中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：管敏淵 1 沈建良 1徐國(guó)華 1湯舜 2張煒鑫 2 曹元成 2
單位：1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司；2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院
引用：管敏淵, 沈建良,徐國(guó)華, 等. 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)靶向消防裝備設(shè)計(jì)與性能[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(4): 1131-1138.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0719
摘 要 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵支撐，但鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全問(wèn)題成為了制約儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵瓶頸，現(xiàn)有基于固定建筑物式的傳統(tǒng)氣體滅火系統(tǒng)適用性不強(qiáng)，無(wú)法撲滅鋰離子電池火災(zāi)及抑制復(fù)燃。本工作面向典型預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，基于多層協(xié)同預(yù)警技術(shù)和不同防護(hù)滅火策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的靶向消防防控裝備開(kāi)發(fā)。首先，基于煙/溫感探測(cè)器、可燃?xì)怏w傳感器、Pack溫度傳感器構(gòu)建了多層協(xié)同的預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)、鋰離子電池火災(zāi)的精準(zhǔn)預(yù)警。其次，在現(xiàn)有七氟丙烷滅火系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加鋰電池火災(zāi)專用抑制系統(tǒng)，滿足國(guó)標(biāo)電氣場(chǎng)所消防設(shè)計(jì)要求的同時(shí)保障鋰電池火災(zāi)抑制需求。通過(guò)主管道、應(yīng)急管道、噴嘴的布局定位安裝，所設(shè)計(jì)的抑制系統(tǒng)支持Pack級(jí)主動(dòng)防護(hù)，能將鋰離子電池抑制劑輸送到Pack，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的早期撲滅并能多次啟動(dòng)，抑制鋰離子電池火災(zāi)復(fù)燃及蔓延。滅火系統(tǒng)和抑制系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，全方位保障鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能系統(tǒng)；鋰離子電池；預(yù)警；消防裝備；精準(zhǔn)定位
儲(chǔ)能能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要手段。加快儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，推進(jìn)我國(guó)能源行業(yè)供給側(cè)改革、推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革具有重要戰(zhàn)略意義，同時(shí)還利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)“力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的偉大目標(biāo)。
以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)由于其循環(huán)性能好、無(wú)記憶效應(yīng)、比能量高等優(yōu)點(diǎn)，成為目前電力儲(chǔ)能領(lǐng)域裝機(jī)容量增長(zhǎng)最快的儲(chǔ)能技術(shù)。但目前儲(chǔ)能電池包括鋰離子電池、鉛酸電池等仍未達(dá)到本質(zhì)安全，一旦電池處于短路、過(guò)熱、擠壓等濫用條件下，電池可能產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)內(nèi)部電解液和電極材料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，進(jìn)而發(fā)生熱失控，并可能發(fā)展為大規(guī)模的爆炸、火災(zāi)事故。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)是以電池為基礎(chǔ)的，具有發(fā)生火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)本質(zhì)，特別是在密閉空間，一旦某一儲(chǔ)能單元發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)引起相鄰多臺(tái)儲(chǔ)能單元的連鎖火災(zāi)反應(yīng)甚至箱體爆炸，火災(zāi)荷載大、危險(xiǎn)性高且難于撲救。
