ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition) 第 7 条从材料、外壳、布线、绝缘、接地、保护电路和电解液容纳七个维度完整定义了固定式储能电池系统的结构设计要求——其中非金属材料的 V-0/V-1 阻燃等级、Section 7.5 Table 7.1 的电压-距离对照表和外壳的氢气通风计算公式 A=0.005×N×C₅ 是设计合规检查的核心三要素。
1. 非金属材料要求 (7.1)
Section 7.1 规定了储能电池系统中所有非金属部件的阻燃、耐温和耐候要求，覆盖外壳、印刷线路板、垫圈密封件和液流电池储罐等关键组件。引用标准为 UL 746C《电气设备用聚合材料标准》。
各部件阻燃等级要求
| 部件类型 | 最小阻燃等级 | 测试方法 | 适用范围说明 |
|---|---|---|---|
| 外壳 / 大型裸露区域 (LER) / 可触及电压部件 (VAP) | V-1 | UL 94 垂直燃烧 | 任何人员可能触及的外壳部件 |
| 印刷线路板 (PWB) | V-0 或 V-1 | UL 94 垂直燃烧 | 取决于线路板的实际应用位置和功能 |
| 液流电池储罐 | HB | UL 94 水平燃烧 | 仅适用于液流电池的电解液储罐 |
V-0 与 V-1 的量化差异
| 判定项目 | V-0 (最优) | V-1 (合格) | 对储能产品的意义 |
|---|---|---|---|
| 单次余焰时间 (t₁) | ≤ 10 s | ≤ 30 s | V-0 自熄速度快三倍，火焰传播风险极低 |
| 5 次测试总余焰时间 (t₁+t₂) | ≤ 50 s | ≤ 250 s | V-0 累计燃烧时间仅为 V-1 的 1/5 |
| 余灼时间 (t₃) | ≤ 30 s | ≤ 60 s | 对防止复燃有关键意义 |
| 棉团引燃 | 不允许 | 不允许 | 两者均需满足 |
RTI 温度最低要求
所有非金属材料的相对热指数 (RTI) 不得低于 80°C。
RTI 定义：材料在 10 万小时连续热老化后，仍保持 50% 初始机械/电气性能的最高温度。对于储能系统内部环境（电芯充电时发热、BMS 功率器件散热），80°C 是材料长效可靠性的硬底线。
常见储能系统用工程塑料 RTI 参考：
| 材料 | 典型 RTI 范围 | UL 94 等级 |
|---|---|---|
| PC/ABS (FR) | 80–95°C | V-0 |
| PPO/PS (改性) | 90–110°C | V-0 / V-1 |
| PA66 (玻纤增强 FR) | 100–130°C | V-0 |
| PBT (玻纤增强 FR) | 80–130°C | V-0 |
| PC (纯 FR) | 80–125°C | V-0 |
户外使用 UV 要求
若储能系统安装于户外无遮蔽环境，非金属外壳须满足 UL 746C 的 f1 等级（户外适用性），验证内容：
- 氙弧灯老化测试 (UL 746C Clause 28)：模拟长期日照下的光降解
- UV-水曝露测试 (UL 746C Clause 26)：模拟户外日晒雨淋复合老化
验收标准：老化后材料不得出现裂纹、粉化、严重变色或机械性能显著衰减。
垫圈与密封件：引用 UL 157
所有垫圈 (Gaskets) 和密封件须满足 UL 157《垫圈和密封件标准》，验证内容包括压缩永久变形、耐电解液化学性、耐温老化性。密封件的失效模式往往是渐进性的——密封件硬化龟裂导致逐步进水，可能在数年后才发现。
2. 金属部件要求 (7.2)
Section 7.2 从腐蚀防护和电偶兼容性两个维度约束储能系统中的金属部件。
腐蚀防护：引用 UL 50E
金属部件的腐蚀防护须满足 UL 50E 标准，环境条件覆盖：
- 盐雾环境（沿海/海上安装）
- 高湿度凝露环境
- 工业区化学腐蚀性气氛（SO₂、H₂S）
- 温度循环导致的结露-干燥交替
常用防腐方案：
| 方案 | 防腐性能 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 不锈钢 304 | 良好 | 一般室内/户外 |
| 不锈钢 316 | 优异 | 沿海/高盐环境 |
| 镀锌 + 钝化 | 中等 | 内部结构件 |
| 达克罗涂层 | 良好 | 紧固件/支架 |
| 粉末喷涂 + 磷化 | 良好 | 大型钣金外壳 |
电偶兼容性：Annex D Table D.1
