چگونه ایمنی باتری‌های ذخیره انرژی تضمین می‌شود؟

ذخیره انرژی باتری و خطرات فرار حرارتی

درک انتشار حرارتی در سیستم‌های باتری لیتیوم-یونی

فرار حرارتی هنوز هم جدی‌ترین مشکل ایمنی برای باتری‌های لیتیوم-یونی است باتری‌های ذخیره انرژی که زمانی رخ می‌دهد که نرخ تولید گرما از نرخ دفع گرما در حین عملکرد بیشتر شود. این اثر زنجیره‌ای در دمای 160-210 درجه سانتی‌گراد برای انواع NMC (نیکل منگنز کوبالت) شروع می‌شود اما به دلیل ساختار شیمیایی پایدارتر در بلور، برای LFP (لیتیوم فروس فسفات) ایمن‌تر به 270 درجه سانتی‌گراد می‌رسد (مطالعه آزمایشگاه مستقل، 2025). سه عامل ممکن کنترل کننده تحلیل خرابی هستند:

• آسیب مکانیکی ناشی از ضربه یا فشردگی
• سوء استفاده الکتریکی ناشی از شارژ بیش از حد یا اتصال کوتاه
• تنش حرارتی که از آستانه‌های عملیاتی فراتر می‌رود

سال 2024 Scientific Reports مطالعه نشان داد که گرمایش جانبی در سیستم‌های چندسلولی 34٪ سریع‌تر از گرمایش عمودی شیب شیوع را افزایش می‌دهد، با دمای‌های اوجی که در هنگام شکست‌های زنجیره‌ای از 800 درجه سانتی‌گراد فراتر می‌روند. طراحی‌های ماژولار با جداکننده‌های مقاوم در برابر آتش اکنون آستانه‌های دمایی بحرانی را 12 تا 18 دقیقه به تعویق می‌اندازند و زمان واکنش ضروری برای سیستم‌های ایمنی فراهم می‌کنند.

راهبردهای مهار آتش برای نصب‌های سیستم‌های ذخیره انرژی باتری

سیستم‌های نوین ذخیره انرژی باتری (BESS) پروتکل‌های مهار لایه‌ای ترکیبی از اقدامات غیرفعال و فعال را به کار می‌گیرند:

1. سدهای غیرفعال آتش الیاف سرامیکی یا پوشش‌های متورم‌کننده 1,200 درجه سانتی‌گراد را به مدت 90 دقیقه یا بیشتر تحمل می‌کنند
2. سیستم‌های تخلیه گاز محصولات جانبی فرار حرارتی را از ماژول‌های تحت تأثیر نرسانده به سمت بیرون هدایت می‌کنند
3. پوسته‌های اتاقکی محدود کردن دسترسی به اکسیژن به منظور سرکوب احتراق

تحلیل مرجع 2025 نشان داد که نصب‌های مجهز به تشخیص دود و خنک‌کننده مایع، بروز رویدادهای حرارتی کامل را نسبت به مدل‌های خنک‌شونده با هوا تا 78٪ کاهش داده است. فاصله‌گذاری مطابق استاندارد NFPA 855 (3 فوت بین ماژول‌ها) خطر اشتعال زنجیره‌ای را با کاهش سرعت انتقال حرارت به کمتر از 0.8 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه، به حداقل می‌رساند.

مطالعه موردی: تحلیل حادثه آتش‌سوزی باتری در سال 2023

آتش‌سوزی رخ‌داده در یک سیستم ذخیره انرژی باتری در مقیاس برق‌رسانی در سال 2023 نقائص مهم طراحی را آشکار کرد؛ زمانی که خودپردازی غیرطبیعی در سه ماژول NMC باعث تجمع حرارتی بدون شناسایی شد. یافته‌های کلیدی از تحلیل پزشکی قانونی:

• حسگرهای دما در گزارش آستانه‌های بحرانی دارای تاخیر 22 ثانیه‌ای بودند
• دیواره‌های آتش‌نشانی مقاومت کافی در برابر خوردگی در محیط‌های مرطوب را نداشتند
• نیروهای امدادی نیازمند آموزش‌های تخصصی برای مقابله با آتش‌های مبتنی بر لیتیوم بودند

شبیه‌سازی‌های پس از حادثه نشان داد که پروتکل‌های جدید خاموش‌کننده اضطراری می‌توانستند خسارت را به ۱۱٪ از سطح واحد محدود کنند، در حالی که در عمل ۶۳٪ خسارت واقع شد. این رویداد باعث تسریع در تصویب مقررات نظارتی برای استفاده از نظارت دوگانه دمایی و بازرسی‌های فصلی با استفاده از تصویربرداری حرارتی در ۱۴ ایالت آمریکا شد.

