ما شهادات السلامة المطلوبة للبطاريات الليثيوم عالية الأداء المُستخدمة في تخزين الطاقة؟

UL 1973: الشهادة الأساسية للسلامة الخاصة بوحدات البطاريات الليثيومية والعبوات الكاملة

النطاق والملاءمة والمتطلبات الأساسية لأنظمة تخزين الطاقة الثابتة

يُعتبر معيار UL 1973 المبدأ التوجيهي الرئيسي المتعلق بالسلامة في أمريكا الشمالية بالنسبة لوحدات وحزم البطاريات الليثيوم المصمَّمة للتطبيقات الثابتة، مثل أنظمة تخزين الطاقة (ESS) ووحدات التغذية الكهربائية غير المنقطعة (UPS). وبشكل أساسي، يتحقق هذا المعيار من قدرة التصاميم على تحمل المشكلات الشائعة مثل الأعطال الكهربائية، وحالات الإجهاد الحراري، واحتمالات اندلاع الحرائق. ويضم المعيار عدة متطلباتٍ هامةٍ جديرةٍ بالذكر. أولاً، يجب أن تتوفر عزل كهربائي قويٌّ لمنع حدوث شرارات خطرة عند حدوث أعطال. كما يجب أن تكون المواد مقاومةً للاشتعال، وأن تمتلك ميزات احتواء مناسبة أيضاً. أما الأجزاء الميكانيكية، فيجب أن تتحمّل الاهتزازات والصدمات العادية الناتجة عن العمليات اليومية. كما يجب أن تعمل إدارة الحرارة بكفاءة حتى في ظل التقلبات الحادة في درجات الحرارة خارج النطاقات الطبيعية. ويعني الحصول على شهادة الامتثال لمعيار UL 1973 أن هذه البطاريات ستؤدي وظيفتها بأمانٍ تامٍّ داخل المباني التجارية والمصانع في جميع أنحاء العالم. علاوةً على ذلك، فإن اجتياز هذه الاختبارات يصبح شرطاً ضرورياً قبل أن يتمكّن المصنِّعون من السعي للحصول على شهادات أعلى مستوىً مثل UL 9540 لأنظمة كاملة.

اختبارات الإساءة الحرجة: الشحن الزائد، والدوائر القصيرة، والتغيرات الحرارية الدورية، والصدمات الميكانيكية

للحصول على شهادة UL 1973، تخضع أنظمة بطاريات الليثيوم لمحاكاة صارمة للإساءة مُصمَّمة لتكرار أسوأ ظروف الفشل المحتملة. وتشمل هذه الاختبارات ما يلي:

• الشحن الزائد : الشحن بما يتجاوز الحدود الآمنة للتحقق من فعالية دائرة الحماية.
• قصر دائرة : الاتصال المباشر بالطرفين لتقييم احتواء الاندفاع الحراري.
• الدوران الحراري : التعرُّض المتكرر لمدى درجات حرارة يتراوح بين –٢٠°م و+٦٠°م لتقييم تدهور الأداء.
• الصدمات الميكانيكية : الصدمات التي تحاكي إجهادات النقل أو التلف المادي.

وبموجب طبعة العام ٢٠٢٢ من المعيار، يشترط النجاح في الاختبار ألا يحدث أي حريق أو انفجار أو تسرب للإلكتروليت، مما يدل على أن النظام قادر على التحمل في الظروف القصوى دون فشل كارثي.