当两种不同金属在潮湿环境中接触时，电位更负的金属会加速腐蚀——电偶腐蚀 (Galvanic Corrosion)。UL 1973 Annex D Table D.1 定义了标准电偶序。
设计法则：避免电偶电位差超过约 0.6V 的异种金属直接接触组合。
| 风险等级 | 电位差 | 典型允许组合 | 绝对禁止组合 |
|---|---|---|---|
| 低 | < 0.25 V | 铜–黄铜、304SS–316SS | — |
| 中 | 0.25–0.6 V | 铜–镀锡铜、不锈钢–镀镍钢 | — |
| 高 | > 0.6 V | — | 铜–铝、铜–碳钢、不锈钢–镀锌钢 |
工程对策（当必须使用高电位差组合时）：
- 涂覆绝缘涂层隔离
- 使用绝缘垫片/衬套
- 增加阳极部件表面积（牺牲阳极比）
- 选择环境密封（防止电解质膜形成）
3. 外壳设计要求 (7.3)
外壳是储能系统的第一道物理防线。Section 7.3 从强度、可触及性、通风和防潮四个维度做了完整规定。
强度和刚性
外壳须具备足够的机械强度以承受：
- 正常搬运和安装过程中的机械应力
- 安装面的不均匀沉降
- 内部电芯膨胀力（锂电芯充放电过程中可产生显著体积变化）
- 模块堆叠和固定点的载荷
判定方式：在按标准完成各项机械和环境测试后，外壳不得出现影响安全功能（绝缘、接地、防护）的变形或破损。
可触及性：最少工具原则
外壳设计须确保至少需要钳子或螺丝刀才能打开——徒手打开外壳即判不合格。
验证方法：
- 使用 IEC 61032 规定的 IP2X / IPXXB 铰接试验指（直径 12mm、总长 80mm）
- 施加 10N ± 10% 的探入力
- 试验指不得触及任何危险带电部件
- 对于通风开口，铰接试验指的两个关节可模拟更复杂的进入路径
IP2X：防止直径 ≥ 12.5mm 的固体异物进入（手指保护） IPXXB：等同于 IP2X 的人员保护等级
氢气通风计算
铅酸电池和部分锂电池在充电末期会产生氢气。UL 1973 要求外壳提供足够的通风面积以确保氢气浓度不超过 25% LFL (Lower Flammable Limit)——氢气的 LFL 在空气中约为 4%，25% LFL 即氢气浓度不超过 1%。
通风面积计算公式：A = 0.005 × N × C₅（单位：cm²）
参数说明：
- A：所需最小自由通风开口面积 (cm²)
- N：电池系统中电芯的总数量
- C₅：单个电芯的 5 小时额定容量 (Ah)，在 25°C 和 1 标准大气压下测定
计算示例：
- 16 颗 280Ah 电芯组成的 48V 模组：A = 0.005 × 16 × 280 = 22.4 cm²
- 256 颗 280Ah 电芯组成的集装箱储能系统：A = 0.005 × 256 × 280 = 358.4 cm²
工程提示：计算出的 A 是自由面积（非总面积）。若使用百叶窗或网孔板，实际开口面积需除以遮挡系数（通常 0.5–0.7）。例如网孔板 50% 通透率，则实际需开 358.4 / 0.5 = 716.8 cm² 的网孔总面积。
防潮保护
外壳须满足对应安装环境的防潮 (IP) 等级要求：
| 安装环境 | 最低 IP 等级 | 参考标准 | 典型测试内容 |
|---|---|---|---|
| 室内干燥 (数据中心、配电室) | IP20 | IEC 60529 | 手指保护 + 12.5mm 固体 |
| 室内潮湿 (地下室、空调房) | IP54 | IEC 60529 / UL 50E | 防尘 + 各方向溅水 |
| 户外有遮蔽 (雨棚下) | IP55 | IEC 60529 / UL 50E | 防尘 + 低压喷水 |
| 户外无遮蔽 | IP65 | IEC 60529 / UL 50E | 完全防尘 + 高压喷水 |
测试后须检查外壳内部无有害进水——特别关注接线端子、BMS 电路板和绝缘部件。
4. 布线与端子设计 (7.4)
Section 7.4 确保储能系统内部和外部的所有电气连接在机械和电气两方面均安全可靠。
导线基本要求
- 绝缘层须覆盖系统最高工作电压和最恶劣温度的组合
- 截面积须承载最大预期电流，不得产生超过绝缘耐温的发热
- 布线路径避开锐角、锋利金属边缘、运动部件、高温区域
- 不同电压等级的导线须分开布设或通过加强绝缘隔开
- 每条导线须有清晰的标识（线号/颜色/功能）
连接可靠性测试
| 测试项目 | 条款 | 测试条件 | 验收准则 |
|---|---|---|---|
| 应变消除 (Strain Relief) | 26.4 | 156N 拉力，持续 1 分钟 | 无位移损伤绝缘层，导体连接不松脱 |
