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Ensayo de seguridad del sistema de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio

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Ensayo de seguridad del sistema de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio

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Con la creciente aplicación de grandes paquetes de baterías de iones de litio en la red eléctrica, la seguridad contra incendios basada en los sistemas de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio es cada vez más importante. Basándose en el experimento de embalamiento térmico de las baterías de iones de litio, se observó una pequeña cantidad de fugas de gas combustible. Mediante el análisis de la composición del gas fugado, el contenido de CO y la temperatura del sistema pueden utilizarse como base principal para la advertencia del sistema, y puede establecerse un mecanismo de protección contra fugas térmicas para las baterías de iones de litio.

Se ha añadido al sistema de almacenamiento de energía el juicio de advertencia de embalamiento térmico de la batería de iones de litio y, combinado con el mecanismo de protección multinivel y la tecnología de vinculación de seguridad, se ha diseñado el marco general del sistema de seguridad contra incendios basado en el sistema de almacenamiento de energía de la batería de iones de litio. Se han elaborado los componentes, la comunicación y la seguridad del personal del sistema de seguridad contra incendios. Este sistema puede monitorizar con precisión el estado de fuga térmica de las baterías de iones de litio, y puede vincular rápidamente los dispositivos de seguridad contra incendios, mejorando significativamente la seguridad y la estabilidad del sistema de almacenamiento de energía de la batería durante el funcionamiento.

1 Investigación sobre los métodos de identificación del embalamiento térmico

La investigación sobre el sistema de seguridad contra incendios de los sistemas de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio se basa en la identificación de las características de embalamiento térmico de las baterías de iones de litio. En la actualidad, los principales métodos de identificación temprana de la fuga térmica en el país y en el extranjero incluyen principalmente:

① Obtención de datos clave como la temperatura, la tensión y la corriente de la batería a través del sistema de gestión de baterías BMS para el juicio y la investigación

② Método de medición de la presión en los módulos de la batería mediante sensores de galgas extensométricas;

③ Método de identificación de embalamiento térmico para detectar el valor de la resistencia interna de las baterías;

③ Método de determinación del desbordamiento térmico mediante la recogida del gas de fuga de las baterías y el análisis de la composición y el contenido del gas.

Método ①: Al depender del sistema de gestión de la batería, una vez que se cuelga, pierde la capacidad de identificar la fuga térmica. En comparación con los métodos ② y ③, la detección de gas es el método de alerta temprana más eficaz para la fuga térmica de las baterías, que puede proporcionar una alerta oportuna y rápida cuando una sola batería experimenta una fuga térmica. Por lo tanto, el método preferido para analizar e identificar los gases de fuga térmica es la detección de gases.

Análisis e investigación de gases de fuga térmica

La fuga de gases combustibles y las reacciones químicas han ido acompañadas de todo el proceso de embalamiento térmico de la batería. El entorno en el que se encuentran las baterías del sistema de almacenamiento de energía es relativamente estable en circunstancias normales, pero una vez que las baterías generan el desbordamiento térmico, se producirán inevitablemente parámetros anormales como la temperatura, el gas y la intensidad de la luz en el sistema de almacenamiento de energía.

La cuestión clave en el mecanismo de seguridad del desbordamiento térmico de las baterías es cómo extraer con precisión los valores del gas en las primeras fases del desbordamiento térmico. Los parámetros de gas pueden mostrar con precisión el estado de fuga térmica de la batería y evitar eficazmente los errores de apreciación causados por el entorno de trabajo de la propia batería. El método de alerta precoz eficaz para el desbordamiento térmico de la batería consiste en monitorizar el gas, y la selección de detectores de gas es el centro de la investigación.

2 Experimento de extracción de gas de embalamiento térmico

(1) El calentamiento conduce al experimento de extracción de gas de fuga térmica.

1) Diseño del esquema.

