UL 1973 热失控测试 | Section 42 | 诱导方法

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一、Section 42 的定位：为什么它是最关键的测试

在 UL 1973 的全部 28 个测试项目中，Section 42（单电芯失效设计容错）被置于最后执行并单独占据一个完整部分。这不是偶然——它代表了标准对电池安全终极验证的核心哲学：

"即使一个电芯在最恶劣的条件下发生热失控，电池系统也必须容纳后果，不让火灾蔓延到系统外部，不产生爆炸。"

Section 42 的高难度在于：

需要主动在电池系统内部创造极端危险状态
对系统设计的热管理、结构强度、泄压路径提出全面考验
测试结果通常是"通过"或"失败"的二元判定，没有中间地带
约 60-70% 的首次认证失败发生在 Section 42

二、Section 42 的适用范围与总则 (42.1)

2.1 适用对象

Section 42 适用于 UL 1973 范围内的所有电化学体系电池系统：

电化学体系	对应章节	热失控诱导方法
锂离子 (Li-ion)	42.2	内热器/外热器/针刺/挤压/过充
锂金属 (Li-metal)	42.3	按制造商推荐方法
钠-beta (Sodium-beta)	42.3	按制造商推荐方法
其他技术	42.3	基于风险分析选择合适方法

2.2 核心原则

标准在 42.1 中确立了以下核心原则：

最少危害位置原则： 必须通过事先分析确定系统中"热失控传播概率最高、危害最大"的电芯位置
温度可控原则： 诱导前电芯温度必须在制造商指定最高运行温度的 ±10°C 范围内
一旦触发即停止干预： 热失控一旦确认触发，所有外界诱导手段必须立即停止
充分观察原则： 热失控触发后，须静置 24 小时观察是否存在火灾传播或爆炸

三、锂离子电芯热失控测试流程 (42.2)

3.1 测试流程总览

3.2 各步骤详细说明

步骤1: 事前分析——确定最差电芯位置

这是测试执行前的关键准备工作。工程团队需要通过以下分析确定"热失控传播风险最高"的电芯位置：

分析维度	考虑因素	分析方法
热场分布	模组内温度梯度、散热不对称性	CFD 热仿真（Fluent/Star-CCM+/6SigmaET）
电芯一致性	内阻差异、容量差异、SOC 偏差	电化学模型 + 批次数据
散热路径	自然对流/风冷/液冷的不均匀性	热仿真 + 实测验证
结构约束	电芯受约束程度差异（中心 vs 边缘）	FEA 结构分析
排气路径	泄压通道的最不利位置	流体仿真 + 经验判断

工程实践： 通常选择模组中心位置的电芯——中心位置散热最差，热累积最严重，且一旦热失控，周围被全方向的"邻居"电芯包围，级联传播风险最高。

步骤2: 测试前条件

温度要求 (±10°C 容差):

这是 UL 1973 的一个关键细节。诱导热失控之前，电芯必须处于制造商规定的最高运行温度 ±10°C 范围内的温度。例如：

如果最高运行温度为 55°C，则电芯温度须在 45°C ~ 65°C 之间
如果最高运行温度为 60°C，则电芯温度须在 50°C ~ 70°C 之间

这个要求确保测试在最严苛的热边界条件下进行——高温环境下的电芯更容易触发热失控且更难以遏制。

SOC 要求:

电芯 SOC 须处于制造商定义的 MOSOC（最大运行荷电态）
高 SOC 下电芯能量更高，热失控后果更严重，这是最严苛的测试条件

步骤3: 选择热失控诱导方法

详见本文第四部分。

步骤4: 实施热失控诱导

诱导过程的关键控制点：

开始诱导： 按选定的 Annex F 方法施加诱导手段
持续监控： 密切监测电芯温度、电压变化、是否有气体释放
TR 确认 (per 6.58): 一旦观测到自加速温度升高（温度上升速率明显加快且不可逆），即判定为热失控触发
立即停止干预： TR 确认后，所有外部能量输入（加热、针刺等）必须立即停止
让其自然发展： 此时不再对系统施加任何人为干预，让热失控自然发展