UL 9540A: التحقق من انتشار الاندفاع الحراري في أنظمة بطاريات الليثيوم

بروتوكول اختبار انتشار الحريق من الخلية إلى النظام وتفسير البيانات

يعمل معيار UL 9540A من خلال دراسة كيفية انتشار الحرارة أثناء حالات الفشل، بدءًا من خلايا البطاريات الفردية وصولًا إلى الأنظمة الكاملة المكوَّنة من وحدات ووحدات متعددة. وبشكل أساسي، يُنشئ إجراء الاختبار شروط الانفلات الحراري بطريقة خاضعة للرقابة عبر طرق مثل شحن البطاريات بشكل زائد، أو التسبب في دوائر كهربائية قصيرة، أو تطبيق إجهادات ميكانيكية عليها. وفي كل مرحلة من هذه العملية، يتم التحقق مما إذا كان النظام قادرًا على احتواء المشكلة قبل أن تتفاقم. فإذا ما أدى أي عنصر إلى إيقاف انتشار العطل في أي نقطة ضمن التسلسل الهرمي، فلا حاجة لمتابعة الاختبارات إلى مراحل لاحقة. أما عند حدوث انتقال الحرارة فعلًا، فيقوم الفنيون بقياس عوامل مثل ارتفاع درجات الحرارة، وأنواع الغازات المنبعثة، والجسيمات التي قد تتسرب، والزمن الدقيق الذي يستغرقه انتقال العطل بين المكونات. وقد أدخل الإصدار الأحدث الصادر عام 2024 بعض التغييرات المهمة، ومنها تحسين معايير اختبار أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم في درجات حرارة مرتفعة، فضلاً عن وضع قواعد أكثر وضوحًا بشأن ما يُعتبر نجاحًا مقابل الفشل. فعلى سبيل المثال، أصبح أحد المتطلبات الجديدة أن تحتوي البطاريات المشكلة لمدة لا تقل عن ٦٠ دقيقة بين الخلايا لتلبية معايير السلامة. وتؤدي جميع هذه الاختبارات إلى إعداد تقارير مفصلة تقدِّم بيانات رقمية حول سرعة انتشار النيران، ومقدار الدخان السام الذي قد ينطلق، وما إذا كانت الانفجارات ممكنة أم لا. وتُصبح هذه البيانات أساسيةً عند قيام السلطات المحلية بصياغة لوائح مكافحة الحرائق، أو عند محاولة الشركات نمذجة المخاطر المحتملة في منشآتها.

كيف تُرشد معايير UL 9540A تصميم أنظمة تخزين الطاقة الآمنة من حيث الحماية من الحرائق واستراتيجيات التخفيف من المخاطر

تلعب البيانات المستمدة من اختبارات UL 9540A دورًا كبيرًا في كيفية اتخاذ المهندسين لقراراتٍ فعّالةٍ تُقلِّل فعليًّا من مخاطر الحرائق في العالم الحقيقي. وعند تصميم الأنظمة، ينظر المختصون إلى أرقام انتقال الحرارة ومعدل انتشار الحرائق لتحديد طرقٍ أفضل لبناء الحواجز الحرارية، وتصميم الفتحات التهوية، وفصل الأجزاء المختلفة للمنشآت بحيث تبقى أي حادثة حرارية محصورةً في وحدةٍ واحدةٍ على الأكثر، أو ربما وحدتين. وتُضبط كواشف الغاز لتُفعِّل أنظمة الإخماد قبل بلوغ الظروف مستوياتٍ خطرةٍ مثل درجات الحرارة فوق ١٥٠ درجة مئوية. وقد رفعت التحديثات الأخيرة الصادرة عام ٢٠٢٤ من معايير السلامة بشكلٍ ملحوظٍ للمعدات المركَّبة على أسطح المباني وفي الجراجات، حيث تكون المساحات ضيِّقةً ويصعب على الأشخاص الهروب بسرعة إذا وقعت مشكلةٌ بالقرب من المباني. ووفقًا لإحصائيات القطاع الصادرة العام الماضي، فإن المنشآت التي تتبع إرشادات UL 9540A تسجِّل انخفاضًا في حالات الحرائق بنسبة تصل إلى ٧٤٪ مقارنةً بتلك التي لا تتبعها. كما يستعين رجال الإطفاء بتقارير انتشار الحرائق هذه عند تخطيط استجابتهم لمواقف محددة. أما المفتشون فيستخدمون جميع هذه المعلومات للتأكد من أن المنشآت تتوافق مع متطلبات NFPA 855 المتعلقة بالتباعد المناسب وتدفق الهواء، مما يحوِّل تقييمات المخاطر النظرية إلى إجراءات سلامة فعلية قابلة للتطبيق في الموقع.

