動(dòng)力及儲(chǔ)能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)UN38.3檢測(cè)技術(shù)研究

金挺，宋楊，王彩娟，呂媛媛

(中華人民共和國(guó)吳江出入境檢驗(yàn)檢疫局，國(guó)家動(dòng)力及儲(chǔ)能電池檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215200 )

《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)》[1]中的UN38.3鋰金屬和鋰離子部分，目前成為航空、海洋和陸路運(yùn)輸對(duì)承運(yùn)的鋰電池進(jìn)行安全鑒定的最權(quán)威的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)作為鋰離子電池的主要生產(chǎn)國(guó)及消費(fèi)國(guó)必須進(jìn)一步規(guī)范動(dòng)力及儲(chǔ)能類大型鋰離子電池系統(tǒng)的運(yùn)輸安全。本文對(duì)結(jié)合現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)動(dòng)力及儲(chǔ)能型鋰離子電池系統(tǒng)UN38.3運(yùn)輸安全領(lǐng)域檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并由此提出相關(guān)的測(cè)試規(guī)范，以供參考借鑒。

1 鋰離子電池組件的測(cè)試解析

對(duì)于小型電池組的測(cè)試屬于常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目，相關(guān)的測(cè)試要求及方法在標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)敘述，至此就不贅述了。

對(duì)于鋰離子電池組件(標(biāo)稱容量小于6200 Wh)的樣品測(cè)試要求，UN38.3 規(guī)定“如果電池組件由通過(guò)所有UN38.3試驗(yàn)要求的電池組串并聯(lián)組成，滿電時(shí)所有正極鋰含量小于500g，或者鋰離子電池組的額定瓦特-小時(shí)數(shù)小于6200Wh，應(yīng)對(duì)一組滿電的電池組件進(jìn)行T3(振動(dòng)),T4(沖擊)和T5(外部短路)試驗(yàn)，此外還應(yīng)對(duì)另一組電池組件進(jìn)行T7(過(guò)度充電)試驗(yàn)”[1]。最新的第六版中去除了對(duì)組件電池的25次循環(huán)充放電的要求，對(duì)于T7(過(guò)度充電)試驗(yàn)電池組件狀態(tài)也未要求，但其余的測(cè)試要求不變。

對(duì)于鋰離子電池組件(標(biāo)稱容量大于6200 Wh)的樣品要求，UN38.3 規(guī)定“如果電池組件由通過(guò)所有UN38.3試驗(yàn)要求的電池組串并聯(lián)組成，滿電時(shí)所有正極鋰含量大于500 g，或者鋰離子電池組的額定瓦特-小時(shí)數(shù)大于6200Wh，如果能驗(yàn)證電池組件具有防止短路、防止過(guò)充電，以及防止電池組之間過(guò)度放電的系統(tǒng)，則無(wú)需針對(duì)電池組件進(jìn)行UN38.3的所有測(cè)試項(xiàng)目”[1]。此段描述只提出需要對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證，未規(guī)定具體的測(cè)試方法。正如圖1 所示，可以將電池組件系統(tǒng)(大于6200 Wh)分解成便于進(jìn)行UN38.3 測(cè)試的電池組(模塊)，通過(guò)驗(yàn)證整個(gè)電池組件管理系統(tǒng)的有效性與可靠性，從而符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 電池組件系統(tǒng)整體圖Figure 1 The whole battery component system figure

圖2 電池組件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 2 the structure figure ofthe battery components system

2 動(dòng)力及儲(chǔ)能型鋰電池標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求

根據(jù)目前主流鋰離子蓄電池系統(tǒng)的具體用途，可以分為動(dòng)力型鋰離子蓄電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)。

動(dòng)力型鋰離子蓄電池系統(tǒng)主要為各種設(shè)備提供動(dòng)力來(lái)源，包括電動(dòng)汽車，電動(dòng)列車，電動(dòng)自行車等，而目前新能源汽車已經(jīng)成為了國(guó)際產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，我國(guó)相繼出臺(tái)了《電動(dòng)車“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》和《“十二五”新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。電動(dòng)道路車輛用電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化也成為了兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、國(guó)際電工委員會(huì)IEC以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)(SAC) 、歐盟標(biāo)準(zhǔn)化組織(CEN)、歐洲電工委員會(huì)(CENNELEC)、美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)、美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)(SAE)，英國(guó)(BSI )，德國(guó)(DIN)，美國(guó)(ANSI)和日本(JIS)等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)之一。各標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)近年來(lái)制定了一系列電動(dòng)道路車輛用電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)相關(guān)的通用要求、環(huán)保、安全等標(biāo)準(zhǔn)。最具代表性的動(dòng)力型鋰離子蓄電池標(biāo)準(zhǔn)匯總詳見表1：

