Phương pháp thử nghiệm UL 9540A: Đánh giá an toàn cho hệ thống lưu trữ năng lượng pin

UL 9540A là gì?

UL 9540A là tiêu chuẩn thử nghiệm được thiết kế để đánh giá khả năng lan truyền cháy do "thermal runaway" trong các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin. Phương pháp này giúp xác định các đặc tính cháy của BESS khi xảy ra "thermal runaway", cung cấp dữ liệu quan trọng để xác định các biện pháp bảo vệ cần thiết cho việc lắp đặt và vận hành hệ thống.

Các cấp độ thử nghiệm trong UL 9540A

Phương pháp thử nghiệm UL 9540A bao gồm bốn cấp độ:

1. Thử nghiệm cấp độ tế bào (Cell Level Test): Đánh giá phản ứng của một tế bào pin đơn lẻ khi xảy ra "thermal runaway". Dữ liệu thu được bao gồm thành phần và khối lượng khí sinh ra, nhiệt độ bề mặt tại thời điểm thoát khí và khi bắt đầu "thermal runaway".

2. Thử nghiệm cấp độ mô-đun (Module Level Test): Đánh giá khả năng lan truyền "thermal runaway" giữa các tế bào pin trong một mô-đun. Các thông số được đo lường bao gồm tốc độ phát nhiệt hóa học, tốc độ phát khói, thành phần và khối lượng khí sinh ra.

3. Thử nghiệm cấp độ đơn vị (Unit Level Test): Đánh giá phản ứng của một đơn vị BESS hoàn chỉnh khi xảy ra "thermal runaway". Thử nghiệm này giúp xác định xem ngọn lửa có lan ra ngoài đơn vị BESS hay không và nhiệt độ bề mặt của các đơn vị BESS lân cận.

4. Thử nghiệm cấp độ lắp đặt (Installation Level Test): Đánh giá hiệu quả của các biện pháp giảm thiểu cháy nổ, như hệ thống phun nước, trong môi trường lắp đặt thực tế. Thử nghiệm này không áp dụng cho các hệ thống BESS sử dụng trong gia đình.

Tầm quan trọng của UL 9540A

Kết quả từ các thử nghiệm UL 9540A cung cấp thông tin quan trọng cho việc:

• Hướng dẫn lắp đặt: Đảm bảo hệ thống BESS được lắp đặt đúng cách, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.

• Yêu cầu thông gió: Xác định các yêu cầu thông gió phù hợp để ngăn chặn tích tụ khí dễ cháy.

• Hiệu quả của hệ thống phòng cháy chữa cháy: Đánh giá khả năng của các biện pháp phòng cháy chữa cháy trong việc kiểm soát và dập tắt đám cháy liên quan đến BESS.

• Chiến lược ứng phó của lực lượng cứu hỏa: Cung cấp dữ liệu để xây dựng chiến lược ứng phó hiệu quả khi xảy ra sự cố liên quan đến BESS.

Việc tuân thủ và thực hiện các thử nghiệm theo tiêu chuẩn UL 9540A không chỉ đảm bảo an toàn cho người sử dụng mà còn đáp ứng các yêu cầu của các cơ quan quản lý và tiêu chuẩn quốc tế. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin ngày càng phổ biến trong cả ứng dụng dân dụng và công nghiệp.

Thử nghiệm cấp độ tế bào (Cell Level Test) trong UL 9540A

Thử nghiệm cấp độ tế bào là bước đầu tiên trong phương pháp thử nghiệm UL 9540A, giúp đánh giá phản ứng của một tế bào pin đơn lẻ khi xảy ra hiện tượng "thermal runaway" (sự cố quá nhiệt dẫn đến cháy nổ).

Mục tiêu của thử nghiệm cấp độ tế bào:

Xác định điều kiện kích hoạt "thermal runaway".
Đo lường lượng nhiệt sinh ra và tốc độ lan truyền.
Đánh giá thành phần khí phát thải và nguy cơ cháy nổ.

Quy trình thực hiện thử nghiệm:

1. Chuẩn bị mẫu thử

   • Sử dụng một tế bào pin đơn lẻ (pin lithium-ion, pin thể rắn hoặc loại khác).
   • Đặt tế bào pin vào một buồng thử nghiệm được kiểm soát.

2. Kích hoạt "thermal runaway"

   • Gia nhiệt bằng điện trở: Tăng nhiệt độ tế bào bằng bộ gia nhiệt ngoài.
   • Quá tải điện: Sử dụng dòng điện cao hơn mức danh định để gây quá tải.
   • Chọc thủng cơ học: Dùng vật sắc nhọn để đâm xuyên tế bào, mô phỏng hỏng hóc vật lý.