IEC 62619 وEN 62619: المعايير الصناعية العالمية لسلامة بطاريات الليثيوم

متطلبات الأداء وتحمل سوء الاستخدام والامتثال لتطبيقات أنظمة تخزين الطاقة التجارية

يحدد معيار الآي إي سي 62619 (IEC 62619) مع نظيره الأوروبي المُعَنْوَن بـ EN 62619 القواعد الأساسية للسلامة المتعلقة بالبطاريات الليثيومية الصناعية المستخدمة في أنظمة تخزين الطاقة الثابتة (ESS). وتتطلب هذه الإرشادات المعترف بها دوليًّا أن تؤدي البطاريات أداءً موثوقًا حتى في ظل الظروف التشغيلية المجهدة. ويشمل ذلك الحفاظ على سعتها بعد الخضوع لعددٍ متكررٍ من دورات الشحن والتفريغ، وكذلك البقاء مستقرة حراريًّا حتى درجات حرارة تصل إلى نحو ٦٠ درجة مئوية. كما يحدِّد المعياران كيفية تعامل البطاريات مع أشكال مختلفة من سوء الاستخدام عبر اختبارات قياسية. فعلى سبيل المثال، يجب أن تتحمّل البطاريات ظروف الجهد الزائد عند ١,٥ ضعف أقصى مستوى شحن لها، وأن تنجو من الدوائر القصيرة الخارجية التي تنخفض فيها المقاومة إلى أقل من ١٠٠ ملي أوهم، وأن تتحمل قوى السحق الميكانيكي التي تتجاوز ١٠٠ كيلونيوتن، وأن تحتوي بشكل فعّال حالات التسارع الحراري (Thermal Runaways). ولتحقيق الامتثال لهذه المتطلبات، يجب على المصنّعين دمج عدة ميزات أمان مدمجة، مثل أنظمة مراقبة الجهد الاحتياطية، والحواجز السلبية التي تمنع انتشار النار، وآليات إيقاف التشغيل الفوري التي تفعّل خلال جزء من الألف من الثانية. وبالفعل، فإن الالتزام بهذه المتطلبات شرطٌ لا غنى عنه للحصول على علامة CE وفقًا لتنظيم البطاريات الصادر عن الاتحاد الأوروبي، والذي يشترط إثبات الامتثال لأكثر من ٢٥ جانبًا مختلفًا من جوانب السلامة. ووفقًا لمراجعة حديثة أجرتها جهة متخصصة في مجال طاقة التخزين الصناعي عام ٢٠٢٣، فإن الشركات التي تتبع معايير الآي إي سي/إين 62619 (IEC/EN 62619) تسجّل انخفاضًا بنسبة ٤٠٪ تقريبًا في حالات الفشل في التطبيقات الواقعية، ما يجعل هذه البطاريات أكثر ملاءمةً بكثيرٍ للنشر على نطاق واسع في شبكات الطاقة.

UL 9540: شهادة على مستوى النظام تدمج سلامة بطاريات الليثيوم ونظام إدارة البطاريات (BMS)

كيف تُثبت معيارية UL 9540 سلامة نظام تخزين الطاقة بالكامل — بما في ذلك بطاريات الليثيوم، وإدارة الحرارة، وأنظمة التحكم

يقدّم معيار UL 9540 فحوصات أمان شاملة على مستوى النظام لمُجمَّعات تخزين الطاقة الكاملة. ويتعدى هذا المعيار مجرد فحص وحدات البطاريات ذاتها ليشمل أنظمة الإدارة الحرارية، وأنظمة إدارة البطاريات (وتُعرف اختصارًا بـ BMS)، والغلاف الواقي (العلب)، وكيفية تكامل جميع هذه المكونات مع بعضها عبر منطق التحكم. وتركّز الاختبارات القياسية عادةً على المكونات الفردية، أما معيار UL 9540 فيختبر فعليًّا أداء النظام ككل عند مواجهته لمشاكل واقعية تحدث بشكل متزامن. فكِّر مثلاً في حدوث أعطال كهربائية جنبًا إلى جنب مع ظروف جوية قاسية، أو تلك التفاعلات الحرارية السلسلية الخطرة التي نراها أحيانًا. والأهم هنا هو إثبات أن جميع ميزات الأمان تعمل بكفاءة عالية كفريقٍ متكامل. فهي يجب أن تحافظ على استقرار النظام أثناء عمليات الشحن والتفريغ العادية، وأن تحتوي أي مشاكل حرارية داخل أغلفتها المخصصة، وأن تُطفئ النظام تلقائيًّا عند حدوث خلل خطير، وأن تضمن اتصال نظام إدارة البطاريات (BMS) بكفاءة مع معدات التبريد. وتساعد هذه المنهجية الشاملة للاختبار في الكشف عن نقاط الضعف في مناطق الاتصال بين المكونات المختلفة. وقد أظهرت الأنظمة التي حصلت على هذه الشهادة انخفاضًا بنسبة ٤٧٪ تقريبًا في الحوادث الحرارية، وفقًا للبيانات الواردة في تقارير سلامة الحرائق لعام ٢٠٢٣. كما أن الحصول على هذه الشهادة يُسرّع عمليات الموافقة، ويوفّر طبقات حماية هامة لكلٍّ من أنظمة بطاريات الليثيوم على نطاق تجاري واسع، وأنظمة البطاريات الكبيرة المستخدمة في شبكات المرافق العامة.

الأسئلة الشائعة

ما هي شهادة UL 1973؟

تُعَدُّ شهادة UL 1973 معيار أمانٍ لوحدات وحزم بطاريات الليثيوم المستخدمة في أنظمة تخزين الطاقة الثابتة وأجهزة التغذية الكهربائية غير المنقطعة (UPS)، وهي تضمن قدرتها على تحمل الأعطال الكهربائية، والإجهاد الحراري، واحتمالات اندلاع الحرائق.

لماذا تكتسب الاختبارات الحرجة للإساءة أهميةً بالغةً لأنظمة بطاريات الليثيوم؟

تضمن الاختبارات الحرجة للإساءة — مثل الشحن الزائد، والدوائر القصيرة، والتغيرات الحرارية الدورية، والصدمات الميكانيكية — أن أنظمة بطاريات الليثيوم قادرةٌ على التحمل في ظل الظروف القصوى دون حدوث فشل كارثي، وبالتالي تلبّي متطلبات السلامة.

كيف يؤثر معيار UL 9540A في تصميم أنظمة تخزين الطاقة؟

يوفِّر معيار UL 9540A بياناتٍ حول انتقال الحرارة وانتشار الحريق، وهي بياناتٌ بالغة الأهمية لتصميم الأنظمة التي تقلِّل من مخاطر اندلاع الحرائق، ويوجِّه هذا المعيار وضع الحواجز الحرارية ويشكِّل استراتيجيات التخفيف من المخاطر.

ما هي معايير IEC 62619 وEN 62619؟

تُعَد معايير الآي سي إي 62619 والإن 62619 معاييرًا دوليةً تُحدِّد المتطلبات الأساسية للسلامة المتعلقة بالبطاريات الليثيوم الصناعية المستخدمة في أنظمة تخزين الطاقة التجارية، بما في ذلك موثوقية الأداء وقدرتها على التحمُّل عند التعرُّض لظروف قاسية.

ما الذي يشمله اعتماد UL 9540؟

يشمل اعتماد UL 9540 سلامة نظام تخزين الطاقة بالكامل، بما في ذلك البطاريات الليثيوم والإدارة الحرارية ووحدات التحكم، ويضمن أن جميع المكونات تعمل معًا بكفاءةٍ لتقليل المخاطر إلى أدنى حدٍّ ممكن.