當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)中的消防系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是基于固定建筑消防火災(zāi)，通過(guò)實(shí)施全淹沒(méi)滅火方式進(jìn)行滅火。采用的滅火劑主要是以七氟丙烷為代表的鹵代烷烴滅火劑，常溫下為氣態(tài)，其滅火機(jī)理主要是切斷燃燒鏈，適用于撲滅表面火災(zāi)，可用于電氣火災(zāi)。然而鋰離子電池火災(zāi)是由內(nèi)至外發(fā)熱類型的深位火災(zāi)，采用七氟丙烷滅火劑往往撲滅明火后會(huì)復(fù)燃。同時(shí)，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)采用的是煙感探測(cè)器和溫感探測(cè)器。基于煙感和溫感探測(cè)器的誤報(bào)率非常高，火災(zāi)控制系統(tǒng)工作原理是只有當(dāng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)同時(shí)接收到煙感報(bào)警信號(hào)和溫感報(bào)警信號(hào)時(shí)，才能發(fā)出啟動(dòng)滅火系統(tǒng)的控制信號(hào)。鋰離子電池著火部位基本在Pack(電池模組)內(nèi)，當(dāng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)時(shí)，鋰離子電池火災(zāi)已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模了。在滅火裝置方面，針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)應(yīng)用的滅火裝置主要包括：懸掛式滅火裝置、柜式滅火裝置、探火管滅火裝置。傳統(tǒng)懸掛式滅火裝置，保護(hù)范圍有限，動(dòng)作響應(yīng)嚴(yán)重滯后，其一般吊裝在集裝箱的頂部，依靠感溫玻璃泡探測(cè)周?chē)h(huán)境達(dá)到68 ℃則自行啟動(dòng)。針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)，傳統(tǒng)懸掛式滅火裝置響應(yīng)速度慢，且一套裝置的滅火劑容量有限，裝置保護(hù)的范圍較小。柜式滅火裝置，是目前儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用最多的滅火裝置，其滅火裝置布置在集裝箱開(kāi)門(mén)角落。柜式滅火裝置存在的主要問(wèn)題是保護(hù)的區(qū)域半徑有限，針對(duì)集裝箱狹長(zhǎng)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在保護(hù)死角，且滅火劑很難及時(shí)到達(dá)電池Pack箱內(nèi)起火位置，不利于第一時(shí)間控制火災(zāi)。探火管滅火裝置是通過(guò)探火管纏繞在火災(zāi)隱患附近，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)噴射滅火，存在動(dòng)作響應(yīng)慢、滅火范圍小的問(wèn)題，并且經(jīng)過(guò)工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，往往明火持續(xù)5 s以后，探火管滅火裝置才會(huì)啟動(dòng)，因此其保護(hù)的范圍相對(duì)有限，不能對(duì)整個(gè)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施防護(hù)。
因此針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研發(fā)一種高效率且結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)合理的滅火裝置迫在眉睫。本工作基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)制艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了多層協(xié)同預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)、電池火災(zāi)的精準(zhǔn)火災(zāi)預(yù)警。參考現(xiàn)有消防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有七氟丙烷滅火系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加鋰離子電池火災(zāi)抑制系統(tǒng)，通過(guò)抑制系統(tǒng)中的Pack級(jí)釋放管道布置及時(shí)將全氟己酮滅火劑輸送至熱失控Pack，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱失控電池的精準(zhǔn)防控，防止電池火災(zāi)蔓延。滅火系統(tǒng)和抑制系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，全面保障電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行。
1 多層系統(tǒng)預(yù)警技術(shù)
目前，國(guó)內(nèi)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的消防系統(tǒng)是參照固定建筑物式標(biāo)準(zhǔn)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)收，采用的是標(biāo)準(zhǔn)的感煙/溫感應(yīng)器，系統(tǒng)為集中控制方式，如圖1所示?；跓煾泻蜏馗刑綔y(cè)器的誤報(bào)率非常高，火災(zāi)控制系統(tǒng)工作原理是只有當(dāng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)同時(shí)接收到煙感報(bào)警信號(hào)和溫感報(bào)警信號(hào)時(shí)，才能發(fā)出啟動(dòng)滅火系統(tǒng)的控制信號(hào)。對(duì)于鋰離子電池而言，鋰離子電池著火部位基本在Pack內(nèi)，當(dāng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池火災(zāi)已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模了。因此，目前電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置亟需改進(jìn)。
