Các pin lithium hiệu suất cao dùng cho lưu trữ năng lượng cần những chứng nhận an toàn nào?

UL 1973: Chứng nhận an toàn cốt lõi cho mô-đun và cụm pin lithium

Phạm vi áp dụng, đối tượng áp dụng và các yêu cầu cốt lõi đối với hệ thống lưu trữ năng lượng cố định

UL 1973 là hướng dẫn an toàn chính ở Bắc Mỹ dành cho các mô-đun và cụm pin lithium được thiết kế cho các ứng dụng cố định như hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và nguồn điện liên tục (UPS). Về cơ bản, tiêu chuẩn này kiểm tra xem thiết kế có đủ khả năng chịu đựng các sự cố thường gặp như lỗi điện, điều kiện quá nhiệt và nguy cơ cháy nổ hay không. Tiêu chuẩn này bao gồm một số yêu cầu quan trọng cần lưu ý. Thứ nhất, phải đảm bảo cách điện điện tốt để ngăn ngừa hiện tượng phóng hồ quang nguy hiểm khi xảy ra sự cố. Vật liệu phải có khả năng chống bắt cháy và cũng phải được trang bị các tính năng chứa đựng phù hợp. Các bộ phận cơ khí cần chịu được rung động và va đập thường xuyên trong quá trình vận hành hàng ngày. Hệ thống quản lý nhiệt cũng phải hoạt động hiệu quả ngay cả khi nhiệt độ dao động mạnh ngoài phạm vi bình thường. Việc đạt chứng nhận theo UL 1973 đồng nghĩa với việc những pin này sẽ vận hành an toàn trong các tòa nhà thương mại và nhà máy trên khắp nơi. Hơn nữa, việc vượt qua bài kiểm tra này là điều kiện tiên quyết trước khi các nhà sản xuất có thể tiến tới các chứng nhận cấp cao hơn như UL 9540 dành cho toàn bộ hệ thống.

Các bài kiểm tra lạm dụng nghiêm trọng: Sạc quá mức, Ngắn mạch, Chu kỳ nhiệt và Va đập cơ học

Để đạt được chứng nhận UL 1973, các hệ thống pin lithium phải trải qua các mô phỏng lạm dụng nghiêm ngặt nhằm tái tạo các điều kiện hỏng hóc xấu nhất. Các bài kiểm tra bao gồm:

• Sạc quá mức : Sạc vượt quá giới hạn an toàn để xác minh hiệu quả của mạch bảo vệ.
• Ngắn mạch : Kết nối trực tiếp giữa các cực để đánh giá khả năng kiểm soát hiện tượng chạy nhiệt ngoài kiểm soát (thermal runaway).
• Chu kỳ nhiệt : Phơi nhiễm lặp đi lặp lại trong dải nhiệt độ từ –20°C đến +60°C nhằm đánh giá mức độ suy giảm hiệu suất.
• Chấn động cơ học : Các va chạm mô phỏng căng thẳng trong vận chuyển hoặc hư hại vật lý.

Theo phiên bản năm 2022 của tiêu chuẩn, việc đạt yêu cầu đòi hỏi không xảy ra cháy, nổ hay rò rỉ điện phân—chứng minh rằng hệ thống có khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt mà không dẫn đến sự cố nghiêm trọng.

UL 9540A: Xác thực khả năng lan truyền hiện tượng chạy nhiệt ngoài kiểm soát trong các hệ thống pin lithium

Giao thức kiểm tra lan truyền cháy từ tế bào lên toàn hệ thống và cách diễn giải dữ liệu

UL 9540A hoạt động bằng cách xem xét cách nhiệt lan truyền trong các tình huống hỏng hóc, bắt đầu từ từng tế bào pin riêng lẻ cho đến toàn bộ hệ thống bao gồm nhiều mô-đun và đơn vị. Về cơ bản, quy trình thử nghiệm tạo ra điều kiện mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) một cách có kiểm soát thông qua các phương pháp như sạc quá mức pin, gây ra chập mạch hoặc tác động ứng suất cơ học lên pin. Ở mỗi giai đoạn của quy trình này, người ta kiểm tra xem hệ thống có khả năng kiềm chế sự cố trước khi nó trở nên nghiêm trọng hơn hay không. Nếu tại bất kỳ điểm nào trong phân cấp này có yếu tố nào đó ngăn chặn được sự lan rộng, thì việc thử nghiệm sẽ không cần tiếp tục ở các cấp cao hơn. Khi nhiệt thực sự lan truyền, kỹ thuật viên đo lường các thông số như mức tăng nhiệt độ, loại khí thoát ra, các hạt có thể phát tán và thời gian chính xác để sự cố lan truyền giữa các thành phần. Phiên bản mới nhất được công bố năm 2024 đã đưa ra một số thay đổi quan trọng, bao gồm các tiêu chuẩn nâng cao hơn để thử nghiệm các loại pin lithium khác nhau ở nhiệt độ cao, đồng thời quy định rõ ràng hơn về các tiêu chí để đánh giá đạt hay không đạt yêu cầu. Ví dụ, một yêu cầu mới hiện nay là pin phải duy trì khả năng kiềm chế sự cố trong ít nhất 60 phút giữa các tế bào để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn. Toàn bộ các thử nghiệm này tạo ra các báo cáo chi tiết cung cấp các số liệu định lượng về tốc độ lan truyền ngọn lửa, lượng khói độc có thể phát sinh và khả năng xảy ra nổ. Các dữ liệu này trở nên thiết yếu khi các cơ quan chức năng địa phương xây dựng quy chuẩn phòng cháy chữa cháy hoặc khi các doanh nghiệp cố gắng mô phỏng các rủi ro tiềm ẩn tại cơ sở của họ.

