概述國(guó)內(nèi)外動(dòng)力鋰離子電池在性能及安全測(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)

概述國(guó)內(nèi)外動(dòng)力鋰離子電池在性能及安全測(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)，從適用范圍、測(cè)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(duì)國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池標(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(chǎng)秩序和推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。本文作者針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行介紹和歸納分析，并對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)體系中存在的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。

一、國(guó)外動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

表1列舉了國(guó)外常用的鋰離子電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)機(jī)構(gòu)主要有國(guó)際電工委員會(huì) ( IEC) 、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織( ISO) 、美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 ( UL) 、美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)( SAE) 以及歐盟相關(guān)機(jī)構(gòu)等。

表1國(guó)外常用的動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

IEC發(fā)布的動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 62660-1∶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(cè)試》和IEC 62660-2∶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(cè)試》。聯(lián)合國(guó)運(yùn)輸委員會(huì)頒布的UN 38. 3《聯(lián)合國(guó)關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)手冊(cè)》，對(duì)鋰電池測(cè)試的要求是針對(duì)電池在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性。

ISO在動(dòng)力鋰離子電池方面制定的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 12405-1∶2011《電驅(qū)動(dòng)車輛———鋰離子動(dòng)力電池包及系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程 第1部分: 高功率應(yīng)用》、ISO 12405-2∶2012《電驅(qū)動(dòng)車輛——鋰離子動(dòng)力電池包及系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程第2部分: 高能量應(yīng)用》及ISO 12405-3∶2014《電驅(qū)動(dòng)車輛——鋰離子動(dòng)力電池包及系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程 第3部分: 安全性要求》，分別針對(duì)高功率型電池、高能量型電池以及安全性能要求，目的是為整車廠提供可選擇的測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試方法。

2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

UL 2580∶2011《電動(dòng)汽車用電池》主要評(píng)估電池的濫用可靠性以及在濫用產(chǎn)生危害時(shí)對(duì)人員的保護(hù)能力，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年進(jìn)行修訂。

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SAE J2464: 2009《電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可再充能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的安全和濫用性測(cè)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(cè)試手冊(cè)，明確指出了每個(gè)測(cè)試項(xiàng)的適用范圍及需要采集的數(shù)據(jù)，也針對(duì)測(cè)試項(xiàng)目所需樣品數(shù)量給出建議。

2011年頒布的SAE J2929: 2011《電動(dòng)和混合動(dòng)力電池系統(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)車在行駛過(guò)程中可能出現(xiàn)的常規(guī)情況測(cè)試和異常情況測(cè)試。

SAE J2380: 2013《電動(dòng)車電池的振動(dòng)測(cè)試》是電動(dòng)車電池的振動(dòng)測(cè)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(cè)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(guó)能源部( DOE) 主要負(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(guó)政府成立了“自由車”( Freedom CAR) 項(xiàng)目，先后頒發(fā)了Freedom CAR功率輔助型混合電動(dòng)車電池測(cè)試手冊(cè)與電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車用儲(chǔ)能系統(tǒng)濫用性測(cè)試手冊(cè)。

德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)( VDA) 是德國(guó)為統(tǒng)一國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的各種標(biāo)準(zhǔn)而組成的協(xié)會(huì)，頒布的標(biāo)準(zhǔn)有VDA 2007《混合動(dòng)力汽車用電池系統(tǒng)測(cè)試》，主要是針對(duì)混合動(dòng)力汽車的鋰離子電池系統(tǒng)的性能及可靠性測(cè)試。

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)( ECE) R100. 2《關(guān)于就電動(dòng)車輛特殊要求方面批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》是ECE針對(duì)電動(dòng)車制定的具體要求，整體分為兩部分: 第一部分對(duì)整車在電機(jī)防護(hù)、可再充電儲(chǔ)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(duì)可再充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠性作出的具體要求。

