以锂离子电池为代表的电化学储能技术，由于其灵活、快速的优点，成为目前电力储能领域装机增长最快的储能技术。近年来国内外储能电站火灾事故，引起了行业对锂电池储能电站消防安全的普遍关注，因此在大力推广锂离子电池储能电站应用的同时，储能电站的火灾监控及灭火技术也显得至关重要。针对锂离子电池火灾特征，美国FMGlobal公司进行系列大规模实验研究，结果表明电池内部电解液温度到达180℃时，电池会发生热失控。中国科学技术大学王青松课题组对电池热失控机理进行了详细的综述，较为全面地描述了热失控的基本理论、基本反应、热模型、模拟研究以及实验研究等。

电化学锂离子储能电站除电池室外，还包括通信室、配电装置室、继电器室、PCS室、电缆夹层及电缆竖井等。目前，国内关于储能电站火灾探测报警系统与灭火系统的选择，主要依据GB/T51048-2014《电化学储能电站设计规范》第11.4条的要求进行：（1）通信室、配电装置室、继电器室、电池室、PCS室、电缆夹层及电缆竖井应设置火灾自动报警系统；（2）电站内主要建、构筑物和设备火灾报警系统应符合要求；（3）电池室宜配置感烟或吸气式感烟探测器，对于可能产生可燃气体的电池，电池室宜装设可燃气体报警装置；（4）关于储能电站灭火系统的选择，该规范中只提出应设置消火栓和灭火器，并未对其他的固定式灭火装置配置作出规定。笔者对锂离子电池储能电站消防安全研究的最新进展进行了概括，从灭火剂适用性、灭火装置的研制等方面分析了锂电池储能系统的消防安全现状，为锂离子电池火灾事故预防及应急能力提供支持。

1 储能系统锂离子电池早期热失控火灾探测技术

无论通过穿刺、加热、过充任意一种触发电池热失控方式，锂离子电池发生热失控直至电池起火过程均可划分为3个阶段：（1）电池的电解液等刺激性气体泄漏，并伴随温升和烟雾浓度上升；（2）当电解液等刺激性气体泄漏体积分数达到3×10-4时，电池具有较大概率发生爆燃，泄漏的电解液等可燃气体会发生燃烧，并造成锂离子电池的剧烈燃烧；（3）当空间内某个锂离子单体电池发生剧烈燃烧时，产生的高温会造成其他电池发生连锁热失控及爆燃起火。由于锂离子电池作为能量聚集体，在热失控发生后因电池内部产热引起火灾，常规的通过物理稀释隔绝氧气或切断燃烧链的方法并不能彻底扑灭锂电池火灾。因此，针对锂离子电池热失控发展及火灾的应对方法进行深入的分析研究尤为迫切。

在锂离子电池火灾应对策略中，充分理解防消结合显得尤为重要，通过对锂离子电池热失控火灾规律的分析研究，采用锂电池火灾早期探测结合切实有效的火灾抑制技术，可真正实现防消结合的预期目标。

锂离子电池热失控火灾过程中释放的主要为CO和甲烷的可燃性混合气体，且往往伴随大量烟雾，因此早期探测应选用复合型探测器。同时，可增设复合温度探测元件或火焰探测元件，以保证探测空间内锂离子电池热失控起火各个阶段的可靠探测。因此进行如下设计。

1.1  锂离子电池火灾探测器设计

锂离子电池火灾探测器具体参数设计：可燃气体、烟雾报警阈值为（200～300）×10-6；温度报警阈值为65～85℃。探测器通过连接数据集中处理主机，可实现向安装在储能电站内的手动启动控制按钮输出报警信号，通知值班人员及时视频检查或者启动灭火扑救电池火灾。通过与储能业主单位沟通和调研，目前普遍要求发生火灾时报警信号至少分两级报警，并实现如下功能。

（1）电池发生热失控后，火灾探测器内的任意一种传感器被触发时，探测器可通过数据集中处理主机，向值班人员发送一级声光报警信号。此时提醒值班人员断电检查，确认火灾发生时可通过启动控制按钮，手动按下启动开关，快速启动灭火装置灭火。

（2）电池持续发生热失控后，任意两种传感器被触发时，探测器可通过预制的启动报警按钮，向值班人员发出二级声光报警信号，提醒值班人员断电并报火警，同时电池火灾探测器给予灭火装置自动启动电信号，启动灭火。

