锂离子电池储能系统靶向消防装备设计与性能
摘 要 锂电池储能系统是构建新型电力系统，实现双碳战略目标的关键支撑，但锂离子电池储能系统的消防安全问题成为了制约储能系统大规模推广的关键瓶颈，现有基于固定建筑物式的传统气体灭火系统适用性不强，无法扑灭锂离子电池火灾及抑制复燃。本工作面向典型预制舱式锂离子电池储能系统，基于多层协同预警技术和不同防护灭火策略实现了对储能系统的靶向消防防控装备开发。首先，基于烟/温感探测器、可燃气体传感器、Pack温度传感器构建了多层协同的预警技术，实现对电气火灾、锂离子电池火灾的精准预警。其次，在现有七氟丙烷灭火系统基础上增加锂电池火灾专用抑制系统，满足国标电气场所消防设计的基本要求的同时保障锂电池火灾抑制需求。通过主管道、应急管道、喷嘴的布局定位安装，所设计的抑制系统支持Pack级主动防护，能将锂离子电池抑制剂输送到Pack，实现对锂离子电池火灾的早期扑灭并能多次启动，抑制锂离子电池火灾复燃及蔓延。灭火系统和抑制系统协同作战，各自发挥优势，全方位保障锂离子电池储能系统的安全。
储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段。加快储能技术与产业高质量发展，对于构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，推进我国能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具备极其重大战略意义，同时还利于实现我国“力争2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和”的伟大目标。
以锂离子电池为代表的电化学储能技术由于其循环性能好、无记忆效应、比能量高等优点，成为目前电力储能领域装机容量增长最快的储能技术。但目前储能电池包括锂离子电池、铅酸电池等仍未达到本质安全，一旦电池处于短路、过热、挤压等滥用条件下，电池可能会产生大量的热，从而引发内部电解液和电极材料的链式反应，进而发生热失控，并可能发展为大规模的爆炸、火灾事故。电化学储能系统是以电池为基础的，具有发生火灾或爆炸的危险本质，特别是在密闭空间，一旦某一储能单元发生火灾，将会引起相邻多台储能单元的连锁火灾反应甚至箱体爆炸，火灾荷载大、危险性高且难于扑救。
当前电化学储能系统的消防设计中的消防联动控制系统建设标准是基于固定建筑消防火灾，通过实施全淹没灭火方式来进行灭火。采用的灭火剂主要是以七氟丙烷为代表的卤代烷烃灭火剂，常温下为气态，其灭火机理主要是切断燃烧链，适用于扑灭表面火灾，可用于电气火灾。然而锂离子电池火灾是由内至外发热类型的深位火灾，采用七氟丙烷灭火剂往往扑灭明火后会复燃。同时，火灾预警系统采用的是烟感探测器和温感探测器。基于烟感和温感探测器的误报率非常高，火灾控制管理系统工作原理是只有当火灾预警系统同时接收到烟感报警信号和温感报警信号时，才能发出启动灭火系统的控制信号。锂离子电池着火部位基本在Pack(电池模组)内，当火灾预警系统探测到火灾信号时，锂离子电池火灾已发展到一定规模了。在灭火装置方面，针对电化学储能系统火灾应用的灭火装置最重要的包含：悬挂式灭火装置、柜式灭火装置、探火管灭火装置。传统悬挂式灭火装置，保护范围有限，动作响应严重滞后，其一般吊装在集装箱的顶部，依靠感温玻璃泡探测周围环境达到68 ℃则自行启动。针对锂离子电池火灾，传统悬挂式灭火装置响应速度慢，且一套装置的灭火剂容量有限，装置保护的范围较小。柜式灭火装置，是目前储能系统中应用最多的灭火装置，其灭火装置布置在集装箱开门角落。柜式灭火装置存在的主体问题是保护的区域半径有限，针对集装箱狭长型的结构特点，存在保护死角，且灭火剂很难及时到达电池Pack箱内起火位置，不利于第一时间控制火灾。探火管灭火装置是通过探火管缠绕在火灾隐患附近，进而实现点对点喷射灭火，存在动作响应慢、灭火范围小的问题，并且经过工程应用发现，往往明火持续5 s以后，探火管灭火装置才会启动，因此其保护的范围相对有限，不能对整个集装箱储能系统实施防护。
