Test di sicurezza del sistema di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio

Test di sicurezza del sistema di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio

Con la crescente applicazione di grandi pacchi di batterie agli ioni di litio nella rete elettrica, la sicurezza antincendio basata sui sistemi di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio sta diventando sempre più importante. Sulla base dell'esperimento di fuga termica delle batterie agli ioni di litio, è stata osservata una piccola fuoriuscita di gas combustibile. Analizzando la composizione del gas fuoriuscito, il contenuto di CO e la temperatura del sistema possono essere utilizzati come base principale per l'allarme del sistema e si può stabilire un meccanismo di protezione contro la fuga termica per le batterie agli ioni di litio.

Il giudizio di pericolo di fuga termica della batteria agli ioni di litio è stato aggiunto al sistema di accumulo di energia e, in combinazione con il meccanismo di protezione multilivello e la tecnologia di collegamento di sicurezza, è stato progettato il quadro generale del sistema di sicurezza antincendio basato sul sistema di accumulo di energia della batteria agli ioni di litio. Sono stati elaborati i componenti, la comunicazione e la sicurezza del personale nel sistema di sicurezza antincendio. Questo sistema è in grado di monitorare con precisione lo stato di runaway termico delle batterie agli ioni di litio e di collegare rapidamente i dispositivi di sicurezza antincendio, migliorando significativamente la sicurezza e la stabilità del sistema di accumulo di energia a batteria durante il funzionamento.

1 Ricerca sui metodi di identificazione della fuga termica

La ricerca sul sistema di sicurezza antincendio dei sistemi di accumulo dell'energia con batterie agli ioni di litio si basa sull'identificazione delle caratteristiche di fuga termica delle batterie agli ioni di litio. Attualmente, i principali metodi di identificazione della fuga termica precoce in patria e all'estero includono principalmente:

① Ottenere dati chiave come temperatura, tensione e corrente della batteria attraverso il sistema di gestione della batteria BMS per il giudizio e la ricerca

② Metodo di misurazione della pressione sui moduli della batteria mediante sensori estensimetrici;

③ Metodo di identificazione della fuga termica per rilevare il valore della resistenza interna delle batterie;

③ Metodo per determinare la fuga termica raccogliendo il gas fuoriuscito dalle batterie e analizzando la composizione e il contenuto del gas.

Metodo ①: Il sistema di gestione delle batterie, una volta che si blocca, perde la capacità di identificare la fuga termica. Rispetto ai metodi ② e ③, il rilevamento dei gas è il metodo di allarme preventivo più efficace per la fuga termica delle batterie, in grado di fornire un avviso tempestivo e rapido quando una singola batteria subisce una fuga termica. Pertanto, il metodo preferito per l'analisi e l'identificazione dei gas di fuga termica è la rilevazione dei gas.

Analisi e ricerca dei gas di fuga termica

La fuoriuscita di gas combustibili e le reazioni chimiche sono state accompagnate dall'intero processo di fuga termica della batteria. L'ambiente in cui si trovano le batterie del sistema di accumulo dell'energia è relativamente stabile in circostanze normali, ma una volta che le batterie generano il runaway termico, si verificano inevitabilmente parametri anomali come la temperatura, il gas e l'intensità della luce nel sistema di accumulo dell'energia.

Il problema principale del meccanismo di sicurezza della fuga termica delle batterie è come estrarre con precisione i valori del gas nelle prime fasi della fuga termica. I parametri dei gas possono visualizzare con precisione lo stato di runaway termico della batteria ed evitare efficacemente le valutazioni errate causate dall'ambiente di lavoro della batteria stessa. Il metodo di allarme precoce ed efficace per la fuga termica della batteria è il monitoraggio del gas e la scelta dei rilevatori di gas è al centro della ricerca.

2 Esperimento di estrazione del gas di fuga termica

(1) Il riscaldamento porta all'esperimento di estrazione del gas di fuga termica.

1) Progettazione dello schema.

