一句话总结：依据 ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Ed)，外部火烧测试（Section 41）通过庚烷池火 20 分钟暴露模拟真实火灾场景，验证储能系统外壳完整性——不发生爆炸且无抛射物飞出 1.0 米内周界，确保消防人员可安全接近。
1. 测试目的与适用范围
UL 1973 第 41 章"外部火灾暴露（抛射物危害）测试"的核心目的是验证电池储能系统在遭受外部火灾时，不会发生爆炸性破裂，且任何抛射物不会落至规定内周界之外。
关键判定准则：
- 无爆炸（No explosion）
- 无抛射物飞出内周界（内周界半径 ≤ 1.0m，标志线宽度 ≤ 12mm）
- 测试过程中 DUT 可以起火燃烧，但不得产生飞散碎片
适用对象：
- 所有固定式储能电池系统（除非满足豁免条件）
- 包含锂电池、钠电池等多种电化学体系的系统
豁免条件：
| 豁免情形 | 条件说明 |
|---|---|
| 电芯级别豁免 | 系统内所有电芯已通过 Annex E 抛射物测试（E9） |
| 户外安装豁免 | 系统安装于 ≥ 91.4 cm 厚混凝土垫层上且为户外专用 |
| 双重豁免 | 同时满足上述两个条件时，测试完全免除 |
2. 试验装置与布置
2.1 庚烷池火燃料盘
测试使用庚烷（heptane）作为燃料，在专用燃料盘中形成池火。燃料盘的关键规格如下：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 材质 | 钢材（Steel） |
| 盘壁高度 | 高于燃料液面 ≤ 8 cm |
| DUT 底部距燃料面距离 | 50 cm |
| 燃料盘超出 DUT 范围 | 水平各方向 20–50 cm |
| 水垫层深度 | 15.24 cm（6 英寸），在加入庚烷燃料之前注入 |
水垫层的作用是使庚烷浮于水面之上，确保燃料均匀分布在 DUT 下方。
2.2 DUT 安装要求
- DUT（被测设备）应按照制造商指定的安装方式固定
- DUT 底部距离庚烷燃料液面恰好 50 cm
- 燃料盘的水平范围应超出 DUT 投影外边界 20–50 cm
2.3 环境条件
| 条件 | 范围 |
|---|---|
| 环境温度 | 0–46°C |
| 测试场地 | 室外或具备充分通风和消防设施的室内场地 |
3. 内周界与防护屏障
3.1 内周界标记
在 DUT 周围地面上标记内周界（Inner Perimeter）：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 内周界半径 | ≤ 1.0 m（从 DUT 外表面起算） |
| 标志线宽度 | ≤ 12 mm |
| 标记方式 | 地面划线或等效可视标记 |
目的： 测试结束后检查是否有任何碎片/抛射物落到标记线之外。若有，则判定为失败。
3.2 防护屏障
测试人员必须位于防护屏障之后：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 防护屏障距内周界距离 | ≥ 1.5 m |
| 防护屏障类型 | 防爆屏障或等效防护结构 |
防护屏障不是测试对象的一部分，而是人员安全措施。观察和数据记录通过远程方式完成。
4. 试验装置示意图
试验装置布置详见标准 Figure 41.1 — Thermal Exposure for Explosion Hazards Test Set-Up。
5. 测试执行程序
5.1 点火与暴露
- 水垫层注入： 在燃料盘内注入 15.24 cm 深的水
- 庚烷注入： 将庚烷燃料加注至水面上方，燃料液面总深度满足持续燃烧 20 分钟的要求
- 点火： 点燃庚烷，使火焰包裹 DUT 底部
- 持续暴露： DUT 在池火中连续暴露 20 分钟
5.2 灭火程序（水龙带操作）
