Essai de sécurité des systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion

Essai de sécurité des systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion

Avec l'utilisation croissante de grandes batteries lithium-ion dans le réseau électrique, la sécurité incendie basée sur les systèmes de stockage d'énergie des batteries lithium-ion devient de plus en plus importante. L'expérience d'emballement thermique des batteries lithium-ion a permis d'observer une petite fuite de gaz combustible. En analysant la composition du gaz qui a fui, la teneur en CO et la température du système peuvent être utilisées comme base principale pour l'avertissement du système, et un mécanisme de protection contre l'emballement thermique pour les batteries lithium-ion peut être établi.

Le jugement d'alerte d'emballement thermique de la batterie lithium-ion a été ajouté au système de stockage d'énergie et, combiné à un mécanisme de protection à plusieurs niveaux et à une technologie de liaison de sécurité, le cadre général du système de sécurité incendie basé sur le système de stockage d'énergie de la batterie lithium-ion a été conçu. Les composants, la communication et la sécurité du personnel dans le système de sécurité incendie ont été élaborés. Ce système peut surveiller avec précision l'état d'emballement thermique des batteries lithium-ion et relier rapidement les dispositifs de sécurité incendie, ce qui améliore considérablement la sécurité et la stabilité du système de stockage d'énergie par batterie pendant son fonctionnement.

1 Recherche sur les méthodes d'identification de l'emballement thermique

La recherche sur le système de sécurité incendie des systèmes de stockage d'énergie à batterie lithium-ion est basée sur l'identification des caractéristiques d'emballement thermique des batteries lithium-ion. À l'heure actuelle, les principales méthodes d'identification de l'emballement thermique précoce utilisées dans le pays et à l'étranger sont les suivantes :

① l'obtention de données clés telles que la température, la tension et le courant de la batterie par le biais du système de gestion de la batterie (BMS) à des fins d'évaluation et de recherche

② La méthode de mesure de la pression sur les modules de batterie à l'aide de capteurs à jauge de contrainte ;

③ Méthode d'identification de l'emballement thermique pour détecter la valeur de la résistance interne des batteries ;

③ Méthode de détermination de l'emballement thermique par la collecte des fuites de gaz des batteries et l'analyse de la composition et du contenu du gaz.

Méthode ① : S'appuyant sur le système de gestion de la batterie, il perd la capacité d'identifier l'emballement thermique dès qu'il se bloque. Comparée aux méthodes ② et ③, la détection des gaz est la méthode d'alerte précoce la plus efficace pour l'emballement thermique des batteries, qui peut fournir une alerte rapide et opportune lorsqu'une seule batterie subit un emballement thermique. Par conséquent, la méthode préférée pour analyser et identifier les gaz d'emballement thermique est la détection de gaz.

Analyse et recherche des gaz d'emballement thermique

La fuite de gaz combustibles et les réactions chimiques ont accompagné tout le processus d'emballement thermique de la batterie. L'environnement dans lequel se trouvent les batteries du système de stockage d'énergie est relativement stable dans des circonstances normales, mais une fois que les batteries génèrent un emballement thermique, des paramètres anormaux tels que la température, le gaz et l'intensité lumineuse dans le système de stockage d'énergie se produiront inévitablement.

La question clé du mécanisme de sécurité de l'emballement thermique des batteries est de savoir comment extraire avec précision les valeurs de gaz dans les premiers stades de l'emballement thermique. Les paramètres des gaz peuvent indiquer avec précision l'état d'emballement thermique de la batterie et éviter efficacement les erreurs d'appréciation dues à l'environnement de travail de la batterie elle-même. La méthode d'alerte précoce efficace pour l'emballement thermique des batteries consiste à surveiller les gaz, et la sélection des détecteurs de gaz est au centre de la recherche.

2 Expérience d'extraction de gaz en cas d'emballement thermique

(1) Le chauffage conduit à une expérience d'extraction de gaz d'emballement thermique.

1) Conception du schéma.