Utilizando un par de almohadillas calefactoras de 400W para calentar una batería de litio de 150Ah, durante el proceso de calentamiento, para evitar que la expansión y deformación de la carcasa de la batería de litio provoque un contacto insuficiente entre la almohadilla calefactora y la carcasa de la batería, provocando la pérdida de calor de la almohadilla calefactora y la incapacidad de la temperatura de la batería para alcanzar el estándar de embalamiento térmico, lo que afecta al efecto experimental, es necesario utilizar accesorios para hacer que la batería y la almohadilla calefactora encajen durante todo el proceso experimental; Utilizar sensores de temperatura para controlar la temperatura en tiempo real del elemento calefactor y la batería, y disponer el equipo de control de embalamiento térmico de la batería alrededor y encima de la caja experimental para controlar y almacenar parámetros clave como el gas, el humo y la temperatura en tiempo real en la caja experimental; Para tener una comprensión visual del estado de embalamiento térmico de la batería durante todo el proceso experimental y controlar el proceso experimental, se utilizó una microcámara para grabar el experimento. Cuando se observaba que la válvula a prueba de explosiones de la batería se abría debido a la alta temperatura, se detenía inmediatamente el calentamiento; Se utilizaba una bomba de muestreo para descargar suficiente gas en una zona segura y, una vez que el gas se enfriaba y estabilizaba, se recogía y sellaba el gas.

2) Resultados experimentales.

A partir de los datos de concentración de gas del experimento, se observa que en la fase inicial del calentamiento de la batería, debido a que la temperatura no alcanza el umbral de la válvula de alivio de presión de la batería de litio, se detecta un aumento suave de la concentración de gas; cuando la temperatura de la batería de litio alcanza el umbral de la válvula de alivio de presión, la concentración de gas aumenta bruscamente. A través del análisis, se puede determinar que un determinado tipo de valor de concentración de gas puede utilizarse para juzgar el estado inicial de fuga térmica de las baterías de litio. El tipo de gas seleccionado debe cumplir los siguientes requisitos: baja proporción en el aire, bajo coste de detección cuantitativa y capacidad para detectar cambios significativos en la concentración de este tipo de gas después de que se produzca el desbordamiento térmico de la batería

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(2) La sobrecarga provoca un experimento de extracción de gas de embalamiento térmico.

Plan experimental. Este experimento sobrecargó una batería de litio de 150A - h utilizando un dispositivo de carga de corriente constante. Utilizando el dispositivo de recolección de gas mostrado=, el gas generado a intervalos de 10 ℃ entre 60~100 ℃ fue muestreado y recogido, y los cambios en la temperatura y el estado de la batería se registraron en detalle.

(3) Conclusión experimental

Todas las muestras de gas recogidas en este capítulo del experimento se analizaron para el contenido de la composición de gas. De los datos se desprende que los valores de nitrógeno y oxígeno no cambian significativamente durante el proceso experimental. El dióxido de carbono es uno de los principales gases constituyentes de la atmósfera, por lo que estos tres tipos de gases no tienen un valor de referencia significativo. El coste de análisis y seguimiento de los gases olefínicos es relativamente elevado y no es adecuado para su promoción. Por lo tanto, el gas monóxido de carbono, que presenta cambios significativos en su contenido antes y después del experimento y es fácil de monitorizar y analizar, es adecuado para la monitorización de la alerta temprana de embalamiento térmico en baterías de iones de litio. Con el fin de mejorar la precisión de la alarma y evitar falsos positivos y omisiones del sistema, el contenido de monóxido de carbono y los datos de temperatura se consideran en combinación.

3 Diseño de la aplicación del sistema de seguridad contra incendios

3.1 Mecanismo de protección multinivel

La protección multinivel se refiere al método de detección y protección por particiones de varias partes de la batería, concretamente de la parte interna de la batería, el grupo de baterías cerrado y el compartimento de la batería, con el objetivo de avisar a tiempo y con rapidez en caso de fuga térmica de una sola batería. Cuando una batería de iones de litio experimenta un embalamiento térmico, puede ir acompañado de fugas de electrolito, lo que puede provocar alta tensión, fallos de aislamiento, descargas eléctricas indirectas, incendios y otros peligros en los equipos de la red eléctrica.

