CN110613903A - 一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，涉及消防领域，包括设置在电池预制舱内的火灾报警控制器、BMS电池管理系统、分别通信连接于火灾报警控制器的灭火系统和火灾探测报警系统；火灾探测报警系统设定可燃气体浓度报警的第一报警阈值，当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第一报警阈值时，BMS电池管理系统检测PCS断路器跳闸后，联动火灾报警控制器启动灭火系统；本发明的控制策略采用监测电池预制舱内可燃气体浓度达第一报警阈值联动电池预制舱内灭火系统启动的方式，迅速获知电池失效，最短时间内启动灭火系统，对电池热失控发生的火灾快速灭火和降温冷却，防止电池发生复燃。

Description

一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略

技术领域

本发明涉及消防领域，具体涉及一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略。

背景技术

相关研究表明，磷酸铁锂电池在过充电情况下主要反应形式为持续释放大量的可燃烟雾，持续时间长，一般不会发生主动式着火或者爆炸，但电池热失控过程中会产生大量有毒可燃烟气，在封闭空间内具有爆炸的风险。为了实现锂离子储能电池火灾安全的目标，需要采取各种主动和被动的消防技术与对策，以减轻火场中和火场周边人员的伤亡、减少相关的财产损失，同时还要尽可能的降低火灾对环境的破坏和影响。

目前国内储能电站中单预制舱的消防灭火措施均依据日本规范《电力贮存用电池规程》，采用管网全淹没的气体灭火系统，灭火介质为七氟丙烷。然而，七氟丙烷对于电池储能电站火灾的灭火效能未得到有效验证。已有的灭火实验研究对象均为锂离子单体电池，现有电网侧储能电站中的单个储能电池预制舱容量约为1MW/2MWh，远远高于锂离子单体和模组电池容量，灭火剂扑救储能电站预制舱火灾的灭火效果缺少实验数据支撑。

如何解决灭火剂施加结束后电池火灾复燃的问题，是现有技术研究的难点。由于电池的结构设计特点，灭火剂难以进入电池内部进一步阻断化学反应或者进行冷却，因此需明确不同场景电化学储能系统消防灭火策略，彻底解决灭火剂停止释放后，电池内部的反应余热的降温冷却问题，防止电池发生复燃。

发明内容

本发明目的在于提供一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，通过检测电池预制舱内可燃气体浓度联动灭火系统，有效扑灭由过充引起的磷酸铁锂电池模组火灾，并对起火的磷酸铁锂电池模组降温冷却，防止磷酸铁锂电池模组发生复燃。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，包括如下步骤：在电池预制舱内设置安装火灾报警控制器、BMS电池管理系统、灭火系统和火灾探测报警系统，所述灭火系统和火灾探测报警系统分别通信连接于火灾报警控制器；设置火灾探测报警系统检测可燃气体浓度的第一报警阈值；当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第一报警阈值时，联动BMS电池管理系统检测PCS断路器跳闸后，同时联动火灾报警控制器启动灭火系统。

本发明的控制策略采用监测电池预制舱内磷酸铁锂电池模组热失控、导致电解液泄露产生可燃气体浓度的方式，联动电池预制舱内的灭火系统；通过迅速获知电池失效，最短时间内启动灭火系统，达到快速灭火、有效控制电池热失控蔓延和扩大的目的，降低锂离子储能电池火灾风险，保障锂离子储能电池的安全运行。

