為什麼氫檢測是鋰離子電池管理系統的必備功能

有人告訴你，你需要一個鋰離子電池的電池管理系統 (BMS)——可能用於新電池的安裝、儲能項目，或者為了滿足不斷升級的安全標準。 BMS 就像電池系統的大腦：監控效能，將充電和放電保持在安全範圍內，並在需要時關閉電池。

但你可能不知道的是：在異常條件下存在的各種氣體中，有一種氣體的監測比其他所有氣體都更重要。氫氣檢測不僅有用，而且至關重要。它應該成為任何現代、可靠的電池管理系統 (BMS) 設定的一部分。

為什麼氫對鋰電池管理安全至關重要

正常情況下，鋰離子電池不會釋放氫氣。然而，當故障時——例如過度充電、電池損壞、隔膜缺陷、內部短路，甚至電池內部形成微小的鋰枝晶——電池都可能進入一種稱為熱失控的狀態。此時，情況會迅速變得非常危險。

在熱失控情況下，溫度以每分鐘20°C的速度失控上升，臨界溫度為125°C，最高可達500°C。這種極端高溫會導致電池內部隔膜熔化，損害關鍵的固體電解質界面層（SEI）。 SEI層是電池運作的基礎，因為它促進鋰離子移動，同時限制電子流動。當SEI層降解時，電池化學性質會變得越來越不穩定，最終導致電池失效。

這種分解反應的主要副產品之一是什麼？氫氣－以及一氧化碳、二氧化碳和其他有毒或易燃氣體。

研究表明，氫氣是熱失控早期釋放的主要氣體，使其成為理想的預警指標。隨著溫度持續升至200°C以上，陽極開始暴露，進而加速分解過程。到300°C時，陰極材料開始分解，大大增加了爆燃和爆炸的可能性。

然而，產生的主要氣體氫氣尤其危險，因為：

它極易燃燒
無味且無形
它可以在密閉空間內積聚
只需少量濃度就能點燃

如果沒有適當的檢測和持續的監控，危險的情況可能會在毫無預警的情況下出現，直到為時已晚。

電池管理系統的作用－以及氫氣檢測的作用

安全性始於電池管理系統 (BMS)，也稱為儲能管理系統 (ESMS)。 BMS 監控重要的電池效能指標，例如充電狀態、充電狀態、過放電和溫度等級。當 BMS 偵測到可能導致危險情況的情況時，它會立即關閉系統。此外，BMS 還會優化電池效能，以確保最高的效率、更長的使用壽命和整體功能。

現代 BMS 系統可以檢測可能導致熱事件的條件，但它們無法直接感知表明熱失控已經開始的氫氣的存在。

電池管理系統 (BMS) 負責充電、均衡和溫度監控，以提供全面保護，但同時也應配備氫氣檢測功能。氫氣感測器整合到電池儲能係統中後，可以在早期階段做出反應，防止氫氣積聚，從而避免情況惡化。這為系統爭取了時間：

觸發警報
關閉電池模組
打開通風
提醒人員
防止火災或爆炸

它是電子控制與現實世界危險緩解之間缺少的橋樑。

為什麼現在的法規要求檢測氫氣

全球各地的安全規範和標準都開始要求氫氣檢測，企業可以預期保險範圍將反映這些標準。許多法規和安全標準都要求在電池室或鋰電池存放區域使用氫氣檢測系統。

NFPA 855 強制要求在儲能係統中安裝可燃氣體（如氫氣）檢測系統
英國 COSHH 法規要求雇主評估與氫氣等危險物質相關的風險，並制定事故、事件或緊急情況的行動計畫。
IEC 62933-5-2 為 ESS 安全性提供建議，包括用於早期預警熱事件的氣體偵測系統
UL 9540A 測試方法評估電池儲能係統中的熱失控傳播，其結果通常會推動對氣體檢測的要求

