?1簡介

UL1973,是北美儲能電池系統的安全標準,同時也是美國ANSI①和加拿大SCC②雙國認可標準?此外,該標準也被其他區域所認可,比如澳洲CEC,獲得該證書的產品可順利進入北美及澳洲市場?標準涵蓋給固定式?光伏?風能?后備電源?通信基站?車輛輔助電源?LER等使用的各類電池系統,但該標準僅為安全標準,不包含性能和可靠性評估?

IFC(International Fire Code)是美國的國際防火規范,其中section1207ElectricalEnergyStorageSystem中涉及熱失控保護方法和電池系統安全要求符合UL1973?

NFPA(National Fire Protection Association)Standard是美國消防協會制定的標準,其中NFPA70Article706EnergyStorageSystems,也要求電池系統熱失控保護和安全要符合UL1973?NFPA70等同于美國國家電氣規范(NEC),NFPA70已經為美國的50個州所采用,是安全電氣設計?安裝和檢查的基準,以保護人員和財產免受電氣危害的規范?

NFPA855StandardfortheInstallationofSta-tionaryEnergyStorageSystems是國消防協會制定的關于固定式儲能系統安裝標準,其中chapter9Elec-trochemicalEnergyStorageSystems,要求電池系統,模塊,電容器系統,模塊和熱失控保護要符合UL1973?

UL1973也被納入美國勞工部下屬OSHA認可標準,具體見http://www.osha.gov/nationally-rec-ognized-testing-laboratory-program/list-standards?UL1973標準第一版是在2013年2月發布并受到ANSI和SCC認可?2018年2月7日又發布了第二版標準?

根據UL官網發布信息,UL1973于2022年2月25日發布了第三版本,同一時間被ANSI和SCC批準為國家標準,具體見https://standardscatalog.ul.com/ProductDetail.aspx?productId=UL1973,對比第二版本和第三版本之間,發現有很對新增和變化內容?

2變化

2.1標題變化

標題具體變化如表1所示?

2.2新增內容

2.2.1新增7.7變壓器要求

變壓器應該根據UL1562,UL1310或等效過載條件的標準進行評估,并應對所連接的電路具有適當的絕緣?

變壓器的一次側應配備過流保護,其尺寸應符合NFPA70第450條或C22.1第26條的規定?

2.2.2新增7.13梯次利用電池要求

使用再生電池的電池和電池系統應確保再生部件已按照UL1974通過可接受的再生過程?

2.2.3新增16高倍率充電測試要求

評估電池系統在超過電池最大充電電流規格的電流下防止高倍率充電的能力?

本試驗應在完全放電的DUT③應進行高倍率充電?除非對過電流充電保護裝置或控制裝置進行了可靠性評估(即根據7.9評估了功能安全性),否則過電流充電保護裝置或控制裝置應存在單一故障條件?試驗期間,應測量電池的電流和電壓?用于給DUT充電的測試電源設備應足以提供比電池最大規定充電率大20%的電流?

2.2.4新增18過載放電測試要求

評估電池系統其承受過載放電條件的能力?

本試驗應在完全充電的DUT上進行過載,超過規定的蓄電池最大放電電流?DUT的正極和負極端子應連接至外部放電設備?然后,充滿電的DUT應在等于BMS(二次保護)額定過電流保護值90%的電流下放電至完全放電,或達到保護狀態?

2.2.5新增27EMI電磁抗干擾測試要求

靜電放電,DUT應根據IEC61000-4-2中規定的測試程序證明對靜電放電的抗擾性?

射頻電磁場,DUT應根據IEC61000-4-3規定的測試程序證明對射頻電磁場的抗擾性?

瞬態,DUT應按照IEC61000-4-4規定的測試程序,證明對電快速瞬變/脈沖的抗擾性?

浪涌,DUT應按照IEC61000-4-5中規定的測試程序證明對電涌的抗擾性?

射頻共模,DUT應按照IEC61000-4-6中規定的測試程序,證明對射頻干擾的抗擾性?

工頻,DUT應按照IEC61000-4-8中規定的測試程序,證明對工頻磁場的抗擾性?

運行驗證,制造商應聲明主動保護裝置執行的所有安全功能的預期性能?

制造商應提供測試程序,以驗證主動保護裝置執行的每個安全功能是正確工作的?

如果為符合的安全功能提供了冗余的保護方法,則應對每種保護方法進行評估,以確定其是否按預期發揮作用?

2.2.6新增AnnexE鋰離子蓄電芯替代的測試方案

該內容應用于評估鋰離子蓄電芯或其他鋰蓄電芯,并增加測試前預處理和容量檢查測試?

測試包含短路測試,過充測試,擠壓測試,重物沖擊測試,機械沖擊測試,振動測試,熱濫用測試,溫度循環測試,低氣壓測試,燃燒噴射測試?

2.2.7新增AnnexH鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池評估的替代方法

該測試包含過充測試,短路測試,過放測試,溫度測試,非平衡充電測試,耐壓測試,連續性測試,冷熱故障測試,靜態壓力測試,重物沖擊測試,跌落測試,模壓應力測試,結構強度測試,鹽霧測試,外部火燒測試,單電芯故障測試?

2.2.8新增AnnexI機械性空氣金屬蓄電池的測試方法

電芯電堆測試包含振動測試,機械沖擊測試,重物沖擊測試,高溫測試,短路測試,強制放電測試,泄露測試?

機械金屬-空氣蓄電池系統測試包含短路測試,溫度測試,耐壓測試,連續性測試,冷熱故障測試,工作電壓測試,靜態壓力測試,重物沖擊測試,結構強度測試,模壓應力測試,防潮測試,鹽霧測試,水壓測試,泄露測試,堵塞測試,絕緣電阻測試,泄漏測試?

2.3變化內容

2.3.1更加具體的系統安全分析的要求

相比第二版本,更加具體的描述設備安全分析的過程:危險識別,風險分析和風險評估?

安全分析過程的指導文件可參考IEC60812(FMEA),IEC61025(FTA),MIL-STD-1629A,IEC61508,allparts,如下圖參考(圖1,圖2)?

FMEA(FailureModeandEffectsAnalysis)是失效模式與后果分析?在功能安全評估中,主要用于簡單系統的安全分析,不考慮元器件應力累積所造成的安全,僅考慮單一元器件故障造成的后果影響,所以是一種自下而上的分析方法?

FTA(FaultTreeAnalysis)是故障樹分析方法?在功能安全評估中,主要用于復雜系統的安全分析,從結果出發,分析造成結果的原因,考慮了系統中元器件應力累積所造成的后果影響,所以是一種自上而下的分析方法?

在電池系統安全分析中,至少需要考慮的三個安全參數條件:電芯過壓/欠壓,電芯過溫/欠溫,充放電情況下電池過流,如下圖參考(圖3)?

安全分析應包括保護電路中的單一故障情況,涉及所有元器件和IC等?

特別指出IC(integratedcircuits)的故障模擬應

考慮以下情況:

(1)短路?

①任意兩個相鄰端子?

②IC電源VCC和每個端子(如適用)?

③IC接地VDD和每個端子(如適用)?

(2)一次在多個IC端子的輸出上出現stuck-at故障的所有可能組合(單一故障)?

2.3.2更加具體的保護電路和控制的要求

2.3.2.1保護電路中關鍵安全功能的要求

a)冗余無源保護裝置,或

b)冗余主動保護裝置,或

c)滿足單一故障情況,仍是安全;或

d)保護裝置至少滿足IEC61508SIL2,或者

ISO13849PLc,或者ISO26262ASILC

注:主動保護裝置:用于防止危險情況,需要電能才能運行的裝置,如BMS等;

被動動保護裝置:用于防止危險情況,不需要電

能就能檢測和運行的裝置,如保險絲等?

2.3.2.2保護電路中主動保護裝置要求

a)UL991第7章中的失效模式和影響分析

(FMEA)要求;

b)UL60730-1或CAN/CSAE60730-1中的內部故障保護以確保功能安全要求(H.27.1.2);或

c)CSAC22.2No.0.8(第5.5章)中的故障保護以確保功能安全要求(B級要求),以確定符合性和確定驗證單容錯所需的測試?

關于硬件電路架構設計,可以參考以下說明:

(1)單通道(雙保護)架構(ClassB);

(2)雙通道架構設計(ClassB或ClassC)?

2.3.2.3保護電路軟件要求

a)UL1998的1級軟件要求;b)CSAC22.2No.0.8軟件B類要求;或c)UL60730-1(條款H.11.12)或CAN/CSA

E60730-1中使用軟件的控制要求(軟件B級要求)?

2.3.2.4保護電路電磁干擾EMI要求

作為安全的保護電路和軟件控制應按照27電磁干擾EMI的規定進行評估和測試,以驗證電磁抗擾性?

3影響

相比較UL1973第二版,第三版新增一些結構要求,電氣測試要求,電磁兼容EMI要求,二次鋰電芯替代的測試方案,鉛酸電池和鎳鎘電池評估的替代方法,機械性可充電空氣金屬電池的測試方法等?總體而言,內容上更加豐富,使用領域更加明確,功能安全評估更加詳細,安全評估更加完整?

如果是之前已獲得UL1973第二版標準認證的產品,需要補充一些結構檢查和差異測試,甚至功能安全等級評估來更新到第三版本?如果是計劃投入美國市場銷售的新產品,需要在產品設計階段,將第三版本標準的要求考慮進去,以免后期重新整改或更新?

4結論

本文從UL1973介紹開始,用IFC,NFPA70,NFPA855,OSHA和SCC等的認可,說明其適用性和重要性?然后,總結了UL1973第三版的新增內容和變化內容,詳細闡述功能安全的要求?最后給出建議硬件架構方案做為參考?

UL1973第三版本在第二版本基礎上,以良好實踐為綱,經多方磋商和總結,把握市場趨勢,為廣泛的儲能電池相關從業者,設計和制造高質量性能的產品,起到良好指導作用?