北美電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控評(píng)估方法的解析及對(duì)我國(guó)的參考

＊符靜 王黎 齊鑫 余昭勝

（1.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)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(xué)電力學(xué)院 廣東 510641）

能源是社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。尋找具有成本效益和可持續(xù)的能源儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)至關(guān)重要。在新能源發(fā)電作為主力的電力系統(tǒng)中，電化學(xué)儲(chǔ)能將變成一個(gè)技術(shù)性需求：平抑電力系統(tǒng)波動(dòng)。在2022年投運(yùn)的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰電池占比超90%[1]。隨著全球新能源汽車市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)在迅猛發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年我國(guó)電動(dòng)汽車的銷量為688.7萬輛[2]。生活電動(dòng)化的趨勢(shì)不斷提高，電池儲(chǔ)能成為了能源碳中和不可或缺的拼圖。

然而，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（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?xì)怏w的聚集[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球各地已發(fā)生過多起電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故[4]。在大多數(shù)BESS事故中，很多原因都與電池的熱失控有直接聯(lián)系。熱失控是指當(dāng)電化學(xué)電池以一種不可控的方式自熱而升高溫度時(shí)發(fā)生的事件[5]。因此，為了提高BESS的安全性和性能，減輕對(duì)熱失控的擔(dān)憂，許多國(guó)際組織和委員會(huì)制定并頒布了一定的權(quán)威測(cè)試規(guī)范來評(píng)估電池的安全性[5]。但各國(guó)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)各異，我國(guó)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36276-2018《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》對(duì)電池單體、電池模塊提出熱失控及熱失控?cái)U(kuò)散的要求，但測(cè)試方法較為籠統(tǒng)，熱失控方式單一，評(píng)估僅要求模塊不發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散、起火、爆炸。為保證儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的質(zhì)量和安全應(yīng)該對(duì)我國(guó)電池廠商提出更高的測(cè)試要求。北美最大的安全標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)——美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）發(fā)布的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A[6]，用于評(píng)估電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)受熱失控的能力，以及起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了儲(chǔ)能電池大規(guī)模火燒測(cè)試的試驗(yàn)方法，對(duì)有代表性的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，誘發(fā)被測(cè)設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，并評(píng)估火災(zāi)是否會(huì)蔓延到鄰近的儲(chǔ)能系統(tǒng)單元、周邊設(shè)備，或通過鄰近的防火等級(jí)屏障，以具體測(cè)試數(shù)據(jù)來確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全安裝及起火爆炸防護(hù)要求。

為健全我國(guó)的儲(chǔ)能電池測(cè)試規(guī)范提供參考，本文基于北美標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A介紹了一種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控火災(zāi)傳播評(píng)估的試驗(yàn)方法，分析了該方法對(duì)我國(guó)目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控要求的有效技術(shù)補(bǔ)充，對(duì)電池廠家提出了更高的技術(shù)要求。本文旨在為我國(guó)提供一種儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)受熱失控的能力以及起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的參考。

1.測(cè)試裝置及流程

BESS測(cè)試包括四個(gè)部分：電芯層級(jí)、模組層級(jí)、單元層級(jí)、安裝層級(jí)。圖1為BESS測(cè)試流程圖。

圖1 測(cè)試流程

該測(cè)試建立了以可重復(fù)的方式迫使電池?zé)崾Э氐挠行Х椒ǎ凑枕樞驅(qū)﹄娦緦蛹?jí)、模組層級(jí)、單元層級(jí)、安裝層級(jí)四個(gè)部分進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)用來確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全安裝和起火爆炸保護(hù)，減少消防安全顧慮。每一層級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù)匯總生成測(cè)試報(bào)告，根據(jù)報(bào)告判斷該層級(jí)的測(cè)試是否達(dá)標(biāo)。下文具體介紹了北美評(píng)價(jià)BESS熱失控火焰?zhèn)鞑サ臏y(cè)試方法。

2.測(cè)試方法

（1）電芯層級(jí)測(cè)試。電芯是包含基本功能的電化學(xué)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(zhuǎn)換化學(xué)能而產(chǎn)生電能的能源。下面介紹了對(duì)電芯層級(jí)的測(cè)試方法。

