隨著大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展，在建立智能電網(wǎng)過程中配套的大容量高效電力儲(chǔ)能設(shè)施，既可以有效緩解發(fā)、用電雙方的時(shí)間和空間矛盾，又可以解決以風(fēng)能和太陽為代表的綠色可再生能源發(fā)電直接并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，以提高電能質(zhì)量。隨著可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的井噴式發(fā)展，電力儲(chǔ)能技術(shù)必將成為電網(wǎng)穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行必不可缺的重要環(huán)節(jié)，具有巨大的應(yīng)用前景。目前，儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電、孤立微網(wǎng)、廠網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、電力服務(wù)等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，儲(chǔ)能電站規(guī)模朝著精準(zhǔn)化建設(shè)、大規(guī)模百兆瓦級(jí)級(jí)別發(fā)展。在眾多儲(chǔ)能形式中，電化學(xué)儲(chǔ)能具有能量轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和模塊化等優(yōu)點(diǎn)而得到大力發(fā)展。截至2017 年底，國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模389.8 MW，預(yù)計(jì)到2025 年，國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到10.8 GW，在未來的5~10 a，大規(guī)模電力儲(chǔ)能裝備需求將會(huì)迎來爆發(fā)式增長，儲(chǔ)能市場前景廣闊。其中，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)具有能力密度高、循環(huán)壽命長、無污染和利于規(guī)?；葍?yōu)勢而被大力推廣，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究及應(yīng)用得到迅猛發(fā)展。

由于集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作環(huán)境相對密閉，散熱條件有限，鋰離子電池在充放電過程容易造成熱量的積聚，特別是在極端工況條件下（過充、短路、過溫等），熱量積累易導(dǎo)致電池溫度急劇升高并發(fā)生熱失控，從而引發(fā)鋰離子電池火災(zāi)爆炸事故。近年來，國內(nèi)外鋰離子電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事件時(shí)有發(fā)生。2018 年6 月，韓國慶山變電站電池過熱爆炸；2018 年7 月，韓國全羅南道靈巖郡發(fā)電園區(qū)鋰離子電池儲(chǔ)能裝置發(fā)生火災(zāi)，造成706 m2 規(guī)模電池建筑和3 500 余塊鋰離子電池全部燒毀。

為了提高集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體安全性，避免儲(chǔ)能電站火災(zāi)連鎖事故的發(fā)生，有必要針對集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全進(jìn)行深入研究。

1 集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

1.1 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種由若干鋰離子電池簇和電氣設(shè)備組成并放置于密閉空間的單元集合，如圖1 所示。筆者以一套6.6 m 集裝箱式鋰離子儲(chǔ)能消防一體化試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行工程化應(yīng)用及功能驗(yàn)證研究。該平臺(tái)裝機(jī)容量約200 kW/400 kWh，主要包含磷酸鐵鋰離子電池、BMS、PCS、EMS、通風(fēng)采暖、視頻監(jiān)控、消防系統(tǒng)、照明、集裝箱等。

1.2 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

200 kW/400 kWh 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)整體聯(lián)接方案：電池組間內(nèi)部通過銅排連接，電池組至直流配電柜通過電纜連接，電纜通過底部電纜溝進(jìn)入直流配電柜。直流配電柜至PCS 采用電纜經(jīng)由電纜溝接入PCS 直流側(cè)輸入斷路器，PCS 通過隔離變壓器并入市網(wǎng)。電池管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電池工作狀態(tài)信號(hào)的準(zhǔn)確采集，實(shí)現(xiàn)單體電池主要參數(shù)，如電池組端電壓、電流、溫度等的采集，具有電池短路、過充或過放的保護(hù)功能；實(shí)現(xiàn)電池容量和健康診斷計(jì)算。消防管理系統(tǒng)具備火災(zāi)全周期監(jiān)測功能，實(shí)時(shí)采集環(huán)境氣體、煙霧、溫度與火焰數(shù)據(jù)，通過多傳感器復(fù)合判斷方式，有效識(shí)別火災(zāi)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警的功能；通過滅火裝置采用無毒、無損害方式對鋰電滅火。

2 集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防分析

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)滅火設(shè)施現(xiàn)狀及存在的問題

目前，鋰離子電池滅火普遍采用傳統(tǒng)的七氟丙烷滅火裝置，該裝置對大規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的滅火效果尚不明晰。鋰離子電池火災(zāi)與普通火災(zāi)具有較大的不同，其作為能量聚集體，在熱失控發(fā)生后容易引發(fā)周圍電池發(fā)生連鎖燃燒爆炸反應(yīng)，且鋰離子電池在自燃同時(shí)會(huì)釋放氧氣，易出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。國內(nèi)外在集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防裝置研究方面尚處于起步階段，主要沿用傳統(tǒng)的電氣滅火裝置，對鋰離子電池火災(zāi)缺乏針對性，裝置的功能也有待完善。

鋰離子電池火災(zāi)撲救存在的主要問題：

（1）部分電池發(fā)生燃燒爆炸后產(chǎn)生的熱量很快會(huì)波及相鄰放置的電池，如防控不當(dāng)或撲救不及時(shí)，極有可能造成火災(zāi)向周邊儲(chǔ)能單元蔓延擴(kuò)大，從而引起大規(guī)?；馂?zāi)爆炸事故的發(fā)生；

