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6up张书博:锂电池储能系统德国新标准VDE 2510-5



  10月12-13日,第五届储能技术在分布式能源与微电网中应用高层研讨会在深圳顺利召开,来自行业协会、科研院所、知名企业的代表共300人到场参会。会议由中国化学与物理电源行业协会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会联合主办。中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国储能网承办。TUV南德意志集团光伏及储能事业部高级技术经理张书博先生,在会上以“锂电池储能系统德国新标准VDE 2510-50”为题做了精彩演讲。

  各位嘉宾,女士们、先生们,大家好!我今天和大家分享的题目是“锂电池储能系统德国新标准VDE 2510-50”。

  锂电池时间不是很久,锂电池商业化以后,关于锂电的丑闻很多,以前大家觉得锂电很安全,一般不会出现什么问题。但是大家看图片,有些笔记本电脑用锂电池,开会的时候就出现一些问题,锂电开始使用之后不断出现起火、爆炸、产品召回等问题。各个电池厂开始研究为什么锂电出现这个问题?比如2016年笔记本电脑起火之后,厂家经过研究,发现锂电生产过程中有些金属颗粒混进去之后,这样就会造成内部短路,尤其低温充电会出现吸锂情况,这样会产生内部短路,会让锂电的温度持续提高,锂电温度高到一定程度会出现热失控。所有这些情况,包括外部短路和过充、过放、过窄都会出现锂电的热失控。锂电的问题越来越多,大家想了各式各样的方法,各种电器方面、机械方面、环境方面的,乃至EMC的测试,想到一些测试方案来测试电池在正常和非正常情况下,锂电池会不会发生热失控。锂电池为什么发生热失控?锂电池正常工作的时候有一个化学窗口,正常的电压或者温度范围内,锂电池其实是比较稳定的,如果超出这个范围之后,超出温度过高或者过低,电压过高或者电流过大或者过放电都会导致锂电池热失控。现在锂电池标准慢慢把充电的上限电压、上限充电电流还有最高温度,都要求电池厂家都要列出来,包括放电,新的标准中对放电也有限制。锂电热失控的机理,温度过高,锂电有些材料在某个温度点会有一个自加热现象,外部不加热,锂电达到一定温度,它温度会持续上升,一直上升到热失控点,所以锂电如果在不正确的操作范围之外使用,它危险性是非常大的。所以说“锂电猛于虎”。

  我这边有一个图示,是德国讨论的,比如电压高、温度高或者低温等各种情况下产生什么现象。锂电猛于虎,对老虎大家觉得很可怕,比如去动物园或者野生动物世界不会怕老虎,因为有老虎笼子,人在笼子外面,你不怕老虎伤害。对锂电来说,老虎笼子是什么呢?最简单的,当里面压力高的时候有泄压阀,温度过高限制温度,还有加钢外壳限制危害发生。在内部,对锂电基本的结构有隔膜,隔膜是防止短路,但是我们涂材料,当达到一定程度孔关闭,可以限制事故的发生。目前国内的锂电,180有CID结构,OSD结构,德国方面讨论的时候已经列进去,这种结构是推荐的。右边的图示,上面有OSD结构在过充的情况下可以实现保护装置,当你过充的时候,电池鼓胀,可以让电池内部短路,在2510当中,把OSD结构或者CID结构作为比较关键的可以起到防止电池热失控进一步发生的关键元器件。还有PTC,你温度过高的时候,通过它的阻抗建立高组状态,限制电流。有些特殊的隔膜,可以在温度达到130度以上,把隔膜的孔关闭掉,来阻断充电电流来起到保护作用。还有比较传统的热保险丝,你温度到一定值,可以熔断,起到类似电流保险丝的作用的元器件。比较传统的电池,我们一般手机电池都有保护板,通过这个结构来让你在一定电压或者过大电流的时候实现保护。

  我刚才说锂电是老虎,BMS就像老虎笼子,怎么建好这个笼子,怎么让它可靠保护电池系统,这是非常关键的问题。我今天要介绍的VDE 2510就是针对如何建牢固的老虎笼子,让你出现危害的情况下怎么不让危害进一步扩散。储能电池标准,我们是最早介入储能产品测试,2013年左右就开始用最早的标准给很多企业做认证,这是日本福岛核电站事故之后,日本对家庭储能需求进一步增加,出台一些政策,他们出了一个日本的行业标准,日本在2012年,在这个基础上变成日本的国标JIS 8715-2,之后通过几年时间,大概2012年底到2017年,标准才正式发布。欧洲很多客户对IEC 62619还是有些怀疑,大部分都是做内部短路,内部短路是容易通过的,包括给400N的压力值,也是有争议,这个压力值够不够?欧洲那边会觉得这个产品对锂电来说发生热失控的几率很大,热失控之后会不会蔓延变得很关键。一会儿我会介绍,从我的经验来说,热失控蔓延失败比例比较大,大家都选择内部短路。他们今年提出IEC 62620,这是必须做的。

