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锂离子电池储能电站早期预警系统研究

作者:王春力 李明明等 来源:储能科学与技术 发布时间:2020-09-06 浏览:
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摘 要: 研究锂离子电池储能电站消防预警技术对于储能系统的安全运行具有重要意义。本文通过对电池热失控及热扩散特征识别展开讨论,由于锂离子电池发生热失控时会伴随着可燃气体缓慢释放,如果能够提取电池热失控早期气体参数并对其进行研究分析,可以在此基础上建立电池系统的热失控预警机制。本文采用加热方式和过充方式诱发电池热失控气体提取试验,通过采气试验进行气体成分含量分析,确定了将一氧化碳和温度作为典型的侦测依据来实现锂电池热失控的早期预警。并将这种电池热失控早期预警判断应用到了储能电站消防预警系统中,同时结合多级预警及防护机制和安全联动策略做了深入研究,确定了锂离子电池储能电站消防预警系统的设计架构,从系统部件、联动通信、人员安全3个方面对系统设计做了简要说明,在保证快速有效的检测出电池热失控状态的同时快速联动消防设施,极大提高了储能系统运行的可靠性。

关键词: 锂离子电池;热失控;储能;消防;预警

近年来,各种电化学储能项目如雨后春笋一般涌现,遍布在用户侧、电网侧、发电侧、新能源并网及微电网等各个领域。国内外近期发生多起锂离子电池储能电站火灾事故,2018年7月2日,韩国一风力发电园区内ESS储能设备发生重大火灾事故,造成706m2规模电池建筑和3500块以上锂电池全部烧毁,可见火灾事故一旦发生就会造成严重后果,此时对锂离子电池热事故特征参数进行识别、热失控早期预警、安全联动和消防防护显得尤为重要。

锂离子电池储能电站的安全问题是需要警钟长鸣的重大课题。随着锂离子电池新材料的研发、电池制作技术的创新以及众多科研机构和企业的参与,锂离子电池的性能正日益提高,单体安全性能也得到极大提高。但由于大规模储能系统单体电池容量更大,电池簇单体数量更多,电池簇并联数量更大,电池堆电流更大,电池簇充放电深度更深,电池簇运行一致性和寿命要求更为严格,在使用过程中极易出现局部热失控现象,存在巨大的安全隐患。

本文针对锂离子电池热失控特征参数识别、复合型热失控火灾探测器、多级预警机制和安全联动策略做了研究,在此基础上对储能电站消防预警系统进行架构设计。

1 热失控特征识别

1.1 热失控及热扩散特征识别

电池热失控及热扩散特征识别是开展锂离子储能电站消防预警系统研究的基础。国内外一些团队对热失控及热扩展早期形成识别方法进行了研究,主要包括以下几种方法:① 通过BMS获取的电池表体温度、电压、电流和放电倍率参数作为判别条件的研究;② 基于电池模组的压力应变的检测方法;③ 基于内阻变化的热失控探测研究;④ 电池过充和加热导致热失控试验,采集气体,并用色谱分析法进行气体成分及含量的分析来判别热失控的预警方法。

1.2 基于气体特征量的识别

锂离子电池因其自身和外部条件导致热失控并最终燃烧的整个过程,都伴随着可燃气体缓慢释放、泄压、电解液和反应气体释放、快速分解产生烟雾、高热至火焰的产生。电池系统一般处于稳态的电池包环境,相对正常稳态环境,其采集的上述数据呈现稳态变化特性,而一旦热失控产生,势必引起气象、烟雾、温度和光敏传感器的数据异常变化。依据热失控产生的背景参考图如图1所示。电池火灾发生的以上物理量如图2所示。

图1   热失控产生背景

图2   电池火灾探测过程

关键问题在于如何提取电池热失控早期气体参数,并建立电池系统的热失控预警机制。该参数能够明确表征热失控隐患,并不会因为动力电池系统本身的工作环境而引发错误信号。如图2所示,气体探测可以进行早期预警,重点为如何选取气体探测器,并进行可行性和适用性研究。

