電動汽車鋰離子動力電池電氣和環(huán)境測試標準及法規(guī)分析

吳廣順，鄭義，李真鐵

(天津大學天津內(nèi)燃機研究所，天津 300072)

0 引言

電動汽車在我國以及歐洲、日本和美國等地得到了快速發(fā)展，電池汽車必將在不久的將來主導汽車市場。鋰離子電池憑借其高比能量、高比功率以及使用壽命較長等方面的優(yōu)點，得到了越來越多整車企業(yè)的認同，使得動力鋰離子電池在電動汽車市場占支配地位。

動力鋰離子電池必須通過一系列安全測試，才能在電動汽車上應用。這些安全測試是為了解和識別電池在非正常狀況時的潛在弱點和脆弱性，并確定電池在嚴酷的惡劣條件下的表現(xiàn)[1-2]。由于篇幅所限，本文作者僅對國內(nèi)外電動汽車動力鋰離子電池電氣安全和嚴苛環(huán)境測試的標準及法規(guī)進行了分析和歸納，對標準中存在的問題進行了探討。

1 國內(nèi)外標準及法規(guī)概述

涉及電動汽車動力鋰離子電池氣安全和嚴苛環(huán)境測試的國際標準主要包括，IEC 62660-2：2011《電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池單體第2部分：可靠性和濫用性測試》[3]，ISO 6469-1:2019《電驅(qū)動道路車輛安全要求，第一部分：可再充能量貯存系統(tǒng)》[4](ISO 12405-3：2014《電動道路車輛 鋰離子牽引電池組和系統(tǒng)的測試規(guī)范，第3部分：安全性能要求》[5]目前已撤回，被ISO 6469-1:2019替代)，SAE J2464：2009《電動和混合動力電動汽車可再充能量儲存系統(tǒng)的安全和濫用性測試》[6]，SAE J2929：2013《電動和混合動力電池系統(tǒng)安全標準——鋰基可充電電池》[7]。

歐盟成員國采用聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會2013年7月15日頒布的技術法規(guī)ECE R100.02《關于就電力傳動系統(tǒng)特殊要求方面進行車輛認證的統(tǒng)一規(guī)定》[8]作為強制性標準。第一部分適用于M類和N類公路車輛的電力傳動系統(tǒng)，其設計最大車速超過25 km/h，并配備一臺或多臺電動牽引電機；第二部分適用于配備一臺或多臺電動牽引電機且未永久連接到電網(wǎng)的M類和N類公路車輛可充電儲能系統(tǒng)(REESS)的安全要求。

為了適應國內(nèi)電動汽車及動力電池的發(fā)展，2015年國家標準化委員會頒布了一系列標準。其中涉及電氣安全和嚴苛環(huán)境測試項目的測試標準為GB/T 31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》[9]和GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程第3部分安全性要求與測試方法》[10]。對于電動汽車CCC認證中電池的電氣安全和嚴苛環(huán)境測試，CQC-C1101-2018《強制性產(chǎn)品認證實施細則 汽車》[11]中做如下規(guī)定，鋰離子電池單體和模塊應符合GB/T 31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》(6.3.7電池模塊的擠壓試驗暫不執(zhí)行；6.2.8、6.3.8針刺試驗暫不執(zhí)行)、GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池系統(tǒng)包和測試規(guī)程第3部分安全性要求與測試方法》(對于由車體包覆并構成電池包箱體的，要帶箱體/車體測試；電池包或系統(tǒng)尺寸較大，無法進行臺架安裝測試時，可進行子系統(tǒng)測試)的要求。

2 汽車用鋰離子動力電池電氣安全和嚴苛環(huán)境測試

文中主要分析討論鋰離子動力電池作為汽車零部件的安全測試標準，未涉及整車級別的測試標準及法規(guī)。表1總結(jié)了電動汽車用鋰離子動力電池相關的國際和國內(nèi)標準及法規(guī)中規(guī)定的最常見的試驗項目(文中僅討論電氣安全性能測試和嚴苛環(huán)境測試)。有些標準規(guī)定：在某些情況下，可以根據(jù)制造商和客戶之間的協(xié)議進行試驗。試驗可以在各種級別下分別進行，將參考被測設備(DUT)進行分級：電池單體(C)、電池模塊(M)、電池包或系統(tǒng)(P)和車輛(V)。標準和法規(guī)為每個試驗設置了通過、失敗要求，將“不著火”、“不爆炸”、“不破裂”和“不泄漏”作為試驗的接受準則，而防火的通過、失敗標準僅是“不爆炸”[3-4,6-10]。

