一句话总结：依据 ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Ed)，内部火蔓延测试（Section 42）通过在系统最薄弱位置诱导单电芯热失控，验证隔断设计能否阻止火焰传播至相邻电芯，确保"单点故障不演变为系统级灾难"——锂离子电池需 24 小时持续监测。
1. 测试目的与级联失效概念
1.1 核心目的
UL 1973 第 42 章"单电芯故障设计容限测试"的根本目的是验证：
- 单个电芯发生故障（包括热失控）时，不会引发相邻电芯的连锁失效
- 系统设计能够有效阻止火灾或热失控的蔓延
- 不会发生爆炸
1.2 级联失效概念（Section 6.7）
标准第 6.7 节定义了"级联失效"（Cascading Failure）的概念：
级联失效是指单个电芯的故障通过热传导、燃烧、喷射火焰或导电污染物等方式，逐次触发相邻电芯失效的连锁反应。
级联失效的传播路径： 单电芯失效 → 释放热量/火焰/导电物质 → 相邻电芯升温/短路 → 更多电芯失效 → 系统级灾难
UL 1973 的核心安全哲学是：系统设计必须能够打断这一链条，使故障局限于初始故障电芯。
2. 测试方法总览
2.1 通用测试框架
| 步骤 | 操作 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 确定最不利位置 | 通过设计分析确定最易引发蔓延的电芯位置 |
| 2 | 选择故障诱导方法 | 从 Annex F 中选择适当方法 |
| 3 | 安装监控装置 | 温度传感器、电压监测、视频记录 |
| 4 | 诱导故障 | 在目标电芯中触发失效 |
| 5 | 观察与记录 | 监测温度变化和传播迹象 |
| 6 | 判定 | 根据通过/失败准则评估结果 |
2.2 锂离子电池特殊要求（42.2.1–42.2.6）
锂离子电池存在热失控风险，因此测试要求更严格：
| 要求 | 说明 |
|---|---|
| 必须触发热失控 | 仅电气故障不足以完成测试，必须达到热失控状态 |
| 24 小时观察 | 热失控发生后持续观察 ≥ 24 小时 |
| 温度监测 | 在所有相邻电芯上布置温度传感器 |
| 电压监测 | 持续监测关键节点的电压变化 |
| 温度偏差 | 测试环境温度可偏离标准条件 ±10°C |
2.3 其他电化学体系（42.3）
非锂电池体系（如钠电池、镍氢电池等）可能不产生经典热失控：
| 情况 | 处理方式 |
|---|---|
| 故障后温度持续上升 | 继续监测至温度稳定或发生蔓延 |
| 故障后温度立即稳定 | 测试可终止，判定为通过 |
| 不发生热失控 | 以温度稳定作为终止条件 |
3. Annex F 故障诱导方法
Annex F 提供了 9 种标准化的故障诱导方法，分为内部故障法和外部故障法两大类。
3.1 内部故障法
F2.1 导电污染物引入
在电芯内部引入导电杂质（如金属颗粒），模拟制造缺陷导致的内部短路。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 污染物类型 | 金属颗粒（镍、铁等） |
| 引入位置 | 电极卷芯内部 |
| 适用电芯 | 锂离子电池 |
F2.2 隔膜缺陷
在电芯隔膜上制造人为缺陷（如针孔或减薄区域），模拟隔膜失效。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 缺陷类型 | 针孔、局部减薄或缺失 |
| 缺陷位置 | 电极间关键隔离区域 |
| 适用电芯 | 有隔膜的电池体系 |
F2.3 内部加热器
在电芯内部预置微型加热器，通过外部控制引发电芯内部升温。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 加热器类型 | 电阻丝或薄膜加热元件 |
| 安装位置 | 电芯内部（制造时预置） |
| 控制方式 | 外部电源控制升温速率 |
3.2 外部故障法
F3.1 外部加热器
在电芯外表面贴附加热器，通过外部加热引发失效。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 加热器类型 | 薄膜加热器或加热带 |
| 安装位置 | 电芯外表面 |
| 加热速率 | 控制升温至失效为止 |
F3.2 外部压痕/针刺
使用硬质压头以缓慢速率挤压电芯，模拟外部机械损伤。
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 压头材质 | 碳化钨（Tungsten Carbide） |
| 压头直径 | 3.2 mm |
| 压入速率 | 0.1 mm/s |
| 停止条件 | 电压降至 500 mV 或出现明显失效 |
F3.3 钉刺穿透
使用金属钉以控制速率穿透电芯，模拟内部短路。
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 钉径 | 1–3 mm |
| 材质 | 不锈钢 |
| 刺入速率 | 0.1 mm/s |
| 穿透深度 | 完全穿透电芯 |
F3.4 外部短路
通过外部导体将电芯正负极直接短接。
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 短路电阻 | ≤ 5 mΩ |
| 持续时间 | 直至电芯失效或温度稳定 |
| 电路连接 | 直接连接正负极 |
F3.5 过充电
以阶梯方式逐步提高充电电压，模拟充电控制系统失效。
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 电压步进 | 1 V/min |
| 充电电流 | 额定充电电流的 110% |