1.2.1 热失控气体提取试验

1.2.1.1 加热方式诱发热失控气体成分提取试验

(1)试验方案准备IP67的热失控气体采集箱(带两个球阀、一个压力表),用两个300W加热片对120 A·h磷酸铁锂电池进行加热,在进行加热试验时,需要使用夹具将锂电池和加热片夹紧,防止电池在加热的过程中由于电池壳体膨胀变形导致加热片与电池壳体不能紧密连接,加热片的热量不能充分传递至电池,不能触发电池热失控,导致试验失败;在加热片与电池的接触面及电池背面部署温度探测器;在实验箱顶部部署动力电池热失控探测装置,并使用监控软件实时监测探测控制器的气体、烟雾和温度数据,并对工程数据进行存储;电池放入采集箱,电池加热相关准备工作完成后,关闭采集箱门,锁死箱门,关闭两个球阀;部署摄像机,对整个试验过程进行录制,加热过程中,温度数据、控制器的传感器数据及录像时间需要校时;开始加热电池工作,待检测到电池防爆阀打开后,关闭加热电源;打开球阀,开启取样泵,把取样泵的气体排放至安全区域,工作两分钟;把采气袋接到采样泵排气管上,打开采气袋阀门,开始取气;取气结束后,先关闭采样泵,再关闭采气袋阀门,最后关闭箱体上球阀。热失控气体采集箱整体布置见图3。

图3   热失控气体采集箱整体布置图

(2)试验判定本次试验中,电池材料受到加热片加热,产生气体,复合气体传感器采集的气体浓度呈平滑增长状态;锂电池的泄压阀在爆开后,复合气体传感器探测到的气体浓度呈明显上升状态,参考图4。由此可以确认,可以使用某类气体作为锂电池热失控早期预警的判断依据,该类气体满足以下条件:① 非空气主要的构成气体;② 有相应气体传感器对其进行定量检测;③ 电池防爆阀在打开前、后,该类气体浓度有明显对比。

图4   复合传感器综合探测数据趋势图

结合探测数据的图表可以看出,锂电池在防爆阀打开后并且热失控发生前,产生大量的气体和烟雾,并迅速超出了复合气体传感器的测量量程(体积分数)1000×10-6,具体数值参考表1。

表1   复合传感器综合探测数据表

(3)试验结论本次试验采集气样委托化学工业气体质量监督检验中心做了气体成分含量分析。气体采样结果见表2。

表2   气体采样分析结果

注: 数据为体积分数。

1.2.1.2 过充方式诱发热失控气体成分提取试验

(1)试验方案用恒流充电设备对120 A·h磷酸铁锂电池充电,电池箱内锂电池芯组因过充导致表面温升热,鼓包,从电池表体温度60~100 ℃每间隔10 ℃采集气体样袋,期间实时监测CO浓度。

(2)试验过程当电池表面温度达到58.7 ℃时,电池箱内置传感器的气敏传感器检测出CO气体并且浓度开始逐渐上升,通过观察窗可以看到电池发生了轻微鼓包,此时电池表面温度为58.7 ℃,一氧化碳浓度为(体积分数)20×10-6。试验布置图如图5所示。

图5   过充方式诱发热失控气体成分提取试验布置图

经过5次气体采集,停止过充实验,采集到电池从温升初期到热失控5个阶段的气体样品,并详细记录了电池表面的温升状态和形变状态。

(3)试验数据分析结果本次试验采集气样委托化学工业气体质量监督检验中心做了气体成分含量分析。气体采样结果见表3。

表3   气体采样分析结果注: 数据为体积分数。

1.2.2 试验结论

两次试验采集气样均委托化学工业气体质量监督检验中心做了气体成分含量分析,通过采气试验进行气体分析的结果及气体选择条件,可以确认一氧化碳作为典型的侦测依据来实现锂电池热失控的早期预警。从表2-3中看出二氧化碳、氮气、氧气属于大气构成气体而且5个气体样品数值变化量极小,不具备参考价值。相比于烯类气体,针对CO的传感器的应用具有技术应用成熟、寿命长的特点,适用于锂离子电池的早期预警使用。

