高 平，許 鋌，王 寅

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儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)國內(nèi)外標準研究

高 平，許 鋌，王 寅

（上海化工研究院，上海200062）

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

鋰離子電池；儲能系統(tǒng)；標準

儲能系統(tǒng)是解決可再生能源間歇性、隨機性以及分布式電網(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)有儲能技術(shù)主要包括機械儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等），化學(xué)儲能（如鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池、燃料電池等），電磁儲能（如超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器等）和相變儲能（熔融鹽、冰蓄冷儲能等）四大類[2]。目前除抽水蓄能比較成熟外，其它儲能技術(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)壽命長等優(yōu)點，并且有望同時滿足能量型儲能和功率型儲能需求，被認為是儲能領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一[3]。

由于儲能系統(tǒng)儲能容量高、輸出功率大，應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的鋰離子電池除滿足一般的技術(shù)要求外，其安全性、生命周期性價比、使用壽命和生命周期內(nèi)的環(huán)境負荷是四項關(guān)鍵衡量指標[4]。近年來在國家政策的大力扶持下，我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，具有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，在消費類電子產(chǎn)品、電動自行車、電動汽車等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，在儲能電站中也已處于應(yīng)用示范階段，進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能系統(tǒng)真正進入儲能市場應(yīng)用的重中之重。然而，鋰離子電池儲能技術(shù)作為目前一個相對較新的發(fā)展方向，在系統(tǒng)開發(fā)和示范運行過程中缺乏相應(yīng)的系列標準，常常借鑒或引用電動汽車用或其它標準，無法適應(yīng)大型儲能系統(tǒng)的設(shè)計和性能保證要求，亟需形成有針對性的評測標準或規(guī)范。

1 儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)標準化工作概況

鋰離子電池儲能系統(tǒng)作為儲能領(lǐng)域的一個重要研究方向，其標準化工作已成為國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）、美國機動車工程師協(xié)會（SAE）、美國保險商實驗室（UL）等國內(nèi)外標準化機構(gòu)的工作重點之一[5]。

在國際標準化領(lǐng)域，IEC和ISO等標準化機構(gòu)分別有多個TC、SC從事鋰離子電池、儲能相關(guān)的標準化工作。IEC下設(shè)技術(shù)委員會中涉及鋰離子電池標準化工作的主要有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（儲能系統(tǒng)）開展儲能系統(tǒng)標準的制定和修訂工作。ISO下設(shè)的技術(shù)委員會ISO/TC22/SC21（電動道路車輛）WG3工作組專門負責(zé)電動道路車輛用鋰離子電池組及系統(tǒng)的標準化工作。

在國內(nèi)標準化領(lǐng)域，全國堿性蓄電池標準化技術(shù)委員會（SAC/TC77）對口IEC/TC21/SC21A，主要負責(zé)全國堿性蓄電池相關(guān)的標準化工作。全國汽車標準化技術(shù)委員會電動車輛分會（SAC/TC114/ SC27）對口IEC/TC69、ISO/TC22/SC21，負責(zé)全國電動車輛電池相關(guān)領(lǐng)域的標準化工作。2014年全國電力儲能標準化技術(shù)委員會（SAC/TC550）成立，對口IEC/TC120，負責(zé)電力儲能領(lǐng)域標準化體系的建立及相關(guān)標準的制定工作。

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

2 儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)標準的分析與比較

雖然目前國際上已有相關(guān)的標準化委員會著手制定儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)相關(guān)的標準，但仍然存在嚴重缺失?，F(xiàn)有的幾個主要涉及儲能用鋰離子電池的標準如表1所示，各標準所針對的電池范圍不同，側(cè)重點不同，測試的項目和內(nèi)容也存在較大差異。

表1 現(xiàn)有的儲能用鋰離子電池相關(guān)標準

（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)備和活動式設(shè)備，儲能用鋰電池系統(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，不僅對電池芯及電池模塊進行外短路、撞擊、跌落、熱濫用、過充電、強制放電等安全測試，而且對電池管理系統(tǒng)（BMS）的過充電壓保護、過充電流保護、過熱保護以及電池系統(tǒng)耐熱失控蔓延等功能進行評估。IEC 62620側(cè)重于性能要求，對儲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/恒壓存儲壽命等要求作了詳細規(guī)定。

（2）IEC 61427—1和IEC 61427—2 IEC 61427系列標準適用于應(yīng)用于光伏儲能系統(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、操作及合理回收儲能電池。IEC 61427—1針對光伏離網(wǎng)應(yīng)用，結(jié)合可再生能源的間歇性等特點，對儲能用電池的各種充放電狀態(tài)進行了詳細描述和區(qū)分，同時也對其耐力學(xué)性能、充電效率、深度放電保護、安全等測試方法及要求作了規(guī)定。IEC 61427—2針對光伏并網(wǎng)應(yīng)用，主要包括通用測試條件和 要求、事故響應(yīng)和故障測試、性能測試、耐久性測試等。

（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能電池，以及對儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、測試評估，測試內(nèi)容包括：電氣測試（如過充電、外短路、耐壓、溫升、電氣零部件測試等），機械測試（如靜態(tài)壓力、跌落、塑模應(yīng)力等）與環(huán)境測試（如溫度循環(huán)、鹽霧、潮態(tài)測試等）。

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

（5）GB 51048—2014 GB 51048從儲能電站設(shè)計的宏觀角度出發(fā)，提出了對新建、擴建或改建的功率為500 kW且容量為500 kW·h及以上的電化學(xué)儲能電站（不包括移動式電化學(xué)儲能電站）的設(shè)計要求，儲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)速度等指標并未進行量化規(guī)定。

