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中检南方卢剑:储能系统测试与功能安全概述

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2021-06-02 浏览:

中国储能网讯:5月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。本次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。

在5月25日上午的“储能安全与标准检测认证”专场,中检集团南方测试股份有限公司资深技术经理卢剑分享了主题报告《储能系统测试与功能安全概述》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

卢剑:各位领导、嘉宾朋友,大家上午好!我是来自中检南方的项目工程师。中检南方在2004年开始进入锂电池标准检测领域,以消费类电池为入口,在2015、2016年开始往储能/动力电池、光伏、变流器等新能源产品类别发展,提升检测能力。

我今天分享的主题是《储能系统测试与功能安全介绍》,我的主题主要是围绕国内检测标准和具体的标准内容来做简单的介绍。分享主题分为两部分:一、储能系统国内相关标准介绍;二、储能系统测试与功能安全介绍。

一、储能系统国内相关标准介绍

储能系统主要分几大核心部分:储能电池、变流器系统、电池管理系统、能量管理系统、数据采集与监控系统,我主要从PCS、BMS和电池管理系统三部分来介绍。

储能系统相关的主要国家标准,刚才已经大概有了解到,主要分为储能系统的入网标准和储能电池标准,还有变流器的相关标准,还有一些铅酸电池相对储能系统应用比较少,所以就没有列出来。

1.储能电池,目前在国内主要是锂电池,主要分为三个层级来对电池、电池簇、电阻系统进行标准检测,分为电芯、模组、电池簇三个部分。检测项目主要是电性能和寿命测试包括充放电能量/容量,还有倍率充放电能量/容量、高低温、存储、循环;第二部分是电安全测试,包括过充、过放、短路、强制放电、耐压、绝缘;第三是环境安全测试,主要是低气压、跌落、盐雾、加热、热失控的项目。

首先我们以36276为标准介绍储能电池最常见的项目。36276里面有标准的术语定义,这跟我们平时叫倍率充放电电流规格有点不同,它会定义额定充放电小时率n/n,,就是说这个n是要由企业自己提供的。如果n是大于1的话,这个电池就属于能量型电池;如果n小于等于1,就是功率型电池,标准对功率型电池和能量型电池的测试要求是不一样的。首先是能量测试,它有一个定义是n小时额定充电功率和n小时额定放电功率,如果之前做动力或者消费型电池的企业就很难理解有这种参数,这种参数就是在进行检测认证的时候,首先检测机构会让你提供相关的资料。一般我们简单地说,如果n是1,那就是1倍率,相当于你用最大的功率一小时内可以充满电池的能量。如果是功率型的话,一般是0.5,那就是0.5小时以最大功率充电,可以把这个电池单体或者电池包充满。能量测试的测试过程就是简单地做充放电处置,然后常温搁置,再进行循环,再用额定充电功率充满,再用额定放电功率放完,再循环两次,再记录它充放电过程中的检测数据。倍率性能,因为36276只是说电力储能用的电池标准,没有区分是哪一类电池,但如果很多是三元电池的话,倍率性能或者循环寿命是很难达到的。倍率性能,如果是4P放电能量要保持在90%,能量效率(充电和放电比值,放电/充进去的能量和放出去的能量的比值),它有规定要求,如果是能量型的,能量效率不能低于88%,如果是功率型就不能低于82%。高低温项目是针对电池在高低温环境下存储,因为储能电池相对工作环境没有像动力那么苛刻,它最低温度在5度存储,最高温度在45度存储,不像有一些消费电池是负10度、负15度,它工作环境相对比较稳定。然后是典型的性能项目,就是循环寿命,如果是针对单体,单体如果是能量型的要进行一千次以上的循环实验,如果是功率型要进行两千次。能量型一千次循环寿命之后,能量保持率不能低于90%,功率型不能低于80%。但是这个标准也有对模块循环寿命测试,模块寿命就没有说要1000次、2000次的yaoq,模块循环寿命检测标准只要进行500次和1000次。所以这个循环寿命能达到2000的,如果用三元电池的话,基本上目前很难达到。但如果磷酸铁锂的话,有些八九千次循环后能保证80%的,应该很多企业也能做到。

2.安全项目。因为整个储能工作环境比较稳定,它没有振动冲击的项目,包括没有一些运输测试项目。它也是分电芯、模组和电池簇三部分,电芯的主要项目是绝热温升,温升速率也是很缓慢,0.5℃/min。如果其他类别的电池,可能至少是5℃/min的温升速率做循环。过充、过放、短路、挤压(13KN,区别于动力电池最低200KN),包括电芯、模组的挤压都是用13KN。如果是动力电池的模组,就是根据串联的级数,挤压力值要乘以串联级数。包括模组,模组和电池簇里面有一些电安全项目,就是绝缘、耐压和盐雾、高温高湿、热失控,热失控与电芯热失控测试方法类似。因为考虑到模组里面的评判要求。简单地说,挤压、热失控、过充、过放,基本的测试方法与其他类别的电池是一样的,只是它的具体测试参数不同。

