UL 1973儲能電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(第三版)更新解析

朱海峰，丁 巍，程偉力，王 文，關(guān)美玲

(1.施耐德電氣(中國)有限公司上海浦東分公司，上海 201203；2.冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264002；3.安徽省宿州市靈璧國土資源與林業(yè)局，安徽 宿州 234200)

1 簡介

UL 1973，是北美儲能電池系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，同時也是美國ANSI①(1)①ANSI:American National Standards Institute美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會https://www.ansi.org/。和加拿大SCC②(2)②SCC:Standards Council of Canada加拿大標(biāo)準(zhǔn)委員會https://www.scc.ca/en。雙國認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)也被其他區(qū)域所認(rèn)可，比如澳洲CEC，獲得該證書的產(chǎn)品可順利進(jìn)入北美及澳洲市場。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋給固定式、光伏、風(fēng)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(tǒng)，但該標(biāo)準(zhǔn)僅為安全標(biāo)準(zhǔn)，不包含性能和可靠性評估。

IFC(International Fire Code)是美國的國際防火規(guī)范，其中section 1207 Electrical Energy Storage System中涉及熱失控保護(hù)方法和電池系統(tǒng)安全要求符合UL1973。

NFPA(National Fire Protection Association)Standard是美國消防協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，其中NFPA 70 Article 706 Energy Storage Systems，也要求電池系統(tǒng)熱失控保護(hù)和安全要符合UL 1973。NFPA 70等同于美國國家電氣規(guī)范(NEC)，NFPA 70已經(jīng)為美國的50個州所采用，是安全電氣設(shè)計、安裝和檢查的基準(zhǔn)，以保護(hù)人員和財產(chǎn)免受電氣危害的規(guī)范。

NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems是國消防協(xié)會制定的關(guān)于固定式儲能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)，其中chapter 9 Electrochemical Energy Storage Systems，要求電池系統(tǒng)，模塊，電容器系統(tǒng)，模塊和熱失控保護(hù)要符合UL 1973。

UL 1973也被納入美國勞工部下屬OSHA認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)，具體見http://www.osha.gov/nationally-recognized-testing-laboratory-program/list-standards。

UL 1973標(biāo)準(zhǔn)第一版是在2013年2月發(fā)布并受到ANSI和SCC認(rèn)可。2018年2月7日又發(fā)布了第二版標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)UL官網(wǎng)發(fā)布信息，UL 1973于2022年2月25日發(fā)布了第三版本，同一時間被ANSI和SCC批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)現(xiàn)有很對新增和變化內(nèi)容。

2 變化

2.1 標(biāo)題變化

標(biāo)題具體變化如表1所示。

表1 標(biāo)題變化Table 1 Title Changes.

2.2 新增內(nèi)容

2.2.1 新增7.7變壓器要求

變壓器應(yīng)該根據(jù)UL 1562，UL 1310或等效過載條件的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，并應(yīng)對所連接的電路具有適當(dāng)?shù)慕^緣。

變壓器的一次側(cè)應(yīng)配備過流保護(hù)，其尺寸應(yīng)符合NFPA 70第450條或C22.1第26條的規(guī)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(tǒng)應(yīng)確保再生部件已按照UL 1974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(tǒng)在超過電池最大充電電流規(guī)格的電流下防止高倍率充電的能力。

本試驗應(yīng)在完全放電的DUT③應(yīng)進(jìn)行高倍率充電。除非對過電流充電保護(hù)裝置或控制裝置進(jìn)行了可靠性評估(即根據(jù)7.9評估了功能安全性)，否則過電流充電保護(hù)裝置或控制裝置應(yīng)存在單一故障條件。試驗期間，應(yīng)測量電池的電流和電壓。用于給DUT充電的測試電源設(shè)備應(yīng)足以提供比電池最大規(guī)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(tǒng)其承受過載放電條件的能力。

本試驗應(yīng)在完全充電的DUT上進(jìn)行過載，超過規(guī)定的蓄電池最大放電電流。DUT的正極和負(fù)極端子應(yīng)連接至外部放電設(shè)備。然后，充滿電的DUT應(yīng)在等于BMS(二次保護(hù))額定過電流保護(hù)值90%的電流下放電至完全放電，或達(dá)到保護(hù)狀態(tài)。

2.2.5 新增27 EMI電磁抗干擾測試要求

靜電放電，DUT應(yīng)根據(jù)IEC 61000-4-2中規(guī)定的測試程序證明對靜電放電的抗擾性。

射頻電磁場，DUT應(yīng)根據(jù)IEC 61000-4-3規(guī)定的測試程序證明對射頻電磁場的抗擾性。

瞬態(tài)，DUT應(yīng)按照IEC 61000-4-4規(guī)定的測試程序，證明對電快速瞬變/脈沖的抗擾性。

浪涌，DUT應(yīng)按照IEC 61000-4-5中規(guī)定的測試程序證明對電涌的抗擾性。

射頻共模，DUT應(yīng)按照IEC 61000-4-6中規(guī)定的測試程序，證明對射頻干擾的抗擾性。

工頻，DUT應(yīng)按照IEC 61000-4-8中規(guī)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(yīng)聲明主動保護(hù)裝置執(zhí)行的所有安全功能的預(yù)期性能。

