《T_SPSTS 010-2019 锂离子电池储能系统的功能安全规范》贯标培训资料-solarbe文库

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T_SPSTS 010-2019 锂离子电池储能系统的功能安全规锂离子电池储能系统的功能安全规范范贯标培训资料贯标培训资料 ICS 27.180 F 19 团体标准 T/SPSTS 0102019 锂离子电池储能系统的功能安全规范 Function safety specification for Li-ion battery energy storage system 点击此处添加与国际标准一致性程度的标识 2019 - 12 - 30 发布 2019 - 12 - 30 实施深圳市电源技术学会发布 T/SPSTS 0102019 I 目次目次 . I 前言 . II 引言 . III 1 范围 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语与定义 . 1 4 符号和缩略语 . 3 5 出厂前和出厂后的功能安全目标 . 3 5.1 风险等级水平和残余风险要求 . 3 5.2 设置典型的安全目标 . 4 6 出厂前功能安全设计验证 . 4 6.1 设定分析验证流程 . 4 6.2 验证电池单体和电池包安全测试项目 5 6.3 补充典型的其他失效模式分析 . 5 6.4 开展 FTA 计算残余风险 . 5 6.5 补充安全措施再次核算残余风险 .5 6.6 设计验证试验且交叉审核 . 5 6.7 验证测试及评审报告 . 6 6.8 预测售后服务的测试和风险 . 6 6.9 告知相关方安全运输存储使用 . 6 7 出厂后功能安全保养验证 . 7 7.1 签订售后服务协议 . 7 7.2 开展售后服务检测 . 7 7.3 计算残余风险 . 7 7.4 修复更换升级措施 . .7 7.5 计算维修后残余风险 . 7 7.6 告知相关方使用和维护 . 7 附录 A （资料性附录）安全目标确定案例 9 附录 B （资料性附录）串联系统和并联系统 10 附录 C （资料性附录）锂离子电池或电池组的安全测试类型 11 附录 D （资料性附录）进行 FTA 分析的例子 12 附录 E （资料性附录）锂离子电池消防风水法 16 T/SPSTS 0102019 III 引言锂离子电池构成的储能系统有热失控风险，在安装环境内还能引起火灾蔓延、受限空间的气体爆炸风险。现有相关标准体系有两大类，第一类是锂离子电池储能系统出厂前的安全检测，都是锂离子电池或电池包的电气滥用测试、机械滥用测试、环境滥用测试；第二类标准是功能安全标准，但是没有针对储能系统技术的功能安全。此外，现有标准未考虑售后服务的检测保养风险，没有将功能安全计算残余风险是多少年一遇用于锂离子电池储能系统的安全。本标准用全生命周期的观点，在出厂前进行测试和风险计算，增加售后服务的测试和风险计算；完善阶段风险因素，除锂离子电池和电池包的三类安全滥用测试外，还增加电解液泄漏、冷凝水、泡水、电解金属膜短路、表面高温火焰蔓延、适用灭火装置和灭火效能等；增加售后服务检测维护和风险计算，增加功能安全到锂离子电池储能系统中。本标准纳入售后服务的检测、保养、风险降低计算，实现在十年或十五年保质期内定期检测保养，实际验证和更新安全知识，确保残余风险真正可控。改变思维和商业模式，将锂离子电池储能系统就标准只有出厂检测的消费电子概念（如手机），转变为有售后服务长期跟进的工业品概念（如汽车），实现售后服务可增值和持续发展。将飞机、汽车用到的功能安全技术，首次用于锂离子电池储能系统，综合使用当前已知的知识，量化风险分析，控制残余风险。 T/SPSTS 0102019 1 范围本标准规定了锂离子电池储能系统的功能安全，包括出厂前和出厂后的功能安全目标、出厂前功能安全设计验证、出厂后功能安全保养验证、进行 FTA 分析的实施例、消防风水法等内容。本标准适用于家用储能、集装箱式移动储能、电网储能等锂离子电池储能系统。 