動(dòng)力鋰離子電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化綜述

陳志斌,王志遠(yuǎn),邵 丹,王德新

[1.佛山綠色發(fā)展創(chuàng)新研究院,廣東 佛山 528000; 2.廣州能源檢測(cè)研究院,廣東 廣州 511447;3.中氫綠源(廣東)科技有限公司,廣東 佛山 528010]

2021年,我國新能源汽車全年產(chǎn)銷分別完成354.5萬輛和352.1萬輛,同比均增長1.6倍[1],同時(shí)新能源汽車保有量也呈現(xiàn)快速增長的勢(shì)頭,但自燃、起火等安全事故也相應(yīng)增加。動(dòng)力電池是新能源汽車的“心臟”,其安全問題一直是新能源汽車行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作已成為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)工作之一。

動(dòng)力鋰離子電池使用壽命長、比能量高,是目前電動(dòng)汽車主要的動(dòng)力電池類型[2]。本文作者整理目前國內(nèi)外動(dòng)力鋰離子電池安全性能檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié),以期為完善動(dòng)力鋰離子電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體系提供借鑒和參考,提升我國新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品整體質(zhì)量和國際競(jìng)爭力。

1 國外動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

在國際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(huì)(IEC)等組織針對(duì)鋰離子電池、鉛酸電池、堿性蓄電池和燃料電池制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。美國、日韓及歐美等動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家和地區(qū),結(jié)合自身國情與產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,緊跟國際標(biāo)準(zhǔn),建立了適用于自身的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)體系。表1為部分國外動(dòng)力鋰離子電池的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 部分國外動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Parts of foreign testing standards of traction Li-ion battery

1.1 國際標(biāo)準(zhǔn)

ISO下轄各標(biāo)準(zhǔn)化組織中,道路車輛技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC22/SC37)負(fù)責(zé)制定電動(dòng)道路車輛、電力推進(jìn)系統(tǒng)、相關(guān)部件和車輛集成等方面的標(biāo)準(zhǔn),其中與動(dòng)力鋰離子電池安全檢測(cè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 12405-4:2018和ISO 6469-1:2019。

ISO 12405-4:2018整合并且替代了ISO 12405-1和ISO 12405-2,規(guī)定了用于純電動(dòng)汽車(BEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)和某些類型燃料電池汽車(FCV)的高功率或高能量應(yīng)用的電池組和系統(tǒng)的性能、可靠性和電氣功能等基本特性的測(cè)試程序,目的是為了整車廠供應(yīng)可選擇的測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試方法[3]。ISO 6469-1:2019整合并且替代了ISO 12405-3和ISO 6469-1:2009,規(guī)定了用于保護(hù)人員的電動(dòng)道路車輛的RESS的安全要求,為制造、維護(hù)和維修人員提供全面的安全信息[4]。

IEC下轄各標(biāo)準(zhǔn)化組織中,主要是由蓄電池和電池組技術(shù)委員會(huì)(IEC/TC21)負(fù)責(zé)電動(dòng)道路車輛鋰離子電池性能和安全標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。IEC/TC21和電動(dòng)道路車輛和電動(dòng)載貨車技術(shù)委員會(huì)(IEC/TC69)成立了JWG 69 Li聯(lián)合工作組,專注于車用鋰離子電池。IEC公布的車用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 62660-1、IEC 62660-2和IEC 62660-3。

IEC 62660系列標(biāo)準(zhǔn)第一部分規(guī)定了用于獲得車用鋰離子電池容量、功率密度、能量密度、存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命等基本特性的測(cè)試方法;第二部分規(guī)定了用于獲得車用鋰離子電池的可靠性和濫用行為基本數(shù)據(jù)的測(cè)試方法;第三部分規(guī)定了用于車用鋰離子動(dòng)力電池和電池組的安全性能的測(cè)試程序和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),旨在確定在電動(dòng)汽車正常運(yùn)行期間,電池組和系統(tǒng)中使用的電池在預(yù)期用途和合理可預(yù)見的誤用或事故中的基本安全性能[5-7]。

UN 38.3是指《聯(lián)合國危險(xiǎn)物品運(yùn)輸試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》的第3部分38.3款,是使用廣泛的電池安全測(cè)試方法,關(guān)注電池在運(yùn)輸過程中的安全要求,測(cè)試內(nèi)容包括熱測(cè)試、振動(dòng)、沖擊和外部短路等[8]。該標(biāo)準(zhǔn)在國際上被廣泛采納并引用,是國際上制定電池的航空、航海、公路、鐵路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。

1.2 美國標(biāo)準(zhǔn)