因此针对电化学储能系统，结合储能系统结构特点研发一种高效率且结构和布局设计合理的灭火装置迫在眉睫。本工作基于锂离子电池储能系统预制舱结构特点，构建了多层协同预警技术，实现对电气火灾、电池火灾的精准火灾预警。参考现有消防建设标准的基础上，在现有七氟丙烷灭火系统基础上增加锂离子电池火灾抑制系统，通过抑制系统中的Pack级释放管道布置及时将全氟己酮灭火剂输送至热失控Pack，实现对热失控电池的精准防控，防止电池火灾蔓延。灭火系统和抑制系统协同作战，发挥各自优势，全面保障电化学储能系统安全运行。
目前，国内锂离子电池储能系统中的消防联动控制系统是参照固定建筑物式标准GB 50116—2013《火灾自动报警系统模块设计规范》进行设计和验收，采用的是标准的感烟/温感应器，系统为集中控制方式，如图1所示。基于烟感和温感探测器的误报率非常高，火灾控制管理系统工作原理是只有当火灾预警系统同时接收到烟感报警信号和温感报警信号时，才能发出启动灭火系统的控制信号。对于锂离子电池而言，锂离子电池着火部位基本在Pack内，当火灾预警系统探测到火灾信号时，储能系统中电池火灾已发展到一定规模了。因此，目前电化学储能系统的火灾预警系统设置亟需改进。
储能系统火灾除了锂离子电池因热失控引发的电池火灾外，还存在电气设备短路、老化所引起的电气火灾，电气火灾分为电气柜内部火灾和舱级电气火灾。因此，针对储能系统不同火灾类型，可选择不同的预警探测器，以实现对储能系统安全预警精准可靠和维护便捷等功能。
针对传统舱级电气火灾，选用烟/温感探测器来探测。烟/温感探测器具有成本低和维护简单等优势，以40尺(1尺=0.333 m)集装箱为例，在集装箱顶部及内部空间可选择性地安装部分烟/温感探测器。电气火灾燃烧猛、蔓延快、易形成大面积燃烧，燃烧时会产生大量烟雾，并引起环境和温度升高。因此，可通过监测烟雾浓度和温度来实现舱级电气火灾的防范。
烟感探测器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。温感探测器是利用探测器中的热敏元件发生物理变化，响应异常温度、温度速率等将温度信号转变为电信号，并进行报警处理。如表1所示，烟/温感探测器具有成本低、维护简单等优势，适用于探测锂离子电池储能系统中的传统电气火灾。
注：1.dB/m表示1 mW功率为参考功率的分贝数，数值越小，灵敏度越高。 ；2.dB/m表示1 mW光功率为基础的绝对功率，是探测器灵敏度的单位。
可燃气体传感器是将某一种可燃性气体的体积分数转化为对应电信号的转换器，主要由电极装置和传感材料组成，电极装置采用标准实验装置。储能系统中锂离子电池会在多种使用不恰当的条件下发生热失控，随着热失控进一步恶化，可燃气体逐渐加速溢出，且在电池爆破时，可燃气体瞬间大量喷出，并伴有大量烟雾产生。在具体实验测试过程中，发现当电池表面温度达到60 ℃时，会检测到CO、H2等可燃气体。这说明可燃气体传感器能在锂离子电池发生明火之前探测到电池热失控现象，但依然滞后于电池温度。
当前可燃气体传感器虽然能某些特定的程度上检测到锂离子电池热失控的发生，但易受到其他杂质气体的影响，并且寿命短，通常只有一到两年的使用周期，后续维护成本高。可燃气体传感器的价格远高于烟/温感探测器，将可燃气体传感器布置到每一个Pack内，会大幅度提升储能系统成本，在当前储能系统难以盈利的现状下是很难推广应用的。因此，本解决方案将可燃气体传感器用于舱级布置，当检测到一定浓度的可燃气体时，联动预制舱排烟风机进行排风，以此来降低舱内爆炸浓度。
对于锂离子电池储能系统而言，将火灾控制在Pack级别是保障整个储能系统安全的重要一环。要想实现Pack级火灾安全防控，第一步是要利用传感器精准识别电池热失控发生情况。对于锂离子电池火灾过程而言，首先是升温，然后是初爆、漏液、火灾。因此，如图2所示，选择正真适合的温度传感器进行Pack级布置，能实现发生热失控锂离子电池的精准定位。
温度传感器成本低、维护简单，能实现锂离子电池储能系统Pack预警效果。依据锂离子电池热失控典型温度特征和工程应用实践，适用于Pack温度传感器的探头直径不能超过1 mm，并且需要响应速度快，能经受住300 ℃以上的高温，以此来实现多次探测的目的。