  2510标准是从风险分析的角度来对锂电池安全做考核。对于风险分析,实际上考虑两方面的因素:1、危害发生的程度。2、危害的可能性。危害程度,你这个产品出现危害之后会不会出现起火、爆炸,对人可能造成很严重伤害的危害,或者是从危害的发生程度来说会不会容易发生,发生的比例,我们做分析,就把危害程度和危害发生的可能性,就可以看出危害的大小是多少。这个标准对功能安全提出更高要求,根据标准,功能安全是厂家在做BMS开发的时候一定要做风险分析,但是62619没有给出来风险分析风险到多少是可以接受,厂家自己定,按照2510提出更高要求,比如61508或者ISO26262或者ISO13849,你至少要保证符合其中一项。

  储能电池产生其他的危害,对传统电池来说都是低电压,电压比较低,像手机里面4.2V,这种电压是安全电压,对人没有任何危害。但是到储能系统级别,我们做过一些储能电池接近千伏,你不超过这个范围,总成本不会差别特别大,所以说现在很多客户把电压值做得越来越高,高电压值意味着除了传统电池的滥用,还有其他的化学危害,还会产生电器方面的危害,超过60V直流,就要防止直接触电,超过一定的值是要防止间接触电。所以说按照2510-50的标准,它参考了62477、62109或者61010三个标准,包括对防触电、机械危害、热危害、化学危害和其他危害的考核,你做2510,你风险非议的时候都要考虑这些风险才可以。你的产品只要能通过6219相应的测试和相应的评估就可以,第三方不会测绝缘电阻,但是按照VDE 2510-50里面,根据系统电压要求测试绝缘电阻,测试正负级是多少。根据传统电阻电器的安全要求规定,比如对储能电池各种绝缘类型,基本绝缘、加强绝缘等,对不同绝缘位置的要求值,包括对测试部位都有明确的规定。

  德国现在非常重视热失控蔓延,电池当中一个出现热失控的时候,其他电池会不会跟着出现热失控,这是很重要的测试,电池和其他电池都开始用这个方法做测试,使其中一个电芯热失控,看其他电池会不会热失控。测试实验室的经验也很重要,国内大部分是磷酸铁锂电池,相对来说安全稳定性很好,一般都是通过针刺,很容易让电芯发生热失控。磷酸铁锂先对电池过充,然后短路或者五加热或者针刺,这样才能使它发生热失控。这是根据实验室不同的方法做的总结,给大家参考。

  BMS,对于老虎通知,62629有比较放款的规定,BMS不只是在电池上,还可以在系统当中,系统可以实现BMS功能。对于BMS在2510里面是有详细要求做功能安全验证的要求,BMS保证电池的操作窗口,前面列的电压、电流、温度必须保证控制在这个范围内,不光是能够不超过你的限制,有些电池在高温下或者低温下,电压或者电流有些降低。对于降额使用同时也要做验证。对于软件的考核性,这可以根据软件分析做软件可靠性的考核。同时还有开关检测,现在国内我做过储能电池,电子分段德国不是很接受,如果电池已经过充,你虽然保护,通过吸电流,它还在缓慢过充。在德国一般希望产品里面一定有机械分段,比如继电器,最好有两个继电器,两个继电器可靠性会提高。同时对传感器的断线检测、联锁检测还有降额功能测试,还有过载期间的电压监测,还有深度放电和过放电期间的电压监测等,都有要求。对于其他的测试,比如短路测试,这个有比62619更加严格的要求,对于2510要求小于短路电阻更小。对于模组和系统级别也要求短路,它的范围是10-20。跌落测试处理,要求会更严格。撞击测试、热滥用等,因为时间关系,不详细讲,大家有兴趣可以通过电话或者邮件来做分享。过充测试也有要求,还有过放电测试也有要求。

  南德是接触储能电池最早的实验室,我们测试电芯的耐用能力不断提高,以前很多失败率很高,现在失败比例越来越低。尽管电芯耐用性提高,但是电芯不足以完全抵御所有滥用条件,所以BMS还是很重要,有些大客户在研发阶段和我们做交流,对一些基本结构、机械分段、结构方面等方面有交流,如果大家有兴趣,要投入储能电池领域,最好研发阶段就要注意到国外的标准,尤其德国储能电池,虽然电池产量不高,但是测试方法还是走在前面的。

  (本文根据第五届储能技术高层研讨会会议录音整理,未经本人审核,不足之处,请批评指正。)