鋰離子電池充放電測試滅火系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：隨著新能源鋰離子的發(fā)展，三元電池成為主流，但其提高能量密度的同時，加大了安全風(fēng)險，本文分析了鋰離子電池的充放電生產(chǎn)過程中的火災(zāi)危險性，從廠房建筑防火控制措施，設(shè)備消防系統(tǒng)配備雙重預(yù)防及控制機(jī)制著手，對充放電循環(huán)生產(chǎn)過程中的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行預(yù)防和控制，為鋰離子電池制造企業(yè)的生產(chǎn)過程消防滅火技術(shù)、安全管理提供一定的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；充放電循環(huán)；熱失控；建筑防火；本質(zhì)安全

1引言

近年來，隨著全球新能源汽車市場需求的不斷擴(kuò)大，鋰電池行業(yè)的發(fā)展十分迅猛。而當(dāng)前隨著鋰電池能量密度的不斷提高，暴露出不少安全問題，其中鋰電池在制造時的安全性已經(jīng)成為各鋰電池企業(yè)關(guān)注的重點[1]。三元鋰電池的能量密度一直在提升，使得鋰電池功率增大，續(xù)航時間延長[2]，但由于能量密度大，生產(chǎn)過程中，充放電的循環(huán)發(fā)生熱失控風(fēng)險較大，瞬間放出大量的熱量，引起火災(zāi)甚至爆炸事故發(fā)生[3]。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在鋰離子電池?zé)崽匦岳碚揫4]、電池材料[5-6]及電解液熱穩(wěn)定性[1，7]等方面，對鋰離子電池，尤其是三元鋰電池生，生產(chǎn)過程中的滅火技術(shù)缺少深入的研究。由此，本文以鋰離子電池生產(chǎn)中的充放電循環(huán)為例，從其火災(zāi)危險性著手，對其有效的滅火技術(shù)措施進(jìn)行分析設(shè)計。

2鋰離子電池充放電循環(huán)火災(zāi)危險性分析

三元鋰離子電池火災(zāi)危險主要體現(xiàn)在充放電循環(huán)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其火災(zāi)危險性如下：（1）鋰離子電池生產(chǎn)過程如粉塵管控不足，金屬粉塵進(jìn)入電池內(nèi)，刺穿隔膜，充放電循環(huán)式，形成內(nèi)短路，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。行業(yè)內(nèi)此類事故多發(fā)。（2）充放電循環(huán)時，如設(shè)備異常造成充電電壓高于設(shè)計電壓值，電芯本體會因為溫度不斷升高點燃內(nèi)部電解液等易燃易爆物質(zhì)，發(fā)生內(nèi)部熱失控，引起火災(zāi)，甚至爆炸。（3）異常情況下，電池正負(fù)極殼體外部短路時，短路點的大電流擊穿電芯，引起電芯冒煙起火。（4）充放電設(shè)備存放多顆電池，設(shè)備內(nèi)部容積有限，發(fā)生熱失控處理不及時，高溫引起內(nèi)部電解液揮發(fā)，會形成引起易燃易爆環(huán)境，造成火災(zāi)爆炸事故。（6）充放電廠房生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，設(shè)備往往呈巷道式布置，一顆電芯發(fā)生火災(zāi)爆炸，如果滅火、排煙不及時，會引起整改區(qū)域火情、煙霧蔓延，造成較大火災(zāi)爆炸事故，或救援人員人身傷害。因此，考慮到鋰離子火災(zāi)危險性大，充放電循環(huán)設(shè)備設(shè)計多種、綜合的消防滅火其他對于充放電生產(chǎn)工序的火災(zāi)的及時有效處置非常關(guān)鍵。

3鋰離子電池充放電循環(huán)生產(chǎn)工序火災(zāi)設(shè)計原則

應(yīng)對鋰離子電池火災(zāi)，首先要從設(shè)計上要考慮多重手段，本質(zhì)安全與管理手段并行，多管齊下：主要遵從如下原則：（1）既要有效、又要及時；盡力將火災(zāi)控制在單個庫位單個電芯，防止波及到其他區(qū)域。（2）既要滅火，又要排煙；既要防止火勢造成財產(chǎn)損失，又要防止火情或煙霧對救援人員造成傷害（3）既要從源頭控制，又要從全局考慮；考慮對單個庫位及整個區(qū)域的影響。（4）既要設(shè)備設(shè)施響應(yīng)，又要人為干預(yù)。自動與手動相結(jié)合。

4綜合滅火措施的設(shè)計

4.1設(shè)備本質(zhì)安全設(shè)計及設(shè)備消防設(shè)計

以某工廠“充放電循環(huán)產(chǎn)線”為例，其中設(shè)備采用巷道式布置在狹長封閉空間，通道上運行堆垛車，并作為消防通道，廠區(qū)狹小，設(shè)備密集，電池存放量大。

4.1.1本質(zhì)安全設(shè)計循環(huán)測試設(shè)備針床內(nèi)部包含測試監(jiān)控軟件實時采集鋰電池在充放電過程中的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)。設(shè)備程序針對鋰離子電池的循環(huán)過程中出現(xiàn)的異常等級設(shè)計了兩種不同層級的保護(hù)邏輯，通過自動切斷充放電循環(huán)來預(yù)防電池出現(xiàn)冒煙起火：一級保護(hù)：指單電芯在充放電過程中單個采樣點的電壓、電流、溫度采樣數(shù)據(jù)上升、下降、波動并超出設(shè)定的閾值，軟件監(jiān)測到此類數(shù)據(jù)時會聯(lián)鎖停止單電芯充放電過程，防止發(fā)生冒煙起火。二級保護(hù)：在某一設(shè)定的時間周期內(nèi)，采樣電壓連續(xù)波動點數(shù)及波動值超出設(shè)定的閾值，軟件在檢測到此類異常數(shù)據(jù)時立刻通知電源柜停止夾具內(nèi)所有電芯的充放電流程。

