Với việc ứng dụng ngày càng tăng của các bộ pin lithium-ion lớn trong lưới điện, an toàn cháy nổ dựa trên các hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion đang ngày càng trở nên quan trọng. Dựa trên thí nghiệm về sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion, một lượng nhỏ rò rỉ khí dễ cháy đã được quan sát thấy. Bằng cách phân tích thành phần của khí rò rỉ, hàm lượng CO và nhiệt độ hệ thống có thể được sử dụng làm cơ sở chính để cảnh báo hệ thống và có thể thiết lập cơ chế bảo vệ sự mất kiểm soát nhiệt cho pin lithium-ion.

Đã thêm phán đoán cảnh báo nhiệt độ thoát ra của pin lithium-ion vào hệ thống lưu trữ năng lượng và kết hợp với cơ chế bảo vệ nhiều cấp và công nghệ liên kết an toàn, đã thiết kế được khuôn khổ tổng thể của hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy dựa trên hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion. Các thành phần, thông tin liên lạc và an toàn cho nhân viên trong hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy đã được xây dựng. Hệ thống này có thể theo dõi chính xác trạng thái nhiệt độ thoát ra của pin lithium-ion và có thể liên kết nhanh các thiết bị an toàn phòng cháy chữa cháy, cải thiện đáng kể tính an toàn và ổn định của hệ thống lưu trữ năng lượng pin trong quá trình vận hành.

1 Nghiên cứu phương pháp nhận dạng sự thoát nhiệt

Nghiên cứu về hệ thống an toàn cháy nổ của hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion dựa trên việc xác định đặc tính nhiệt độ chạy trốn của pin lithium-ion. Hiện nay, các phương pháp xác định nhiệt độ chạy trốn sớm chủ yếu trong và ngoài nước bao gồm:

① Thu thập dữ liệu quan trọng như nhiệt độ, điện áp và dòng điện của pin thông qua hệ thống quản lý pin BMS để đưa ra phán đoán và nghiên cứu

② Phương pháp đo áp suất trên mô-đun pin bằng cảm biến đo ứng suất;

③ Phương pháp xác định nhiệt độ tăng đột ngột để phát hiện giá trị điện trở bên trong của pin;

③ Phương pháp xác định sự mất kiểm soát nhiệt bằng cách thu thập khí rò rỉ từ pin và phân tích thành phần và hàm lượng khí.

Phương pháp ①: Dựa vào hệ thống quản lý pin, một khi nó bị treo, nó sẽ mất khả năng xác định sự mất kiểm soát nhiệt. Do tầm quan trọng của phòng cháy chữa cháy, nên thiết lập một hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy độc lập càng nhiều càng tốt; So với phương pháp ② và ③, phát hiện khí là phương pháp cảnh báo sớm hiệu quả nhất đối với sự mất kiểm soát nhiệt của pin, có thể cung cấp cảnh báo kịp thời và nhanh chóng khi một pin đơn lẻ gặp phải sự mất kiểm soát nhiệt. Do đó, phương pháp được ưa chuộng để phân tích và xác định các loại khí mất kiểm soát nhiệt là phát hiện khí.

Phân tích và nghiên cứu khí thoát nhiệt

Sự rò rỉ khí dễ cháy và phản ứng hóa học đi kèm với toàn bộ quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin. Môi trường mà pin trong hệ thống lưu trữ năng lượng được đặt tương đối ổn định trong những trường hợp bình thường, nhưng một khi pin tạo ra sự mất kiểm soát nhiệt, các thông số bất thường như nhiệt độ, khí và cường độ ánh sáng trong hệ thống lưu trữ năng lượng chắc chắn sẽ xảy ra.

Vấn đề then chốt trong cơ chế an toàn của hiện tượng pin nhiệt độ cao là làm thế nào để trích xuất chính xác các giá trị khí trong giai đoạn đầu của hiện tượng pin nhiệt độ cao. Các thông số khí có thể hiển thị chính xác trạng thái pin nhiệt độ cao và tránh hiệu quả sự đánh giá sai lầm do môi trường làm việc của chính pin gây ra. Phương pháp cảnh báo sớm hiệu quả đối với hiện tượng pin nhiệt độ cao là theo dõi khí và việc lựa chọn máy dò khí là trọng tâm của nghiên cứu.

2 Thí nghiệm chiết xuất khí thoát nhiệt

(1) Việc đun nóng dẫn đến thí nghiệm chiết xuất khí thoát ra do nhiệt.

1) Thiết kế sơ đồ.

