作者：于東興1,2,3, 李煌4, 霍明帥1, 李志昕1, 李強5
單位：1. 應急治理部天津消防研討所；2. 工業與公共建筑火災防控技術應急治理部重點實驗室；3.包養 天津市消防平包養網安技術重點實驗室；4. 中國科學技術年夜學火災科學國家重點實驗室；5. 安徽科盾新能安防科技無限公司
援用： 于東興, 李煌, 包養意思霍明帥, 等. 鋰離子電池儲能系統火災克制仿真研討[J]. 儲能科學與技術, 2024, 13(11): 3898-3905.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0446
本文亮點：1.本文通過FDS軟件樹立了20尺儲能集裝箱的全尺寸仿真剖析模子，研討了電池系統的火舒展過程以及二氧化碳、氫氣和一氧化包養碳等特征氣體的擴散規律。2.本文為鋰離子電池儲能系統的平安設計及火災防控技術研討供給一種仿真剖析方式。
摘 要 由于鋰離子儲能系統火災燃爆危險性年夜且實驗本錢高，是以基于模子對儲能系統火災特徵及滅火機能模擬仿真研討具有主要意義。本文通過火災動力學模擬(fire dynamics sim包養網心得ulator, FDS)軟件樹立了20尺(1尺=0.333 m)儲能集裝箱的全尺寸仿真剖析模子，研討了電池系統的火舒展過程以及CO2、H2和CO等特征氣體的擴散規律。結果表白，電池箱著火后，在火源中間地位H2和CO濃度可達到1000 ppm(1 ppm=10-4%)以上，而在集裝箱角落的濃度僅為24~183 ppm；水噴淋滅火系統降溫後果明顯，可以將火焰上部溫度自791 ℃敏捷下降至330 ℃以下叢間的枝條裡發現了可憐的小傢伙。；此外，水噴淋滅火系統會形成電池箱的不完整燃燒，導致部分區域可燃氣體濃度上升。本文的結果旨在為鋰離子電池儲能系統的平安設計及火災防控技術研討供給一種仿真剖析方式。
關鍵詞 儲能系統；鋰離子電池；火舒展；火災動力學模擬；水噴淋
近年來，作為支撐動力轉型的關鍵技術，儲能技術的發展已成為我國實現“雙碳”目標的急切需求。此中，電化學儲能具有建設周期短、響應速率快、布置方法靈活等優點，在儲能領域中遭到廣泛青睞，截至202包養網3年末，全國已投運新型儲能31.39 GW/66.87 GWh，此中鋰離子電池儲能占比最年夜，累計投運總能量達到48.77 GWh。但是，近年來隨著電化學儲能的慢慢發展，活著界各國已發生多起火災、爆炸變亂，在形成經濟損掉與人員傷亡的同時，也在必定水平上阻礙了儲能產業的疾速發展。是以，作為電化學儲能的焦點部件，電池系統的平安性成了儲能行業發展中亟待解決的關鍵問題。
在鋰離子電池的火災危險性和滅火技術實驗方面，國內外學者均開展了大批的研討。Ping等開展了鋰離子電池燃燒實驗，研討表白鋰離子電池在發生熱掉控時會先后經歷初度射流火、陰燃、復燃等多個階段，存在明顯的屢次射流火行為。Russo等對比了干粉、CO2、水噴淋和水霧對電池模組的滅火後果，結果表白水噴淋的滅火和降溫後果加倍優異。
可是以上的研討僅針對單體或許數個電芯發生火災，而年夜尺寸的電池火災的燃爆風險年夜，且實驗本錢高，是以開展相關的模擬仿真研討顯得尤為需要，相關研討者多采用火災動力學模擬(fire dynamics simulator，FDS)和Flacs軟件對儲能系統煙氣擴散、燃燒和爆炸進行仿真研討。王俊她入學時，是他幫忙搬的行李。他還曾經要過她的聯等以單體電芯產氣實驗數據為基礎數據，通過FDS軟件模擬了磷酸鐵鋰離子電池在泄壓閥打開之后，釋放的氣體在模組中的擴散規律。徐成善等以電池產氣測試數據為輸進數據，通過Flacs軟件樹立了兆瓦時級的儲能預制艙模子，剖析了燃爆風險與掉控電池地位和數量的關系。葉祥虎等通過火災動力學模擬軟件研討了細水霧滅火參數對電池模組滅火效力的影響規律，提出了2.0 L/min的流量系數和200 μm的霧滴直徑為最佳滅火參數。