4.1.2設(shè)備消防設(shè)計循環(huán)設(shè)備前后方各一個煙霧探測器，電芯殼體溫度檢測探頭（內(nèi)置于測試針床），電壓電流溫度采樣線，惰性氣體噴射嘴（噴射1230滅火劑），測試針床的上下夾具接口設(shè)置有可自動閉合的消防門即設(shè)備門，消防門閉合后針床內(nèi)部可形成一個與外界完全隔絕的環(huán)境。設(shè)備外部配備1230自動滅火系統(tǒng)，應(yīng)對電芯冒煙起火的自動響應(yīng)。單電芯在充放電時，在某一設(shè)定的時間周期內(nèi)，同一個針床內(nèi)N個電芯的殼體溫度采樣值超出設(shè)定的閾值（N值可任意設(shè)置），或任一煙霧探測器檢測到煙霧信號且任一電芯殼體溫度采樣值超出設(shè)定的的閾值，此時測試針床立刻將電芯與探針組分離，自動將消防門閉合（隔絕外部空氣進(jìn)入），并控制惰性氣體儲氣罐閥門自動打開向測試針床內(nèi)噴射1230惰性氣體，1230氣體為新型滅火劑，專門針對鋰離子電池火災(zāi)處置，自動響應(yīng)反應(yīng)迅速，6s即可響應(yīng)，60s內(nèi)即可對火情進(jìn)行有效壓制。同時，設(shè)備每個庫位設(shè)計水噴淋系統(tǒng)，水消防管路布局合理，庫位內(nèi)設(shè)計有噴淋機(jī)構(gòu)，噴淋區(qū)域能夠覆蓋整個庫位。設(shè)備水噴淋系統(tǒng)作為1230滅火劑的補(bǔ)充使用。當(dāng)1230不能有效撲滅火情時，手動啟動消費水噴淋，對庫位進(jìn)行滅火壓制；每層庫位配備排煙系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生時，操作裝置在信號作用下將閥門打開，進(jìn)行排煙。

4.2廠房建筑防火滅火布置設(shè)計

結(jié)合建筑防火設(shè)計規(guī)范要求，同時針對鋰電池行業(yè)危險性，對廠房建設(shè)防火設(shè)計如下：

4.2.1防火分隔充放電循環(huán)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行獨立的防火分隔，隔墻耐火時間大于3h。

4.2.2區(qū)域高度區(qū)域設(shè)備高度不應(yīng)超過2m，便于進(jìn)行滅火救援；貨架只車間頂部距離不少于0.8-1m，預(yù)留容煙空間。

4.2.3疏散救援通道區(qū)域縱向設(shè)置不少于0.9*1.8m的救援通道；中部位置需要設(shè)置橫向的應(yīng)急救援通道，寬度不小于0.9m，并設(shè)置安全出口，橫向通道的數(shù)量為每隔20m設(shè)置一個；

4.2.4安全出口：區(qū)域內(nèi)最少兩個安全出口，并盡量以對角方式進(jìn)行設(shè)置；區(qū)域設(shè)置觀察窗。

4.2.5消防設(shè)施（1）按要求設(shè)置煙感火災(zāi)自動報警系統(tǒng)；（2）區(qū)域設(shè)置廠房噴霧系統(tǒng)；（3）設(shè)置消火栓系統(tǒng)，需要保證有兩股水袋到達(dá)任意位置；需要設(shè)置導(dǎo)流槽收集消防水。（4）需要設(shè)置廠房消防機(jī)械排煙，要求換氣次數(shù)12次/h，最不利點距離排煙口不超過20m。

5結(jié)語

鋰電池綜合滅火技術(shù)設(shè)計，在實際應(yīng)用中，在處置電池充放電循環(huán)測試過程中的火災(zāi)事故上非常有效。優(yōu)勢如下：（1）設(shè)備預(yù)防火災(zāi)本質(zhì)安全設(shè)計能夠快速及時響應(yīng)，溫度異常、電壓異常，煙感感應(yīng)燈多種觸發(fā)邏輯，及時切斷充放電動作，防止電池起火。（2）能夠快速有效壓制初期火災(zāi)，有效控制鋰電池起火后的蔓延，控制在局部。N-1230滅火劑專用于鋰電池起火，自動觸發(fā)，6S即可響應(yīng)，快速將火災(zāi)風(fēng)險扼殺在初期萌芽狀態(tài)；當(dāng)1230效果不佳時，還能手動開啟設(shè)備水噴淋對單庫位火災(zāi)進(jìn)行處置。（3）蜂巢式庫位設(shè)計及庫位的防火材料，能夠為滅火爭取時間，防止火情向其余區(qū)域蔓延。（4）設(shè)備設(shè)置自動排煙系統(tǒng)，防止煙霧蔓延到其他區(qū)域；（5）廠房設(shè)置自動報警、噴淋水、消防栓系統(tǒng)、廠房排煙系統(tǒng)，能有效應(yīng)對初期火勢處置失控的蔓延。綜上所述滅火技術(shù)、系統(tǒng)針對性強(qiáng)，能夠快速、有效、及時的處理鋰電池充放電循環(huán)起火，防止蔓延與波及，降低財產(chǎn)損失，也能保障應(yīng)急人員的人身安全。

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作者：張賢凱 易勝男 熊蕊蕊 單位：中興通訊-中興高能技術(shù)有限責(zé)任公司