如何在電池?zé)崾Э匕l(fā)生之前阻止熱失控

時(shí)間:2022-02-11 09:08來源:中國儲(chǔ)能網(wǎng) 作者:劉伯洵
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       事實(shí)表明，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于清潔能源的整合和發(fā)展至關(guān)重要，但需要更加先進(jìn)的消防安全保護(hù)措施�；裟犴f爾建筑技術(shù)公司主管火災(zāi)探測(cè)業(yè)務(wù)的總經(jīng)理Steve Kenny對(duì)于廢氣探測(cè)是防止電池熱失控重要防線的原因進(jìn)行了分析和闡述。 
霍尼韋爾建筑技術(shù)公司在鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)頂部安裝的煙霧和廢氣檢測(cè)監(jiān)測(cè)傳感器
 
       風(fēng)力發(fā)電設(shè)施、太陽能發(fā)電場(chǎng)、微電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)施至少有一個(gè)共同點(diǎn)：它們依賴于由數(shù)千塊鋰離子電池組成的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅在向可再生能源和更智能的電網(wǎng)過渡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而且已成為數(shù)據(jù)中心和電信樞紐的關(guān)鍵組成部分——而這兩大要素都是為全球經(jīng)濟(jì)帶來活力的驅(qū)動(dòng)力。 
 
       根據(jù)調(diào)查，2020年全球公用事業(yè)規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)值為29億美元，預(yù)計(jì)2020年至2025年的復(fù)合年增長率為32.8%，到2025年將增長到121億美元。如果將數(shù)據(jù)和電信中心、車輛充電設(shè)施以及其他儲(chǔ)能應(yīng)用的不間斷電源（UPS）計(jì)算在內(nèi)，這個(gè)數(shù)字將增加一倍以上。全球儲(chǔ)能市場(chǎng)總額預(yù)計(jì)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(chǔ)能技術(shù)？首先，其成本相對(duì)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(xù)放電時(shí)時(shí)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(hù)，也不需要定期排放廢氣。 
 
       盡管鋰離子電池具有多重優(yōu)勢(shì)，但也存在一些缺點(diǎn)。一方面，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)(BMS)來保持在電壓、溫度和充電的安全參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。如果管理不當(dāng)或?yàn)E用，電池可能會(huì)失效，導(dǎo)致排氣或過熱，如果電池著火（熱失控），將會(huì)迅速升級(jí)為災(zāi)難性的火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸，并且這種火災(zāi)極難撲滅，能夠以多米諾骨牌效應(yīng)加速擴(kuò)散到周圍的電池。 
 
       電池故障的三個(gè)階段  
 
       •濫用因素：電氣濫用、過熱或機(jī)械濫用可能導(dǎo)致熱失控。當(dāng)在充電或放電期間超過電池電壓限制時(shí)，就會(huì)發(fā)生電氣濫用。由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中大量電池同時(shí)充電或放電，因此單塊電池遭受電氣濫用的風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)工作溫度超過電池承受極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致熱濫用。機(jī)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(xù)存在，電池中的液態(tài)電解質(zhì)將轉(zhuǎn)化為氣體，這將導(dǎo)致電池內(nèi)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(fā)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(fā)生。 
 
       •熱失控：隨著電池內(nèi)部溫度的升高，隔膜將會(huì)熔化并破裂，釋放煙霧并點(diǎn)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?xì)怏w。由此發(fā)生的火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生1,000℃以上的溫度，并蔓延到周圍的電池，導(dǎo)致它們進(jìn)入熱失控狀態(tài)，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障并起火。 
 
       電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)  
 
       電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要采用電池管理系統(tǒng)(BMS)來監(jiān)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(tǒng)(BMS)作為防止熱失控的唯一防御層是有風(fēng)險(xiǎn)的。一方面，電池管理系統(tǒng)(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(cè)到的熱點(diǎn)。 
 
       傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)，例如煙霧和火災(zāi)探測(cè)、一氧化碳（CO）監(jiān)測(cè)、二氧化碳（CO2）監(jiān)測(cè)、爆炸下限(LEL)監(jiān)測(cè)通常構(gòu)成電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全解決方案的一部分。在熱失控開始之前，通常不會(huì)產(chǎn)生煙霧和火災(zāi)，因此這些電池儲(chǔ)能系統(tǒng)直到停止連鎖反應(yīng)為時(shí)已晚時(shí)才會(huì)啟動(dòng)。在發(fā)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(huì)以可檢測(cè)的濃度出現(xiàn)。 
 
       簡而言之，這些技術(shù)是對(duì)熱失控的被動(dòng)反應(yīng)，而不是主動(dòng)預(yù)防。即使一塊電池已經(jīng)達(dá)到冒煙或著火的程度，要阻止其火勢(shì)蔓延到周圍的電池也可能為時(shí)已晚。 
 
       在熱失控前進(jìn)行初始排氣（廢氣）檢測(cè)
 
       檢測(cè)鋰離子電池故障的早期跡象對(duì)于使操作人員和關(guān)閉措施能夠及時(shí)主動(dòng)響應(yīng)，以防止熱失控和災(zāi)難性的（通常是爆炸性的火災(zāi)）至關(guān)重要。 
 
       安全機(jī)構(gòu)DNV的一項(xiàng)研究測(cè)試了三種技術(shù)，以評(píng)估鋰離子電池故在檢測(cè)潛在熱失控早期跡象方面的響應(yīng)時(shí)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(cè)可燃?xì)怏w或溶劑蒸氣的危險(xiǎn)水平。圖片  
霍尼韋爾建筑技術(shù)公司將廢氣探測(cè)系統(tǒng)控制器安裝在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防控制面板下方
 
       在這三種類型中，廢氣檢測(cè)器的靈敏度和準(zhǔn)確度最高。它們?cè)谂欧艔U氣開始之后的平均響應(yīng)時(shí)間不到10秒，在熱失控開始前的平均響應(yīng)時(shí)間為6分11秒。在熱失控啟動(dòng)之前，LEL和電壓傳感器均未激活。
 
       研究結(jié)果還表明，關(guān)閉措施與廢氣檢測(cè)相結(jié)合有效地防止了熱失控。一旦檢測(cè)到廢氣，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)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。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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