储能系统热失控蔓延测试解析 <质者见质>

德国莱茵tuv 储能系统热失控蔓延测试解析 <质者见质>
2020年11月30日 | 能源技术

 

9月底在深圳举办的2020中国国际储能大会圆满结束,其中由TÜV 莱茵举办的“储能安全专场“分论坛,现场高朋满座,获得储能相关企业从业者的高度认可和强烈共鸣。这些前沿技术和实践经验的分享,有助于业界提升风险把控能力,保障储能系统安全。但有不少学员反映,因有事错过之前精彩演讲,现在就带大家来回顾当天精华内容。

近年来,储能的应用越来越广泛。随着更多储能产品投入运行,火灾和爆炸事故的发生也更加频繁,储能安全问题引发越来越多人的关注。据报道,韩国在过去几年内发生了29起储能电站火灾事故,导致韩国储能行业近来几乎处于停滞状态。近期,美国亚利桑那州一座储能电站起火,造成四名消防员受伤,也为储能行业的发展蒙上了阴影。国内方面,虽然储能电站应用处于初期阶段,但已发生的几起火灾同样引起人们对产业发展的担忧。

导致储能电站起火的原因很多,包括电池、电气设备本身的质量问题,也包括系统保护措施设计的不完备,PCS和BMS以及EMS等系统之间的控制及保护功能协调性差等,施工过程中出现的质量问题、运行和维护管理不当等均也是储能电站起火的原因。针对储能系统的起火、爆炸等事故发生的原因,电池本身的热失控,以及电池模块和系统的热失控扩散,是行业目前关注的焦点。

 

何为热失控?

根据UL 1973: 2019/ UL 9540A 的标准提到,“一种电化学电池以不可控制的方式通过自加热升高其温度的事件。当电池产生的热量高于它可以消散的热量时,则会产生热失控。 “

 

电池安全,储能系统首要关注问题

锂离子电池的优点很多,但有一个致命的缺点,从电化学的角度看,锂离子电池本质上是不安全。一旦有制程上或使用、设计上的缺陷,容易导致热失控。而热失控时排出的气体是易燃的,容易引起起火爆炸。

电动汽车,特别是储能电站会使用大量的单体锂离子电池。如果设计上没有防止热蔓延的措施,没有防火设计就可能导致火灾事故,后果非常严重。

 

美国消防法规解读

目前美国采用的消防法规,一个是IFC,另一个则是NFPA1。这两个法规在2018年改版时率先提出对储能系统安装的要求。2019年8月,NFPA发布了一个专门针对储能系统安装的标准NFPA855,主要内容也是引用了上面两个法规的要求。今年2月份发布的UL-9540储能安全标准2020版也依照法规把系统的安装要求加到标准中。

储能系统的安装要求主要有两点:一是对系统的容量做了限制,不论是单个簇还是整个系统容量。二是对系统安装的距离,储能系统之间,或者周边的可燃物之间的距离要求。

左图是对住宅区的要求,右图是对非住宅区的要求。可以看出限制非常严格,对安装会造成很大的障碍。但标准也给出了豁免的条件,通过大规模燃烧测试进行评估,就能避开这些安装的限制。大规模燃烧测试所引用的标准就是UL-9540A。根据测试的数据,当地监管部门可以对储能系统进行评估,决定能否安装UL-9540A不管从严格度和完整性来说,都是目前相关标准中最严格的,标准对热失控排放的气体会进行检测,而其他标准都没有对排放气体检测的要求。测试的数据,最主要是提供给当地的建筑消防监管部门,除此之外,相关的权益人如银行、业主也会要求提供。

UL9540A将测试分成为4个级别,电芯级,模组级,系统级以及安装级,每个级别测试按顺序相互关联,从原理上验证电池的安全性。

 

电芯级别测试

电芯级测试是UL9540A测试体系的基础,获得的数据直接决定后续模组级、系统级以及安装级别的测试方法和结果判定。其测试方法简要概括为对电芯表面进行加热,使其表面温度按一定速率升至标准要求值,升温的速率和目标温度必须保持在标准严格的偏差范围内。记录电芯此过程中发生排气及热失控时刻的温度,为后续试验提供测试依据。

对电芯排放气体进行收集,分析测试气体成分。对电芯排放气体的燃烧下限、燃烧速率、最大爆炸压力等指标进行检测。

 

模组级别测试

模组级别测试是把模组里的一个或者几个电芯进行加热,触发热模组电芯的热失控和热蔓延。检验模组是否能将热失控控制在模组内部,监控模组内的温度,检测模组排放气体的热释放率、烟雾释放速率以及气体成分。

使用耗氧法量热系统测量总化学热释放速率

 

单元级别测试

如上图所示,单元级别测试按照不同的安装方式和使用环境采用不同的测试方法。测试的设定完全模拟实际的安装方式,考核模组与模组之间,单元与单元之间,单元与建筑物之间的热失控影响,考察对周边人员的伤害。检测模组排放气体的热释放率、烟雾释放速率以及气体成分。

 

安装级别测试

安装级别测试主要是判断在Unit级别测试中无法满足要求的情况下,安装场所的消防措施能否确保在火灾发生情况下整个储能系统的安全。先后采用标准的喷淋和系统自带的消防措施两种方式进行检验。

作为全球领先的专业检测认证机构,TÜV莱茵的标准与服务全面覆盖了能源产业的所有产业链,在光伏、锂电池、燃料电池、储能系统、充电设备等能源细分领域,针对具体产品的品质、规范和标准拥有专业的经验和行业认知,能有效地将海外的先进经验运用到国内的实际案例中,为企业提供衔接上中下游、多领域的一站式服务。如想了解更多热失控蔓延失控分析,欢迎与我们联系。

 

质者信息

陈思聪

TÜV莱茵大中华区 太阳能与商业产品服务 实验室经理

拥有16年的电子产品检测和认证经验,2013年开始涉入储能及电池领域的检测和认证。

评论

还没有任何评论,你来说两句吧

发表评论