摘 要： 研究鋰離子電池儲能電站消防預警技術(shù)對于儲能系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。本文通過對電池熱失控及熱擴散特征識別展開討論，由于鋰離子電池發(fā)生熱失控時會伴隨著可燃氣體緩慢釋放，如果能夠提取電池熱失控早期氣體參數(shù)并對其進行研究分析，可以在此基礎上建立電池系統(tǒng)的熱失控預警機制。本文采用加熱方式和過充方式誘發(fā)電池熱失控氣體提取試驗，通過采氣試驗進行氣體成分含量分析，確定了將一氧化碳和溫度作為典型的偵測依據(jù)來實現(xiàn)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應用到了儲能電站消防預警系統(tǒng)中，同時結(jié)合多級預警及防護機制和安全聯(lián)動策略做了深入研究，確定了鋰離子電池儲能電站消防預警系統(tǒng)的設計架構(gòu)，從系統(tǒng)部件、聯(lián)動通信、人員安全3個方面對系統(tǒng)設計做了簡要說明，在保證快速有效的檢測出電池熱失控狀態(tài)的同時快速聯(lián)動消防設施，極大提高了儲能系統(tǒng)運行的可靠性。
關鍵詞： 鋰離子電池；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(xiàn)，遍布在用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、新能源并網(wǎng)及微電網(wǎng)等各個領域。國內(nèi)外近期發(fā)生多起鋰離子電池儲能電站火災事故，2018年7月2日，韓國一風力發(fā)電園區(qū)內(nèi)ESS儲能設備發(fā)生重大火災事故，造成706m2規(guī)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(fā)生就會造成嚴重后果，此時對鋰離子電池熱事故特征參數(shù)進行識別、熱失控早期預警、安全聯(lián)動和消防防護顯得尤為重要。
鋰離子電池儲能電站的安全問題是需要警鐘長鳴的重大課題。隨著鋰離子電池新材料的研發(fā)、電池制作技術(shù)的創(chuàng)新以及眾多科研機構(gòu)和企業(yè)的參與，鋰離子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(guī)模儲能系統(tǒng)單體電池容量更大，電池簇單體數(shù)量更多，電池簇并聯(lián)數(shù)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(xiàn)局部熱失控現(xiàn)象，存在巨大的安全隱患。
本文針對鋰離子電池熱失控特征參數(shù)識別、復合型熱失控火災探測器、多級預警機制和安全聯(lián)動策略做了研究，在此基礎上對儲能電站消防預警系統(tǒng)進行架構(gòu)設計。
1 熱失控特征識別
1.1 熱失控及熱擴散特征識別
電池熱失控及熱擴散特征識別是開展鋰離子儲能電站消防預警系統(tǒng)研究的基礎。國內(nèi)外一些團隊對熱失控及熱擴展早期形成識別方法進行了研究，主要包括以下幾種方法：① 通過BMS獲取的電池表體溫度、電壓、電流和放電倍率參數(shù)作為判別條件的研究；② 基于電池模組的壓力應變的檢測方法；③ 基于內(nèi)阻變化的熱失控探測研究；④ 電池過充和加熱導致熱失控試驗，采集氣體，并用色譜分析法進行氣體成分及含量的分析來判別熱失控的預警方法。
1.2 基于氣體特征量的識別
鋰離子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、快速分解產(chǎn)生煙霧、高熱至火焰的產(chǎn)生。電池系統(tǒng)一般處于穩(wěn)態(tài)的電池包環(huán)境，相對正常穩(wěn)態(tài)環(huán)境，其采集的上述數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變化特性，而一旦熱失控產(chǎn)生，勢必引起氣象、煙霧、溫度和光敏傳感器的數(shù)據(jù)異常變化。依據(jù)熱失控產(chǎn)生的背景參考圖如圖1所示。電池火災發(fā)生的以上物理量如圖2所示。
圖1 熱失控產(chǎn)生背景
圖2 電池火災探測過程
關鍵問題在于如何提取電池熱失控早期氣體參數(shù)，并建立電池系統(tǒng)的熱失控預警機制。該參數(shù)能夠明確表征熱失控隱患，并不會因為動力電池系統(tǒng)本身的工作環(huán)境而引發(fā)錯誤信號。如圖2所示，氣體探測可以進行早期預警，重點為如何選取氣體探測器，并進行可行性和適用性研究。
1.2.1 熱失控氣體提取試驗
1.2.1.1 加熱方式誘發(fā)熱失控氣體成分提取試驗
（1）試驗方案準備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120 A·h磷酸鐵鋰電池進行加熱，在進行加熱試驗時，需要使用夾具將鋰電池和加熱片夾緊，防止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分傳遞至電池，不能觸發(fā)電池熱失控，導致試驗失敗；在加熱片與電池的接觸面及電池背面部署溫度探測器；在實驗箱頂部部署動力電池熱失控探測裝置，并使用監(jiān)控軟件實時監(jiān)測探測控制器的氣體、煙霧和溫度數(shù)據(jù)，并對工程數(shù)據(jù)進行存儲；電池放入采集箱，電池加熱相關準備工作完成后，關閉采集箱門，鎖死箱門，關閉兩個球閥；部署攝像機，對整個試驗過程進行錄制，加熱過程中，溫度數(shù)據(jù)、控制器的傳感器數(shù)據(jù)及錄像時間需要校時；開始加熱電池工作，待檢測到電池防爆閥打開后，關閉加熱電源；打開球閥，開啟取樣泵，把取樣泵的氣體排放至安全區(qū)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(jié)束后，先關閉采樣泵，再關閉采氣袋閥門，最后關閉箱體上球閥。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）試驗判定本次試驗中，電池材料受到加熱片加熱，產(chǎn)生氣體，復合氣體傳感器采集的氣體濃度呈平滑增長狀態(tài)；鋰電池的泄壓閥在爆開后，復合氣體傳感器探測到的氣體濃度呈明顯上升狀態(tài)，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依據(jù)，該類氣體滿足以下條件：① 非空氣主要的構(gòu)成氣體；② 有相應氣體傳感器對其進行定量檢測；③ 電池防爆閥在打開前、后，該類氣體濃度有明顯對比。
圖4 復合傳感器綜合探測數(shù)據(jù)趨勢圖
結(jié)合探測數(shù)據(jù)的圖表可以看出，鋰電池在防爆閥打開后并且熱失控發(fā)生前，產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，并迅速超出了復合氣體傳感器的測量量程（體積分數(shù)）1000×10-6，具體數(shù)值參考表1。
表1 復合傳感器綜合探測數(shù)據(jù)表
（3）試驗結(jié)論本次試驗采集氣樣委托化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心做了氣體成分含量分析。氣體采樣結(jié)果見表2。
表2 氣體采樣分析結(jié)果
注： 數(shù)據(jù)為體積分數(shù)。
1.2.1.2 過充方式誘發(fā)熱失控氣體成分提取試驗
（1）試驗方案用恒流充電設備對120 A·h磷酸鐵鋰電池充電，電池箱內(nèi)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(jiān)測CO濃度。
（2）試驗過程當電池表面溫度達到58.7 ℃時，電池箱內(nèi)置傳感器的氣敏傳感器檢測出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(fā)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(shù)）20×10-6。試驗布置圖如圖5所示。
圖5 過充方式誘發(fā)熱失控氣體成分提取試驗布置圖
經(jīng)過5次氣體采集，停止過充實驗，采集到電池從溫升初期到熱失控5個階段的氣體樣品，并詳細記錄了電池表面的溫升狀態(tài)和形變狀態(tài)。
（3）試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果本次試驗采集氣樣委托化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心做了氣體成分含量分析。氣體采樣結(jié)果見表3。
表3 氣體采樣分析結(jié)果注： 數(shù)據(jù)為體積分數(shù)。
1.2.2 試驗結(jié)論
兩次試驗采集氣樣均委托化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心做了氣體成分含量分析，通過采氣試驗進行氣體分析的結(jié)果及氣體選擇條件，可以確認一氧化碳作為典型的偵測依據(jù)來實現(xiàn)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(gòu)成氣體而且5個氣體樣品數(shù)值變化量極小，不具備參考價值。相比于烯類氣體，針對CO的傳感器的應用具有技術(shù)應用成熟、壽命長的特點，適用于鋰離子電池的早期預警使用。
一氧化碳和溫度數(shù)據(jù)的復合型判別，可以有效地提高鋰離子電池熱失控預警識別的有效性，避免單一數(shù)據(jù)判別導致的誤報和漏報情況。
2 鋰離子電池儲能電站消防預警系統(tǒng)研究
2.1 儲能電站消防預警系統(tǒng)應用現(xiàn)狀
目前儲能電站中單預置艙系統(tǒng)火災探測及消防報警設計參照GB 50116《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》，配置使用典型感溫和典型感煙探測器，消防預警系統(tǒng)采用獨立的通訊方式，在本地集中控制，圖6是一個典型40英尺（1英尺=0.3048 m）預置艙儲能電站火災探測報警系統(tǒng)設計。
圖6 典型40英尺預置艙儲能電站火災探測報警系統(tǒng)
這種方式參考建筑類應用的火災自動報警系統(tǒng)的設計方案，在儲能電站安全消防預警系統(tǒng)的適用方面，存在兩點重要的缺陷：① 典型感煙和典型感溫火災探測器不適用于鋰離子電池熱失控早期預警，探測預警一定是火災已經(jīng)從電池包蔓延到儲能艙后的結(jié)果，屬于鋰離子電池熱擴散事故發(fā)生后的報警。② 獨立的系統(tǒng)通訊機制，缺少與BMS或EMS智慧聯(lián)動的安全管理策略。
2.2 鋰離子電池儲能電站消防預警系統(tǒng)應用設計
2.2.1 多級預警及防護
多級預警是指從電池包內(nèi)部、電池簇（封閉式電池簇）和電池艙空間進行分區(qū)探測預警的方式，目的是在電池單體發(fā)生熱失控時得以快速識別。
電池單體發(fā)生電解液泄漏、熱失控早期是儲能電站消防預警的重要標志特征。只有在電池包內(nèi)才可以有效的實現(xiàn)早預測電池異常狀態(tài)，提高熱失控預測預警的準確性與可靠性。
鋰離子電池的電解液泄漏，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(fā)生熱失控時，電池包內(nèi)部的探測器可以安裝在熱擴散未形成聯(lián)動的滅火系統(tǒng)，對于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，在電池包中安裝使用探測控制器對鋰離子儲能電站來說顯得尤為重要。
為提高消防預警準確性，儲能電站的消防系統(tǒng)需要實行分級預警機制，采用多級消防處理控制，降低儲能系統(tǒng)大范圍的起火風險，可有效保障儲能系統(tǒng)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(xiàn)場應用方案，對56個電池包和7個電池簇箱進行了探測預警及管道式滅火裝置安全防護，該方案已經(jīng)實施并投入運行。
圖7 40英尺預置鋰離子儲能站多級預警及防護應用方案
2.2.2 多級安全聯(lián)動策略
儲能電站消防預警系統(tǒng)中的消防預警主機是消防聯(lián)動控制設備的核心組件。它通過接收電池熱失控探測器發(fā)出的熱失控報警信號，按照預設邏輯實現(xiàn)聯(lián)動控制，它可以直接發(fā)出控制信號（用于電池包內(nèi)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(fā)出控制信號。
本系統(tǒng)中的儲能電站消防預警系統(tǒng)的聯(lián)動控制策略主要基于兩方面，一是如何快速有效地檢測出電池的熱事故隱患和熱失控狀態(tài)；二是在出現(xiàn)熱失控的狀態(tài)下如何快速啟動消防設施，實現(xiàn)有效滅火。針對大規(guī)模儲能電池結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模大等特點，結(jié)合儲能站內(nèi)消防、動環(huán)等系統(tǒng)的運行特點，采用分層管理的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)消防系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、動環(huán)系統(tǒng)等的深度融合，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動設計，確保儲能系統(tǒng)的安全。
結(jié)合大規(guī)模儲能電池系統(tǒng)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 情況下電池熱失控處理策略，消防預警系統(tǒng)與 BMS協(xié)調(diào)聯(lián)動在熱失控狀態(tài)下切斷電池的運行狀態(tài)及啟動消防系統(tǒng)。多級安全聯(lián)動策略示意圖，如圖8所示。
圖8 多級安全聯(lián)動策略示意圖
2.3 儲能電站消防預警系統(tǒng)架構(gòu)設計研究
基于上述研究基礎，儲能電站消防預警系統(tǒng)與BMS系統(tǒng)信息一體化、協(xié)同監(jiān)控。依據(jù)GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》、GB 16806—2006《消防聯(lián)動控制系統(tǒng)》等消防標準，同時結(jié)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(tǒng)的應用方案。
消防系統(tǒng)由熱失控探測器、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(tǒng)架構(gòu)設計如圖9所示。
圖9 儲能電站消防預警系統(tǒng)架構(gòu)設計
