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产业报告:英国住宅储能系统安全风险分析(三)

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2022-04-25 浏览:

中国储能网讯:7、安全标准、规范、指南和规定  

在过去五年,随着电池储能行业的发展,国际上针对储能系统和大容量锂离子电池制定了多项安全标准。国际电工委员会(IEC)、美国保险商实验室(UL)、美国国家消防协会(NFPA)和德国VDE等机构和组织致力制定这些标准。而VDE在德国领导制定储能系统的设计、测试和安装要求的工作。储能系统标准的范围既包括大型的电网规模储能系统,也包括住宅储能系统。当标准作为基于欧洲(EN或HD)标准的英国标准存在时,将引用英国标准版本。这些标准分为以下几类:  

•电气装置的安全标准。  

•电网连接要求标准。  

•英国市场上电气装置的型号代码。  

•电池储能系统的安全标准。  

•固定锂离子电池的安全标准。  

•锂离子电池的安全标准。  

•控制和电池管理系统的功能安全标准。  

•锂离子电池运输安全。  

•电力电子转换器系统和逆变器的安全标准。  

•电磁兼容性(EMC)标准。  

在研究中调查的电池储能利益相关者表示,需要明确的标准和政策是一个强烈的主题。一个担忧是标准往往落后于技术创新,而安全标准通常代表最低要求,并且不是理想的其次。他们强调了系统安装人员所扮演的角色。如果未正确遵循电气规范和电池储能系统的安装指南,原本安全的电池储能系统可能会带来危险。因此,储能系统安装人员必须经过良好培训。  

7.1、英国的安全标准和法规  

英国对电池储能系统的安全要求可分为电气安装要求、电网连接要求、产品安全监管要求以及危险品监管要求。  

7.1.1、电气安装和电网连接要求  

人们在日常活动中接触到的所有电气装置通常必须符合IET布线规定(BS7671)。目前,BS7671中没有单独的电能存储系统安装章节。与其相反,必须考虑适用部分的要求。BS7671没有包含对住宅BESS或其在住宅中的位置的具体要求。2017年发布了进一步的指导文件“IET储能系统实践守则”,旨在提供安装的最佳实践。  

将电池储能系统连接到英国的低压配电网络时,必须遵循特定程序。所需的型式测试和注册在G83/2和G98/1标准中描述。工程推荐G98/1是G83/2的更新。G98/1于2019年5月17日生效,适用于该日期当天或之后调试的微型发电设施。

7.1.2、产品安全和危险品监管要求  

电池储能系统的每个子系统都应遵守适用的产品安全指令,例如:  

•通用产品安全指令(如适用)。  

•低压指令(直流为50至1000V,交流为75至1500V)。  

•EMC指令。  

此外,危险品法规要求锂离子电池应根据联合国测试和标准手册第38.3节进行测试,以便能够运输。  

7.1.3、电池储能系统的最低要求  

表6列出了所有这些要求以及用于遵守这些要求的标准。简而言之,英国电池储能系统的最低安全要求取决于电池子系统的标称电压是低于还是高于75V。大多数英国电池储能制造商选择低于75V的标称电压。对于电池对于标称电压高于75V的子系统,电池子系统也需要遵守低压指令。  

表6英国电池储能系统的最低要求  

*仅当电池子系统的标称电压高于75V时才需要  

BSEN62619标准作为最低要求列入表6中。但是,由于BSEN62619不是任何指令的协调标准,因此在任何法规中都没有具体提及BSEN62619标准。但是,根据通用产品安全指令,如果有适合其产品的既定适用标准,则应以此来显示产品的安全性。因此,一些第三方认证机构建议锂离子电池子系统应符合BSEN62619标准。目前法规中没有任何内容阻止制造商使用其他锂离子安全标准,例如BSEN62133-2。  

7.1.4、预计未来电池储能系统的最低要求  

一些基于锂离子电池储能系统的新标准正在开发中,最近已发布。在不久的将来,预计最低要求将由更长的标准列表来描述,这将使  制造商需要遵循哪些要求。预计标准列表将更改为表7中列出的标准。  

