鋰離子儲能動力電池檢測標準技術(shù)研究

王偉雄

（浙江科正電子信息產(chǎn)品檢驗有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

當今世界， 實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展已成為共識。2016 年4 月，175 個國家在紐約聯(lián)合國大廈共同簽訂了《巴黎協(xié)定》，旨在推動減排行動，應對全球氣候變化。 2020 年9 月，中國在第75 屆聯(lián)合國大會上提出2030 年前碳達峰、2060 年前碳中和的目標。 為了達到這個目標，我國正在加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。2020 年中央經(jīng)濟工作會議也將“做好碳達峰、碳中和工作”作為2021 年重點任務之一，包括加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展新能源、完善能源消費雙控制度等。

隨著相關(guān)政策的落地和推動，各企業(yè)紛紛部署動力電池產(chǎn)線，鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池蓬勃發(fā)展。 這其中，鋰離子電池以其能量密度和功率密度較大、無記憶效應、自放電較小以及循環(huán)壽命長等特點而成為動力電池的主流選擇之一，廣泛應用于電動汽車、電動自行車。但近幾年電動汽車、電動自行車頻頻引發(fā)火災和爆炸事故，使人們對儲能動力電池應用的安全性提出了質(zhì)疑，這對儲能動力電池的行業(yè)未來發(fā)展形成了嚴峻挑戰(zhàn)，如何通過檢測、認證、監(jiān)管等手段保障儲能動力電池的安全性，也成為了一個重要的研究課題。

1 鋰離子電池的工作原理與基本性能

1.1 工作原理

如圖1 所示為鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖。鋰離子電池主要由電極、隔膜、電解液、IC 安全保護電路以及外殼五金件組成。

圖1 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the structure of a lithium-ion battery

正極的活性物質(zhì)一般采用鋰化合物， 如Li-CoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等。其導電極流體使用厚度為10~20μm 的電解鋁箔。 負極活性物質(zhì)為石墨層間化合物，一般為LiXC6或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳， 導電集流體使用厚度為7~15μm 的電解銅箔。隔膜為一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過，材質(zhì)為單層PE（聚乙烯）或三層復合PP（聚丙烯）+PE+PP，其厚度單層一般為16~20μm，三層一般為20~25μm。電解液為溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液，如LiPF6+PC/EC/DMC。 電池外殼及五金件包含鋁/鋼殼、蓋板、極耳、絕緣片、電池的正負極引出端。

鋰離子電池充電時， 電池的正極由鋰離子生成，生成的鋰離子從正極“游進”電解液里，通過電解液“穿過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，運動到負極，與早就通過外部電路到達負極的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應為：

負極上發(fā)生的反應為：

在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負極移動，依次進入石墨或焦炭C 組成的負極，在負極形成LiC 化合物。

鋰離子電池放電時， 電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路徑不同，電子從負極通過外部電路跑到正極；鋰離子Li+從負極“游進”電解液里，“穿過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，到達正極，與已經(jīng)到達正極的電子結(jié)合在一起。

1.2 基本性能

鋰離子電池的基本性能通常包括開路電壓、內(nèi)阻、工作電壓、充電電壓、電池容量、貯存性能和壽命等。

開路電壓：即兩極間所連接的外線路處于斷路時兩極間的電位差。由于正負極在電解液中不一定處于熱力學平衡狀態(tài)，因此電池的開路電壓不一定等于電動勢，通常會比電動勢小。 開路電壓越接近電動勢，電池特性越好。

內(nèi)阻： 即電流通過電池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆電阻和電化學反應時極化所引起的電阻，即極化電阻。 由于電池內(nèi)阻的存在，電池放電時的工作電壓總是小于電池電動勢或工作電壓，內(nèi)阻越小，電池的效率就越高。

工作電壓：又稱放點電壓或負載電壓，是指電池在放電時兩端的電壓，也可以說是電池通過外線路時，電池兩極之間的電位差。 工作電壓是真正用于帶動負載的電壓。

電池放電：由于負載特性不同，電池放電時基本上有兩種工作方式，一種是恒電流放電，另一種是恒電阻放電。 恒電流放電時，工作電壓隨著放電時間的延長而下降。 恒電阻放電時，電池的工作電壓和放電電流均隨著放電時間的延長而下降，對于一次電池，經(jīng)常用恒電阻進行放電；

充電電壓：即二次電池在充電時，外電源加在電池兩端的電壓。充電的基本方法有恒電流充電和恒電壓充電。 一般采用恒電流充電，其特點是在充電過程中，充電電流恒定不變。隨著充電的進行，活性炭物質(zhì)被恢復，電極反應面積不斷縮小，電極的極化逐漸增高。

電池容量：即從電池獲得電量的值，常用C 表示，常用單位為Ah 或mAh。 容量是電池的主要指標，電池的容量通常分為理論容量、實際容量和額定容量。 電池的容量由電極的容量決定，若電極的容量不相等， 電池的容量取決于容量小的那個電極，絕不是正負極容量之和。

