UL9540A: 2025 Interpretation der Test- und Bewertungsmethoden zur Brandausbreitung bei thermischem Durchgehen für Energiespeichersysteme!

In den letzten Jahren, mit der rasanten Entwicklung der globalen Energiespeicherindustrie, ist die installierte Kapazität von Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) ist weiter gestiegen. Die Sicherheit von Energiespeichersystemen ist jedoch seit jeher ein zentrales Anliegen, insbesondere angesichts der zunehmenden Häufigkeit von Bränden und Explosionen, die durch thermisches Durchgehen ausgelöst werden. Diese gefährden nicht nur die persönliche Sicherheit, sondern können auch zu massiven Sachschäden führen.

Vor diesem Hintergrund hat sich der Standard UL9540A als maßgeblicher globaler Leitfaden für Sicherheitsprüfungen von Energiespeichersystemen etabliert. Jede Aktualisierung dieses Standards erregt branchenweit große Aufmerksamkeit. Am 12. März 2025 veröffentlichte UL offiziellANSI/CAN/UL9540A-2025 „Prüfung der Brandausbreitung bei thermischem Durchgehen für Batterie-Energiespeichersysteme“, die die Prüf- und Bewertungsmethoden für die Brandausbreitung bei thermischem Durchgehen umfassend verbessert. Ziel ist es, wissenschaftlich fundiertere und strengere Validierungsinstrumente für die sichere Konstruktion von Energiespeichersystemen bereitzustellen. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse der wichtigsten Neuerungen der aktualisierten Norm im Hinblick auf technische Details, Prüflogik und Auswirkungen auf die Branche.

Warum sind Tests zur thermischen Brandausbreitung so wichtig geworden?

1. Wesen und Gefahren des thermischen Durchgehens

Unter thermischem Durchgehen versteht man eine sich selbst erhaltende exotherme Kettenreaktion in Lithium-Ionen-Batterien, die durch interne Kurzschlüsse, Überladung, mechanische Beschädigungen usw. ausgelöst wird. Sie ist gekennzeichnet durch einen schnellen Temperaturanstieg (über 800 °C), Gasausstoß (einschließlich brennbarer und explosiver Gase) und mögliche Kettenreaktionen in benachbarten Zellen, die letztendlich zu Bränden auf Systemebene führen.

2. Einschränkungen herkömmlicher Tests

Frühere Normen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Sicherheitsprüfung einzelner Zellen oder kleiner Module. Energiespeichersysteme bestehen jedoch typischerweise aus Tausenden oder sogar Zehntausenden von Zellen mit komplexen strukturellen Konstruktionen und thermischen Bedingungen, wodurch die Brandausbreitungswege schwer vorherzusagen sind. Herkömmliche Methoden können die realen Risiken der Brandausbreitung nicht ausreichend abbilden.

3. Durchbrüche in UL9540A:2025

Die Ausgabe 2025 führt zum ersten Mal eine „Umfassender Bewertungsrahmen für die thermische Brandausbreitung auf Systemebene“ Der Schwerpunkt liegt auf mehrstufigen, progressiven Tests von der Zelle über das Modul und den Schrank bis hin zum Gesamtsystem. Es werden Risikomodelle mithilfe quantifizierbarer Daten erstellt, um die Designoptimierung zu unterstützen.

Kernverbesserungen in den Testmethoden UL9540A:2025

1. Verfeinerte Teststufen

Die neue Version definiert vier progressive Teststufen mit jeweils klaren Zielen:

• Ebene 1 (Zellenebene): Bestimmen Sie die Auslösebedingungen für das thermische Durchgehen (z. B. Nageldurchdringung, Temperaturschwelle der Heizplatte), ausgeworfene Materialien und Verbrennungseigenschaften.
• Ebene 2 (Modulebene): Bewerten Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Temperaturverteilung und den Gasdiffusionsweg, wenn eine einzelne Zelle in den thermischen Durchgehen gerät.
• Ebene 3 (Geräteebene – Schrank/Subsystem): Simulieren Sie reale Wärmeableitungsbedingungen und Strukturdesigns und analysieren Sie das Ausmaß der Flammenausbreitung, die Rauchkonzentration und die Toxizität.
• Ebene 4 (Installationsebene – Gesamtsystem): Integrieren Sie Brandbekämpfungs- und Belüftungssysteme, um die Effektivität der Schadensbegrenzung auf Systemebene zu überprüfen.

