储能电站磷酸铁锂电池模组灭火参数的仿真优化_叶祥虎.pdf
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1、第 卷第期华 侨 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年月 ():储能电站磷酸铁锂电池模组灭火参数的仿真优化叶祥虎,杜建华,谭必蓉,瞿常,(华侨大学 机电装备过程监测及系统优化福建省高校重点实验室,福建 厦门 ;华侨大学 机电及自动化学院,福建 厦门 )摘要:为研究储能场景下磷酸铁锂电池组热失控火灾的最佳灭火方式,通过火灾动力学模拟软件建立储能电池模组等尺寸模型;对模型开展不同热失控位置、细水雾流量、雾滴直径和细水雾喷头布置位置的仿真实验 仿真结果表明:细水雾流量和雾滴直径对灭火效果有很大影响,适当增大细水雾流量、减小雾滴直径可以明显提升灭火效果;,综合灭火系统设计安全性及制造成本,确定最佳灭
2、火参数组合为细水雾流量 、雾滴直径 、细水雾喷头布置位置为电池箱顶部中央关键词:储能电站;磷酸铁锂电池;火灾动力学模拟;灭火仿真;细水雾中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:,:;,;,;,;,收稿日期:通信作者:杜建华(),男,副教授,博士,主要从事新能源动力电池系统安全状态监测技术及消防技术的研究 :基金项目:福建省科技计划引导性项目():电化学储能技术是目前电力储能系统中应用最广泛的技术磷酸铁锂电池比三元锂电池具备更好的安全性和循环性,成本较低,更适用于电力存储系统 电化学储能系统的火灾安全在储能系统中有着重要地位,探究储能磷酸铁锂电池的火灾最佳灭火方式对电化学储能消防
3、安全具有重要意义目前,国内外关于锂电池火灾灭火方式、灭火剂、火灾特点的研究颇多 饶慧等使用种灭火系统分别对三元和磷酸铁锂电池引发的火灾进行灭火实验,结果发现压力水雾的灭火效果最佳 赵蓝天等使用细水雾对储能单个磷酸铁锂电池模组和簇级磷酸铁锂电池模组进行热失控灭火实验,结果表明,细水雾对磷酸铁锂储能电池热失控引发的火灾具有良好的灭火效果 等将表面活性剂添加到细水雾进行锂电池火灾灭火实验,结果表明,含有表面活性剂的细水雾可以有效抑制锂电池热失控 王文和等使用火灾动力学模拟()软件研究不同细水雾特性对 锂电池火灾的影响刘得星利用 软件研究不同细水雾参数对车载锂电池火灾的影响,得出车载电池包最佳细水雾流
4、量、雾滴直径、初速度等参数组合 陆佳政等使用氟基快速灭火和钝化降温防复燃方法对储能电池模组火灾进行灭火,实验结果表明,该方法可以扑灭火灾初期明火且不复燃陈吉清等使用 软件建立车用锂电池单体燃烧数值模拟,通过与实验结果的对比仿真模型可以准确模拟出单体电池燃烧火情演变过程 禹进等 基于实际储能柜建立:模型,提出改良二分法修正热释放速率,从而提高 软件中储能电站锂电池火灾模拟的准确性 蔡兴初等 通过模型检验全氟己酮灭火系统应用于储能电池舱的灭火效果,验证了该灭火系统应用于储能电池舱的可行性然而,针对储能场景下的磷酸铁锂电池模组火灾,其细水雾流量、雾滴直径、喷头布置位置等关键参数的灭火仿真研究仍存在较
5、大的空缺由于进行真实磷酸铁锂储能场景下的灭火实验成本巨大、危险系数高,因此,本文采用 软件对磷酸铁锂储能电站场景下的储能柜中磷酸铁锂电池模组进行等尺寸模型建模,对模型的关键参数开展仿真实验,研究磷酸铁锂储能电站场景下的最佳细水雾灭火方式仿真模型的建立 控制方程 软件是为火灾模拟开发的计算流体动力学软件,采用数值方法求解热驱动的低速流动方程,主要用于火灾中烟气流动和热传递过程的数值模拟 运算求解的基本控制方程 如下连续方程为()()式()中:为密度;为时间;为速度矢量动量守恒方程为()()式()中:为施加在流体上的外力矢量;为压力;为黏性力张量;为涡度;为重力加速度组分守恒方程为()()()()
6、式()中:为第种组分;为第种组分的浓度;为第种组分的扩散系数;为第种组分的质量产生速率能量守恒方程为()()()()()式()中:为比焓;为辐射通量;为温度;为热导率状态方程为()()式()中:为气体常数;为混合气体的相对分子质量华 侨 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 :软件通过大涡模型对这些方程和模型进行求解,可得到温度、气体浓度等参数的空间分布 图储能式磷酸铁锂电池储能柜模型 物理模型与计算区域对储能式磷酸铁锂电池以某储能柜等尺寸建立热失控物理模型,如图所示 储能柜模型长、宽、高分别为 ,单元格大小为 网格单元应尽量接近立方体,这样计算结果会更加准确 模型中有 块磷酸铁锂单体电池,
7、每个单体电池长、宽、高分别为 ,每个电池中心布置个温度热电偶,一共 个温度热电偶,分别编号为 ,用以求取数值模拟中储能柜的温度变化 设置个方向 平面温度切片,分别位于电池上、中、下和电池箱顶部,用以比较电池箱内部空间温度分布由于电池内部结构过于复杂,难以建成与实际电池结构一致的仿真模型磷酸铁锂电池主要由电解液、正极、负极和隔膜组成,根据磷酸铁锂电池种材料比例将电表电池模型中材料的热力学参数 参数电解液负极正极隔膜 ()()池模型简化为个电芯单元 电池模型中材料的热力学参数,如表所示表中:为比热容;为热吸收系数根据文献 电解液材料的质量损失率、热释放速率()和总释放热量()曲线,可得到电解液热释
8、放速率峰值约为 ,总释放热量约为 ,燃烧热值约为 根据文献 中锂电池正极、负极和隔膜的燃烧特性参数曲线图,可得到正极、负极和隔膜的 峰值为 ,有效燃烧热为 ,中设置燃烧模型有两种方式:一是通过直接定义材料的热释放速率;二是根据燃烧物在空气中的燃烧反应的化学方程式推出燃烧物的化学属性混合燃烧模型化学反应方程式为 ()式()中:为物体燃烧产生的烟气电池燃烧采用混合燃烧模型,由于电解液在电池热失控热量释放中具有主要影响,所以,以电解液化学成分为基础得到的等效燃烧物为 设定电池表面的起始燃烧功率为,图热失控电池 持续引起电池热失控仿真结果与数值分析 不同流量灭火效果选用的中间电池为热失控电池,如图所示
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