表7新的锂离子电池储能系统标准发布后对英国电池储能系统的预期最低要求。  

*目前正在开发的标准**仅当电池子系统的标称电压高于75V时才需要,如果系统包含WiFi设备,无线电设备指令也适用。  

表6和表7的主要变化是:  

•制造商必须通过应用IEC62933-5-2考虑与组合电池子系统和任何电气子系统相关的风险。IEC62933-5-2包含更明确的指导,说明应如何对整个系统进行风险分析以考虑这些风险。  

•最近发布了IEC62933-5-2标准,包括对应应用的特定组件标准的引用。锂离子电池储能系统应符合BSEN62619标准或规定。 而关于锂离子电池安全标准应适用于其他领域的参考资料 。  

•IEC62485-5将包括锂离子电池储能系统的特定安装要求,可能会在未来版本的BS7671中引用。当前草案版本要求锂离子电池系统已根据BSEN62619进行了测试。它将IEC62933-5-2的未来版本很可能要求安装符合IEC62485-5标准。  

7.2、关于英国电池储能系统标准制定的说明  

目前没有专门针对英国电池储能系统制定的法规或标准。上述标准已针对大型工业电池储能系统和小型住宅储能系统制定。而在美国市场,目前正在努力制定对其国内储能系统的严格要求(标准NFPA855中的第15章)。例如,该章的当前版本包括在可以安装住宅电池储能系统的住宅的位置要求。预计NFPA855标准可能会在美国代码的未来版本中被引用(例如NFPA70,美国版本的BS7671)。目前正在讨论该章应包括哪些要求。  

目前有几项适用于英国锂离子电池储能系统的标准正在制定中,尚未公布。如果这些标准的开发旨在成为低压指令或通用产品安全指令下的协调标准,或在其他标准或法规(如BS7671)中引用,则将有助于明确表明符合法规的过程。  

8、风险缓解选择  

标准IEC62933-5-2和美国标准UL9540都包含降低风险的要求。这些标准强调了需要降低到可接受水平的风险。但是,他们没有具体说明制造商应如何降低风险。  

电池储能系统制造商应优先使用的风险缓解方法是:  

•固有的安全设计。  

•防护装置和保护装置。  

•最终用户信息。  

最后,对于储能系统标准和锂离子电池安全标准,制造商都需要证明它们的设计选择、防护装置和保护装置以及文档的组合在风险分析中将风险降低到了可容忍的水平。  

作为风险分析的一部分,制造商必须考虑在住宅电池储能系统(BESS)的整个生命周期内可能发生的所有潜在故障。在早期阶段引发的故障可能会在生命周期的后期阶段导致危险事件。在欧盟项目STABALID中,对固定锂离子电池进行了风险分析。执行这一风险评估是为了支持部署电池容量大于10Ah到低于1MWh的锂离子电池。该研究确定了电池生命周期中的风险和危害,并提出了一种风险评估方法,包括风险缓解措施。即使系统规模大于研究报告中考虑的英国电池储能系统,在评估国内电池储能风险时也可以采取类似的方法。它们包括固定锂离子电池生命周期的以下阶段:  

•生产  

•运输/搬迁  

•贮存  

•安装/退役  

•手术  

•维护/定期检查  

从总体上看,回收/销毁可以作为生命周期结束时的一个单独阶段添加。

8.1、故障原因  

在这个研究报告中,没有针对生命周期的每个阶段进行具体的风险评估。取而代之的是,根据热失控和电气危险这两个主要危险类别的特征,将其故障原因分为一般类别。

8.1.1、热失控的原因  

锂离子电池危害的核心事件是热失控,它在温度升高/火灾、压力升高和有毒气体释放方面构成危险。在系统级别上,一个电池中的热失控的级联传播风险会扩散到其他电池,从而导致整个电池组内的热失控,这是主要的危险事件。适用于住宅锂离子电池储能系统的标准(例如BSEN62619、UL1973、UL9540和IEC62933-5-2)中包含对电池故障蔓延的评估。  

