動(dòng)力鋰電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的研究及應(yīng)用

吳孟俊，韋中樂(lè)，程 亮，孫 瓊

(江森自控新能源電池研發(fā)(上海)有限公司，上海 201107)

為了改善日趨嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，在上世紀(jì)90年代，電動(dòng)汽車(chē)這一新興產(chǎn)業(yè)逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和推廣，目前已經(jīng)在市場(chǎng)上嶄露頭角。動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件之一，它的技術(shù)能否突破則直接影響了電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模使用與產(chǎn)業(yè)化。一直以來(lái)，由于動(dòng)力電池在功率性能、使用壽命、續(xù)駛里程以及一些安全方面的問(wèn)題，一定程度上制約了電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用與推廣。近年來(lái)，隨著鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的突破，并在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域得到應(yīng)用，這一局面開(kāi)始有了較大的改善。相對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸電池、氫鎳電池等而言，鋰離子動(dòng)力電池憑借其高比能量、高比功率以及使用壽命較長(zhǎng)等方面的優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多整車(chē)企業(yè)的認(rèn)同，使得以鋰離子動(dòng)力電池為驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始慢慢涌入市場(chǎng)。

在這一過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)組織、機(jī)構(gòu)開(kāi)始逐漸完善針對(duì)動(dòng)力電池的性能、可靠性以及安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，以符合實(shí)際應(yīng)用需求。為此，本文篩選了目前國(guó)內(nèi)外具有代表性的幾個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中包括 QCT743、ISO12405、IEC62660、SAEJ2929、UL2580。

本文首先簡(jiǎn)要描述了這些標(biāo)準(zhǔn)的歷史沿革，進(jìn)而對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容進(jìn)行介紹，然后對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試內(nèi)容和實(shí)際應(yīng)用等方面的異同點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，最后歸納總結(jié)了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的合理選擇。

1 標(biāo)準(zhǔn)的歷史沿革

1.1 QCT743的歷史沿革

近幾年，為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展需求，在參考美國(guó)、歐洲及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合國(guó)家“863”電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)力電池測(cè)試工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)于2006年制定了QC/T 743《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池》標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)主要是適用于鋰電池單體和鋰電池模塊的測(cè)試需求。截止目前，最新版的QC/T 743-2013[1]正在修訂中。相比于2006年的版本，除了對(duì)一些測(cè)試內(nèi)容的參數(shù)進(jìn)行了修訂外，更增加了針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命測(cè)試，進(jìn)一步完善了這一標(biāo)準(zhǔn)體系。另外值得注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)成為我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池的強(qiáng)制性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

1.2 ISO12405和IEC62660的歷史沿革

近年來(lái)，隨著新技術(shù)新化學(xué)體系的出現(xiàn)，比如鋰離子動(dòng)力電池，亟需制定相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范[3]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)化工作的兩大核心組織國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池制訂了相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[4]。其中IEC 主要負(fù)責(zé)鋰離子動(dòng)力電池單體和模塊的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) IEC 62660-1/-2/-3 的制訂，IEC62660-1[5]和IEC62660-2[6]已于2010年正式頒布實(shí)施，IEC62660-3 目前仍在制訂過(guò)程中。 ISO 則負(fù)責(zé)鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-1/-2/-3 的制訂，在2011年和2012年先后頒布了ISO12405-1[7]和ISO12405-2[8]并予以實(shí)施，ISO12405-3 也 于2013年正式頒布。

1.3 SAEJ2929的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著美國(guó)新能源項(xiàng)目的不斷發(fā)展，動(dòng)力電池在車(chē)輛行駛過(guò)程中的安全隱患問(wèn)題(如爆炸、起火等)得到了越來(lái)越多專(zhuān)業(yè)人士的關(guān)注。因此，在1999年，SAE 協(xié)會(huì)頒布了針對(duì)安全檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)SAE J2464，并在2009年對(duì)版本進(jìn)行了更新。該標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)電池單體、電池模塊以及電池系統(tǒng)在安全可靠性方面的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。到了2011年，SAE 協(xié)會(huì)在總結(jié)了之前的動(dòng)力電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及其他國(guó)際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，頒布了車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2929[9]。該標(biāo)準(zhǔn)援引了諸多成熟的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如 SAEJ2464，SAEJ2380，IEC60068 等，并一直沿用至今[4]。

