锂离子电池储能系统的消防安全研究

崔一君，王德伟

（1.张家口市消防救援支队；2.国网冀北张家口风光储输新能源有限公司，河北 张家口 075000）

在时代的发展下，节能降耗成为各行各业的主要方向，储能技术被大规模应用于电力系统发电、输电、用电环节中，在推动我国能源供给改革的同时，为智能电网的实现打下了坚实基础。锂离子电池储能技术为储能技术的代表技术，其具有灵活快速的特点，但凡事都有利弊，锂离子电池储能技术的普及也不例外，其不足之处在于，引发了多次火灾安全事故，造成重大财产损失，且对相关工作人员、消防人员、周围居民造成了生命威胁。因此，锂离子电池储能系统的消防安全被提上日程。

1 锂离子电池储能系统概述

锂离子电池储能系统是一种以集装箱为代表的预制舱式储能系统，其可借助锂电池电化学反应进行能量转换。通常情况下，锂离子电池储能系统包括电池系统、能量管理系统、电池管理系统(BMS)、变流器系统（PCS)、冷却系统、消防系统以及照明和监控系统等，且会因配置不同而增加变压器系统，并借助其完成电池系统和电网间的升降压。

就锂离子电池储能系统的电池系统而言，其多由数个电池组组成，电池组由多个电池包组成。由于电池包结构不同，所以电池储能系统可以应用带有电池管理系统（BMS）。就锂离子电池储能系统的能量管理系统而言，其主要作用为实时监控电站的运行状态信息，监控内容包括但不限于系统功率曲线、电池电压温度信息、累计处理电量信息、其他约定的监测信息。就锂离子电池储能的电池管理系统而言，其主要功能为管理电池组充放电保护，一方面，确保充满电时单个电池的电压差异小于设定值，同时，保证电池组各单体电池的均充；另一方面，对电池组中的各个单体电池的过温、短路、过压状态进行检测，通过适合手段保护、延长电池使用寿命。

就锂离子电池储能系统的电流器系统而言，其主要目的是实现交直流转换，并对电池系统的充放电进行管理、对电池储能系统的充放电功率进行控制。就锂离子电池储能系统的冷却系统而言，其可发挥控制环境温度的作用。就锂离子电池储能系统的消防系统而言，其主要目的是控制锂离子电池系统的热稳定性，降低火灾事故发生率。

由于锂离子电池储能系统具有容量大、适应性强、灵活性较高等优势，所以在电力储能系统中有着较好的应用前景。

2 锂离子电池储能系统火灾特征及蔓延特征

锂离子电池储能系统火灾特征及蔓延特征如下：（1）燃烧激烈，热蔓延迅速。因为活泼金属锂与水发生猛烈反应后会产生Li2O、H2，其会增强燃烧的剧烈程度，并使火势快速蔓延。（2）毒性强、烟尘大、危险性强。锂电池燃烧时会释放大量会对人体造成危害的气体、粉尘颗粒，且会出现突然性的爆炸现象。（3）易复燃，扑救难度大。如果锂离子电池储能系统出现火灾，使用常规方法是无法从根源上抑制火灾的，即只能扑灭明火，在一段时间后会复燃。

3 锂离子电池储能系统的消防安全分析

3.1 锂离子电池储能系统技术规范适用性不足

锂离子电池储能系统为新型系统，其虽然被广泛应用于电力系统发电、输电、用电环节中，但我国在此方面仍处于探索阶段。因此，即便国际电委会、全球电力储能标准技术委员会、美国保险商实验室、国际标准化组织等已在全球范围内发布有关于锂离子电池储能系统的技术标准，但其适用性、规范性不足，所以在潜移默化中增加了火灾事故的发生率。

3.2 缺乏针对性的消防灭火剂

上述提到了锂离子电池储能系统火灾具有易复燃、扑救难度大的特点，且常规方法无法从根源上抑制火灾。比如，CO2、七氟丙烷、卤代烷1301等只能扑灭明火，一段时间后会出现复燃现象，且其不具备灭火与降温的双重功能。又如，水喷淋系统技术虽然相对成熟，且可达到良好的降温灭火效果，但其扑救时间相对较长、耗水量较大，且会使储能电站的电池出现短路，无法正常使用。

