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广 东 化 工 2023 年 第 16 期 58 第 50 卷 总第 498 期 锂电池化学储能电站消防安全浅析锂电池化学储能电站消防安全浅析 朱秀锦1，王秀利2*，陈卓新2(1绍兴滨海新区消防救援大队，浙江 绍兴 312000；2卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司 技术中心，浙江 绍兴 312000)摘 要锂离子电池存在发生热失控、燃爆事故的隐患，是储能应用中需要重点关注的问题。本文介绍了锂离子电池储能系统现有技术的相关标准现状、储能系统组成、热失控行为及热失控火灾特点；分析了锂离子电池消防安全所使用的灭火剂类型及其发展，着重介绍了适合锂电池储能系统的灭火技术。结合物联网技术、智慧云平台，提出了早期干预，采用多级立体灭火技术方案。随着消防事业的发展，相信在将来会有更优的消防灭火技术应用在化学储能行业，为新能源的规模应用提供安全保障，为可再生能源发展保驾护航。关键词锂离子电池；储能电站；消防安全；灭火剂；多级灭火 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)16-0058-04 Fire Safety Analysis of the Lithium Battery Chemical Energy Storage Power Station Zhu Xiujin1,Wang Xiuli2*,Chen Zhuoxin2(1.Shaoxing Binhai New District Fire and Rescue Brigade,Shaoxing 312000；2.Technical Center Wolong Electric Group Zhejiang Dengta Power Source Co.,Ltd.,Shaoxing 312000,China)Abstract:Lithium-ion batteries have the potential danger of thermal runaway and explosion accidents,which are a key issue in energy storage applications.This paper introduces the current status of relevant standards of lithium-ion battery energy storage system technology,the energy storage system composition,the thermal runaway behavior,and the thermal runaway fire characteristics.And analyzes the lithium-ion batteries used in fire safety fire extinguishing agent type and its development,introduces the fire extinguishing technique suitable for lithium battery energy storage system.Combined with Internet of Things technology,wisdom,and cloud platform,puts forward the early intervention,using multi-level three-dimensional fire extinguishing technology solutions.With the development of the fire fighting industry,it is believed that there will be better fire fighting technology applied in the chemical energy storage industry in the future,providing security guarantee for the large-scale application of the new energy and escorting the development of the renewable energy.Keywords:lithium ion battery；energy storage power station；fire safety；fire extinguishing agent；multi-stage fire suppression “碳中和，碳达峰”主基调，新能源技术大力发展，风能、光伏、氢能等广泛应用，蓄能的锂电技术得到长足发展，促使锂离子电池应用得到全面突破。电化学储能是“双碳”能源改革中重要的一环，同时储能电站事故也是消防救援队伍面临的一类新挑战。随着电化学电池的大规模应用，我国的电池安全事故也不断出现。