中國儲能網訊：7、安全標準、規(guī)范、指南和規(guī)定
在過去五年，隨著電池儲能行業(yè)的發(fā)展，國際上針對儲能系統(tǒng)和大容量鋰離子電池制定了多項安全標準。國際電工委員會(IEC)、美國保險商實驗室(UL)、美國國家消防協(xié)會(NFPA)和德國VDE等機構和組織致力制定這些標準。而VDE在德國領導制定儲能系統(tǒng)的設計、測試和安裝要求的工作。儲能系統(tǒng)標準的范圍既包括大型的電網規(guī)模儲能系統(tǒng)，也包括住宅儲能系統(tǒng)。當標準作為基于歐洲（EN或HD）標準的英國標準存在時，將引用英國標準版本。這些標準分為以下幾類：
?電氣裝置的安全標準。
?電網連接要求標準。
?英國市場上電氣裝置的型號代碼。
?電池儲能系統(tǒng)的安全標準。
?固定鋰離子電池的安全標準。
?鋰離子電池的安全標準。
?控制和電池管理系統(tǒng)的功能安全標準。
?鋰離子電池運輸安全。
?電力電子轉換器系統(tǒng)和逆變器的安全標準。
?電磁兼容性(EMC)標準。
在研究中調查的電池儲能利益相關者表示，需要明確的標準和政策是一個強烈的主題。一個擔憂是標準往往落后于技術創(chuàng)新，而安全標準通常代表最低要求，并且不是理想的其次。他們強調了系統(tǒng)安裝人員所扮演的角色。如果未正確遵循電氣規(guī)范和電池儲能系統(tǒng)的安裝指南，原本安全的電池儲能系統(tǒng)可能會帶來危險。因此，儲能系統(tǒng)安裝人員必須經過良好培訓。
7.1、英國的安全標準和法規(guī)
英國對電池儲能系統(tǒng)的安全要求可分為電氣安裝要求、電網連接要求、產品安全監(jiān)管要求以及危險品監(jiān)管要求。
7.1.1、電氣安裝和電網連接要求
人們在日?；顒又薪佑|到的所有電氣裝置通常必須符合IET布線規(guī)定(BS7671)。目前，BS7671中沒有單獨的電能存儲系統(tǒng)安裝章節(jié)。與其相反，必須考慮適用部分的要求。BS7671沒有包含對住宅BESS或其在住宅中的位置的具體要求。2017年發(fā)布了進一步的指導文件“IET儲能系統(tǒng)實踐守則”，旨在提供安裝的最佳實踐。
將電池儲能系統(tǒng)連接到英國的低壓配電網絡時，必須遵循特定程序。所需的型式測試和注冊在G83/2和G98/1標準中描述。工程推薦G98/1是G83/2的更新。G98/1于2019年5月17日生效，適用于該日期當天或之后調試的微型發(fā)電設施。
7.1.2、產品安全和危險品監(jiān)管要求
電池儲能系統(tǒng)的每個子系統(tǒng)都應遵守適用的產品安全指令，例如：
?通用產品安全指令（如適用）。
?低壓指令（直流為50至1000V，交流為75至1500V）。
?EMC指令。
此外，危險品法規(guī)要求鋰離子電池應根據聯(lián)合國測試和標準手冊第38.3節(jié)進行測試，以便能夠運輸。
7.1.3、電池儲能系統(tǒng)的最低要求
表6列出了所有這些要求以及用于遵守這些要求的標準。簡而言之，英國電池儲能系統(tǒng)的最低安全要求取決于電池子系統(tǒng)的標稱電壓是低于還是高于75V。大多數(shù)英國電池儲能制造商選擇低于75V的標稱電壓。對于電池對于標稱電壓高于75V的子系統(tǒng)，電池子系統(tǒng)也需要遵守低壓指令。
表6英國電池儲能系統(tǒng)的最低要求
*僅當電池子系統(tǒng)的標稱電壓高于75V時才需要
BSEN62619標準作為最低要求列入表6中。但是，由于BSEN62619不是任何指令的協(xié)調標準，因此在任何法規(guī)中都沒有具體提及BSEN62619標準。但是，根據通用產品安全指令，如果有適合其產品的既定適用標準，則應以此來顯示產品的安全性。因此，一些第三方認證機構建議鋰離子電池子系統(tǒng)應符合BSEN62619標準。目前法規(guī)中沒有任何內容阻止制造商使用其他鋰離子安全標準，例如BSEN62133-2。
7.1.4、預計未來電池儲能系統(tǒng)的最低要求
一些基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的新標準正在開發(fā)中，最近已發(fā)布。在不久的將來，預計最低要求將由更長的標準列表來描述，這將使 制造商需要遵循哪些要求。預計標準列表將更改為表7中列出的標準。