En utilisant une paire de coussins chauffants de 400 W pour chauffer une batterie au lithium de 150 Ah, pendant le processus de chauffage, afin d'éviter que l'expansion et la déformation de la coque de la batterie au lithium ne provoquent un contact insuffisant entre le coussin chauffant et la coque de la batterie, entraînant une perte de chaleur du coussin chauffant et l'incapacité de la température de la batterie à atteindre la norme d'emballement thermique, ce qui affecte l'effet expérimental, il est nécessaire d'utiliser des fixations pour faire en sorte que la batterie et le coussin chauffant s'emboîtent pendant tout le processus expérimental ; Utiliser des capteurs de température pour surveiller la température en temps réel de l'élément chauffant et de la batterie, et disposer l'équipement de surveillance de l'emballement thermique de la batterie autour et au-dessus de la boîte expérimentale pour surveiller et stocker les paramètres clés tels que le gaz, la fumée et la température en temps réel dans la boîte expérimentale ; Afin d'avoir une compréhension visuelle de l'état d'emballement thermique de la batterie tout au long du processus expérimental et de contrôler le processus expérimental, une micro caméra a été utilisée pour enregistrer l'expérience. Lorsque la valve antidéflagrante de la batterie s'ouvrait en raison d'une température élevée, le chauffage était immédiatement interrompu ; utiliser une pompe d'échantillonnage pour évacuer suffisamment de gaz dans une zone sûre et, une fois que le gaz s'est refroidi et stabilisé, collecter et sceller le gaz.

2) Résultats expérimentaux.

D'après les données de concentration de gaz de l'expérience, on peut constater qu'au début du chauffage de la batterie, la température n'atteignant pas le seuil de la soupape de décharge de la batterie au lithium, une augmentation régulière de la concentration de gaz a été détectée ; lorsque la température de la batterie au lithium atteint le seuil de la soupape de décharge, la concentration de gaz augmente brusquement. L'analyse permet de déterminer qu'un certain type de valeur de concentration de gaz peut être utilisé pour juger de l'état précoce de l'emballement thermique des piles au lithium. Le type de gaz sélectionné doit répondre aux exigences suivantes : faible proportion dans l'air, faible coût de la détection quantitative et capacité à détecter des changements significatifs dans la concentration de ce type de gaz après l'emballement thermique de la batterie

.

(2) La surcharge entraîne un emballement thermique expérience d'extraction de gaz.

Plan d'expérience. Cette expérience a surchargé une batterie au lithium de 150A - h en utilisant un dispositif de charge à courant constant. En utilisant le dispositif de collecte de gaz illustré, le gaz généré à des intervalles de 10 ℃ entre 60~100 ℃ a été échantillonné et collecté, et les changements de température et d'état de la batterie ont été enregistrés en détail.

(3) Conclusion expérimentale

Tous les échantillons de gaz recueillis dans ce chapitre de l'expérience ont été analysés pour déterminer la composition du gaz. Les données montrent que les valeurs de l'azote et de l'oxygène ne changent pas de manière significative au cours du processus expérimental. Le dioxyde de carbone est l'un des principaux gaz constitutifs de l'atmosphère, de sorte que ces trois types de gaz n'ont pas de valeur de référence significative. Le coût de l'analyse et de la surveillance des gaz oléfiniques est relativement élevé et ne se prête pas à une promotion. Par conséquent, le monoxyde de carbone, dont la teneur change considérablement avant et après l'expérience et qui est facile à surveiller et à analyser, convient pour l'alerte précoce de l'emballement thermique des batteries lithium-ion. Afin d'améliorer la précision de l'alarme et d'éviter les faux positifs et les omissions du système, les données relatives à la teneur en monoxyde de carbone et à la température sont prises en compte de manière combinée.

3 Conception de l'application du système de sécurité incendie

3.1 Mécanisme de protection à plusieurs niveaux

La protection multiniveau fait référence à la méthode de détection et de protection des différentes parties de la batterie, en particulier la partie interne de la batterie, le groupe de batteries fermé et le compartiment de la batterie, dans le but de donner l'alerte rapidement en cas d'emballement thermique d'une seule batterie. L'emballement thermique d'une batterie lithium-ion peut s'accompagner d'une fuite d'électrolyte, ce qui peut entraîner une haute tension, une défaillance de l'isolation, un choc électrique indirect, un incendie et d'autres risques dans l'équipement du réseau électrique.

La surveillance à l'intérieur de chaque batterie peut donner l'alerte le plus tôt possible en cas de conditions anormales de la batterie, telles qu'une fuite d'électrolyte ou un emballement thermique, et peut contrôler les situations dangereuses en temps utile avant que la diffusion thermique ne se produise, améliorant ainsi les performances du système en matière de prévention et d'alerte. Lorsqu'une seule batterie subit un emballement thermique, le détecteur à l'intérieur du bloc-batterie peut être installé dans un système d'extinction d'incendie où la diffusion thermique ne forme pas de lien. Pour les batteries au lithium-fer-phosphate, l'incendie initial est facile à éteindre ou à supprimer. L'installation et l'utilisation d'un contrôleur de détection dans le bloc-batterie sont particulièrement importantes pour les stations de stockage d'énergie au lithium-ion. Le système de protection contre les incendies des centrales de stockage d'énergie doit mettre en œuvre un mécanisme d'alerte hiérarchique, adopter un contrôle de traitement des incendies à plusieurs niveaux, réduire le risque d'incendie à grande échelle dans le système de stockage d'énergie et garantir efficacement la sécurité du système de stockage d'énergie.

