如何構(gòu)建全生命周期的電池儲能安全系統(tǒng)

近期美國發(fā)布的《邁向2050年凈零排放的長期戰(zhàn)略》明確了在2030年前，將采取變革性行動，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)濟轉(zhuǎn)型，并將儲能列為其電力系統(tǒng)靈活性技術(shù)的投資項目，將在近期取得里程碑式成績。

2022年4月19日，位于美國亞利桑那州鹽河變電站內(nèi)的儲能設(shè)施發(fā)生火災(zāi)并持續(xù)悶燒，事態(tài)還在進展中。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能系統(tǒng)爆炸事件，美國消防協(xié)會（NFPA）于2020年7月31日通過官網(wǎng)公布其調(diào)查和工傷報告并指出：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、安全地落實政府儲能系統(tǒng)建設(shè)政策，是我們急需考慮的。電池儲能標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A:2019有一整套系統(tǒng)性的熱量失控、火焰?zhèn)鞑ヲ炞C方法，本期，DEKRA德凱為您分析其對電芯的要求，以及在開發(fā)、設(shè)計、選材、生產(chǎn)電池儲能系統(tǒng)時，如何構(gòu)建全生命周期的電池儲能安全系統(tǒng)。

為什么需要考慮UL 9540A？

美國多個儲能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如NFPA 855:2020（固定式儲能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)）、UL 9540:2020（儲能系統(tǒng)與設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)）、UL 1973:2022（固定和動力輔助電源用電池安全標(biāo)準(zhǔn)）都明確電池儲能系統(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、電柜和安裝四個層級的技術(shù)要求和試驗方法，層層保障、級級防護。電芯層級驗證熱失控在電芯里是否發(fā)生及其風(fēng)險等級；模組層級驗證熱失控在模組內(nèi)是否擴散；電柜層級驗證熱失控在電柜間是否蔓延；安裝層級驗證消防系統(tǒng)在火災(zāi)控制上是否有效。

UL 9540A:2019電芯層級試驗如何進行？

電芯層級試驗大致分為6個步驟：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、氣體危險等級界定。

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，進行至少2次充放電循環(huán)，達到100%SOC并靜置1到8小時。

2. 熱失控觸發(fā)：

1）加熱方法：通過使用外部應(yīng)用的柔性薄膜加熱器對電芯進行加熱，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，以便對電芯內(nèi)部的電極組件進行持續(xù)加熱。加熱器對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）機械（如針刺）；b）過充電、過放電或外部短路等；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外部熱源的變化速率時；

3）監(jiān)測項目：電芯表面溫度、氣體釋放時電芯表面溫度、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電芯設(shè)計和化學(xué)性能的評價。

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，試驗應(yīng)在初始大氣壓和小于1%的氧氣含量下進行。

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技術(shù)（或等效氣體分析技術(shù)），來確定代表著火或爆炸危險的碳氫化合物氣體以及其它需要測量的額外氣體。

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. 氣體危險等級界定：

對以上混合氣體進行驗證、定級，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《可燃氣體燃燒速度測量試驗方法》，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？

DEKRA德凱電池儲能系統(tǒng)項目專家表示：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，需要填充一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的惰性氣體；對氣體危險等級界定，需要專業(yè)的檢測設(shè)備和人員能力，我們在美國和中國配備了這些能力，位于美國新澤西州的普林斯頓實驗室為來自全球各大電池制造商提供過數(shù)以千計的該類測試。