表7新的鋰離子電池儲能系統(tǒng)標準發(fā)布后對英國電池儲能系統(tǒng)的預期最低要求。
*目前正在開發(fā)的標準**僅當電池子系統(tǒng)的標稱電壓高于75V時才需要，如果系統(tǒng)包含WiFi設備，無線電設備指令也適用。
表6和表7的主要變化是：
?制造商必須通過應用IEC62933-5-2考慮與組合電池子系統(tǒng)和任何電氣子系統(tǒng)相關的風險。IEC62933-5-2包含更明確的指導，說明應如何對整個系統(tǒng)進行風險分析以考慮這些風險。
?最近發(fā)布了IEC62933-5-2標準，包括對應應用的特定組件標準的引用。鋰離子電池儲能系統(tǒng)應符合BSEN62619標準或規(guī)定。 而關于鋰離子電池安全標準應適用于其他領域的參考資料 。
?IEC62485-5將包括鋰離子電池儲能系統(tǒng)的特定安裝要求，可能會在未來版本的BS7671中引用。當前草案版本要求鋰離子電池系統(tǒng)已根據BSEN62619進行了測試。它將IEC62933-5-2的未來版本很可能要求安裝符合IEC62485-5標準。
7.2、關于英國電池儲能系統(tǒng)標準制定的說明
目前沒有專門針對英國電池儲能系統(tǒng)制定的法規(guī)或標準。上述標準已針對大型工業(yè)電池儲能系統(tǒng)和小型住宅儲能系統(tǒng)制定。而在美國市場，目前正在努力制定對其國內儲能系統(tǒng)的嚴格要求（標準NFPA855中的第15章）。例如，該章的當前版本包括在可以安裝住宅電池儲能系統(tǒng)的住宅的位置要求。預計NFPA855標準可能會在美國代碼的未來版本中被引用（例如NFPA70，美國版本的BS7671）。目前正在討論該章應包括哪些要求。
目前有幾項適用于英國鋰離子電池儲能系統(tǒng)的標準正在制定中，尚未公布。如果這些標準的開發(fā)旨在成為低壓指令或通用產品安全指令下的協(xié)調標準，或在其他標準或法規(guī)（如BS7671）中引用，則將有助于明確表明符合法規(guī)的過程。
8、風險緩解選擇
標準IEC62933-5-2和美國標準UL9540都包含降低風險的要求。這些標準強調了需要降低到可接受水平的風險。但是，他們沒有具體說明制造商應如何降低風險。
電池儲能系統(tǒng)制造商應優(yōu)先使用的風險緩解方法是：
?固有的安全設計。
?防護裝置和保護裝置。
?最終用戶信息。
最后，對于儲能系統(tǒng)標準和鋰離子電池安全標準，制造商都需要證明它們的設計選擇、防護裝置和保護裝置以及文檔的組合在風險分析中將風險降低到了可容忍的水平。
作為風險分析的一部分，制造商必須考慮在住宅電池儲能系統(tǒng)(BESS)的整個生命周期內可能發(fā)生的所有潛在故障。在早期階段引發(fā)的故障可能會在生命周期的后期階段導致危險事件。在歐盟項目STABALID中，對固定鋰離子電池進行了風險分析。執(zhí)行這一風險評估是為了支持部署電池容量大于10Ah到低于1MWh的鋰離子電池。該研究確定了電池生命周期中的風險和危害，并提出了一種風險評估方法，包括風險緩解措施。即使系統(tǒng)規(guī)模大于研究報告中考慮的英國電池儲能系統(tǒng)，在評估國內電池儲能風險時也可以采取類似的方法。它們包括固定鋰離子電池生命周期的以下階段：
?生產
?運輸/搬遷
?貯存
?安裝/退役
?手術
?維護/定期檢查
從總體上看，回收/銷毀可以作為生命周期結束時的一個單獨階段添加。
8.1、故障原因
在這個研究報告中，沒有針對生命周期的每個階段進行具體的風險評估。取而代之的是，根據熱失控和電氣危險這兩個主要危險類別的特征，將其故障原因分為一般類別。
8.1.1、熱失控的原因
鋰離子電池危害的核心事件是熱失控，它在溫度升高/火災、壓力升高和有毒氣體釋放方面構成危險。在系統(tǒng)級別上，一個電池中的熱失控的級聯(lián)傳播風險會擴散到其他電池，從而導致整個電池組內的熱失控，這是主要的危險事件。適用于住宅鋰離子電池儲能系統(tǒng)的標準（例如BSEN62619、UL1973、UL9540和IEC62933-5-2）中包含對電池故障蔓延的評估。