步骤5: 24 小时观察期

这是测试中最长、最紧张的阶段：

持续时间： 热失控确认触发后，连续观察 24 小时
温度监测 (42.2.5): 至少 4 个位置需要持续监测并记录温度：
1. 失效电芯本体温度
2. 紧邻失效电芯的周围电芯温度
3. 电池系统外壳外表面温度
4. 支撑面（测试台面/地面）温度
观察内容：
- 有无可见明火从 DUT 中窜出
- 有无外壳爆炸性破裂
- 有无可燃气体排放
- 有无有毒蒸气排放（如果标准适用部分声明了相关要求）

3.3 最终判定标准

判定	条件	说明
PASS	24 小时内无火灾从 DUT 中传播出来，且无爆炸	即使电芯内部烧毁，只要不传播、不爆炸即通过
FAIL	观测到火焰从 DUT 传播到外部环境	级联失效导致的火灾传播不可接受
FAIL	发生爆炸（外壳猛烈解体并猛烈释放能量）	爆炸性失效不可接受

关键理解： 标准并不要求"电芯不能热失控"（这是不现实的），而是要求"热失控发生后，系统能将其控制在内部，不让灾害蔓延"。

四、五种热失控诱导方法详解 (Annex F)

UL 1973 的 Annex F 提供了 5 种标准化的热失控诱导方法。不同方法适用于不同类型的电芯：

4.1 F2.3 内部加热法 — 首选方法

内部加热法是最能真实模拟电芯内短路的方法：

原理： 使用电芯制造商特别定制的电芯，内部集成了微型电阻加热元件
操作： 向加热元件通电，内部温度持续上升直至隔膜熔化，正负极直接接触造成内短路
优势：
- 最接近真实内短路失效机制
- 热失控触发最可控、可重复
- 不破坏电芯外壳，可以测试密闭系统的真实行为
局限： 需要电芯制造商配合定制，增加时间和成本

操作要点：

确认定制电芯的加热元件功率和引出方式
将加热引线从 DUT 中引出（不破坏系统密封性）
逐步增加加热功率，监测电芯温度和电压
一旦确认 TR 触发，立即断电

4.2 F3.1 外部加热法 — 常用替代方案

外部加热法是实际操作中应用最广的方法之一：

原理： 将薄膜加热器贴合在电芯外壳的部分区域，通过外部热传导加热电芯内部，最终触发热失控
加热器要求：
- 薄膜形式，紧密贴合电芯表面
- 覆盖电芯壳体的一部分（不应覆盖整个表面）
- 加热功率控制在安全可调范围
优势： 不需要定制电芯，实施简单，成本低
局限： 加热不均匀，可能无法触发热失控（尤其对于散热良好的电芯）

操作要点：

在选定电芯上贴合薄膜加热器
确保加热器与电芯间有良好的热接触（可使用导热胶）
在加热器位置附近布置温度传感器
逐渐升温，监测电压变化
TR 确认后立即断电

4.3 F3.3 针刺法

原理： 用钢针以受控速度刺穿电芯，导致正负极短路
针的规格： 直径 1-3mm，不锈钢或等效材料
针刺速度： 0.1 mm/s（非常缓慢，以保证短路充分发展）
停止条件： 电芯开路电压 (OCV) 降至 500mV 以下
适用： 软包电芯、小尺寸圆柱电芯
不适合： 厚壁方形铝壳电芯（难以刺穿）

4.4 F3.2 挤压法

原理： 使用钨钢压头以受控速度挤压电芯外壳，使内部隔膜破裂造成内短路
压头规格： Φ 3.2mm 碳化钨球面（硬度极高，不变形）
挤压速度： 0.1 mm/s
停止条件： OCV 降至 500mV 以下
适用： 方形铝壳电芯（尤其适合针刺法对付不了的类型）
优势： 不刺穿壳体，更接近真实"内部挤压变形"场景