3.3 消防装备集成化度低、兼容性差

就目前情况而言，多数消防项目设置具有轻系统、重部件的倾向，所以集成化度低、兼容性差，使得相关部件无法协同操作。而这对锂电池消防灭火技术的推广应用造成了直接影响，且制约了锂离子电池储能系统的消防安全的可靠性。

4 锂离子电池储能系统的消防安全技术支持

4.1 建立科学合理的消防测试模型及技术规范

消防测试模型及技术规范是锂离子电池储能技术消防安全的技术支持的要点。具体而言，消防测试模型可使相关工作人员理清储能系统锂电池火灾特性，并对离电池火灾与常规电气火灾的差异进行有效分析，从而为测试锂电池火灾防控装置、全面评估消防安全技术效果提供技术支持、理论依据。

4.2 设计开发新型灭火剂

由于锂离子电池储能系统火灾与其他火灾存在较大差异，且具有较强的危害性，所以需要基于实际情况设计开发新型灭火器。首先，需结合实际情况筛选灭火材料分子，选择合适的材料分子进行灭火剂的制作。其次，需结合锂电池热失控及热蔓延规律进行核壳结构灭火器的设计，以确保降温的精准性。再次，需采用适合手段优化锂电池灭火剂的喷射方式、喷射压力、喷射时间等功能参数，在设计新型高效的通用型灭火器的同时降低成本。此外，在进行新型灭火剂的设计开发时，需将环保重视起来。具体表现为，需思考灭火剂释放后是否会产生有毒有害物质，这些物质是否会对环境造成污染、是否会对电气系统造成腐蚀或使其绝缘性降低。

4.3 集成化消防系统的研究

锂电池储能系统的消防系统具有高度集成化，所以要想使其效用最大限度地发挥出来，就需将集成化消防系统的研究提上日程。在进行集成化消防系统的研究时，需由同一厂家对消防系统的各个部件进行集成研究，确保其可相互无缝配合运行，并形成整体协同操作。如此一来，才可充分提高消防系统的灵活性及安全性。同时，可将无人驾驶智能遥控消防直升机利用起来，其具有较好的灭火性能，且行动快捷灵敏。此外，还可结合实际情况进行物联网技术、5G技术的有效应用，实现视频传输、辅助功能的集成与传输。

5 锂离子电池储能系统的消防安全系统的应用设计

5.1 多级防护机制设计

消防安全应当遵循预防为主的原则，因为一旦出现火灾安全事故，将会带来不可预估的后果。所以，在进行锂离子电池储能系统的消防安全系统应用设计时，需将多级防护机制设计放在首位。也就是说，需根据实际情况，在电池内部、封闭式电池簇、电池仓等各部分设置探测装置，做到分区探测防护，及时准确地预警热失控现象。同时，可通过灭火装置与电池包内的探测器的联动，实现对单体电池发现热失控时的有效防护控制，从而在早期解决热失控现象，降低火灾安全事故带来的不良影响。

5.2 探测器参考阈值

探测器参考阈值主要为电池表面温度、一氧化碳浓度，因为这两个指标可以对电池热失控状态进行综合判断，从而将热失控预警的精准性大大提高。

5.3 多级防护联动机制

消防安全主机为消防安全系统的核心组件，可做到对整个消防安全系统进行合理的控制。具体而言，消防安全主机在接到报警信号后，会对预警信号进行逻辑分析，在获得分析结果后选择性地发出控制信号（灭火报警装置或电动装置）。

在进行消防安全系统联动控制方式设计时，需考虑2个问题：一是电池热失控状态的准确报警；二是防护设施在电池出现热失控后能够及时反应，实现消防安全系统、电池管理系统以及动力环境系统等多系统的联动。

5.4 消防安全系统框架设计

（1）消防安全系统的主要构成部件。就锂离子电池储能系统的消防安全系统而言，其由控制主机、传感器、报警设施以及用户操作开关等部件构成。就控制主机而言，其主要负责数据采集及处理，实现消防安全系统的联动，为消防安全系统的核心部件。传感器的作用是实时测量电池表面温度及一氧化碳含量。报警设施的主要目的是根据检测数据判断电池是否出现热失控状态，并利用声光报警器或气体喷洒指示灯进行报警。用户操作开关的主要作用为：在紧急时刻，由用户进行紧急启动或停止。

（2）消防安全系统通信设计。消防安全系统通信设计需考虑以下几个方面：①确保消防安全系统、电池管理系统中有一条可以在火灾情况下有效通信的线路。②探测装置与后台显示系统之间有一条在火灾情况下可以有效通信的线路。③站内空调和电池管理系统之间有一条通信线路。

6 锂离子电池储能系统的灭火要点

在进行锂离子电池储能系统的灭火时，需做到沉着冷静、正确决策；合理选用灭火剂，科学处置火灾；注意保持安全距离，正确处理紧急状况；现场监控热失控温度，防止复燃发生，具体如下：

（1）沉着冷静，正确决策。消防人员到达火灾现场后，需及时切断相关电源，以免锂电池过充、过电、过热。在进行密闭仓库锂电池火灾处理时，需先找到锂电池起火部位，并在不破坏周围空间的情况下，启动灭火装置，将火灾控制在电池盒内。同时，需征询专家意见，采用辅助决策系统查询、研讨火灾事故处理方法。

（2）合理选用灭火剂，科学处置火灾。锂金属在高温情况下具有极高的反应活性，CO2、七氟丙烷、卤代烷1301等只能扑灭明火，一段时间后会出现复燃现象，且其不具备灭火与降温的双重功能；水喷淋系统技术虽然相对成熟，且可达到良好的降温灭火效果，但其扑救时间相对较长、耗水量较大，且会使储能电站的电池出现短路问题，无法正常使用。所以，在进行锂离子电池储能系统灭火时，需选择合理的灭火器，并对火灾进行科学处置。比如，可先采用铜粉，使铜粉与锂金属产生反应，生成铜－锂合金，纯化液态锂表面而起到灭火作用，然后迅速散出燃烧时产生的热量，使得燃烧的锂迅速降温，从而达到降低燃烧强度的目的。又如，可将吸热冷却、隔离氧气窒息灭火战术方法扑灭火灾。此外，在处置火灾时，消防人员需佩戴好个人防护工具，采取卧姿射水。

（3）注意保持安全距离，正确处理紧急状况。在进行灭火时，需确保人员之间保持安全距离，并根据实际情况，对消防车的行车路线进行合理规划。同时，可结合实际情况进行观察哨的设置，做到及时发现爆炸的可能性，并根据实际情况做出正确指令。

（4）现场监控热失控温度，防止复燃发生。在进行锂离子电池储能系统火灾处理时，需尽可能增加火场用水量，因为其具有一定的特殊性。通过增加用水量可在一定程度上降低电池内部的温度，并降低复燃现象的发生率。比如，可将喷雾或开花水枪等方式利用起来，借助其冷却电池。通过这一方式，可有效降低电池表面及内部的温度，减少电解液排气。此外，考虑到锂电池可持续放电，所以在熄灭明火后，消防人员需继续进行冷却降温。

7 结语

综上所述，锂离子电池储能系统为储能系统的一种，与其他储能系统相比，其具有容量大、适应性强、灵活性较高等优势，但凡事都有利弊，锂离子电池储能系统也不例外。其不足之处在于：很容易引发火灾，且对人民的财产安全及生命安全造成威胁。所以，如何保障锂离子电池储能系统的消防安全成为工作人员需深入探讨的课题，上述先是就锂电池储能系统火灾的特征进行了分析，然后提出了针对性的消防安全措施，旨在为相关工作人员开展消防安全工作提供保障。具体而言，锂离子电池储能系统的消防安全需要建立科学合理的消防测试模型及技术规范、设计开发新型灭火剂、集成化消防系统的研究；锂离子电池储能系统的消防安全系统的应用设计需从多级防护机制设计、探测器参考阈值、多级防护联动机制、消防安全系统框架设计等方面入手；在进行锂离子电池储能系统的灭火时，需做到沉着冷静、正确决策；合理选用灭火剂，科学处置火灾；注意保持安全距离，正确处理紧急状况；现场监控热失控温度，防止复燃发生。