热失控的故障原因可分为机械、电气和环境滥用的一般类别,以及在生产阶段引入系统的故障。以下各节从总体角度分别介绍了故障原因的示例。

8.1.1.1、机械  

机械滥用的示例可能包括:振动、挤压、跌落或刺穿,例如可能导致电池外壳破裂或电池内部短路,从而导致热失控。  

8.1.1.2、电气  

为了安全运行,电池需要保持在其电压和电流限制范围内。暴露于电气滥用(例如外部短路、过充电或过放电)可能会导致热失控。  

8.1.1.3、环境  

如上所述,将电池保持在工作温度范围内很重要。它是风险分析中要考虑的最重要的环境参数之一。外部加热或火灾可能会损坏电池并在电池内引发反应,从而导致膨胀、放气、排气,在最坏的情况下会导致热失控。在低温下充电会导致电池内部短路,这也可能导致热失控。  

8.1.1.4、制造和设计问题  

由于制造故障导致的内部短路风险很难在标准化安全测试中捕捉到。因此,为了避免制造过程中电池内部短路,电池制造质量和控制非常重要。锂离子电池和电池的安全标准通常要求一定程度的制造过程控制。IEEE 1725蜂窝电话可充电电池的标准对制造控制有最详细的要求。CTIA无线协会已制定了一项针对IEEE 1725的评估审计协议,确定了关键制造过程,如:电极涂层、毛刺、杂质、电极/隔板的错位等。

由于在电池、电池和系统层面上存在多层安全功能,因此通常是滥用条件和错误设计或制造缺陷的组合导致热失控。

8.1.2、电气危险的原因  

由于在电池、电池和系统级别上有几层安全功能,因此通常是滥用条件和错误设计或制造缺陷的组合导致热失控。  

8.1.2、电气危险的原因  

当连接电池以提供更高的电压时,电池子系统中的系统级和电源转换子系统中存在电气危险。如果电压处于如此高的水平,则电气危险可能是电击或电弧闪光。可能存在导致电击的各种类型的滥用行为,但基本标准是接触导电部件。其根本原因可能是外壳的机械损坏或松动的电缆短路等。潮湿或雨水等环境条件可能会导致系统内的腐蚀和短路。当两个带高压的导电部分彼此相邻且隔离不充分时,就会发生电弧闪光。根据周围材料的不同,电弧闪光可能会导致火灾的热事件。  

本报告第8.3节简要讨论了电源转换设备(PCE)故障或交流负载消耗的过电流的影响。  

8.2、电池子系统  

8.2.1、电池单元  

在锂离子电池安全标准(例如BSEN62619)中,要求电池在预期使用和合理可预见的误用条件下不应存在重大危险。这意味着电池在以下情况下不应爆炸或起火:  

•外部短路(≈30mΩ)。  

•冲击条件(来自9.1kg刚性质量的冲击)。  

•跌落(通常从1米的高度)。  

•暴露于高温(85˚C,持续3小时)。  

•可预见的过充电情况。  

•强制放电条件(已放电的电池再放电90分钟)。  

即使在BSEN62619中没有明确要求,电池设计应该能够最小化内部短路的影响或降低内部短路的风险。

电池制造商通过仔细优化和组合他们选择的阳极材料、电解质、隔膜和阴极材料的材料特性以及设计选择来实现其特定的性能和安全特性。以下是一些与安全相关的材料和设计选择的示例,例如(但不限于):  

•使用电解质添加剂

o防止可能导致发热、放气和不均匀的副反应。  

o阻燃剂降低了在通风或热失控事件的情况下发生火灾的风险。  

o过度充电氧化还原梭和其他添加剂可降低过度充电的风险等。  

•使用专门设计的隔板,例如:

o陶瓷涂层隔膜,以增加机械强度、减少收缩,并提高高温性能。  

o具有关闭功能的隔板,在发生小的局部内部短路时会导致隔板熔化,从而隔离短路。  

•圆柱形/棱柱形电池盖/外壳中内置安全功能。  

oPTC(正热系数)可在过电流的情况下增加高温下的电阻,  

oCID(电流中断设备)在高内部电池压力下电气断开电池,  

o电池外壳中的安全通风口(大多数锂离子电池安全标准中的要求)在内部高压力下释放压力,以避免外壳爆炸。  

电池制造商还可以通过实施过程控制,持续监控可能影响安全的制造过程关键要素,从而降低内部短路引起的危险事件的风险。这在BS EN 62619等锂离子电池安全标准中没有明确要求。