4.5 F3.5 单电芯过充法

原理： 对选定的电芯施加持续的过充电流，使其电压远高于正常工作极限
升压速率： 1V/min 从电芯最高工作电压开始爬升
充放电倍率： 使用电芯标称容量的 110% 电流倍率
停止条件： 触发热失控或电压达到预定极限
适用： 需要单独电芯充放电接口的系统设计
局限： 需要系统设计上允许对单个电芯进行独立充放电操作

五、测试装置与布局要求

5.1 测试环境布局

5.2 设置要求清单

要素	要求	备注
DUT 安装	按制造商推荐安装方式（壁挂/落地/堆叠）	与实际使用场景一致
电芯状态	MOSOC + 最高运行温度 ±10°C	最严苛边界条件
环境温度	实验室常温（通常 23±5°C）	但不强制恒温
排烟系统	必须有排烟，但不能影响火灾发展	不能向 DUT 定向吹风
视频记录	全程视频记录	用于事后分析传播过程
安全隔离	测试区与观察区之间保持安全距离	有防爆挡板优先
灭火准备	消防设备待命，但不主动干预	仅在被测系统外部火灾失控时介入

六、温度监测要求 (42.2.5)

Section 42.2.5 详细规定了温度监测的最低要求：

6.1 四个必需的监测位置

编号	监测位置	目的	传感器类型
T1	失效电芯	记录诱导过程中的温度上升速率和 TR 触发时间点	热电偶（K型，贴于电芯表面）
T2	相邻电芯	监测级联传播：相邻电芯温度是否达到危险水平	热电偶（贴于相邻电芯表面）
T3	外壳外表面	外壳温度是否达到引燃外部材料的危险水平	热电偶或红外
T4	支撑面	安装面温度是否过高	热电偶

6.2 数据记录规范

采样频率： 至少 1 Hz（每秒 1 次），推荐 10 Hz 或更高
记录时长： 从测试开始到 24 小时观察期结束
数据保存： 温度数据作为测试报告的一部分永久保存

七、其他电化学体系的测试 (42.3)

7.1 锂金属电池

锂金属电池（含金属锂负极）的热失控特性与锂离子电池不同：

金属锂与水反应会产生氢气
热失控温度可能更高
诱导方法可能需要调整，优先采用制造商推荐方案

7.2 钠-beta 电池

钠-beta 电池（如 Na-NiCl₂、Na-S）在 UL 1973 中也有覆盖：

工作温度高（通常在 270-350°C 范围内）
热失控机制与锂离子电池有本质区别
诱导方法需基于风险分析确定

八、在实际测试中常见的问题与建议

8.1 热失控诱导失败的常见原因

问题	原因	解决方案
加热到目标温度仍不触发 TR	电芯热管理太好、加热功率不足	提高加热功率或更换诱导方法
针刺后不短路	针刺未有效穿透隔膜、针径太细	增大针径、降低针刺速度
挤压后 OCV 下降但未 TR	短路不充分、内阻限流	改用内部加热法
过充到高压仍未 TR	隔膜耐压高、电芯设计安全	改用物理诱导方法

8.2 常见失败模式

失败模式	根本原因	预防措施
火焰从外壳缝隙喷出	密封设计不足	强化密封、优化泄压路径
相邻电芯级联热失控	隔热设计不足	添加电芯间隔热层
外壳爆炸性破裂	泄压阀容量不足	增大泄压面积、优化开启压力
BMS 在高温中失效	电子元器件耐温不足	高温区隔离BMS

