本份指引（文件標號2025-3-5）因應產業急迫需求，由SEMI Taiwan ESH委員會於2024年成立工作小組研擬，並於2025年2月提出初版草案，未來經SEMI Taiwan ESH委員會工作小組核准後供產業使用。如對本份指引有任何建議，請聯絡本指引工作小組共同召集人黃建彰博士或席寶祥博士。本份指引（文件標號2025-3-5）因應產業急迫需求，由SEMI Taiwan ESH委員會於2024年成立工作小組研擬，並於2025年2月提出初版草案，未來經SEMI Taiwan ESH委員會工作小組核准後供產業使用。如對本份指引有任何建議，請聯絡本指引工作小組共同召集人黃建彰博士或席寶祥博士。
本份指引以瑞士再保15大項為核心架構，並參考相關法規及標準（NFPA、UL、IEC等），希望作為使用者設計依據以及保險查勘依據。
鋰離子電池儲能系統(BESS)常見爆炸模式
本文鑑認鋰離子電池儲能系統(BESS)可能爆炸模式，依據過去測試與相關論文顯示，BESS常見有四種爆炸模式。
一、源於可燃性氣體聚集
在熱失控過程中，陸續產生的可燃性氣體聚集，可能因為沒有使用防爆電氣引火產生過壓爆炸。
‧降低風險措施：以IEC 60079-10-1 設計通風達到免設電氣防爆，詳本文「洩爆防護設計要求」及「免設洩爆防護要求」段落。【註：IEC 60079-10-1 免設電氣防爆設計須經當地法規審查單位同意，有些國家並不接受IEC 60079-10-1。】
二、源於液體逸散
當電池發生洩漏、冷卻液體洩漏或消防撒水噴射到電極時，會發生短路;其中電解液閃火點低，可能會增加爆炸風險。
‧降低風險措施：本文沒有討論洩漏短路風險控制。
三、短路電流
短路電流產生電弧，釋放巨大能量，電弧發出強光釋放能量伴隨著高溫，通常也會引起鋰離子電池熱失控。
‧降低風險措施：以IEEE 1584及NFPA 70E計算電弧邊境及防護措施，詳本文「電弧法規與標準」及「電弧爆炸基本防護要求」段落。
四、不完全燃燒
在熱失控第五階段，發生不完全燃燒，集裝箱內聚集高濃度CO，在開門時空氣吸入，CO濃度逐漸降低到LEL(12.5%)～LFL (74.2%)之間，且溫度仍高於自燃點時(607℃)，就有可能發生爆炸。
‧降低風險措施：本文沒有討論不完全燃燒及回火(backdraft)風險控制。
相關法規標準回顧
1、UL 9540 (2023)
2、IEC 60364-4-42 (2014)
3、IEC 62619 (2018)
4、 NFPA 855 (2023)
5、SEMI Taiwan ESH委員會指引文件(草案)
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-3鋰離子電池儲能系統風險評估
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-4鋰離子電池儲能系統消防
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-5鋰離子電池儲能系統電氣防爆與結構洩爆
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-6鋰離子電池儲能系統調試維運與退役安全
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-7鋰離子電池儲能能源轉換系統(PECS)安全
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-8鋰離子電池交直流充電樁安全
- SEMI台灣ESH委員會指引文件標號2025-3-9鋰離子電池AGV安全
爆炸防制技術：電氣防爆
一、防爆電氣法規與標準
二、電氣防爆設計要求
- 由上表可以發現,鋰離子電池儲能站(櫃)內應該是電氣防爆區域,歐美等國家使用通風免設電氣防爆。相關計算可以參考IEC 60079-10-1或NFPA 497其中鋰離子電池的可燃性氣體洩漏量與混合氣體LFL可以查該電池UL9540A報告。
- 依據NFPA 855應使用二套機械排氣風設備,其中一套通風設備失效就必須連鎖關閉儲能站,機械排氣風量可以稀釋最大洩漏濃度低於25%LFL之下。
- 以通風方式達到免設防爆有不同標準要求,整理如下表：
注意以NFPA497或IEC60079-10-1達到非電氣防爆驗證,雖已應用於歐美國家,但必須提醒,我國是否可以引用NFPA497或IEC60079-10-1須以主管單位解釋為主。
4、如果UL 9540A unit level 測試,至少三顆電芯同時熱失控,其可燃性氣體濃度沒有達到LEL且沒有火焰出現於模組之外,可以視為無須電氣防爆與洩爆。
爆炸防制技術：結構洩爆
一、洩爆法規與標準
二、洩爆防護設計要求
- 由法規標準回顧,可以知道NFPA 68為電池櫃或是集裝箱洩爆設計關鍵。
- 計算依據NFPA 68 Ch7 計算,必須注意長徑比(最常邊/等效直徑) < 5 。註: FM 1-44 要求亦同。
- NFPA 68洩壓片單位重量< 40 kg/m2, 註:FM 1-44洩壓片單位重量< 19.5 kg/m2 (除非隔熱因素可以< 39 kg/m2),要求較嚴格。
