泄压策略对锂离子电池预制储能舱燃爆后火灾行为的影响

随着锂离子电池储能系统(BESS)的大规模部署，预制式储能集装箱(PESC)的安全性日益受到关注。在热失控(TR)事件中，电池故障释放的可燃气体可能在PESC内部积聚，一旦被引燃将触发爆燃，破坏集装箱结构并引发后续火灾。这种爆燃后火灾行为受泄爆导致的结构改变程度影响。然而，现有研究对爆燃后不同泄压策略如何影响火焰行为缺乏系统性探究。本研究以5 MWh磷酸铁锂储能集装箱为研究对象，基于NFPA 68规定的泄压设计要求，设计了顶部泄压、正面泄压、泄爆板泄压及门式泄压四种典型泄压策略。通过建立储能电站全尺寸火灾数值模拟模型，分析了不同泄压策略对火焰位置及相邻装备热辐射的影响。结果表明，排放策略决定了火焰取向与热危害分布。顶部排放会导致火焰垂直喷射，主要加热相邻PESC的顶面，峰值温度可达460°C；正面排放和门体排放则使火焰附着于PESC前侧，与对面集装箱形成强烈热耦合，导致其壁温升至500°C以上。调整门体开启角度可有效调控热危害，并呈现线性关系：门体开启角度每减小10°，对面壁温约降低20°C，内部温度下降约4°C。根据模拟结果，本文针对不同排放策略提出了间距建议，以优化储能电站布局。本研究表明，通风策略对爆燃后火灾行为具有决定性影响，并为更新集装箱式储能系统的安全标准与间距要求提供了量化依据。
随着能源短缺和环境问题日益严峻，风能、太阳能等绿色可再生能源已得到广泛应用（Sun等，2021）。然而，这类能源高度依赖气象条件，无法提供稳定连续输出，难以满足电网需求。锂离子电池储能系统（BESS）的出现有效解决了这一问题，其可通过平衡电网负荷实现可再生能源的稳定供电。因此在可再生能源装机容量快速增长的驱动下，BESS的部署规模迅速扩大（Sebastian，2022；Choi等，2021）。但锂离子电池在热失控过程中不可避免地会释放大量可燃气体（Mohammed等，2023；Weng等，2022），导致显著的爆炸和火灾风险，这一直制约着BESS的应用推广（Chen等，2024）。
根据伍德麦肯兹（Mackenzie, 2024）的不完全统计，截至2024年底全球储能市场规模已达358吉瓦时，同比增长率达162%。随着储能行业的快速扩展包，锂离子电池储能系统（BESS）火灾事故也呈现上升趋势（Lai等, 2021）。图1展示了近十年全球储能事故统计情况（EPRI, 2023），值得注意的是，过去五年间容量超过50兆瓦时的大型BESS设施也开始出现事故。为便于运输及现场安装，此类大型BESS设施通常通过部署多性向集装箱级预制储能单元——即预制储能集装箱（PESCs）来实现。PESCs数量的增加不仅会提升故障发生概率，更需要重点考量事故PESC对周边PESCs的级联影响。
在这些事件中，绝大多数是由锂电池热失控引发的火灾事故。尽管储能装置通常配备消防系统，但研究人员往往采取保守的最坏情况视角，研究未考虑灭火措施时的电池燃烧行为。学者们已针对不同类型、容量及构型的电池单元开展了广泛的燃烧特性研究。对于单体电池，Mao等(Mao et al., 2020)对18650型镍钴锰酸锂(Ni0.5Co0.2Mn0.3O2)电池进行了燃烧测试。研究发现，NMC电池在热失控（TR）过程中会产生喷射火焰，且火焰高度随荷电状态（SOC）升高而增加。Wang等学者（Wang et al., 2019）研究了50Ah NMC电芯在不同加热方式下的热失控行为，证实加热条件会显著影响失效严重程度。Liu团队（Liu et al., 2022）对228Ah LFP电池在过热与过充触发条件下的测试表明，LFP电芯在两种工况下均未出现明火，但会释放大量气体或气溶胶。Peng等人（Peng et al., 2020）对68Ah LFP电芯燃烧过程中的气体毒性与热危害进行研究，数据显示火灾强度与有毒气体浓度均随SOC升高而加剧。
