現(xiàn)有電動汽車用動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)解讀

謝樂瓊 何向明

目前，在國家政策的引導(dǎo)下，新能源汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化出現(xiàn)了前所未有的高潮。隨著我國新能源汽車的迅猛發(fā)展，作為核心零部件的動力電池發(fā)展也緊隨著新能源汽車的整體趨勢在大幅度上升。但在早期的發(fā)展中，動力電池相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)單一，僅有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 743-2006作為參考，缺乏權(quán)威性及廣泛性，行業(yè)監(jiān)管的門檻不清晰，國家標(biāo)準(zhǔn)體系的建立也日趨重要。我國的電動汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)，需要符合現(xiàn)階段行業(yè)的規(guī)范和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

一、概述

圍繞電動汽車產(chǎn)業(yè)，中國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會出臺了一系列的國家標(biāo)準(zhǔn)。而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中包括了整車、零部件、接口及設(shè)施3部分。動力電池屬于零部件類，針對電動汽車用動力蓄電池，中國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2015年5月15日聯(lián)合發(fā)布了6項國家標(biāo)準(zhǔn)，并在2016年全面實施。動力電池相關(guān)6項國標(biāo)文件有：《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》（GB/T 31484-2015）[1]、《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》（GB/T 31485-2015）[2]、《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》（GB/T 31486-2015）[3]、《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分：高功率應(yīng)用測試規(guī)程》（GB/T 31467.1-2015）[4]、《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程》（GB/T 31467.2-2015）[5]、《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》（GB/T 31467.3-2015）[6]。其中經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)：GB/T 31467.3-2015的“7.1振動”有三方向振動改為正弦波振動及“7.6擠壓”項中壓力值等部分內(nèi)容有變更，并于2017年7月1日起實施。

2015年是歷年來發(fā)布電動車電池相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量最多一年，說明我國2015年在電動汽車國家標(biāo)準(zhǔn)方面取得了重大突破[7]。GB/T 31484、31485、31486是在QC/T 743-2006基礎(chǔ)上演變而來的國家標(biāo)準(zhǔn)，而 GB/T 31467.1/2/3標(biāo)準(zhǔn)是以ISO12405-1/2為依據(jù)進(jìn)行編制，但也不完全按照ISO12405的測試規(guī)程制定。GB/T 31484、31485、31486國家標(biāo)準(zhǔn)的電池類型范圍由原來的鋰離子電池擴(kuò)大至各類動力電池；樣品級別在單體和模組基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)級別；模組的定義由5個以上單體串聯(lián)，變?yōu)?個以上單體串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)；新標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)的充放電倍率為1C，要求更嚴(yán)格；新標(biāo)準(zhǔn)中，實驗條件也明確規(guī)定了測試的室溫為25±2℃，環(huán)境溫度為25±5℃，相對濕度15%～90%，測試氣壓為86～106kPa[8]。

二、6項國家標(biāo)準(zhǔn)解讀

1.GB/T 31484-2015

GB/T 31484-2015規(guī)定了電動汽車用動力蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命的要求、實驗方法、檢驗規(guī)則和工況循環(huán)壽命試驗方法和檢驗規(guī)則，詳見表1。室溫放電容量項中，對容量的差異進(jìn)行判定，說明國家標(biāo)準(zhǔn)開始對電池、模組及系統(tǒng)生產(chǎn)的一致性提出要求。循環(huán)工況測試車型范圍涵蓋了混合動力、純電動、插電式和增程式各類電動車類型。純電動車只有電池和電動機(jī)一套驅(qū)動系統(tǒng)，而混合動力車的驅(qū)動系統(tǒng)至少由一臺耗油的發(fā)動機(jī)及一臺電動機(jī)組成，故測試工況有區(qū)分混合動力車和純電動車。插電/增程式電動車的汽油發(fā)動機(jī)并沒有使用任何機(jī)械結(jié)構(gòu)連接到車輪，驅(qū)動車輪的還是電能，并沒有發(fā)動機(jī)的機(jī)械能，可被認(rèn)為無動力的混合，故增程式電動車循環(huán)工況測試的方法和判定條件與純電動車基本一致。