我现在介绍储能系统的第二部分储能变流器,我们目前在国内也做了很多CQC的证书。储能变流器主要用两个标准:GB/T 34120、34133,这两个标准会同时结合使用,34120是判定要求,34133是具体的测试方法。实验室在对变流器进行检测的时候,会结合这两个标准同时使用。这两个标准上面写适用范围是直流侧电压不超过1000V,但因为现在很多变流器会应用到直流侧电压会超过1000V的情况,因为项目里面也讲到如果你做一些耐压的时候,包括直流侧电压,它会考核到超过1000V的条件。所以目前来讲超过1000V或者1500V都可以参照这个标准进行检测。

这是变流器的一些检测项目。因为目前来讲这些标准涵盖内容都很齐全,总共27个项目,涵盖功能、安全、性能、环境,基本都有,我就不具体再介绍。但是这里面比较重要的项目是一些过载能力和效率、功能要求,功能要求也是变流器的一个基本要求,控制充放电、控制能量效率、功率调节、并离网的功率切换,还有一些环境温升要求,我就不再详细介绍。

第三部分,介绍电池管理系统BMS的功能安全。BMS功能安全在国内的标准体系来讲普遍都是缺乏对BMS这块的标准要求。储能电站的国标一般就是用GB/T 34133,这里面主要是功能要求,它没有对具体的管理系统的生命周期进行考核,只是一些功能要求。然后是国际储能的要求,包括我们做IEC 62619,IEC 62619里面针对电池组的功能安全这一块,更多的还是性能,它里面所讲到的功能安全还是要引用其他标准,它也没有说具体引用什么标准。一般我们来做CB认证的时候,我们会用IEC60730进行考核,就是对它的软件、硬件以及框架进行考核。然后是ICE61508,这是应用比较早、应用最广泛的功能安全标准,它是一个电子/电气/可编程控制的相关系统的功能安全要求。这是GB/T 34133的功能要求,首先是功能要求,然后是测量要求、计算要求,应该能够估算电池充放电能量池、最大充放电电流,还有一些电气保护/管理功能,充放电要进行有效管理,要具备过压、过充、欠压等基本安全保护。它有一些特殊的事件记录功能,还有存储功能、显示功能,这些都是基本功能要求。

我们简单介绍IEC 62619的测试项目,因为它针对电池管理系统这一块只有四个项目:过充电压控制、过充电流控制、过热控制、热蔓延,热蔓延,你可以做电池组的热蔓延项目,也可以选电芯做内部短路项目。过充电压控制是一个功能性能测试,就是对BMS进行过压充电,监测这里面单个电芯电压会不会超过限定电压,或者我对单个电芯充电, BMS会不会监测到单个电芯的电压值有升高,然后有保护电路的动作。过充电流控制也是,就是把放完电的电池组用20%的最大充电电流一直充电至停止,它要检测每一节电芯的最大输入电流值。过热控制就是我把电池组放在比电池组工作温度还要高5度的工作环境,再监测每一个电芯的温度值。如果外部环境温度升高,我的电池组保护电路会不会动作?有些BMS没有监测到每一个电芯,可能只是典型的每一个电芯模组包括哪一面,包括发热量比较大的一面会有缺失或者没有监测到位。所以这种模组做测试的时候就容易不合格。

第四个项目是热蔓延,也叫热传导和内部短路,这是可以由企业从两个里面选择一个项目进行检测。一般内部短路就完全是引用消费类电池IEC 62133里面的内部短路的测试方法,它只是测试前处理条件没有那么复杂。热传导的简单测试方法,就是我把充满电的电池加热其中单个电芯,直到单个点电芯发生热失控,我再观察电池系统是否会起火,然后电池组的外壳不能破裂。内部短路比较复杂的是前处理,因为它要在高低温条件下充放电处理,充放电处理之后放置镍片,然后再取出来,再在高低温箱里面进行挤压,再监测挤压力值和电压降和温升,这个项目的要求就是电池测试后不起火。这是实验室在测试过程中的摆放图,就是做完处理之后进行拆解后的电芯进行挤压测试。

第三点,我们就讲功能安全这一块,因为储能系统整个国内针对功能安全的评估整体都缺失,不是很齐全。功能安全最基本的标准也是应用最广泛的标准就是IEC 61508,从61508里面衍生来的其他标准,包括ISO 26262,ISO 26262是汽车功能安全的标准,但是针对储能这块,储能是没有单独针对全生命周期进行安全评估的标准。如果我们做IEC的检测认证,我们可能会用IEC 60730对BMS的硬件和软件,包括硬件结构、框架进行故障率的评估。做功能安全的意义主要是我要评估我这个产品在全生命周期里发生失效的概率,我要评估它的安全风险等级。因为61508是一个通用标准,不仅仅针对某一领域的产品,很多是电子/电气/可编程的所有系统的基础性标准,它分为七部分:1-4部分基本上是标准要求,5-7部分是一些资料性要求。储能如果做CB的话,目前的60730主要的考核还是引用61508第七章的要求,包括一些软件建构规范、模块设计规范和代码标准,包括软件模块测试、软件安全性验证。但储能系统目前在功能安全这块的评估,有些出口企业可能会要求他们做IEC61508安全完整性等级的评估。但是在国内,国标框架下还是没有完整的标准体系。

我今天的简单介绍就到此为止,谢谢大家!

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关键字:储能系统

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