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锂离子储能电池安全IEC、UL、GB测试标准介绍

作者:FUXUAN 发布时间:2023-12-12 浏览量:

目前国际上具有影响力的锂离子电池储能系统安全测试标准有UL1973和IEC62619、日本、澳大利亚、韩国等国家均参照或编制了这两套标准的国内适用标准,我国在2017年和2018年先后出台了多项储能系统相关国家标准。

 

本文通过对UL和IEC主要储能系统锂离子电池安全标准的对比研究,系统地分析比较了各条款的具体要求,探讨了各标准的优缺点,并提出了一些建议为提高标准。

 

一、现行储能电池系统安全标准的特点:

    国际上,储能系统的安全标准主要有IEC标准和UL标准。欧洲和日本主要参考IEC标准制定相应的安全标准,如欧洲的EN62619和日本的JISC8715-28,都是根据IEC62619修订编制的。UL标准在北美应用广泛,其电池安全标准全面严谨,具有相当大的影响力。已经采用澳大利亚标准和IEC标准,澳大利亚标准协会在2017年开始起草DRAS/NZS5139,目前还没有看到正式发布。为配合韩国的新能源政策,2015年韩国出台了一系列储能相关标准,其中安全标准KBIA-10104-01主要参考了IEC相关标准,

 

    在锂电池运输安全方面,UN38.3是国际上比较通用的标准,要求锂电池运输,必须通过高模拟、热测试、振动、冲击、55℃外部短路、冲击测试、过充测试,强制放电测试,以确保锂电池运输安全。世界上大多数国家都采用这个标准。与UN38.3标准相比,IEC62281与UN38.3标准的主要区别在于测试样品的数量和带电状态的要求不同,测试项目基本相同。

 

1.1 储能电池系统IEC安全标准:

   储能系统产品IEC安全标准主要由国际电工委员会IEC标准工作组TC21/SC21A和TC120制定和颁布,TC21/SC21A侧重于所有二次电池的安全标准,而TC120侧重于电化学能量电网应用的存储(EES)系统相关标准。IEC储能系统的主要安全标准有:IEC 62619、IEC 62485-5、IEC 62933-5-1、IEC 62933-5-2、IEC 63056、IEC 62281。

 

    IEC62619规定了工业用二次锂电池的通用测试项目和最低安全要求,iec将其定位为广泛工业产品应用的“伞形标准”,包括通信基站、不间断电源系统(UPS)、能源存储系统、应急电源灯固定安装产品,以及堆垛机、高尔夫球车、无人驾驶车辆(AGV)、铁路、海运,不包括电力应用的陆路运输。针对各种产品应用,IEC进一步制定专门的锂电池安全标准来应对,例如针对储能系统的IEC63056。

 

    IEC62619强调电池系统应该在合理可预见的滥用情况下进行安全评估,包括外部短路测试、冲击测试、跌落测试、热滥用测试、过充电测试和强制放电测试。此外,在电池短路安全性的评估中,提供了两种可选的测试:电芯短路测试或电池系统热扩散测试网络,这是一种比较折衷的方法。

 

    IEC63056规定了额定电压小于1500V(DC)的储能系统用二次锂电池和电池组的安全要求,IEC62485-5规定了固定应用中锂电池的安装、使用、检查、维护和处置的安全要求,重点关注固定式锂电池的运行安全7:IEC62933-5-2规定了电化学储能系统安全要求系统包括锂电池应用,当它们被集成到电网中时。IEC62281规定了运输途中的一次、二次锂电池和电池组的安全要求。

 

综上所述,IEC储能安全标准层次较为清晰,涵盖内容全面。但由于是国际标准,参与制定的组织和成员关系复杂,涉及国家利益纠纷较多,进展缓慢,滞后于行业发展,除IEC62619外,IEC62281已经发布。

 

1.2 UL 储能系统安全标准:

UL(Underwriter Laboratories Inc.)安全实验室是美国从事安全测试和鉴定最权威的独立营利性专业机构,其电化学储能的主要安全标准如下:

 

UL 1973 安全标准 ANSI CAN/UL-1973:2018,固定式电池、车辆辅助电源和轻型电轨(LER)应用

 

UL 9540 储能系统和设备测试标准

 

UL9540A 评估电池储能系统中的热失控火灾传播

 

