北美电池储能系统热失控评估方法的解析及对我国的参考

＊符静 王黎 齐鑫 余昭胜

（1.通标标准技术服务有限公司 广东 510000 2.广州汇锦能效科技有限公司 广东 511455 3.华南理工大学电力学院 广东 510641）

能源是社会活动、经济发展和城市运转的基础。寻找具有成本效益和可持续的能源储存、转换系统至关重要。在新能源发电作为主力的电力系统中，电化学储能将变成一个技术性需求：平抑电力系统波动。在2022年投运的新型储能系统中，锂电池占比超90%[1]。随着全球新能源汽车市场蓬勃发展，我国电动汽车行业在迅猛发展，据统计，2022年我国电动汽车的销量为688.7万辆[2]。生活电动化的趋势不断提高，电池储能成为了能源碳中和不可或缺的拼图。

然而，电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）也存在一些安全焦虑：如剧烈的热释放、剧烈的烟雾释放、可燃气体的聚集[3]。据不完全统计，全球各地已发生过多起电化学储能电站事故[4]。在大多数BESS事故中，很多原因都与电池的热失控有直接联系。热失控是指当电化学电池以一种不可控的方式自热而升高温度时发生的事件[5]。因此，为了提高BESS的安全性和性能，减轻对热失控的担忧，许多国际组织和委员会制定并颁布了一定的权威测试规范来评估电池的安全性[5]。但各国的评估标准各异，我国的现行标准GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》对电池单体、电池模块提出热失控及热失控扩散的要求，但测试方法较为笼统，热失控方式单一，评估仅要求模块不发生热失控扩散、起火、爆炸。为保证储能电池系统的质量和安全应该对我国电池厂商提出更高的测试要求。北美最大的安全标准制定机构——美国保险商实验室（UL）发布的储能系统安全标准UL 9540A[6]，用于评估电池储能系统经受热失控的能力，以及起火爆炸的风险。标准详细定义了储能电池大规模火烧测试的试验方法，对有代表性的储能系统进行测试，诱发被测设备发生严重火灾，并评估火灾是否会蔓延到邻近的储能系统单元、周边设备，或通过邻近的防火等级屏障，以具体测试数据来确定储能系统的安全安装及起火爆炸防护要求。

为健全我国的储能电池测试规范提供参考，本文基于北美标准UL 9540A介绍了一种电池储能系统热失控火灾传播评估的试验方法，分析了该方法对我国目前现行标准中的储能系统热失控要求的有效技术补充，对电池厂家提出了更高的技术要求。本文旨在为我国提供一种储能系统经受热失控的能力以及起火爆炸的风险评估方法的参考。

1.测试装置及流程

BESS测试包括四个部分：电芯层级、模组层级、单元层级、安装层级。图1为BESS测试流程图。

图1 测试流程

该测试建立了以可重复的方式迫使电池热失控的有效方法，按照顺序对电芯层级、模组层级、单元层级、安装层级四个部分进行测试，测试数据用来确定储能系统的安全安装和起火爆炸保护，减少消防安全顾虑。每一层级的测试数据汇总生成测试报告，根据报告判断该层级的测试是否达标。下文具体介绍了北美评价BESS热失控火焰传播的测试方法。

2.测试方法

（1）电芯层级测试。电芯是包含基本功能的电化学单元，包含电极、电解液、分离器、容器和终端的组件，是一种通过直接转换化学能而产生电能的能源。下面介绍了对电芯层级的测试方法。

①热失控测试方法。进行电芯层级测试前，测试样品应进行如下准备：A.电芯在测试前需要至少进行2个周期的充放电循环确认样品正常。B.待测试的电池应充电至100% SOC（State of charge），并在测试开始前稳定至少1小时，最多8小时。C.具有柔性层压外壳的电芯应安装夹具模拟在BESS终端的状态，防止测试过程中过度膨胀。

在室内实验室为25℃±5℃和50%±25% RH的条件下，通过在电池外壳使用柔性薄膜加热器加热电池，测试电池是否能现出热失控的倾向。使加热器尽可能覆盖电池外壳，而不覆盖安全功能或端子，以保持电池内部电极组件的一致加热。设置电池样品的表面加热速率为每分钟4℃至7℃。电池测试采用24号或更小的K型热电偶线形成的热电偶结对电池的外表面温度进行连续测量。

由电池表面温度的变化率超过外部施加的热输入的变化率来确定热失控的开始，并记录热失控开始时的温度，在电池外壳上测得的最终保持温度称为最大表面温度终点。如果电池样品没有实现热失控，则应采用以下方法之一来引起热失控：A.机械方式，如穿刺；B.过充、过放或外部短路形式的电气应力；C.使用替代热源（如烘箱）。图2为一个电池发生热失控的温度曲线示例。

