電池火災檢測過程

關鍵問題在于要怎么樣提取電池熱失控早期氣體參數，并建立電池系統的熱失控預警機制。該參數能夠明確表征熱失控隱患，并不會因為動力鋰電池系統本身的工作環境而引發錯誤信號。如圖2所示，氣體檢測可以進行早期預警，重點為要怎么樣選取氣體檢測器，并進行可行性和適用性研究。

1.2.1熱失控氣體提取實驗

1.2.1.1加熱方式誘發熱失控氣體成分提取實驗

（1）實驗辦法準備IP67的熱失控氣體采集箱（帶兩個球閥、一個壓力表），用兩個300W加熱片對120A·h磷酸鐵鋰電池進行加熱，在進行加熱實驗時，要使用夾具將鋰電池和加熱片夾緊，戒備電池在加熱的過程中由于電池殼體膨脹變形導致加熱片與電池殼體不能緊密連接，加熱片的熱量不能充足傳遞至電池，不能觸發電池熱失控，導致實驗失敗；在加熱片與電池的接觸面及電池背面部署溫度檢測器；在試驗箱頂部部署動力鋰電池熱失控檢測裝置，并使用監控軟件實時監測檢測控制器的氣體、煙霧和溫度數據，并對工程數據進行存儲；電池放入采集箱，電池加熱相關準備工作完成后，封閉采集箱門，鎖死箱門，封閉兩個球閥；部署攝像機，對整個實驗過程進行錄制，加熱過程中，溫度數據、控制器的傳感器數據及錄像時間要校時；開始加熱電池工作，待測試到電池防爆閥打開后，封閉加熱電源；打開球閥，開啟取樣泵，把取樣泵的氣體排放至安全區域，工作兩分鐘；把采氣袋接到采樣泵排氣管上，打開采氣袋閥門，開始取氣；取氣結束后，先封閉采樣泵，再封閉采氣袋閥門，最后封閉箱體上球閥。熱失控氣體采集箱整體布置見圖3。

圖3熱失控氣體采集箱整體布置圖

（2）實驗判定本次實驗中，電池材料受到加熱片加熱，出現氣體，復合氣體傳感器采集的氣體濃度呈平滑上升狀態；鋰電池的泄壓閥在爆開后，復合氣體傳感器檢測到的氣體濃度呈分明上升狀態，參考圖4。由此可以確認，可以使用某類氣體作為鋰電池熱失控早期預警的判斷根據，該類氣體滿足以下條件：①非空氣緊要的構成氣體；②有相應氣體傳感器對其進行定量測試；③電池防爆閥在打開前、后，該類氣體濃度有分明比較。

圖4復合傳感器綜合檢測數據趨勢圖

結合檢測數據的圖表可以看出，鋰電池在防爆閥打開后并且熱失控發生前，出現大量的氣體和煙霧，并迅速超出了復合氣體傳感器的測量量程（體積分數）1000×10-6，詳盡數值參考表1。

表1復合傳感器綜合檢測數據表

（3）實驗結論本次實驗采集氣樣委托化學工業氣體質量監督檢驗中心做了氣體成分含量分解。氣體采樣結果見表2。

表2氣體采樣分解結果

注：數據為體積分數。

1.2.1.2過充方式誘發熱失控氣體成分提取實驗

（1）實驗辦法用恒流充電設備對120A·h磷酸鐵鋰電池充電，電池箱內鋰電池芯組因過充導致表面溫升熱，鼓包，從電池表體溫度60～100℃每間隔10℃采集氣體樣袋，期間實時監測CO濃度。

（2）實驗過程當電池表面溫度達到58.7℃時，電池箱內置傳感器的氣敏傳感器測試出CO氣體并且濃度開始逐漸上升，通過觀察窗可以看到電池發生了輕微鼓包，此時電池表面溫度為58.7℃，一氧化碳濃度為（體積分數）20×10-6。實驗布置圖如圖5所示。

圖5過充方式誘發熱失控氣體成分提取實驗布置圖

經過5次氣體采集，停止過充試驗，采集到電池從溫升初期到熱失控5個階段的氣體樣品，并具體記錄了電池表面的溫升狀態和形變狀態。

（3）實驗數據分解結果本次實驗采集氣樣委托化學工業氣體質量監督檢驗中心做了氣體成分含量分解。氣體采樣結果見表3。

表3氣體采樣分解結果注：數據為體積分數。

1.2.2實驗結論

兩次實驗采集氣樣均委托化學工業氣體質量監督檢驗中心做了氣體成分含量分解，通過采氣實驗進行氣體分解的結果及氣體選擇條件，可以確認一氧化碳作為典型的偵測根據來實現鋰電池熱失控的早期預警。從表2-3中看出二氧化碳、氮氣、氧氣屬于大氣構成氣體而且5個氣體樣品數值變化量極小，不具備參考價值。相比于烯類氣體，針對CO的傳感器的使用具有技術使用成熟、壽命長的特點，適用于鋰電池的早期預警使用。

