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【ESIE2019干货分享】UL公司乐艳飞:美国储能系统标准概述
2019-06-20


聚焦“技术应用双创新,规模储能新起点”,在储能界同仁的大力支持下,为期三天的储能国际峰会暨展览会2019(ESIE2019)于5月20日圆满闭幕,峰会期间,通过组织主题演讲、展览展示、创新大赛、专题研讨、项目考察、新品发布、技术交流等多种活动,多维度精准对接全球储能市场与应用,助力中国储能企业与国际接轨,为储能企业搭建与政策制定者、规划者、电网管理者、电力公司、能源服务商的交流互动平台,在储能这个新兴产业的热土上,交流技术、洽谈合作,为储能产业的发展描绘出了新的蓝图。


本着行业共荣的原则,中关村储能产业技术联盟将本次储能国际峰会暨展览会上的部分干货进行整理编辑,将陆续在“中关村储能产业技术联盟”公众号中与大家分享(点击最上方蓝字进行关注),其中包括了政府主管部门、电网企业、国内外能源电力公司及储能企业高管代表,围绕储能产业面临的热点、难点问题进行的深度探讨,欢迎储能行业各界前来共同学习交流。


“我们知道储能系统里面最主要的单元是电池和PCS,有人可能认为,我认证过的电池和认证过的PCS组装在一起是不是安全了?之前有发生过PCS在运行的时候,它上面的噪声电压造成电池BMS的损坏,进而造成整个储能系统的起火。所以整个储能系统即使里面很多零部件已经认可过,但组成储能系统时,还要考虑各个零部件之间的兼容性,整个系统兼容安全控制和功能安全也要全面评估。”

——UL能源与电力科技事业部首席工程师 乐艳飞


 

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UL能源与电力科技事业部首席工程师 乐艳飞

 

各位专家、各位领导、各位朋友们,大家下午好!

 

很荣幸受组委会邀请,参加2019年储能国际峰会,我是来自UL公司的乐艳飞。我今天给大家分享的话题是《美国储能系统标准概述》

 

正式介绍之前,我们来看一下韩国这两年发生的储能系统起火案例。2018年韩国共发生16起储能系统的起火案例,今年1月份又发生了4起起火案例。我们都知道,韩国是储能电池的制造强国,连他们都能发生这么多储能系统的起火案例,说明储能电池的安全形势还是比较严峻的,需要各位同仁专家们的努力来提高它的安全性,也需要标准制定部门制定更安全和更完备的标准。

 

储能系统一旦起火,它的火势蔓延非常迅速,而且很难被扑灭,会造成很大的经济损失和人员伤害,另外给消防救援也带来非常巨大的挑战。所以这两年美国制定了很多储能规范和标准。今天我会先介绍北美储能系统的规范,在北美叫做Code,再介绍UL9540储能系统标准,还有UL9540A储能系统热失控蔓延的评估测试标准

 

近两年美国新制定的储能系统相关的规范主要有这几个。首先是美国电工规范或者NEC法规,最新版为2017版,还有美国国际防火规范IFC,国际建筑规范IBC,IFC、IBC最新版为2018版,IBC2018对储能系统的要求参考IFC2018。还有国际住宅规范IRC,IRC是针对一个家庭或两个家庭的住宅,IBC是针对普通建筑的要求。储能系统的安全,在美国被认为非常重要,因此专门针对储能系统新立了一个标准NFPA 855储能系统安装规范,目前该规范大框架和内容已经定下来,基本会在今年发布。

 

首先看一下美国电工法,2017版是最新版本。在2017版中专门针对储能系统增加了一个新的章节“706章节”。706章节适用50伏AC或60伏DC以上的储能系统,可以离网或并网工作。

 

在706.5中提到所有设备必须列名,如监控器、控制器、继电器、保险丝、断路器、能量转换单元如PCS、能量存储单元如电池等都必须列名;或者独立的储能系统整个做列名,在706章节中列名引用的标准就是UL9540这个标准。

 

IRC美国的住宅规范,2018版同样增加了新的章节,R327储能系统章节。同样提到储能系统必须UL9540列名。另外,它对储能系统的安装位置、通风要求、车辆碰撞防护、梯次利用电池许可进行规范,该规范适用于1kWh以上的电池系统,住宅中安装的储能系统只要大于1kWh必须满足这个规范。

 

