CO传感器在电化学储能电站火灾防控中的应用

近年来，储能电站火灾爆炸事故屡见不鲜，据统计，过去一年全世界发生储能电站火灾超过30起。其中2017年8月至今，仅韩国就发生了29起储能电站火灾事故。此外，2019年4月19日，美国亚利桑那州发生电池储能项目爆炸，导致4名消防员受伤，其中2名重伤。2021年4月16日下午，北京市丰台区发生一起储能电站热失控起火事故，该事故造成1名值班电工遇难、2名消防员牺牲、1名消防员受伤。火灾造成直接财产损失1660．81万元。可见储能电站一旦发生事故是多么的可怕。

什么是储能电站？

就当它是个大号充电宝，商用兆瓦级别，家用的容量小点。为方便安装运输，通常以标准集装箱规格制作外包箱体。

储能电站并不全是锂电池，铅酸电池、液流电池、钠硫电池都有，飞轮啊、超导啊也都是，抽水蓄能从理论上来说也是一种储能方式，只不过现在锂电池风头正劲，占比较高。

电化学储能产业具有广阔前景，但在热失控时，可能引发火灾甚至爆炸，并产生有毒气体，造成经济损失和人员伤亡。工采网小编为大家介绍电化学储能电站火灾事故的特点及危害，并提出防控手段。

近年来，化石能源的日益枯竭和其所带来的温室效应，使得人们逐渐摒弃传统能源。越来越多的新能源，例如太阳能、氢能、风能等，开始接入电力系统。其中，锂离子电池由于其具有循环寿命长、工作电压高、能量密度高、自放电小等优点，成为电化学储能的主力。根据《国家发展改革委 国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕1051号），到2025年，新型储能装机规模将达3000万千瓦以上，因此，电化学储能产业前景广阔。

然而，锂离子电池在过热、过充放电和短路等滥用情况下，会发生热失控。热失控时，电池内部发生剧烈的放热反应，产生大量的热量和有毒可燃气体，并有可能引发火灾甚至爆炸。同时，有毒气体也会对人们的生命安全造成威胁，进而造成大量的经济损失和人员伤亡。因此，为了防止电化学储能电站火灾事故的发生，需要有效的防控手段。

电化学储能电站火灾特点及危害

1.电池升温快 温度高

电池在滥用条件下，电池温度逐渐升高，电池内部材料，如正负极材料、电解液相继发生反应。这些放热反应产生的热量在电池内部慢慢积聚，使得电池温度进一步升高，同时也促进了后续放热反应的发生。

当电池温度达到热失控临界温度时，电池发生热失控，在短时间内产生大量的热量，电池温度骤升。从图1可以看出， 电池表面温度在热失控时迅速从130℃上升至522℃。由于放热反应发生在电池内部，因此电池内部温度更高，可以达到800～900℃，甚至1000℃。

2.伴随猛烈射流火 燃烧剧烈

储能电站常用的电池类型主要为方形硬壳电池，此类电池往往配置有安全阀，来避免因压力过大发生爆炸。随着电池温度的升高，电池内部产生一些可燃气体。随着可燃气体的不断积聚，电池内部压力逐渐增加，当电池内部压力达到电池安全阀破裂阈值时，电池安全阀破裂，大量的可燃气体和电池内部材料被喷射出。

当电池发生热失控时，在电池极高温度的作用下，可燃气体和可燃物质如电解液等被引燃，从安全阀处喷射出猛烈的射流火，火焰高度最高可以达到1米。

3.热失控易传播

在储能电站中，电池紧密排列在一起形成模组。当模组中的一节电池发生热失控时，紧密排列使得热量可以迅速传递到相邻电池，使相邻电池异常升温。此外，猛烈的射流火由于盖板的阻挡，对相邻电池的热辐射增加，相邻电池的温度进一步升高，直至发生热失控，最终，电池在模组中发生热失控传播。

4.气体具有爆炸性

电池热失控时，大量的气体从安全阀喷射出，气体主要为H2、CO、CO2、CH4、C2H4和电解液因高温汽化产生的气体。其中一部分可燃气体会在燃烧中消耗，还有部分未燃烧的会积聚在模组内部，随着模组中热失控传播的不断扩展，模组中可燃气体越来越多，造成模组压力增加，最终可能会因压力过大发生物理爆炸。