①熱失控測(cè)試方法。進(jìn)行電芯層級(jí)測(cè)試前，測(cè)試樣品應(yīng)進(jìn)行如下準(zhǔn)備：A.電芯在測(cè)試前需要至少進(jìn)行2個(gè)周期的充放電循環(huán)確認(rèn)樣品正常。B.待測(cè)試的電池應(yīng)充電至100% SOC（State of charge），并在測(cè)試開始前穩(wěn)定至少1小時(shí)，最多8小時(shí)。C.具有柔性層壓外殼的電芯應(yīng)安裝夾具模擬在BESS終端的狀態(tài)，防止測(cè)試過程中過度膨脹。

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(cè)試電池是否能現(xiàn)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(nèi)部電極組件的一致加熱。設(shè)置電池樣品的表面加熱速率為每分鐘4℃至7℃。電池測(cè)試采用24號(hào)或更小的K型熱電偶線形成的熱電偶結(jié)對(duì)電池的外表面溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)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(shí)的溫度，在電池外殼上測(cè)得的最終保持溫度稱為最大表面溫度終點(diǎn)。如果電池樣品沒有實(shí)現(xiàn)熱失控，則應(yīng)采用以下方法之一來引起熱失控：A.機(jī)械方式，如穿刺；B.過充、過放或外部短路形式的電氣應(yīng)力；C.使用替代熱源（如烘箱）。圖2為一個(gè)電池發(fā)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(dāng)如圖2所示溫度迅速升高時(shí)，無論選擇何種應(yīng)力方法，都認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生了熱失控，而不是排氣導(dǎo)致的簡(jiǎn)單過熱。如果電池表現(xiàn)出熱失控行為，則使用相同的方法測(cè)試另外的3個(gè)電池樣品并達(dá)到熱失控，以證明可重復(fù)性。排氣口溫度和熱失控開始溫度應(yīng)在測(cè)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(yīng)用于確定本方法其他測(cè)試等級(jí)的溫度限值。

②電池排氣成分測(cè)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(nèi)迫使電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)，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(cè)技術(shù)或等效氣體分析技術(shù)，以識(shí)別具有著火或爆炸危險(xiǎn)的碳?xì)浠衔餁怏w以及要求測(cè)量的其他附加氣體。根據(jù)ASTM E918[7]，在環(huán)境溫度和電池排氣溫度下測(cè)試合成復(fù)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(jù)ISO 817[8]附錄中可燃?xì)怏w燃燒速度測(cè)量測(cè)試方法，使用合成的混合氣體來測(cè)定氣體燃燒速率（大于23cm/s）。根據(jù)EN 15967[9]使用合成復(fù)制氣體混合物來測(cè)定最大爆炸壓力的限值Pmax。

③電芯層級(jí)測(cè)試表現(xiàn)判定。如電芯滿足以下兩個(gè)要求，則不用繼續(xù)模組層級(jí)的測(cè)試：A.電芯不能誘發(fā)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(fēng)險(xiǎn)。電芯符合以上標(biāo)準(zhǔn)的BESS可用于安裝在住宅中。

（2）模組層級(jí)測(cè)試。模組是BESS的一個(gè)組件，由一組電池或電化學(xué)電容器組成，以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式連接在一起，有或沒有保護(hù)裝置和監(jiān)控電路。

進(jìn)行模組層級(jí)測(cè)試之前，測(cè)試樣品電池應(yīng)進(jìn)行如下準(zhǔn)備：A.測(cè)試前，模塊樣品通過至少2個(gè)充放電循環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用制造商指定的方法來驗(yàn)證模塊的功能。每個(gè)循環(huán)應(yīng)定義為充電至100% SOC，并允許休息最多8小時(shí)，然后放電到模塊制造商指定的放電結(jié)束電壓。B.待測(cè)試的電池充電至100% SOC，并在測(cè)試開始前穩(wěn)定至少1小時(shí)，最多8小時(shí)。模塊電壓應(yīng)在充電至完全充電后和開始測(cè)試前在模塊端子處測(cè)量確定。C.本次測(cè)試不依賴于電池管理系統(tǒng)等電子和軟件控制。