貯存性能和壽命： 化學電源的主要特點之一就是在使用時能夠放出電能， 在不使用時能夠貯存電能，所謂貯存性能是指電池在開路時，在一定條件下容量自行降低的現(xiàn)象， 這一現(xiàn)象也稱為自放電，對于二次電池來說，貯存性能也稱為充電保持能力。

以上描述的是單個電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，而電動汽車的電池包一般是將這些電池先并聯(lián)后串聯(lián)，既保證了容量，又提高了電壓。

2 鋰離子儲能動力電池的技術(shù)指標設計

一般來說，鋰會嵌入到層間結(jié)構(gòu)中，然而由于生長的不確定性，鋰可能生長在電極表面，生長層具有像分支一樣的刺狀結(jié)構(gòu)，會破壞電池內(nèi)部的隔膜，導致電池內(nèi)部短路和電池爆炸。 這就需要設計各種保護措施，并通過試驗加以驗證，才能保障使用的安全性。同時，由于電池包中有許多控制電路，會與眾多電子產(chǎn)品一樣會產(chǎn)生電磁兼容問題，特別是在汽車電子化率越來越高的情況下，這個問題顯得越來越突出，是另一種“安全”問題。 以電動車使用的鋰離子儲能動力電池（電池包）為例，其技術(shù)指標至少應包括機械環(huán)境試驗、氣候環(huán)境試驗、保護功能試驗、電磁兼容試驗等方面的要求。

2.1 機械環(huán)境試驗技術(shù)要求

汽車在行駛過程中可能會遇到下列情況，從而設計出對應的試驗要求。

2.1.1 振動試驗

因為路況的原因而受到不具備規(guī)律性的、各個方向的顛簸，電池包作為汽車的部件，也會受到同樣的顛簸。如圖2 所示，設計X、Y、Z 三方向隨機振動試驗，模擬受到各個方向顛簸的情形。

圖2 典型的電池包振動測試條件Figure 2 Typical battery pack vibration test conditions

2.1.2 沖擊和碰撞試驗

汽車行駛難免會發(fā)生交通事故， 一旦發(fā)生，汽車會受到來自各個方向的沖擊和碰撞，這些力同樣會傳遞到電池包。 因此，應設計沖擊和碰撞試驗參數(shù)，模擬電池包受到撞擊時的情形。 如表1 所示為典型的機械沖擊試驗參數(shù)。

表1 典型的機械沖擊試驗參數(shù)Table 1 Typical mechanical shock test parameters

2.1.3 擠壓試驗

電池包在汽車內(nèi)，在狹小的空間內(nèi)，可能會受到擠壓而變形，從而改變原先的結(jié)構(gòu)，有可能產(chǎn)生起火或爆炸。 設計各種形式的擠壓試驗參數(shù)，模擬電池包受到外力作用的擠壓。

2.2 氣候環(huán)境試驗技術(shù)要求

我國幅員遼闊， 東西南北地勢、 氣候差異巨大，且汽車本身就是交通工具，不像空調(diào)那樣在南方使用可以買地域適應性產(chǎn)品 （如單冷空調(diào)），因此汽車（包含電池包）必須滿足各種地域和氣候的使用條件。

2.2.1 濕熱循環(huán)試驗

模擬南方地區(qū)的高溫高濕、華東地區(qū)的黃梅雨季。 如圖3 所示是典型的溫濕度循環(huán)參數(shù)。

圖3 典型的溫濕度循環(huán)參數(shù)Figure 3 Typical temperature and humidity cycle parameters

2.2.2 浸水試驗

模擬臺風暴雨、內(nèi)澇等狀況的發(fā)生。

2.2.3 溫度沖擊試驗

在北方的冬天，汽車會在極短的時間內(nèi)從室內(nèi)駛出室外，進入-50℃的冰天雪地；在海南的夏天，汽車也會從室外60℃暴曬直接進入了有空調(diào)的地庫，這些都給汽車（電池包）帶來了溫度沖擊，短時間巨大的溫差會給電池包帶來性能變化和安全隱患。

2.2.4 鹽霧試驗

汽車行駛在海邊，在承受海風的同時，還在承受海風中夾帶的鹽霧， 而鹽霧又有強烈的腐蝕性，如果沒有采取對應措施，隨著腐蝕的滲透，產(chǎn)品的安全性和性能將大大降低。

2.2.5 高海拔試驗

也稱之為真空試驗，即模擬汽車在我國西部地區(qū)如云南、 西藏等高海拔地區(qū)行駛遇到的真空問題。 電池中有電解液，汽車從低海拔駛?cè)敫吆０蔚貐^(qū)時，內(nèi)外會產(chǎn)生壓力差，會“膨脹”，如果設計不合理，就會產(chǎn)生“鼓包”、“滲漏”乃至“炸裂”等極其嚴重的問題。 在我國的國家標準中規(guī)定，汽車動力電池包至少要適應4000 米海拔的高度帶來的真空環(huán)境。