1.4 UL2850歷史沿革

美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所(UL)是從事于安全檢測(cè)和鑒定服務(wù)的非政府機(jī)構(gòu)，在美國(guó)有著悠久的歷史和非常高的權(quán)威性與影響力。早在1985年，針對(duì)鋰電池單體的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)UL1642在美國(guó)正式頒布 (2012年已經(jīng)更新到第五版)。到1997年，在UL1642 的基礎(chǔ)上，美國(guó)UL 認(rèn)證機(jī)構(gòu)又針對(duì)電池模塊的安全濫用測(cè)試制訂了新的標(biāo)準(zhǔn)UL2054，并在2004年對(duì)其進(jìn)行了修訂。到了2010年，新的針對(duì)輕型電動(dòng)車(chē)用鋰電池系統(tǒng)安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)UL2271 頒布。隨著研究的進(jìn)一步深入，到了2011年10月，電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)UL2580[10]正式頒布實(shí)施。

2 標(biāo)準(zhǔn)具體內(nèi)容介紹

2.1 QCT/T743標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

QC/T743 作為我國(guó)國(guó)家規(guī)定的強(qiáng)檢項(xiàng)目之一，已經(jīng)得到了越來(lái)越多新能源汽車(chē)行業(yè)的重視，在最新的2014 修訂版中，它主要包括了動(dòng)力電池單體、模塊和整個(gè)電池系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容。在單體和模塊方面，除了常規(guī)檢測(cè)和電性能測(cè)試外，還有過(guò)充、過(guò)放、短路、加熱、跌落、針刺、擠壓等安全性方面的實(shí)驗(yàn)；而在電池系統(tǒng)方面，也增加了針對(duì)不同車(chē)型采用不同的路況的循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)，具體見(jiàn)表1。

表1 QC/T743 最新標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

2.2 ISO12405標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

根據(jù)1.2 所述，ISO12405-1 和ISO12405-2 分別著眼于高能量和高功率型電池的應(yīng)用，包括常規(guī)實(shí)驗(yàn)、性能實(shí)驗(yàn)、可靠性實(shí)驗(yàn)及濫用實(shí)驗(yàn)。另外，針對(duì)安全性方面需求的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)ISO12405-3 也于2013年正式頒布，具體見(jiàn)表2。

從表2的分析中，不難發(fā)現(xiàn)ISO12405-1 和ISO12405-2這兩個(gè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)從范圍上看基本相同，但從具體測(cè)試項(xiàng)目看，還是有所區(qū)別，主要體現(xiàn)在性能測(cè)試方面。對(duì)于高功率型的電池系統(tǒng)，需要對(duì)其高低溫啟動(dòng)功率進(jìn)行驗(yàn)證。相應(yīng)的對(duì)于高能量型電池來(lái)說(shuō)，它更加注重的是在快速充電過(guò)程中的能量效率問(wèn)題。ISO12405-3 則是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電池系統(tǒng)安全性能的測(cè)試，與 ISO12405-1 和 ISO12405-2 不同，ISO12405-3 除了短路、過(guò)充、過(guò)放實(shí)驗(yàn)外，還包括浸水、熱循環(huán)、起火實(shí)驗(yàn)、碰撞等，這一標(biāo)準(zhǔn)也在2013年正式頒布實(shí)施。

