車用鋰電池安全性測試問題及涉及的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范

二氧化碳減排是促進以更綠色能源替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的主要推動力。據(jù)資料報道，歐盟到2020年將有1 480萬輛輕型車輛登記，其中7%為電動型。預(yù)計這一市場份額到2030年上升至31%，屆時將由歐洲、日本和美國為主導(dǎo)?？赏A(yù)見在2020年65%的電動型汽車將使用鋰電池做動力。

鋰電池是可再充電的儲能設(shè)備，表1列舉了構(gòu)成鋰電池的典型組分。許多因素會影響鋰電池的安全性以及用于優(yōu)化安全性的設(shè)計參數(shù)的評價。

為了實現(xiàn)特殊應(yīng)用的安全保障，必須在綜合考慮安全、性能及成本的基礎(chǔ)上折衷地選擇電池組分。

表1 鋰離子電池的典型組分

特定用途的鋰電池需要通過一系列的安全測試，進行安全測試旨在了解并識別當(dāng)電池經(jīng)歷現(xiàn)實的異常條件時潛在的弱點和缺陷，從而判斷電池在極端苛刻條件下的行為。比如汽車碰撞或熱沖擊，這種情況會導(dǎo)致熱失控。熱失控的產(chǎn)生取決于包括充電狀態(tài)、充電／放電速度、電池形式、電池歷史、陰極／陽極材料、電解質(zhì)組成等因素。

曾專門設(shè)立了許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，用來促進并規(guī)范電動車輛中鋰電池的使用，現(xiàn)階段有必要對其加以區(qū)分，原則上標(biāo)準(zhǔn)是由非政府機構(gòu)擬定的自發(fā)性文件，例如，國際電工技術(shù)委員會（IEC），國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），國際汽車工程師學(xué)會（SAE）等國際性組織，歐洲層面的歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CEN）和歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CEN ELEC)等，也有由國家機構(gòu)如英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（BSI），日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會（JISC）或地區(qū)性組織頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范多為政府當(dāng)局頒布具備法律效力性。陸路用車輛最相關(guān)的規(guī)范屬聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（UNECE）發(fā)布的型式批準(zhǔn)規(guī)范，這些規(guī)范對輪式車輛、部件、設(shè)備定義了統(tǒng)一的技術(shù)處置規(guī)定，并為互相承認由若干國家對穩(wěn)態(tài)條件進行型式批準(zhǔn)。在美國，國家公路交通安全管理局（NHTSA）以《聯(lián)邦機動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)》的方式發(fā)布規(guī)范，對機動車輛或機動車輛設(shè)備的物件設(shè)定了最低安全性能要求。

標(biāo)準(zhǔn)也可被法律和規(guī)范引用。在一些技術(shù)領(lǐng)域，目前歐洲遵循2008年7月采用的“新立法架構(gòu)”（NLF），頒布的指令中只給出基本要求，而在那些指令所提及的歐洲標(biāo)準(zhǔn)中限定技術(shù)細節(jié)。機動車輛型式批準(zhǔn)（EC指令）認可國家的型式批準(zhǔn)，并確保這一批準(zhǔn)得到其他歐盟成員國承認，即在其一成員國獲型式批準(zhǔn)的車輛，準(zhǔn)許在任何其他成員國銷售。

已有的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范所涵蓋的鋰電池安全測試內(nèi)容可按照折磨的性質(zhì)分為力學(xué)、電學(xué)、環(huán)境和化學(xué)共四類，以下為現(xiàn)有的子目錄：

1 力學(xué)試驗

1.1 機械沖擊試驗

1.2 跌落試驗

1.3 貫入度試驗

1.4 浸漬試驗

1.5 壓裂/碰撞試驗

1.6 翻轉(zhuǎn)試驗

1.7 振動試驗

2 電試驗

2.1 外部短路試驗

2.2 內(nèi)部短路試驗

2.2.1 隔離劑關(guān)閉完整性試驗

2.2.2 強制內(nèi)短路或鎳粒子試驗

2.2.3 沖桿壓痕試驗

2.3 過度充電／過度放電試驗

3 環(huán)境試驗

3.1 熱穩(wěn)定性試驗

3.2 熱沖擊試驗

3.3 過熱試驗

3.4 極端低溫試驗

3.5 著火點測定

4 有害化學(xué)物質(zhì)評價試驗

4.1 釋放物相關(guān)試驗

4.2 可燃性試驗

國際性關(guān)于動力鋰電池的安全標(biāo)準(zhǔn)分別聚焦于電池層級狀態(tài)和系統(tǒng)，由ISO和IEC負責(zé)建立。ISO已經(jīng)頒布的文件包括ISO 12405-1：2011 和 ISO 12405-2：2012，分別為確定大功率電池和高能量電池的試驗規(guī)定，并由新近發(fā)布的ISO 12405-3：2014對其加以完善。中國于2015年頒布了GB/T 31467.1，GB/T 31467.2 和 GB/T 31467.3。其間IEC于2011年頒布的IEC 62660-2表述了動力電池的安全試驗程序，于2016年的IEC 62660-3：2016確定了電池的安全規(guī)定。還有新的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62485-6提出了鋰離子電池及其電池裝備的安全要求。關(guān)于車輛安全，ISO 6469-4于2015年頒布了有關(guān)碰撞的安全問題。

