朱海峰,孔慶剛,吳紅浩,嚴(yán)燕萍

(施耐德電氣(中國)有限公司,上海 201203)

0 簡介

UL 9540[1,2]是北美市場儲能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。2023-06-28,UL 9540第三版正式發(fā)布,同時成為ANSI和SCC認(rèn)可的國家標(biāo)準(zhǔn)。此外,UL 9540也是美國聯(lián)邦政府勞工部(department of labor)下屬機構(gòu)OHSA(occupational safety and health administration)職業(yè)安全與健康管理局計劃的認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn),具體信息可參見http://www.osha.gov/nationally-recognized-testing-laboratory-program/list-standards。因此,符合UL 9540是進入北美市場的有效通行證。

在北美市場,尤其是AHJ(authority having jurisdiction,具有司法管轄權(quán)的監(jiān)管機構(gòu)),對儲能系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在消防規(guī)范和安全規(guī)范方面。UL 9540的認(rèn)證要求源于美國聯(lián)邦和州府內(nèi)各級州縣采用的法規(guī)要求和市場對產(chǎn)品的要求,下面列舉了主要的法規(guī)要求。

(1)ICC IFC(international fire code[3],國際防火規(guī)范)是美國ICC制定的國際防火規(guī)范。其中第1207節(jié)“Energy Storage System”要求:如果儲能系統(tǒng)額定電壓超過50 V(交流電壓)或60 V(直流電壓),需要滿足1207.3.1節(jié)的要求,即儲能系統(tǒng)需要按照UL 9540完成列名。具體內(nèi)容可參見《CHAPTER 12 ENERGY SYSTEMS,2021 International Fire Code (IFC)》。

IFC是北美市場采用最廣泛的消防規(guī)范,不僅適用美國,加拿大和墨西哥也同樣適用。

(2)California Fire Code[4]是加州參考美國ICC IFC制定的州府防火規(guī)范。其中,第1207節(jié)“Energy Storage System”也要求:如果儲能系統(tǒng)的額定電壓超過50 V(交流電壓)或60 V(直流電壓),需要滿足1207.3.1節(jié)的要求,即儲能系統(tǒng)需要按照UL 9540完成列名。具體內(nèi)容可參見《CHAPTER 12 ENERGY SYSTEMS,2022 California Fire Code, Title 24, Part 9》。

(3)ICC IBC(International Building Code[5])是美國ICC制定的國際建筑規(guī)范。其中,第2702節(jié)“Emergency and Backup Power Systems”要求:如果儲能系統(tǒng)額定電壓超過50 V(交流電壓)或60 V(直流電壓),需要滿足2702.1.6節(jié)的要求。UPS儲能系統(tǒng)需要按照UL 1778[6]或UL 9540完成列名,具體內(nèi)容可參見《CHAPTER 27 ELECTRICAL,2021 International Building Code (IBC)》。

(4)ICC IRC(International Residential Code[7])是美國ICC制定的國際住宅規(guī)范。其中,第328節(jié)“Energy Storage System”要求:如果儲能系統(tǒng)額定容量超過1 kWh,需要滿足328.2節(jié),儲能系統(tǒng)需要按照UL 9540完成列名,具體內(nèi)容可參見《CHAPTER 3 BUILDING PLANNING,2021 International Residential Code (IRC)》。

(5)NEC(National Electrical Code[8]),即NFPA 70,被認(rèn)可為美國的國家電氣規(guī)范,在美國50個州都采用,是安全電氣設(shè)計、安裝和檢查的基準(zhǔn),以保證人員和財產(chǎn)免受電氣危害。NFPA 70中第706節(jié)“Energy Storage System”要求:儲能系統(tǒng)需要滿足706.5節(jié),儲能系統(tǒng)需要符合UL 9540列名要求,具體內(nèi)容可參見《NFPA 70:National Electrical Code》。