进一步的，所述灭火系统为细水雾灭火系统；所述细水雾灭火系统包括细水雾灭火系统管网和在电池预制舱内任一个电池模组内安装的细水雾喷头，所述任一个细水雾喷头连接至细水雾灭火系统管网；所述电池模组包括电池外壳和设置在电池外壳内的电池，所述电池外壳的一个侧板设置有开口，在电池外壳的其他侧板设置有网孔区；所述开口的顶边与电池外壳顶板内表面高度一致，开口的底边不低于电池上表面；所述网孔区横跨所属侧板的整个宽度，网孔区的顶边低于电池外壳顶板内表面15～20cm，网孔区的底边不低于电池上表面；所述细水雾喷头从开口向电池外壳内伸入，细水雾喷头的喷放方向朝向电池上表面和电池外壳顶板内表面之间的区域。该细水雾灭火系统相对于现在普适的圆形喷头，设计了细水雾喷头，细水雾喷头为扁平扇形结构，在扇形曲面上沿弧线方向设置有一排喷水口，一方面是为了减少整个细水雾喷头的厚度，在对现有电池外壳改动不大的情况下使其能够顺利安装在电池外壳内，另一方面沿弧线设置一排喷水口也能够让细水雾迅速布满电池外壳内部空间，其喷射出的是有一定厚度的扇面细水雾，扇面细水雾能迅速扑灭火焰并降低起火模组温度开始冷却，防止电池发生复燃。

进一步的，所述电池上表面距离电池外壳顶板内表面的距离不低于50cm，电池侧表面距离电池外壳侧板内表面的距离不低于20cm，网孔区的开孔率为20～30％。网孔区有利于电池起火时有毒、易燃气雾从电池外壳内排除，减小电池发生爆炸的概率，同时避免温度急剧升高。

进一步的，所述电池预制舱内还设置有可燃气防爆系统，可燃气防爆系统通信连接于BMS电池管理系统；所述火灾探测报警系统设置有检测可燃气体浓度的第二报警阈值，第二报警阈值小于第一报警阈值，当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第二报警阈值时，联动BMS电池管理系统启动可燃气防爆系统，可燃气防爆系统为设置在电池预制舱内的防爆电动风机，防爆电动风机用于降低电池预制舱内的可燃蒸汽和可燃气体的浓度。通过在可燃气体浓度较低时，先采用防爆电动风机向电池预制舱外排除可燃气体，降低可燃气体浓度，减小电池预制舱发生爆炸起火的概率，进而避免发生火灾。

进一步的，所述电池预制舱内还设置有感温探测器和感烟探测器，所述感温探测器和感烟探测器分别通信连接于火灾报警控制器；当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第二报警阈值、一个感温探测器动作且舱级PCS断路器跳闸时，或一个感温探测器、一个感烟探测器同时动作且舱级PCS断路器跳闸时，联动火灾报警控制器启动灭火系统。避免由于火灾探测报警系统未响应时，也能启动灭火系统，提高灭火系统启动控制的准确性。

进一步的，所述磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略还包括用于远程监控电池预制舱运行情况的远程监控系统，且当舱级PCS断路器拒跳时，远程监控系统经视频判断火灾阶段后，远程应急启动灭火系统。

所述磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略还包括当舱级PCS断路器拒跳时，启动设置在电池预制舱外全站消防主机上的现场应急按钮，现场应急按钮联动火灾报警控制器启动灭火系统。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，获得了如下有益效果：

本发明公开的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，包括设置在电池预制舱内的火灾报警控制器、BMS电池管理系统、分别连接于火灾报警控制器的灭火系统和火灾探测报警系统；火灾探测报警系统设定可燃气体浓度报警的第一报警阈值，当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第一报警阈值时，BMS电池管理系统检测PCS断路器跳闸后，联动火灾报警控制器启动灭火系统；本发明的控制策略采用监测电池预制舱内可燃气体浓度达第一报警阈值联动电池预制舱内灭火系统启动的方式，迅速获知电池失效，最短时间内启动灭火系统，对电池热失控发生的火灾快速灭火、控制火势蔓延和扩大，防止电池发生复燃。

本发明控制策略中选用的细水雾灭火系统结合电池的结构设计特点，通过在扑灭电池模组上的明火时，吸收电池模组的燃烧热汽化，对电池模组进行快速冷却，因此在灭火后能有效防止电池复燃。此外，本发明的控制策略在相较于传统方案，采用分级预警机制，除了可以实现灭火功能，还可以实现安全预警和控制爆炸；并且本发明策略操作、控制、使用简便，由于快速获得电池失效，迅速启动灭火系统，使得电池体所释放出的可燃蒸汽和可燃气体的量减少，减小对环境污染。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略结构框图；

