一种锂离子电池储能系统自动灭火系统及方法与流程

本发明涉及一种灭火系统，具体涉及你一种锂离子电池储能系统自动灭火系统及方法。

背景技术：

在国家政策与社会发展需要的双重推力下，电化学储能市场快速发展，锂离子电池的总体保有量逐年递增，据cnesa统计，截止2019年底锂离子电池储能保有量达到8454mw。

但锂离子电池不是本征安全体系，在过充、过热、短路等条件下容易发生热失控连锁反应,导致火灾事故发生。近年来，锂离子电池起火乃至爆炸事件时有发生，据统计2017年至今，韩国发生27起电化学储能电站火灾事故，我国公开报道3起，严重威胁了电网和人身安全。

锂离子电池储能系统中除电池外还存在大量电气设备，随着电气设备的大量使用，电气设备里面电器元件的损耗、电器电路过负荷运行、电气设备的短路等都会造成电气火灾的发生。当锂离子电池储能系统中发生电气火灾时，由于锂离子电池为化学能量聚集体，极易由电气火灾引发电池火灾，电池火灾又将引发电池间的连锁反应，从而将整个储能系统烧毁。

当前锂离子电池储能系统的消防灭火系统大都是在检测到烟雾气体后喷射七氟丙烷等气体灭火剂，且喷射灭火剂时针对的是整个储能系统，而不是对着火点或对出现热失控电池模块进行喷射。这类灭火系统对扑灭电气火灾具有良好效果，但由于无法对锂离子电池进行持续降温，一旦储能系统中某一电池模块发生热失控，其内部化学反应将难以得到有效控制，从而极易导致电池复燃现象的发生。这时由于储能系统中的灭火装置已动作，在缺乏有效灭火的情况下，局部的电池火灾将蔓延成整个系统的火灾。因此，在配制七氟丙烷灭火系统之外，需要单独配制专门针对电池火灾的灭火装置，同时配制锂离子电池火灾专用灭火剂，实现对电池长时间持续降温，从而彻底扑灭电池火灾，确保储能系统安全。

目前单一的七氟丙烷灭火系统或其他气体灭火系统，由于无持续降温效果，难以抑制电池复燃，灭火后遗留的隐患极大。

当前某些锂离子电池储能电站采用细水雾灭火系统，该灭火系统虽可长时间对电池降温，但试验表明，使用细水雾在灭火初期会出现短暂的加剧电池火灾的现象，同时细水雾的使用将导致电池燃烧不完全，从而产生大量有毒的气体和废液。而且由于水为导体，细水雾灭火系统动作后，整个储能系统将受到毁灭性破坏，灭火后的电池将难以再利用。

技术实现要素：

为了满足现有技术需要，本发明的目的是提供一种锂离子电池储能系统自动灭火系统及方法，通过智能判定锂离子电池储能系统中火灾类型，并采取相应灭火策略。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂离子电池储能系统自动灭火系统，包括探测单元、控制单元以及灭火单元；探测单元包括探测器；灭火单元包括柜式七氟丙烷灭火装置和带有压力反馈装置的火探管式自动灭火装置；

探测器，用于检测烟雾浓度，并将检测到的烟雾浓度信息发送给控制单元；

控制单元，用于判断接收到的烟雾信息是否超过阈值，若是超过阈值，判定火灾类型，并根据类型确定是否启动柜式七氟丙烷灭火装置；或用于根据压力反馈装置的动作信号，判断发生电池火灾且火探管式自动灭火装置已动作。

本发明进一步的改进在于，探测单元包括烟感探测器与特殊气体探测器。

本发明进一步的改进在于，烟感探测器置于锂离子电池储能系统箱体顶部，特殊气体探测器设置于烟感探测器两侧或锂离子电池储能系统的电池机柜顶部。

本发明进一步的改进在于，火探管式自动灭火装置采用复合灭火剂，该复合灭火剂是通过将七氟丙烷、全氟己酮和复燃抑制剂混合而成。

本发明进一步的改进在于，火探管式自动灭火装置到锂离子电池储能系统的电池机柜的主管路采用不锈钢管，锂离子电池储能系统中的电池机柜到电池机柜中的电池模块的分管路采用火探管。