UL 9540A Hướng dẫn Thiết kế Hệ thống Lưu trữ Năng lượng An toàn Chống Cháy và Các Chiến lược Giảm thiểu Rủi ro

Dữ liệu từ các bài kiểm tra UL 9540A đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các kỹ sư đưa ra những quyết định thực tế nhằm giảm thiểu rủi ro cháy nổ trong thế giới thực. Khi thiết kế hệ thống, các chuyên gia xem xét các thông số truyền nhiệt và tốc độ lan truyền lửa để xác định các phương pháp hiệu quả hơn nhằm xây dựng rào cản nhiệt, thiết kế hình dạng cửa thông gió và phân tách các bộ phận khác nhau trong hệ thống lắp đặt, sao cho bất kỳ sự cố nhiệt nào cũng chỉ bị giới hạn trong tối đa một hoặc hai mô-đun. Các cảm biến khí được thiết lập để kích hoạt hệ thống dập lửa sớm hơn nhiều so với ngưỡng nguy hiểm (ví dụ như trên 150 độ C). Bản cập nhật mới nhất năm 2024 thực sự nâng cao đáng kể các tiêu chuẩn an toàn đối với thiết bị được lắp đặt trên mái nhà và trong nhà để xe—những nơi có không gian chật hẹp và người dân khó thoát thân nếu xảy ra sự cố gần các tòa nhà. Theo số liệu thống kê ngành công nghiệp năm ngoái, các địa điểm tuân thủ hướng dẫn UL 9540A ghi nhận số vụ cháy ít hơn khoảng 74% so với những địa điểm không tuân thủ. Lực lượng cứu hỏa cũng tham khảo các báo cáo lan truyền này khi lên kế hoạch phản ứng đối với từng tình huống cụ thể. Đồng thời, các thanh tra sử dụng toàn bộ thông tin này để đảm bảo các hệ thống lắp đặt đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của NFPA 855 về khoảng cách lắp đặt và lưu lượng không khí phù hợp, từ đó biến các đánh giá lý thuyết về rủi ro thành các biện pháp an toàn thực tế, có hiệu lực tại hiện trường.

IEC 62619 & EN 62619: Các tiêu chuẩn công nghiệp toàn cầu về an toàn pin lithium

Yêu cầu về hiệu suất, khả năng chịu đựng điều kiện bất lợi và tuân thủ đối với các ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng thương mại

Tiêu chuẩn IEC 62619 cùng với phiên bản châu Âu tương ứng của nó là EN 62619 quy định các quy tắc an toàn thiết yếu đối với pin lithium công nghiệp được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định (ESS). Các hướng dẫn quốc tế được chấp nhận rộng rãi này yêu cầu pin phải hoạt động ổn định và đáng tin cậy ngay cả khi chịu tải trong quá trình vận hành. Điều này bao gồm việc duy trì dung lượng sau nhiều chu kỳ sạc-xả và duy trì ổn định về mặt nhiệt học ở nhiệt độ lên tới khoảng 60 độ C. Các tiêu chuẩn này cũng nêu rõ cách pin phải xử lý các dạng lạm dụng khác nhau thông qua các bài kiểm tra tiêu chuẩn hóa. Ví dụ, pin phải chịu được điều kiện quá áp ở mức 1,5 lần điện áp sạc tối đa, tồn tại được trong trường hợp ngắn mạch ngoài khi điện trở giảm xuống dưới 100 miliohm, chịu được lực ép cơ học vượt quá 100 kilonewton và kiểm soát hiệu quả hiện tượng mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway). Để đáp ứng yêu cầu tuân thủ, các nhà sản xuất phải tích hợp nhiều tính năng an toàn tích hợp như hệ thống giám sát điện áp dự phòng, rào cản thụ động nhằm ngăn chặn lan rộng ngọn lửa và cơ chế tắt nhanh hoạt động trong vòng vài mili giây. Việc tuân thủ các yêu cầu này thực tế là bắt buộc để đạt được dấu CE theo Quy định về Pin của Liên minh Châu Âu (EU), quy định này yêu cầu bằng chứng tuân thủ trên hơn 25 khía cạnh an toàn khác nhau. Theo một Báo cáo Kiểm toán Lưu trữ Năng lượng Công nghiệp năm 2023 gần đây, các công ty tuân thủ tiêu chuẩn IEC/EN 62619 ghi nhận tỷ lệ hỏng hóc trong ứng dụng thực tế giảm khoảng 40%, do đó phù hợp hơn rất nhiều cho việc triển khai quy mô lớn trên lưới điện.

