行車記錄儀鋰離子電池測試方法及研究

林健，楊凱

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002）

行車記錄儀鋰離子電池測試方法及研究

林健，楊凱

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002）

∶文章從實際使用環(huán)境及用戶使用習慣的角度，對行車記錄儀中的車載用鋰離子電池組的定義、國內(nèi)外標準狀況及環(huán)境試驗、電安全試驗等四個方面進行了研究探討。

∶鋰離子電池；鋰離子電池組；阻燃；爆炸

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.066

CLC NO.: TM912.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-196-04

前言

當今社會中，隨著經(jīng)濟的快速的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量得以大幅改善，私家車逐漸成為每個家庭不可缺少的交通工具。在人們安全交通意識普遍提高的基礎(chǔ)上，越來越多的私家車車主都會在自己的愛車安裝行車記錄儀。

可是市場上的行車記錄儀產(chǎn)品良莠不齊，私家車車主根本無法辨別哪些行車記錄儀產(chǎn)品是安全可靠的，現(xiàn)在大多數(shù)的行車記錄儀還都是鋰電池，更無法知道行車記錄儀中的鋰離子電池是否安全可靠。很多人都認為裝了行車記錄儀是安全可靠的，殊不知劣質(zhì)的行車記錄儀中的鋰離子電池可能會引起漏液、著火、爆炸等危險，進而對愛車造成不可估量的潛在危險，甚至危及人身安全。

下面，我們就從定義概述、國內(nèi)外標準研究狀況、主要測試的內(nèi)容及意義等三個方面來對行車記錄儀中的鋰離子電池逐一進行闡述。

1、定義概述

隨著消費類電子產(chǎn)品市場的持續(xù)火熱，鋰離子電池市場發(fā)展迅猛，不僅其應(yīng)用范圍和數(shù)量不斷擴大。鋰離子電池具有工作電壓高、能量大、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)、無公害等優(yōu)點，受到移動電子產(chǎn)品設(shè)備的青睞，成為行車記錄儀的主導(dǎo)電源。那什么是鋰離子電池呢？

鋰離子電池是指含有鋰離子的能夠直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。該裝置包括電極、隔膜、電解質(zhì)、容器和端子等，外殼采用鋼、鋁材料或鋁塑膜，并被設(shè)計成可充電。

鋰離子電池組是指由任意數(shù)量的鋰離子電池組合而成且準備使用的組合體，該組合體包括適當?shù)姆庋b材料、連接器,也可能含有電子控制裝置。即電池組由電池（或電池塊）、保護電路板、封裝材料等組成，還可能包括外殼，熱敏元件，PTC、熱熔斷體、導(dǎo)線、連接器等。行車記錄儀中的鋰離子電池即為鋰離子電池組，它一般由若干個鋰離子電池、保護電路和保護外殼組成。

2、國內(nèi)外標準研究狀況

作為新興能源，鋰離子電池市場發(fā)展迅猛，在電子市場上的份額越來越大。然而，不斷爆出的鋰電池安全事故，也使得人們越來越關(guān)注鋰電池的安全性。

2012年12月，國際電工委員會(IEC)正式發(fā)布了針對電池產(chǎn)品的國際安全標準IEC62133第二版本IEC 62133: 2012(ed2.0)。該標準規(guī)定了在預(yù)期使用和合理可預(yù)見的誤使用條件下，含堿性或非酸性電解液的單體蓄電池和電池組和便攜式密封單體蓄電池及電池組的安全要求（含鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等類型）。目前該標準已很成熟，大多數(shù)鋰離子電池的企業(yè)標準、各國國家標準的制定都是以該標準作為基礎(chǔ)標準。

早期，我國便在電子、通信、輕工、汽車、煤炭、民航等領(lǐng)域開展了鋰離子電池的標準制修訂工作，制定的鋰離子電池現(xiàn)行標準16項。其中，GB/T 28164-2011等同轉(zhuǎn)化自IEC 62133:2002，屬于推薦性標準。此外，我國自2008年其開始自主制定專門的鋰離子電池安全強制國家標準GB31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求》于2015年8月1號正式實施。該標準在積極參照國際標準的基礎(chǔ)上，充分考慮了鋰離子電池在選材、設(shè)計、生產(chǎn)、使用、運輸?shù)热珘勖芷谒媾R的各種應(yīng)力及安全因素，并依據(jù)鋰離子電池的安全問題具有自身的特殊性，綜合考慮了電池（芯）材料、保護電路、封裝材料、外界環(huán)境等各方面安全因素，制定了相關(guān)的安全要求和試驗方法。新國標實施前，國內(nèi)鋰離子電池企業(yè)大多以IEC62133、GB/T18287-2013作為測試方法依據(jù)。新國標實施后，國內(nèi)鋰離子電池企業(yè)便逐步以GB31241-2014作為測試方法依據(jù)。