图2 热失控温度曲线的说明性例子

如果在电池排气过程中有短暂的温度下降，则可能需要增加热量输入以使其回到加热速率范围。当如图2所示温度迅速升高时，无论选择何种应力方法，都认为已经发生了热失控，而不是排气导致的简单过热。如果电池表现出热失控行为，则使用相同的方法测试另外的3个电池样品并达到热失控，以证明可重复性。排气口温度和热失控开始温度应在测试样品上取平均值（不包括气体排气口捕获样品），此平均温度应用于确定本方法其他测试等级的温度限值。

②电池排气成分测试。使用上述方法，从大气压和氧气体积小于1%的初始条件下开始，在可容纳电池的压力容器内迫使电池进入热失控状态，并捕获电池排气。使用气相色谱法确定排气气体的组成，并使用定量成分气体检测技术或等效气体分析技术，以识别具有着火或爆炸危险的碳氢化合物气体以及要求测量的其他附加气体。根据ASTM E918[7]，在环境温度和电池排气温度下测试合成复制气体混合物的样品，确定电池排气的可燃性下限（200℃以上）。根据ISO 817[8]附录中可燃气体燃烧速度测量测试方法，使用合成的混合气体来测定气体燃烧速率（大于23cm/s）。根据EN 15967[9]使用合成复制气体混合物来测定最大爆炸压力的限值Pmax。

③电芯层级测试表现判定。如电芯满足以下两个要求，则不用继续模组层级的测试：A.电芯不能诱发热失控；B.常温和泄气温度下，电芯排泄气体和任意体积空气混合均没有燃烧风险。电芯符合以上标准的BESS可用于安装在住宅中。

（2）模组层级测试。模组是BESS的一个组件，由一组电池或电化学电容器组成，以串联和/或并联的方式连接在一起，有或没有保护装置和监控电路。

进行模组层级测试之前，测试样品电池应进行如下准备：A.测试前，模块样品通过至少2个充放电循环进行调节，使用制造商指定的方法来验证模块的功能。每个循环应定义为充电至100% SOC，并允许休息最多8小时，然后放电到模块制造商指定的放电结束电压。B.待测试的电池充电至100% SOC，并在测试开始前稳定至少1小时，最多8小时。模块电压应在充电至完全充电后和开始测试前在模块端子处测量确定。C.本次测试不依赖于电池管理系统等电子和软件控制。

根据2.1.2启动热失控的方法以启动模块内的热失控。在适当尺寸的烟雾收集环境下测试，模组测试前后记录重量。用来触发热失控的电芯可以是一个也可以是多个，视电芯容量而定。在试验期间测量化学放热率，化学放热率的测量系统应由顺磁氧分析仪、非色散红外CO2和CO分析仪、速度探头和K型热电偶组成。该仪器应位于热释放率量热计的排气管道中，并测量速度和温度，其位置应尽量减少弯曲或排气装置的影响。计算各流量的化学放热率如下：

式中：HRR1=总放热率，作为时间的函数（kW）；E=每单位耗氧完全燃烧释放的净热量（根据细胞化学中含氧调整，13100kJ/kg）；ECO=CO完全燃烧时每单位耗氧所释放的净热量（根据细胞化学中含氧调整，17600kJ/kg）；XCO=排气中CO的测量摩尔分数（无因次）；XCO2=排气中CO2的测量摩尔分数（无因次）；X0CO2=进气中CO2的测量摩尔分数（无因次）；X0H2O=进气中H2O的测量摩尔分数（无因次）；XO2=排气中O2的测量摩尔分数（无因次）；X0O2=进气中O2的摩尔分数（无因次）；α=燃烧膨胀系数（无因次，通常值为1.105）；Ma=进入和排出空气的相对分子质量（29kg/kmol）；MO2=氧气的相对分子质量（32kg/kmol）；m·e=排气管的质量流量(kg/s)；φ=耗氧因子（无量程）。

测试过程中，使用白光光源和光电探测器测量热释放率量热计排风管中的透光率，计算出排烟率：

式中：SRR=排烟率（m2/s）；V=容积排气管流量（m3/s）；D=管道直径（m）；Io=预测试光束传输信号（V）；I=测试时传输信号（V）。

（3）单元层级测试。单元层级的测试需要一个触发热失控的BESS，用模组层级测试确定的方法引发热失控，此外需要在这个BESS相邻处放置目标BESS模拟最终安装环境。以室内地板安装的BESS装置为例（图3）。试验过程中，应控制试验室内环境，防止产生影响试验结果的气流。测试开始是环境温度应该在10℃到32℃范围内。检测墙用16mm石膏板覆盖墙面，并涂成黑色。检测墙在水平方向应当至少超出目标BESS0.49m，在垂直方向应当至少超出目标BESS高度0.61m，但是距离目标BESS的底面不能少于3.66m。触发BESS应位于适当大小的耗氧量热计排烟罩的中心下方。

