锂离子电池储能系统火灾抑制仿真研究

  浩博电池网讯：

  摘 要 由于锂离子储能系统火灾燃爆危险性大且实验成本高，因此基于模型对储能系统火灾特性及灭火性能模拟仿真研究具有重要意义。本文通过火灾动力学模拟(fire dynamics simulator, FDS)软件建立了20尺(1尺=0.333 m)储能集装箱的全尺寸仿真分析模型，研究了电池系统的火蔓延过程以及CO2、H2和CO等特征气体的扩散规律。结果表明，电池箱着火后，在火源中心位置H2和CO浓度可达到1000 ppm(1 ppm=10-4%)以上，而在集装箱角落的浓度仅为24~183 ppm；水喷淋灭火系统降温效果明显，可以将火焰上部温度自791 ℃迅速降低至330 ℃以下；此外，水喷淋灭火系统会造成电池箱的不完全燃烧，导致局部区域可燃气体浓度上升。本文的结果旨在为锂离子电池储能系统的安全设计及火灾防控技术研究提供一种仿真分析方法。

  关键词 储能系统；锂离子电池；火蔓延；火灾动力学模拟；水喷淋

  近年来，作为支撑能源转型的关键技术，储能技术的发展已成为我国实现“双碳”目标的迫切需求。其中，电化学储能具有建设周期短、响应速度快、布置方式灵活等优点，在储能领域中受到广泛青睐，截至2023年底，全国已投运新型储能31.39 GW/66.87 GWh，其中锂离子电池储能占比最大，累计投运总能量达到48.77 GWh。然而，近年来随着电化学储能的逐步发展，在世界各国已发生多起火灾、爆炸事故，在造成经济损失与人员伤亡的同时，也在一定程度上阻碍了储能产业的快速发展。因此，作为电化学储能的核心部件，电池系统的安全性成了储能行业发展中亟待解决的关键问题。

  在锂离子电池的火灾危险性和灭火技术实验方面，国内外学者均开展了大量的研究。Ping等开展了锂离子电池燃烧实验，研究表明锂离子电池在发生热失控时会先后经历初次射流火、阴燃、复燃等多个阶段，存在明显的多次射流火行为。Russo等对比了干粉、CO2、水喷淋和水雾对电池模组的灭火效果，结果表明水喷淋的灭火和降温效果更加优异。

  但是以上的研究仅针对单体或者数个电芯发生火灾，而大尺寸的电池火灾的燃爆风险大，且实验成本高，因此开展相关的模拟仿真研究显得尤为必要，相关研究者多采用火灾动力学模拟(fire dynamics simulator，FDS)和Flacs软件对储能系统烟气扩散、燃烧和爆炸进行仿真研究。王俊等以单体电芯产气实验数据为基础数据，通过FDS软件模拟了磷酸铁锂离子电池在泄压阀打开之后，释放的气体在模组中的扩散规律。徐成善等以电池产气测试数据为输入数据，通过Flacs软件建立了兆瓦时级的储能预制舱模型，分析了燃爆风险与失控电池位置和数量的关系。叶祥虎等通过火灾动力学模拟软件研究了细水雾灭火参数对电池模组灭火效率的影响规律，提出了2.0 L/min的流量系数和200 μm的雾滴直径为最佳灭火参数。

  综上所述，国内外学者在锂离子电池火灾行为和灭火技术实验方面取得了较为显著的研究成果。但是，关于储能系统的火灾抑制模拟仿真研究尚处于起步阶段，公开的研究结果相对较少。在本文中以锂离子电池实际热失控行为作为边界条件，通过火灾动力学模拟软件建立了电池储能系统火蔓延及水喷淋模型，研究水喷淋对储能系统火蔓延过程以及多种特征气体扩散行为的影响规律。通过该模型，可综合分析不同灭火参数对储能系统火灾的抑制效果，为储能系统的安全设计提供参考。

  1 理论分析

  1.1　控制方程

  式中，p0为压强；R为气体常数；M为混合气体的分子质量。

  1.2　物理模型

  1.2.1　储能系统

  如图1所示，本文以实际20尺(1尺=0.333m)锂离子电池储能系统为研究对象，集装箱的长宽高尺寸为6.0 m、1.2 m、2.6 m，其中填装了10个电池簇，每个电池簇包含15个电池箱和1个电气控制箱，电池簇与簇之间由金属板隔挡，其中电池箱尺寸为0.5 m×0.7 m×0.2 m，在本文中选用的目标电池为228 Ah磷酸铁锂电池，其尺寸为0.07 m×0.17 m×0.20 m。

图1 锂离子电池储能系统火蔓延及水喷淋装置物理模型

  在本文中，为了更好地观察电池系统的火蔓延状态，假设靠近集装箱底部的某一电池箱发生热失控起火，着火电池箱的具体位置如表1所示。集装箱尺寸为6.0 m×1.2 m×2.6 m，单元格大小为0.02 m×0.02 m×0.02 m，所以网格划分为300×60×130，共2340000个网格。为保证计算结果更加准确，通常网格单元尽量接近立方体。

表1 着火电池箱和喷头位置

  为了研究水喷淋装置对电池储能系统火蔓延的抑制效果，沿集装箱顶部中轴线方向设置了3个水喷淋喷头，当水喷淋装置附近的温度超过80 ℃时，水喷淋装置开始动作。其具体位置如表1所示。

  1.2.2　传感器布置

  本文分别选取了着火电池箱附近的位置(L0)以及水喷淋喷头正下方0.1 m处(L1~L3)为探测点(表2)，分别收集了温度、CO2、H2和CO的变化规律。

表2 探测点位置

  1.3　边界条件

  在该仿真研究中，电池箱的环境温度T=300 K。电池燃烧平均热释放速率(HRR)、热失控产气种类及体积比以实际热失控实验数据为边界输入条件，其中电池燃烧热释放速率如图2所示。在本文中假设电池燃烧一直存在，所以采用的是100%荷电状态(SOC)磷酸铁锂电池的燃烧热释放速率峰值，随着电池内部化学反应速率提升，电池产生气体速率随之增加，对应峰值分别为74.83 kW (peak 2)和98.99 kW(peak 3)。此外，通过电池原位产气测试平台，对磷酸铁锂电池热失控产气进行测试，收集气体种类和浓度，如图3所示。其中，H2占比最高，约占39.5 %，CO2和CO占比分别为30.15%和11.68%。

图2 100%SOC磷酸铁锂电池热失控质量损失和热释放速率变化

图3 气体分析 (a) 气体实时测试图(1 ppm=10-4%)；(b) 产气种类体积比

  2 结果与分析

  2.1　温度及火蔓延特性

  在本次仿真分析中，以电池箱着火时刻为起始时间(t=0.0 s)。在无灭火措施下的火蔓延过程，如图4所示。从图4(a)可以看出，底部电池箱发生火灾后，自火源位置向上进行蔓延，且扩散速度极快。如图4(b)所示，在t=1.2 s时，高温气体已经自着火电池箱蔓延至集装箱顶部，并沿着集装箱顶部由点向整个面进行扩散。在t=2.2 s时，高温气体相继到达集装箱的左右侧壁。如图4(c)、(d)所示，随着顶部烟气不断聚集，气体逐渐向下扩散，逐渐覆盖了整个集装箱上部的空白区域，在t=20.0 s时基本趋于稳定。

图4 无灭火措施下火蔓延过程

  此外，图5给出了无灭火措施下，t=0.0~60.0 s时，在Z=2.4 m切面的温度场分