UL公司樂艷飛：美國儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)概述
UL能源與電力科技事業(yè)部首席工程師 樂艷飛
聚焦“技術(shù)應(yīng)用雙創(chuàng)新，規(guī)模儲(chǔ)能新起點(diǎn)”，通過組織主題演講、展覽展示、創(chuàng)新大賽、專題研討、項(xiàng)目考察、新品發(fā)布、技術(shù)交流等多種活動(dòng)，多維度精準(zhǔn)對接全球儲(chǔ)能市場與應(yīng)用，助力中國儲(chǔ)能企業(yè)與國際接軌，為儲(chǔ)能企業(yè)搭建與政策制定者、規(guī)劃者、電網(wǎng)管理者、電力公司、能源服務(wù)商的交流互動(dòng)平臺(tái)。2019年5月18-20日，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、中國科學(xué)院工程熱物理研究所舉辦“ESIE2019儲(chǔ)能國際峰會(huì)暨展覽會(huì)”，UL能源與電力科技事業(yè)部首席工程師 樂艷飛在會(huì)上發(fā)言。
各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)、各位朋友們，大家下午好!
很榮幸受組委會(huì)邀請，參加2019年儲(chǔ)能國際峰會(huì)，我是來自UL公司的樂艷飛。我今天給大家分享的話題是《美國儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)概述》。
正式介紹之前，我們來看一下韓國這兩年發(fā)生的儲(chǔ)能系統(tǒng)起火案例。2018年韓國共發(fā)生16起儲(chǔ)能系統(tǒng)的起火案例，今年1月份又發(fā)生了4起起火案例。我們都知道，韓國是儲(chǔ)能電池的制造強(qiáng)國，連他們都能發(fā)生這么多儲(chǔ)能系統(tǒng)的起火案例，說明儲(chǔ)能電池的安全形勢還是比較嚴(yán)峻的，需要各位同仁專家們的努力來提高它的安全性，也需要標(biāo)準(zhǔn)制定部門制定更安全和更完備的標(biāo)準(zhǔn)。
儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦起火，它的火勢蔓延非常迅速，而且很難被撲滅，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害，另外給消防救援也帶來非常巨大的挑戰(zhàn)。所以這兩年美國制定了很多儲(chǔ)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。今天我會(huì)先介紹北美儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)范，在北美叫做Code，再介紹UL9540儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，還有UL9540A儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控蔓延的評估測試標(biāo)準(zhǔn)。
近兩年美國新制定的儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)范主要有這幾個(gè)。首先是美國電工規(guī)范或者NEC法規(guī)，最新版為2017版，還有美國國際防火規(guī)范IFC，國際建筑規(guī)范IBC，IFC、IBC最新版為2018版，IBC2018對儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求參考IFC2018。還有國際住宅規(guī)范IRC，IRC是針對一個(gè)家庭或兩個(gè)家庭的住宅，IBC是針對普通建筑的要求。儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全，在美國被認(rèn)為非常重要，因此專門針對儲(chǔ)能系統(tǒng)新立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 855儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝規(guī)范，目前該規(guī)范大框架和內(nèi)容已經(jīng)定下來，基本會(huì)在今年發(fā)布。
首先看一下美國電工法，2017版是最新版本。在2017版中專門針對儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了一個(gè)新的章節(jié)“706章節(jié)”。706章節(jié)適用50伏AC或60伏DC以上的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以離網(wǎng)或并網(wǎng)工作。