3. Ghi nhận thông số quan trọng:

   • Nhiệt độ tại thời điểm kích hoạt và lan truyền "thermal runaway".
   • Thành phần khí thải: Các khí độc hại hoặc dễ cháy như CO, H2, O2, HF.
   • Lượng nhiệt tỏa ra và tốc độ phát thải khí.

4. Đánh giá kết quả:

   • Nếu tế bào phát nổ hoặc bốc cháy, thử nghiệm tiếp tục với cấp độ mô-đun.
   • Nếu không có cháy hoặc lan truyền, hệ thống có thể đạt mức an toàn cao hơn.

Thử nghiệm cấp độ mô-đun (Module Level Test) trong UL 9540A

Sau khi hoàn thành thử nghiệm cấp độ tế bào, nếu tế bào pin có nguy cơ phát sinh thermal runaway, thì thử nghiệm cấp độ mô-đun sẽ tiếp tục để đánh giá xem hiện tượng này có lan truyền giữa các tế bào pin trong một mô-đun hay không.
 

1. Mục tiêu của thử nghiệm cấp độ mô-đun

• Xác định khả năng lan truyền cháy giữa các tế bào pin trong một mô-đun.
• Đánh giá tốc độ phát nhiệt và phát khí độc hại.
• Kiểm tra các biện pháp bảo vệ mô-đun, như lớp cách nhiệt hoặc hệ thống làm mát.
• Cung cấp dữ liệu giúp thiết kế hệ thống an toàn hơn.

2. Quy trình thử nghiệm cấp độ mô-đun

Bước 1: Chuẩn bị mẫu thử

Lựa chọn mô-đun pin

• Một mô-đun gồm nhiều tế bào pin được lắp đặt theo cấu trúc thương mại (thường từ 4 - 100+ tế bào pin).
• Mô-đun được đặt trong một buồng thử nghiệm có hệ thống cảm biến để ghi lại dữ liệu.

Thiết lập hệ thống đo lường

• Cảm biến nhiệt độ gắn trên bề mặt và giữa các tế bào pin.
• Cảm biến đo thành phần khí phát thải như CO, H2, O2, HF.
• Camera nhiệt và cảm biến khói để ghi nhận hiện tượng lan truyền nhiệt.

Bước 2: Kích hoạt "thermal runaway"

Mục tiêu là gây "thermal runaway" ở một tế bào pin trong mô-đun để kiểm tra xem hiện tượng này có lan truyền hay không. Các phương pháp kích hoạt phổ biến:

Gia nhiệt bằng điện trở (External Heating):

• Dùng bộ gia nhiệt làm nóng một tế bào pin đến nhiệt độ kích hoạt (~150-200°C).
• Nếu tế bào phát nổ hoặc cháy, quan sát xem lửa có lan sang các tế bào lân cận không.

Quá tải điện (Overcharge Test):

• Cung cấp dòng điện cao quá mức để xem tế bào có bị phồng rộp, rò rỉ hoặc phát nổ không.

Chọc thủng cơ học (Nail Penetration Test):

• Dùng một đinh kim loại đâm xuyên qua một tế bào pin để gây đoản mạch.

Bước 3: Ghi nhận dữ liệu quan trọng

Nhiệt độ quan trọng:

• T1: Nhiệt độ bắt đầu "thermal runaway".
• T2: Nhiệt độ lan truyền sang tế bào pin gần nhất.
• T3: Nhiệt độ cao nhất trong mô-đun.

Khí thải độc hại:

• Đo nồng độ CO, H2, HF, O2 trong quá trình cháy.

Khả năng lan truyền cháy:

• Nếu lửa hoặc nhiệt độ cao lan sang các tế bào khác → Nguy cơ cháy nổ cao.
• Nếu mô-đun tự ngăn chặn lan truyền → An toàn hơn.

Ghi nhận video & dữ liệu thực tế:

• Camera hồng ngoại ghi lại hình ảnh cháy nổ.
• Cảm biến đo tốc độ phát nhiệt của mô-đun.

4. Đánh giá kết quả thử nghiệm

Sau khi thử nghiệm, có 2 kịch bản chính xảy ra:

Mô-đun an toàn:

• "Thermal runaway" chỉ xảy ra ở tế bào pin ban đầu, không lan truyền sang các tế bào khác.
• Lớp cách nhiệt hoặc hệ thống làm mát hoạt động tốt.
• Mô-đun có thể được chứng nhận an toàn và tiếp tục thử nghiệm cấp độ tiếp theo.