2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 4888 故障树名词术语和符号 GB/T 20438 电气 /电子 /可编程电子安全相关系统的功能安全 [IEC 61508（所有部分） ] GB/T 34590.1 2017 道路车辆功能安全第 1 部分术语 [ISO 26262-12011,MOD] DB 11/Z 728 电动汽车电能供给与保障技术规范充电站 ISO 13849（所有部分） Safety of machinery Safety-related parts of control systems Part 1 General principles for design 3术语与定义 3.1 锂离子电池单体 lithium ion cell 含有锂离子的能够直接将化学能转化为电能的基本单元装置，包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电。 3.2 锂离子电池模块 lithium ion battery module 将一个以上锂离子电池按照串联、并联或串并联方式组合，且只有一对正负极输出端子，并作为电源使用的组合体。 3.3 锂离子电池包 lithium ion battery pack 通常包括锂离子电池模块、电池管理模块、电池箱以及相应附件，具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元。注电池管理模块不包含蓄电池电子单元（ 3.6）。 3.4 锂离子电池系统 lithium ion battery system 一个或一个以上锂离子电池包及相应附件（管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成等）构成的能量存储装置。 3.5 电池储能系统 battery energy storage system; BESS 1 锂离子电池储能系统的功能安全规范 T/SPSTS 0102019 用电池构成的电能存储系统，依照规模大小包括大型电网用电池储能系统、集装箱式电池储能系统、企业用电池储能系统、家用小型电池储能系统。 3.6 蓄电池电子单元 battery control unit; BCU 管理若干个电池充电、放电、监控保护功能的电路板，监控保护功能通常包括过充、过放、过流、过压、过热等功能。 3.7 蓄电池管理系统 battery management system; BMS 管理若干个蓄电池电子单元（ 3.6）的电路板，在蓄电池电子单元（ 3.6）的监控保护功能上通常增加了绝缘检测、漏电检测、异常电池对比检测、充电循环寿命、放置日历寿命、容量估计等功能。 3.8 功能安全 functional safety 不存在由电子电气系统的功能异常表现引起的危害而导致不合理的风险。 [GB/T 34590.12017 ，定义 2.51] 3.9 安全完整性等级 safety integrate level; SIL 在规定的条件下，规定的时间内，安全相关系统成功实现所要求的安全功能的概率。 3.10 残余风险 residual risk 实施安全措施后剩余的风险。 [GB/T 34590.12017 ，定义 2.97]。 3.11 两次故障间平均生存时间 mean time between failure; MTBF 指产品或系统在两相邻故障间隔期内正确工作的平均时间。 3.12 故障树 fault tree 故障树是一种特殊的倒立树装逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事件的 “ 因 ” ，逻辑门的输出事件是输入事件的 “ 果 ” 。 [修改 GB/T 48882009 ，定义 5] 3.13 故障树分析法 fault tree analysis; FTA 在系统设计过程中，通过对可能造成系统失败的各种因素（包括硬件、软件、环境、认为因素）进行分析，画出故障树（ 3.12），从而确定系统失败因素的各种组合可能方式或其发生概率，以计算系统失效概率，采用相应的措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。 3.14 安全诊断 safety diagnoise 在功能安全分析中写出发现失效的逻辑。 3.15 单点失效 single-point failure; SPF 由单点故障引起并直接导致违背安全目标的失效。注 1 单点失效等同于诊断覆盖率为 0的要素的残余失效。