减轻锂离子电池储能系统的危害

  日期：2024-02-17 作者: 成功案例

  电池储能系统使用电池和其他电气设备的布局来存储电能。这些安装慢慢的变多地用于住宅、商业、工业和公用事业应用，以实现调峰或电网支持，从大型室外和室内站点（例如仓库型建筑）到模块化系统。集装箱系统是一种模块化设计形式，已成为高效集成电池储能系统项目的流行手段。

  由于响应时间快，锂离子电池储能系统可用于稳定电网、调节电网频率、提供应急电力或工业规模的调峰服务，降低最终用户的电力成本。然而，高功率和快充循环会给电池带来压力，导致电池跟着时间的推移而衰减，这不利于安全。

  在过去的四年里，世界各地有三十多个大型电池储能系统出现故障，导致火灾，在某些情况下还引发爆炸。考虑到这样一些问题，专业技术人员和当局需要制定和实施战略来预防和减轻电池储能系统火灾和爆炸危险。NFPA 855（储能系统安装标准）和国际消防法规第 1207 章（电能存储系统）中提供的指南是第一步。

  预防和缓解措施应针对热失控，这是迄今为止最严重的电池储能系统故障模式。若无法阻止热失控，最严重的后果是火灾和爆炸。

  锂离子电池电芯的热失控本质上是锂离子电池储能系统起火或爆炸的根本原因。在各种导致短路的情况下，电池可能会发生热失控，其中存储的化学能转化为热能。如果该过程无法充分冷却，温度就会升高，从而加剧反应，因此导致电池破裂并释放出易燃和有毒气体。热失控最常见的引发事件包括：

  在电池储能系统中，最重要的障碍之一是电池管理系统（BMS），它通过确保电池系统在安全参数范围（例如荷电状态、温度）内运行来提供主要的热失控保护。在 UL 9540 认证的 BESS 中，BMS 监视、控制和优化电池模块的性能，并在出现不正常的情况时将其与系统断开。BMS还提供电池的充电和放电管理。

  当出现欠压、过压、过温、过流等情况时，BMS会报警并限制充放电电流或功率。在紧急状况下，BMS 将停止运行并断开每个电池外壳的电气连接。这是假设 BMS 未损坏且正常运行的情况。然而，如果发生内部电池击穿，BMS 将没办法阻止热失控。

  导致火灾或爆炸的热失控是需要预防或减轻的最严重的危险。虽然已经有一些关于火灾控制和灭火的指导，但许多 BESS 制造商、集成商和最终用户都在努力满足爆炸控制要求。爆炸控制能够最终靠提供以下之一来实现：

  防爆系统按照 NFPA 69（防爆系统标准）设计、安装、操作、维护和测试

  如果根据 NFPA 69 实施防爆系统，则对于运行条件和材料负荷的所有可预见变化，可燃浓度应保持在 LFL 的 25% 或以下。实现这些要求的一种选择是通风或空气稀释。这能够最终靠安装强制通风系统来实现，当气体浓度水平超过预定设定点时，该系统能由气体检测系统自动启动。

  此外，爆燃排气为快速膨胀的气体在发生爆燃时排出外壳创造了一条通道。在自由空气量很少且内部阻碍程度较高的情况下，保护 BESS 外壳可能具有挑战性。在这种情况下，在大多数情况下要基于性能的工程方法，例如计算流体动力学 (CFD)。

  为了允许电池储能系统，越来越需要遵守 NFPA 855，并且国际消防规范 (IFC) 影响了有关这些系统的当地消防规范要求。因此，NFPA 855 和 IFC 用于指导最佳实践以及行业经验（即从故障事件中吸取的教训）。

  以下是能量容量大于 600 kWh 的电池储能系统的最佳实践。这些适用于电池储能系统产品级别，并不普遍适用于各种安装地点。根据电池储能系统的安装的地方，在大多数情况下要考虑其他当地要求和偏好。此外，所有功能均应符合适用的当地规范和标准，包括所列设备的使用。

  危害缓解分析 (HMA)。HMA 有助于识别和缓解电池储能技术造成的危害。HMA 至少应解决 NFPA 855 和 IFC 中确定的故障模式。HMA 可用于分析已安装安全措施的有效性。

  烟雾和火灾探测。烟雾和火灾探测设备要安设在非远程或室内应用的大型 BESS 外壳中。IFC 要求为包含固定电池储能系统的“房间”配备烟雾探测和自动喷水灭火系统。

  消防和灭火。NFPA 855 规定了消防和灭火，但如果项目地点位于偏远且室外，经主管部门和业主双方批准，可以省略。IFC 要求为包含固定电池储能系统的“房间”配备自动喷水灭火系统。如果发生热失控并引发火灾，水是首选的灭火剂。虽然消防喷淋装置没办法阻止慢慢的开始热失控的电池，但它能够控制火势蔓延并减少锂离子电池火灾的危险。

  爆炸控制。NFPA 855 要求采取爆燃通风 (NFPA 68) 或防爆 (NFPA 69) 形式的爆炸控制措施，包括柜式电池储能系统外壳。

  热失控保护。热失控保护是必需的，通常能够最终靠使用经过 UL 1973 认证的电池管理系统来实现。

  尺寸和间隔要求。每个电池储能系统集装箱与相邻结构之间应保持间隔距离，以减少火灾蔓延。考虑到全面的防火测试数据、基于性能的方法或使用工程防火屏障，可以缩短规定的距离。

  电池储能系统是减少碳排放和实现可再生发电技术的主要的因素。在电池储能系统安装的开发和部署持续不断的增加的时代，确保其安全完成很重要。Jensen Hughes 能够在一定程度上帮助您解决与锂离子电池储能和处理相关的独特消防安全挑战，并确保满足建筑和消防规范要求。

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