根據(jù)2.1.2啟動(dòng)熱失控的方法以啟動(dòng)模塊內(nèi)的熱失控。在適當(dāng)尺寸的煙霧收集環(huán)境下測(cè)試，模組測(cè)試前后記錄重量。用來觸發(fā)熱失控的電芯可以是一個(gè)也可以是多個(gè)，視電芯容量而定。在試驗(yàn)期間測(cè)量化學(xué)放熱率，化學(xué)放熱率的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)位于熱釋放率量熱計(jì)的排氣管道中，并測(cè)量速度和溫度，其位置應(yīng)盡量減少彎曲或排氣裝置的影響。計(jì)算各流量的化學(xué)放熱率如下：

式中：HRR1=總放熱率，作為時(shí)間的函數(shù)（kW）；E=每單位耗氧完全燃燒釋放的凈熱量（根據(jù)細(xì)胞化學(xué)中含氧調(diào)整，13100kJ/kg）；ECO=CO完全燃燒時(shí)每單位耗氧所釋放的凈熱量（根據(jù)細(xì)胞化學(xué)中含氧調(diào)整，17600kJ/kg）；XCO=排氣中CO的測(cè)量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；XCO2=排氣中CO2的測(cè)量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；X0CO2=進(jìn)氣中CO2的測(cè)量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；X0H2O=進(jìn)氣中H2O的測(cè)量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；XO2=排氣中O2的測(cè)量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；X0O2=進(jìn)氣中O2的摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；α=燃燒膨脹系數(shù)（無因次，通常值為1.105）；Ma=進(jìn)入和排出空氣的相對(duì)分子質(zhì)量（29kg/kmol）；MO2=氧氣的相對(duì)分子質(zhì)量（32kg/kmol）；m·e=排氣管的質(zhì)量流量(kg/s)；φ=耗氧因子（無量程）。

測(cè)試過程中，使用白光光源和光電探測(cè)器測(cè)量熱釋放率量熱計(jì)排風(fēng)管中的透光率，計(jì)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(yù)測(cè)試光束傳輸信號(hào)（V）；I=測(cè)試時(shí)傳輸信號(hào)（V）。

（3）單元層級(jí)測(cè)試。單元層級(jí)的測(cè)試需要一個(gè)觸發(fā)熱失控的BESS，用模組層級(jí)測(cè)試確定的方法引發(fā)熱失控，此外需要在這個(gè)BESS相鄰處放置目標(biāo)BESS模擬最終安裝環(huán)境。以室內(nèi)地板安裝的BESS裝置為例（圖3）。試驗(yàn)過程中，應(yīng)控制試驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境，防止產(chǎn)生影響試驗(yàn)結(jié)果的氣流。測(cè)試開始是環(huán)境溫度應(yīng)該在10℃到32℃范圍內(nèi)。檢測(cè)墻用16mm石膏板覆蓋墻面，并涂成黑色。檢測(cè)墻在水平方向應(yīng)當(dāng)至少超出目標(biāo)BESS0.49m，在垂直方向應(yīng)當(dāng)至少超出目標(biāo)BESS高度0.61m，但是距離目標(biāo)BESS的底面不能少于3.66m。觸發(fā)BESS應(yīng)位于適當(dāng)大小的耗氧量熱計(jì)排煙罩的中心下方。

在測(cè)試過程中，應(yīng)使用白光光源和光電探測(cè)器測(cè)量量熱計(jì)排風(fēng)道中的光透射率，并利用式（2）、式（3）計(jì)算化學(xué)放熱率和排煙率。對(duì)流放熱速率應(yīng)該使用位于排氣系統(tǒng)排氣管道中的熱電堆、速度探針和K型熱電偶來測(cè)量。對(duì)流放熱率的計(jì)算公式為：

式中：HRRc=對(duì)流放熱率（kW）；Ve=排氣速度（m/s）；A=排風(fēng)管截面積（m2）；Te=測(cè)量排氣速度處的溫度（K）；353.22/Te=測(cè)速處空氣密度（kg/m3）；To=測(cè)試室內(nèi)環(huán)境溫度（K）；T=熱電堆溫度（K）。

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

單元層級(jí)測(cè)試表現(xiàn)判定，滿足以下要求不需要進(jìn)一步測(cè)試：A.目標(biāo)BESS的溫度小于電芯排氣時(shí)的表面溫度，并滿足熱通量限制；B.目標(biāo)墻壁的溫升小于97℃；C.產(chǎn)品沒有爆炸現(xiàn)象；D.火沒有蔓延到觸發(fā)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(jí)測(cè)試。安裝層級(jí)的測(cè)試用于評(píng)估BESS在其預(yù)定安裝中減少火災(zāi)和爆炸方法的有效性，不適用于住宅使用的BESS。

