锂离子电池热失控特性与可探测性试验、研究  

>>>> 锂离子电池热失控特性试验

目前绝大多数储能电站都采用锂离子电池为储能部件，所以首先需要模拟并构建锂离子电池在储能系统中的工作特性和产生热失控的条件，进而研究锂离子电池热失控特性，获取可以用于火灾预警探测的参数信息。

试验采用以过充方式使锂离子电池产生热失控的试验方法。图1给出了某规格锂离子电池由于过充而产生热失控过程中温度与电压的关系曲线示例。

该试验采用特制的试验装置，对不同电池表面温度下释放出的气体特性进行实测，获取的相应试验数据如图2所示。

>>>> 热失控过程划分与探测

根据对锂离子电池热失控试验结果和可用于热失控预警探测的参数特征，将锂离子电池热失控划分为如图3所示的4个阶段。

图3所示的4个阶段都有其明显的特征，由这些特征可以总结出如下结论：

　　a.热失控初期：可以根据电量和温度变化初步判断电池开始出现热失控迹象。但由于储能电站中电池是分组方式工作的，且不存在全充全放工况，故根据电量变化预判电池热失控基本没法实现。此阶段电池电极温度变化有别于日常运行时的温度变化，可以做预警参考。

　　b.热失控早期：该阶段电池电极温度明显变化，而且已经有热解气体释放。合理设置电池表面温度探测器和气体探测器均能有效探测电池热失控特征，及时采取处置措施。该阶段是对锂电池热失控进行热失控探测预警的最佳阶段。

　　c.热失控中期：电池表面温度明显升高，泄压阀打开，同时热解出含有大量可燃性气体的气溶胶。在该阶段无论是对温度进行探测还是对热解气体探测，都十分容易实现，但该阶段热失控发展过程的不确定性给处置危险也带来了极大的不确定性。

　　d.热失控后期：即进入了完全的失控状态，一旦进入该阶段，大量的浓烟产生，部分电池也会产生火焰、轰燃。应该说灾害已经发生，需要考虑的就只剩下如何防止灾害扩大了。

上述试验结果和特征为消防系统对储能系统进行安全运行保障提供了必不可少的依据。这些试验也是合理设置消防系统以实现对储能系统安全运行保障的前提条件。

从上述试验结果，并本着越早发现电池热失控隐患越有利于进行应急处置的原则，也可以看出：对锂离子电池电极温度探测是最佳选择，对锂离子电池表面温度探测次之，然后才是对电池热解出来的气体进行探测。

根据隐患预警为主、灭火救援为辅的火灾防控理念，火灾自动报警系统对锂离子电池热失控进行火灾预警探测应遵循以下基本准则：

　　a.在第一时间发现隐患。即在锂离子电池热失控初期或早期阶段完成隐患预警探测。

　　根据锂离子电池热失控各阶段可探测特征，对电极温度或电池热解出的微量气体进行探测，并设置合适的报警设定值，均可在电池热失控早期发现锂离子电池热失控隐患，这是储能系统安全运行保障防护的最佳方案，也是对应急处置最有利的探测阶段。该方案需要采集所有电池的电极温度，因此需要合适的温度传感器。对热解出的微量气体探测，则需要灵敏度较高且可靠性高的气体传感器，同时对气体探测器的设置也有较高要求。

　　b.不求最早，但求及时。

　　根据试验结果，对锂离子电池表面温度进行探测，并设置合适的报警条件，可以在热失控早期偏后阶段完成对锂离子电池热失控隐患探测，并在发出报警信号后为应急处置提供足够的应急处置时间。该报警时间虽然滞后于对电极温度探测报警时间，但此时泄压阀尚未打开，仍处于热失控早期阶段。比对热失控中期气体探测报警时间提前很多，适用于对所有类型的锂离子电池热失控隐患预警探测。

随着温度和压力升高，电池在其泄压阀打开后直接进入了热失控中期阶段，此时大量的气体伴随着热气流经泄压口涌出。此时非常适合采用气体探测器对热解出来的各类气体进行探测，并设置合适的报警设定值实现对锂离子电池热失控火灾预警探测。由于确定了合适的火灾隐患报警设定值，且某些原理和规格的锂离子电池热失控发展相对较缓、热失控中期持续时间较长，同时部分类型的锂离子电池在报警联动断电后具有延缓或终止热失控进程特性，也能保证火灾自动报警系统发出火灾隐患预警信号后，应急处置人员有充足的时间排除隐患。

由于不同原理的锂离子电池的热失控特性和相同原理、不同规格的锂离子电池的热失控特性差异都非常大，甚至相同原理、相同规格而不同生产企业的锂离子电池的热失控特性也有很大差别，同时由于电池组制冷方式不同也导致锂离子电池热失控释放出的热解粒子分布差异很大，所以真正做好消防系统对储能系统安全运行保障防护前，必须先获取该储能系统选用的锂离子电池特性和电池组安装方式特性。

