储能系统锂离子电池国内外安全标准对比分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0199

摘要/Abstract

摘要：

锂离子电池因其高能量密度、低放电率和长寿命等优点和卓越的电化学性能正被大规模用于各类储能系统，且储能规模日益增长，但近两年国内外锂离子电池储能电站安全事故频发、损失惨重。针对这一现状，为完善和提升国内现行的储能系统产品的安全标准，本文详细介绍了国外经典的锂离子电池储能安全标准，如IEC、UL等储能安全标准以及中国现行的储能国家标准、行业标准、团体联盟制定的储能安全相关标准等，归纳并简要分析了上述国内外储能安全标准的特点。同时，根据锂离子电池储能系统的具体测试及运行要求，着重从储能系统的结构安全要求、电池本体安全要求、环境影响要求和系统安全要求四个方面将国内储能安全标准与国外的的IEC、UL标准逐一进行了对比分析，指出了国内现行的储能安全标准的薄弱环节和不足之处。通过对储能系统锂离子电池国内外安全标准全方位的分析、比较和讨论，旨在为国内储能电站锂离子电池的安全标准的完善提出建议和实现途径，促使未来储能系统安全和高效持久运行。

关键词: 锂离子电池, 储能系统, 安全标准, 安全标准

Abstract:

Lithium-ion batteries are used in various energy storage systems on a large scale because of the advantages of high energy density, low discharge rate, long life, and excellent electrochemical performance. The energy storage magnitude is observed to continually increase. However, in the previous two years, safety accidents have frequently occurred in lithium-ion battery energy storage power stations at home and abroad. This study introduces foreign and domestic safety standards of lithium-ion battery energy storage, including the IEC and UL safety standards, China’s current energy storage national standards, industry standards, and energy storage safety standards set by the alliance, to improve and perfect the safety standards of the current domestic energy storage systems. This study briefly analyzes the characteristics of the energy storage safety standards established at home and abroad. Further, the storage system security requirements, battery or cell safety requirements, effects, and system safety requirements are used to analyze the operational requirements of the lithium-ion battery energy storage system, domestic energy storage safety standards, and foreign standards （IEC and UL） according to the specific tests of the lithium-ion battery energy storage system. Finally, the weaknesses and shortcomings of the current domestic energy storage safety standards are revealed. By comprehensively analyzing, comparing, and discussing the safety standards for lithium-ion batteries in energy storage systems at home and abroad, this study proposes suggestions and implementation strategies to improve the safety standards in domestic energy storage power stations to promote the safe, efficient, and long-lasting operation of future energy storage systems.

Key words: lithium-ion battery, energy storage system, safety standards, contrastive analysis

中图分类号:

TK 02

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图/表 4

表1

表2

UL,IEC,GB储能系统锂离子电池安全标准对比-电池本体要求"

项目	UL	IEC	GB
过充电	单故障下使用最大充电速率进行充电，过充电压110%，结果不应出现爆炸起火、易燃气体、有毒气体、绝缘击穿、泄漏、外壳破裂、失去保护控制现象	以0.2 I _t A恒流放电至最终电压。然后以最大电流进行充电，设置电压超过电芯充电上限电压的10%。通过标准为不起火不爆炸	初始化充电后，恒流方式以1C_rcn充电至任一电池单体电压达到充电终止电压的1.5倍或时间达到1 h，不起火不爆炸
过放电	以最大放电额定值对被测设备进行恒流/恒功率放电，直到被动保护装置动作，或最低的电芯电压/最高温度保护被触发，或被测设备在达到规定正常放电极限后再继续放电30 min	以1.0 I _t A的恒定电流进行强迫放电90 min，在试验期间放电电压达到目标电压，电压应保持在目标电压，伴随着电流的减少直到试验时间结束	以1C_rcn恒流方式放电至时间达到90 min或任一电池单体达到0 V时停止放电，不应有膨胀、冒烟、漏液、起火、爆炸现象
外短路	短路路径总电阻值最大不超过20 mΩ，完全放电（即放电到能量耗尽接近零状态），或者保护电路动作且模组中心温度达到峰值或经过了7 h达到稳定状态，或者发生起火或爆炸	采用总共不超过（30±10） mΩ的外部电阻连接正负极端子。保持6 h或直到外壳温度从最高温度下降80%，取先到者。不应起火、爆炸	正负极外部短路10 min，外部线路电阻＜5 mΩ 不应有膨胀、冒烟、漏液、起火、爆炸现象
温度相关	充放电极限温度试验：在最大充放电条件下应保持在规定的极限工况内，对温度敏感的关键安全器件应保持在其额定温度范围内，同时，可触及的表面温度不能超过安全界线	热滥用试验：满电状态以5 ℃/min速率由25 ℃升温至85 ℃下保持3 h，不起火爆炸；过热控制：当电芯或电池的温度超过制造商规定的最高温，BMS应中断充电	加热试验（电芯）：以5 ℃/min的速率由环境温度升温至130 ℃下保持30 min停止加热，观察1 h，无膨胀、冒烟、漏液、起火、爆炸。电池模组无要求
内短路	无特定要求	对圆柱形电芯和方形电芯进行强制内短路试验不应引起着火、爆炸。（内短路和热失控扩散2选1）	无特定要求
热失控扩散	应能防止单电芯失效导致整个被测设备发生可见的火灾蔓延等重大危害，必做试验	热失控扩散：一个热失控事件不应导致电池系统起火。（内短路和热失控扩散2选1）	触发电池单体达到热失控的判断条件，不应起火爆炸
不平衡充电	在出现不平衡状态时应保持工作在规定的工作参数内，且不应出现爆炸起火、易燃气体、有毒气体、绝缘击穿、泄漏、外壳破裂、失去保护控制现象	无特定要求	无特定要求
跌落	按模组的重量选择不同的跌落高度进行试验，不应出现爆炸、起火、易燃气体、有毒气体、绝缘击穿、泄漏、外壳破裂现象。规定了地面的标准要求	按模组的重量选择不同的跌落方式、高度进行试验，不应出现爆炸、起火现象。两种跌落方式：随机跌落、边角朝下跌落	将电池模块的正极或负极朝下从1.2 m高度处自由跌落水泥地面上1次，不应起火、爆炸。没有规定水泥面的标准要求