8.2.2、电池管理系统(BMS)

即使锂离子电池在可预见的滥用期间没有爆炸或起火,但在单独测试时,这并不意味着它们在相互连接形成电池时不会出现任何重大危险。BSEN62619等锂离子电池标准要求电池制造商设计电池系统以符合电池工作区域。电池制造商通过监控和控制每个电池电压、放电电流和充电电流的电池管理系统(BMS)来实现这一目标。电池管理系统(BMS)还应监控内部电池温度,并防止在电池建议的充电温度范围之外充电。  

总之,电池管理系统(BMS)应该:  

•控制电池电压以防止过度充电和过度放电。  

•控制充电和放电电流以防止过流和短路情况。  

•控制温度以防止出现过热情况。  

固定式锂离子电池储能系统的安全标准通常要求电池管理系统(BMS)应能够在电池管理系统(BMS)中的单个组件故障或软件故障时确保保护。电池制造商可以通过组合设计选择来实现这一目标,例如:  

•使用多个独立级别的保护来控制温度、电流和电池电压。  

•确保符合安全关键组件(软件和硬件)的功能安全标准。  

•使用故障安全组件。  

图4显示了一个典型的电池管理系统(BMS)示例。在这一设计中,每个电池单元(并联电池组)的电压由两个独立的组件(主要和次要安全)监控。这两个组件可以关闭放电或充电电流,熔断不可复位的保险丝或激活保护MOSFET。温度和电流(通过分流器测量)也受到监控,如果温度或电流超出电池的推荐电流和温度范围,安全组件可以中断电流。  

图4 典型电池管理系统(BMS)示意图  

如果将一个电池储能系统分成若干个包或模块,则在每个包或模块中往往会发现类似于图5中设计的电池管理系统(BMS)。每个电池管理系统(BMS)将每个模块或电池组的警报和状态传达给电池管理单元或控制子系统。  

8.2.3、电池子系统物理设计  

许多锂离子电池标准(例如BSEN62619、UL1973和IEC62933-5-2)要求单个电池故障不应蔓延到电池子系统的外壳之外。此外,电池子系统的设计应允许膨胀(如果使用软包电池)并最大限度地减少正常运行期间模块内部的温升。  

电池制造商通过组合设计选择来实现这一点,例如(但不限于):  

•在电池/模块之间增加物理间距以允许膨胀并降低热和/或火焰传播的风险。  

•添加散热器和热障。  

•使用带有主动液体或空气冷却的热管理系统。  

•考虑电池通风口的位置,以尽量减少影响其他电池或BMS或安全电路功能丧失的风险。  

•加强电池外壳以防故障并防止电池在电池故障期间破裂。  

•最大限度地减少电池模块内的氧气供应。  

•使用单个电池保险丝防止并联电池通过故障电池放电。  

•优化温度传感器的位置和数量。  

•在安全方面优化电池模块的总能量。  

为确保电池储能系统在火灾传播方面的固有安全设计,标准草案IEC62933-5-2要求电池储能系统内部应分开,分为电池部分、充电设备部分和包括断路器和放电电路的部分,使用防火隔板。  

8.2.4、外壳设计  

电池子系统需要由外壳保护。电池制造商应考虑外壳设计是否具有以下部分或全部属性:  

•在合理可预见的期间抵抗可能滥用的能力。

•能够防止湿气进入(取决于安装位置)。  

•提供对电池内部的保护。  

•防止接触危险部件。  

•限制火势蔓延。  

•避免压力积聚和爆炸。  

•如果使用聚合物材料,则具有足够的可燃性等级。  

•如果使用金属外壳,则可以耐腐蚀。  

EN60529系列等标准用于定义入口保护(IP)要求。当今系统中市场上的大多数外壳不适合外部安装(具有主动温度控制并达到IP56等级的Tesla Powerwall电池储能系统除外)。  

BSEN62619和其他电池标准还要求:  

•接线及其绝缘应足以承受最大预期电压、电流、温度、海拔和湿度要求。  

•布线设计应保证导体之间有足够的间隙和爬电距离。  

•应保护电池系统的危险带电部件以避免触电风险。  

•连接的机械完整性应足以适应可合理预见的滥用情况。

(未完待续)

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