多个电池单体连接形成电池模组，这是动力储能系统（PESCs）的基本单元。在模组燃烧研究方面，Huang等人（Huang et al., 2021）通过实验对比了LFP与NMC模组的热失控（TR）行为，发现LFP模组仅释放烟雾且不产生明火。Song等人（Song et al., 2023）研究了LFP模组内部热失控传播过程中的能量分布规律。Zhou等人（Zhou et al., 2023）考察了LFP模组在水平与垂直方向的热失控传播特性，发现位于初始失效点上方的模组可能出现多电池同时热失控现象，并伴随剧烈燃烧。Wang等人（Wang et al., 2024）进一步对比了水平与垂直传播的差异，研究表明垂直传播会导致更短的热失控时间、更高温度及更强烈的热释放。
若模组级火灾未能得到有效抑制，火势可能蔓延至整个电力储能集装箱（PESC）。Ditch等人（Ditch and Zeng, 2020a）通过5.2千瓦时磷酸铁锂电池燃烧实验测得峰值热释放速率达2.54兆瓦。基于该实验数据，Wang团队（Wang et al., 2023）采用半降阶模型对集装箱级火灾进行数值模拟，发现1.3兆瓦时全尺寸PESC的峰值热释放速率可达7.09兆瓦。由于高昂的实验成本，目前针对PESC整机级别的火灾研究仍较为有限。
一般而言，大型储能电站主要采用磷酸铁锂（LiFePO₄/LFP）电池，因其热失控（TR）行为较三元（NMC）电池更为温和（Huang等，2021）。这是由于LFP正极材料在热失控过程中仅释放少量氧气（Zhao等，2024），主要产物为气体。与之相反，NMC正极在分解时会释放大量氧气，进而产生喷射火焰（Mao等，2020；Wang等，2019）。然而LFP电池热失控生成的气体主要由氢气、一氧化碳、二氧化碳及多种碳氢化合物组成（Fernandes等，2018；Liao等（Said等，2020；Wang等，2021；Jia等，2022；Meng等，2023）。由于磷酸铁锂电池不会直接引燃气体，可燃气体在动力电池舱内积聚并与空气混合。一旦遭遇点火源，可能发生爆燃现象，导致壳体结构破坏，并对周边装备及人员造成严重危害（Shen等，2023；Zalosh等，2021）。为防止内部爆燃引发的结构失效，通常需安装泄压装置以释放压力。多项研究已证实泄压开口在缓解爆炸方面的有效性（Liu等人，2025；Peng等人，2023；Jin等人，2021；Barowy等人，2022；Conzen等人，2023）。然而泄压过程会从根本上改变爆燃发生时储能电池舱（PESC）的结构，形成的开口将直接影响后续火灾行为，导致火焰从泄压位置窜出。目前关于泄压措施与后续火灾发展相互作用的研究仍显不足。现有电池储能系统（BESS）安全标准——如NFPA 855（NFPA，2023a）、EN 14994（EN 14994，2007）和NFPA 68（NFPA，2023b）——对爆炸防护、泄压措施及安装间距提出了通用要求。但这些标准未就特定泄压策略的效果、储能电池舱的结构变异，以及由此产生的火焰行为与工程间距要求提供定量指导。
基于上述研究空白，本研究选取20英尺5兆瓦时磷酸铁锂储能集装箱作为研究对象。该容量代表了当前实际应用中广泛部署的典型集装箱规模单元。采用NFPA 68标准规定的泄压面积计算方法，建立了多种代表性泄压策略。通过有限体积数值模拟方法构建了储能电站全尺度火灾行为模型，用于评估不同泄压策略下的火灾危险性、箱体温度响应及所需安全间距。本研究阐明了泄压策略对爆燃后火灾行为的影响机制，并针对实际布局设计提出了工程导向的间距配置建议。