《Process Safety and Environmental Protection》：Impact of Venting Strategies on Post-Deflagration Fire Behavior in Lithium-ion Battery Prefabricated Energy Storage Containers
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锂离子电池储能系统预制式集装箱泄爆策略对火灾行为影响研究。摘要：以5MWh LiFePO?预制式储能集装箱为对象，基于NFPA68标准设计顶通、前通、面板通、门通四种泄爆策略，通过全尺寸火模型模拟发现顶通导致垂直火焰喷射（峰值460℃），前通与门通引发火焰附着引发面对面容器墙体超500℃高温，门开角度每降10°可降低墙体温度20℃及内部温度4℃。提出不同泄爆策略的间距优化建议。
张楚|李伟|刘丽丽|刘秀梅|李蓓蓓|吴子博|惠增毅
中国矿业大学机电工程学院，江苏省徐州市大学路，221116，中国
摘要
随着锂离子电池储能系统（BESS）的大规模部署，预制储能容器（PESCs）的安全性受到了越来越多的关注。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，一旦被点燃，就会引发爆燃，损坏容器结构并导致后续火灾。这种爆燃后的火灾行为受到排气造成的结构变化程度的影响。然而，现有研究缺乏对不同排气策略如何影响爆燃后火焰行为的系统研究。本研究以5 MWh的LiFePO? PESC作为研究对象，根据NFPA 68规定的排气设计要求，设计了四种代表性的排气策略：顶部排气、前端排气、排气面板排气和门排气。然后建立了一个储能站的全尺寸数值火灾模型，以分析不同排气策略对火焰位置和相邻设备热暴露的影响。结果表明，排气策略决定了火焰的方向和热危害的分布。顶部排气会导致火焰垂直喷射，主要加热相邻PESC的顶部表面，峰值温度可达460°C；前端排气和门排气会导致火焰附着在PESC的前侧，与相邻容器产生强烈的热耦合，使其壁温升高至500°C以上。调整门开口角度可以有效调节热危害，并观察到线性关系：门开口角度每减少10°，相邻壁温降低约20°C，内部温度降低约4°C。基于仿真结果，提出了不同排气策略的间距建议，以优化储能站的布局。本研究表明，排气策略对爆燃后的火灾行为有决定性影响，并为更新集装箱式储能系统的安全标准和间距要求提供了定量指导。
引言
随着能源短缺和环境问题日益严重，风能和太阳能等绿色可再生能源得到了广泛应用（Sun等人，2021年）。然而，这些能源高度依赖于天气条件，无法提供稳定和连续的输出，难以满足电网需求。锂离子电池储能系统（BESS）的出现解决了这一问题，因为它们可以有效平衡电网负荷并实现来自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情况下，BESS的部署规模也迅速扩大（Sebastian，2022年；Choi等人，2021年）。然而，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等人，2023年；Weng等人，2022年），这引发了爆炸和火灾事件的显著风险，继续阻碍了BESS的应用和推广（Chen等人，2024年）。
根据Wood Mackenzie的不完整统计（Mackenzie，2024年），到2024年底，全球储能市场规模达到了358 GWh，增长了162%。随着这一快速扩张，锂离子BESS的火灾事故也有所增加（Lai等人，2021年）。图1显示了过去十年全球储能事故统计（EPRI，2023年）。值得注意的是，在过去五年中，容量超过50 MWh的大规模BESS设施也开始发生事故。为了便于运输和现场安装，这些大规模BESS设施通常采用多个集装箱式的预制储能单元，即预制储能容器（PESCs）。更多的PESCs不仅增加了故障的可能性，还需要更加考虑一个事故PESC对周围PESCs的影响。
在这些事件中，绝大多数是由锂电池热失控引起的火灾事故。尽管储能装置通常配备了防火系统，但研究人员往往采用保守的最坏情况视角，研究在没有考虑灭火的情况下电池的燃烧行为。研究人员对各种类型电池、容量和配置的燃烧特性进行了广泛研究。对于单个电池，Mao等人（Mao等人，2020年）对18650型Ni0.5Co0.2Mn0.3（NMC）电池进行了燃烧测试，发现NMC电池在热失控时会产生喷射火焰，且火焰高度随SOC升高而增加。Wang等人（Wang等人，2019年）研究了不同加热方法下50 Ah NMC电池的热失控情况，发现加热条件显著影响故障的严重程度。Liu等人（Liu等人，2022年）研究了因过热和过充引起的228 Ah LFP电池的故障，报告称LFP电池在两种情况下都不会点燃，但会释放大量气体或气溶胶。Peng等人（Peng等人，2020年）研究了68 Ah LFP电池燃烧过程中的气体毒性和热危害，发现火灾强度和有毒气体浓度随SOC增加而增加。
