中國儲能網(wǎng)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(gòu)和組織致力制定這些標準。而VDE在德國領(lǐng)導(dǎo)制定儲能系統(tǒng)的設(shè)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(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)，也包括住宅儲能系統(tǒng)。當(dāng)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(wǎng)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(zhuǎn)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(diào)查的電池儲能利益相關(guān)者表示，需要明確的標準和政策是一個強烈的主題。一個擔(dān)憂是標準往往落后于技術(shù)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(diào)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(jīng)過良好培訓(xùn)。
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(wǎng)連接要求、產(chǎn)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(wǎng)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(dǎo)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(wǎng)絡(luò)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(dāng)天或之后調(diào)試的微型發(fā)電設(shè)施。
7.1.2、產(chǎn)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(yīng)遵守適用的產(chǎn)品安全指令，例如：
?通用產(chǎn)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(yīng)根據(jù)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(dāng)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(diào)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(jù)通用產(chǎn)品安全指令，如果有適合其產(chǎn)品的既定適用標準，則應(yīng)以此來顯示產(chǎn)品的安全性。因此，一些第三方認證機構(gòu)建議鋰離子電池子系統(tǒng)應(yīng)符合BSEN62619標準。目前法規(guī)中沒有任何內(nèi)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)期最低要求。
*目前正在開發(fā)的標準**僅當(dāng)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(shè)備，無線電設(shè)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(yīng)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(guān)的風(fēng)險。IEC62933-5-2包含更明確的指導(dǎo)，說明應(yīng)如何對整個系統(tǒng)進行風(fēng)險分析以考慮這些風(fēng)險。
?最近發(fā)布了IEC62933-5-2標準，包括對應(yīng)應(yīng)用的特定組件標準的引用。鋰離子電池儲能系統(tǒng)應(yīng)符合BSEN62619標準或規(guī)定。 而關(guān)于鋰離子電池安全標準應(yīng)適用于其他領(lǐng)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(dāng)前草案版本要求鋰離子電池系統(tǒng)已根據(jù)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(guān)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(nèi)儲能系統(tǒng)的嚴格要求（標準NFPA855中的第15章）。例如，該章的當(dāng)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(yù)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(yīng)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(chǎn)品安全指令下的協(xié)調(diào)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(fēng)險緩解選擇
標準IEC62933-5-2和美國標準UL9540都包含降低風(fēng)險的要求。這些標準強調(diào)了需要降低到可接受水平的風(fēng)險。但是，他們沒有具體說明制造商應(yīng)如何降低風(fēng)險。
電池儲能系統(tǒng)制造商應(yīng)優(yōu)先使用的風(fēng)險緩解方法是：
?固有的安全設(shè)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(shè)計選擇、防護裝置和保護裝置以及文檔的組合在風(fēng)險分析中將風(fēng)險降低到了可容忍的水平。
作為風(fēng)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(nèi)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(dǎo)致危險事件。在歐盟項目STABALID中，對固定鋰離子電池進行了風(fēng)險分析。執(zhí)行這一風(fēng)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(fēng)險和危害，并提出了一種風(fēng)險評估方法，包括風(fēng)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(nèi)電池儲能風(fēng)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(chǎn)
?運輸/搬遷
?貯存
?安裝/退役
?手術(shù)
?維護/定期檢查
從總體上看，回收/銷毀可以作為生命周期結(jié)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(fēng)險評估。取而代之的是，根據(jù)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(zāi)、壓力升高和有毒氣體釋放方面構(gòu)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(fēng)險會擴散到其他電池，從而導(dǎo)致整個電池組內(nèi)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(chǎn)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(dǎo)致電池外殼破裂或電池內(nèi)部短路，從而導(dǎo)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(nèi)。暴露于電氣濫用（例如外部短路、過充電或過放電）可能會導(dǎo)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(nèi)很重要。它是風(fēng)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(zāi)可能會損壞電池并在電池內(nèi)引發(fā)反應(yīng)，從而導(dǎo)致膨脹、放氣、排氣，在最壞的情況下會導(dǎo)致熱失控。在低溫下充電會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，這也可能導(dǎo)致熱失控。
8.1.1.4、制造和設(shè)計問題
由于制造故障導(dǎo)致的內(nèi)部短路風(fēng)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(nèi)部短路，電池制造質(zhì)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(guān)鍵制造過程，如：電極涂層、毛刺、雜質(zhì)、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(shè)計或制造缺陷的組合導(dǎo)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(shè)計或制造缺陷的組合導(dǎo)致熱失控。
8.1.2、電氣危險的原因
當(dāng)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(zhuǎn)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?？赡艽嬖趯?dǎo)致電擊的各種類型的濫用行為，但基本標準是接觸導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕和短路。當(dāng)兩個帶高壓的導(dǎo)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(jù)周圍材料的不同，電弧閃光可能會導(dǎo)致火災(zāi)的熱事件。
本報告第8.3節(jié)簡要討論了電源轉(zhuǎn)換設(shè)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(yù)期使用和合理可預(yù)見的誤用條件下不應(yīng)存在重大危險。這意味著電池在以下情況下不應(yīng)爆炸或起火：
?外部短路（≈30mΩ）。
?沖擊條件（來自9.1kg剛性質(zhì)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(yù)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(shè)計應(yīng)該能夠最小化內(nèi)部短路的影響或降低內(nèi)部短路的風(fēng)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(zhì)、隔膜和陰極材料的材料特性以及設(shè)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(guān)的材料和設(shè)計選擇的示例，例如（但不限于）：
?使用電解質(zhì)添加劑
o防止可能導(dǎo)致發(fā)熱、放氣和不均勻的副反應(yīng)。
o阻燃劑降低了在通風(fēng)或熱失控事件的情況下發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)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(fēng)險等。
?使用專門設(shè)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(guān)閉功能的隔板，在發(fā)生小的局部內(nèi)部短路時會導(dǎo)致隔板熔化，從而隔離短路。
?圓柱形/棱柱形電池蓋/外殼中內(nèi)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(shè)備）在高內(nèi)部電池壓力下電氣斷開電池，
o電池外殼中的安全通風(fēng)口（大多數(shù)鋰離子電池安全標準中的要求）在內(nèi)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(guān)鍵要素，從而降低內(nèi)部短路引起的危險事件的風(fēng)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(yù)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(shè)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(yīng)監(jiān)控內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(guān)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(shè)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(guān)閉放電或充電電流，熔斷不可復(fù)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(shè)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(shè)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(yīng)蔓延到電池子系統(tǒng)的外殼之外。此外，電池子系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(nèi)部的溫升。
電池制造商通過組合設(shè)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(nèi)的氧氣供應(yīng)。
?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(zāi)傳播方面的固有安全設(shè)計，標準草案IEC62933-5-2要求電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)分開，分為電池部分、充電設(shè)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(shè)計
電池子系統(tǒng)需要由外殼保護。電池制造商應(yīng)考慮外殼設(shè)計是否具有以下部分或全部屬性：
?在合理可預(yù)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(nèi)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(dāng)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(yīng)足以承受最大預(yù)期電壓、電流、溫度、海拔和濕度要求。
?布線設(shè)計應(yīng)保證導(dǎo)體之間有足夠的間隙和爬電距離。
?應(yīng)保護電池系統(tǒng)的危險帶電部件以避免觸電風(fēng)險。
?連接的機械完整性應(yīng)足以適應(yīng)可合理預(yù)見的濫用情況。
（未完待續(xù)）
