储能用锂离子电池及其系统国内外标准研究

高 平，许 铤，王 寅



储能用锂离子电池及其系统国内外标准研究

高 平，许 铤，王 寅

（上海化工研究院，上海200062）

储能技术作为支撑智能电网和新能源发展的关键技术，已成为国际产业竞争的热点。锂离子电池因其能量密度高、自放电小、循环寿命长等优点，被认为是储能领域最具应用前景的技术之一，然而相关标准的缺失在一定程度上阻碍了锂离子电池储能系统的发展。针对这一问题，通过多层级多学科的系列标准搜集与关联度研究，并结合大型储能用锂离子电池的应用特点和安全性评测要求，进行相近领域标准在储能系统中的适用性研究，为储能用锂离子电池及其系统相关标准的建立和完善提供参考，对今后锂离子电池储能系统的大范围推广具有积极意义。

锂离子电池；储能系统；标准

储能系统是解决可再生能源间歇性、随机性以及分布式电网并网问题的最佳方案，是支撑智能电网和新能源发展的关键技术[1]。根据所转化的能源类型不同，现有储能技术主要包括机械储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等），化学储能（如铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、钠硫电池、燃料电池等），电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器等）和相变储能（熔融盐、冰蓄冷储能等）四大类[2]。目前除抽水蓄能比较成熟外，其它储能技术尚处于工业化初期或研究阶段，尚未形成主导性技术路线。锂离子电池因其能量密度高、自放电小、循环寿命长等优点，并且有望同时满足能量型储能和功率型储能需求，被认为是储能领域最具应用前景的技术之一[3]。

由于储能系统储能容量高、输出功率大，应用于储能系统的锂离子电池除满足一般的技术要求外，其安全性、生命周期性价比、使用寿命和生命周期内的环境负荷是四项关键衡量指标[4]。近年来在国家政策的大力扶持下，我国锂离子电池产业链已基本形成，具有良好的产业基础，在消费类电子产品、电动自行车、电动汽车等领域都得到了广泛的应用，在储能电站中也已处于应用示范阶段，进一步降低锂离子电池的生产成本、提高其安全性和可靠性将成为锂离子电池储能系统真正进入储能市场应用的重中之重。然而，锂离子电池储能技术作为目前一个相对较新的发展方向，在系统开发和示范运行过程中缺乏相应的系列标准，常常借鉴或引用电动汽车用或其它标准，无法适应大型储能系统的设计和性能保证要求，亟需形成有针对性的评测标准或规范。

1 储能用锂离子电池及其系统标准化工作概况

锂离子电池储能系统作为储能领域的一个重要研究方向，其标准化工作已成为国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）美国电气和电子工程师协会（IEEE）、美国机动车工程师协会（SAE）、美国保险商实验室（UL）等国内外标准化机构的工作重点之一[5]。

在国际标准化领域，IEC和ISO等标准化机构分别有多个TC、SC从事锂离子电池、储能相关的标准化工作。IEC下设技术委员会中涉及锂离子电池标准化工作的主要有IEC/TC21（二次电池和电池组）及IEC/TC21/SC21A（含碱性及其它非酸性电解质二次电池和电池组）的WG3和WG5工作组，此外IEC于2012年专门成立了IEC/TC120（储能系统）开展储能系统标准的制定和修订工作。ISO下设的技术委员会ISO/TC22/SC21（电动道路车辆）WG3工作组专门负责电动道路车辆用锂离子电池组及系统的标准化工作。

在国内标准化领域，全国碱性蓄电池标准化技术委员会（SAC/TC77）对口IEC/TC21/SC21A，主要负责全国碱性蓄电池相关的标准化工作。全国汽车标准化技术委员会电动车辆分会（SAC/TC114/ SC27）对口IEC/TC69、ISO/TC22/SC21，负责全国电动车辆电池相关领域的标准化工作。2014年全国电力储能标准化技术委员会（SAC/TC550）成立，对口IEC/TC120，负责电力储能领域标准化体系的建立及相关标准的制定工作。

由于储能技术标准属于一个新的标准领域，国内外关于储能系统方面的标准化工作仍处于起步阶段，成型的标准数量较少，且储能系统涵盖系统的电气安全、并网符合性以及储能电池的安全等多个方面，其中储能电池涉及的领域又十分广泛，目前专门针对储能系统用锂离子电池及其系统性能和安全要求的系列标准尚未完善，在一定程度上将会影响今后锂离子电池储能系统的大范围推广[6]。

