一种双防储能柜及其防控方法与流程

本发明涉及储能柜的日常安全防护相关，特别是涉及一种双防储能柜及其防控方法。

背景技术：

1、近年来，我国储能产业的发展速度越来越快，不仅在大电网的发电侧、输配电侧和负荷侧起着削峰填谷、改善电能质量等重要作用，而且在用户侧微电网的分布式能源中的应用也越来越广泛，电网储能日益成为我国能源消费的重要环节，储能市场需求巨大。而锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、环境友好、自放电小等优点而被广泛应用于储能电站，消费电子和新能源汽车等领域。尤其在储能设备中，作为电池的首选。

2、储能系统中锂离子电池的消防安全一直是研究热点。锂离子电池，一方面，因其具有能量密度高、快速充放电产热量大等特点，存在很大的火灾风险和危害性，是发生火灾的主要危险源;另一方面，锂离子电池在火灾特性、消防设施的运用和管理方面都有自身的特点，与一般传统的仓库的火灾危险性不同。

3、锂离子通过正负极移动帮助锂离子电池完成充电、放电工作，其属于当前充电电池中性能较高品类。而锂离子电池与“锂电池”存在较大区别，“锂电池”将二氧化锰、亚硫酰氯作为正极材料，负极以锂配平，不需充电即储有电能作为电池组装完成后的特点，因电池内部短路多是由于充放电循环所形成的锂结晶形成的，通常情况下锂离子电池禁止充电，所以在消防管控上，并不能将锂离子电池与“锂电池”相提并论。锂离子电池充、放电循环作为功能过程中，其在运动中会在内部产生极为复杂的化学反应。而负极表面sei膜具有热稳定特定，受温度限定影响达到临界点会发生热分解现象。而负极裸露多是因sei膜造成的，其裸露面与电解液直接接触所产生的还原反应不仅剧烈还伴随可燃气体与热大量释放。当电芯温度达到190℃左右时多是由于sei膜分解释放的热造成的，而这也是正极分解的主要原因。原子态氧在正极分解中被快速释放，高活性的原子态氧是导致电解液直接剧烈氧化分解的根源，进而导致电芯在短时间内积聚大量的热。潜在热副反应是指在温度或充电电压过高时因热量积聚使得电芯温度与压力快速上升，进而发生热失控。正极热分解量大于负极，而电芯热稳定性受不同正极材料影响，所展现的情况存在较大差异。

4、电池的使用，如遇掉落、挤压、撞击、过充过放导致内部的枝晶与电池生产过程中的杂质灰尘等，将恶化生成刺穿隔膜，产生微短路，电能量的释放导致温升，升温带来的电池材料化学反应又扩大了短路路径，形成了更大的短路电流，这种互相累积、互相增强的破坏，导致热失控。而外部短路因在人为操作不当而产生，由于外部短路造成电池放电电流过大，易使电芯发热，而高温则会使电芯内部的隔膜损坏，造成内部短路，因而燃烧爆炸。通常，锂离子电池出现热失控的95%源自电池的内部短路，而内短路时间进程快且时间短，往往会在50秒左右快速导致热失控，而热失控后会继而导致锂离子电池快速燃烧。锂离子电池的燃烧特性与众不同，其中燃烧激烈、热蔓延迅速、活泼金属发生猛烈反应生成产物作为基础特性，在燃烧加剧的条件下火势迅速蔓延。而在剧烈燃烧后所产生的烟尘与毒性极具危险性，致使锂离子电池在燃烧会释放大量有毒有害气体、粉尘颗粒，严重危害人体。不仅如此，难以控制的火势极易引发爆炸，扑灭复燃可能性极大，扑救难度校大。而因锂离子电池引发的火灾应用常规物理方式仅能扑灭，无法通过关隔绝氧气与切断燃烧链的形式达到预期目标，而未能有效抑制火灾所引发的复燃问题。因而，锂离子电池引发的火灾灭火的难度远高于其他火灾性。

5、集成式储能柜主要包括电池柜、储能双向变流器以及控制系统、后台监控管理系统等。储能柜的核心组成部分为电池柜，其子单元为电池模块。锂离子电池虽然拥有优良的性能，但其处于过热、过充、短路等滥用条件下，电池内部会因热量积聚而发生热失控，进而引起火灾爆炸事故。由于能量密度和空间的限制，储能柜一般排布相对紧密，且无工作人员对集装箱内的工作状态进行实时监控。因此，如果电池柜内电池发生热失控引发火灾后没有及时进行灭火降温，则火灾极易在电池模块间、电池柜间甚至是储能集装箱之间传播蔓延，从而造成大规模的火灾爆炸事故，对人员和财产安全造成了极大的威胁。因此，发展适用于储能柜火灾的消防应对策略对保障储能系统的安全运行具有重大意义。