投资建设的狂热在某种程度上掩盖了对安全的忧虑，安全性是储能电池技术评价的第一要素，经济效益要排在第二位。电池组就像汽油箱一样，是一种含高能物质的部件，没有绝对安全的电池。电池本质上是具有危险性的，发生事故危险性增大虽然是一个概率的问题，但是危险性是无法完全消除的，只能采取措施来降低电池发生事故的概率。因此，要将使用电池作为使用易燃易爆物品一样对待。国际上对锂离子储能系统从各个层级均进行了规划，并制定了相应的要求。储能系统的安全关键在于电化学储能电池高度密集和易燃易爆，其中，电池的电压、电容量、电极材料等多种因素都潜藏着火灾和爆炸的风险。传统消防技术对蓄电池火灾一筹莫展。已经反复发生火灾的储能系统基本应用传统灭火技术，由于消防领域对电池火灾特性不甚了解，错误的消防设计与老旧的灭火技术造成的储能火灾频发使消防保护设备形同虚设。近年来，国内外发生多起储能电站火灾爆燃安全事故，2017 年 3月 7 日，山西某火力发电厂储能站的储能系统辅助机组 AGC调频项目发生火灾，共烧毁电池储能单元一个、储能锂电池包416 个、电池管理系统包 26 个及相关设施若干，致使储能项目停运 30 天。2018 年 7 月 2 日，韩国灵岩风电场储能站 4 MW/12 MWh 锂离子电池储能电站起火爆炸，708 m2建筑、3500多个电池及配套设施均被烧毁，据初步推算这次事故造成经济损失达到 46 亿韩元。2021 年 4 月份在北京丰台储能电站发生事故，在消防处置过程中，其他区域又爆炸，造成消防员牺牲、受伤，电站员工失联。锂离子电池存在发生热失控、燃爆事故的隐患，是储能应用中需要重点关注的问题。储能安全近年来成为关注的重点。图图 1 山西某储能站爆炸现场山西某储能站爆炸现场 Fig.1 The site of an explosion at an energy storage station in Shanxi Province 图图 2 韩国灵岩石风电场储能站燃烧现场韩国灵岩石风电场储能站燃烧现场 Fig.2 Burning site of the energy storage station in Yeongrock Wind Farm,South Korea 收稿日期 2023-05-26 作者简介 朱秀锦(1986-)，男，浙江杭州人，初级专业技术职务，学士，主要研究方向为电化学储能领域消防安全。*为通讯作者。2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 59 1 储能系统组成及热失控特点储能系统组成及热失控特点 化学储能系统主要由电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能变流器(PCS)、热管理系统等以及其他电气设备构成。系统由单体电芯到电池模组 PACK，再到电池簇最后组装成储能系统。电池组是储能系统最主要的构成部分，负责能量存储；电池管理系统主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等；能量管理系统负责数据采集、网络监控和能量调度等；借助储能变流器，调控储能电池的充电过程和放电过程，通过控制策略使储能电池组进行充电或放电运行，实现电能交、直流的转换。图图 3 储能系统组成储能系统组成 Fig.3 The energy storage system composition 图图 4 集装箱储能系统俯视图集装箱储能系统俯视图 Fig.4 Top view of the container energy storage system 锂离子电池发生热失控，各种事故调查显示，可能的起火原因包括：电池管理系统(BMS)接触器(Switchgear)损坏，导致电流器件控制失效后直接起火进而引起电池起火；外部短路，包括电缆线局部接触电阻过高导致的母排脱离误操作等；电池自身起火，包括内部短路(制造瑕疵)，充放管理(外部控制)等；通过对锂离子电池火灾机理进行了大量分析研究4-5发现“热失控”是导致锂离子电池安全隐患的根本原因。采用外部加热的方式触发电芯热失控表现为三个阶段。第一阶段，电芯持续加热；温度可到 150；此时，如果 BMS 正常，可触发温度告警并保护；BMS 会通知消防系统，但是仅温度单一条件，不会触发灭火系统；如果电芯是内部短路，则即使 BMS 保护，也不能阻止事故发生；如果 BMS 异常，则保护失效；第二阶段，电芯开阀；此时，由于内部气压过高，导致电芯开阀，释放可燃气体，此时，有机会导致起火；灭火系统会探测到烟雾，但是未必能探测到温度，如果 BMS 正常，并报知温度信息，则灭火系统启动；反之，则不会启动；第三阶段，电芯热失控；此时，如果阶段二电芯开阀后，电芯温度仍持续快速攀升，则电芯进入热失控状态，释放更多的热量，有机会触发热失控蔓延；同阶段二，如果出现明火，则灭火系统会启动；但是，此时的风险是灭火速度与热失控蔓延的速度；为降低事故危险等级和经济损失，必须对储能电站火灾预警、抑制、扑救的时机和措施提出较高的要求。电池火灾不单单是电化学能的释放，同时还有强烈的化学能释放。磷酸铁锂电池热失控会产生可燃及有毒气体。热失控产生的气体包括二氧化碳、一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷、乙烷和丙烯等常见的气体同时兼顾次生气体H2。