Mô-đun nguy hiểm:

• "Thermal runaway" lan truyền nhanh, dẫn đến cháy hoặc nổ toàn bộ mô-đun.
• Lượng khí thải độc hại vượt mức an toàn.
• Nhà sản xuất cần điều chỉnh thiết kế để cải thiện khả năng chống cháy lan.

Thử nghiệm cấp độ đơn vị (Unit Level Test) trong UL 9540A

Sau khi hoàn thành thử nghiệm cấp độ tế bào và cấp độ mô-đun, nếu mô-đun pin có nguy cơ lan truyền thermal runaway, thì thử nghiệm cấp độ đơn vị sẽ tiếp tục để kiểm tra mức độ ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS).
 

1. Mục tiêu của thử nghiệm cấp độ đơn vị

• Đánh giá xem "thermal runaway" có lan truyền trong toàn bộ đơn vị BESS không.
• Xác định khả năng kiểm soát cháy nổ của hệ thống (hệ thống làm mát, thông gió, cách ly, chữa cháy).
• Đo lường mức độ phát thải khí độc hại khi xảy ra sự cố.
• Hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn an toàn và hướng dẫn lắp đặt BESS.

2. Quy trình thử nghiệm cấp độ đơn vị

Bước 1: Chuẩn bị mẫu thử

Lựa chọn đơn vị BESS

• Thử nghiệm được thực hiện trên một đơn vị BESS hoàn chỉnh (bao gồm nhiều mô-đun pin, hệ thống làm mát, hệ thống quản lý pin BMS, vỏ bảo vệ,...)
• Đơn vị thử nghiệm có thể có kích thước từ vài kWh đến hàng MWh.

Thiết lập hệ thống đo lường

• Cảm biến nhiệt độ đặt tại nhiều vị trí trên BESS.
• Cảm biến đo khí độc như CO, H₂, O₂, HF.
• Cảm biến áp suất để đo mức độ tích tụ khí bên trong đơn vị.
• Camera hồng ngoại để theo dõi quá trình cháy nổ.

Bước 2: Kích hoạt "thermal runaway"

Mục tiêu là kích hoạt cháy nổ trong một mô-đun của đơn vị BESS để kiểm tra xem hiện tượng này có lan truyền ra toàn bộ hệ thống hay không.

Các phương pháp kích hoạt phổ biến:

Gia nhiệt bằng điện trở:

• Làm nóng một mô-đun pin trong BESS đến nhiệt độ kích hoạt (~150-200°C).
• Quan sát xem hiện tượng "thermal runaway" có lan sang mô-đun khác không.

Quá tải điện:

• Cung cấp dòng điện cao hơn mức danh định để gây quá tải.
• Quan sát xem hệ thống BMS có phát hiện lỗi và ngắt kết nối không.

Chọc thủng cơ học:

• Dùng đinh kim loại đâm xuyên qua một mô-đun để mô phỏng hỏng hóc vật lý.

Bước 3: Ghi nhận dữ liệu quan trọng

Nhiệt độ quan trọng:

• T1: Nhiệt độ tại vị trí kích hoạt.
• T2: Nhiệt độ tại mô-đun gần nhất.
• T3: Nhiệt độ cao nhất trong toàn bộ đơn vị BESS.

Khí thải độc hại:

• Đo nồng độ CO, H₂, HF, O₂ để đánh giá nguy cơ cháy nổ.

Khả năng lan truyền cháy:

• Kiểm tra xem ngọn lửa có lan ra ngoài đơn vị BESS hay không.

Hiệu suất của hệ thống an toàn:

• Hệ thống BMS có phát hiện lỗi kịp thời không?
• Hệ thống thông gió có giúp giảm tích tụ khí độc không?
• Hệ thống chữa cháy có hoạt động hiệu quả không?

Ghi nhận hình ảnh & dữ liệu thực tế:

• Camera hồng ngoại theo dõi quá trình cháy lan.
• Đo tốc độ phát nhiệt của đơn vị BESS.

4. Đánh giá kết quả thử nghiệm

Sau khi thử nghiệm, có 2 kịch bản chính xảy ra:

BESS an toàn:

• "Thermal runaway" không lan ra ngoài mô-đun ban đầu.
• Hệ thống quản lý nhiệt và chữa cháy hoạt động hiệu quả.
• Khí thải trong giới hạn cho phép.

