鋰離子電池國家標(biāo)準(zhǔn)GB31241與UN 38.3的比較

楊 強(qiáng)，李 茜

(中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028)

·討 論 會(huì)·

鋰離子電池國家標(biāo)準(zhǔn)GB31241與UN 38.3的比較

楊 強(qiáng)，李 茜

(中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028)

對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》與UN 38.3的測試方法進(jìn)行比較，討論兩種方法在試驗(yàn)條件、樣品數(shù)目上的差異。GB 31241通過電池、電池組和保護(hù)電路的全面測試，保證鋰離子電池的安全，但與UN 38.3在樣品數(shù)量、某些項(xiàng)目的具體試驗(yàn)條件等方面有差異。

GB 31241； UN 38.3； 鋰離子電池； 運(yùn)輸； 標(biāo)準(zhǔn)； 安全

鋰離子電池在使用過程中有可能會(huì)發(fā)生起火、爆炸等問題，引起了人們對(duì)鋰離子電池使用安全的關(guān)注。

GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》[1]于2014年12月5日發(fā)布，并于2015年8月1日開始正式實(shí)施。鋰離子電池的運(yùn)輸安全也一直是運(yùn)輸管理部門的關(guān)注重點(diǎn)。從1995年開始，鋰金屬電池和鋰離子電池就陸續(xù)被列入了聯(lián)合國危險(xiǎn)貨物名錄中，運(yùn)輸時(shí)需要滿足相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)和包裝要求，聯(lián)合國《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書——規(guī)章范本》明確規(guī)定，每只電池或電池組都應(yīng)該通過《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書——試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》第三部分38.3節(jié)的測試(以下簡稱UN 38.3)[2]。

GB 31241重點(diǎn)關(guān)注不超過18 kg電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組的安全要求[3]，在制訂過程中參考了國內(nèi)外的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC標(biāo)準(zhǔn)等[4]。運(yùn)輸行業(yè)，特別是對(duì)安全要求較高的空運(yùn)、海運(yùn)行業(yè)，目前仍依據(jù)聯(lián)合國《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書——試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》中的UN 38.3試驗(yàn)方法來操作鋰離子電池的運(yùn)輸[5]。UN 38.3是針對(duì)鋰離子電池運(yùn)輸?shù)臏y試方法，目的是為了保證鋰離子電池的運(yùn)輸安全。我國民航部門以UN 38.3為基礎(chǔ)，制訂并頒布了民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 1052-2013《航空運(yùn)輸鋰電池測試規(guī)范》[6]，指導(dǎo)鋰離子電池的航空運(yùn)輸。

在以往的鋰離子電池測試中，UN 38.3是使用最為廣泛的測試方法之一。有研究發(fā)現(xiàn)，UN 38.3測試中的溫度循環(huán)、外部短路、重物沖擊或擠壓、過度充電和強(qiáng)制放電等5個(gè)項(xiàng)目，未通過的幾率較高[7]，GB 31241-2014正式實(shí)施后，與UN 38.3測試項(xiàng)目，尤其是這些關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目上的異同，成為電池企業(yè)和運(yùn)輸部門關(guān)心的問題。

本文作者全面對(duì)比了GB 31241和UN 38.3這兩種測試方法，從鋰離子電池運(yùn)輸安全的角度考查了這兩個(gè)方法的區(qū)別，以便為電池企業(yè)和運(yùn)輸部門提供參考。

1 GB 31241與UN 38.3介紹

GB 31241將所有的測試內(nèi)容分成了6項(xiàng)。電池和電池組都需要滿足試驗(yàn)條件、一般安全要求、環(huán)境試驗(yàn)和電安全試驗(yàn)的要求；對(duì)于自身帶保護(hù)電路的電池組，還需要進(jìn)行電池組保護(hù)電路安全試驗(yàn)；對(duì)于自身不帶保護(hù)電路，但在充電器或供電的電子產(chǎn)品中帶有保護(hù)電路的電池或電池組，則需要進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)電路安全試驗(yàn)。此外，標(biāo)準(zhǔn)還提出了電池一致性的一般要求，并正在考慮提出試驗(yàn)要求。標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)條件的條款對(duì)電池樣品容量測試和樣品預(yù)處理提出了要求。一般安全要求條款規(guī)定了廠商提供的標(biāo)簽、說明書等材料中應(yīng)包含的安全工作參數(shù)，依據(jù)國標(biāo)的要求，將對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行檢查和試驗(yàn)。考慮到電池和電池組的不同，除了某些項(xiàng)目的具體試驗(yàn)條件有所不同外，電池只需要完成9項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和4項(xiàng)電安全試驗(yàn)；而電池組需要完成9項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和7項(xiàng)電安全試驗(yàn)。