可驗(yàn)證噴淋系統(tǒng)的有效性來進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于2.44m或以下的BESS單元，測(cè)試應(yīng)在6.10m×6.10m×3.05m高的測(cè)試室內(nèi)進(jìn)行，帶有一個(gè)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(duì)于高于2.44m的BESS單元，天花板高度應(yīng)增加到比測(cè)試中的BESS單元至少高0.61m。爆炸緩解方法應(yīng)按照制造商的規(guī)范安裝在試驗(yàn)裝置中。

試驗(yàn)室應(yīng)在試驗(yàn)室中心安裝四個(gè)間隔3.05m的灑水裝置。噴頭應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)噴霧，標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)溫度為93℃，k系數(shù)為5.6，噴水密度為12.22L/m2/min。如果安裝規(guī)范中注明了其他密度、額定值和k系數(shù)的噴頭的不同規(guī)格，則應(yīng)按這些規(guī)格進(jìn)行安裝試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 灑水裝置有效性測(cè)試的安排實(shí)例

在BESS單元正上方的天花板位置，溫度測(cè)量應(yīng)由位于天花板以下25mm和152mm間隔的熱電偶陣列進(jìn)行收集，使用24號(hào)K型暴露結(jié)熱電偶。壁面溫度測(cè)量應(yīng)在垂直陣列中收集，間隔152mm，在壁面截面的全高度，使用24號(hào)K型暴露結(jié)熱電偶測(cè)量壁面溫度。熱電偶應(yīng)安裝在預(yù)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(cè)量的熱電偶應(yīng)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(cè)面，應(yīng)使用至少兩個(gè)水冷式儀表的傳感元件測(cè)量熱流。BESS單元排氣氣體的成分應(yīng)使用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量，其最小分辨率為1cm-1，路徑長(zhǎng)度至少為2.0m，總烴分析儀和氫分析儀。氣體成分取樣口應(yīng)位于天花板噴口處，低于天花板25mm。

如果發(fā)生以下情況則測(cè)試應(yīng)終止：A.啟動(dòng)BESS的每個(gè)模塊內(nèi)測(cè)量的溫度返回到電池排氣溫度以下；B.火災(zāi)傳播到相鄰單元或相鄰的墻壁；C.對(duì)測(cè)試人員或測(cè)試設(shè)施有危險(xiǎn)的情況需要緩解。在安裝試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)起爆裝置進(jìn)行24小時(shí)觀察，確定不發(fā)生再點(diǎn)火。

3.結(jié)論

本文介紹了一種北美電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控火災(zāi)傳播評(píng)估的測(cè)試方法，該測(cè)試建立了以可重復(fù)的方式迫使電池?zé)崾Э氐挠行Х椒ǎ凑枕樞驅(qū)﹄娦緦蛹?jí)、模組層級(jí)、單元層級(jí)、安裝層級(jí)四個(gè)部分進(jìn)行了測(cè)試，通過測(cè)試熱失控下產(chǎn)生的各種氣體的濃度以及燃燒速率、爆炸壓力等來評(píng)估火災(zāi)、爆炸的危害，是目前較為全面、系統(tǒng)的評(píng)估方法。

該方法可以為我國(guó)目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控要求提供有效技術(shù)補(bǔ)充，并從操作層面提供詳細(xì)的技術(shù)支撐，從熱失控的測(cè)試方法、評(píng)估樣品等級(jí)（電芯、模組、單元、安裝）、評(píng)估高危要素等方面做出了詳細(xì)定義。結(jié)論方面，除測(cè)試現(xiàn)象觀察外，能夠形成完整的數(shù)據(jù)分析報(bào)告，從更專業(yè)的角度解讀儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)應(yīng)的防護(hù)要求。除了這些測(cè)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(zhì)量等。此外，還可以在電池系統(tǒng)層面設(shè)計(jì)許多保護(hù)措施，采用更有效的散熱和隔熱方法，抑制熱失控事件的發(fā)生和蔓延。