注 2 如果为一个硬件要素（例如，微控制器的看门狗）定义了至少一个安全机制，那么，所考虑的硬件要素的故障都不是单点故障。 2 T/SPSTS 0102019 3 [GB/T 34590.12017 ，定义 2.121] 3.16 多点失效 multiple-point failure; MPF 在系统中多个独立故障失效共同作用才能引起整体（系统）失效。 4 符号和缩略语 SOC（室温电池）荷电状态（ State of Charge） BESS 电池储能系统（ Battery Energy Storage System） BCU 蓄电池电子单元（ Battery Control Unit） BMS 电池管理系统（ Battery Management System） SIL 安全完整性等级（ Safety Integrate Level） MTBF 两次故障间平均生存时间（ Mean Time Between Failure） FTA 故障树分析（ Fault Tree Analysis） SPF 单点失效（ Single-point Failure） MPF 多点失效（ Multiple-point Failure） PL 安全水平（ Performance Level） 5 出厂前和出厂后的功能安全目标 1. 风险等级水平和残余风险要求 1.书面确认依照 GB/T 204382017 的规定或买卖双方确定的失效后果严重程度即 SIL和残余风险进行。厂家或买卖双方约定合理的 SIL等级和要求残余风险见表 1。表 1 SIL对应残余风险表 GB/T 20438.1的 SIL 安全完整性等级（严重性） ISO13849的 PL 性能等级（严重性）最小残余风险最小失效率（ F/h）最大残余风险最大失效率（ F/h）无 a 无 1E-5 1 b,c 1E-6 1E-5 2 d 1E-7 1E-6 3 e 1E-8 1E-7 4 无 1E-9 1E-8 2. 厂家或买卖双方应依据销量、保质期来确定整批货物的 SIL水平对应的残余风险的合理程度。 3.选择合理的串联电路和并联电路模型（见图 1）来计算可靠性和失效率，选择合理的安全冗余 , 转变 SPF为 MPF，满足需要的低风险。 R1 R2 R1 R2 （ a）串联电路模型（ b）并联电路模型（类似多点失效） T/SPSTS 0102019 图 1 串联电路和并联电路可靠性模型 4.应使用交叉审核方式担当安全冗余，典型的交叉审核包括有设计方案就有验证方案，有测试计划就有验证计划，有设计人员思路就有验证人员思路，有设计测试结果就有审查人员核实。 5.应在出厂前的各个设计制造、测试，出厂后的售后服务各个阶段开展分析验证，实现多个阶段的交叉审查。 5.2 设置典型的安全目标厂家或买卖双方应设置合理的安全目标，安全目标应不低于以下行业典型值 a） SIL2级目标移动使用的 BESS遇到撞车等异常断电时间小于 0.1 s； b） SIL3级目标 BESS表面温度不超过 100 ℃ ； c） SIL4级目标 BESS释放到环境蒸气不超过爆炸下限 LEL的 10。 6 出厂前功能安全设计验证 1. 设定分析验证流程 1. 工作流程宜分解为设计阶段、制造阶段、售后服务阶段，依据产品规模可适当合并阶段。 2. 宜在设计阶段进行的工作，包括 a. 收集当前法规、标准清单并汇总要点； b. 确定安全目标；注安全目标的类型主要有按运动类型区分，有移动型、固定型；按规模区分，有家用型、车用型、电网型。 c. 修订安全目标，考虑预售数量、质保期； d. 确定产品系统级别的 FTA，确定机械结构、电池布置、电路板设置，在 FTA中的顶上事件（起火、爆炸等）分解的主要失效原因和大致概率，增加安全冗余来达到安全目标，对应有安全设计在硬件、软件； e. 确定产品售后服务阶段的 FTA，通过开展检测、保养、更换服务，实现保质期内的安全目标和售后服务清单（项目、频次、价格）； f. 对 6.1.2 ae设计开展交叉评审，验证试验数据开展交叉稽核； g. 平衡商业秘密和产品品质安全，在产品规格说明书、售后服务说明书中增加功能安全内容； h. 对电网用储能系统、公共交通工具的储能系统，应设置远程监控系统来监测和预警；小型储能系统自愿选择远程监控系统。 3. 宜在制造阶段进行的工作，包括 a. 原型验证和修改，更新 FTA，更新验证测试报告； b. 组织内审或客户沟通评审，形成冻结的设计结果； c. 