在测试过程中，应使用白光光源和光电探测器测量量热计排风道中的光透射率，并利用式（2）、式（3）计算化学放热率和排烟率。对流放热速率应该使用位于排气系统排气管道中的热电堆、速度探针和K型热电偶来测量。对流放热率的计算公式为：

式中：HRRc=对流放热率（kW）；Ve=排气速度（m/s）；A=排风管截面积（m2）；Te=测量排气速度处的温度（K）；353.22/Te=测速处空气密度（kg/m3）；To=测试室内环境温度（K）；T=热电堆温度（K）。

式中：Cp=空气比热(kJ/(kg·K))，设，其中A0=0.9950；A1=-5.29933×10-5；A2=3.21022×10-7；A3=-1.22004×10-10。

单元层级测试表现判定，满足以下要求不需要进一步测试：A.目标BESS的温度小于电芯排气时的表面温度，并满足热通量限制；B.目标墙壁的温升小于97℃；C.产品没有爆炸现象；D.火没有蔓延到触发BESS的外部；E.疏散通道中心处的热流不能超过1.3kW/m2。

（4）安装层级测试。安装层级的测试用于评估BESS在其预定安装中减少火灾和爆炸方法的有效性，不适用于住宅使用的BESS。

可验证喷淋系统的有效性来进行测试。对于2.44m或以下的BESS单元，测试应在6.10m×6.10m×3.05m高的测试室内进行，带有一个开放的1.22m×2.13m高的门或制造商指定的安装配置的房间。对于高于2.44m的BESS单元，天花板高度应增加到比测试中的BESS单元至少高0.61m。爆炸缓解方法应按照制造商的规范安装在试验装置中。

试验室应在试验室中心安装四个间隔3.05m的洒水装置。喷头应采用标准喷雾，标准响应温度为93℃，k系数为5.6，喷水密度为12.22L/m2/min。如果安装规范中注明了其他密度、额定值和k系数的喷头的不同规格，则应按这些规格进行安装试验，如图4所示。

图4 洒水装置有效性测试的安排实例

在BESS单元正上方的天花板位置，温度测量应由位于天花板以下25mm和152mm间隔的热电偶阵列进行收集，使用24号K型暴露结热电偶。壁面温度测量应在垂直阵列中收集，间隔152mm，在壁面截面的全高度，使用24号K型暴露结热电偶测量壁面温度。热电偶应安装在预期从初始BESS单元接收到最大热暴露的墙上位置。用于墙体表面温度测量的热电偶应通过放置在电线绝缘部分上的钉书钉固定在石膏表面。在每一检测面，应使用至少两个水冷式仪表的传感元件测量热流。BESS单元排气气体的成分应使用傅里叶变换红外光谱仪测量，其最小分辨率为1cm-1，路径长度至少为2.0m，总烃分析仪和氢分析仪。气体成分取样口应位于天花板喷口处，低于天花板25mm。

如果发生以下情况则测试应终止：A.启动BESS的每个模块内测量的温度返回到电池排气温度以下；B.火灾传播到相邻单元或相邻的墙壁；C.对测试人员或测试设施有危险的情况需要缓解。在安装试验结束后，对起爆装置进行24小时观察，确定不发生再点火。

3.结论

本文介绍了一种北美电池储能系统热失控火灾传播评估的测试方法，该测试建立了以可重复的方式迫使电池热失控的有效方法，按照顺序对电芯层级、模组层级、单元层级、安装层级四个部分进行了测试，通过测试热失控下产生的各种气体的浓度以及燃烧速率、爆炸压力等来评估火灾、爆炸的危害，是目前较为全面、系统的评估方法。

该方法可以为我国目前现行标准中的储能系统热失控要求提供有效技术补充，并从操作层面提供详细的技术支撑，从热失控的测试方法、评估样品等级（电芯、模组、单元、安装）、评估高危要素等方面做出了详细定义。结论方面，除测试现象观察外，能够形成完整的数据分析报告，从更专业的角度解读储能系统热失控风险及对应的防护要求。除了这些测试方案外，还可以在提高BESS本身固有安全性方面做更多的尝试，比如使用更安全的材料，提高制备过程的质量等。此外，还可以在电池系统层面设计许多保护措施，采用更有效的散热和隔热方法，抑制热失控事件的发生和蔓延。