北美储能系统标准UL 9540第三版更新要求的解析

朱海峰,孔庆刚,吴红浩,严燕萍

(施耐德电气(中国)有限公司,上海 201203)

0 简介

UL 9540[1,2]是北美市场储能系统的安全标准。2023-06-28,UL 9540第三版正式发布,同时成为ANSI和SCC认可的国家标准。此外,UL 9540也是美国联邦政府劳工部(department of labor)下属机构OHSA(occupational safety and health administration)职业安全与健康管理局计划的认可标准,具体信息可参见http://www.osha.gov/nationally-recognized-testing-laboratory-program/list-standards。因此,符合UL 9540是进入北美市场的有效通行证。

在北美市场,尤其是AHJ(authority having jurisdiction,具有司法管辖权的监管机构),对储能系统的要求主要体现在消防规范和安全规范方面。UL 9540的认证要求源于美国联邦和州府内各级州县采用的法规要求和市场对产品的要求,下面列举了主要的法规要求。

(1)ICC IFC(international fire code[3],国际防火规范)是美国ICC制定的国际防火规范。其中第1207节“Energy Storage System”要求:如果储能系统额定电压超过50 V(交流电压)或60 V(直流电压),需要满足1207.3.1节的要求,即储能系统需要按照UL 9540完成列名。具体内容可参见《CHAPTER 12 ENERGY SYSTEMS,2021 International Fire Code (IFC)》。

IFC是北美市场采用最广泛的消防规范,不仅适用美国,加拿大和墨西哥也同样适用。

(2)California Fire Code[4]是加州参考美国ICC IFC制定的州府防火规范。其中,第1207节“Energy Storage System”也要求:如果储能系统的额定电压超过50 V(交流电压)或60 V(直流电压),需要满足1207.3.1节的要求,即储能系统需要按照UL 9540完成列名。具体内容可参见《CHAPTER 12 ENERGY SYSTEMS,2022 California Fire Code, Title 24, Part 9》。

(3)ICC IBC(International Building Code[5])是美国ICC制定的国际建筑规范。其中,第2702节“Emergency and Backup Power Systems”要求:如果储能系统额定电压超过50 V(交流电压)或60 V(直流电压),需要满足2702.1.6节的要求。UPS储能系统需要按照UL 1778[6]或UL 9540完成列名,具体内容可参见《CHAPTER 27 ELECTRICAL,2021 International Building Code (IBC)》。

(4)ICC IRC(International Residential Code[7])是美国ICC制定的国际住宅规范。其中,第328节“Energy Storage System”要求:如果储能系统额定容量超过1 kWh,需要满足328.2节,储能系统需要按照UL 9540完成列名,具体内容可参见《CHAPTER 3 BUILDING PLANNING,2021 International Residential Code (IRC)》。

(5)NEC(National Electrical Code[8]),即NFPA 70,被认可为美国的国家电气规范,在美国50个州都采用,是安全电气设计、安装和检查的基准,以保证人员和财产免受电气危害。NFPA 70中第706节“Energy Storage System”要求:储能系统需要满足706.5节,储能系统需要符合UL 9540列名要求,具体内容可参见《NFPA 70:National Electrical Code》。

NEC是美国强制采用的电气规范,需要注意的是,不同的州县采用NEC的版本不同,需要根据具体州县,具体确认。

(6)NFPA 1(National Fire Protection Association[9])是美国消防协会制定的消防规范标准,其中第52节“Energy Storage Systems”要求:电化学储能系统需要符合NFPA 855[10]的第九章节要求,即电化学储能系统需要符合UL 9540列名要求,具体内容可参见《NFPA 1:Fire Code》。

(7)NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems是国际消防协会制定的关于固定式储能系统安装标准,其中第9节“Electrochemical Energy Storage Systems”要求:如果储能系统额定容量超过20 kWh,需要符合9.2节,即电化学储能系统需要符合UL 9540列名要求,具体内容可参见《NFPA 855:Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems》。

