HJC黄金城

选取了硬壳三元锂离子电池，开展热失控实证实验，探究其发生热失控的机理、火灾蔓延规律及热失控产生的热量。

采用BTS-20V200A电池充放电装置，最大输出电压20V，最大输出电流200A，功率4kW。

电池单体燃烧实验采用英国FTT公司研发的火灾热释放速率测试装置，该装置可实现燃烧烟气自动采集分析，可获得燃烧增长速率指数，总热释放量，烟气生成速率指数，总产烟量等指标随时间变化的曲线以及多种燃烧产生气体在线分析。

       实验布置如图1所示，在加热板上放置被测电池单体，用夹板将电池和加热板夹紧，在电池单体上下表面分别布置2个热电偶用于监测电池表面温度，同时在电池正负极连接电压监测装置。本文所采用的电池单体均为满充状态，即SOC为100%。通过加热方式触发电池单体热失控，采用最大功率为600W的加热板以5~7℃/min的温升速率对电池进行加热。实验全程对热失控发展进行视频记录和数据采集。

图1 热失控实验

        为揭示电池单体热释放特性，在单体燃烧实验装置内(图2)进行量热实验，测定电池单体的热释放速率及总热值。电池采用上述热失控实验方法进行加热，直至完全热失控并发生火灾。

图2 量热实验

图3 热扩展实验

图4 热失控实验

      实验过程中电池表面温度曲线如图5所示，电池电压曲线如图6所示。硬壳三元锂离子电池被加热到一定温度后，安全阀会开启，并释放气体及少量电解液，继续加热，电池发生热失控释放出大量气体，同时电池表面温度急剧上升，电池表面温度会高达670 ℃，电池电压瞬间降低为0 V，随后伴随着剧烈燃烧、爆燃，且会形成持续的喷射火，直至可燃物燃烧殆尽。

通过加热电池单体，直至热失控、燃烧、熄灭。实验过程中对燃烧阶段的气体、热释放速率和总热值进行测量。典型气体变化如图7所示。

结果显示三元锂离子电池在热失控时内部会发生一系列放热反应，释放出大量可燃气体，可燃气体燃烧产生一氧化碳、二氧化碳并消耗氧气，在电池单体喷射火焰瞬间，单体燃烧实验装置管道内氧气浓度下降至17.8%，同时二氧化碳浓度上升至2.2%，一氧化碳浓度上升至0.09%。热释放速率、总热值随时间的变化如图8所示，发现最大热释放速率为280kW，整个热失控过程共计释放热量约22MJ。

图7 量热实验气体浓度曲线

电池模组热扩展实验

随着能源消费结构转型升级、大力发展可再生能源政策的深入，以储能技术与系统为核心的现代智能电网体系的建设与规划日渐引起重视。储能系统是以锂离子电池为基础的，锂离子电池是含能物质，具有发生火灾或爆炸的危险本质，特别是在密闭空间，一旦某一储能单元发生火灾，将会引起相邻多台储能单元的连锁火灾反应甚至箱体爆炸，火灾荷载大、危险性高且难于扑救。

以锂离子电池为基础的储能系统的安全问题越来越受到社会各界关注，尤其近几年国内外发生的储能电站起火爆炸事故，更是将锂离子电池储能系统的安全问题推向了舆论风口。锂离子电池火灾与普通建筑火灾有较大的区别，其作为能量聚集体，在热失控发生后容易引发周围电池发生连锁燃烧、爆炸反应。

本文中，作者使用FTT单体燃烧实验装置（SBI）测试了一块由4个电池单体组成的电池模组的失控火灾特性，其测试等级属于UL 9540A规范中的模组等级。而在UL 9540A规范中，电池储能系统的热失控火焰蔓延评估被划分了四个测试等级，分别为电芯等级、模组等级、单元等级、安装等级。每种等级根据其试样的大小和预估热释放程度，使用不同的测试设备。

“UL 9540A电池储能系统热失控火焰蔓延评估测试方法”是国际上被公认的能够解决储能系统消防安全隐患的有效途径，受到相关部门的广泛认可。美国权威的行业规范，如《美国电工法》（706章节）、《美国住宅规范》（R327章节）、《美国国际防火规范》（储能章节）和美国国家消防局的NFPA855标准等都对储能系统提出了UL9540A列名的要求。