CN115006760A - 一种储能电池舱热失控梯级抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，该方法分为前后两级的梯级抑制；第一级是在储能电池正常运行的状态下，通过局部降温减少预制舱内电池簇的温度不一致性，达到从源头上抑制热失控的目的；第二级是在热失控发生时，持续性地对热失控采取抑制措施，防止热蔓延地发生，将财产和人员的损失降到最低。本发明用以较低成本解决大规模电化学储能电站中储能电池运行温度不均及热失控问题，避免现有方法中存在的一些安全隐患和缺陷。

Description

一种储能电池舱热失控梯级抑制方法

技术领域

本发明属于电化学储能电站技术领域，具体涉及一种储能电池舱热失控梯级抑制方法。

背景技术

电化学储能电站是目前消纳太阳能、风力等清洁能源发电的重要手段。其中，预制舱式电池储能系统是电化学储能电站中主要采用的建造形式。预制舱式电池储能系统是将储能锂离子储能电池以及其配套的管线、电池管理系统(BMS,battery manager system)、降温消防设备和支撑结构等部件由制造厂商预先整合安装在金属舱中，在运输至现场后经过安装调试后投入使用，这种方法减少了储能电站的繁琐的建设步骤，凭借其易安装、容量大和可移动的优点，在储能电站工程中被广泛采用。锂离子电池作为预制舱储能系统中的主要元件，在遭受热滥用、电滥用以及机械滥用的情况下发生热失控现象，产生大量的热和有毒气体，如不及时进行处理，有进一步引发火灾和爆炸事故的可能性，造成设备的损坏和人员的伤亡。此外，储能电站的设计容量大、单电池数量多，一个预制电池舱中的锂电池数量约9000～10000块，兆瓦级的储能电站中运行有十几到几十个电池舱，如此庞大的电池数量提高了发生热失控的可能性，加深了发生热失控后的危害程度，因此热失控问题必须得到生产厂商和运维单位的足够重视。

目前，储能电站中应对热失控的方法主要参照了电气设备火灾的灭火流程，在发生火灾后直接采用喷洒细水雾或七氟丙烷灭火。细水雾是通过撞击、气动、高压及超声波等多种方式产生的细小水微粒，喷洒于火灾现场，以达到冷却吸热，水蒸气窒息等作用。但细水雾流动性大，蒸发潜热小且难以在易燃物上停留。且高温产生的大量蒸汽在封闭的预制舱内无法快速泄出，可能有导致膨胀爆炸的后果。此外，锂电池模组两极之间始终存在电压，不能从根本上切断电源，在接触细水雾积聚成的水后后可能会引起短路，形成正常电池的外短路，从而导致二次事故的发生；更严重的是，电池模组电极在接触水后会触发电解水反应产生氢气，与空气混合后形成易燃易爆气体，一旦遭遇明火后可能造成更加严重的爆炸事故。而采用七氟丙烷气体灭火系统需要独立设置消防管道和存放场地，同时对存储密封水平要求高，需要定期对其进行检测和更换，耗材和维护成本昂贵；在进行锂电池热失控灭火时，储能电池由于锂离子较为活泼，在初次扑灭后依然存在复燃的可能性，火情往往会持续在1小时以上，在此期间需要持续喷洒七氟丙烷气体进行降温，进一步提高了储能电站的建设和维护成本。因此，目前单纯利用细水雾和七氟丙烷喷洒应对热失控的方案并不能完全适用于储能电站中预制式电池舱的热失控情况，其在灭火效果、安全性和经济性方面都有待提高。喷洒细水雾和七氟丙烷的两种方式降温效果差，对储能电池的热失控抑制效果有限。

中国专利CN 111249652A一种应用于磷酸铁锂储能电池的细水雾灭火装置和方法，该发明专利提出了一种应用于磷酸铁锂储能电池的细水雾灭火装置和方法，可对舱式磷酸铁锂电池模组火灾进行精准扑灭。该专利在抑制电池火灾时仅考虑了单一的细水雾灭火介质，灭火效果有限；同时该方法还存在引发外短路和二次事故的可能性，存在一定隐患；该专利的方案中，提出“在电池火灾熄灭后采用高压细水雾(10MPa)连续喷淋10分钟，遏止锂离子电池模组复燃”，但是实际情况中，储能电池在发生热失控会然后达60分钟以上，此专利方案中的10分钟过短，不足以充分保证预制舱内设备安全。