NEC是美國強制采用的電氣規(guī)范,需要注意的是,不同的州縣采用NEC的版本不同,需要根據(jù)具體州縣,具體確認(rèn)。

(6)NFPA 1(National Fire Protection Association[9])是美國消防協(xié)會制定的消防規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),其中第52節(jié)“Energy Storage Systems”要求:電化學(xué)儲能系統(tǒng)需要符合NFPA 855[10]的第九章節(jié)要求,即電化學(xué)儲能系統(tǒng)需要符合UL 9540列名要求,具體內(nèi)容可參見《NFPA 1:Fire Code》。

(7)NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems是國際消防協(xié)會制定的關(guān)于固定式儲能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn),其中第9節(jié)“Electrochemical Energy Storage Systems”要求:如果儲能系統(tǒng)額定容量超過20 kWh,需要符合9.2節(jié),即電化學(xué)儲能系統(tǒng)需要符合UL 9540列名要求,具體內(nèi)容可參見《NFPA 855:Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems》。

加拿大對儲能系統(tǒng)的要求參照美國市場要求,因此在北美市場有雙國認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),即完成一次測試可獲得美國和加拿大都認(rèn)可的雙國認(rèn)證證書。

UL 9540標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電化學(xué)、化學(xué)、機械和熱能類型的儲能系統(tǒng),包含固定式和移動式應(yīng)用,住宅和非住宅應(yīng)用,室內(nèi)和室外應(yīng)用,交流儲能系統(tǒng)和直流儲能系統(tǒng)應(yīng)用。

UL 9540標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)級別標(biāo)準(zhǔn),評估儲能系統(tǒng)各部件之間的兼容性和安全性,而不是針對單獨的部件(如電池系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換設(shè)備)。

UL 9540標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容包括產(chǎn)品范圍、結(jié)構(gòu)檢查、功能安全評估、電氣測試(含電磁兼容)、機械測試、環(huán)境測試、制造與生產(chǎn)線測試,以及標(biāo)簽和說明書等安全要求。

1 變化

1.1 新增關(guān)鍵內(nèi)容

1.1.1 新增第1.5章節(jié)和第27.1.1章節(jié) 儲能系統(tǒng)范圍

第1.5章節(jié)新增注文描述,UL 1778/CSA C22.2 No.107.3[11]適用于采用鉛酸或鎳鎘以外的化學(xué)成分的UPS(uninterruptible power supply,不間斷電源系統(tǒng)),但消防法規(guī)和儲能系統(tǒng)(energy storage system,ESS)安裝標(biāo)準(zhǔn)并沒有將UPS應(yīng)用排除在ESS標(biāo)準(zhǔn)之外,包括這些其他化學(xué)成分符合本標(biāo)準(zhǔn)。

第27.1.1章節(jié)新增注文描述,電力轉(zhuǎn)換設(shè)備可以使用例外情況:如果適用于為UPS服務(wù)的ESS應(yīng)用,可以使用UL 1778/CSA C22.2 No.107.3作為電源轉(zhuǎn)換和充電器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)替代的參考。

從第1.5章節(jié)和第27.1.1章節(jié)新增注文描述可以看出,UPS配置鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用可以被包含在儲能系統(tǒng)范圍內(nèi),即UPS配置鋰離子電池系統(tǒng)可以使用UL 9540進行認(rèn)證。

1.1.2 新增第1章節(jié)和第6章節(jié) 儲能系統(tǒng)范圍和概念

ESS類型可以是AC交流儲能系統(tǒng)或DC直流儲能系統(tǒng)。這是為了更好地匹配儲能系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景,包括AC交流儲能系統(tǒng)供電和DC儲能系統(tǒng)供電的產(chǎn)品,AC交流儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,DC直流儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 AC交流儲能系統(tǒng)Fig.1 AC ESS structure

