《服務機器人用鋰離子電池和電池組 通用規(guī)范》行標淺析

邢 琳 史運偉

( 1上海電器科學研究所（集團）有限公司，上海，200063；2上海電器科學研究院，上海，200063；3上海機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，上海，200063)

0 引言

伴隨人工智能、新型傳感技術(shù)的快速發(fā)展，服務機器人產(chǎn)品種類、性能日益豐富，2019年我國服務機器人產(chǎn)量已達到346萬套，同比增長38.9%。與此同時，服務機器人的性能及安全也越來越引起人們的關注。2018年12月，美國無人配送機器人突然起火自燃，事故原因是電池故障：電池發(fā)生熱失控并引起機器人自燃，電池安全性由此愈發(fā)引起人們重視。

電池是服務機器人的核心零部件，伴隨電池技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池因其能量密度高、使用壽命較長和綠色環(huán)保的特點，已成為服務機器人的能量提供首選。電池的性能特性和安全特性直接影響服務機器人的推廣和應用。目前電池國際常用標準主要有針對便攜式電子產(chǎn)品用電池和電池組IEC62133-1:2017、IEC62133-2:2017、UN38.3，國內(nèi)主要是GB31241《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》，專門針對服務機器人用電池和電池組的標準尚處于缺失狀態(tài)，無法滿足服務機器人行業(yè)快速發(fā)展的需求?；诖耍瑖覚C器人檢測與評定中心掛靠單位牽頭組織行業(yè)相關單位，起草了《服務機器人用鋰離子電池和電池組通用規(guī)范》行業(yè)標準，以下簡稱《通用規(guī)范》，現(xiàn)已報批。本文就該標準主要技術(shù)內(nèi)容進行解讀。

1 服務機器人的分類和應用

國際ISO/TC299定義了服務機器人，即除工業(yè)自動化應用外，能為人類或設備完成有用任務的機器人。在我國，國家標準化管理委員會、國家發(fā)展和改革委員會、科學技術(shù)部、工業(yè)和信息化部印發(fā)《國家機器人標準體系建設指南》，將服務機器人分為個人/家用服務機器人、公共服務機器人和特種作業(yè)服務機器人。

在國內(nèi)市場，服務機器人已經(jīng)滲透至各行各業(yè)。在家用工具型服務機器人方面，家用掃地機器人早已被大眾所接受和使用。在醫(yī)療領域內(nèi)，機器人和醫(yī)療領域的結(jié)合也日漸緊密，為醫(yī)療水平的提高提供了充足的動力。此外，物流快遞行業(yè)也有服務機器人的身影，智能配送車、智能配送無人機已經(jīng)逐漸走入人們視野，服務機器人行業(yè)迎來空前的發(fā)展機會。

2 標準適用范圍

《通用規(guī)范》規(guī)定了服務機器人用鋰離子電池及電池組的術(shù)語和定義、要求、試驗方法，但未包含特種作業(yè)機器人用鋰離子電池和電池組，根據(jù)用途和使用環(huán)境其應具有附加要求。

《通用規(guī)范》規(guī)定的試驗適用于用戶可更換型電池組和非用戶可更換型電池組及其組成電池。如果在標準內(nèi)容約定的某一類電池或電池組因為產(chǎn)品的設計、結(jié)構(gòu)、功能上的制約而明確對該產(chǎn)品的試驗不適用時，可不進行該試驗。

3 服務機器人電池的基本測試要求

《通用規(guī)范》中規(guī)定的服務機器人電池的試驗環(huán)境、測量參數(shù)公差、溫度測量方法、樣品要求、樣品預處理要求、模擬故障或異常工作條件與GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求》相同。

《通用規(guī)范》明確了測試的充放電程序，推薦采取下列方式之一進行：

1）制造商規(guī)定的方法；

2）以 0.2ItA 充電，當電池或電池組端電壓達到充電限制電壓（Ucl）時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于 0.02ItA，停止充電。