表1 電動汽車用鋰離子動力電池標準及法規(guī)電氣安全和嚴苛環(huán)境測試項目概覽

2.1 電氣安全測試

2.1.1 外部短路測試

測試的目的是評估在外部短路時DUT的安全性能。該試驗用于評估過電流保護設備的激活狀態(tài)或電池承受電流而不會達到危險情況(例如熱失控、爆炸、著火)的能力。主要危險因素是由于產(chǎn)生大量的熱量而導致熱失控、產(chǎn)生電弧可能導致?lián)p壞電路或絕緣電阻降低。

表2中列出了最相關的測試參數(shù)。

表2 外部短路測試條件和要求

在測試期間，把電池正負極從外部連接一個低電阻元件(例如5、10或20 mΩ)，在不到1 s的時間內(nèi)使其從外部短路，并保持規(guī)定的時間(例如10 min)或直到過電流保護裝置(如果有)起作用。通常，保險絲，斷路器(無源元件)和接觸器(有源元件)用于防止電池模塊或電池包級別的過電流。內(nèi)置的電流中斷設備或正熱系數(shù)設備用于電池單體級別的過電流保護，如果內(nèi)部壓力和/或溫度達到限值，則可以斷開內(nèi)部電路與其端子的連接或限制通過的電流。這些保護設備的時間特性決定了斷開或限制電流的響應時間，電流越高，能夠中斷的速度就越快。如果電流不夠高(例如，低SOC)或電流迅速下降，則電流可能不會被中斷，但這些可能導致發(fā)生危險。因此，標準要求在外部硬短路時的短路電阻應最小，或者在外部電阻與DUT的內(nèi)部電阻相當時進行軟短路。

如前所述，標準或法規(guī)要求固定的外部電阻，與DUT的尺寸無關。但初始短路電流受DUT的大小及其連接類型(即并行、串行或其組合)的影響。因此，對具有不同尺寸和連接類型的DUT使用相同的外部電阻連接，可能會導致每個電池單體的初始短路電流不具有可比性。因此，某些標準針對硬短路又規(guī)定：外部電阻必須遠小于DUT直流阻抗。對于軟短路，由于外部短路電阻高于DUT的電阻，初始短路電流主要由外部電阻控制，因此，產(chǎn)生的初始短路電流與電池儲能系統(tǒng)的大小無關。

溫度會影響電池的內(nèi)阻，即電化學反應和傳輸速度；因此，初始電流越高越會導致高溫，從而產(chǎn)生更多的熱量。而且溫度越高，DUT溫度越接近熱失控的溫度。表2中的標準和法規(guī)都沒有要求在高于室溫的溫度下進行短路測試。但在高于室溫的溫度下執(zhí)行短路測試是合理的，因為汽車在室外停放、駕駛過程中或冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時很可能會達到高于室溫的溫度。

影響測試結(jié)果的另一個參數(shù)是荷電狀態(tài)(SOC)。最壞的情況是在高SOC下實現(xiàn)的，因為產(chǎn)生的初始短路電流最大，容易導致熱失控。因此，大多數(shù)標準要求以額定容量的100%進行測試。但是對于UN/ECE-R100.02：2013，可以在50%SOC(或更高)下進行測試。

2.1.2 過充電/過放電測試

為了評估過充電/過放電保護系統(tǒng)的功能，使電池的充電或放電超出制造商建議的限值時，比如由于充電器故障等可能發(fā)生的情況。幾乎所有的標準和法規(guī)都規(guī)定該試驗項目，表3列出了試驗測試參數(shù)。

表3 過充電/過放電測試條件和要求

過充電期間的主要安全隱患是電解質(zhì)的分解、陰極和陽極的擊穿、隔板的退化以及鋰鍍層放熱分解，導致電池過熱和熱失控。如果達到足夠的溫度(例如200 ℃)，則氟化黏合劑會與鋰化碳發(fā)生放熱反應。影響測試結(jié)果的因素包括充電率和最終達到的SOC。

對于過充電測試，按標準規(guī)定的充電電流給電池充電，直至達到設定的結(jié)束充電條件(如200%SOC，130%SOC等)，或者保護裝置起作用(如斷開充電、降低電流等)。表3所列標準和法規(guī)對過充電電流、充電結(jié)束條件的規(guī)定存在較大差別，導致試驗結(jié)果可能存在較大差異，不同標準和法規(guī)的測試結(jié)果不具有可比性。