Utilizzando una coppia di piastre riscaldanti da 400 W per riscaldare una batteria al litio da 150 Ah, durante il processo di riscaldamento, per evitare che l'espansione e la deformazione dell'involucro della batteria al litio causino un contatto insufficiente tra la piastra riscaldante e l'involucro della batteria, con conseguente perdita di calore della piastra riscaldante e l'incapacità della temperatura della batteria di raggiungere lo standard di fuga termica, il che influisce sull'effetto sperimentale, è necessario utilizzare dispositivi di fissaggio per far sì che la batteria e la piastra riscaldante si adattino l'una all'altra durante l'intero processo sperimentale; Utilizzare sensori di temperatura per monitorare la temperatura in tempo reale dell'elemento riscaldante e della batteria, e disporre l'apparecchiatura di monitoraggio della fuga termica della batteria intorno e sopra la scatola sperimentale per monitorare e memorizzare in tempo reale parametri chiave come gas, fumo e temperatura nella scatola sperimentale; per avere una comprensione visiva dello stato di fuga termica della batteria durante l'intero processo sperimentale e per controllare il processo sperimentale, è stata utilizzata una microcamera per registrare l'esperimento. Quando si è osservato che la valvola antideflagrante della batteria si apriva a causa dell'alta temperatura, il riscaldamento veniva immediatamente interrotto; utilizzare una pompa di campionamento per scaricare una quantità sufficiente di gas in un'area sicura e, dopo che il gas si è raffreddato e stabilizzato, raccogliere e sigillare il gas.

2) Risultati sperimentali.

Dai dati relativi alla concentrazione di gas nell'esperimento, si può notare che nella fase iniziale del riscaldamento della batteria, poiché la temperatura non raggiunge la soglia della valvola di sicurezza della batteria al litio, è stato rilevato un aumento regolare della concentrazione di gas; quando la temperatura della batteria al litio raggiunge la soglia della valvola di sicurezza, la concentrazione di gas aumenta bruscamente. Attraverso l'analisi, è possibile determinare che un certo tipo di valore di concentrazione di gas può essere utilizzato per giudicare lo stato iniziale di runaway termico delle batterie al litio. Il tipo di gas selezionato deve soddisfare i seguenti requisiti: bassa proporzione nell'aria, basso costo di rilevamento quantitativo e capacità di rilevare cambiamenti significativi nella concentrazione di questo tipo di gas dopo che si è verificato il runaway termico della batteria

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(2) La sovraccarica porta a un esperimento di estrazione del gas di fuga termica.

Piano sperimentale. Questo esperimento ha sovraccaricato una batteria al litio da 150A - h utilizzando un dispositivo di carica a corrente costante. Utilizzando il dispositivo di raccolta del gas illustrato=, è stato campionato e raccolto il gas generato a intervalli di 10 ℃ tra 60~100 ℃ e sono stati registrati in dettaglio i cambiamenti di temperatura e di stato della batteria.

(3) Conclusioni sperimentali

Tutti i campioni di gas raccolti in questo capitolo dell'esperimento sono stati analizzati per la composizione del gas. Dai dati si evince che i valori di azoto e ossigeno non cambiano significativamente durante il processo sperimentale. L'anidride carbonica è uno dei principali gas costituenti l'atmosfera, quindi questi tre tipi di gas non hanno un valore di riferimento significativo. Il costo dell'analisi e del monitoraggio dei gas olefinici è relativamente alto e non è adatto alla promozione. Pertanto, il monossido di carbonio, il cui contenuto varia significativamente prima e dopo l'esperimento ed è facile da monitorare e analizzare, è adatto per il monitoraggio precoce della fuga termica nelle batterie agli ioni di litio. Per migliorare l'accuratezza dell'allarme ed evitare i falsi positivi e le omissioni del sistema, i dati relativi al contenuto di monossido di carbonio e alla temperatura sono considerati in combinazione.

3 Progettazione applicativa del sistema di sicurezza antincendio

3.1 Meccanismo di protezione multilivello

La protezione multilivello si riferisce al metodo di rilevamento e protezione della partizione di varie parti della batteria, in particolare della parte interna della batteria, del gruppo di batterie e del vano batteria, con l'obiettivo di avvisare tempestivamente e rapidamente in caso di fuga termica di una singola batteria. Quando una batteria agli ioni di litio subisce una fuga termica, può essere accompagnata da una perdita di elettrolito, che può provocare alta tensione, guasti all'isolamento, scosse elettriche indirette, incendi e altri rischi nelle apparecchiature della rete elettrica.