一氧化碳和温度数据的复合型判别,可以有效地提高锂离子电池热失控预警识别的有效性,避免单一数据判别导致的误报和漏报情况。

2 锂离子电池储能电站消防预警系统研究

2.1 储能电站消防预警系统应用现状

目前储能电站中单预置舱系统火灾探测及消防报警设计参照GB 50116《火灾自动报警系统设计规范》,配置使用典型感温和典型感烟探测器,消防预警系统采用独立的通讯方式,在本地集中控制,图6是一个典型40英尺(1英尺=0.3048 m)预置舱储能电站火灾探测报警系统设计。

图6   典型40英尺预置舱储能电站火灾探测报警系统

这种方式参考建筑类应用的火灾自动报警系统的设计方案,在储能电站安全消防预警系统的适用方面,存在两点重要的缺陷:① 典型感烟和典型感温火灾探测器不适用于锂离子电池热失控早期预警,探测预警一定是火灾已经从电池包蔓延到储能舱后的结果,属于锂离子电池热扩散事故发生后的报警。② 独立的系统通讯机制,缺少与BMS或EMS智慧联动的安全管理策略。

2.2 锂离子电池储能电站消防预警系统应用设计

2.2.1 多级预警及防护

多级预警是指从电池包内部、电池簇(封闭式电池簇)和电池舱空间进行分区探测预警的方式,目的是在电池单体发生热失控时得以快速识别。

电池单体发生电解液泄漏、热失控早期是储能电站消防预警的重要标志特征。只有在电池包内才可以有效的实现早预测电池异常状态,提高热失控预测预警的准确性与可靠性。

锂离子电池的电解液泄漏,可能导致高压安全、绝缘失效,间接造成电击、起火等危险。而单体电池发生热失控时,电池包内部的探测器可以安装在热扩散未形成联动的灭火系统,对于磷酸铁锂电池来说初期单体火灾很容易做到扑灭或早期的抑制,在电池包中安装使用探测控制器对锂离子储能电站来说显得尤为重要。

为提高消防预警准确性,储能电站的消防系统需要实行分级预警机制,采用多级消防处理控制,降低储能系统大范围的起火风险,可有效保障储能系统的安全。

图7是一个40英尺预置锂离子储能电站的多级预警及防护的现场应用方案,对56个电池包和7个电池簇箱进行了探测预警及管道式灭火装置安全防护,该方案已经实施并投入运行。

图7   40英尺预置锂离子储能站多级预警及防护应用方案

2.2.2 多级安全联动策略

储能电站消防预警系统中的消防预警主机是消防联动控制设备的核心组件。它通过接收电池热失控探测器发出的热失控报警信号,按照预设逻辑实现联动控制,它可以直接发出控制信号(用于电池包内置式灭火装置的启动),控制逻辑复杂,可以通过电动装置间接发出控制信号。

本系统中的储能电站消防预警系统的联动控制策略主要基于两方面,一是如何快速有效地检测出电池的热事故隐患和热失控状态;二是在出现热失控的状态下如何快速启动消防设施,实现有效灭火。针对大规模储能电池结构复杂、规模大等特点,结合储能站内消防、动环等系统的运行特点,采用分层管理的系统整体结构,实现消防系统、电池管理系统、动环系统等的深度融合,实现多系统联动设计,确保储能系统的安全。

结合大规模储能电池系统的设计运行管理、 故障诊断和警告保护等安全设计,同时考虑异常 情况下电池热失控处理策略,消防预警系统与 BMS协调联动在热失控状态下切断电池的运行状态及启动消防系统。多级安全联动策略示意图,如图8所示。

图8   多级安全联动策略示意图

2.3 储能电站消防预警系统架构设计研究

基于上述研究基础,储能电站消防预警系统与BMS系统信息一体化、协同监控。依据GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》、GB 16806—2006《消防联动控制系统》等消防标准,同时结合电化学储能电站的实际需求,初步设计了储能电站消防预警系统的应用方案。