UN 38.3總共包括5項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和3項(xiàng)電安全試驗(yàn)，共8個(gè)測試項(xiàng)目。電池和電池組需要完成其中相同的4項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和1項(xiàng)電安全試驗(yàn)。此外，電池還需要完成1項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和1項(xiàng)電安全試驗(yàn)，電池組則需要增加1項(xiàng)電安全試驗(yàn)。UN 38.3也為每個(gè)測試項(xiàng)目提出了試驗(yàn)條件，明確了對(duì)電池和電池組的充放電次數(shù)和荷電狀態(tài)的要求。

表1 GB 31241-2014和UN 38.3測試項(xiàng)目總結(jié)

2 GB 31241與UN 38.3比較

2.1 高度模擬

為了模擬運(yùn)輸中可能出現(xiàn)的低氣壓條件，GB 31241設(shè)置了低氣壓試驗(yàn)，UN 38.3設(shè)置了高度模擬試驗(yàn)。兩項(xiàng)試驗(yàn)均是將電池或電池組放置在壓強(qiáng)為16.5 kPa、溫度為20±5 ℃的真空箱中6 h，并觀察電池和電池組有無起火、爆炸及漏液等現(xiàn)象。此外，UN 38.3還要求在試驗(yàn)后測試電池或電池組的開路電壓，且壓降不得超過10%。

2.2 溫度試驗(yàn)

溫度試驗(yàn)用來考查電池和電池組的密封完善性和內(nèi)部電連接。在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，GB 31241和UN 38.3都要求鋰離子電池和電池組在-40～75 ℃循環(huán)10次，對(duì)應(yīng)小電池來說，都需要在最高和最低溫度分別保持6 h。此外，GB 31241還要求電池完成熱濫用試驗(yàn)，電池組完成高溫使用試驗(yàn)。熱濫用試驗(yàn)要求電池在130±2 ℃的溫度條件下保持30 min；電池組的高溫使用試驗(yàn)則需要電池組在至少為80 ℃的環(huán)境下保持至少7 h。GB 31241增加的這兩項(xiàng)試驗(yàn)，是考慮到實(shí)際中有可能發(fā)生的高溫使用情況。對(duì)于高溫條件來說，這兩項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)置的溫度要求比UN 38.3更為嚴(yán)格，不過，這兩項(xiàng)試驗(yàn)都未考慮低溫使用的情況。

2.3 振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)試驗(yàn)是模擬運(yùn)輸過程中發(fā)生的振動(dòng)，以考查電池的安全性。UN 38.3和GB 31241的振動(dòng)試驗(yàn)條件一致，都是利用正弦波形的振動(dòng)測試方法，在3個(gè)互相垂直的方向上進(jìn)行測試，振動(dòng)頻率在7～200 Hz之間擺動(dòng)，在每個(gè)方向進(jìn)行12次循環(huán)振動(dòng)，每次循環(huán)為時(shí)15 min，每個(gè)方向共計(jì)3 h。在GB 31241中，圓柱形和扣式電池只需完成軸向和徑向兩個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)即可，不需要再進(jìn)行第3個(gè)方向的試驗(yàn)。

2.4 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)用來模擬運(yùn)輸過程中，電池有可能發(fā)生的撞擊。GB 31241和UN 38.3都是通過半正弦脈沖沖擊的方法來進(jìn)行試驗(yàn)。兩種方法中脈沖沖擊的峰值加速度均為150 gn，持續(xù)時(shí)間均為6 ms；但UN 38.3將大型電池和電池組的沖擊峰值加速度降低至50 gn，持續(xù)時(shí)間延長到11 ms。在UN 38.3中，所有的電池和電池組均需在3個(gè)垂直方位的正反方向各沖擊3次，總共經(jīng)受18次沖擊；在GB 31241中，圓柱形和扣式電池只需要在軸向和徑向兩個(gè)方向上各進(jìn)行3次沖擊，減少了沖擊次數(shù)，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。

2.5 外部短路

UN 38.3對(duì)電池和電池組都設(shè)置了高溫外部短路試驗(yàn)，都要求在55±2 ℃的溫度下經(jīng)受總外電阻小于0.1 Ω的短路條件，并在此溫度下保持至少1 h，在試驗(yàn)過程中，外殼溫度不得超過170 ℃。GB 31241要求電池進(jìn)行高溫和常溫外部短路兩項(xiàng)試驗(yàn)，高溫外部短路的試驗(yàn)條件與UN 38.3接近，但要求電池表面溫度回到55±2 ℃后，繼續(xù)保持30 min，判斷標(biāo)準(zhǔn)也降為最高溫度不得超過150 ℃。在常溫外部短路試驗(yàn)中，將溫度設(shè)定為20±5 ℃，其他要求與高溫外部短路一致。對(duì)于電池組，GB 31241只要求進(jìn)行短路試驗(yàn)，溫度應(yīng)為20±5 ℃。不過該試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的判斷中沒有對(duì)溫度的要求。從試驗(yàn)條件上來看，GB 31241對(duì)于電池的要求更嚴(yán)格，但對(duì)電池組而言，UN38.3的測試條件更嚴(yán)格。