表2 ISO 12405 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

2.3 IEC62660標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

根據(jù)1.2 所述，IEC62660-1 主要是針對(duì)鋰電池性能測(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)，而IEC62660-2 主要是針對(duì)鋰電池可靠性和濫用方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。IEC62660-3 針對(duì)動(dòng)力電池安全方面的要求標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)在近期發(fā)布，具體見(jiàn)表3。

從表3分析中可以看出，從鋰電池單體的性能測(cè)試、可靠性和濫用測(cè)試方面，IEC62660 都對(duì)其做了非常詳細(xì)的描述，很具有代表性。為了能進(jìn)一步完善車(chē)用動(dòng)力鋰電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的IEC62660-3 仍在制訂中，預(yù)計(jì)也將會(huì)在近期頒布。另外，值得注意的是，在IEC62660-2 中的濫用測(cè)試并不以單純的通過(guò)與否作為判斷，而是引入了危險(xiǎn)等級(jí)的概念，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，定義不同的危險(xiǎn)等級(jí)。從0 到7 危險(xiǎn)等級(jí)逐漸提升，具體如表4所示。

2.4 SAEJ2929標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

在SAEJ2929 中，主要包括以下幾項(xiàng)安全測(cè)試內(nèi)容：短路、過(guò)充過(guò)放、濕度、機(jī)械振動(dòng)沖擊、跌落、熱沖擊、浸水、模擬車(chē)輛起火和電磁兼容性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)以上測(cè)試項(xiàng)目的分析，可以說(shuō)SAEJ2929 已基本上涉及了絕大部分的電池安全測(cè)試內(nèi)容，具體見(jiàn)表5。

表3 IEC62660 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

表4 動(dòng)力電池安全等級(jí)

表5 SAEJ2929 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

2.5 UL2580標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

UL2580 的測(cè)試內(nèi)容主要有電氣安全測(cè)試、機(jī)械安全測(cè)試、環(huán)境安全測(cè)試。作為動(dòng)力電池系統(tǒng)相關(guān)的安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，它跟2.4 節(jié)描述的SAEJ2929 標(biāo)準(zhǔn)相比，UL2580 標(biāo)準(zhǔn)除了涵蓋了幾乎所有SAEJ2929 所涉及到的安全方面的測(cè)試內(nèi)容外，還有額外的一些安全類(lèi)實(shí)驗(yàn)，例如不均衡充電、絕緣耐壓、旋轉(zhuǎn)、溫升、鹽霧及內(nèi)部起火等測(cè)試內(nèi)容，具體見(jiàn)表6。

表6 UL2580 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容介紹

3 標(biāo)準(zhǔn)的比較分析

通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外主要?jiǎng)恿﹄姵販y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的分析，可以看出每個(gè)組織協(xié)會(huì)制訂的標(biāo)準(zhǔn)都有很強(qiáng)的針對(duì)性，比如ISO12405、SAEJ2929 和UL2580 都是針對(duì)整個(gè)電池包和電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，IEC62660 是針對(duì)電池單體及電池模塊的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，QC/T743 最新版則包括了電池單體、電池模塊及電池系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容。從測(cè)試類(lèi)型上分析，新版QC/T743 包括常規(guī)實(shí)驗(yàn)、安全濫用實(shí)驗(yàn)及循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)；ISO12405 和IEC62660 包括了常規(guī)實(shí)驗(yàn)、性能實(shí)驗(yàn)、可靠性實(shí)驗(yàn)和安全濫用實(shí)驗(yàn)；SAEJ2929 和UL2580 主要都是針對(duì)安全濫用方面的測(cè)試內(nèi)容，包括電氣、機(jī)械和環(huán)境方面的測(cè)試，具體見(jiàn)表7。

表7 標(biāo)準(zhǔn)的比較分析

4 標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，除了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容本身需要熟悉外，更加重要的一點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)際測(cè)試對(duì)象及應(yīng)用環(huán)境的不同，選擇合適的參考標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)實(shí)驗(yàn)價(jià)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。