开展量产首批产品验证 FTA，包括出厂前的 FTA满足，未来售后服务阶段的 FTA项目可实现性； d. 交叉审核 FTA和对应验证测试； e.持续监督量产品质波动，变更管理，如果出现影响功能安全的情形，更新 FTA和配套验证测试； f）如果出现严重背离了安全目标， FTA分析可中止生产，重新优化设计，必要时可以对产品召回； g）完成产品出货前的安全检验报告、强制检验报告； h）发布功能安全报告、产品说明书，产品说明书中应包含售后服务内容，开展用户安全沟通。 4. 宜在售后服务阶段进行的工作，包括 a. 宣传沟通售后服务内容，列明项目频次和费用； b. 执行售后服务，进行检测、保养、更换服务； c. 已经安装远程监控系统的储能系统，应利用监控数据提供安全服务； 4 T/SPSTS 0102019 d. 收集售后服务信息，综合最新技术进步的认识、行业案例的借鉴，判断是否进行变更；再次做 FTA，验证是否符合安全目标，开展交叉审核，确定分析到位； e. 必要时，可决策和执行召回行动，对召回产品进行部件更换达到重新安全使用的目标。 2. 验证电池单体和电池包安全测试项目 1. 应依照强制标准完成电池单体、电池包、电池储能系统的安全测试项目。 2. 应进行功能安全分析列出的安全测试项目，将数据用于模型分析，计算残余风险。 3. 宜选择推荐测试项目，用于预计使用场景的安全测试。 3. 补充典型的其他失效模式分析应依照功能安全的方法，辨识产品应用环境的起火、爆炸、触电等失效，依据收集的标准、行业案例、经验数据，结合 FTA，补充其他失效模式。典型要补充的失效模式包括 a 电池火焰或高温气体喷射出来，点燃环境可燃物； b 热失控电池释放的气体在设备密封容器或密封房间堆积发生气体爆炸； c 泡水后，残留水引发电极电解金属膜，短路逆变器的交流电引发触电； d 温度剧烈变化引起冷凝水或电池本身有泄漏电解液缺陷，在电池内部电解金属膜短路、搭接电池外壳和极柱形成电池电解破损泄漏电解液或产生气体； e 电网谐波造成电路板控制逻辑失效错误动作，造成 MOS管导通不关闭等失效。 4. 开展 FTA计算残余风险 1. 应使用 FTA工具来分析安全目标达到程度，必要时可以进行第三方专家认证。 2. 宜在 FTA工具的顶上事件用确定的安全目标。 3.宜在 FTA工具的顶上事件下，依照逻辑列举中间事件，宜分为出厂验证阶段事件和售后服务阶段事件，宜在中间事件再分解为某事件发生事件、诊断连锁抑制事件、扑灭事件等至少三方面的安全冗余，再依次向下分解中间事件直到基础事件。 4. 宜用 FTA的工具符号来画图且可以转化为表格计算概率。注辨识典型的图形为顶上事件、中间事件为矩形文本框图，基础事件为圆圈框图，或运算为 “ ”号（ OR单词）、与运算为 “* ”号（ AND单词），在文本框里面加概率计算，可以在文本框外补充说明计算过程文本框，当页写不完分页画图用带箭头的线条和文字备注跳转或链接到何处。例子见附录 A。 5.宜依照概率，及时简化 FTA图的绘制，分析失效率大的事件，补充安全诊断，降低失效率。 FTA 分析实施例见附录 A。注对失效率极低，如低几个数量级的事件不进行展开。 5. 补充安全措施再次核算残余风险 1. 设计制造中多次刷新 FTA和配套验证测试，补充安全措施后再次刷新 FTA。 2. 聚焦在 FTA工具中风险概率高的事件，开展分析，核实调整失效率，增加安全诊断。 3. 宜优先使用软件逻辑控制来担当安全措施。 4. 宜多角度思考和转化问题，用跨学科的技术解决问题。 5. 宜选择适宜的消防方法来降低火灾蔓延的风险。 6. 设计验证试验且交叉审核 1. 在冻结设计前的各个阶段的节点，应开展交叉审核，保存变更记录。 2. 在小试、中试、首批量产阶段，应开展足够的验证测试、交叉审核，符合安全目标。 5 T/SPSTS 0102019 7. 验证测试及评审报告 1. 在各个阶段的事件节点，应开展验证测试，记录结果，针对结果开展交叉审核。 2. 多次交叉审核判断满足安全目标，必要时和客户达成一致、冻结设计和确定量产。 3. 执行验证测试，包括强制标准要求的产品安全滥用测试，用 FTA分析需要配套的测试方案。 4.汇总功能安全分析资料，申请备案或公证，申明已经使用了可识别的知识，辨识完毕安全风险，采取足够安全措施，控制风险到可接受水平。 5. 使用合理的公证方式，如用公证证书的方式进行确认。