 储能电站火灾防控理念与消防系统防护设置的基本原则  

>>>> 储能电站的火灾防控应以本质安全为主、消防保障为辅的基本防控理念

本质安全是根本。储能电站自身应具备足够的安全等级，在此基础上辅以必要的消防保护手段。在二者都发挥相应的安全作用条件下，使储能电站达到安全运行的基本条件。

储能电站的本质安全主要包括以下3个方面：

　　a.电池本身安全：主要包括电池原理、使用材料、制造工艺、一致性筛选与组合、组合工艺等。

　　b.充放电管理安全：主要包括电压、电流、温度与温升控制等。

　　c.电气线路安全：主要包括使用线缆的连接可靠性与阻燃性、电气保护装置匹配性与动作及时性、应急处置便捷性等。电气线路安全不但要考虑运行安全，还需要考虑应急处置所需的便捷性与安全性。

>>>> 储能电站火灾防控中消防系统设置的基本原则

消防系统对储能电站的火灾防控应以立足于尽早发现隐患、及时排除隐患，防患于未“燃”为基本原则。根据现阶段储能电站的特点，可以分为以下2种防护：

　　a.基本防护：为保障建筑物、运维人员和应急处置人员安全及必要的应急处置而设置的防护。通常以一个报警区域为一个基本防护单元。预制舱式的储能电站可以将每个预制舱都分别划分为一个报警区域；在建筑内设置储能装置时，可以将每个防火分区都单独划分为一个报警区域。

　　b.安全运行保障防护：为保障电化学储能系统安全运行而设置的防护。通常应以电池箱（包）为基本单元。原则上每个电池箱外应设置一个火灾报警控制单元，用于采集该电池箱（包）内的各种火灾探测参数，并将相应信息传输给该区域的火灾报警控制器，同时接受该控制器的控制指令，完成预设的联动控制，保障储能系统安全运行。

 储能电站专用火灾自动报警系统及设置  

储能电站专用火灾自动报警系统是指安装在储能电站的火灾自动报警系统，具备监控、探测储能电站中各类设备的火灾隐患、火灾征兆或火灾初期特征，辅助处置火灾隐患和初期火灾等功能。系统由储能电站专用的火灾自动报警系统现场工作站、专用火灾报警控制器、火灾报警控制单元、电池表面温度探测器、CO探测器及其他火灾探测器、电气切断装置、火灾声光警报器及疏散指示装置等组件组成。系统内各部件的性能与设置如下：

　　a.储能电站火灾自动报警系统现场工作站：能接收、显示、查询、储存整个储能电站火灾自动报警系统内所有信息，并能提示各类信息含义、给出预判趋势和处置建议的装置。一般设置在消防控制室内。

　　b.储能电站专用火灾报警控制器：分为集中控制器和区域控制器。

　　集中控制器用于收集所有区域控制器的相关信息，并将相应信息传输给现场工作站，完成系统内共用消防设施和特定公共功能的控制。一般设置在消防控制室内。

　　区域控制器需要完成对所在报警区域内所有消防设备的信息采集与控制，接收、处理来自电池管理系统与安全运行相关的信息，并发出相应的控制指令，完成本报警区域的基本防护和安全运行保障防护功能。该控制器宜设置在自己的报警区域内。

　　c.火灾报警控制单元：实时接收、监测、分析为储能系统安全运行而设置的各种探测器的探测信号，将相关信息传输给火灾报警控制器，并在收到火灾报警控制器的指令后，联动控制本防区的相关电气切断装置和自动灭火设施，并有相应的光指示。该火灾报警控制单元是各电池箱（包）安全运行的核心控制单元，一般每个电池箱（包）都设置一个专有的火灾报警控制单元，通常设置在电池箱（包）附近。

　　d.储能系统安全运行保障专用探测器：包括电池表面温度探测器（可对电池电极和电池表面温度进行探测）、CO探测器及其他气体探测器应接收报警控制单元的控制，其结构形式、报警设定值与安装位置均需要与电池特性和电池箱特性相匹配，尤其保护风冷的储能装置时，探测器的设置位置和报警设定值还应根据现场情况确定。

　　e.电气切断装置：受火灾报警控制单元控制，在收到切断指令后能切断电池箱（包）电气回路，断开有隐患的电池箱（包）与储能系统的关联。是储能系统安全运行保障防护的重要部件，通常设置在电池箱（包）附近。

　　f.基本防护用的火灾探测器：包括感烟探测器、感温探测器、气体探测器等各类火灾探测器，一般由该区域设置的区域火灾报警控制器直接控制。

　　g.火灾声光警报器：储能电站专用火灾声光警报器可分为黄色光和红色光两种，均由该报警区域内的区域火灾报警控制器直接控制。黄色光警报用于应急处置人员快速识别有火灾隐患的报警区域；红色光警报表示该区域内有危险，禁止人员进入。这两种火灾声光警报器均应设置在报警区域入口外明显位置。

储能电站专用火灾自动报警系统的设计和设置还应该与电池管理系统有机结合起来，合理地选择获取锂电池热失控各阶段的特征，及时发现热失控隐患，并在隐患处置过程中为应急处置人员提供锂电池热失控危险来临定时发出警告信息。

本文有删减，全文载于《建筑电气》2023年第10期，详文请见杂志。

版权归《建筑电气》所有。

　　作者：

　　丁宏军，男，应急管理部沈阳消防研究所，研究员，国家消防电子产品质量监督检验中心副主任。

　　李小白，男，应急管理部沈阳消防研究所，助理研究员。

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