    UL1973 涵盖用于光伏、风能存储或 UPS 等固定应用中储能的电池系统,以及用于轻型电动轨道和固定铁路应用(如铁路变电站)的电池系统,并且与 IEC62619 类似,涵盖通用安全要求。但与IEC不同的是,UL不打算编制电网应用储能系统的锂电池安全标准,标准中的电池范围包括锂离子电池以外的其他类型电池,如钠-B电池和液流电池。2019年新修订的UL1973从结构要求、电气测试、机械测试、环境测试、电池失效测试、

 

    UL9540是针对三种储能技术(电化学储能、机械储能和热能储能)的储能系统安全标准,涵盖充放电系统、控制和保护系统、电源转换系统、通信、冷却和热管理系统、消防系统、燃料或液体管道、容器、系统安装等,包括储能系统的离网运行和并网运行。UL9540A主要用于评估电池储能系统的热失控特性,通过测试数据选择合适的防火防爆机制,是对具体测试方法的标准。目的是帮助供应商明确系统与墙体的分离要求,

 

综上所述,UL储能安全标准具有覆盖面广、针对性强、适用性强的特点,是目前较为成熟的产品安全标准。

 

1.3 国内储能系统产品安全标准:

与IEC和UL不同的是,国标没有将储能系统的安全标准单独成标准,而是在技术规范或运行管理规范中分章规定。以下是与锂电池储能系统安全要求相关的国家标准:

 

GB/T34131 电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范

 

GB/T36276 动力储能用锂离子电池

 

GB/T36547电化学储能系统接入电网技术规程

 

GB/T36548电化学储能系统接入电网试验规范

 

GB/T36558 电力系统电化学储能系统通用技术条件

 

GB/T36549电化学储能电站运行指标及评价

 

GB/T51048电化学储能电站设计规范

 

    其中,涉及电池系统安全的标准主要有GB/T34131GB/T36276GB/T36558。这些标准对功能性储能行业中的一些常用术语、符号、测试项目和测试方法进行了明确的定义,对国内储能行业的发展起到了引领作用。在电池或电池系统的初始充放电能量、倍率充放电性能、能量保持和回收能力、循环性能等与电池容量相关的测试中,采用恒功率充放电模式进行考核,为电网能量储能应用具有现实意义,促进储能产业的健康发展。

 

    与安全直接相关的测试有充电测试、过放电测试、挤压试验、跌落试验、低气压试验、发热试验、热失控试验、盐雾及高温高湿试验、绝缘性能试验、耐电压性能试验。电池管理系统BMS单独给出了一个技术规范,相关的电磁兼容测试在这个标准中进行了规定,测试时BMS不需要将真实的电池接入系统进行测试。这样的安排有利于BMS产品的单独检验,但对电池系统的检验可能存在偏差。

 

    除国家标准外,国家能源局能源行业、中电联CEC、中关村储能产业技术联盟CNESA、中国化学与物理电源行业协会等国内相关行业团体联盟CIPAS还发布了行(组)标:NB/T42091电化学储能电站用锂离子电池技术规范:

TCIAPS0003 动力储能系统用二次锂离子单体电池及电池系统安全要求

 

T/CEC172 动力储能用锂离子电池安全要求及试验方法

 

T/CNESA1000 电化学储能系统评价规范

 

T/CNESA1001 电力储能用直流电源连接器通用技术要求

 

T/CNESA1002 电化学储能系统电池管理系统技术规范

 

    其中NB/T42091早于国家标准发布,TCIAPS0003主要参照IEC62619修改,T/CEC172以国家标准为基础,将电池安全相关规范和测试方法整合为标准文件,除对于个别文章和测试方法,总体上没有太大区别。中关村储能联盟发布的T/CNESA1000结合国家标准和IEC标准,提出了一套完整的评分方法。T/CNESA1001规范了储能系统用直流电源连接机的通用技术要求,对系统中使用的连接器、接线端子、密封件、电缆等进行了详细的结构、电气和环境适应性要求。

 

2 这些安全标准的比较分析:

    除了电池系统的安全,包括储能逆变器(PCS)在内的外部集成系统的安全也是不可或缺的一环。但由于各个国家和地区的电网接入要求不同,这部分不适合直接比较,本研究范围不包括储能和电网的接入部分,即PCS到电网部分,主要研究常见锂离子电池系统的安全标准。所以这方面涉及的标准主要有UL1973、IEC62619、GB/T36276和GB/T34131。为了便于比较标准中各方面的要求,以UL标准为参考,将标准条款分为结构安全、电池本体安全、系统安全和环境安全四大类。

 

2.1 结构安全要求比较:

    UL1973对产品外壳提出了更详细、更具体的要求。例如非金属外壳、金属外壳、壁挂支撑拉手、线缆、端子等都有具体的要求。在这些方面,IEC和GB标准都没有详细的规范要求,只是要求在相关实验中不得使外壳破裂,造成内部材料外露或漏液。UL标准对外壳的可靠保护接地也有规定,而IEC和GB对电池系统没有保护接地规范,按相关电气标准执行,在检验过程中容易被忽视。

 

2.2 电池安全要求比较:

    这里的电池本体安全是指与电池直接相关的测试要求,比如过充过放测试。国家标准按照电池单体、电池模组和电池组(系统)三个层次规定了电池的测试要求和测试方法。UL和IEC表示每次测试的测试对象。在电池本体安全性方面,三者的差别并不算太大。有的地方,国家标准要求更加严格。例如,要求外部短路的线路内阻小于5mΩ,要求温升试验最高温度达到130℃并保持30min。一个重要的区别是UL标准对测试合格的判断更加严格。它不仅要求不应有起火、爆炸和漏液现象,而且规定试验后不应有有毒气体、可燃气体的积聚、外露触电危险和失去保护控制等现象。

 

    与温度相关的安全要求与每个标准有很大差异,UL的充放电极限温度测试:在最大充放电条件下,应保持在规定的极限工作条件内。对温度敏感的关键安全装置应保持在额定温度范围内。同时,可接触表面温度不得超过安全限值。IEC从热滥用方面提出要求,要求BMS对过热充放电进行保护。GB标准与IEC类似,但试验温度提高到130℃。

 

    考虑到实际情况,UL的电池充放电极限温度测试要求更贴近实际工程应用。此外,UL还规定了电池模组的不平衡充电试验,IEC和GB均未规定。在跌落测试方面,UL和IEC根据测试对象的重量进行分级测试,而GB标准统一采用从1.2m高度自由跌落至水泥表面的测试方法,正极或负极朝向向下。这种一刀切的做法很容易实现,但是否符合产品开发的需要还有待商榷。三个标准都有热失控扩散的要求,其中IEC标准可以选择铁芯短路测试作为替代测试。

 

    另外,在美国,UL9540A用于评估电池储能系统的热失控特性,并通过测试数据选择合适的防火防爆机制,是一些测试方法的标准。目的是帮助供应商明确系统与墙体的隔离要求、系统的加热能力、可燃部件、燃烧产生的气体种类及灭火器的选择。IEC和GB没有制定类似的标准。

 

2.3 环境影响要求比较:

    UL标准规定了盐雾试验、防潮试验、外火试验等环境试验,而GB标准规定了盐雾试验、高温高湿试验。需要说明的是,这两项环境测试是根据产品的实际应用环境来确定的,不是必须的项目。IEC62619没有关于环境测试的规定,可能是因为该标准是通用标准,而IEC62485-5还没有发布。不知道有没有这方面的内容。在电磁兼容方面,国家标准在BMS技术规范GB/T34131中规定了测试项目和要求等级。在 UL 和 IEC 中,“对安全起关键作用、依赖电、电路、软件的控制系统进行功能安全分析”包括对BMS的测试。参考标准之一IEC60730-1附录h包括电磁兼容测试项目和测试方法。项目数量超过国家标准。测试方法强调测试各种模式的控制器(BMS属于电子控制器的范畴),检查对被控设备安全性的影响。

 

2.4 系统要求比较:

    在系统安全分析方面,UL和IEC都要求对电子电路软件进行功能安全评估。UL还要求对系统进行风险分析,提供FMEA或故障树分析报告,有利于排查系统的各种风险,如触电风险、火灾风险、机械风险等,将风险控制在适当的低概率。GB标准对此没有规定。在系统元器件安全方面,UL标准指明了关键元器件应满足的标准规范,而IEC和GB标准则没有直接要求。

 

 

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