表1 車用動(dòng)力蓄電池標(biāo)準(zhǔn)匯總Table 1 Vehicle traction battery standard summary

以上標(biāo)準(zhǔn)體系的建立為動(dòng)力蓄電池領(lǐng)域的健康有序發(fā)展提供了保障，從中我們可以參考、歸納、借鑒相關(guān)的檢測(cè)方法和檢測(cè)技術(shù)，從而制定針對(duì)該類型電池組件系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證測(cè)試方法。

儲(chǔ)能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)主要使用于太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以及其他可再生能源儲(chǔ)能設(shè)備，其中磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子儲(chǔ)能電池較為常見，目前國(guó)際上相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 61427 -1: 2013《可再生儲(chǔ)能二次單體電池和電池組 通用要求和測(cè)試方法 第一部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用》[16]和IEC 62619：2017《含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 工業(yè)應(yīng)用密封鋰電池和鋰電池組的安全性要求》[17]。結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)，制定針對(duì)該類型電池組件系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證測(cè)試方法。

3 動(dòng)力型電池組件管理系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證

測(cè)試原理：通過(guò)客戶提供的通訊協(xié)議，通訊硬件工具及通訊軟件程序?qū)﹄姵亟M件系統(tǒng)內(nèi)部電池信息狀態(tài)進(jìn)行讀取與記錄，同時(shí)運(yùn)用新能源電池系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)這一獨(dú)立的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)功能進(jìn)行比較與驗(yàn)證[2]。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中提供的相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目方法，歸納總結(jié)出針對(duì)動(dòng)力型鋰離子蓄電池組件管理系統(tǒng)的有效性和可靠性驗(yàn)證測(cè)試方案如下：

(i),電池組件防止過(guò)度充電系統(tǒng)驗(yàn)證

測(cè)試步驟： ①對(duì)電池組件進(jìn)行恒流充電，電壓限定為充電限制電壓的110%[16]。

②觀察電池組件的保護(hù)功能是否動(dòng)作。

測(cè)試接受準(zhǔn)則：

在電池組件電壓達(dá)到充電限制電壓的110%之前，組件內(nèi)單體電池電壓高于某一電壓值(例如4.25V)時(shí)，保護(hù)功能動(dòng)作。

(ii),電池組件內(nèi)部防止串并聯(lián)電池組之間的過(guò)度放電系統(tǒng)驗(yàn)證

情況一：對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行容量調(diào)節(jié)，保持荷電狀態(tài)為30%左右，選取電池組件中的一組電池組進(jìn)行恒流放電，放電截至條件為荷電10%左右，以上處理方式能有效的滿足測(cè)試條件，模擬出電池組間的電壓不均衡的故障狀態(tài)。

情況二：當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)內(nèi)部電池組具有電壓平衡電路，即當(dāng)監(jiān)測(cè)到任意兩單體電芯壓差大于或等于某一限制時(shí)，可對(duì)電壓高的電芯進(jìn)行放電，從而保證整個(gè)電池組內(nèi)電池電壓的一致性；所以電池組件不會(huì)出現(xiàn)電池組之間電壓差異導(dǎo)致的過(guò)度放電現(xiàn)象，可驗(yàn)證電池組件的防止過(guò)度放電系統(tǒng)。

情況一是一種比較極端的處理方式，一般在電池設(shè)計(jì)中會(huì)采取措施盡量避免上述情況的發(fā)生，最有效地方式就是讓電池組件繼電器處于開路狀態(tài)，無(wú)法閉合即無(wú)法正常工作。遇到這種情況時(shí)測(cè)試可參照情況二進(jìn)行。

測(cè)試步驟： ①對(duì)電池組件進(jìn)行恒流放電，

②觀察電池組件的保護(hù)功能是否動(dòng)作。

測(cè)試接受準(zhǔn)則：

電池組件內(nèi)單體電池電壓低于2.750V，保護(hù)功能動(dòng)作。

(iii),電池組件防止短路系統(tǒng)驗(yàn)證

測(cè)試步驟：

①對(duì)電池組件正負(fù)極間進(jìn)行外部短路。

②短路內(nèi)阻不超過(guò)5毫歐，短路時(shí)間為10分鐘。

③觀察電池組件保護(hù)功能是否動(dòng)作。

測(cè)試接受準(zhǔn)則：

電池組件保護(hù)功能動(dòng)作。

以下是動(dòng)力型鋰離子蓄電池組件系統(tǒng)測(cè)試示例：

3A ,電池組件防止過(guò)度充電系統(tǒng)驗(yàn)證

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)：

①選取電池組件進(jìn)行測(cè)試。

②鋰離子電池組件系統(tǒng)總電壓升至404.092V,內(nèi)部單體電池最大電壓值為4.244V時(shí)，電池組件繼電器狀態(tài)由Closed變?yōu)镺pen，電流值降為0，無(wú)法繼續(xù)充電。保護(hù)前后BMS狀態(tài)見圖3A。

