動力電池UL 2580標準詳解

2011年,美國保險商實驗室(UL)針對電動汽車用動力電池系統(tǒng)安全頒布了UL 2580。這個標準經(jīng)歷了兩次修訂,目前的版本為2020發(fā)布。UL 2580標準涵蓋了所有電動車輛(道路乘用車和重型非道路車輛,如工業(yè)卡車叉車，但不包括輕型電動車)使用的儲能系統(tǒng)。且不限制儲能系統(tǒng)的類型，電化學儲能(Li/Na/Ni),超級電容器等均可。標準總共分為10個章節(jié):介紹、結構、性能、電氣測試、機械測試、環(huán)境測試、熱蔓延測試、標識、指示及附錄。為了滿足標準要求,應在理解標準要求的基礎上做好產(chǎn)品的結構、電路、保護等設計工作。

測試要求

UL2580標準涵蓋電芯和電池包的測試要求,UL2580關于儲能系統(tǒng)的測試內(nèi)容包括電氣測試、機械測試、環(huán)境測試以及熱蔓延測試。電芯的測試有兩個附錄:附錄B主要測試項目參考IEC 標準的要求,附錄D主要測試項目參考UL1642的要求,兩個附錄可任選一個。

完整的測試項目如下表:

儲能系統(tǒng)的電氣安全測試

·過充電與短路試驗需要對電池系統(tǒng)對應保護功能做單故障失效處理電或短路的能力,包括在過充和短路過程產(chǎn)生熱量的散熱能力。因此兩個試驗在沒有保護的情況下較容易失敗。對于有兩種以上保護裝置的儲能系統(tǒng)來說，考察的是元余保護功能能否正常工作以及在規(guī)定的最大工作條件下的安全性能,儲能系統(tǒng)若能正常啟動保護則失效的可能性極小。

·溫升試驗要求在儲能系統(tǒng)最大工作條件下,儲能系統(tǒng)外殼、零部件和可接觸的元件表面的溫度不能超過其限值。此試驗考察零部件在最大工作條件下其溫度是否超出規(guī)定限值,以及可接觸表面的溫度是否會對人造成傷害。制造商在產(chǎn)品設計時應考慮儲能系統(tǒng)的發(fā)熱狀況,評估使用的零部件的溫度限制值是否能滿足預期的溫升,以及可接觸表面的溫度是否可以控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)。

為了更好控制電池系統(tǒng)整體的溫度,保障電池系統(tǒng)在最好的狀態(tài)下運行，可以通過增加冷/熱系統(tǒng)控溫來滿足要求。為了驗證冷/熱管理系統(tǒng)故障時，電池系統(tǒng)是否能保護或正常工作,這就是標準要求的冷/熱系統(tǒng)故障試驗。

·不平衡充電試驗的目的是考察當電池系統(tǒng)中的電芯/模組之間存在壓差時的保護功能。此項試驗需將模組中的一個電芯放電至50%SOC,其他電芯完全放電,創(chuàng)造不平衡條件,再進行充電。此時電池系統(tǒng)若無均衡電路或壓差保護功能,則無法滿足此試驗的要求。

· 針對電路電壓超過60Vdc的危險電壓電路還有絕緣耐壓與接地電阻要求。若電壓小于60Vdc則不用考慮這幾項試驗。

機械測試

翻轉(zhuǎn)試驗是模擬車輛翻轉(zhuǎn)的情況(360°翻轉(zhuǎn))。振動試驗參考了SAEJ2380的隨機振動方法。而沖擊試驗則引用了IEC 60068-2-27的規(guī)定。包含了電動車輛運行過程中可能出現(xiàn)的多種異常情況。

環(huán)境測試

考慮儲能系統(tǒng)在車輛使用過程可能遇到的外界環(huán)境條件:如水浸、火燒溫度變化及鹽霧條件。

熱蔓延測試

熱蔓延試驗,考察在儲能系統(tǒng)中一個電芯失效時是否會造成整個系統(tǒng)的起火爆炸。

零部件要求

UL2580還針對儲能系統(tǒng)內(nèi)的零部件提出了基本安全的設計要求。其內(nèi)容涵蓋了非金屬材料燃燒等級、耐UV老化的要求,金屬材料的抗腐蝕性、電池外殼的絕緣性要求等，同時在對儲能管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及保護線路設計等方面提出了安全性審查的要求。

