爆炸功率和自质量对锂离子SSB蓄电池储能站通风面板通风效率的影响

2026-08-11 23:12:44

锂离子电池在储能领域被广泛应用。然而，电池热失控事件中产生的可燃气体可能导致爆炸。最新的NFPA 855–2023要求，容量超过20千瓦时的锂离子储能站（Li-BESS）必须安装防爆装置。通风面板是Li-BESS的首选保护装置。本研究推导出了通风面板的运动方程。配备了高速数据采集系统的测试平台建成。结果表明，爆炸威力和通风面板质量是影响通风效率的两个主要因素。随着爆炸威力的增强，排气效率逐渐下降，在氢气浓度为23%时仅达到50%。减少通风面板的质量可以提高通风效率。在开口过程中，存在一个角度，使气体产生与排气速率达到平衡，内部压力达到峰值。更大的爆炸威力需要更大的平衡角，而质量增加则导致加速度降低。这些因素使通风面板达到平衡角度所需时间更长。因此，燃烧产物无法及时排出，导致内部压力升高，最终降低排气效率。

简介

电化学储能技术已被广泛应用于国家级电网储能，提升了电网系统的安全性与稳定性，促进了可再生能源的扩展[1]。在这些技术中，锂离子电池储能站凭借其高性能和成本效益逐渐占据领先地位[2]。目前，为了提升装机容量和更强的环境适应性，大量电池和电气设备密集安装在狭小空间内[3]，使电池更容易过热和发生火灾隐患[4]。在热失控发生时，锂离子电池会产生大量易燃气体[5]。这些气体可能在Li-BESS内部积累，遇到点火源时可能导致严重爆炸[6]。
据统计，2011年至2021年间全球共发生32起锂-贝斯火灾和爆炸事件[7]。2017年，比利时布鲁塞尔的一个试验场发生了一起Li-BESS火灾事件[8]。2018年，韩国忠清北道一家水泥厂因Li-BESS火灾损失超过300万美元，成为当年韩国报告的第15起Li-BESS火灾[9]。2017年，一艘载有锂离子电池的火车在德克萨斯州休斯顿爆炸，导致500英尺外建筑物的窗户破碎[10,11]。2019年4月，美国亚利桑那州皮奥里亚，APS部署的一处电池储能站发生火灾。打开隔间门时发生爆炸，造成8名消防员受伤[12]。2021年4月16日，北京大鸿门储能站发生爆炸，造成两名消防员和一名工作人员遇难[13]。Li-BESS 事件不仅对生命财产安全构成严重威胁，还会带来不利的社会影响，严重阻碍储能技术的广泛应用。
由于制造缺陷、热损伤、电气损坏及其他因素，锂离子电池容易发生热失控。多项相关研究[[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]]显示，尽管电池产生的可燃气体的成分和比例因类型、电荷状态（SOC）及热失控模式而异，但总体上主要观察到氢气、一氧化碳、二氧化碳及各种烃类（如甲烷和丙烷）。这些气体在储能站内积累，且如前所述，在有点火源存在时，会发生火灾和爆炸事件。随着锂-BESS应用和装机容量的快速扩展，安全指标的重视日益加深，相关标准也逐渐涌现。NFPA 1–2018[20]引入了建筑内Li-BESS安装的安全要求。根据最新的NFPA 855–2023[21]，容量超过20千瓦时的Li-BESS，必须配备通风装置。
爆炸排气板最初用于粉尘爆炸安全，因其结构简单且可靠性高，广泛应用于化工加工、食品加工和金属加工行业[[22]， [23]， [24]]。它们现在也被用于Li-BESS的保护系统中。早期关于爆炸通风板的研究主要基于动态计算计算所需通风面积[[25]， [26]， [27]]，而忽视了板本身的通风效率。此外，一些研究[[28]， [29]， [30]]揭示了湍流与通风效率之间的关系。此外，还对安装位置[31,32]和所用材料[[33]， [34]， [35]]进行了优化。
随着爆炸排气板在气体爆炸防护方面的日益普及，相关研究也开始涌现。鲍文斯在矩形空间中进行了12%至19%氢气浓度排放的实验，分析了排放面积与爆炸过压降低之间的关系[36]。郭氏研究了爆破压力对氢气-空气预混火焰传播及1立方米矩形容器压力的影响。随后分析了压力振荡的原因[37]。Bala讨论了通风设计及气体爆炸通气标准中的混合反应性[38]。邢利用带障碍物的小型矩形容器进行了实验，研究氢浓度和膜厚对排气爆炸的影响[39]。计算流体力学也被应用于爆炸排放研究。景德提出了基于FLACS的甲烷爆炸计算模型，比传统方法更简单、更快[40]。雷进行了模拟研究，探讨爆炸通气孔开启时间对矩形容器中氢气爆炸的影响，包括其对最大压力、次级爆炸和火焰速度等因素的影响[41]。
上述研究为爆炸通风板的设计和使用提供了实用参考;然而，针对Li-BESS定制的爆炸排气板研究仍然相对稀少。由于锂-贝斯的爆炸风险，其站点通常位于户外，远离城市或住宅区[42]。因此，与常用的面板不同，Li-BESS所用面板必须满足防尘、防水、热绝缘和阻燃等要求。因此，它们需要重新设计结构，通风性能也可能相应调整。