多个电池连接在一起形成电池模块，这是PESCs的基本单元。关于模块燃烧，Huang等人（Huang等人，2021年）实验比较了LFP和NMC模块的热失控行为，发现LFP模块仅释放烟雾而不产生火焰。Song等人（Song等人，2023年）研究了LFP模块内部热失控时的能量分布。Zhou等人（Zhou等人，2023年）研究了LFP模块在水平和垂直方向上的热失控传播，发现位于初始故障点上方的模块可能会发生多个电池的同时热失控，产生剧烈燃烧。Wang等人（Wang等人，2024年）进一步比较了水平和垂直传播，发现垂直传播导致热失控时间更短、温度更高、热量释放更强烈。
如果模块级别的火灾没有被扑灭，火灾可能会蔓延到整个PESC。Ditch等人（Ditch和Zeng，2020a）进行了一项5.2 kWh LFP电池火灾实验，报告峰值HRR为2.54 MW。基于这项实验，Wang等人（Wang等人，2023年）使用半简化模型模拟了容器级别的火灾，发现1.3 MWh的全尺寸PESC的峰值HRR可达7.09 MW。由于实验成本高昂，PESC级别的火灾研究仍然有限。
一般来说，大型储能站主要使用LiFePO?（LFP）电池，因为它们的热失控行为比NMC电池更温和（Huang等人，2021年）。原因是LFP正极材料在热失控过程中仅释放少量氧气（Zhao等人，2024年），主要产生气体。相比之下，NMC正极在分解过程中会释放大量氧气，产生喷射火焰（Mao等人，2020年；Wang等人，2019年）。然而，LFP热失控过程中产生的气体主要由氢气、CO、CO?和各种碳氢化合物组成（Fernandes等人，2018年；Liao等人，2020年；Said等人，2020年；Wang等人，2021年；Jia等人，2022年；Meng等人，2023年）。由于LFP电池不会直接点燃这些气体，可燃气体会在PESC内部积聚并与空气混合。一旦遇到点火源，就可能发生爆燃，破坏容器外壳并对附近设备和人员造成严重伤害（Shen等人，2023年；Zalosh等人，2021年）。为了防止内部爆燃引起的结构故障，通常会安装排气装置来释放压力。许多研究证明了排气口在减轻爆炸方面的有效性（Liu等人，2025年；Peng等人，2023年；Jin等人，2021年；Barowy等人，2022年；Conzen等人，2023年）。然而，排气在爆燃时刻会根本改变PESC的结构，形成开口，从而影响火焰的传播路径。关于排气与随后火灾发展之间相互作用的研究仍然有限。现有的BESS安全标准（如NFPA 855（NFPA，2023a）、EN 14994（EN 14994，2007）和NFPA 68（NFPA，2023b））提供了关于爆炸保护、排气和安装间距的一般要求。然而，它们缺乏关于特定排气策略、PESC的结构变化或由此产生的火焰行为和工程间距要求的定量指导。
基于上述空白，本研究选择了一个20英尺的5 MWh LiFePO? PESC作为研究对象。这一容量代表了当前实践中广泛使用的实际集装箱规模单元。使用NFPA 68规定的排气面积计算方法，建立了多种代表性的排气策略。通过有限体积数值模拟开发了一个储能站的全尺寸火灾行为模型，以评估不同排气策略下的火灾危害、壁温响应和所需的安全距离。该研究阐明了排气策略对爆燃后火灾行为的影响，并提出了实用的布局设计工程建议。
部分摘录
设计输入
为了确保PESCs符合当地的消防安全要求，制造商必须严格遵守适用的区域防火标准。其中，《NFPA 68：通过爆燃排气进行爆炸保护的标准》提供了一种计算方法，用于确定含有可燃气体-空气混合物的封闭空间所需的排气面积，其长度与直径的比率小于5。该方法考虑了复杂情况引起的火焰湍流增强
仿真
使用Fire Dynamics Simulator（FDS）进行了火灾场景仿真。FDS已被广泛用于模拟由电池热失控引起的火灾（Sadeghi和Restuccia，2024年；Jia等人，2024年；Xu等人，2025年）。在本研究中，FDS用于进行PESC级别的全尺寸数值火灾仿真。为了简化计算并关注主要影响，采用了以下假设：
1.容器内只有电池被认为是可燃的；
火焰行为分析
六个仿真案例得到的火焰配置如图9所示。由于所有案例规定的总热释放率相同，整体火焰大小保持可比。然而，不同的排气策略显著改变了火焰的出现位置和传播方向，从而对周围的PESCs产生了不同的热影响。
对于所有排气策略，火焰并未直接撞击相邻PESCs的结构表面。
不同排气策略下的火灾危害
前面的章节系统地量化了不同排气策略对相邻预制储能容器（PESCs）的热影响。本小节详细讨论了每种排气策略相关的火灾危害特征。
在AC-1排气策略下，燃烧发生在顶部和前端的排气开口处。这种策略导致火焰主要在PESC上方发展，从而对屋顶产生强烈的辐射加热
结论
本研究开发了一个5-MWh预制储能容器（PESC）的全尺寸数值模型，以评估排气策略对爆燃后火灾行为、热分布和对相邻设备的辐射危害的影响。主要发现总结如下：
(1).排气策略是决定火灾燃烧模式的主要因素。向上排气导致火焰垂直发展，显著增加了屋顶的热负荷
CRediT作者贡献声明
刘秀梅：监督。刘丽丽：数据整理。李伟：写作 – 审稿与编辑，资金获取。张楚：写作 – 原始草稿，可视化，概念化。惠增毅：方法论。吴子博：正式分析。李蓓蓓：资源，调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了江苏省科学技术厅（项目编号BE2023688）和新疆维吾尔自治区重点研发计划（项目编号2024B01002）的支持。