混合動力乘用車和商用車在市場上均為功率型蓄電池，在啟動、爬坡以及加速時啟動電機(jī)及動力電池系統(tǒng)，功率型蓄電池起到短時功率輸出的作用從而保證整車的動力性，工況循環(huán)壽命測試由“主充電工況”和“主放電工況”2部分組成，測試荷電狀態(tài)（SOC）波動如圖1。混合動力車和純電動車在標(biāo)準(zhǔn)中的循環(huán)測試工況又區(qū)分了乘用車和商用車2類。乘用車是指在其設(shè)計和技術(shù)特性上主要用于載運乘客及隨身行李或臨時物品的汽車，涵蓋了轎車、微型客車以及不超過9座的輕型客車；商用車是在設(shè)計和技術(shù)特征上是用于運送人員與貨物的汽車，習(xí)慣把商用車分為客車和貨車2大類，將商用車范圍包括所有的載貨汽車和9座以上的客車?；旌蟿恿Τ擞密嚭蜕逃密嚨难h(huán)測試工況基本一致，但由于乘用車和商用車集成的電池數(shù)量不同，“主放電工況”和“主充電工況”的充放電電流大小有差異：乘用車功率型蓄電池的電流范圍為8I1～-4I1，而商用車功率型蓄電池的電流范圍為：4I1～-2I1。

與混合動力車不同，純電動乘用車和商用車能量型蓄電池的國標(biāo)循環(huán)測試工況為：充電部分均按照標(biāo)準(zhǔn)1C充滿電后，要求按照不同的“主放電工況”放電，SOC波動示意圖如圖2，純電動商用車放電電流范圍為：3I1～-1I1，而純電動乘用車放電電流范圍為：-1I1～-1/3I1。國標(biāo)對于模組和系統(tǒng)經(jīng)工況循環(huán)后的結(jié)果：總放電能量/初始額定能量>500 h，計算放電容量和5s放電功率，國家標(biāo)準(zhǔn)對其結(jié)果并沒有具體數(shù)值要求，只明確了應(yīng)滿足產(chǎn)品規(guī)格書要求，說明國家標(biāo)準(zhǔn)中對模組和系統(tǒng)層面的循環(huán)工況測試對企業(yè)更注重測試方法指導(dǎo)。

2.GB/T 31485-2015

GB/T 31485-2015規(guī)定了電動汽車用動力電池的安全要求、實驗方法和檢驗規(guī)則。GB/T 31485-2015較QC/T743-2006相比，內(nèi)容更全面和合理，測試內(nèi)容詳見表2：

（1）每項增加“觀察1h”內(nèi)容

由于安全性測試均為超出電池使用范疇的測試，引起電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞造成電解液分解、正負(fù)極短路引發(fā)多種化學(xué)反應(yīng)的情況，增加測試后“觀察1h”內(nèi)容，即增加了對電池反應(yīng)觀察時間，以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的對結(jié)果進(jìn)行判定。

（2）各項測試內(nèi)容細(xì)節(jié)更充分

跌落測試項：要求更嚴(yán)格，單體跌落測試要求正負(fù)端子一側(cè)向下，從1.5 m高度自由跌落至水泥地面，模組也增加了跌落測試項；模組和單體擠壓測試項中增加了擠壓板半徑要求75 mm的半圓球柱體、擠壓速度為（5±1） mm/s、對擠壓程度均做了詳細(xì)要求；加熱測試：將溫度定為以5 ℃/min提高至130 ℃保持30 min，提高了考察溫度，將高溫下鋰離子電池內(nèi)部電子絕緣（SEI）膜分解、電解液的穩(wěn)定性及隔膜是否收縮引起的內(nèi)短路等因素造成的電池燃燒、爆炸因素納入了考察范圍。針刺測試項：鋼針的直徑和貫穿電池個數(shù)對試驗結(jié)果影響比較確定，針的直徑越大，電池內(nèi)短路的面積越大，可導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)越劇烈，而針刺速度對試驗結(jié)果的影響尚不明確，與電池的正負(fù)極材料體系、電解液配方等有很大的關(guān)系[9]，GB/T 31485-2015針刺測試中明確要求了針的直徑范圍單體為5～8 mm、模組為6～10 mm，貫穿速度限為（25±5） mm/s，針刺位置為刺面的幾何中心，提高了測試方法的統(tǒng)一性。

