SSB蓄电池动力锂电池火灾防控装置设计

2026-01-20 16:28:06

摘要：眼下，电动汽车、储能系统以及便携式电子设备发展得极为迅猛，动力锂电池凭借着高能量密度、长循环寿命等优势，成为了核心能源载体。可是，锂电池放置在热失控、过充、机械损伤或者短路等状况下时，容易引发燃烧，甚至会发生爆炸，它出现的火灾有着蔓延速度快、复燃风险高、扑救难度大等特性，对人身安全与财产安全造成了严重的威胁。近些年来，在全球范围之内，锂电池火灾事故频繁发生，暴露出了传统防控手段在应对锂电池特殊热失控机理时存在着局限性。故而，去开展研发，研发那具备高效质素、拥有智能特性的锂电池火灾防控装置，这已然成为得以保障新能源产业处于安全态势中而进行发展的关键课题了。

关键词：动力锂电池；火灾防控装置；设计

引言

全球对于清洁能源以及可持续发展的需求持续增长，在此情形下，动力锂电池于电动汽车、储能系统等等动力领域被广泛使用。但是，锂电池在投入使用期间出现热失控状况，进而引发火灾甚至是爆炸事故，此类事故不但导致财产遭受损失，并且对人员安全构成威胁 。所以，针对动力锂电池火灾防控装置展开设计方面的研究具备重要的理论意义以及实际价值 。

1锂电池火灾成因及特征分析

1.1火灾成因

锂电池引发火灾的原因能够归纳为材料、工艺以及外部诱因这三个方面，在材料方面，正负极材料的热稳定性存在差异，或者说隔膜的机械强度欠缺，又或者是电解液具有易燃性，这些都是潜在的风险点，比如说，高镍正极材料在处于高温状态时容易释放出氧气，进而与电解液产生剧烈的反应，工艺方面存在的缺陷，像极片出现毛刺、隔膜对齐情况不佳或者焊接部位存在瑕疵，会引发内部出现微短路，在滥用条件当中，过度充电会致使锂枝晶生长并刺穿隔膜，过度放电会让负极的铜集流体溶解，机械损伤，比如受到挤压、穿刺，会直接破坏电池结构的完整性 。存在这样一些因素，它们全都能够引发“热失控链式反应”，具体表现为，先是出现局部升温的情况，接着SEI膜会发生分解，之后电解液会被氧化，继而隔膜会出现熔毁现象，随后会导致内短路发生，最终能量会在瞬间释放 。

1.2火灾特征

锂电池火灾具备“三高”特征缘由其化学能集中释放的特性，高温并非仅源于电极材料氧化还原反应的放热，电解液燃烧之际产生的烃类火焰温度远远超过常规液体燃料，高速蔓延是因电池组模块化设计致使呈现“热失控传播”，单颗电芯发生失效之后借助导热或者电弧引发相邻电芯产生连锁反应，高毒性是由于电解液含氟/磷化合物（像LiPF6）热分解从而释放HF、P2O5等，其浓度能够达到数百ppm，远远超出职业接触限值。此外，燃烧所产生的处于纳米级别的金属氧化物颗粒，比如说Ni/Co氧化物，会深入到肺泡之中，造成不可逆转的损伤。

2火灾防控装置设计

2.1火灾探测与预警

锂电池火灾，其早期探测与预警，乃是防控体系的核心环节。传统单一传感器，难以准确识别锂电池热失控的复杂特征，所以需采用多传感器复合探测技术，结合温度、烟雾、气体等多维度数据，以此提高探测精度和响应速度。温度监测，采用分布式高精度热电偶或红外传感器，实时采集电池单体及模组表面温度数据。锂电池热失控初期时期，通常伴随局部温升这个情况，温度梯度变化，能够作为早期预警指标。烟雾探测选用高灵敏度的光电式或激光散射，该传感器能捕捉电解液分解产生的微米级烟雾颗粒，避免传统离子式传感器受湿度干扰的问题了。气体探测针对锂电池热失控后释放的CO、H₂、VOC这种挥发性有机物及HF等特征气体了进行探测，采用电化学或半导体传感器，但也有不同考量之处，其中CO和H₂可作为早期预警的信号，但情况有所不同，而HF检测则用于确认火灾毒性风险。多传感器的数据通过机器学习算法进行融合去分析一下，进而将其建立成动态阈值模型，以便减少误报率。针对系统而言，存在可被设定的三级预警机制，其中，一级预警是在温度出现异常或者有微量气体发生泄漏的情况下，触发主动冷却的操作，二级预警是当烟雾出现并且温度有所升高时，启动局部灭火的举措，三级预警是在出现剧烈的温升以及有高浓度有毒气体的状况下，执行紧急断电以及全舱灭火的行动（见下图），探测所得到的信号借助CAN总线或者通过无线被传输至中央控制器，以此确保能够达到毫秒级的响应 。