Sử dụng một cặp miếng đệm sưởi ấm 400W để làm nóng pin lithium 150Ah, trong quá trình làm nóng, để ngăn ngừa sự giãn nở và biến dạng của vỏ pin lithium gây ra sự tiếp xúc không đủ giữa miếng đệm sưởi ấm và vỏ pin, dẫn đến mất nhiệt của miếng đệm sưởi ấm và nhiệt độ của pin không thể đạt đến tiêu chuẩn nhiệt độ mất kiểm soát, ảnh hưởng đến hiệu ứng thực nghiệm, cần sử dụng đồ gá để làm cho pin và miếng đệm sưởi ấm vừa khít với nhau trong toàn bộ quá trình thực nghiệm; Sử dụng cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ thời gian thực của bộ phận làm nóng và pin, và bố trí thiết bị theo dõi nhiệt độ mất kiểm soát của pin xung quanh và trên đỉnh hộp thử nghiệm để theo dõi và lưu trữ các thông số chính như khí, khói và nhiệt độ theo thời gian thực trong hộp thử nghiệm; Để có thể hiểu trực quan về trạng thái mất kiểm soát nhiệt độ của pin trong toàn bộ quá trình thử nghiệm và để kiểm soát quá trình thử nghiệm, một camera siêu nhỏ đã được sử dụng để ghi lại quá trình thử nghiệm. Khi quan sát thấy van chống nổ của pin mở do nhiệt độ cao, quá trình gia nhiệt đã dừng ngay lập tức; Sử dụng máy bơm lấy mẫu để xả đủ khí vào khu vực an toàn và sau khi khí nguội và ổn định, hãy thu thập và niêm phong khí.

2) Kết quả thực nghiệm.

Từ dữ liệu nồng độ khí trong thí nghiệm, có thể thấy rằng trong giai đoạn đầu của quá trình làm nóng pin, do nhiệt độ không đạt đến ngưỡng của van giảm áp pin lithium, nồng độ khí tăng đều đã được phát hiện; Khi nhiệt độ của pin lithium đạt đến ngưỡng của van giảm áp, nồng độ khí tăng mạnh. Thông qua phân tích, có thể xác định rằng một loại giá trị nồng độ khí nhất định có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái sớm của sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium. Loại khí được chọn cần đáp ứng các yêu cầu sau: tỷ lệ thấp trong không khí, chi phí phát hiện định lượng thấp và khả năng phát hiện những thay đổi đáng kể về nồng độ của loại khí này sau khi xảy ra sự mất kiểm soát nhiệt của pin.

(2) Sạc quá mức dẫn đến thí nghiệm trích xuất khí mất kiểm soát nhiệt.

Kế hoạch thử nghiệm. Thí nghiệm này đã sạc quá mức pin lithium 150A • h bằng thiết bị sạc dòng điện không đổi. Sử dụng thiết bị thu thập khí được hiển thị =, khí được tạo ra ở các khoảng thời gian 10 ℃ giữa 60 ~ 100 ℃ đã được lấy mẫu và thu thập, và những thay đổi về nhiệt độ và trạng thái của pin đã được ghi lại chi tiết.

(3) Kết luận thực nghiệm

Tất cả các mẫu khí thu thập được trong chương này của thí nghiệm đều được phân tích thành phần khí. Từ dữ liệu, có thể thấy rằng giá trị của nitơ và oxy không thay đổi đáng kể trong quá trình thí nghiệm. Carbon dioxide là một trong những khí thành phần chính trong khí quyển, vì vậy ba loại khí này không có giá trị tham chiếu đáng kể. Chi phí phân tích và giám sát khí olefin tương đối cao và không phù hợp để quảng bá. Do đó, khí carbon monoxide, có sự thay đổi đáng kể về hàm lượng trước và sau thí nghiệm và dễ theo dõi và phân tích, phù hợp để cảnh báo sớm về giám sát mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium-ion. Để cải thiện độ chính xác của cảnh báo và tránh các kết quả dương tính giả và bỏ sót của hệ thống, dữ liệu về hàm lượng carbon monoxide và nhiệt độ được xem xét kết hợp.

3 Thiết kế ứng dụng hệ thống phòng cháy chữa cháy

3.1 Cơ chế bảo vệ đa cấp

Bảo vệ đa cấp là phương pháp phát hiện và bảo vệ phân vùng cho các bộ phận khác nhau của pin, cụ thể là từ phần bên trong của pin, cụm pin kín và ngăn chứa pin, với mục đích cảnh báo kịp thời và nhanh chóng trong trường hợp mất kiểm soát nhiệt của một pin duy nhất. Khi pin lithium-ion bị mất kiểm soát nhiệt, nó có thể đi kèm với rò rỉ chất điện phân, có thể dẫn đến điện áp cao, hỏng cách điện, điện giật gián tiếp, hỏa hoạn và các mối nguy hiểm khác trong thiết bị lưới điện.