在706.5中提到所有設(shè)備必須列名，如監(jiān)控器、控制器、繼電器、保險(xiǎn)絲、斷路器、能量轉(zhuǎn)換單元如PCS、能量存儲(chǔ)單元如電池等都必須列名;或者獨(dú)立的儲(chǔ)能系統(tǒng)整個(gè)做列名，在706章節(jié)中列名引用的標(biāo)準(zhǔn)就是UL9540這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
IRC美國的住宅規(guī)范，2018版同樣增加了新的章節(jié)，R327儲(chǔ)能系統(tǒng)章節(jié)。同樣提到儲(chǔ)能系統(tǒng)必須UL9540列名。另外，它對儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置、通風(fēng)要求、車輛碰撞防護(hù)、梯次利用電池許可進(jìn)行規(guī)范，該規(guī)范適用于1kWh以上的電池系統(tǒng)，住宅中安裝的儲(chǔ)能系統(tǒng)只要大于1kWh必須滿足這個(gè)規(guī)范。
再看IFC 2018，它也增加了一個(gè)新的章節(jié)專門針對儲(chǔ)能系統(tǒng)，同樣有相應(yīng)的要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要UL9540列名。此外，因?yàn)樗欠阑鹨?guī)范，所以對火災(zāi)探測和滅火有嚴(yán)格要求。另外，它對儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝時(shí)的最大容量做了限制，對儲(chǔ)能系統(tǒng)里的機(jī)柜或電池簇的容量也有限制，如果您的儲(chǔ)能系統(tǒng)超過限制，需要提供危險(xiǎn)抑制分析報(bào)告給相關(guān)部門，并補(bǔ)做大規(guī)?；馃郎y試，讓監(jiān)管部門來接受。
從圖中可以看到，對于非專業(yè)建筑或非偏遠(yuǎn)地段用的鋰離子類儲(chǔ)能系統(tǒng)，它在安裝時(shí)最大允許能量是600kWh，每一個(gè)機(jī)柜，如電池柜或電池簇，其最大允許能量是50kWh。每個(gè)機(jī)柜間距離及到墻壁間距離必須大于3英尺。儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦超過這個(gè)限制，如總?cè)萘砍^600kWh，或機(jī)柜和機(jī)柜間的距離比較小，就要補(bǔ)做大規(guī)?；馃郎y試，并且由AHJ美國監(jiān)管部門批準(zhǔn)是否接受這個(gè)系統(tǒng)的安裝。
因?yàn)镮FC中并沒有給出大規(guī)?；馃郎y試方法，所以UL開發(fā)了UL9540A標(biāo)準(zhǔn)，專門為大規(guī)?；馃郎y試提供詳細(xì)評估方案，受到美國消防部門和監(jiān)管部門的大力支持和認(rèn)可。
我們再看一下NFPA 855。NFPA 855目前還在制定過程中，它主要基于IFC2018儲(chǔ)能系統(tǒng)防火相關(guān)的條款，然后在IFC的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分，它根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同的安裝位置，會(huì)給出不同的安裝要求。比如儲(chǔ)能系統(tǒng)是安裝在室內(nèi)或室外的，安裝在有人或者沒有人活動(dòng)的地方，或者安裝在屋頂或車庫，都是有不同的要求的。
同樣NFPA855對儲(chǔ)能系統(tǒng)也有UL9540列名的要求，當(dāng)超出容量限制，或超出距離限制，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要去評估大規(guī)模火燒測試UL9540A的評估。
前面講了很多美國規(guī)范，都有引用到UL9540?，F(xiàn)在我們來看一下UL9540標(biāo)準(zhǔn)，UL9540是針對儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，是全球第一本儲(chǔ)能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)。它在2015年被授權(quán)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，在2016年被授權(quán)為加拿大的國家標(biāo)準(zhǔn)，目前是雙國國家標(biāo)準(zhǔn)。它包含各種儲(chǔ)能類型，電化學(xué)類型如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)如燃料電池，機(jī)械的和熱能的儲(chǔ)能系統(tǒng)，都涵蓋在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里面。這些儲(chǔ)能系統(tǒng)可以單獨(dú)工作或者并網(wǎng)工作。
