電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池的非正常工作試驗和要求

常薇芬，忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200233）

引言

裝車使用的鋰離子電池，無論是能量（BEV）型應(yīng)用，還是功率（HEV）型應(yīng)用，安全性無疑是首要前提。著火和爆炸等安全性要素集中體現(xiàn)在電池芯元件上。電池組和系統(tǒng)是在電池芯的基礎(chǔ)上集成控制和裝車應(yīng)用的特定試驗。如果電池芯、組和系統(tǒng)，在一般性能條件下能夠安全運行，對于裝車使用還是不夠的。當(dāng)某個元件較早出現(xiàn)故障，或由外因?qū)е码姵靥幱跔顟B(tài)時，電池能夠承受或還能保證車輛行駛、人員或車輛的安全。非正常工作（濫用）也可稱為故障條件。

鋰離子電池在非正常工作（濫用）過程中，環(huán)境溫度和電化學(xué)反應(yīng)推升溫度是造成電池體內(nèi)壓力提高的條件。機械（力學(xué)）試驗通過劣化工作條件；或原有結(jié)構(gòu)被破壞，造成電池內(nèi)部故障。

著火是在高壓擠壓下產(chǎn)生的高溫，達(dá)到輕金屬、可能存在的氣態(tài)可燃物或封裝材料的燃點，泄漏后接觸氧氣而引發(fā)燃燒。引發(fā)燃燒的氣體快速積聚相對導(dǎo)致爆炸要輕一點，但引發(fā)次生災(zāi)害的后果也非常嚴(yán)重。爆炸也可能會伴有著火現(xiàn)象。

表2給出了鋰離子電池非正常工作（濫用）試驗可能出現(xiàn)的狀態(tài)。所列8種結(jié)果狀態(tài)也作為本試驗隊試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)描述，也適用于性能試驗、氣候或力學(xué)試驗結(jié)果的描述。

1 電池芯試驗的一般規(guī)定

1.1 電池芯的溫度測量

溫度變化可以直觀地體現(xiàn)電池芯體的工作狀態(tài)。IEC 62660給出了電池芯溫度測量的要求。適用于標(biāo)準(zhǔn)系內(nèi)所有有關(guān)電池芯溫度的測量。圖1是溫度測量的示例，規(guī)定了溫度測量的位置要求。

電池芯溫度應(yīng)采用符合規(guī)定校準(zhǔn)準(zhǔn)確的表面溫度測量儀器進(jìn)行。溫度測量的位置應(yīng)盡量反映電池芯的真實溫度。如有必要，可以適當(dāng)?shù)卦黾訙y量點。溫度測量在組合了儀器、測量方法和所有試驗中產(chǎn)生的誤差因素后的誤差為±2 K。

1.2 電池芯的預(yù)處理

IEC 62660給出了電池芯預(yù)處理的要求。根據(jù)試驗的性質(zhì)可能有所增加或偏離。

1)試驗溫度 除非另有規(guī)定，在每個試驗前，電池芯至少應(yīng)經(jīng)過12h的溫度穩(wěn)定。如果溫度已經(jīng)穩(wěn)定，可以減少這段時間。如果電池芯溫度1h的變化小于1K，可以認(rèn)為溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定；除非另有規(guī)定，電池芯應(yīng)在室溫條件下按供應(yīng)商的方法進(jìn)行試驗。

圖1 電池芯溫度測量示例

表1 放電條件

2)SOC調(diào)整

步驟1：電池芯按以下要求充電：電池芯應(yīng)在試驗前進(jìn)行電性能測量；預(yù)充電，電池芯應(yīng)在室溫下用表1中規(guī)定值恒流放電到供應(yīng)商規(guī)定的放電截止電壓。然后，將電池芯在室溫條件下按供應(yīng)商公示的方法充電至規(guī)定值。

步驟2：電池芯按1)存放室溫下；

步驟3：電池芯按表1，BEV應(yīng)用按1/3 lt放電；HEV應(yīng)用按1 lt放電。

1.3 電池芯參考試驗電流

電池芯試驗中采用的參考試驗電流 It的關(guān)系如下：It(A)= Cn(Ah)/ 1 (h)。其中：Cn為電池芯的額定容量；n 是時間基數(shù)（小時）。

1.4 電池芯非正常工作（濫用）試驗結(jié)果描述

試驗后，應(yīng)將下列試驗要素作為試驗結(jié)果記錄在報告中：試驗中電池芯的電壓、電流和溫度。試驗前和試驗后，電池芯的狀態(tài)，并用表2中的規(guī)范詞進(jìn)行描述。在試驗結(jié)果的描述中還可以包括相關(guān)的材料，如照片等。

