中國儲能網訊：
摘 要 由于鋰離子儲能系統(tǒng)火災燃爆危險性大且實驗成本高，因此基于模型對儲能系統(tǒng)火災特性及滅火性能模擬仿真研究具有重要意義。本文通過火災動力學模擬(fire dynamics simulator, FDS)軟件建立了20尺(1尺=0.333 m)儲能集裝箱的全尺寸仿真分析模型，研究了電池系統(tǒng)的火蔓延過程以及CO2、H2和CO等特征氣體的擴散規(guī)律。結果表明，電池箱著火后，在火源中心位置H2和CO濃度可達到1000 ppm(1 ppm=10-4%)以上，而在集裝箱角落的濃度僅為24~183 ppm；水噴淋滅火系統(tǒng)降溫效果明顯，可以將火焰上部溫度自791 ℃迅速降低至330 ℃以下；此外，水噴淋滅火系統(tǒng)會造成電池箱的不完全燃燒，導致局部區(qū)域可燃氣體濃度上升。本文的結果旨在為鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全設計及火災防控技術研究提供一種仿真分析方法。
關鍵詞 儲能系統(tǒng)；鋰離子電池；火蔓延；火災動力學模擬；水噴淋
近年來，作為支撐能源轉型的關鍵技術，儲能技術的發(fā)展已成為我國實現“雙碳”目標的迫切需求。其中，電化學儲能具有建設周期短、響應速度快、布置方式靈活等優(yōu)點，在儲能領域中受到廣泛青睞，截至2023年底，全國已投運新型儲能31.39 GW/66.87 GWh，其中鋰離子電池儲能占比最大，累計投運總能量達到48.77 GWh。然而，近年來隨著電化學儲能的逐步發(fā)展，在世界各國已發(fā)生多起火災、爆炸事故，在造成經濟損失與人員傷亡的同時，也在一定程度上阻礙了儲能產業(yè)的快速發(fā)展。因此，作為電化學儲能的核心部件，電池系統(tǒng)的安全性成了儲能行業(yè)發(fā)展中亟待解決的關鍵問題。
在鋰離子電池的火災危險性和滅火技術實驗方面，國內外學者均開展了大量的研究。Ping等開展了鋰離子電池燃燒實驗，研究表明鋰離子電池在發(fā)生熱失控時會先后經歷初次射流火、陰燃、復燃等多個階段，存在明顯的多次射流火行為。Russo等對比了干粉、CO2、水噴淋和水霧對電池模組的滅火效果，結果表明水噴淋的滅火和降溫效果更加優(yōu)異。
但是以上的研究僅針對單體或者數個電芯發(fā)生火災，而大尺寸的電池火災的燃爆風險大，且實驗成本高，因此開展相關的模擬仿真研究顯得尤為必要，相關研究者多采用火災動力學模擬(fire dynamics simulator，FDS)和Flacs軟件對儲能系統(tǒng)煙氣擴散、燃燒和爆炸進行仿真研究。王俊等以單體電芯產氣實驗數據為基礎數據，通過FDS軟件模擬了磷酸鐵鋰離子電池在泄壓閥打開之后，釋放的氣體在模組中的擴散規(guī)律。徐成善等以電池產氣測試數據為輸入數據，通過Flacs軟件建立了兆瓦時級的儲能預制艙模型，分析了燃爆風險與失控電池位置和數量的關系。葉祥虎等通過火災動力學模擬軟件研究了細水霧滅火參數對電池模組滅火效率的影響規(guī)律，提出了2.0 L/min的流量系數和200 μm的霧滴直徑為最佳滅火參數。
綜上所述，國內外學者在鋰離子電池火災行為和滅火技術實驗方面取得了較為顯著的研究成果。但是，關于儲能系統(tǒng)的火災抑制模擬仿真研究尚處于起步階段，公開的研究結果相對較少。在本文中以鋰離子電池實際熱失控行為作為邊界條件，通過火災動力學模擬軟件建立了電池儲能系統(tǒng)火蔓延及水噴淋模型，研究水噴淋對儲能系統(tǒng)火蔓延過程以及多種特征氣體擴散行為的影響規(guī)律。通過該模型，可綜合分析不同滅火參數對儲能系統(tǒng)火災的抑制效果，為儲能系統(tǒng)的安全設計提供參考。
1 理論分析
1.1 控制方程
式中，p0為壓強；R為氣體常數；M為混合氣體的分子質量。