過度充電的電池(SOC>100%)熱失控起始溫度顯示出較低的起始溫度(65～80 ℃范圍內(nèi))[5]。嚴重事故一般發(fā)生在具有嚴重過充電(例如，兩倍的額定容量)的電池單體上，但在中等過充電(110%SOC)下重復充電/放電循環(huán)也可能導致電池內(nèi)部短路或故障。

過放電(或強制放電)測試也是非常重要的。過度放電期間的安全隱患是極性反轉(zhuǎn)，導致陽極集電器的氧化并在陰極側(cè)鍍覆。即使微小的過放電也會導致枝晶形成并最終導致短路。在過放電測試期間，將充滿電的電池放電(例如1C速率持續(xù)1.5 h，或C/3速率放電直到被測設備中斷或限制放電)。表3中不同標準和法規(guī)的測試參數(shù)差異很大，可以得出這樣的結(jié)論：即測試的結(jié)果可能取決于所遵循的標準或規(guī)定。因此，需要統(tǒng)一測試參數(shù)以進行可比較的測試。

2.2 嚴苛環(huán)境測試

環(huán)境測試旨在評估溫度變化等條件下系統(tǒng)的安全性能，例如不同地區(qū)的環(huán)境溫度導致發(fā)生火災或極端天氣導致的事故等。下面將介紹最常見的嚴苛環(huán)境測試：溫度沖擊和循環(huán)測試、熱穩(wěn)定性測試、過溫測試以及外部火燒測試。

2.2.1 溫度沖擊和循環(huán)測試

此試驗主要評估由于暴露于極端和突然的溫度變化(例如，在運輸過程中車輛進入或離開加熱或冷凍的車庫時，導致電池組件的膨脹和收縮)而引起的DUT完整性的變化。在溫度沖擊和循環(huán)試驗期間，DUT會經(jīng)受高溫和低溫兩個溫度限值，并在每個溫度限值下保持指定的時間。標準和法規(guī)中描述的溫度沖擊和循環(huán)測試具有不同的最高溫度限制(請參見表4)。所有標準和法規(guī)的溫度下限均為-40°C(IEC 62660-2在帶電操作情況，是最低溫度為-20 ℃)，盡管溫度上限不相同。

表4 溫度沖擊和循環(huán)測試條件和要求

值得注意的是，UN / ECE-R100.02：2013允許在此測試期間操作保護設備，我國的這兩個標準中未提及相關要求。而在其他國際標準中，保護設備被禁用，這使測試條件更加嚴格。

2.2.2 熱穩(wěn)定性測試

該測試主要評估高溫下電池的穩(wěn)定性，以識別電池熱失控開始溫度或在高溫下的穩(wěn)定性。測試中，電池的溫度以5 ℃/min的步長依次增加，升至規(guī)定溫度并保持30 min，或直到DUT發(fā)生的重大損壞。

標準SAE J2464：2009的規(guī)定更加嚴格，不僅要求5 ℃/min升溫速率，而且在每個溫度步驟要保持30 min，而且要求最高溫度為300 ℃(高于電池最高工作溫度)，直至溫度達到300 ℃或出現(xiàn)自加熱(大于1.0 ℃/min)。用于評估電池的熱失控開始時間及熱穩(wěn)定性。

其他標準則評估電池在高溫下的性能，其目的不是達到熱失控狀態(tài)，而是評估DUT在該溫度下的熱穩(wěn)定性。電池從室溫以5 ℃/min的步長依次增加，升高至130 ℃，該溫度下放置30 min。盡管熱穩(wěn)定性對儲能系統(tǒng)的安全性相當重要，它們并未在表5所示的標準中得到廣泛的要求。

表5 熱穩(wěn)定性測試條件和要求

2.2.3 過溫測試

過熱測試(也稱為快速充電/放電、過熱保護測試)旨在評估溫度控制故障或其他保護功能故障時對電池發(fā)生內(nèi)部過熱的影響。表6列出了標準和法規(guī)的測試參數(shù)。

表6 過溫試驗測試條件和要求

對于此項測試，歐盟和國際標準都要求關閉DUT的主動熱控制系統(tǒng)(例如，冷卻系統(tǒng))，GB/T 31467.3—2015未提及該要求(要求測試對象的所有控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài))，連續(xù)進行充放電試驗，充電和放電之間沒有時間間隔，結(jié)果將導致DUT的溫度升高。3個國際標準要求試驗必須在密閉空間中進行，以評估在測試過程中從電池釋放的任何氣體材料的可燃性[5-6,9]。

