电池储能系统火灾荷载计算方法、系统、设备和介质

摘要

电池储能系统火灾荷载计算方法、系统、设备和介质，包括以下步骤：获取电池储能系统的锂离子电池类型、电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量；根据锂离子电池类型，将电池储能系统的电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量输入到锂离子电池类型所对应的电池储能系统火灾荷载计算模型中求解，获得电池储能系统火灾荷载；输出电池储能系统火灾荷载。本发明可根据系统总装机容量、单块电池容量、模块电池数量、电池种类精准计算储能系统的火灾荷载，计算过程简单，结果准确且代表性，并能够为储能电站热失控火灾的扑灭提供合理、可靠的消防措施。

说明书

技术领域

本发明属于储能系统火灾评估技术领域，涉及一种电池储能系统火灾荷载计算方法、系统、设备和介质。

背景技术

近年来，随着我国“碳中和”和“碳达峰”战略的不断进行，能源改型升级步伐不断加快，以储能技术与系统为核心的现代智能电网体系的建设与规划日渐引起重视。储能技术被大规模的应用于电力系统的发电、输电、配电、用电的各个环节，是实现智能电网不可或缺的关键核心技术，是推动我国能源革命的强劲力量。

电化学储能技术，尤其是锂离子电池储能，以其灵活、快速的优点，已成为电力储能领域装机容量增长最快的储能技术，据CNESA统计，截止2019年底锂离子电池储能保有量达到8454MW。并且，随着电动汽车渗透率的不断提升，锂离子电池规模效应逐步显现，并且随着锂电成本快速降低，其在可再生电能消纳和交通电气化产业链上的重要性日益凸显，电化学储能市场不断扩大，商业化发展前景广阔。

然而，随着锂离子电池储能技术的发展，锂离子电池安全性问题日益凸显。在过去一年内，全世界锂离子电池储能火灾安全事故量超过30起，造成严重的财产损失及人员伤亡。在锂离子电池大量商业化应用的同时，锂离子电池的消防安全问题成为制约锂离子电池电力储能大规模应用的瓶颈。

此外，锂离子电池储能系统中还存在大量电气设备，在储能电站的使用过程中，电器元件的损耗、电器电路过负荷运行、电气设备的短路等都会造成电气火灾的发生，以致诱发锂离子电池的热失控及热失控的蔓延，造成大规模火灾，将整个储能系统烧毁。

目前，对商场、居民区的火灾荷载的研究已经较为成熟，对建筑物内可燃物质量及热值进行统计分析，获得不同功能的住房及商铺的火灾荷载，并且根据统计分析手段，评估整个商场或居民区的火灾荷载。

商城和居民区的火灾荷载计算方法中需要对较多样本下的不同功能区的火灾荷载进行综合考量。但是，锂离子电池储能电站中，不同区域功能接近，物质单一，不同区域火灾荷载接近，因此并不需要大量的样本采集，也不存在商城中不同功能区火灾荷载的玻尔兹曼分布。

储能电站火灾过程中，不仅仅存在电站中可燃物质的燃烧放热，还包括锂离子电池热失控过程的电化学反应放热及电化学反应后生成物的燃烧放热，这样就导致储能电站的火灾荷载的分析更为复杂。不能只通过简单的统计分析。

目前，储能电站的灭火系统多为细水雾灭火系统，而在火灾发生时，利用细水雾进行火灾的灭火作业。但是，并没有规范的标准以对灭火剂用量进行标准化，以防止灭火剂用量过少导致水未扑灭，或者灭火剂用量过度造成整个储能系统的崩溃。

在储能电站设计过程中，尚未根据储能电站的储能荷载量，精准的设计储能系统消防灭火系统。这样导致锂离子电池储能电站热失控后不能提供与火灾荷载匹配的灭火措施，导致灭火极为困难。因此，急需一种专门针对储能电站热失控火灾荷载的计算方法，对储能系统的火灾荷载进行计算评估，为储能电站热失控火灾的扑灭提供合理、可靠的消防措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池储能系统火灾荷载计算方法、系统、设备和介质，该方法能够对电池储能系统的火灾荷载进行计算，为储能电站热失控火灾的扑灭提供合理、可靠的消防措施。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电池储能系统火灾荷载计算方法，包括以下步骤：

获取电池储能系统的锂离子电池类型、电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量；

根据锂离子电池类型，将电池储能系统的电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量输入到锂离子电池类型所对应的电池储能系统火灾荷载计算模型中求解，获得电池储能系统火灾荷载；

输出电池储能系统火灾荷载。

进一步的，电池储能系统火灾荷载计算模型包括电池模组火灾载荷计算模型、电线火灾荷载计算模型、散热系统火灾荷载计算模型以及控制系统火灾荷载计算模型。

进一步的，电池模组火灾载荷计算模型通过以下过程得到：

S1、对单块锂离子电池加热致使电池热失控，测得磷酸铁锂电池与三元电池热失控的释放热；所述锂离子电池为磷酸铁锂电池或三元电池；

S2、对若干块磷酸铁锂电池与三元电池形成的电池模组，重复步骤S1，获得不同电池数量形成的电池模组的释放热；

S3、根据储能模块的电池模组数量，获得由电池模组构成的储能模组在热失控燃烧时的释放热，进一步获得由储能模组构成的电池储能系统的电池热失控燃烧的释放热，根据储能模块的电池模组的电池数量与电池储能系统的电池热失控燃烧的释放热的关系，得到电池模组火灾载荷计算模型，所述电池模组火灾载荷计算模型为：

Q＝M*C

其中，Q为电池储能系统的电池热失控燃烧的释放热；C

进一步的，对单块磷酸铁锂电池或三元电池加热致使电池热失控，测得磷酸铁锂电池与三元电池热失控的释放热的步骤中，释放热通过锥形量热仪测得。

进一步的，电线火灾荷载计算模型通过以下过程得到：

S11、采集不同容量锂离子电池储能系统的电线中可燃物质量；

S12、电线中可燃物质量乘以该可燃物的单位质量燃烧释放热，得到电线中可燃物的释放热；

根据电池储能系统储能容量与电线中可燃物的释放热之间的关系，得到电线火灾载荷计算模型；所述电线火灾载荷计算模型为：

Q

其中，Q

进一步的，散热系统火灾荷载计算模型通过以下过程得到：

S11、采集不同容量锂离子电池储能系统中散热系统中可燃物质量；

S12、散热系统中可燃物质量乘以该可燃物的单位质量燃烧释放热，得到散热系统中可燃物的释放热；

根据电池储能系统储能容量与电池储能系统中散热系统中可燃物的释放热之间的关系，得到散热系统火灾载荷计算模型；所述散热系统火灾载荷计算模型为：

Q

其中，Q

进一步的，控制系统火灾荷载计算模型通过以下过程得到：

S11、采集不同容量锂离子电池储能系统中控制系统中可燃物质量；

S12、控制系统中可燃物质量乘以该可燃物的单位质量燃烧释放热，得到控制系统中可燃物的释放热；

根据拟合电池储能系统储能容量与电池储能系统中控制系统中可燃物的释放热之间的关系，得到控制系统火灾载荷计算模型，所述控制系统火灾载荷计算模型为：

其中，Q

一种电池储能系统火灾荷载计算系统，包括：

获取模块，用于获取电池储能系统的锂离子电池类型、电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量；

求解模块，用于根据锂离子电池类型，将电池储能系统的电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量输入到锂离子电池类型所对应的储能系统火灾荷载计算模型中求解，获得电池储能系统火灾荷载；

输出模块，用于输出电池储能系统火灾荷载。

一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的电池储能系统火灾荷载计算方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上所述的电池储能系统火灾荷载计算方法。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过储能系统火灾荷载的计算模型，得到储能系统火灾荷载，有效解决了储能系统火灾荷载计算困难的问题，填补了储能系统火灾荷载计算的空白。由于将储能系统的电池模组的电池数量、储能系统的电线质量、控制系统质量以及散热系统的质量作为参数输入到储能电站火灾荷载计算模型中，该储能电站火灾荷载计算模型覆盖了现有锂离子电池储能系统特征，包含全部火灾荷载影响因素，能够对不同装机容量、不同锂离子装机类型的储能系统进行火灾荷载计算。本发明可根据储能系统总装机容量、单块电池容量、模块电池数量、电池种类精准计算储能系统的火灾荷载，并且计算过程简单，结果准确且代表性，并能够为储能电站热失控火灾的扑灭提供合理、可靠的消防措施。

附图说明

图1为本发明的电池储能系统火灾荷载计算方法的流程图。

图2为本发明的电池储能系统火灾荷载计算模型结构示意图。

图3为热失控放热量与储能容量间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明中涉及的术语包括火灾荷载和火灾荷载密度。

火灾荷载含义为：涉火空间内所有可燃物燃烧所产生的总热量值。

火灾荷载密度含义为：单位面积涉火空间内的可燃物燃烧的平均热量值。

为了满足现有技术需要，本发明综合考虑锂离子电池单体、模组及储能系统热失控火灾荷载，目的是提供一种精准计算锂离子电池储能系统火灾荷载的计算方法，获得储能系统火灾荷载与系统储能容量的关系模型，以对储能系统的火灾荷载进行预先评估，为锂离子电池储能系统热失控释放的能量等级和危害类别的鉴定提供指导，从而对锂离子储能灭火系统的设计与运行提供标准。

锂离子电池类型为磷酸铁锂电池或三元电池；

单块电池模组容量为1-5块电池；

散热系统为风冷或液冷模式。

控制系统为现有的控制系统，包括电脑、显示屏与电子元件。

参见图1，本发明的电池储能系统火灾荷载计算方法，包括以下步骤：

获取电池储能系统的锂离子电池类型、电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量；

根据锂离子电池类型，将电池储能系统的电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量输入到锂离子电池类型所对应的电池储能系统火灾荷载计算模型中求解，获得电池储能系统火灾荷载；

输出电池储能系统火灾荷载。

参见图2，电池储能系统火灾荷载计算模型包括电池模组火灾载荷计算模型、电线火灾荷载计算模型、散热系统火灾荷载计算模型以及控制系统火灾荷载计算模型。

建立电池模组火灾载荷计算模型：

S1、利用加热法对不同容量的单块磷酸铁锂电池或三元电池加热致使电池热失控，在安全阀打开时利用点火器点燃烟气，利用锥形量热仪量取磷酸铁锂电池或三元电池热失控的释放热；

S2、对2、3、4与5块磷酸铁锂电池或三元电池形成的电池模组，按照步骤S1的方法进行量热，获得不同电池数量形成的电池模组的释放热；

S3、根据单块电池容量以及储能模块的电池模组数量，获得储能模组在热失控燃烧时的释放热，进一步获得由储能模组构成的电池储能系统的电池热失控燃烧的释放热Q

Q＝M*C

其中，Q表示电池热失控燃烧放热量；C

根据现有电池热失控数据，拟合得出电池热失控放热量与储能容量之间的关系，如图3所示。

其中，一般30多组电池模组组成储能模组，具体的电池模组的数量根据实际情况确定。

建立电线火灾荷载计算模型、散热系统火灾荷载计算模型以及控制系统火灾荷载计算模型：

S11、根据不同容量锂离子电池储能系统除电池外的电线、散热系统以及控制系统的组成和材质，采集不同容量锂离子电池储能系统电线、散热系统以及控制系统中可燃物质量；

S12、分别对采集的电线、散热系统以及控制系统中可燃物的热值进行资料查询，获得电线中可燃物的单位质量燃烧释放热、散热系统中可燃物的单位质量燃烧释放热以及控制系统中可燃物的单位质量燃烧释放热。

电线中可燃物质量乘以该可燃物的单位质量燃烧释放热，得到电线中可燃物的释放热Q

散热系统中可燃物质量乘以该可燃物的单位质量燃烧释放热，得到散热系统中可燃物的释放热Q

控制系统中可燃物质量乘以该可燃物的单位质量燃烧释放热，得到控制系统中可燃物的释放热Q

根据电池储能系统储能容量(C)与储能系统中电线中可燃物的释放热Q

电线中可燃物为表皮的聚氯乙烯绝缘橡胶，燃烧热为25kJ/g。电线中聚氯乙烯质量与储能容量相关。在以1920Ah为储能模组组成的储能系统中，电线火灾载荷计算模型为：

Q

其中，Q

根据电池储能系统储能容量(C)与电池储能系统中散热系统中可燃物的释放热Q

散热系统中，其燃烧物质主要为散热风机叶片。散热系统火灾载荷计算模型为：

Q

其中，Q

具体的，在一个由1920Ah的储能模组组成的储能系统中单个模组的风机数量为6个，风机叶片的燃烧热为30.52kJ/g，则散热系统火灾载荷计算模型为：

Q

根据电池储能系统储能容量(C)与电池储能系统中控制系统中可燃物的释放热Q

其中，Q

具体的，控制系统主要由安全和充放电控制器组成，控制器为电子类，燃烧热为492MJ/台，在储能系统中，一台控制器可以控制至少6个1920Ah的储能模组。因此，控制系统火灾载荷计算模型为：

其中，Q

电池储能系统中电线、散热系统和控制系统的总释放热Q1＝Q

电池储能系统的火灾荷载为Q

根据储能电站锂离子电池单位面积负荷，可以获得储能电站火灾荷载密度。

本发明首次提出的锂离子电池储能系统的火灾荷载计算模型，并能够精准计算现有的不同类型锂离子电池储能系统的火灾荷载。

本发明提供一种电池储能系统火灾荷载计算系统，包括：

获取模块，用于获取电池储能系统的锂离子电池类型、电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量；

求解模块，用于根据锂离子电池类型，将电池储能系统的电池模组的电池数量、电线质量、控制系统质量以及散热系统质量输入到锂离子电池类型所对应的电池储能系统火灾荷载计算模型中求解，获得电池储能系统火灾荷载；

输出模块，用于输出电池储能系统火灾荷载。

本发明提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上所述的电池储能系统火灾荷载计算。

本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上所述的电池储能系统火灾荷载计算。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。