UL公司乐艳飞：美国储能系统标准概述

　　聚焦“技术应用双创新，规模储能新起点”，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。2019年5月18-20日，中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所举办“ESIE2019储能国际峰会暨展览会”，UL能源与电力科技事业部首席工程师 乐艳飞在会上发言。

　　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。