Il monitoraggio all'interno del singolo pacco batterie può allarmare il più precocemente possibile in caso di condizioni anomale della batteria, come perdite di elettrolito e fuga termica, e può controllare tempestivamente le situazioni pericolose prima che si verifichi la diffusione termica, migliorando le prestazioni di prevenzione e allarme del sistema. Quando una singola batteria subisce una fuga termica, il rilevatore all'interno del pacco batterie può essere installato in un sistema antincendio dove la diffusione termica non forma un legame. Per le batterie al litio-ferro-fosfato, il singolo incendio iniziale è facile da estinguere o sopprimere. L'installazione e l'utilizzo di un controllore di rilevamento nel pacco batterie è particolarmente importante per le stazioni di accumulo di energia agli ioni di litio. Il sistema di protezione antincendio delle centrali di accumulo energetico deve implementare un meccanismo di allarme gerarchico, adottare un controllo multilivello del trattamento degli incendi, ridurre il rischio di incendi su larga scala nel sistema di accumulo energetico e garantire efficacemente la sicurezza del sistema di accumulo energetico.

3.2 Soglia di riferimento del rilevatore

Il rilevatore di incendi di gas seleziona due parametri: il contatore del pacco batteria e la concentrazione di monossido di carbonio all'interno del pacco batteria per un rilevamento composito, per esprimere un giudizio completo sulla situazione di fuga termica e incendio della batteria al litio e per evitare falsi allarmi e omissioni del sistema. Quando la temperatura superficiale della batteria raggiunge i 60 ℃, il sensore di gas rileva il monossido di carbonio e la sua concentrazione aumenta gradualmente, causando un leggero rigonfiamento della batteria. Il rilevamento del gas può bilanciare la concentrazione del gas e la velocità di aumento della concentrazione, migliorando l'accuratezza del rilevamento.

3.3 Componenti principali del sistema di sicurezza antincendio

(1) Controllo dell'host. L'host di controllo è uno dei componenti principali del sistema di sicurezza antincendio, responsabile del collegamento del sistema di sicurezza antincendio, dell'analisi in tempo reale e dell'elaborazione dei dati raccolti; fornisce almeno quattro tipi di interfacce di comunicazione: Ethernet, Controller Area Network (CAN), rete di comunicazione RS485 e contatto pulito.

(2) Sensori. I sensori sono responsabili della raccolta di parametri quali la temperatura della batteria, la concentrazione di gas monossido di carbonio e la concentrazione di fumo e della trasmissione dei dati all'host per esprimere giudizi completi sulle condizioni di fuga termica e di incendio delle batterie al litio.

(3) Strutture di allarme. In caso di fuga termica della batteria o di rischio di incendio, l'host può allertare tempestivamente i lavoratori tramite allarmi sonori e luminosi e spie luminose a spruzzo di gas distribuite all'interno e all'esterno della stazione.

(4) Interruttore azionato dall'utente. Gli interruttori azionati dall'utente comprendono interruttori di avvio/arresto di emergenza e interruttori di commutazione automatica di stato manuale.

3.4 Progettazione delle comunicazioni del sistema di sicurezza antincendio

La progettazione delle linee di comunicazione comprende i seguenti aspetti:

① Deve esserci una linea tra il sistema di sicurezza antincendio e il BMS che possa comunicare in caso di incendio;

② Esiste una linea di comunicazione tra il dispositivo di rilevamento e il sistema di visualizzazione di backend per visualizzare i dati raccolti al personale;

③ Esiste una linea di comunicazione tra il condizionatore d'aria della stazione e il BMS per garantire lo spegnimento del condizionatore d'aria quando viene attivata l'attrezzatura antincendio.

3.5 Misure di sicurezza per il personale

(1) Modalità manuale automatica. Il sistema di sicurezza antincendio può scegliere la modalità manuale o automatica in modo indipendente. Quando il sistema è in modalità automatica, i dati ottenuti dall'host determinano se avviare l'attrezzatura antincendio; quando il sistema è in modalità manuale, l'attrezzatura antincendio è controllata dal personale per garantire la sicurezza del personale addetto alla manutenzione nella stazione.

(2) Modalità di avvio ritardato del dispositivo di estinzione. Quando gli impianti di estinzione vengono attivati, il ritardo di lavoro viene regolato in modo appropriato in base alla situazione in loco, fornendo il tempo necessario per l'evacuazione del personale.

4 Conclusione

Sulla base dell'analisi dei parametri caratteristici della fuga termica delle batterie agli ioni di litio, il presente articolo propone un dispositivo di rilevamento e segnalazione dei gas basato sul sistema di accumulo di energia delle batterie agli ioni di litio e progetta un sistema di collegamento di allarme e protezione a più livelli per garantire che, oltre a rilevare con rapidità e precisione lo stato di fuga termica delle batterie agli ioni di litio, possa essere collegato con le apparecchiature di spegnimento degli incendi, migliorando significativamente la sicurezza del sistema di accumulo di energia delle batterie.