3、主要測試的內(nèi)容及意義

根據(jù)行車記錄儀的使用環(huán)境及用戶使用可能出現(xiàn)的一些異常情況，可以從環(huán)境和電安全兩大方面對其鋰離子電池組進行考核。

3.1環(huán)境試驗

3.1.1低氣壓

我國地大物博，幅員遼闊，人口分布廣泛。汽車續(xù)程能力強，加之動力系統(tǒng)越來越先進，已然成為廣大家庭的出行交通工具首選。這就需要車載用鋰離子電池組應(yīng)能滿足在高海拔、低氣壓的環(huán)境中仍應(yīng)正常使用。因此，在考慮因地域因素的差異造成海拔氣壓環(huán)境的同時，我們模擬車載用鋰離子電池在此環(huán)境中試驗時應(yīng)仍能正常工作。即“將充滿電的鋰離子電池組放置于20℃±5 ℃的真空箱中，抽真空將箱內(nèi)壓強降低至11.6kPa，并保持6h。鋰離子電池組應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵1]如果該項目不合格，那對于我國高原地區(qū)的用戶來講，安裝這種鋰離子電池組的行車記錄儀就相當于一個擺設(shè)，一點用處都沒有。

3.1.2溫度循環(huán)

我國地域遼闊，每一個地區(qū)的環(huán)境可能都有所不同，有些地方晝夜溫差沒有多少差別，而有些地方晝夜溫差范圍較大。加之一些特殊的使用環(huán)境，比如在炎熱的夏天，因停車車位資源的緊張，一些車主只能將車子停在露天讓太陽暴曬，經(jīng)過一段時間后，車內(nèi)的溫度可能高達七八十度，車主辦完業(yè)務(wù)返回時，馬上開啟車內(nèi)空調(diào)降溫，使得車內(nèi)的溫度由高溫迅速降為低溫。冬天，反之亦然。這就需要車載用鋰離子電池在此種由高溫迅速突變?yōu)榈蜏?、或者由低溫迅速突變?yōu)楦邷氐沫h(huán)境時，仍應(yīng)能正常工作。即“將充滿電的鋰離子電池組放置在試驗箱內(nèi)按照如下步驟進行試驗（見圖1）：

a）在75 ℃±2 ℃的溫度下保持6h；

b）在-40℃±2 ℃的溫度下保持6h；

c）重復(fù)步驟a)～b)，共循環(huán)10次；

d）恢復(fù)至20 ℃±5 ℃ 的環(huán)境溫度。

試驗過程中每兩個溫度之間的轉(zhuǎn)換時間不大于30min 。

試驗后，鋰離子電池組應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵1]氣候環(huán)境的差異以及個人使用的習慣，這就需要車載用鋰離子電池組的設(shè)計人員應(yīng)綜合考慮該環(huán)境溫度因素，使其設(shè)計的產(chǎn)品不能由于環(huán)境的惡劣而影響行車記錄儀的正常使用。

圖1　溫度循環(huán)流程示意圖

3.1.3振動

正常情況下，行車記錄儀一般是安裝在車內(nèi)前擋玻璃或者固定在前排駕駛室上的塑料平臺上的。市區(qū)、高速路段，車輛行駛的路面較為平坦順暢，車子整體顛簸較小，車內(nèi)行車記錄儀的振動頻率及振幅相對較小。但是對于村莊、山區(qū)路段，車輛行駛的路面較為崎嶇，車子整體顛簸就比較大，加之如果車速較快的話，車內(nèi)的行車記錄儀的振動頻率及振幅相對較大。這就要求車載用鋰離子電池組在各種振動環(huán)境中，能夠經(jīng)受的住考驗，不因路面情況的多樣化而影響行車記錄儀的正常使用。即 “將充滿電的鋰離子電池組緊固在振動試驗臺上，按下表1中的參數(shù)進行正弦振動測試。每個方向進行12個循環(huán)，每個方向循環(huán)時間共計3h的振動。圓柱型和紐扣型電池按照其軸向和徑向兩個方向進行振動試驗，方型和軟包裝電池按照3個相互垂直的方向進行振動試驗。電池應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵2]