消防系统由热失控探测器、消防控制主机、紧急启停开关、声光报警器、灭火装置等部件组成。

储能电站消防预警系统架构设计如图9所示。

图9   储能电站消防预警系统架构设计

2.3.1 储能电站消防预警系统部件

(1) 消防控制主机

内置UPS不间断电源,保证站内断电情况下,持续工作时间不小于2小时),由消防主机提供并管理系统内所有设备的电源,实时显示站内探测器采集数据与火灾报警信号历史数据查询,并导出报表,负责消防系统的联动控制。至少提供以太网、CAN、RS485、干接点4类通信接口,满足常用的组网通信方式。

(2) 锂电池热失控探测器

探测器对CO、烟雾、温度等参量变化情况,对锂电池热失控及火灾做出综合判断,一体化设计。

(3) 外部报警装置

储能站内部安装站内声光报警器,储能站外部安装站外声光报警器与气体喷洒指示灯,在系统火灾报警与灭火器启动时,能及时警示工作人员。

(4) 用户操作开关

包括紧急启动、紧急停止、自动与手动状态切换,一体化设计。

(5) 后台主站系统

能够展示消防预警系统的采集数据与报警数据及驱动声光报警器,能把火灾报警信息醒目提示给监控人员。

2.3.2 消防预警系统联动通信设计

通信线路包括以下内容。

(1)消防预警系统必须有通信线与站内储能电站电池管理系统(BMS)通信联动,应在火灾状态等极限情况下可靠通信。

(2)消防预警系统采集数据、报警数据可直接接入后台系统或由储能电站电池管理系统转发至后台系统。

(3)站内空调可由消防预警系统或储能电站电池管理系统控制直接控制,在空间灭火装置启动前,关闭叶扇,达到更好的灭火效果。

通信内容包括如下。

(1)主机信息:UPS后备电源的充电、满电、欠压等信息;用户操作开关信息。

(2)防护区信息:正常与报警信息、灭火器启动、已使用等信息;各路干接点控制信息。

(3)故障信息:部件供电故障、通信故障等信息。

2.3.3 消防预警系统为检修人员的安全考虑

(1) 手动自动模式

系统分为手动模式与自动模式。自动模式下,系统可主动启动灭火装置;手动模式下,灭火装置由人员手动启动。人员进站检修应将系统置于手动模式,离站时置于自动模式。

(2) 灭火装置延时启动模式

灭火装置启动前,应有延时功能,保证人员安全撤离,延时时间可根据现场情况调整。

3 结 语

随着锂离子电池储能电站的规模化应用,如何保证储能电站的消防安全成为其发展的第一要务。本文在电池热失控及热扩散识别特征参数分析基础上,提出了适用于锂离子电池储能电站火灾早期预警的复合型热失控火灾探测器,并在站内进行多级预警和防护设计,与站内监控系统等进行联动控制,在保证快速有效地检测出电池热失控状态的同时快速联动消防设施,实现有效安全防护,极大提高了储能系统运行的可靠性。

然而,目前国内针对电化学储能电站消防方面的规范标准要求较低,且不能满足现场需求,工程中应用的火灾预警系统为建筑物中使用的探测预警装置,配置的灭火剂和灭火措施的有效性均未得到验证,后续需要针对锂离子电池储能电站的火灾早期预警及消防安全进行系统及深入的研究。

第一作者:王春力(1983—),女,硕士,工程师,主要从事动力电池热失控安全技术研究,E-mail:wangchunli@chungway.com;

通讯作者:李明明,工程师,主要从事电化学储能安全防护技术研究,E-mail:limingming@chungway.com。

引用本文:王春力, 贡丽妙, 亢平, 谭业超, 李明明. 锂离子电池储能电站早期预警系统研究[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(6): 1152-1158.

WANG Chunli, GONG Limiao, KANG Ping, TAN Yechao, LI Mingming. Research on early warning system of lithium ion battery energy storage power station[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(6): 1152-1158.

关键字:锂电池 储能电站

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