| 推力安全测试 (Push-Back Relief) | 26.5 | 以 25.4mm 增量逐步推进导线，最大力值 26.7N | 导线不得触及危险带电部件或运动部件 |
| 陶瓷绝缘珠/管测试 | — | 对瓷珠施加 10N 力 | 瓷珠不碎裂、不滑移 |
| 现场接线端子 | 7.4 | 端子额定值 ≥ 125% 系统额定电流 | 温升不超出端子额定值 |
156N 应变消除测试的工程意义：156N 相当于约 15.9kg 物体的重力。设计上需要线缆固定夹、压线板或应力消除护套来吸收外力，使其不传递到内部焊接点或螺丝端子。此测试模拟在日常维护中意外拉扯电源线或信号线的最严酷工况。
现场接线端子额定规则
外部接线端子（用户/安装人员可触及的接线点）的额定值必须至少为系统额定电流的 125%。例如 200A 系统 → 端子须额定 ≥ 250A。这提供了长期运行和瞬态过载的安全余量。
5. 电气间隙与爬电距离 (7.5)
这是 UL 1973 结构设计中最核心的技术数据，直接决定 PCB Layout 和内部结构布局。
电压-距离对照表 (Table 7.1)
以下 SVG 可视化了不同电压等级下的基本绝缘电气间隙与爬电距离要求：
绝缘类型与倍率
| 绝缘类型 | 电气间隙 (Clearance) | 爬电距离 (Creepage) | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 基本绝缘 (Basic) | 1× Table 7.1 | 1× Table 7.1 | 非用户可触及的内部电路之间 |
| 双重绝缘 (Double) | 2× 基本绝缘值 | 2× 基本绝缘值 | 基本绝缘 + 附加绝缘的串联结构 |
| 加强绝缘 (Reinforced) | 2× 基本绝缘值 | 2× 基本绝缘值 | 单层绝缘达到双重绝缘等效保护效果 |
| 灌封绝缘 (Potted/Encapsulated) | 不适用 | 灌封层厚度 ≥ 0.4mm | PCB 整体灌胶或选择性点胶 |
海拔修正
当安装海拔 ≥ 2000m 时，电气间隙须乘以海拔修正系数。物理原理：海拔升高 → 大气压降低 → 空气介电强度下降 → 相同电压需要更大的空气间隙才能防止击穿。爬电距离不受海拔影响——沿面爬电不依赖空气介电强度，由绝缘材料表面特性决定。
过电压类别 (OV Category)
| 连接方式 | OV Category | 说明 |
|---|---|---|
| 固定连接式储能系统 | III | 连接至固定布线的配电级，承受更高的瞬态过电压 |
| 带有可插拔 VAP 连接 | II | 末端设备级，由上级配电系统提供过电压保护 |
OV Category III 的电气间隙要求显著高于 Category II——在设计之初就须明确系统的最终安装方式，错误选择 OV Category 可能导致后期 Layout 无法满足间隙要求。
6. 绝缘与接地设计 (7.6)
两种绝缘保护方案
UL 1973 提供两条合规路径：
| 方案 | 构成 | 工作原理 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 方案 A | 基本绝缘 + 保护接地 | 正常工况由基本绝缘保证安全，基本绝缘失效 → 故障电流经接地回流 → 触发保护装置断开 | 金属外壳系统、接地系统可靠 |
| 方案 B | 双重绝缘 / 加强绝缘 | 两层绝缘（或单层加强绝缘）自身即可保证安全，不依赖外部接地系统 | 塑料外壳、Class II 结构、接地不可靠场景 |
接地系统技术参数
| 要求项 | 技术数值 | 来源条款 |
|---|---|---|
| 接地连续性电阻 | ≤ 0.1 Ω | 7.6 |
| 接地端子颜色 | 绿色 (与 IEC/NEC 一致) | 7.6 |
| 接地端子标识 | "G"、"GR" 或接地符号 | 7.6 |
| 接地导线截面积 | ≥ 相线截面积 | 参照 NEC/CEC |
0.1 Ω 的工程涵义：这是极低的值。在实际测试中，需使用 4 线法 (Kelvin Bridge) 进行测量，测试电流通常 ≥ 25A（以消除接触电阻对测量结果的干扰）。若测试结果为 0.15 Ω，可能是：
- 接地端子接触面氧化
- 接地线的截面积不足
- 接地路径上的螺丝扭矩不当
- 测试用的夹子接触不良（测试自身误差）
7. 保护电路设计要求 (7.9)
BMS 安全功能
BMS 必须持续监控并维持电池系统在安全运行窗口 (Safe Operating Area, SOA) 内：