气体具有很强的可燃性及爆炸性。图图 5 锂电池热失控的温度表征锂电池热失控的温度表征 Fig.5 Temperature characterization of the thermal runaway of lithium battery 因此，热失控有如下火灾特点：(1)时间短(3 秒钟内温度能超过 300)；(2)连续性(某一电芯故障迅速扩展为整个电池箱火灾，并可能蔓延整个储能集装箱)；(3)化学反应的过程中，释放大量的氧气、一氧化碳、氢气等可燃气体；(4)超强的复燃能力；(5)强力的可燃气体爆燃火。复杂的火灾特点，使得传统消防灭火技术无法应对此类新型火灾。广 东 化 工 2023 年 第 16 期 60 第 50 卷 总第 498 期 2 标准规范及研究标准规范及研究 目前，各个国家已发布了一系列关于储能电池系统现有技术的相关标准，从标准规范和研究报告方面对储能电站安全方面进行了研究。国际电工组织(IEC)、美国保险商实验室(UL)、DNV-GL 船级社都发布了相应的标准。我国也于 2014 年成立了全国电力储能标准委员会(SAC TC 550)并颁布了 电力储能用锂离子电池(GB/T 36276-2018)、电化学储能系统接入电网技术规定(GB/T 36547-2018)等多项标准，就单体电池和电池模块等提出了安全性能要求。电化学储能电站设计规范(GB51048-2014)规定锂离子电池室的火灾危险性等级为戊类。这些规范大多处于制定和摸索阶段，锂离子电池储能系统技术规范适用性存在不足。国际上针对锂离子储能系统的消防安全进行了大量研究。2015 年，美国消防协会(NFPA)邀请相关机构对储能系统建造环境、安装及消防设施设置等进行了研讨，达成了储能系统建造应有三个阶段，应结合其不同的应用阶段考虑系统的火灾预防和救援；美国工厂联合保险商会(FM)于 2016 年制订了大量存储锂离子电池保护建议发展：喷淋灭火实验的规范，主要针对电池仓储过程中火灾蔓延和扑救情况，指出因系统的复杂性，燃烧特性和扑救均存在一定的差异；2017 年 DNV-GL船级社完成了储能火灾安全的考虑研究报告，给出了储能电池进行灭火测试的主要结论和建议；欧洲铜业协会也完成了用于可再生能源整合的电表后储能系统应用说明 报告，认为有必要开展储能系统针对性的火灾探测设备和灭火设备研究；我国近些年也进行了大量研究，在电池及电池系统的热失控、燃烧特性、爆炸强度和烟雾毒性等方面，针对锂离子储能模块和电池簇的火灾发生发展行为也开始了研究工作。3 适合锂电池储能系统的灭火技术适合锂电池储能系统的灭火技术 应用得较早的是气体灭火系统，存在的问题是在气体灭火完成后，电池还可能存在强烈的放热反应，复燃后会导致火灾再次发生。当前，用于锂离子电池消防安全的技术方法虽然很多，实际效果差异明显，尤其是在抑制电池温度方面差异较大。考虑到电化学储能电站火灾特点，单一灭火剂及方案无法有效在短时间内控制火情。3.1 灭火剂 由于锂离子电池火灾的特殊性，目前还没有确定最佳的灭火剂3。目前在消防安全中所使用的灭火剂主要有三类：气态灭火剂、液态灭火剂和固态灭火剂。灭火剂经历了卤代烷(Halon)灭火技术哈龙 1301 和哈龙 1211 等、氢氟烃(HFC)灭火技术七氟丙烷、六氟丙烷、三氟甲烷等、惰性气体(IG)灭火技术 IG541(混合气体)、IG100(全氮)、CO2(二氧化碳)及全新的氟化酮(FK)灭火技术 FK-5-1-12(全氟己酮)四代发展。第四代的氟化酮(FK)灭火技术采用全氟己酮类灭火剂，相比七氟丙烷(热熔 128 J/mol/K)，更大的热容吸收更多的热量，热容可达到282 J/mol/K。比其它灭火气体具更大的热容意味着可吸收更多的热能，使燃烧温度降至火焰熄灭的热点，更重的高分子气体，可维持更稳定更长的时间，可与可燃气体形成稳定的混合气体，可锁住烟雾、可燃气体和一氧化碳，并抑制或干扰易燃气体的燃烧力。全氟己酮类灭火剂主要灭火机理是通过带走火焰中的热量实现灭火。喷放后形成与空气的结合混合气体，该混合气体具有比纯空气大得多的热熔。更大的热熔意味着该混合气体可吸收更多的热能，有效实现物理、化学及惰性灭火等功能。化学灭火主要是通过捕捉自由基，有效阻止引起火焰扩大化的链式化学反应，从而抑制火势的蔓延恶化；物理灭火中最主要灭火机理，即通过灭火剂分子剧烈的热运动带走大量的热，从而实现冷却的作用。这一很强的吸热能力，使火焰快速丧失热量，也由此中断燃烧的链式反应，进而起到惰化灭火作用。经实践，全氟己酮是目前扑灭锂电池火灾较可行的灭火剂、灭火技术。3.2 探测技术及智慧消防 采用锂离子电池热失控特征气体作为探测预警的方式已经广泛应用于储能电站，复合式火灾探测器、预警传感器安装在锂电池池箱内，通过探测器感知高温、烟雾、碳氢气体、氢气和一氧化碳，并当电池箱内相关信号达到设定值时，探测器把信号传递给控制器。消防探测器仅提供设定值的开关量信号，并在逻辑分析一路信号以上启动灭火系统；而传感器可全天候提供不同感知信号的数字值，可作预警和预作用处理。火灾视频图像探测及红外热成像火焰识别新技术，可见光视频及红外热成像视频火焰图像识别技术，结合火焰的静态特征和动态特征，以及它在可见光图像和红外上成像的特点，利用深度学习模型来识别火焰。