ذخیره انرژی باتری رویه‌های آزمون ایمنی

روش‌های آزمون بزرگ‌مقیاس UL 9540A برای حریق

روش‌های ایمنی معاصر اعمال‌شده به باتری‌های ذخیره انرژی بر اساس آزمون‌های استاندارد آتش‌سوزی مانند UL 9540A، بر ارزیابی‌های خطر آتش‌سوزی مبتنی بر مدل‌های پایه برای گسترش واکنش زنجیره‌ای گرمای شدید و رخ دادن سناریوهای بدترین حالت ممکن، مانند خرابی متوالی دستگاه‌های ماژول باتری استوار است. استاندارد به‌روز شده UL 9540A (2025) امکان ارزیابی فناوری‌های جدیدتر مانند باتری‌های سدیم-یون را فراهم کرده و بازنگری دقیق خطر آتش‌سوزی را تضمین می‌کند. به عنوان مثال، نتایج آزمون مشخص می‌کند که آیا نصب تجهیزات نیازمند محفظه‌های مقاوم در برابر آتش یا تهویه هوا برای کنترل انتشار گازهاست یا خیر. همچنین شیمی باتری در دسته‌بندی گسترده‌تری قرار گرفته است که پیشرفت عمومی‌تر صنعت ذخیره‌سازی انرژی را منعکس می‌کند.

CSA C800-2025 الزامات ارزیابی دوام

استاندارد CSA C800-2025 که در آرگون توسعه یافته است، همراه با باتری خودروهاست و بر الزامات بهترین دوام برای سیستم‌های باتری تمرکز دارد و تاکید زیادی را بر دوام مکانیکی و محیطی قرار می‌دهد. آزمون‌ها شامل 2000 ساعت چرخه‌های حرارتی 'شبیه‌سازی شده'، تنش ارتعاشی معادل شرایط منطقه لرزه‌خیز 4 و قرار گرفتن در معرض رطوبت پیشرفته در 95٪ رطوبت نسبی است. این آزمون‌ها تایید می‌کنند که در بدنه‌های باتری در شرایط اقلیمی شدید، الکترولیتی نشت نخواهد کرد که این موضوع به ویژه در مناطق ساحلی یا مناطق با خطر زلزله اهمیت زیادی دارد.

فرآیند گواهی‌نامه‌دهی مستقل جهت قابلیت اطمینان ESS

سازمان‌های گواهی‌نامه‌دهی مستقل، سیستم‌های ذخیره انرژی را از طریق ممیزی‌های چندمرحله‌ای که با استانداردهای NFPA 855 و IEC 62933 هماهنگ است، تأیید می‌کنند. این فرآیند شامل موارد زیر است:

• تحلیل مواد در سطح قطعات (به عنوان مثال، صحت جداکننده مقاوم در برابر آتش)
• آزمون تنش عملیاتی کامل سیستم در دامنه ولتاژ ±15٪
• ارزیابی‌های امنیت سایبری برای سیستم‌های مدیریت باتری متصل به ابر

متخصصان تأییدکننده بازرسی‌های ناگهانی از واحدها را جهت اطمینان از رعایت مداوم استانداردها انجام می‌دهند، که 93٪ از موارد رد شده در حین بازرسی‌ها ناشی از کالیبراسیون نادرست سنسورهای حرارتی است (گزارش ایمنی ESS 2024).

ذخیره انرژی باتری ویژگی‌های ایمنی طراحی‌شده

سیستم‌های ایمنی به صورت توکار طراحی شده‌اند تا از طریق اقدامات مهندسی چندسطحی، اطمینان از ایمنی بالای باتری‌های ذخیره انرژی در برابر فرار حرارتی را فراهم کنند. نوآوری‌های کلیدی از سه حوزه اصلی نشأت می‌گیرند: سیستم پیشرفته مدیریت باتری (BMS) برای نظارت آنلاین، ترکیب الکترولیت مقاوم در برابر آتش، و معماری ماژولار برای محلی‌سازی خطا. این اصول طراحی در مجموع باعث افزایش توانایی سیستم‌ها در مقابله با خطاهای محلی و کاهش احتمال وقوع شکست‌های فاجعه‌آمیز می‌شوند.

