如何构建全生命周期的电池储能安全系统

近期美国发布的《迈向2050年净零排放的长期战略》明确了在2030年前，将采取变革性行动，广泛迅速部署低碳技术和投资基础设施支持向清洁能源经济转型，并将储能列为其电力系统灵活性技术的投资项目，将在近期取得里程碑式成绩。

2022年4月19日，位于美国亚利桑那州盐河变电站内的储能设施发生火灾并持续闷烧，事态还在进展中。同样在亚利桑那州，2019年4月19日发生的另一起大型电池储能系统爆炸事件，美国消防协会（NFPA）于2020年7月31日通过官网公布其调查和工伤报告并指出：该事故很有可能是电芯内部缺陷造成的内部故障引起的。

如何更好地、安全地落实政府储能系统建设政策，是我们急需考虑的。电池储能标准UL 9540A:2019有一整套系统性的热量失控、火焰传播验证方法，本期，DEKRA德凯为您分析其对电芯的要求，以及在开发、设计、选材、生产电池储能系统时，如何构建全生命周期的电池储能安全系统。

为什么需要考虑UL 9540A？

美国多个储能系统标准，如NFPA 855:2020（固定式储能系统安装标准）、UL 9540:2020（储能系统与设备安全标准）、UL 1973:2022（固定和动力辅助电源用电池安全标准）都明确电池储能系统需要满足UL 9540A，其最新版本为UL 9540A:2019。

UL 9540A:2019规范了电芯、模组、电柜和安装四个层级的技术要求和试验方法，层层保障、级级防护。电芯层级验证热失控在电芯里是否发生及其风险等级；模组层级验证热失控在模组内是否扩散；电柜层级验证热失控在电柜间是否蔓延；安装层级验证消防系统在火灾控制上是否有效。

UL 9540A:2019电芯层级试验如何进行？

电芯层级试验大致分为6个步骤：电芯样品准备、热失控触发、气体收集、气体分析、气体配制、气体危险等级界定。

1. 电芯样品准备：

电芯按照制造商指定的方法，在最高工作环境温度下，进行至少2次充放电循环，达到100%SOC并静置1到8小时。

2. 热失控触发：

1）加热方法：通过使用外部应用的柔性薄膜加热器对电芯进行加热，该加热器应尽可能覆盖电芯外壳，但不用覆盖安全装置或端子，以便对电芯内部的电极组件进行持续加热。加热器对电芯表面的加热速率要求为每分钟4至7°C；如未能成功热失控，可考虑以下方法：

a）机械（如针刺）；b）过充电、过放电或外部短路等；c）使用备用热源（如烤箱）。

2）判定方法：当电芯表面温度变化速率超过外部热源的变化速率时；

3）监测项目：电芯表面温度、气体释放时电芯表面温度、热失控起始温度；

4）停止条件：最大表面温度终止条件取决于对电芯设计和化学性能的评价。

3. 气体收集：

使用合适的压力容器（如82升）收集热失控产生的气体，试验应在初始大气压和小于1%的氧气含量下进行。

4. 气体分析：

气体成分应采用气相色谱法（GC）和气体成分定量检测技术（或等效气体分析技术），来确定代表着火或爆炸危险的碳氢化合物气体以及其它需要测量的额外气体。

5. 气体配制：

根据以上气体分析的结果，配制相同成分构成的混合气体。

6. 气体危险等级界定：

对以上混合气体进行验证、定级，包括：

1）根据标准ASTM E918:2020 《确定化学物质在高温和高压下的可燃性极限常规做法》，在环境温度和电芯泄放温度下，确定气体的最低可燃性极限；

2）根据标准ISO 817:2014+A1:2017的附录C《可燃气体燃烧速度测量试验方法》，确定气体燃烧速度；

3）根据EN 15967:2022的条款4.4.2.4 《测定最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率》，确定气体最大爆炸压力Pmax。

UL 9540A有什么特别注意事项？

DEKRA德凯电池储能系统项目专家表示：该标准规范了热失控触发的加热速率，需要很好的把控；收集气体的压力容器，需要填充一个标准大气压的惰性气体；对气体危险等级界定，需要专业的检测设备和人员能力，我们在美国和中国配备了这些能力，位于美国新泽西州的普林斯顿实验室为来自全球各大电池制造商提供过数以千计的该类测试。

审核编辑：彭菁