綜上所述，國內外學者在鋰離子電池火災行為和滅火技術實驗方面獲得了較為顯著的研討結果。可是，關于儲能系統的火災克制模擬仿真研討尚處于起步階段，公開的研討結果相對較少。在本文中以鋰離子電池實際熱掉控行為作為邊界條件，通過火災動力學模擬軟件樹立了電池儲能系統火舒展及水噴淋模子，研討水噴淋對儲能系統火舒展過程以及多種特征氣體擴散行為的影響規律。通過該模子，可綜合剖析分歧滅火參數對儲能系統火災的克制後果，為儲能系統的平安設包養行情計供給參考。
1 理論剖析
1.1 包養管道把持方程
在本文中，采用FDS軟件進行電化學儲能系統的燃燒和水噴淋克制模擬仿真任務。FDS計算求解的基礎把持方程重要包含以下方程。
動量守恒方程見式(1)。
(1)
式中，ρ為密度；u為速率；t為時間；
為感化在流體上的外力矢量；p為壓力；τ為黏性力張量；ω為渦度；g為重力加快度。
組分守恒方程見式(2)。
(2)
式中，i是第i種組分；Yi是第i種組分的濃度；Di是第i種組分的擴散系數，
是第i種組分的質量產生速度。
能量守恒方程見式(3)。
(3)
式中，h為比焓；
為輻射通量；T為溫度；k為熱導率。
狀態方程見式(4)。
(4)
式中，p0為壓強；R為氣體常數；M為混雜氣體的分子質量。
1.2 物理模子
1.2.1 儲能系統
如圖1所示，本文以實際20尺(1尺=0.333m)鋰離子電池儲能系統為研討對象，集裝箱的長寬高尺寸為6.0 m、1.2 m、2.6 m，此中填裝了10個電池簇，每個電包養網池簇包括15個電池箱和1個電氣把持箱，電池簇與簇之間由金屬板隔擋，此中電池箱尺寸為0.包養5 m×0.7 m×0.2 m，在本文中選用的目標電池為228 Ah磷酸鐵鋰電池，其尺寸為0.07 m×0.17 m×0.20 m。
在本文中，為了更好地觀察電池系統的火舒展狀態，假設接近集裝箱底部的某一電池箱發生熱掉控起火，著火電池箱的具體地位如表1所示。集裝箱尺寸為6.0 m×1.2 m×2.6 m，單元格鉅細為0.02 m×0.02 m×0.02 m，所以網格劃分為300×60×130，共2340000個網格。為保證計算結果加倍準確，凡是網格單元盡量接近立方體。
表1 著火電池箱和噴頭地位
為了研討水噴淋裝置對電池儲能系統火舒展的克制後果，沿集裝箱頂部中軸線標的目的設置了3個水噴包養網淋噴頭，當水噴淋裝置四周的溫度超過80 包養網℃時，水包養網噴淋裝置開始動作。其具體地位如表1所示。
1.2.2 傳感器布置
本文分別選取了著火電池箱四周的地位(L0)以及水噴淋噴頭正下方0.1 m處(L1~L3)為探測點(表2)，分別搜集了溫度、CO2、H2和CO的變化規律。
表2 探測點地位
1.3 邊界條件
在該仿真研討中，電池箱的環境溫度T=300 K。電池燃燒均勻熱釋放速度(HRR)、熱掉控產氣種類包養網及體積比以實際熱掉控實驗數據為邊界輸進條件，此中電池燃燒熱釋放速度如圖2所示。在本文中假設電池燃燒一向存在，所以采用的是100%荷電狀態(SOC)磷酸鐵鋰電池的燃燒熱釋放速度峰值，隨著電池內部化學反應速度晉陞，電池產生氣體速度隨之增添，對應峰值分別為74.83 kW (peak 2)和98.99 kW(peak 3)。此外，通過電池原位產氣測試平臺，對磷酸鐵鋰電池熱掉控產氣進行測試，搜集氣體種類和濃度，如圖3所示。此中，H2占比最高，約占39.5 %，CO2和CO占比分別為30.15%和11.68%。
圖3 氣體剖析 (a) 氣體實時測試圖(1 ppm=10-4%)；(b) 產氣種類體積比
2 結果與剖析
2.1 溫度及火舒展特徵
在本次仿真剖析中，以包養網站電池箱著火時刻為肇端時間(包養軟體t=0.0 s)。在無滅火辦法下的火舒展過程，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，底部電池箱發生火災后，自火源地位向上進行舒展，且擴散速率極快。如圖4(b)所示，在t=1.2 s時，高溫氣體已經自著火電池箱舒展至集裝箱頂部，并沿著集裝箱頂部由點向整個面進行擴散包養網比較。在t=2.2 s時，高溫氣體相繼到達集裝箱的擺佈側壁。如圖4(c)、(d)所示，隨著頂部煙氣不斷湊集，氣體逐漸向下擴散，逐漸覆蓋了整個集裝箱上部的空缺區域，在t=20.0 s時基礎趨于穩定。