6、目前，国内外对锂离子电池储能柜火灾防控技术研究尚处于初始阶段，虽然很多机构进行了相关研究，但使用的都是单一的传统灭火剂及灭火系统设计方式，针对电池热失控火灾后其表面温度不低于900°c的情况，都不能同时实现快速扑灭明火及后期快速降温及长期抑制的火灾防控要求，达到理想的火灾防控效果，具体分析如下:

7、（1）卤代烷(七氟丙烷等)、全氟己酮等化学气体灭火设备

8、应用方式主要是管网式灭火系统及柜式灭火装置，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，其灭火机理是切断燃烧链，并无冷却和降温的效果，扑灭明火30min后降温不超过50°c，易复燃。

9、（2）惰性气体灭火设备

10、应用方式主要是管网式灭火系统，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，但主要有以下不足：在灭火方面，气体灭火系统启动时会向防护区喷放大量灭火气体，引起防护区空气压力瞬间升高；在应用方面，火灾燃烧产生的热量也会使室内空气压力有所升高，喷放时火势越大，时间越长，空气压力升离值就越大，因此防护区围护结构应考虑承受内压的允许压强、泄压口与自动泄压阀；在设备方面，由于惰性气体灭火剂灭火浓度高，故在储能电站的防火设计中，设计用量大，占地面积广，且工作压力高(最高达到23.2mpa)，有发生安全隐患的风险；在冷却降温方面，高压气体的喷放降温效果很小，扑灭明火30min后降温不超过100°c，易复燃。

11、（3）干粉灭火设备

12、应用方式主要是管网式灭火系统及悬挂式灭火装置，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，但由于干粉流通性能较差，所以在储能电站设计时不仅需要预留一定空间用于药剂的流通，而且由于干粉灭火剂无冷却降温作用，导致火灾扑灭后极易复燃，导致大规模的火灾失控。不仅没有降温效果，还会自体产热，加速储能电站温度的升高，导致火势进一步增大，效果非常不理想。

13、（4）气溶胶灭火设备

14、应用方式主要是柜式灭火装置，靠产生化学气体烟雾进行灭火，灭火效率低，而且不仅没有降温效果，还会自体产热，加速储能电站温度的升高，导致火势进一步增大，效果非常不理想。

15、（5）水喷淋灭火设备

16、水喷淋系统技术非常成熟，且灭火后降温效果均较为理想，适用于由多个集装箱组合而成的储能系统，但其不足也很明显。在灭火介质方面，由于采用水作为灭火介质，其导电的特性在扑灭火灾后，将导致储能电站内的电池短路损坏，从而无法使用;在用量方面，若要扑灭明火并保持后期抑制，需要大量的水，其用量可能成倍于被保护对象的体积；在占地方面，由于用量较大，须在储能电站就近修建消防水池，占地面积较大。

17、（6）细水雾灭火设备

18、应用方式主要是管网式灭火系统，其灭火机理是大量吸热及隔绝空气实现灭火，易用于无遮挡的局部灭火。在储能柜中各个电池单体布置较紧密，且空间狭小，细水雾喷放后无法达到起火点，会倍隔板或各种障碍遮挡住，无法实现其降温隔绝的效果，无法有效扑灭火灾及降温抑制。

19、（7）泡沫灭火设备

20、应用方式主要是管网式灭火系统，其灭火机理隔绝可燃物与助燃物洋气，实现灭火，适用于由多个集装箱组合而成的储能系统。虽然可对于初期火灾进行控制，但由于无降温作用，电池温度持续升高发生热失控后，可自发产生氧气、氢气等可燃和助燃气体，无法实现有效隔绝，最终导致泡沫失效，无法有效扑灭火灾和后期抑制。

21、cn104882639a公开了一种抑制和阻止锂离子电池热失控方法及装置，通过使用液态惰性气体按照一定的喷淋量、喷淋方式和喷淋时问来对故障锂离子电池组进行灭火和制冷。但喷淋温度设罝在60~140°c,在电池组温度偏高时就采取强制制冷措施，这属于过度保护，会给电池组造成不可道转的损失。同时部分种类的液态惰性气体由于成本及存储条件等因素的限制,完全不具有实用性。

