动力电池UL 2580标准详解

2011年,美国保险商实验室(UL)针对电动汽车用动力电池系统安全颁布了UL 2580。这个标准经历了两次修订,目前的版本为2020发布。UL 2580标准涵盖了所有电动车辆(道路乘用车和重型非道路车辆,如工业卡车叉车，但不包括轻型电动车)使用的储能系统。且不限制储能系统的类型，电化学储能(Li/Na/Ni),超级电容器等均可。标准总共分为10个章节:介绍、结构、性能、电气测试、机械测试、环境测试、热蔓延测试、标识、指示及附录。为了满足标准要求,应在理解标准要求的基础上做好产品的结构、电路、保护等设计工作。

 

 

测试要求

UL2580标准涵盖电芯和电池包的测试要求,UL2580关于储能系统的测试内容包括电气测试、机械测试、环境测试以及热蔓延测试。电芯的测试有两个附录:附录B主要测试项目参考IEC 标准的要求,附录D主要测试项目参考UL1642的要求,两个附录可任选一个。

 

完整的测试项目如下表:

 

试验对象	试验类型	试验项目
电池包	电气测试	过充、短路、过放电保护、温升、不平衡充电、绝缘耐压、绝缘电阻、接地连续性、冷/热系统故障
	机械测试	翻滚、振动、冲击、跌落、挤压
	环境测试	热循环、盐雾、浸水、外部火焰暴露
	单电芯失效	热蔓延测试
电芯	附B	振动、冲击、跌落、挤压、加热、温度循环、外部短路
	附D	过充、强制放电、燃烧喷射
备注:电芯的测试可以在附录 B 和附录 D 中任选一项测试

 

储能系统的电气安全测试

·过充电与短路试验需要对电池系统对应保护功能做单故障失效处理电或短路的能力,包括在过充和短路过程产生热量的散热能力。因此两个试验在没有保护的情况下较容易失败。对于有两种以上保护装置的储能系统来说，考察的是元余保护功能能否正常工作以及在规定的最大工作条件下的安全性能,储能系统若能正常启动保护则失效的可能性极小。

 

·温升试验要求在储能系统最大工作条件下,储能系统外壳、零部件和可接触的元件表面的温度不能超过其限值。此试验考察零部件在最大工作条件下其温度是否超出规定限值,以及可接触表面的温度是否会对人造成伤害。制造商在产品设计时应考虑储能系统的发热状况,评估使用的零部件的温度限制值是否能满足预期的温升,以及可接触表面的温度是否可以控制在标准规定的范围内。

为了更好控制电池系统整体的温度,保障电池系统在最好的状态下运行，可以通过增加冷/热系统控温来满足要求。为了验证冷/热管理系统故障时，电池系统是否能保护或正常工作,这就是标准要求的冷/热系统故障试验。

 

·不平衡充电试验的目的是考察当电池系统中的电芯/模组之间存在压差时的保护功能。此项试验需将模组中的一个电芯放电至50%SOC,其他电芯完全放电,创造不平衡条件,再进行充电。此时电池系统若无均衡电路或压差保护功能,则无法满足此试验的要求。

 

· 针对电路电压超过60Vdc的危险电压电路还有绝缘耐压与接地电阻要求。若电压小于60Vdc则不用考虑这几项试验。

 

机械测试

翻转试验是模拟车辆翻转的情况(360°翻转)。振动试验参考了SAEJ2380的随机振动方法。而冲击试验则引用了IEC 60068-2-27的规定。包含了电动车辆运行过程中可能出现的多种异常情况。

 

环境测试

考虑储能系统在车辆使用过程可能遇到的外界环境条件:如水浸、火烧温度变化及盐雾条件。

 

热蔓延测试

热蔓延试验,考察在储能系统中一个电芯失效时是否会造成整个系统的起火爆炸。

 

零部件要求

UL2580还针对储能系统内的零部件提出了基本安全的设计要求。其内容涵盖了非金属材料燃烧等级、耐UV老化的要求,金属材料的抗腐蚀性、电池外壳的绝缘性要求等，同时在对储能管理系统、冷却系统以及保护线路设计等方面提出了安全性审查的要求。

 

 

零部件	要求
塑料外壳	塑料外壳	材料属性 模具应力消 抗紫外线
阻燃	UL 94	V-1
金属外壳	UL 50E	防腐蚀/提供绝缘垫片来防止和导体短路
不同金属部件	无电化学腐蚀产生	Appendix Table B.1
垫片和密封圈	UL 157	如果和安全有关
外壳	IEC 60529 Clause12	至少IP2X
线缆	橙色绝缘皮/橙色底带条纹的绝缘皮
接线端子	UL2251	从车辆中卸下充电的电池的连接器
线扎	UL1565
冷/热管理系统	容器、 管道材料防止冷却液腐蚀
电气间距	UL 60950-1	基于工作电压，绝缘水平，污染等级等
	ISO 6469-1	适用与电解液可能漏液的情况
减少电气距离	UL 840、UL 60950-1Annex G
电气绝缘	危险电压电路与可接触的电路或部件之间需满足: 基础绝缘+保护接地 2.双重绝缘或加强绝缘
保护接地		1所有结合点到主接地的电阻值需要≤ 0.1Ω 2.主接地端需要标识:”G”，“GR”，“Ground”,Green color.
安全分析	工厂必须提供一个对电能储存系统的安全分析如 FMEA
	安全分析需要考虑保护电路中零部件单一故障情况
	有源设备不能被认为是可靠的关键保护设备，除非: ·提供了额外的无源保护设备 提供了额外的有源保护设备，在第一重有源保护设备失效后或断电后，第二重有源保 护仍带电并可正常工作 ·有源电路断电后，仍然安全 ·通过IEC61508 安全完整性等级(SIL)、IEC62061 安全完整性等级要求限制(SILCL)ISO26262汽车安全完整性等级(ASIL)或ISO13849-性能等级(PL)
功能安全	a) UL 991和UL 1998 b ) UL 60730，电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
控制设备	有危险电压电路的电 能储存组件应配备危 险电压手动断开装置	·可同时断开高压电路的两极 ·断开可物理验证 ·不需借助工具或防护设备 ·不暴露带电体 ·在满载下可至少断开一次 ·需要手动断开 ·位于高压电路能被中间断开的位置(如道路车辆)或者正负极附近(如非道路车辆）
	如果提供危险电压自动隔离装置，则可以是自动断开装置	·绝缘阻抗侦测值≥100Ω/v ·可满载情况下断开高压电路 ·不会自动复位 ·位于自动复位 ·位于正负极附近 ·自动断开不会造成危险
电芯	附录B或D结构检查	鲤电芯
	UL2054	镍基电芯
	UL1973-附录 B	B电芯
	UL 1989	铅酸电芯
	UL 810A	电化学电容器

 

 

标识标签要求

通用要求	·标记必须是永久性的，需要满足 UL969 或 UL2271 的标签要求 ·标签上的警告、注意、危险指示等需要提供英语与法语(加拿大要求)
电池/电池系统标记	·制造商名称 ·产品名字 ·商标或其他描述性说明标记 ·零件号或型号 ·电气额定值:电池(Vdc and Ah or Wh)，电容Vdc and F) ·化学成分标识:离子、镍锅等 ·生产日期:10 年内不重复 ·需要使用特定充电器的工业卡车，应标有充电说明。如”Use Only()Charger" ·电极极性标识:所有端子与连接 ·接地标识:G”，“GR”，“Ground" ·危险电压标识:触电危险标志
锂离子电芯标记	·制造商名称 ·产品名字 ·独特的目录/型号/名称号码/同等编号 ·生产日期:不超过连续三个月;10 年内不重复 ·电芯在不同工厂生产，需要有特定标记

 

说明要求：

·安装和集成到最终使用车辆的说明;

·充放电、存储、更换、回收、处置的正确操作说明;

·不可拆卸的非道路车辆的储能系统，且与特定充电器一起使用,应提供安装说明;

·从车辆上卸载或者安装到车辆上的储能系统安全操作说明;

·电芯安全运行的规格，包括电芯运行参数、安装要求等。可参考IEEE1625附件E。

 

产品设计建议：

为了使产品能顺利通过UL2580认证，根据以上的标准要求分析，建议在产品设计上需要做好以下工作:

保护设计的冗余:对储能系统的过充、短路、过放、过温、均衡等设计保护功能,过充和短路保护还需要考虑设计双层保护功能。在某一个保护功能失效的情况,能通过其它的保护断开电路。在保护设计时要考虑保护功能实现的软件的可靠性及功能性问题。如厂家不具备软件设计能力可以寻找有相应认证或成熟的软件供应商及产品。零部件的选择:零部件的选择要考虑其在车辆使用过程可能遇到的最严酷的环境条件,如塑料产品的最高温度、导线的最大电流等,另外还需要注意以下问题:

·电芯的选择的尤为重要，电芯在满足燃烧喷射的测试(附录B或D)时，电池包可以不做火烧试验,如果电芯是外部采购,建议客户提供相应的证书;

·塑料材料:塑料材料部件的燃烧等级和绝缘性能需要满足对应的标准求(上表已列出)并通过相应的认证;

·电子零部件:除了考虑适用条件外,还需要考虑对电磁兼容的影响。

整体结构的设计:在整体结构设计时需要考虑产品的使用环境,如浸水时的密封性;机械测试时零部件的固定，如在翻转、振动及冲击试验时不导致零部件的脱落;外壳的抗冲击性,外壳具有一定的硬度,能通过跌落测试，并在挤压测试时对内部的电芯有足够的保护作用;

标识、标签和指示说明:按标准的要求做好相应的标识要求,如接地的标识、标签的内容说明书的内容都应按标准的要求。

这里只从标准的角度去考虑产品的设计,厂商还应结合成本、客户的要求等综合考虑设计电动汽车用储能装置。

 

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