再看IFC 2018,它也增加了一个新的章节专门针对储能系统,同样有相应的要求,储能系统需要UL9540列名。此外,因为它是防火规范,所以对火灾探测和灭火有严格要求。另外,它对储能系统安装时的最大容量做了限制,对储能系统里的机柜或电池簇的容量也有限制,如果您的储能系统超过限制,需要提供危险抑制分析报告给相关部门,并补做大规模火烧测试,让监管部门来接受。

 

从图中可以看到,对于非专业建筑或非偏远地段用的锂离子类储能系统,它在安装时最大允许能量是600kWh,每一个机柜,如电池柜或电池簇,其最大允许能量是50kWh。每个机柜间距离及到墙壁间距离必须大于3英尺。储能系统一旦超过这个限制,如总容量超过600kWh,或机柜和机柜间的距离比较小,就要补做大规模火烧测试,并且由AHJ美国监管部门批准是否接受这个系统的安装。

 

因为IFC中并没有给出大规模火烧测试方法,所以UL开发了UL9540A标准,专门为大规模火烧测试提供详细评估方案,受到美国消防部门和监管部门的大力支持和认可。

 

我们再看一下NFPA 855。NFPA 855目前还在制定过程中,它主要基于IFC2018储能系统防火相关的条款,然后在IFC的基础上进行细分,它根据储能系统不同的安装位置,会给出不同的安装要求。比如储能系统是安装在室内或室外的,安装在有人或者没有人活动的地方,或者安装在屋顶或车库,都是有不同的要求的。

 

同样NFPA855对储能系统也有UL9540列名的要求,当超出容量限制,或超出距离限制,储能系统需要去评估大规模火烧测试UL9540A的评估。

 

前面讲了很多美国规范,都有引用到UL9540。现在我们来看一下UL9540标准,UL9540是针对储能系统的安全标准,是全球第一本储能系统安全标准。它在2015年被授权为美国国家标准,在2016年被授权为加拿大的国家标准,目前是双国国家标准。它包含各种储能类型,电化学类型如电池储能系统或超级电容储能系统,化学储能系统如燃料电池,机械的和热能的储能系统,都涵盖在这个标准里面。这些储能系统可以单独工作或者并网工作。

 

UL9540A对储能系统的评估是非常全面的,它不仅有常规的测试要求,还有非常详尽的结构要求,以及对说明书和标签都有相应的要求。

 

我们来看一下结构要求。对于熟悉UL的朋友可能知道,UL基本上所有的产品安全标准都是会有结构要求部分,对产品的关键零部件和结构提出要求,UL9540也是这样的架构。UL9450对其所有关键零部件都有相应的要求,如非金属材料阻燃性怎么样,温度等级如何?外壳防护等级是不是达到合适的等级?另外对步入式系统的电气安全如何考虑?线缆和连接器是否有UL认证,电气参数是否合适?火警探测和抑制设备,如烟雾传感器,喷淋头是不是可靠的、是不是有UL认证?都需要在UL9540结构评估中做非常详尽的评估。

 

这里要强调控制系统和功能安全。之前惠主席也介绍过,不同的系统之间的兼容性问题。我们知道储能系统里面最主要的单元是电池和PCS,有人可能认为,我认证过的电池和认证过的PCS组装在一起是不是安全了?之前有发生过PCS在运行的时候,它上面的噪声电压造成电池BMS的损坏,进而造成整个储能系统的起火。所以整个储能系统即使里面很多零部件已经认可过,但组成储能系统时还要考虑各个零部件之间的兼容性,整个系统兼容安全控制和功能安全也要全面评估。

 

当然标签和说明书也是非常重要的一部分,比如安全标志,可以有效地预防危险。说明书可以有效保证储能系统在安装和运行时候的安全。

 

UL 9540测试主要分为三大块:常规电气测试、环境测试,这两部分测试对所有储能系统都适用,比如温升测试,看它正常工作时温度上升情况,看它的零部件是不是有超出其工作温度范围运行,还有耐压、浪涌测试;有些系统可能安装在地震带,那地震测试有没有考虑?这部分都需要评估。机械测试主要针对机械类储能系统,如飞轮储能系统,会考虑机械方面的测试评估。

 

看UL 9540A电池储能系统热失控扩散评估测试标准,它用来记录和分析ESS起火特性,可以评估消防措施是否有效。从这个时间轴上可以看到,这个标准的制定和修订是非常快,目前UL 9540A标准是第三版,在今年三月份又发布了新的公告,大概会是第四版的内容。