UL9540A對儲(chǔ)能系統(tǒng)的評估是非常全面的，它不僅有常規(guī)的測試要求，還有非常詳盡的結(jié)構(gòu)要求，以及對說明書和標(biāo)簽都有相應(yīng)的要求。
我們來看一下結(jié)構(gòu)要求。對于熟悉UL的朋友可能知道，UL基本上所有的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)都是會(huì)有結(jié)構(gòu)要求部分，對產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件和結(jié)構(gòu)提出要求，UL9540也是這樣的架構(gòu)。UL9450對其所有關(guān)鍵零部件都有相應(yīng)的要求，如非金屬材料阻燃性怎么樣，溫度等級如何?外殼防護(hù)等級是不是達(dá)到合適的等級?另外對步入式系統(tǒng)的電氣安全如何考慮?線纜和連接器是否有UL認(rèn)證，電氣參數(shù)是否合適?火警探測和抑制設(shè)備，如煙霧傳感器，噴淋頭是不是可靠的、是不是有UL認(rèn)證?都需要在UL9540結(jié)構(gòu)評估中做非常詳盡的評估。
這里要強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)和功能安全。之前惠主席也介紹過，不同的系統(tǒng)之間的兼容性問題。我們知道儲(chǔ)能系統(tǒng)里面最主要的單元是電池和PCS，有人可能認(rèn)為，我認(rèn)證過的電池和認(rèn)證過的PCS組裝在一起是不是安全了?之前有發(fā)生過PCS在運(yùn)行的時(shí)候，它上面的噪聲電壓造成電池BMS的損壞，進(jìn)而造成整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的起火。所以整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)即使里面很多零部件已經(jīng)認(rèn)可過，但組成儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，還要考慮各個(gè)零部件之間的兼容性，整個(gè)系統(tǒng)兼容安全控制和功能安全也要全面評估。
當(dāng)然標(biāo)簽和說明書也是非常重要的一部分，比如安全標(biāo)志，可以有效地預(yù)防危險(xiǎn)。說明書可以有效保證儲(chǔ)能系統(tǒng)在安裝和運(yùn)行時(shí)候的安全。
UL 9540測試主要分為三大塊：常規(guī)電氣測試、環(huán)境測試，這兩部分測試對所有儲(chǔ)能系統(tǒng)都適用，比如溫升測試，看它正常工作時(shí)溫度上升情況，看它的零部件是不是有超出其工作溫度范圍運(yùn)行，還有耐壓、浪涌測試;有些系統(tǒng)可能安裝在地震帶，那地震測試有沒有考慮?這部分都需要評估。機(jī)械測試主要針對機(jī)械類儲(chǔ)能系統(tǒng)，如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，會(huì)考慮機(jī)械方面的測試評估。
再看UL 9540A電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控?cái)U(kuò)散評估測試標(biāo)準(zhǔn)，它用來記錄和分析ESS起火特性，可以評估消防措施是否有效。從這個(gè)時(shí)間軸上可以看到，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂是非?？欤壳癠L 9540A標(biāo)準(zhǔn)是第三版，在今年三月份又發(fā)布了新的公告，大概會(huì)是第四版的內(nèi)容。
之前有提到，UL9540A受到監(jiān)管部門、消防部門的大力支持和認(rèn)可，為什么呢?主要是因?yàn)槲覀冞@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以提供很多關(guān)鍵的消防安全相關(guān)的信息。通過這個(gè)測試之后，我們可以知道電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝參數(shù)，比如機(jī)柜到機(jī)柜之間的距離。熱失控時(shí)產(chǎn)生的煙霧量、熱量，以及對應(yīng)的通風(fēng)要求。也可以評估消防設(shè)施是不是有效，并幫助消防部門提供消防應(yīng)對策略。