22、us6599656b2公开了一种阻止锂离子电池热失控的方法，通过在锂离子电池组中增加装载有二氧化碳或者氛气与氩气的混合物的罐体，在探测到异常情况时，使这些高压惰性气体喷射到电池周围，驱逐可燃气体和氧气,从而达到阻燃的日的。但电池燃烧只加剧而不能决定热失控进程,因而,通过喷射高压惰性气体并不能完全阻断热失控在电池组内的传播。

23、us20130312947a1和us20130316198a1公开了一种冷却液喷射灭火的锂离子电池组设计。正常使用时，制冷剂以高压液态的形式储存在罐中，当bms检测到出现热失控等紧急情况时，高压制冷剂(r-123)从预设管道喷出，扑灭火焰、在热失控电池表面汽化，吸收大量热量，并稀释可燃电解液，从而阻断热失控传播，保护整个电池组安全。r-123常作为空调、冰箱等电器的制冷剂，但灭火效能并不理想，而且，r-123还是一种温室气体，同时也会对臭氧层产生破坏,因此一些国家已开始限制使用。

24、cn106684499a公开了一种抑制和阻止锂离子电池热失控的方法，通过液体制冷剂对故障锂离子电池进行喷淋制冷和灭火，当电池单体达到一定温度时，即开启喷淋装置，以液体制冷剂的汽化潜热量计，液体制冷剂的汽化潜热量为电池单体热失控放热量的0.1~10倍，喷淋方式为连续喷淋或间断喷淋；液体制冷剂选自液氮、液氩和液态二氧化碳，相对存储要求高，增加额外的储能柜空间且成本较高。

25、上述多种消防控制设备及系统、方法，均是将消防和冷却分隔来解决两个问题。储能柜电池的最佳工作温度为20-30℃之间，因此，如果能在储能柜中设置一个双防模块，即可实现提供储能柜电池组的最佳工作环境温度，又能在发生热失控之前时快速降温，杜绝起火爆炸，保证设备和人身安全。

技术实现思路

1、针对上述要解决的技术问题，本发明提供一种双防储能柜及其防控方法，可同时实现储能柜的日常冷却防过热和火灾防控的双防功能。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种双防储能柜，包括柜体、储能模块、双防模块，所述储能模块和双防模块设于柜体内；

4、所述储能模块包括多个电池模组，所述电池模组从上到下依次排列于柜体内，所述柜体内设有至少一列电池模组；

5、所述双防模块包括水箱、防高温组件和防火防爆组件，所述防高温组件包括防高温管路、换热件和抽气扇，所述防高温管路连接换热件和水箱，且形成液体循环管路；所述抽气扇设有多个，每个所述电池模组布设一个抽气扇；每个所述电池模组均配有一防火防爆组件，所述防火防爆组件包括防火防爆管路、高压喷嘴，所述防火防爆管路与水箱连通，所述防火防爆管路一端连接高压喷嘴，所述高压喷嘴设于电池模组内；所述电池模组设有电池单体，所述电池模组还设置第一水位线和第二水位线，所述第一水位线的高度低于电池单体的高度；所述第二水位线的高度高于电池单体的高度；

6、所述水箱设有制冷件，所述水箱内设有液体冷媒，所述液体冷媒设有融冰剂。

7、上述技术方案中，优选地，所述电池模组还包括抽屉柜，所述电池单体设有多个，多个所述电池单体串联成排布置在抽屉柜内，每个所述抽屉柜内固定设有至少两排电池单体，相邻两排电池单体之间间隔布设；所述抽屉柜的四侧壁以及底板的连接缝处做防水处理，所述抽屉柜的四侧壁的高度高于电池单体的高度。

8、上述技术方案中，优选地，所述换热件采用换热器和抽风扇组合且设置在柜体的顶部，所述抽气扇设置在抽屉柜的一侧壁上，所述抽屉柜与抽气扇相对的一侧壁设有通风孔；经换热器换热后的冷气通过抽风扇吹入所有抽屉柜的一侧空腔内，再流经通风孔进入抽屉柜内进行降温，通过抽气扇排出形成散热通道。

9、上述技术方案中，优选地，所述水箱设有出水管路和入水管路，所述防高温管路设有进水管和出水管，所述进水管与出水管路和换热器的进水口连接，所述出水管与入水管路和换热器的出水口连接。

10、上述技术方案中，优选地，所述防火防爆组件还包括主管道和电磁阀，所述主管道与出水管路连通，所述防火防爆管路一端通过主管道与水箱连通，另一端连接电磁阀和高压喷嘴。