工程师提示

Section 42 测试成败的关键经验：

内热器法成功率最高 — 如果时间和预算允许，定制内热器电芯是确保"能够成功触发热失控"的最佳选择。

±10°C 容差是双刃剑 — 高温容易触发 TR（好事），但也增加了级联传播的风险（坏事）。需要平衡。

诱导方法选择是关键技术决策 — 错误的诱导方法可能导致"无法触发 TR"而浪费一次测试（和样品）。

泄压设计是防止爆炸的关键 — 外壳必须有足够的泄压能力（面积、开启压力），否则热失控产生的高压气体会导致爆炸性破裂。

电芯间隔热是阻止级联的核心手段 — 气凝胶隔热片、相变材料(PCM)、云母板等是被动防级联的有效手段。

测试前须进行 Sub-scale 预实验 — 建议先在模组级样品上做一次预测试，验证诱导方法的有效性和系统响应，再进入正式的完整系统测试。

不要低估 24 小时的观察要求 — 热失控后的缓慢化学反应可能在几小时后才引发明火。确保监控系统在 24 小时内持续可靠工作。

关键事实

测试适用范围 (Section 42.1): Section 42 适用于 UL 1973 范围内的所有电化学体系电池系统，包括锂离子 (42.2)、锂金属、钠-beta 及其他技术体系 (42.3)。测试前必须通过热场分析、电芯一致性分析和散热路径分析确定系统中热失控传播风险最高的电芯位置。
测试前条件 (Section 42.2): 诱导热失控前，目标电芯必须处于制造商定义的 MOSOC（最大运行荷电态），电芯温度须在制造商规定的最高运行温度的 ±10°C 范围内。举例：最高运行温度 55°C 时，电芯温度须在 45°C ~ 65°C 之间。高温 + 高 SOC 的组合确保测试在最严苛的边界条件下进行。
诱导方法 (Annex F): 5 种标准化热失控诱导方法：内部加热法 F2.3 (定制电芯内含微型加热元件)、外部加热法 F3.1 (薄膜加热器贴合电芯表面)、挤压法 F3.2 (Φ3.2mm 钨钢球面压头，0.1mm/s)、针刺法 F3.3 (1-3mm 钢针，0.1mm/s)、单电芯过充法 F3.5 (1V/min 升压，110% 标称容量倍率)。所有方法均在 TR 确认后立即停止干预。
24 小时观察与 Flames 判定 (Section 42.2.4): 热失控触发后，须连续观察 24 小时。通过标准：无火灾从 DUT 中传播到外部环境，且无外壳爆炸性破裂。失败标准：观测到火焰从 DUT 中窜出，或发生外壳猛烈解体的爆炸。电芯内部烧毁但火焰不外传视为通过。
温度监测 (Section 42.2.5): 至少 4 个监测位置需持续记录温度：T1 失效电芯、T2 相邻电芯、T3 外壳外表面、T4 支撑面。采样频率至少 1 Hz（建议 10 Hz），从测试开始到 24 小时观察期结束全程记录，数据作为测试报告永久保存。

常见问题

Q1: 如果 5 种方法都试过了，电芯就是不触发热失控怎么办？ A: 这是一个实际操作中确实会遇到的问题，尤其是对于高安全性设计的电芯（如 LFP 磷酸铁锂）。应对策略：(1) 优先回归内部加热法 F2.3，这是成功率最高的方法——向电芯制造商定制内置加热元件的电芯，从内部升温更可靠；(2) 如果无法定制电芯，尝试组合策略——先用外部加热器将电芯预热到接近 ±10°C 容差上限的温度，再配合针刺或挤压法；(3) 与认证实验室沟通，确认是否可以采用额外的诱导手段（如在制造商同意下使用更高的加热功率）；(4) 如果所有方法都失败，说明电芯本身的安全性极高——这对于认证通过是利好消息，但仍需要与实验室正式记录诱导尝试过程和失败原因。