图2为细水雾喷头在电池模组中的安装结构图；

图3为细水雾喷头及其喷放出的细水雾俯视结构示意图；

图4为细水雾喷头的侧视结构示意图。

图中各标记的具体意义为：

1-电池模组，2-开口，3-网孔区，4-细水雾喷头，4.1-喷水口，4.2-管网连接头，4.3-细水雾。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不定义包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

基于当前如何在灭火剂施加结束后避免电池火灾复燃的问题是电池灭火控制的难点，灭火剂难以进入电池内部阻断化学反应或者进行冷却，因此现有的灭火控制策略对电池的灭火效果差，本发明旨在提出一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，通过采用分级预警机制结合细水雾灭火系统，有效实现磷酸铁锂电池模组的灭火控制，并能防止灭火剂施加结束后电池复燃。

下面结合附图所示的实施例，对本发明的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略作进一步具体介绍。

结合图1所示，一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，包括如下步骤：在电池预制舱内设置安装火灾报警控制器、BMS电池管理系统、灭火系统和火灾探测报警系统，所述灭火系统和火灾探测报警系统分别通信连接于火灾报警控制器；设置火灾探测报警系统检测可燃气体浓度的第一报警阈值，通常第一报警阈值可设定为可燃气体浓度4％LEL，具体实施过程中第一报警阈值的选定需要参考于环境等因素；当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第一报警阈值时，联动BMS电池管理系统检测PCS断路器跳闸后，同时联动火灾报警控制器启动灭火系统。本发明的控制策略采用监测电池预制舱内磷酸铁锂电池模组热失控、导致电解液泄露产生可燃气体浓度的方式，联动电池预制舱内的灭火系统；通过迅速获知电池失效，最短时间内启动灭火系统，达到快速灭火、有效控制电池热失控蔓延和扩大的目的，降低锂离子储能电池火灾风险，保障锂离子储能电池的安全运行；并且通过对起火的磷酸铁锂电池模组降温冷却，防止磷酸铁锂电池模组发生复燃。

所述电池预制舱内还设置有可燃气防爆系统，可燃气防爆系统通信连接于BMS电池管理系统；所述火灾探测报警系统设置有检测可燃气体浓度的第二报警阈值，第二报警阈值小于第一报警阈值，一般可设定为可燃气体浓度2％LEL；当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第二报警阈值时，联动BMS电池管理系统启动可燃气防爆系统，可燃气防爆系统为设置在电池预制舱内的防爆电动风机，防爆电动风机用于降低电池预制舱内的可燃蒸汽和可燃气体的浓度。通过在可燃气体浓度较低时，先采用防爆电动风机向电池预制舱外排除可燃气体，降低可燃气体浓度，减小电池预制舱发生爆炸起火的概率，进而避免发生火灾。

其中，在实施例中，所述可燃气体浓度的第一报警阈值和第二报警阈值均低于现有设备防火防爆检测中可燃气体浓度的设定值。

结合图2至图4所示，本发明为解决现有技术中如何在灭火剂施加结束后避免电池火灾复燃的问题，上述灭火系统为细水雾灭火系统，细水雾灭火系统专为上述问题研究并设计。细水雾灭火系统的具体结构如下：细水雾灭火系统包括细水雾灭火系统管网和在电池预制舱内任一个电池模组1内安装的细水雾喷头4，所述任一个细水雾喷头4连接至细水雾灭火系统管网；其中，所述电池模组2包括电池外壳和设置在电池外壳内的电池，所述电池外壳的一个侧板设置有开口2，在电池外壳的其他侧板设置有网孔区3；所述开口2的顶边与电池外壳顶板内表面高度一致，开口2的底边不低于电池上表面；所述网孔区3横跨所属侧板的整个宽度，网孔区3的顶边低于电池外壳顶板内表面15～20cm，网孔区3的底边不低于电池上表面；所述细水雾喷头4从开口2向电池外壳内伸入，细水雾喷头2的喷放方向朝向电池上表面和电池外壳顶板内表面之间的区域，并且至少有一个细水雾喷头2伸入电池外壳内。本发明的细水雾灭火系统相对于现在普适的圆形喷头，专设了细水雾喷头4，细水雾喷头4为扁平扇形结构，在扇形曲面上沿弧线方向设置有一排喷水口4.1，一方面是为了减少整个细水雾喷头4的厚度，在对现有电池外壳改动不大的情况下使其能够顺利安装在电池外壳内，另一方面沿弧线设置一排喷水口也能够让细水雾喷头4喷放出的细水雾迅速布满电池外壳内部空间，其喷射出的是有一定厚度的扇面细水雾，扇面细水雾能迅速扑灭火焰并降低起火模组温度开始冷却，防止电池发生复燃。