（2）鋰離子電池燃燒產(chǎn)生大量高溫且有毒的濃煙，存在爆炸、中毒危險(xiǎn)，造成環(huán)境污染；

（3）鋰離子電池燃燒熱值大，需要大量消防水冷卻，否則容易復(fù)燃，但大量消防水的使用會(huì)使電池發(fā)生短路燃燒或爆炸，滅火時(shí)間延長，且滅火后需要長時(shí)間監(jiān)控。

2.2 集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)儲(chǔ)能電站容量及功能要求，完成儲(chǔ)能電池選型、電池系統(tǒng)組/串/陣列設(shè)計(jì)研究，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、電壓等要求，電池系統(tǒng)布局如圖2 所示。

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對空調(diào)選型和布局設(shè)計(jì)、散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，并結(jié)合熱-固耦合仿真計(jì)算，完成集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了最佳的散熱效果，保證儲(chǔ)能電池在工作過程中具有良好的通風(fēng)效果，減少電池系統(tǒng)溫升及溫度差異。熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由空調(diào)、整體風(fēng)道、柜體風(fēng)道、風(fēng)扇、溫濕度傳感器等組成，通過對整個(gè)熱管理系統(tǒng)的智能控制，實(shí)現(xiàn)對電池室內(nèi)部環(huán)境溫度的有效控制。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)方案及仿真模擬分析

鋰離子電池在運(yùn)行過程中，由于內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)存在和環(huán)境溫度升高的影響，會(huì)提升電池的內(nèi)腔溫度而使反應(yīng)加??；而在高寒地區(qū)，由于環(huán)境低溫的影響，也會(huì)降低電池內(nèi)的反應(yīng)速度。前者可能導(dǎo)致熱失控而使電池提早失效并產(chǎn)生安全問題，后者也會(huì)降低電池的充放電能力和效率。設(shè)計(jì)了一套電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，確保電池能在合適的溫度下工作，從而提高充放電效率，延長壽命。

空調(diào)頂部出風(fēng)，通過風(fēng)道將冷（熱）風(fēng)均勻的送至每個(gè)電池柜，同時(shí)電池柜設(shè)計(jì)導(dǎo)熱孔，保證冷（熱）量能順利地到達(dá)每個(gè)電池PACK、每個(gè)模組。空調(diào)下部為回風(fēng)口，出風(fēng)及回風(fēng)在集裝箱形成風(fēng)路循環(huán)，其整體系統(tǒng)仿真如圖4所示?？梢钥闯觯瑹峁芾硐到y(tǒng)不僅能使電池的工作溫度嚴(yán)格地控制最佳工作溫度范圍之內(nèi)，系統(tǒng)中電池最低溫度28.6 ℃，最高溫度33.3℃，最大溫差4.7 ℃，且電池之間的溫差也能控制在5 ℃以內(nèi)，取得了明顯的效果。

3 消防一體化試驗(yàn)平臺(tái)方案構(gòu)想

筆者提出一種適用于集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的滅火試驗(yàn)平臺(tái)，其特點(diǎn)在于定點(diǎn)、定位以及耦合滅火。具體方式是在鋰離子電池組柜架背面布置4 組消防管道及滅火劑噴頭陣列，選擇不同類型的滅火劑，如圖5 所示。對于6.6 m 集裝箱鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究水噴淋、細(xì)水霧、氣體、干粉等滅火劑對撲救集裝箱式鋰離子電池火災(zāi)的效果，通過改進(jìn)的管道布局及滅火噴頭，保證在預(yù)警或火警信號(hào)發(fā)出時(shí)，精確定位發(fā)生火災(zāi)的電池組，及時(shí)有效地進(jìn)行滅火。試驗(yàn)系統(tǒng)可以方便有效地進(jìn)行單一方式滅火試驗(yàn)和耦合方式滅火試驗(yàn)，準(zhǔn)確地確定更適合于集裝箱式鋰離子電池火災(zāi)的滅火劑及滅火系統(tǒng)布局方式。同時(shí)，該滅火系統(tǒng)管道可以與風(fēng)道有機(jī)結(jié)合，不占用集裝箱內(nèi)電池組的擺放空間，保證集裝箱內(nèi)的能量密度不受滅火系統(tǒng)的影響。

從集裝箱式鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)本身出發(fā)，通過對集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，指出了其在過充、短路、過溫等極端工況條件下熱量的積累易導(dǎo)致熱失控，從而引發(fā)火災(zāi)事故。搭建了集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)，并對單個(gè)電池簇和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了熱管理仿真分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能使電池的工作溫度嚴(yán)格地控制在最佳工作溫度范圍之內(nèi)，而且電池之間的溫差也能控制在5 ℃以內(nèi)，取得了明顯的效果。在此基礎(chǔ)上，提出了一種定點(diǎn)、定位以及耦合滅火相結(jié)合的集裝箱式鋰離子儲(chǔ)能消防系統(tǒng)。今后，將對其功能性進(jìn)行驗(yàn)證，提高消防系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)其在儲(chǔ)能系統(tǒng)消防的工程應(yīng)用，降低集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。