現在許多地方消防部門和保險公司都要求在鋰儲存室設計中配備氣體檢測系統。

結論：如果您要安裝鋰電池，則需要進行氫氣檢測，這對於鋰離子電池的電池管理系統來說通常是必要的。

整合氫氣檢測的智慧方法

並非所有氣體感測器都生來平等——許多感測器並非專為鋰電池環境設計。這正是 H2scan 的用武之地。

與傳統的電化學或催化珠感測器相比，H2scan 的技術在幾個關鍵方面取得了顯著進步。我們的感測器採用氫專用貴金屬礦物合金，能夠選擇性地吸收氫分子，從而提供精確的測量，且不受電池裝置中常見其他氣體的干擾。

傳統感測器通常需要每季校準，每1-2年更換一次感測元件，並且容易出現漂移和誤報。相較之下，H2scan感測器在其超長的使用壽命內始終保持精確度，且不存在上述任何問題。這顯著降低了維護成本，避免了不必要的維護，並防止了感測器校準漂移所帶來的風險。我們的持續監測功能可以及早了解電池狀況，從而避免代價高昂且難以預料的故障。

我們的專利固體態氫感測器設計用於：
零維護 — 無需校準氣體或現場訪問即可進行自我校準，除非檢測到異常情況。
感測器壽命長 — 與您的電池系統的生命週期相匹配
快速、準確的回應 — 及早檢測低氫水平
易於集成 — 與您現有的 PLC、BMS 或警報系統搭配使用
自我診斷 — 自動提醒您任何操作問題

使用 H2scan 的HY-ALERTA® 5020通用位置感測器或HY-ALERTA® 5320本安型感測器（4-20mA 和 Modbus 或 Modbus RTU 功能，採用 NEMA 4X 外殼），您不僅僅是滿足我們市場領先的第五代技術，增加了一層值得信賴的安全保障。

5320

最後的想法：更聰明的電池管理系統包括氫氣檢測

您的電池管理系統是控制中心。但如果沒有氫氣檢測，它就會對最危險的故障跡象之一視而不見。切勿讓可預防的氣體積聚演變成災難性事件。將可靠的氫氣感測整合到您的系統中，您可以提前洞察異常情況，從而防止設備和設施受損，最重要的是，確保人員安全。同樣的洞察能力使營運團隊能夠遷移到基於狀態的維護策略，避免定期維護制度中常見的不必要成本。

來源：

NFPA 855：固定式儲能係統安裝標準： https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=855
英國 COSHH 法規： https://www.hse.gov.uk/coshh/
IEC 62933-5-2：電能儲存系統安全需求： https://webstore.iec.ch/publication/30966
UL 9540A：評估電池儲能係統中熱失控火焰蔓延的測試方法： https://www.ul.com/services/9540a-test-method
Feng, X. 等 (2018). “電動汽車用鋰離子電池熱失控機制：綜述。”《儲能材料》，10，246-267： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829716303453
Kong, L. 等人（2018 年）。「鋰離子電池中幾種正極材料的氣體析出行為。」《電源雜誌》，第 396 卷，第 358-367 頁： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775318304377
Lee, JY 等人（2024 年）。「基於數值分析的鋰離子電池儲能係統熱失控緩解方法研究。」儲能期刊，76，109812： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X24007461

排氣成分（包括O₂和N₂）
氣體成分	濃度 % (v/v)
二氧化碳	20.39
CO	5.39
氮氣	27.06
氧氣	0.02
氫氣	34.35
離子	4.50
碳氫化合物	3.58
碳氫化合物	1.06
碳氫鍵	0.93
碳氫化合物	0.29
碳₄氫₈	0.37
C₄H₁₀	0.12

Jeff Donato 是世界一流的氫氣感測器解決方案供應商 H2scan Corporation 的安全產品銷售總監。 Donato 是 IEEE PES 成員，並擔任 1578 工作小組主席，為業界帶來技術標準專業知識。 Donato 曾擔任 EnviroGuard 的技術長和首席行銷官，在備用電池行業擁有豐富的經驗，該行業對電力系統和安全應用至關重要。