2 储能用锂离子电池及其系统标准的分析与比较

虽然目前国际上已有相关的标准化委员会着手制定储能用锂离子电池及其系统相关的标准，但仍然存在严重缺失。现有的几个主要涉及储能用锂离子电池的标准如表1所示，各标准所针对的电池范围不同，侧重点不同，测试的项目和内容也存在较大差异。

表1 现有的储能用锂离子电池相关标准

（1）IEC 62619和IEC 62620 IEC 62619和IEC 62620适用于工业设备用锂离子电池和电池系统，所指工业设备包括固定式设备和活动式设备，储能用锂电池系统属于固定式设备范畴。IEC62619侧重于锂离子电池和电池系统的安全要求，不仅对电池芯及电池模块进行外短路、撞击、跌落、热滥用、过充电、强制放电等安全测试，而且对电池管理系统（BMS）的过充电压保护、过充电流保护、过热保护以及电池系统耐热失控蔓延等功能进行评估。IEC 62620侧重于性能要求，对储能用锂离子电池芯及电池模块、电池系统的常温和低温放电性能、功率、内阻、荷电保持能力及循环寿命/恒压存储寿命等要求作了详细规定。

（2）IEC 61427—1和IEC 61427—2 IEC 61427系列标准适用于应用于光伏储能系统的所有类型二次电池和电池系统，旨在指导最终用户正确地选择、操作及合理回收储能电池。IEC 61427—1针对光伏离网应用，结合可再生能源的间歇性等特点，对储能用电池的各种充放电状态进行了详细描述和区分，同时也对其耐力学性能、充电效率、深度放电保护、安全等测试方法及要求作了规定。IEC 61427—2针对光伏并网应用，主要包括通用测试条件和 要求、事故响应和故障测试、性能测试、耐久性测试等。

（3）UL 1973 UL 1973涵盖应用于光伏、风 能、后备电源、通信基站的所有类型储能电池，以及对储能系统的结构、测试评估，测试内容包括：电气测试（如过充电、外短路、耐压、温升、电气零部件测试等），机械测试（如静态压力、跌落、塑模应力等）与环境测试（如温度循环、盐雾、潮态测试等）。

（4）SBA S1101 SBA S1101是日本固定式储能系统安规认证测试标准，适用于工业设备用二次电池及电池系统，IEC 62619中所涉及的测试项目也是以该标准为基础的。SBA S1101主要测试项目包括外短路、撞击、跌落、热滥用、过充电、强制放电、过充电压保护、过充电流保护、过热保护、耐热暴走试验等。

（5）GB 51048—2014 GB 51048从储能电站设计的宏观角度出发，提出了对新建、扩建或改建的功率为500 kW且容量为500 kW·h及以上的电化学储能电站（不包括移动式电化学储能电站）的设计要求，储能载体包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等，但对电池系统的成组方式及组数、容量配置、选型、响应速度等指标并未进行量化规定。

从上述标准内容来看，IEC 62619、IEC 62620和SBA S1101虽已从性能、安全的角度对储能用锂离子电池及其系统进行了较为综合的考量，但仍不够全面，如标准中并未考虑BMS的短路保护和过放电保护功能、储能电池及其系统的环境适应性、运行安全、储能电池老化对系统安全的影响等。IEC 61427系列标准及UL 1973涉及所有类型的二次电池和电池系统，涵盖范围广，并未考虑锂离子电池的特殊安全要求。我国目前也已发布了一系列储能系统相关的国家标准和行业标准，但多以并网符合性为主，《电力储能用锂离子电池》等专门针对储能用锂离子电池的标准大多处于制定阶段。因此，结合储能系统需求及锂离子电池安全特性，研究全面评价储能用锂离子电池及其系统的安全性的标准，进而指导锂离子电池储能系统的设计，规范锂离子电池储能系统行业发展仍是今后储能系统标准化工作中的一项重要内容。