熱失控的故障原因可分為機械、電氣和環(huán)境濫用的一般類別，以及在生產階段引入系統(tǒng)的故障。以下各節(jié)從總體角度分別介紹了故障原因的示例。
8.1.1.1、機械
機械濫用的示例可能包括：振動、擠壓、跌落或刺穿，例如可能導致電池外殼破裂或電池內部短路，從而導致熱失控。
8.1.1.2、電氣
為了安全運行，電池需要保持在其電壓和電流限制范圍內。暴露于電氣濫用（例如外部短路、過充電或過放電）可能會導致熱失控。
8.1.1.3、環(huán)境
如上所述，將電池保持在工作溫度范圍內很重要。它是風險分析中要考慮的最重要的環(huán)境參數(shù)之一。外部加熱或火災可能會損壞電池并在電池內引發(fā)反應，從而導致膨脹、放氣、排氣，在最壞的情況下會導致熱失控。在低溫下充電會導致電池內部短路，這也可能導致熱失控。
8.1.1.4、制造和設計問題
由于制造故障導致的內部短路風險很難在標準化安全測試中捕捉到。因此，為了避免制造過程中電池內部短路，電池制造質量和控制非常重要。鋰離子電池和電池的安全標準通常要求一定程度的制造過程控制。IEEE 1725蜂窩電話可充電電池的標準對制造控制有最詳細的要求。CTIA無線協(xié)會已制定了一項針對IEEE 1725的評估審計協(xié)議，確定了關鍵制造過程，如：電極涂層、毛刺、雜質、電極/隔板的錯位等。
由于在電池、電池和系統(tǒng)層面上存在多層安全功能，因此通常是濫用條件和錯誤設計或制造缺陷的組合導致熱失控。
8.1.2、電氣危險的原因
由于在電池、電池和系統(tǒng)級別上有幾層安全功能，因此通常是濫用條件和錯誤設計或制造缺陷的組合導致熱失控。
8.1.2、電氣危險的原因
當連接電池以提供更高的電壓時，電池子系統(tǒng)中的系統(tǒng)級和電源轉換子系統(tǒng)中存在電氣危險。如果電壓處于如此高的水平，則電氣危險可能是電擊或電弧閃光。可能存在導致電擊的各種類型的濫用行為，但基本標準是接觸導電部件。其根本原因可能是外殼的機械損壞或松動的電纜短路等。潮濕或雨水等環(huán)境條件可能會導致系統(tǒng)內的腐蝕和短路。當兩個帶高壓的導電部分彼此相鄰且隔離不充分時，就會發(fā)生電弧閃光。根據周圍材料的不同，電弧閃光可能會導致火災的熱事件。
本報告第8.3節(jié)簡要討論了電源轉換設備(PCE)故障或交流負載消耗的過電流的影響。
8.2、電池子系統(tǒng)
8.2.1、電池單元
在鋰離子電池安全標準（例如BSEN62619）中，要求電池在預期使用和合理可預見的誤用條件下不應存在重大危險。這意味著電池在以下情況下不應爆炸或起火：
?外部短路（≈30mΩ）。
?沖擊條件（來自9.1kg剛性質量的沖擊）。
?跌落（通常從1米的高度）。
?暴露于高溫（85?C，持續(xù)3小時）。
?可預見的過充電情況。
?強制放電條件（已放電的電池再放電90分鐘）。
即使在BSEN62619中沒有明確要求，電池設計應該能夠最小化內部短路的影響或降低內部短路的風險。
電池制造商通過仔細優(yōu)化和組合他們選擇的陽極材料、電解質、隔膜和陰極材料的材料特性以及設計選擇來實現(xiàn)其特定的性能和安全特性。以下是一些與安全相關的材料和設計選擇的示例，例如（但不限于）：
?使用電解質添加劑
o防止可能導致發(fā)熱、放氣和不均勻的副反應。
o阻燃劑降低了在通風或熱失控事件的情況下發(fā)生火災的風險。
o過度充電氧化還原梭和其他添加劑可降低過度充電的風險等。
?使用專門設計的隔板，例如：
o陶瓷涂層隔膜，以增加機械強度、減少收縮，并提高高溫性能。
o具有關閉功能的隔板，在發(fā)生小的局部內部短路時會導致隔板熔化，從而隔離短路。
?圓柱形/棱柱形電池蓋/外殼中內置安全功能。
oPTC（正熱系數(shù)）可在過電流的情況下增加高溫下的電阻，
oCID（電流中斷設備）在高內部電池壓力下電氣斷開電池，
o電池外殼中的安全通風口（大多數(shù)鋰離子電池安全標準中的要求）在內部高壓力下釋放壓力，以避免外殼爆炸。
電池制造商還可以通過實施過程控制，持續(xù)監(jiān)控可能影響安全的制造過程關鍵要素，從而降低內部短路引起的危險事件的風險。這在BS EN 62619等鋰離子電池安全標準中沒有明確要求。
8.2.2、電池管理系統(tǒng)(BMS)