加拿大对储能系统的要求参照美国市场要求,因此在北美市场有双国认证标准,即完成一次测试可获得美国和加拿大都认可的双国认证证书。

UL 9540标准涵盖了电化学、化学、机械和热能类型的储能系统,包含固定式和移动式应用,住宅和非住宅应用,室内和室外应用,交流储能系统和直流储能系统应用。

UL 9540标准是系统级别标准,评估储能系统各部件之间的兼容性和安全性,而不是针对单独的部件(如电池系统和功率转换设备)。

UL 9540标准的内容包括产品范围、结构检查、功能安全评估、电气测试(含电磁兼容)、机械测试、环境测试、制造与生产线测试,以及标签和说明书等安全要求。

1 变化

1.1 新增关键内容

1.1.1 新增第1.5章节和第27.1.1章节 储能系统范围

第1.5章节新增注文描述,UL 1778/CSA C22.2 No.107.3[11]适用于采用铅酸或镍镉以外的化学成分的UPS(uninterruptible power supply,不间断电源系统),但消防法规和储能系统(energy storage system,ESS)安装标准并没有将UPS应用排除在ESS标准之外,包括这些其他化学成分符合本标准。

第27.1.1章节新增注文描述,电力转换设备可以使用例外情况:如果适用于为UPS服务的ESS应用,可以使用UL 1778/CSA C22.2 No.107.3作为电源转换和充电器设备标准替代的参考。

从第1.5章节和第27.1.1章节新增注文描述可以看出,UPS配置锂离子电池系统的应用可以被包含在储能系统范围内,即UPS配置锂离子电池系统可以使用UL 9540进行认证。

1.1.2 新增第1章节和第6章节 储能系统范围和概念

ESS类型可以是AC交流储能系统或DC直流储能系统。这是为了更好地匹配储能系统的不同应用场景,包括AC交流储能系统供电和DC储能系统供电的产品,AC交流储能系统结构如图1所示,DC直流储能系统结构如图2所示。

图1 AC交流储能系统Fig.1 AC ESS structure

图2 DC直流储能系统结构Fig.2 DC ESS structure

1.1.3 新增第6章节 外部告警通讯系统概念

EWCS(external warning communication system,外部告警通讯系统)是ESS的一个组成部分,它从ESS内部的各种来源获取数据,然后将潜在的ESS安全问题的信息传达给外部操作站,并在必要时启动本地警报。具体要求见1.1.8。

1.1.4 新增第6章节 远程软件更新概念

远程软件更新(remote software update)可以通过通讯线路/协议、红外/射频传输、互联网等方式实现,以提供控制设备的任何操作。它可以与ESS进行最少的互动或没有互动,无需使用外部硬件,如USB、SD卡等,即可远程接收软件更新,具体要求见第18.2章节介绍。

1.1.5 新增第7章节 非金属材料材料要求

用于储能系统的外壳或外壳部件的聚合材料,不仅要符合UL 746C[12]路径Ⅲ,或CSA C22.2 No.0.17[13]中概述的外壳要求,还需要用UL 9540A[14]unit level test单元级测试进行评估,并符合单元级性能标准要求。

对于储能系统使用电池系统的特殊性(易燃易爆),新增非金属材料的防火要求,还要结合热失控火灾蔓延测试验证,即从储能系统角度考虑火灾安全风险,而非单一部件级别。

1.1.6 新增第8章节 金属外壳要求

电池储能系统的金属外壳部件应为不燃材料,否则应按照UL 9540A unit level test单元级测试进行评估,并符合单元级测试的性能等级标准。

一般金属外壳是不可燃的材料,新增该项要求是从储能系统角度考虑火灾安全风险,使用热失控火灾蔓延测试进行验证。

1.1.7 新增第16章节 远程软件更新要求

用于更新的UL 1998[15]软件的关键/监督部分应符合UL 1998的规定,并且需要使用者授权。远程软件更新应符合UL 5500[16]的规定。

UL 60730-1[17]或CSA E60730-1的B类软件进行远程更新,应符合UL 60730-1或CSA E60730-1中关于使用软件的控制要求。在按照UL 60730-1或CSA E60730-1更新B类软件后,应保持ESS安全功能的正确操作。

储能系统发展过程中,越来越多的智慧能源和能源云管理方案落地,其中远程软件更新是重要的一环,更新过程中有必要进行安全风险评估。

1.1.8 新增第18.2章节 外部告警通信系统要求

如果使用锂离子电池作为存储机制,能量容量为大于等于500 kWh的电化学ESS应配备外部告警通信系统EWCS,其目的是在ESS出现潜在安全问题时提前通知操作人员。

EWCS的信息输入应来自ESS中能够提供可能导致系统危险状态的潜在问题信息的设备,包括BMS(battery management system,电池管理系统)或ESMS(energy storage management system,储能管理系统)。