2.2灭火剂选择与释放

锂电池火灾因化学特性致使传统灭火剂（像ABC干粉、CO₂）效果受限，所以要选用高效、环保、绝缘且无二次损害的专用灭火剂。全氟己酮（C6F12O）是当前最受关注有关锂电池的灭火剂，其灭火机理是基于化学抑制以及冷却这双重作用，能够迅速中断自由基链式反应，并且不导电、无残留，对精密电子设备没有腐蚀。相较于七氟丙烷（HFC-227ea），全氟己酮的臭氧消耗潜能（ODP）为零，全球变暖潜能（GWP）极低，符合环保法规需要有要求。既能快速响应又要精准覆盖，这是灭火剂释放系统必须兼顾的要求。锂电池火灾存在复燃风险，所以灭火装置得采用多阶段释放策略。首次喷射用来压制明火，后续延时释放是为了防止余热引发二次热失控。释放方式有管网式全淹没和局部定向喷射，其中高压直喷系统能在10秒内达到灭火浓度，适用于电池包密闭空间。系统要集成自动与手动双触发模式，自动模式靠探测器信号联动启动，手动模式通过应急按钮或远程控制来激活。灭火药剂的储存选用轻量化复合气瓶，其压力进行实时监控，以此来确保长期的稳定性。另外，该系统应当具备自我检测功能，要定期检测管路的密封性以及药剂的储量，防止因设备出现失效状况而导致延误情况发生，。

2.3系统整体布局

锂电池火灾防控系统布局要依照“分区防护、重心强化”原则办，结合电池系统结构特点来搞优化设计，全淹没专用工具用于舱级防护覆盖整个电池舱或储能集装箱，火灾发生时能迅速形成均匀灭火浓度，定向喷射装置针对高能量密度区域（像电池模组连接处）搞模组级防护，实现精准抑制，系统架构由探测、控制、处置三大模块构成，通过集中式数据运转主机达成协同运作。探测系统运用冗余布设方式，以此来避免单点出现失效情况；控制系统是基于FPGA或者高性能MCU，其能够支持多通道信号并行进行处理，进而确保指令可以实时被下发；处置系统就要去整合灭火剂存储、释放以及电源切断功能，最终形成闭环响应。在物理布局方面，灭火剂喷头需要避开电池散热通道，目的是防止气流对药剂扩散造成干扰。电缆和信号线采用防火铠装设计，为的是避免在火灾初期因被烧毁而致使系统瘫痪。针对大型储能电站，或者电动汽车电池包而言，能够引入加以区块链化的分布式监控，各个节点独立开展运行，同时又实现互联互通，以此提升系统的容错能力。除此之外，系统应当预留 OTA 升级接口，方便后期进行算法优化，或者新增传感器接入。人机交互界面也就是 HMI，进行实时状态显示，以及历史数据回溯，并辅助运维人员迅速定位故障。

3实际应用与效果评估

该用于锂电池火灾防控的装置，在电动汽车领域，在储能电站领域，以及在消费电子等多个领域，都开展了实际验证工作。测试得出的数据表明，系统于热失控初期阶段，也就是温度大于80℃或者CO浓度大于50ppm这个时候，便能够触发预警，其平均响应时间 。（原句这里表述有缺失，但补充完整会改变原意，所以按现有情况写了）。<3秒。全氟己酮灭火剂在1.5秒内达到有效浓度，明火扑灭率超过95%，且无复燃现象。相较于传统灭火方案，该装置将火灾损失降低70%以上，同时减少有毒气体扩散风险。系统的小型化设计使其适配各类电池舱环境，模块化架构便于集成至现有消防体系，为锂电池安全防护提供了标准化解决方案。

结束语

动力锂电池火灾防控装置的设计，这属于一个复杂的工程，而且这个工程还是系统性质的，它得综合去考量多个方面，像火灾的成因而论，还有火灾呈现出的特征所在，探测与预警所关联的技术这块，灭火剂的选择以及释放方式，另外还有牵涉到系统整体布局等这些方面。本文所提出来的设计方案，借助多传感器融合算法达成早期预警，运用高效环保的灭火剂，并且设计了内外双布设的系统布局，从而为动力锂电池火灾防控给予了一种有效的解决办法。在未来，伴随技术持续进步，以及应用不断深入，动力锂电池火灾防控装置会持续完善还有优化，以便可给新能源汽车以及储能系统的安全发展予以有力保障。