3.2 Seuil de référence du détecteur

Le détecteur d'incendie à gaz sélectionne deux paramètres : le compteur du bloc-batterie et la concentration de monoxyde de carbone à l'intérieur du bloc-batterie pour la détection composite, afin de porter un jugement global sur l'emballement thermique et la situation d'incendie de la batterie au lithium, et d'éviter les fausses alarmes et les omissions du système. Lorsque la température de surface de la batterie atteint 60 ℃, le capteur de gaz détecte le monoxyde de carbone, et la concentration augmente progressivement, provoquant un léger gonflement de la batterie. La détection de gaz peut équilibrer la concentration de gaz et la vitesse d'augmentation de la concentration, améliorant ainsi la précision de la détection.

3.3 Principaux composants du système de sécurité incendie

(1) Contrôle de l'hôte. L'hôte de contrôle est l'un des principaux composants du système de sécurité incendie, responsable de la liaison du système de sécurité incendie, de l'analyse en temps réel et du traitement des données collectées ; il fournit au moins quatre types d'interfaces de communication : Ethernet, réseau de contrôleurs (CAN), réseau de communication RS485 et contact sec.

(2) Capteurs. Les capteurs sont chargés de collecter des paramètres tels que la température de la batterie, la concentration de gaz de monoxyde de carbone et la concentration de fumée, et de transmettre les données à l'hôte afin de porter un jugement global sur l'emballement thermique et les conditions d'incendie des batteries au lithium.

(3) Dispositifs d'alarme. En cas d'emballement thermique de la batterie ou même de risque d'incendie, l'hôte peut alerter les travailleurs en temps utile au moyen d'alarmes sonores et lumineuses et de voyants lumineux de pulvérisation de gaz déployés à l'intérieur et à l'extérieur de la station.

(4) Interrupteur actionné par l'utilisateur. Les interrupteurs actionnés par l'utilisateur comprennent les interrupteurs de démarrage/arrêt d'urgence et les interrupteurs de commutation manuelle automatique.

3.4 Conception des communications du système de sécurité incendie

La conception des lignes de communication comprend les aspects suivants :

① Il doit y avoir une ligne entre le système de sécurité incendie et le système de gestion des bâtiments qui puisse communiquer en cas d'incendie ;

② Il y a une ligne de communication entre le dispositif de détection et le système d'affichage dorsal pour afficher les données collectées au personnel ;

③ Il existe une ligne de communication entre le climatiseur de la station et le système de gestion des bâtiments pour s'assurer que le climatiseur est éteint lorsque l'équipement d'extinction d'incendie est activé.

3.5 Mesures de protection du personnel

(1) Mode manuel automatique. Le système de sécurité incendie peut choisir indépendamment le mode manuel ou automatique. Lorsque le système est en mode automatique, les données obtenues par l'hôte déterminent s'il faut démarrer l'équipement d'extinction d'incendie ; lorsque le système est en mode manuel, l'équipement d'extinction d'incendie est contrôlé par le personnel afin d'assurer la sécurité du personnel de maintenance dans la station.

(2) Mode de démarrage différé du dispositif d'extinction d'incendie. Lorsque les installations d'extinction d'incendie sont activées, le délai de mise en marche est ajusté en fonction de la situation sur le site, afin de laisser le temps nécessaire à l'évacuation du personnel.

4 Conclusion

Sur la base de l'analyse des paramètres caractéristiques de l'emballement thermique des batteries lithium-ion, cet article propose un dispositif de détection de gaz et d'alerte basé sur le système de stockage d'énergie des batteries lithium-ion, et conçoit un système de liaison d'alerte et de protection à plusieurs niveaux pour garantir que, tout en détectant rapidement et précisément l'état d'emballement thermique des batteries lithium-ion, il peut être relié à l'équipement d'extinction d'incendie, améliorant ainsi de manière significative la sécurité du système de stockage d'énergie de la batterie.