| 终止条件 | 电芯失效或达到预定上限电压 |
4. 故障方法选择流程图
5. 传播测试装置示意图
6. 设计考量与最不利位置分析
6.1 最不利电芯位置
在进行测试前，必须通过设计分析确定系统中最不利的电芯位置。考虑因素包括：
| 考量因素 | 分析要点 |
|---|---|
| 散热条件 | 处于模块中心、散热最差的电芯 |
| 电气连接 | 与最多相邻电芯并联/串联的节点 |
| 机械约束 | 受最大约束力、变形后最易影响相邻电芯的位置 |
| 排气路径 | 排气方向正对相邻电芯的位置 |
| 历史数据 | 类似设计中曾出现问题的位置 |
6.2 子系统测试
当系统规模较大时，标准允许对子系统（而非完整系统）进行测试：
| 条件 | 说明 |
|---|---|
| 子系统代表性 | 必须包含完整系统中最不利的电芯排列 |
| 边界条件 | 子系统的热边界条件应与完整系统等效 |
| 相邻电芯数量 | 至少包含目标电芯的所有直接相邻电芯 |
6.3 温度条件
| 电化学体系 | 温度偏差 | 说明 |
|---|---|---|
| 锂离子电池 | ±10°C | 允许一定范围的环境温度偏差 |
| 其他体系 | 参见具体章节要求 | 根据电化学特性确定 |
7. 通过/失败判定准则
7.1 通用准则
| 判定项 | 通过标准 | 失败标准 |
|---|---|---|
| 火灾传播 | 无火灾从 DUT 向外传播 | 火灾蔓延至相邻电芯或 DUT 外部 |
| 爆炸 | 无爆炸发生 | 任何程度的爆炸性破裂 |
| 热失控传播 | 相邻电芯温度未达到其热失控临界温度 | 相邻电芯发生热失控 |
7.2 锂离子电池特定准则
| 阶段 | 要求 |
|---|---|
| 诱导阶段 | 必须成功触发热失控 |
| 观察阶段 | 持续 ≥ 24 小时 |
| 温度监测 | 所有相邻电芯温度全程在安全范围内 |
| 最终状态 | DUT 可被安全处理 |
7.3 非锂电池特定准则
| 情况 | 结果 |
|---|---|
| 故障后温度持续上升 | 继续观察至稳定或传播 |
| 温度在短时间内稳定 | 测试终止，判定通过 |
| 不发生热失控 | 以温度稳定为终止条件 |
8. 测试数据记录要求
| 数据类别 | 记录内容 | 记录频率 |
|---|---|---|
| 温度 | 目标电芯及所有相邻电芯表面温度 | ≥ 1 Hz |
| 电压 | 目标电芯及关键节点电压 | ≥ 1 Hz |
| 视频 | DUT 全貌及关键区域 | 连续记录 |
| 环境条件 | 环境温度、湿度 | 测试开始及结束 |
| 事件日志 | 冒烟、起火、爆炸等关键事件时间 | 实时记录 |
工程师提示： 内部火灾蔓延测试是 UL 1973 认证中最关键的测试之一，直接关系到系统安全设计的核心——能否将故障限制在单个电芯内。设计阶段应做好以下工作：（1）通过热仿真确定最不利电芯位置；（2）在电芯间采用隔热材料或散热通道打断热传播路径；（3）确保排气设计将高温气体引离相邻电芯；（4）BMS 应能在检测到单电芯异常时迅速切断其电气连接。对于大型系统，可考虑按模块拆分进行子系统测试以降低试验风险和成本。
9. 关键事实
- UL 1973 Section 42 要求确定系统最不利位置，在此处诱导单电芯失效，验证不引发级联失效
- 锂离子电池必须触发热失控，并在热失控发生后持续观察 ≥24 小时
- Annex F 提供 9 种故障诱导方法：3 种内部法（导电污染物、隔膜缺陷、内部加热器）和 6 种外部法（外部加热、压痕、钉刺、短路、过充等）
- 级联失效指单电芯故障通过热传导、燃烧、喷射火焰或导电污染物逐次触发相邻电芯失效
- 非锂电池体系若不发生热失控，以温度稳定作为测试终止条件（Section 42.3）
10. 常见问题
Q1：非锂电池体系不产生热失控怎么办？
故障后温度持续上升则继续监测；温度在短时间内稳定即可终止测试并判定通过（Section 42.3）。
Q2：Annex F 的 9 种方法如何选择？
可植入内部装置则优先用内部故障法（F2），否则用外部故障法（F3）。具体选择取决于电芯类型和测试条件。
Q3：子系统测试能否替代完整系统测试？
可以。但子系统必须包含完整系统中最不利的电芯排列，且热边界条件与完整系统等效。
Q4：目标电芯的最不利位置如何确定？
通过设计分析综合考量：散热条件、电气连接密度、机械约束力、排气路径方向和历史失效数据。
Q5：锂离子电池测试为何必须触发热失控？
仅电气故障不足以验证系统在真实热失控场景下的传播抑制能力（Section 42.2.1-42.2.6）。
11. 相关阅读
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- UL 1973 认证测试清单：Section 15-27 电气、28-37 机械、38-41 环境与 42 单体热失控全项一次讲清
12. 参考文献
- ANSI/CAN/UL 1973:2022, Section 42 — Single Cell Failure Design Tolerance
- ANSI/CAN/UL 1973:2022, Annex F — Failure Methods
- ANSI/CAN/UL 1973:2022, Section 6.7 — Cascading Failure
- UL 9540A — Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in BESS
- IEC 62619 — Secondary Cells and Batteries Containing Alkaline or Other Non-Acid Electrolytes