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《储能科学与技术》推荐|于东兴 等：锂离子电池储能系统火灾抑制仿真研究

科技   2024-12-14 12:03   北京  

作者：于东兴1,2,3(), 李煌4(), 霍明帅1, 李志昕1, 李强5 

单位：1. 应急管理部天津消防研究所；2. 工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室；3. 天津市消防安全技术重点实验室；4. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室；5. 安徽科盾新能安防科技有限公司

引用： 于东兴, 李煌, 霍明帅, 等. 锂离子电池储能系统火灾抑制仿真研究[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(11): 3898-3905. 

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0446

本文亮点：1.本文通过FDS软件建立了20尺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二氧化碳、氢气和一氧化碳等特征气体的扩散规律。2.本文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。

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

在本文中，采用FDS软件进行电化学储能系统的燃烧和水喷淋抑制模拟仿真工作。FDS计算求解的基本控制方程主要包括以下方程。
动量守恒方程见式(1)。

(1)
式中，ρ为密度；u为速度；t为时间；为作用在流体上的外力矢量；p为压力；τ为黏性力张量；ω为涡度；g为重力加速度。
组分守恒方程见式(2)。

(2)
式中，i是第i种组分；Yi是第i种组分的浓度；Di是第i种组分的扩散系数，是第i种组分的质量产生速率。
能量守恒方程见式(3)。

(3)
式中，h为比焓；为辐射通量；T为温度；k为热导率。
状态方程见式(4)。

(4)
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切面的温度场分布变化，从图5(a)~(i)可以看出，由于火焰的形态具有一定的波动性，所以切面处的高温区域大小也存在一定的波动，但中心位置基本不变。在火焰辐射和高温烟气的共同作用下，切面处温度场已达到300 ℃以上，且在火源中心区域温度接近1000 ℃。

图5   无灭火措施下Z=2.4 m切面温度场分布变化

2.2　特征气体及扩散特性

在本文中，主要探测了H2、CO和CO2这3种气体的扩散行为，由于在本文中燃烧行为一直存在，因此H2和CO作为可燃物，始终处于消耗状态。为了方便观察，主要以CO2为例，来解释气体的扩散行为。图6给出了在无灭火措施下的火蔓延过程中，在集装箱侧壁CO2的扩散过程。从图6可以看出，在火焰驱动下，CO2自热失控箱向上运动，在t=1.2 s时被集装箱顶棚阻挡后向四周进行扩散，在t=2.2 s时被集装箱侧壁阻挡后向下扩散，在t=4.0 s时开始出现明显的分层现象，并逐渐趋于稳定。

图6   无灭火措施下CO2扩散过程

2.3　水喷淋抑制效果分析

图7给出了水喷淋措施下，t=0.0~60.0 s时，在Z=2.4 m切面的温度场分布变化。可以看出，随着水喷淋的持续作用，高温区域范围逐渐缩小。如图7(i)所示，在t=60.0 s时，切面层中高温区域温度在300 ℃左右，远远低于无灭火措施下的1000 ℃。这表明水喷淋对储能系统火焰和高温烟气有着明显抑制作用，对储能系统火灾的降温效果尤其显著。

图7   水喷淋作用下Z=2.4 m切面温度场分布变化
图8(a)给出了无灭火措施时不同探测点的温度变化曲线。可以看出，火蔓延过程分别经历发展阶段(阶段I)和稳定阶段(Ⅱ)。t=0.0~10.0 s阶段为火蔓延的发展阶段，在该阶段，在火焰扩散的影响下，不同探测点的温度迅速上升。L0探测点距离热失控模组最近，火焰温度上升速度最快，在t=10.0 s时，T(L0)达到948 ℃。L1探测点位于热失控电池箱的正上方，处于火源中心，在t=10.0 s时，T(L1)达到792 ℃。L2和L3探测点偏离火源中心，在t=12.0 s时，T(L2)和T(L3)分别达到408 ℃和317 ℃。

图8   探点位置的温度变化数据图 (a) 无灭火措施； (b) 添加水喷淋措施


添加水喷淋灭火措施不同探测点的温度变化曲线，如图8(b)所示。可以发现，水喷淋对电池火蔓延具有明显的抑制作用，在t=10.0 s时，水喷淋动作后各个探测点的温度表现出明显的下降趋势。根据探测点的温度变化速率，大致可分为3个阶段：阶段I，t=0.0~10.0 s为火蔓延发展阶段，该阶段火蔓延迅速，火源中心探测点(L0和L1)温度急剧上升至850 ℃；阶段Ⅱ，t=10.0~60.0 s为火蔓延抑制阶段，该阶段水喷淋装置开始动作，有效抑制了火焰以及高温烟气的蔓延速度，并对系统进行有效降温，T(L0)和T(L1)分别下降至710 ℃和430 ℃，而距离火源中心2 m处的探测点温度T(L2)和T(L3)分别降至125 ℃和110 ℃；阶段Ⅲ；t=60.0~120.0 s为稳定阶段，该阶段中水喷淋对系统的降温效果依然存在，但由于火源并未被熄灭，因此温度的下降速率逐渐趋于平稳，并在180 s内，火源附近的环境温度降到330 ℃以下。
在实际储能系统中，电池箱的密封等级较高，发生火灾时外界的灭火介质难以有效作用到火源根部。因此，在本文中仅研究了水喷淋对火蔓延过程抑制作用，并未考虑火源的熄灭行为。图9给出了水喷淋作用下火蔓延过程。如图9(c)所示，随着火势逐渐向顶端蔓延，在t=10.0 s时，水喷淋开始启动。如图9(c)~(f)所示，在t=10.0~60.0 s时，在水喷淋作用下，火蔓延行为被有效控制在火源中心区域，难以向周围进行扩散。