圖1 現(xiàn)有鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)典型消防系統(tǒng)
儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)除了鋰離子電池因熱失控引發(fā)的電池火災(zāi)外，還存在電氣設(shè)備短路、老化所引起的電氣火災(zāi)，電氣火災(zāi)分為電氣柜內(nèi)部火災(zāi)和艙級(jí)電氣火災(zāi)。因此，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同火災(zāi)類型，可選擇不同的預(yù)警探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全預(yù)警精準(zhǔn)可靠和維護(hù)便捷等功能。
1.1 煙/溫感探測(cè)器
針對(duì)傳統(tǒng)艙級(jí)電氣火災(zāi)，選用煙/溫感探測(cè)器來(lái)探測(cè)。煙/溫感探測(cè)器具有成本低和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，以40尺(1尺=0.333 m)集裝箱為例，在集裝箱頂部及內(nèi)部空間可選擇性地安裝部分煙/溫感探測(cè)器。電氣火災(zāi)燃燒猛、蔓延快、易形成大面積燃燒，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，并引起環(huán)境溫度升高。因此，可通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧濃度和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)艙級(jí)電氣火災(zāi)的防范。
煙感探測(cè)器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。溫感探測(cè)器是利用探測(cè)器中的熱敏元件發(fā)生物理變化，響應(yīng)異常溫度、溫度速率等將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并進(jìn)行報(bào)警處理。如表1所示，煙/溫感探測(cè)器具有成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，適用于探測(cè)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的傳統(tǒng)電氣火災(zāi)。
表1 煙/溫感探測(cè)器的選取及應(yīng)用
注：1.dB/m表示1 mW功率為參考功率的分貝數(shù)，數(shù)值越小，靈敏度越高。 ；2.dB/m表示1 mW光功率為基礎(chǔ)的絕對(duì)功率，是探測(cè)器靈敏度的單位。
1.2 可燃?xì)怏w傳感器
可燃?xì)怏w傳感器是將某一種可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，主要由電極裝置和傳感材料組成，電極裝置采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置。儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰離子電池會(huì)在多種使用不恰當(dāng)?shù)臈l件下發(fā)生熱失控，隨著熱失控進(jìn)一步惡化，可燃?xì)怏w逐漸加速溢出，且在電池爆破時(shí)，可燃?xì)怏w瞬間大量噴出，并伴有大量煙霧產(chǎn)生。在具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池表面溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，會(huì)檢測(cè)到CO、H2等可燃?xì)怏w。這說(shuō)明可燃?xì)怏w傳感器能在鋰離子電池發(fā)生明火之前探測(cè)到電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，但依然滯后于電池溫度。
當(dāng)前可燃?xì)怏w傳感器雖然能一定程度上檢測(cè)到鋰離子電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，但易受到其他雜質(zhì)氣體的影響，并且壽命短，通常只有一到兩年的使用周期，后續(xù)維護(hù)成本高。可燃?xì)怏w傳感器的價(jià)格遠(yuǎn)高于煙/溫感探測(cè)器，將可燃?xì)怏w傳感器布置到每一個(gè)Pack內(nèi)，會(huì)大大增加儲(chǔ)能系統(tǒng)成本，在當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)難以盈利的現(xiàn)狀下是很難推廣應(yīng)用的。因此，本解決方案將可燃?xì)怏w傳感器用于艙級(jí)布置，當(dāng)檢測(cè)到一定濃度的可燃?xì)怏w時(shí)，聯(lián)動(dòng)預(yù)制艙排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，從而降低艙內(nèi)爆炸濃度。
1.3 Pack溫度傳感器
對(duì)于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，將火災(zāi)控制在Pack級(jí)別是保障整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的重要一環(huán)。要想實(shí)現(xiàn)Pack級(jí)火災(zāi)安全防控，首先需要利用傳感器精準(zhǔn)識(shí)別電池?zé)崾Э匕l(fā)生情況。對(duì)于鋰離子電池火災(zāi)過(guò)程而言，首先是升溫，然后是初爆、漏液、火災(zāi)。因此，如圖2所示，選擇合適的溫度傳感器進(jìn)行Pack級(jí)布置，能實(shí)現(xiàn)發(fā)生熱失控鋰離子電池的精準(zhǔn)定位。