4B,電池組件內(nèi)防止電池組之間過(guò)度放電系統(tǒng)驗(yàn)證

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)：

①選取電池組件進(jìn)行測(cè)試。

②鋰離子電池組件系統(tǒng)總電壓降至290.768V,內(nèi)部單體電池最小電壓值為2.685V時(shí)，電池組件繼電器狀態(tài)由Closed變?yōu)镺pen，電流值降為0，無(wú)法繼續(xù)放電。保護(hù)前后BMS狀態(tài)見圖4B。

5C,電池組件防止短路系統(tǒng)驗(yàn)證

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)：

①選取電池組件進(jìn)行測(cè)試。

②鋰離子電池組件系統(tǒng)正負(fù)極進(jìn)行外部短路，短路內(nèi)阻為1.34mΩ，電池組件繼電器狀態(tài)Closed變?yōu)镺pen，持續(xù)10min。保護(hù)前后BMS狀態(tài)見圖5C。

圖3A BMS測(cè)試圖Figure 3A BMS test figure

圖4B BMS測(cè)試圖 Figure 4B BMS test figure

圖5C BMS測(cè)試圖 Figure 5C BMS test figure

4 儲(chǔ)能型電池組件管理系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證

測(cè)試原理可以參照動(dòng)力型的要求進(jìn)行，電池組件管理系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證基本方案也可以參照動(dòng)力電池的測(cè)試方案進(jìn)行，考慮到儲(chǔ)能型電池的應(yīng)用特點(diǎn)，相對(duì)動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)功能有所簡(jiǎn)化，因此在測(cè)試過(guò)程中還需要跟廠商進(jìn)行詳細(xì)的溝通，充分了解管理系統(tǒng)的原理及功能。

5 小結(jié)

以上關(guān)于動(dòng)力及儲(chǔ)能型鋰離子蓄電池系統(tǒng)UN38.3檢測(cè)技術(shù)研究結(jié)合日常檢測(cè)工作進(jìn)行，今后在實(shí)際操作中很多方面還需進(jìn)一步完善，相關(guān)檢測(cè)方法請(qǐng)供參考，由于測(cè)試電池系統(tǒng)屬于高壓設(shè)備，建議相關(guān)操作中的人員的防護(hù)需要重視和加強(qiáng)。

[1] United Nations．ST/SG/AC．10/11/Rev．6/Corr.1，Recommendations on the transport of dangerous goodsManual of tests and criteria[S]．New York and Geneva，F(xiàn)ebruary 2016 ．

[2] 王彩娟，宋楊，席安靜，金挺.大型鋰離子電池系統(tǒng)UN38.3檢測(cè)技術(shù)研究[J].電池工業(yè),2014-08-25.

[3] ISO 6469-1，道路電氣車輛安全規(guī)范[S].

[4] ISO 12405-1:2011，電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程-部分1：高功率應(yīng)用[S].

[5] ISO 12405-2:2012，電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程-部分1：高能量應(yīng)用[S].

[6] ISO 12405-3:2014，電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程-部分3：安全性要求[S].

[7] IEC 62660-1:2010，電動(dòng)道路車輛驅(qū)動(dòng)用鋰離子蓄電池 - 第1部分：性能測(cè)試[S].

[8] IEC 62660-2:2010，電動(dòng)道路車輛驅(qū)動(dòng)用鋰離子蓄電池 - 第2部分：可靠性和濫用測(cè)試[S].

[9] UL2580-2011，電動(dòng)車用電池[S].

[10] 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[S].

[11] 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1部分 高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程[S].

[12] GB/T 31467.3-2015，電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分 安全性要求與測(cè)試方法[S].

[13] 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[S].

[14] 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[S].

[15] 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[S].

[16] IEC 61427 -1: 2013，可再生儲(chǔ)能二次單體電池和電池組通用要求和測(cè)試方法第一部分：光伏離網(wǎng)應(yīng)用[S].

[17] IEC 62619：2017，含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組工業(yè)應(yīng)用密封鋰電池和鋰電池組的安全性要求[S].