儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)研究

高 平，許 鋌，王 寅

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儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)研究

高 平，許 鋌，王 寅

（上海化工研究院，上海200062）

儲(chǔ)能技術(shù)作為支撐智能電網(wǎng)和新能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，已成為國(guó)際產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。鋰離子電池因其能量密度高、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是儲(chǔ)能領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一，然而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失在一定程度上阻礙了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展。針對(duì)這一問題，通過多層級(jí)多學(xué)科的系列標(biāo)準(zhǔn)搜集與關(guān)聯(lián)度研究，并結(jié)合大型儲(chǔ)能用鋰離子電池的應(yīng)用特點(diǎn)和安全性評(píng)測(cè)要求，進(jìn)行相近領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的適用性研究，為儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善提供參考，對(duì)今后鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的大范圍推廣具有積極意義。

鋰離子電池；儲(chǔ)能系統(tǒng)；標(biāo)準(zhǔn)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決可再生能源間歇性、隨機(jī)性以及分布式電網(wǎng)并網(wǎng)問題的最佳方案，是支撐智能電網(wǎng)和新能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1]。根據(jù)所轉(zhuǎn)化的能源類型不同，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)主要包括機(jī)械儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等），化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池、燃料電池等），電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器等）和相變儲(chǔ)能（熔融鹽、冰蓄冷儲(chǔ)能等）四大類[2]。目前除抽水蓄能比較成熟外，其它儲(chǔ)能技術(shù)尚處于工業(yè)化初期或研究階段，尚未形成主導(dǎo)性技術(shù)路線。鋰離子電池因其能量密度高、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且有望同時(shí)滿足能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能需求，被認(rèn)為是儲(chǔ)能領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一[3]。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能容量高、輸出功率大，應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰離子電池除滿足一般的技術(shù)要求外，其安全性、生命周期性價(jià)比、使用壽命和生命周期內(nèi)的環(huán)境負(fù)荷是四項(xiàng)關(guān)鍵衡量指標(biāo)[4]。近年來在國(guó)家政策的大力扶持下，我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，具有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，在儲(chǔ)能電站中也已處于應(yīng)用示范階段，進(jìn)一步降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本、提高其安全性和可靠性將成為鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)真正進(jìn)入儲(chǔ)能市場(chǎng)應(yīng)用的重中之重。然而，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)作為目前一個(gè)相對(duì)較新的發(fā)展方向，在系統(tǒng)開發(fā)和示范運(yùn)行過程中缺乏相應(yīng)的系列標(biāo)準(zhǔn)，常常借鑒或引用電動(dòng)汽車用或其它標(biāo)準(zhǔn)，無法適應(yīng)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能保證要求，亟需形成有針對(duì)性的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

1 儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作概況

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為儲(chǔ)能領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，其標(biāo)準(zhǔn)化工作已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)（SAE）、美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)之一[5]。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，IEC和ISO等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)分別有多個(gè)TC、SC從事鋰離子電池、儲(chǔ)能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEC下設(shè)技術(shù)委員會(huì)中涉及鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要有IEC/TC21（二次電池和電池組）及IEC/TC21/SC21A（含堿性及其它非酸性電解質(zhì)二次電池和電池組）的WG3和WG5工作組，此外IEC于2012年專門成立了IEC/TC120（儲(chǔ)能系統(tǒng)）開展儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂工作。ISO下設(shè)的技術(shù)委員會(huì)ISO/TC22/SC21（電動(dòng)道路車輛）WG3工作組專門負(fù)責(zé)電動(dòng)道路車輛用鋰離子電池組及系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，全國(guó)堿性蓄電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC77）對(duì)口IEC/TC21/SC21A，主要負(fù)責(zé)全國(guó)堿性蓄電池相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分會(huì)（SAC/TC114/ SC27）對(duì)口IEC/TC69、ISO/TC22/SC21，負(fù)責(zé)全國(guó)電動(dòng)車輛電池相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2014年全國(guó)電力儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC550）成立，對(duì)口IEC/TC120，負(fù)責(zé)電力儲(chǔ)能領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

