UL 1973储能电池系统标准(第三版)更新解析

朱海峰，丁 巍，程伟力，王 文，关美玲

(1.施耐德电气(中国)有限公司上海浦东分公司，上海 201203；2.冰轮环境技术股份有限公司，山东 烟台 264002；3.安徽省宿州市灵璧国土资源与林业局，安徽 宿州 234200)

1 简介

UL 1973，是北美储能电池系统的安全标准，同时也是美国ANSI①(1)①ANSI:American National Standards Institute美国国家标准学会https://www.ansi.org/。和加拿大SCC②(2)②SCC:Standards Council of Canada加拿大标准委员会https://www.scc.ca/en。双国认可标准。此外，该标准也被其他区域所认可，比如澳洲CEC，获得该证书的产品可顺利进入北美及澳洲市场。标准涵盖给固定式、光伏、风能、后备电源、通信基站、车辆辅助电源、LER等使用的各类电池系统，但该标准仅为安全标准，不包含性能和可靠性评估。

IFC(International Fire Code)是美国的国际防火规范，其中section 1207 Electrical Energy Storage System中涉及热失控保护方法和电池系统安全要求符合UL1973。

NFPA(National Fire Protection Association)Standard是美国消防协会制定的标准，其中NFPA 70 Article 706 Energy Storage Systems，也要求电池系统热失控保护和安全要符合UL 1973。NFPA 70等同于美国国家电气规范(NEC)，NFPA 70已经为美国的50个州所采用，是安全电气设计、安装和检查的基准，以保护人员和财产免受电气危害的规范。

NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems是国消防协会制定的关于固定式储能系统安装标准，其中chapter 9 Electrochemical Energy Storage Systems，要求电池系统，模块，电容器系统，模块和热失控保护要符合UL 1973。

UL 1973也被纳入美国劳工部下属OSHA认可标准，具体见http://www.osha.gov/nationally-recognized-testing-laboratory-program/list-standards。

UL 1973标准第一版是在2013年2月发布并受到ANSI和SCC认可。2018年2月7日又发布了第二版标准。

根据UL官网发布信息，UL 1973于2022年2月25日发布了第三版本，同一时间被ANSI和SCC批准为国家标准，具体见https://standardscatalog.ul.com/ProductDetail.aspx?productId=UL1973，对比第二版本和第三版本之间，发现有很对新增和变化内容。

2 变化

2.1 标题变化

标题具体变化如表1所示。

表1 标题变化Table 1 Title Changes.

2.2 新增内容

2.2.1 新增7.7变压器要求

变压器应该根据UL 1562，UL 1310或等效过载条件的标准进行评估，并应对所连接的电路具有适当的绝缘。

变压器的一次侧应配备过流保护，其尺寸应符合NFPA 70第450条或C22.1第26条的规定。

2.2.2 新增7.13梯次利用电池要求

使用再生电池的电池和电池系统应确保再生部件已按照UL 1974通过可接受的再生过程。

2.2.3 新增16高倍率充电测试要求

评估电池系统在超过电池最大充电电流规格的电流下防止高倍率充电的能力。

本试验应在完全放电的DUT③应进行高倍率充电。除非对过电流充电保护装置或控制装置进行了可靠性评估(即根据7.9评估了功能安全性)，否则过电流充电保护装置或控制装置应存在单一故障条件。试验期间，应测量电池的电流和电压。用于给DUT充电的测试电源设备应足以提供比电池最大规定充电率大20%的电流。

2.2.4 新增18过载放电测试要求

评估电池系统其承受过载放电条件的能力。

本试验应在完全充电的DUT上进行过载，超过规定的蓄电池最大放电电流。DUT的正极和负极端子应连接至外部放电设备。然后，充满电的DUT应在等于BMS(二次保护)额定过电流保护值90%的电流下放电至完全放电，或达到保护状态。

2.2.5 新增27 EMI电磁抗干扰测试要求

静电放电，DUT应根据IEC 61000-4-2中规定的测试程序证明对静电放电的抗扰性。

射频电磁场，DUT应根据IEC 61000-4-3规定的测试程序证明对射频电磁场的抗扰性。

瞬态，DUT应按照IEC 61000-4-4规定的测试程序，证明对电快速瞬变/脉冲的抗扰性。

浪涌，DUT应按照IEC 61000-4-5中规定的测试程序证明对电涌的抗扰性。

射频共模，DUT应按照IEC 61000-4-6中规定的测试程序，证明对射频干扰的抗扰性。

工频，DUT应按照IEC 61000-4-8中规定的测试程序，证明对工频磁场的抗扰性。

运行验证，制造商应声明主动保护装置执行的所有安全功能的预期性能。

制造商应提供测试程序，以验证主动保护装置执行的每个安全功能是正确工作的。

如果为符合的安全功能提供了冗余的保护方法，则应对每种保护方法进行评估，以确定其是否按预期发挥作用。

2.2.6 新增Annex E锂离子蓄电芯替代的测试方案

该内容应用于评估锂离子蓄电芯或其他锂蓄电芯，并增加测试前预处理和容量检查测试。

测试包含短路测试，过充测试，挤压测试，重物冲击测试，机械冲击测试，振动测试，热滥用测试，温度循环测试，低气压测试，燃烧喷射测试。

2.2.7 新增Annex H铅酸蓄电池和镍镉蓄电池评估的替代方法

该测试包含过充测试，短路测试，过放测试，温度测试，非平衡充电测试，耐压测试，连续性测试，冷热故障测试，静态压力测试，重物冲击测试，跌落测试，模压应力测试，结构强度测试，盐雾测试，外部火烧测试，单电芯故障测试。

2.2.8 新增Annex I机械性空气金属蓄电池的测试方法

电芯电堆测试包含振动测试，机械冲击测试，重物冲击测试，高温测试，短路测试，强制放电测试，泄露测试。

机械金属-空气蓄电池系统测试包含短路测试，温度测试，耐压测试，连续性测试，冷热故障测试，工作电压测试，静态压力测试，重物冲击测试，结构强度测试，模压应力测试，防潮测试，盐雾测试，水压测试，泄露测试，堵塞测试，绝缘电阻测试，泄漏测试。

2.3 变化内容

2.3.1 更加具体的系统安全分析的要求

相比第二版本，更加具体的描述设备安全分析的过程：危险识别，风险分析和风险评估。

安全分析过程的指导文件可参考IEC 60812(FMEA)，IEC 61025(FTA)，MIL-STD-1629A，IEC 61508,all parts，如下图参考(图1，图2)。

图1 FMEA示例Fig.1 FMEA example.

图2 FTA示例Fig.2 FTA example.

FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)是失效模式与后果分析。在功能安全评估中，主要用于简单系统的安全分析，不考虑元器件应力累积所造成的安全，仅考虑单一元器件故障造成的后果影响，所以是一种自下而上的分析方法。

FTA(Fault Tree Analysis)是故障树分析方法。在功能安全评估中，主要用于复杂系统的安全分析，从结果出发，分析造成结果的原因，考虑了系统中元器件应力累积所造成的后果影响，所以是一种自上而下的分析方法。

在电池系统安全分析中，至少需要考虑的三个安全参数条件：电芯过压/欠压，电芯过温/欠温，充放电情况下电池过流，如下图参考(图3)。

图3 电芯操作范围示例Fig.3 Operating region of cell example.

安全分析应包括保护电路中的单一故障情况，涉及所有元器件和IC等。

特别指出IC(integrated circuits)的故障模拟应考虑以下情况：

(1)短路。

①任意两个相邻端子。

②IC电源VCC和每个端子(如适用)。

③IC接地VDD和每个端子(如适用)。

(2)一次在多个IC端子的输出上出现stuck-at故障的所有可能组合(单一故障)。

2.3.2 更加具体的保护电路和控制的要求

2.3.2.1 保护电路中关键安全功能的要求

a)冗余无源保护装置，或

b)冗余主动保护装置，或

c)满足单一故障情况，仍是安全；或

d)保护装置至少满足IEC 61508 SIL 2，或者ISO 13849 PL c，或者ISO 26262 ASIL C

注：主动保护装置：用于防止危险情况，需要电能才能运行的装置，如BMS等；

被动动保护装置：用于防止危险情况，不需要电能就能检测和运行的装置，如保险丝等。

2.3.2.2 保护电路中主动保护装置要求

a)UL 991第7章中的失效模式和影响分析(FMEA)要求；

b)UL 60730-1或CAN/CSA E60730-1中的内部故障保护以确保功能安全要求(H.27.1.2);或

c)CSA C22.2 No.0.8(第5.5章)中的故障保护以确保功能安全要求(B级要求)，以确定符合性和确定验证单容错所需的测试。

关于硬件电路架构设计，可以参考以下说明：

(1)单通道(双保护)架构(Class B)；

(2)双通道架构设计(Class B或Class C)。

2.3.2.3 保护电路软件要求

a)UL 1998的1级软件要求;

b)CSA C22.2 No.0.8软件B类要求;或

c)UL 60730-1(条款H.11.12)或CAN/CSA E60730-1中使用软件的控制要求(软件B级要求)。

2.3.2.4 保护电路电磁干扰EMI要求

作为安全的保护电路和软件控制应按照27电磁干扰EMI的规定进行评估和测试，以验证电磁抗扰性。

3 影响

相比较UL 1973第二版，第三版新增一些结构要求，电气测试要求，电磁兼容EMI要求，二次锂电芯替代的测试方案，铅酸电池和镍镉电池评估的替代方法，机械性可充电空气金属电池的测试方法等。总体而言，内容上更加丰富，使用领域更加明确，功能安全评估更加详细，安全评估更加完整。

如果是之前已获得UL 1973第二版标准认证的产品，需要补充一些结构检查和差异测试，甚至功能安全等级评估来更新到第三版本。如果是计划投入美国市场销售的新产品，需要在产品设计阶段，将第三版本标准的要求考虑进去，以免后期重新整改或更新。

4 结论

本文从UL 1973介绍开始，用IFC，NFPA 70，NFPA 855，OSHA和SCC等的认可，说明其适用性和重要性。然后，总结了UL 1973第三版的新增内容和变化内容，详细阐述功能安全的要求。最后给出建议硬件架构方案做为参考。

UL 1973第三版本在第二版本基础上，以良好实践为纲，经多方磋商和总结，把握市场趋势，为广泛的储能电池相关从业者，设计和制造高质量性能的产品，起到良好指导作用。