此外，圖5給出了無滅火辦法下，t=0.0~60.0 s時，在Z=2.4 m切面的溫度場分布變化，從圖5(a)~(i)可以看出，由于火焰的形態具有必定的波動性，所以切面處的高溫區域鉅細也存在必定的波動，但中間地位基礎不變。在火焰輻射和包養網高溫煙氣的配合感化下，切面處溫度場已達到300 ℃以上，且在火源中間區域溫度接近1000 ℃。
2.2 特征氣體及擴散特徵
在本文中，重要探測了H2、CO和CO2這3種氣體的擴散行為，由于在本文中燃燒行為一向存在，是以H2和CO作為可燃物，始終處于耗費狀態。為了便利觀察，重要以CO2為例，來解釋氣體包養的擴散行為。圖6給出了在無滅火辦法下的火舒展過程中，在集裝箱側壁CO2的擴散過程。從圖6可以看出，在火焰驅動下，CO2自熱掉控箱向上運動，在t=1.2 s時被集裝箱頂棚阻擋后向周圍進行擴散，在t=2.2 s時被集裝箱側壁阻擋后向下擴散，在t包養網=4.0 s時開始出現明顯的分層現象，并逐漸趨于穩定。
2.3 水噴淋克制後包養網果剖析
圖7給出了水噴淋辦法【現代情感】《歲末新婚》作者：蘇七【已完結+番外】下，t=0.0~60.0 s時，在Z=2.4 m切面的溫度場分布變化。可以看出，隨著水噴淋的持續感化，高溫區域范圍逐漸縮小。如圖7(i)所示，在t=60.0 s時，切面層中高溫區域溫度在300 ℃擺佈，遠遠低于無滅火辦法下的1000 ℃。這表白水噴淋對儲能系統火焰和高溫煙氣有著明顯克制感化，對儲能系統火災的降溫後果包養網VIP尤其顯著。
圖8(a)給出了無滅火辦法時分歧探測點的溫度變化曲線。可以看出，火舒展過程分別經歷發展階段(階段I)和穩定階段(Ⅱ)。t=0.0~10.0 s階段為火舒展的發展階段，在該階段，在火焰擴散的影響下，分歧探測點的溫度敏捷上升。L0探測點距離熱掉控模組比來，火焰溫度上升速率最快，在t=10.0 s時，T(L0)達到948 ℃。L1探測點位于熱掉控電池箱的正上方，處于火源中間，在t=10.0 s時，T(L1)達到792 ℃。L2和L3探測點偏離火源中間，在t=12.0 s時，T(L2)包養軟體和T(L3)分別達到408 ℃和317 ℃。
圖8 探點地位的溫度變化數據圖 (a) 無滅火辦法； (b) 添加水噴淋辦法
添加水噴淋滅火辦法分歧探測點的溫度變化曲線，如圖8(b)所示。可以發現，水噴淋對電池火舒展具有明顯的克制感化，在t=10包養條件.0 s時，水噴淋動作后各個探測點的溫度表現出明顯的降落趨勢。根據探測點的溫度變化速度，年夜致可分為3個階段：階段I，t=0.0~10.0 s為火包養app舒展發展階段，該階段火舒展敏捷，火源中間探測點(L0和L1)溫度急劇上升至850 ℃；階段Ⅱ，t=10.0~60.0 s為火舒展克制階段，該階段水噴淋裝置開始動作，有用克制了火焰以及高溫煙氣的舒展速率，并對系統進行有用降溫，T(L0)和T(L1)分別降落至710 ℃和430 ℃，而距離火源中間2 m處的探測點溫度T(L2)和T(L3)分別降至125 ℃和110 ℃；階段Ⅲ；t=60.0~120.0 s為穩定階段，該階段中水噴淋對系統的降溫後果仍然存在，但由于火源并未被熄滅，是以溫度的降落速度逐漸趨于平穩，并在180 s內，火源四周的環境溫度降到330 ℃以下。
在實際儲能系統中，電池箱的密封等級較高，發生火災時外界的滅火介質難以有用感化到火源根部。是以，在本文中僅研討了水噴淋對火舒展過程克制感化，并未考慮火源的熄滅行為。圖9給出了水噴淋感化下火舒展過程。如圖9(c)所示，隨著火勢逐漸向頂端舒展，在t=10.0 s時，水噴淋開始啟動。如圖9(c)~(f)所示，在t=10.0~60.0 s時，在水噴淋感化下，火舒展行為被有用把持在火源中間區域，難以向周圍進行擴散。