如图3所示，预制舱式锂离子电池储能系统火灾可分为电气火灾和电池火灾两种。电气火灾和电池火灾是两种不一样的火灾，电气火灾主要由于线路漏电、短路、过负荷、老化等，进而产生局部高温，致使电气设备中可燃物着火。电池火灾主要是由于单体遭到滥用(包括机械滥用、电滥用和热滥用等)时，电池里面材料发生一系列不可控的放热电化学反应直至热失控，引发电池燃烧、爆炸。并且单体电芯的热失控极易发生蔓延，导致整个电池模组、电池簇、电池系统发生大规模的火灾，造成极大的经济损失和人员安全风险。针对电化学储能系统，需要做到能够精准识别两种火灾类型，通过消防装备的设计和优化，结合适用性很强的灭火剂，以此来实现火灾的快速有效扑灭。
对于电气火灾，可采用七氟丙烷气体灭火剂。现有预制舱式电化学储能系统配套的是七氟丙烷灭火剂，虽然对电池火灾适用性不强，但能够很好的满足电气火灾的灭火需求。当控制模块接收到报警信号时，七氟丙烷灭火剂通过全淹没管道、全淹没喷嘴进行释放，实现对电气火灾的扑灭。
由于电池火灾是一种内源性火灾，用传统隔绝空气的原理来实现灭火不具备适用性，电化学反应过程中的热失控是火灾的根源，电池火灾灭火剂应具备扑灭明火和降温防复燃两种特征。现有配套的七氟丙烷并不具备降温能力，因此对于电池火灾，不可以使用七氟丙烷灭火剂。全氟己酮是一种氢氟碳灭火剂，是一种清澈、无色、无味的液体，拥有非常良好的绝缘性能，对锂离子电池火灾能起到快速扑灭和持续降温的效果，并且不会伤害电子元器件和其他正常电池，避免二次损伤。基于全氟己酮灭火剂和释放管道布置，可构建用于扑灭锂离子电池火灾的抑制系统，与七氟丙烷灭火系统协同作用，全面保障储能系统安全。
图4为本工作中锂离子电池储能系统消防装备设计图，包括七氟丙烷灭火系统和全氟己酮抑制系统，两种灭火介质分别存储(七氟丙烷灭火剂瓶组、全氟己酮抑制剂瓶组)，全淹没管道、全淹没喷嘴，Pack级主管道、Pack级应急管道，Pack喷嘴等。两种系统互相独立又彼此支撑配合，由区控电磁阀进行控制。
现有预制舱式电化学储能系统消防装备只有一套基于全淹没灭火方式的七氟丙烷装置，不具备对电池火灾的早期识别、精准定位和及时扑灭防止蔓延等功能。本工作所设计的Pack级主管道按照Pack级喷嘴设计，能将抑制剂精准输送到每一个Pack，以此来实现对电池火灾的精准扑灭，防止电池明火向周围电池Pack蔓延，造成系统级别火灾。
除了通过消防装置主管道和喷嘴的设计实现Pack防护灭火外，消防装置还需具备启停可控、应急机械启动等功能。锂离子电池发生热失控产生燃爆后，采用全氟己酮某些特定的程度上能快速扑灭明火，但内部热失控反应依然在继续，热量继续产生，当热量累积到某些特定的程度时会发生复燃现象。因此，消防装置需启停可控，可多次释放，以此来实现对锂离子电池火灾的持续抑制。
对于预制舱式锂离子电池储能系统消防装备的性能检验测试至关重要，本工作针对预制舱式锂离子电池储能系统结构特点和火灾特性，进行了一种能及时预警、精准定位、启停可控的靶向安全防控技术和装备。在此基础上，进行了一整套消防装置的喷放功能测试和验证。
图5为靶向消防装置测试模型。抑制剂存储装置内充装全氟己酮抑制剂，并充压至存储压力，搭建40尺集装箱模型，集装箱内两侧根据应用场景布满电池架，共设置15个电池架排成一排，每个电池架7层，电池架长550 mm，宽600 mm，高2200 mm，每一层高275 mm。最远端一个电池架根据图纸安装电池箱模型，内部设置应急启动、温度传感器、局部释放管和喷嘴等。集装箱围护结构(含门窗)承受内压的允许压强(内外压强差)不宜低于1200 Pa，并参照GB 50370开设泄压口。在抑制剂存储装置出口处、局部释放管道的最不利点喷嘴处分别安装压力变送器，采用记录仪同时监测驱动装置电压信号和压力变送器信号。
自动模式下启动局部喷放，火灾抑制装置控制管理系统设置到自动状态，触发最不利点的电池箱传感器，抑制剂存储装置能根据设定程序启动容器阀和控制阀，其抑制剂喷放到对应电池箱内；驱动装置从监测到启动电压信号(抑制剂瓶组启动，抑制剂开始从瓶组进入管道)至最不利点处的压力信号不小于0.5 MPa(管道内抑制剂到达末端喷嘴处开始释放)的时间不大于1 s。
