อัตราการปล่อยความร้อน: คำจำกัดความ สูตร และแผนภูมิ

ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ การทดสอบบางอย่างเป็นเรื่องปกติ แต่การทดสอบนี้ไม่ใช่หนึ่งในนั้น เมื่อคุณสร้างชิ้นส่วนต่างๆ เช่น แบตเตอรี่ขั้นสูง หรือวัสดุก่อสร้างใหม่ คุณมีหน้าที่รับผิดชอบที่จะต้องรู้ให้แน่ชัดว่าชิ้นส่วนเหล่านั้นจะมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อเกิดเพลิงไหม้

เราเชื่อว่าการให้ความสำคัญกับอัตราการปล่อยความร้อน (HRR) อย่างมากนั้น เป็นหนึ่งในสิ่งที่มีประสิทธิภาพที่สุดที่ทีมพัฒนาผลิตภัณฑ์สามารถทำได้ เราอยู่ในวงการนี้มาหลายปีแล้ว และเราบอกคุณได้เลยว่า การกำหนดตัวเลขนี้ให้ถูกต้องคือสิ่งที่แยกแยะผลิตภัณฑ์ที่ปลอดภัยอย่างแท้จริงออกจากอุบัติเหตุร้ายแรงที่อาจเกิดขึ้นได้ มันคือการมีภาพที่ชัดเจนว่าคุณกำลังเผชิญกับอะไร ก่อนที่จะสายเกินไป

ดังนั้น เรามาดูกันว่า HRR คืออะไร ทำไมจึงมีความสำคัญต่อการใช้งานแบตเตอรี่ และวิธีการอ่านผลการทดสอบอย่างถูกต้อง

ประเด็นที่สำคัญ

• ความเร็วสำคัญกว่าปริมาณ: อัตราการปล่อยความร้อน (HRR) เป็นการวัดว่าวัสดุปล่อยความร้อนออกมาเร็วแค่ไหน ไม่ใช่ปริมาณพลังงานทั้งหมดที่วัสดุนั้นกักเก็บไว้ ดังนั้นจึงเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีที่สุดว่าไฟจะลุกลามเร็วแค่ไหน
• สิ่งสำคัญต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่: สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงาน HRR สามารถทำนายได้ว่าความเสียหายของเซลล์เพียงเซลล์เดียวจะจำกัดอยู่เฉพาะส่วนใดส่วนหนึ่ง หรือจะก่อให้เกิดการระเบิดครั้งใหญ่ที่ส่งผลกระทบต่อทั้งชุดแบตเตอรี่
• จุดสูงสุดสำคัญที่สุด: อัตราการปล่อยความร้อนสูงสุด (pHRR) เป็นข้อมูลที่สำคัญที่สุดสำหรับวิศวกรด้านความปลอดภัย เนื่องจากแสดงให้เห็นถึงความรุนแรงสูงสุดของไฟและสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดที่อาจเกิดขึ้นกับผลิตภัณฑ์ของคุณ
• การคำนวณอัตโนมัติ: การทดสอบสมัยใหม่ใช้หลักการวัดปริมาณการใช้ออกซิเจน เราแนะนำให้ใช้ระบบอัตโนมัติในการจัดการสูตรที่ซับซ้อนและรับประกันความแม่นยำของข้อมูลโดยปราศจากข้อผิดพลาดจากมนุษย์
• การทดสอบเพื่อความสอดคล้อง: การปฏิบัติตามมาตรฐานต่างๆ เช่น UL 9540A จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความเที่ยงตรงสูง โซลูชันต่างๆ เช่น แคลอริมิเตอร์โมดูลแบตเตอรี่ ให้ข้อมูลที่ถูกต้องครบถ้วนเพื่อใช้ในการตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบด้านความปลอดภัยของคุณ
   

แล้วอัตราการปล่อยความร้อนคืออะไรกันแน่?