圖2 DC直流儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 DC ESS structure

1.1.3 新增第6章節(jié) 外部告警通訊系統(tǒng)概念

EWCS(external warning communication system,外部告警通訊系統(tǒng))是ESS的一個組成部分,它從ESS內(nèi)部的各種來源獲取數(shù)據(jù),然后將潛在的ESS安全問題的信息傳達給外部操作站,并在必要時啟動本地警報。具體要求見1.1.8。

1.1.4 新增第6章節(jié) 遠(yuǎn)程軟件更新概念

遠(yuǎn)程軟件更新(remote software update)可以通過通訊線路/協(xié)議、紅外/射頻傳輸、互聯(lián)網(wǎng)等方式實現(xiàn),以提供控制設(shè)備的任何操作。它可以與ESS進行最少的互動或沒有互動,無需使用外部硬件,如USB、SD卡等,即可遠(yuǎn)程接收軟件更新,具體要求見第18.2章節(jié)介紹。

1.1.5 新增第7章節(jié) 非金屬材料材料要求

用于儲能系統(tǒng)的外殼或外殼部件的聚合材料,不僅要符合UL 746C[12]路徑Ⅲ,或CSA C22.2 No.0.17[13]中概述的外殼要求,還需要用UL 9540A[14]unit level test單元級測試進行評估,并符合單元級性能標(biāo)準(zhǔn)要求。

對于儲能系統(tǒng)使用電池系統(tǒng)的特殊性(易燃易爆),新增非金屬材料的防火要求,還要結(jié)合熱失控火災(zāi)蔓延測試驗證,即從儲能系統(tǒng)角度考慮火災(zāi)安全風(fēng)險,而非單一部件級別。

1.1.6 新增第8章節(jié) 金屬外殼要求

電池儲能系統(tǒng)的金屬外殼部件應(yīng)為不燃材料,否則應(yīng)按照UL 9540A unit level test單元級測試進行評估,并符合單元級測試的性能等級標(biāo)準(zhǔn)。

一般金屬外殼是不可燃的材料,新增該項要求是從儲能系統(tǒng)角度考慮火災(zāi)安全風(fēng)險,使用熱失控火災(zāi)蔓延測試進行驗證。

1.1.7 新增第16章節(jié) 遠(yuǎn)程軟件更新要求

用于更新的UL 1998[15]軟件的關(guān)鍵/監(jiān)督部分應(yīng)符合UL 1998的規(guī)定,并且需要使用者授權(quán)。遠(yuǎn)程軟件更新應(yīng)符合UL 5500[16]的規(guī)定。

UL 60730-1[17]或CSA E60730-1的B類軟件進行遠(yuǎn)程更新,應(yīng)符合UL 60730-1或CSA E60730-1中關(guān)于使用軟件的控制要求。在按照UL 60730-1或CSA E60730-1更新B類軟件后,應(yīng)保持ESS安全功能的正確操作。

儲能系統(tǒng)發(fā)展過程中,越來越多的智慧能源和能源云管理方案落地,其中遠(yuǎn)程軟件更新是重要的一環(huán),更新過程中有必要進行安全風(fēng)險評估。

1.1.8 新增第18.2章節(jié) 外部告警通信系統(tǒng)要求

如果使用鋰離子電池作為存儲機制,能量容量為大于等于500 kWh的電化學(xué)ESS應(yīng)配備外部告警通信系統(tǒng)EWCS,其目的是在ESS出現(xiàn)潛在安全問題時提前通知操作人員。

EWCS的信息輸入應(yīng)來自ESS中能夠提供可能導(dǎo)致系統(tǒng)危險狀態(tài)的潛在問題信息的設(shè)備,包括BMS(battery management system,電池管理系統(tǒng))或ESMS(energy storage management system,儲能管理系統(tǒng))。

EWCS應(yīng)與當(dāng)?shù)氐木嫦到y(tǒng)進行通信,當(dāng)ESS處于危險狀態(tài)時,該系統(tǒng)會利用聲音和視覺警告信號。

EWCS和向EWCS提供信息的來源應(yīng)作為第15章節(jié)中系統(tǒng)安全分析的一部分進行評估。

EWCS應(yīng)作為ESS的一個組成部分來安裝,并且即使在電源斷電的情況下,也需要保持至少5 h的電源供電。

EWCS是UL 9540第三版本中新增的最大變化點,需要對ESS進行硬件和軟件的更新。隨著儲能系統(tǒng)應(yīng)用的推廣,維護人員需要定期維護或在危險出現(xiàn)時及時接收信息,并做好防護或者緩解措施,因此EWCS作為必要的安全警示通訊系統(tǒng)尤為重要,尤其是在集裝箱儲能系統(tǒng)等應(yīng)用中。外部告警通信系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 外部告警通信系統(tǒng)Fig.3 External warning communication system

1.1.9 新增第22章節(jié) 噪聲水平要求

在操作過程中,儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲水平,包括步入式儲能系統(tǒng)的噪聲水平,在按照29 CFR 1910.95[18](C)(1)(2)進行測試時,應(yīng)限制在8 h時間加權(quán)平均85 dB(A)。

需要注意的是,根據(jù)29 CFR 1910.95(C)(1)(2), 8 h的限值為90 dB(A),除非暴露的時間超過85 dB(A)的50%。選擇較低的85 dB(A)是因為這符合NIOSH限值和其他標(biāo)準(zhǔn)的要求。然而這仍然超過了歐盟機械指令的限值,即80 dB(A)。

新增該要求是因為關(guān)注到儲能系統(tǒng)應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境情況下,需要關(guān)注噪聲風(fēng)險,并將其控制在一定水平,以避免對人員健康(如聽力、精神狀態(tài)等)產(chǎn)生長期影響。

同時還注意到IEC 62477-1[19]中4.10章節(jié)也有對噪聲水平的要求,要求70 dB(A)以上的噪聲需要在說明書里標(biāo)明。

在研發(fā)過程中,建議將噪聲限值設(shè)定在70 dB(A)以內(nèi),并留有一定余量。

1.1.10 新增第24.5章節(jié) 電化學(xué)ESS防爆燃要求

帶有整體外殼的電化學(xué)ESS如果在外殼內(nèi),可能會因熱失控和傳播等出現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度異常的情況,應(yīng)按照NFPA 68[20]或NFPA 69[21]的規(guī)定提供爆燃或爆炸保護,有以下兩種例外情況。

(1)如果按照UL 9540A進行的爆燃危險分析測試表明,在測試過程中測得的可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)在房間、建筑物、ESS柜或步入式ESS內(nèi)保持在25%以下,并且不存在部分體積爆燃的可能性,則不需要提供保護。

(2)對于ESS柜/外殼,如果已經(jīng)確定ESS柜/外殼的設(shè)計可以有效地防止由于可燃物濃度造成的危害,當(dāng)ESS按照UL 9540A的單元級或安裝級測試時,可以使用上述以外的保護。

由于儲能系統(tǒng)有爆燃或爆炸的風(fēng)險,NFPA 68和NFPA 69是目前普遍使用的爆燃或爆炸要求的規(guī)范。這些規(guī)范屬于儲能系統(tǒng)的安裝級別要求,是北美市場上相關(guān)機構(gòu)(AHJ)進行工程驗收時的關(guān)鍵項目要求。

1.1.11 新增第25章節(jié) 易燃固體要求

含有危險固體(即起火或水反應(yīng)性金屬)的儲能系統(tǒng)應(yīng)按照NFPA 484[22]進行設(shè)計和安裝。

NFPA 484適用于能夠燃燒或爆炸的金屬和合金的生產(chǎn)、加工、精加工、處理、回收、儲存和使用,也適用于金屬或金屬合金進行加工或精加工以產(chǎn)生可燃粉末或灰塵的操作。

需要注意的是,由于NFPA標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)了可燃粉塵文件合并計劃,NFPA 484不再進行修訂或接受公眾輸入。作為合并計劃的一部分,NFPA 484將被合并為新的草案NFPA 660。