零部件	要求
塑料外殼	塑料外殼	材料屬性 模具應力消 抗紫外線
阻燃	UL 94	V-1
金屬外殼	UL 50E	防腐蝕/提供絕緣墊片來防止和導體短路
不同金屬部件	無電化學腐蝕產(chǎn)生	Appendix Table B.1
墊片和密封圈	UL 157	如果和安全有關
外殼	IEC 60529 Clause12	至少IP2X
線纜	橙色絕緣皮/橙色底帶條紋的絕緣皮
接線端子	UL2251	從車輛中卸下充電的電池的連接器
線扎	UL1565
冷/熱管理系統(tǒng)	容器、 管道材料防止冷卻液腐蝕
電氣間距	UL 60950-1	基于工作電壓，絕緣水平，污染等級等
	ISO 6469-1	適用與電解液可能漏液的情況
減少電氣距離	UL 840、UL 60950-1Annex G
電氣絕緣	危險電壓電路與可接觸的電路或部件之間需滿足: 基礎絕緣+保護接地 2.雙重絕緣或加強絕緣
保護接地		1所有結合點到主接地的電阻值需要≤0.1Ω 2.主接地端需要標識:”G”，“GR”，“Ground”,Green color.
安全分析	工廠必須提供一個對電能儲存系統(tǒng)的安全分析如 FMEA
	安全分析需要考慮保護電路中零部件單一故障情況
	有源設備不能被認為是可靠的關鍵保護設備，除非: ·提供了額外的無源保護設備 提供了額外的有源保護設備，在第一重有源保護設備失效后或斷電后，第二重有源保 護仍帶電并可正常工作 ·有源電路斷電后，仍然安全 ·通過IEC61508 安全完整性等級(SIL)、IEC62061 安全完整性等級要求限制(SILCL)ISO26262汽車安全完整性等級(ASIL)或ISO13849-性能等級(PL)
功能安全	a) UL 991和UL 1998 b ) UL 60730，電子控制要求的附件功能安全 c) IEC 61508( 所有部分) d) IEC 62061 e) ISO 26262 ( 所有部分 ) f) ISO 13849-1
控制設備	有危險電壓電路的電 能儲存組件應配備危 險電壓手動斷開裝置	·可同時斷開高壓電路的兩極 ·斷開可物理驗證 ·不需借助工具或防護設備 ·不暴露帶電體 ·在滿載下可至少斷開一次 ·需要手動斷開 ·位于高壓電路能被中間斷開的位置(如道路車輛)或者正負極附近(如非道路車輛）
	如果提供危險電壓自動隔離裝置，則可以是自動斷開裝置	·絕緣阻抗偵測值≥100Ω/v ·可滿載情況下斷開高壓電路 ·不會自動復位 ·位于自動復位 ·位于正負極附近 ·自動斷開不會造成危險
電芯	附錄B或D結構檢查	鯉電芯
	UL2054	鎳基電芯
	UL1973-附錄 B	B電芯
	UL 1989	鉛酸電芯
	UL 810A	電化學電容器

標識標簽要求

說明要求：

·安裝和集成到最終使用車輛的說明;

·充放電、存儲、更換、回收、處置的正確操作說明;

·不可拆卸的非道路車輛的儲能系統(tǒng)，且與特定充電器一起使用,應提供安裝說明;

·從車輛上卸載或者安裝到車輛上的儲能系統(tǒng)安全操作說明;

·電芯安全運行的規(guī)格，包括電芯運行參數(shù)、安裝要求等?？蓞⒖糏EEE1625附件E。

產(chǎn)品設計建議：

為了使產(chǎn)品能順利通過UL2580認證，根據(jù)以上的標準要求分析，建議在產(chǎn)品設計上需要做好以下工作:

保護設計的冗余:對儲能系統(tǒng)的過充、短路、過放、過溫、均衡等設計保護功能,過充和短路保護還需要考慮設計雙層保護功能。在某一個保護功能失效的情況,能通過其它的保護斷開電路。在保護設計時要考慮保護功能實現(xiàn)的軟件的可靠性及功能性問題。如廠家不具備軟件設計能力可以尋找有相應認證或成熟的軟件供應商及產(chǎn)品。零部件的選擇:零部件的選擇要考慮其在車輛使用過程可能遇到的最嚴酷的環(huán)境條件,如塑料產(chǎn)品的最高溫度、導線的最大電流等,另外還需要注意以下問題:

·電芯的選擇的尤為重要，電芯在滿足燃燒噴射的測試(附錄B或D)時，電池包可以不做火燒試驗,如果電芯是外部采購,建議客戶提供相應的證書;

·塑料材料:塑料材料部件的燃燒等級和絕緣性能需要滿足對應的標準求(上表已列出)并通過相應的認證;

·電子零部件:除了考慮適用條件外,還需要考慮對電磁兼容的影響。

整體結構的設計:在整體結構設計時需要考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境,如浸水時的密封性;機械測試時零部件的固定，如在翻轉(zhuǎn)、振動及沖擊試驗時不導致零部件的脫落;外殼的抗沖擊性,外殼具有一定的硬度,能通過跌落測試，并在擠壓測試時對內(nèi)部的電芯有足夠的保護作用;

標識、標簽和指示說明:按標準的要求做好相應的標識要求,如接地的標識、標簽的內(nèi)容說明書的內(nèi)容都應按標準的要求。

這里只從標準的角度去考慮產(chǎn)品的設計,廠商還應結合成本、客戶的要求等綜合考慮設計電動汽車用儲能裝置。

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