相对于现有技术，附图所示的实施例中对现有的电池外壳进行了开设开口2和打孔形成网孔区3的处理，对电池和电池外壳内壁的间距进行了限制。基于磷酸铁锂储能电站内电池失火会发生电解液飞溅、并伴随有毒、易燃气雾释放的情况发生，因此实施中对电池和电池外壳内壁的间距设计，是考虑到液体飞溅的情况能够限制在电池外壳内，而不会飞溅的电池预制舱内，同时液体也不会飞溅至堵塞网孔区3的网孔；基于上述因素限制，对电池和电池外壳内壁之间的间距有最小间距的考量，实施例中所述电池上表面距离电池外壳顶板内表面的距离不低于50cm，电池侧表面距离电池外壳侧板内表面的距离不低于20cm，网孔区的开孔率为20～30％，此时几乎就不存在液体飞溅至电池外壳以外区域(即电池预制舱内)的情况发生。

当然，顶部间距也不适合过大，过大会增加整个电池外壳的尺寸，间接增大了电池预制舱的体积；因此，优选的实施例中，顶部间距在50～80cm、侧面间距在20～36cm较为适宜，该间距也较利于细水雾喷头喷射出的细水雾能够透过网孔区扩散到电池预制舱内。

当磷酸铁锂电池模组中电池发生火灾时，有毒、易燃气雾会聚积在电池外壳内，温度升高伴随气雾的增加，会增加电池发生爆炸导致火灾的概率；因此为让有毒、易燃气雾能够排出电池外壳，同时尽可能避免电池外壳内温度快速提升，在电池外壳上设计了网孔区3，网孔区3有利于电池起火时有毒、易燃气雾从电池外壳内排除，减小电池发生爆炸的概率，同时避免温度急剧升高；同时，当火灾发生后细水雾灭火系统启动时，细水雾也能够通过网孔区扩散到电池预制舱内，对电池预制舱进行降温。

据此，在具体实施过程中网孔区3的开孔率是有一定要求的，太大不能起到防止液体飞溅的目的，太小又不便于排出气雾，经过对气雾排出情况观察和多次试验，设计开孔区域的开孔率为20～30％时，气雾排空速度快、电池升温速度降低；其中，开孔率计算方法为在考察区域内，开孔镂空面积占考察区域棉结的百分比。

进一步结合附图所示的实施例中，电池外壳侧壁存在15～20cm的禁止开孔区域设计，该设计是基于考虑到电解液等液体飞溅到电池外壳顶部时会产生一定的反弹，若没有侧面的遮挡，容易透过网孔区飞溅到电池外壳外部区域，仅将液体飞溅情况限制在电池外壳内部的效果，避免液体飞溅至电池外壳外部区域导致的火势蔓延；通过对失火电池的液体飞溅情况观察和多次试验，电池外壳侧壁设计禁止开孔区域效果非常明显和有效。

进一步的结合图1所示的灭火系统控制策略结构框图，所述电池预制舱内还设置有感温探测器和感烟探测器，所述感温探测器和感烟探测器分别通信连接于火灾报警控制器；当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第二报警阈值、一个感温探测器动作且舱级PCS断路器跳闸时，或一个感温探测器、一个感烟探测器同时动作且舱级PCS断路器跳闸时，联动火灾报警控制器启动灭火系统；该设计有利于避免由于火灾探测报警系统未响应或失控时，也能启动灭火系统，提高灭火系统启动控制的准确性。

