隨著大規(guī)模電力儲能技術的迅速發(fā)展，在建立智能電網(wǎng)過程中配套的大容量高效電力儲能設施，既可以有效緩解發(fā)、用電雙方的時間和空間矛盾，又可以解決以風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，電力儲能技術必將成為電網(wǎng)穩(wěn)定、高效、安全運行必不可缺的重要環(huán)節(jié)，具有巨大的應用前景。目前，儲能技術在新能源發(fā)電、孤立微網(wǎng)、廠網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、電力服務等眾多領域應用廣泛，儲能電站規(guī)模朝著精準化建設、大規(guī)模百兆瓦級級別發(fā)展。在眾多儲能形式中，電化學儲能具有能量轉(zhuǎn)換效率高、響應速度快和模塊化等優(yōu)點而得到大力發(fā)展。截至2017 年底，國內(nèi)電化學儲能市場累計裝機規(guī)模389.8 MW，預計到2025 年，國內(nèi)電化學儲能市場累計裝機規(guī)模將達到10.8 GW，在未來的5~10 a，大規(guī)模電力儲能裝備需求將會迎來爆發(fā)式增長，儲能市場前景廣闊。其中，鋰離子電池儲能技術具有能力密度高、循環(huán)壽命長、無污染和利于規(guī)?；葍?yōu)勢而被大力推廣，鋰離子電池儲能系統(tǒng)的研究及應用得到迅猛發(fā)展。

由于集裝箱式鋰離子電池儲能系統(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)鋰離子電池火災爆炸事故。近年來，國內(nèi)外鋰離子電池儲能電站火災事件時有發(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)鋰離子電池儲能裝置發(fā)生火災，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能系統(tǒng)的整體安全性，避免儲能電站火災連鎖事故的發(fā)生，有必要針對集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防安全進行深入研究。

1 集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)構成及其工作原理

1.1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)構成

集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)是一種由若干鋰離子電池簇和電氣設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 集裝箱式鋰離子儲能消防一體化試驗平臺，進行工程化應用及功能驗證研究。該平臺裝機容量約200 kW/400 kWh，主要包含磷酸鐵鋰離子電池、BMS、PCS、EMS、通風采暖、視頻監(jiān)控、消防系統(tǒng)、照明、集裝箱等。

1.2 鋰離子電池儲能系統(tǒng)工作原理

200 kW/400 kWh 鋰離子電池儲能系統(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)可以實現(xiàn)電池工作狀態(tài)信號的準確采集，實現(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、過充或過放的保護功能；實現(xiàn)電池容量和健康診斷計算。消防管理系統(tǒng)具備火災全周期監(jiān)測功能，實時采集環(huán)境氣體、煙霧、溫度與火焰數(shù)據(jù)，通過多傳感器復合判斷方式，有效識別火災信號，實現(xiàn)早期火災發(fā)現(xiàn)和預警的功能；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能系統(tǒng)消防分析

2.1 儲能系統(tǒng)滅火設施現(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)模鋰離子電池儲能系統(tǒng)的滅火效果尚不明晰。鋰離子電池火災與普通火災具有較大的不同，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，且鋰離子電池在自燃同時會釋放氧氣，易出現(xiàn)復燃現(xiàn)象。國內(nèi)外在集裝箱式鋰離子電池儲能系統(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，對鋰離子電池火災缺乏針對性，裝置的功能也有待完善。

鋰離子電池火災撲救存在的主要問題：

（1）部分電池發(fā)生燃燒爆炸后產(chǎn)生的熱量很快會波及相鄰放置的電池，如防控不當或撲救不及時，極有可能造成火災向周邊儲能單元蔓延擴大，從而引起大規(guī)?；馂谋ㄊ鹿实陌l(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，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，否則容易復燃，但大量消防水的使用會使電池發(fā)生短路燃燒或爆炸，滅火時間延長，且滅火后需要長時間監(jiān)控。

2.2 集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)設計

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

（2）儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)設計。通過對空調(diào)選型和布局設計、散熱風道結構和尺寸設計，并結合熱-固耦合仿真計算，完成集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)散熱的優(yōu)化設計，獲得了最佳的散熱效果，保證儲能電池在工作過程中具有良好的通風效果，減少電池系統(tǒng)溫升及溫度差異。熱管理系統(tǒng)結構如圖3 所示，由空調(diào)、整體風道、柜體風道、風扇、溫濕度傳感器等組成，通過對整個熱管理系統(tǒng)的智能控制，實現(xiàn)對電池室內(nèi)部環(huán)境溫度的有效控制。

2.3 儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)方案及仿真模擬分析

鋰離子電池在運行過程中，由于內(nèi)部電化學反應存在和環(huán)境溫度升高的影響，會提升電池的內(nèi)腔溫度而使反應加??；而在高寒地區(qū)，由于環(huán)境低溫的影響，也會降低電池內(nèi)的反應速度。前者可能導致熱失控而使電池提早失效并產(chǎn)生安全問題，后者也會降低電池的充放電能力和效率。設計了一套電池熱管理系統(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，通過風道將冷（熱）風均勻的送至每個電池柜，同時電池柜設計導熱孔，保證冷（熱）量能順利地到達每個電池PACK、每個模組?？照{(diào)下部為回風口，出風及回風在集裝箱形成風路循環(huán)，其整體系統(tǒng)仿真如圖4所示?？梢钥闯?，熱管理系統(tǒng)不僅能使電池的工作溫度嚴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 消防一體化試驗平臺方案構想

筆者提出一種適用于集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的滅火試驗平臺，其特點在于定點、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 集裝箱鋰離子儲能系統(tǒng)，研究水噴淋、細水霧、氣體、干粉等滅火劑對撲救集裝箱式鋰離子電池火災的效果，通過改進的管道布局及滅火噴頭，保證在預警或火警信號發(fā)出時，精確定位發(fā)生火災的電池組，及時有效地進行滅火。試驗系統(tǒng)可以方便有效地進行單一方式滅火試驗和耦合方式滅火試驗，準確地確定更適合于集裝箱式鋰離子電池火災的滅火劑及滅火系統(tǒng)布局方式。同時，該滅火系統(tǒng)管道可以與風道有機結合，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能系統(tǒng)本身出發(fā)，通過對集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)特點的分析，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致熱失控，從而引發(fā)火災事故。搭建了集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)，并對單個電池簇和整個系統(tǒng)進行了熱管理仿真分析。結果表明，該系統(tǒng)不僅能使電池的工作溫度嚴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。在此基礎上，提出了一種定點、定位以及耦合滅火相結合的集裝箱式鋰離子儲能消防系統(tǒng)。今后，將對其功能性進行驗證，提高消防系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)其在儲能系統(tǒng)消防的工程應用，降低集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的運行風險。