北美電池儲能系統熱失控評估方法的解析及對我國的參考

＊符靜 王黎 齊鑫 余昭勝

（1.通標標準技術服務有限公司 廣東 510000 2.廣州匯錦能效科技有限公司 廣東 511455 3.華南理工大學電力學院 廣東 510641）

能源是社會活動、經濟發展和城市運轉的基礎。尋找具有成本效益和可持續的能源儲存、轉換系統至關重要。在新能源發電作為主力的電力系統中，電化學儲能將變成一個技術性需求：平抑電力系統波動。在2022年投運的新型儲能系統中，鋰電池占比超90%[1]。隨著全球新能源汽車市場蓬勃發展，我國電動汽車行業在迅猛發展，據統計，2022年我國電動汽車的銷量為688.7萬輛[2]。生活電動化的趨勢不斷提高，電池儲能成為了能源碳中和不可或缺的拼圖。

然而，電池儲能系統（Battery Energy Storage System，BESS）也存在一些安全焦慮：如劇烈的熱釋放、劇烈的煙霧釋放、可燃氣體的聚集[3]。據不完全統計，全球各地已發生過多起電化學儲能電站事故[4]。在大多數BESS事故中，很多原因都與電池的熱失控有直接聯系。熱失控是指當電化學電池以一種不可控的方式自熱而升高溫度時發生的事件[5]。因此，為了提高BESS的安全性和性能，減輕對熱失控的擔憂，許多國際組織和委員會制定并頒布了一定的權威測試規范來評估電池的安全性[5]。但各國的評估標準各異，我國的現行標準GB/T 36276-2018《電力儲能用鋰離子電池》對電池單體、電池模塊提出熱失控及熱失控擴散的要求，但測試方法較為籠統，熱失控方式單一，評估僅要求模塊不發生熱失控擴散、起火、爆炸。為保證儲能電池系統的質量和安全應該對我國電池廠商提出更高的測試要求。北美最大的安全標準制定機構——美國保險商實驗室（UL）發布的儲能系統安全標準UL 9540A[6]，用于評估電池儲能系統經受熱失控的能力，以及起火爆炸的風險。標準詳細定義了儲能電池大規模火燒測試的試驗方法，對有代表性的儲能系統進行測試，誘發被測設備發生嚴重火災，并評估火災是否會蔓延到鄰近的儲能系統單元、周邊設備，或通過鄰近的防火等級屏障，以具體測試數據來確定儲能系統的安全安裝及起火爆炸防護要求。

為健全我國的儲能電池測試規范提供參考，本文基于北美標準UL 9540A介紹了一種電池儲能系統熱失控火災傳播評估的試驗方法，分析了該方法對我國目前現行標準中的儲能系統熱失控要求的有效技術補充，對電池廠家提出了更高的技術要求。本文旨在為我國提供一種儲能系統經受熱失控的能力以及起火爆炸的風險評估方法的參考。

1.測試裝置及流程

BESS測試包括四個部分：電芯層級、模組層級、單元層級、安裝層級。圖1為BESS測試流程圖。

圖1 測試流程

該測試建立了以可重復的方式迫使電池熱失控的有效方法，按照順序對電芯層級、模組層級、單元層級、安裝層級四個部分進行測試，測試數據用來確定儲能系統的安全安裝和起火爆炸保護，減少消防安全顧慮。每一層級的測試數據匯總生成測試報告，根據報告判斷該層級的測試是否達標。下文具體介紹了北美評價BESS熱失控火焰傳播的測試方法。

2.測試方法

（1）電芯層級測試。電芯是包含基本功能的電化學單元，包含電極、電解液、分離器、容器和終端的組件，是一種通過直接轉換化學能而產生電能的能源。下面介紹了對電芯層級的測試方法。

①熱失控測試方法。進行電芯層級測試前，測試樣品應進行如下準備：A.電芯在測試前需要至少進行2個周期的充放電循環確認樣品正常。B.待測試的電池應充電至100% SOC（State of charge），并在測試開始前穩定至少1小時，最多8小時。C.具有柔性層壓外殼的電芯應安裝夾具模擬在BESS終端的狀態，防止測試過程中過度膨脹。

在室內實驗室為25℃±5℃和50%±25% RH的條件下，通過在電池外殼使用柔性薄膜加熱器加熱電池，測試電池是否能現出熱失控的傾向。使加熱器盡可能覆蓋電池外殼，而不覆蓋安全功能或端子，以保持電池內部電極組件的一致加熱。設置電池樣品的表面加熱速率為每分鐘4℃至7℃。電池測試采用24號或更小的K型熱電偶線形成的熱電偶結對電池的外表面溫度進行連續測量。

由電池表面溫度的變化率超過外部施加的熱輸入的變化率來確定熱失控的開始，并記錄熱失控開始時的溫度，在電池外殼上測得的最終保持溫度稱為最大表面溫度終點。如果電池樣品沒有實現熱失控，則應采用以下方法之一來引起熱失控：A.機械方式，如穿刺；B.過充、過放或外部短路形式的電氣應力；C.使用替代熱源（如烘箱）。圖2為一個電池發生熱失控的溫度曲線示例。