นิยามอย่างเป็นทางการของอัตราการปล่อยความร้อนคือ ความเร็วที่วัสดุปล่อยพลังงานความร้อนออกมาเมื่อเกิดการเผาไหม้ ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดเป็นกิโลวัตต์ (kW) แต่หากจะมองให้เข้าใจง่ายกว่านั้นก็คือ มันเปรียบเสมือนตัวเร่งการเผาไหม้ของไฟ

หลายคนอาจสับสนระหว่างอัตราการปลดปล่อยความร้อนกับปริมาณพลังงานทั้งหมดที่วัสดุนั้นกักเก็บไว้ แต่ความเข้าใจเช่นนั้นไม่ถูกต้อง ลองนึกถึงท่อนไม้ขนาดใหญ่กับถังน้ำมันเบนซินดู จริงๆ แล้วทั้งสองอาจมีศักยภาพพลังงานรวมใกล้เคียงกัน แต่ถ้าจุดไฟ ท่อนไม้จะค่อยๆ ไหม้ช้าๆ เป็นเวลาหลายชั่วโมง (อัตราการปลดปล่อยความร้อนต่ำ) ในขณะที่น้ำมันเบนซินจะปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วในรูปของลูกไฟขนาดใหญ่ (อัตราการปลดปล่อยความร้อนสูง)

ในทางวิทยาศาสตร์ อัตราการลุกไหม้ (HRR) สะท้อนถึงความเข้มข้นและความรุนแรงของกระบวนการเผาไหม้ (Ping et al., 2015; Voigt et al., 2021; Kim et al., 2022) การวัดค่าที่แม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประเมินอันตรายจากไฟไหม้ เนื่องจากช่วยในการทำนายพฤติกรรมของเปลวไฟและความเสี่ยงต่อการระเบิด (Ping et al., 2015; Kim et al., 2022; Fu et al., 2015) 

ตัวเลขที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วบ่งชี้ว่าไฟกำลังลุกลามอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้เวลาในการอพยพหรือดับไฟลดลงอย่างมาก สำหรับวิศวกรแล้ว นี่คือตัวแปรประเภทที่ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษ

บทความที่เกี่ยวข้อง: คู่มือเกี่ยวกับระดับ EUCAR และความปลอดภัยในการทดสอบแบตเตอรี่

เหตุใดสิ่งนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทดสอบแบตเตอรี่

สำหรับทุกคนที่ทำงานในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าหรือระบบจัดเก็บพลังงาน อัตราการปล่อยความร้อน (HRR) ไม่ใช่แค่ข้อมูล แต่เป็นตัวบ่งชี้สำคัญของความล้มเหลวของระบบ

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเริ่มร้อนเกินไป มันอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ โดยเซลล์ที่เสียหายเซลล์หนึ่งจะกระตุ้นให้เซลล์ถัดไปเสียหายตามไปด้วย การคำนวณอัตราการปล่อยความร้อน (HRR) เป็นสิ่งที่บ่งชี้ถึงโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น งานวิจัยชี้ให้เห็นว่า HRR ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น เคมีของแบตเตอรี่ โครงสร้างทางกายภาพ และสถานะการชาร์จ (SOC) โดยทั่วไปแล้ว SOC ที่สูงขึ้นจะนำไปสู่ ​​HRR สูงสุดที่สูงขึ้นและไฟไหม้ที่รุนแรงมากขึ้น (Ping et al., 2015; Kim et al., 2022; Fu et al., 2015; An et al., 2022)

บทความที่เกี่ยวข้อง: คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับการทดสอบแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างปลอดภัย

ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาความแตกต่างระหว่างเคมีของแบตเตอรี่ เซลล์ LFP (ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต) มักจะสร้างกราฟความร้อนที่ต่ำกว่าและราบเรียบกว่าเมื่อเทียบกับเซลล์ NMC (นิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์) เซลล์ NMC อาจแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและรุนแรงซึ่งควบคุมได้ยากกว่ามาก การทำความเข้าใจอัตราการเกิดความร้อนเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบระบบจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ (Ravdel & Puglia, 2022; Hu et al., 2021)

นี่คือเหตุผลว่าทำไมมาตรฐานอย่าง UL 9540A จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม เราคิดว่าการปฏิบัติตามมาตรฐานเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น เป้าหมายที่แท้จริงควรเป็นการผลักดันผลิตภัณฑ์ของคุณให้ถึงขีดจำกัดโดยใช้เครื่องวัดความร้อนสำหรับโมดูลแบตเตอรี่โดยเฉพาะ เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์จะไม่ถึงขีดจำกัดเหล่านั้นในภาคสนาม นั่นคือวิธีการออกแบบผลิตภัณฑ์ที่มีความปลอดภัยอย่างแท้จริง

สูตรและวิธีการกำหนดอัตรา

ภาพ

หลักการทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการวัดนี้คือหลักการอันชาญฉลาดที่เรียกว่า การบริโภคออกซิเจน สำหรับวัสดุส่วนใหญ่ จะมีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างความร้อนที่เกิดขึ้นและปริมาณออกซิเจนที่ไฟเผาผลาญไป