圖2 預(yù)警探測(cè)器選擇
溫度傳感器成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Pack預(yù)警效果。依據(jù)鋰離子電池?zé)崾Э氐湫蜏囟忍卣骱凸こ虘?yīng)用實(shí)踐，適用于Pack溫度傳感器的探頭直徑不能超過(guò)1 mm，并且需要響應(yīng)速度快，能經(jīng)受住300 ℃以上的高溫，從而實(shí)現(xiàn)多次探測(cè)的目的。
2 儲(chǔ)能系統(tǒng)防護(hù)裝備設(shè)計(jì)
如圖3所示，預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)可分為電氣火災(zāi)和電池火災(zāi)兩種。電氣火災(zāi)和電池火災(zāi)是兩種不同類型的火災(zāi)，電氣火災(zāi)主要由于線路漏電、短路、過(guò)負(fù)荷、老化等，進(jìn)而產(chǎn)生局部高溫，致使電氣設(shè)備中可燃物著火。電池火災(zāi)主要是由于單體遭到濫用(包括機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用等)時(shí)，電池內(nèi)部材料發(fā)生一系列不可控的放熱電化學(xué)反應(yīng)直至熱失控，引發(fā)電池燃燒、爆炸。并且單體電芯的熱失控極易發(fā)生蔓延，導(dǎo)致整個(gè)電池模組、電池簇、電池系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模的火災(zāi)，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要做到能夠精準(zhǔn)識(shí)別兩種火災(zāi)類型，通過(guò)消防裝備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，結(jié)合適用性強(qiáng)的滅火劑，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的快速有效撲滅。
圖3 預(yù)制艙式電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)防控系統(tǒng)示意圖
對(duì)于電氣火災(zāi)，可采用七氟丙烷氣體滅火劑。現(xiàn)有預(yù)制艙式電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)配套的是七氟丙烷滅火劑，雖然對(duì)電池火災(zāi)適用性不強(qiáng)，但能夠滿足電氣火災(zāi)的滅火需求。當(dāng)控制模塊接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，七氟丙烷滅火劑通過(guò)全淹沒(méi)管道、全淹沒(méi)噴嘴進(jìn)行釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)的撲滅。
由于電池火災(zāi)是一種內(nèi)源性火災(zāi)，用傳統(tǒng)隔絕空氣的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)滅火不具備適用性，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的熱失控是火災(zāi)的根源，電池火災(zāi)滅火劑應(yīng)具備撲滅明火和降溫防復(fù)燃兩種特征?，F(xiàn)有配套的七氟丙烷并不具備降溫能力，因此對(duì)于電池火災(zāi)，不能使用七氟丙烷滅火劑。全氟己酮是一種氫氟碳滅火劑，是一種清澈、無(wú)色、無(wú)味的液體，具有良好的絕緣性能，對(duì)鋰離子電池火災(zāi)能起到快速撲滅和持續(xù)降溫的效果，并且不會(huì)傷害電子元器件和其他正常電池，避免二次損傷?；谌和獪缁饎┖歪尫殴艿啦贾茫蓸?gòu)建用于撲滅鋰離子電池火災(zāi)的抑制系統(tǒng)，與七氟丙烷滅火系統(tǒng)協(xié)同作用，全面保障儲(chǔ)能系統(tǒng)安全。
2.1 Pack級(jí)主動(dòng)防護(hù)
圖4為本工作中鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防裝備設(shè)計(jì)圖，包括七氟丙烷滅火系統(tǒng)和全氟己酮抑制系統(tǒng)，兩種滅火介質(zhì)分別存儲(chǔ)(七氟丙烷滅火劑瓶組、全氟己酮抑制劑瓶組)，全淹沒(méi)管道、全淹沒(méi)噴嘴，Pack級(jí)主管道、Pack級(jí)應(yīng)急管道，Pack噴嘴等。兩種系統(tǒng)互相獨(dú)立又彼此支撐配合，由區(qū)控電磁閥進(jìn)行控制。
圖4 消防裝備設(shè)計(jì)圖
現(xiàn)有預(yù)制艙式電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)消防裝備只有一套基于全淹沒(méi)滅火方式的七氟丙烷裝置，不具備對(duì)電池火災(zāi)的早期識(shí)別、精準(zhǔn)定位和及時(shí)撲滅防止蔓延等功能。本工作所設(shè)計(jì)的Pack級(jí)主管道按照Pack級(jí)噴嘴設(shè)計(jì)，能將抑制劑精準(zhǔn)輸送到每一個(gè)Pack，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池火災(zāi)的精準(zhǔn)撲滅，防止電池明火向周?chē)姵豍ack蔓延，造成系統(tǒng)級(jí)別火災(zāi)。