本发明进一步的改进在于，探测单元、控制单元以及灭火单元均连接有ups备用电源。

一种锂离子电池储能系统自动灭火方法，

当检测到烟雾浓度超过阈值后，判定发生电气火灾，通过柜式七氟丙烷灭火装置灭火，并切断锂离子电池储能系统电源；

当检测到烟雾浓度超过阈值，并且可燃气体浓度超过阈值后，判定发生电气火灾或电池无明火燃烧，通过柜式七氟丙烷灭火装置灭火，并切断锂离子电池储能系统电源；

当检测到温度超过阈值，判定发生电池火灾，采用复合灭火剂灭火，并切断锂离子电池储能系统电源。

本发明进一步的改进在于，当检测到可燃气体浓度超过阈值后，判定电池发生漏液，并切断锂离子电池储能系统电源。

本发明进一步的改进在于，复合灭火剂中复燃抑制剂的质量百分比超过50％，七氟丙烷质量百分比低于10％；复燃抑制剂为分解温度大于300℃的氟化醚类有机物。

本发明进一步的改进在于，复合灭火剂的配制量按式(1)进行计算配制；

w—复合灭火剂设计用量；

ρ—复燃抑制剂密度；

s—电池模块底面积

h—复燃抑制剂淹没高度；

vc—电池模块中电池体积；

v—防护区体积；

cp1—七氟丙烷灭火剂过热蒸汽在101kpa大气压和防护区最低环境温度下的比容；

cp2—全氟己酮灭火剂过热蒸汽在101kpa大气压和防护区最低环境温度下的比容；

c1—七氟丙烷设计浓度；

c2—全氟己酮设计浓度。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明同时配制柜式七氟丙烷灭火装置和火探管式自动灭火装置，通过烟感可以智能判定储能系统中不同的火灾类型(电池火灾和电气火灾)，并采取相应的灭火策略，从而高效彻底的扑灭系统火灾；本发明采用火探管式自动灭火装置，减少了在电池模块中单独配制火灾探测器，也不需要对其进行电控，装置简单。

进一步的，火探管式自动灭火装置中配制了锂离子电池专用灭火剂，该灭火剂由七氟丙烷、全氟己酮和复燃抑制剂通过特定比例复合而成，灭火剂喷射后七氟丙烷和全氟己酮可快速气化扑灭电池火灾，剩余的复燃抑制剂将附着在电池表面对电池形成持续降温，抑制电池复燃，彻底扑灭电池火灾。

进一步的，不锈钢管和火探管，组成管网单元，本发明对火探管式自动灭火装置进行了专门的管网设计，有效解决了其在储能系统中应用难的问题。

进一步的，锂离子电池储能系统的电池机柜到电池机柜中的电池模块的分管路采用火探管，即将火探管布置到每一个电池模块，确保在某一电池模块发生火灾时，可通过灭火剂及时彻底扑灭电池火灾。

本发明中灭火系统由柜式七氟丙烷灭火装置和火探管式自动灭火装置共同组成；将锂离子电池储能系统的火灾分为电气火灾和电池火灾，通过不同探测器和探测方式确定火灾种类；根据不同种类火灾采取不同灭火策略，控制柜式七氟丙烷灭火装置动作或发生电池火灾且火探管式自动灭火装置已动作，并上报监控系统，监控系统切断锂离子电池储能系统电源，从而更加高效地扑灭储能系统火灾。本发明综合考虑锂离子电池燃烧灭火特性及锂离子电池储能系统构成，更加简洁高效。

附图说明

图1为火探管式自动灭火装置效果图。

图2为电池模块中火探管布置图。

图3为本发明的锂离子电池储能系统自动灭火系统示意图。

图中，1为灭火机柜；2为电池机柜；3为主管路；4为分管路；5为电池模块；6为火探管，7为灭火单元，8为控制单元，9为监控系统，10为锂离子电池储能系统，11为喷口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的自动灭火系统包括灭火机柜1，灭火机柜1内设置探测单元、控制单元、管网单元、灭火单元7以及ups备用电源，探测单元、控制单元8、管网单元和灭火单元7均与ups备用电源相连。

本发明中的锂离子电池储能系统由多个电池簇组成，每个电池簇由多个电池机柜2组成，每个电池机柜2中含多个电池模块5，电池模块5为本发明中灭火系统保护的最小单元。

本发明中的探测单元由多种探测器与声光报警器组成。探测器主要包含：烟感探测器与特殊气体探测器。烟感探测器置于锂离子电池储能系统箱体(或房间)顶部，每间隔2米设置一个烟感探测器；特殊气体探测器包含co、挥发性有机物传感器，设置在烟感探测器两侧或锂离子电池储能系统10的电池机柜顶部。

考虑到探测器误报的可能性，本发明中的控制单元8具有延时反馈的特点，即需探测器检测到的信号持续超过阈值一段时间才会将信号反馈到监控系统9，以便降低误报率，延时反馈时间优选10秒到30秒，监控系统9用于切断锂离子电池储能系统10电源。

本发明中的探测单元和灭火单元7均与控制单元8相连，控制单元8接收来自探测单元的信号，通过判断信号来源控制灭火单元进行灭火操作或上报监控系统由专业人员排查隐患。

本发明中的灭火单元7由柜式七氟丙烷灭火装置和火探管式自动灭火装置两部分组成。

柜式七氟丙烷灭火装置：以充装七氟丙烷气体为灭火药剂的装置。将灭火剂储存容器组件、喷射管路、喷嘴、阀门驱动装置等集于一体，与灭火系统控制组件联结，在灭火系统发出指令后实施灭火的柜式灭火装置。