表2

表3

表4

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项目	UL	IEC	GB
外壳	对非金属外壳有阻燃等级、抗冲击、挤压、环境应力、模具应力变形、RTI、绝缘等方面有详细要求；对金属外壳有防腐要求；对外壳的强度、IP防护等级、通风口有要求。外壳需做静态压力、小球撞击试验。应无破裂和泄漏现象	相关试验结果出现外壳破裂、裸露内部物质或漏液为不合格要求。对电芯或模组做钢棒撞击试验，不应起火、爆炸。	对外壳无直接要求，但需做挤压试验，不应起火、爆炸
挂墙支架/把手	施加向下的3倍于目标重量的力，持续1分钟，不应出现损坏现象	无特定要求	无特定要求
电线和端子	对电线和端子的电气、安装固定、布线距离等提出要求	对绝缘和间距提出要求，考虑合理可预见的滥用情况	没有直接相关要求
电气间隙和绝缘耐压要求	根据绝缘方式规定最小空气间距和爬电距离，且BMS功能安全中有相关规定	BMS功能安全中有绝缘间距和爬电距离要求	对电池模块、簇、BMS规定绝缘耐压要求
保护接地	规定了需要保护接地的情况，保护接地的连续性、可靠性要求	无特定要求	无特定要求
信息、标识	对涉及安全的标识、设备参数、说明书作出详细规定	要求制造商将安全信息告知用户，规定了电芯、电池模组、电池簇的命名标识要求	规定了产品基本的标识要求

项目	UL	IEC	GB
盐雾试验	沿海应用需要做此试验，不应出现爆炸、起火、易燃气体、有毒气体、绝缘击穿、泄漏、外壳破裂、失去保护控制现象	无特定要求	在海洋性气候条件下应用的电池模块应满足盐雾性能要求，在喷雾-贮存循环条件下，不应起火、爆炸、漏液，外壳应无破裂现象
防潮试验	潮湿地区应用需要做此试验，不应出现爆炸、起火、易燃气体、有毒气体、绝缘击穿、泄漏、外壳破裂、失去保护控制现象	无特定要求	在非海洋性气候条件下应用的电池模块应满足高温高湿性能要求，在高温高湿贮存条件下，不应起火、爆炸、漏液，外壳应无破裂现象
电磁兼容	在功能安全中规定（例如IEC 60730-1附录H.23 H.26）：低频发射、高频发射、电压暂降和中断、电压波动、静电干扰、浪涌干扰、电快速瞬变、振铃波干扰、射频电磁场干扰、传导干扰、抗辐射、电源频率变化影响、工频磁场干扰	在功能安全中规定（例如IEC 60730-1附录H.23 H.26）：低频发射、高频发射、电压暂降和中断、电压波动、抗浪涌、电快速瞬变、振铃波干扰、射频电磁场干扰、传导干扰、抗辐射、电源频率变化影响、工频磁场干扰	在BMS技术规范GB/T 34131规定：静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、工频磁场抗扰度、振荡波抗扰度

项目	UL	IEC	GB
系统安全分析	要求进行系统危险源分析FMEA，BMS需做功能安全评估	BMS需做功能安全评估	无特定要求
热管理系统	规定了热管理系统在故障时的处理措施，对系统中的风扇有标准要求	无特定要求	无特定要求
组件要求	对关键组件指明了需要符合的标准号	无特定指明	无特定指明

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