网讯：近年来，锂离子电池引发的事故频频成为新闻焦点，这些事故包括在飞机上正使用着的手机、笔记本电脑发生的锂离子电池自发性爆炸，还包括电动汽车受到撞击后或发生碰撞后导致的锂离子电池起火事故。针对锂离子电池尚不稳定的技术缺陷，一项与之对应的先进技术应运而生——电池储能系统（BESS）。此项技术是可再生能源转型的关键技术，对其未来前景的所有预测都呈指数级增长。但从亚洲的韩国到北美洲的美国，再到欧洲的英国，在世界范围内都曾有过关于电池储能系统引发火灾的报道，相关管理机构对电池储能系统的消防法规和标准进行了多次修订，力争使其能够跟得上电池行业快速发展的步伐。
电池储能系统是一种能源领域的技术，但这并不意味着使用对象仅限于处理特殊运营需求的传统电力部门和公用事业公司。电池储能系统开发商和最终用户很可能是对电池储能系统固有风险和相关危险了解有限的金融投资者、房地产开发商、工业园区、工厂或委员会。
此外，由于电池储能系统是一个相对新兴的行业，很多消防队员和相关应急服务部门处理该类危险的经验很少或基本为零，这会导致存在电池起火、电池爆炸、电池电压过高和因电池起火而产生的烟雾及毒气的风险，消防用水也可能因电池短路而导致电池起火。不言而喻，消防用水所造成的危害和消防用水流失可能导致数百万美元成本的资产全部毁损，以及随之而来的保险问题。因此，在电池储能系统的初始设计阶段，与电池储能系统负责人、承包商、集成商和其他利益相关者紧密合作，全面了解电池现场火灾风险和相关危险的各个方面内容是至关重要的。
1.法规和标准
UL标准，即美国保险商实验室标准（Underwriter Laboratories Inc.），是很多国际组织和国家组织制定消防法规和消防规范的基础性标准。此外，2017年11月制定的UL9540A标准，专门用于解决“电池储能系统中因热失控而导致的火灾蔓延”问题。在此期间，该标准的三个修订版本已经发布，并且预计监管环境也会得到完善。
此外，美国消防协会也发布了自己的“固定式储能系统安装”标准NFPA 855，对UL 9540A标准的内容作了特别引用。国际消防规范（IFC）在其最新的2021版标准中也发布了更为严格的爆炸性的安全标准（ESS）的安全要求。
尽管如此，在英国并没有专门设立用于管理电池储能系统消防的法律或强制性法规。对于许多电池储能系统项目来说，可能都是由保险公司来负责实施符合公认标准的消防措施，而保险公司总体上更喜欢稳妥可靠的政策。
2.锂离子电池存在的风险
电池储能系统中最重要的构成要素是锂离子电池，这会带来特殊的火灾风险，包括“热失控”风险。热失控是一种自我延续的连锁反应，在该连锁反应中会产生过多的热量，而过多的热量又会继续产生热量，并有可能从电池组中的一块电芯扩散至相邻电芯，从而导致电池组大范围受损。在热失控过程中，氧气被认为是在阴极消耗过程中自行产生的，此外，锂离子电池内部有多种燃料来源（包括金属燃料、塑料燃料、电气燃料、易燃气体燃料和液体燃料）。
此外，从本质上来讲，锂离子电池起火的原因是具有“根深蒂固的特性”的，因为引起着火的材料和能够蔓延火灾的材料被牢不可分地集成在一块电池中，所以对电池起火的扑救工作构成了严峻挑战。更为严重的是，对于那些表面上看似已经被有效控制和扑救的锂离子电池火灾，很有可能在数小时甚至数天后“死灰复燃”。同时必须谨慎对待锂离子电池的运输和安装过程，因为其极易受到机械性损坏（例如挤压或刺破）和电涌的影响，以上原因可能会导致电池短路，从而引起电池内部发热、电池爆炸和导致电池起火。
此外，电池管理控制系统可能出现故障或失效，导致无法对电池的运行环境进行有效监控，这些电池运行环境包括温度或电池电压，也有可能包括充电过度等原因。
3.了解锂离子电池的故障
从时间上看，锂离子电池故障主要分为四个阶段：初始阶段是对电池“滥用”，电池受损的原因包括热量、电气或机械原因，然后是“废气排放”，即电池产生的微量气体（例如氢气）和其他电池的电解液蒸汽，该类废气能导致电池释放热量。如果电池温度继续升高，则下一阶段是“电池起烟”状态，热量水平过高可能导致电池起火和热失控。经过以上三个阶段之后，可能很快就会发生灾害性故障，即最终可能导致“电池起火”和火灾蔓延，甚至发生电池爆炸。
根据我们对锂离子电池故障的认知，实施电池消防措施主要有两个“机会窗”（windows of opportunity）——“预防”窗口和“控制”窗口。锂离子电池产生的废气应被视为采取措施防止热失控的预警信号。独立测试的结果表明，从开始检测到废气到发生热失控的平均时间间隔为11至12分钟。但如果预防措施无效且受损的锂离子电池起火，则必须采取措施控制由此产生的火灾，并尽量减少其蔓延至电池组中相邻电芯的可能性。
测试条件下的典型锂离子电池故障时间轴
图注：Battery failure timeline电池故障时间轴；Li-on Tamer off-gas monitor Li-on Tamer废气监测器；Smoke Detector signal 感烟探测器信号；Cell surface temperature 电芯表面温度；Prevention window “预防”窗口；Containment window “控制”窗口；Temperature温度；Early warning 11.6 minutes预警时间11.6分钟；Off-gas detected废气监测；Thermal runaway热失控；Smoke detected感烟探测；Time时间
4.消防措施
（1）预防
Li-on Tamer提供的高灵敏度电池安全监控和检测系统是一理想的预防和解决方案。Li-on Tamer系统设计专门用于检测所有因化学原因而导致的电池故障，特别是能够对锂离子电池开始产生废气的阶段进行检测，具有极快的响应速度，可为电池储能系统系统控制提供早期预警。相较于传统的气体检测设备，传统的气体检测设备对这种环境不够敏感或不能以如此动力和在关键位置产生所需的响应速度。该解决方案的主要措施是通过向电池管理系统发送信号关闭电池电源，从而防止电芯温度进一步升高，使电芯温度低于热失控点。在必要情况下，还可以通过通风处理来消除电池产生的可燃气体的积聚。
UL9540A标准可以对废气进行识别并对废气排放量进行量化，从而对热失控问题的早期迹象进行检测，而DNV-GL的独立测试得出的结论是，需要经过为期两年的电池故障测试计划，Li-on Tamer系统才能有效防止热失控。
（2）灭火
在出现废气逸出的情况下，说明BESS电池管理系统可能不能及时关闭电池电源，或者不能有效阻止受损电池温度继续升高至热失控点。若出现了上述问题，而电池温度又超过了热失控点，则需要启动控制模式。这一阶段采用自动化系统，可进行主动灭火处理。灭火材料包括气溶胶灭火剂或化学气体灭火剂。Nobel推荐的是Stat-X系统，这是一种冷凝气溶胶灭火系统，目前已成为多家锂离子电池原始设备制造商和全球领先的电池储能系统集成商首选的灭火系统，该系统已按照UL标准和NFPA标准进行了严格的私人测试和商业测试。
DNV-GL测试得出的结论是，Stat-X系统可以用于扑救锂离子电池起火，当事故发生时，空气中残存的Stat-X气溶胶可以为电池提供额外的保护，防止火灾死灰复燃，并且在电池起火时，Stat-X系统还可以降低封闭环境中的氧气含量。
（3）冷却
尽管采取了最佳的预防措施和控制措施，但锂离子电池的性质决定了这样一点，即任何一块设定的电芯（或电池组中的多块电芯）在受损后的反应存在着一定的随机性，无论是废气排放的性质或程度、温度升高、起火情况，或者从电池组中的一块电芯的故障情况传播至另一块电芯的过程。如果不对其加以有效控制，则很有可能会发生电池爆炸。如前所述，锂离子电池起火情况很有可能在看似已被扑灭的情况下，在经过数分钟、数小时甚至数天后“死灰复燃”。因此，Nobel建议采用备用的冷却方案，特别是在电池储能系统内部安装雨淋式雾化喷嘴的水雾系统。该系统可以直接连接至供水系统（如专用水箱），或者可以在电池储能系统水箱外部安装消防队专用水泵。
认识锂离子电池故障
图注：Prevention 预防火灾；Containment 控制火灾；ABUSE不当使用；Cell damage电芯受损；OFF-GAS 产生废气；Heat release放热；SMOKE起烟；Ignition点火；FIRE火灾；Propogation扩散
5.总结
电池储能系统设备的应用范围十分广泛，包括机柜、容器和建筑物内部设备。除了上述的主要预防措施、控制措施和冷却措施外，还制定有一套额外的解决方案，可以用于监测、保护和管理电池储能系统的火灾风险，该方案内容主要包括控制面板技术、其他检测方法（包括热量检测方法、烟雾检测方法和废气检测方法等）、通风控制、电池拆卸和封装、用户住宅火险预警系统和其他系统的对接、应急程序（包括警告标志、警报器和手动操作的警报设施）、与当地消防队和其他社区利益相关者的沟通、维护、服务和持续的客户支持和安装协议。
锂离子电池故障的推荐消防解决方案
图注：1.Li-on Tamer：Li-on Tamer废气监测器；2.STAT-X：STAT-X火灾扑救系统；3.Cooling 冷却系统