從上述標準內(nèi)容來看，IEC 62619、IEC 62620和SBA S1101雖已從性能、安全的角度對儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)進行了較為綜合的考量，但仍不夠全面，如標準中并未考慮BMS的短路保護和過放電保護功能、儲能電池及其系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、運行安全、儲能電池老化對系統(tǒng)安全的影響等。IEC 61427系列標準及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。我國目前也已發(fā)布了一系列儲能系統(tǒng)相關(guān)的國家標準和行業(yè)標準，但多以并網(wǎng)符合性為主，《電力儲能用鋰離子電池》等專門針對儲能用鋰離子電池的標準大多處于制定階段。因此，結(jié)合儲能系統(tǒng)需求及鋰離子電池安全特性，研究全面評價儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)的安全性的標準，進而指導(dǎo)鋰離子電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計，規(guī)范鋰離子電池儲能系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展仍是今后儲能系統(tǒng)標準化工作中的一項重要內(nèi)容。

3 相關(guān)標準關(guān)聯(lián)度及適用性研究

在儲能用鋰離子電池儲能系統(tǒng)研究的初期，由于相關(guān)的電性能和安全性測試標準暫時處于空白階段，實際應(yīng)用中多引用電動汽車用鋰離子電池相關(guān)測試標準[7]。從整體來看，目前大容量儲能用鋰離子電池的標準化仍是儲能系統(tǒng)設(shè)計、檢測、運維等過程中的一個巨大缺失，而電動汽車用鋰離子電池對循環(huán)壽命、電性能及安全性能等都已作出了明確要求，測試標準相對成熟，具體如表2所示。

目前，電動汽車用鋰離子電池標準的測試項目已涵蓋電池單體、模組、電池包和系統(tǒng)4個層級，從化學(xué)能和電能防護的角度對汽車電池在正常運行狀態(tài)、運輸存儲、維護保養(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估，大部分測試主要針對電池單體和模組，并逐漸向電池包和系統(tǒng)層級過渡。如GB/T 31484主要規(guī)定了電動汽車用動力蓄電池的標準循環(huán)壽命和工況循環(huán)壽命的試驗方法。GB/T 31485涉及安全性，主要測試項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測試項目主要包括蓄電池包或電池系統(tǒng)的振動、機械沖擊、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、過放保護、溫度控制/冷卻失效等。這些標準中涉及電池芯的測試一般參照通用的鋰離子電池基礎(chǔ)性安全標準，如表3所示。

表2 汽車用鋰離子電池相關(guān)標準

表3 通用鋰離子電池安全標準

儲能用鋰離子電池系統(tǒng)與電動汽車用鋰離子電池系統(tǒng)或消費類鋰離子電池產(chǎn)品在一定程度上相似，就安全防護來講，它包括化學(xué)能和電能防護兩個方面；就測試對象而言，它可以分為電池單體、模組、電池包和系統(tǒng)4個層級，因此，可以通過借鑒現(xiàn)有的電動汽車用鋰離子電池系統(tǒng)及其它鋰離子電池基礎(chǔ)性安全標準，開展儲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)安全防護等研究。如對于儲能用鋰離子電池單體和模組的安全性，測試項目應(yīng)主要考慮過充電、過放電、強制放電、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、沖擊、跌落等機械作用的影響。對于電池包和系統(tǒng)級別的安全性，應(yīng)考慮安全防護裝置（過充電保護、過放電保護、短路保護、溫度保護等），電氣間隙和爬電距離，絕緣電阻，電磁兼容性等。上述測試項目大多也已納入即將實施的NB/T 42091—2016《電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范》和正在制定的國家標準《電力儲能用鋰離子電池》等。另一方面，從儲能系統(tǒng)的應(yīng)用層面來看，無論是削峰填谷還是風(fēng)光儲能，其對電池系統(tǒng)的規(guī)模大小、能量效率、響應(yīng)速度和安全等級要求都因場合而異，因此應(yīng)逐步完善現(xiàn)有的標準體系，根據(jù)實際應(yīng)用特點建立和完善相關(guān)標準，對電池及系統(tǒng)的實際運行工況模擬、存儲性能、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)用于儲能系統(tǒng)的鋰離子電池種類繁多，而現(xiàn)有標準大多并未予以明顯區(qū)別，往往無法覆蓋各種電池類型，如以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池等，建議對不同的電化學(xué)體系，還應(yīng)進一步細化，考慮其特殊性。

4 結(jié) 論

大型儲能系統(tǒng)對鋰離子電池的安全性、一致性、可靠性、循環(huán)壽命等指標都提出了更高的要求。針對目前儲能用鋰離子電池系統(tǒng)系列標準存在一定程度缺失的現(xiàn)象，在分析現(xiàn)有儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，研究汽車用鋰離子電池等標準的關(guān)聯(lián)度及適用性，對今后相關(guān)機構(gòu)制定和完善儲能用鋰離子電池相關(guān)標準具有重要的參考價值。一方面，通過借鑒汽車用鋰離子電池等同類標準，開展電池本體安全性、電池系統(tǒng)安全防護等研究，將有助于儲能電池系統(tǒng)相關(guān)安全標準的建立和完善；另一方面，由于儲能系統(tǒng)通常都在兆瓦甚至百兆瓦級別，相對于汽車電池系統(tǒng)與消費類鋰離子電池產(chǎn)品而言，規(guī)模更大，設(shè)計和功能更加復(fù)雜，應(yīng)考慮儲能用鋰離子電池的特殊性，并結(jié)合其長期安全運行特點，對儲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)平臺專項（16DZ2294000）。

高平（1986—），女，工程師，主要研究方向為電池檢測技術(shù)研究及其標準化，E-mail：gaoping2011@126.com。