图9   水喷淋作用下火蔓延过程
锂离子电池发生热失控时，释放出的可燃气体种类较多。在锂离子电池储能系统中，CO、H2、CO2等特征气体被广泛用作火灾预警的特征参数。图10给出了水喷淋作用下CO2扩散过程，与无灭火措施情况类似，CO2在火焰的热流驱动下，沿着顶棚和侧壁进行扩散，但是在扩散深度上存在明显的差别。如图10所示，在t=30.0 s时，CO2的分层现象逐步稳定，可以看出添加水喷淋后，CO2的浓度有着明显提高，且向下的扩散深度也有着明显增加。

图10   水喷淋作用下CO2扩散过程
图11给出了两种情况下不同测点的CO2浓度变化曲线。可以看出，在无灭火措施下，在经历t=0~10 s发展阶段后，CO2浓度都将稳定在一定的数值范围内，随着火源距离的增加，CO2浓度出现一定下降，与烟气的分层现象较为吻合。而在添加水喷淋后，火源中心位置L0和顶部中心L1处的CO2浓度出现一定幅度的下降，出现该现象的原因是水喷淋对电池燃烧行为的抑制作用，致使火源附近的CO2减少。同时，在水颗粒的驱动作用下，CO2的分散程度更高，距离较远的L2和L3位置的CO2浓度相比无灭火措施时会出现一定程度上升。

图11   探点位置的CO2变化(a) 无灭火措施；(b) 添加水喷淋措施
图12和图13分别给出了两种工况下H2和CO的浓度变化。根据图12(a)和图13(a)，可以发现在火源始终存在的情形下，H2和CO作为可燃气体，存在明显消耗。位于火源中心的探测点L0的H2浓度分别保持在1.7×104 ppm(无灭火措施)和1.3×104 ppm(水喷淋灭火)，CO浓度分别保持在5.0×103 ppm(无灭火措施)和4.0×103 ppm(水喷淋灭火)。而在同一垂直面上的L1的H2和CO浓度则明显较低。

图12   探点位置的H2变化 (a) 无灭火措施； (b) 添加水喷淋措施

图13   探点位置的CO变化 (a) 无灭火措施； (b) 添加水喷淋措施
如图12(b)和图13(b)所示，在添加水喷淋措施后，集装箱上部位置的H2和CO浓度均有所升高，造成该现象的原因可能是在水喷淋作用下，释放出的可燃性气体出现不完全燃烧。这也进一步验证了在同样位置CO2浓度有所升高的原因。
综上所述，在锂离子电池储能系统中，水喷淋装置可以有效降低电池火灾的温度和火蔓延程度。但与此同时，电池热失控所释放的可燃性气体并不能有效消耗，甚至在局部范围内其浓度会出现明显的上升，存在爆燃的风险。因此，针对锂离子电池储能系统的消防设计，在考虑控制电池系统火灾的同时也应考虑系统的通风和防爆性能。

3 结论

本文通过建立电池储能系统火蔓延以及火灾抑制模型，分析了水喷淋对电池储能系统的火蔓延以及烟气扩散的抑制效果。得出以下结论。
（1）锂离子电池箱发生火灾时，会释放出大量的特征性气体，并迅速扩散至整个集装箱系统，在缺乏有效的通风措施下，这些气体会在集装箱顶部集聚，随着浓度的增加逐渐向集装箱底部蔓延，并逐渐表现出分层现象，其中火源中心的可燃气体含量可达到1.3 ×104 ppm以上，而距离较远探测点的可燃气体含量仅有24~183 ppm。
（2）添加水喷淋后，火源中心附近可燃气体浓度存在一定的下降趋势，其中CO浓度从5.0×103 ppm逐渐降低至4.0×103 ppm。
（3）水喷淋系统对储能系统火灾的降温效果明显，可以在180 s以内将火源附近的环境温度从791 ℃以上降到330 ℃以下。
（4）水喷淋系统虽然有效控制了系统的火蔓延情形，但是也造成了电池热失控气体的不完全燃烧，在局部范围内会造成H2和CO等可燃气体的浓度升高。

第一作者：于东兴（1987—），男，硕士，副研究员，研究方向为储能系统火灾防控产品测试评价技术，E-mail：yudongxing@tfri.com.cn；

通讯作者：李煌，副研究员，研究方向为锂离子电池火灾及防控，E-mail：li1125@ustc.edu.cn。

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储能科学与技术
中文核心、科技核心和cscd核心期刊，化学工业出版社和中国化工学会主办，主编黄学杰研究员。投稿及下载官网：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml；欢迎给公众号投稿
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