2 電池芯 非正常工作（濫用）試驗

2.1 電池芯外部短路試驗

用于檢驗電池芯在外部短路條件下的特性，過程如下：

1)按2.2 要求，電池芯調(diào)整SOC到100%；

2)將上述a)狀態(tài)的電池芯在室溫條件放置，然后，將正極端與負(fù)極端用外部電阻將其短路，10min。供需雙方如無無異議，外部短路體的總電阻應(yīng)等于或小于5mΩ；

表2 電池芯試驗結(jié)果描述

3)電壓和電流的采樣率應(yīng)≤ 10 ms；

4)如果測量精度與IEC62660給出的要求存在偏離，應(yīng)將偏離記錄在報告中。

2.2 電池芯過充電試驗

用于檢驗電池芯在過充電條件下的特性，試驗過程如下：

1)按2.2 要求，電池芯調(diào)整SOC到100%；

2)在室溫條件下，BEV應(yīng)用用1lt，HEV應(yīng)用用5lt電流，容量足夠的供電電源用恒定電流連續(xù)地向受試電池芯沖電，直到超過100%SOC。過充電試驗應(yīng)延續(xù)到電池芯電壓達(dá)到2倍于生產(chǎn)商規(guī)定的電壓，或相當(dāng)達(dá)到受試電池芯200 % SOC實用電量。

2.3 電池芯強制放電試驗

用于檢驗電池芯在強制放電條件下的特性，試驗對已充分放電的電池芯樣品，用1 ItA放電90 min。

3 電池芯碾壓試驗

本試驗是用可能受到的外力，檢查電池芯的響應(yīng)特性，試驗過程如下：

1)BEV應(yīng)用的電池芯按按2.2 要求，調(diào)整SOC至100%；HEV應(yīng)用應(yīng)調(diào)整SOC至80%。

2)將電池芯應(yīng)放置在絕緣的平面上，用規(guī)定150 mm直徑的半圓棒，或半球形，或球形工具進(jìn)行碾壓。圖2推薦了用半圓棒碾壓圓型電池芯；用半球形工具碾壓方型電池芯。試驗的力應(yīng)施加在與電池芯正極或負(fù)極垂直的表面上。適用的工具選擇，應(yīng)能夠使電池芯的變形隨施加力的增加而增大。

圖2 碾壓試驗示例

3)力的釋放應(yīng)導(dǎo)致電池芯電壓有1/3的跌落，或15%的變形，或大于電池芯的原始尺寸，或施加電池芯質(zhì)量1000倍的力。電池芯保持試驗狀態(tài)24h，或從試驗上升達(dá)到的最高溫度后下降20%，選取其中的一種方法。

4)按表2描述試驗結(jié)果，并增加專用試驗工具的形狀和試驗工具的速度要素。

4 電池組/系統(tǒng)非正常工作（濫用）試驗的一般規(guī)定

4.1 充電狀態(tài)

除非另有規(guī)定，高能量電池組或電池系統(tǒng)可能考慮在充電到低于100% SOC，非正常工作（濫用）試驗應(yīng)該進(jìn)行100%SOC。

4.2 試驗條件

除非另有規(guī)定，應(yīng)采用下列條件：試驗在室溫(RT)條件下進(jìn)行；受試電池組/系統(tǒng)(DUT)應(yīng)在正常運行溫度；如果電池系統(tǒng)包括控制端系統(tǒng)，應(yīng)啟用；如果運行時有必要用致冷裝置，應(yīng)啟用。

4.3 試驗持續(xù)

在試驗結(jié)束之后，觀察DUT至少1小時，并持續(xù)到DUT的溫度低于50 ℃或感覺到適合用手把握。

5 電池組/系統(tǒng) 電性能非正常工作（濫用）試驗

5.1 短路保護(hù)

斷路保護(hù)試驗的目的是檢查過電流保護(hù)裝置。該裝置是用于保護(hù)DUT免受更大電流的傷害。

5.1.1 試驗程序

—— 在室溫條件下進(jìn)行本試驗，滿充并處于正常工作狀態(tài)（連接接觸器閉合，電池系統(tǒng)在BUC控制下）。用(20 +0/-10)mΩ 進(jìn)行“硬短路”，每10min至少1s，被動的或非被動的短路保護(hù)裝置在試驗中應(yīng)該有效運作?；蛘撸钡匠霈F(xiàn)另一種狀態(tài)（如，元件溶化）而終止試驗。