注合理的公证方式包括制造厂和客户达成的交叉审核确认，或制造厂聘用专业第三方评估认可等。 8. 预测售后服务的测试和风险 1. 在设计制造阶段，应考虑以下服务 a 应考虑售后服务，让产品具备可检测、可维修、可更换部件非整体报废。 b 应列出预设的售后服务计划，包括检测、保养、更换的易耗品部件频次和价格等。 c 应模拟验证售后服务，调整不适宜项目，优化拆装点、检测点。 d 应考虑低寿命部件的更换方式，必要时纳入易耗品清单。 2. 在持续量产出货期间，应分析品质表现、售后服务内容，优化售后服务计划。 9. 告知相关方安全运输存储使用 1.在冻结设计中，应形成产品说明书，包括产品介绍、使用、存储、安全环保警示、需要的培训、售后服务内容等。 2. 应评估选择重要安全内容，对经销商、运输商、最终用户开展配套的说明、培训。 3. 应依照 FTA分析运输中存储风险和安全措施，使用合规包装方式。典型电池单体包装方式有三类 a 几个电池用结实的木箱或胶箱运输； b 几个堆垛不够专车运输，要在堆垛上方增加固定的空纸箱到接近车顶高度，杜绝再放其他货物到堆垛上，堆垛周围增加一层纸箱皮加固耐撞； c 专车运输，应设置海关锁，核对海关锁在运输中未私自打开，超过 800 km的长途运输宜在堆垛间加气袋加固。 4.典型 BESS包装方式是纸箱或木箱，依靠 BESS结实的外壳加缓冲材料；非专车运输的少量堆垛用纸箱外壳，则在堆垛顶部加空纸箱到接近车厢顶部，杜绝再放其他货物到堆垛上，堆垛周围增加一层纸箱皮加固耐撞。 5. 应使用厢式车辆运输，禁止使用平板车、敞篷车运输。 6.应在出货传递资料中增加安全培训内容，货物有安全提示，可用二维码扫描实现在线学习和在线考试。 7. 应在运输车辆出发前，完成培训灭火器使用技能，宜携带水桶、喷雾器、水基灭火器。 8.应在沟通同意情况下，用重量比例为 5的盐水浸泡电池 4 h、锂离子电池储能系统 24 h放电。应尽可能依次刺破电池让水进入电池内部惰化；验电放电完毕，沥干，交由专业回收单位处理。 9.应使用合理的低 SOC状态保存锂离子电池和 BESS,宜使用实验室安全滥用测试不易起火的 SOC 值，参考典型值有航空运输存储用 30*SOC, 一般存储运输用 70*SOC。 10. 仓库存放锂离子电池、锂离子电池储能系统，不和其他危险化学品混放。注应在丙类仓库存放正常的锂离子电池、锂离子电池储能系统。应在甲类仓库存放安全缺陷的锂离子电池、锂离子电池储能系统。 11. 应用三防灯检查仓库的电气穿管，无乱拉电线，无超负荷使用排插，具备防鼠措施。 6 T/SPSTS 0102019 6.9.12 应在仓库使用消防风水法开展安全设计和验证，安装抽风排烟措施 ,测试作用区域的风速不低于 0.5 m/s的捕获风速。 13.应计算燃烧电池的产烟量、需要的抽风量、爆炸半径，来配置、核算风机的风量、房间间隔距离，样本存储容器尺寸等。 14.应保持足够的通风量和适当的抽风排烟距离，计算通风稀释能力，足够减低释放燃气浓度，燃气浓度不超过气体爆炸下限的 5的区域为安全区域，可选择普通风机排烟。 15.应配置以水为主的灭火剂，包括泡水桶和坩埚钳、泡水池、喷雾器、洗车器、橡胶水管、消防盘管、消防水带、水基灭火器，配置比例符合 DB11/Z 728，即每 5万 AH配 9 L水或每 500 m2配 60 L水。 16. 非正在装卸的车辆，宜保持仓库至少 6 m的安全间距。 17. 应培训叉车司机不得机械伤害电池，掌握水灭锂离子电池火灾的技能。 18. 对长期合做的物流供应商，应开展定期现场评审，培训人员应掌握使用消防风水法（参见附录 B），定期演练。 7 出厂后功能安全保养验证 1. 签订售后服务协议 1. 应和经销商、用户签订售后服务协议，递交产品说明书，必要时可讲解售后服务内容。 2. 应定期回顾、更新产品说明书或其中的售后服务文档，宜网页展示非商业秘密的重要安全内容。 2. 开展售后服务检测 1. 应依照售后服务计划，对签约的经销商、客户开展售后服务。 2. 应收集售后服务信息，检测产品安全状态，反馈制造厂家考虑验证 FTA的安全目标。 3.应在发生重大变更时主动通知经销商、客户开展应急售后服务；重大变化包括产品召回、发现重大安全隐患等。 3. 计算残余风险 1. 应使用售后服务数据、量产产品安全数据、行业安全案例等，更新 FTA来验证满足安全目标。 2. 应使用类似出厂前安全验证的工