除了通過(guò)消防裝置主管道和噴嘴的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Pack防護(hù)滅火外，消防裝置還需具備啟?？煽亍?yīng)急機(jī)械啟動(dòng)等功能。鋰離子電池發(fā)生熱失控產(chǎn)生燃爆后，采用全氟己酮一定程度上能快速撲滅明火，但內(nèi)部熱失控反應(yīng)依然在繼續(xù)，熱量繼續(xù)產(chǎn)生，當(dāng)熱量累積到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。因此，消防裝置需啟?？煽?，可多次釋放，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的持續(xù)抑制。
2.2 噴放功能測(cè)試
2.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c布置
對(duì)于預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防裝備的性能檢測(cè)至關(guān)重要，本工作針對(duì)預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和火災(zāi)特性，進(jìn)行了一種能及時(shí)預(yù)警、精準(zhǔn)定位、啟?？煽氐陌邢虬踩揽丶夹g(shù)和裝備。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一整套消防裝置的噴放功能測(cè)試和驗(yàn)證。
圖5為靶向消防裝置測(cè)試模型。抑制劑存儲(chǔ)裝置內(nèi)充裝全氟己酮抑制劑，并充壓至存儲(chǔ)壓力，搭建40尺集裝箱模型，集裝箱內(nèi)兩側(cè)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景布滿電池架，共設(shè)置15個(gè)電池架排成一排，每個(gè)電池架7層，電池架長(zhǎng)550 mm，寬600 mm，高2200 mm，每一層高275 mm。最遠(yuǎn)端一個(gè)電池架根據(jù)圖紙安裝電池箱模型，內(nèi)部設(shè)置應(yīng)急啟動(dòng)、溫度傳感器、局部釋放管和噴嘴等。集裝箱圍護(hù)結(jié)構(gòu)(含門(mén)窗)承受內(nèi)壓的允許壓強(qiáng)(內(nèi)外壓強(qiáng)差)不宜低于1200 Pa，并參照GB 50370開(kāi)設(shè)泄壓口。在抑制劑存儲(chǔ)裝置出口處、局部釋放管道的最不利點(diǎn)噴嘴處分別安裝壓力變送器，采用記錄儀同時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)裝置電壓信號(hào)和壓力變送器信號(hào)。
圖5 集裝箱內(nèi)布置示意圖
2.2.2 局部噴放要求
自動(dòng)模式下啟動(dòng)局部噴放，火災(zāi)抑制裝置控制系統(tǒng)設(shè)置到自動(dòng)狀態(tài)，觸發(fā)最不利點(diǎn)的電池箱傳感器，抑制劑存儲(chǔ)裝置能根據(jù)設(shè)定程序啟動(dòng)容器閥和控制閥，其抑制劑噴放到對(duì)應(yīng)電池箱內(nèi)；驅(qū)動(dòng)裝置從監(jiān)測(cè)到啟動(dòng)電壓信號(hào)(抑制劑瓶組啟動(dòng)，抑制劑開(kāi)始從瓶組進(jìn)入管道)至最不利點(diǎn)處的壓力信號(hào)不小于0.5 MPa(管道內(nèi)抑制劑到達(dá)末端噴嘴處開(kāi)始釋放)的時(shí)間不大于1 s。
測(cè)試動(dòng)作流程如圖6所示，當(dāng)布置在Pack級(jí)內(nèi)的傳感器感應(yīng)到電池發(fā)生溫度異常時(shí)，由預(yù)警主機(jī)接收感應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行判定。預(yù)警主機(jī)根據(jù)所設(shè)定的程序向滅火劑瓶組和控制閥發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，滅火劑瓶組啟動(dòng)，通過(guò)主管道和分管道達(dá)到指定噴嘴位置釋放滅火劑直至明火撲滅。
圖6 自動(dòng)啟動(dòng)動(dòng)作流程
3 裝置實(shí)況驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的靶向消防裝備對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的效果，本工作搭建了1∶1全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。具體測(cè)試方法參考2.2節(jié)噴放功能測(cè)試，具體技術(shù)要求和測(cè)試方法可參考T/CIAPS0015—2022團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)抑制裝置測(cè)試方法》。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，所設(shè)計(jì)的裝置火災(zāi)抑制試驗(yàn)空間容積為40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，選取1個(gè)100%荷電狀態(tài)(SOC)的電池模組，安裝在電池箱內(nèi)，電池單體容量為80 Ah，電池Pack容量不小于8 kWh，電池單體及模組之間根據(jù)實(shí)際工況串并聯(lián)，在集裝箱內(nèi)布置方式如圖5所示。
如圖7所示，采用加熱板安裝在電池模組中間，同時(shí)加熱兩個(gè)電池單體，加熱裝置宜選用平面狀，長(zhǎng)寬尺寸與電池單體接近，且與電池直接接觸，功率500～1200 W，電池箱內(nèi)設(shè)置電磁點(diǎn)火裝置，溫度數(shù)據(jù)采集頻率10 Hz。
圖7 熱失控加熱示意圖