圖2 熱失控溫度曲線的說明性例子

如果在電池排氣過程中有短暫的溫度下降，則可能需要增加熱量輸入以使其回到加熱速率范圍。當如圖2所示溫度迅速升高時，無論選擇何種應力方法，都認為已經發生了熱失控，而不是排氣導致的簡單過熱。如果電池表現出熱失控行為，則使用相同的方法測試另外的3個電池樣品并達到熱失控，以證明可重復性。排氣口溫度和熱失控開始溫度應在測試樣品上取平均值（不包括氣體排氣口捕獲樣品），此平均溫度應用于確定本方法其他測試等級的溫度限值。

②電池排氣成分測試。使用上述方法，從大氣壓和氧氣體積小于1%的初始條件下開始，在可容納電池的壓力容器內迫使電池進入熱失控狀態，并捕獲電池排氣。使用氣相色譜法確定排氣氣體的組成，并使用定量成分氣體檢測技術或等效氣體分析技術，以識別具有著火或爆炸危險的碳氫化合物氣體以及要求測量的其他附加氣體。根據ASTM E918[7]，在環境溫度和電池排氣溫度下測試合成復制氣體混合物的樣品，確定電池排氣的可燃性下限（200℃以上）。根據ISO 817[8]附錄中可燃氣體燃燒速度測量測試方法，使用合成的混合氣體來測定氣體燃燒速率（大于23cm/s）。根據EN 15967[9]使用合成復制氣體混合物來測定最大爆炸壓力的限值Pmax。

③電芯層級測試表現判定。如電芯滿足以下兩個要求，則不用繼續模組層級的測試：A.電芯不能誘發熱失控；B.常溫和泄氣溫度下，電芯排泄氣體和任意體積空氣混合均沒有燃燒風險。電芯符合以上標準的BESS可用于安裝在住宅中。

（2）模組層級測試。模組是BESS的一個組件，由一組電池或電化學電容器組成，以串聯和/或并聯的方式連接在一起，有或沒有保護裝置和監控電路。

進行模組層級測試之前，測試樣品電池應進行如下準備：A.測試前，模塊樣品通過至少2個充放電循環進行調節，使用制造商指定的方法來驗證模塊的功能。每個循環應定義為充電至100% SOC，并允許休息最多8小時，然后放電到模塊制造商指定的放電結束電壓。B.待測試的電池充電至100% SOC，并在測試開始前穩定至少1小時，最多8小時。模塊電壓應在充電至完全充電后和開始測試前在模塊端子處測量確定。C.本次測試不依賴于電池管理系統等電子和軟件控制。

根據2.1.2啟動熱失控的方法以啟動模塊內的熱失控。在適當尺寸的煙霧收集環境下測試，模組測試前后記錄重量。用來觸發熱失控的電芯可以是一個也可以是多個，視電芯容量而定。在試驗期間測量化學放熱率，化學放熱率的測量系統應由順磁氧分析儀、非色散紅外CO2和CO分析儀、速度探頭和K型熱電偶組成。該儀器應位于熱釋放率量熱計的排氣管道中，并測量速度和溫度，其位置應盡量減少彎曲或排氣裝置的影響。計算各流量的化學放熱率如下：

式中：HRR1=總放熱率，作為時間的函數（kW）；E=每單位耗氧完全燃燒釋放的凈熱量（根據細胞化學中含氧調整，13100kJ/kg）；ECO=CO完全燃燒時每單位耗氧所釋放的凈熱量（根據細胞化學中含氧調整，17600kJ/kg）；XCO=排氣中CO的測量摩爾分數（無因次）；XCO2=排氣中CO2的測量摩爾分數（無因次）；X0CO2=進氣中CO2的測量摩爾分數（無因次）；X0H2O=進氣中H2O的測量摩爾分數（無因次）；XO2=排氣中O2的測量摩爾分數（無因次）；X0O2=進氣中O2的摩爾分數（無因次）；α=燃燒膨脹系數（無因次，通常值為1.105）；Ma=進入和排出空氣的相對分子質量（29kg/kmol）；MO2=氧氣的相對分子質量（32kg/kmol）；m·e=排氣管的質量流量(kg/s)；φ=耗氧因子（無量程）。

測試過程中，使用白光光源和光電探測器測量熱釋放率量熱計排風管中的透光率，計算出排煙率：

式中：SRR=排煙率（m2/s）；V=容積排氣管流量（m3/s）；D=管道直徑（m）；Io=預測試光束傳輸信號（V）；I=測試時傳輸信號（V）。

（3）單元層級測試。單元層級的測試需要一個觸發熱失控的BESS，用模組層級測試確定的方法引發熱失控，此外需要在這個BESS相鄰處放置目標BESS模擬最終安裝環境。以室內地板安裝的BESS裝置為例（圖3）。試驗過程中，應控制試驗室內環境，防止產生影響試驗結果的氣流。測試開始是環境溫度應該在10℃到32℃范圍內。檢測墻用16mm石膏板覆蓋墻面，并涂成黑色。檢測墻在水平方向應當至少超出目標BESS0.49m，在垂直方向應當至少超出目標BESS高度0.61m，但是距離目標BESS的底面不能少于3.66m。觸發BESS應位于適當大小的耗氧量熱計排煙罩的中心下方。