鋰離子電池發生熱掉控時，釋放出的可燃氣體種類較多。在鋰離子電池儲能系統中，CO、H2、CO2等特征包養氣體被廣泛用作火災預警的特征參數。圖10給出了水噴淋感化下CO2擴散過程，與無滅火辦法情況類似，CO2在火焰的熱流驅動下，沿著頂棚和側壁進行擴散，可是在擴散深度上存在明顯的差別。如圖10所示，在t=30.0 s時，CO2的分層現象慢慢穩定，可以看出添加水噴淋后，CO2的濃度有著明顯進步，且向下的擴散深度也有著明顯增添。
圖11給出了兩種情況下分歧測點的CO2濃度變化曲線。可以看出，在無滅火辦法下，在經歷t=0~10 s發展階段后，CO2濃度都將穩定在包養甜心網必定的數值范圍內，隨著火源距離的增添，CO2濃度出現必定降落，與煙氣的分層現象較為吻合。而在添加水噴淋后，火源中間地位L0和頂部中間L1處的CO2濃度出現必定幅度的降落，出現該現象的緣由是水噴淋對電池燃燒行為的克制感化，致使火源四周的CO2減少。同時，在水顆粒的驅動感化下，CO2的疏散水平更高，距離較遠的L2和L3長期包養地位的CO2濃度比擬無滅火辦法時會出現必定水平上升。
圖包養故事12和圖13分別給出了兩種工況下H2和CO的濃度變化。根據圖12(a)和圖13(a)，可以發現在火源始終存在的情況下，H2和CO作為可燃氣體，存在明顯耗費。位于火源中間的探測點L0的H2濃度分別堅持在1.7×104 ppm(無滅火辦法)和1.3×104 ppm(水噴淋滅火)，CO濃度分別堅持在5.0×103 ppm(無滅火辦法)和4.0包養×103 ppm(水噴淋滅火)。而在統一垂直面上的L1的H2和CO濃度則明顯較低。
如圖12(b)和圖13(b)所示，在添加水噴淋辦法后，集裝箱上部地位的H2和CO濃度均有所降低，形成該現象的緣由能夠是在水噴淋感化下，釋放出的可燃性氣體出現不完整燃燒。這也進一個步驟驗證了在同樣地位CO2濃度有所降低的緣由。
綜上所述，在鋰離子電池儲能系統中，水噴淋裝置可以有用下降電池火災的溫度和火舒展水平。但與此同時，電池熱掉控所釋放的可燃性包養氣體并不克不及有用耗費，甚至在部分范圍內其濃度會出現明顯的上升，存在爆搜尋關鍵字： 主角：葉秋鎖|配角：謝曦燃的風險。是以，針對鋰離子電池儲能系統的消防設計，在考慮把持電池系統火災的同時也應考慮系統的通風和防爆機能。
3 結論
本文通過樹立電池儲能系統火舒展以及火災克制模子，剖析了水噴包養淋對電池儲能系統的火舒展以及煙氣擴散的克制後果。得出以下結論。
（1）鋰離子電池箱發生火災時，會釋放出大批的特征性氣體，并敏捷擴短期包養散至整個集裝箱系統，在缺少有用的通風辦法下，這些氣體會在集裝箱頂部集聚，隨著濃度的增添逐漸向集裝箱底部舒展，并逐漸表現出分層現象，此中火源中間的可燃氣體含量可達到1.3 ×104 ppm以上，而距離較遠探測點的可燃氣體含量僅有24~183 ppm。
（2）添加水噴淋后，火源中間四周可燃氣體濃度存在必定的降落趨勢，此中CO濃度從5.0×103 ppm逐漸下降至4.0×103 ppm。
（3）水噴淋系統對儲能系統火災的降溫後果明顯，可以在180 s以內將火源四周的環境溫度從791 ℃以上降到330 ℃以下。
（4）水噴淋系統雖然有用把持了系統的火舒展情況，可是也形成了電池熱掉控氣體的不完整燃燒，在部分范圍內會形成H2和CO等可燃氣體的濃度降低。
第一作者：于東興（1987—），男，碩士，副研討員，研討標的目的為儲能系統火災防控產品測試評價技術Email：yudongxing@tfri.com.cn；
通訊作者：李煌，副研討員，研討標的目的為鋰離子電池火災及防控，E-mail：li1125@ustc.edu.cn。
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