中国专利113663254 A一种储能电站电池箱声学低压细水雾灭火防控装置，该发明专利目的在于对锂电池早期热失控行为进行有效抑制，起到了“消”和“防”的双重保护作用。即锂电池火灾的扑灭受氮气和细水雾的双重作用，氮气充当抑制剂，可稀释氧气浓度；细水雾快速蔓延至整个电池箱空间，箱内温度迅速降低，从而迅速扑灭火灾。当电池箱内温度达到临界点时，系统开启喷雾，喷雾时间不小于灭火时间，细水雾迅速弥散至整个电池箱空间，使箱内温度迅速降低。可进行三到四次的间隙喷雾，从而实现对锂电池早期热失控行为的有效抑制。该专利在抑制热失控的过程中采用了水雾和氮气，但未考虑到预制舱密闭空间内的气体膨胀隐患，预制舱在正常运行时为了控制舱内温度，通常采用密封或者半密封的设计，在舱内直接喷洒水雾和氮气容易引起舱内压力升高，在热失控温度急速升高的场景下，存在气体膨胀爆炸的隐患；此外，发明中提出“普通水在6000V下正常灭火不导电；如果选用蒸馏水，可以在高压10KV条件下灭火不导电”，但是未考虑到细水雾在集聚后可能溶解了设备上的细小灰尘，导致导电性升高，依然存在电池外短路的风险。

中国专利109432634 A一种集装箱式锂离子电池储能系统的消防方法，该发明通过三级预警和三级响应，在集装箱内储能单元中锂离子电池发生热失控的初期就迅速点对点灭火，并通过液冷、细水雾、七氟丙烷和全氟己酮防止热失控的传播，使用水幕、水喷淋灭火等方式有效的阻碍火焰和热量在储能集装箱间传播，有效降低人员伤亡和财产损失。该专利中提出对于159.6Wh单体电池需准备全氟己酮灭火剂用量约1.6～1.7kg，体积约1.0～1.06L，如仅仅为单一预制舱预备全氟己酮灭火剂则需要9到10吨灭火剂，从成本角度考虑不切实际；此外，全氟己酮和七氟丙烷等新一代灭火剂对密封要求较高，对增加了大量建设和维护成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，用以较低成本解决大规模电化学储能电站中储能电池运行温度不均及热失控问题，避免现有方法中存在的一些安全隐患和缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，该方法分为前后两级的梯级抑制；

第一级是在储能电池正常运行的状态下，通过局部降温减少预制舱内电池簇的温度不一致性，达到从源头上抑制热失控的目的；

第二级是在热失控发生时，持续性地对热失控采取抑制措施，防止热蔓延地发生，将财产和人员的损失降到最低。

本发明进一步的改进在于，第一级的具体实现步骤如下：

1)以小于等于100毫秒为周期，采集预制舱中各电池簇的温度和电压传感器采集信息，并上传至BMS；

2)以电压在骤降热失控判断指标，判断是否发生热失控；在发生热失控时直接进入下一级灭火抑制；未发生热失控则进行下一步步骤；

3)通过预制舱内各簇实时运行温度，计算舱内温度不一致性，以温度不一致性作为降温指标；

4)在温度不一致性超过阈值后，开放预制舱通风装置，保证预制舱内外气压平衡，在动作传感器检测预制舱内无工作人员后，通过指向性的喷头间歇性喷洒液氮进行局部降温；

5)在温度降低后，继续间歇喷洒液氮，并通过温度传感器持续监测温度变化情况，监测时间内温度无异常后则关闭通风装置。

本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：

6)向站内数据库库上传此次动作日志，向值班人员发信，提醒人员对异常电池簇进行人工复检。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，电压骤降指的是数秒内降低到0V。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，温度不一致性σ是将电池温度数据的标准差计算所获得的，计算方法如下：

首先计算该时刻关键位置单电池的平均温度

计算公式为：

随后计算温度的不一致性系数，计算公式为：

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，继续每隔15秒喷洒液氮15分钟。

本发明进一步的改进在于，第二级的具体实现步骤如下：

1)在检测到热失控发生时，立即在现场发出声、光警报，提醒人员舱内人员疏散，并将该预制舱解除负载，使所有电池回到静置状态；

2)结合电压和温度信息确定热失控电池簇舱内坐标，并向运维单位和消防机构发信，报告热失控位置；

3)根据电池簇舱内坐标向热失控电池簇及相邻电池簇喷洒七氟丙烷进行灭火，并持续上传温度信息，向运维单位和消防机构报告火情；

4)在热失控得到控制后，改为间歇性喷洒七氟丙烷，并持续监测温度；同时向站内数据库库上传此次动作日志；

5)设定内热失控位置温度不升高，则停止喷洒七氟丙烷，提示现场值班人员和消防人员开舱进行检查。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，每15秒喷洒七氟丙烷1小时。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，如1小时内热失控位置温度不升高，则停止喷洒七氟丙烷。

相较于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、提供了前后两级的梯级热失控抑制方法，以提前降温减少热失控发生的几率，用低成本的液氮代替部分大量七氟丙烷，降低了储能电站的建设、维护和消防成本，减少了电气设备因接触细水雾等常见灭火介质而造成的损坏、报废的风险；

