如何在電池熱失控發生之前阻止熱失控
時間:2022-02-11 09:08來源:中國儲能網 作者:劉伯洵
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事實表明，電池儲能系統對于清潔能源的整合和發展至關重要，但需要更加先進的消防安全保護措施。霍尼韋爾建筑技術公司主管火災探測業務的總經理Steve Kenny對于廢氣探測是防止電池熱失控重要防線的原因進行了分析和闡述。
霍尼韋爾建筑技術公司在鋰離子電池儲能系統頂部安裝的煙霧和廢氣檢測監測傳感器
風力發電設施、太陽能發電場、微電網、數據中心和電信設施至少有一個共同點：它們依賴于由數千塊鋰離子電池組成的電池儲能系統(BESS)。電池儲能系統不僅在向可再生能源和更智能的電網過渡中發揮著關鍵作用，而且已成為數據中心和電信樞紐的關鍵組成部分——而這兩大要素都是為全球經濟帶來活力的驅動力。
根據調查，2020年全球公用事業規模電池儲能系統的市場價值為29億美元，預計2020年至2025年的復合年增長率為32.8%，到2025年將增長到121億美元。如果將數據和電信中心、車輛充電設施以及其他儲能應用的不間斷電源（UPS）計算在內，這個數字將增加一倍以上。全球儲能市場總額預計將從2020年的78億美元增長到2028年的268億美元。
為什么鋰離子電池成為首選的電池儲能技術？首先，其成本相對低廉，并且鑒于其尺寸和重量可以提供更高的能量密度；它們擁有較長的持續放電時時間；與其他類型電池相比，它們更不容易自放電；此外幾乎不需要維護，也不需要定期排放廢氣。
盡管鋰離子電池具有多重優勢，但也存在一些缺點。一方面，鋰離子電池儲能系統需要復雜的電池管理系統(BMS)來保持在電壓、溫度和充電的安全參數范圍內運行。如果管理不當或濫用，電池可能會失效，導致排氣或過熱，如果電池著火（熱失控），將會迅速升級為災難性的火災，甚至發生爆炸，并且這種火災極難撲滅，能夠以多米諾骨牌效應加速擴散到周圍的電池。
電池故障的三個階段
•濫用因素：電氣濫用、過熱或機械濫用可能導致熱失控。當在充電或放電期間超過電池電壓限制時，就會發生電氣濫用。由于電池儲能系統中大量電池同時充電或放電，因此單塊電池遭受電氣濫用的風險增加。當工作溫度超過電池承受極限時，就會導致熱濫用。機械濫用是指物理損壞，例如擠壓、壓痕或刺破。
•電池排氣（廢氣）：如果濫用因素繼續存在，電池中的液態電解質將轉化為氣體，這將導致電池內部壓力升高，其壓力足夠打開泄壓孔或破壞電池密封性。這種氣體釋放與熱失控發生之后的氣體釋放明顯不同，并且通常在熱失控之前幾分鐘發生。
•熱失控：隨著電池內部溫度的升高，隔膜將會熔化并破裂，釋放煙霧并點燃電解液。在這階段排放的氣體通常包括一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和可燃氣體。由此發生的火災會產生1,000℃以上的溫度，并蔓延到周圍的電池，導致它們進入熱失控狀態，從而導致整個系統發生故障并起火。
電池儲能系統對傳統監控技術帶來的挑戰
電池儲能系統需要采用電池管理系統(BMS)來監控電壓、電流和溫度并防止電池被濫用，但依靠電池管理系統(BMS)作為防止熱失控的唯一防御層是有風險的。一方面，電池管理系統(BMS)無法解析單塊電池的溫度或電壓。即使在每塊電池上都有溫度傳感器，也可能存在未被檢測到的熱點。
傳統監控技術，例如煙霧和火災探測、一氧化碳（CO）監測、二氧化碳（CO2）監測、爆炸下限(LEL)監測通常構成電池儲能系統安全解決方案的一部分。在熱失控開始之前，通常不會產生煙霧和火災，因此這些電池儲能系統直到停止連鎖反應為時已晚時才會啟動。在發生熱失控之前，一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、爆炸下限(LEL)氣體通常不會以可檢測的濃度出現。
簡而言之，這些技術是對熱失控的被動反應，而不是主動預防。即使一塊電池已經達到冒煙或著火的程度，要阻止其火勢蔓延到周圍的電池也可能為時已晚。
在熱失控前進行初始排氣（廢氣）檢測
檢測鋰離子電池故障的早期跡象對于使操作人員和關閉措施能夠及時主動響應，以防止熱失控和災難性的（通常是爆炸性的火災）至關重要。
安全機構DNV的一項研究測試了三種技術，以評估鋰離子電池故在檢測潛在熱失控早期跡象方面的響應時間：廢氣傳感器、電池電壓傳感器、爆炸下限傳感器，它們可以檢測可燃氣體或溶劑蒸氣的危險水平。圖片
霍尼韋爾建筑技術公司將廢氣探測系統控制器安裝在電池儲能系統的消防控制面板下方
在這三種類型中，廢氣檢測器的靈敏度和準確度最高。它們在排放廢氣開始之后的平均響應時間不到10秒，在熱失控開始前的平均響應時間為6分11秒。在熱失控啟動之前，LEL和電壓傳感器均未激活。
研究結果還表明，關閉措施與廢氣檢測相結合有效地防止了熱失控。一旦檢測到廢氣，電池儲能系統就會自動斷電，以防止電池溫度升高，從而阻止熱失控向相鄰電池蔓延。
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