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储物架锂离子Trojan蓄电池箱火灾特性与水雾灭火性能数值研究
发布时间：2026-10-20 09:52:57 点击： 次
近年来，研究人员开展了大量的数值模拟研究，以探究锂离子电池储能系统的火灾蔓延规律。例如，Huang等人[13] 通过改变阴极材料和环境温度进行了FDS模拟，以研究18650型电池的火焰行为，特别是热失控在行间的传播速度。谢等人[14]采用FDS研究LIB SOC和货架间距对热失控蔓延的影响。研究发现，较低的SOC、适当的货架间距和快速响应的自动喷淋系统能有效减缓火灾蔓延。Cui等人[15]基于真实仓库环境开发了电池包模型。模拟结果表明，初始电池包发生热失控后，火焰优先向上蔓延，并在19秒后影响到上方的电池包，而水平火焰蔓延与电池包间距密切相关。利用多物理场模拟，Mishra等人[16] 证明了在锂离子电池的大规模仓储和运输过程中，托盘间隙存在一个临界阈值，超过该值后火灾传播将停止发生。Wang等人 [17]通过模拟分析探讨了环境压力对电池燃烧的影响。结果表明，高海拔地区的电池燃烧加速了高温区域的形成并提高了火灾蔓延速度，最终延长了火灾持续时间。Lou等人[18]建立了集装箱锂离子电池储能舱的1:1模拟几何模型，并研究了水雾喷淋系统的最佳参数，包括喷射强度、雾锥角、喷嘴速度和水雾粒径，以优化安全设计和防火措施。
本文基于装有锰酸锂（LMO）电池的锂离子电池（LIB）储能货架的实际配置，进行了一系列LIB火灾模拟实验。研究了储能货架类型、LIB之间的水平间距以及货架之间的纵向间距对LIB火灾蔓延行为的影响，特别关注了热释放速率（HRR）、点火源上方的温度变化、货架顶部的温度变化以及相邻LIB箱之间的热传递。此外，水雾系统被采用作为应对锂离子电池火灾的初始消防措施。研究讨论了水雾液滴尺寸和喷雾锥角等关键因素，以确定在所研究情境下的最有效参数组合，从而赢得应急响应的关键时间窗口。对于锂离子电池存储场景，我们的研究为进一步优化货架布局和安全设计、提升消防安全管理提供了理论参考。2. 材料与方法
2.1. LIB储能架模型设计
如图图1所示，LIB箱按指定水平间距排列在货架隔间内。每个LIB箱包含3000节18650 LMO电池，每节电池的标称容量为1700 mAh，标称电压为3.7 V，初始SOC为100%，对应每个LIB箱的总标称能量为18.87 kWh。LIB箱的尺寸为0.8 m × 0.8 m × 0.4 m。货架尺寸为6.2 m × 1 m × 5 m，共6层，相邻层之间的垂直间距为0.8 m。货架结构由侧挡板和底层组成，采用密度为7850 kg/m³的冷轧钢建模3，比热容为460 J/(kg·K)，导热系数为45.80 W/(m·K)。表面发射率设定为0.95。每个侧挡板的总尺寸为0.2 m × 1.0 m × 5.0 m。底层总尺寸为1.4 m × 1.0 m × 0.2 m。热电偶安装在每个锂电池箱上方0.1 m处，用于监测火灾蔓延过程中货架各处的温度变化。水雾装置安装在每个锂电池箱上方0.15 m处，以抑制火灾蔓延。在实际存储中，锂电池箱下方的货架支撑层通常由空心金属丝网构成。
图1。锂离子电池储物架模型示意图（红框代表点火源）。
为简化模型，支撑层被设计为穿孔金属表面，以允许燃料费在相邻层之间垂直方向流动，从而模拟实际情况。除最底层外，每层底部均开设有0.8 m × 1 m ×0.2 m的矩形开口，开孔率达57%。重要的是，图1中的红框被指定为点火源，代表首个发生热失控的锂离子电池箱。红框的火源区域为1.92 m2。温度监测点“A”位于点火源上方，而温度监测点“B”位于货架顶部。2.2. 数值模拟方法与参数设置