（3）增加了海水浸泡、溫度循環(huán)、低氣壓3項測試

充分考慮了電池及模組在航海、溫差大的陸地及天空低壓等特殊環(huán)境下的使用及運輸中的影響，反映出新國標(biāo)對電池使用和運輸性能的關(guān)注[10]。

3.GB/T 31486-2015

GB/T 31486-2015規(guī)定了動力汽車用動力蓄電池的電性能要求、試驗方法和檢驗規(guī)則，詳見表3。GB/T 31486-2015對于電池單體考察僅有外觀、極性、外形尺寸和質(zhì)量、室溫放電容量4項測試，而蓄電池模塊的測試涵蓋了11項測試，強(qiáng)化了模組級別的電性能考察。蓄電池模塊試驗樣品明確要求總電壓不低于單體蓄電池電壓的5倍，即送檢模組至少由5串單體電池組成，額定容量不低于20Ah。

4.GB/T 31467.1/2/3

GB/T 31467.1/2/3標(biāo)準(zhǔn)增加了電池包和電池系統(tǒng)的檢測內(nèi)容，彌補了我國電池包和電池系統(tǒng)檢測項目的空白，要求對電池包和系統(tǒng)做全面的電性能、負(fù)載性能、環(huán)境性能及安全性測試等，使我國評價標(biāo)準(zhǔn)更符合實際使用情況，可更加科學(xué)、合理的評價車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的性能[11]。測試項目詳見表4、表5。GB/T 31467-1規(guī)定了電動汽車用高功率鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)電性能的測試方法；而GB/T 31467-2則規(guī)定了電動汽車用高能量鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)電性能的測試方法，以高功率、高能量為目的的鎳氫動力蓄電池包和系統(tǒng)等也可參照執(zhí)行。

GB/T 31467-1/2/3三項標(biāo)準(zhǔn)明確要求了測試樣品交付時，需要提交必要的操作文件及和測試設(shè)備相連所需的接口部件如連接器、插頭、冷卻接口等，制造商提供的蓄電池包或者系統(tǒng)的工作限值以保證測試過程的安全；當(dāng)測試目標(biāo)環(huán)境溫度改變時，在進(jìn)行測試前測試對象需要完成環(huán)境適應(yīng)過程：在低溫下靜置不少于24h，高溫下靜置不小于16h；如果電池包或系統(tǒng)由于某些原因（尺寸或質(zhì)量）不適合進(jìn)行某些測試，那么供需雙方協(xié)商一致后可以用電池包或電池系統(tǒng)的子系統(tǒng)代替作為測試樣品，進(jìn)行全部或部分試驗，但作為測試樣品的子系統(tǒng)應(yīng)該包含和整車要求相關(guān)的所有部分；蓄電池放電電流符號為正，充電電流符號為負(fù)；數(shù)據(jù)記錄除非另有說明，否則在預(yù)計的充電或放電時間至少每1%間隔出記錄測試數(shù)據(jù)，如時間、溫度、電流和電壓等。

3項標(biāo)準(zhǔn)均在試樣準(zhǔn)備項中對電池包和系統(tǒng)有明確要求。蓄電池包的高壓、低壓及冷卻裝置要和測試平臺設(shè)備相連，開啟蓄電池包的被動保護(hù)功能，并保證主動保護(hù)開啟，必要時可通過斷開蓄電池包的主接觸器來實現(xiàn)，冷卻裝置根據(jù)制造商的要求工作。蓄電池包與測試平臺之間并沒有信息交換，測試平臺檢測蓄電池系統(tǒng)的電流、電壓、容量或能量等參數(shù)，而蓄電池系統(tǒng)與測試平臺之間有信號交換。蓄電池包的參數(shù)限值由測試平臺直接控制，而蓄電池系統(tǒng)的高壓、低壓、冷卻裝置及BCU要和測試平臺設(shè)備相連接，開啟蓄電池系統(tǒng)的主動和被動保護(hù)。測試平臺和BCU之間實現(xiàn)正常通訊，測試平臺保證測試參數(shù)、條件與測試規(guī)程的要求一致，并保證電池系統(tǒng)工作在合理的限值之內(nèi)，這些限值由BCU通過總線傳輸至測試平臺，BCU控制冷卻裝置的工作。