แม้ว่าจะมีวิธีการทดลองต่างๆ มากมาย รวมถึงวิธีการวัดการเพิ่มขึ้นของเอนทาลปีที่เหมาะสม แต่ละวิธีก็มีความไวและข้อจำกัดเฉพาะตัว (Voigt et al., 2021; Vanderwege & Petersen, 2025) อย่างไรก็ตาม การวัดปริมาณความร้อนจากการบริโภคออกซิเจนยังคงเป็นพื้นฐานสำหรับมาตรฐานสำคัญๆ เช่น ASTM E1354 และ ISO 5660

สูตรคำนวณอัตราการปล่อยความร้อนตามตำราเรียนมีลักษณะดังนี้:

วิธีการทำงานในห้องปฏิบัติการ:

ในทางปฏิบัติ ไม่มีใครยืนคำนวณด้วยเครื่องคิดเลขระหว่างการทดสอบยิงจริง การพยายามคำนวณด้วยมือเป็นเรื่องที่ไม่สามารถทำได้จริงและมีโอกาสผิดพลาดสูง ดังนั้น กระบวนการนี้จึงต้องอาศัยอุปกรณ์ที่ทันสมัยในการคำนวณ

1. ระบบจะจุดประกายตัวอย่างในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด
2. เครื่องมือนี้วิเคราะห์ไอเสียเพื่อวัดปริมาณออกซิเจนที่ไฟใช้ไป
3. อุปกรณ์นี้ทำการวัดอัตราการไหลของไอเสียไปพร้อมกันด้วย

เราเชื่อว่าการพึ่งพาการคำนวณด้วยมือหรือระบบที่ล้าสมัยเป็นความเสี่ยงที่ไม่จำเป็นในการทดสอบความปลอดภัยสมัยใหม่ ระบบที่ทันสมัย ​​เช่น ระบบของเรา โมดูลแบตเตอรี่เครื่องวัดแคลอรีระบบนี้จะทำให้กระบวนการทั้งหมดเป็นไปโดยอัตโนมัติ มันจัดการกับคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนได้ทันที ทำให้ทีมของคุณสามารถมุ่งเน้นไปที่ส่วนที่สำคัญที่สุด นั่นคือการตีความว่าผลลัพธ์มีความหมายอย่างไรต่อผลิตภัณฑ์ของคุณ

บทความที่เกี่ยวข้อง: เปรียบเทียบห้องทดสอบสภาพแวดล้อมกับเครื่องวัดความร้อนแบตเตอรี่ อธิบายโดยละเอียด

ทำความเข้าใจข้อมูลในแผนภูมิ HRR

หลังจากทำการทดสอบแล้ว ข้อมูลจะถูกนำเสนอในแผนภูมิอัตราการปล่อยความร้อน กราฟนี้แสดงเรื่องราวทั้งหมดของเหตุการณ์ไฟไหม้ตลอดช่วงเวลา

• ติดไฟได้เอง: เส้นกราฟพุ่งขึ้นจากศูนย์ทันทีที่วัสดุเริ่มลุกไหม้
• การเจริญเติบโต: ความลาดชันที่สูงชันเป็นสัญญาณเตือนที่ชัดเจนว่าไฟกำลังลุกลามอย่างรวดเร็ว
• จุดสูงสุด (pHRR): ลักษณะที่สำคัญที่สุดคือจุดสูงสุดของกราฟ เพื่อให้เห็นภาพ ลองนึกภาพการทดสอบโฟมที่ไม่ผ่านการบำบัดเทียบกับแผ่นกันไฟ โฟมจะสร้าง "เข็ม" แหลมคมน่ากลัวบนกราฟ ซึ่งแสดงถึงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในเวลาไม่กี่วินาที ในทางกลับกัน แผ่นกันไฟจะดูเหมือนเนินเขาเตี้ยๆ ที่ค่อยๆ ลาดเอียง รูปทรงนั้นบอกทุกอย่างเกี่ยวกับความเสี่ยงของการเกิดไฟลุกท่วมฉับพลัน
• การสลายตัว: เมื่อวัสดุถูกใช้หมดไป เส้นนั้นก็จะลดระดับลง