一氧化碳和溫度數據的復合型判別，可以有效地提高鋰電池熱失控預警識別的有效性，戒備單一數據判別導致的誤報和漏報情況。

2鋰電池儲能電站消防預警系統研究

2.1儲能電站消防預警系統使用現狀

目前儲能電站中單預置艙系統火災檢測及消防報警設計參照GB50116《火災自動報警系統設計規范》，配置使用典型感溫柔典型感煙檢測器，消防預警系統采用獨立的通訊方式，在本地聚集控制，圖6是一個典型40英尺（1英尺=0.3048m）預置艙儲能電站火災檢測報警系統設計。

圖6典型40英尺預置艙儲能電站火災檢測報警系統

這種方式參考建筑類使用的火災自動報警系統的設計辦法，在儲能電站安全消防預警系統的適用方面，存在兩點緊要的缺陷：①典型感煙和典型感溫火災檢測器不適用于鋰電池熱失控早期預警，檢測預警一定是火災已經從電池組蔓延到儲能艙后的結果，屬于鋰電池熱擴散事故發生后的報警。②獨立的系統通訊機制，缺少與BMS或EMS智慧聯動的安全管理策略。

2.2鋰電池儲能電站消防預警系統使用設計

2.2.1多級預警及防護

多級預警是指從電池組內部、電池簇（關閉式電池簇）和電池艙空間進行分區檢測預警的方式，目的是在電池單體發生熱失控時得以快速識別。

電池單體發生電解液泄漏、熱失控早期是儲能電站消防預警的緊要標志特點。惟有在電池組內才可以有效的實現早預測電池異常狀態，提高熱失控預測預警的準確性與可靠性。

鋰電池的電解液泄漏，可能導致高壓安全、絕緣失效，間接造成電擊、起火等危險。而單體電池發生熱失控時，電池組內部的檢測器可以安裝在熱擴散未形成聯動的滅火系統，有關磷酸鐵鋰電池來說初期單體火災很容易做到撲滅或早期的抑制，在電池組中安裝使用檢測控制器對鋰離子儲能電站來說顯得尤為緊要。

為提高消防預警準確性，儲能電站的消防系統要實施分級預警機制，采用多級消防解決控制，降低儲能系統大范圍的起火風險，可有效保障儲能系統的安全。

圖7是一個40英尺預置鋰離子儲能電站的多級預警及防護的現場使用辦法，對56個電池組和7個電池簇箱進行了檢測預警及管道式滅火裝置安全防護，該辦法已經執行并投入運行。

圖740英尺預置鋰離子儲能站多級預警及防護使用辦法

2.2.2多級安全聯動策略

儲能電站消防預警系統中的消防預警主機是消防聯動控制設備的核心組件。它通過接收電池熱失控檢測器發出的熱失控報警信號，按照預設邏輯實現聯動控制，它可以筆直發出控制信號（用于電池組內置式滅火裝置的啟動），控制邏輯復雜，可以通過電動裝置間接發出控制信號。

本系統中的儲能電站消防預警系統的聯動控制策略緊要基于兩方面，一是要怎么樣快速有效地測試出電池的熱事故隱患和熱失控狀態；二是在出現熱失控的狀態下要怎么樣快速啟動消防設施，實現有效滅火。針對大規模儲能電池結構復雜、規模大等特點，結合儲能站內消防、動環等系統的運行特點，采用分層管理的系統整體結構，實現消防系統、電池管理系統、動環系統等的深度融合，實現多系統聯動設計，確保儲能系統的安全。

結合大規模儲能電池系統的設計運行管理、故障診斷和警告保護等安全設計，同時考慮異常情況下電池熱失控解決策略，消防預警系統與BMS協調聯動在熱失控狀態下切斷電池的運行狀態及啟動消防系統。多級安全聯動策略示意圖，如圖8所示。

圖8多級安全聯動策略示意圖

2.3儲能電站消防預警系統架構設計研究

基于上述研究基礎，儲能電站消防預警系統與BMS系統信息一體化、協同監控。根據GB50116—2013《火災自動報警系統設計規范》、GB16806—2006《消防聯動控制系統》等消防標準，同時結合電化學儲能電站的實際需求，初步設計了儲能電站消防預警系統的使用辦法。

消防系統由熱失控檢測器、消防控制主機、緊急啟停開關、聲光報警器、滅火裝置等部件組成。

儲能電站消防預警系統架構設計如圖9所示。

圖9儲能電站消防預警系統架構設計

2.3.1儲能電站消防預警系統部件

（1）消防控制主機

內置UPS不間斷電源，保證站內斷電情況下，繼續工作時間不小于2小時），由消防主機供應并管理系統內所有設備的電源，實時顯示站內檢測器采集數據與火災報警信號歷史數據查詢，并導出報表，負責消防系統的聯動控制。至少供應以太網、CAN、RS485、干接點4類通信接口，滿足常用的組網通信方式。

（2）鋰電池熱失控檢測器

檢測器對CO、煙霧、溫度等參量變化情況，對鋰電池熱失控及火災做出綜合判斷，一體化設計。

（3）外部報警裝置

儲能站內部安裝站內聲光報警器，儲能站外部安裝站外聲光報警器與氣體噴灑指示燈，在系統火災報警與滅火器啟動時，能及時警示工作人員。

（4）用戶操作開關

包括緊急啟動、緊急停止、自動與手動狀態切換，一體化設計。

（5）后臺主站系統

能夠展示消防預警系統的采集數據與報警數據及驅動聲光報警器，能把火災報警信息醒目提示給監控人員。

2.3.2消防預警系統聯動通信設計

通信線路包括以下內容。

（1）消防預警系統非得有通信線與站內儲能電站電池管理系統(BMS)通信聯動，應在火災狀態等極限情況下可靠通信。

（2）消防預警系統采集數據、報警數據可筆直接入后臺系統或由儲能電站電池管理系統轉發至后臺系統。

（3）站內空調可由消防預警系統或儲能電站電池管理系統控制筆直控制，在空間滅火裝置啟動前，封閉葉扇，達到更好的滅火效果。

通信內容包括如下。

（1）主機信息：UPS后備電源的充電、滿電、欠壓等信息；用戶操作開關信息。

（2）防護區信息：正常與報警信息、滅火器啟動、已使用等信息；各路干接點控制信息。

（3）故障信息：部件供電故障、通信故障等信息。

2.3.3消防預警系統為檢修人員的安全考慮

（1）手動自動模式

系統分為手動模式與自動模式。自動模式下，系統可主動啟動滅火裝置；手動模式下，滅火裝置由人員手動啟動。人員進站檢修應將系統置于手動模式，離站時置于自動模式。

（2）滅火裝置延時啟動模式

滅火裝置啟動前，應有延時功能，保證人員安全撤離，延時時間可依據現場情況調整。

3結語

隨著鋰電池儲能電站的規模化使用，要怎么樣保證儲能電站的消防安全成為其發展的第一要務。本文在電池熱失控及熱擴散識別特點參數分解基礎上，提出了適用于鋰電池儲能電站火災早期預警的復合型熱失控火災檢測器，并在站內進行多級預警和防護設計，與站內監控系統等進行聯動控制，在保證快速有效地測試出電池熱失控狀態的同時快速聯動消防設施，實現有效安全防護，極大提高了儲能系統運行的可靠性。

然而，目前國內針對電化學儲能電站消防方面的規范標準要求較低，且不能滿足現場需求，工程中使用的火災預警系統為建筑物中使用的檢測預警裝置，配置的滅火劑和滅火措施的有效性均未得到驗證，后續要針對鋰電池儲能電站的火災早期預警及消防安全進行系統及深入的研究。

第一作者：王春力（1983—），女，碩士，工程師，緊要從事動力鋰電池熱失控安全技術研究，E-mail：wangchunli@chungway.com；

通訊作者：李明明，工程師，緊要從事電化學儲能安全防護技術研究，E-mail：limingming@chungway.com。

引用本文：王春力,貢麗妙,亢平,譚業超,李明明.鋰電池儲能電站早期預警系統研究[J].儲能科學與技術,2018,7(6):1152-1158.

WANGChunli,GONGLimiao,KANGPing,TANYechao,LIMingming.Researchonearlywarningsystemoflithiumionbatteryenergystoragepowerstation[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2018,7(6):1152-1158.

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