储能电池舱防控灭一体化消防联动控制系统研究

  储能锂电池舱密度高、空间狭小，热管理一旦失控，危害性大，甚至有爆炸风险。为维护储能站生产、运营以及人员的安全，预防和控制火灾的各种措施的保障和实施特别的重要。本文重点分析锂电池舱火灾的原因、特性及火灾特点，提出采用防控灭一体化消防方案，并对系统的组成、启动策略等做多元化的分析研究。

  电池舱通过预制舱外体与其内部的电池系统、热管理系统、控制管理系统、消防联动控制系统等由专业生产商统一集成，形成一种紧凑型的小型化储能装置。继而根据项目的需求，成套整体发往储能电站现场，直接进行基础的安装以及系统的调试即可。安装施工中无需太多的土建湿作业，从而较大提高效率。一个储能站一般由几个，甚至几十个储能舱阵列布置，形成一个庞大的能量中心。由于单位体积内的包含的能量和空间的限制，一个储能舱内电池排布较为紧密，且无工作人员对电池舱内的工作状态进行实时监控。因此电池储能舱本体自身的安全以及智能化要求极高。

  储能电池舱内锂离子电池虽然优势显著，但若处于过热、过充、短路等滥用条件下，电池里面会因热量积聚而发生热失控，从而引起火灾甚至发生爆炸事故。通常单个电池模组发生，若得不到有效控制，则极易引发火灾，继而在电池模块间、电池柜间甚至是整个储能电池舱之间传播蔓延，且锂离子电池在自燃同时会释放氧气，从而出现复燃现象，造成大规模的火灾甚至爆炸。综上能得出，锂电池火灾具有温度高、蔓延快、复燃性等特点。

  目前国内关于电池舱的消防设计没明确的依据，主要参考以下几个规范《电化学储能电站设计规范化学储能》（GB51048-2014）、《电力设备典型消防规程》（DL5027-2015）、《小型电化学储能电站消防安全技术方面的要求》（T/CSAE88-2018）。前两者没明确的消防设计的基本要求，一般按照工业建筑进行消防设计。后者规定了一些主动灭火设施的要求。

  目前我国用于储能电池舱的消防设施一般如下：一是通风装置；二是可燃气体探测器；三是灭火器；四是消防砂箱；五是消防报警系统；六是气体自动灭火系统。以上设施，各储能站由电池厂家结合自己经验，自行组合。由于储能站一般地理位置偏僻，周边没有市政供水管网，因而绝大部分站区没有设置室外消火栓系统。

  储能电池舱由于电池的特殊性，通常由电池厂家配套集成供给，电池舱作为设备直接发货，因而其内部消防设施的配置，没有统一的机构对其进行验收，从而消防配置参差不齐。目前国内电池舱大多集成了气体自动灭火系统，其对扑灭电气明火具备一定的作用，但对于电池舱火灾还有明显的短板。

  根据锂电池火灾的特殊性，通过一系列分析和研究，单一的消防联动控制系统显然无法有效预防和控制电池舱火灾，需要具备多功能的多级消防联动控制系统联合起来发挥作用。因此本文提出一种防控灭一体化的消防联动控制系统，即集高效热管理、火灾报警、全淹没式与局部应用灭火系统、灾后防复燃系统为一体。

  防消结合，防患于未然，任何情况下，预防火灾的发生都是消防中的重要环节。针对电池火灾的原因，热管理失控是火灾的直接导火索。因此热管理是储能项目火灾预防中的一个重要环节。储能舱热管理系统主要由空调系统和BMS 温控系统组成。

  热管理的目的是让高能量电池工作在合适的温度区间内，并且温度分布较为均匀，从而提升电池的使用效率和寿命，同时兼顾安全，防止电池异常升温导致安全火灾。因此热管理的第一步就是设计良好的空调进气通风系统，设计中根据电池舱内的布置，借助热仿真软件，设计高效的气流组织，保障电池的安全稳定运行。

  电池舱一般都会采用空调顶部出风，通过风道将冷（热）风通过电池与舱壁形成的风墙均匀的送至每个电池柜，同时电池柜设计导热孔，保证冷（热）量能顺利地到达每个电池PACK、每个模组。同时空调设置上部回风口，出风及回风在电池舱内形成风路循环。同时借助热仿真软件进行修正和验证，保证电池之间的温差也能控制在5℃以内。