Wichtigste Anforderung: Tests müssen produktionsäquivalente verwenden BMS (Batteriemanagementsysteme) und Wärmemanagementdesigns zur Gewährleistung der Datenauthentizität.

 

Auswertung des Tests zur thermischen Durchgehen-Brandausbreitung

2. Erweiterte Dimensionen der Datenerfassung

Die Ausgabe 2025 fügt mehrere wichtige Kennzahlen hinzu:

• Thermodynamische Parameter: Anstiegsrate der Zelloberflächentemperatur, Kurven der internen Druckänderung;
• Gasanalyse: Echtzeitüberwachung schädlicher Gase wie Wasserstoff, CO und Fluorwasserstoff (HF);
• Flammenausbreitungsgeschwindigkeit: Quantifiziert mit Hochgeschwindigkeitskameras und Infrarot-Wärmebildgebung;
• Wirksamkeit des Feuerlöschmittels: Bewertung von Mitteln wie FK-5-1-12 und Wassernebel zur Unterdrückung des thermischen Durchgehens.

Einblick: Die mehrdimensionalen Daten ermöglichen die Erstellung einer „Ausbreitungskarte des thermischen Durchgehens“, die als Grundlage für die Optimierung von Zellabständen, Isoliermaterialien und Brandbekämpfungsstrategien dienen kann.

3. Obligatorische Szenarien für Mehrzellenausfälle

Um die Schwachstellen der Branche zu beheben, schreibt der neue Standard die Prüfung zweier Extremszenarien vor:

• Worst-Case-Zellenposition: Wählen Sie die Zelle mit der schlechtesten Wärmeableitung als Auslösepunkt;
• Gleichzeitiger Ausfall mehrerer Zellen: Simulieren Sie die Auswirkungen mehrerer gleichzeitig auftretender thermischer Durchgehensereignisse bei schweren Fehlern (z. B. BMS-Fehlfunktion).

Fallstudie: Ein Hersteller stellte bei Tests fest, dass bei einem thermischen Durchgehen einer Randzelle der Metallrahmen des Gehäuses Wärme leitete und dadurch die Erwärmung benachbarter Module beschleunigte. Dies führte zu einer Designverbesserung mit Wärmedämmschichten.

Drei wichtige Neuerungen im Evaluierungsprozess

1. Risikobasiertes Design von Sicherheitsschwellenwerten

UL9540A:2025 führt das Konzept ein von „Ausbreitungszeit des thermischen Durchgehens (TRPT)“, wobei erforderlich ist, dass Systemdesigns folgende Anforderungen erfüllen müssen:
TRPT ≥ T (T = Brandreaktionszeit + Zeit für die Evakuierung des Personals).

Die Reaktionszeit im Brandfall sollte auf die jeweilige Anwendung (z. B. Wohngebäude vs. Netzseite) abgestimmt sein. Bei netzseitigen Systemen TRPT ≥ 30 Minuten ist normalerweise erforderlich, um sicherzustellen, dass Brandschutzsysteme rechtzeitig aktiviert werden können.

2. Gekoppelte Simulation und Validierung in der realen Welt

Der Standard fördert die Verwendung von Digitale Zwillingstechnologie Dabei werden CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) eingesetzt, um Ausbreitungswege vor dem physischen Test vorherzusagen. Die Kalibrierung des Modells erfolgt anhand von Testdaten. Dieser Ansatz reduziert die Testkosten, insbesondere bei Großsystemen, erheblich.