2.6 撞擊試驗(yàn)

UN 38.3要求所有的電池和電池組都要完成撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)過程是：將一根直徑為15.8 mm的不銹鋼橫棒放在試樣中心，將一塊質(zhì)量為9.1 kg的重錘從61±2.5 cm的高處落到試樣上，整個(gè)試驗(yàn)要求電池和電池組的外部溫度不得超過170 ℃，在6 h內(nèi)不能解體或燃燒。GB 31241要求所有電池都要完成跌落、擠壓和重物沖擊等3項(xiàng)試驗(yàn)，電池組則只需完成跌落試驗(yàn)。GB 31241的撞擊試驗(yàn)與UN 38.3的條件一致，但未提出外部溫度的要求。GB 31241的擠壓試驗(yàn)是將13.00±0.78 kN的力，加載在兩個(gè)平板間。GB 31241要求的跌落試驗(yàn)是將滿電態(tài)電池或電池組從1.0 m或1.5 m的高度自由落體，跌落于混凝土板上，并要求在試驗(yàn)過后進(jìn)行一次充放電循環(huán)。

2.7 過充電

過充電試驗(yàn)是為了評(píng)估電池組承受過充電狀況的能力。UN 38.3的過充電試驗(yàn)只要求電池組進(jìn)行；GB 31241不但要求電池組進(jìn)行過壓充電和過流充電試驗(yàn)，還要求電池進(jìn)行過充電試驗(yàn)。UN 38.3和GB 31241設(shè)置的過充電條件不同。GB 3241規(guī)定的過充條件是將充電電流增加到最大連續(xù)充電電流的兩倍，持續(xù)充電24 h，并且保證試驗(yàn)的最小電壓達(dá)到規(guī)定值。GB 31241中電池的過充試驗(yàn)是使用滿足條件要求的充電電流對(duì)電池進(jìn)行充電，然后維持規(guī)定的電壓進(jìn)行恒壓充電。電池組的過壓充電是電池組充滿后，保持該電壓并繼續(xù)以最大充電電流充電，過流充電是電池放完電后，以1.5倍的過流充電保護(hù)電流進(jìn)行恒流充電。GB 31241對(duì)于過充電設(shè)置的試驗(yàn)內(nèi)容更多；而UN 38.3設(shè)置的試驗(yàn)時(shí)間更長。

2.8 強(qiáng)制放電

強(qiáng)制放電主要是考查電池和電池組承受強(qiáng)制放電狀況的能力。UN 38.3只要求電池進(jìn)行強(qiáng)制放電試驗(yàn)；GB 31241除了電池要進(jìn)行強(qiáng)制放電外，還要求電池組進(jìn)行欠壓放電試驗(yàn)。UN 38.3的強(qiáng)制放電是通過將電池串聯(lián)至12 V的直流電源，按照規(guī)定的放電電流和放電時(shí)間進(jìn)行強(qiáng)制放電。GB 31241設(shè)定的電池強(qiáng)制放電試驗(yàn)使用1CA電流反向充電90 min。此外，GB 31241還要求電池組進(jìn)行欠壓放電、過載和反向充電試驗(yàn)，以評(píng)估電池組的放電能力。欠壓放電是以最大放電電流恒流放電；過載是以1.5倍的過流放電保護(hù)電流恒流放電；反向充電是以推薦充電電流反向充電。從試驗(yàn)內(nèi)容上看，GB 31241設(shè)置的電池組的放電試驗(yàn)更多，以測試在不同的放電方式下電池組的安全性能。

3 GB 31241的其他試驗(yàn)

除了與UN 38.3相近的試驗(yàn)內(nèi)容，GB 31241還設(shè)置了其他一些試驗(yàn)，來保證電池和電池組的安全。在環(huán)境試驗(yàn)中，GB 31241對(duì)電池提出了燃燒噴射試驗(yàn)的要求，考查電池的燃燒或爆炸危險(xiǎn)性。對(duì)于電池組，GB 31241還提出了應(yīng)力消除、洗滌及阻燃的要求，這些要求從實(shí)際情況出發(fā)，保證了鋰離子電池的安全。

