＊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）

能源是社會活動、經(jīng)濟發(fā)展和城市運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。尋找具有成本效益和可持續(xù)的能源儲存、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)儲能將變成一個技術(shù)性需求：平抑電力系統(tǒng)波動。在2022年投運的新型儲能系統(tǒng)中，鋰電池占比超90%[1]。隨著全球新能源汽車市場蓬勃發(fā)展，我國電動汽車行業(yè)在迅猛發(fā)展，據(jù)統(tǒng)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(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，全球各地已發(fā)生過多起電化學(xué)儲能電站事故[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發(fā)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(dān)憂，許多國際組織和委員會制定并頒布了一定的權(quán)威測試規(guī)范來評估電池的安全性[5]。但各國的評估標(biāo)準(zhǔn)各異，我國的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，熱失控方式單一，評估僅要求模塊不發(fā)生熱失控擴散、起火、爆炸。為保證儲能電池系統(tǒng)的質(zhì)量和安全應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)制定機構(gòu)——美國保險商實驗室（UL）發(fā)布的儲能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A[6]，用于評估電池儲能系統(tǒng)經(jīng)受熱失控的能力，以及起火爆炸的風(fēng)險。標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了儲能電池大規(guī)?；馃郎y試的試驗方法，對有代表性的儲能系統(tǒng)進行測試，誘發(fā)被測設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，并評估火災(zāi)是否會蔓延到鄰近的儲能系統(tǒng)單元、周邊設(shè)備，或通過鄰近的防火等級屏障，以具體測試數(shù)據(jù)來確定儲能系統(tǒng)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(guī)范提供參考，本文基于北美標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A介紹了一種電池儲能系統(tǒng)熱失控火災(zāi)傳播評估的試驗方法，分析了該方法對我國目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的儲能系統(tǒng)熱失控要求的有效技術(shù)補充，對電池廠家提出了更高的技術(shù)要求。本文旨在為我國提供一種儲能系統(tǒng)經(jīng)受熱失控的能力以及起火爆炸的風(fēng)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(fù)的方式迫使電池?zé)崾Э氐挠行Х椒?，按照順序?qū)﹄娦緦蛹墶⒛＝M層級、單元層級、安裝層級四個部分進行測試，測試數(shù)據(jù)用來確定儲能系統(tǒng)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(shù)據(jù)匯總生成測試報告，根據(jù)報告判斷該層級的測試是否達(dá)標(biāo)。下文具體介紹了北美評價BESS熱失控火焰?zhèn)鞑サ臏y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(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(yīng)進行如下準(zhǔn)備：A.電芯在測試前需要至少進行2個周期的充放電循環(huán)確認(rèn)樣品正常。B.待測試的電池應(yīng)充電至100% SOC（State of charge），并在測試開始前穩(wěn)定至少1小時，最多8小時。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)，防止測試過程中過度膨脹。

在室內(nèi)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(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℃。電池測試采用24號或更小的K型熱電偶線形成的熱電偶結(jié)對電池的外表面溫度進行連續(xù)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(xiàn)熱失控，則應(yīng)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(yīng)力；C.使用替代熱源（如烘箱）。圖2為一個電池發(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，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試另外的3個電池樣品并達(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(nèi)迫使電池進入熱失控狀態(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技術(shù)或等效氣體分析技術(shù)，以識別具有著火或爆炸危險的碳?xì)浠衔餁怏w以及要求測量的其他附加氣體。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(jù)EN 15967[9]使用合成復(fù)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(xiàn)判定。如電芯滿足以下兩個要求，則不用繼續(xù)模組層級的測試：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。電芯符合以上標(biāo)準(zhǔn)的BESS可用于安裝在住宅中。

（2）模組層級測試。模組是BESS的一個組件，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，有或沒有保護裝置和監(jiān)控電路。