—— DUT在上述短路之后，連續(xù)觀察DUT運行至少2小時。

試驗中DUT的功能應(yīng)該按設(shè)計充分運行。對于電池組，短路電流應(yīng)被過電流保護(hù)裝置（如熔斷器）阻斷。對于電池系統(tǒng)，短路電流應(yīng)被過電流保護(hù)裝置（如熔斷器）和/或連接接觸器自動脫開。

——對DUT電流斷開和電路短路脈沖電流的電壓和電流數(shù)據(jù)取樣速率0.1ms應(yīng)該是適當(dāng)?shù)摹?/p>

5.1.2 要求 測量數(shù)據(jù)應(yīng)包括：對應(yīng)時間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗前和試驗后，測量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負(fù)極端間的絕緣電阻。

5.2 過充電保護(hù)

過充電保護(hù)試驗的目的是檢查過充電保護(hù)功能。該功能應(yīng)能中斷過充電電流，使防止DUT造成相關(guān)更嚴(yán)重的事件。

5.2.1 試驗程序 DUT在室溫下，滿充并處正常運行條件，致冷系統(tǒng)運行（供電連接閉合，電池系統(tǒng)由BCU控制）。在試驗過程中，被動電流防護(hù)裝置應(yīng)運作。主動充電控制應(yīng)被斷開或失能。

——DUT應(yīng)在按供應(yīng)商和用戶協(xié)議的恒定比率電流下充電。推薦用2C恒流充電；

——供電電壓上限設(shè)置應(yīng)不超過電池系統(tǒng)最大電壓的20%；

——DUT充電過程應(yīng)持續(xù)到供電連接自動斷開；

——如果SOC值超過130%或電池芯的溫度超過55℃，過充電試驗應(yīng)被終止。

獲得/監(jiān)視數(shù)據(jù)應(yīng)延續(xù)到充電停止后的1h。試驗中，DUT的設(shè)計功能應(yīng)完整。為了防止DUT應(yīng)過充電引起更嚴(yán)重的后果，電池控制單元（BCU）應(yīng)能使供電連接器自動斷開，中斷過充電電流。

對DUT的電壓和電流數(shù)據(jù)要有適當(dāng)?shù)拿芏?，對電流斷開功能的數(shù)據(jù)取樣速率，100ms是合適的。

5.2.2 要求 測量數(shù)據(jù)應(yīng)包括：對應(yīng)時間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗前和試驗后，測量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負(fù)極端間的絕緣電阻。

5.3 過放電保護(hù)

過放電保護(hù)試驗的目的是檢查過放電保護(hù)功能。該功能應(yīng)能中斷過放電電流，使防止DUT造成相關(guān)更嚴(yán)重的事件。

5.3.1 試驗程序 DUT在室溫下，滿充，并處正常運行條件，致冷系統(tǒng)運行（供電連接閉合，電池系統(tǒng)由BCU控制）。本試驗應(yīng)是完整的，被動電流防護(hù)裝置運作。主動充電控制應(yīng)被斷開或失能。

——進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)放電。如果達(dá)到正常放電限制，繼續(xù)維持C/3放電；

——DUT放電過程應(yīng)持續(xù)到供電連接自動斷開；

——如果到正常電壓值25%或超過DUT的放電極限的時間限制30min后，應(yīng)手動結(jié)束放電試驗；

正常電壓值是供應(yīng)商以電池系統(tǒng)推薦運行電壓給出的值。電壓取決于電化學(xué)特性、電池芯的數(shù)量和電池芯的排列。

獲得/監(jiān)視數(shù)據(jù)應(yīng)延續(xù)到放電停止后的1h。試驗中，DUT的設(shè)計功能應(yīng)完整。為了防止DUT應(yīng)過放電引起更嚴(yán)重的后果，BCU應(yīng)能使供電連接器自動斷開，中斷過放電電流。

對DUT正常放電限制和超限的電壓和電流數(shù)據(jù)要有適當(dāng)?shù)拿芏?，對電流斷開功能的數(shù)據(jù)取樣速率，100ms是合適的。

5.3.2 要求 測量數(shù)據(jù)應(yīng)包括：對應(yīng)時間功能，DUT電壓、電流和溫度；試驗前和試驗后，測量DUT外殼-正極端和DUT外殼-負(fù)極端間的絕緣電阻。