1.2 物理模型
1.2.1 儲能系統(tǒng)
如圖1所示，本文以實際20尺(1尺=0.333m)鋰離子電池儲能系統(tǒng)為研究對象，集裝箱的長寬高尺寸為6.0 m、1.2 m、2.6 m，其中填裝了10個電池簇，每個電池簇包含15個電池箱和1個電氣控制箱，電池簇與簇之間由金屬板隔擋，其中電池箱尺寸為0.5 m×0.7 m×0.2 m，在本文中選用的目標電池為228 Ah磷酸鐵鋰電池，其尺寸為0.07 m×0.17 m×0.20 m。
圖1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火蔓延及水噴淋裝置物理模型
在本文中，為了更好地觀察電池系統(tǒng)的火蔓延狀態(tài)，假設靠近集裝箱底部的某一電池箱發(fā)生熱失控起火，著火電池箱的具體位置如表1所示。集裝箱尺寸為6.0 m×1.2 m×2.6 m，單元格大小為0.02 m×0.02 m×0.02 m，所以網格劃分為300×60×130，共2340000個網格。為保證計算結果更加準確，通常網格單元盡量接近立方體。
表1 著火電池箱和噴頭位置
為了研究水噴淋裝置對電池儲能系統(tǒng)火蔓延的抑制效果，沿集裝箱頂部中軸線方向設置了3個水噴淋噴頭，當水噴淋裝置附近的溫度超過80 ℃時，水噴淋裝置開始動作。其具體位置如表1所示。
1.2.2 傳感器布置
本文分別選取了著火電池箱附近的位置(L0)以及水噴淋噴頭正下方0.1 m處(L1~L3)為探測點(表2)，分別收集了溫度、CO2、H2和CO的變化規(guī)律。
表2 探測點位置
1.3 邊界條件
在該仿真研究中，電池箱的環(huán)境溫度T=300 K。電池燃燒平均熱釋放速率(HRR)、熱失控產氣種類及體積比以實際熱失控實驗數據為邊界輸入條件，其中電池燃燒熱釋放速率如圖2所示。在本文中假設電池燃燒一直存在，所以采用的是100%荷電狀態(tài)(SOC)磷酸鐵鋰電池的燃燒熱釋放速率峰值，隨著電池內部化學反應速率提升，電池產生氣體速率隨之增加，對應峰值分別為74.83 kW (peak 2)和98.99 kW(peak 3)。此外，通過電池原位產氣測試平臺，對磷酸鐵鋰電池熱失控產氣進行測試，收集氣體種類和濃度，如圖3所示。其中，H2占比最高，約占39.5 %，CO2和CO占比分別為30.15%和11.68%。
圖2 100%SOC磷酸鐵鋰電池熱失控質量損失和熱釋放速率變化
圖3 氣體分析 (a) 氣體實時測試圖(1 ppm=10-4%)；(b) 產氣種類體積比
2 結果與分析
2.1 溫度及火蔓延特性
在本次仿真分析中，以電池箱著火時刻為起始時間(t=0.0 s)。在無滅火措施下的火蔓延過程，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，底部電池箱發(fā)生火災后，自火源位置向上進行蔓延，且擴散速度極快。如圖4(b)所示，在t=1.2 s時，高溫氣體已經自著火電池箱蔓延至集裝箱頂部，并沿著集裝箱頂部由點向整個面進行擴散。在t=2.2 s時，高溫氣體相繼到達集裝箱的左右側壁。如圖4(c)、(d)所示，隨著頂部煙氣不斷聚集，氣體逐漸向下擴散，逐漸覆蓋了整個集裝箱上部的空白區(qū)域，在t=20.0 s時基本趨于穩(wěn)定。
圖4 無滅火措施下火蔓延過程
此外，圖5給出了無滅火措施下，t=0.0~60.0 s時，在Z=2.4 m切面的溫度場分布變化，從圖5(a)~(i)可以看出，由于火焰的形態(tài)具有一定的波動性，所以切面處的高溫區(qū)域大小也存在一定的波動，但中心位置基本不變。在火焰輻射和高溫煙氣的共同作用下，切面處溫度場已達到300 ℃以上，且在火源中心區(qū)域溫度接近1000 ℃。
圖5 無滅火措施下Z=2.4 m切面溫度場分布變化
2.2 特征氣體及擴散特性