此外，可燃气体的浓度逐渐增加，当达到混合可燃气体的爆炸极限，即超过爆炸下限6.1%时，热失控电池的高温作为点燃源，当遇到足够的氧气时，可燃气体会发生化学爆炸，最大爆炸压力可以达到0.76MPa，巨大的爆炸压力可以对电池簇、集装箱造成严重的破坏，进而带来经济损失，甚至人员伤亡。例如在北京丰台“4·16”储能电站火灾事故中，由于储能电站发生了爆炸，导致2名消防人员死亡。

5.气体具有毒性

电池热失控产生的一些气体除了具有可燃性之外，还具有危害很高的毒性，如 CO、HF（氟化氢）等。不同体系的电池在热失控时产生的气体成分及占比如图2所示。

可以看出，CO和CO2占比很大。在热失控时，CO浓度最高可以达到250ppm以上，已经可以对人体产生严重的中毒危害。

HF是一种刺激性有毒气体，具有腐蚀性，在50ppm浓度下活动数分钟便有致死的风险。而一节容量为20Ah的100%SOC磷酸铁锂电池热失控时，HF最高浓度约为145ppm，远远高于所规定的HF安全浓度。而储能电站一个集装箱中，有成百上千节电池，热失控时将会使得这些有毒有害气体的浓度急剧增加，大大增加了人员操作和救援的危险性。

如何防范？

目前没有能够保证锂电池不发生热失控的方法，那有没有方法能够及时发现预防锂电池失控的方法呢？

电化学储能电站火灾早期探测和预警

在电池火灾前期，进行有效准确地探测并预警，采取相应的消防手段，防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前，应做好电池故障诊断工作，及早进行预警。当电池安全阀打开时，会产生大量的气体和烟雾，如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外，释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物（VOC）等，在安全阀打开时都有明显的增加，因此，可以通过相关的气体传感器，再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等，根据电站电池的热失控特性，设定相应的预警阈值，将多种特征参数进行耦合，当不同传感器参数达到所设阈值时，发出警报，实现锂离子电池火灾早期探测和预警，并根据警报采取相应的控制措施，防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

此外，应根据量程和灵敏度，选取适当的传感器和探测器，同时设置冗余系统，保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

我们可以从动力锂电池热失控时产生的大量气体入手，锂离子电池热失控的时候，电池内部会有大量的一氧化碳释放出来。一氧化碳不仅是易燃易爆的气体，更可以与人体内的血红蛋白结合，使其失去与氧气结合的能力，从而导致我们缺氧甚至窒息。所以我们可以通过检测一氧化碳的浓度来判断电池热失控。在这里工采网给大家推荐一款纽扣式一氧化碳传感器（CO传感器）TGS5141：

TGS5141一氧化碳传感器CO传感器是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器，使用一个特殊的电极取代了储水器，由于去除了TGS5042中使用的储水器，TGS5141与TGS5042相比，其外形尺寸缩减到只有后者的10％大小。非常适用于高集成电子产品，对CO的灵敏度高、将CO浓度线性输出，设计方便，自带出厂预标定灵敏度系数，方便用户使用与性能追溯，寿命长达10年以上。

毕竟是事关我们的生命安全，对于精度还是有要求的，测量不准的话又怎么能给出正确的警报呢？TGS5141输出电流与一氧化碳浓度之间在0～1，000ppm范围内显示了± 5％以内偏差的较高直线性。不同浓度CO对应的输出电流可以参考下图。

同时我们也要关注传感器的长期稳定性，这就要求传感器寿命足够长，更要求传感器输出长期稳定，不然会使报警值改变，造成早报晚报甚至不报等情况了。TGS5141的寿命长达十年以上，长期稳定性也是十分优秀，可以参考下图。（Y轴显示的是在任何时间点300ppm一氧化碳中的输出电流（I）和测试第一天300ppm一氧化碳中的输出电流（Io）的比值。）

储能电站内会有各种各样的气味，要是传感器抗干扰性不好的话，也是很容易造成误报的，所以这个传感器要求对CO灵敏度高，对其他气体的灵敏度越低越好。TGS5141就很好，对大部分气体的灵敏度都是非常低的，对CO灵敏度又很高的，见下图。

并且考虑到电站内的温度范围是比较宽广的，基本所有传感器受温度的影响又是比较明显的，所以厂家针对TGS5141做出了温度补偿系数表，OEM客户可以直接利用补偿系数对传感器进行温度补偿，从而使传感器在不同温度下也能有高精度的输出。补偿系数见下图。

由此可见TGS5141是一款十分优秀的CO传感器，性能优异、质量可靠，可以为我们的生命财产安全添加一层保障。

审核编辑：符乾江