3. Obligatorische dynamische Bewertungsberichte

Die Version 2025 erfordert, dass Testberichte Folgendes enthalten:

• Sensitivitätsanalyse der Auslösebedingungen für thermisches Durchgehen;
• Ausbreitungsunterschiede bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (20°C bis 50°C);
• Der Einfluss der Alterung (z. B. nach 5.000 Zyklen) auf die Sicherheit.

Bedeutung: Verschiebt den Schwerpunkt vom bloßen „Bestehen des Tests“ hin zum „lebenslangen Sicherheitsdesign“.

Übersicht der wichtigsten Auswirkungen

1. Verbesserte Flexibilität: Optionale FTIR- und Rampenheizmethoden sorgen für Testflexibilität.
2. Breitere Anwendbarkeit: Fügt eine Testabdeckung für Blei-Säure-, Nickel-Cadmium- und Hochtemperaturbatterien hinzu.
3. Erhöhte Sicherheit: Überarbeitete Kriterien für die Flammenausbreitung und eine neue Deflagrationsanalyse verringern das Risiko einer Brandausbreitung.
4. Vereinfachtes Testen: Bei Tests im Wohnbereich ist jetzt der Aufbau von Testwänden möglich, was die Testkomplexität potenziell verringern kann.

Diese Version betont Klarheit, Sicherheit und technische Inklusivität, in Übereinstimmung mit der Entwicklung der Batterietechnologie und den sich entwickelnden regulatorischen Anforderungen.

Auswirkungen auf die Branche und empfohlene Reaktionen

1. Höhere technische Hürden treiben Innovationen voran

• Zellenebene:Hochstabile Elektrolyte (z. B. halbfest) und hochtemperaturbeständige Separatoren werden unerlässlich;
• Systemebene:Phasenwechselmaterialien, Aerogel-Isolierung und gerichtete Entlüftungsdesigns werden immer beliebter.
• Brandschutzsysteme: Mehrstufige Unterdrückung (z. B. Inhibitoren auf Zellebene + Wassernebel auf Schrankebene) wird zum Mainstream.

2. Herausforderungen hinsichtlich Testkosten und -zeit

Vollständige Tests auf vier Ebenen können über sechs Monate dauern und über eine Million USD kosten. Empfehlungen:

• Arbeiten Sie frühzeitig mit Zertifizierungsstellen zusammen, um Pläne für die Vorprüfung zu entwickeln.
• Verwenden Sie modulare Designs, um wiederholte Tests zu minimieren;
• Treten Sie Branchenallianzen bei, um Testdaten auszutauschen.

3. Ein „Pass“ für den globalen Marktzugang

UL 9540A ist nicht nur in den USA und Kanada ein verbindlicher Standard, sondern findet auch international breite Anwendung – beispielsweise in Installationsvorschriften für Energiespeichersysteme in Singapur, Malaysia und Victoria, Australien. Die Version von 2025 orientiert sich stärker an der chinesischen Norm GB/T36276 und unterstützt chinesische Unternehmen bei ihrer Expansion ins Ausland.

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Fazit

UL 9540A bewertet die Systemsicherheit im Falle einer thermischen Durchgehendbrandausbreitung und ist der einzige Konsensstandard, der für groß angelegte Brandprüfungen herangezogen wird in NFPA 855.

Die Veröffentlichung von UL9540A:2025 markiert eine Verschiebung von Reaktive Reaktion bis Proaktive Prävention in der Sicherheit von Energiespeichern. Für Hersteller ist dies nicht nur eine Herausforderung hinsichtlich der Einhaltung von Vorschriften, sondern auch eine Chance, sich durch differenziertes Sicherheitsdesign einen Marktvorteil zu verschaffen. Mit der Integration von KI und fortschrittlichen Sensortechnologien könnten thermische Durchgehenstests künftig hochpräzise Frühwarnungen in Echtzeit ermöglichen – die Grundlage dafür liegt im umfassenden Verständnis und der Umsetzung der aktuellen Standards.