1.2 数据集中处理主机设计

数据集中处理器具有“黑匣子”的存储功能。实时监测记录所连接的电池管理系统，负责电池火灾探测器、灭火装置及启动报警按钮之间数据交互和系统功能实现。目前需要数据集中处理主机具有CAN2.0、以太网的通信功能，可直接将数据信号传输至储能电池管理系统显示屏或远程监控平台，发生火灾时以便指导应急处理。

2 储能系统锂离子电池火灾抑制技术

通过模拟锂离子电池组实体火抑制实验，对比分析灭火抑制介质对锂离子电池组实体火抑制的有效性。

2.1  锂离子电池加热实体火抑制实验工况

初期实体火抑制实验采用的锂离子电池为目前市场主流的方形硬壳电池，实验工况按照CCCF/XFJJ-01《电动客车锂离子动力电池箱火灾防控装置通用技术要求》第9.2.5款要求的方法进行，并按图1布置火灾抑制装置于电池箱内部，在电池单体处安装加热设备，加热设备（1200W）与电池紧密接触。在实验电池周围布置多个测温装置（测温点位置如图2所示），监测与其相邻位置处电池的温度，关闭电池箱顶盖，启动加热装置对电池加热，至电池发生热失控，电池安全阀开启，关闭加热装置电源，采用明火引燃，起火后持续燃烧3min或被加热电池背面温度超过150℃（以先到者为准），手动启动火灾防控装置。每隔3min在电池箱内点火1次，观察电池箱是否有爆燃现象。记录灭火时间，明火扑灭后在规定时间内统计电池箱各测温点的温度数据。

火灾抑制装置应满足下列要求：（1）抑制介质开始喷放后90s内扑灭明火；（2）明火扑灭后30min内不应出现复燃现象；（3）明火扑灭后30min内，每隔3min在电池箱内点火1次，不应发生爆燃或爆炸；（4）明火扑灭后30min内，除触发热失控的电池外，其他电池的安全膜片未动作；（5）明火扑灭后30min，除触发热失控电池两侧的测温点外，电池箱内其他测温点的温度不大于90℃。

2.2 实验过程

2.2.1 七氟丙烷介质对锂离子电池加热实体火抑制实验

根据CCCF/XFJJ-01第9.2.5款要求的方法，采用加热触发热失控的方式使锂离子单体电池热失控。实验工况如图3所示，打开加热设备对电池加热，并实时查看预制实验箱内以及与其相邻位置处电池的温度变化情况。考虑到实验的安全性，实验过程中采用视频远程监控并记录锂离子电池加热实体火抑制的整个过程。

本次实验中锂离子电池经加热触发热失控后会发生升温直至爆燃的情况，通过启动七氟丙烷火灾抑制装置，实现了喷放后90s内扑灭明火，并且明火扑灭后30min内未出现复燃；在明火扑灭后30min内，除触发热失控的电池外，其他电池的安全膜片均未动作，同时通过电子点火具每隔3min在实验电池箱内点火1次，也未发生爆燃及爆炸；明火扑灭后30min，除触发热失控电池两侧的测温点外，电池箱内其他测温点的温度均未高于90℃。达到实验的预期要求，实验具体情况如图4所示。

在加热设备开启后，第2750s时，发现被加热电池单体产生大量烟气，关闭加热装置电源；第2759s，通过点火具引燃实验箱内电解液气体；第3017s，被加热电池单体背面（2#）温度为170.6℃，手动启动火灾抑制装置抑制介质喷射；第3023s，明火扑灭；第4823s，为明火扑灭后30min，除触发发生热失控电池两侧的测温点（1#、2#）外，电池箱内其他测温点的最高温度为84℃。

2.2.2 全氟己酮介质对锂离子电池加热实体火抑制实验

本次实验中锂离子电池经加热触发热失控后会发生升温直至爆燃及剧烈燃烧的情况，通过启动全氟己酮火灾抑制装置，实现了喷放后90s内扑灭明火，并且明火扑灭后30min内未出现复燃；在明火扑灭后30min内，除触发热失控的电池外，其他电池的安全膜片均未动作，同时通过电子点火具每隔3min在实验电池箱内点火1次，也未发生爆燃及爆炸；明火扑灭后30min，除触发热失控电池两侧的测温点外，电池箱内其他测温点的温度均未高于90℃，到达实验的预期要求。实验工况及具体情况如图5、图6所示。