2.2.6 熱穩(wěn)定試驗

汽車行駛因碰撞、事故等，有可能會引起著火，引起電池包在高溫下灼燒。此時作為儲能的電池包是不允許出現(xiàn)爆炸而導致司乘人員受到二次傷害。因此，設計熱穩(wěn)定性試驗，正是為了杜絕這樣的災難發(fā)生。 如圖4 所示是典型的熱穩(wěn)定性試驗示意圖。

圖4 典型的熱穩(wěn)定性試驗示意圖

2.3 保護功能試驗技術(shù)要求

電池包作為一個儲能電子產(chǎn)品，因受到各種使用環(huán)境、部件故障、負載異常等情況，如果沒有保護控制裝置，將會難以預防各種安全問題，如泄漏、外殼破裂、起火、爆炸，或者觸發(fā)異常終止。 這些保護控制裝置至少包括過溫保護試驗、 過流保護試驗、外部短路保護試驗、過充電保護試驗、過放電保護試驗等。

2.4 電磁兼容試驗技術(shù)要求

一輛純電動汽車，除了玻璃、輪胎、座椅、內(nèi)飾件外，剩余的全是電子產(chǎn)品。 隨著汽車電子化率越來越高，汽車已經(jīng)成為名副其實的電子產(chǎn)品，其電磁兼容性已經(jīng)不可忽視，并已成為能否安全駕駛的一個重要因素，如車與車之間的電磁干擾、高壓線干擾、汽車電機電控帶來的干擾等。 電池包作為有諸多保護控制電路的產(chǎn)品，同樣要重視其電磁兼容指標。

2.4.1 輻射發(fā)射試驗

電池包工作時會產(chǎn)生空間輻射干擾，作為電子產(chǎn)品，這一干擾不可避免，但如果這一干擾超過標準，就會干擾其他電子產(chǎn)品的正常工作。 輻射發(fā)射試驗的目的是檢測電池包通過空間方式發(fā)射騷擾的大小，模擬同一空間內(nèi)的其他零部件接收產(chǎn)品空間騷擾，控制產(chǎn)品騷擾不能超過一定的限值，不能影響到同一空間內(nèi)其他零部件的功能狀態(tài)。

2.4.2 傳導發(fā)射試驗

一是電壓法試驗，目的是檢測電池包電源線上產(chǎn)生的傳導發(fā)射騷擾的大小，模擬實車上并聯(lián)使用同一電源的其他零部件接收到產(chǎn)品在電源線上的傳導騷擾，控制產(chǎn)品的傳導騷擾不能超過一定的限值和不能影響到其他零部件的功能狀態(tài)。

二是電流法試驗， 目的是檢測電池包線束對于大電流耦合情況下的抗干擾能力大小， 模擬實車情況下產(chǎn)品線束被附近其他大電流零部件的線束各種耦合干擾，控制產(chǎn)品對于大電流耦合干擾抗擾能力的大小，確保產(chǎn)品在實車情況下可以正常工作。

2.4.3 輻射抗擾度試驗

目的是檢測電池包的空間抗干擾能力（電場），模擬實車或者特定環(huán)境中的被各種場強干擾，控制產(chǎn)品抗場強干擾能力的大小，確保產(chǎn)品在實車或者特殊環(huán)境下可以正常工作。

2.4.4 靜電放電抗擾度試驗

目的是檢測電池包在各種靜電強度影響下的靜電抗擾能力，模擬產(chǎn)品在搬運、安裝、調(diào)試及實車情況下正常使用時的觸碰導致的各種靜電干擾，控制產(chǎn)品的靜電抗擾能力，確保電池包可以在各種情況下正常工作。

2.4.5 瞬態(tài)傳導發(fā)射試驗

目的是檢測電池包在電源線上的瞬態(tài)電壓變化，模擬實車時電池包的瞬間開啟和關(guān)閉等操作時引起的電源線上的電壓瞬間較大變化，控制瞬態(tài)電壓變化不能超過一定的限值，不能影響到實車其他零部件的正常功能。

2.4.6 大電流注入試驗

目的是檢測電池包線束對于大電流耦合情況下的抗干擾能力大小，模擬實車情況下電池包線束被附近其他大電流零部件的線束各種耦合干擾，控制電池包對于大電流耦合干擾抗擾能力的大小，確保電池包在實車情況下可以正常工作。

3 結(jié)語

無論是汽車還是電動自行車， 頻頻發(fā)生的燃燒、爆炸事故，已經(jīng)使得電池包的安全問題備受關(guān)注。充分了解電池的特性、使用場景，以設計具有針對性的技術(shù)指標要求，通過試驗加以驗證，是未來電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。