1.1.12 新增31章節(jié) 熱能儲存系統(tǒng)異常運行測試

為了應(yīng)對熱能存儲系統(tǒng)的發(fā)展,新增第31章節(jié)熱能儲存系統(tǒng)異常運行測試,包含熱控制裝置失效測試、超規(guī)格熱條件測試、壓力控制失效測試和流體控制失效測試,即在以上異常允許情況下,驗證熱能存儲系統(tǒng)應(yīng)能保持安全狀態(tài)。

1.1.13 新增第36.9章節(jié) 遠(yuǎn)程軟件更新能力的運行驗證

為了確保預(yù)期進行遠(yuǎn)程軟件更新的安全控制器在更新后能正常運行,需要進行驗證測試。

1.1.14 新增第40章 外殼和安裝測試

儲能系統(tǒng)的機械測試章節(jié)新增了外殼和安裝測試,包括外殼沖擊測試、外殼穩(wěn)定性測試和模制應(yīng)力測試。這些測試也是為了和國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62040-1[23]和IEC 62477-1的要求一致。

1.1.15 新增附錄G-清潔劑直接噴射蓄電池架冷卻系統(tǒng)裝置要求

本要求涵蓋了鹵化碳清潔劑直接噴射電池架冷卻系統(tǒng)裝置的構(gòu)造和操作,其安裝、檢查、測試和維護應(yīng)符合NFPA 2001清潔劑滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、NFPA 855固定式儲能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)和NRC NFC加拿大國家消防法規(guī)的規(guī)定。

清潔劑直接噴射電池架冷卻系統(tǒng)裝置用于在系統(tǒng)檢測到電池過熱和/或排氣后,將清潔劑直接噴射到鋰離子電池或類似電池模塊上。其作用是作為冷卻劑阻止受影響模塊的火勢發(fā)展,而不是像清潔劑滅火系統(tǒng)那樣作為完全淹沒式滅火系統(tǒng)。

整體式電池架清潔劑冷卻系統(tǒng)的設(shè)計取決于電池模塊和電池架組件,并最終通過符合UL 9540A標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)?；馂?zāi)測試來評估其有效性。

這是UL 9540第三版的新增要求,以應(yīng)對關(guān)于電池?zé)崾Э睾蟮囊环N新型消防方式,既具備滅火功能,又具備冷卻功能,并內(nèi)置于電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部。

1.2 變化內(nèi)容

1.2.1 更新第1.6章節(jié) ESS最大容量限值要求

相比第二版本,更新了第1.6章節(jié)ESS最大容量限值的要求。

(1)住宅用電化學(xué)ESS的最大能量容量不應(yīng)超過20 kWh,但可增加到符合UL 9540A單元級測試性能標(biāo)準(zhǔn)的單元值。

(2)非住宅用電化學(xué)ESS的最大能量容量不應(yīng)超過50 kWh,但可增加到符合UL 9540A安裝水平測試性能標(biāo)準(zhǔn)的單元值。

(3)對于按照UL 9540A測試的非住宅用途的電化學(xué)ESS,如果已經(jīng)滿足了電芯級測試的性能標(biāo)準(zhǔn),則沒有最大能量容量的限制.

(4)在適用的安裝規(guī)范中定義的偏遠(yuǎn)戶外地點使用時,非住宅用途的電化學(xué)ESS沒有最大能量容量的限制。

此次更新使ESS最大容量限值要求更加具體和明確,也是為了和NFPA 855固定式儲能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)要求保持一致。

1.2.2 更新第13章 電路的電氣間距和分離要求

相比第二版本,更新了原有的電氣間距參考標(biāo)準(zhǔn),UL 60950-1/CAN/CSA-C22.2 No.60950-1[24]被UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1[25]取代,即電路中的電氣間距應(yīng)符合UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1中5.4.2中列出的間隙要求和5.4.3中列出的爬電距離要求。