制造商應(yīng)提供測試程序，以驗證主動保護(hù)裝置執(zhí)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(hù)方法，則應(yīng)對每種保護(hù)方法進(jìn)行評估，以確定其是否按預(yù)期發(fā)揮作用。

2.2.6 新增Annex E鋰離子蓄電芯替代的測試方案

該內(nèi)容應(yīng)用于評估鋰離子蓄電芯或其他鋰蓄電芯，并增加測試前預(yù)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(huán)測試，低氣壓測試，燃燒噴射測試。

2.2.7 新增Annex H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(xù)性測試，冷熱故障測試，靜態(tài)壓力測試，重物沖擊測試，跌落測試，模壓應(yīng)力測試，結(jié)構(gòu)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Annex I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(tǒng)測試包含短路測試，溫度測試，耐壓測試，連續(xù)性測試，冷熱故障測試，工作電壓測試，靜態(tài)壓力測試，重物沖擊測試，結(jié)構(gòu)強度測試，模壓應(yīng)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(nèi)容

2.3.1 更加具體的系統(tǒng)安全分析的要求

相比第二版本，更加具體的描述設(shè)備安全分析的過程：危險識別，風(fēng)險分析和風(fēng)險評估。

安全分析過程的指導(dǎo)文件可參考IEC 60812(FMEA)，IEC 61025(FTA)，MIL-STD-1629A，IEC 61508,all parts，如下圖參考(圖1，圖2)。

圖1 FMEA示例Fig.1 FMEA example.

圖2 FTA示例Fig.2 FTA example.

FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)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(tǒng)的安全分析，不考慮元器件應(yīng)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(Fault Tree Analysis)是故障樹分析方法。在功能安全評估中，主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的安全分析，從結(jié)果出發(fā)，分析造成結(jié)果的原因，考慮了系統(tǒng)中元器件應(yīng)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(tǒng)安全分析中，至少需要考慮的三個安全參數(shù)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)。

圖3 電芯操作范圍示例Fig.3 Operating region of cell example.

安全分析應(yīng)包括保護(hù)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(integrated circuits)的故障模擬應(yīng)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(xiàn)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(hù)電路和控制的要求

2.3.2.1 保護(hù)電路中關(guān)鍵安全功能的要求

a)冗余無源保護(hù)裝置，或

b)冗余主動保護(hù)裝置，或

c)滿足單一故障情況，仍是安全；或

d)保護(hù)裝置至少滿足IEC 61508 SIL 2，或者ISO 13849 PL c，或者ISO 26262 ASIL C

注：主動保護(hù)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(hù)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(hù)電路中主動保護(hù)裝置要求

a)UL 991第7章中的失效模式和影響分析(FMEA)要求；

b)UL 60730-1或CAN/CSA E60730-1中的內(nèi)部故障保護(hù)以確保功能安全要求(H.27.1.2);或

c)CSA C22.2 No.0.8(第5.5章)中的故障保護(hù)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(guān)于硬件電路架構(gòu)設(shè)計，可以參考以下說明：

(1)單通道(雙保護(hù))架構(gòu)(Class B)；

(2)雙通道架構(gòu)設(shè)計(Class B或Class C)。

2.3.2.3 保護(hù)電路軟件要求

a)UL 1998的1級軟件要求;

b)CSA C22.2 No.0.8軟件B類要求;或

c)UL 60730-1(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(hù)電路電磁干擾EMI要求

作為安全的保護(hù)電路和軟件控制應(yīng)按照27電磁干擾EMI的規(guī)定進(jìn)行評估和測試，以驗證電磁抗擾性。

3 影響

相比較UL 1973第二版，第三版新增一些結(jié)構(gòu)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(nèi)容上更加豐富，使用領(lǐng)域更加明確，功能安全評估更加詳細(xì)，安全評估更加完整。

如果是之前已獲得UL 1973第二版標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品，需要補充一些結(jié)構(gòu)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(chǎn)品，需要在產(chǎn)品設(shè)計階段，將第三版本標(biāo)準(zhǔn)的要求考慮進(jìn)去，以免后期重新整改或更新。

4 結(jié)論

本文從UL 1973介紹開始，用IFC，NFPA 70，NFPA 855，OSHA和SCC等的認(rèn)可，說明其適用性和重要性。然后，總結(jié)了UL 1973第三版的新增內(nèi)容和變化內(nèi)容，詳細(xì)闡述功能安全的要求。最后給出建議硬件架構(gòu)方案做為參考。

UL 1973第三版本在第二版本基礎(chǔ)上，以良好實踐為綱，經(jīng)多方磋商和總結(jié)，把握市場趨勢，為廣泛的儲能電池相關(guān)從業(yè)者，設(shè)計和制造高質(zhì)量性能的產(chǎn)品，起到良好指導(dǎo)作用。