由于儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)屬于一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍處于起步階段，成型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，且儲(chǔ)能系統(tǒng)涵蓋系統(tǒng)的電氣安全、并網(wǎng)符合性以及儲(chǔ)能電池的安全等多個(gè)方面，其中儲(chǔ)能電池涉及的領(lǐng)域又十分廣泛，目前專門針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)用鋰離子電池及其系統(tǒng)性能和安全要求的系列標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，在一定程度上將會(huì)影響今后鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的大范圍推廣[6]。

2 儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的分析與比較

雖然目前國(guó)際上已有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)著手制定儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但仍然存在嚴(yán)重缺失?，F(xiàn)有的幾個(gè)主要涉及儲(chǔ)能用鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，各標(biāo)準(zhǔn)所針對(duì)的電池范圍不同，側(cè)重點(diǎn)不同，測(cè)試的項(xiàng)目和內(nèi)容也存在較大差異。

表1 現(xiàn)有的儲(chǔ)能用鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

（1）IEC 62619和IEC 62620 IEC 62619和IEC 62620適用于工業(yè)設(shè)備用鋰離子電池和電池系統(tǒng)，所指工業(yè)設(shè)備包括固定式設(shè)備和活動(dòng)式設(shè)備，儲(chǔ)能用鋰電池系統(tǒng)屬于固定式設(shè)備范疇。IEC62619側(cè)重于鋰離子電池和電池系統(tǒng)的安全要求，不僅對(duì)電池芯及電池模塊進(jìn)行外短路、撞擊、跌落、熱濫用、過充電、強(qiáng)制放電等安全測(cè)試，而且對(duì)電池管理系統(tǒng)（BMS）的過充電壓保護(hù)、過充電流保護(hù)、過熱保護(hù)以及電池系統(tǒng)耐熱失控蔓延等功能進(jìn)行評(píng)估。IEC 62620側(cè)重于性能要求，對(duì)儲(chǔ)能用鋰離子電池芯及電池模塊、電池系統(tǒng)的常溫和低溫放電性能、功率、內(nèi)阻、荷電保持能力及循環(huán)壽命/恒壓存儲(chǔ)壽命等要求作了詳細(xì)規(guī)定。

（2）IEC 61427—1和IEC 61427—2 IEC 61427系列標(biāo)準(zhǔn)適用于應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的所有類型二次電池和電池系統(tǒng)，旨在指導(dǎo)最終用戶正確地選擇、操作及合理回收儲(chǔ)能電池。IEC 61427—1針對(duì)光伏離網(wǎng)應(yīng)用，結(jié)合可再生能源的間歇性等特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)能用電池的各種充放電狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)描述和區(qū)分，同時(shí)也對(duì)其耐力學(xué)性能、充電效率、深度放電保護(hù)、安全等測(cè)試方法及要求作了規(guī)定。IEC 61427—2針對(duì)光伏并網(wǎng)應(yīng)用，主要包括通用測(cè)試條件和 要求、事故響應(yīng)和故障測(cè)試、性能測(cè)試、耐久性測(cè)試等。

（3）UL 1973 UL 1973涵蓋應(yīng)用于光伏、風(fēng) 能、后備電源、通信基站的所有類型儲(chǔ)能電池，以及對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、測(cè)試評(píng)估，測(cè)試內(nèi)容包括：電氣測(cè)試（如過充電、外短路、耐壓、溫升、電氣零部件測(cè)試等），機(jī)械測(cè)試（如靜態(tài)壓力、跌落、塑模應(yīng)力等）與環(huán)境測(cè)試（如溫度循環(huán)、鹽霧、潮態(tài)測(cè)試等）。

（4）SBA S1101 SBA S1101是日本固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)安規(guī)認(rèn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)設(shè)備用二次電池及電池系統(tǒng)，IEC 62619中所涉及的測(cè)試項(xiàng)目也是以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的。SBA S1101主要測(cè)試項(xiàng)目包括外短路、撞擊、跌落、熱濫用、過充電、強(qiáng)制放電、過充電壓保護(hù)、過充電流保護(hù)、過熱保護(hù)、耐熱暴走試驗(yàn)等。

（5）GB 51048—2014 GB 51048從儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)的宏觀角度出發(fā)，提出了對(duì)新建、擴(kuò)建或改建的功率為500 kW且容量為500 kW·h及以上的電化學(xué)儲(chǔ)能電站（不包括移動(dòng)式電化學(xué)儲(chǔ)能電站）的設(shè)計(jì)要求，儲(chǔ)能載體包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等，但對(duì)電池系統(tǒng)的成組方式及組數(shù)、容量配置、選型、響應(yīng)速度等指標(biāo)并未進(jìn)行量化規(guī)定。

從上述標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容來看，IEC 62619、IEC 62620和SBA S1101雖已從性能、安全的角度對(duì)儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)進(jìn)行了較為綜合的考量，但仍不夠全面，如標(biāo)準(zhǔn)中并未考慮BMS的短路保護(hù)和過放電保護(hù)功能、儲(chǔ)能電池及其系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)行安全、儲(chǔ)能電池老化對(duì)系統(tǒng)安全的影響等。IEC 61427系列標(biāo)準(zhǔn)及UL 1973涉及所有類型的二次電池和電池系統(tǒng)，涵蓋范圍廣，并未考慮鋰離子電池的特殊安全要求。我國(guó)目前也已發(fā)布了一系列儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但多以并網(wǎng)符合性為主，《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》等專門針對(duì)儲(chǔ)能用鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)大多處于制定階段。因此，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)需求及鋰離子電池安全特性，研究全面評(píng)價(jià)儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)的安全性的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而指導(dǎo)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，規(guī)范鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展仍是今后儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)度及適用性研究

在儲(chǔ)能用鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的初期，由于相關(guān)的電性能和安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)處于空白階段，實(shí)際應(yīng)用中多引用電動(dòng)汽車用鋰離子電池相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[7]。從整體來看，目前大容量?jī)?chǔ)能用鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)化仍是儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測(cè)、運(yùn)維等過程中的一個(gè)巨大缺失，而電動(dòng)汽車用鋰離子電池對(duì)循環(huán)壽命、電性能及安全性能等都已作出了明確要求，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，具體如表2所示。

目前，電動(dòng)汽車用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目已涵蓋電池單體、模組、電池包和系統(tǒng)4個(gè)層級(jí)，從化學(xué)能和電能防護(hù)的角度對(duì)汽車電池在正常運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)輸存儲(chǔ)、維護(hù)保養(yǎng)、可能發(fā)生的車輛事故以及極端濫用條件下的安全性作了較為全面的評(píng)估，大部分測(cè)試主要針對(duì)電池單體和模組，并逐漸向電池包和系統(tǒng)層級(jí)過渡。如GB/T 31484主要規(guī)定了電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命和工況循環(huán)壽命的試驗(yàn)方法。GB/T 31485涉及安全性，主要測(cè)試項(xiàng)目包括單體電池和模組的過充電、過放電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環(huán)、低氣壓。ISO 12405-3測(cè)試項(xiàng)目主要包括蓄電池包或電池系統(tǒng)的振動(dòng)、機(jī)械沖擊、濕熱循環(huán)、溫度循環(huán)、模擬碰撞、浸水、火燒、外部短路、過充保護(hù)、過放保護(hù)、溫度控制/冷卻失效等。這些標(biāo)準(zhǔn)中涉及電池芯的測(cè)試一般參照通用的鋰離子電池基礎(chǔ)性安全標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表2 汽車用鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表3 通用鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)