在加热设备开启后，第1463s时发现被加热电池单体产生大量烟气，关闭加热装置电源；第1763s时，通过点火具引燃实验箱内电解液气体；第1764s时，被加热电池单体背面温度为（2#）226.3℃，手动启动火灾抑制装置抑制介质喷射；第1787s时明火扑灭；第3587s为明火扑灭后30min，除触发热失控电池两侧的测温点（1#、2#）外，电池箱内其他测温点的最高温度为77.6℃。

2.2.3 锂离子电池加热实体火抑制效果对比

七氟丙烷、全氟己酮的锂离子电池火灾抑制实验结果见表1。

通过实验发现，七氟丙烷、全氟己酮对被测试的280Ah锂离子电池加热实体火抑制均有明显效果，并达到抑制复燃的目的。针对能量、密度更高的大容量锂离子电池，可考虑采用具备化学抑制和降温灭火机理的七氟丙烷和全氟己酮类抑制介质。

观察抑制介质喷射后的温度时间变化情况，相比七氟丙烷，全氟己酮具有更好的降温及抑制升温效果。由于七氟丙烷为气相状态，对锂离子电池热失控火灾灭火有化学抑制和物理降温的协同作用，而全氟己酮常温为液态，沸点为49℃，抑制介质经输送管路至被保护电池附件初期均以液相状态存在，需要受热经汽化后对锂离子电池热失控火灾进行灭火，有化学抑制、物理降温的协同作用。在本文的实验工况中，发现七氟丙烷灭火更快，而全氟己酮具有更好的持续降温效果。鉴于锂离子电池热失控火灾的扑救和长效抑制邻近电池发生热失控火灾蔓延，优选全氟己酮作为火灾抑制介质。

3 锂离子电池火灾抑制装置设计

火灾抑制装置主要由抑制剂瓶组、驱动装置、连接管、装置外箱等组成，如图7、图8所示。由于目前国内还缺乏相关的国家标准和行业标准，故全氟己酮类抑制介质灭火装置主要部件的设计性能及要求，仍参考GB25972-2010《气体灭火系统及部件》执行。关于全氟己酮类抑制介质和接触材料相容性、腐蚀性等问题，目前在抽真空充氮气的情况下铝合金6061、Q345等材料已经得到第三方实验室验证，在保压压力4.5MPa、恒温45℃的情况下，均尚未发现材料样本表面腐蚀及自质量变化的现象。

火灾抑制装置功能实现部分主要由前端探测单元、管路单元、控制单元组成，如图9所示。当前端探测单元中的复合型探测装置探测到锂离子电池发生热失控故障时，通过报警装置输出报警信号；当探测装置探测到锂离子电池发生热失控产生明火时，立即发送自动启动信号至控制单元。在控制单元接收到启动电信号后，开启第一瓶抑制剂驱动装置，抑制介质经由主、支管路实现定点喷放，达到扑灭明火的效果。通过预设计后，开启第二瓶抑制剂驱动装置，持续补充抑制介质，进一步达到持续降温及抑制复燃的目的。

4 储能集装箱锂离子电池火灾抑制系统设计

本文设计了一种储能集装箱锂离子电池火灾抑制系统，在具备火灾探测、火灾抑制功能的同时还具有信息交互的功能，将火灾监测范围确定在电池模组级别，达到实时监测、准确判断火灾位置、精准灭火的目的。系统应用如图10所示。

当锂离子电池发生热失控火灾时，预置的锂离子电池火灾探测装置报警，将报警信号发送至BMU，BMU接到报警信号后上传至火灾抑制装置并启动火灾抑制介质进行喷放。电池组内设置主管路与支管路（见图11），当被保护的锂离子电池组发生热失控火灾时，BMU控制对应的电磁阀开启，未发生火灾的锂离子电池组对应的电磁阀处于关闭状态，此时管路中只存在一条路径供抑制介质通过，抑制介质通过管路对发生热失控火灾的电池组进行保护，达到灭火的目的。

5 结论

针对目前大型锂离子电池储能系统因安全引发的一系列问题，有必要对现有锂电池储能系统消防安全领域的关键技术进行研究。通过本文研究发现，以电池模组为防护单元并配置相应的探测和抑制装置，可快速发现电池火灾，并达到快速扑灭明火的目的，持续降温能有效防止复燃，可最大程度降低火灾蔓延及人员伤亡事故的发生。