2、第一级以降温为目的抑制方法可以从源头上降低发生热失控的风险，降低了储能电池在运行中产生的温度不一致性，延长了储能电池的使用寿命，减少了储能电站因频繁更换储能电池而产生的成本；

3、第一级抑制方法在执行时增加了检测舱内有无工作人员的步骤，避免了工作人员因舱内充满氮气而窒息的危险情况；

4、第一级抑制方法采用了喷洒液氮来进行降温，液氮的价格相较于七氟丙烷和全氟丙烷等灭火介质的价格低廉，存放便捷，更换简易，性质稳定，不导电，降温效果优异，在气化后无任何残留，适合在储能电站中储存备用；

5、第一级抑制方法在喷洒液氮前开放了预制舱的通风装置，保证了预制舱内外气压的平衡，避免了因液氮气化体积膨胀而造成的爆炸风险；

6、第二级抑制方法在热失控发生后发出声、光警报，最大程度的避免了现场操作人员因爆炸、燃烧或者窒息而造成的伤害；

7、第二级抑制方法在热失控发生后立即将负载解除，防止因电压剧烈波动对PCS等设备造成的冲击；

8、本级中的灭火剂为七氟丙烷，相比其他灭火剂，此类灭火剂不仅清洁高效，且灭火后对电池模块的破坏较小。

9、第二级抑制方法在确认热失控部位后，不仅对失控部位进行抑制，还对周边未发生热失控的电池簇提前采取措施，防止热失控的发生；

10、第二级抑制方法，在热失控得到控制后，改为每15秒间歇性喷洒七氟丙烷，持续时间为1小时，节约了灭火介质同时也防止了热失控的储能电池在此复燃。

附图说明

图1为电池舱热失控梯级抑制方法流程图。

图2为预制舱平面示意图。

其中：1为预制舱通风装置进气口；2为PCS；3为储能电池簇，该型号的预制舱中共计24个电池簇，每12个相邻并沿预制舱舱壁安置；4为液氮、七氟丙烷管道与喷头安置处；5为预制舱舱壁；6为预制舱通风装置出气口。

具体实施方式

本发明提供了一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，该方法根据了储能电池舱局部发热情况和热失控发生情况，逐级采取精准措施，保障储能电池舱及储能电站安全运行。本方法的具体实施过程如下:

本发明提供的储能电池舱热失控梯级抑制方法流程图如图1所示在储能电池运行时，BMS通过部署在储能电池簇内的传感器，每间隔100毫秒，获取储能电池的实时电压和温度信息。根据对24个电池簇中获取到的实时信息的检测，判断该储能电池预制舱中是否同时存在温度异常以及电压骤降的情况发生。若不存在上述现象，则在第一级抑制方法中进行进一步判断；若存在温度异常和电压骤降的情况，则直接进入第二级进行热失控抑制。

当进行第一级抑制方法时，对当前电池运行温度数据，在本预制舱范围内进行温度不一致性计算。

本发明温度不一致性σ是将电池温度数据的标准差计算所获得的，计算方法如下：

首先计算该时刻关键位置单电池的平均温度

计算公式为：

随后计算温度的不一致性系数，计算公式为：

当电池温度不一致性超过阈值σ_threshold(温度不一致性阈值由生产厂商和运行、维护和管理机构根据本站运行情况特点商议指定)时，立即通过动作传感器检测舱内是否存在工作人员，若存在工作人员，则发出声、光警告，提醒人员及时疏散。在确认舱内无人后，启动预制舱的通风装置，通过每簇电池前设置的指向性喷头(位置位于图2中4的位置)每间隔5秒喷洒液氮，并持续检测电池温度信息。当局部温度降低且不一致性低于阈值时，改为每间隔15秒喷洒一次液氮，持续时间为15分钟，并持续监测温度变化情况，在15分钟内温度正常的情况下，关闭通风装置。最后将该次包含时间、位置的动作日志上传至站内的数据库，同时向值班工作人员发信，提醒人员对异常电池簇进行人工复检。

在进行第二级抑制方法时，现场首先发出声、光警报，提醒舱内工作人员立即疏散。同时接触该预制舱的负荷，使所有电池回归到静置状态，以防止造成更大的事故。结合BMS采集到的电池电压信息和温度信息，确定发生热失控的电池簇数量和坐标，将信息发送给运维单位和消防机构。根据电池簇舱内坐标向热失控电池簇及相邻电池簇(预制舱内电池簇布局见图2，1为预制舱通风装置进气口，2为PCS，3为储能电池簇，4为液氮、七氟丙烷管道与喷头安置处，5为预制舱舱壁，6为预制舱通风装置出气口)不间断喷洒七氟丙烷进行灭火，并持续上传温度信息，向运维单位和消防机构报告火情。当热失控得到控制后，改为间歇喷洒(每隔15秒)喷洒七氟丙烷1个小时，保证热失控被完全抑制且不发生复燃。随后向数据库上传该次动作的时间、位置日志。并提示现场值班工作人员和消防人员进入舱内进行检查。