表2將國際性標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中關(guān)于車用鋰電池折磨試驗要求最頻繁出現(xiàn)的項目進行了匯總。

表2 車用鋰電池測試相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)／規(guī)范

最后，通過比照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范所采納的參數(shù)和條件，發(fā)現(xiàn)存在些許短板，經(jīng)過分析歸納得出下面幾個改進要點。

（1）現(xiàn)有絕大多數(shù)強調(diào)測試要求的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范均源自傳統(tǒng)車輛系列，顯然大多針對電動車輛和混合動力車輛的分析及其數(shù)據(jù)評估均欲涵蓋電氣技術(shù)特征。

（2）組件測試性能與車輛測試之間的可比性是一個待考察因素。

（3）應(yīng)考察在電池、模塊和集打包這三種不同狀態(tài)下組件測試的可比性。比如，已經(jīng)證實短路試驗中形成的起始電流受被測器件的大小以及連接形式（并聯(lián)或串聯(lián)）的影響。類似的影響還出現(xiàn)于向不同尺寸的被測件施加單一破碎力與用壓碎板時的結(jié)果差異。

（4）測試條件（如充電狀態(tài)、溫度）的分散度涉及諸如過度充電、熱沖擊、短路等多數(shù)測試項目，這一點顯著地影響著那些采用不同標(biāo)準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)的可比性，盡管某種情況中的參數(shù)差別或許出自不同的場景因素，為了實現(xiàn)公平、等價的測試可做適當(dāng)參數(shù)校準(zhǔn)。最壞的情形屬最大充電狀態(tài)，理論上的折磨試驗就在此等條件下進行。舉個例子，在短路試驗中，被測件的充電度越高，則生成的短路電流也越高，而熱失控的起始溫度卻越低。多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求100%充電態(tài)，而規(guī)范UN/ECE-R100.02:2013允許在≥50%充電態(tài)下做測試。

（5）現(xiàn)實中發(fā)生的事故屬動態(tài)事件，系為電池移向沖擊區(qū)域，然而組件測試時執(zhí)行的靜態(tài)裝配卻是沖擊子移向電池。研究發(fā)現(xiàn)在力學(xué)載荷中，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與動態(tài)碰撞測試之間并不相符，對此建議在標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)作必要的調(diào)整。

（6）車輛充電時如拆下電池，更換操作中或會跌落，而各種車用電池的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)如UN/ECER100.02:2013,ISO 12405-1(2,3):2011(2012,2014)以及 ISO 62660-2:2011卻均未含有跌落測試內(nèi)容。

（7）內(nèi)短路的發(fā)生是電池制造商的主要隱憂之一，然而相應(yīng)的測試卻沒有在立法的基礎(chǔ)上廣泛實施。據(jù)悉這項測試的程序繁瑣，其實施仍需大量的測試技術(shù)研究開發(fā)。

（8）尚僅有SAE J2464:2009，SAE J2929:2013和UL2580:2013強調(diào)檢測有毒和可燃性釋放物的重要性并且提供了適用的測試方法。此項特殊分析的實行尚未被其他主體機構(gòu)所廣泛采納。考慮到問題的嚴重性，建議未來標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的確立，應(yīng)以和諧的測試指南或協(xié)定書來確保對車用電池的化學(xué)危險物進行適當(dāng)評估，為的是保證車輛乘客以及周邊人群的安全。

（9）關(guān)于安全測試，強烈推薦進行真實場景的評估，便于保證使用鋰離子電池技術(shù)的未來安全。為此，應(yīng)考慮添加一些測試項目于未來的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，諸如翻轉(zhuǎn)、跌落、浸液、低溫危險、毒性、燃性等。

（10）應(yīng)提供清楚明了的測試指南和原理說明作為試驗方法的組成部分。具體例子包括用于設(shè)定充電狀態(tài)、局部溫度傳感器、被測件處在各種測試中之準(zhǔn)確位置的方法描述，再加上試驗設(shè)備的最低公差要求。這些指南便于測試機構(gòu)對標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進行正確而和諧的解讀，從而可改善試驗結(jié)果之間的可比性。 （蔡榮欣編譯）

注：文章摘譯自 Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018（81）：1427-1452，原文標(biāo)題為 A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles