Однако их быстрое распространение выдвинуло на первый план две важнейшие проблемы: предотвращение пожаров и управление тепловыми процессами. Оба аспекта тесно связаны с производительностью, безопасностью и сроком службы систем, основанных преимущественно на литий-ионных батареях.
В данной статье представлены основные технологические и инженерные тенденции, связанные с тепловой безопасностью и предотвращением пожаров в системах хранения энергии на основе литий-ионных батарей (BESS).
1. Тепловые и пожарные риски в BESS
Основные механизмы тепловых отказов в системах хранения энергии включают:
1.1 Тепловой разгон (ТР)
Ускоренный процесс, при котором ячейка быстро повышает свою температуру из-за внутренней экзотермической реакции. Он может распространяться на соседние ячейки, если отсутствует адекватная изоляция или тепловой контроль.
1.2 Тепловое распространение
Происходит, когда ТР одной ячейки приводит к тому, что другие ячейки достигают критической температуры, вызывая масштабное событие, которое трудно контролировать.
1.3 Электрические отказы
Перегрузка
Внутреннее короткое замыкание
Внешнее короткое замыкание
Механические повреждения
1.4 Накопление горючих газов
При внутренних отказах ячейки могут выделять горючие газы (HF, CO, H₂), увеличивая риск возгорания.
В условиях роста этих рисков отрасль движется к более совершенным и инновационным решениям.
2. Тенденции в предотвращении пожаров в системах хранения энергии
2.1 Передовые датчики и предиктивный мониторинг
Мониторинг критически важных параметров больше не ограничивается напряжением, током и температурой. Новые тенденции включают:
датчики раннего обнаружения газа (EGD) для выявления выброса электролита.
Датчики твердых частиц и летучих органических соединений (ЛОС).
Алгоритмы машинного обучения для обнаружения закономерностей деградации.
Интеграция BMS с ИИ, которая прогнозирует отказы за часы или дни вперед.
2.2 Физические барьеры для предотвращения распространения
Для предотвращения распространения тепла:
керамические изоляционные пластины.
Вспучивающиеся пенопласты.
Аэрогелевые изоляторы и микропористые материалы.
Модули с разделителями между ячейками, заполненными негорючими материалами.
Тенденция направлена ​​к модульным конструкциям, способным локализовать возгорание на уровне ячейки.
2.3 Специфическое химическое подавление для батарей
Современные системы включают:
непроводящие жидкие подавители.
Конденсированные аэрозоли для химического ингибирования.
Экологически чистые фторуглеродные подавители.
Гибридные решения на основе водяного тумана и химического агента.
Системы должны действовать до воспламенения, в фазе отвода газов.
2.4 Направленная вентиляция и управление газами.
Выброс газов должен надлежащим образом контролироваться:
вентиляционные каналы с предохранительными клапанами.
Контролируемые внутренние камеры под давлением.
Вытяжные вентиляторы, отводящие газы из корпуса или контейнера.
Эти конструкции регулируются стандартами UL 9540A и NFPA 855.
3. Тенденции в управлении тепловыми процессами для систем хранения энергии
3.1 Системы жидкостного охлаждения.
Жидкостное охлаждение становится все более распространенным благодаря высокой тепловой эффективности и равномерности:
замкнутые контуры с гликолем или диэлектрическими хладагентами.
Встроенные охлаждающие пластины в модулях.
Резервные системы для повышения надежности.
Они позволяют поддерживать однородные температуры < 5 °C между ячейками.
3.2 Теплопроводящие материалы следующего поколения (TIM).
Усовершенствованные TIM направлены на минимизацию теплового сопротивления:
высокопроводящие термосиликоны (>8 Вт/м·К).
Гибкие графитовые пленки.
Композитные материалы на основе наноструктурированной керамики.
Тенденция направлена ​​на использование более стабильных материалов с меньшей деградацией при термических циклах.
3.3 Иммерсионное охлаждение.
Диэлектрические жидкости позволяют погружать ячейки или целые модули:
уменьшение зон перегрева;
быстрое отведение тепла во время термических воздействий;
дополнительная противопожарная защита.
Хотя этот метод все еще находится на стадии развития, он является перспективным решением для мощных систем хранения энергии.
3.4 Интеллектуальное управление охлаждением.
Управление тепловыми процессами теперь связано с программным обеспечением:
динамическая регулировка потока охлаждающей жидкости;
прогнозирование тепловой нагрузки на основе профиля заряда/разряда;
координация между EMS (системой управления энергией) и BMS.
Цель состоит в снижении общего теплового напряжения и максимальном увеличении срока службы батареи.
4. Новые правила и сертификация.
Тенденции также обусловлены более строгими стандартами безопасности:
UL 9540 – Системы хранения энергии;
UL 9540A – Оценка распространения тепла;
NFPA 855 – Установка систем хранения энергии;
IEC 62933 – Безопасность стационарных систем хранения энергии.
Эти стандарты требуют от производителей включения более комплексных решений по снижению тепловых нагрузок.
5. Выводы.
Индустрия систем хранения энергии (BESS) быстро движется к более безопасным, интеллектуальным и огнестойким решениям, чему способствуют новые нормативные требования и растущий спрос на надежные системы хранения энергии. Ключевые тенденции включают:
интеллектуальный и прогнозный мониторинг;
усовершенствованные системы пожаротушения и вентиляции;
модульную конструкцию с эффективными тепловыми барьерами;
жидкостное охлаждение и погружение как перспективные технологии;
и глубокую интеграцию силовой электроники, датчиков и программного обеспечения.
Конвергенция этих технологий обещает создание более долговечных, безопасных и эффективных систем BESS, готовых к росту будущей энергетической сети.