معماری‌های پیشرفته سیستم مدیریت باتری (BMS)

سیستم‌های BMS مدرن از الگوریتم‌های پیش‌بینی‌کننده برای ردیابی ولتاژ سطح سلول، دمای داخلی و SoC استفاده می‌کنند. شناسایی به موقع ناهنجاری‌ها، مانند شارژ بیش از حد یا تنش حرارتی، بخشی از عملکرد آن‌ها محسوب می‌شود و باعث فعال‌سازی خاموش‌کردن فعال از قبل تعیین‌شده ماژول‌های تحت تأثیر قرار می‌گیرد تا از پیشرفت تخریب جلوگیری شود. این دخالت در زمان واقعی امکان دفع مشکلات محلی را فراهم می‌کند تا از وقوع رویدادهای حرارتی در کل سیستم جلوگیری شود، بویژه برای نصب‌های بزرگ بسیار مهم است.

پیشرفت‌های علم مواد در الکترولیت‌های مقاوم در برابر شعله

پیشرفت‌های برجسته‌ای در زمینه شیمی الکترولیت‌ها حاصل شده است، بویژه در زمینه الکترولیت‌های مقاوم در برابر آتش که نه تنها از اشتعال جلوگیری می‌کنند بلکه سرعت گسترش آتش را نیز کاهش می‌دهند. در بروزرسانی تحقیقات انجام شده در زمینه ایمنی باتری‌های 2024، طراحی‌های حالت جامدی معرفی شده‌اند که با استفاده از رویکرد کاهش الکتروفیل، الکترولیت‌ها را غیرقابل جابجایی کرده و رشد دندریت‌های لیتیومی را مهار می‌کنند. این راهکار منجر به بازدهی کولومبی 99.9% و عمری 10,000 ساعته با خطر اشتعال کاهش یافته می‌شود.

طراحی ماژولار برای جداسازی و مهار عیب

پیکربندی‌های ماژولار باتری، سلول‌ها را در واحدهای مقاوم در برابر آتش که با موانع حرارتی از یکدیگر جدا شده‌اند، قرار می‌دهند. در صورت وقوع فرار حرارتی، این طراحی خسارت را به ماژول مبدأ محدود کرده و از گسترش بین واحدها جلوگیری می‌کند. با جداسازی عیوب، سیستم‌ها قادر به حفظ بخشی از عملکرد خود در زمان تعمیر هستند و این امکان را فراهم می‌کنند که قطعات هدفمند تعویض شوند، بدون اینکه نیاز به خاموشی کامل دستگاه باشد.

باتری‌های ذخیره انرژی مطابق با استاندارد NFPA 855

فاصله های خالی و مشخصات جعبه بندی

در نتیجه، استاندارد NFPA 855 حداقل فاصله سه فوتی را بین واحدهای ESS و دیوار نزدیک به آن تعیین می کند تا از گسترش حرارتی جلوگیری شود. این فواصل می توانند با استفاده از آزمایش مقیاس کامل از موانع مقاوم در برابر آتش و گزینه های تأیید شده کاهش داده شوند. با استفاده از جعبه های فولادی تقویت شده با رتبه بندی UL 94 V-0، رهبران صنعت از استفاده از پلاستیک های قابل اشتعال FR فاصله گرفته اند تا خطر انتقال حرارت را نسبت به طراحی های بدون رتبه بندی 40 تا 60 درصد کاهش دهند.

الزامات سیستم تشخیص دود و تهویه

سیستم های پیشرفته تشخیص دود باید طبق راهنمایی های NFPA 72 در عرض 30 ثانیه از تشخیص ذرات آلارم را فعال کنند. طراحی های تهویه بر روی رقیق کردن گازهای قابل اشتعال مانند هیدروژن فلوراید متمرکز هستند و نیازمندی 12 تا 15 بار تعویض هوا در ساعت در فضاهای بسته را تعیین می کنند. یک مطالعه صنعتی در سال 2023 نشان داد که تهویه مناسب خطر تجمع گاز را در سناریوهای حرارتی بیش از 60 درصد کاهش می دهد.

پذیرش استانداردهای حفاظت از حریق در سطح ایالتی

در حال حاضر 23 ایالت نیازمند استاندارد NFPA 855 برای نصب باتری‌های در مقیاس خدمات عمومی هستند، به طوری که هم میشیگان و هم کالیفرنیا الزامات تحلیل خطرات خاص سایت را برای حریق‌های رخ داده پس از سال 2023 اعمال می‌کنند. کانون‌های شدیدترین آسیب: گزارش نقشه راه ملی ایمنی 2024 اعلام کرده است که 89% از پروژه‌های جدید اکنون با دیوارهای آتش‌سوزی قوی و سیستم‌های خاموش کننده خودکار، حداقل معیارهای NFPA را فراتر می‌روند. کالیفرنیا و دوازده ایالت دیگر طرح نهایی سال 2025 را تدوین کرده‌اند که شامل مقررات سفت‌تری برای فضاهای شهری می‌باشد.