11、上述技术方案中，优选地，所述防火防爆管路的一段贯穿抽屉柜一侧壁且电磁阀和高压喷嘴分别设置在抽屉柜侧壁的内外两侧。

12、本发明还提供了一种双防储能柜的防控方法，所述防控方法采用上述的双防储能柜；所述防控方法中水箱内设有低温液体冷媒，所述低温液体冷媒的温度低于20℃，所述防控方法包括两种工作模式；实时监测电池模组温度ti和每个电池单体温度tc，根据电池模组的温度ti和电池单体的温度tc选择不同的工作模式，两种工作模式择一进行，所述两种工作模式分别为：

13、（1）防高温模式

14、设置防高温温度为t1，监测电池模组温度ti，当ti>t1且低于最低的防火防爆温度时，运行防高温模式；

15、水箱与防高温管路连通，同时开启换热件，柜体内形成由水箱内的低温液体冷媒经换热件换热后的低温冷气；通过抽气扇的运行，低温冷气经由通风孔流转至抽屉柜内，通过抽气扇排出形成散热通道；

16、（2）防火防爆模式

17、具体包括以下步骤：

18、s1，设置第一防火防爆温度t3和第二防火防爆温度t4，t1<t3<t4，电池模组的第二水位线的高度高于电池单体的高度，且低于抽屉柜通风孔的高度，使所述低温液体冷媒不能流出抽屉柜；

19、s2，监测每个电池单体的温度tc，若某一或某些电池单体的温度tc高于t3，则进行s3；

20、s3，当t4>tc>t3，防高温模式关闭，开启所述电池单体所在电池模组对应的防火防爆管路，且所述防火防爆管路与水箱连通，对应的高压喷嘴喷出低温液体冷媒将电池模组的电池单体部分浸泡，液位到达第一水位线时关闭对应的防火防爆管路；

21、s4，若淹没后的电池单体温度tc下降，则关闭对应的防火防爆管路，检查所述电池单体是否故障；若淹没后的所述电池单体温度持续升高，则进行s5；

22、s5，所述电池单体温度tc≥t4时，切断储能柜的直流断路器，高压喷嘴继续注入低温冷媒液体，液位达到第二水位线时关闭对应的防火防爆管路，电池模组内的所有电池单体被淹没，开启所述电池单体的安全阀，仅开启安全阀的所述电池单体的内部流入低温液体冷媒。

23、上述技术方案中，优选地，所述防高温模式或者防火防爆模式之前预先将水箱内的常温液体冷媒通过制冷件制成零下20℃的低温液体冷媒，且通过融冰剂使得低温液体冷媒维持液体状态。

24、上述技术方案中，优选地，每个所述电池单体外套设一防水套，所述电池单体顶部的电极和安全阀露出防水套。

25、作为一种较佳的实施方式，融冰剂为工业盐，该工业盐可采用市售工业盐，符合安全防火防爆相关要求即可；最佳的含有融冰剂的液体冷媒为质量百分比浓度为3~5%的工业盐水。

26、本发明提供的双防储能柜及其防控方法，与现有技术相比，有以下优点：

27、（1）本发明的双防储能柜及其防控方法，新设计了防高温和防火防爆的结构，在原有的储能柜基础上进行改进，改进成本低，同时适用于现有储能柜或者任何定制的储能柜。防高温组件和防火防爆组件在现有储能柜空间狭小的情况下，通过多条管路的布设极大程度的优化利用空间结构，不会造成储能柜成本增加；并且防高温模式采用水循环方式，节约利用能源。

28、（2）本发明的双防储能柜及其防控方法，通过利用低温液体冷媒作为防高温模式中最重要的降温介质，使储能柜内温度分布更加均匀，保障储能柜内温度可以使电池处于性能较好的状态，避免因电池温度不均匀而导致电池内电芯性能差异化，影响储能柜使用寿命，并解决了储能柜内空气对流换热效果差、换热效果不良等问题。

29、（3）本发明双防储能柜及其防控方法，通过利用低温液体冷媒作为最重要的防火防爆降温介质，既能达到电池模块的制冷均衡效果，又能保证电池的绝对安全性，同时，从源头直接冷却电池单体内部以实现快速降温避免热失控，极大程度地保护电池单体。

30、（4）值得一提的是，本发明独创的双防模块，同时实现了稳定保持电池的最佳工作温度，从而保障电池能够最大程度实现充放电循环次数理论值，延长电池寿命；更重要的是，正是因为防高温组件可实现持续性维持最佳电池工作温度且都是在33摄氏度以下，故而一旦出现异常状态的升温电池，方可被快速识别，在可控的温度区间内实现快速降温，杜绝电池出现热失控继而的火灾或爆炸险情；因此，防高温和防火防爆不是两个分割独立功能的模块，而是呈协同效果的双防组件，且对应的防控方法才能高效识别险情，保障安全最大化。