GB 31241對(duì)電池組的保護(hù)電路及系統(tǒng)保護(hù)電路也提出了測試要求，主要集中在電池組充放電、過載、短路情況下系統(tǒng)的保護(hù)和控制上。除了電池和電池組本身的安全性試驗(yàn)外，還通過保護(hù)電路來保護(hù)電池和電池組的安全。

4 GB 31241和UN 38.3樣品數(shù)目的比較

要完成所有的試驗(yàn)，UN 38.3和GB 31241在試驗(yàn)樣品數(shù)目上有所不同，GB 31241要求的樣品數(shù)量更少。全套的UN 38.3電池測試，共需要40只電池樣品，電池組測試共需要8個(gè)電池組樣品和20只組成電池芯樣品。完成GB 31241所要求的所有試驗(yàn)，總共需要27只電池樣品和33個(gè)電池組樣品。

5 結(jié)論

分析對(duì)比后，可以得出如下結(jié)論：

GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》設(shè)定了更多的測試項(xiàng)目，通過多方面的測試來考查鋰離子電池和電池組的安全；UN 38.3作為鋰離子電池運(yùn)輸?shù)耐ㄐ袠?biāo)準(zhǔn)，更側(cè)重于考查鋰離子電池的運(yùn)輸安全。

GB 31241與UN 38.3在大多數(shù)試驗(yàn)中要求的試驗(yàn)條件和判斷標(biāo)準(zhǔn)都比較一致，GB 31241對(duì)電池組保護(hù)電路和系統(tǒng)保護(hù)電路提出了安全測試要求。

GB 31241在試驗(yàn)樣品數(shù)量、一些項(xiàng)目的具體測試要求上和UN 38.3有所不同，尤其是在過度充電、強(qiáng)制放電等測試項(xiàng)目上，兩者的試驗(yàn)條件差別較大。

總體而言，GB 31241從電池、電池組和保護(hù)電路等多方面設(shè)置測試項(xiàng)目，考查鋰離子電池的安全性能，對(duì)提高鋰離子電池的使用安全和運(yùn)輸安全具有一定的積極作用，但在鋰離子電池進(jìn)行海運(yùn)和空運(yùn)時(shí)，仍要按UN 38.3的要求進(jìn)行測試，以保障運(yùn)輸安全。

[1] GB 31241-2014，便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S].

[2] 關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書——試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)(第5修訂版)[S].

[3] HE Peng-lin(何鵬林)，GUO Zi-qi(郭子綺)，SUN Jian-bo(孫建波). 鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)GB 31241-2014淺析[J]. China Standards Review(中國標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào))，2015(3)：26-29.

[4] HE Peng-lin(何鵬林)，WANG Li-wen(王黎雯). 《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》解析[J]. Information Technology & Standardization(信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化)，2015，(3)：37-40.

[5] CAI Chun-hao(蔡春皓)，DUAN Ji-yuan(段冀淵)，SHOU Xiao-li(壽曉立)，etal. 淺談現(xiàn)有鋰離子電池檢測標(biāo)準(zhǔn)[J]. Battery Bimonthly(電池)，2015，45(3)：121-123.

[6] MH/T 1052：2013，航空運(yùn)輸鋰電池測試規(guī)范[S].

[7] MO Liang-jun(莫梁君)，XU Zhi-qin(許志欽)，ZHANG Hai-juan(張海娟)，etal. 電池危險(xiǎn)品運(yùn)輸分類鑒定及安全風(fēng)險(xiǎn)[J]. Battery Bimonthly(電池)，2014，44(5)：277-230.

The comparison of Li-ion battery national standard GB31241 and UN 38.3

YANG Qiang，LI Qian

(ChinaAcademyofCivilAviationScienceandTechnology，Beijing100028，China)

National standard GB 31241-2014 Lithium ion cells and batteries used in portable electronic equipments - Safety requirements and UN 38.3 were compared in test requirements and sample numbers. In order to determine the safety of Li-ion battery，more tests for lithium cells，lithium batteries and protection circuits were set up in GB 31241 than in UN 38.4，but there were differences in the sample numbers and certain test conditions between GB 31241-2014 and UN 38.3.

GB 31241； UN 38.3； Li-ion battery； transport； standard； safety

楊 強(qiáng)(1977-)，男，四川人，中國民航科學(xué)技術(shù)研究院工程師，博士，研究方向：危險(xiǎn)品航空運(yùn)輸,本文聯(lián)系人；

TM912.9

A

1001-1579(2016)01-0046-03

2015-07-08

李 茜(1984-)，女，北京人，中國民航科學(xué)技術(shù)研究院工程師，碩士，研究方向：危險(xiǎn)品航空運(yùn)輸。