细水雾有效扑灭磷酸铁锂电池模组火灾，助力储能电站消防安全

  1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院2.国网江苏省电力有限公司   2022-09-20 次浏览

储能作为战略性新兴产业，是促进可再生能源消纳、支撑能源转型的关键技术之一。电化学储能是目前应用最广泛的储能形式，其中，磷酸铁锂电池由于其能量密度大、使用寿命长等优势，已规模化应用于电源侧、电网侧和用户侧储能，成为电化学储能电站的主流技术路线。随着以新能源为主体的新型电力系统建设，储能市场将呈高速增长、规模化发展大势。然而，磷酸铁锂电池在过充、过热、短路等滥用条件下均会发生不受控制的放热副反应，释放大量的热量和可燃性气体，导致电池起火甚至爆炸，严重影响储能电站的安全稳定运行[8-12]。

据统计，近10年全球共发生30余起储能电站起火爆炸事故，造成重大损失。2021年7月30日，澳大利亚300MW/450MWh储能电站项目特斯拉Megapack发生火灾，引起2个电池集装箱持续过火4天，造成严重经济损失。2021年4月16日，北京集美大红门直流光储充一体化电站发生起火爆炸，导致2名消防员牺牲，1名消防员受伤，站内1名员工失联。探究可有效扑灭明火、抑制电池复燃的灭火介质，是解决储能电站消防安全问题的关键手段。

针对储能电池热失控火灾引起的消防安全问题，我国已开展了多种灭火剂研究。其中，细水雾灭火剂由于其优异的灭火、降温和环境友好特性，成为储能电站消防领域研究热点。黄强等[15]采用中压细水雾、Novec1230、七氟丙烷、六氟丙烷4种灭火剂扑救恒流过充诱发热失控至起火的8.8kWh磷酸铁锂储能电池模组，结果表明，中压细水雾能迅速扑灭明火，持续喷射可防止复燃，其他3种灭火剂无法同时实现扑灭明火和防止复燃。

郭莉等[16]分别使用4种不同压强细水雾扑救过充滥用引发的344Ah储能用磷酸铁锂电池模组火灾，结果表明，6MPa及以上细水雾能够有效扑灭磷酸铁锂电池模组火灾，扑灭过程存在冷却和阻隔热辐射机制。赵蓝天等采用细水雾作为灭火剂扑救恒流过充导致的磷酸铁锂电池模组火灾，结果表明，细水雾持续喷洒100s后，2组试验模组温度迅速降低，明火完全扑灭无复燃，灭火效果极佳。

此外，国内外大量研究表明，细水雾由于颗粒直径小、空间分布均匀密集、空中停留时间长，具备良好的电气绝缘性能，用于保护变配电室（400V以下）的低压配电柜、开关柜等电气设备时，在较长的喷放时间内（持续喷放10min）不会导致击穿放电，配电柜的用电安全性不受喷雾影响。GB50898-2013《细水雾灭火系统技术规范》、美国NFPA750《细水雾灭火系统标准》等标准也规定了细水雾灭火系统适用于扑救带电设备火灾。但细水雾灭火剂在持续喷淋过程中对邻近正常储能电池的安全性能、电气性能及附属数据监测装置的功能性影响尚未有相关报道，细水雾喷淋是否会引起正常电池短路、监测装置功能失效等次生灾害的风险尚不明确，限制了其作为高效灭火剂在磷酸铁锂电池储能电站消防系统中的大规模应用。

因此，笔者从细水雾灭火安全性验证机制出发，通过模组级电池实体火灾模拟试验，将细水雾对电池模组的安全性、充放电性能及其二次监测设备的功能性作为可靠性评估的核心指标。通过搭建1∶1真实储能电池舱，以25.6V/326Ah磷酸铁锂电池模组为试验对象，研究细水雾持续喷淋对电池及二次监测设备的性能影响，验证细水雾灭火剂的可靠性，结果表明细水雾未对电池模组及二次监测设备性能产生明显影响。