Việc giám sát bên trong từng cụm pin có thể báo động sớm nhất có thể trong trường hợp pin có tình trạng bất thường như rò rỉ chất điện phân và mất kiểm soát nhiệt, đồng thời có thể kiểm soát các tình huống nguy hiểm kịp thời trước khi xảy ra hiện tượng khuếch tán nhiệt, cải thiện hiệu suất phòng ngừa và cảnh báo của hệ thống. Khi một cụm pin đơn lẻ bị mất kiểm soát nhiệt, có thể lắp đặt máy dò bên trong cụm pin trong hệ thống chữa cháy nơi khuếch tán nhiệt không tạo thành liên kết. Đối với pin lithium sắt phosphate, đám cháy đơn lẻ ban đầu rất dễ dập tắt hoặc dập tắt. Việc lắp đặt và sử dụng bộ điều khiển phát hiện trong cụm pin đặc biệt quan trọng đối với các trạm lưu trữ năng lượng lithium-ion. Hệ thống phòng cháy chữa cháy của các nhà máy điện lưu trữ năng lượng cần triển khai cơ chế cảnh báo theo thứ bậc, áp dụng kiểm soát xử lý cháy nhiều cấp, giảm nguy cơ hỏa hoạn trên diện rộng trong hệ thống lưu trữ năng lượng và đảm bảo an toàn cho hệ thống lưu trữ năng lượng một cách hiệu quả.

3.2 Ngưỡng tham chiếu của máy dò

Máy dò khí cháy chọn hai thông số: đồng hồ đo pin và nồng độ carbon monoxide bên trong pin để phát hiện tổng hợp, để đưa ra phán đoán toàn diện về tình trạng mất nhiệt và cháy của pin lithium, và để tránh báo động sai và bỏ sót hệ thống. Khi nhiệt độ bề mặt của pin đạt 60 ℃, cảm biến khí phát hiện khí carbon monoxide và nồng độ tăng dần, khiến pin bị phồng nhẹ. Phát hiện khí có thể cân bằng nồng độ khí và tốc độ tăng nồng độ, cải thiện độ chính xác phát hiện.

3.3 Các thành phần chính của hệ thống phòng cháy chữa cháy

(1) Kiểm soát máy chủ. Máy chủ kiểm soát là một trong những thành phần cốt lõi của hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy, chịu trách nhiệm liên kết hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy, phân tích và xử lý dữ liệu thu thập được theo thời gian thực; Cung cấp ít nhất bốn loại giao diện truyền thông: Ethernet, mạng khu vực điều khiển (CAN), mạng truyền thông RS485 và tiếp điểm khô.

(2) Cảm biến. Cảm biến có trách nhiệm thu thập các thông số như nhiệt độ pin, nồng độ khí carbon monoxide và nồng độ khói, và truyền dữ liệu đến máy chủ để đưa ra phán đoán toàn diện về tình trạng mất kiểm soát nhiệt và cháy của pin lithium.

(3) Thiết bị báo động. Khi có sự cố mất nhiệt của pin hoặc thậm chí là nguy cơ hỏa hoạn, máy chủ có thể cảnh báo kịp thời cho công nhân thông qua báo động âm thanh và ánh sáng và đèn báo phun khí được triển khai bên trong và bên ngoài trạm.

(4) Công tắc do người dùng vận hành. Công tắc do người dùng vận hành bao gồm công tắc khởi động/dừng khẩn cấp và công tắc chuyển trạng thái thủ công tự động.

3.4 Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc phòng cháy chữa cháy

Thiết kế đường truyền thông bao gồm các khía cạnh sau:

① Phải có đường dây giữa hệ thống phòng cháy chữa cháy và BMS để có thể liên lạc khi có hỏa hoạn;

② Có đường truyền thông tin giữa thiết bị phát hiện và hệ thống hiển thị phía sau để hiển thị dữ liệu thu thập được cho nhân viên;

③ Có đường truyền thông tin giữa máy điều hòa của trạm và BMS để đảm bảo máy điều hòa đã tắt khi thiết bị chữa cháy được kích hoạt.

3.5 Các biện pháp bảo vệ an toàn cho nhân viên

(1) Chế độ tự động thủ công. Hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy có thể lựa chọn chế độ thủ công hoặc tự động một cách độc lập. Khi hệ thống ở chế độ tự động, dữ liệu thu được từ máy chủ sẽ quyết định có nên khởi động thiết bị chữa cháy hay không; Khi hệ thống ở chế độ thủ công, thiết bị chữa cháy được nhân viên điều khiển để đảm bảo an toàn cho nhân viên bảo trì trong trạm.

(2) Chế độ khởi động chậm của thiết bị chữa cháy. Khi các thiết bị chữa cháy được kích hoạt, công việc trì hoãn sẽ được điều chỉnh phù hợp dựa trên tình hình tại chỗ, cung cấp thời gian cần thiết để sơ tán nhân viên.

4 Kết luận

Trên cơ sở phân tích các thông số đặc trưng của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion, bài báo này đề xuất một thiết bị phát hiện và cảnh báo khí dựa trên hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion và thiết kế một hệ thống liên kết cảnh báo và bảo vệ đa cấp để đảm bảo rằng trong khi phát hiện nhanh chóng và chính xác trạng thái mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion, nó có thể được liên kết với thiết bị chữa cháy, cải thiện đáng kể tính an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng pin.