預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)啟，打開(kāi)加熱裝置對(duì)電池模組進(jìn)行加熱，同時(shí)打開(kāi)靜電點(diǎn)火器進(jìn)行持續(xù)點(diǎn)火，直至電池?zé)崾Э匾济骰?，斷開(kāi)加熱裝置，預(yù)警控制裝置自動(dòng)介入探測(cè)與滅火程序，抑制劑分三階段釋放，首次探測(cè)觸發(fā)進(jìn)行第一次釋放，時(shí)間120 s，中途停止30 s，繼而第二次釋放10 s，繼續(xù)停止30 s，第三次繼續(xù)釋放10 s，過(guò)程循環(huán)探測(cè)，可重復(fù)觸發(fā)。通過(guò)24 h靜電點(diǎn)火器持續(xù)點(diǎn)火，連續(xù)視頻監(jiān)控、溫度數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證其復(fù)燃狀況。試驗(yàn)應(yīng)記錄以下數(shù)據(jù)：明火起始時(shí)間T0；預(yù)警裝置發(fā)出啟動(dòng)指令時(shí)間T1；裝置啟動(dòng)噴放時(shí)間T2(參考對(duì)應(yīng)噴嘴管道探測(cè)到壓力變化)；明火撲滅時(shí)間T3；24 h內(nèi)復(fù)燃情況；火災(zāi)抑制裝置響應(yīng)時(shí)間為T(mén)2～T1。
圖8為本工作所設(shè)計(jì)的靶向消防裝備的實(shí)測(cè)過(guò)程圖。在加熱的電池單體表面布置熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池表面溫度變化情況。根據(jù)電池表面溫度變化情況判斷消防裝置對(duì)熱失控電池的實(shí)際消防性能。
圖8 消防裝置驗(yàn)證過(guò)程
圖9為熱失控電池表面溫度曲線圖。可以看到，在9 s左右，電池表面溫度達(dá)到60 ℃左右時(shí)，電池溫度急劇上升，這是由于電池隔膜發(fā)生熔化，電池內(nèi)部正負(fù)極短路，從而放出大量熱量。滅火裝置開(kāi)始啟動(dòng)，釋放出全氟己酮抑制劑，在2 s內(nèi)，電池溫度由200 ℃以上降到100 ℃以下，這代表電池明火能夠被迅速撲滅。除此之外，電池溫度在10 s內(nèi)降至50 ℃。
圖9 熱失控電池表面溫度曲線
通過(guò)實(shí)際工況驗(yàn)證，本工作所設(shè)計(jì)的靶向消防裝備實(shí)現(xiàn)了2 s內(nèi)對(duì)熱失控電池的快速降溫，并且通過(guò)裝置的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)定位功能，能夠?qū)⒒馂?zāi)控制在儲(chǔ)能系統(tǒng)Pack級(jí)，有效防止了電池火災(zāi)的蔓延。
4 結(jié)論
預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在密閉空間存儲(chǔ)巨大的能量，具有危險(xiǎn)性。解決了儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性問(wèn)題，就解決了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的最后一公里。本工作基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和火災(zāi)特點(diǎn)，通過(guò)不同傳感器的選取和布置構(gòu)建多層系統(tǒng)預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)Pack探測(cè)分析和精準(zhǔn)定位。在現(xiàn)有七氟丙烷滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了七氟丙烷滅火系統(tǒng)和全氟己酮抑制系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，并且更加具備經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)抑制系統(tǒng)中管道、噴嘴的布局安裝，能夠支持多點(diǎn)位Pack多次啟動(dòng)，更加有效抑制鋰離子電池復(fù)燃。
通過(guò)本工作所設(shè)計(jì)構(gòu)建的靶向消防裝備的實(shí)際工況測(cè)試，能夠及時(shí)識(shí)別鋰離子電池?zé)崾Э匚恢?，并且迅速撲滅鋰離子電池火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全保障。
本工作從工程應(yīng)用和實(shí)踐的角度構(gòu)建的靶向消防裝備，目前仍存在一些改進(jìn)方向和尚待解決的問(wèn)題。
（1）氣體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱失控鋰離子電池的早期預(yù)警，但現(xiàn)有氣體傳感器價(jià)格昂貴、使用壽命短，大大限制了氣體傳感器在鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用。
（2）相較于七氟丙烷滅火系統(tǒng)，全氟己酮抑制系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池火災(zāi)適應(yīng)性更強(qiáng)，能夠有效撲滅鋰離子電池明火和持續(xù)降溫抑制復(fù)燃，但全氟己酮在長(zhǎng)期存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)釋放出一些氫氟酸，對(duì)接觸金屬造成腐蝕。
（3）在標(biāo)準(zhǔn)政策方面，針對(duì)預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防規(guī)范，目前尚無(wú)正式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所采用的參考固定建筑物式消防建設(shè)規(guī)范，對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)適應(yīng)性不強(qiáng)。
因此，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防裝備的大規(guī)模應(yīng)用目前仍面臨新型材料的開(kāi)發(fā)和成本的優(yōu)化，以及政策標(biāo)準(zhǔn)的積極推動(dòng)的問(wèn)題。