ในความเห็นของผู้เชี่ยวชาญ เราคิดว่าค่าอัตราการปลดปล่อยความร้อนสูงสุด (pHRR) เป็นค่าที่สำคัญที่สุดสำหรับวิศวกรด้านความปลอดภัย พลังงานรวมที่ต่ำไม่มีความหมายอะไรหากการปลดปล่อยความร้อนสูงสุดนั้นรุนแรงมากพอที่จะก่อให้เกิดความเสียหายหรือการลุกลามในทันที

ผู้สนับสนุน Qualitest เพื่อโซลูชันด้านความปลอดภัยที่ดีกว่า

ไม่ว่าคุณจะทำการทดสอบวัสดุตามมาตรฐานหรือทดสอบแบตเตอรี่ภายใต้สถานการณ์การใช้งานที่รุนแรง คุณก็ต้องการอุปกรณ์ที่ให้ข้อมูลที่เชื่อถือได้

เราเข้าใจดีว่างบประมาณเป็นปัจจัยสำคัญ เรายังมองว่าอุปกรณ์ทดสอบที่เหมาะสมเป็นการลงทุนที่สำคัญยิ่งต่อความสมบูรณ์ของผลิตภัณฑ์ เรามีอุปกรณ์ทดสอบแบตเตอรี่ที่แม่นยำและคุ้มค่าครบวงจร อุปกรณ์เหล่านี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อรองรับส่วนที่ซับซ้อนของการทดสอบความปลอดภัย คุณจึงมั่นใจได้ในข้อมูลและการปฏิบัติตามข้อกำหนด

พร้อมที่จะยกระดับศักยภาพการทดสอบของห้องปฏิบัติการของคุณแล้วหรือยัง? สำรวจอุปกรณ์ทดสอบแบตเตอรี่ของเราได้ที่นี่ และ ติดต่อเราเรายินดีช่วยเหลือคุณในการค้นหาทางออกที่เหมาะสมกับความต้องการของคุณ

อ้างอิง

• อัน, ว., ลู่, ย., หลิว, ฟ., หวัง, ท., ซู, ว., และ หวัง, ซ. (2022). การคาดการณ์อัตราการปล่อยความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 32,650 เซลล์แบบเดี่ยว/คู่วารสารการวิเคราะห์ความร้อนและแคลอรีเมตรี, 148, 2057-2067.
• Fu, Y., Lu, S., Li, K., Liu, C., Cheng, X. และ Zhang, H. (2015) การศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับพฤติกรรมการเผาไหม้ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 18650 โดยใช้เครื่องวัดปริมาณความร้อนแบบกรวย. วารสารแหล่งพลังงาน, 273, 216-222.
• หู, วาย., โช, เอส. และ การ์ริค, ที. (2021). การวัดอัตราการเกิดความร้อนและแหล่งกำเนิดความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบถุง. วิศวกรรมความร้อนประยุกต์, 189, 116709.
• คิม, เอส., ปาร์ค, เอส. และ ลี, อี. (2022). การประเมินความเสี่ยงต่อการระเบิดระหว่างเกิดเพลิงไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนวารสารการป้องกันการสูญเสียในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต
• ปิง, พี., หวัง, คิว., หวง, พี., หลี่, เค., ซุน, เจ., คง, ดี., และเฉิน, ซี. (2015). การศึกษาพฤติกรรมการเกิดเพลิงไหม้ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงานสูงด้วยการทดสอบการเผาไหม้เต็มรูปแบบ. วารสารแหล่งพลังงาน, 285, 80-89.
• ราฟเดล, บี. และ ปูเกลีย, เอฟ. (2022). วิธีการทางเทอร์โมเคมีในการหาปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาจากแบตเตอรี่: สูตร RI²วารสารของสมาคมเคมีไฟฟ้า
• Vanderwege, B. และ Petersen, B. (2025). ผลกระทบของความแตกต่างของอุณหภูมิต่อการทดสอบแคลอรีเมตรีของเซลล์แบตเตอรี่. ชุดเอกสารเทคนิค SAE
• Voigt, S., Sträubig, F., Palis, S., Kwade, A., & Knaust, C. (2021) การเปรียบเทียบเชิงทดลองระหว่างวิธีการวัดปริมาณการใช้ออกซิเจน (Oxygen Consumption Calorimetry) และวิธีการเพิ่มเอนทาลปีสัมผัส (Sensible Enthalpy Rise Approach) เพื่อกำหนดอัตราการปล่อยความร้อนของการเกิดเพลิงไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่วารสารความปลอดภัยจากอัคคีภัย