需要注意的是，在充電前電池或電池組先以推薦放電電流（Icr）進行恒流放電至放電終止電壓（Ude），并靜置10 min。

優(yōu)先推薦采用方法 1）。

4 服務機器人電池安全性要求

服務機器人的電池安全性問題可以分為：電安全、外部環(huán)境引起的安全、熱濫用等，共11項測試項目。

4.1 電安全相關項目

服務機器人用電池電安全相關項目重點考核高溫外部短路、過充電、強制放電三個項目，測試要求試后電池應不起火、不爆炸。

4.1.1 高溫外部短路

本項目旨在考核電池在充滿電后，外部達到高溫條件時，在外接電阻不大于20 mΩ條件下用導線連接電池正負極端開始放電的過程中、過程后電池的安全性。

試驗的高溫要求為57 ℃±4 ℃，試驗過程中監(jiān)測電池溫度變化，當出現(xiàn)以下兩種情形之一時，試驗終止。

1）電池溫度下降值達到溫度最大值的20%；

2）短接時間達到24 h。

當有爭議時，1）和2）選較嚴者。

4.1.2 過充電

本項目旨在考核電池在電池經(jīng)受過充電條件下的安全性，過充電試驗電壓見表2。

表2 過充電試驗電壓

測試步驟如下：

1）電池以推薦放電電流（Icr）進行恒流放電至放電終止電壓（Ude）；

2）用最大充電電流（Icm）恒流充電至表1的試驗電壓，然后以該電壓值恒壓充電。

表1 服務機器人電池安全要求測試項目

3）試驗過程中監(jiān)測電池溫度變化，當出現(xiàn)以下兩種情形之一時，試驗終止：

a)電池持續(xù)充電時間達到7 h或制造商定義充電時間中較大值；

b)電池溫度下降值達到溫度最大值的20%。

需要注意的是，當有爭議時，a）和b）選較嚴者。

4.1.3 強制放電

強制放電項目是以強制還原正負極材料或者正負極集流體的形式，完成電荷轉(zhuǎn)移和電子平衡，對電池是不可逆的破壞性的一種安全測試，目的是檢驗極端情況下的電池安全狀況。

測試步驟：

1）電池以推薦放電電流（Icr）進行恒流放電至放電終止電壓（Ude）；

2）以1It電流進行反向充電至負的充電上限電壓，反向充電時間共計90 min。

如果在反向充電90 min內(nèi)，電壓達到負的電池充電上限電壓，應當通過減小電流保持該電壓繼續(xù)進行反向充電，反向充電共計90 min后終止試驗，如圖1情況1所示。

如果在反向充電90min內(nèi)，電壓未達到負的電池充電上限電壓，則反向充電共計90min后終止試驗，如圖1情況2所示。

圖1 強制放電示意圖

需要注意的是，圖1中的線僅作示例，實際情況（除水平線部分）不一定是線性或直的。

4.2 外部環(huán)境引起的安全項

根據(jù)UN38.3國際航協(xié)《危險物品規(guī)則》的相關規(guī)定,該行標設定了低氣壓、溫度循環(huán)、振動、加速度沖擊、跌落、擠壓、重物沖擊，共7項測試項目，且試驗要求與國際要求保持一致。

4.3 熱濫用安全

當在熱沖擊、過充、過放、短路等濫用狀態(tài)下，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液等組分間將發(fā)生電化學反應，引起電解液的分解，產(chǎn)生大量的熱量與可燃性氣體，當積累到一定程度就會引起電池的著火、爆炸。

在進行該項測試時，先將電池充滿電，再將電池放入防爆試驗箱中。試驗箱以（5±2） ℃/min的溫升速率進行升溫，當箱內(nèi)溫度達到130 ℃±2 ℃后恒溫，并持續(xù)1 h，要求電池不起火、不爆炸。

5 服務機器人電池/電池組性能要求

電池是服務機器人的能量來源，直接影響服務機器人的動力性能、續(xù)航能力，間接影響工作周期，基于目前的技術(shù)水平，行標對服務機器人的電池性能從初始容量、高溫容量、低溫容量、倍率放電、荷電保持能力、容量回復能力、循環(huán)壽命、內(nèi)阻等7個項目規(guī)定了測試方法和測試要求，其中容量回復能力、循環(huán)壽命、內(nèi)阻測試的測試方法與QB/T 2502-2000《鋰離子蓄電池總規(guī)范》相同，本文不展開介紹。

5.1 初始容量

電池的初始容量是服務機器人中性能續(xù)航的標稱值，電池和電池組的初始容量不應低于制造商標定的額定容量。

電池和電池組的初始容量測試方法如下：

1）按照《通用規(guī)范》充電要求充滿電，在23 ℃±2 ℃的環(huán)境溫度下擱置1 h;

2）在23 ℃±2 ℃的環(huán)境溫度下以0.2ItA恒流放電至放電終止電壓，測量放電容量。

步驟1）、2）共進行3次，取3次測量得到的最小值。

5.2 高溫容量

基于電池的運行環(huán)境和服務機器人結(jié)構(gòu)考慮，行標高溫容量的考慮溫度為55℃或制造商推薦的最高放電溫度取較低值。

測試時，電池/電池組充滿電后在55 ℃或制造商推薦的最高放電溫度下擱置2 h后，以0.2ItA恒流放電至放電終止電壓，測量放電容量。要求電池高溫放電容量不應低于初始容量的98%，電池組高溫放電容量不應低于初始容量的95%。

值得注意的是，基于目前電池的技術(shù)水平，高溫容量測試的溫度最高為55 ℃，如制造商聲明的最高放電溫度較低，則應使用制造商推薦的溫度。

5.3 低溫容量

考慮到服務機器人使用地域及場景不同，低溫下服務機器人具備良好性能是其基本要求之一，因此考量電池及電池組低溫容量性能十分必要。

測試時，先將電池或電池組充滿電，然后在環(huán)境溫度為-10 ℃±2 ℃的低溫箱中放置4 h，再以0.2It電流放電至終止電壓，測量放電容量，要求電池的低溫放電容量不應低于其初始放電容量的70%，電池組低溫放電容量不應低于其初始放電容量的65%。

5.4 倍率放電

鋰離子電池的充放電倍率，是衡量電池性能的一項關鍵指標。

行標規(guī)定，電池或電池組充電停止后,擱置0.5h～1h，在20 ℃±5 ℃的環(huán)境溫度下以其最大放電電流（Idm）放電至終止電壓，要求其放電容量不應低于制造商聲明的倍率放電容量。

5.5 荷電保持能力

此項目主要考查長時間待機時，電池和電池組的荷電保持能力。

測試時，先將充滿的電池/電池組在20 ℃±5 ℃的環(huán)境溫度下儲存28天，然后在23 ℃±2 ℃的環(huán)境溫度下擱置1 h，再以0.2ItA的電流恒流放電至放電終止電壓，測量放電容量，要求放電容量不應低于初始放電容量的90%。

6 電池組及一致性要求

由于電池組是由任意數(shù)量的鋰離子電池組合而成且準備使用的組合體，該組合體包含保護電路，還可能含有封裝材料、連接器、保護器件等。因此，行標對電池組增加了過壓充電保護、欠壓放電保護、過流充電保護、過載保護、高溫保護、短路保護等測試項目。

值得一提的是，對于電池組，帶BMS的電池充放電后可能會存在靜電，因此每個項目試驗前，樣品預處理后還應按GB/T 17626.2的規(guī)定對電池組每個端子或者電路板的輸出端子進行4 kV接觸放電測試（±4 kV各10次）和8 kV空氣放電測試（±8 kV各10次）。

《通用規(guī)范》發(fā)布后將作為服務機器人用鋰電池和電池組的型式試驗的依據(jù)，因此其還對電池或電池組每一節(jié)電池或電池并聯(lián)塊的一致性提出了要求，并規(guī)定了單級電池過充保護、單級電池過放保護測試方法及要求。

7 總結(jié)

目前我國服務機器人主要使用鋰離子電池和電池組，以外購為主。還有服務機器人應用場景需求層出不窮，國內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)日益增多，但是國內(nèi)服務機器人制造商規(guī)模小，電池作為其主要零部件目前仍屬于賣方市場?！锻ㄓ靡?guī)范》作為行業(yè)標準為服務機器人電池/電池組提供了測試依據(jù)，有利于推動服務機器人行業(yè)的推廣和應用。