  BMS 电池管理系统来进行预警管理，一旦电池模组内热管理失控，及时联动电池运行系统关闭，进行事故诊断。火灾报警自动启动，一经发现发生火灾，后台将自动按照既定控制策略，启动固定式灭火装置，进行火灾扑灭。每个电池舱为一个报警区域，配备区域火灾自动报警系统。每个集装箱内设置少数的点型火灾探测器，在此基础上，增加可燃气体探测器，可以在一定程度上完成早期报警并将该区域的报警信号统一发送至消防控制中心。

  气体自动灭火系统中气体主要是采用七氟丙烷（HFC-227ea/FM200），由于其在实现窒息灭火的同时吸收热量，电绝缘性好等优点，对于扑灭电池舱初期火灾具有非常好的效果。

  气体自动灭火系统由气体柜、管道、喷头、泄压装置、消防报警等设施组成。柜体通常设置于舱体的一端，通过管网连接至所有舱体顶部安装的气体喷头，从而形成自动气体灭火系统。同时七氟丙烷在喷射完后，由液态转换成了气态，舱内压强迅速变大，电池舱作为一个密闭的空间，因此需设置相应的泄压口。该装置应根据电池舱结构所能承受的压强进行具体的设计，防止电池舱出现裂缝。

  当电池预制舱任意电气发生火灾后，气体灭火系统首先开启，所有气体喷头均喷放灭火剂，以全淹没应用灭火方式来进行初期火灾的扑灭。

  高压细水雾由于其雾滴较小，电绝缘性好，穿透能力强，能有效解决障碍物的遮挡等问题，因此对于解决电池模组内的火灾有着非常强的针对性，从而用其作为局部应用灭火系统。

  该灭火系统由高压细水雾灭火装置（水箱、增压泵、高压细水雾泵）和管道、阀组、喷头、消防报警等设施组成。高压细水雾灭火装置设在站区专门的建筑物内，分区阀组可安装在每个电池舱外壁，电池预制舱内每一个电池模组内均安装有一个以上高压细水雾喷头，所有细水雾喷头通过管网连接至细水雾灭火装置，从而形成细水雾灭火系统。电池模组外壳在装有细水雾喷头的一侧开口，以便于喷头伸入，其喷放方向朝向电池上表面和电池模组外壳顶板内表面之间的区域。在电池模组外壳的其他侧开设网孔，便于水雾溢出。网孔区的开孔率为20%—30%。

  初期火灾扑灭后，高压细水雾灭火系统开启，整个电池预制舱内所有电池模组内的细水雾喷头均喷放高压细水雾，以局部应用灭火方式，对电池模组内的火灾进行扑灭，持续抑制热失控，同时高压细水雾会通过电池孔在电池预制舱内弥漫，抑制整个电池预制舱内其他区域发生热失控。

  火灾控制后，电池舱内依然温度很高，释放大量的热量，因此灾后进行防复燃也是一个很重要的环节。尽管气体灭火系统和高压细水雾系统都具备一定的降温和冷却效果，但是对于电池火灾释放的巨大能量还是不够的，因此采用喷雾水枪做补充和持续降温，灾后至少喷雾降温2h，喷雾水枪用水一般取自室外消火栓，从而在储能电池舱室外设置室外消火栓系统是必需的，并且就近设置消防箱，内置喷雾水枪。

  防控灭火一体化的消防联动控制系统启动均由消防报警和消防联动实现自动运行，由电气专业实现。电池正常运行时，由BMS 电池管理系统，在线监测各电池模组的运作情况，一经发现异常，及时切断回路。消防报警自动启动，判断火灾发生，自动启动固定灭火设施。固定灭火系统的启动一定要符合“先断电后灭火”的要求。灭火系统控制组件在接收到预警信号或火灾信号后后，根据既定灭火策略，自动启动灭火系统。

  本文通过对锂电池舱火灾成因及火灾特点的分析，提出从火灾预防、火灾报警、扑灭火灾、灾后降温等组合式多级防控灭火一体化消防联动控制系统，为电池储能舱安全稳定的运行增设了一道有力屏障，从而能进一步助力储能行业的发展。