1.2.3 更新第32章 介電電壓耐受測試

相比第二版本,原有的介電電壓耐受試驗參考標(biāo)準(zhǔn)UL 60950-1/CAN/CSA-C22.2 No.60950-1被UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1取代,即介電電壓耐受試驗應(yīng)符合UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1中的“使用要求的耐壓確定間隙”條款。

1.2.4 更新第34章 設(shè)備接地和連接測試

相比第二版本,原有設(shè)備接地和連接測試參考標(biāo)準(zhǔn)UL 60950-1/CAN/CSA-C22.2 No.60950-1被UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1取代,即設(shè)備接地和連接測試應(yīng)符合UL 62368-1/CSA C22.2 No.6的5.6.6條款中的“保護接地系統(tǒng)的電阻”測試(使用低壓電源提供基于電路保護等級的電流,測量電路的電壓降)。

2 不足

UL 9540自2016年11月發(fā)布第一版標(biāo)準(zhǔn)以來,已經(jīng)更新了3次。這是因為儲能系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用更新迭代太快,標(biāo)準(zhǔn)需要緊跟技術(shù)發(fā)展。另外,標(biāo)準(zhǔn)要求中存在一些不符合實際產(chǎn)品設(shè)計要求的情況,尤其是系統(tǒng)匹配性要求。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)范圍

從北美儲能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的角度看,UL 9540是唯一受到美國和加拿大雙國認(rèn)可的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。隨著儲能行業(yè)的蓬勃發(fā)展和新型技術(shù)的涌現(xiàn),比如超級電容型儲能系統(tǒng)、超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)等,建議將這些類別的產(chǎn)品加入UL 9540范圍內(nèi),同時也被包含在NFPA 855內(nèi)。

2.2 系統(tǒng)匹配性測試

目前UL 9540中關(guān)于儲能系統(tǒng)的匹配性測試只有正常運行測試驗證,這在實際運用過程中是不夠的。根據(jù)實際應(yīng)用過程中的需求,建議增加可預(yù)見性誤操作測試驗證,例如主系統(tǒng)限值參數(shù)設(shè)計錯誤和互操作錯誤。

2.3 UL 9540標(biāo)準(zhǔn)排版

目前UL 9540標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容排版是按照IEC Guide 116[26]低壓設(shè)備安全風(fēng)險評估和降低風(fēng)險指南進行,本身沒有問題。然而,由于UL 9540標(biāo)準(zhǔn)涉及的儲能技術(shù)較多且差異較大,風(fēng)險也有所不同,技術(shù)判斷常出現(xiàn)不一致的情況。因此,在同一章節(jié)下的具體要求需要評估是否適用于當(dāng)前應(yīng)用的儲能技術(shù),標(biāo)準(zhǔn)中也未給出明確的適用范圍。建議增加針對各個類別儲能技術(shù)的規(guī)范性附錄,明確標(biāo)準(zhǔn)主體中適用的條款。

3 結(jié)論

本文從UL 9540背景介紹開始,首先,用OSHA、SCC、ICC IFC、California Fire Code、ICC IBC、ICC IRC、NFPA 70、NFPA 1、NFPA 855等的認(rèn)可和采用,說明其適用性和重要性。然后,總結(jié)了UL 9540第三版新增和變化的關(guān)鍵內(nèi)容、背后的原因以及給出可操作性參考意見。最后,針對目前UL 9540操作過程中的不足,提出了參考意見。

UL 9540第三版本在第二版本的基礎(chǔ)上,以良好實踐為綱,經(jīng)多方(認(rèn)證機構(gòu),制造商,AHJ,供應(yīng)商等)磋商和總結(jié),把握市場趨勢,為廣泛的儲能系統(tǒng)相關(guān)從業(yè)者提供了設(shè)計和制造高質(zhì)量和高安全性能產(chǎn)品的指導(dǎo)。