二、國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

2001年，汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)頒布了我國(guó)第一個(gè)電動(dòng)汽車的鋰離子電池測(cè)試指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z 18333. 1: 2011《電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池》。該標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)參考了IEC 61960-2∶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)備的鋰離子電池及電池組，測(cè)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/T 743《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/Z 18333. 1: 2001 和 QC/T 743: 2006 都是針對(duì)單體和模塊級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍較窄，且測(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 31484-2015《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/T 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31486-2015《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/T 31467. 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(cè)試規(guī)程、GB/T 31467. 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(cè)試規(guī)程、GB/T 31467. 3《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程 第3部分 安全性要求與測(cè)試方法。

GB/T 31485-2015及GB/T 31486-2015分別是針對(duì)單體/模塊的安全及電性能測(cè)試，GB/T 31467-2015系列參照了ISO 12405系列，適用于電池包或電池系統(tǒng)的測(cè)試，而GB/T 31484-2015是專門針對(duì)循環(huán)壽命的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于單體和模塊采用標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命，對(duì)于電池包和系統(tǒng)采用工況循環(huán)壽命。

2016年，工信部發(fā)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(duì)動(dòng)力電池提出更高的技術(shù)要求，增加了熱失控和熱失控?cái)U(kuò)展兩個(gè)測(cè)試項(xiàng)，已于2017年1月1日正式實(shí)施。

表 2 國(guó)內(nèi)常用的動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)

三、國(guó)內(nèi)外動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)分析

國(guó)內(nèi)外動(dòng)力鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)分析國(guó)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(tái)。GB/Z 18333. 1: 2001是在2001年頒發(fā)的，由此可見(jiàn)，我國(guó)的電動(dòng)汽車鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)在世界上起步并不算晚，但發(fā)展相對(duì)緩慢。自2006年QC/T 743標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，我國(guó)有很長(zhǎng)一段時(shí)間里沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)更新，且在2015年新國(guó)標(biāo)發(fā)布之前，沒(méi)有關(guān)于電池包或系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。上述國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、測(cè)試項(xiàng)內(nèi)容、測(cè)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

IEC 62660 系列、QC/T 743、GB/T 31486和GB/T 31485是針對(duì)電池單體和模塊級(jí)別的測(cè)試，UL2580、SAE J2929、 ISO12405和GB/T 31467 系列則適用于電池組和電池系統(tǒng)的測(cè)試。國(guó)外除了IEC 62660，其他的標(biāo)準(zhǔn)基本都涉及電池組或系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試，SAE J2929及ECE R100. 2甚至提到了整車級(jí)別的測(cè)試。這說(shuō)明國(guó)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(cè)試項(xiàng)內(nèi)容

所有的測(cè)試項(xiàng)從整體上來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)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(cè)試項(xiàng)，主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)作用。

在電池單體方面，IEC 62660分為兩個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62660-1和IEC 62660-2，分別對(duì)應(yīng)性能和可靠性測(cè)試。GB/T 31485和GB/T 31486是由QC/T 743演化而來(lái)，GB/T 31486中將耐振動(dòng)歸屬為性能測(cè)試，因?yàn)樵摐y(cè)試項(xiàng)是考察電池振動(dòng)對(duì)電池性能的影響。相比于IEC 62660-2，GB/T 31485的測(cè)試項(xiàng)目更嚴(yán)苛，如增加了針刺和海水浸泡等。

在電池包和電池系統(tǒng)的測(cè)試方面，不論是電性能還是可靠性，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的測(cè)試項(xiàng)最多。在性能測(cè)試方面，DOE/ ID-11069比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的測(cè)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(cè)試、熱管理載荷及結(jié)合壽命驗(yàn)證的系統(tǒng)水平測(cè)試等。

在標(biāo)準(zhǔn)的附錄中詳細(xì)介紹了電性能測(cè)試結(jié)果的分析方法，其中，HPPC 測(cè)試可用于檢測(cè)動(dòng)力電池的峰值功率，由此衍生的直流內(nèi)阻測(cè)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(cè)試項(xiàng)有: 非平衡電池組充電、耐壓、絕緣、連續(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(duì)電池組零部件的基本安全測(cè)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。SAE J2929提出要對(duì)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(shí)別故障的改進(jìn)措施。