其动态火焰特征识别类似动态人脸特征识别，可防止各类非火焰光照的误识别与误报，具有低误报高准确率、探测反应快的特点。图图 6 红外采集终端及探测的图像信息红外采集终端及探测的图像信息 Fig.6 The infrared acquisition terminal and the detection of image information 物联网技术和智慧云信息控制平台与消防系统结合，智慧消防控制技术运用到储能设施的安全保护系统中。智慧消防控制系统早期探测预警，及时处理更重要的是，可以更为迅速及时地向相关人员提供火情警报，将火灾报警和灭火情况发至相关人员或领导的终端监控设备上，及时掌控灾情，尽早进行应对方案，避免处于被动状态导致灾情进一步扩大；通过物联网5G 技术，在火灾未发生前即可提前获知可能放生、可避免或无法避免的状况，增强应急应对的管控能力。通过云平台实现日常设备维护保养、预警信息及应急控制等工作；通过专业的运营维护及安全监控可以保障储能电站的健康高效安全运行。智慧云信息控制平台通过设备监测、数据分析、控制策略三个层面运行监控。设备监测层面，主要通过运维系统对储能系统中的安防、制冷、消防、电池组、储能逆变器、配电柜、EMS等进行实时监控，监测每一个项目甚至每一块电池的运行情况。数据分析层面，主要是通过监测平台收集海量运行数据，最大化地挖掘数据的价值，研究电池性能演变规律，优化系统设计。控制策略层面，根据运行数据分析结果判断是否需要重新标定电池组容量、调整原有控制策略，甚至做出硬件层面的改动等等，保障系统安全运行。储能电站智慧云信息控制平台可通过线上数据分析的结果预判系统状况，指导运营人员做出线下巡检、设备检测、保养、抢修等专业服务，进而实现早期探测预警保障系统安全、消防安全。3.3 灭火措施 为实现早期探测预警发现火情、灭火剂喷洒扑灭火灾、在灭火区域内维持稳定状态，抑制复燃、完美解决电池火灾，气体灭火与超细水雾灭火相结合，利用智慧云信息控制平台与消防系统结合通过在BMS与FAS 之间建立通讯连接，利用 BMS自身信号(来源于电池电芯模组自身)的电压及温度突然变化信息，探测电池火灾的热失控状态，精确定位起火点，联动消防系统及时进行消防灭火。全淹没式气体灭火系统、单簇分布2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 61 深入式气体灭火系统、模组物理自动触发灭火系统，按优先、备用 1、备用 2 方案独立实时运行。模组消防、簇消防、整系统消防，形成立体式多方位消防系统，各系统独立运行并根据需要实时启动。同时使用气体灭火与超细水雾灭火对锂离子电池引发的火灾而言灭火效果更好，其不仅可以在短时间内扑灭明火及降低电池的热度，而且在一定程度上可阻止火灾再次复燃。图图 7 储能电站储能系统模组簇整系统消防设计图储能电站储能系统模组簇整系统消防设计图 Fig.7 Fire control design of the energy storage system module cluster whole system of the energy storage power station 图图 8 储能电站储能系统内部消防实景图储能电站储能系统内部消防实景图 Fig.8 Fire fighting scene inside the energy storage system of the energy storage power station 4 总结总结 锂离子电池储能存在发生热失控、燃爆事故的隐患，是储能应用中需要重点关注的问题。物联网技术和智慧云信息控制平台与消防系统结合，采用先进的探测技术，气体灭火与超细水雾灭火结合，模组消防、簇消防、整系统消防，形成立体式多方位消防系统，对锂离子电池的灭火效果会有更好的表现。采用多级立体灭火，实现及早期干预，防患于未然，灾情最小化。消防事业的发展，相信在将来会更优的消防灭火技术应用在化学储能行业，为新能源的“双碳”能源改革添砖加瓦。参考文献参考文献 1胡信国，等动力电池技术与应用(第二版)化学工业出版社，2013：2郭炳焜，徐徽，王先友，等 锂离子电池 中南大学出版社，2002：146-147 3RAO H，HUANG Z X，ZHANG H，et al Study of fire tests and fire safety measures on lithiumion battery used on shipsCInternational Conference on Transportation Information and Safety(ICTIS)June 25-28，2015，Wuhan，China IEEE，2015：865-870 4JIANG F W，LIUK，WANG Z R，et alTheoretical analysis of lithiumion battery failure characteristics under different states of chargeJFire&Materials，2018，42(6)：680-686 5黄沛丰 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