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國內(nèi)外動(dòng)力鋰電池在性能及安全測試方面的標(biāo)準(zhǔn)
概述：國內(nèi)外動(dòng)力鋰電池在性能及安全測試方面的標(biāo)準(zhǔn)，從適用范圍、測試項(xiàng)內(nèi)容及嚴(yán)格程度等幾個(gè)方面進(jìn)行分析和比較。對國內(nèi)動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建和發(fā)展進(jìn)行總結(jié)和展望。
電池產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是安全標(biāo)準(zhǔn)是約束質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場秩序和推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。本文作者針對國內(nèi)外現(xiàn)有的常見標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行介紹和歸納分析，并對這些標(biāo)準(zhǔn)體系中存在的問題進(jìn)行簡單的探討。
一、國外動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)
表1列舉了國外常用的鋰電池測試標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)機(jī)構(gòu)重要有國際電工委員會(IEC)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)、美國汽車工程師學(xué)會(SAE)以及歐盟相關(guān)機(jī)構(gòu)等。
表1國外常用的動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1、國際標(biāo)準(zhǔn)
IEC公布的動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)重要有IEC62660-1∶2010《電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池單體第1部分:性能測試》和IEC62660-2∶2010《電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池單體第2部分:可靠性和濫用性測試》。聯(lián)合國運(yùn)輸委員會頒布的UN38.3《聯(lián)合國有關(guān)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)手冊》，對鋰電池測試的要求是針對電池在運(yùn)輸過程中的安全性。
ISO在動(dòng)力鋰電池方面制定的標(biāo)準(zhǔn)有ISO12405-1∶2011《電驅(qū)動(dòng)車輛鋰離子動(dòng)力鋰電池包及系統(tǒng)測試規(guī)程第1部分:高功率應(yīng)用》、ISO12405-2∶2012《電驅(qū)動(dòng)車輛鋰離子動(dòng)力鋰電池包及系統(tǒng)測試規(guī)程第2部分:高能量應(yīng)用》及ISO12405-3∶2014《電驅(qū)動(dòng)車輛鋰離子動(dòng)力鋰電池包及系統(tǒng)測試規(guī)程第3部分:安全性要求》，分別針對高功率型電池、高能量型電池以及安全性能要求，目的是為整車廠供應(yīng)可選擇的測試項(xiàng)和測試方法。
2、美國標(biāo)準(zhǔn)
UL2580∶2011《電動(dòng)汽車用電池》重要評估電池的濫用可靠性以及在濫用出現(xiàn)危害時(shí)對人員的保護(hù)能力，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年進(jìn)行修訂。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
SAE在汽車領(lǐng)域擁有龐大、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。2009年頒布的SAEJ2464:2009《電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可再充能量儲存系統(tǒng)的安全和濫用性測試》是很早一批應(yīng)用于北美和全球地區(qū)的車用電池濫用測試手冊，明確指出了每個(gè)測試項(xiàng)的適用范圍及要采集的數(shù)據(jù)，也針對測試項(xiàng)目所需樣品數(shù)量給出建議。
2011年頒布的SAEJ2929:2011《電動(dòng)和混合動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》是SAE在總結(jié)之前頒布的各種動(dòng)力鋰電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上提出的安全性標(biāo)準(zhǔn)，包括兩部分:電動(dòng)汽車在行駛過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)情況測試和異常情況測試。
SAEJ2380:2013《電動(dòng)汽車電池的振動(dòng)測試》是電動(dòng)汽車電池的振動(dòng)測試較經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)際車輛道路行駛的振動(dòng)載荷譜采集統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)依據(jù)，測試方法更加符合實(shí)際車輛的振動(dòng)情況，具有重要的參考價(jià)值。
3、其他組織標(biāo)準(zhǔn)
美國能源部(DOE)重要負(fù)責(zé)能源政策制定、能源行業(yè)管理及能源相關(guān)技術(shù)研發(fā)等。2002年美國政府成立了自由車(FreedomCAR)項(xiàng)目，先后頒發(fā)了FreedomCAR功率輔助型混合電動(dòng)汽車電池測試手冊和電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車用儲能系統(tǒng)濫用性測試手冊。
德國汽車工業(yè)協(xié)會(VDA)是德國為統(tǒng)一國內(nèi)汽車工業(yè)的各種標(biāo)準(zhǔn)而組成的協(xié)會，頒布的標(biāo)準(zhǔn)有VDA2007《混合動(dòng)力汽車用電池系統(tǒng)測試》，重要是針對混合動(dòng)力汽車的鋰電池系統(tǒng)的性能及可靠性測試。
歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(ECE)R100.2《有關(guān)就電動(dòng)汽車輛特殊要求方面批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》是ECE針對電動(dòng)汽車制定的具體要求，整體分為兩部分:第一部分對整車在電機(jī)防護(hù)、可再充電儲能系統(tǒng)、功能安全和氫氣排放等4個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)范，第二部分為新增的對可再充電儲能系統(tǒng)的安全可靠性作出的具體要求。
二、國內(nèi)動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)
2001年，汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒布了我國第一個(gè)電動(dòng)汽車的鋰電池測試指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z18333.1:2011《電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池》。該標(biāo)準(zhǔn)制按時(shí)參考了IEC61960-2∶2000《便攜式鋰電池和蓄電池組第2部分:鋰電池組》，用于便攜式設(shè)備的鋰電池及電池組，測試內(nèi)容包括性能和安全，但只適用于21.6V和14.4V的電池。
2006年，工業(yè)和信息化部頒發(fā)了QC/T743《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池》，被行業(yè)內(nèi)廣泛使用，并于2012年進(jìn)行了修訂。GB/Z18333.1:2001和QC/T743:2006都是針對單體和模塊級別的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍較窄，且測試內(nèi)容已不適應(yīng)快速發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)的需求。
2015年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，GB/T31484-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》、GB/T31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》、GB/T31486-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》及GB/T31467.1-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分高功率應(yīng)用測試規(guī)程、GB/T31467.2-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分高能量應(yīng)用測試規(guī)程、GB/T31467.3《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)測試規(guī)程第3部分安全性要求和測試方法。
GB/T31485-2015及GB/T31486-2015分別是針對單體/模塊的安全及電性能測試，GB/T31467-2015系列參照了ISO12405系列，適用于電池包或電池系統(tǒng)的測試，而GB/T31484-2015是專門針對循環(huán)壽命的測試標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于單體和模塊采用標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命，關(guān)于電池包和系統(tǒng)采用工況循環(huán)壽命。
2016年，工信部公布了《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》，從人員觸電、水塵防護(hù)、火災(zāi)防護(hù)、充電安全、碰撞安全、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面綜合考慮，充分借鑒了現(xiàn)有的傳統(tǒng)客車、電動(dòng)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和上海、北京等地方標(biāo)準(zhǔn)，對動(dòng)力鋰電池提出更高的技術(shù)要求，新增了熱失控和熱失控?cái)U(kuò)展兩個(gè)測試項(xiàng)，已于2017年一月一日正式實(shí)行。
