如何構(gòu)建全生命周期的電池儲(chǔ)能安全系統(tǒng)

近期美國(guó)發(fā)布的《邁向2050年凈零排放的長(zhǎng)期戰(zhàn)略》明確了在2030年前，將采取變革性行動(dòng)，廣泛迅速部署低碳技術(shù)和投資基礎(chǔ)設(shè)施支持向清潔能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，并將儲(chǔ)能列為其電力系統(tǒng)靈活性技術(shù)的投資項(xiàng)目，將在近期取得里程碑式成績(jī)。

2022年4月19日，位于美國(guó)亞利桑那州鹽河變電站內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)施發(fā)生火災(zāi)并持續(xù)悶燒，事態(tài)還在進(jìn)展中。同樣在亞利桑那州，2019年4月19日發(fā)生的另一起大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)爆炸事件，美國(guó)消防協(xié)會(huì)（NFPA）于2020年7月31日通過(guò)官網(wǎng)公布其調(diào)查和工傷報(bào)告并指出：該事故很有可能是電芯內(nèi)部缺陷造成的內(nèi)部故障引起的。

如何更好地、安全地落實(shí)政府儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)政策，是我們急需考慮的。電池儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A:2019有一整套系統(tǒng)性的熱量失控、火焰?zhèn)鞑ヲ?yàn)證方法，本期，DEKRA德凱為您分析其對(duì)電芯的要求，以及在開發(fā)、設(shè)計(jì)、選材、生產(chǎn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，如何構(gòu)建全生命周期的電池儲(chǔ)能安全系統(tǒng)。

為什么需要考慮UL 9540A？

美國(guó)多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如NFPA 855:2020（固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)）、UL 9540:2020（儲(chǔ)能系統(tǒng)與設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)）、UL 1973:2022（固定和動(dòng)力輔助電源用電池安全標(biāo)準(zhǔn)）都明確電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要滿足UL 9540A，其最新版本為UL 9540A:2019。

UL 9540A:2019規(guī)范了電芯、模組、電柜和安裝四個(gè)層級(jí)的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，層層保障、級(jí)級(jí)防護(hù)。電芯層級(jí)驗(yàn)證熱失控在電芯里是否發(fā)生及其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；模組層級(jí)驗(yàn)證熱失控在模組內(nèi)是否擴(kuò)散；電柜層級(jí)驗(yàn)證熱失控在電柜間是否蔓延；安裝層級(jí)驗(yàn)證消防系統(tǒng)在火災(zāi)控制上是否有效。

UL 9540A:2019電芯層級(jí)試驗(yàn)如何進(jìn)行？

電芯層級(jí)試驗(yàn)大致分為6個(gè)步驟：電芯樣品準(zhǔn)備、熱失控觸發(fā)、氣體收集、氣體分析、氣體配制、氣體危險(xiǎn)等級(jí)界定。

1. 電芯樣品準(zhǔn)備：

電芯按照制造商指定的方法，在最高工作環(huán)境溫度下，進(jìn)行至少2次充放電循環(huán)，達(dá)到100%SOC并靜置1到8小時(shí)。

2. 熱失控觸發(fā)：

1）加熱方法：通過(guò)使用外部應(yīng)用的柔性薄膜加熱器對(duì)電芯進(jìn)行加熱，該加熱器應(yīng)盡可能覆蓋電芯外殼，但不用覆蓋安全裝置或端子，以便對(duì)電芯內(nèi)部的電極組件進(jìn)行持續(xù)加熱。加熱器對(duì)電芯表面的加熱速率要求為每分鐘4至7°C；如未能成功熱失控，可考慮以下方法：

a）機(jī)械（如針刺）；b）過(guò)充電、過(guò)放電或外部短路等；c）使用備用熱源（如烤箱）。

2）判定方法：當(dāng)電芯表面溫度變化速率超過(guò)外部熱源的變化速率時(shí)；

3）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：電芯表面溫度、氣體釋放時(shí)電芯表面溫度、熱失控起始溫度；

4）停止條件：最大表面溫度終止條件取決于對(duì)電芯設(shè)計(jì)和化學(xué)性能的評(píng)價(jià)。

3. 氣體收集：

使用合適的壓力容器（如82升）收集熱失控產(chǎn)生的氣體，試驗(yàn)應(yīng)在初始大氣壓和小于1%的氧氣含量下進(jìn)行。

4. 氣體分析：

氣體成分應(yīng)采用氣相色譜法（GC）和氣體成分定量檢測(cè)技術(shù)（或等效氣體分析技術(shù)），來(lái)確定代表著火或爆炸危險(xiǎn)的碳?xì)浠衔餁怏w以及其它需要測(cè)量的額外氣體。

5. 氣體配制：

根據(jù)以上氣體分析的結(jié)果，配制相同成分構(gòu)成的混合氣體。

6. 氣體危險(xiǎn)等級(jí)界定：

對(duì)以上混合氣體進(jìn)行驗(yàn)證、定級(jí)，包括：

1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E918:2020 《確定化學(xué)物質(zhì)在高溫和高壓下的可燃性極限常規(guī)做法》，在環(huán)境溫度和電芯泄放溫度下，確定氣體的最低可燃性極限；

2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 817:2014+A1:2017的附錄C《可燃?xì)怏w燃燒速度測(cè)量試驗(yàn)方法》，確定氣體燃燒速度；

3）根據(jù)EN 15967:2022的條款4.4.2.4 《測(cè)定最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率》，確定氣體最大爆炸壓力Pmax。

UL 9540A有什么特別注意事項(xiàng)？

DEKRA德凱電池儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目專家表示：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了熱失控觸發(fā)的加熱速率，需要很好的把控；收集氣體的壓力容器，需要填充一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的惰性氣體；對(duì)氣體危險(xiǎn)等級(jí)界定，需要專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備和人員能力，我們?cè)诿绹?guó)和中國(guó)配備了這些能力，位于美國(guó)新澤西州的普林斯頓實(shí)驗(yàn)室為來(lái)自全球各大電池制造商提供過(guò)數(shù)以千計(jì)的該類測(cè)試。