表1　振動波形（正炫曲線）

3.1.4高溫使用及應(yīng)力消除

對于福州、重慶、杭州、武漢四大“火爐”城市的車主來講，車外環(huán)境在夏天可高達40℃。置于此環(huán)境中的車內(nèi)的溫度最高可達80℃左右，換句話說，就是在溫度高達80℃的環(huán)境條件下使用仍應(yīng)具有足夠的安全性。并且，車載用鋰離子電池組外殼若是由“模壓或注塑成形的熱塑性外殼組成的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證外殼材料在釋放由模壓或注塑成形所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力時，該外殼材料的任何收縮或變形均不會暴露出內(nèi)部零部件”[2]?？捎梢韵赂邷卦囼瀬頇z驗其是否合格，即“將滿電樣品置于高溫試驗箱內(nèi)，試驗箱內(nèi)溫度設(shè)為制造商規(guī)定的電池組的充電上限溫度和放電上限溫度、電池的充電上限溫度和放電上限溫度及 80℃中的最大值。待樣品表面溫度穩(wěn)定后，保持7h。

樣品應(yīng)滿足以下要求之一：

a) 切斷電路，且不起火、不爆炸、不漏液；

b) 未切斷電路，在高溫試驗過程中按照制造商規(guī)定的充放電方法繼續(xù)進行一次放電充電循環(huán)，樣品應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵1]

3.1.5阻燃：在一些特殊情況下，比如電池組內(nèi)部某個保護元器件保護功能失效或者短路，造成瞬間電流過大而引起電弧甚至自然時，車載用鋰離子電池組的封裝材料所使用的材料，應(yīng)當能限制火焰的蔓延。對于充電限制電壓和最大充電電流或最大放電電流的乘積超過 15VA 的電池組，電池組的外殼應(yīng)使用防火防護外殼：對于用戶可更換型電池組其外殼應(yīng)是不低于 V-1 級的材料，對于非用戶更換型電池組其外殼應(yīng)是不低于 V-2 級的材料。組成電池組的PCB板及其他絕緣材料阻燃等級均不應(yīng)低于V-1級。以確?；鹧娌粫樱詣酉缬趦?nèi)部本身。

3.2電安全試驗

3.2.1過壓充電

目前，市面上銷售的行車記錄儀基本上都是靠車載充電器進行充電的。車載充電器產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。我國對車載充電器還沒有統(tǒng)一的規(guī)范標準，質(zhì)量無法保障。一般的車載充電器廠商為節(jié)約成本，在其工藝和材料方面縮減經(jīng)費，造成市面上的車載充電器產(chǎn)品質(zhì)量無法保證。這就使得行車記錄儀的主用電源電壓無法保障額定輸出，對車載用行車記錄儀中的鋰離子電池組充電時，可能產(chǎn)生過壓充電的危險。過高的充電電壓極有可能使鋰離子電池組產(chǎn)生著火、爆炸、漏液等危險，進而危險車內(nèi)人員的人身安全和財產(chǎn)安全。所以，鋰離子電池組的設(shè)計人員在保護板的設(shè)計上，必須考慮該因素。我們模擬在使用劣質(zhì)的車載充電器給鋰離子電池組產(chǎn)生過壓充電時，車載用鋰離子電池組內(nèi)部的保護線路應(yīng)能自動切斷充電路，實現(xiàn)自我保護。即“鋰離子電池組充滿電后，繼續(xù)以最大充電電流（Ic m）恒流充電至 n ×6.0V 或者可能承受的最高電壓值（兩者取較高者），并保持該電壓進行恒壓充電。 對于移除保護電路或者沒有保護電路的電池組的充電 1h，對于保留保護電路的電池組充電至保護電路動作。電池組應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵3]

3.2.2過流充電

車子較長一段時間未使用時，行車記錄儀會有可能應(yīng)自身靜態(tài)消耗電流而使其鋰離子電池組處于完全放電狀態(tài)?；蛘哕囍髟谑褂眯熊囉涗泝x時，忘記將車載充電器給行車記錄儀充電，行車記錄儀僅用鋰離子電池組供電，經(jīng)長途跋涉，鋰離子電池組的電量給消耗殆盡。這時，用劣質(zhì)的車載充電器充電，極有可能產(chǎn)生較大的電流對鋰離子電池組進行充電。過大的充電電流可能使鋰離子電池組的某個元器件失效，進而產(chǎn)生著火、爆炸、漏液等危險，危險車內(nèi)人員的人身安全和財產(chǎn)安全。因此，車載用鋰離子電池組的保護線路必須具有過流充電保護功能，這種潛在的危險我們是無法預(yù)料的。我們可以通過過流充電試驗，即“將放完電后的鋰離子電池組，以1.5 倍的過流充電保護電流（1.5Icp）進行恒流充電。對于移除保護電路或者沒有保護電路的電池組的充電至充電上限電壓 Uup ，對于保留保護電路的電池組充電至保護電路動作。電池組應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵4]，進而確保車內(nèi)的人身、財產(chǎn)安全。