電池作為電氣產(chǎn)品的零部件進(jìn)入美國市場(chǎng),需要通過美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)認(rèn)證。目前,鋰電池UL認(rèn)證所采用的標(biāo)準(zhǔn)主要為UL 1642和UL 2054,分別針對(duì)鋰電池芯和鋰電池包。UL 1642的主要測(cè)試項(xiàng)目包括室溫短路測(cè)試、過充測(cè)試、擠壓測(cè)試、機(jī)械沖擊測(cè)試和振動(dòng)測(cè)試等[9]。UL 2054的測(cè)試項(xiàng)目主要包括電測(cè)試、機(jī)械測(cè)試、電池組外殼測(cè)試、跌落撞擊測(cè)試、250 N靜力測(cè)試、火烤測(cè)試和環(huán)境測(cè)試等[10]。UL 2580適用于電動(dòng)車輛用電池、電池包、電容系統(tǒng)、混合動(dòng)力系統(tǒng)以及子系統(tǒng)或模塊,主要用于評(píng)估電池的濫用可靠性和在濫用出現(xiàn)危害時(shí)對(duì)人員的保護(hù)能力[11]。

國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE)在汽車領(lǐng)域擁有龐大、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。SAE J1797通過對(duì)尺寸、端接、通風(fēng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用所需的其他特征的描述,提供了常見的電池設(shè)計(jì)和正確包裝電池模塊的指南[12]。SAE J1798為確定電動(dòng)汽車電池模塊的基本性能和電池模塊是否符合車輛制造商或其他購買者制定的最低性能規(guī)格,提供了常用的測(cè)試和驗(yàn)證方法[13]。SAE J2380是電動(dòng)汽車電池的振動(dòng)測(cè)試較經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)際車輛道路行駛的振動(dòng)載荷譜采集統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)依據(jù),測(cè)試方法更符合實(shí)際車輛的振動(dòng)情況,具有重要的參考價(jià)值[14]。SAE J2464是應(yīng)用于北美和全球地區(qū)的車用電池濫用測(cè)試手冊(cè),明確指出了每個(gè)測(cè)試項(xiàng)的適用范圍及要采集的數(shù)據(jù),也針對(duì)測(cè)試項(xiàng)目所需樣品數(shù)量給出了建議[15]。SAE J2929是SAE在總結(jié)之前頒布的各種動(dòng)力鋰電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上提出的安全性標(biāo)準(zhǔn),包括電動(dòng)汽車在行駛過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)情況測(cè)試和異常情況測(cè)試兩部分[16]。

2002年,美國政府成立了自由車(FreedomCAR)項(xiàng)目,頒發(fā)了DOE/ID-11069與SAND 2005-3123。SAND 2005-3123規(guī)定了一套模擬實(shí)際使用和濫用條件的完整的濫用測(cè)試,該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SAE J2464中提出的測(cè)試描述進(jìn)行了改進(jìn),包括對(duì)濫用測(cè)試的改編,以解決電動(dòng)汽車應(yīng)用和其他儲(chǔ)能技術(shù)(即電容器)的問題。DOE/ID-11069規(guī)定了一些測(cè)試來驗(yàn)證混合動(dòng)力電動(dòng)車用電池的性能和循環(huán)壽命等特性。這些測(cè)試方法直接應(yīng)用于完整的電池系統(tǒng),但大部分測(cè)試方法也可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于單體、電池模塊或低于全尺寸電池的測(cè)試[17-18]。

1.3 其他組織標(biāo)準(zhǔn)

日本國家標(biāo)準(zhǔn)局(JIS)的JISC 8715-2規(guī)定,道路車輛用電池優(yōu)先適用IEC 62660系列標(biāo)準(zhǔn)[19]。

進(jìn)入韓國市場(chǎng)的電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池沒有單品強(qiáng)制認(rèn)證需求,但需要在整車認(rèn)證時(shí),依據(jù)《韓國機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)》KMVSSArticle 18-3及測(cè)試規(guī)程KMVSSTP 48進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)目主要包括跌落測(cè)試、浸水測(cè)試、火燒測(cè)試、短路測(cè)試、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和高溫保護(hù)等[20]。

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)針對(duì)電動(dòng)汽車制定的具體要求ECE R100.02,整體上分為兩部分:第一部分對(duì)整車在電機(jī)防護(hù)、可再充電儲(chǔ)能系統(tǒng)、功能安全和氫氣排放等4個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)范;第二部分為增加的對(duì)可再充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠性作出的具體要求[21]。

2 國內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分標(biāo)委會(huì)(SAC/TC114/SC27)有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作組,分別負(fù)責(zé)動(dòng)力電池、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作。動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)工作組主要針對(duì)電池系統(tǒng)、電池包、電池管理系統(tǒng)(BMS)和充電接口等開展標(biāo)準(zhǔn)化工作,專注電池安全性能、電性能等,不關(guān)注電池材料、原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。表2為部分國內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 部分國內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Parts of domestic testing standards for traction Li-ion battery

GB/Z 18333.1和QC/T 743被行業(yè)內(nèi)廣泛使用,但都是針對(duì)單體和模塊級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用范圍較窄[22-23],且測(cè)試內(nèi)容已不適應(yīng)快速發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)的需求。GB/T 31484是專門針對(duì)循環(huán)壽命的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),單體和模塊采用標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命,電池包和系統(tǒng)采用工況循環(huán)壽命[24]。GB/T 31486是針對(duì)動(dòng)力電池電性能要求的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[25]。GB/T 31467系列參照了ISO 12405系列,適用于鋰離子動(dòng)力電池包或電池系統(tǒng)的高功率和高能量應(yīng)用測(cè)試[26-27]。

工業(yè)和信息化部組織制定的3項(xiàng)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18384、GB 38031和GB 38032已于2021年1月1日起開始實(shí)施。這3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)以原有的推薦性國標(biāo)作為藍(lán)本,對(duì)標(biāo)聯(lián)合國技術(shù)法規(guī) UN GTR No.20《電動(dòng)汽車安全全球技術(shù)法規(guī)》[31],與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌,提高和優(yōu)化了國內(nèi)對(duì)動(dòng)力電池及電動(dòng)汽車整車的安全技術(shù)要求。

GB 18384以國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),結(jié)合近幾年電動(dòng)汽車事故場(chǎng)景及檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn),在綜合考慮國內(nèi)使用工況的特殊性、行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平和技術(shù)路線的基礎(chǔ)上加以制定。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了電動(dòng)汽車的電氣安全和功能安全要求,增加了電池系統(tǒng)熱事件報(bào)警信號(hào)要求,可在第一時(shí)間給駕乘人員安全提醒;強(qiáng)化了整車防水、絕緣電阻及監(jiān)控要求,以降低車輛在正常使用、涉水等情況下的安全風(fēng)險(xiǎn);優(yōu)化了絕緣電阻、電容耦合等試驗(yàn)方法,以提高試驗(yàn)檢測(cè)精度,保障整車高壓電安全[28]。

GB 38031將GB/T 31485和GB/T 31467.3兩個(gè)分散的標(biāo)準(zhǔn)整合成一個(gè)試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)項(xiàng)目更為完整的國標(biāo),并且升級(jí)為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),對(duì)標(biāo)了IEC 62660-2、IEC 62660-3、ECE R100.02和UN GTR No.20等國際標(biāo)準(zhǔn)。GB 38031取消了模組測(cè)試、電池單體的跌落、低氣壓、針刺及電池包或系統(tǒng)的跌落的測(cè)試要求,而對(duì)電池單體的海水浸泡試驗(yàn)和電池系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)試驗(yàn),則由各企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況自行開展研究,并針對(duì)近幾年熱擴(kuò)散造成的多起重大安全事故及快充快放等大電流使用場(chǎng)景高風(fēng)險(xiǎn)性的情況,新增了熱擴(kuò)散和電池系統(tǒng)過流保護(hù)試驗(yàn),要求系統(tǒng)應(yīng)具有熱事件報(bào)警功能,在乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)前5min提供報(bào)警信號(hào),使GB 38031定位更加清晰合理,更好地與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌[29]。

GB 38032是根據(jù)工信部在2016年公布的《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》的實(shí)施情況,并充分借鑒已有的傳統(tǒng)客車標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)汽車整車與關(guān)鍵部件標(biāo)準(zhǔn)和最新的UN GTR No.20中關(guān)于電動(dòng)商用車的要求,從水塵防護(hù)、火災(zāi)防護(hù)、充電安全、碰撞安全和遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面綜合考慮,制定的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn),旨在加強(qiáng)電動(dòng)客車行業(yè)管理和提高產(chǎn)品安全要求[30]。

3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比與啟示

3.1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3.1.1 適用范圍

IEC 62660系列、GB/T 31484和GB/T 31486是針對(duì)電池單體和模塊級(jí)別的測(cè)試,UL 2580、SAE J2929、ISO 12405-4、GB 38031和GB/T 31467系列則適用于電池組和電池系統(tǒng)的測(cè)試。國外標(biāo)準(zhǔn)除了IEC 62660系列,其他基本都涉及電池組或系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試,SAE J2929及ECE R100.02提到了整車級(jí)別的測(cè)試。兩份強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18384和GB 38032與國際技術(shù)法規(guī)全面接軌,規(guī)定了電動(dòng)汽車整車級(jí)別的要求和測(cè)試方法,體現(xiàn)了我國電動(dòng)汽車行業(yè)的快速、高質(zhì)量發(fā)展。

3.1.2 測(cè)試項(xiàng)內(nèi)容

在電池包和電池系統(tǒng)的測(cè)試方面,不論是電性能還是可靠性,美國標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的測(cè)試項(xiàng)都最多。在電性能測(cè)試方面,DOE/ID-11069比其他標(biāo)準(zhǔn)多出的項(xiàng)目有混合脈沖功率特性(HPPC)、日歷壽命、參考性能、阻抗譜、模塊控制檢驗(yàn)測(cè)試、熱管理載荷和結(jié)合壽命驗(yàn)證的系統(tǒng)水平測(cè)試等。在可靠性方面,UL 2580比其他標(biāo)準(zhǔn)多出非平衡電池組充電、耐壓、絕緣、持續(xù)性試驗(yàn)和冷卻/加熱穩(wěn)定系統(tǒng)故障試驗(yàn)等項(xiàng)目,以及針對(duì)生產(chǎn)線上電池組零部件的安全測(cè)試和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的安全性要求。SAE J2929要求對(duì)電池系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行故障分析,并保存相關(guān)材料,包括易識(shí)別故障的改進(jìn)措施。

3.1.3 嚴(yán)格程度

關(guān)于相同的測(cè)試項(xiàng),不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試方法和判定準(zhǔn)則也不盡相同,如振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)時(shí)間、頻率范圍等要求在不同標(biāo)準(zhǔn)中有所差異。ECE R100.02中規(guī)定,在垂直方向進(jìn)行3 h正弦振動(dòng),頻率為7～50 Hz;ISO 6469-1中規(guī)定,三軸向共36 h隨機(jī)振動(dòng),頻率為5～200 Hz;GB 38031中規(guī)定,三軸向共39 h隨機(jī)及定向振動(dòng),頻率為5～200 Hz。比較發(fā)現(xiàn),ECE R100.02在振動(dòng)方向、頻率范圍、時(shí)間上的要求更低。對(duì)于測(cè)試樣品的荷電狀態(tài)(SOC),各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不盡相同,從20%到100%不等。

此外,在振動(dòng)測(cè)試中,ECE R100.02、ISO 6469-1和GB 38031均要求振動(dòng)后不漏液、不起火、不爆炸等;而 ECE R100.02特別提出,振動(dòng)后的樣品應(yīng)進(jìn)行一次充放電循環(huán)。這不僅要求電池在振動(dòng)中不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn),同時(shí)也考察電池振動(dòng)后的電性能,要求更高、更全面。

3.2 啟示

近年來,我國積極開展動(dòng)力電池的研究工作,動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn)化也取得長足的進(jìn)步,但與國外標(biāo)準(zhǔn)相比仍有差距,主要體現(xiàn)在以下方面:

結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)單一、扁平。目前的結(jié)果評(píng)價(jià)只有無泄漏、無外殼破裂、不起火和不爆炸等,較寬泛和單一,缺少可量化的評(píng)判體系。需要深入研究量化動(dòng)力電池安全性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法,建立并完善動(dòng)力電池安全性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。歐洲汽車研究與技術(shù)發(fā)展委員會(huì)(EUCAR)將電池的危害程度劃分成8個(gè)等級(jí),有一定的借鑒意義[32]。

標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍有待進(jìn)一步提高和系統(tǒng)化。目前,動(dòng)力電池生產(chǎn)環(huán)境方面的國家標(biāo)準(zhǔn)《動(dòng)力電池?cái)?shù)字化車間集成 第1部分:通用要求》正在制定;在動(dòng)力電池回收利用方面的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地制定完善中。國內(nèi)的動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)際制造、運(yùn)輸、應(yīng)用和維護(hù)等過程中的復(fù)雜性涉及較少,應(yīng)盡可能地考慮動(dòng)力電池整個(gè)生命周期的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,建立全生命周期下的安全性檢測(cè)方法[33]。

4 結(jié)語

對(duì)動(dòng)力電池安全性在全生命周期范圍內(nèi)進(jìn)行有限檢測(cè)和管理,對(duì)電動(dòng)汽車安全、可靠運(yùn)行以及動(dòng)力電池梯次利用等都具有重大意義?？紤]車輛實(shí)際使用工況,建立從單體到系統(tǒng)、覆蓋全生命周期的動(dòng)力電池安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體系,將有益于提升我國動(dòng)力電池及新能源汽車的安全性水平和國際競(jìng)爭力。