火灾暴露 20 分钟后，操作人员从防护屏障后方使用水龙带灭火：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 喷嘴类型 | 38 mm 喷雾水枪（Fog Nozzle） |
| 喷射角度 | 30° 锥角 |
| 水压 | 517 kPa（75 psi） |
| 流量 | ≥ 4.7 L/s（≥ 75 GPM） |
| 喷嘴距 DUT 距离 | ≤ 1.5 m |
| 每平方米喷射时间 | ≥ 6.5 s/m² |
| 灭火完成时限 | 从开始灭火起 ≤ 15 秒 |
6. 判定准则
6.1 通过条件
| 判定项 | 通过标准 |
|---|---|
| 爆炸 | 无爆炸发生 |
| 抛射物 | 无任何碎片或抛射物飞出内周界（≤ 1.0m 半径） |
| 火灾蔓延 | DUT 起火可接受，但不得引起不可控的火灾蔓延 |
6.2 失败条件
- 发生爆炸（任何程度的爆炸性破裂）
- 任何碎片或零部件落在内周界标志线之外
- 抛射物穿透或越过防护屏障
6.3 观察与记录
测试过程中应通过视频和照片记录：
- 火焰包裹 DUT 的完整过程
- 任何可见的结构变形或破裂
- 灭火过程及灭火后 DUT 状态
- 内周界区域内的碎片分布
7. 测试条件变量
| 变量 | 规定值/范围 | 备注 |
|---|---|---|
| 燃料类型 | 庚烷（n-Heptane） | 标准试验燃料 |
| 暴露时间 | 20 分钟 | 连续暴露 |
| 水垫层深度 | 15.24 cm | 燃料盘内预先注入 |
| DUT 距燃料面 | 50 cm | 垂直距离 |
| 燃料盘超出 DUT | 20–50 cm | 水平各方向 |
| 盘壁高出燃料 | ≤ 8 cm | 防止燃料溢出 |
| 环境温度 | 0–46°C | 测试环境 |
| 灭火水压 | 517 kPa | 75 psi |
| 灭火流量 | ≥ 4.7 L/s | ≥ 75 GPM |
8. 试验前安全规划与准备工作
8.1 场地准备
| 准备项目 | 要求 |
|---|---|
| 防火地面 | 试验区域地面应为不燃材料（混凝土或等效） |
| 排水系统 | 确保灭火用水有安全的排放通道 |
| 隔离区 | 试验期间非必要人员不得进入隔离区 |
| 风向监测 | 记录测试期间的风向和风速 |
| 应急响应 | 现场配备备用灭火设备和医疗急救包 |
8.2 DUT 预处理
| 步骤 | 操作说明 |
|---|---|
| 初始状态检查 | DUT 在测试前应处于正常工作状态 |
| SOC 设定 | 按照制造商规定或标准要求设定荷电状态 |
| 外观记录 | 详细拍摄 DUT 外观照片，记录任何既有缺陷 |
| 安装固定 | 按制造商安装说明固定 DUT，不可额外加固 |
| 传感器安装 | 在不影响火灾暴露的前提下安装温度/电压传感器 |
8.3 安全人员配置
| 角色 | 职责 |
|---|---|
| 测试主管 | 总体指挥，授权点火和灭火 |
| 消防操作员 | 操作水龙带执行灭火程序 |
| 观察记录员 | 操作摄像设备，记录关键事件和时间 |
| 安全监督员 | 确保所有人员位于防护屏障后方 |
9. 典型失败模式与设计对策
9.1 常见失败模式
| 失败模式 | 原因分析 | 发生阶段 |
|---|---|---|
| 外壳破裂抛射 | 内部压力积聚超过外壳强度 | 火灾暴露中期（5–15 分钟） |
| 泄压阀失效 | 泄压通道堵塞或泄压能力不足 | 火灾暴露全阶段 |
| 电芯喷射 | 单个电芯在高温下爆炸性破裂 | 火灾暴露早期（0–5 分钟） |
| 密封件烧穿 | 高温火焰直接接触密封材料 | 火灾暴露后期（15–20 分钟） |
| 灭火后延迟爆炸 | 灭火后内部仍持续反应 | 灭火后数分钟 |
9.2 设计对策
| 设计措施 | 目标 | 实施方式 |