就電池單體測(cè)試而言，相比于IEC62660，作為國(guó)內(nèi)的強(qiáng)檢標(biāo)準(zhǔn)之一，QC/T743 更具有代表性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更容易被國(guó)內(nèi)整車(chē)廠所認(rèn)可。另外在最新版的QC/T743 中，又加入了電池系統(tǒng)循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這樣在驗(yàn)證電池單體的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步驗(yàn)證電池系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

就電池系統(tǒng)性能及可靠性測(cè)試等而言，ISO12405-1 和ISO12405-2 分別是針對(duì)高能量和高功率的電池系統(tǒng)應(yīng)用，非常具有代表性。

就電池系統(tǒng)安全類(lèi)測(cè)試而言，SAEJ2929 和UL2580 都是可供選擇的參考標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于SAEJ2929 來(lái)說(shuō)，UL2580 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試對(duì)象更廣泛，即UL2580 針對(duì)的電池不受其化學(xué)成分的限制，對(duì)鉛酸、鋰離子、氫鎳電池等都適用，而SAEJ2929 的測(cè)試對(duì)象則僅限于動(dòng)力鋰電池。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上看，通過(guò)表5和表6的分析，UL2580 涵蓋的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加廣泛。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要綜合考慮各種因素，比如項(xiàng)目預(yù)算、時(shí)間進(jìn)度、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等等，最終選擇一個(gè)最合適的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5 總結(jié)

QC/T743、ISO12405、IEC62660、SAEJ2929 及 UL2580 是目前國(guó)內(nèi)外頗具代表性的幾個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了從電池單體到電池系統(tǒng)各個(gè)層面的測(cè)試內(nèi)容，具備一定的參考價(jià)值，并普遍被整車(chē)廠所接受。本文對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的歷史發(fā)展作了簡(jiǎn)要的概述，并對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了比較分析，最后對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的選擇依據(jù)提出了自己的建議和看法?？傮w來(lái)看，除了常規(guī)的一些測(cè)試外，電動(dòng)車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池的性能測(cè)試、可靠性測(cè)試、安全濫用測(cè)試是目前最主要的三大測(cè)試方面。另外，如何針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況的不同而選擇合適的參考標(biāo)準(zhǔn)將對(duì)實(shí)驗(yàn)工作的順利開(kāi)展起到至關(guān)重要的作用。

[1]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QC/T743-2013：電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池[S].北京：國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2013.

[2]王益群，陳亮，白瑩杰，等.我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)情況[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2012(7)： 26-28.

[3]OMAR N, DAOWD M, OMAR H, et al.Standardization work for BEC and HEV applications： Critical appraisal of recent traction battery document[J].Engine,2012(5)：138-156.

[4]王宏偉，劉軍，肖海清，等.國(guó)內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析對(duì)比[J].電子元件與材料，2012,31(10)：83-86.

[5]International Electrotechnical Commission.IEC62660-1-2010： secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles-part 1：performance testing[S].Switzerland：International Electrotechnical Commision,2010.

[6]International Electrotechnical Commission.IEC62660-2-2010： secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles-part 1：reliability and abuse testing[S].Switzerland：International Electrotechnical Commision,2010.

[7]International Organization for Standardization.ISO 12405-1-2011：Electrically propelled road vehicles- Test Specification for lithiumion traction battery system- part 1： High power applications[S].Switzerland：International Organization Standardization,2011.

[8]International Organization for Standardization.ISO 12405-2-2012：Electrically propelled road vehicles- test specification for lithiumion traction battery system- part2： High energy applications[S].Switzerland：International Organization Standardization,2012.

[9]Society of Automotive Engineers.SAEJ2929-2011.Electric and hybrid vehicle propulsion battery system safety standard-lithium based rechargeable cells[S].US：International Surface Vehicle Standard,2011.

[10]Underwriter Laboratories Inc.UL2580-2011.Standards for batteries of use in Electric vehicles[S].US：UL Standard Designation,2011.