火探管式自动灭火装置：该装置无需任何电源，无需专门的烟、温感探测器，无需复杂的设备及管线，利用自身储压，依靠一根经充压的火探管及一套火探瓶组就能快速、准确、有效地探测及扑灭火源，集报警和灭火于一体，将火患扑灭在最初阶段。该灭火装置采用专门针对锂离子电池火灾开发的复合灭火剂，由七氟丙烷、全氟己酮和复燃抑制剂通过特定比例复合而成。

柜式七氟丙烷灭火装置用于扑灭电气火灾，并辅助火探管式自动灭火装置扑灭电池火灾；火探管式自动灭火装置用于自动探测电池火灾着火点，当着火点处温度超过火探管破裂温度时，火探管破裂自动喷放灭火剂。柜式七氟丙烷灭火装置选用2.5mpa七氟丙烷灭火剂，灭火剂配制量按照灭火浓度9％进行计算配制。火探管式自动灭火装置采用专门针对锂离子电池火灾开发的复合灭火剂，储存压力选择2.5mpa，七氟丙烷、全氟己酮和复燃抑制剂三种药剂中复燃抑制剂选择分解温度大于300℃的氟化醚类有机物，其在灭火剂中的质量百分比需超过50％，七氟丙烷质量百分比低于10％，复合灭火剂的配制量按式(1)进行计算配制。柜式七氟丙烷灭火装置应同时具有自动启动、手动启动和强制机械启动功能。火探管式自动灭火装置具有压力反馈装置。

w—复合灭火剂设计用量(kg)；

ρ—复燃抑制剂密度(kg/m³)；

s—电池模块底面积(m²)；

h—复燃抑制剂淹没高度(m)；

vc—电池模块中电池体积(m³)；

v—防护区体积(m³)；

cp1—七氟丙烷灭火剂过热蒸汽在101kpa大气压和防护区最低环境温度下的比容(m³/kg)；

cp2—全氟己酮灭火剂过热蒸汽在101kpa大气压和防护区最低环境温度下的比容(m³/kg)；

c1—七氟丙烷设计浓度；

c2—全氟己酮设计浓度。

管网单元主要针对火探管式自动灭火装置，管网单元包括从灭火剂瓶组到电池机柜的主管路3采用的不锈钢硬管，以及从锂离子电池储能系统的电池机柜到电池机柜2中的电池模块5的分管路4采用的火探管6，参见图1、图2和图3，相应的，若有n个电池模块，则对应n个管路。

本发明涉及到的灭火方法工作流程如下：

考虑到电池储能系统内火灾来源于模块内电池热失控引发的电池火灾或模块外因短路等多种原因造成的电气火灾，探测器在进行检测时得到的信息可能为：烟感探测器报警，特殊气体探测器未报警，压力反馈装置未动作；或烟感探测器未报警，特殊气体探测器报警，压力反馈装置未动作；或烟感探测器报警，特殊气体探测器报警，压力反馈装置未动作；或压力反馈装置动作。其他行为的报警动作视为误报，由专业人员进行排查。具体的，

(1)当仅有烟感探测器检测到烟雾浓度超过阈值后，控制单元打开声光报警系统，该信号持续一段时间后(优选10s)烟感探测器将检测到的烟雾浓度信息反馈给控制单元，控制单元判定电池储能系统发生电气火灾，并将火灾信号上报监控系统。监控系统切断锂离子电池储能系统电源，灭火系统由ups备用电源供电(下同，不再赘述)。然后控制单元控制柜式七氟丙烷灭火装置动作，通过喷口11快速扑灭电气火灾；

(2)当仅有特殊气体探测器检测到可燃气体浓度超过阈值后，控制单元打开声光报警系统。该信息持续一段时间后(优选15s)特殊气体探测器将检测到的可燃气体浓度信息反馈给控制单元，控制单元判定电池储能系统电池发生漏液，控制单元将报警信息上报监控系统，监控系统通知专业人员现场排查处理；

(3)当烟感探测器和特殊气体探测器同时检测到超过阈值的信息后，控制单元打开声光报警系统。该信息持续一段时间后(优选10s)烟感探测器将检测到的烟雾浓度信息反馈给控制单元，特殊气体探测器将检测到的可燃气体浓度信息反馈给控制单元，控制单元判定电池储能系统发生电气火灾或电池无明火燃烧，控制单元控制柜式七氟丙烷灭火装置动作，释放灭火剂，待报警解除后，由专业人员现场排查处理；

(4)压力反馈装置的火探管式自动灭火装置能够检测温度，当温度超过阈值使得火探管爆裂后，使得压力反馈装置动作，发出动作信号。当检测到温度超过阈值，控制单元判定系统发生电池火灾且火探管式自动灭火装置已动作，通过火探管式自动灭火装置内的复合灭火剂灭火，控制单元将报警信息持续上报监控系统，直至报警信息解除。

当(1)、(3)、(4)所述情况下，灭火系统动作后仍无法解除报警信号，应由监控系统自动上报火警部门和监控人员，采取外部消防措施。

当声光系统发出警报时，监测人员可通过监控或现场观察判断火灾情况，并采取相应措施。

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