在測試過程中，應使用白光光源和光電探測器測量量熱計排風道中的光透射率，并利用式（2）、式（3）計算化學放熱率和排煙率。對流放熱速率應該使用位于排氣系統排氣管道中的熱電堆、速度探針和K型熱電偶來測量。對流放熱率的計算公式為：

式中：HRRc=對流放熱率（kW）；Ve=排氣速度（m/s）；A=排風管截面積（m2）；Te=測量排氣速度處的溫度（K）；353.22/Te=測速處空氣密度（kg/m3）；To=測試室內環境溫度（K）；T=熱電堆溫度（K）。

式中：Cp=空氣比熱(kJ/(kg·K))，設，其中A0=0.9950；A1=-5.29933×10-5；A2=3.21022×10-7；A3=-1.22004×10-10。

單元層級測試表現判定，滿足以下要求不需要進一步測試：A.目標BESS的溫度小于電芯排氣時的表面溫度，并滿足熱通量限制；B.目標墻壁的溫升小于97℃；C.產品沒有爆炸現象；D.火沒有蔓延到觸發BESS的外部；E.疏散通道中心處的熱流不能超過1.3kW/m2。

（4）安裝層級測試。安裝層級的測試用于評估BESS在其預定安裝中減少火災和爆炸方法的有效性，不適用于住宅使用的BESS。

可驗證噴淋系統的有效性來進行測試。對于2.44m或以下的BESS單元，測試應在6.10m×6.10m×3.05m高的測試室內進行，帶有一個開放的1.22m×2.13m高的門或制造商指定的安裝配置的房間。對于高于2.44m的BESS單元，天花板高度應增加到比測試中的BESS單元至少高0.61m。爆炸緩解方法應按照制造商的規范安裝在試驗裝置中。

試驗室應在試驗室中心安裝四個間隔3.05m的灑水裝置。噴頭應采用標準噴霧，標準響應溫度為93℃，k系數為5.6，噴水密度為12.22L/m2/min。如果安裝規范中注明了其他密度、額定值和k系數的噴頭的不同規格，則應按這些規格進行安裝試驗，如圖4所示。

圖4 灑水裝置有效性測試的安排實例

在BESS單元正上方的天花板位置，溫度測量應由位于天花板以下25mm和152mm間隔的熱電偶陣列進行收集，使用24號K型暴露結熱電偶。壁面溫度測量應在垂直陣列中收集，間隔152mm，在壁面截面的全高度，使用24號K型暴露結熱電偶測量壁面溫度。熱電偶應安裝在預期從初始BESS單元接收到最大熱暴露的墻上位置。用于墻體表面溫度測量的熱電偶應通過放置在電線絕緣部分上的釘書釘固定在石膏表面。在每一檢測面，應使用至少兩個水冷式儀表的傳感元件測量熱流。BESS單元排氣氣體的成分應使用傅里葉變換紅外光譜儀測量，其最小分辨率為1cm-1，路徑長度至少為2.0m，總烴分析儀和氫分析儀。氣體成分取樣口應位于天花板噴口處，低于天花板25mm。

如果發生以下情況則測試應終止：A.啟動BESS的每個模塊內測量的溫度返回到電池排氣溫度以下；B.火災傳播到相鄰單元或相鄰的墻壁；C.對測試人員或測試設施有危險的情況需要緩解。在安裝試驗結束后，對起爆裝置進行24小時觀察，確定不發生再點火。

3.結論

本文介紹了一種北美電池儲能系統熱失控火災傳播評估的測試方法，該測試建立了以可重復的方式迫使電池熱失控的有效方法，按照順序對電芯層級、模組層級、單元層級、安裝層級四個部分進行了測試，通過測試熱失控下產生的各種氣體的濃度以及燃燒速率、爆炸壓力等來評估火災、爆炸的危害，是目前較為全面、系統的評估方法。

該方法可以為我國目前現行標準中的儲能系統熱失控要求提供有效技術補充，并從操作層面提供詳細的技術支撐，從熱失控的測試方法、評估樣品等級（電芯、模組、單元、安裝）、評估高危要素等方面做出了詳細定義。結論方面，除測試現象觀察外，能夠形成完整的數據分析報告，從更專業的角度解讀儲能系統熱失控風險及對應的防護要求。除了這些測試方案外，還可以在提高BESS本身固有安全性方面做更多的嘗試，比如使用更安全的材料，提高制備過程的質量等。此外，還可以在電池系統層面設計許多保護措施，采用更有效的散熱和隔熱方法，抑制熱失控事件的發生和蔓延。