在本文中，主要探測了H2、CO和CO2這3種氣體的擴散行為，由于在本文中燃燒行為一直存在，因此H2和CO作為可燃物，始終處于消耗狀態(tài)。為了方便觀察，主要以CO2為例，來解釋氣體的擴散行為。圖6給出了在無滅火措施下的火蔓延過程中，在集裝箱側壁CO2的擴散過程。從圖6可以看出，在火焰驅動下，CO2自熱失控箱向上運動，在t=1.2 s時被集裝箱頂棚阻擋后向四周進行擴散，在t=2.2 s時被集裝箱側壁阻擋后向下擴散，在t= 4.0 s時開始出現明顯的分層現象，并逐漸趨于穩(wěn)定。
圖6 無滅火措施下CO2擴散過程
2.3 水噴淋抑制效果分析
圖7給出了水噴淋措施下，t=0.0~60.0 s時，在Z=2.4 m切面的溫度場分布變化?？梢钥闯?，隨著水噴淋的持續(xù)作用，高溫區(qū)域范圍逐漸縮小。如圖7(i)所示，在t=60.0 s時，切面層中高溫區(qū)域溫度在300 ℃左右，遠遠低于無滅火措施下的1000 ℃。這表明水噴淋對儲能系統(tǒng)火焰和高溫煙氣有著明顯抑制作用，對儲能系統(tǒng)火災的降溫效果尤其顯著。
圖7 水噴淋作用下Z=2.4 m切面溫度場分布變化
圖8(a)給出了無滅火措施時不同探測點的溫度變化曲線。可以看出，火蔓延過程分別經歷發(fā)展階段(階段I)和穩(wěn)定階段(Ⅱ)。t=0.0~10.0 s階段為火蔓延的發(fā)展階段，在該階段，在火焰擴散的影響下，不同探測點的溫度迅速上升。L0探測點距離熱失控模組最近，火焰溫度上升速度最快，在t=10.0 s時，T(L0)達到948 ℃。L1探測點位于熱失控電池箱的正上方，處于火源中心，在t=10.0 s時，T(L1)達到792 ℃。L2和L3探測點偏離火源中心，在t=12.0 s時，T(L2)和T(L3)分別達到408 ℃和317 ℃。
圖8 探點位置的溫度變化數據圖 (a) 無滅火措施； (b) 添加水噴淋措施
添加水噴淋滅火措施不同探測點的溫度變化曲線，如圖8(b)所示?？梢园l(fā)現，水噴淋對電池火蔓延具有明顯的抑制作用，在t=10.0 s時，水噴淋動作后各個探測點的溫度表現出明顯的下降趨勢。根據探測點的溫度變化速率，大致可分為3個階段：階段I，t=0.0~10.0 s為火蔓延發(fā)展階段，該階段火蔓延迅速，火源中心探測點(L0和L1)溫度急劇上升至850 ℃；階段Ⅱ，t=10.0~60.0 s為火蔓延抑制階段，該階段水噴淋裝置開始動作，有效抑制了火焰以及高溫煙氣的蔓延速度，并對系統(tǒng)進行有效降溫，T(L0)和T(L1)分別下降至710 ℃和430 ℃，而距離火源中心2 m處的探測點溫度T(L2)和T(L3)分別降至125 ℃和110 ℃；階段Ⅲ；t=60.0~120.0 s為穩(wěn)定階段，該階段中水噴淋對系統(tǒng)的降溫效果依然存在，但由于火源并未被熄滅，因此溫度的下降速率逐漸趨于平穩(wěn)，并在180 s內，火源附近的環(huán)境溫度降到330 ℃以下。
在實際儲能系統(tǒng)中，電池箱的密封等級較高，發(fā)生火災時外界的滅火介質難以有效作用到火源根部。因此，在本文中僅研究了水噴淋對火蔓延過程抑制作用，并未考慮火源的熄滅行為。圖9給出了水噴淋作用下火蔓延過程。如圖9(c)所示，隨著火勢逐漸向頂端蔓延，在t=10.0 s時，水噴淋開始啟動。如圖9(c)~(f)所示，在t=10.0~60.0 s時，在水噴淋作用下，火蔓延行為被有效控制在火源中心區(qū)域，難以向周圍進行擴散。
圖9 水噴淋作用下火蔓延過程
鋰離子電池發(fā)生熱失控時，釋放出的可燃氣體種類較多。在鋰離子電池儲能系統(tǒng)中，CO、H2、CO2等特征氣體被廣泛用作火災預警的特征參數。圖10給出了水噴淋作用下CO2擴散過程，與無滅火措施情況類似，CO2在火焰的熱流驅動下，沿著頂棚和側壁進行擴散，但是在擴散深度上存在明顯的差別。如圖10所示，在t=30.0 s時，CO2的分層現象逐步穩(wěn)定，可以看出添加水噴淋后，CO2的濃度有著明顯提高，且向下的擴散深度也有著明顯增加。