|---|---|---|
| 定向泄压设计 | 引导内部压力安全释放 | 将泄压阀朝向安全方向 |
| 防火隔热层 | 延迟内部电芯温升 | 外壳内壁增设隔热材料 |
| 电芯间隔热 | 减缓热传播速度 | 电芯间填充隔热材料 |
| 高强度外壳 | 承受内部压力不破裂 | 选用适当厚度和材质的外壳 |
| 防火密封件 | 防止火焰通过缝隙进入 | 选用耐火等级密封材料 |
9.3 设计验证建议
在正式提交 UL 1973 认证之前，建议进行以下预测试：
- 对外壳进行有限元分析（FEA），评估在 20 分钟池火中的热应力和压力积聚
- 小规模验证泄压阀的响应压力和流量
- 密封件材料的热重分析（TGA）评估在庚烷火焰温度下的稳定性
10. 与其他测试的关系
外部火灾暴露测试是 UL 1973 系统级安全测试的重要组成部分，与以下测试形成互补：
| 关联测试 | 章节 | 关系说明 |
|---|---|---|
| 内部火灾/热失控蔓延 | 第 42 章 | 内部起火 vs 外部起火，互为补充 |
| 电芯抛射物测试 | Annex E (E9) | 电芯通过 E9 可豁免系统级外部火灾测试 |
| 温度循环测试 | Annex E (E10-E12) | 评估电芯在极端温度下的完整性 |
工程师提示： 外部火灾暴露测试是 UL 1973 中最具破坏性的系统级测试之一。在设计阶段就应充分考虑外壳的防火完整性——包括密封件、泄压阀和电缆穿墙件在 20 分钟池火中的表现。建议在电芯选型阶段优先选择通过 Annex E E9 抛射物测试的电芯，以便为系统级认证争取豁免可能。户外安装系统若使用 ≥ 91.4 cm 混凝土垫层，同样可争取豁免。
10. 关键事实
- 外部火烧测试使用庚烷（n-Heptane）池火，DUT 需连续暴露 20 分钟
- 燃料盘水平各方向超出 DUT 20-50 cm，DUT 底部距燃料液面 50 cm，盘内预注 15.24 cm 水垫层
- 内周界半径 ≤1.0 m，标志线宽度 ≤12 mm；任何抛射物飞出内周界即判定失败
- 灭火使用 38 mm 喷雾水枪，水压 517 kPa（75 psi），流量 ≥4.7 L/s（≥75 GPM），15 秒内完成
- 电芯级别通过 Annex E E9 抛射物测试可豁免系统级外部火灾测试
11. 常见问题
Q1：为什么要在燃料盘中先注入水？
15.24 cm 水垫层使庚烷浮于水面，确保燃料均匀分布在 DUT 下方，同时防止局部过热。
Q2：测试中 DUT 起火燃烧是否判定失败？
否。DUT 起火可接受，失败条件仅为爆炸或抛射物飞出内周界。
Q3：防护屏障和内周界有什么区别？
内周界是判定标准的一部分（测试对象），防护屏障是人员安全措施，距内周界 ≥1.5 m。
Q4：什么情况下可以豁免外部火灾测试？
所有电芯通过 Annex E E9 抛射物测试，或系统安装于 ≥91.4 cm 混凝土垫层上且为户外专用。
Q5：灭火后还需观察什么？
灭火后应检查内周界区域内碎片分布、记录 DUT 最终状态，并确认无延迟性爆炸风险。
12. 相关阅读
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13. 参考文献
- ANSI/CAN/UL 1973:2022, Section 41 — External Fire Exposure for Projectile Hazards Test
- ANSI/CAN/UL 1973:2022, Annex E (E9) — Cell Projectile Test
- UL 9540A — Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in BESS
- NFPA 855 — Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems