儲能電池熱失控的有效預防措施研究

文玉良　嚴若紅　戴智特　鄒華春　冷明全

摘要：通過對動力電池和儲能電池之間的熱設計差異進行逐一分析，得出了針對動力電池及儲能電池內部不同的散熱結構應當采取差異化的預防措施。參照我國近期發(fā)生的幾起儲能電池熱失控事故的具體成因，結合新能源汽車的防火設計理念，提出了動力電池采用分級阻燃的防火措施，并提出了將氣凝膠阻燃材料與細水霧固定消防設施有機結合的設計思路，以期最大限度降低儲能電站內部的實際火災風險。

關鍵詞：儲能電池；動力電池；熱失控；氣凝膠；細水霧

中圖分類號：X9? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）11-0053-04

當前，大力推動新能源的廣泛使用是我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的有效手段。以風電和太陽能為代表的新能源發(fā)電由于具有不同程度的間歇性、波動性，給電網(wǎng)實際運行過程中的穩(wěn)定性造成了嚴重的影響。電池儲能技術具備快速的雙向靈活調節(jié)能力，能夠有效平抑風力發(fā)電的功率波動，及時解決新能源發(fā)電的并網(wǎng)問題[1]。因此大力推廣電池儲能可以有效推動新能源發(fā)電的并網(wǎng)，目前國際國內也在大力推廣電池儲能。根據(jù)我國相關機構對于電池儲能的相關統(tǒng)計，截至2020年底，全球電池儲能以鋰電池為主的裝機規(guī)模累計達到14.2GW，而我國的裝機規(guī)模總量累計3.27GW，預計到2025年，我國電池儲能裝機規(guī)模將超過24 GW[2-3]。

近年來隨著電池儲能的快速發(fā)展，世界各國電池儲能電站內部發(fā)生的各類安全事故逐漸呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢。僅2017—2019年期間，韓國300多個儲能電站中各類安全事故已接近30起[4-5]。2021年4月16日，北京市豐臺區(qū)一儲能電站發(fā)生火災，處置過程中共造成2名消防員犧牲、1名消防員受傷以及1名電站員工失聯(lián)[6]。由于鋰電池火災發(fā)生后，處置難度大、作業(yè)時間長且處置過程中通常伴隨有大量有毒氣體產(chǎn)生，因此，儲能電池安全事故逐漸引起了各國人民的廣泛關注。

相比于儲能電池，新能源電動汽車對于熱失控的被動防范要嚴格得多。新能源電動汽車內部的車載電池更多采用隔熱材料分級阻燃來有效延緩或阻斷單體電芯的熱失控現(xiàn)象。因此，有學者建議，面對儲能電廠的安全事故，參考新能源電動汽車采用阻燃隔熱材料分級阻燃來降低消防損失。王莉等人提議運用阻燃材料降低儲能電站的火災風險和火災范圍[7]。高飛等利用阻燃材料防止鋰離子電池組熱失控[8]。這些文獻預示著隔熱材料在儲能電池中的發(fā)展。儲能電站中，消防是最后一道防線，水是最為廉價和有效的消防措施。蔡興初等依據(jù)儲能電站電池艙設備布置的特點，進行了儲能電站磷酸鐵鋰電池模組細水霧滅火試驗[9]。本文參考了電動汽車的消防設計方案，分析了動力電池中采用的阻燃材料和消防設計思路，提出在儲能電站采用阻燃材料與細水霧自動滅火系統(tǒng)方案，分級阻燃來降低儲能電站的火災風險和火災范圍。阻燃隔熱材料能起到隔絕氧氣保護未著火的電池，細水霧降低表面隔熱材料表面溫度，有效防止熱量迅速傳播的作用，阻止著火電池簇火勢蔓延到其他電池簇，在發(fā)生火災時保證結構的穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大面積燒毀同時也為人員逃生爭取更多時間。

1 電動汽車電池和儲能電池的防熱失控設計

1.1? 電動汽車電池防熱失控設計

電池防熱失控設計是產(chǎn)品的熱設計，也包含了產(chǎn)品的消防設計。電動汽車采用分級阻燃來防止熱失控的設計，如圖1所示。汽車電池一般通過集成電芯構成電池模組到形成電池簇，其中會涉及加熱、隔熱、冷卻設計[10]。電芯設計中采用耐溫阻燃設計，包括正極材料、負極材料、電解液等材料的耐溫阻燃性設計。在形成電池模組中，電芯間采用了阻燃隔熱墊，同時成組后采用了空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻等各種冷卻方式。在電池簇間一般采用阻燃設計，以便一簇電池著火時其他簇電池還能正常工作，也方便及時撲滅或隔離著火電池簇。汽車電池本身與車身其他部件都有阻燃隔熱的功能，這樣即使某個電池著火，也不至于引燃其他部件，可以給逃生留下時間。GB18384—2020《電動汽車安全要求》要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5 min內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。

1.2? 儲能電池防熱失控設計

儲能電站的電池主要用于調峰調頻、平抑新能源發(fā)電波動、作為應急電源和提高供電可靠性等。一般為靜止放置，所以其電池不像新能源汽車那樣具有碰撞的危險。儲能電池芯與新能源汽車電池芯基本相似，但是二者成模組和成簇的設計理念不同，儲能電池成組的防止熱失控設計原理如圖2所示。儲能電池在電池模組和電池成簇方面追求的是循環(huán)充電次數(shù)，因此著眼于散熱設計，隔熱設計較少，這是其與新能源汽車動力電池的根本區(qū)別。儲能電池通常通過電池熱設計和研究火災早期特性來控制電池熱失控蔓延，即將熱失控控制在萌芽或早期狀態(tài)。從目前已經(jīng)發(fā)生事故的儲能電站資料顯示，儲能電池防止熱失控的事故量較大，如若處理不好，影響甚大[11]。

1.3? 防止電池熱失控的消防研究

根據(jù)圖1和圖2電動汽車電池和儲能電池的防止熱失控設計原理來看，二者防止熱失控的最后一道防線是消防預警設計。

在電動汽車電池中，阻燃隔熱材料起著抑制或延緩火勢蔓延的作用。新能源汽車動力電池包失效導致起火時，通過在電芯間增加隔熱材料，可延緩電芯之間的熱失控。GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》明確了5min預警時間，即要求電池熱失控后5min內不起火不爆炸，并要求將溫度事故報警信號提供給駕乘人員，在儲能電池中，目前還沒有具體的儲能電站要求的預警時間。

儲能電站中對消防響應時間目前還沒有自己的標準，通常參考其他消防標準。根據(jù)GB50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》規(guī)定，部分消防系統(tǒng)的響應時間[12]如表1所示。根據(jù)國家標準，水噴霧滅火系統(tǒng)響應時間不應大于60s，液化烴或類似液體儲罐、甲、乙類液體及可燃氣體生產(chǎn)、輸送、裝卸設施的防護冷卻響應時間不應大于120s，甲、乙、丙類液體儲罐防護冷卻系統(tǒng)響應時間不應大于300s。這意味著，300s內消防人員無法到達現(xiàn)場，只能依靠自身或自動滅火裝置。

儲能電站標準 GB51048《電化學儲能電站設計規(guī)范》借鑒《火力發(fā)電廠與變電站設計防火規(guī)范》《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》等行業(yè)標準，即將鋰電池安放位置與其他設備間單獨隔離分開，并設有專門的煙感、溫感、光感等探測器，并且可以根據(jù)不同鋰電池的特性，有針對性地增設相應氣體探測器[9]。從上述標準來看，儲能電站的標準只是滿足消防響應時間，沒有對不起火不爆炸的熱失控后的時間做出明確規(guī)定，沒有明確人員逃生時間。

2 防止電池熱失控的隔熱材料

2.1? 氣凝膠隔熱材料

新能源電動汽車電池組一般采用了多種隔熱材料，常規(guī)有泡棉、隔熱棉和氣凝膠等。目前國內的電動汽車動力電池組一般采用氣凝膠，主要有預氧絲氣凝膠氈、陶瓷纖維氣凝膠氈、玻璃纖維氣凝膠氈等[13]。

圖3為氣凝膠阻燃實驗照片。將樣品固定，豎直放置，用丁烷噴槍朝樣品中心位置800℃持續(xù)灼燒至燒穿。實驗表明，0.7mm厚度氣凝膠隔熱墊滿足800℃高溫火焰沖擊5min內不被燒穿，可以滿足電動汽車國家標準要求的5min預警時間，便于人員逃生機會。由于目前氣凝膠成本較高，雖然作為隔熱材料在汽車電池中可以使用，但是在以梯次電價生存的儲能電池組中較難推廣，目前還沒有儲能電池用到氣凝膠隔熱墊。

2.2? 隔熱材料在儲能電站中的應用

電池艙細水霧滅火系統(tǒng)對于電池倉起著很好的消防保護作用。蔡興初[9]等介紹了電池艙細水霧滅火系統(tǒng)（布置示意圖如圖4所示），并在儲能站設１套局部應用方式的開式細水霧滅火系統(tǒng)，以每座電池艙為一個防護區(qū)，配１套泵組，進行了滅火試驗。

本文根據(jù)上述布置采用隔熱棉氈輔助細水霧實行分級消防設計，在每一個電池模組上方裝有隔熱棉氈釋放設備，如圖5所示。隔熱棉氈主要采用氣凝膠或其他隔熱材料，外用防火布包覆。分級消防設計分為：常規(guī)模式、預警模式、應急模式和消防模式等四個層級。此方案可以通過實驗來確定各個模式的大致時間，從預警模式到消防模式可以超過電動汽車的人員逃生時間5min。

常規(guī)模式，隔熱棉氈置于電池簇上方處于備用狀態(tài)，這樣有利于電池簇散熱。

預警模式，當電池管理系統(tǒng)（BMS）根據(jù)電池模組的故障數(shù)據(jù)，判定為熱失控，首先釋放出隔熱棉氈，隔熱棉氈將對電池模組進行保護，并啟動預警裝置，觀察隔熱棉氈表面溫度變化，便于檢查事故狀況，同時，啟動細水霧滅火系統(tǒng)處于待發(fā)狀態(tài)。

應急模式，當失控電池簇的隔熱棉表面溫度逐步上升，超過100℃，處于應急狀態(tài)，釋放其他電池簇的隔熱棉氈，開啟該失控電池簇的細水霧滅火系統(tǒng)噴灑細水霧，使得失控電池簇隔熱面表面溫度不高于100℃。

消防模式，如果失控電池簇的隔熱棉氈受到破壞，為防止燃燒蔓延到其他電池模組，開啟消防模式，全面噴射細水霧，使得倉內溫度不高于100℃，這樣即使出了消防事故其他電池模組也不會損壞，也可以保障儲能電站的預警時間。

3 結語

本文分析了動力電池和儲能電池的防止電池熱失控設計機理，進行了防止電池熱失控的消防研究，研究表明，動力電池熱標準中要求在電池熱失控后5min內不起火不爆炸，在儲能電池中沒有明確要求。為了促進儲能電池的健康發(fā)展，本文借鑒電動汽車電池設計的思路，提出了動力電池采用分級阻燃的防火措施，并提出了將氣凝膠等阻燃材料與細水霧固定消防設施有機結合的設計思路，以期最大限度降低儲能電站內部的實際火災風險。

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Study on effective preventive measures

against thermal runaway of energy storage battery

Wen Yuliang Yan Ruohong Dai Zhite Zou Huachun Leng Mingquan

（1.Dongguan Guixiang Insulation Material Co.， Ltd，Guangdong Dongguan 523878；2.Dongguan Fire and Rescue Brigade Wangniudun Detachment，Guangdong Dongguan 523200）

Abstract：By analyzing the differences in thermal design between power battery and energy storage battery one by one， it is concluded that differentiated preventive measures should be taken for different heat dissipation structures in power battery and energy storage battery. Referring to the specific causes of several thermal runaway accidents of energy storage batteries in recent years in China， combined with the fire prevention design concept of new energy vehicles， the fire prevention measures of graded flame retardancy for power batteries are proposed， and the design idea of organically combining aerogel flame retardant materials with water mist fixed fire protection facilities is proposed， in order to minimize the actual fire risk inside the energy storage power station.

Keywords：energy storage battery; Power battery; Thermal runaway; Aerogel; Water mist