 

之前有提到,UL9540A受到监管部门、消防部门的大力支持和认可,为什么呢?主要是因为我们这个标准可以提供很多关键的消防安全相关的信息。通过这个测试之后,我们可以知道电池储能系统的安装参数,比如机柜到机柜之间的距离。热失控时产生的烟雾量、热量,以及对应的通风要求。也可以评估消防设施是不是有效,并帮助消防部门提供消防应对策略。

 

正是因为UL9540A能提供很多消防安全相关的信息,能减少消防员的安全顾虑,所以它被储能集成商、保险业、建筑业主、监管部门和消防部门等利益相关方的大规模认可和采用,他们纷纷要求电池制造厂家和系统制造厂家去做UL 9540A的分析测试报告。

 

UL 9540A的测试报告主要从四个层级对储能系统热失控蔓延的情况进行评估,包括电芯、模块、机柜、安装层级测试。电芯层级测试主要看电芯是不是热失控,模块层级看热失控在模块内部扩散的倾向,机柜层级看热失控是否在整个机柜内蔓延,并可能蔓延到其他相邻机柜的情况。安装层级的测试,更多看消防系统的有效性。

 

这是电芯层级测试的装置。在电芯层级测试时,我们会触发电芯热失控,并对它热失控的气体进行收集和分析。在电芯层级可以得到很多重要参数,包括电芯热失控方法和参数,电芯泄气温度,这个曲线我们看到的是先有电芯泄气温度,然后是电芯热失控。还有电芯释放的气体,它的成分是什么,气体总量是多少,它的可燃浓度是多少,它的气体的燃烧速度是多少,以及气体最大压力是多少?这些都在我们电芯测试报告中有包含。

 

在模块层级,我们把模块放在集气罩下,采用电芯层级的热失控方法触发一个或几个电芯热失控,以保证测试的可重复性。在模块层面,我们让电芯热失控后,观察热失控在模块内蔓延的情况。在模块层级测试,我们可以得到整个模块热释放率,烟雾释放率和释放总量,它的燃烧的危险性以及电芯泄气气体成分的总量,模块会不会起火,有没有爆燃的风险等。

 

在机柜层级,我们会根据制造商给出的安装说明书来布置测试机柜。如果你的说明书里面允许机柜或电池簇两排或多排安装,则放四个机柜测试,如果只允许单排安装,比如集装箱只有一排电池簇,就放两个机柜来测试。这个图中左上角的这个机柜是真实机柜,另外三个机柜或一个机柜是去除电池芯后的机柜,但会保留整个机柜机架、模块外壳、电缆及其他零部件,只是去除电芯。机柜间的间距及到墙壁间的间距都是根据说明书来布置的。同样让机柜中某个模组里面一个或多个电芯热失控,观察电芯热失控蔓延的情况,有没有可能蔓延到隔壁机柜,并监测机柜温度、墙体温度、墙体热流及机柜热流。我们也会得到很多重要数据,如初始机柜模块之间热失控蔓延情况、热释放率、总的烟雾释放率、总的气体成分和体积、墙体温度和热流、起火/爆燃风险、以及有没有可能复燃等。

 

最后是安装层级测试,如果机柜层面有观察到外部火焰,需要在安装层级结合消防设备来做测试,否则就不需要做测试。在这个测试里面,其他测试布置都和机柜层级一样,只是我们会结合天花板上的自动喷淋系统让它工作,或者有制造商提供的防火方案的话,可以把它配置起来测试。我们在这个层级的测试可以得到的数据,包含机柜层级的所有测试数据,同时也可以评估到消防系统是不是可以有效地工作。一旦起火之后,消防系统是不是可以把这个火扑灭?

 

前面是主要内容,最后简单介绍一下UL。UL成立于1894年,最早源于芝加哥博览会的电器起火调查,从而成立了保险商实验室即UL。目前UL业务已经遍及143个国家,跨越20多个行业。从储能、风能、光伏、材料、线材、家电等等都有涉及。在电池领域,我们制定很多标准,同时提供测试认证服务,另外我们也有自己的研究实验室,比如电池内短路研究和老化研究等,也做很多电池失效的案例分析,比如波音787案例分析和三星Note 7案例分析。非常欢迎大家跟我们探讨电池的安全,并跟我们一起合作。