| 保护功能 | 参数 | 动作 |
|---|---|---|
| 过充电压保护 | 电芯级上限电压 | 切断充电回路 |
| 过放电压保护 | 电芯级下限电压 | 切断放电回路 |
| 充电过流保护 | 最大充电电流 | 降低或切断电流 |
| 放电过流/短路保护 | 最大放电电流 | 立即切断 |
| 过温保护 | 最高充电/放电温度 | 降功率或切断 |
| 低温充电禁止 | 最低充电温度 | 禁止充电（部分系统允许小电流加热） |
危险电压手动断开装置
当系统工作电压超过 60V DC（危险电压阈值），必须配备手动断开装置，要求：
- 可将电池系统与所有外部电路完全隔离
- 位于人员可触及位置，无需拆解外壳即可操作
- 断开位置可锁定 (Lockout/Tagout)，防止维护时意外合闸
- 标识清晰，标注功能、操作方向和 ON/OFF 状态
熔断器双额定要求
所有保护用熔断器须满足短路 + 过载双工况的额定要求：
- 短路分断容量：能安全分断系统可能出现的最大预期短路电流（通常 kA 级别）
- 过载保护额定：在 135%–200% 额定电流条件下在规定时间内熔断
两者都必须在设计文档中明确引用并经过验证——不能仅标注短路电流等级而忽略过载保护能力。
8. 电解液容纳系统 (7.11)
Section 7.11 确保电解液在任何可预见工况下不会泄漏到安全关键区域（带电部件、可触及区域），并规定了密封材料的化学相容性验证方法。
密封件浸入测试
| 材料类型 | 浸入时间 | 体积变化 | 重量变化 | 目的 |
|---|---|---|---|---|
| 弹性体 (Elastomeric) | 70 小时 | −1% 至 +25% | ≤ 10% | 验证橡胶类密封件不溶胀过量或收缩 |
| 非弹性体 (Non-Elastomeric) | 168 小时 | ≤ 2% | +25% / −10% | 验证塑料类密封件长期化学稳定性 |
弹性体（硅胶、EPDM、氟橡胶）允许较大的体积变化范围（因弹性变形可补偿），而非弹性体（PTFE、尼龙、PEEK）要求更严格。
压力部件要求
承受内部压力的部件（电芯壳体、模组密封外壳、泄压阀体）须按 Section 36 和 37 进行专项压力测试，验证：
- 爆破压力 ≥ 安全系数 × 最大工作压力（Section 36）
- 疲劳寿命：在规定压力循环次数后仍保持密封和结构完整性（Section 37）
安全阀排放方向
泄压阀 (Pressure Relief Valve) 的排放方向必须背离以下区域：
- 带电部件（总线、BMS 电路板、连接器）
- 人员可触及区域
- 其他电芯/模组（防止连锁热失控）
- 可燃材料的集中区域
排出的高温气体和电解液射流方向须在设计图中标定，确保在热失控工况下不会引发二次灾害。
9. UL 1973 外壳设计完整层次框架
以下 SVG 将 Section 7.1–7.11 的全部结构设计要求组织为分层级联的设计合规检查框架，展示各条款之间的逻辑关系：
10. 工程师设计提示
能量密度与安全间距的权衡
储能系统追求高能量密度要求紧凑布局，但 UL 1973 的间距要求随电压等级显著增长。对于 1000V 直流母线系统，基本绝缘需要 19.1mm 电气间隙——这在高压 PCB 上是巨大的空间开销。
工程对策：在高密度 PCB 上，通过开槽 (Slot/Milling) 增加爬电距离是一种常用设计手段。一个 1.0mm 宽的槽可以使爬电路径从"直线"变为"绕行"，等效增加爬电距离而保持电气间隙不变。
材料选择时间线
| 设计阶段 | 关键决策 | 变更成本 | 建议动作 |
|---|---|---|---|
| 概念设计 | 确定系统电压等级 → 查询 Table 7.1 间距 | 低 | 预留 120% 间距余量 |
| 详细设计 | 外壳材料选型 (V-1/V-0) → 索要供应商 UL 黄卡 | 中 | 确认 RTI ≥ 80°C |
| 试产验证 | 完整材料证书审核 (RTI / CTI / 燃烧等级) | 高 | 检测报告归档 |
| 认证提交 | 发现材料不合格 → 重新选型 | 极高 | 避免此阶段出现材料问题 |
储能产品 UL 1973 结构设计 Top 5 常见 NG 项
- 塑料外壳仅满足 HB 而非 V-1 — 最常见也最致命。HB 仅适用于液流电池储罐，任何储能系统外壳/盖板必须 V-1 以上
- 铜 Busbar 与铝合金外壳无隔离直接接触 — 电偶电位差约 1.5V（远超 0.6V 限值），在潮湿环境中 6–12 个月内可产生严重腐蚀