- NFPA 68爆炸速度由UL 9540A 報告取得。
- 如果UL 9540A unit level 測試,至少三顆電芯同時熱失控,其可燃性氣體濃度沒有達到LEL且沒有火焰出現於模組之外,可以視為無須電氣防爆與洩爆。
三、免設洩爆防護要求
依據UL 9540A unit 測試,至少三顆電芯同時熱失控,符合下列情況之一,可以免設洩爆防護:
- 測試期間,燃性氣體濃度濃度< 25% LEL, 或是超過25% LEL前可以關閉ESS,爆炸風險低,可以視為無須洩爆。
- 測試期間,可燃性氣體濃度沒有達到LEL且沒有火焰出現於模組之外,爆炸風險低,可以視為無須洩爆。
爆炸防制技術：電弧防爆
一、電弧法規與標準
二、電弧爆炸基本防護要求
1、使用絕緣工具和設備
(a)符合其使用電壓絕緣工具。
(b)符合其電壓保險絲或保險絲座。
(c)不導電繩索和手繩。
(d)玻璃纖維增強塑料棒(符合州、聯邦或地方規範和ASTM F711標準)
(e)不導電側欄的便攜式梯子
2、空間障礙
(a)電極間(或帶電元件)額定電壓絕緣橡膠。
(b)帶電元件與人之間額定電壓塑料防護設備
(c)現場物理或機械障礙。
3、處理導電材料、工具和設備
應固定門、鉸接面板等,以防止其擺動到員工身上並導致員工接觸暴露的帶電導體或電路部件,如果門、鉸接面板等可能移動,則存在電氣危險。造成危險。
缺失狀況：沒有固定門
缺失狀況：移動梯使用導電側欄
導電材料應利用塑料防護
額定電壓絕緣橡膠
4、維修空間禁止導電清潔材料
除非經過工作許可,不得在限制邊界內使用導電清潔材料(包括導電固體,如鋼絲絨、金屬化布和碳化矽,以及導電液體溶液),易燃材料。需斷電才能使用。
5、身上導電物品
因為存在感電風險,導電珠寶和衣物(例如錶帶、手鐲、戒指、鑰匙鏈、項鍊、金屬化圍裙、導電線布、金屬頭飾或金屬框眼鏡)不得在限制邊界內佩戴。
三、電弧爆炸進階防護要求
除電弧爆炸基本防護要求外，NFPA 70E 提供工程控制,包含高電阻接地, 維修模式跳脫, 電弧安全性分電盤, 差動繼電器, 限流型斷路器, 匯流排熱縮套管絕緣, 電弧閃光繼電器。本文沒有討論細節。
附件A IEC 60079-10-1 免設防爆電氣風量計算
1.由IEC 60079-10-1 B3.2 計算是否為堵塞流(choke flow)?
1.1計算絕熱膨脹係數γ=(M*Cp)/ (M*Cp-R)
1.2 計算臨界壓力Pc=Po ((γ+1)/2)EXP( γ/(γ-1))
其中：
Cp等壓比熱
R理想氣體常數[J/kg/k]
pa洩漏源外壓力[J/kmole/k]
P洩漏源內壓力[Pa]
S洩漏源開口面積[Pa/m2]
T洩漏源內絕對溫度[K]
Ta洩漏源外絕對溫度[K]
2.如果 P≧ Pc產生堵塞流(choke flow)由IEC 60079-10-1 B.7.2.3.3 計算
Choked 情況下氣體流出率Wg[Kg/s]如下
洩漏後膨脹氣體密度ρg [kg/m3]
洩漏速度Vs[m/s]
3.如果 P< Pc沒有產生堵塞流(choke flow)由IEC 60079-10-1 B.7.2.3.2
計算non-Choked 情況下氣體流出率Wg[Kg/s]如下
4. 由IEC 60079-10-1 D3計算源頭氣體洩漏特性值QC (choked flow)
5. 由IEC 60079-10-1 D1圖,依據Qc 直線向上延伸到高度稀釋區域,可以查得免設防爆通風風速
附件B NFPA 68洩爆片面積計算
B.1 名詞定義
(1)PmaxMaximum Pressure最大壓力
最佳混合物在封閉爆燃中產生的最大壓力。
(2) dP/dt Rate of Pressure Rise壓力上升率
壓力的增加量除以發生洩爆力上升速率所需的時間間隔。
在洩漏保護的容器中,特定濃度粉末與空氣混合物爆炸洩漏時產生的最大壓力上升速率。
(3)Kmax (Kst) deflagration index爆燃指數
(4)Pstat Static Activation Pressure 靜態啟動壓力
當壓力緩慢增加時啟動排氣口關閉的壓力 [壓力上升率小於 0.1 bar/min (1.5 psi/min)]。
(5)Pred maximum Reduced explosion overpressure 最大泄爆壓力
在泄壓保護的容器中,某一濃度粉塵與空氣混合物爆炸泄壓時產生的最大壓力。
B.2基本資訊
計算等效直徑Dhe= 4*(Aeff/P)
其中
Dhe等效直徑[m]
L3/Dhe <5
L3 最長邊
L1, L2 為另二邊 (非最長邊)
等效面積Aeff= L2*L3
濕周長P=2(L1+L2)
B.3 洩爆面積計算
得到Avo,先記為Avo,0,其中0代表起始疊代
B.4紊流火焰增強因子
λo(在洩壓爆燃中導致紊流與火焰不穩定性的氣體-空氣混合物的燃燒速度與基本燃燒速度(層流)之比),依據雷諾數(Re)修正
第一次疊代修正值 λ1=Φ1*Φ2 帶入B.2 計算洩壓片面積,可以得到Avo, 1 (第一次疊修正面積),如果Avo, 1 與 Avo,0 差異很小,可以停止疊代。