表2國內(nèi)常用的動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)
三、國內(nèi)外動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)分析
國內(nèi)外動(dòng)力鋰電池標(biāo)準(zhǔn)分析國際上的大部分標(biāo)準(zhǔn)是在2010年前后頒布的，重新修訂次數(shù)較多，且陸續(xù)有新的標(biāo)準(zhǔn)出臺。GB/Z18333.1:2001是在2001年頒發(fā)的，由此可見，我國的電動(dòng)汽車鋰電池標(biāo)準(zhǔn)在世界上起步并不算晚，但發(fā)展相對緩慢。自2006年QC/T743標(biāo)準(zhǔn)公布后，我國有很長一段時(shí)間里沒有標(biāo)準(zhǔn)更新，且在2015年新國標(biāo)公布之前，沒有有關(guān)電池包或系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、測試項(xiàng)內(nèi)容、測試項(xiàng)嚴(yán)格程度及判定準(zhǔn)則方面，都有所差別。
1、適用范圍
IEC62660系列、QC/T743、GB/T31486和GB/T31485是針對電池單體和模塊級別的測試，UL2580、SAEJ2929、ISO12405和GB/T31467系列則適用于電池組和電池系統(tǒng)的測試。國外除了IEC62660，其他的標(biāo)準(zhǔn)基本都涉及電池組或系統(tǒng)級別的測試，SAEJ2929及ECER100.2甚至提到了整車級別的測試。這說明國外的標(biāo)準(zhǔn)制定更多地考慮到了電池在整車上的應(yīng)用，更符合實(shí)際應(yīng)用的需求。
2、測試項(xiàng)內(nèi)容
所有的測試項(xiàng)從整體上來說，可分為電性能和安全可靠性兩大類，而安全可靠性又可分為機(jī)械可靠性、環(huán)境可靠性、濫用可靠性和電氣可靠性。
機(jī)械可靠性，模擬了車輛在行駛過程中受到的機(jī)械應(yīng)力，如振動(dòng)模擬了車輛在路面上的顛簸;環(huán)境可靠性，模擬了車輛在不同氣候中的耐受力，如溫度循環(huán)模擬了車輛在晝夜溫差大或者在寒冷和炎熱地區(qū)來回行駛時(shí)的情況;濫用可靠性，如火燒，考察電池在遭受到不正當(dāng)使用時(shí)的安全性;電氣可靠性，如保護(hù)類測試項(xiàng)，重要是考察電池管理系統(tǒng)(BMS)在關(guān)鍵時(shí)候能否起到保護(hù)用途。
在電池單體方面，IEC62660分為兩個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)IEC62660-1和IEC62660-2，分別對應(yīng)性能和可靠性測試。GB/T31485和GB/T31486是由QC/T743演化而來，GB/T31486中將耐振動(dòng)歸屬為性能測試，因?yàn)樵摐y試項(xiàng)是考察電池振動(dòng)對電池性能的影響。相比于IEC62660-2，GB/T31485的測試項(xiàng)目更嚴(yán)苛，如新增了針刺和海水浸泡等。
在電池包和電池系統(tǒng)的測試方面，不論是電性能還是可靠性，美國標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的測試項(xiàng)最多。在性能測試方面，DOE/ID-11069比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的測試項(xiàng)有混合脈沖功率特性(HPPC)、運(yùn)行設(shè)置點(diǎn)穩(wěn)定性、日歷壽命、參考性能、阻抗譜、模塊控制檢驗(yàn)測試、熱管理載荷及結(jié)合壽命驗(yàn)證的系統(tǒng)水平測試等。
在標(biāo)準(zhǔn)的附錄中詳細(xì)介紹了電性能測試結(jié)果的分析方法，其中，HPPC測試可用于檢測動(dòng)力鋰電池的峰值功率，由此衍生的直流內(nèi)阻測試方法，已廣泛用于電池的內(nèi)阻特性研究。在可靠性方面，UL2580比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的測試項(xiàng)有:非平衡電池組充電、耐壓、絕緣、持續(xù)性試驗(yàn)及冷卻/加熱穩(wěn)定系統(tǒng)故障試驗(yàn)等，還包含了生產(chǎn)線上針對電池組零部件的基本安全測試，在BMS、冷卻系統(tǒng)及保護(hù)線路設(shè)計(jì)方面，加強(qiáng)了安全性審查要求。SAEJ2929提出要對電池系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行故障分析，并保存相關(guān)的文檔材料，包括易識別故障的改進(jìn)措施。
ISO12405系列標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)包含電池的性能和安全兩方面，ISO12405-1是針對高功率應(yīng)用的電池性能測試標(biāo)準(zhǔn)，ISO12405-2是針對高能量應(yīng)用的電池性能測試標(biāo)準(zhǔn)，前者多了冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)兩項(xiàng)內(nèi)容。GB/T31467系列結(jié)合了我國動(dòng)力鋰電池發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)ISO12405系列標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容修改而得。
和其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是:SAEJ2929和ECER100.2都涉及高壓防護(hù)的要求，屬于電動(dòng)汽車安全范疇。我國的相關(guān)測試項(xiàng)在GB/T18384中，GB/T31467.3中指出電池包和電池系統(tǒng)在進(jìn)行安全測試之前要滿足GB/T18384.1和GB/T18384.3的相關(guān)要求。
3、嚴(yán)格程度
關(guān)于相同的測試項(xiàng)，不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法和判定準(zhǔn)則也不盡相同。例如關(guān)于測試樣品的荷電狀態(tài)(SOC)，GB/T31467.3中要求樣品為滿電態(tài);ISO12405中要求功率型電池SOC為50%，能量型電池SOC為100%;ECER100.2要求電池的SOC在50%以上;UN38.3關(guān)于不同的測試項(xiàng)有不同的要求，某些測試項(xiàng)還要循環(huán)過的電池。
另外，還要求高度模擬、熱試驗(yàn)、振動(dòng)、沖擊和外短路必須用同一個(gè)樣品進(jìn)行測試，相對更嚴(yán)格。關(guān)于振動(dòng)測試，ISO12405要求樣品在不同的環(huán)境溫度下振動(dòng)，建議的高溫和低溫溫度分別為75℃和－40℃，其他的標(biāo)準(zhǔn)沒有此項(xiàng)要求。
關(guān)于火燒試驗(yàn)，GB/T31467.3中的實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)設(shè)置和ISO12405.3相差不大，都是采用點(diǎn)燃燃料的方式進(jìn)行預(yù)熱、直接火燒和間接火燒，但GB/T31467.3要求樣品若有火苗必須在2min內(nèi)熄滅，ISO12405則沒有要求火苗熄滅的時(shí)間，SAEJ2929中的火燒試驗(yàn)和前兩者不同，它要求將樣品放置于熱輻射容器中，90s內(nèi)迅速升溫至890℃并保持10min，并且不得有任何組件或物質(zhì)穿過置于測試樣品外部的金屬網(wǎng)罩。
四、現(xiàn)有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的不足
雖然相關(guān)國標(biāo)的制定和公布填補(bǔ)了我國在動(dòng)力鋰電池組合系統(tǒng)方面的空白，并被廣泛采用，但仍有不足。
測試對象方面:所有的標(biāo)準(zhǔn)都只規(guī)定了新電池的測試，對使用過的電池沒有相關(guān)規(guī)定和要求，電池在出廠時(shí)沒有問題，不代表使用一段時(shí)間后仍然安全，因此有必要對使用不同時(shí)間的電池進(jìn)行同樣的測試，相當(dāng)于定期體檢。
結(jié)果判定方面:目前的判定依據(jù)較寬泛和單一，只有無泄露、無外殼破裂、不起火和不爆炸的規(guī)定，缺少可量化的評判體系。歐洲汽車研究和技術(shù)發(fā)展委員會(EUCAR)將電池的危害程度劃分成8個(gè)等級，具有一定的借鑒意義。
測試項(xiàng)方面:GB/T31467.3缺少電池包和電池系統(tǒng)在熱管理和熱失控方面的測試內(nèi)容，而熱安全性能對電池至關(guān)重要，如何控制單體電池的熱失控，使熱失控的情況不蔓延，具有重要意義，《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》的強(qiáng)制實(shí)行也說明了這一點(diǎn)。另外，從整車應(yīng)用層面來說，關(guān)于非破壞性的可靠性測試，如環(huán)境可靠性，在試驗(yàn)結(jié)束之后有必要新增電性能測試，模擬車輛在經(jīng)歷了環(huán)境變化后，性能受到的影響。
測試方法方面:電池包和電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命測試耗時(shí)太長，影響產(chǎn)品開發(fā)周期，難以很好地執(zhí)行，如何開發(fā)合理的加速循環(huán)壽命測試是個(gè)難點(diǎn)。
五、總結(jié)
近年來，我國在動(dòng)力鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用方面已取得了很大的進(jìn)步，但和國外的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距。除了檢測標(biāo)準(zhǔn)以外，我國鋰電池在其他方面的標(biāo)準(zhǔn)體系也在逐漸完善。2016年十一月九日，工信部在公布了《鋰電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系》，指出未來的標(biāo)準(zhǔn)體系包括基礎(chǔ)通用、材料和部件、設(shè)計(jì)和制造過程、制造和檢測設(shè)備、電池產(chǎn)品等5大部分，其中，安全標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系重大，隨著動(dòng)力鋰電池產(chǎn)品的更新和發(fā)展，測試標(biāo)準(zhǔn)也要提升相應(yīng)的驗(yàn)檢測技術(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)動(dòng)力鋰電池的安全性水平。