La monitorización en el interior de cada batería puede alertar lo antes posible en caso de que se produzcan condiciones anormales en la batería, como fugas de electrolito y embalamiento térmico, y controlar a tiempo las situaciones peligrosas antes de que se produzca la difusión térmica, mejorando así el rendimiento de prevención y alerta del sistema. Cuando una sola batería experimenta embalamiento térmico, el detector del interior del paquete de baterías puede instalarse en un sistema de extinción de incendios en el que la difusión térmica no forme un enlace. En el caso de las baterías de litio hierro fosfato, el incendio inicial es fácil de extinguir o suprimir. La instalación y el uso de un controlador de detección en el paquete de baterías es especialmente importante para las centrales de almacenamiento de energía de iones de litio. El sistema de protección contra incendios de las centrales de almacenamiento de energía debe implantar un mecanismo de alerta jerárquico, adoptar un control de tratamiento de incendios de varios niveles, reducir el riesgo de incendio a gran escala en el sistema de almacenamiento de energía y garantizar eficazmente la seguridad del sistema de almacenamiento de energía.

3.2 Umbral de referencia del detector

El detector de incendios por gas selecciona dos parámetros: el medidor de la batería y la concentración de monóxido de carbono en el interior de la batería para la detección compuesta, a fin de emitir un juicio exhaustivo sobre la situación de fuga térmica e incendio de la batería de litio, y evitar falsas alarmas y omisiones del sistema. Cuando la temperatura de la superficie de la batería alcanza los 60 ℃, el sensor de gas detecta gas monóxido de carbono, y la concentración aumenta gradualmente, haciendo que la batería experimente un ligero abombamiento. La detección de gas puede equilibrar la concentración de gas y la tasa de aumento de la concentración, mejorando la precisión de la detección.

3.3 Componentes principales del sistema de seguridad contra incendios

(1) Control del host. El host de control es uno de los componentes principales del sistema de seguridad contra incendios, responsable de la vinculación del sistema de seguridad contra incendios, el análisis en tiempo real y el procesamiento de los datos recogidos; Proporcionar al menos cuatro tipos de interfaces de comunicación: Ethernet, red de área de controlador (CAN), red de comunicación RS485 y contacto seco.

(2) Sensores. Los sensores se encargan de recopilar parámetros como la temperatura de la batería, la concentración de gas monóxido de carbono y la concentración de humo, y de transmitir los datos al host para emitir juicios exhaustivos sobre las condiciones de fuga térmica e incendio de las baterías de litio.

(3) Instalaciones de alarma. Cuando se produce una fuga térmica de la batería o incluso un riesgo de incendio, el host puede alertar a tiempo a los trabajadores mediante alarmas sonoras y luminosas y luces indicadoras de pulverización de gas desplegadas dentro y fuera de la estación.

(4) Interruptor accionado por el usuario. Los interruptores accionados por el usuario incluyen interruptores de arranque/parada de emergencia y de conmutación automática manual de estado.

3.4 Diseño de la comunicación del sistema de seguridad contra incendios

El diseño de las líneas de comunicación incluye los siguientes aspectos:

① Debe existir una línea entre el sistema de seguridad contra incendios y el SGE que pueda comunicarse en caso de incendio;

② Existe una línea de comunicación entre el dispositivo de detección y el sistema de visualización backend para mostrar los datos recopilados al personal;

③ Hay una línea de comunicación entre el aire acondicionado de la estación y el BMS para garantizar que el aire acondicionado se apaga cuando se activa el equipo de extinción de incendios.

3.5 Medidas de protección de seguridad para el personal

(1) Modo automático manual. El sistema de seguridad contra incendios puede elegir el modo manual o automático de forma independiente. Cuando el sistema está en modo automático, los datos obtenidos por el host determinan si se pone en marcha el equipo de extinción de incendios; Cuando el sistema está en modo manual, el equipo de extinción de incendios es controlado por el personal para garantizar la seguridad del personal de mantenimiento en la estación.

(2) Modo de arranque retardado del dispositivo de extinción de incendios. Cuando se activan las instalaciones de extinción de incendios, el trabajo de retardo se ajustará adecuadamente en función de la situación in situ, proporcionando el tiempo necesario para la evacuación del personal.

4 Conclusiones

Sobre la base del análisis de los parámetros característicos del desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio, este artículo propone un dispositivo de detección y alerta de gas basado en el sistema de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio, y diseña un sistema de enlace de alerta y protección de varios niveles para garantizar que, al tiempo que detecta con rapidez y precisión el estado de desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio, pueda enlazarse con los equipos de extinción de incendios, mejorando significativamente la seguridad del sistema de almacenamiento de energía de baterías.