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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。
再看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。
谢谢大家!
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