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

假设储能电池舱在运行过程中的某一时刻发生了舱内温度不一致的情况，且舱内无工作人员。此时，一级抑制系统会启动以阻止温度不一致现象的加剧，具体实现过程如下：电压传感器并未检测到电压骤降，但温度传感器检测出舱内温度不一致性超出阈值，则一级抑制系统启动，动作传感器检测出舱内没有工作人员后，通风装置和液氮喷射装置开始工作，进行舱内降温，直至温度不一致性数值恢复正常，并上传此次动作日志，向值班人员发信。

假设储能电池舱在运行过程中的某一时刻，某处电池簇发生了热失控故障，且舱内有工作人员值守。此时，二级抑制系统会启动以控制火情的发展。具体实现过程如下：电压传感器检测到电压骤降，同时温度传感器检测到温度异常，则二级抑制系统启动，解除热失控电池舱的负载并发出声、光警报以驱散现场人员。在确认了热失控坐标之后，上报给运维和消防机构，同时开始向热失控电池簇及周边电池簇喷洒七氟丙烷进行灭火，直至温度不再升高。之后改为间歇性(每15秒)喷洒七氟丙烷，持续1小时，在此期间不断将舱内温度进行上报。1小时后若无复燃现象发生，则结束二级抑制系统的运行，上报此次运行的动作日志并提示值班人员和消防人员对电池舱进行开舱检查。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，但本发明并不局限于以上所描述的实施方式。凡是按照本发明提出的技术思想，在不脱离本发明原理和精神的情况下在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，该方法分为前后两级的梯级抑制；

第一级是在储能电池正常运行的状态下，通过局部降温减少预制舱内电池簇的温度不一致性，达到从源头上抑制热失控的目的；

第二级是在热失控发生时，持续性地对热失控采取抑制措施，防止热蔓延地发生，将财产和人员的损失降到最低。

2.根据权利要求1所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，第一级的具体实现步骤如下：

1)以小于等于100毫秒为周期，采集预制舱中各电池簇的温度和电压传感器采集信息，并上传至BMS；

2)以电压在骤降热失控判断指标，判断是否发生热失控；在发生热失控时直接进入下一级灭火抑制；未发生热失控则进行下一步步骤；

3)通过预制舱内各簇实时运行温度，计算舱内温度不一致性，以温度不一致性作为降温指标；

4)在温度不一致性超过阈值后，开放预制舱通风装置，保证预制舱内外气压平衡，在动作传感器检测预制舱内无工作人员后，通过指向性的喷头间歇性喷洒液氮进行局部降温；

5)在温度降低后，继续间歇喷洒液氮，并通过温度传感器持续监测温度变化情况，监测时间内温度无异常后则关闭通风装置。

3.根据权利要求2所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

6)向站内数据库库上传此次动作日志，向值班人员发信，提醒人员对异常电池簇进行人工复检。

4.根据权利要求2所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，步骤2)中，电压骤降指的是数秒内降低到0V。

5.根据权利要求2所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，步骤3)中，温度不一致性σ是将电池温度数据的标准差计算所获得的，计算方法如下：

首先计算该时刻关键位置单电池的平均温度

计算公式为：

随后计算温度的不一致性系数，计算公式为：

6.根据权利要求2所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，步骤5)中，继续每隔15秒喷洒液氮15分钟。

7.根据权利要求1所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，第二级的具体实现步骤如下：

1)在检测到热失控发生时，立即在现场发出声、光警报，提醒人员舱内人员疏散，并将该预制舱解除负载，使所有电池回到静置状态；

2)结合电压和温度信息确定热失控电池簇舱内坐标，并向运维单位和消防机构发信，报告热失控位置；

3)根据电池簇舱内坐标向热失控电池簇及相邻电池簇喷洒七氟丙烷进行灭火，并持续上传温度信息，向运维单位和消防机构报告火情；

4)在热失控得到控制后，改为间歇性喷洒七氟丙烷，并持续监测温度；同时向站内数据库库上传此次动作日志；

5)设定内热失控位置温度不升高，则停止喷洒七氟丙烷，提示现场值班人员和消防人员开舱进行检查。

8.根据权利要求7所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，步骤4)中，每15秒喷洒七氟丙烷1小时。

9.根据权利要求7所述的一种储能电池舱热失控梯级抑制方法，其特征在于，步骤5)中，如1小时内热失控位置温度不升高，则停止喷洒七氟丙烷。

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