正是因?yàn)閁L9540A能提供很多消防安全相關(guān)的信息，能減少消防員的安全顧慮，所以它被儲(chǔ)能集成商、保險(xiǎn)業(yè)、建筑業(yè)主、監(jiān)管部門和消防部門等利益相關(guān)方的大規(guī)模認(rèn)可和采用，他們紛紛要求電池制造廠家和系統(tǒng)制造廠家去做UL 9540A的分析測試報(bào)告。
UL 9540A的測試報(bào)告主要從四個(gè)層級對儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控蔓延的情況進(jìn)行評估，包括電芯、模塊、機(jī)柜、安裝層級測試。電芯層級測試主要看電芯是不是熱失控，模塊層級看熱失控在模塊內(nèi)部擴(kuò)散的傾向，機(jī)柜層級看熱失控是否在整個(gè)機(jī)柜內(nèi)蔓延，并可能蔓延到其他相鄰機(jī)柜的情況。安裝層級的測試，更多看消防系統(tǒng)的有效性。
這是電芯層級測試的裝置。在電芯層級測試時(shí)，我們會(huì)觸發(fā)電芯熱失控，并對它熱失控的氣體進(jìn)行收集和分析。在電芯層級可以得到很多重要參數(shù)，包括電芯熱失控方法和參數(shù)，電芯泄氣溫度，這個(gè)曲線我們看到的是先有電芯泄氣溫度，然后是電芯熱失控。還有電芯釋放的氣體，它的成分是什么，氣體總量是多少，它的可燃濃度是多少，它的氣體的燃燒速度是多少，以及氣體最大壓力是多少?這些都在我們電芯測試報(bào)告中有包含。
在模塊層級，我們把模塊放在集氣罩下，采用電芯層級的熱失控方法觸發(fā)一個(gè)或幾個(gè)電芯熱失控，以保證測試的可重復(fù)性。在模塊層面，我們讓電芯熱失控后，觀察熱失控在模塊內(nèi)蔓延的情況。在模塊層級測試，我們可以得到整個(gè)模塊熱釋放率，煙霧釋放率和釋放總量，它的燃燒的危險(xiǎn)性以及電芯泄氣氣體成分的總量，模塊會(huì)不會(huì)起火，有沒有爆燃的風(fēng)險(xiǎn)等。
在機(jī)柜層級，我們會(huì)根據(jù)制造商給出的安裝說明書來布置測試機(jī)柜。如果你的說明書里面允許機(jī)柜或電池簇兩排或多排安裝，則放四個(gè)機(jī)柜測試，如果只允許單排安裝，比如集裝箱只有一排電池簇，就放兩個(gè)機(jī)柜來測試。這個(gè)圖中左上角的這個(gè)機(jī)柜是真實(shí)機(jī)柜，另外三個(gè)機(jī)柜或一個(gè)機(jī)柜是去除電池芯后的機(jī)柜，但會(huì)保留整個(gè)機(jī)柜機(jī)架、模塊外殼、電纜及其他零部件，只是去除電芯。機(jī)柜間的間距及到墻壁間的間距都是根據(jù)說明書來布置的。同樣讓機(jī)柜中某個(gè)模組里面一個(gè)或多個(gè)電芯熱失控，觀察電芯熱失控蔓延的情況，有沒有可能蔓延到隔壁機(jī)柜，并監(jiān)測機(jī)柜溫度、墻體溫度、墻體熱流及機(jī)柜熱流。我們也會(huì)得到很多重要數(shù)據(jù)，如初始機(jī)柜模塊之間熱失控蔓延情況、熱釋放率、總的煙霧釋放率、總的氣體成分和體積、墻體溫度和熱流、起火/爆燃風(fēng)險(xiǎn)、以及有沒有可能復(fù)燃等。
最后是安裝層級測試，如果機(jī)柜層面有觀察到外部火焰，需要在安裝層級結(jié)合消防設(shè)備來做測試，否則就不需要做測試。在這個(gè)測試?yán)锩妫渌麥y試布置都和機(jī)柜層級一樣，只是我們會(huì)結(jié)合天花板上的自動(dòng)噴淋系統(tǒng)讓它工作，或者有制造商提供的防火方案的話，可以把它配置起來測試。我們在這個(gè)層級的測試可以得到的數(shù)據(jù)，包含機(jī)柜層級的所有測試數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以評估到消防系統(tǒng)是不是可以有效地工作。一旦起火之后，消防系統(tǒng)是不是可以把這個(gè)火撲滅?
前面是主要內(nèi)容，最后簡單介紹一下UL。UL成立于1894年，最早源于芝加哥博覽會(huì)的電器起火調(diào)查，從而成立了保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室即UL。目前UL業(yè)務(wù)已經(jīng)遍及143個(gè)國家，跨越20多個(gè)行業(yè)。從儲(chǔ)能、風(fēng)能、光伏、材料、線材、家電等等都有涉及。在電池領(lǐng)域，我們制定很多標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提供測試認(rèn)證服務(wù)，另外我們也有自己的研究實(shí)驗(yàn)室，比如電池內(nèi)短路研究和老化研究等，也做很多電池失效的案例分析，比如波音787案例分析和三星Note 7案例分析。非常歡迎大家跟我們探討電池的安全，并跟我們一起合作。
謝謝大家!
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