文玉良　嚴(yán)若紅　戴智特　鄒華春　冷明全

摘要：通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池之間的熱設(shè)計(jì)差異進(jìn)行逐一分析，得出了針對(duì)動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池內(nèi)部不同的散熱結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)采取差異化的預(yù)防措施。參照我國(guó)近期發(fā)生的幾起儲(chǔ)能電池?zé)崾Э厥鹿实木唧w成因，結(jié)合新能源汽車的防火設(shè)計(jì)理念，提出了動(dòng)力電池采用分級(jí)阻燃的防火措施，并提出了將氣凝膠阻燃材料與細(xì)水霧固定消防設(shè)施有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，以期最大限度降低儲(chǔ)能電站內(nèi)部的實(shí)際火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電池；動(dòng)力電池；熱失控；氣凝膠；細(xì)水霧

中圖分類號(hào)：X9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）11-0053-04

當(dāng)前，大力推動(dòng)新能源的廣泛使用是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有效手段。以風(fēng)電和太陽(yáng)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(dòng)性，給電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重的影響。電池儲(chǔ)能技術(shù)具備快速的雙向靈活調(diào)節(jié)能力，能夠有效平抑風(fēng)力發(fā)電的功率波動(dòng)，及時(shí)解決新能源發(fā)電的并網(wǎng)問(wèn)題[1]。因此大力推廣電池儲(chǔ)能可以有效推動(dòng)新能源發(fā)電的并網(wǎng)，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)也在大力推廣電池儲(chǔ)能。根據(jù)我國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)于電池儲(chǔ)能的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全球電池儲(chǔ)能以鋰電池為主的裝機(jī)規(guī)模累計(jì)達(dá)到14.2GW，而我國(guó)的裝機(jī)規(guī)?？偭坷塾?jì)3.27GW，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)電池儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將超過(guò)24 GW[2-3]。

近年來(lái)隨著電池儲(chǔ)能的快速發(fā)展，世界各國(guó)電池儲(chǔ)能電站內(nèi)部發(fā)生的各類安全事故逐漸呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢(shì)。僅2017—2019年期間，韓國(guó)300多個(gè)儲(chǔ)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(tái)區(qū)一儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，處置過(guò)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(zāi)發(fā)生后，處置難度大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)且處置過(guò)程中通常伴隨有大量有毒氣體產(chǎn)生，因此，儲(chǔ)能電池安全事故逐漸引起了各國(guó)人民的廣泛關(guān)注。

相比于儲(chǔ)能電池，新能源電動(dòng)汽車對(duì)于熱失控的被動(dòng)防范要嚴(yán)格得多。新能源電動(dòng)汽車內(nèi)部的車載電池更多采用隔熱材料分級(jí)阻燃來(lái)有效延緩或阻斷單體電芯的熱失控現(xiàn)象。因此，有學(xué)者建議，面對(duì)儲(chǔ)能電廠的安全事故，參考新能源電動(dòng)汽車采用阻燃隔熱材料分級(jí)阻燃來(lái)降低消防損失。王莉等人提議運(yùn)用阻燃材料降低儲(chǔ)能電站的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)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(xiàn)預(yù)示著隔熱材料在儲(chǔ)能電池中的發(fā)展。儲(chǔ)能電站中，消防是最后一道防線，水是最為廉價(jià)和有效的消防措施。蔡興初等依據(jù)儲(chǔ)能電站電池艙設(shè)備布置的特點(diǎn)，進(jìn)行了儲(chǔ)能電站磷酸鐵鋰電池模組細(xì)水霧滅火試驗(yàn)[9]。本文參考了電動(dòng)汽車的消防設(shè)計(jì)方案，分析了動(dòng)力電池中采用的阻燃材料和消防設(shè)計(jì)思路，提出在儲(chǔ)能電站采用阻燃材料與細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)方案，分級(jí)阻燃來(lái)降低儲(chǔ)能電站的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)范圍。阻燃隔熱材料能起到隔絕氧氣保護(hù)未著火的電池，細(xì)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(shì)蔓延到其他電池簇，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)大面積燒毀同時(shí)也為人員逃生爭(zhēng)取更多時(shí)間。

1 電動(dòng)汽車電池和儲(chǔ)能電池的防熱失控設(shè)計(jì)

1.1? 電動(dòng)汽車電池防熱失控設(shè)計(jì)

電池防熱失控設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，也包含了產(chǎn)品的消防設(shè)計(jì)。電動(dòng)汽車采用分級(jí)阻燃來(lái)防止熱失控的設(shè)計(jì)，如圖1所示。汽車電池一般通過(guò)集成電芯構(gòu)成電池模組到形成電池簇，其中會(huì)涉及加熱、隔熱、冷卻設(shè)計(jì)[10]。電芯設(shè)計(jì)中采用耐溫阻燃設(shè)計(jì)，包括正極材料、負(fù)極材料、電解液等材料的耐溫阻燃性設(shè)計(jì)。在形成電池模組中，電芯間采用了阻燃隔熱墊，同時(shí)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(shè)計(jì)，以便一簇電池著火時(shí)其他簇電池還能正常工作，也方便及時(shí)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(gè)電池著火，也不至于引燃其他部件，可以給逃生留下時(shí)間。GB18384—2020《電動(dòng)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(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時(shí)間。