3.2.3過載

一般來講，大多數(shù)車主用戶的習慣都比較好，車子起動的同時會將車載充電器接上點煙器或者車載USB輸出口取電，進行給行車記錄儀充電。行車記錄儀正常情況下，在有車載充電器供電的時候，其供電的電源一般是外接電源，即車載充電電源。只有在無外接電源時，行車記錄儀才會啟動自身鋰離子電池組進行供電。也正因為如此，大多數(shù)情況下，車載用鋰離子電池組的電量經(jīng)常是滿電的。然而，由于車載充電器的漏接，行車記錄儀只能通過其自身鋰離子電池組取電，此時，若行車記錄儀本身電池充放電電路中的某單一元器件故障失效，造成過大電流放電，對鋰離子電池組形成較大的電流沖擊，便會引起電池組保護電路失效，產(chǎn)生著火、爆炸、漏液等危險。所以，我們將“充滿電的鋰離子電池組，先以1.5倍的過流放電保護電流（1.5Idp）恒流放電。對于移除保護電路或者沒有保護電路的電池組放電至放電截止電壓，對于保留保護電路的電池組放電至保護電路動作。電池組應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液?！盵1]進行模擬試驗，以確保突發(fā)狀況下，車載用鋰離子電池組仍能正常的工作，而不危害車內(nèi)的人身、財產(chǎn)安全。

3.2.4外部短路

車載用鋰離子電池組是行車記錄儀的一個不可或缺的部件，正常情況下是不存在短路的現(xiàn)象的。但是誰也無法保證這一現(xiàn)象永遠不會發(fā)生。當行車記錄儀在較高的環(huán)境中使用時，可能會由于本身絕緣材料的失效，造成電源輸出線路的爬電距離和電氣間隙減小，又或者高溫使得絕緣外殼材料發(fā)生形變，漏出裸露的零部件而引起短路。充滿電的車載用鋰離子電池組因外部的短路瞬間產(chǎn)生較大的電流沖擊，進而破壞其自身保護系統(tǒng)，極有可能產(chǎn)生著火、爆炸、漏液等危險。因此，我們用外部短路試驗來模擬在這種情況，車載用鋰離子電池仍能滿足要求，依靠自身的保護線路或者保護元器件使得這一突發(fā)狀況得以制止。即“將充滿電的鋰離子電池組，短路電池組的正負極端子，外部短路總電阻為（80 ±20）mΩ。

對于移除保護電路或者沒有保護電路的電池組短路24h，對于保留保護電路的電池組短路至保護電路動作。電池組應(yīng)不起火、不爆炸、不漏液。”[5]。

4、結(jié)語

行車記錄儀已成為大多數(shù)車主車上必備的一個重要部件。作為消費者，我們應(yīng)從正規(guī)渠道購買合格的有經(jīng)過認證的行車記錄儀。作為設(shè)計者，車載用鋰離子電池組應(yīng)能滿足上述基本要求，盡可能的從各個應(yīng)用場合，各種細節(jié)方面設(shè)計保護方案，不僅使自己的產(chǎn)品安全可靠，又能樹立品牌形象。

[1] GB31241-2014便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求.

[2] GB4943.1-2011信息技術(shù)設(shè)備 安全第一部分:通用要求.

[3] IEC60950:1999Safety of information technology equipment.

[4] GB/T 18287-2013移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范.

[5] GB/T 28046.1-2011道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗第1部分:一般規(guī)定.

The test method and research for Li-ion battery in vehicle traveling data recorder

Lin Jian, Yang Kai
(Institute of quality inspection of products in Fujian Province, Fujian Fuzhou 350002)

The article is carried on research and discussion about the definition, the domestic and international standards status, the environment test and the electrical safety test of Li-ion battery pack in vehicle traveling data recorder from the view of actual environment and user's habits.

Li-ion battery; Li-ion battery pack; Flame retardant; Explosion

∶TM912.9

∶A

∶1671-7988 (2016)09-196-04

林健(1982-)，工程師，就職于福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院電子所電池實驗室，主要從事電子產(chǎn)品的檢測，電池，離子電池的檢測。楊凱（1960-），工程師，就職于福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院電子所。主要從事電子產(chǎn)品的檢測，電池，離子電池的檢測。