進行模組層級測試之前，測試樣品電池應(yīng)進行如下準(zhǔn)備：A.測試前，模塊樣品通過至少2個充放電循環(huán)進行調(diào)節(jié)，使用制造商指定的方法來驗證模塊的功能。每個循環(huán)應(yīng)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(jié)束電壓。B.待測試的電池充電至100% SOC，并在測試開始前穩(wěn)定至少1小時，最多8小時。模塊電壓應(yīng)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(tǒng)等電子和軟件控制。

根據(jù)2.1.2啟動熱失控的方法以啟動模塊內(nèi)的熱失控。在適當(dāng)尺寸的煙霧收集環(huán)境下測試，模組測試前后記錄重量。用來觸發(fā)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(xué)放熱率，化學(xué)放熱率的測量系統(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的排氣管道中，并測量速度和溫度，其位置應(yīng)盡量減少彎曲或排氣裝置的影響。計算各流量的化學(xué)放熱率如下：

式中：HRR1=總放熱率，作為時間的函數(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的測量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；XCO2=排氣中CO2的測量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；X0CO2=進氣中CO2的測量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；X0H2O=進氣中H2O的測量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；XO2=排氣中O2的測量摩爾分?jǐn)?shù)（無因次）；X0O2=進氣中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=進入和排出空氣的相對分子質(zhì)量（29kg/kmol）；MO2=氧氣的相對分子質(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(fēng)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(yù)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(fā)熱失控的BESS，用模組層級測試確定的方法引發(fā)熱失控，此外需要在這個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）。試驗過程中，應(yīng)控制試驗室內(nèi)環(huán)境，防止產(chǎn)生影響試驗結(jié)果的氣流。測試開始是環(huán)境溫度應(yīng)該在10℃到32℃范圍內(nèi)。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(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)大小的耗氧量熱計排煙罩的中心下方。

在測試過程中，應(yīng)使用白光光源和光電探測器測量量熱計排風(fēng)道中的光透射率，并利用式（2）、式（3）計算化學(xué)放熱率和排煙率。對流放熱速率應(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(fēng)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(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。

單元層級測試表現(xiàn)判定，滿足以下要求不需要進一步測試：A.目標(biāo)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(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）安裝層級測試。安裝層級的測試用于評估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。

可驗證噴淋系統(tǒng)的有效性來進行測試。對于2.44m或以下的BESS單元，測試應(yīng)在6.10m×6.10m×3.05m高的測試室內(nèi)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(yīng)增加到比測試中的BESS單元至少高0.61m。爆炸緩解方法應(yīng)按照制造商的規(guī)范安裝在試驗裝置中。

試驗室應(yīng)在試驗室中心安裝四個間隔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(yīng)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(jié)熱電偶。壁面溫度測量應(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K型暴露結(jié)熱電偶測量壁面溫度。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。在每一檢測面，應(yīng)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(yīng)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(yīng)位于天花板噴口處，低于天花板25mm。

如果發(fā)生以下情況則測試應(yīng)終止：A.啟動BESS的每個模塊內(nèi)測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.對測試人員或測試設(shè)施有危險的情況需要緩解。在安裝試驗結(jié)束后，對起爆裝置進行24小時觀察，確定不發(fā)生再點火。

3.結(jié)論

本文介紹了一種北美電池儲能系統(tǒng)熱失控火災(zāi)傳播評估的測試方法，該測試建立了以可重復(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?、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(chǎn)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(zāi)、爆炸的危害，是目前較為全面、系統(tǒng)的評估方法。

該方法可以為我國目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的儲能系統(tǒng)熱失控要求提供有效技術(shù)補充，并從操作層面提供詳細(xì)的技術(shù)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(xì)定義。結(jié)論方面，除測試現(xiàn)象觀察外，能夠形成完整的數(shù)據(jù)分析報告，從更專業(yè)的角度解讀儲能系統(tǒng)熱失控風(fēng)險及對應(yīng)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(zhì)量等。此外，還可以在電池系統(tǒng)層面設(shè)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(fā)生和蔓延。