儲(chǔ)能用鋰離子電池系統(tǒng)與電動(dòng)汽車用鋰離子電池系統(tǒng)或消費(fèi)類鋰離子電池產(chǎn)品在一定程度上相似，就安全防護(hù)來講，它包括化學(xué)能和電能防護(hù)兩個(gè)方面；就測(cè)試對(duì)象而言，它可以分為電池單體、模組、電池包和系統(tǒng)4個(gè)層級(jí)，因此，可以通過借鑒現(xiàn)有的電動(dòng)汽車用鋰離子電池系統(tǒng)及其它鋰離子電池基礎(chǔ)性安全標(biāo)準(zhǔn)，開展儲(chǔ)能用鋰離子電池單體和模組的安全性、電池包和電池系統(tǒng)安全防護(hù)等研究。如對(duì)于儲(chǔ)能用鋰離子電池單體和模組的安全性，測(cè)試項(xiàng)目應(yīng)主要考慮過充電、過放電、強(qiáng)制放電、外部短路等濫用的情況，擠壓、撞擊、針刺等內(nèi)部短路的模擬，低氣壓、溫度循環(huán)、海水浸泡、火燒等環(huán)境模擬以及振動(dòng)、沖擊、跌落等機(jī)械作用的影響。對(duì)于電池包和系統(tǒng)級(jí)別的安全性，應(yīng)考慮安全防護(hù)裝置（過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)等），電氣間隙和爬電距離，絕緣電阻，電磁兼容性等。上述測(cè)試項(xiàng)目大多也已納入即將實(shí)施的NB/T 42091—2016《電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范》和正在制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》等。另一方面，從儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用層面來看，無論是削峰填谷還是風(fēng)光儲(chǔ)能，其對(duì)電池系統(tǒng)的規(guī)模大小、能量效率、響應(yīng)速度和安全等級(jí)要求都因場(chǎng)合而異，因此應(yīng)逐步完善現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)建立和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電池及系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況模擬、存儲(chǔ)性能、電池的本質(zhì)安全及老化后的安全性能作出相應(yīng)規(guī)定。此外，鑒于目前應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰離子電池種類繁多，而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)大多并未予以明顯區(qū)別，往往無法覆蓋各種電池類型，如以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池等，建議對(duì)不同的電化學(xué)體系，還應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化，考慮其特殊性。

4 結(jié) 論

大型儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池的安全性、一致性、可靠性、循環(huán)壽命等指標(biāo)都提出了更高的要求。針對(duì)目前儲(chǔ)能用鋰離子電池系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)存在一定程度缺失的現(xiàn)象，在分析現(xiàn)有儲(chǔ)能用鋰離子電池及其系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研究汽車用鋰離子電池等標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度及適用性，對(duì)今后相關(guān)機(jī)構(gòu)制定和完善儲(chǔ)能用鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有重要的參考價(jià)值。一方面，通過借鑒汽車用鋰離子電池等同類標(biāo)準(zhǔn)，開展電池本體安全性、電池系統(tǒng)安全防護(hù)等研究，將有助于儲(chǔ)能電池系統(tǒng)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善；另一方面，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)通常都在兆瓦甚至百兆瓦級(jí)別，相對(duì)于汽車電池系統(tǒng)與消費(fèi)類鋰離子電池產(chǎn)品而言，規(guī)模更大，設(shè)計(jì)和功能更加復(fù)雜，應(yīng)考慮儲(chǔ)能用鋰離子電池的特殊性，并結(jié)合其長(zhǎng)期安全運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)能用鋰離子電池的安全性和可靠性提出要求。

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Research on the standards of lithium ion battery and its system used in energy storage

GAO Ping,XU Ting,WANG Yin

(Shanghai Research Institute of Chemical Industry, Shanghai 200062, China)

Energy storage technology, which has become a hot spot in the international industrial competition, is the key support of smart grid and new energy development. Lithium ion battery is considered to be one of the most promising technologies in the field of energy storage because of its high energy density, small self-discharge and long cycling life. However, the lack of relevant standards hinders the development of lithium ion battery energy storage system in a certain extent. In view of this problem, we carried out a series of multi - level and multi - disciplinary standards collection and did some researches on their relations, and then studied on the application of standards in the near field if used in the energy storage system, combining with the characteristics of the application and safety assessment requirements of large energy storage battery. These studies may have positive significance for the promotion of lithium ion battery energy storage system in the future.

lithium ion battery; energy storage system; standard

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0070

TM 912.2

A

2095-4239（2017）02-270-05

2016-09-08；修改稿日期：2016-09-22。

上海市科委研發(fā)平臺(tái)專項(xiàng)（16DZ2294000）。

高平（1986—），女，工程師，主要研究方向?yàn)殡姵貦z測(cè)技術(shù)研究及其標(biāo)準(zhǔn)化，E-mail：gaoping2011@126.com。