EWCS应与当地的警告系统进行通信,当ESS处于危险状态时,该系统会利用声音和视觉警告信号。

EWCS和向EWCS提供信息的来源应作为第15章节中系统安全分析的一部分进行评估。

EWCS应作为ESS的一个组成部分来安装,并且即使在电源断电的情况下,也需要保持至少5 h的电源供电。

EWCS是UL 9540第三版本中新增的最大变化点,需要对ESS进行硬件和软件的更新。随着储能系统应用的推广,维护人员需要定期维护或在危险出现时及时接收信息,并做好防护或者缓解措施,因此EWCS作为必要的安全警示通讯系统尤为重要,尤其是在集装箱储能系统等应用中。外部告警通信系统如图3所示。

图3 外部告警通信系统Fig.3 External warning communication system

1.1.9 新增第22章节 噪声水平要求

在操作过程中,储能系统产生的噪声水平,包括步入式储能系统的噪声水平,在按照29 CFR 1910.95[18](C)(1)(2)进行测试时,应限制在8 h时间加权平均85 dB(A)。

需要注意的是,根据29 CFR 1910.95(C)(1)(2), 8 h的限值为90 dB(A),除非暴露的时间超过85 dB(A)的50%。选择较低的85 dB(A)是因为这符合NIOSH限值和其他标准的要求。然而这仍然超过了欧盟机械指令的限值,即80 dB(A)。

新增该要求是因为关注到储能系统应用在室内环境情况下,需要关注噪声风险,并将其控制在一定水平,以避免对人员健康(如听力、精神状态等)产生长期影响。

同时还注意到IEC 62477-1[19]中4.10章节也有对噪声水平的要求,要求70 dB(A)以上的噪声需要在说明书里标明。

在研发过程中,建议将噪声限值设定在70 dB(A)以内,并留有一定余量。

1.1.10 新增第24.5章节 电化学ESS防爆燃要求

带有整体外壳的电化学ESS如果在外壳内,可能会因热失控和传播等出现可燃气体浓度异常的情况,应按照NFPA 68[20]或NFPA 69[21]的规定提供爆燃或爆炸保护,有以下两种例外情况。

(1)如果按照UL 9540A进行的爆燃危险分析测试表明,在测试过程中测得的可燃气体的体积分数在房间、建筑物、ESS柜或步入式ESS内保持在25%以下,并且不存在部分体积爆燃的可能性,则不需要提供保护。

(2)对于ESS柜/外壳,如果已经确定ESS柜/外壳的设计可以有效地防止由于可燃物浓度造成的危害,当ESS按照UL 9540A的单元级或安装级测试时,可以使用上述以外的保护。

由于储能系统有爆燃或爆炸的风险,NFPA 68和NFPA 69是目前普遍使用的爆燃或爆炸要求的规范。这些规范属于储能系统的安装级别要求,是北美市场上相关机构(AHJ)进行工程验收时的关键项目要求。

1.1.11 新增第25章节 易燃固体要求

含有危险固体(即起火或水反应性金属)的储能系统应按照NFPA 484[22]进行设计和安装。

NFPA 484适用于能够燃烧或爆炸的金属和合金的生产、加工、精加工、处理、回收、储存和使用,也适用于金属或金属合金进行加工或精加工以产生可燃粉末或灰尘的操作。

需要注意的是,由于NFPA标准委员会批准了可燃粉尘文件合并计划,NFPA 484不再进行修订或接受公众输入。作为合并计划的一部分,NFPA 484将被合并为新的草案NFPA 660。

1.1.12 新增31章节 热能储存系统异常运行测试

为了应对热能存储系统的发展,新增第31章节热能储存系统异常运行测试,包含热控制装置失效测试、超规格热条件测试、压力控制失效测试和流体控制失效测试,即在以上异常允许情况下,验证热能存储系统应能保持安全状态。

1.1.13 新增第36.9章节 远程软件更新能力的运行验证

为了确保预期进行远程软件更新的安全控制器在更新后能正常运行,需要进行验证测试。

1.1.14 新增第40章 外壳和安装测试

储能系统的机械测试章节新增了外壳和安装测试,包括外壳冲击测试、外壳稳定性测试和模制应力测试。这些测试也是为了和国际标准IEC 62040-1[23]和IEC 62477-1的要求一致。

1.1.15 新增附录G-清洁剂直接喷射蓄电池架冷却系统装置要求

本要求涵盖了卤化碳清洁剂直接喷射电池架冷却系统装置的构造和操作,其安装、检查、测试和维护应符合NFPA 2001清洁剂灭火系统标准、NFPA 855固定式储能系统安装标准和NRC NFC加拿大国家消防法规的规定。