ISO 12405系列標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)包含電池的性能和安全兩方面，ISO 12405-1是針對(duì)高功率應(yīng)用的電池性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，ISO 12405-2是針對(duì)高能量應(yīng)用的電池性能測(cè)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/T 31467系列結(jié)合了我國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)ISO 12405系列標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容修改而得。

與其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是: SAE J 2929與 ECE R100. 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(guó)的相關(guān)測(cè)試項(xiàng)在GB/T 18384中，GB/T 31467. 3中指出電池包和電池系統(tǒng)在進(jìn)行安全測(cè)試之前要滿足GB/T 18384. 1和GB/T 18384. 3的相關(guān)要求。

3 嚴(yán)格程度

對(duì)于相同的測(cè)試項(xiàng)，不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試方法和判定準(zhǔn)則也不盡相同。例如對(duì)于測(cè)試樣品的荷電狀態(tài)( SOC) ，GB/T 31467. 3中要求樣品為滿電態(tài); ISO 12405中要求功率型電池SOC為50% ，能量型電池SOC為100% ; ECE R100. 2要求電池的SOC在50%以上; UN38. 3對(duì)于不同的測(cè)試項(xiàng)有不同的要求，某些測(cè)試項(xiàng)還需要循環(huán)過(guò)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(cè)試，相對(duì)更嚴(yán)格。對(duì)于振動(dòng)測(cè)試，ISO 12405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(méi)有此項(xiàng)要求。

對(duì)于火燒試驗(yàn)， GB/T 31467. 3中的實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)設(shè)置與 ISO 12405. 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/T 31467. 3要求樣品若有火苗必須在2 min內(nèi)熄滅，ISO 12405則沒(méi)有要求火苗熄滅的時(shí)間，SAE J2929中的火燒試驗(yàn)與前兩者不同，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10 min，并且不得有任何組件或物質(zhì)穿過(guò)置于測(cè)試樣品外部的金屬網(wǎng)罩。

四、現(xiàn)有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的不足

雖然相關(guān)國(guó)標(biāo)的制定和發(fā)布填補(bǔ)了我國(guó)在動(dòng)力鋰離子電池組合系統(tǒng)方面的空白，并被廣泛采用，但仍有不足。

測(cè)試對(duì)象方面: 所有的標(biāo)準(zhǔn)都只規(guī)定了新電池的測(cè)試，對(duì)使用過(guò)的電池沒(méi)有相關(guān)規(guī)定和要求，電池在出廠時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，不代表使用一段時(shí)間后仍然安全，因此有必要對(duì)使用不同時(shí)間的電池進(jìn)行同樣的測(cè)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(wú)泄露、無(wú)外殼破裂、不起火和不爆炸的規(guī)定，缺少可量化的評(píng)判體系。歐洲汽車研究與技術(shù)發(fā)展委員會(huì)( EUCAR) 將電池的危害程度劃分成8個(gè)等級(jí)，具有一定的借鑒意義。

測(cè)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(cè)試內(nèi)容，而熱安全性能對(duì)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)施也說(shuō)明了這一點(diǎn)。另外，從整車應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，對(duì)于非破壞性的可靠性測(cè)試，如環(huán)境可靠性，在試驗(yàn)結(jié)束之后有必要增加電性能測(cè)試，模擬車輛在經(jīng)歷了環(huán)境變化后，性能受到的影響。

測(cè)試方法方面: 電池包和電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命測(cè)試耗時(shí)太長(zhǎng)，影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，難以很好地執(zhí)行，如何開(kāi)發(fā)合理的加速循環(huán)壽命測(cè)試是個(gè)難點(diǎn)。

五、總結(jié)

近年來(lái)，我國(guó)在動(dòng)力鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用方面已取得了很大的進(jìn)步，但與國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距。除了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以外，我國(guó)鋰離子電池在其他方面的標(biāo)準(zhǔn)體系也在逐漸完善。2016年11月9日，工信部在發(fā)布了《鋰離子電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系》，指出未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)體系包括基礎(chǔ)通用、材料與部件、設(shè)計(jì)與制造過(guò)程、制造與檢測(cè)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)力電池產(chǎn)品的更新和發(fā)展，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也需要提升相應(yīng)的驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)動(dòng)力電池的安全性水平。