BESS nguy hiểm:

• "Thermal runaway" lan truyền nhanh, gây cháy hoặc nổ toàn bộ đơn vị.
• Khí thải độc hại vượt mức an toàn.
• Nhà sản xuất cần cải thiện hệ thống làm mát, thông gió và cách nhiệt.

Thử nghiệm cấp độ lắp đặt (Installation Level Test) trong UL 9540A

Sau khi hoàn thành các thử nghiệm ở cấp độ tế bào, mô-đun và đơn vị, thử nghiệm cấp độ lắp đặt là bước cuối cùng trong phương pháp UL 9540A. Mục tiêu của thử nghiệm này là đánh giá mức độ ảnh hưởng của một hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) đến môi trường xung quanh khi xảy ra thermal runaway.
 

1. Mục tiêu của thử nghiệm cấp độ lắp đặt

2. Quy trình thử nghiệm cấp độ lắp đặt

Bước 1: Chuẩn bị hệ thống thử nghiệm

Thiết lập hệ thống BESS

• Bố trí một hệ thống lưu trữ năng lượng thực tế, bao gồm nhiều đơn vị BESS đặt gần nhau (có thể trong container, trong nhà hoặc ngoài trời).
• Hệ thống có thể bao gồm từ vài MWh đến hàng chục MWh.

Lắp đặt thiết bị đo lường

• Cảm biến đo nhiệt độ và tốc độ lan truyền nhiệt.
• Cảm biến đo khí thải độc hại như CO, H₂, HF, O₂.
• Cảm biến áp suất để theo dõi khả năng tích tụ khí bên trong hệ thống.
• Camera hồng ngoại để ghi lại quá trình cháy nổ.

Bước 2: Kích hoạt "thermal runaway"

Mục tiêu là gây cháy nổ tại một đơn vị BESS và quan sát xem hiện tượng này có lan truyền ra các đơn vị khác hay không.

Các phương pháp kích hoạt phổ biến:

Gia nhiệt bằng điện trở:

• Làm nóng một mô-đun pin trong một đơn vị BESS đến nhiệt độ kích hoạt (~150-200°C).
• Quan sát xem ngọn lửa có lan sang các đơn vị BESS lân cận không.

Quá tải điện:

• Cấp dòng điện vượt mức danh định để kiểm tra hệ thống BMS có hoạt động chính xác không.

Chọc thủng cơ học:

• Dùng vật sắc nhọn đâm xuyên qua một tế bào pin để mô phỏng sự cố vật lý.

Bước 3: Ghi nhận dữ liệu quan trọng

Nhiệt độ quan trọng:

• T1: Nhiệt độ tại vị trí xảy ra thermal runaway.
• T2: Nhiệt độ tại các đơn vị BESS lân cận.
• T3: Nhiệt độ môi trường xung quanh hệ thống.

Phát thải khí độc:

• Đo nồng độ CO, H₂, HF, O₂ để đánh giá mức độ nguy hiểm.
• Kiểm tra khả năng thoát khí của hệ thống thông gió.

Khả năng lan truyền cháy:

• Nếu ngọn lửa lan rộng đến các đơn vị BESS lân cận, cần cải thiện thiết kế hệ thống.

Hiệu suất của hệ thống an toàn:

• Hệ thống thông gió có giúp giảm nguy cơ cháy nổ không?
• Hệ thống chữa cháy có hoạt động hiệu quả không?

Ghi nhận hình ảnh & dữ liệu thực tế:

• Camera hồng ngoại theo dõi quá trình lan truyền nhiệt.
• Đo tốc độ phát nhiệt của hệ thống.

4. Đánh giá kết quả thử nghiệm

Sau thử nghiệm, có 2 kịch bản chính xảy ra:

Hệ thống lắp đặt an toàn:

• Thermal runaway chỉ xảy ra ở đơn vị BESS ban đầu, không lan rộng.
• Hệ thống thông gió và chữa cháy hoạt động tốt, kiểm soát được khí độc và nhiệt độ.
• Có thể cấp phép lắp đặt hệ thống theo quy định.

Hệ thống lắp đặt nguy hiểm:

• Ngọn lửa lan nhanh sang các đơn vị khác, gây cháy nổ toàn bộ hệ thống.
• Lượng khí thải độc hại vượt mức an toàn.
• Nhà sản xuất cần điều chỉnh khoảng cách lắp đặt và cải thiện hệ thống bảo vệ.