圖10 水噴淋作用下CO2擴散過程
圖11給出了兩種情況下不同測點的CO2濃度變化曲線?？梢钥闯?，在無滅火措施下，在經歷t=0~10 s發(fā)展階段后，CO2濃度都將穩(wěn)定在一定的數值范圍內，隨著火源距離的增加，CO2濃度出現一定下降，與煙氣的分層現象較為吻合。而在添加水噴淋后，火源中心位置L0和頂部中心L1處的CO2濃度出現一定幅度的下降，出現該現象的原因是水噴淋對電池燃燒行為的抑制作用，致使火源附近的CO2減少。同時，在水顆粒的驅動作用下，CO2的分散程度更高，距離較遠的L2和L3位置的CO2濃度相比無滅火措施時會出現一定程度上升。
圖11 探點位置的CO2變化(a) 無滅火措施；(b) 添加水噴淋措施
圖12和圖13分別給出了兩種工況下H2和CO的濃度變化。根據圖12(a)和圖13(a)，可以發(fā)現在火源始終存在的情形下，H2和CO作為可燃氣體，存在明顯消耗。位于火源中心的探測點L0的H2濃度分別保持在1.7×104 ppm(無滅火措施)和1.3×104 ppm(水噴淋滅火)，CO濃度分別保持在5.0×103 ppm(無滅火措施)和4.0×103 ppm(水噴淋滅火)。而在同一垂直面上的L1的H2和CO濃度則明顯較低。
圖12 探點位置的H2變化 (a) 無滅火措施； (b) 添加水噴淋措施
圖13 探點位置的CO變化 (a) 無滅火措施； (b) 添加水噴淋措施
如圖12(b)和圖13(b)所示，在添加水噴淋措施后，集裝箱上部位置的H2和CO濃度均有所升高，造成該現象的原因可能是在水噴淋作用下，釋放出的可燃性氣體出現不完全燃燒。這也進一步驗證了在同樣位置CO2濃度有所升高的原因。
綜上所述，在鋰離子電池儲能系統(tǒng)中，水噴淋裝置可以有效降低電池火災的溫度和火蔓延程度。但與此同時，電池熱失控所釋放的可燃性氣體并不能有效消耗，甚至在局部范圍內其濃度會出現明顯的上升，存在爆燃的風險。因此，針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防設計，在考慮控制電池系統(tǒng)火災的同時也應考慮系統(tǒng)的通風和防爆性能。
3 結論
本文通過建立電池儲能系統(tǒng)火蔓延以及火災抑制模型，分析了水噴淋對電池儲能系統(tǒng)的火蔓延以及煙氣擴散的抑制效果。得出以下結論。
（1）鋰離子電池箱發(fā)生火災時，會釋放出大量的特征性氣體，并迅速擴散至整個集裝箱系統(tǒng)，在缺乏有效的通風措施下，這些氣體會在集裝箱頂部集聚，隨著濃度的增加逐漸向集裝箱底部蔓延，并逐漸表現出分層現象，其中火源中心的可燃氣體含量可達到1.3 ×104 ppm以上，而距離較遠探測點的可燃氣體含量僅有24~183 ppm。
（2）添加水噴淋后，火源中心附近可燃氣體濃度存在一定的下降趨勢，其中CO濃度從5.0×103 ppm逐漸降低至4.0×103 ppm。
（3）水噴淋系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)火災的降溫效果明顯，可以在180 s以內將火源附近的環(huán)境溫度從791 ℃以上降到330 ℃以下。
（4）水噴淋系統(tǒng)雖然有效控制了系統(tǒng)的火蔓延情形，但是也造成了電池熱失控氣體的不完全燃燒，在局部范圍內會造成H2和CO等可燃氣體的濃度升高。
第一作者：于東興（1987—），男，碩士，副研究員，研究方向為儲能系統(tǒng)火災防控產品測試評價技術，E-mail：yudongxing@tfri.com.cn；
通訊作者：李煌，副研究員，研究方向為鋰離子電池火災及防控，E-mail：li1125@ustc.edu.cn。