2.3.1 儲能電站消防預警系統(tǒng)部件
（1） 消防控制主機
內(nèi)置UPS不間斷電源，保證站內(nèi)斷電情況下，持續(xù)工作時間不小于2小時），由消防主機提供并管理系統(tǒng)內(nèi)所有設備的電源，實時顯示站內(nèi)探測器采集數(shù)據(jù)與火災報警信號歷史數(shù)據(jù)查詢，并導出報表，負責消防系統(tǒng)的聯(lián)動控制。至少提供以太網(wǎng)、CAN、RS485、干接點4類通信接口，滿足常用的組網(wǎng)通信方式。
（2） 鋰電池熱失控探測器
探測器對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(nèi)部安裝站內(nèi)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(tǒng)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(tài)切換，一體化設計。
（5） 后臺主站系統(tǒng)
能夠展示消防預警系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)與報警數(shù)據(jù)及驅(qū)動聲光報警器，能把火災報警信息醒目提示給監(jiān)控人員。
2.3.2 消防預警系統(tǒng)聯(lián)動通信設計
通信線路包括以下內(nèi)容。
（1）消防預警系統(tǒng)必須有通信線與站內(nèi)儲能電站電池管理系統(tǒng)(BMS)通信聯(lián)動，應在火災狀態(tài)等極限情況下可靠通信。
（2）消防預警系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)可直接接入后臺系統(tǒng)或由儲能電站電池管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺系統(tǒng)。
（3）站內(nèi)空調(diào)可由消防預警系統(tǒng)或儲能電站電池管理系統(tǒng)控制直接控制，在空間滅火裝置啟動前，關閉葉扇，達到更好的滅火效果。
通信內(nèi)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(qū)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(tǒng)為檢修人員的安全考慮
（1） 手動自動模式
系統(tǒng)分為手動模式與自動模式。自動模式下，系統(tǒng)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(tǒng)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，延時時間可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。
3 結(jié) 語
隨著鋰離子電池儲能電站的規(guī)模化應用，如何保證儲能電站的消防安全成為其發(fā)展的第一要務。本文在電池熱失控及熱擴散識別特征參數(shù)分析基礎上，提出了適用于鋰離子電池儲能電站火災早期預警的復合型熱失控火災探測器，并在站內(nèi)進行多級預警和防護設計，與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)等進行聯(lián)動控制，在保證快速有效地檢測出電池熱失控狀態(tài)的同時快速聯(lián)動消防設施，實現(xiàn)有效安全防護，極大提高了儲能系統(tǒng)運行的可靠性。
然而，目前國內(nèi)針對電化學儲能電站消防方面的規(guī)范標準要求較低，且不能滿足現(xiàn)場需求，工程中應用的火災預警系統(tǒng)為建筑物中使用的探測預警裝置，配置的滅火劑和滅火措施的有效性均未得到驗證，后續(xù)需要針對鋰離子電池儲能電站的火災早期預警及消防安全進行系統(tǒng)及深入的研究。
第一作者：王春力（1983—），女，碩士，工程師，主要從事動力電池熱失控安全技術(shù)研究，E-mail：wangchunli@chungway.com；
通訊作者：李明明，工程師，主要從事電化學儲能安全防護技術(shù)研究，E-mail：limingming@chungway.com。
引用本文：王春力, 貢麗妙, 亢平, 譚業(yè)超, 李明明. 鋰離子電池儲能電站早期預警系統(tǒng)研究[J]. 儲能科學與技術(shù), 2018, 7(6): 1152-1158.
WANG Chunli, GONG Limiao, KANG Ping, TAN Yechao, LI Mingming. Research on early warning system of lithium ion battery energy storage power station[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(6): 1152-1158.
