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1、【系統(tǒng)設(shè)計論文】鋰離子電池充放電測試滅火系統(tǒng)設(shè)計摘要：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，加大了安全風險，本文分析了鋰離子電池的充放電生產(chǎn)過程中的火災危險性，從廠房建筑防火控制措施，設(shè)備消防系統(tǒng)配備雙重預防及控制機制著手，對充放電循環(huán)生產(chǎn)過程中的火災風險進行預防和控制，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大，鋰電池行業(yè)的發(fā)展十分迅猛。而當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

2、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)生熱失控風險較大，瞬間放出大量的熱量，引起火災甚至爆炸事故發(fā)生3。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在鋰離子電池熱特性理論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，從其火災危險性著手，對其有效的滅火技術(shù)措施進行分析設(shè)計。2鋰離子電池充放電循環(huán)火災危險性分析三元鋰離子電池火災危險主要體現(xiàn)在充放電循環(huán)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其火災危險性如下：（1）鋰離子電池生產(chǎn)過

3、程如粉塵管控不足，金屬粉塵進入電池內(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，甚至爆炸。（3）異常情況下，電池正負極殼體外部短路時，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)生火災爆炸，如果滅火、排煙不及時，會引起整改區(qū)域火情、煙

4、霧蔓延，造成較大火災爆炸事故，或救援人員人身傷害。因此，考慮到鋰離子火災危險性大，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)工序火災設(shè)計原則應對鋰離子電池火災，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，又要人為干預。自動與手

5、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邏輯，通過自動切斷充放電循環(huán)來預防電池出現(xiàn)冒煙起火：一級保護：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

6、起火。二級保護：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)，應對電芯冒煙起火的自動響應。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

7、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處置，自動響應反應迅速，6s即可響應，60s內(nèi)即可對火情進行有效壓制。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滅火劑的補充使用。當1230不能有效撲滅火情時，手動啟動消費水噴淋，對庫位進行滅火壓制；每層庫位配備排煙系統(tǒng)，火災發(fā)生時，操作裝置在信號作用下將閥門打開

8、，進行排煙。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)域應進行獨立的防火分隔，隔墻耐火時間大于3h。4.2.2區(qū)域高度區(qū)域設(shè)備高度不應超過2m，便于進行滅火救援；貨架只車間頂部距離不少于0.8-1m，預留容煙空間。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

9、設(shè)置煙感火災自動報警系統(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任意位置；需要設(shè)置導流槽收集消防水。（4）需要設(shè)置廠房消防機械排煙，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，在實際應用中，在處置電池充放電循環(huán)測試過程中的火災事故上非常有效。優(yōu)勢如下：（1）設(shè)備預防火災本質(zhì)安全設(shè)計能夠快速及時響應，溫度異常、電壓異常，煙感感應燈多種觸發(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，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，快速將火災風險

10、扼殺在初期萌芽狀態(tài)；當1230效果不佳時，還能手動開啟設(shè)備水噴淋對單庫位火災進行處置。（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，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，也能保障應急人員的人身安全。參考文獻：1戈司,王青松.鋰離子電池火災危險性研究就相關(guān)進展J.消防科學與技術(shù),2012,9(06):1-1.2李毅,于東興,張少禹,劉欣,王健強.鋰離子電池火災危險性研究J.中國安全科學學報,2012,22(11):36-41.施志聰,楊勇.聚陰離子型鋰離子電池正極材料研究進展J.化學進展,2005(04):604-613.3司戈,王青松.鋰離子電池火災危險性及相關(guān)研究進展J.消防科學與技術(shù),2012,31(09):994-996.