主動保護(hù)同時也需要由測試平臺保證。系統(tǒng)測試中，蓄電池系統(tǒng)通過總線和測試平臺通訊，將蓄電池狀態(tài)參數(shù)和工作限值實時傳輸給測試平臺，再由測試平臺根據(jù)電池狀態(tài)和工作限值控制測試過程。測試平臺檢測系統(tǒng)的電流、電壓、容量或能量等參數(shù)，并將這些參數(shù)作為測試結(jié)果和計算依據(jù)。在測試樣品前，還要測量樣品的質(zhì)量和體積，如果有冷卻系統(tǒng)，也應(yīng)計算在內(nèi)，如果難以測量，則采用制造商提供的數(shù)據(jù)。此外，電池包及電池系統(tǒng)測試前還需要做循環(huán)預(yù)處理，以確保電池包及系統(tǒng)的穩(wěn)激活及穩(wěn)定狀態(tài)，功率型蓄電池及系統(tǒng)要求充電為1C倍率，放電為2C，而能量型蓄電池及系統(tǒng)預(yù)處理循環(huán)要求充放電均以1C倍率，2種類型電池包及系統(tǒng)充放電間均擱置30 min。標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)測試中，能量型及功率型蓄電池包及系統(tǒng)均要求1C充放電。如果連續(xù)2次放電容量的差別小于額定容量的3%，則蓄電池包和系統(tǒng)完成預(yù)處理測試。如果標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)和一個新的測試項目之間時間間隔大于24h，則需要重新進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)充電。

GB/T 31467.1與GB/T 31467.2的測試項目均包含5個測試內(nèi)容：室溫、高溫、低溫下的能量和容量測試；功率和內(nèi)阻測試；無負(fù)載容量損失；存儲容量損失和能量效率測試，GB/T 31467.2多了高低溫啟動功率測試一項，即考察-20 ℃、40 ℃溫度下，系統(tǒng)在20 %SOC（或廠家規(guī)定的最低SOC值）的功率輸出能力。無負(fù)載容量損失、存儲容量損失和能效測試項測試均針對蓄電池系統(tǒng)，且GB/T 31467.1與GB/T 31467.2的這幾項的測試流程基本一致。

①能量和容量測試項：2項標(biāo)準(zhǔn)均要求測試25 ℃、40 ℃、0 ℃和-20 ℃下，產(chǎn)品1C放電條件下以及最大放電電流Imax下的容量和能量參數(shù)，但GB/ T 31467.2低溫容量測試項中還需要進(jìn)行1/3C放電容量和能量。

②功率和內(nèi)阻測試項：-20 ℃、0 ℃、25 ℃、40 ℃這4個溫度下，GB/T 31467.1要求測80 %、50 %、20 %這3個不同SOC平臺的充放電功率值和充放電內(nèi)阻值，而GB/T 31467.2要求測90 %、50 %、20 %這3個不同SOC平臺的充放電功率值和充放電內(nèi)阻值，脈沖功率測試工況的電流曲線兩者各有不同，功率型測試電流要求倍率較高，而能量型電流較低（詳見圖3、圖4）。

③無負(fù)載容量損失項：模擬25 ℃和40 ℃的車載狀態(tài)下（由系統(tǒng)輔助電源供電），動力電池系統(tǒng)長期擱置所造成的容量損失，擱置前動力電池系統(tǒng)處于滿電狀態(tài)，擱置時間為7天和30天（中間有2次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)）。

④儲存中容量損失項：考察蓄電池系統(tǒng)長期存儲狀態(tài)下的容量損失，45℃下，50%SOC狀態(tài)下的系統(tǒng)存儲30天，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)2次后，計算剩余容量并確定容量損失率。

⑤能量效率測試項：GB/T 31467.1旨在測試樣品在不同SOC狀態(tài)下的快速充放電效率：分別檢測-20℃、0℃、25℃、40℃這4個溫度下，65%、50%、35%這3個不同SOC平臺的快速率充放電效率。GB/T 31467.2旨在測試電池系統(tǒng)在不同溫度不同倍率充電時的性能以及能量循環(huán)效率：分別檢測室溫、0℃和Tmin（由制造商和客戶商定）下，電池系統(tǒng)以1C和Imax兩種充放電倍率所測得的充放電效率。

GB/T 31467.1及GB/T 31467.2均為測試規(guī)程，并未對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一的判定，說明國家標(biāo)準(zhǔn)在模組及系統(tǒng)級別的性能測試更加側(cè)重對生產(chǎn)商進(jìn)行檢測指導(dǎo)。而國家對安全性有著更嚴(yán)格的要求及監(jiān)管力度，GB/T 31467.3規(guī)定了電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)安全性的要求和測試方法，各項測試結(jié)果也出具了判定要求依據(jù)，這對系統(tǒng)及組裝技術(shù)相對較弱的電動車蓄電池企業(yè)的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量極具挑戰(zhàn)。

GB/T 31467.3中，振動、機(jī)械沖擊測試是模擬電池包及系統(tǒng)安裝在車上，在運輸過程中因車輛顛簸各種方向沖擊造成的可能損傷。目前振動項已經(jīng)有所變更，具體內(nèi)容為：已刪除原標(biāo)準(zhǔn)的3個方向振動測試內(nèi)容，參考測試對象車輛安裝位置和GB/T 2323.43的要求，將測試對象安裝在振動臺上。蓄電池包和系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行15min正弦波動，振動頻率從7Hz增加至50Hz再回至7Hz。此循環(huán)應(yīng)按照制造商規(guī)定的蓄電池包或系統(tǒng)安裝位置的垂直方向在3h中重復(fù)12次。振動后，蓄電池包或系統(tǒng)需運行1個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，并觀察1h。要求測試過程中和測試后，系統(tǒng)完好，無機(jī)械、電氣、精度、絕緣、性能等方面的損傷。機(jī)械沖擊的要求稍低：無機(jī)械損傷、無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸現(xiàn)象，絕緣正常。

GB/T 31467.3中，跌落測試是模擬安裝或者維修過程中可能造成的自由跌落，要求電池包或系統(tǒng)無電解液泄漏、著火或者爆炸等現(xiàn)象；翻滾是模擬安裝在車輛上因意外隨整車翻滾，要求無泄漏，無著火或爆炸等現(xiàn)象；模擬擬碰撞是模擬安裝在車輛上發(fā)生車輛之間碰撞的危險，要求絕緣正常，無電解液泄漏，無著火爆現(xiàn)象，絕緣正常；擠壓測試模擬車輛發(fā)生碰撞后，電池包發(fā)生嚴(yán)重擠壓變形的情況，要求無著火爆炸現(xiàn)象；溫度沖擊、濕熱循環(huán)模擬外部環(huán)境溫度及高溫高濕的存儲或運輸狀態(tài)下，要求絕緣正常、無電解液泄漏，無起火和爆炸現(xiàn)象；海水浸泡模擬產(chǎn)品被海水完全浸沒的極端狀態(tài)，要求無起火和爆炸現(xiàn)象。外部火燒模擬產(chǎn)品直接暴露于外部火焰一般發(fā)生于整車因線路短路或燃油泄漏著火的情況；鹽霧腐蝕、高海拔模擬海邊城市和高原低氣壓等特殊環(huán)境下的使用情況。過溫保護(hù)、短路保護(hù)、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)分別模擬高溫、外部短路、過充電濫用及過放電濫用情況下的系統(tǒng)保護(hù)功能。由此可見GB/T 31467.3彌補了動力蓄電池系統(tǒng)級別的各類安全要求方面的空白。

三、結(jié)語

現(xiàn)有6項國家標(biāo)準(zhǔn)的推行和使用對國內(nèi)動力蓄電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了統(tǒng)一的衡量測試標(biāo)準(zhǔn)，也為監(jiān)管部門提供了有效的監(jiān)督依據(jù)。不同標(biāo)準(zhǔn)的相互銜接及組合覆蓋了動力電池、模組、系統(tǒng)等各個等級部件，有利于動力電池行業(yè)的健康發(fā)展。不過現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)在模組和系統(tǒng)層面更多的參考了國外已有的標(biāo)準(zhǔn)體系，其優(yōu)勢在于國際標(biāo)準(zhǔn)的研制及運用經(jīng)驗更為豐富成熟，對我國的標(biāo)準(zhǔn)制定起到了重要指導(dǎo)作用。國標(biāo)的制定少走了從無到有的很多彎路，但是，我們還需進(jìn)一步的加強(qiáng)適合中國自己產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究探索，不斷在實踐中完善和改進(jìn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，并推動國標(biāo)走向世界。

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