1.2? 儲(chǔ)能電池防熱失控設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電站的電池主要用于調(diào)峰調(diào)頻、平抑新能源發(fā)電波動(dòng)、作為應(yīng)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(xiǎn)。儲(chǔ)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(shè)計(jì)理念不同，儲(chǔ)能電池成組的防止熱失控設(shè)計(jì)原理如圖2所示。儲(chǔ)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(shè)計(jì)，隔熱設(shè)計(jì)較少，這是其與新能源汽車動(dòng)力電池的根本區(qū)別。儲(chǔ)能電池通常通過(guò)電池?zé)嵩O(shè)計(jì)和研究火災(zāi)早期特性來(lái)控制電池?zé)崾Э芈?，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(chǔ)能電站資料顯示，儲(chǔ)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?zé)崾Э氐南姥芯?/p>

根據(jù)圖1和圖2電動(dòng)汽車電池和儲(chǔ)能電池的防止熱失控設(shè)計(jì)原理來(lái)看，二者防止熱失控的最后一道防線是消防預(yù)警設(shè)計(jì)。

在電動(dòng)汽車電池中，阻燃隔熱材料起著抑制或延緩火勢(shì)蔓延的作用。新能源汽車動(dòng)力電池包失效導(dǎo)致起火時(shí)，通過(guò)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(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》明確了5min預(yù)警時(shí)間，即要求電池?zé)崾Э睾?min內(nèi)不起火不爆炸，并要求將溫度事故報(bào)警信號(hào)提供給駕乘人員，在儲(chǔ)能電池中，目前還沒(méi)有具體的儲(chǔ)能電站要求的預(yù)警時(shí)間。

儲(chǔ)能電站中對(duì)消防響應(yīng)時(shí)間目前還沒(méi)有自己的標(biāo)準(zhǔn)，通常參考其他消防標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，部分消防系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間[12]如表1所示。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，水噴霧滅火系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于60s，液化烴或類似液體儲(chǔ)罐、甲、乙類液體及可燃?xì)怏w生產(chǎn)、輸送、裝卸設(shè)施的防護(hù)冷卻響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于120s，甲、乙、丙類液體儲(chǔ)罐防護(hù)冷卻系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于300s。這意味著，300s內(nèi)消防人員無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，只能依靠自身或自動(dòng)滅火裝置。

儲(chǔ)能電站標(biāo)準(zhǔn) GB51048《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》借鑒《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即將鋰電池安放位置與其他設(shè)備間單獨(dú)隔離分開，并設(shè)有專門的煙感、溫感、光感等探測(cè)器，并且可以根據(jù)不同鋰電池的特性，有針對(duì)性地增設(shè)相應(yīng)氣體探測(cè)器[9]。從上述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，儲(chǔ)能電站的標(biāo)準(zhǔn)只是滿足消防響應(yīng)時(shí)間，沒(méi)有對(duì)不起火不爆炸的熱失控后的時(shí)間做出明確規(guī)定，沒(méi)有明確人員逃生時(shí)間。

2 防止電池?zé)崾Э氐母魺岵牧?/p>

2.1? 氣凝膠隔熱材料

新能源電動(dòng)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(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組一般采用氣凝膠，主要有預(yù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明，0.7mm厚度氣凝膠隔熱墊滿足800℃高溫火焰沖擊5min內(nèi)不被燒穿，可以滿足電動(dòng)汽車國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的5min預(yù)警時(shí)間，便于人員逃生機(jī)會(huì)。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(jià)生存的儲(chǔ)能電池組中較難推廣，目前還沒(méi)有儲(chǔ)能電池用到氣凝膠隔熱墊。

2.2? 隔熱材料在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用

電池艙細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)于電池倉(cāng)起著很好的消防保護(hù)作用。蔡興初[9]等介紹了電池艙細(xì)水霧滅火系統(tǒng)（布置示意圖如圖4所示），并在儲(chǔ)能站設(shè)１套局部應(yīng)用方式的開式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，以每座電池艙為一個(gè)防護(hù)區(qū)，配１套泵組，進(jìn)行了滅火試驗(yàn)。

本文根據(jù)上述布置采用隔熱棉氈輔助細(xì)水霧實(shí)行分級(jí)消防設(shè)計(jì)，在每一個(gè)電池模組上方裝有隔熱棉氈釋放設(shè)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(jí)消防設(shè)計(jì)分為：常規(guī)模式、預(yù)警模式、應(yīng)急模式和消防模式等四個(gè)層級(jí)。此方案可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定各個(gè)模式的大致時(shí)間，從預(yù)警模式到消防模式可以超過(guò)電動(dòng)汽車的人員逃生時(shí)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(yù)警模式，當(dāng)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(duì)電池模組進(jìn)行保護(hù)，并啟動(dòng)預(yù)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(shí)，啟動(dòng)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)處于待發(fā)狀態(tài)。

應(yīng)急模式，當(dāng)失控電池簇的隔熱棉表面溫度逐步上升，超過(guò)100℃，處于應(yīng)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(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴灑細(xì)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(xì)水霧，使得倉(cāng)內(nèi)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(huì)損壞，也可以保障儲(chǔ)能電站的預(yù)警時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的防止電池?zé)崾Э卦O(shè)計(jì)機(jī)理，進(jìn)行了防止電池?zé)崾Э氐南姥芯?，研究表明，?dòng)力電池?zé)針?biāo)準(zhǔn)中要求在電池?zé)崾Э睾?min內(nèi)不起火不爆炸，在儲(chǔ)能電池中沒(méi)有明確要求。為了促進(jìn)儲(chǔ)能電池的健康發(fā)展，本文借鑒電動(dòng)汽車電池設(shè)計(jì)的思路，提出了動(dòng)力電池采用分級(jí)阻燃的防火措施，并提出了將氣凝膠等阻燃材料與細(xì)水霧固定消防設(shè)施有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，以期最大限度降低儲(chǔ)能電站內(nèi)部的實(shí)際火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

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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