對于UN/ECE-R100.02：2013和GB/T 31467.3—2015未要求試驗在密閉空間中進行。所有標準都要求在DUT損壞(例如，電解液泄漏、破裂、著火或爆炸)時終止試驗。

2.2.4 外部火燒試驗

外部火燒試驗的目的是在電池或車輛暴露于高溫或外火焰時，評估其爆炸的危險。火源可能是車輛本身或附近車輛泄漏的燃料引起的。表7列出了測試參數(shù)，主要描述了3種類型的測試：

(1)輻射熱測試：SAE J2464：2009將電池(100%SOC)放置在圓柱形金屬裝置內(nèi)，該金屬裝置通過輻射加熱。溫度應在90 s的時間內(nèi)達到890 ℃，并保持10 min。記錄電池試驗過程或試驗后的情況，包括變形、泄漏、著火、爆炸等[5]。

(2)彈丸測試：SAE J2929：2013將DUT暴露于均勻火中并使DUT被鋼絲網(wǎng)篩包圍，使電池爆炸產(chǎn)生的碎片不能穿透網(wǎng)篩，網(wǎng)篩為直徑為0.25 mm的退火鋁線，網(wǎng)格密度為每厘米6至7根線。整個電池系統(tǒng)要經(jīng)受高溫和火焰的環(huán)境，直到電池系統(tǒng)完全著火。達到此條件后，將外部熱源和火焰源移除，并使電池系統(tǒng)繼續(xù)燃燒。當沒有可見的火焰時，測試完成并且測試后觀察期開始[9]。

(3)油盤燃燒試驗：GB/T 31467.3—2015、UN/ECER100.02：2013、ISO 6469-1：2019中所述的試驗是通過在燃油盤中燃燒燃料而產(chǎn)生火焰。DUT放置在位于裝有燃料的試驗盤上方的摩擦桌上。試驗時首先將試驗盤中的燃料在距離DUT至少3 m處點燃，對DUT進行60 s的預熱。然后將燃油盤置于DUT下方(距離為50 cm，或為車輛空載狀態(tài)下測試對象底面的離地高度，或制造商與客戶商定)，將DUT直接暴露在火焰中并持續(xù)70 s。將耐火材料蓋板蓋在油盤上，DUT在該狀態(tài)下測試60 s[3,7,11]。移走油盤，然后GB/T 31467.3—2015要求觀察2 h，UN/ECER100.02：2013、ISO 6469-1：2019要求觀察3 h或直至DUT達到環(huán)境溫度。如果在測試過程中沒有爆炸的跡象，則表明該測試通過。

表7中所示標準的測試條件和要求的相差較大，明顯不能保證測試結(jié)果的可比性。

表7 外部火燒測試條件和要求

3 結(jié)論

文中對電動汽車用鋰離子電池安全性能的各種標準和法規(guī)在電氣安全和嚴苛環(huán)境測試項目進行了全面的對比分析。比較這些標準和法規(guī)中描述的試驗方法中采用的測試參數(shù)和條件。從執(zhí)行的分析得出以下結(jié)論：

有些試驗(例如，過充電、熱沖擊、外部火燒等)的測試條件(例如SOC，溫度)相當寬泛。這使得不同標準不具有獲得的數(shù)據(jù)的可能，參數(shù)的差異可能是由于標準制定者所考慮的場景不同。為了進行公平和等效的測試，建議將試驗的參數(shù)、條件等統(tǒng)一。由于最壞的情況通常對應于最大SOC，因此在這種情況下執(zhí)行相關試驗是合乎邏輯的。大多數(shù)標準已經(jīng)要求100%SOC，但是法規(guī)UN/ECE-R100.02：2013允許以不小于50%SOC進行測試。

還應注意電池單、體模塊和電池包的組件測試的可比性。例如，已證明短路測試中產(chǎn)生的初始電流受DUT的尺寸及其連接類型(即并行或串行)的影響。

單從電動汽車用鋰離子電池(電池單體、電池模塊、電池包或系統(tǒng))電氣安全和嚴苛環(huán)境測試要求來看，我國試驗標準的大部分測試要求是與歐盟法規(guī)相當或略高于歐盟法規(guī)的，但與國際標準相比可能還有差距。而且由于不同標準和法規(guī)要求的試驗條件不一致，使得相同試驗項目的試驗結(jié)果不具有可比性。