Q2: Section 42 测试的样品可以和机械/环境测试共用吗？ A: 不可以。Section 42 是彻底的破坏性测试——目标电芯被诱导热失控后可能引发级联失效、火灾或爆炸，整个 DUT 将被完全破坏。因此需要独立的样品组。建议至少准备 2 套样品用于 Section 42（含 1 套备份），因为诱导失败或首次测试失败可能需要再次测试。这些样品与其他测试（电气、机械、环境）完全不共用。在样品规划阶段就应该将 Section 42 的样品需求单独计算。

Q3: 测试过程中如果电芯已经热失控了，但外壳没有着火也没有爆炸，判为通过后是否可以继续使用该电池系统？ A: 不可以。Section 42 测试通过仅代表该设计的安全性能满足标准要求，测试后的 DUT 已经遭受不可逆的严重破坏（至少一个电芯完全烧毁，相邻电芯可能受损，BMS 和外壳可能受到高温影响），必须按危险废物处理。认证通过后，同型号的量产产品可以正常销售和使用，但测试样品本身不具备任何实用价值。这也是为什么 Section 42 被放在最后执行——测试至此所有样品均已消耗或破坏。

Q4: Annex F 的各种诱导方法中，哪些是最常用的？成功率分别是多少？ A: 在实验室实际操作中：(1) 外部加热法 F3.1 是应用最广的（约占 50-60% 的测试），因为不需要定制电芯，实施简单、成本低，缺点是可能加热不均导致无法触发；(2) 内部加热法 F2.3 成功率最高（接近 100%），但需要电芯厂配合定制，增加时间/成本；(3) 挤压法 F3.2 对方形铝壳电芯效果良好（约 80-90% 成功率）；(4) 针刺法 F3.3 对软包/圆柱电芯有效（约 70-80% 成功率），但对厚壁铝壳基本无效；(5) 过充法 F3.5 成功率波动大（50-80%），取决于电芯隔膜耐压设计。建议在正式测试前通过 sub-scale 预测试验证所选方法的有效性。

Q5: Section 42 的测试结果判定是二元化的（PASS/FAIL），但如果出现"边缘情况"怎么办？比如外壳轻微烧焦但没有明火窜出，或者 24 小时后才开始冒烟？ A: 判定标准的核心是"火焰是否从 DUT 中传播到外部"和"是否发生爆炸"。具体原则：(1) 外壳轻微烧焦但无明火窜出 → PASS（内部烧毁被容忍）；(2) 有火星/火花短暂飞出但无持续火焰 → 需要与实验室讨论，标准倾向于严格解释，建议按"边缘通过"处理但记录在案；(3) 任何持续性的明火从 DUT 的任何开口、缝隙或外壳破损处窜出 → FAIL；(4) 如果有毒/可燃气体从 DUT 中释放，判定取决于产品声明是否覆盖这些风险——如果声明了相关防护，则需要评估是否达标。关于时间窗口：24 小时内发生上述任一 FAIL 条件即判为失败；24 小时之后才开始的现象（如缓慢化学反应导致的后续冒烟），标准以 24 小时为截止点，超时后的现象不纳入判定。但为安全起见，建议继续观察直至系统完全冷却。

参考文献

ANSI/CAN/UL 1973:2022, Third Edition — Section 42: Single Cell Failure Design Tolerance (42.1-42.3), Section 42.2.4 (Pass/Fail Criteria), Section 42.2.5 (Temperature Monitoring)
ANSI/CAN/UL 1973:2022, Third Edition — Annex F: Thermal Runaway Induction Methods for Cells (F2.3 Internal Heater, F3.1 External Heater, F3.2 Crush, F3.3 Nail Penetration, F3.5 Single Cell Overcharge)
ANSI/CAN/UL 1973:2022, Third Edition — Section 6.58: Glossary definition of Thermal Runaway; Section 6.7: Cascading
UL 9540A:2019 — Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems, Section 5 (Test Setup and Instrumentation), Section 6 (Cell-Level Testing)
IEC 62619:2017 — Safety requirements for secondary lithium cells and batteries for industrial applications, Annex A (Thermal Abuse Test — external fire and thermal runaway propagation)