UL 9540: Chứng nhận ở cấp độ hệ thống tích hợp pin lithium và an toàn BMS

Cách UL 9540 xác thực tính an toàn của toàn bộ hệ thống lưu trữ năng lượng—bao gồm pin lithium, quản lý nhiệt và hệ thống điều khiển

Tiêu chuẩn UL 9540 cung cấp các kiểm tra an toàn toàn diện ở cấp độ hệ thống đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng đầy đủ. Tiêu chuẩn này không chỉ tập trung vào các mô-đun pin mà còn bao gồm các thành phần khác như hệ thống quản lý nhiệt, hệ thống quản lý pin (viết tắt là BMS), vỏ bọc bảo vệ và cách thức tất cả những bộ phận này phối hợp vận hành thông qua logic điều khiển. Các bài kiểm tra tiêu chuẩn thường chỉ tập trung vào từng thành phần riêng lẻ; tuy nhiên, UL 9540 thực tế kiểm tra hiệu năng tổng thể của toàn bộ hệ thống khi phải đối mặt đồng thời với các vấn đề thực tế—chẳng hạn như sự cố điện xảy ra cùng lúc với điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc các phản ứng dây chuyền nhiệt nguy hiểm mà đôi khi chúng ta chứng kiến. Điều quan trọng nhất là chứng minh rằng tất cả các tính năng an toàn đều hoạt động đúng và phối hợp ăn ý như một tập thể: duy trì trạng thái ổn định trong suốt quá trình sạc và xả bình thường; cô lập hiệu quả các vấn đề liên quan đến nhiệt trong phạm vi vỏ bọc quy định; tự động ngắt hoạt động khi phát sinh sự cố nghiêm trọng; và đảm bảo hệ thống quản lý pin (BMS) giao tiếp hiệu quả với thiết bị làm mát. Phương pháp kiểm tra mang tính tổng quan này giúp phát hiện các điểm yếu tại các giao diện kết nối giữa các thành phần khác nhau. Theo báo cáo an toàn cháy nổ năm 2023, các hệ thống đạt chứng nhận UL 9540 đã ghi nhận số vụ sự cố nhiệt giảm khoảng 47%. Việc đạt chứng nhận này cũng góp phần đẩy nhanh quy trình phê duyệt và tạo dựng các lớp bảo vệ quan trọng cho cả các hệ thống pin lithium quy mô thương mại lẫn các trạm tích trữ năng lượng quy mô lớn phục vụ lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

Chứng nhận UL 1973 là gì?

Chứng nhận UL 1973 là một tiêu chuẩn an toàn dành cho các mô-đun và cụm pin lithium được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định và bộ nguồn liên tục (UPS), đảm bảo chúng có khả năng chịu đựng được sự cố điện, ứng suất nhiệt và nguy cơ cháy nổ.

Tại sao các bài kiểm tra lạm dụng nghiêm trọng lại quan trọng đối với hệ thống pin lithium?

Các bài kiểm tra lạm dụng nghiêm trọng như sạc quá mức, ngắn mạch, chu kỳ nhiệt và sốc cơ học nhằm đảm bảo hệ thống pin lithium có thể chịu đựng được các điều kiện khắc nghiệt mà không xảy ra sự cố nghiêm trọng, từ đó đáp ứng các yêu cầu về an toàn.

UL 9540A ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng?

UL 9540A cung cấp dữ liệu về truyền nhiệt và lan truyền cháy—những yếu tố then chốt để thiết kế các hệ thống giảm thiểu rủi ro cháy, định hướng việc bố trí rào cản nhiệt và xây dựng các chiến lược giảm thiểu rủi ro.

Các tiêu chuẩn IEC 62619 và EN 62619 là gì?

IEC 62619 và EN 62619 là các tiêu chuẩn quốc tế quy định các yêu cầu an toàn thiết yếu đối với pin lithium công nghiệp được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng thương mại, bao gồm độ tin cậy về hiệu suất và khả năng chịu đựng các điều kiện bất lợi.

Chứng nhận UL 9540 bao gồm những nội dung gì?

Chứng nhận UL 9540 bao quát toàn bộ khía cạnh an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng, bao gồm pin lithium, hệ thống quản lý nhiệt và các bộ điều khiển, nhằm đảm bảo tất cả các thành phần hoạt động ăn khớp hiệu quả với nhau để giảm thiểu rủi ro.