即使鋰離子電池在可預見的濫用期間沒有爆炸或起火，但在單獨測試時，這并不意味著它們在相互連接形成電池時不會出現(xiàn)任何重大危險。BSEN62619等鋰離子電池標準要求電池制造商設計電池系統(tǒng)以符合電池工作區(qū)域。電池制造商通過監(jiān)控和控制每個電池電壓、放電電流和充電電流的電池管理系統(tǒng)(BMS)來實現(xiàn)這一目標。電池管理系統(tǒng)(BMS)還應監(jiān)控內部電池溫度，并防止在電池建議的充電溫度范圍之外充電。
總之，電池管理系統(tǒng)(BMS)應該：
?控制電池電壓以防止過度充電和過度放電。
?控制充電和放電電流以防止過流和短路情況。
?控制溫度以防止出現(xiàn)過熱情況。
固定式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全標準通常要求電池管理系統(tǒng)(BMS)應能夠在電池管理系統(tǒng)(BMS)中的單個組件故障或軟件故障時確保保護。電池制造商可以通過組合設計選擇來實現(xiàn)這一目標，例如：
?使用多個獨立級別的保護來控制溫度、電流和電池電壓。
?確保符合安全關鍵組件（軟件和硬件）的功能安全標準。
?使用故障安全組件。
圖4顯示了一個典型的電池管理系統(tǒng)(BMS)示例。在這一設計中，每個電池單元（并聯(lián)電池組）的電壓由兩個獨立的組件（主要和次要安全）監(jiān)控。這兩個組件可以關閉放電或充電電流，熔斷不可復位的保險絲或激活保護MOSFET。溫度和電流（通過分流器測量）也受到監(jiān)控，如果溫度或電流超出電池的推薦電流和溫度范圍，安全組件可以中斷電流。
圖4 典型電池管理系統(tǒng)(BMS)示意圖
如果將一個電池儲能系統(tǒng)分成若干個包或模塊，則在每個包或模塊中往往會發(fā)現(xiàn)類似于圖5中設計的電池管理系統(tǒng)(BMS)。每個電池管理系統(tǒng)(BMS)將每個模塊或電池組的警報和狀態(tài)傳達給電池管理單元或控制子系統(tǒng)。
8.2.3、電池子系統(tǒng)物理設計
許多鋰離子電池標準（例如BSEN62619、UL1973和IEC62933-5-2）要求單個電池故障不應蔓延到電池子系統(tǒng)的外殼之外。此外，電池子系統(tǒng)的設計應允許膨脹（如果使用軟包電池）并最大限度地減少正常運行期間模塊內部的溫升。
電池制造商通過組合設計選擇來實現(xiàn)這一點，例如（但不限于）：
?在電池/模塊之間增加物理間距以允許膨脹并降低熱和/或火焰?zhèn)鞑サ娘L險。
?添加散熱器和熱障。
?使用帶有主動液體或空氣冷卻的熱管理系統(tǒng)。
?考慮電池通風口的位置，以盡量減少影響其他電池或BMS或安全電路功能喪失的風險。
?加強電池外殼以防故障并防止電池在電池故障期間破裂。
?最大限度地減少電池模塊內的氧氣供應。
?使用單個電池保險絲防止并聯(lián)電池通過故障電池放電。
?優(yōu)化溫度傳感器的位置和數(shù)量。
?在安全方面優(yōu)化電池模塊的總能量。
為確保電池儲能系統(tǒng)在火災傳播方面的固有安全設計，標準草案IEC62933-5-2要求電池儲能系統(tǒng)內部應分開，分為電池部分、充電設備部分和包括斷路器和放電電路的部分，使用防火隔板。
8.2.4、外殼設計
電池子系統(tǒng)需要由外殼保護。電池制造商應考慮外殼設計是否具有以下部分或全部屬性：
?在合理可預見的期間抵抗可能濫用的能力。
?能夠防止?jié)駳膺M入（取決于安裝位置）。
?提供對電池內部的保護。
?防止接觸危險部件。
?限制火勢蔓延。
?避免壓力積聚和爆炸。
?如果使用聚合物材料，則具有足夠的可燃性等級。
?如果使用金屬外殼，則可以耐腐蝕。
EN60529系列等標準用于定義入口保護(IP)要求。當今系統(tǒng)中市場上的大多數(shù)外殼不適合外部安裝（具有主動溫度控制并達到IP56等級的Tesla Powerwall電池儲能系統(tǒng)除外）。
BSEN62619和其他電池標準還要求：
?接線及其絕緣應足以承受最大預期電壓、電流、溫度、海拔和濕度要求。
?布線設計應保證導體之間有足夠的間隙和爬電距離。
?應保護電池系統(tǒng)的危險帶電部件以避免觸電風險。
?連接的機械完整性應足以適應可合理預見的濫用情況。
（未完待續(xù)）