清洁剂直接喷射电池架冷却系统装置用于在系统检测到电池过热和/或排气后,将清洁剂直接喷射到锂离子电池或类似电池模块上。其作用是作为冷却剂阻止受影响模块的火势发展,而不是像清洁剂灭火系统那样作为完全淹没式灭火系统。

整体式电池架清洁剂冷却系统的设计取决于电池模块和电池架组件,并最终通过符合UL 9540A标准的大规模火灾测试来评估其有效性。

这是UL 9540第三版的新增要求,以应对关于电池热失控后的一种新型消防方式,既具备灭火功能,又具备冷却功能,并内置于电池储能系统内部。

1.2 变化内容

1.2.1 更新第1.6章节 ESS最大容量限值要求

相比第二版本,更新了第1.6章节ESS最大容量限值的要求。

(1)住宅用电化学ESS的最大能量容量不应超过20 kWh,但可增加到符合UL 9540A单元级测试性能标准的单元值。

(2)非住宅用电化学ESS的最大能量容量不应超过50 kWh,但可增加到符合UL 9540A安装水平测试性能标准的单元值。

(3)对于按照UL 9540A测试的非住宅用途的电化学ESS,如果已经满足了电芯级测试的性能标准,则没有最大能量容量的限制.

(4)在适用的安装规范中定义的偏远户外地点使用时,非住宅用途的电化学ESS没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体和明确,也是为了和NFPA 855固定式储能系统安装标准要求保持一致。

1.2.2 更新第13章 电路的电气间距和分离要求

相比第二版本,更新了原有的电气间距参考标准,UL 60950-1/CAN/CSA-C22.2 No.60950-1[24]被UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1[25]取代,即电路中的电气间距应符合UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1中5.4.2中列出的间隙要求和5.4.3中列出的爬电距离要求。

1.2.3 更新第32章 介电电压耐受测试

相比第二版本,原有的介电电压耐受试验参考标准UL 60950-1/CAN/CSA-C22.2 No.60950-1被UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1取代,即介电电压耐受试验应符合UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1中的“使用要求的耐压确定间隙”条款。

1.2.4 更新第34章 设备接地和连接测试

相比第二版本,原有设备接地和连接测试参考标准UL 60950-1/CAN/CSA-C22.2 No.60950-1被UL 62368-1/CSA C22.2 No.62368-1取代,即设备接地和连接测试应符合UL 62368-1/CSA C22.2 No.6的5.6.6条款中的“保护接地系统的电阻”测试(使用低压电源提供基于电路保护等级的电流,测量电路的电压降)。

2 不足

UL 9540自2016年11月发布第一版标准以来,已经更新了3次。这是因为储能系统产品的技术应用更新迭代太快,标准需要紧跟技术发展。另外,标准要求中存在一些不符合实际产品设计要求的情况,尤其是系统匹配性要求。

2.1 标准范围

从北美储能系统标准的角度看,UL 9540是唯一受到美国和加拿大双国认可的认证标准。随着储能行业的蓬勃发展和新型技术的涌现,比如超级电容型储能系统、超导磁体储能系统等,建议将这些类别的产品加入UL 9540范围内,同时也被包含在NFPA 855内。

2.2 系统匹配性测试

目前UL 9540中关于储能系统的匹配性测试只有正常运行测试验证,这在实际运用过程中是不够的。根据实际应用过程中的需求,建议增加可预见性误操作测试验证,例如主系统限值参数设计错误和互操作错误。

2.3 UL 9540标准排版

目前UL 9540标准的内容排版是按照IEC Guide 116[26]低压设备安全风险评估和降低风险指南进行,本身没有问题。然而,由于UL 9540标准涉及的储能技术较多且差异较大,风险也有所不同,技术判断常出现不一致的情况。因此,在同一章节下的具体要求需要评估是否适用于当前应用的储能技术,标准中也未给出明确的适用范围。建议增加针对各个类别储能技术的规范性附录,明确标准主体中适用的条款。

3 结论

本文从UL 9540背景介绍开始,首先,用OSHA、SCC、ICC IFC、California Fire Code、ICC IBC、ICC IRC、NFPA 70、NFPA 1、NFPA 855等的认可和采用,说明其适用性和重要性。然后,总结了UL 9540第三版新增和变化的关键内容、背后的原因以及给出可操作性参考意见。最后,针对目前UL 9540操作过程中的不足,提出了参考意见。

UL 9540第三版本在第二版本的基础上,以良好实践为纲,经多方(认证机构,制造商,AHJ,供应商等)磋商和总结,把握市场趋势,为广泛的储能系统相关从业者提供了设计和制造高质量和高安全性能产品的指导。