另外本发明公开的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略还包括用于远程监控电池预制舱运行情况的远程监控系统，且当舱级PCS断路器拒跳时，远程监控系统经视频判断火灾阶段后，远程应急启动灭火系统；所述磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略还包括当舱级PCS断路器拒跳时，启动设置在电池预制舱外全站消防主机上的现场应急按钮，现场应急按钮联动火灾报警控制器启动灭火系统，其中现场消防机构通常为手动消防按钮。当在施工、调试或检修过程中发生预制舱电池火灾时，也可以远程启动该灭火系统进行灭火，当火势轻微处于初起阶段时，工作人员可以使用存放在现场的便携式灭火设施进行控火、灭火工作。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，包括如下步骤：

在电池预制舱内设置安装火灾报警控制器、BMS电池管理系统、灭火系统和火灾探测报警系统，所述灭火系统和火灾探测报警系统分别通信连接于火灾报警控制器；

设置火灾探测报警系统检测可燃气体浓度的第一报警阈值；

当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第一报警阈值时，联动BMS电池管理系统检测PCS断路器跳闸后，同时联动火灾报警控制器启动灭火系统。

2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述灭火系统为细水雾灭火系统；

所述细水雾灭火系统包括细水雾灭火系统管网和在电池预制舱内任一个电池模组内安装的细水雾喷头，所述任一个细水雾喷头连接至细水雾灭火系统管网；

所述电池模组包括电池外壳和设置在电池外壳内的电池，所述电池外壳的一个侧板设置有开口，在电池外壳的其他侧板设置有网孔区；所述开口的顶边与电池外壳顶板内表面高度一致，开口的底边不低于电池上表面；所述网孔区横跨所属侧板的整个宽度，网孔区的顶边低于电池外壳顶板内表面15～20cm，网孔区的底边不低于电池上表面；

所述细水雾喷头从开口向电池外壳内伸入，细水雾喷头的喷放方向朝向电池上表面和电池外壳顶板内表面之间的区域。

3.根据权利要求2所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述电池上表面距离电池外壳顶板内表面的距离不低于50cm，电池侧表面距离电池外壳侧板内表面的距离不低于20cm，网孔区的开孔率为20～30％。

4.根据权利要求2所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述细水雾喷头为扁平扇形结构，在扇形曲面上沿弧线方向设置有一排喷水口。

5.根据权利要求1所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述电池预制舱内还设置有可燃气防爆系统，可燃气防爆系统通信连接于BMS电池管理系统；

所述火灾探测报警系统设置有检测可燃气体浓度的第二报警阈值，当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第二报警阈值时，联动BMS电池管理系统启动可燃气防爆系统。

6.根据权利要求5所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述可燃气体浓度的第二报警阈值小于第一报警阈值。

7.根据权利要求5所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述电池预制舱内还设置有感温探测器和感烟探测器，所述感温探测器和感烟探测器分别通信连接于火灾报警控制器；

当火灾探测报警系统对可燃气体浓度的检测值到达第二报警阈值、一个感温探测器动作且舱级PCS断路器跳闸时，或一个感温探测器、一个感烟探测器同时动作且舱级PCS断路器跳闸时，联动火灾报警控制器启动灭火系统。

8.根据权利要求5所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述可燃气防爆系统启动为开启设置在电池预制舱内的防爆电动风机，防爆电动风机用于降低电池预制舱内的可燃蒸汽和可燃气体的浓度。

9.根据权利要求1所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略还包括用于远程监控电池预制舱运行情况的远程监控系统，且当舱级PCS断路器拒跳时，远程监控系统经视频判断火灾阶段后，远程应急启动灭火系统。

10.根据权利要求1所述的磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略，其特征在于，所述磷酸铁锂储能电站电池预制舱灭火系统控制策略还包括当舱级PCS断路器拒跳时，启动设置在电池预制舱外全站消防主机上的现场应急按钮，现场应急按钮联动火灾报警控制器启动灭火系统。