采用FDS软件模拟了不同锂离子电池火灾条件下水平和垂直火灾蔓延过程，并评估了不同参数设置下水雾系统的灭火效果。所有模拟均使用FDS 6.9.1版本进行。计算域尺寸为9.7 m × 8.0 m × 6.4 m，被离散化为大量计算单元。四个侧边界和上边界被设定为开放压力边界，而地面和货架则被视为固体边界。这种布置允许燃料费离开计算域，同时环境空气通过开放边界进入。初始环境温度和压力分别设定为20 °C和101,325 Pa。基于质量、动量和能量守恒原理求解控制方程，以获得瞬态火灾流场、温度和组分浓度[19]。采用了大涡模拟（LES）方法来解析湍流[20,21]. 通过Smokeview对模拟结果进行可视化，以展示火灾蔓延过程、温度分布和水雾喷淋效果。
LIB由正极、负极、隔膜、电解质及其他复杂组件组成。由于存在众多且复杂的燃烧反应，难以直接定义反应参数或选择特定的反应机制进行数值模拟。在本研究中，我们采用了一种简化方法，即规定HRR [22]。LMO电池箱的HRR曲线是基于Xie等人[报告的数值结果定义的14]。采用混合组分燃烧模型来考虑火焰的热效应，而未考虑烟雾和燃料费产物的浓度[18]。总模拟时间设置为200秒，其他锂离子电池箱的点火温度设置为120°C[23,24].
水雾系统的喷嘴流量为60.0 L/min，粒子速度为10 m/s。研究的液滴尺寸范围为50 μm至200 μm，喷雾锥角范围为50°至80°。采用了单分散液滴假设，即在给定条件下，所有喷射的液滴均被赋予规定的尺寸。注入的计算粒子数量设定为5000个粒子/秒。在LIB箱上方共布置了30个水雾喷嘴，每个喷嘴位于LIB箱中心上方0.15 m处。喷嘴动作温度设定为65 °C，响应时间指数为50 (m·s)1/2。喷嘴激活采用了单次扳机逻辑。一旦激活，喷嘴将在剩余的模拟期间内持续喷射。
需要注意的是，本研究考虑的锂离子电池（LIB）存储场景中，并未对预测的热传播行为和水雾抑制性能进行直接的实验验证。定量结果应被视为在特定LIB存储场景和边界条件下基于模型的预测，而非普遍适用的设计标准。此外，一旦LIB箱被激活，其热释放速率（HRR）将遵循预设的时间相关HRR曲线，且不会因水雾喷淋而动态降低。因此，上述温度降低主要代表了周围热环境的冷却，以及对热暴露和热失控传播的缓解，而非对已激活LIB箱内部产生热释放速率的直接抑制。2.3. 网格设置与灵敏度分析
根据FDS网格计算公式（公式(1)），合理的网格尺寸可确保位于特征火焰直径的1/4至1/16之间[25,26]，从而保持模拟精度。采用0.1 m、0.12 m、0.15 m、0.18 m和0.2 m的网格尺寸进行网格敏感性分析。相同火灾条件下五种网格尺寸的HRR曲线如图图2a所示。网格尺寸为0.12 m、0.15 m和0.18 m的曲线在火灾发展初期表现出相似的HRR演变过程。然而，150秒后，0.12 m的结果开始偏离另外两条曲线。此外，0.1 m和0.2 m的网格曲线表现出更明显的偏差。图2b显示了不同网格尺寸下点火源上方的温度变化。温度曲线呈现出快速上升，随后在高温度水平下出现波动。对于0.15 m网格，与其他曲线相比，温度曲线保持相对稳定。0.1 m、0.12 m、0.15 m、0.18 m和0.2 m网格的峰值温度分别为1232.0 °C、983.1 °C、1468.5 °C、1266.7 °C和1408.0 °C。结果表明，瞬态温度变化取决于网格尺寸，特别是在火灾发展的剧烈阶段。图2c展示了在不同网格尺寸下，水雾激活时紧邻点火源的LIB箱上方的温度变化。对于0.15 m网格，紧邻LIB箱上方的水雾系统在38秒时被激活。它对水雾激活后的温度响应提供了相对稳定的预测。温度急剧下降，并保持在相对稳定的状态，没有明显的温度波动。考虑到计算效率和网格分析结果，本研究选择了0.15 m的网格尺寸，总计148,135个网格单元。计算值为为12，处于4–16的推荐范围内。