测试动作流程如图6所示，当布置在Pack级内的传感器感应到电池发生温度异常时，由预警主机接收感应信号并进行判定。预警主机根据所设定的程序向灭火剂瓶组和控制阀发出启动信号，灭火剂瓶组启动，通过主管道和分管道达到指定喷嘴位置释放灭火剂直至明火扑灭。
为了验证所开发的靶向消防装备对锂离子电池火灾的效果，本工作搭建了1∶1全尺寸实验平台。具体测试方法参考2.2节喷放功能测试，具体技术方面的要求和测试方法可参考T/CIAPS0015—2022团体标准《预制舱式锂离子电池储能系统火灾抑制装置测试方法》。根据应用场景，所设计的装置火灾抑制试验空间容积为40尺标准集装箱，选取1个100%荷电状态(SOC)的电池模组，安装在电池箱内，电池单体容量为80 Ah，电池Pack容量不小于8 kWh，电池单体及模组之间结合实际工况串并联，在集装箱内布置方式如图5所示。
如图7所示，采用加热板安装在电池模组中间，同时加热两个电池单体，加热装置宜选用平面状，长宽尺寸与电池单体接近，且与电池非间接接触，功率500～1200 W，电池箱内设置电磁点火装置，温度数据采集频率10 Hz。
预警系统开启，打开加热装置对电池模组加热，同时打开静电点火器进行持续点火，直至电池热失控引燃明火，断开加热装置，预警控制装置自动介入探测与灭火程序，抑制剂分三阶段释放，首次探测触发进行第一次释放，时间120 s，中途停止30 s，继而第二次释放10 s，继续停止30 s，第三次继续释放10 s，过程循环探测，可重复触发。通过24 h静电点火器持续点火，连续视频监控、温度数据采集验证其复燃状况。试验应记录以下数据：明火起始时间T0；预警装置发出启动指令时间T1；装置启动喷放时间T2(参考对应喷嘴管道探测到压力变化)；明火扑灭时间T3；24 h内复燃情况；火灾抑制装置响应时间为T2～T1。
图8为本工作所设计的靶向消防装备的实测过程图。在加热的电池单体表面布置热电偶，实时监测电池表面温度变动情况。根据电池表面温度变动情况判断消防装置对热失控电池的实际消防性能。
图9为热失控电池表面温度曲线 s左右，电池表面温度达到60 ℃左右时，电池温度急剧上升，这是由于电池隔膜发生熔化，电池里面正负极短路，从而放出大量热量。灭火装置开始启动，释放出全氟己酮抑制剂，在2 s内，电池温度由200 ℃以上降到100 ℃以下，这代表电池明火能够被迅速扑灭。除此之外，电池温度在10 s内降至50 ℃。
通过实际工况验证，本工作所设计的靶向消防装备实现了2 s内对热失控电池的快速降温，并且通过装置的快速响应和精准定位功能，能够将火灾控制在储能系统Pack级，有很大效果预防了电池火灾的蔓延。
预制舱式锂离子电池储能系统在密闭空间存储巨大的能量，具有危险性。解决了储能系统安全性问题，就解决了锂离子电池储能系统大规模应用的最后一公里。本工作基于锂离子电池储能系统结构和火灾特点，通过不同传感器的选取和布置构建多层系统预警技术，实现对储能系统Pack探测分析和精准定位。在现有七氟丙烷灭火系统的基础上设计了七氟丙烷灭火系统和全氟己酮抑制系统协同作战，各自发挥优势，并且更加具备经济性。通过抑制系统中管道、喷嘴的布局安装，能够支持多点位Pack多次启动，更加有效抑制锂离子电池复燃。
通过本工作所设计构建的靶向消防装备的实际工况测试，能够及时识别锂离子电池热失控位置，并且迅速扑灭锂离子电池火灾，实现了对预制舱式锂离子电池储能系统的安全保障。
本工作从工程应用和实践的角度构建的靶向消防装备，目前仍存在一些改进方向和尚待解决的问题。
（1）气体传感器可以在一定程度上完成对热失控锂离子电池的早期预警，但现有气体传感器价格昂贵、常规使用的寿命短，大大限制了气体传感器在锂离子电池储能系统中的大规模应用。
（2）相较于七氟丙烷灭火系统，全氟己酮抑制系统对锂离子电池火灾适应性更强，能够有效扑灭锂离子电池明火和持续降温抑制复燃，但全氟己酮在长期存储过程中会释放出一些氢氟酸，对接触金属造成腐蚀。
（3）在标准政策方面，针对预制舱式锂离子电池储能系统消防规范，目前尚无正式的国家标准，所采用的参考固定建筑物式消防建设规范，对锂离子电池储能系统适应性不强。
因此，锂离子电池储能系统消防装备的大规模应用目前仍面临新型材料的开发和成本的优化，以及政策标准的积极推动的问题。
