事实表明，电池储能系统对于清洁能源的整合和发展至关重要，但需要更加先进的消防安全保护措施。霍尼韦尔建筑技术公司主管火灾探测业务的总经理Steve Kenny对于废气探测是防止电池热失控重要防线的原因进行了分析和阐述。 

霍尼韦尔建筑技术公司在锂离子电池储能系统顶部安装的烟雾和废气检测监测传感器

 

       风力发电设施、太阳能发电场、微电网、数据中心和电信设施至少有一个共同点：它们依赖于由数千块锂离子电池组成的电池储能系统(BESS)。电池储能系统不仅在向可再生能源和更智能的电网过渡中发挥着关键作用，而且已成为数据中心和电信枢纽的关键组成部分——而这两大要素都是为全球经济带来活力的驱动力。 

 

       根据调查，2020年全球公用事业规模电池储能系统的市场价值为29亿美元，预计2020年至2025年的复合年增长率为32.8%，到2025年将增长到121亿美元。如果将数据和电信中心、车辆充电设施以及其他储能应用的不间断电源（UPS）计算在内，这个数字将增加一倍以上。全球储能市场总额预计将从2020年的78亿美元增长到2028年的268亿美元。

 

       为什么锂离子电池成为首选的电池储能技术？首先，其成本相对低廉，并且鉴于其尺寸和重量可以提供更高的能量密度；它们拥有较长的持续放电时时间；与其他类型电池相比，它们更不容易自放电；此外几乎不需要维护，也不需要定期排放废气。 

 

       尽管锂离子电池具有多重优势，但也存在一些缺点。一方面，锂离子电池储能系统需要复杂的电池管理系统(BMS)来保持在电压、温度和充电的安全参数范围内运行。如果管理不当或滥用，电池可能会失效，导致排气或过热，如果电池着火（热失控），将会迅速升级为灾难性的火灾，甚至发生爆炸，并且这种火灾极难扑灭，能够以多米诺骨牌效应加速扩散到周围的电池。 

 

       电池故障的三个阶段  

 

       •滥用因素：电气滥用、过热或机械滥用可能导致热失控。当在充电或放电期间超过电池电压限制时，就会发生电气滥用。由于电池储能系统中大量电池同时充电或放电，因此单块电池遭受电气滥用的风险增加。当工作温度超过电池承受极限时，就会导致热滥用。机械滥用是指物理损坏，例如挤压、压痕或刺破。 

 

       •电池排气（废气）：如果滥用因素继续存在，电池中的液态电解质将转化为气体，这将导致电池内部压力升高，其压力足够打开泄压孔或破坏电池密封性。这种气体释放与热失控发生之后的气体释放明显不同，并且通常在热失控之前几分钟发生。 

 

       •热失控：随着电池内部温度的升高，隔膜将会熔化并破裂，释放烟雾并点燃电解液。在这阶段排放的气体通常包括一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和可燃气体。由此发生的火灾会产生1,000℃以上的温度，并蔓延到周围的电池，导致它们进入热失控状态，从而导致整个系统发生故障并起火。 

 

       电池储能系统对传统监控技术带来的挑战  

 

       电池储能系统需要采用电池管理系统(BMS)来监控电压、电流和温度并防止电池被滥用，但依靠电池管理系统(BMS)作为防止热失控的唯一防御层是有风险的。一方面，电池管理系统(BMS)无法解析单块电池的温度或电压。即使在每块电池上都有温度传感器，也可能存在未被检测到的热点。 

 

       传统监控技术，例如烟雾和火灾探测、一氧化碳（CO）监测、二氧化碳（CO2）监测、爆炸下限(LEL)监测通常构成电池储能系统安全解决方案的一部分。在热失控开始之前，通常不会产生烟雾和火灾，因此这些电池储能系统直到停止连锁反应为时已晚时才会启动。在发生热失控之前，一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、爆炸下限(LEL)气体通常不会以可检测的浓度出现。 

 

       简而言之，这些技术是对热失控的被动反应，而不是主动预防。即使一块电池已经达到冒烟或着火的程度，要阻止其火势蔓延到周围的电池也可能为时已晚。 

 

       在热失控前进行初始排气（废气）检测

 

       检测锂离子电池故障的早期迹象对于使操作人员和关闭措施能够及时主动响应，以防止热失控和灾难性的（通常是爆炸性的火灾）至关重要。 

 

       安全机构DNV的一项研究测试了三种技术，以评估锂离子电池故在检测潜在热失控早期迹象方面的响应时间：废气传感器、电池电压传感器、爆炸下限传感器，它们可以检测可燃气体或溶剂蒸气的危险水平。图片  

霍尼韦尔建筑技术公司将废气探测系统控制器安装在电池储能系统的消防控制面板下方

 

       在这三种类型中，废气检测器的灵敏度和准确度最高。它们在排放废气开始之后的平均响应时间不到10秒，在热失控开始前的平均响应时间为6分11秒。在热失控启动之前，LEL和电压传感器均未激活。

 

       研究结果还表明，关闭措施与废气检测相结合有效地防止了热失控。一旦检测到废气，电池储能系统就会自动断电，以防止电池温度升高，从而阻止热失控向相邻电池蔓延。