3 相关标准关联度及适用性研究

在储能用锂离子电池储能系统研究的初期，由于相关的电性能和安全性测试标准暂时处于空白阶段，实际应用中多引用电动汽车用锂离子电池相关测试标准[7]。从整体来看，目前大容量储能用锂离子电池的标准化仍是储能系统设计、检测、运维等过程中的一个巨大缺失，而电动汽车用锂离子电池对循环寿命、电性能及安全性能等都已作出了明确要求，测试标准相对成熟，具体如表2所示。

目前，电动汽车用锂离子电池标准的测试项目已涵盖电池单体、模组、电池包和系统4个层级，从化学能和电能防护的角度对汽车电池在正常运行状态、运输存储、维护保养、可能发生的车辆事故以及极端滥用条件下的安全性作了较为全面的评估，大部分测试主要针对电池单体和模组，并逐渐向电池包和系统层级过渡。如GB/T 31484主要规定了电动汽车用动力蓄电池的标准循环寿命和工况循环寿命的试验方法。GB/T 31485涉及安全性，主要测试项目包括单体电池和模组的过充电、过放电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、海水浸泡、温度循环、低气压。ISO 12405-3测试项目主要包括蓄电池包或电池系统的振动、机械冲击、湿热循环、温度循环、模拟碰撞、浸水、火烧、外部短路、过充保护、过放保护、温度控制/冷却失效等。这些标准中涉及电池芯的测试一般参照通用的锂离子电池基础性安全标准，如表3所示。

表2 汽车用锂离子电池相关标准

表3 通用锂离子电池安全标准

储能用锂离子电池系统与电动汽车用锂离子电池系统或消费类锂离子电池产品在一定程度上相似，就安全防护来讲，它包括化学能和电能防护两个方面；就测试对象而言，它可以分为电池单体、模组、电池包和系统4个层级，因此，可以通过借鉴现有的电动汽车用锂离子电池系统及其它锂离子电池基础性安全标准，开展储能用锂离子电池单体和模组的安全性、电池包和电池系统安全防护等研究。如对于储能用锂离子电池单体和模组的安全性，测试项目应主要考虑过充电、过放电、强制放电、外部短路等滥用的情况，挤压、撞击、针刺等内部短路的模拟，低气压、温度循环、海水浸泡、火烧等环境模拟以及振动、冲击、跌落等机械作用的影响。对于电池包和系统级别的安全性，应考虑安全防护装置（过充电保护、过放电保护、短路保护、温度保护等），电气间隙和爬电距离，绝缘电阻，电磁兼容性等。上述测试项目大多也已纳入即将实施的NB/T 42091—2016《电化学储能电站用锂离子电池技术规范》和正在制定的国家标准《电力储能用锂离子电池》等。另一方面，从储能系统的应用层面来看，无论是削峰填谷还是风光储能，其对电池系统的规模大小、能量效率、响应速度和安全等级要求都因场合而异，因此应逐步完善现有的标准体系，根据实际应用特点建立和完善相关标准，对电池及系统的实际运行工况模拟、存储性能、电池的本质安全及老化后的安全性能作出相应规定。此外，鉴于目前应用于储能系统的锂离子电池种类繁多，而现有标准大多并未予以明显区别，往往无法覆盖各种电池类型，如以钛酸锂为负极的锂离子电池等，建议对不同的电化学体系，还应进一步细化，考虑其特殊性。

4 结 论

大型储能系统对锂离子电池的安全性、一致性、可靠性、循环寿命等指标都提出了更高的要求。针对目前储能用锂离子电池系统系列标准存在一定程度缺失的现象，在分析现有储能用锂离子电池及其系统相关标准的基础上，研究汽车用锂离子电池等标准的关联度及适用性，对今后相关机构制定和完善储能用锂离子电池相关标准具有重要的参考价值。一方面，通过借鉴汽车用锂离子电池等同类标准，开展电池本体安全性、电池系统安全防护等研究，将有助于储能电池系统相关安全标准的建立和完善；另一方面，由于储能系统通常都在兆瓦甚至百兆瓦级别，相对于汽车电池系统与消费类锂离子电池产品而言，规模更大，设计和功能更加复杂，应考虑储能用锂离子电池的特殊性，并结合其长期安全运行特点，对储能用锂离子电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。

上海市科委研发平台专项（16DZ2294000）。

高平（1986—），女，工程师，主要研究方向为电池检测技术研究及其标准化，E-mail：gaoping2011@126.com。