6 綜述

1)基于電池芯的非正常工作（濫用）試驗，電池組的非正常工作（濫用）試驗檢出主要是由于電池芯在通過串聯(lián)并聯(lián)，因每個電池芯的電壓特性、內(nèi)阻存在的差異產(chǎn)生個別電池芯工作條件早期劣化；或因個別電池芯性能降低或失效，而引發(fā)電池組/系統(tǒng)的非正常工狀態(tài)。此外，電池系統(tǒng)的控制單元（BCU）和電池芯級聯(lián)的芯間平衡電路的可靠性問題，也可引發(fā)電池組的工作條件異常，進(jìn)而引發(fā)電池組/系統(tǒng)的非正常工作（濫用）狀態(tài)。因此，由符合電池芯組裝成的電池組/系統(tǒng)，也要進(jìn)行相應(yīng)的非正常工作（濫用）試驗。

2)由于裝車條件的特殊環(huán)境、行車可能產(chǎn)生的事故，由整車有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；電池組/系統(tǒng)管理功能的電子元件或單元，因電磁輻射或兼容性產(chǎn)生的非正常工作（濫用），繼而導(dǎo)致的安全性問題，則由相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

3)在電池芯外部短路試驗中，電池芯用5 mΩ短路裝置進(jìn)行，短路試驗需持續(xù)10min，其間對電壓和電流的采樣約100次。由于電池芯沒有限流斷路保護(hù)，考核的是電池芯的承受能力。首先應(yīng)采用相應(yīng)的專用裝置或設(shè)備；對實驗設(shè)備和人員有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)；每次試驗的前后都應(yīng)確認(rèn)5 mΩ短路裝置符合要求。

4)用20 mΩ 對電池系統(tǒng)進(jìn)行“硬短路”，每10min至少1s的短路保護(hù)試驗，是考慮到電池系統(tǒng)的短路保護(hù)在1s內(nèi)應(yīng)實現(xiàn)保護(hù)功能。在試驗預(yù)案中應(yīng)考慮到保護(hù)功能未能實現(xiàn)的可能，仍應(yīng)在1s后斷開；也應(yīng)對失去保護(hù)電池可能出現(xiàn)的狀態(tài)有所顧忌?！坝捕搪贰痹囼瀾?yīng)通過專用設(shè)備或經(jīng)確認(rèn)的裝置來完成，切勿直接在電池樁極上進(jìn)行人工操作。試驗的前后都應(yīng)確認(rèn)20 mΩ短路裝置符合要求。

5)非正常工作（濫用）試驗過程應(yīng)考慮表2的狀況。應(yīng)此，所有的試驗工作過程都應(yīng)建立適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，包括對人員的防護(hù)和對設(shè)備的防護(hù)。

6)本試驗不是安全性試驗。電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池組和系統(tǒng)的安全性試驗和要求的ISO標(biāo)準(zhǔn)尚處在NP階段。運輸安全性試驗，可以參考聯(lián)合國危險貨物運輸建議書（UN 38.3部分）等文獻(xiàn)。

7)表2列出的8種狀態(tài)的嚴(yán)重程度是漸進(jìn)的。在狀態(tài)漸進(jìn)的過程中通常伴隨著溫度升高。因此，在本試驗的實際操作中不僅應(yīng)遵照文本的要求測量并記錄DUT的溫度；足夠密集溫度數(shù)據(jù)將有助于試驗的分析和預(yù)估。

8)關(guān)于試驗的判據(jù) 本試驗項目均未設(shè)置合格判據(jù)。即使按標(biāo)準(zhǔn)要求，符合試驗項目的條件，也應(yīng)由試驗過程記錄和試驗前、試驗中和后的樣品具體狀態(tài)描述進(jìn)行報告。因此，要十分注意試驗過程的信息采集完整和試驗記錄的飽滿。

[1] 盧兆明.道路車輛 電氣及電子裝備的環(huán)境試驗和要求[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新編著.鋰離子電池[M].湖南：中南大學(xué)出版社，2002.

[3] 盧兆明，張紅，忻龍，王沈敏.電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池的試驗和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011(3)：51-56.

[4] 盧兆明，王沈敏，史曉雯.電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池系統(tǒng)機械環(huán)境試驗和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011(5)：54-60.

[5] 忻龍，張紅，盧兆明.電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池系統(tǒng)壽命循環(huán)試驗和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2012(4)：5-10.

[6] ISO/DIS 12405 Electrically propelled road vehicles — Test specif i cation for lithium-Ion traction battery systems[S].

[7] IEC 62660 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles[S].