1细水雾灭火剂可靠性验证试验设计

1.1.1试验样品

试验用磷酸铁锂电池模组样品由3个垂直方向堆叠的磷酸铁锂电池模组和一套电池管理单元（BMU）组成，模组由上至下依次编号1#、2#、3#。磷酸铁锂储能电池模组工作电压25.6V，容量326Ah，由8个容量为326Ah的电池单体串联组成。

1.2.2试验平台

试验用电池模组及支架放置于1∶1拟真试验舱中部，每个模组上方均按照现场实际情况布置侵入式细水雾喷头1个，试验控制、监测设备统一布置试验舱外，平台布置如图1所示。

在试验舱顶部装设8台气体探测器、2台红外摄像仪，2#电池模组装配有1套BMU，通过网线连接到场地外监控主机，实时显示和记录监控画面。

采用工业级可燃气体探测器，进行电池模组细水雾灭火剂喷淋过程中的气体探测，监测CO、H2的体积分数（量程0～1×10-3，分辨率1×10-6），气体探测器探头悬挂于电池模组上方及侧方，通过线路与试验舱外的传感器主机相连，实时显示气体数据。采用BMU和上位机装置，记录试验过程中的单体电压、温度、充放电时间等。

1.3.3试验方案

采用某公司生产的电池充放电平台，对3组电池模块分别进行初始化充电至任一单体或模组截止电压，静置30min后开始充放电性能测试，以120A恒流放电至任一单体或模组的充电终止电压，静置30min后以120A恒流充电至任一单体或模组的充电终止电压。将完成充放电测试的3组满电状态电池模组垂直叠放电池支架置于试验舱中间，开启持续15min的细水雾喷淋，结束喷淋后静置观察2h，过程中实时监测电池电压、温度、舱内CO、H2体积分数、温度等特征参数。试验用水采用试验场地所在地市供自来水，细水雾喷头压力为6MPa，电导率为190μS/cm。喷淋试验完成后，电池模组在试验舱内继续静置48h，待电池表面水分完全蒸发后，对电池模组进行充放电性能测试，以120A恒流放电至任一单体或模组的充电终止电压，静置30min后以120A恒流充电至任一单体或模组的充电终止电压。

2细水雾喷淋试验结果及分析

2.1.1电池模组外观分析

按照试验设定方案，对垂直堆放的3组磷酸电池模组进行持续15min细水雾灭火剂喷淋，过程中实时监测电池电压、温度、舱内CO、H2体积分数及舱内环境和设备温度变化情况。

电池在细水雾喷淋过程及结束后的外观如图2所示。

2h后，3组电池外观均未出现膨胀变形、泄压阀打开、破裂漏液等现象，与电池模组连接的BMU外观未出现异常。电池模组经细水雾喷淋测试后静置观察7d后的外观如图2（c）所示，可见2#、3#模组外壳顶部出现水滴状锈斑，3组电池模组的铝板集流体、总正总负端子等其他部位未见锈蚀痕迹，外观形貌未见明显变化。水滴状锈斑可能是由于淋水试验过程中，位于2#、3#电池模组上方的金属支架底板滴落带有金属粉末的水滴，在两块电池模组顶部形成水滴状锈蚀痕迹。

2.2.2温度场监测分析

按照试验设定，对细水雾喷淋过程及结束后观察期间的电池模组外壳温度进行红外监测，结果如图3所示。

喷淋试验开始前，电池模组温度最高为35℃，试验开始后，电池模组的表面温度明显降低，并随着试验进行趋于平稳，淋水结束时3块电池模组温度整体在30℃左右。喷水结束后30min，最高温度27℃，结束后2h观察期间，由于水分蒸发吸热原因，模组温度持续缓慢下降，在观察结束时刻模组最高温度降至25.2℃。

选取处于中间位置散热相对欠佳的2#模组配置BMU，实时监测2#电池模组中8块电池单体温度，结果如图4所示。

温度监测值变化曲线显示，在684s时刻细水雾喷淋装置启动，同时电池整体温度发生突降，此后保持平稳，未出现明显波动现象，试验启动1h后，电池单体温度出现不同程度下降，其中8#电池单体温度较平稳期下降幅度最大达7℃，较试验前温度下降13℃，原因可能是大量水分的快速蒸发，加剧了电池温度下降幅度。

2.3.3气体在线监测特征参数分析

对试验过程及喷淋结束观察期间舱内H2、CO体积分数进行监测，结果如图5、图6所示。

结果显示，试验过程中H2体积分数曲线较为平滑，未发现明显波动，未检测到H2气体泄漏。由于H2和CO传感器自身电化学测量原理和环境温湿度变化，传感器在高浓度下可以保证精度，在极低浓度下会出现少量误差，这是传感器特性，属于正常现象。测量值有幅值小于15×10-6的离散波动，属正常波动区间。

CO曲线较为平滑，未检测到CO气体泄漏。测量值有幅值小于10×10-6的离散波动，属正常波动区间。

由上述气体监测数据分析可知，满电状态磷酸铁锂电池模组在细水雾持续喷淋作用下无热失控特征气体产生，表明细水雾在储能电站磷酸铁锂电池灭火过程中，不会对周边正常运行电池产生安全威胁。

2.4.4试验过程中电芯电压变化分析

对试验过程及喷淋结后观察期间的2#电池模组单体电压进行监测，如图7所示。

2#电池模组电压监测结果显示，0～684s时间段电池电压稳定在3.33～3.34V，684s喷淋启动，1584s时刻关闭，期间部分电池电压出现不同程度的波动，其中8#电芯电压在水喷淋启动开始下降，1884s（喷水结束5min）时刻电压降至最低点3.308V，最大降幅27mV，此后开始回升，在2244s时刻恢复至喷淋前电压值；6#电芯在喷淋开始1min后（744s时刻）开始出现电压轻微下降，降幅为10mV左右，并在此电压值保拧5min后恢复试验前初始值，1704s时刻，电芯由初始值突降60mV左右，4884s时刻，电芯突升60mV恢复至初始值；5#、7＃电芯在与6＃电芯电压变化相同时刻点发生电压突变，且5#、芦电芯升高、降低值与6＃电芯降低、升高值完全一致。

为确定电压变化原因，将BMU与恒压直流电源连接，在BMU表而水喷淋，监测直流电源电压变化，发现6#、7＃路端电压出现相反的同值波动现象，如图8(a)所示，造成这种现象的常见原因是线束接触不良。为进一步验证，将BMU与电源连接线束紧固处理，确保正常连接后进行水喷淋处理，发现所有线路电压在试验过程中保拧恒定，如图8(b)所示。

2.5试验前后电池模组充放电性能分析

按照试验设定，对试验前后的悝离子电池模组以120A恒流充放电，充电终仆条件为任一单体电压达到3.6v,放电截I卜条件为任一单体电压达到2.8V。1#、2#、3＃模

组试验曲线如图9所示，测试结果如表1所示，可见3组电池模组在淋水试验前后的充放电容晕及效率華本一致，未出现较大波动，说明电池组淋水后未对自身充放电性能产生明显影响。此外，因电池在制备工艺、用料等方而存在差异，不同模组间性能无法完全相同，使得1＃电池模组与2#、3＃电池模组间充放电曲线存在不一致。

3结论

(1)试验采用的磷酸铁悝储能电池模组在细水雾拧续喷淋15min过程中及后续2h观察期间，未出现内部产气、外壳损坏漏液、温度异常升高、电压明显波动、火花放电及燃烧爆炸等异常现象；试验前后磷酸铁悝储能电池模组充放电容晕及效率未出现明显变化；试验结束7d内未观察到电池模组铝板集流体、总正总负端子等部位存在明显锈蚀痕迹，外观形貌未出现异常变化。细水雾喷淋未对电池的安全性及充放电性能产生明显影响。

（2）试验采用的BMU在细水雾持续喷淋15min过程中及后续2h观察期间，数据采集功能正常。细水雾喷淋未对BMU功能产生明显影响。

锂离子电池在高温、过充等滥用工况下易出现热失控，进而引起火灾甚至爆炸。研究结果可以为磷酸铁锂电池储能电站消防灭火系统设计提供基础依据。