- PCB 间距不满足 Table 7.1 — 高压区域（300V+）的 Layout 未按标准检查，事后补救需重新改板
- 接地连续性电阻 大于0.1Ω — 常见原因：接地端子表面氧化、测试线接触不良、接地路径螺丝扭矩不当
- 泄压阀排放方向朝向 BMS 电路板 — 热失控时电解液喷溅直接烧毁保护电路，丧失最后一道安全防线
11. 关键事实
- 外壳/盖板/可触及电压部件阻燃等级须满足 V-1 或以上 —— HB 等级仅适用于液流电池储罐，任何储能系统外壳/盖板必须 V-1 以上，印刷线路板须 V-0 或 V-1（Section 7.1）。
- 所有非金属材料 RTI 不得低于 80°C —— 相对热指数是材料在 10 万小时连续热老化后仍保持 50% 初始性能的最高温度，储能系统内部环境（电芯发热、BMS 散热）下 80°C 是硬底线。
- 电气间隙和爬电距离按 Table 7.1 电压分级 —— 30–50V 仅需 1.6mm，1001–1500V 需 21.6mm（基本绝缘），双重/加强绝缘需 2×值，灌封绝缘 ≥0.4mm 灌封层厚度（Section 7.5）。
- 接地连续性电阻必须 ≤0.1Ω —— 需用 4 线法 (Kelvin Bridge) 测量，测试电流通常 ≥25A，常见不合格原因包括接地端子氧化、螺丝扭矩不当、测试接触不良（Section 7.6）。
- 铜 Busbar 与铝合金外壳禁止直接接触 —— 电偶电位差约 1.5V，远超 Annex D Table D.1 规定的 0.6V 安全限值，在潮湿环境中 6–12 个月内可产生严重电偶腐蚀（Section 7.2 + Annex D）。
12. 常见问题
Q1: HB 等级材料能用于储能电池外壳吗？ 不能。HB 仅适用于液流电池储罐（Section 7.1），任何储能系统外壳、盖板、可触及带电部件（VAP）或大型裸露区域（LER）必须满足 V-1 以上阻燃等级。
Q2: PCB 间距不足 Table 7.1 要求怎么办？ 可通过开槽 (Slot/Milling) 增加爬电距离——一个 1.0mm 宽的槽可使爬电路径从"直线"变为"绕行"，等效增加爬电距离而保持电气间隙不变。
Q3: 接地电阻测试结果 >0.1Ω 的常见原因有哪些？ 最常见原因依次为：接地端子表面氧化（未做防氧化处理）、接地路径螺丝扭矩不当（松动或过紧导致接触面变形）、测试线夹接触不良（须用 4 线法消除误差）、接地线截面积不足。
Q4: 泄压阀能朝向 BMS 电路板方向吗？ 绝对不能。泄压阀排放方向须背离带电部件（总线、BMS 电路板、连接器），热失控时高温气体和电解液射流会直接烧毁保护电路，丧失最后一道安全防线（Section 7.11）。
Q5: 户外安装的储能系统对材料有哪些额外要求？ 非金属外壳须满足 UL 746C f1 等级（户外适用性），包括氙弧灯老化测试和 UV-水曝露测试；金属部件须满足 UL 50E 腐蚀防护要求，沿海环境建议使用不锈钢 316（Section 7.1 + 7.2）。
13. 相关阅读
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参考文献
| 来源 | 关键内容 |
|---|---|
| ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition) | Section 7.1–7.11 Construction Requirements |
| UL 746C | Polymeric Materials — Use in Electrical Equipment Evaluations |
| UL 94 | Tests for Flammability of Plastic Materials |
| UL 50E | Enclosures for Electrical Equipment, Environmental Considerations |
| UL 157 | Gaskets and Seals |
| IEC 60529 | Degrees of Protection Provided by Enclosures (IP Code) |
| IEC 61032 | Protection by Enclosures — Probes for Verification |
| UL 1973 Annex D Table D.1 | Galvanic Series of Metals and Alloys |