برنامه‌ریزی برای پاسخ اضطراری به باتری‌های ذخیره انرژی

پروتکل‌های هماهنگی با بخش آتش‌نشانی برای حریق سیستم‌های ذخیره انرژی

قوانین مبارزه با آتش‌سوزی برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) ضروری هستند تا پاسخ اضطراری موفقیت‌آمیزی را فراهم کنند. سازمان‌ها باید برنامه‌های پیشگیرانه از وقوع حادثه را با استراتژی‌های خاموش کردن حرارتی، رویه‌های قطع جریان الکتریکی و راهبردهای استفاده از آب برای شیمی‌های مختلف لیتیوم-یونی توسعه دهند. تمرینات آموزشی مشترک اپراتور-سیستم که در آن نیروهای اولیه‌پاسخ‌دهنده به محل قرارگیری درهای باتری و قطع‌کننده‌های باتری آموزش دیده می‌شوند. اشتراک اطلاعات به‌صورت زنده میان سیستم‌های نظارتی تسهیلات و مراکز فرماندهی عملیاتی باید در چارچوب‌های ارتباطی گنجانده شود تا هماهنگی فعالیت‌های مهار در برابر رویدادهای حرارتی را تسهیل کند.

راهکارهای کاهش تأثیرات بر سلامت عمومی

محدودیت‌های بهداشت عمومی در رویدادهای BESS به عنوان حفاظت چندلایه‌ای از گازهای سمی و آزادسازی ذرات معرفی شده‌اند. تهویه استراتژیک و نظارت بر جو، مناطق خروجی را برای حفاظت از جامعه فراهم می‌کنند. برنامه‌های تخلیه باید مدل پخش ابر (الگوهای باد و شیمی باتری) را در نظر بگیرند. پروژه‌هایی مانند همکاری جهانی در زمینه ایمنی یون لیتیوم در حال کار برای ایجاد راه‌های بهتر برای حفاظت از بسته باتری آسیب دیده هستند. این دستورالعمل‌ها با نمونه‌برداری محیطی و اقدامات نظارت بر سلامت پس از رویداد، کنترل بلندمدت کیفیت هوا را ترجیح می‌دهند.

بخش سوالات متداول

فرار حرارتی در باتری‌های ذخیره انرژی چیست؟

فرار حرارتی یک مشکل ایمنی برای باتری‌های لیتیوم-یونی است که زمانی رخ می‌دهد که تولید گرما از پراکنش گرما بیشتر شود و ایجاد اثر دومینویی در سیستم باتری کند.

چگونه می‌توان از فرار حرارتی در سیستم‌های ذخیره انرژی جلوگیری کرد؟

گسترش حرارتی را می‌توان از طریق طراحی‌های ماژولار با جداکننده‌های ضد آتش، موانع غیرفعال در برابر آتش، پوسته‌های تقسیم‌بندی شده و نظارت در زمان واقعی از طریق سیستم‌های پیشرفته مدیریت باتری جلوگیری کرد.

چه استانداردهای ایمنی برای باتری‌های ذخیره انرژی مرتبط هستند؟

NFPA 855، UL 9540A و CSA C800-2025 استانداردهای کلیدی ایمنی برای انطباق هستند که تمرکز آنها بر روی آزمون‌های آتش، الزامات دوام و روش‌های صحیح نصب است.

چه راهبردهای اصلی برای مهار آتش در سیستم‌های ذخیره انرژی وجود دارد؟

سیستم‌های ذخیره انرژی از اقدامات غیرفعال و فعالی مانند موانع آتش، سیستم‌های تخلیه گاز و پوسته‌های مقاوم در برابر آتش استفاده می‌کنند تا از گسترش حریق جلوگیری کرده و خسارات را محدود کنند.

مدیریت پیشرفته باتری چه نقشی در تضمین ایمنی دارد؟

معماری‌های پیشرفته BMS از الگوریتم‌های پیش‌بینی‌کننده برای ردیابی پارامترهای مهم استفاده می‌کنند و خاموش‌کردن پیشگیرانه را به منظور جلوگیری از رویدادهای حرارتی در سطح سیستم فعال می‌کنند.